CN111575595A - 一种经济型热压铸模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种经济型热压铸模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种经济型热压铸模具钢，热压铸模具钢的化学成分重量百分比为C：0.25‑0.45％，Si：1.0‑5.0％，Mn≤1.0％，Cr≤2.0％，Mo≤1.5％，P≤0.035％，S≤0.035％，AL≤0.035％,其余为Fe和其他不可避免的杂质。所述热压铸模具钢生产时还需加入渣料，渣料：MnO2：≤5％，Ti02≤5％，硼酸≤5％，工业纯碱≤2％，Na2O或K2O：5％‑15％，SiO2：65％‑70％，AL2O3：15％‑30％，CaF2≤10％，CaO≤10％。本发明还公布了热压铸模具钢的制备方法，本发明的模具钢具有强度高、抗蠕变、断裂韧性好、和组织性能稳定等方面优点的基础上，显著降低了热压模具钢的生产制造成本。

Description

一种经济型热压铸模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁制备技术领域,具体涉及一种经济型热压铸模具钢及其制备方法。
背景技术
模具钢通常可以分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三大类产品。热作模具钢主要用于制造铝合金压铸模和铜锌压铸模等，是目前使用最广和消耗最大的模具钢之一，它的工况条件复杂，在工作时需长时间与加热的坯料甚至液态金属相接触，当炽热的金属放入热作模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变，当金属件取出时,型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳，并且热作模具钢在服役过程中，还要受到较大的冲击载荷。为此，制作模具的材料需要具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。通常该类材料含有可提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，以满足模具高热塑性变形抗力、抗热疲劳能力及高热强性的性能要求。
目前，压铸模用热作模具钢常用可选的典型材料有3Cr2W8V(H21)、4Cr5MoSiV1(H13)。3Cr2W8V优点是具有高热强性、高回火抗力、高热稳定性、良好的耐磨性和加工工艺性能，工作温度可以达到650℃，淬透性中等；缺点为碳化物偏析严重，塑性、韧性、导热性、抗冷热疲劳性能和抗熔蚀性能较差。4Cr5MoSiV1优点是具有较高的热强度和硬度，在中等温度条件下具有良好的韧性、热疲劳性能和一定的耐磨性，并且淬透性高，热处理变形小，缺点是使用温度低于600℃，当使用温度过高时，硬度下降，则钢的抗龟裂性能显著下降，成为模具失效的主要原因。即3Cr2W8V强度有余韧性不足，而4Cr5MoSiV1韧性有余强度不足，两种材料在600～700℃温度区间内(压铸模常用温度区间)服役会由于性能不足而产生热疲劳和热开裂形式的失效，从而影响模具使用。
申请号201811220791.3中国专利公开了一种高红硬模具钢及其制备方法，按化学成分重量百分比含量为：C：0.28～0.30wt％；Si：2.20～2.50wt％；Mn：1.40～2.00wt％；Cr：4.50～4.70wt％；Mo：0.80～1.00wt％；V：0.30～0.50wt％；P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe以及不可避免杂质。C＝1/30Cr+1/25(Si+Mn)。这个方案中高Si,高Cr,高Mn，虽然材料的关键性能指标能够达到，但工艺相对复杂，生产成本相对较高。
申请号为JP2011-072317A，公布日为2012年7月5日，名称为“一种具有优良的防锈性和热传导性的模具钢及其制造方法”的日本专利文献公开了一种模具钢，其化学元素质量百分含量为(wt.％)的成份组成：C 0.07～0.15％，Si 0～0.8％，Mn 0～1.5％，P＜0.05％，S＜0.06％，Ni 0～0.9％，Cr 2.9～4.9％，(Mo+1/2W)0～0.8％，V 0～0.15％，Cu0.25～1.8％，余量由Fe及不可避免的杂质，该日本专利文献所公开的模具钢中具有含量较高的Cr元素，生产成本高。
申请号为US20100193089A，公开日为2010年8月5日，名称为“韧性和高温强度优异的热加工工具钢及其制造方法”的美国专利文献公开了一种用于热加工的工具钢，其各化学元素的质量百分含量为：C：0.34～0.40％，Si：0.3～0.5％，Mn：0.45～0.75％，Ni：0～0.5％，Cr：4.9～5.5％，(Mo+1/2W)：2.5～2.9％(条件是单独或组合含有Mo和W)，V：0.5～0.7％；以及余量为Fe和不可避免的杂质。在该美国专利文献所记载的工具钢中既包含了Ni元素，又包含了含量较高的Cr、Mo、W元素，成本相对较高。
针对上述现有技术具有较高成本的弱点，我们通过合理的材料设计和工艺制备，在生产成本大幅度降低的同时，制备出满足使用性能要求的热压铸模具钢。
发明内容
针对上述现有技术具有较高成本的弱点，本发明利用金属间化合物强化机制，通过合理的制备，生产一种新型经济型热压铸模具钢，在替代现有的热压铸模具钢的使用性能基础上，生产成本大幅度降低。
本发明的具体技术方案如下：
一种经济型热压铸模具钢，所述热压铸模具钢的化学成分重量百分比为：
C：0.25-0.45％，Si：1.0-5.0％，Mn≤1.0％，Cr≤2.0％，Mo≤1.5％，P≤0.035％，S≤0.035％，AL≤0.035％,其余为Fe和其他不可避免的杂质。
进一步地，所述热压铸模具钢生产时还需加入渣料，渣料中各成分占总渣料的配比如下：
MnO2：≤5％，Ti02≤5％，硼酸≤5％，工业纯碱≤2％，Na2O或K2O：5％-15％，SiO2：65％-70％，AL2O3：15％-30％，CaF2≤10％，CaO≤10％，其余为不可避免带来的杂质。
一种经济型热压铸模具钢的制备方法，包括以下步骤：
1)将熔炼用原材料(废钢)，加入合金和渣料，其中合金和渣料的配比如权利要求1和权利要求2。
2)加热：将上述废钢、合金和渣料感应炉内加热，至熔毕；
3)控制出钢温度为1700℃-1750℃；
4)控制浇注温度为1600℃-1650℃。
进一步地，所述的热压铸模具钢产品硬度HRC为36-55。
进一步地，材料的制备方法通常有以下两个方式：
感应炉---砂型铸造---热处理或感应炉---电渣重熔--锻打---热处理；
电炉、转炉---炉外精炼---模铸/连铸----轧制----切割----电渣重熔--锻打---热处理。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明利用材料制备过程中形成的金属化合物强化金属材料基体的机制，通过较低的生产制造成本，可使材料获得具有强度高、抗蠕变、断裂韧性好、和组织性能稳定等方面的特征，具有较高的熔点、适中的密度和好的抗高温氧化性。
附图说明
图1为实施例中入料筒；
图2为实施例中轮毂；
具体实施方式
本发明提供了一种经济型热压铸模具钢，热压铸模具钢的化学成分重量百分比为：
C：0.25-0.45％，Si：1.0-5.0％，Mn≤1.0％，Cr≤2.0％，Mo≤1.5％，P≤0.035％，S≤0.035％，AL≤0.035％,其余为Fe和其他不可避免的杂质。
进一步地，热压铸模具钢生产时还需加入渣料，按照吨钢配比,一吨钢需要加入渣料61KG。渣料中各成分占总渣料的配比如下：
MnO2：≤5％，Ti02≤5％，硼酸≤5％，工业纯碱≤2％，Na2O或K2O：5％-15％，SiO2：65％-70％，AL2O3：15％-30％，CaF2≤10％，CaO≤10％，其余为不可避免带来的杂质。
下面结合具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例1入料筒
生产过程
分析图纸制定工艺制作木模；
根据厂方图纸设计计算木模外形，采用海砂造型，浇注为底浇，使用1吨底注包，浇注要求中速后补冒口。12小时后开箱割除冒口，清砂打磨后入退化炉调质，探伤出厂。
造型
依据热压铸模具钢收缩率20％，密度7.8计算，
Figure BDA0002570919760000051
圆棒外径尺寸，交付制作木模，选用海砂造型，玻璃水配置比例30％，固化剂16％，冒口选用保温冒口。颈部附铬矿砂造型。固化时间30分钟，取出木模，精磨型腔，刷铬英粉涂层，要求涂料层厚度不低于2mm,涂刷打磨后，喷枪干燥后合箱，等待浇注。
冶炼
图纸要求的材质具有耐热、耐磨、抗冲击性能。采用本发明中渣料组成，并选取废钢，废钢要求(C 0.25-0.4％Mn 0.35-0.4％)无锈无油，804公斤，回炉料控制总量30％，396公斤，总重为1090公斤。
使用1吨中频炉，检查水、电路等后开炉冶炼，待炉内熔毕后，取样检测要求(C0.35-0.4％Si 1.6-1.8％Mn 0.5％),使用90％增碳剂调整碳含量，使用52％—76％的锰铁调整Mn含量。
实施例1中热压铸模具钢的化学成分见表1。
表1
成分 C Si Mn Cr Mo P S AL
百分比％ 0.364 1.714 0.485 0.417 0.01 0.005 0.023 0.017
使用1吨底注包浇注，使用前将包烘烤350℃-500℃装配塞杆，检查所有连接机构，确认后，在包内加入0.2公斤铝，出钢前5分钟，炉内加入2‰铝丝2.18公斤脱氧，冶炼温度控制1720℃左右，出钢温度控制在1700℃，钢水入包后，测温1650℃，加入凝渣剂除渣，加入保温剂，此时必须镇静钢水3分钟，有利于钢中夹杂物上浮。
移动到砂箱浇口杯上，测量温度控制1580℃-1600℃开启水口浇注，要求浇注钢水注流平稳，慢浇同时保证浇道充满钢水，防止空气吸入，钢水浇到冒口3/4处时，移动到冒口进行补缩，浇注完撒上保温剂，保证钢液温度不能下降过快，浇注补缩时间70秒，浇注结束。
开箱清砂
浇注后，砂箱静止12小时，移动开箱车间，开箱清砂，操作要求，轻拿轻放，防止因外力激发内应力释放引起裂纹，工件表面温度300℃-500℃，切割冒口，打磨外表进入退火炉调质。
调质
温度控制在750℃-800℃，12小时，炉内冷却。
探伤出厂
出炉后进行探伤作业，保证合格产品出厂。
加工上机使用
将本材料制备的料筒发往客户进行使用，上机使用寿命可达16万模，较该厂使用的其他材料制品高50％。
力学性能测试：抗拉强度(MPa)1133，屈服强度(MPa)884，硬度(HRC)36，力学性能达到要求。
实施例2入料筒
生产工艺与实施例1相同，实施例2中热压铸模具钢的化学成分见表2。
表2
成分 C Si Mn Cr Mo P S AL
百分比％ 0.390 1.920 0.385 0.941 0.473 0.021 0.009 0.007
常温力学性能测试：抗拉强度(MPa)1292，屈服强度(MPa)1208，硬度(HRC)46，力学性能达到要求。
实施例3入料筒
生产工艺与实施例1相同，实施例3中热压铸模具钢的化学成分见表3。
表3
成分 C Si Mn Cr Mo P S AL
百分比％ 0.390 1.670 0.555 0.968 0.173 0.019 0.018 0.005
力学性能测试：抗拉强度(MPa)1286，屈服强度(MPa)1004，硬度(HRC)43，力学性能达到要求。
实施例4轮毂
生产过程
根据厂方图纸设计计算木模外形，采用海砂造型，浇注为底浇，使用1吨底注钢包，浇注要求中速浇注，注毕后及时补注冒口。12小时后开箱割除冒口，清砂打磨后入退化炉调质，探伤出厂。
分析图纸制定工艺制作木模
造型
依据热压铸模具钢收缩率20％，密度7.8计算，19寸圆盘外型尺寸，采用上下合模，底侧斜口单浇道，
Figure BDA0002570919760000071
陶管连接，双帽口加带过渡层(厚度为3cm),过渡指教打磨成圆角，角度为40°。选用海砂造型，玻璃水配置比例30％，固化剂16％，冒口选用保温冒口，颈部附铬矿砂造型。固化时间30分钟，取出木模，精磨型腔，刷铬英粉涂层，要求涂料层厚度不低于2mm,涂刷打磨后，喷枪干燥后合箱，等待浇注。
冶炼
采用本发明中渣料组成，并选取废钢，废钢要求(C 0.25-0.4％Mn 0.35-0.4％)无锈无油，950公斤，回炉料控制总量为300公斤，总重为1250公斤。
使用1吨中频炉，检查水、电路等后开炉冶炼，待炉内熔毕后，取样检测要求(C0.35-0.4％Mn 0.45-0.5％、Si2.0-2.1％),使用90％增碳剂调整碳含量，使用52％—76％的锰铁调整Mn含量。
本实施例中，热压铸模具钢的化学成分见表4.
表4
成分 C Si Mn Cr Mo P S AL
百分比％ 0.341 2.101 0.486 0.606 0.018 0.024 0.018 0.027
使用1吨底注钢包浇注，使用前将包烘烤350℃-500℃装配塞杆，检查所有连接机构，确认后，在包内加入0.2公斤铝，出钢前5分钟，炉内加入2‰铝丝2.5公斤脱氧，冶炼温度控制1720℃左右，出钢温度控制在1700℃，钢水入包后，测温1650℃，加入凝渣剂除渣，加入保温剂，此时必须镇静钢水3分钟，有利于钢中夹杂物上浮。
移动到砂箱浇口杯上，测量温度控制1600℃-1580℃开启水口浇注，要求钢水注流平稳，慢速浇注同时保证浇道充满钢水，防止空气吸入，到冒口3/4处，移动到冒口进行补缩，浇注完撒上保温剂，保证钢液温度不能下降过快，浇注补缩时间70秒，浇注结束。
开箱清砂
浇注后，砂箱静止12小时，移动开箱车间，开箱清砂，操作要求，轻拿轻放，防止因外力激发内应力释放引起裂纹，工件表面温度300℃-500℃，切割冒口，打磨外表进入退火炉调质。
调质
温度控制在750℃-800℃，12小时，炉内冷却。
探伤出厂
出炉后进行探伤作业，保证合格产品出厂。
加工上机使用，精加工后成品如图2。
力学性能测试：抗拉强度(MPa)1188，屈服强度(MPa)927，硬度(HRC)38，力学性能达到要求。

Claims (4)

1.一种经济型热压铸模具钢，其特征在于，所述热压铸模具钢的化学成分重量百分比为：
C：0.25-0.45％，
Si：1.0-5.0％，
Mn≤1.0％，
Cr≤2.0％，
Mo≤1.5％，
P≤0.035％，
S≤0.035％，
AL≤0.035％,余量为Fe和其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种经济型热压铸模具钢，其特征在于，所述热压铸模具钢生产时还需加入渣料，渣料中各成分占总渣料的配比如下：
MnO，≤5％，
Ti02≤5％，
硼酸≤5％，
工业纯碱≤2％，
Na2O或K2O：5％-15％，
SiO2：65％-70％，
AL2O3：15％-30％，
CaF2≤10％，
CaO≤10％，其余为不可避免带来的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种经济型热压铸模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将熔炼用原材料(废钢)，加入合金和渣料，其中合金和渣料的配比如权利要求1和权利要求2；
2)加热：将上述废钢、合金和渣料在感应炉内加热，至熔毕；
3)控制出钢温度为1700℃-1750℃；
4)控制浇注温度为1550℃-1620℃。
4.根据权利要求3所述的一种经济型热压铸模具钢的制备方法，其特征在于，所述的热压铸模具钢产品硬度HRC为36-55。
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