CN102286698B

CN102286698B - 一种塑料模具钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102286698B
Application number: CN 201010202166
Authority: CN
Inventors: 续维; 吴晓春; 周荃; 闵永安; 罗毅
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN102286698A

Abstract

一种塑料模具钢，其化学成分的重量百分含量为：C0.25～0.29％、Mn1.30～1.50％、Si0.40～0.60％、Cr1.20～1.50％、Mo0.40～0.50％、Nb0.02～0.05％、Ni≤0.15％、Cu≤0.15％、P≤0.020％、S≤0.015％、N≤0.012％，余量为铁及不可避免的杂质；其制造方法无需调质热处理工序，直接锻后空冷，即制得厚度超过600mm且心部到表面硬度均匀的预硬化型塑料模具钢，本发明克服了现有非调质模具钢厚度均小于400mm的局限，满足模具行业对低成本高质量的大规格预硬化型塑料模具钢的需求。

Description

一种塑料模具钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金行业模具钢制造工艺领域，具体涉及一种大规格预硬化型塑料模具钢及其制造方法。

背景技术

塑料模具是塑料成形加工工业的重要工艺装备，占模具工业总产值的第一位，由于其材料用量大，品种、规格多，形成了专用的塑料模具钢。目前塑料模具正向高精度、多型腔、大型化的方向发展，模具型腔复杂，加工精度要求高，因此高品质的塑料模具均采用预硬化型塑料模具钢制造。预硬化型塑料模具钢是由冶金厂在供货时就保证模具钢达到用户所要求的硬度和使用性能，用户得到材料后，直接加工成模具，不再进行淬火、回火处理就可以直接使用，这类钢可以避免在模具加工以后再进行淬火、回火热处理操作所造成的变形、开裂、脱碳等缺陷，同时具有良好的强韧性，切削性能和抛光性能、尺寸精度以及性能价格比，适宜制造形状复杂、精密的塑料模具，在塑料模具钢市场中占有较大份额。

当前，大规格塑料模具钢产品领域最常用的是调质型塑料模具钢SW718H，其化学成分为：0.32～0.40％C，0.20～0.40％Si，1.10～1.50％Mn，P：≤0.025％，S：≤0.04％，0.25～0.40％Mo，1.70～2.00％Cr，0.85～1.15％Ni，其余为Fe。

从上述化学成分可以明显看出：SW718H钢中碳含量为0.32～0.40％，另外还含有一定量的Cr、Mn、Ni、Mo等合金元素，碳含量及碳当量均较高。由于钢锭在凝固过程中存在选分结晶现象，造成钢锭各部位产生成分偏差，即成分偏析，尤其在钢锭心部，为钢中碳元素的正偏析区，即钢锭中上部位心部的碳含量高于其它部位的碳含量，因此钢锭正偏析区碳含量必然大于0.32％。由此导致截面硬度的均匀性不佳，一般截面硬度差值在3.5HRC，截面硬度的均匀性不佳会造成模具的光洁度差，从而影响了模具成形质量。

另外，SW718H钢的制造技术要求在锻造成形之后进行调质热处理才能达到预硬化HRC30～HRC36的硬度范围，即将钢模块重新置入加热炉中进行加热至860℃～880℃温度，保温8～10小时出炉，然后放入大型淬火槽中进行淬火处理，当模块在淬火槽中冷却至150℃后，再将模块置入550℃～600℃回火炉中进行10～20小时的保温处理，随后出炉冷却至室温。这势必要增加调质加热炉、回火炉和淬火槽等冶金装备，增加了制造成本，延长了大规格模具钢的制造工艺周期。

如果希望省略调质热处理工序而要达到预硬化模块的硬度效果，目前的工艺技术只能做到厚度400mm以下的规格。例如公开号为CN1224769的专利公开了一种微合金化塑料模具钢的制造方法，化学成分为：0.20～0.30％C，0.10～0.60％Si，1.70～2.50％Mn，0.035～0.08％P，0.01～0.04％S，0.20～0.50％Mo，0.05～0.20％V，0.0005～0.0050％B，0.0005～0.010％Ca等。该专利化学成份组成的特点是含有较高的锰元素和微合金化元素硼元素，通过在钢种中加入硼元素作为微合金化元素增加钢的淬透性，并通过钙处理增加其切削性能。虽然按照上述专利生产出的模具钢可作为一种非调质的贝氏体型钢使用，但是，其仅仅能作为一种规格小于300mm厚度的热轧扁钢产品使用。

然而，目前用于汽车内饰板的塑料模具均采用的是截面厚度在600mm以上的预硬型塑料模具钢。因此，多年来，广大冶金材料学科的研技术人员一直在寻找一种新型的非调质型大规格塑料模具钢模块，以替代目前的调质型SW718H塑料模具钢，满足模具行业对低成本高质量的大规格预硬化塑料模具钢的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种塑料模具钢及其制造方法，该种模具钢采用新型的化学成分配比，其制造过程无需调质热处理工序，直接锻后空冷，即可制得心部到表面硬度均匀的预硬化型塑料模具钢，且适用于厚度在600mm以上的大规格塑料模具钢。

为实现上述目的，本发明首先提供了所述塑料模具钢化学成分重量百分含量：

C 0.25～0.29％，

Mn 1.30～1.50％，

Si 0.40～0.60％，

Cr 1.20～1.50％，

Mo 0.40～0.50％，

Nb 0.02～0.05％，

Ni ≤0.15％，

Cu ≤0.15％，

P ≤0.020％，

S ≤0.015％，

N ≤0.012％，

余量为Fe及不可避免的杂质。

上述化学成分的重量百分含量设计达到如下技术效果：

C：0.25～0.29％，C是提高钢的硬度和强度最为有效的元素，固溶强化作用显著，是保证在非调质状态下能够达到预硬化塑料模具钢所需达到的硬度的必不可少的元素；但C含量过高则降低贝氏体转变温度，不利于贝氏体的形成，因此本发明将C的重量百分含量限定在0.25～0.29％。

Si：0.40～0.60％，在炼钢过程中加入Si作为还原剂和脱氧剂，Si的铁素体强化作用显著，本发明中，Si和Mo、Cr配合使用，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。

Mn：1.30～1.50％，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，含Mn钢较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；当Mn的重量百分含量为1.30～1.50％时，随其含量的增加显著降低铁素体的临界转变速率，但是当Mn含量过高时，临界速率曲线趋于平缓，且会减弱钢的抗腐蚀能力，使钢晶粒粗化，降低焊接性能。

Cr：1.20～1.50％，Cr也是强烈推迟珠光体转变的合金元素，本发明中，Cr、Mn同时加入，效果更加明显，更有利于贝氏体的形成，但Cr含量过高则降低贝氏体转变温度，因此本发明将Cr的重量百分含量限定在1.20～1.50％。

Mo：0.40～0.50％，Mo有强烈抑制奥氏体向珠光体转变的作用，仅在固溶于奥氏体中的情况下才有这样的作用，因此Mo含量不宜过高，否则将会形成碳化物，降低抑制奥氏体向珠光体转变的作用。

Nb：0.02～0.05％，作为微合金元素之一，Nb可以与碳交互作用，生成少量NbC并溶入其他合金碳化物中增加钢材料的稳定性，并细小均匀分布，抑制动态再结晶，细化晶粒，从而对钢的强韧化产生影响，可以增加钢的淬透性，并且，铌以MC型碳化物弥散析出，形成强烈的二次硬化效果。

Ni：≤0.15％，Ni是显著提高淬透性的元素，但高含量的Ni会引起吸氢，因此本发明将Ni的重量百分含量限定为不超过0.15％。

Cu：≤0.15％，铜可以造成钢在锻造冷却过程中由于铜析出相使得钢发生脆性变化，因此，本发明将Cu的重量百分含量限定为不超过0.15％，以防止脆性的发生。

P：≤0.020％，磷增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，本发明将磷元素的重量百分含量控制在不超过0.020％，可以防止降低钢的综合性能。

S：≤0.015％，硫元素在一定的程度上容易造成钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象，控制硫的重量百分含量不超过0.015％，可以提高钢加工性能。

N：≤0.012％，对N含量的控制，主要是为了避免Nb和N结合，因为NbN比NbC更稳定，易形成堆积，而非细小弥散。

本发明还提供上述塑料模具钢的制造方法：

1)按照上述化学成份配比，经电弧炉初炼、炉外精炼后，浇铸成25吨～35吨钢锭；

2)将上述钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时～120℃/小时的升温速度加热至1160℃～1180℃，保温5～8小时后，对钢锭进行锻造，开锻温度为1100℃～1150℃，停锻温度为850℃～950℃，锻造完毕得到锻后模块；

3)将上述锻后模块放置在空气中自然冷却至室温。

上述制造方法中工艺参数的控制达到如下技术效果：

在电弧炉初炼和炉外精练之后浇铸成25吨～35吨钢锭：一方面可以满足大规格塑料模具钢单件重量17吨～24吨的市场需求，另一方面大钢锭比小钢锭可以获得更大的锻造压缩比，这样可以改善塑料模具钢的化学成份的偏析，提高组织均匀性。

钢锭在锻造加热炉内加热至1160℃～1180℃后保温5～8小时：可以获得最佳的热变形塑性，有利于锻造的顺利进行。

对钢锭锻造的开锻温度1100℃～1150℃、停锻温度850℃～950℃：由于开锻温度和停锻温度的控制范围是塑料模具钢的奥氏体区域，具有良好的高温延展性和可变形性，不会导致塑料模具钢在变形过程中发生变形开裂现象。

锻后模块在空气中自然冷却至室温：这种处理方式是为了锻后模块在空气中冷却硬化，并达到合理的硬度要求。这种工艺方法使得塑料模具钢截面硬度均匀，而且无需调质热处理工序，同样达到了厚度大于600mm的大规格塑料模具钢预硬化的效果。此外，由于本钢种含Ni量很低，通过这种退火方法可以充分扩氢，避免氢致裂纹。

本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：

(1)化学成分配比更加合理，通过加入微合金化元素Nb，Cr、Ni、Mn等合金元素配合微合金化元素Nb发生复合作用，成分偏析更小，二次硬化效果更佳，达到了大规格塑料模具钢的直接空冷硬化目的。具体来说，这种复合作用为：Nb元素与碳元素交互作用形成碳化铌NbC，碳化铌又溶入多种合金碳化物Cr₇C₃、Mo₃C等合金碳化物中，并细小、均匀分布在基体中和Mn元素、Ni元素一起组成多元碳化物对材料产生复合作用，这些复合作用可以增加材料的稳定性，抑制动态再结晶，细化晶粒，提高钢的强韧性和淬透性。另外，微合金元素铌在钢中以MC型碳化物形式在钢的冷却过程中弥散析出，形成强烈的二次硬化效果。

(2)本发明的塑料模具钢的截面硬度均匀性从原来的硬度差值3.5HRC减小到硬度差值2.0HRC，大幅提升了大规格钢制成模具的使用性能。

(3)无需调质热处理工序，通过锻后空冷的方式同样使得厚度大于600mm大规格塑料模具钢达到了预硬化的效果，截面硬度值大于等于30HRC，且截面硬度更均匀，省去了大规格预硬化塑料模具钢通常采用的调质炉和淬火槽的冶金装备，节约了制造成本，缩短了大规格塑料模具钢制造周期。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的塑料模具钢和SW718H钢表面及心部的金相显微组织对比图，其中，图1-a和图1-b为SW718H钢表面及心部的金相显微组织照片；图1-c和图1-d为实施例1制得的塑料模具钢表面及心部的金相显微组织照片；

图2为本发明实施例1制得的塑料模具钢和SW718H钢截面硬度均匀性对比曲线图。

具体实施方式

下面的实施例用于具体地说明本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

本实施例塑料模具钢的化学成份重量百分比为：C 0.28wt％、Si0.49wt％、Mn 1.44wt％、Cr 1.40wt％、Mo 0.46wt％、Nb 0.035wt％、Ni 0.13wt％、Cu 0.11wt％、S 0.003wt％、P 0.013wt％，N 0.0098wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

按照上述化学成分配比，进行电弧炉初炼、炉外精炼之后，浇铸成25吨钢锭；然后钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时～120℃/小时的升温速度加热至1165℃，保温5.5小时，对钢锭进行锻造，开锻温度1110℃、停锻温度930℃；锻造完毕后，制得厚度为660mm的锻后模块；将上述锻后模块直接放置空气中冷却至室温，即得到厚度为660mm的预硬化型塑料模具钢。

经过上述方法制造的塑料模具钢，其截面硬度达到32HRC，硬度均匀，截面硬度差值为HRC1.5。

将上述实施例制得的塑料模具钢和SW718H钢进行性能对比检测，检测所用SW718H钢购买自广东东莞宝特模具钢公司销售的SW718H模块产品，检测结果如附图1和附图2所示。

附图1为本实施例制得的塑料模具钢和SW718H钢表面及心部的金相显微组织对比图，图1-a和图1-b显示出SW718H钢表面为回火索氏体，心部为贝氏体，显微组织均匀性差，导致钢的截面硬度不均匀；而图1-c和图1-d显示出本发明制得的塑料模具钢的心部和表面都是均匀的贝氏体组织，显微组织均匀性好，塑料模具钢获得了均匀的截面硬度，性能更佳。

图2为本实施例制得的塑料模具钢和SW718H钢截面硬度均匀性对比曲线图，截面组织均匀性的差异直接影响到截面硬度均匀性，从图中可以看出，本发明的模具钢心部和表面的硬度差较小，截面硬度更趋均匀。

实施例2

本实施例塑料模具钢的化学成份重量百分比为：C 0.25wt％、Si0.40wt％、Mn 1.50wt％、Cr 1.20wt％、Mo 0.50wt％、Nb 0.050wt％、Ni 0.11wt％、Cu 0.12wt％、S 0.013wt％、P 0.020wt％，N 0.012wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

按照上述化学成分配比，进行电弧炉初炼、炉外精炼之后，浇铸成35吨钢锭；然后钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时～120℃/小时的升温速度加热至1160℃，保温8.0小时，对钢锭进行锻造，开锻温度1100℃、停锻温度850℃；锻造完毕后，得到厚度为610mm的锻后模块；将上述锻后模块直接放置空气中冷却至室温，即得到厚度为610mm的预硬化型塑料模具钢。

经过上述方法制得的塑料模具钢，其截面硬度达到32HRC，硬度均匀，截面硬度差值为HRC1.5。

实施例3

本实施例塑料模具钢的化学成份重量百分比为：C 0.25wt％、Si0.60wt％、Mn 1.30wt％、Cr 1.40wt％、Mo 0.44wt％、Nb 0.020wt％、Ni 0.10wt％、Cu 0.11wt％、S 0.012wt％、P 0.016wt％，N 0.009wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；

按照上述化学成分配比，进行电弧炉初炼、炉外精炼之后，浇铸成25吨钢锭；然后钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时～120℃/小时的升温速度加热至1170℃，保温6.0小时，对钢锭进行锻造，开锻温度1120℃、停锻温度880℃；锻造完毕后，得到厚度为620mm的锻后模块；将上述锻后模块直接放置空气中冷却至室温，即得到厚度为620mm的预硬化型塑料模具钢。

经过上述方法制造的塑料模具钢，其截面硬度达到32HRC，硬度均匀，截面硬度差值为HRC2.0。

实施例4

本实施例塑料模具钢的化学成份重量百分比为：C 0.28wt％、Si0.48wt％、Mn 1.35wt％、Cr1.45wt％、Mo 0.48wt％、Nb 0.046wt％、Ni 0.09wt％、Cu 0.08wt％、S 0.010wt％、P 0.018wt％，N 0.0097wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

按照上述化学成分配比，进行电弧炉初炼、炉外精炼之后，浇铸成35吨钢锭；然后钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时～120℃/小时的升温速度加热至1180℃，保温6.5小时，对钢锭进行锻造，开锻温度1125℃、停锻温度950℃；锻造完毕后，得到厚度为610mm的锻后模块；将上述锻后模块直接放置空气中冷却至室温，即得到厚度为610mm的预硬化型塑料模具钢。

经过上述方法制造的塑料模具钢，其截面硬度达到31HRC，硬度均匀，截面硬度差值为HRC2.0。

Claims

1.一种塑料模具钢的制造方法，其由如下步骤组成：

1）将化学成份配比，经电弧炉初炼、炉外精炼后，浇铸成25吨~35吨钢锭，所述化学成份的重量百分含量为：

余量为Fe及不可避免的杂质；

2）将上述钢锭在锻造加热炉内以80℃/小时~120℃/小时的升温速度加热至1160℃~1180℃，保温5~8小时后，对钢锭进行锻造，开锻温度为1100℃~1150℃，停锻温度为850℃~950℃，锻造完毕得到锻后模块；

3）将上述锻后模块放置在空气中自然冷却至室温。