CN111850399B

CN111850399B - 具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN111850399B
Application number: CN202010644710.3A
Authority: CN
Inventors: 冯丹竹; 隋轶; 范刘群; 石锋涛; 张宏亮
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: CN111850399A

Abstract

本实发明提供了一种具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢及其制备方法，所述模具钢成分按重量百分比计如下：C：0.56％‑0.65％，Si：0.20％‑0.40％，Mn：0.38％‑0.49％，P≤0.015％，S≤0.025％，Cr：16.5％‑17.8％，Mo：0.80％‑1.00％，La：0.007％‑0.025％，Nb：0.21％‑0.31％，Ti：0.01％‑0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；制备方法包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—ESR—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理的工艺生产；应用本发明生产的模具钢硬度42‑45HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1320MPa，延伸率≥18％，心部横向冲击性能≥20J，同时具有优异的耐蚀性和耐磨损性能。

Description

具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有良好耐磨性的新型塑料模具钢及其制备方法。

背景技术

近年来，随着塑料工业的迅速发展，要求成形模具不但具有高的强韧性，而且还应有一定的耐蚀性及耐磨损性能，尤其在生产聚氯乙烯、氟塑料和阻燃性ABS等为原料的塑料制品时。由于塑料在熔融状态下会分解出氯化氢、氟化氢和二氧化硫等气体，将对模具型腔产生腐蚀。因此，模具成型件应选用耐蚀塑料模具钢。目前，国内模具钢用户一般选用Crl3型不锈钢，如2Crl3和4Crl3等。但因该类钢的铬、碳含量偏低，其耐蚀性、耐磨性、强度和硬度不能满足使用要求。国内许多单位在开发研制新型耐磨、耐蚀塑料模具钢、提高冶金与轧锻质量、优化热处理工艺、提高模具寿命等方面做了大量的工作。

发明《一种高耐磨塑料模具钢》(申请号：201710435096.8)公开了一种高耐磨塑料模具钢，包括以下重量份的组分：黄铜15-20份。氧化钼6-9份；铝镁合金3-6份；玻璃纤维10-20份；液体石蜡8-12份；硫镉矿5-10份；抗氧化剂1-4份；树脂18-25份；填料10-20份。添加的填料、树脂和黄铜，具有较强的耐磨效果，同时其他物质的添加能够有效提高塑料模具钢的强度和韧性，同时也提高其耐蚀性，延长了使用寿命，但无具体性能指标，无法量化其耐蚀性和耐磨性的优异程度。

发明《一种4Cr13中厚板耐蚀模具钢轧制板材的工艺方法》(申请号：201310226708.4)公开了耐蚀模具钢4Cr13的轧制板材工艺方法，解决了其轧后热应力裂纹、冷却易脆裂的问题，但其强韧性配合及耐蚀耐磨性能难以保证。

发明《3Cr₁₇NiMo-ESR塑料模具钢》(申请号：201810238021.5)公开了一种调质型3Cr₁₇NiMo-ESR塑料模具钢，其成分百分比为C：0.30％-0.40％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，Cr：16.00％-17.50％，Ni：0.60％-1.00％，Mo：0.80％-1.30％，S≤0.020％，P≤0.035％。该种塑料模具钢硬度为30-36HRC，但均质度差，且难以保证耐磨性能，采用锻造加工，成材率低，性能不稳定。

发明《一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法》(申请号：201410124967.0)中公开了一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢，其成分质量分数为C：0.20％-0.32％，Si：0.12％-0.15％，Mn：0.05％-0.15％，P：0.06％-0.08％，S：0.01％-0.015％，N：0.1％-0.15％，Ni：3.5％-4.0％，Cr：8.5％-10.5％，Cu：0.25％-0.45％，Mo：0.45％-0.5％，Cr+Ni＝12％-14.5％。在保证了塑料模具钢原有强度、延伸率、耐磨性和切削性能下，大大提高了耐蚀性能，但韧性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢及其制备方法，合金成分配以适当工艺，兼顾成本及模具钢性能，使其具有高强度硬度、高韧性、高耐蚀性及耐磨性能等优异综合性能，并提供高效的生产流程。

本发明目的是这样实现的：

本发明采用增C、Cr适量提高强度硬度及耐蚀性，Ti、Nb复合细化组织，适量添加La的合金化设计思路，一方面提高该种塑料模具钢的强度硬度及耐磨性能，一方面控制塑料模具钢韧性及耐蚀性能，使该种塑料模具钢综合性能达到高等级塑料模具钢水平。

一种具有良好耐磨性的耐蚀塑料模具钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.56％-0.65％，Si：0.20％-0.40％，Mn：0.38％-0.49％，P≤0.015％，S≤0.025％，Cr：16.5％-17.8％，Mo：0.80％-1.00％，La：0.007％-0.025％，Nb：0.21％-0.31％，Ti：0.01％-0.02％，余量为Fe及不可避免杂质。

所述耐蚀型塑料模具钢硬度42-45HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1320MPa，延伸率≥18％，心部横向冲击性能≥20J，同时具有优异的耐蚀性和耐磨损性能。

所述耐蚀塑料模具钢

本发明钢成分设计理由如下：

C：在本发明的马氏体不锈钢中，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化，另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物，因此它对强度、塑韧性和焊接性等影响极大，其形成奥氏体的能力是Ni的30倍。保证发生马氏体相变最经济有效的方法是提高钢中碳含量，因此本发明中适当提高碳含量以保证塑料模具钢具有高强度硬度。但碳含量过高会与Cr形成碳化物，导致钢中耐蚀性下降。考虑该种模具钢中Cr、C两者的相互关系以及碳的溶解极限，本发明选择加入C含量为0.56％-0.65％。

Si：硅是强化铁素体重要元素之一，可以显著提高钢的强度和硬度，可提高淬火温度，提高淬透性。当处在强氧化介质中时，Si可以提高钢的耐蚀性，研究表明Si和Mo一样具有良好的耐Cl^-腐蚀性能，钢中Si含量越高，其点蚀电位越正，越不易腐蚀。硅也可减小奥氏体相区，可提高淬透性和基本强度，有利于二次硬化。但是Si的量过多，可使球化的碳化物颗粒直径变大，间距增大，同时促进偏析，导致带状组织形成，使横向性能低于纵向，因此，本发明选择加入Si含量为0.20％-0.40％。

Mn：是钢中的固溶强化元素，细化晶粒，降低韧脆转变温度，提高淬透性，钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS。考虑本发明中碳含量适量提高，Mn含量不应大于0.50％，因此本发明选择加入Mn含量为0.38％-0.49％。

P、S：S以MnS的形式分布于钢中，MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材的各向异性。同时S对模具钢耐蚀性能有害，使焊接性能恶化。P虽能适量提高铁素体硬度，改进零件的表面光洁度和切削性能，但钢中P过高会增加冷脆，而且S、P过多会影响钢的均质性及纯净度。因此本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.025％。

Cr：Cr可提高铁－铬合金的淬透性，对马氏体不锈钢来说，能使钢钝化并赋予良好的耐蚀性和不锈性，Cr的腐蚀电位比铁要更负，钝化能力较铁要更强，在铁铬合金中，Cr含量增加会导致合金的腐蚀电位和临界钝化电位向负电位方向移动。即合金中铬含量越高则钢越易纯化。本发明中适量提高Cr含量以加强回火稳定性和二次硬化效应，因此本发明选择加入Cr含量为16.5％-17.8％。

Mo：Mo在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的二次硬化能力和回火稳定性，钼与碳结合，在回火时析出更多细小短杆状Mo₂C碳化物，对提高钢的回火稳定性起了很大的作用。Mo元素是提高该种塑料模具钢耐点蚀性能最有效元素之一，Mo元素以MoO4^2-的形式溶解并吸附在金属表面形成保护膜，抑制Cl^-的破坏，防止Cl^-的穿透，使不锈钢的点蚀电位升高，点蚀速度降低，从而改善耐点蚀性能，但Mo含量过多将会促进δ铁素体的形成，导致不利影响。因此本发明选择加入Mo含量为0.80％-1.00％。

La：本发明中La一方面起到降低S含量净化钢液作用，另一方面可将容易腐蚀的硫化物转化为耐蚀性良好的La的硫化物，改善钢表面的状态，使活性点减少，降低了不锈钢对点蚀的敏感程度。La除了起到脱氧、脱硫和变质硫化物的作用外，将会有一定的La固溶在钢中，阻止其他低熔点合金元素在晶界的富集，起到净化晶界的作用，也减少了点蚀的几率。然而，当钢中La含量过多，超过了硫化物形态控制效果所需的最佳比值范围，La将会以化合物的形式存在钢中，虽然这些La化合物比MnS、FeS等夹杂物的危害性小，但由于其化学成分及较大的尺寸，使其成为对腐蚀敏感薄弱地带而诱发点蚀。甚至会生成比基体组织对腐蚀还敏感的Fe-La共晶相，而成为点蚀的发生部位，因此本发明控制La为0.007％-0.025％。

Nb、Ti：Ti作为稳定碳和氮被添加到该种马氏体不锈钢中，Ti在抑制晶粒长大的同时使马氏体不锈钢表面质量恶化，未来弥补Ti稳定化的不足，本发明中还添加了适量的Nb。Nb单独添加可以细化马氏体不锈钢铸态组织，Nb、Ti一起添加不仅可以细化铸坯组织，而且可以细化热轧后钢板组织。Nb、Ti元素在马氏体不锈钢中形成碳氮化物，在回火时析出起到第二相析出强化作用。因此本发明中，Nb：0.21％-0.31％，Ti：0.01％-0.02％。

本发明技术方案之二是提供一种具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸(投入轻压下)—ESR—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理的工艺生产；

将连铸坯进行电渣重熔，随后进行球化退火：常温入炉，随炉升温至830℃-880℃，保温4-5h随炉冷却至450-500℃，出炉空冷至室温，将电渣重熔后的板坯加热控制在1230-1260℃，均热段保温7-8h，该种塑料模具钢由于合金元素含量较多，因此钢坯的化学成分通常是不均匀的，采用该种板坯加热工艺可改善或消除在冶金过程中形成的成分不均匀性，减轻钢坯内部的显微偏析，细化铸坯组织，为后续热加工提供良好的组织形貌基础。板坯开轧温度控制在≥1000℃，采用高温低速大压下的轧制工艺，在保证设备安全的前提下增加道次压下量，提高轧制力的穿透力，使变形渗透到坯料心部，打碎粗大树枝晶，可有效减轻连铸坯原有缺陷影响。终轧温度≥900℃，得到成品厚度为11-180mm的钢板，钢板下线温度300-450℃。下线后立即采用“下铺上盖”方式堆垛缓冷，缓冷时间为24-36h。

随后进行二步正火空冷配分+回火热处理：控制正火温度1040℃-1060℃，保温3-4h，空冷至200℃-250℃保温30-50min，随后于350℃-400℃，保温60min-90min，出炉后空冷至室温，随后于550℃-600℃，保温3-4h进行回火热处理。正火温度过低，碳化物不能充分溶解，不仅使基体的Cr含量下降，影响钢的耐腐蚀性能，并使钢的强度降低，但正火温度过高，除了使晶粒长大外，还因产生大量的δ铁素体而使韧性降低。因此本发明正火温度控制在1040℃-1060℃。配分温度如果过低不能使马氏体中的过饱和碳元素发生扩散，本发明中进行二步法配分处理可以使马氏体中过饱和碳元素向残余奥氏体中发生扩散，从而改变该种塑料模具钢中残余奥氏体的含量。配分后的组织由贫碳板条马氏体和富碳残余奥氏体组成，即可由马氏体组织保证钢的强度，又可由残余奥氏体在形变过程中发生相变诱发塑性而提高钢的塑性。

回火温度控制在550-600℃，该温度范围可有效避免该种塑料模具钢二次硬化现象，根据不同厚度材料，净保温3h-4h，可有效减少应力并控制固态相变带来的组织带状化。

本发明的有益效果在于：本发明采用增C、Cr适量提高强度硬度及耐蚀性，Ti、Nb复合细化组织，适量添加La的合金化设计思路，配合连铸-电渣重熔-二步正火空冷配分+回火热处理的工艺生产，使该种耐蚀型塑料模具钢具有42-45HRC的终态硬度，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1320MPa，延伸率≥18％，心部横向冲击性能(KV₂)≥20J，在环一块磨损试验室温测试3h后损失重量为2.25-2.35mg，磨痕宽度2.30-2.46mm，在5％NaCl，PH为7，温度为35℃的条件下，进行20h盐雾试验，腐蚀速率≤0.12g/(m2·h)，具有优异的耐蚀性和耐磨损性能。本发明的耐蚀塑料模具钢完全满足目前生活、生产对塑料模具钢综合性能的要求，属于高等级塑料模具钢。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸(投入轻压下)—ESR—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理的工艺生产；

将连铸坯进行电渣重熔，随后进行球化退火：常温入炉，随炉升温至830℃-880℃，保温4-5h随炉冷却至450-500℃，出炉空冷至室温，将电渣重熔后的板坯加热控制在1230-1260℃，均热段保温7-8h；

板坯开轧温度控制在≥1000℃，终轧温度≥900℃，钢板下线温度300-450℃；下线后堆垛缓冷，缓冷时间为24-36h；

随后进行二步正火空冷配分+回火热处理：控制正火温度1040℃-1060℃，保温3-4h，空冷至200℃-250℃保温30-50min，随后于350℃-400℃，保温60min-90min，出炉后空冷至室温，随后于550℃-600℃，保温3-4h进行回火热处理。

本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的主要热处理工艺参数见表3。本发明实施例钢的洛氏硬度见表4。本发明实施例钢心部拉伸和冲击性能见表5。本发明实施例磨损量及磨痕宽度见表6。本发明实施例钢盐雾腐蚀试验结果见表7。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

表2本发明实施例钢的主要工艺参数

表3本发明实施例钢的主要热处理工艺参数

表4本发明实施例钢的洛氏硬度

表5本发明实施例钢心部拉伸和冲击性能

表6本发明实施例磨损量及磨痕宽度

实施例	磨损量(mg)	磨痕宽度(mm)
			1	2.33	2.46
2	2.29	2.43
			3	2.25	2.40
4	2.31	2.36
			5	2.22	2.39
6	2.27	2.33
			7	2.32	2.30
8	2.35	2.41
			9	2.28	2.37
10	2.30	2.35

备注：试样大小：6×7×16mm；在环一块磨损试验(摩擦载荷为100N，转速为400r/min，无润滑)每个试样在室温测试3h后测试损失重量及最终磨痕宽度。

表7本发明实施例钢盐雾腐蚀试验结果

实施例	腐蚀速率/g/(m<sup>2</sup>·h)
		1	0.11
2	0.12
		3	0.10
4	0.09
		5	0.08
6	0.11
		7	0.08
8	0.09
		9	0.10
10	0.07

备注：试样大小：100×40×1mm，在5％NaCl，PH为7，温度为35℃的条件下，进行20h盐雾试验结果。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.56%-0.64%，Si：0.20%-0.39%，Mn：0.41%-0.49%，P≤0.015%，S≤0.025%，Cr：16.5%-17.8%，Mo：0.80%-1.00%，La：0.007%-0.025%，Nb：0.21%-0.31%，Ti：0.01%-0.02%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢硬度42-45HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1320MPa，延伸率≥18%，心部横向冲击性能KV₂≥20J，所述具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢厚度为11-180mm；

所述的一种具有良好耐磨性耐蚀塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—连铸坯电渣重熔—球化退火—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理的工艺；

将连铸坯进行电渣重熔，随后进行球化退火：常温入炉，随炉升温至830-880℃，保温4-5h随炉冷却至450-500℃，出炉空冷至室温，将电渣重熔后的板坯加热控制在1230-1260℃，均热段保温7-8h；

随后进行二步正火空冷配分+回火热处理：控制正火温度1040-1060℃，保温3-4h，空冷至200-250℃，保温30-50min，随后于350-400℃，保温60-90min，出炉后空冷至室温，随后于550-600℃，保温3-4h进行回火热处理。