CN113621885A - 一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板及其生产方法，所述钢板是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.40～0.45%、Si：0.50～0.70%、Mn：1.60～2.00%、P≤0.015%、S≤0.005%、Mo：0.20～0.35%、Cr：1.80～2.20%、Al≤0.010%、Nb：0.010～0.020%、N：0.0030～0.0060%、B：0.0015～0.0025%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足公式：B＝0.00236%＋0.50×Al＋0.33×Nb－2×N＋(Al－0.0067%)(N－0.0045%)×61.2；其生产方法，包括真空RH处理—热装—铸坯加热—中间坯冷却—堆垛缓冷—正火+回火热处理，本发明塑料模具特厚钢板的洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC，满足大模块模具制作要求。

Description

一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料技术领域，特别是一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板及其生产方法。

背景技术

模具广泛应用于汽车、摩托车、航空、仪器仪表、医疗器械、电子通信、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业领域，是制造业各有关行业产业升级和技术进步的重要保障之一，模具制造水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品国际竞争力的评价指标之一。为适应模具产品不断的更新和发展，对模具钢的要求也越来越高，只有选用合适的模具钢并选择合理的热处理工艺，才能充分发挥模具钢的应用性能。预硬化是指钢厂通过热处理达到模具使用时的硬度要求，这样，形状复杂、精密的大中型塑料模具在制作完成后不再需要热处理，避免模具在热处理过程中产生变形和开裂，从而保证模具的制造精度。预硬型塑料模具钢一般用于酚醛树脂、三聚氰胺树脂等各种胶木粉的压制成型和尼龙、聚甲醛、聚乙烯等各种热塑性塑料的注射成型，除了一般的强韧性要求外，还必须具有良好的淬透性、截面硬度均匀性、切削加工性、抛光性能及耐蚀性等。

现有技术中有一些关于预硬化塑料模具钢的报道如下：

申请号CN201710590889.7的中国发明专利申请“一种预硬化塑料模具钢板及其TMCP生产方法”，采用的成分为：0.40～0.46%C、0.80～1.10%Si、0.80～1.10%Mn、0.80～1.10%Cr、≤0.25% Mo、 0.015～0.040%Al，余量为Fe及其他不可避免杂质；经钢包炉LF和真空VD精炼，轧制过程中采用TMCP工艺，区分厚度范围进行轧后空冷或控制不同的返红温度，不进行回火热处理，钢板硬度达到了HRC 28～34，钢板的厚度范围为15～100mm。该案进行两次精炼，增加了生产成本，也占用了产能；没有添加B元素，在TMCP的浇水冷却过程中，其淬透性显得不够。

申请号CN201710175169.4的中国发明专利申请“一种高锰预硬化塑料模具钢板及其生产方法”，采用的成分为：0.32～0.40%C、0.30～0.60%Si、1.30～1.80%Mn、1.40～2.00%Cr、0.30～0.50%Mo、0.015～0.040%Al，余量为Fe及其他不可避免杂质；通过钢包炉LF和真空RH炉外精炼，铸坯加热温度1150～1260℃，终轧温度820～900℃，轧制过程中采用TMCP工艺，区分厚度范围进行轧后空冷或控制不同的返红温度，进行高温回火热处理，保温温度520～620℃，保温时间40～160分钟，钢板硬度达到了HRC 28～38，钢板的厚度范围为20～120mm。该案需进行两次精炼，增加了生产成本；没有添加B元素，在TMCP的浇水冷却过程中，其淬透性显得不够，导致其硬度的跨度较大。

申请号CN201711277657.2 的中国发明专利申请“一种高硬度高淬透性预硬化塑料模具钢及其制备方法”，其成分为0.40～0.50%C、0.20～0.50%Si、0.60～1.00%Mn、0.80～1.50%Ni、0.60～2.00%Mo、1.60～2.50%Cr、0.10～0.50%V，余量为Fe及其他不可避免杂质；通过熔炼、精炼、电渣重熔浇铸成钢锭，对钢锭进行缓冷或保温退火处理，锻造成Ф20mm圆钢，开锻温度1200℃，终锻温度850℃，锻后进行退火热处理，然后再进行预硬化处理，860～900℃固溶后500～650℃回火，钢材硬度达到了HRC45～50。该案采用了较多的贵重元素Ni、Mo、V，生产成本高；历经铸坯、锻后控制冷却、锻件预硬化等多次热处理，工艺流程长，生产成本高。

申请号CN201310654945.0的中国发明专利申请公开了“一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板及其制造方法”，其成分为0.32～0.40%C、0.20～0.50%Si、1.00～1.50%Mn、1.20～1.70%Cr、≤0.20%Mo、≤0.0025%B、≤0.03%Ti、≤0.03%Nb，余量为Fe及其他不可避免杂质；采用LF和RH炉外精炼；铸坯加热温度1200～1230℃，精轧温度900～950℃、终轧温度870～920℃，得到钢板的厚度范围20～120mm；轧后控制冷却，根据钢板厚度，实施不同强度的冷却，冷却速度控制在3～8℃/s，返红温度小于500℃，空冷至250℃下线并堆冷；回火温度550～600℃，保温时间250～280min；所得钢板截面硬度310～340HB。该申请不足之处在于采用LF和RH炉外精炼，延长了生产时间，也增加了生产成本；需要热送温装铸坯，增加了生产组织难度；对0.32～0.40%C的钢板进行轧后喷水冷却至返红温度小于500℃，增加了钢板开裂的风险。

公开出版物“预硬化塑料模具钢性能研究”（续维,黄俊春,王庆亮.预硬化塑料模具钢性能研究[J].上海钢研,2004,2:7-12.），对成分为0.37%C、0.29%Si、1.34%Mn、1.97%Cr、0.20%Mo、 0.95%Ni，余量为Fe及其他不可避免杂质的塑料模具钢，采用电炉冶炼、钢包炉LF和真空VD精炼，锻造及调质工艺生产，所得到的大截面预硬型塑料模具钢表面和心部的组织差异较大，表面组织以均匀细小的回火索氏体为主，而芯部组织中存在粗化的铁素体条片，钢板硬度HRC38～41。该方案不足之处在于需要添加贵重金属Ni、Mo，增加了生产成本；采用LF和RH炉外精炼，延长了生产时间，也增加了生产成本；表面和心部的组织差异较大，并不能满足制造大截面模块的要求。

可见，上述发明和公开出版物提及的预硬化塑料模具钢，都在添加一定含量的Mn、Cr甚至Mo、Ni等元素提高钢材淬透性的基础上，采用LF和RH两次炉外精炼，TMCP工艺或锻造成形，再调质或回火或不热处理而得到，生产成本较高，涉及钢板厚度范围15～120mm，单个技术方案的钢板厚度跨度也较大，没有专门针对特厚钢板的技术方案。

发明内容

本发明的就是针对现有的预硬化型塑料模具钢，普遍添加一定含量的Mn、Cr甚至Mo、Ni等元素提高钢材淬透性的基础上，采用LF和RH两次炉外精炼，TMCP工艺或锻造成形，再调质或回火或不热处理而得到，生产成本较高，且没有专门针对大中型塑料模具的经济型预硬化塑料模具钢，提供一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板及其生产方法。

本发明的一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板，所述钢板是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.40～0.45%、Si：0.50～0.70%、Mn：1.60～2.00%、P≤0.015%、S≤0.005%、Mo：0.20～0.35%、Cr：1.80～2.20%、Al≤0.010%、Nb：0.010～0.020%、N：0.0030～0.0060%、B：0.0015～0.0025%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足公式：B＝0.00236%＋0.50×Al＋0.33×Nb－2×N＋(Al－0.0067%)(N－0.0045%)×61.2。

所述硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板的厚度为60～100mm，洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC。

本发明的一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板的生产方法，特别是：

（1）真空处理：真空处理时间不小于15min，真空处理前期加Nb铁，真空处理结束前3～5min时加入B；

（2）连铸坯热送热装入加热炉，热装入炉温度≥410℃，连铸坯厚度为250～300mm；

（3）铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥20min；

（4）中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度，对中间坯采用超密度中压水喷射冷却，采用摆动冷却模式，摆动3次后直接进行成形道次轧制；

（5） 钢板轧后堆垛冷却48h以上；

（6）正火+回火热处理，正火保温温度800～900℃，保温时间1.0～2.0min/mm，回火保温温度500～600℃，保温时间1.5～3.0min/mm。

以下详述本发明钢的化学成分和生产工艺设定理由。

1.化学成分的设定理由

C：C在钢中以间隙原子的形式存在，能非常有效地提高钢材的硬度和淬透性，是最为经济的硬化元素，为保证发明钢的硬度达到设计要求，且体现低成本理念，C含量下限是0.40%；若C含量超过0.45%，钢板的硬度会超标。因此，本发明钢的C含量确定为0.40～0.45%。

Si：在炼钢过程中用硅作为脱氧剂的工艺成熟，成本低廉；Si在钢中以固溶形态存在，能显著提高钢的强度和硬度，Si含量下限是0.50%；高Si含量会带来铸坯和钢板出现裂纹的风险，给生产组织带来较大不便，所以Si含量上限是0.70%。

Mn：Mn固溶于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区，降低钢冷却过程的相变点，提高钢的淬透性，显著提高钢的强度和硬度；Mn还能与钢中的S形成较高熔点的MnS，避免在晶界上形成FeS薄膜，消除钢的热脆性，所以Mn含量下限为1.60%；但Mn含量过高时，会降低铸坯的流动性，导致产生缩孔、气泡等内部质量缺陷，所以Mn含量上限为2.00%。

P：P是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性，降低塑性，还会因偏聚到晶界而导致钢板出现冷裂纹，但降低P含量会增加生产成本，因此要求钢中含磷量≤0.015%。

S：S也是钢中的有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延性和韧性，使钢材产生各向异性，铁水脱S技术成熟而对生产成本影响不大，所以S含量上限是0.005%。

Mo：强碳化物形成元素，也是能强烈提高钢的淬透性的元素，对于需要回火的钢，Mo还能提高回火稳定性，0.20%的下限是必须要的；但Mo也是一种贵重的合金元素，提高添加量将增加钢的制造成本，所以设定上限为0.35%。

Cr：能提高钢的淬透性，尤其是对于厚钢板而言需添加一定量的Cr提高淬透性以弥补厚度带来的强度和硬度损失；Cr也是中等强度碳化物形成元素，在钢中可以形成碳化物以提高钢材的强度。但太高的Cr和Mn同时加入钢中，在轧钢过程中易形成表面裂纹，因此Cr含量限定为1.80～2.20%。

Al：炼钢过程中最为经济有效的脱氧元素，现代检测技术的发展，可以在炉前快速准确地测定氧含量，从而确定合适的Al添加量；Al在钢中以Al₂O₃形式存在，这是一种硬脆相，不利于模具钢的抛光性能，因此，Al含量的上限为≤0.010%。

Nb：是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，其形成的化合物在铸坯加热时能阻止奥氏体晶粒长大，在轧制过程中应变诱导析出的微合金碳氮化物阻止形变奥氏体再结晶或阻止再结晶晶粒长大，在未再结晶区控制轧制，能提高组织的均匀性，获得较好的综合性能，0.010～0.020% 的Nb即能起到较好的作用。

B：是强烈提高钢的淬透性的元素，尤其是塑料模具钢这类品种厚规格钢板居多，0.0015%的添加量是必不可少的。B的原子半径小，极易偏聚到晶界，使近邻区域位错密度增高，作为氢陷阱，从而诱发此处发生晶界开裂，所以B含量上限限定为0.0025%。

本发明生产工艺的设定理由如下：

本发明需要真空处理，且真空处理时间不小于15min，真空处理前期加Nb铁，真空处理结束前3～5min时加入B。由于塑料模具钢还需要探伤，需要较好的钢材内部质量，必须通过真空处理才能满足技术要求；Nb的添加量并不多，其收得率高且稳定，能提高组织的均匀性，相应地提高模具钢硬度的均匀性，作为合金元素的Nb，在真空处理前期加入，是行之有效的最佳加入方式；在真空处理后期，钢中的[N]含量较低而且稳定可控，可准确计算出B的添加量，B＝0.00236%＋0.50×Al＋0.33×Nb－2×N＋(Al－0.0067%)(N－0.0045%)×61.2，有效地发挥B提高钢的淬透性的作用。

本发明之所以需要铸坯热送热装，热装入炉温度≥410℃，因为本发明钢在≤400℃就发生贝氏体相变，热应力和相变组织应力的叠加，易导致铸坯断裂。

本发明之所以控制铸坯加热温度在1220±30℃，是由于既要保持足够高的加热温度，使C、Si、Mn、Cr等元素充分溶解且均匀分布到高温奥氏体中，为获得均质化的钢板创造条件，又要防止高温奥氏体过分长大产生不良组织而恶化发明钢的性能。

本发明之所以控制中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度，对中间坯采用超密度中压水喷射冷却，采用摆动冷却模式，摆动3次后直接进行成形道次轧制，是因为本发明的模具钢厚度范围为60～100mm，属于特厚板范畴，所用厚铸坯心部的缩孔、缩松等固有的冶金缺陷，必须通过轧制工艺予以减缓或消除，采用中间坯冷却工艺，可以达到这一目标；未再结晶区必须保证足够的压下量，因此设定中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度。

本发明之所以需要钢板轧后堆垛缓冷，是由于如果轧后钢板冷却速度快，将形成马氏体组织，大大缩小后续回火热处理的工艺窗口，导致硬度超标，而且还由于热应力和组织应力叠加带来钢板产生裂纹，甚至断裂的风险；特厚钢板轧后堆垛冷却48h以上，有利于钢板内应力降低，钢中气体扩散逸出，得到较好的钢材内部质量，提高探伤合格率。

本发明钢需要进行正火+回火热处理热处理，经过这样的预硬化处理，本发明塑料模具特厚钢板的洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC。

本发明钢不添加贵重金属元素Ni，节省了合金成本；在精炼过程的真空RH处理前期加Nb，真空RH处理后期加B，既能提高塑料模具特厚钢板组织的均匀性，也就是模具钢硬度均匀性，也能有效地发挥B提高钢的淬透性的作用；连铸坯热送热装入加热炉，热装入炉温度≥410℃，铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥20min，轧制成中间坯，中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度，对中间坯采用超密度中压水喷射冷却，采用摆动冷却模式，摆动3次后直接进行成形道次轧制，省去了传统的粗轧工艺与精轧工艺之间的待温过程，既保证了特厚板性能均匀性，也提高了生产效率，轧制成品钢板厚度60～100mm，钢板轧后堆垛冷却48h以上，得到较好的钢材内部质量，提高探伤合格率；再通过正火+回火热处理，正火保温温度800～900℃，保温时间1.0～2.0min/mm，回火保温温度500～600℃，保温时间1.5～3.0min/mm；经过这样的预硬化处理，本发明制得的塑料模具特厚钢板的洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC，满足大模块模具制作要求。

具体实施方式

为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺路径和部分工艺参数取值列表；

表3为本发明各实施例不同于对比例的部分主要工艺参数取值列表；

表4为本发明各实施例及对比例的性能和组织检测分析结果列表。

本发明各实施例的一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板的生产方法，其中：

（1）真空处理：真空处理时间不小于15min，真空处理前期加Nb铁，真空处理结束前3～5min时加入B；

（2）连铸坯热送热装入加热炉，热装入炉温度≥410℃，连铸坯厚度为250～300mm；

（3）铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥20min；

（4）中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度，对中间坯采用超密度中压水喷射冷却，采用摆动冷却模式，摆动3次后直接进行成形道次轧制；

（5） 钢板轧后堆垛冷却48h以上；

（6）正火+回火热处理，正火保温温度800～900℃，保温时间1.0～2.0min/mm，回火保温温度500～600℃，保温时间1.5～3.0min/mm。

表1 本发明各实施例和对比例的化学成分取值列表

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺路径和部分工艺参数取值列表

表3 本发明各实施例不同于对比例的部分主要工艺参数取值列表

表4 本发明各实施例及对比例的性能和组织检测分析结果列表

说明：表4中表面硬度和心部硬度两列中的括号内为其上一行三个数据的算术平均值。

从表4中可以看出，就5个实施例的表面硬度而言，按照硬度测试的试验标准测得的三个HRC值，彼此之间相差很小。实施例3的三个HRC值中，最大值与最小值之间的差值仅为0.6HRC，实施例5的三个HRC值中，最大值与最小值之间的差值为1.6HRC。同样地，就5个实施例的心部硬度而言，实施例5的三个HRC值中，最大值与最小值之间的差值仅为0.2HRC，实施例1的三个HRC值中，最大值与最小值之间的差值为1.1HRC。

塑料模具型腔复杂，对尺寸精度和表面粗糙度要求严格，所以塑料模具钢应具备优异的切削加工性、镜面抛磨性、花纹蚀刻性；大截面模块硬度沿截面分布均匀，并且耐磨性、电火花加工性、焊接性、耐塑料制品腐蚀性等基本性能均应良好，这些性能要求的冶金学实质就是塑料模具钢淬透性要高，沿截面方向组织稳定，硬度分布均匀，其评价指标就是最大截面硬度差HRC。从表4中可以看出，实施例2和实施例5的表面硬度与心部硬度的最大截面硬度差是最大的，达到2.8HRC，实施例1的表面硬度与心部硬度的最大截面硬度差最小，为1.7HRC。本发明塑料模具钢的洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC，沿截面的硬度分布均匀，适合制作对尺寸精度和表面粗糙度等要求严格且型腔复杂的塑料模具。

本发明的实施例仅为最佳例举，并非对技术方案的限定性实施。上述实施例仅仅是本发明为解释本发明而例举的具体实例，并不以任何形式限制本发明，任何人根据上述内容和形式做出的不偏离本发明权利要求保护范围的非实质性的改变，均应认为落入本发明权利要求的保护范围。本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims (3)

1.一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板，其特征在于所述钢板是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.40～0.45%、Si：0.50～0.70%、Mn：1.60～2.00%、P≤0.015%、S≤0.005%、Mo：0.20～0.35%、Cr：1.80～2.20%、Al≤0.010%、Nb：0.010～0.020%、N：0.0030～0.0060%、B：0.0015～0.0025%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足公式：B＝0.00236%＋0.50×Al＋0.33×Nb－2×N＋(Al－0.0067%)(N－0.0045%)×61.2。

2.根据权利要求1所述的一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板，其特征在于：所述硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板的厚度为60～100mm，洛氏硬度HRC28～34，最大截面硬度差≤3HRC。

3.如权利要求1所述的一种硼处理的预硬化塑料模具特厚钢板的生产方法，其特征在于：

（1）真空处理：真空处理时间不小于15min，真空处理前期加Nb-Fe，真空处理结束前3～5min时加入B；

（2）连铸坯热送热装入加热炉，热装入炉温度≥410℃，连铸坯厚度为250～300mm；

（3）铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥20min；

（4）中间坯厚度为2h±20mm，h为成品钢板厚度，对中间坯采用超密度中压水喷射冷却，采用摆动冷却模式，摆动3次后直接进行成形道次轧制；

（5）钢板轧后堆垛冷却48h以上；

（6）正火+回火热处理，正火保温温度800～900℃，保温时间1.0～2.0min/mm，回火保温温度500～600℃，保温时间1.5～3.0min/mm。