CN101230442A - 一种用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于塑料模具模架钢的经过预硬化的低合金非调质钢及其制备方法，上述低合金非调质钢低合金非调质钢的化学成分(质量％)为：C：0.30－0.40，Si：0.20－0.70，Mn：1.00－1.50，P：≤0.030，S：≤0.025，Cr：1.00－1.50，Mo：0.10－0.30，Ni：0.10－0.30，Ti：0.010－0.030。预硬化硬度为24－29HRC，既保证模具钢材料要求的硬度，可保证模具钢材料所要求的硬度，同时，又可以免去调质工艺，用户可以直接锯切使用，由此，可同时为供需双方为高档塑料模具模架的非调质钢材料的获得降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种塑料模具模架钢及其制造方法，具体地，本发明涉及这样一种塑料模具模架钢及其制造方法，所述塑料模具模架钢属于一种低合金非调质钢，所述塑料模具模架钢坯料籍由轧后空冷即可直接得到要求的硬度，可以不经淬火回火处理直接加工成模架。所述塑料模具模架钢适合制造高档塑料制品的模具架和塑料模具型腔。

背景技术

塑料制品行业的快速发展已经使塑料模具成为一个相当重要的产业。

模具由模架和模芯及相关配件组成，模架和配件由专业的厂家按常用的系列规格做好供选择，模具工厂一般只做模芯加工和装配。模具的各种不同主要是在模芯，针对不同形状的产品，模具设计人员把模芯设计成各种形式，如：点进料、直进料、潜进料、滑块、抽芯、直顶出、推板顶出、二次顶出、热流道、气体辅助等，其目的是为了能按产品设计要求成型和方便完整地脱出模具，同时也要考虑到模芯在加工时的易加工性及模具使用的寿命。

模具各部分用的钢材各有不同，模架一般用中碳钢45#或50#，配件用高碳钢加热处理，模芯的钢材用成分较复杂的合金钢，有预硬钢和热处理钢及镜面钢等，其不同的国家用的牌号各不相同，如：NAK80、718、SKD61(日本)P20、H13、(美国)2344、2738(德国)S136、8407(瑞士)等。

现在通常说模具质量的好坏，主要区别在模芯的加工精密程度和模具的反复使用寿命，这又很大程度上依靠精密的加工设备和合理的模具材料及结构上的设计。

塑料模架是模具最重要的标准件。塑料模架以材质状态分为调质模架和非调质模架。国内的塑料模架都以45钢或40Cr钢为模板材料。模架生产厂家在使用上出现两种方式，一种对模架进行热处理“调质”处理，以实现其硬度的提高及良好的金相组织，从而提高模具的耐用性和稳定性。另一种方式则考虑到热处理工序需增加设备投资，增加生产成本等因素，因此不采用调质处理，而是直接在模坯锯切下料进行模架生产。这种方式生产的塑料模架硬度偏低，波动大，耐用性差，不能满足高档塑料模架的质量要求。

中碳45钢以热轧空冷状态交货，多数用户对硬度没有特别要求，一般不经调质处理就可直接使用，其硬度约在180～200HB。但如欲提高其使用性能，则需进行调质处理。个别用户经过调质后，使用硬度可达到22～26HRC。中碳45钢的特性是：淬透性差，强度一般，耐磨性差，但价格便宜，切削加工性能好，通常，适用于制造中、小型的低档次塑料模具及模架等部件。

40Cr钢是典型的调质钢，是机械制造业中使用最广泛的钢种之一。根据用途，40Cr钢往往需经调质处理。40Cr钢经调质处理后，具有良好的综合力学性能。其特性是：钢的淬透性良好，切削性能较好。40Cr钢适于制作中型塑料模具，性能优于45钢。

45钢和40Cr钢的化学成分示于表1。

表1(％)：

牌号	C	Mn	Si	Cr	S	P
							45	0.42～0.50	0.50～0.80	0.17～0.37	≤0.25	≤0.035	≤0.035
40Cr	0.37～0.44	0.50～0.80	0.17～0.37	0.80～1.10	≤0.035	≤0.035

目前高档模架使用的材料主要是45或40Cr的调质钢。如果由用户对所述材料进行调质处理，则存在工序复杂、成本增加，环境污染的问题。随着高档模架使用的材料对45或40Cr钢的调质要求日益提高，用户也日益希望生产厂家可提供直接使用的预硬模具钢。

为了满足用户的要求，为用户提供可直接使用的、无须再度进行调质处理的预硬模具钢，目前，有两种方案。其一是，直接供应调质钢。但是，钢厂必须具有相关的系列热处理设备。其二是，开发非调质的预硬模具钢。

申请号为“CN86101988”、发明名称为“塑料模具钢”的中国专利公开了一种制造精密塑料模具用钢。所述制造精密塑料模具用钢是一种高合金时效塑模钢，其硬度高(HRC43～48)。其成分为：C≤0.06％；Ni5.5～6.5％；Cr1.30～1.60％；Mo0.90～1.20；Ti0.90～1.30％；Al0.30～0.90％；V0.08～0.16％；Mn≤0.50％；Si；≤0.50。其HRC达43～48。

申请号为“CN86103713”、发明名称为“易切削高韧性塑料模具钢”的中国专利公开这样一种硫钙复合系塑料模具钢，所述硫钙复合系塑料模具钢在预硬状态下(HRC30～45)，可顺利进行各种切削加工，并具有较高韧性。籍由采用电弧炉冶炼，喷射冶金加钙等工艺，所述硫钙复合系塑料模具钢适用做大、中、小形及腔形复杂的塑料模具。所述硫钙复合系塑料模具钢的基本成分如下：

S 0.04～0.20％，Ca 0.002～0.02％，C 0.30～0.65％、Ni0.30～2.00％及适量的Mn、Cr、Mo、V、Si、余量为Fe。这是一种电炉工艺生产的易切削塑料模具钢，其硬度HRC达30～45。

申请号为“CN98111772.4”、发明名称为“一种微合金化塑料模具钢的制造方法”的中国专利申请公开了一种微合金化贝氏体型塑料模具钢的制造方法。所述微合金化贝氏体型塑料模具钢的化学成分(重量％)如下：

C 0.20～0.30，Si0.10～0.60，Mn1.7～2.5，P0.035～0.08，S0.01～0.04，Mo0.20～0.50，V0.05～0.20，B0.0005～0.0050，Ca0.0005～0.010，N0.0050～0.0080，Ti/N＝3～4。

这是一种非调质塑料模具钢，但成分设计不同。

又，申请号为“CN200410053281.3”、发明名称为“一种贝氏体大截面塑料模具钢及其制造方法”的中国专利申请公开了一种贝氏体大截面塑料模具钢及其制造方法，所述贝氏体大截面塑料模具钢的化学成分如下(重量％)：

C 0.05～0.19％，Si 0.10～0.60％，Mn 1.0～1.65％，V 0.04～0.20％，Cr 1.0～1.70％，Mo 0.15～0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni 0～0.50％，N≤0.01％，Ti 0.005～0.025％，Ca 0～0.0050％，Al 0.01～0.04％。所述贝氏体大截面塑料模具钢为粒状贝氏体组织，其硬度水平达到HRC28～33。这是一种非调质塑料模具钢，但其硬度要求不同，成分设计不同。

国外典型的合金塑料模具钢都采用调质预硬化工艺处理，主要特点如下：

牌号	C％	Mn％	Si％	Cr％	Mo％	Ni％	硬度HRC
								P20	0.28-0.40	0.60-1.00	0.20-0.80	1.40-2.0	0.30-0.55	0.10-0.30	28-33
718	0.28-0.40	1.00-1.50	0.20-0.80	1.40-2.00	0.30-0.55	0.80-1.20	33-38

上述材料都是用于塑料模具的型腔，而对于高档塑料模具模架的非调质钢材料一直没有新的品种。

鉴于上述，本发明人经多次、反复的研究、试验后，发现：通过独特的成分设计，配置以相应的去应力退火工艺，经过预硬化，籍此，可保证模具钢材料所要求的硬度，同时，又可以免去调质工艺，用户可以直接锯切使用，由此，可同时为供需双方为高档塑料模具模架的非调质钢材料的获得降低生产成本，提高生产效率，由此，完成了本发明。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用于高档塑料模具模架钢的经过预硬化的低合金非调质钢，上述低合金非调质钢具有独特的成分设计，既保证模具钢材料要求的硬度，可保证模具钢材料所要求的硬度，同时，又可以免去调质工艺，用户可以直接锯切使用，由此，可同时为供需双方为高档塑料模具模架的非调质钢材料的获得降低生产成本，提高生产效率。

本发明的目的又在于：提供一种用于高档塑料模具模架钢的经过预硬化的低合金非调质钢的制造方法，上述低合金非调质钢的制造方法通过独特的成分设计，配置以相应的去应力退火工艺，经过预硬化，既保证模具钢材料要求的硬度，可保证模具钢材料所要求的硬度，同时，又可以免去调质工艺。

由此，获得一种经过预硬化后有较高硬度要求的高档模架钢，用户可以直接锯切使用。无需调质处理，用户可以直接锯切使用，不仅节省能源，减少环境污染，而且提高了生产效率，降低生产成本，提高生产效率。

本发明的用于高档塑料模具模架钢的低合金非调质钢新材料的化学成分如下：

(质量百分比，％)

C：0.30-0.40

Si：0.20-0.70

Mn：1.00-1.50

P：≤0.030

S：≤0.025

Cr：1.00-1.50

Mo：0.10-0.30

Ni：0.10-0.30

Ti：0.010-0.030

本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的成品硬度24-29HRC左右(预硬化)。

本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法包括下述工序：

转炉冶炼，经炉外精炼和真空脱气处理，钢水采用镇静钢钢锭浇注，按热锭方式装炉均热，初轧机轧制成材，轧后采取去应力退火(非调质)工艺，消除钢坯的内应力，钢坯切割。

本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢新材料的化学成分如下：

C：0.30-0.40

Si：0.20-0.70

Mn：1.00-1.50

P：≤0.030

S：≤0.025

Cr：1.00-1.50

Mo：0.10-0.30

Ni：0.10-0.30

Ti：0.010-0.030

根据本发明的成分设计原理，要求轧后空冷组织是贝氏体，硬度要均匀稳定。因此，选用Cr-Mo钢作为新材料的基材。Cr-Mo钢是在含Cr量1％的材料中，添加0.15-0.30％的Mo。含有Cr、Mo的合金钢硬化能大，抗高温软化性能好，不易产生回火脆性，再添加其它少量合金强化元素，以达到材料要求的硬度和稳定性。

合金钢中常用的合金元素很多，按照其与碳结合的倾向大小，可分非碳化物形成元素和碳化物形成元素。

非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。这些元素与碳亲合力很弱，在钢中不和碳化合，而是溶入铁素体内形成合金铁素体，对基体起固溶强化作用。

中强碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W等。一般能够置换渗碳体中的铁原子而形成合金渗碳体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C等，合金渗碳体仍具有渗碳体的复杂六方晶格。渗碳体是一种稳定性最低的碳化物，因为Fe与C的亲和力较弱。合金渗碳体较渗碳体稳定性略为提高，硬度也较高，是一般低合金钢中存在的主要碳化物。

强碳化物形成元素：Mo、W、Ti、Zr、Nb、V。这些合金元素含量较高(ωMe＞5％)时，才倾向于形成合金碳化物，如Cr7C3、Cr23C5、Fe3W3等。它比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。

基材的主要成分是0.35％C、0.60％Mn、0.25％Si、1.00％Cr、0.20％Mo。按非调质工艺生产，材料实际硬度只有20～24HRC，达不到24～29HRC的要求。为了提高材料硬度，在CrMo钢的基础上进一步添加合金元素Mn、Ni、Cr、Ti，对材料起强化作用。

Mn：锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用，这里添加较多的锰以增强钢的强度和硬度，锰铁也是一种较低廉的合金。当锰的含量超过1.5％时，会使钢的韧性和焊接性能变坏。因此，Mn含量控制在1.0～1.5％之间。

Si：硅对提高硬度的作用很大，但硅含量高，会引起材料的导热性能变差，材料的韧性也急剧下降，对模具的使用寿命是不利的。一般Si含量控制在0.20～0.70％。

Cr：铬可提高钢的强度和硬度。形成碳化物，增强钢的硬化能和抗高温软化性能，提高耐磨性能。铬的加入量主要考虑需达到的硬度，试验表明Cr控制在1.00～1.50％较合适。Cr含量太低，硬度达不到，Cr含量太高，钢坯易出现表面裂纹。

Mo：钼对铁素体有固溶强化作用。提高钢的热强性，提高钢的淬透性，提高钢的强度和硬度，消除回火淬性。但考虑钼铁合金的成本太高，Mo含量一般控制在0.10～0.30％就可以起到效果。

Ni：镍是一种固溶强化元素，可提高钢的强度而不显著降低其韧性。这里的Ni是特别添加的元素。能显著改善钢硬度的均匀性和稳定性，提高钢的加工性和可焊性。

少量的镍就可以起到有效的作用，经过试验，镍的添加量只要0.10～0.30％就可以了。

Ti：细化晶粒，与碳形成碳化物TiC，析出强化。钛能改善钢的热强性，提高钢的高温强度；防止高温冷却时的脆化现象。加入Ti，起到细化钢的组织晶粒度。一般不超过0.030％。

由此，得到上述的新材料的化学成分。

本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法制造的低合金非调质钢的设计硬度为24～29HRC，适用钢板厚度：≤200mm。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，所述转炉出钢钢包目标温度为1580-1620℃。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，所述转炉吹炼中，停吹碳≥0.04％，防止吹炼过氧化。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，由LF炉外精炼，完成合金化、升温、脱氧任务。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，RH真空脱气，RH处理时间≥24分钟，保证氢含量小于2ppm。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，RH结束钢包温度1550±5℃。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，钢水采用钢锭按下注方式进行浇注，浇铸全程采用氩气保护浇注。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，钢锭均热模式为：前期保温60分钟，然后以50℃/hr升温至1000℃，保温300分钟，再以150℃/hr升温至1290℃，均热420分钟。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，板坯轧后空冷至室温。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，

所述板坯去应力退火工艺为

适用规格mm	装入条件	起始温度℃	升温速度℃/h	保温温度℃	保温时间h	降温速度℃/h	出炉温度℃
								厚度60～200	常温	150±20	90±10	450±10	12	炉冷	350±20

具体实施方式

以下，以实施例，具体说明本发明。

实施例1

制造本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法。包括下述工序：

转炉冶炼，经炉外精炼和真空脱气处理，钢水采用镇静钢钢锭浇注，按热锭方式装炉均热，初轧机轧制成材，轧后采取去应力退火(非调质)工艺，消除钢坯的内应力，钢坯切割。

本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢化学成分设计如下表1所示：

表1(质量百分比，％)

C	Mn	Si	Cr	Mo	Ni	Ti	S	P
									0.30～0.40	1.00～1.50	0.20～0.70	1.00～1.50	0.10～0.30	0.10～0.30	0.010～0.030	≤0.025	≤0.030

转炉冶炼工艺：

转炉出钢钢包目标温度1580℃；停吹碳≥0.04％，防止吹炼过氧化；

挡渣出钢，防止下渣回磷。

LF炉外精炼：

完成合金化、升温、脱氧任务。

RH真空脱气：

RH处理时间≥24分钟，保证氢含量小于2ppm；RH结束钢包温度1550±5℃。

钢水浇注：

采用钢锭按下注方式进行浇注，浇铸全程采用氩气保护浇注；

钢锭浇注后，镇静时间120分钟，400分钟开始脱模时间，钢锭脱模后热送均热炉。钢锭均热工艺：

前期保温60分钟，然后以50℃/hr升温至1000℃，保温300分钟，再以150℃/hr升温至1290℃，均热420分钟。

初轧机轧制：

板坯钢锭均热后经初轧机轧制成板坯，钢锭切头率不低于10％，切尾率不低于2％；

板坯轧后空冷至室温，禁止堆冷、缓冷。

板坯去应力退火工艺：见表2

表2板坯去应力退火工艺

适用规格mm	装入条件	起始温度℃	升温速度℃/h	保温温度℃	保温时间h	降温速度℃/h	出炉温度℃
								厚度60～200	常温	150±20	90±10	450±10	12	炉冷	350±20

板坯退火后表面禁止火焰清理，采用锯切方式切割。

按照上述方法，制得作为本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的11炉钢，其各项指标见表3。

表3

硬度的均匀性指标见表4。

表4

均值	标准差	最小值	最大值
				27.2	1.7	23	30

由上述可见，本发明的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢材料硬度均匀较好，平均值为27.2HRC，标准差1.7HRC。

根据本发明的用于塑料模具模架钢的经过预硬化的低合金非调质钢及其制造方法，所述低合金非调质钢具有独特的成分设计，既保证模具钢材料要求的硬度，可保证模具钢材料所要求的硬度，同时，又可以免去调质工艺，用户可以直接锯切使用，由此，可同时为供需双方为高档塑料模具模架的非调质钢材料的获得降低生产成本，提高生产效率。

Claims (8)

1.一种用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢，其特征在于，低合金非调质钢的化学成分(质量％)如下：

C：0.30-0.40

Si：0.20-0.70

Mn：1.00-1.50

P：≤0.030

S：≤0.025

Cr：1.00-1.50

Mo：0.10-0.30

Ni：0.10-0.30

Ti：0.010-0.030。

2.如权利要求1所述的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢，其特征在于，所述低合金非调质钢的成品预硬化硬度为24-29HRC。

3.一种用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，所述低合金非调质钢新材料的化学成分如下：

C：0.30-0.40

Si：0.20-0.70

Mn：1.00-1.50

P：≤0.030

S：≤0.025

Cr：1.00-1.50

Mo：0.10-0.30

Ni：0.10-0.30

Ti：0.010-0.030，

所述低合金非调质钢的方法包括下述工序：

转炉冶炼，经炉外精炼和真空脱气处理，钢水采用镇静钢钢锭浇注，按热锭方式装炉均热，初轧机轧制成材，轧后采取去应力退火的非调质工艺，消除钢坯的内应力，钢坯切割。

4.如权利要求3所述的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，其特征在于，所述低合金非调质钢的设计硬度为24～29HRC，适用钢板厚度：≤200mm。

5.如权利要求3所述的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，其特征在于，所述转炉出钢钢包目标温度为1580-1620℃，

在所述转炉吹炼中，停吹碳≥0.04％，防止吹炼过氧化，

在所述LF炉外精炼，完成合金化、升温、脱氧任务，

在所述RH真空脱气中，RH处理时间≥24分钟，保证氢含量小于2ppm，

所述RH结束钢包温度1550±5℃，

所述钢水采用钢锭按下注方式进行浇注，浇铸全程采用氩气保护浇注。

6.如权利要求3所述的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，其特征在于，所述钢锭均热模式为：前期保温60分钟，然后以50℃/hr升温至1000℃，保温300分钟，再以150℃/hr升温至1290℃，均热420分钟。

7.如权利要求3所述的用于塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，其特征在于，所述板坯轧后空冷至室温。

8.如权利要求3所述的用于高档塑料模具模架钢的低合金非调质钢的制造方法，其特征在于，所述板坯去应力退火工艺为：

适用钢板厚度：60～200mm，装入条件：常温，起始温度℃：150±20，保温温度℃：450±10，保温时间h：12，降温速度℃/h：炉冷，出炉温度℃：350±20。