CN114959497B - 一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法 - Google Patents

一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法，所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.38～0.42%、Si：0.25～0.35%、Mn：1.30～1.50%、S≤0.010%、P≤0.020%、Cr：1.8～2.0%、Mo：0.17～0.25%，N≤50ppm，O≤20ppm，H≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免地杂质；其生产方法包括：KR脱硫—130t转炉—RH—板坯连铸—铸坯缓冷—加热—轧制—加速冷却控制—热处理—检测—入库，本发明轧钢采用合理的加热速率、均热时间，保证铸坯断面温差≤30℃，在精准的热机械轧制+回火工艺下，组织内碳化物分布弥散且均匀，组织应力消除较充分，实现钢板内在质量和截面硬度均匀的统一，制得的预硬化合金塑料模具钢的洛氏硬度HRC28～33，最大截面硬度差≤3HRC，满足预硬化合金塑料模具制作要求。

Description

一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及塑料模具钢技术领域，特别是一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法。
背景技术
模具是制造业的重要基础工艺装备，因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用，是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、仪表、仪器、医疗器械、电子通信、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业领域必不可少的工艺装备。其产业关联度高，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保持国际竞争力的重要保证之一。
随着工业技术的发展，为提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切加工工艺，如精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来替代传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段之一，在家用电器、机电产品、塑料制品、陶瓷制品、橡胶制品等行业应用广泛，其中在汽车、电机家电应用领域，塑料模具模架钢占比达80%，该领域塑料模具模架钢应用最广。
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。塑料模具的型腔复杂、尺寸精度和表面粗糙度等要求严格，而且正在向大型化、精密化发展；而模具型腔是从表面向内凹陷，模具的工作面实际上是钢板的厚度截面，因而要求模具钢板截面方向具有均匀的硬度，具备优异的切削加工性、镜面抛磨性、花纹蚀刻性，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，沿厚度截面方向组织要均匀。
申请号201510870739.2的中国发明专利申请公开了“一种经济型塑料模具钢板及制造方法”，采用0.40～0.50%C、0.40～0.70%Si、1.10～1.50%Mn、0.60～0.80%Cr、0.10～0.20%Mo、0.001～0.0012%B成分，采用钢包炉LF和真空RH炉外精炼，铸坯开轧温1080～1150℃，终轧温度840～910℃、开冷温度750～800℃、返红温度500～550℃，水冷到室温后在450～600℃回火，保温时间1.5～2.5min/mm ，制得的钢材性能为HRC 28～33，最大截面硬度差5HRC。该申请的不足之处在于采用LF和RH炉外精炼，延长了生产时间，也增加了生产成本。
申请号200910312255.0的中国发明专利申请公开了“一种合金塑料模具钢板及其生产方法”，采用0.30～0.50%C、0.20～0.50%Si、0.80～1.80%Mn、0.001～0.003%B、0.015～0.040%Ti、0.010～0.040%V、1.4～2.0%Cr、0.10～0.50%Mo，电炉冶炼、真空RH+钢包炉LF炉外精炼，采用高温低速大压下原则在奥氏体再结晶温度区控制轧制，终轧温度≤950℃，轧后不浇水，不堆垛冷却，自然空冷，480～570℃回火，保温系数4～5min/mm，适合制作的钢板厚度为20～200mm，HB310～330，不平度≤7mm/m。该申请的不足之处在于电炉冶炼钢的N含量通常较高，在0.0060～0.0100%，且不稳定，控制难度较大；真空脱气后再进行钢包炉调成分，既导致Al、Ti烧损多，又易在LF过程增N，进一步增加了Al、Ti、N、B的精确控制难度。
申请号200810060480.5的中国发明专利申请公开了一种淬硬型易切削镜面塑料模具钢，是一种兼具淬硬性、易切削性、镜面抛光和耐蚀性的新型塑料模具钢，采用的化学成分（重量百分比，%）0.30～0.70C、≤1.0Si、≤0.90Mn、7.0～11.5Cr、≤1.0Cu、≤2.5Ni、0.30～0.75B、S≤0.10、P≤0.04，其余为Fe和不可避免地杂质。采用电炉—模铸—锻打开坯—退火—二次锻打—球化退火—调质热处理，典型金相组织为马氏体基体和少量共晶B化物，钢材的硬度为56～58HRC，铣削表面质量达到Ra≤0.20μm。该方案合金成本高，含7.0～11.5%Cr、≤2.5Ni，工艺流程长，模铸、锻打开坯将带来成材率不高，多次热处理，既增加工艺成本，还导致烧损增加。
申请号201711277657.2的中国发明专利申请公开了“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，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。该方案采用了较多的贵重元素Ni、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，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。
可见，上述发明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，再调质或回火而得到，涉及钢板厚度范围15～120mm，单个发明案例的厚度跨度也较大。
对于预硬型塑料模具钢，强韧性、淬透性、截面硬度均匀性、切削加工性、抛光性能及耐蚀性等基本性能是必要的。因此，开发一种合理的生产工艺，低成本且能保证质量的完成预硬型合金塑料模具钢，是目前行业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种预硬化合金塑料模具钢及其生产方法。本发明通过合理热机械轧制（TMCP）+回火工艺下，实现16～80mm规格钢板硬度28～33HRC，截面硬度偏差≤3HRC，高效低成本生产预硬化合金塑料模具钢。
本发明的一种预硬化合金塑料模具钢，所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.38～0.42%、Si：0.25～0.35%、Mn：1.30～1.50%、S≤0.010%、P≤0.020%、Cr：1.8～2.0%、Mo：0.17～0.25%，N≤50ppm，O≤20ppm，H≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免地杂质。
本发明制得的模具钢的成品厚度为16～80mm，硬度28～33HRC，截面硬度偏差≤3HRC。
本发明的一种预硬化合金塑料模具钢的生产方法，包括：KR脱硫—130t转炉—RH—板坯连铸—铸坯缓冷—加热—轧制—加速冷却控制—热处理—检测—入库，其中：
（1）冶炼
转炉冶炼终点时控制C：0.15～0.25%，P≤0.008%，出钢温度：T=1600～1650℃，采用滑板挡渣；RH炉微调成分，钢中成分达到目标值后，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤20ppm，H含量≤1.5ppm；
（2）连铸
断面250mm×2000mm，采用强冷二冷配水模式，设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10～20℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；
（3）轧制
铸坯加热速率按10～12min/cm坯厚控制，加热到1220±30℃，均热时间≥20min，出炉温度按1180±20℃控制, 开轧温度≥1080℃，粗轧采用高温大压下工艺轧制，前三道次压下率按10%～15%控制，精轧时开轧温度以保障命中终轧温度为准，末道次压下量≤5mm；
（4）加速冷却控制
精轧结束后进行钢板预矫直，钢板厚度H＜30mm的钢板不浇水直接空冷，30≤H≤80mm厚度规格钢板开启ACC浇水冷却，冷却水量大小以确保命中返红温度为准，其中30≤H≤60mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.3，返红温度660～720℃；60＜H≤80mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.5，返红温度680～720℃；
（5）热处理
钢板厚度16≤H＜40mm的钢板，回火温度610±5℃，保温时间（3×H+30）min；40≤H≤60mm厚度的钢板，回火温度595±5℃，保温时间（3×H）min；60＜H≤80mm厚度的钢板，回火温度580±5℃，保温时间（3×H）min。
本发明模具钢的化学成分设计原理分析如下：
C、N同为间隙元素和强奥氏体形成元素，对提高淬透性、高温奥氏体稳定性和强度有一定的作用；细小的碳化物、氮化物是钢中主要的析出强化相，可以提高模具钢的硬度，但过多的M（CN）会导致预硬化合金塑料模具钢的时效硬度不均匀，C、N不易过高，本发明的C含量控制在0.38～0.42%，N≤0.0050%。
Si：常用脱氧剂，并能够提高预硬化合金塑料模具钢强度，但是对钢板焊接性能不利。Si含量过高，造成轧钢过程氧化铁皮难以除尽，影响钢板表面质量，本发明Si：0.25～0.35%。
Mn：降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却的过冷度，细化珠光体组织，以及改善其力学性能，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒度粗化和回火脆性的不利趋向。锰元素可以提高钢的强度，但是含量高时，将降低钢的低温韧性。本发明Mn：1.30～1.50%。
P和S：都属于钢种有害夹杂元素，P增加钢的冷脆性，降低塑性，S增加钢的热脆性，降低钢的延性和韧性，因此要求钢中P≤0.020%，S≤0.010%。
Cr：Cr能提高钢的淬透性，还能保证模具钢具有一定的耐蚀性能，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和硬度，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1.8～2.0%。
Mo：Mo在钢中形成M6C型化合物，以此增加Cr的固溶度，提高耐磨性，并可以降低回火脆性。本发明Mo含量控制在0.17～0.25%。
O：O在模具钢中属于有害气体，为确保钢质纯净度和钢中氧化物夹杂的总量，需将O含量严格控制在较低水平。本发明要求O≤20ppm。
H：是产生钢中“白点”、氢脆、发纹、“鱼眼”及层状断口等缺陷的重要原因。本发明控制H≤1.5ppm。
以下详述本发明生产工艺的参数控制理由。
本发明中连铸采用强冷二冷配水模式及合适的电磁搅拌强度，控制中包钢水过热度10～20℃，减少铸坯中心偏析。
因该钢的合金含量较高，导热性较差，加热过程应平缓均匀，铸坯加热速率按10～12min/cm坯厚控制。
本发明之所以采用TMCP+回火的热处理工艺，一是通过控轧控冷技术可替代正火或淬火工序可以降低生产成本，提升效率。二是提高模具钢板轧态的硬度性能，表面和心部硬度达36～45HRC，为模具钢回火消应、均匀性能提供保障。
最终在轧制热处理后得到截面硬度均匀的预硬化合金塑料模具钢，洛氏硬度HRC28～33，最大截面硬度差≤3HRC，金相组织为回火贝氏体，组织内应力消除充分。
本发明相对现有技术，具有如下优点：
转炉保碳出钢，降低钢水中的初始氧含量，RH真空炉极致脱气、均匀化钢水成分，连铸采用低过热度浇注，减少铸坯中心偏析。
轧钢采用合理的加热速率、均热时间，保证铸坯断面温差≤30℃。在精准的热机械轧制+回火工艺下，组织内碳化物分布弥散且均匀，组织应力消除较充分，实现钢板内在质量和截面硬度均匀的统一，获得高品质预硬化合金塑料模具钢。本发明塑料模具特厚钢板的洛氏硬度HRC28～33，最大截面硬度差≤3HRC，满足预硬化合金塑料模具制作要求。
附图说明
图1是实施例4制备的40mm预硬化合金塑料模具钢590℃回火的金相组织图（放大至500倍）；
图2是实施例5制备的80mm预硬化合金塑料模具钢570℃回火的金相组织图（放大至500倍）；
图3是实施例5制备的80mm预硬化合金塑料模具钢570℃回火的金相组织图（放大至1000倍）。
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。
下表1为本发明各实施例及对比例化学成分质量百分比含量取值列表（wt%）；
下表2为本发明各实施例及对比例主要生产工艺参数的取值列表；
下表3为本发明各实施例及对比例的截面方向硬度结果列表。
本发明各实施例的一种预硬化合金塑料模具钢，所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.38～0.42%、Si：0.25～0.35%、Mn：1.30～1.50%、S≤0.010%、P≤0.020%、Cr：1.8～2.0%、Mo：0.17～0.25%，N≤50ppm，O≤20ppm，H≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免地杂质。
本发明制得的模具钢的成品厚度为16～80mm，硬度28～33HRC，截面硬度偏差≤3HRC。
本发明的一种预硬化合金塑料模具钢的生产方法，包括：KR脱硫—130t转炉—RH—板坯连铸—铸坯缓冷—加热—轧制—加速冷却控制—热处理—检测—入库，其中：
（1）冶炼
转炉冶炼终点时控制C：0.15～0.25%，P≤0.008%，出钢温度：T=1600～1650℃，采用滑板挡渣；RH炉微调成分，钢中成分达到目标值后，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤20ppm，H含量≤1.5ppm；
（2）连铸
断面250mm×2000mm，采用强冷二冷配水模式，设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10-20℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；
（3）轧制
铸坯加热速率按10～12min/cm坯厚控制，加热到1220±30℃，均热时间≥20min，出炉温度按1180±20℃控制, 开轧温度≥1080℃，粗轧采用高温大压下工艺轧制，前三道次压下率按10%～15%控制，精轧时开轧温度以保障命中终轧温度为准，末道次压下量≤5mm；
（4）加速冷却控制
精轧结束后进行钢板预矫直，钢板厚度H＜30mm的钢板不浇水直接空冷，30≤H≤80mm厚度规格钢板开启ACC浇水冷却，冷却水量大小以确保命中返红温度为准，其中30≤H≤60mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.3，返红温度660～720℃；60＜H≤80mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.5，返红温度680～720℃；
（5）热处理
钢板厚度16≤H＜40mm的钢板，回火温度610±5℃，保温时间（3×H+30）min；40≤H≤60mm厚度的钢板，回火温度595±5℃，保温时间（3×H）min；60＜H≤80mm厚度的钢板，回火温度580±5℃，保温时间（3×H）min。
表1 本发明各实施例及对比例模具钢的化学成分（wt%）取值列表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表
Figure 513555DEST_PATH_IMAGE002
表3 本发明各实施例及对比例的截面方向硬度结果列表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
从表3可以看出，就5个实施例的表面硬度和心部硬度而言，按照硬度测试的试验标准测得的六个HRC值，彼此之间相差很小。实施例1的六个HRC值中，最大值与最小值之间的差值仅为1.6HRC，实施例5的六个HRC值中，最大值与最小值之间的差值为2.9HRC。反观对比例，模具钢截面硬度差均比较大，生产的模具钢质量也较差。
图1是实施例4制备的40mm预硬化合金塑料模具钢590℃回火的金相组织图（放大至500倍）；图2是实施例5制备的80mm预硬化合金塑料模具钢570℃回火的金相组织图（放大至500倍）；图3是实施例5制备的80mm预硬化合金塑料模具钢570℃回火的金相组织图（放大至1000倍）。由图1、图2、图3金相结果可知，本发明生产的钢板的基体组织为回火贝氏体，组织均匀性较好，满足交货组织要求。其中40mm规格晶粒尺寸约10～15um，80mm规格晶粒尺寸约20～25um，40mm规格的晶粒尺寸比80mm规格的要细小一些，可见轧制压缩比对组织晶粒尺寸的影响较明显。对80mm规格570℃回火的试样放大1000倍金相观察，可见组织内碳化物分布弥散且均匀，表明组织应力消除较充分。
预硬化合金塑料模具型腔复杂，对尺寸精度和表面粗糙度要求严格，所以预硬化合金塑料模具钢应具备优异的切削加工性，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沿截面方向组织稳定，硬度分布均匀。本发明塑料模具钢的洛氏硬度HRC28～33，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。
上述实施例仅仅是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，任何人根据上述作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 (2)

1.一种预硬化合金塑料模具钢的生产方法，其特征在于所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.38～0.42%、Si：0.25～0.35%、Mn：1.30～1.50%、S≤0.010%、P≤0.020%、Cr：1.8～2.0%、Mo：0.17～0.25%，N≤50ppm，O≤20ppm，H≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的 杂质；
所述预硬化合金塑料模具钢的生产方法，包括：KR脱硫—130t转炉—RH—板坯连铸—铸坯缓冷—加热—轧制—加速冷却控制—热处理—检测—入库，其中：
（1）冶炼
转炉冶炼终点时控制C：0.15～0.25%，P≤0.008%，出钢温度：T=1600～1650℃，采用滑板挡渣；RH炉微调成分，钢中成分达到目标值后，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤20ppm，H含量≤1.5ppm；
（2）连铸
断面250mm×2000mm，采用强冷二冷配水模式，设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10-20℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；
（3）轧制
铸坯加热速率按10～12min/cm坯厚控制，加热到1220±30℃，均热时间≥20min，出炉温度按1180±20℃控制, 开轧温度≥1080℃，粗轧采用高温大压下工艺轧制，前三道次压下率按10%～15%控制，精轧时开轧温度以保障命中终轧温度为准，末道次压下量≤5mm；
（4）加速冷却控制
精轧结束后进行钢板预矫直，钢板厚度H＜30mm的钢板不浇水直接空冷，30≤H≤80mm厚度规格钢板开启ACC浇水冷却，冷却水量大小以确保命中返红温度为准，其中30≤H≤60mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.3，返红温度660～720℃；60＜H≤80mm厚度规格钢板，上下水比为1:1.5，返红温度680～720℃；
（5）热处理
钢板厚度16≤H＜40mm的钢板，回火温度610±5℃，保温时间（3×H+30）min；40≤H≤60mm厚度的钢板，回火温度595±5℃，保温时间（3×H）min；60＜H≤80mm厚度的钢板，回火温度580±5℃，保温时间（3×H）min。
2.根据权利要求1所述一种预硬化合金塑料模具钢的生产方法，其特征在于：所述模具钢的成品厚度为16～80mm，硬度28～33HRC，截面硬度偏差≤3HRC。
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