CN109706397A

CN109706397A - 一种预硬型塑料模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN109706397A
Application number: CN201910047103.6A
Authority: CN
Inventors: 李长生; 任津毅; 韩亚辉; 贺帅; 邱春林; 高彩茹
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: CN109706397B

Abstract

一种预硬型塑料模具钢及其制备方法，其成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni 0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；其等向性≥0.80。方法为：(1)冶炼钢水，浇铸成钢锭；(2)600～700℃预热后加热至1200～1250℃保温；(3)进行锻造后随炉冷却；(4)880±10℃正火处理；(5)900～940℃保温2～3h，然后水冷；(6)在450～550℃回火处理。本发明的方法制备出的预硬型塑料模具钢，大大提升了淬透性，提高了横向冲击韧性。

Description

一种预硬型塑料模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种预硬型塑料模具钢及其制备方法。

背景技术

塑料模具作为塑料成型工业的重要工艺装备，随着汽车产业及家电行业的高速发展，对塑料模具钢性能上的要求也越来越严格；模具材料也由低级的碳素工具钢向合金工具钢发展，目前塑料模具钢使用量最大的，是由美国提出的P20系列预硬型塑料模具钢；对应我国国标为3Cr2Mo钢，其工作温度为250℃左右，服役期间受到高压和腐蚀作用，脱模时存在摩擦磨损现象；目前3Cr2Mo钢存在淬透性不足，调质处理后硬度不足导致耐磨性较差及横向冲击韧性较低的缺点，无法满足现在对高品质模具钢的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种预硬型塑料模具钢及其制备方法，通过添加少量的V元素来替代Mo元素，细化晶粒并提升耐磨性，提高Mn元素含量的同时加入Ni元素，增大塑料模具钢的淬透性，适当降低Si元素含量来降低回火脆性，提升横向冲击韧性。

本发明的预硬型塑料模具钢的成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni 0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；其等向性≥0.80。

上述的预硬型塑料模具钢的组织为回火马氏体。

本发明的预硬型塑料模具钢的制备方法包括以下步骤：

(1)冶炼：采用真空感应冶炼的方式冶炼钢水，然后浇铸制成圆柱形的钢锭，其成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni 0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；

(2)锻前加热：将钢锭加热至600～700℃预热3～4h，然后加热至1200～1250℃，保温时间5～8h，获得热处理钢锭；

(3)锻造：将热处理钢锭进行锻造，始锻温度为1180～1200℃，终锻温度≥800℃，然后随炉冷却至室温，获得锻后钢锭；

(4)正火处理：将锻后钢锭先进行正火处理，正火温度为880±10℃，时间2～3h，获得正火钢锭；

(5)淬火处理：将正火钢锭直接进行淬火处理，先加热至900～940℃保温2～3h，然后水冷至室温，获得淬火钢锭；

(6)回火处理：将淬火钢锭进行回火处理，先在450～550℃保温2～3h，然后出炉空冷至室温，制成预硬型塑料模具钢。

上述的步骤(3)中，进行锻造时的镦粗比控制在1.8～2.2之间，拔长比控制在2.0～4.0之间，总锻造步数控制在5～10步。

上述的步骤(2)中，预热后以70～90℃/h的速度加热。

本发明在传统3Cr2Mo钢的基础上，通过添加少量的V元素来替代Mo元素，提高Mn元素含量的同时加入Ni元素，适当降低Si元素含量，然后通过适当的锻造工艺和热处理工艺，其成分设定的原理如下：

1、0.10～0.35％的V代替Mo元素：钼在钢中主要起固溶强化和细化晶粒的作用，但是钼铁价格昂贵，并且在低合金钢中，Mo能使合金钢出现石墨化倾向，因此加入0.10～0.35％的V代替Mo元素，可以明显细化晶粒，提高强韧性，改善模具钢的加工性能，且可以淬火后细化马氏体，与碳结合形成稳定的VC，弥散分布于基体中，可以提高塑料模具钢的耐磨性；

2、加入Ni元素(0.90～1.15％)：镍为非碳化物形成元素，加速碳在奥氏体中的扩散，提高碳在奥氏体中的扩散系数，使二次碳化物不易长大；镍的加入可以极大的提高塑料模具钢的淬透性，提高模具钢韧性尤其是横向性能，同时提高钢的耐酸抗碱腐蚀能力，其次Ni使奥氏体的层错能提高，有利于变形加工，这可增大锻造道次变形量，有利于组织破碎和疏松焊合；

3、Mn含量的提高(1.30～1.60％)：在添加了V的基础上，少量提高Mn的含量可以提高塑料模具钢的淬透性而不影响晶粒尺寸，Mn又可形成碳化物，从而提高钢的硬度和耐磨性，同时锰可以强烈降低Ms点，增加淬火后的残余奥氏体量，有利于韧性的提高；

4、Si含量的减少(0.20～0.35％)：硅易使钢中形成带状组织，使钢的横向性能降低，强烈影响等向性，同时由于添加了Ni和提高了Mn的含量，所以需要降低Si的含量来抑制回火脆性的发生。

本发明的方法制备出的预硬型塑料模具钢，与传统3Cr2Mo钢相比，大大提升了淬透性，使回火后的组织均匀致密，从边部到心部均为回火马氏体组织，同时提高了横向冲击韧性，使回火后的等向性(横向冲击功与纵向冲击功比值)≥0.80。

附图说明

图1为本发明实施例1的预硬型塑料模具钢的显微组织图；

图2为本发明实施例2的预硬型塑料模具钢的显微组织图；

图3为本发明实施例3的预硬型塑料模具钢的显微组织图。

具体实施方式

下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明实施例中观察组织采用Zeiss Ultra 55场发射扫描电子显微镜。

本发明实施例中夏比冲击试验根据标准GB/T 229-2007进行测试，测试试样的尺寸为10mm×10mm×55mm，V型缺口深度为2mm，室温下冲击。

本发明实施例中维氏硬度测试采用FM-700显微硬度计，载荷为200-g，加载时间为10s。

本发明实施例中进行锻造时采用一镦一拔的锻造方式或二镦二拔的锻造方式。

本发明实施例中预硬型塑料模具钢的心部横向冲击功为11～17J，边部横向冲击功为12～19J。

本发明实施例中预硬型塑料模具钢的截面平均硬度为390～470HV。

实施例1

采用真空感应冶炼的方式冶炼钢水，然后浇铸制成圆柱形的钢锭，尺寸Φ100×200mm，其成分按质量百分比含C 0.35％，Si 0.34％，Mn 1.30％，Cr 1.96％，Ni 0.91％，P0.004％，S 0.003％，V 0.10％，余量为Fe；

将钢锭加热至650℃预热3h，然后以80℃/h的速度加热至1250℃，保温时间5h，获得热处理钢锭；

将热处理钢锭进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度830℃，然后随炉冷却至室温，获得锻后钢锭；进行锻造时的镦粗比2.0，拔长比2.2，总锻造步数5步；

将锻后钢锭先进行正火处理，正火温度为880±10℃，时间2h，获得正火钢锭；

将正火钢锭直接进行淬火处理，先加热至900℃保温3h，然后水冷至室温，获得淬火钢锭；

将淬火钢锭进行回火处理，先在450℃保温2.5h，然后出炉空冷至室温，制成预硬型塑料模具钢；

预硬型塑料模具钢的组织为回火马氏体，心部横向冲击功为11.5J，边部横向冲击功为12.0J，心部纵向冲击功为13.7J，边部纵向冲击功为14.8J，不同位置的等向性(横向冲击功与纵向冲击功比值)在0.81～0.84之间，显微组织如图1所示，从边部到心部均为均匀致密的回火马氏体组织；预硬型塑料模具钢的平均硬度为462HV，同截面硬度差为±10.6HV。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)钢锭尺寸Φ102×195mm，成分按质量百分比含C 0.32％，Si 0.32％，Mn1.50％，Cr 2.03％，Ni 0.924％，P 0.005％，S 0.003％，V 0.33％；

(2)钢锭加热至700℃预热3h，然后以70℃/h的速度加热至1200℃，保温时间8h；

(3)始锻温度为1180℃，终锻温度810℃；进行锻造时的镦粗比2.2，拔长比4.0，总锻造步数8步；

(4)正火温度为880±10℃，时间2.5h；

(5)淬火处理时加热至940℃保温2h；

(6)回火处理时在550℃保温3h；预硬型塑料模具钢的心部横向冲击功为14.0J，边部横向冲击功为16.0J，心部纵向冲击功为16.6J，边部纵向冲击功为18.5J，等向性在0.84～0.86之间，显微组织如图2所示；预硬型塑料模具钢的截面平均硬度为396HV，同截面硬度差为±9.5HV。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)钢锭尺寸Φ95×195mm，成分按质量百分比含C 0.36％，Si 0.28％，Mn1.56％，Cr 2.07％，Ni 0.98％，P 0.004％，S 0.002％，V 0.24％；

(2)钢锭加热至600℃预热4h，然后以90℃/h的速度加热至1230℃，保温时间6h；

(3)始锻温度为1190℃，终锻温度820℃；进行锻造时的镦粗比1.8，拔长比2.0，总锻造步数10步；

(4)正火温度为880±10℃，时间3h；

(5)淬火处理时加热至920℃保温2.5h；

(6)回火处理时在510℃保温2h；预硬型塑料模具钢的心部横向冲击功为16.3J，边部横向冲击功为18.1J，心部纵向冲击功为19.4J，边部纵向冲击功为20.1J，等向性在0.84～0.90之间，显微组织如图3所示；预硬型塑料模具钢的截面平均硬度为447HV，同截面硬度差为±8.1HV。

Claims

1.一种预硬型塑料模具钢，其特征在于成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni 0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；其等向性≥0.80。

2.根据权利要求1所述的一种预硬型塑料模具钢，其特征在于其组织为回火马氏体。

3.一种预硬型塑料模具钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)冶炼：采用真空感应冶炼的方式冶炼钢水，然后浇铸制成圆柱形的钢锭，其成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；

4.根据权利要求3所述的一种预硬型塑料模具钢的制备方法，其特征在于步骤(3)中，进行锻造时的镦粗比控制在1.8～2.2之间，拔长比控制在2.0～4.0之间，总锻造步数控制在5～10步。

5.根据权利要求3所述的一种预硬型塑料模具钢的制备方法，其特征在于步骤(2)中，预热后以70～90℃/h的速度加热。