CN109694983B

CN109694983B - 一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法

Info

Publication number: CN109694983B
Application number: CN201710983211.5A
Authority: CN
Inventors: 范刘群; 赵坦; 李云; 石锋涛; 渠秀娟; 冯丹竹; 李广龙
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN109694983A

Abstract

本发明公开一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法。钢中含有，C：0.32％～0.46％；Si：0.4％～1.2％；Mn：0.4％～0.8％；P≤0.020％；S≤0.040％；Cr：10.8％～12.8％；Cu：0.3％～1.2％；Ni：0.5％～1.0％；Nb：0.15％～0.25％；N：0.01％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。钢坯料装炉后在200～500℃预热后升温，预热时间≥2h，加热温度1250～1280℃，均热时间4～6h，开轧温度≥1100℃，终轧温度840～880℃；轧后空冷至100～300℃。一次回火温度610～650℃，保温时间3.4～6.5min/mm，二次回火温度540～580℃，保温时间3.4～5.5min/mm。生产的模具钢具有优良的耐腐蚀性和表面性能。

Description

一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法

技术领域

本发明属于黑色金属材料，特别涉及高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法。

背景技术

塑料制品具有成本低、可塑性强等优点，在国民经济生活中应用广泛。塑料制品通常采用压塑、挤塑、注塑、吹塑等工艺在塑料模具中进行热成型。其中，聚氯乙烯、聚丙烯、ABS、EVA、聚氨酯等材料在热熔融状态下会分解生成大量酸性气体，对模具钢表面造成严重锈蚀，大大降低了模具的使用寿命及产品合格率。因而，对于此类产品，要求模具钢应具有较强的耐腐蚀性能。与此同时，塑料模具产业的飞速发展对模具钢的纯净度、抛光性能、细晶组织及均质化等也提出了更高的要求。

马氏体不锈钢主要为Cr含量在12％～18％范围内的低碳或中高碳钢，以40Cr13为代表的马氏体不锈钢具备高强度及一定的耐腐蚀性能，常用来制造机器零件，如蒸汽涡轮的叶片、蒸汽装备的轴和拉杆，以及在腐蚀介质中工作的零件，如阀门、螺栓等，如今已被广泛应用于机械制造、交通运输、医疗器械及家用刀具等领域，也是耐蚀塑料模具钢最具代表性的钢种。40Cr13钢因合金元素含量较高，钢的相变应力较大，极易产生裂纹。另外，由于40Cr13钢中C、Cr含量较高，易生成大量共晶碳化物，并存在碳化物分布不均匀、带状偏析严重，从而无法获得优异的抛光性能、耐腐蚀性能及均匀的截面硬度。目前，国内外较专业的模具钢生产线一般采用模铸+电渣重熔+高温扩散退火+(轧制)锻造+球化退火方式生产40Cr13，工序复杂且成材率较低。

目前公开的耐腐蚀塑料模具钢专利较多。CN101967608A公开了一种含氮耐腐蚀模具钢，其化学成分为：C：0.20％～0.40％，Si：0.5％～0.8％，Mn：0.5％～0.7％，P﹤0.020％，S﹤0.005％，Cr：13.0％～17.0％，Mo：0.8％～1.5％，N：0.08％～0.30％，Ni：0.1％～0.3％，余量为Fe。通过添加0.08％～0.30％的N，以求减少马氏体不锈钢中的碳化物，在保证硬度的前提下，提高钢的耐腐蚀性能，但在实际生产中，N会导致钢中出现针眼状缺陷，且对耐腐蚀性能的提高极为有限。

CN103255343A公开了一种含Sn的马氏体不锈钢，其化学成分为：C：0.15％～0.40％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，P≤0.040％，S≤0.010％，Cr：12.0％～14.0％，N：0.05％～0.12％，Sn：0.10％～0.30％，余量为Fe。Sn的添加可以提高钢的耐腐蚀性能，但由于添加量较少，并不能解决合金碳化物严重的问题，而且Sn的添加将使钢的热加工性能变差，易造成钢板边裂。

CN102796959A公开了一种耐腐蚀马氏体模具钢，其化学成分为：C：0.16％～0.24％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，P﹤0.015％，S﹤0.005％，Cr：12.0％～12.6％，N：0.13％～0.20％，Ta：0.03％～0.08％，C+N＝0.30％～0.37％，余量为Fe，并采取电渣重熔+锻造的方式改善钢中共晶碳化物，但存在工序复杂、生产效率较低及成本较高等缺点。

发明内容

本发明提供了一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法，通过优化化学成分，采用EAF+AOD+LF精炼、全程保护浇注、高温低速大压下轧制、控制轧制温度及轧后冷却工艺等多种技术手段，改善钢材共晶碳化物，降低开裂风险，保证良好的耐腐蚀性、组织硬度均匀性及抛光性，并且简化工序，提高生产效率。

本发明提供的一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法，可以解决现有技术存在的问题，具体的技术方案是：

塑料模具用钢的化学成分重量百分比为：C：0.32％～0.46％；Si：0.4％～1.2％；Mn：0.4％～0.8％；P≤0.020％；S≤0.040％；Cr：10.8％～12.8％；Cu：0.3％～1.2％；Ni：0.5％～1.0％；Nb：0.15％～0.25％；余量为Fe和不可避免的杂质，其中，钢中的气体含量为：[N]：0.01％～0.03％。

采用上述成分设计理由如下：

C：C是保证模具钢硬度的重要元素，且适量的C可与Cr形成碳化物，增强模具钢的耐磨性能，但C含量过高会造成合金碳化物偏聚长大，大幅降低钢的耐腐蚀性能，增加钢的开裂倾向。因此本发明控制钢中C含量在0.32％～0.46％范围内。

Si：适量的Si有利于钢的脱氧，但是，过高的Si含量会引起组织偏析，降低钢的韧性及切削加工性，因此，本发明实际的Si含量控制为0.4％～1.2％。

Mn：Mn不仅可以提高钢的强度，而且可以降低奥氏体转变温度，提高钢的淬透性，但Mn含量过高会使钢中晶粒粗化，增加钢的回火脆性。因此本发明将钢中的Mn含量控制在0.4％～0.8％。

P：通常情况下，P易造成成分偏析，同时增加钢的冷脆性，因此本发明将钢中的P含量控制为≤0.020％。

S：S在通常情况下也是有害元素，会使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，也易于在钢中形成硫化物夹杂，同时加剧中心偏析、疏松等缺陷的产生，因此本发明将钢中的S含量控制为≤0.040％。

Cr：Cr是保证马氏体不锈钢优良耐蚀性能的重要元素，与C结合形成的碳化物可增强钢的耐磨性能，但Cr含量过高会造成钢中成分偏析，增大钢的开裂倾向，因此本发明控制钢中Cr含量为10.8％～12.8％。

Cu：Cu可提高奥氏体稳定度，另外，Cu可在钢中形成一层致密的CuO锈层，有效增强钢板内部对腐蚀介质的耐腐蚀能力，但是Cu过量会导致铜脆现象发生，因此本发明控制钢中Cu含量为0.3％～1.2％。

Ni：Ni的添加使铬不锈钢变为铬镍不锈钢，改善钢的韧性，降低钢的开裂倾向。因此，本发明钢中Ni含量在0.5％～1.0％。

Nb：Nb可消除Cr的晶间偏析，可以与C生成少量细小、分布均匀的NbC，抑制动态再结晶，细化晶粒，改善钢的强韧性，且加Nb还可提高钢的抗腐蚀能力。因此，本发明控制钢中Nb含量在0.15％～0.25％。

N：N可抑制Cr的偏析，改善钢的耐腐蚀性能，但是N易与合金元素生产化合物，形成非金属夹杂物。另外，本发明中因Mn的添加量较少，N极易在凝固时逸出造成钢材针状气孔缺陷出现。本发明要求控制钢中N含量在0.01％～0.03％。

本发明还提供了一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢的制造方法，钢板的生产工艺为：EAF熔炼、炉外精炼、铸造、预热、加热、轧制、回火处理。其主要工艺包括：

按上述的合金元素配比进行废钢配料，并添加碳粉、硅铁等经EAF熔炼；再经AOD、LF精炼；随后在惰性气体保护下进行铸造，制成钢锭。

为避免表面开裂，坯料装炉后需在200～500℃预热后再升温，预热时间不小于2h，轧制板坯目标加热温度1250～1280℃，均热时间4～6h，以使合金元素充分扩散。坯料出炉后迅速至除鳞机去除氧化铁皮；开轧温度不小于1100℃，终轧温度840～880℃，以消除大颗粒共晶碳化物；钢板轧后空冷至100～300℃，之后立即入炉进行两次回火处理，以免发生空淬开裂现象，一次回火温度610～650℃，一次回火保温时间3.4～6.5min/mm，一次回火后冷却至室温再进行第二次回火，二次回火温度540～580℃，二次回火保温时间3.4～5.5min/mm。

有益效果：

本发明提供了一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法。与现有技术相比，有益效果如下：

(1)添加Ni、Cu、Nb等元素，同时适当降低Cr含量，从而减少了Cr的碳化物聚集长大，改善成分偏析现象，降低钢的开裂倾向，且保证钢的耐腐蚀性能。另外，将N元素控制在一个严格的区间范围内，进一步提高了钢质纯净度，降低开裂风险。

(2)本发明通过优化合金成分设计，配合适当的加热、热轧及回火工艺生产马氏体不锈钢，避免进行电渣重熔、高温扩散退火、锻造及淬火处理等工序，在保证质量的前提下，节约了模具钢制造成本，缩短了制造周期。

(3)本发明钢种截面硬度均匀性较高，同板截面硬度差值不超过3HRC，抛光后表面粗糙度Ra＜0.010μm，达到高镜面模具钢表面粗糙度要求，可直接用于制模加工。

(4)本发明钢种室温组织为均匀的回火索氏体，具有良好的综合力学性能。

附图说明

图1为实施例5的组织图，图中组织为细小的回火索氏体，碳化物分布弥散均匀。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为实施例钢和对比例钢的化学成分，按照表1中的合金元素配比进行废钢配料，并添加碳粉、硅铁等经EAF熔炼；再经AOD、LF精炼；随后在惰性气体保护下进行铸造，制成钢锭；钢锭经加热轧制成46mm厚钢板并热处理。表2为实施例钢和对比例钢工艺参数；表3为实施例钢和对比例钢腐蚀速率、表面粗糙度及硬度测试结果。

对比例钢采用市面上常见的3种耐腐蚀塑料模具钢40Cr13与实施例钢进行对比。

表1实施例钢和对比例钢的冶炼化学成分，wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Nb	N
											1	0.46	0.4	0.4	0.015	0.025	10.8	1.0	1.2	0.15	0.029
2	0.32	1.2	0.6	0.020	0.030	12.8	0.5	0.3	0.18	0.018
											3	0.38	1.0	0.5	0.020	0.023	11.0	0.8	0.6	0.25	0.010
4	0.40	0.5	0.8	0.018	0.040	12.0	0.9	1.0	0.22	0.016
											5	0.35	0.8	0.7	0.018	0.033	11.4	0.6	0.7	0.17	0.026
对比例1	0.43	0.8	0.7	0.030	0.030	13.6	0.3	-	-	0.067
											对比例2	0.35	0.6	0.8	0.030	0.030	13.2	-	0.20	-	0.120
对比例3	0.38	0.5	0.8	0.035	0.030	14.0	0.1	-	-	0.080

表2实施例钢和对比例钢工艺参数

盐雾腐蚀试验：使用5％NaCl水溶液喷雾72小时测定试样腐蚀速率。

表面粗糙度：采用金相砂纸对试样进行逐层打磨，采用羊毛布、金刚石颗粒抛光剂对试样进行抛光，然后使用表面粗糙度测量仪进行测量。

硬度测试：按照GB/T 230.1对试样厚度截面进行洛氏硬度测试。

表3测试结果对比

由表1～3可见，采用本发明的成分设计、轧制及回火处理，生产出的模具钢表面粗糙度≤0.008μm，腐蚀速率≤0.43g/m²·h，好于市场出售的耐腐蚀塑料模具钢40Cr13，硬度值与出售的耐腐蚀塑料模具钢40Cr13相当，具有优良的耐腐蚀性和表面性能。

Claims

1.一种高镜面耐腐蚀塑料模具钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.38%~0.46%；Si：0.4%~1.2%；Mn：0.5%~0.8%；P≤0.020%；S≤0.040%；Cr：10.8%~12.0%；Cu：0.6%~1.2%；Ni：0.5%~0.9%；Nb：0.15%~0.25%；余量为Fe和不可避免的杂质，钢中的气体含量为：[N]：0.01%~0.03%；

钢板的生产工艺为：EAF熔炼、炉外精炼、铸造、预热、加热、轧制、回火处理，其中，

钢坯料装炉后需在200~500℃预热后再升温，预热时间不小于2h，加热温度为1250~1280℃，均热时间为4~6h，坯料出炉后迅速至除鳞机去除氧化铁皮，开轧温度不小于1100℃，终轧温度为840~880℃；钢板轧后空冷至100~300℃，之后立即入炉进行两次回火处理，一次回火温度610~640℃，一次回火保温时间3.4~6.5min/mm，一次回火后冷却至室温再进行第二次回火，二次回火温度540~580℃，二次回火保温时间3.4~5.5min/mm。