CN103334062A

CN103334062A - 一种新型析出硬化塑料模具钢及其加工工艺

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Publication number: CN103334062A
Application number: CN2013102947603A
Authority: CN
Inventors: 李民华
Original assignee: HUBEI SHANGDA MOULD MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUBEI SHANGDA MOULD MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103334062B

Abstract

一种新型析出硬化塑料模具钢，其成分及质量%为：C0.005～0.01，Si2.6～2.9，Mn0.3～0.8，P＜0.02，S＜0.01，Cr31～33，Ni10.4～13.6，Al1.6～2.0，N0.4～0.5，Ta0.05～0.1，其余为Fe；加工时，先将上述模具钢作为自耗电极进行电渣重熔，熔铸得到电渣锭，然后将电渣锭加热至1120～1150℃，并保温5～8小时后锻造成模块，最后将模块风冷至室温。本发明不仅提高模具钢的耐腐蚀性、硬度、耐磨性和抛光性，而且保证了钢的纯净度，降低了生产成本。

Description

一种新型析出硬化塑料模具钢及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种模具材料，尤其涉及一种新型析出硬化塑料模具钢及其加工工艺，具体适用于提高模具钢的耐腐蚀性、硬度、耐磨性和抛光性。

背景技术

塑料模具作为塑料成型加工工业的重要工艺装备，应用越来越广泛，因其钢材耗用量大，品种规格多，在模具钢中占有较大比重。塑料模具用钢材一般要求具有一定的强度、硬度、耐模性及耐蚀性等，同时也要求具有良好的切削加工性能、抛光性能、皮纹加工性能等。

目前，析出硬化型塑料模具钢应用最为普遍的是低碳析出硬化型模具钢（成分质量%为：C0.15，Si0.30，Mn1.50，Ni3.0，Al1.0，Cu1.0），在预硬型塑料模具钢中具有较高的硬度（HRC37～43）、良好的抛光性能，可以作为透明塑料制品模具如化妆品塑料容器、透明塑料罩类等模具。但是，随着高端塑料模具钢的使用硬度越来越高，带有添加剂塑料制品的普遍应用对模具的耐腐蚀性能要求的不断提高，该类析出型塑料模具钢的使用性能已不能完全适合高端塑料模具的使用性能要求，主要表现在该类模具在使用过程存在模具表面易氧化锈蚀的缺点，另外因硬度不是足够高，影响抛光性能。

中国专利：专利公布号为CN102796959A，公开日为2012年11月28日的发明专利公开了一种耐腐蚀塑料模具钢及其制造方法，该模具钢的化学成分及其重量%为：C0.16～0.24，Si≤0.15，Mn≤0.15，P＜0.015，S＜0.005，Cr12.00～12.60，N0.13～0.20，Ta0.03～0.08，C+N=0.30～0.37，余量为Fe及不可避免的杂质。虽然该发明具有高耐腐蚀性能和高抛光性能的特点，适用于耐腐蚀的精密塑料模具的制造，但仍有以下缺陷：

一方面，C元素与Cr元素的亲和力很大，容易与之形成碳化物，而该发明中C元素的质量%含量较高，为0.16～0.24，较多的碳化物会显著降低钢的耐腐蚀性能；另一方面，Cr作为提高钢的耐腐蚀性能的最有效的合金元素之一，其含量越高，钢的耐腐蚀性能也越强，而本发明中Cr元素的质量%含量较低，仅为12.00～12.60，因此该发明钢的耐腐蚀性能较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的耐腐蚀性能较差的问题，提供一种能够显著提高耐腐蚀性能的新型析出硬化塑料模具钢及其加工工艺。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种新型析出硬化塑料模具钢，所述模具钢的成分及质量%为：C0.005～0.01，Si2.6～2.9，Mn0.3～0.8，P＜0.02，S＜0.01，Cr31～33，Ni10.4～13.6，Al1.6～2.0，N0.4～0.5，Ta0.05～0.1，其余为Fe。

所述Ni、Al的质量比为Ni∶Al=6.5～6.8∶1。

一种上述新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺，所述加工工艺依次包括以下步骤：

a.将模具钢作为自耗电极进行电渣重熔，并通过熔铸得到电渣锭；

b.将上述电渣锭加热至1120～1150℃，并保温5～8小时后锻造成模块；

c.将得到的模块风冷至室温，获得铁素体不锈钢。

步骤b中，电渣锭以60～100℃/h的速度加热至1120～1150℃。

步骤b中，开锻温度为1050～1100℃，停锻温度≥900℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种新型析出硬化塑料模具钢的成分及其质量%为：C0.005～0.01，Si2.6～2.9，Mn0.3～0.8，P＜0.02，S＜0.01，Cr31～33，Ni10.4～13.6，Al1.6～2.0，N0.4～0.5，Ta0.05～0.1，其余为Fe，各种成分的设计优点为：C，本发明采用超低碳的成分设计，将钢中的碳含量限制在极低的范围（0.005～0.01），使得模具钢中碳化物的含量极少，其耐腐蚀性能得到提高；Cr，本发明中Cr的质量%达到了31～33，高含量的Cr能使钢形成单一铁素体组织，耐腐蚀性显著提高；Ni、Al，当钢中同时含有Ni、Al时便会形成金属间化合物，沉淀析出Ni₃Al，显著提高钢的硬度，从而提高抛光性能；N，本发明采用氮合金化技术固溶强化基体，提高耐腐蚀性能和抛光性能；Si，能溶于铁素体中提高钢的硬度、耐磨性和抛光性；Mn，和Fe能够形成固溶体，提高钢中铁素体的硬度和强度；Ta，在钢中能够形成氮化物，具有细化晶粒、提高钢的冲击韧性的作用。因此，本发明能够显著提高模具钢的耐腐蚀性能、硬度、耐磨性和抛光性。

2、本发明一种新型析出硬化塑料模具钢中Ni、Al的质量比为Ni∶Al=6.5～6.8∶1，该比例范围保证了钢中Al能够全部与Ni元素形成金属间化合物Ni₃Al，同时也避免了过量的Al元素在钢中形成Al₂O₃等非金属夹杂物而影响钢的纯净度。因此，本发明保证了模具钢的纯净度。

3、本发明一种新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺中由电渣锭加热锻造形成的模块直接风冷至室温，即可形成铁素体不绣钢，无需对模块进行退火处理，有效降低了生产成本。因此，本发明降低了生产成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

所述Ni、Al的质量比为Ni∶Al=6.5～6.8∶1。

本发明一种新型析出硬化塑料模具钢的成分及作用如下：

C：C元素是提高钢强度的不可缺少的元素，也是影响钢的成分偏析和钢的组织均匀性的重要元素，随着钢中含碳量的增加，钢中的碳化物含量增多，特别是钢中含有碳化物形成元素Cr、Mo、V的情况下，大量的碳化物将降低钢的耐腐蚀性能，同时增大碳化物偏析的倾向。本发明采用超低碳的成分设计，将钢中的碳含量限制在极低的范围（0.005～0.01），最大限度减少钢中Cr的碳化物含量，从而提高耐腐蚀性能。

Cr：Cr是提高钢的耐腐蚀性能的最有效的合金元素之一，当钢中Cr元素的质量%达到12以上时，钢便具有在盐酸等腐蚀介质中的耐腐蚀性能，且随着钢中Cr元素含量的提高，钢的耐腐蚀性能也随之提高，但若Cr元素的质量%超过33时，钢的塑性将明显下降，因此本发明将模具钢中Cr元素的质量%控制在31～33，使模具钢形成单一铁素体组织，耐腐蚀性能显著提高。

N：N是一个具有显著固溶强化作用的元素，N和C一样能够固溶于铁，形成间隙式固溶体，本发明通过添加少量N元素来强化固溶作用，提高耐腐蚀性能和抛光性能，而过高的N含量将降低钢的韧性，考虑到模具钢的高硬度要求，将N的质量%控制在0.4～0.5。

Ni、Al：Ni是提高钢的强度的合金元素之一，当钢中同时含有Ni、Al时会形成金属间化合物，沉淀析出Ni₃Al，显著提高钢的硬度。为了保证钢中添加的Al元素能够全部与Ni元素形成金属间化合物Ni₃Al，同时又能避免过量的Al元素在钢中形成Al₂O₃等非金属夹杂物而降低钢的纯净度，本发明将Ni、Al的质量比控制在Ni∶Al=6.5～6.8∶1。

Si：Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但若Si元素的质量%超过2.9时,将显著降低钢的延展性和韧性，因此本发明中Si元素的质量%为2.6～2.9，目的是提高模具钢的强度，进而提高模具的耐磨性能。

Mn：Mn和Fe能够形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。但是Mn有严重的晶粒粗化倾向，降低材料的韧性，故本发明控制Mn元素的质量%为0.3～0.8，以增加模具钢的硬度和强度。

Ta：Ta元素在钢中能够形成氮化物，具有细化晶粒、提高钢的冲击韧性的作用，因本发明钢中含有较多的N元素，故添加了少量Ta元素（质量%为0.05～0.1），以细化晶粒，提高韧性。

P、S：P元素和S元素在钢中偏析严重，会增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，因此应控制钢中的P、S含量。本发明中P元素的质量%小于0.02，S元素的质量%小于0.01。

c.将得到的模块风冷至室温，获得铁素体不锈钢。

步骤b中，电渣锭以60～100℃/h的速度加热至1120～1150℃。

步骤b中，开锻温度为1050～1100℃，停锻温度≥900℃。

本发明一种新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺的原理说明如下：

步骤a：该步骤通过电渣重熔来提纯钢，并获得表面光滑、组织均匀致密、金相组织和成分均匀的电渣锭。

步骤b：该步骤通过锻造来优化钢的微观组织结构，其中，电渣锭加热至1120～1150℃时，其高温塑性变形最佳，钢锭的可锻性好，能够有效防止钢在锻造过程中的表面开裂倾向，而加热速度过快容易导致电渣锭在加热过程中开裂，因此将电渣锭以60～100℃/h的速度加热至1120～1150℃；同时，由于本发明钢在1050～1100℃范围内的高温热塑性最佳，不容易产生高温热加工开裂，有利于高温变形加工处理，因此将开缎温度控制在1050～1100℃；由于本发明钢在低于900℃时的变形抗力增大，容易引起开裂，故停锻温度控制在900℃以上。

步骤c：由于本发明钢为铁素体不锈钢，锻造后风冷即可获得铁素体组织，因此该步骤中模块采用直接风冷至室温的方法，无需对其进行退火处理，有效降低了生产成本。

实施例1：

一种新型析出硬化塑料模具钢，所述模具钢的成分及其质量%为：C0.005，Si2.9，Mn0.35，P0.017，S0.008，Cr32.5，Ni11.05，Al1.7，N0.48，Ta0.06，其余为Fe。

上述新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺，依次包括以下步骤：

b.将上述电渣锭以100℃/h的速度加热至1130℃，并保温6小时后锻造成模块，其中，开锻温度为1085℃，停锻温度为910℃；

c.将得到的模块风冷至室温，获得铁素体不锈钢。

为检测本发明的效果，以常用的析出硬化塑料模具钢（牌号为：10Ni3MnCuAl）作为对比钢，将本发明钢取样进行热处理硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能以及抛光性能检测，检测方法如下：

热处理硬度检测：将样品于1020℃下保温2小时后油冷至室温，然后520℃下保温4小时回火后检测其硬度值；

耐磨性能检测：采用淬火态高速钢为摩擦副，在耐磨试验机上摩擦100分钟后测得其磨损重量；

耐腐蚀性能检测：将样品在10%盐酸中浸泡24小时后测得损失重量，计算平均腐蚀速率；

抛光性能检测：在自动抛光机上进行研磨抛光，抛光膏中的研磨粒子颗粒度由粗到细为3000～10000目。

检测结果显示对比钢的热处理硬度值为40，磨损速度为41mg/100min，平均腐蚀速率为15g/m²·h，抛光至7000目以上抛光面出现波纹状缺陷；本实施例钢的热处理硬度值为50，磨损速度为26mg/100min，平均腐蚀速率为2.3g/m²·h，抛光至10000目时抛光面无缺陷。

实施例2：

步骤同实施例1，不同的是，所述模具钢的化学组分及其质量百分比为：C0.008，Si2.7，Mn0.80，P0.016，S0.007，Cr31.0，Ni10.88，Al1.6，N0.42，Ta0.08；步骤b中，电渣锭以80℃/h的速度加热至1120℃，并保温8小时后锻造成模块，其中，开锻温度为1050℃，停锻温度为900℃。

检测结果显示本实施例样品的热处理硬度值为51，磨损速度为24mg/100min，平均腐蚀速率为2.8g/m²·h，抛光至10000目时抛光面无缺陷。

实施例3：

步骤同实施例1，不同的是，所述模具钢的化学组分及其质量百分比为：C0.010，Si2.6，Mn0.53，P0.015，S0.009，Cr31.6，Ni12.10，Al1.85，N0.45，Ta0.05；步骤b中，电渣锭以90℃/h的速度加热至1150℃，并保温5小时后锻造成模块，其中，开锻温度为1100℃，停锻温度为920℃。

检测结果显示本实施例钢的热处理硬度值为52.5，磨损速度为23.5mg/100min，平均腐蚀速率为2.6g/m²·h，抛光至10000目时抛光面无缺陷。

实施例4：

步骤同实施例1，不同的是，所述模具钢的化学组分及其质量百分比为：C0.007，Si2.8，Mn0.30，P0.018，S0.005，Cr33.0，Ni12.6，Al1.9，N0.50，Ta0.07；步骤b中，电渣锭以85℃/h的速度加热至1140℃，并保温7小时后锻造成模块，其中，开锻温度为1060℃，停锻温度为915℃。

检测结果显示本实施例钢的热处理硬度值为53，磨损速度为21mg/100min，平均腐蚀速率为2.1g/m²·h，抛光至10000目时抛光面无缺陷。

实施例5：

步骤同实施例1，不同的是，所述模具钢的化学组分及其质量百分比为：C0.009，Si2.82，Mn0.67，P0.019，S0.006，Cr32.3，Ni13.2，Al2.0，N0.46，Ta0.10；步骤b中，电渣锭以95℃/h的速度加热至1135℃，并保温6小时后锻造成模块，其中，开锻温度为1070℃，停锻温度为905℃。

检测结果显示本实施例钢的热处理硬度值为52，磨损速度为22mg/100min，平均腐蚀速率为2.5g/m²·h，抛光至10000目时抛光面无缺陷。

与对比钢相比，本发明钢的硬度、耐腐蚀性能、耐磨性能、抛光性能均显著提高，因此本发明具有高硬度、高耐腐蚀性能、高耐磨性能和高抛光性能，适用于超镜面高耐蚀高耐磨性能要求的塑料模具。

Claims

1.一种新型析出硬化塑料模具钢，其特征在于所述模具钢的成分及质量%为：C 0.005～0.01，Si 2.6～2.9，Mn 0.3～0.8，P＜0.02，S＜0.01，Cr 31～33，Ni 10.4～13.6，Al 1.6～2.0，N 0.4～0.5，Ta 0.05～0.1，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种新型析出硬化塑料模具钢，其特征在于：所述Ni、Al的质量比为Ni∶Al=6.5～6.8∶1。

3.根据权利要求1所述的一种新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺，其特征在于所述加工工艺依次包括以下步骤：

a．将模具钢作为自耗电极进行电渣重熔，并通过熔铸得到电渣锭；

b．将上述电渣锭加热至1120～1150℃，并保温5～8小时后锻造成模块；

c．将得到的模块风冷至室温，获得铁素体不锈钢。

4.根据权利要求3所述的一种新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺，其特征在于：步骤b中，电渣锭以60～100℃/h的速度加热至1120～1150℃。

5.根据权利要求3或4所述的一种新型析出硬化塑料模具钢的加工工艺，其特征在于：步骤b中，开锻温度为1050～1100℃，停锻温度≥900℃。