CN116288058A - 一种可用于模具表面的合金钢组合物及其应用 - Google Patents

一种可用于模具表面的合金钢组合物及其应用 Download PDF

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Abstract

一种可用于模具表面的合金钢组合物，按照重量比例，所述元素包括C0.1‑0.2％，Si 0.1‑0.2％，Mn 0.2‑0.5％，Cr 2‑8％，Ni 0.001‑0.05％，V 0.01‑0.5％，Mo 0.1‑1.5％，Fe≥85％。本申请合金钢组合物，大幅降低碳含量，防止焊接裂纹的产生，耐热耐磨性能仍满足模具要求，可以用于模具快速设计变更。

Description

一种可用于模具表面的合金钢组合物及其应用
技术领域
本发明涉及一种合金组合物及其应用，尤其涉及一种可用于模具表面的合金组合物及其应用，该合金组合物可以使得模具设计变更更加便捷。
背景技术
塑料制品加工过程中，模具是重要的工具，其用于注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法得到所需产品，素有“工业之母”的称号。模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。通过堆焊或增材制造等方法，在模具内表面形成不同形状，可以实现模具设计的变更。
H13钢为C-Cr-Mo-Si-V型钢，是一种“热作钢”(热作模具钢)，主要应用于锻造模具、压铸模具、塑料模具，是目前用于制作塑料制品加工模具的重要材料，也是目前使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种。
H13钢是美国AISI/SAE标准钢材牌号，含C 0.35％、Si～1％、Mn 0.1-0.4％、Cr5％、Mo0.5％、W 1.5％、V 0.4％等，这种C含量的钢具有脆性，易开裂，可以进行谨慎的锻造，但不适合3D打印，尤其是激光熔覆或多层堆焊时，层间非常容易开裂，这就导致变更模具设计存在困难。如果将模具重新开模，则成本非常高。
热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能，因此，一般认为，如果C含量低于0.3％，则很难达到模具钢的要求。
发明内容
本申请提供了一种可用于模具表面的合金钢组合物，可以避免传统模具钢的易开裂性能，可以方便的变更模具设计。
本申请所述的用于模具表面的合金钢组合物，元素包括C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Mo，Fe。
在一种优选实施例中，所述元素重量比例为：
C 0.1-0.2％，
Si 0.1-0.2％，
Mn 0.2-0.5％，
Cr 2-8％，
Ni 0.001-0.05％，
V 0.01-0.5％，
Mo 0.1-1.5％，
Fe≥85％。
在一种优选实施例中，所述元素重量比例为：
C 0.12-0.18％，
Si 0.12-0.18％，
Mn 0.25-0.45％，
Cr 3-6.5％，
Ni 0.005-0.03％，
V 0.05-0.3％，
Mo 0.3-1.2％，
Fe≥90％，或其余为Fe。
在一种优选实施例中，所述元素重量比例为：
C 0.14-0.16％，
Si 0.14-0.16％，
Mn 0.3-0.4％，
Cr 4-5.5％，
Ni 0.01-0.02％，
V 0.1-0.2％，
Mo 0.6-1.0％，
Fe≥93％，或其余为Fe。
在一种优选实施例中，所述元素还可以包括S，优选地，按照重量比例，S≤0.02％。
在一种优选实施例中，所述元素还可以包括P，优选地，按照重量比例，P≤0.01％。
在一种优选实施例中，所述元素还可以包括W，优选地，按照重量比例，W≤0.01％。
在一种优选实施例中，所述元素还可以包括Co，优选地，按照重量比例，Co≤0.01％。
在一种优选实施例中，本申请所述的合金钢组合物，为粉末形态。优选地，所述合金组合物为球形粉末形态。
在一种优选实施例中，所述球形粉末粒径≤200μm，更优选为1-180μm之间，更优选为50-150μm之间。
本申请还提供一种变更模具设计的方法，包括通过激光熔覆，将本申请合金钢组合物附着于模具表面(优选为内表面)，形成变更后所需形状。
在一种优选实施例中，所述激光熔覆是指，粉末状的所述高硬度耐磨材料组合物，在激光束内和/或外落到基材(如本申请所的模具本体或刀具)表面，所述激光束按照预设速度运动。
本申请合金钢组合物，大幅降低碳含量，防止焊接裂纹的产生，耐热耐磨性能仍满足模具要求，可以用于模具快速设计变更，从而替代H13钢，作为热做模具钢使用。
附图说明
图1为焊接用金属组合物增材制造装置的结构示意图。
图例说明：
1、激光光束；2、粉末组合物；3、熔池；4、工件。
具体实施方式
一般而言，钢中增加碳含量将提高钢的强度，对H13这类热作模具钢而言，会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，但会导致其韧度的降低，为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则：在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量。通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为0.4％。对要求更高强度的热作模具钢，采用的方法是在H13钢成分的基础上提高Mo含量或提高含C量，但这种情况下，韧度和塑性的降低是可以预料的。
C含量或提高珠光体的含量，从而硬度和强度提高，但也会增加残余奥氏体含量，导致硬度下降。这就对其他元素综合合金化提出严格的要求。
Cr和Si会使氧化膜致密来提高钢的抗氧化性，工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合从而来影响钢的性能。但合计元素的交互作用影响不能忽视，例如，Cr、Mo、V同时存在，则Cr能阻止V4C3的生成和推迟Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高钢材的高温强度和抗回火性的强化相，这种交互作用的研究，有利于提高该钢耐热变形性能，但发明人研究发现，这对于Cr、Mo、V的含量具有较严格的要求，因为，各种元素的C化物稳定性不同，例如，具有面心立方点阵的VC碳化物，稳定性高；Mo形成的Mo2C和MoC碳化物具有密排和简单六方点阵，它们的稳定性较差些，但二者同时存在，则可以解决不同温度下的强化。Mo、Cr等形成的M23C6碳化物的稳定性更差，经过综合合金化，也可以作为强化相存在(如(CrFeMoW)23C6)。
实施例1
按照重量比例，所述元素为：
C 0.15％，
Si 0.15％，
Mn 0.3％，
P≤0.001％，
S≤0.001％，
Cr 5％，
Ni 0.01％，
V 0.1％，
W≤0.01％，
Mo 0.8％，
Co≤0.01％，
其余为Fe。
实施例2
按照重量比例，所述元素为：
C 0.1％，
Si 0.1％，
Mn 0.4％，
P≤0.001％，
S≤0.001％，
Cr 4.5％，
Ni 0.01％，
V 0.1％，
W≤0.01％，
Mo 1.0％，
Co≤0.01％，
其余为Fe。
实施例3
按照重量比例，所述元素为：
C 0.13％，
Si 0.13％，
Mn 0.35％，
P≤0.001％，
S≤0.001％，
Cr 5.5％，
Ni 0.01％，
V 0.1％，
W≤0.01％，
Mo 0.6％，
Co≤0.01％，
其余为Fe。
实施例4
按照重量比例，所述元素为：
C 0.16％，
Si 0.16％，
Mn 0.35％，
P≤0.001％，
S≤0.001％，
Cr 4％，
Ni 0.01％，
V 0.1％，
W≤0.01％，
Mo 0.8％，
Co≤0.01％，
其余为Fe。
实施例5
参照图1，将上述实施例所得合金钢组合物，通过激光熔覆，附着于塑料加工模具表面，单层或多层堆焊形成所需模具形状，不需要淬火和回火，即可达到38HRC硬度以上，从而可以替代H13钢，方便的进行变更模具设计。
本申请上述实施例1-4获得的产品性能检测结果如下：
Figure BDA0003839403750000061
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于模具表面的合金钢组合物，其特征在于，元素包括C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Mo，Fe；
按照重量比例，所述元素为：
C 0.1-0.2％，
Si 0.1-0.2％，
Mn 0.2-0.5％，
Cr 2-8％，
Ni 0.001-0.05％，
V 0.01-0.5％，
Mo 0.1-1.5％，
Fe≥85％。
2.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，按照重量比例，所述元素为：
C 0.12-0.18％，
Si 0.12-0.18％，
Mn 0.25-0.45％，
Cr 3-6.5％，
Ni 0.005-0.03％，
V 0.05-0.3％，
Mo 0.3-1.2％，
Fe≥90％，或其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，按照重量比例，所述元素为：
C 0.14-0.16％，
Si 0.14-0.16％，
Mn 0.3-0.4％，
Cr 4-5.5％，
Ni 0.01-0.02％，
V 0.1-0.2％，
Mo 0.6-1.0％，
Fe≥93％，或其余为Fe。
4.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，所述合金钢组合物为球形粉末形态。
5.根据权利要求4所述的合金钢组合物，其特征在于，所述球形粉末粒径≤200μm。
6.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，所述元素还包括S，按照重量比例，S≤0.02％。
7.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，所述元素还包括P，按照重量比例，P≤0.01％。
8.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，所述元素还包括W，按照重量比例，W≤0.01％。
9.根据权利要求1所述的合金钢组合物，其特征在于，所述元素还包括Co，按照重量比例，Co≤0.01％。
10.一种变更模具设计的方法，其特征在于，包括通过激光熔覆，将权利要求1所述合金钢组合物附着于模具表面，形成变更后所需形状。
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