CN117448681A - 一种预硬型塑料模具钢及其制造方法 - Google Patents

一种预硬型塑料模具钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预硬型塑料模具钢及其制造方法，涉及模具钢技术领域，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.38～0.42％，Si 0.30～0.34％，Mn 1.50～1.60％，Cr 1.80～1.90％，Mo 0.35～0.45％，V 0.01～0.04％，Ca 0.0030～0.00060％，Nb 0.020～0.035％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。该预硬型塑料模具钢抛光性和机械力学性能优异。

Description

一种预硬型塑料模具钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，尤其涉及一种预硬型塑料模具钢及其制造方法。
背景技术
随着汽车、拖拉机、电机、无线电、家用电器和国防工业的迅速发展，冷冲压、挤压、模锻和压铸等无切削加工工艺被广泛应用，对模具的需要量越来越大，对制造模具的钢材品种、钢材的冶金生产及钢材的热处理质量等也提出了越来越高的要求。塑料模具作为塑料成型工业的重要工艺装备，其性能的好坏直接影响塑料成型质量，因此，寻求综合性能和性能稳定性佳的塑料模具钢显得尤为重要。
所谓预硬化型塑料模具钢是由钢厂在供货状态下已预先对模具进行了热处理，使其达到模具使用时所要求的硬度和使用性能，从而可避免模具加工后再进行淬火、回火热处理操作所造成的氧化、脱碳、变形和开裂，从而保证了模具的制造精度。同时，因省略了热处理和热处理后的精加工，所以降低了成本，大大缩短了制造周期。现有的预硬化型塑料模具钢由于锻造和调质以及Ni等合金元素的加入，其表面硬度往往超过技术要求，抛光性不良，生产周期长，能耗和成本高。除此之外，市面上的预硬化型塑料模具钢也还或多或少存在机械力学性能有限，抗腐蚀性能不佳，适于寿命短的缺陷。
为了解决上述问题，申请号为201910047103.6的中国发明专利公开了一种预硬型塑料模具钢及其制备方法，其成分按质量百分比含C 0.32～0.40％，Si 0.20～0.35％，Mn1.30～1.60％，Cr 1.80～2.10％，Ni 0.90～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，V 0.10～0.35％，余量为Fe；其等向性≥0.80。方法为：(1)冶炼钢水，浇铸成钢锭；(2)600～700℃预热后加热至1200～1250℃保温；(3)进行锻造后随炉冷却；(4)880±10℃正火处理；(5)900～940℃保温2～3h，然后水冷；(6)在450～550℃回火处理。该发明的方法制备出的预硬型塑料模具钢，大大提升了淬透性，提高了横向冲击韧性。然而其抛光性和机械力学性能仍然有待进一步提高。
因此，开发一种抛光性和机械力学性能优异的预硬型塑料模具钢及其制造方法符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进预硬型塑料模具钢领域的发展具有非常重要的意义。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种抛光性和机械力学性能优异的预硬型塑料模具钢及其制造方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种预硬型塑料模具钢，其特征在于，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.38～0.42％，Si 0.30～0.34％，Mn 1.50～1.60％，Cr 1.80～1.90％，Mo 0.35～0.45％，V 0.01～0.04％，Ca 0.0030～0.00060％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
较佳的，所述预硬型塑料模具钢的化学成分还包括：Nb 0.020～0.035％。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述预硬型塑料模具钢的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分重量百分比配料，加入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼；再经过真空脱气；最后浇注钢锭，待用；
步骤二，将步骤二得到的钢锭脱模后热送入炉中，然后将温度调整到1150～1250℃温度范围内进行多向锻造；
步骤三，将所述步骤三中自然冷却后的锻件进行回火处理。
较佳的，步骤一中所述浇注采用模铸浇注。
较佳的，步骤一中所述精炼采用LF+VD真空精炼；LF脱硫、合金化，VD去除夹杂和有害气体，VD毕喂Ca线，控制钢水的Ca含量在0.0030～0.00060％。
较佳的，步骤二中所述锻造的锻造比≥6，终锻温度控制在860℃～950℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到120-200℃以下。
较佳的，步骤二中所述回火处理的温度为620℃～680℃，时间2-4h。
具体实施方式
下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。
一种预硬型塑料模具钢，其特征在于，包括如下按质量百分比计的化学成分：C0.38～0.42％，Si 0.30～0.34％，Mn 1.50～1.60％，Cr 1.80～1.90％，Mo 0.35～0.45％，V 0.01～0.04％，Ca 0.0030～0.00060％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
较佳的，所述预硬型塑料模具钢的化学成分还包括：Nb 0.020～0.035％。
C：0.35～0.45％，
C是确保钢材强度所必须的元素，提高钢中的C含量将增加钢的非平衡组织转变能力，从而显著提高钢的强度；在本发明中，可以通过淬回火热处理工艺抑制钢中C元素的扩散形成切变型的马氏体相变从而显著提高钢的强度。碳是保证硬度和淬透性的重要元素，太低不能保证大截面的硬度均匀性，太高，容易造成偏析和应力开裂。基于此，在本发明所述的高强度钢材中，控制C元素的质量百分含量在0.35～0.45％之间。
Si：0.30～0.34％，Si元素可以固溶在钢中并起到固溶强化的作用，其能够显著提高钢材的屈服强度、疲劳强度和硬度。Si在渗碳体中的溶解度很低，钢中Si元素含量不宜过高，当钢中Si元素含量过高时，不仅会形成无碳化物的贝氏体组织，同时还会增加钢材的脆性。适当的Si含量可以帮助脱氧，并有助于改善加工性能，太高的硅会造成组织偏析，降低韧性和切削加工性能。
Mn：1.50～1.60％，Mn元素可以提高钢中奥氏体的稳定性，同时还能提高钢材的淬透性。此外，Mn还可以通过固溶强化，提高钢中马氏体的强度，进而提高钢材的强度。但需要注意的是，钢中Mn元素含量同样不宜过高，当钢中Mn元素含量过高时，在淬火加热时会使得奥氏体晶粒容易长大，并促进有害元素在晶界偏聚也会导致板坯心部偏析，造成组织不均，影响加工性能。
Cr：1.80～1.90％，加适量的Cr元素可以提高钢材的淬透性，并具有二次硬化的作用，其可以形成硬化的马氏体组织，有利于提高钢材的强度。此外，Cr的碳化物可以起到抑制晶粒长大的作用，但是，钢中Cr元素含量同样不宜过高，当钢中Cr元素含量过高时，会生成大量碳化物，并在晶界聚集，降低材料的韧性并且显著增加碳当量铬能提高钢的淬透性。
Mo：0.35～0.45％，Mo元素主要以固溶形式存在于钢中，其能够起到固溶强化效果，有利于提高钢材的淬透性，使钢在淬火过程中形成马氏体。Mo同时还是贵重合金元素，加入过量的Mo还会导致合金成本上升Mo能提高回火稳定性，并有助于提高大截面的组织和硬度均匀性，太高增加了成本。
V：0.01～0.04％，钒具有较高的析出强化作用，在轧制和回火的过程中，从铁素体中析出碳氮化物，能够提高强度和硬度，从而降低其他合金元素的添加量。当含量过高，将严重影响钢的塑性和韧性。
Nb：0.020～0.035％，铌具有细化晶粒作用，与V元素配合应用能有效细化组织，提高表面的硬度稳定性。
Ca：0.0030～0.00060％.微量的钙元素是本发明钢的核心内容，通过加入该元素能有效改善模具钢的切削性能。在钢中又加入了元素Ca使模具在预硬状态下(硬度HRC32-38)时，具有良好的切削加工性能，加工成型后可直接使用，保证了模具的表面光洁度及尺寸精度要求。从根本上避免了模具成品热处理易引起变形、裂这一棘手的问题。由于加入了ca元素，改善了夹杂物的形态，使夹杂物球化，并均匀分布，从而提高了塑料模具的抛光性能和表面光洁度。
P：≤0.015％，S：≤0.010％，磷和硫为杂质元素，尽量降低其含量，以减少偏析。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述预硬型塑料模具钢的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分重量百分比配料，加入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼；再经过真空脱气；最后浇注钢锭，待用；
步骤二，将步骤二得到的钢锭脱模后热送入炉中，然后将温度调整到1150～1250℃温度范围内进行多向锻造；
步骤三，将所述步骤三中自然冷却后的锻件进行回火处理。
较佳的，步骤一中所述浇注采用模铸浇注。
较佳的，步骤一中所述精炼采用LF+VD真空精炼；LF脱硫、合金化，VD去除夹杂和有害气体，VD毕喂Ca线，控制钢水的Ca含量在0.0030～0.00060％。
较佳的，步骤二中所述锻造的锻造比≥6，终锻温度控制在860℃～950℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到120-200℃以下。
较佳的，步骤二中所述回火处理的温度为620℃～680℃，时间2-4h。
由于上述技术方案运用，本发明专利与现有技术相比具有下列优点：本发明采用微量钒和铌合金化替代价格昂贵的镍合金，并利用钒和铌的析出强化功能和适当的生产工艺相配合，得到了性能优良的贝氏体塑料模具钢。在达到与现有预硬型塑料模具钢等同性能水平的情况下，改进了生产工艺，省略了调质热处理工序，缩短了生产周期，改善了抛光性能，降低了成本，扩大了产能。在钢中又加入了元素Ca使模具在预硬状态下具有良好的切削加工性能，加工成型后可直接使，保证了模具的表面光洁度及尺寸精度要求，从根本上避免了模具成品热处理易引起变形、裂这一棘手的问题。
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
本例提供一种预硬型塑料模具钢，包括如下按质量百分比计的化学成分：C0.38％，Si0.30％，Mn 1.50％，Cr 1.80％，Mo 0.35％，V 0.01％，Ca 0.0030％，Nb0.020％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种所述预硬型塑料模具钢的制造方法，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分重量百分比配料，加入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼；再经过真空脱气；最后浇注钢锭，待用；
步骤二，将步骤二得到的钢锭脱模后热送入炉中，然后将温度调整到1200℃温度范围内进行多向锻造；
步骤三，将所述步骤三中自然冷却后的锻件进行回火处理。
步骤一中所述浇注采用模铸浇注。
步骤一中所述精炼采用LF+VD真空精炼；LF脱硫、合金化，VD去除夹杂和有害气体，VD毕喂Ca线，控制钢水的Ca含量。
步骤二中所述锻造的锻造比≥6，终锻温度控制在860℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到120℃以下；步骤二中所述回火处理的温度为620℃，时间2h。
实施例2
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.39％，Si 0.31％，Mn 1.53％，Cr 1.82％，Mo 0.38％，V0.02％，Ca 0.0010％，Nb 0.025％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；步骤二中所述锻造的终锻温度880℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到140℃以下；步骤二中所述回火处理的温度为640℃，时间2.5h。
实施例3
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.4％，Si 0.32％，Mn 1.55％，Cr 1.85％，Mo 0.4％，V0.025％，Ca 0.002％，Nb 0.028％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；步骤二中所述锻造的终锻温度910℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到160℃以下；步骤二中所述回火处理的温度为650℃，时间3h。
实施例4
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.41％，Si 0.33％，Mn 1.58％，Cr 1.88％，Mo 0.43％，V0.035％，Ca 0.002％，Nb 0.032％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；步骤二中所述锻造的终锻温度940℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到190℃以下；步骤二中所述回火处理的温度为670℃，时间3.5h。
实施例5
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，包括如下按质量百分比计的化学成分：C 0.42％，Si 0.34％，Mn 1.60％，Cr 1.90％，Mo 0.45％，V0.04％，Ca 0.00060％，Nb 0.035％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；步骤二中所述锻造的终锻温度950℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到200℃以下；步骤二中所述回火处理的温度为680℃，时间4h。
对比例1
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加Nb和V。
对比例2
本例提供一种预硬型塑料模具钢，其与实施例1基本相同，不同的是，所述锻造的锻造比为4，终锻温度控制在800℃；步骤二中所述回火处理的温度为700℃，时间1h。。
为了进一步说明各例预硬型塑料模具钢的有益技术效果，对各例产品相关性能测试，测试结果见表1，测试方法参见我国现行国标。
表1
项目 抗拉强度 横向冲击功 硬度
单位 MPa J HRC
实施例1 1120 70.5 35
实施例2 1136 72.1 36
实施例3 1150 73.7 36
实施例4 1173 74.2 38
实施例5 1190 75.4 38
对比例1 1038 63.9 32
对比例2 1079 66.2 33
从表1可以看出，本发明实施例中预硬型塑料模具钢具有更高的机械力学性能，且Nb和V的添加及回火锻造工艺参数的合理控制对改善上述性能有益。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据依据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种预硬型塑料模具钢，其特征在于，包括如下按质量百分比计的化学成分：C0.38～0.42％，Si 0.30～0.34％，Mn 1.50～1.60％，Cr 1.80～1.90％，Mo 0.35～0.45％，V0.01～0.04％，Ca 0.0030～0.00060％，P≤0.015％，S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的预硬型塑料模具钢，其特征在于，所述预硬型塑料模具钢的化学成分还包括：Nb 0.020～0.035％。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述预硬型塑料模具钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分重量百分比配料，加入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼；再经过真空脱气；最后浇注钢锭，待用；
步骤二，将步骤二得到的钢锭脱模后热送入炉中，然后将温度调整到1150～1250℃温度范围内进行多向锻造；
步骤三，将所述步骤三中自然冷却后的锻件进行回火处理。
4.根据权利要求3所述预硬型塑料模具钢的制造方法，其特征在于，步骤一中所述浇注采用模铸浇注。
5.根据权利要求3所述预硬型塑料模具钢的制造方法，其特征在于，步骤一中所述精炼采用LF+VD真空精炼；LF脱硫、合金化，VD去除夹杂和有害气体，VD毕喂Ca线，控制钢水的Ca含量在0.0030～0.00060％。
6.根据权利要求3所述预硬型塑料模具钢的制造方法，其特征在于，步骤二中所述锻造的锻造比≥6，终锻温度控制在860℃～950℃；锻后直接进行空冷冷却，冷却到120-200℃以下。
7.根据权利要求3所述预硬型塑料模具钢的制造方法，其特征在于，步骤二中所述回火处理的温度为620℃～680℃，时间2-4h。
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