CN102796959A

CN102796959A - 一种耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法

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Publication number: CN102796959A
Application number: CN2011101379505A
Authority: CN
Inventors: 张洪奎; 张恒; 陈建亭; 庄伟�; 张杉; 童英豪; 吴晓春; 袁森
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102796959B

Abstract

本发明涉及一种新型耐腐蚀模具钢，其重量百分比化学成分为：C：0.16-0.24％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，P＜0.015％，S＜0.005％，Cr：12.00-12.60％，N：0.13-0.20％，Ta：0.03-0.08％，C+N＝0.30-0.37％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明还涉及其制造方法，包括：在真空感应炉熔炼浇注成电极棒→再电渣重熔成电渣锭→钢锭加热锻造成锻坯→锻坯退火处理；其中，钢锭锻造前，加热到1100-1200℃温度，保温1-2小时；锻坯退火处理中，退火温度为830-860℃，保温3-4小时。本发明的模具钢具有高耐腐蚀性能、高抛光性能和低线膨胀系数，适合用于耐腐蚀的精密塑料模具的制造。

Description

一种耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种塑料模具钢，尤其涉及一种具有耐腐蚀性好，抛光性能好，合金成本低的塑料模具钢，用于耐腐蚀的精密塑料模具的制造。

背景技术

塑料制品种类繁多，包括汽车零部件如：灯罩、仪表盘，光学仪器零部件如镜头，家用电器外壳，PVC日用塑料制品等。其中家电外壳使用的塑料是ABS+阻燃剂。某些塑料如聚氯乙烯、氟塑料、阻燃性ABS等，会分解出氯化氢、氟化氢、二氧化硫等腐蚀性气体，对模具有一定的腐蚀作用，因此要求此类塑料制品的模具应具有耐腐蚀性能。能够满足耐腐蚀腐蚀性能要求的钢种为不锈钢。不锈钢的广泛应用形成了马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等系列不锈钢。奥氏体和铁素体不锈钢因强度低不能满足模具钢对硬度的要求(HRC≥46)，马氏体不锈钢是一类可以通过热处理对其性能进行调整的不锈钢，是一类可硬化的不锈钢。这类不锈钢的特性决定了其在平衡相图中必需具有奥氏体相区的存在以及能够使合金形成耐腐蚀的钝化膜。因此马氏体不锈钢成为耐腐蚀塑料模具钢的首选钢种，典型钢号为4Cr13和4Cr16Mo。

4Cr13的化学成分组成为C：0.36-0.45％、Si≤0.60％、Mn≤0.80％、P≤0.04％、S≤0.03％、Cr：12.00-14.00％、Ni≤0.60％。因C及Cr含量较高，Cr为强碳化物形成元素，故4Cr13钢中极易形成大量的碳化物，参见附图1(a)，碳化物的存在导致耐腐蚀性能和抛光性能下降。4Cr16Mo的化学成分为C：0.33-0.43％，Mn：0.30-1.00％，Si：0.30-1.00％，S≤0.030％，P≤0.030％，Cr：15.00-17.00％，Ni：0.10-1.0％，Mo：1.0-1.30％，4Cr16Mo中的Cr含量进一步提高，缩小了γ相区，易于形成高温铁素体相，当钢中的Ni含量低于0.32％时即产生高温铁素体相，参见附图1(b)，4Cr16Mo因含碳量达到0.4％左右，钢中同样存在大量的碳化物，影响耐腐蚀性能和抛光性能。并且含有价格高昂的Ni，Mo等合金元素，材料成本高。

CN1676653A公开了一种4Cr16Mo钢，其化学成分为C：0.33-0.43％，Mn：0.30-1.00％，Si：0.30-1.00％，S≤0.045％，P≤0.045％，Cr：14-18％，Ni：0.10-1.00％，Mo：0.80-1.50％；其余为Fe。

CN1948541A公开了一种耐腐蚀模具钢，其化学成分为C：0.30-0.45％，Mn：0.5-1.00％，Si：0.2-0.80％，S≤0.03％，P≤0.03％，Cr：16.00-18.00％，Mo：1.00-1.50％，V：0.10-0.40％，Ni：0.30-1.00％，N：0.02-0.12％，其余为Fe。

CN1676653A和CN1948541A均为16％Cr系列耐腐蚀模具钢，并添加了Ni、Mo、V等合金元素，通过添加Mo元素提高耐腐蚀性能，但没有降低碳含量，钢中存在大量碳化物影响耐腐蚀性能，因此，对耐腐蚀性能没有明显改善，且成分的合金化成本较高。

发明内容

本发明提供一种新型耐腐蚀塑料模具钢。

为克服现有耐腐蚀模具钢碳化物偏析、组织难于控制以及合金成本高的缺点，本发明采用微合金化思路设计一种合金元素含量较低的耐腐蚀塑料模具钢，通过加N降C的成分设计思路，并控制C+N的总量在一个合理的区间，从而减少钢中的碳化物，提高材料的耐腐蚀性能，并保证模具的使用硬度要求；另外添加少量合金元素Ta细化晶粒，提高韧性，使钢种具有高耐腐蚀性能，高抛光性能、低变形以及低成本的特点。

为实现上述目的，本发明的耐腐蚀塑料模具钢的重量百分比化学成分为：C：0.16-0.24％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，P＜0.015％，S＜0.005％，Cr：12.00-12.60％，N：0.13-0.20％，Ta：0.03-0.08％，C+N＝0.30-0.37％，余量为Fe。

本发明的成分设计基于以下原理：

C：0.16-0.24％

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，是保证模具钢硬度必不可少的元素。C是形成铬碳化物等各种碳化物的不可缺少的基本元素，C含量过高会造成钢中碳化物数量的增多及偏聚，降低韧性及耐腐蚀性能。C含量过低不能满足模具钢的高硬度要求。本发明中控制C：0.16-0.24％。优选为0.17-0.24％，或0.16-0.23％。

N：0.13-0.20％

N是一个具有显著固溶强化作用的元素，N和C一样固溶于铁，形成间隙式固溶体，通过添加少量的N所起的固溶强化作用，为减少碳含量创造了条件，本发明钢种成分设计的主要思路就是以N代C，达到降低C含量，减少碳化物，提高耐腐蚀性能和抛光性能，本发明中控制N含量为0.13-0.20％，考虑到模具钢的高硬度要求，需保证C+N＝0.30～0.37％。

Si≤0.15％

钢中含有少量的Si有较好的脱氧作用，但Si含量过高则降低钢的焊接和切削加工性能。本发明中控制Si含量为≤0.15％，优选地，Si：0.10-0.15％。

Mn≤0.15％

钢中Mn含量过高，有导致晶粒粗化的现象，同时增加钢的回火脆性，因此本发明将Mn含量控制在较低的含量范围，优选Mn≤0.15％，更优选Mn：0.10-0.15％。

P＜0.015％

P元素在钢中易在晶界处偏聚，导致钢的脆性增加，故钢中的P含量应尽可能低。本发明中控制P＜0.015％

S＜0.005％

S元素在钢中以硫化物的形式存在，降低钢的横向延展及韧性性能，故钢中的P含量应尽可能低。本发明中控制S＜0.005％。

Cr：12.00-12.60％

Cr是具有钝化倾向的元素，Cr的重要作用是显著提高钢的耐腐蚀性能，钢中Cr含量达到12％时才具有显著的耐腐蚀性能。Cr也是强烈推迟珠光体转变的合金元素，有利于淬透性的提高；Cr是缩小γ相区的元素，Cr含量过高将得到铁素体组织，导致强度降低，耐腐蚀性能变差，因此Cr含量不宜过高。本发明中控制Cr含量为12.0-12.60％，优选为12.0-12.50％。

本发明中还添加微量Ta：0.03-0.08％，在钢中添加微量Ta元素即可起到细化晶粒提高钢的冲击韧性的作用，改善焊接性能。Ta含量过高则降低钢的淬透性，因此，本发明中控制Ta含量为0.03-0.08％，优选为0.035-0.075％。

本发明还提供上述模具钢的制造方法。该方法包括：

真空感应炉熔炼浇注成电极棒→电渣重熔成电渣锭→钢锭加热锻造成锻坯→锻坯退火处理。

优选地，真空感应炉熔炼浇浇注成Φ200mm电极棒。

优选地，电渣重熔成Φ300mm的电渣锭。

优选地，钢锭加热锻造成100*100mm的锻坯。

其中，电渣锭锻造之前先加热到1100-1200℃，保温1-2小时之后进行锻造，加热温度过高锻造过程易产生过烧缺陷，加热温度过低锻造过程易产生表面裂纹。锻坯需要进行退火处理，退火温度为830-860℃，保温3-4小时，之后炉冷至室温。退火温度过高易导致晶粒粗大，退火温度过低易导致退火组织不均匀。例如，锻坯加工成模具之后进行淬火+回火处理，淬火温度1020℃，保温时间：厚度100mm，保温2小时；回火温度250℃，保温时间：厚度100mm，保温4小时。

本发明模具钢的成分与工艺具有如下优点：

化学成分的配比更加合理，以N代C的设计思路通过添加一定量的N元素，有效降低了C元素的含量，使得钢的碳化物偏析状况得到很大的改善。同时Cr含量不是很高，既保证了耐腐蚀性能的要求，又起到了防止高温铁素体相析出的作用，使本发明钢种具有高耐腐蚀性能和高抛光性能的特点。

附图说明

图1是对比钢号4Cr13的淬火(1020℃×2h)+回火(250℃×4h)态的金相组织，图片中白色颗粒状形貌组织为碳化物，且形成网络状分布。

图2是对比钢号4Cr16Mo(含0.32％Ni)的淬火(1020℃×2h)+回火(250℃×4h)态的金相组织，图片中白色块状组织为高温铁素体相，白亮色球状组织为碳化物。

图3是本发明钢种的淬火(1020℃×2h)+回火(250℃×4h)态的金相组织，组织均匀性较好，组织中无块状高温铁素体相和明显的颗粒状碳化物存在。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的特点和效果进行说明。

实施例1-5的化学成分见表1。

表1实施例及对比钢号化学成分

按照上述实施例的成分，采用真空感应炉冶炼成Φ200mm的电极棒，然后进行电渣重熔，电渣锭规格为Φ300mm，之后加热锻造成横截面积为100mm×100mm的锻坯，取样检验耐腐蚀性能、抛光性能和线膨胀系数和金相组织。实施例的具体工艺参数见表2。

表2实施例工艺参数

试验例1：腐蚀速率(GB/T 10125-1997，人造气氛腐蚀试验盐雾试验)

用5％NaCl水溶液喷雾72小时测定腐蚀速率，结果见表3。

试验例2：抛光性能

在自动抛光机上进行抛光，抛光参数为：时间为2分钟，压力为180N，转速为300N/min。试样硬度为HRC46-48，试样规格Φ30mm，对抛光后的试样在原子力显微镜上进行扫描测试抛光面粗糙度。结果见表3。

试验例3：线膨胀系数

线切割制取Φ5×25mm的圆柱试样，表面磨光后置入线膨胀仪(型号为DIL402C)中，抽真空后通氩气保护进行试验，以5℃/min的加热速度加热至100℃，测试膨胀系数。结果见表3。

表3实施例及对比钢号性能检测结果

与现有的4Cr13耐腐蚀模具钢相比，本发明钢种耐腐蚀性能显著提高。在洛氏硬度HRC46-48的情况下，采用浓度为5％NaCl水溶液进行72小时的盐雾试验，腐蚀速率为0.45-0.57(g/m².h)，而4Cr13的腐蚀速率为0.88％(g/m².h)。

与现有的4Cr13耐腐蚀模具钢相比，本发明钢种抛光性能显著提高。在洛氏硬度HRC46-48的情况下，本发明钢种抛光后的粗糙度Ra为3.2-3.8nm；而4Cr13抛光后的粗糙度Ra为6.3nm

与现有的4Cr16Mo耐腐蚀模具钢相比，本发明钢种不含Ni、Mo、V等合金元素，合金元素含量降低了3.6％，从而降低了制造成本，提高了产品的市场竞争力，并且获得了较低的线膨胀系数，本发明钢种100℃线膨胀系数为：9.6-9.9(10^-6//K)，对比钢号4Cr13为10.6(10^-6//K)，对比钢号4Cr16Mo为11.8(10^-6//K)。

可见，本发明的实施例与对比钢号相比，耐腐蚀性能和抛光性能均显著提高，且具有较低的线膨胀系数，因此本发明钢种具有高耐腐蚀性能，高抛光性能和低变形的特点，适用于镜面要求较高的精密耐腐蚀塑料模具钢。

可见，本发明的化学成分配比更加合理，以N代C的设计思路通过添加一定量的N元素，有效降低了C元素的含量，使得钢的碳化物偏析状况得到很大的改善。同时Cr含量不是很高，既保证了耐腐蚀性能的要求，又起到了防止高温铁素体相析出的作用，使本发明钢种具有高耐腐蚀性能和高抛光性能的特点。

由于本发明克服了现有耐腐蚀模具钢碳化物偏析、组织难于控制以及合金成本高的缺点，采用微合金化思路设计一种合金元素含量较低的耐腐蚀塑料模具钢，降低了制造成本，提高了产品竞争力。

Claims

1.一种模具钢，其重量百分比化学成分为：C：0.16-0.24％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，P＜0.015％，S＜0.005％，Cr：12.00-12.60％，N：0.13-0.20％，Ta：0.03-0.08％，C+N＝0.30-0.37％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的模具钢，其特征在于，C：0.17-0.24％，或C：0.16-0.23％。

3.如权利要求1或2所述的模具钢，其特征在于，Si：0.10-0.15％。

4.如权利要求1-3任一所述的模具钢，其特征在于，Mn：0.10-0.15％。

5.如权利要求1-4任一所述的模具钢，其特征在于，Cr：12.0-12.50％。

6.如权利要求1-5任一所述的模具钢，其特征在于，Ta：0.035-0.075％。

7.如权利要求1-6任一所述的模具钢，其在洛氏硬度HRC46-48的情况下，采用浓度为5％NaCl水溶液进行72小时的盐雾试验，腐蚀速率为0.45-0.57(g/m².h)，抛光后的粗糙度Ra为3.2-3.8nm；100℃线膨胀系数为：9.6-9.9(10^-6//K)。

8.如权利要求1-7任一所述的模具钢的制造方法，包括：

在真空感应炉熔炼浇注成电极棒；

再电渣重熔成电渣锭；

钢锭加热锻造成锻坯；

锻坯退火处理；

其中，钢锭锻造前，加热到1100-1200℃温度；

锻坯退火处理中，退火温度为830-860℃，保温3-4小时。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，钢锭锻造前，加热到1100-1200℃温度，保温1-2小时。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，锻坯退火之后炉冷至室温。