CN111826589A - 具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢及其制备方法，所述模具钢钢的成分按重量百分比计如下：C：0.20％‑0.30％，Si：0.52％‑0.65％，Mn：0.65％‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：11.0％‑12.0％，Mo：0.20％‑0.40％，Sn：0.06％‑0.09％，Nb：0.10％‑0.20％，B：0.001％‑0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。制备方法包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；应用本发明生产的模具钢硬度37‑40HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1020MPa，屈服强度≥860MPa，延伸率≥20％，心部横向冲击性能≥18J，同时具有优异的耐蚀性能。

Description

具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢及其制备方法。
背景技术
在生产以化学性腐蚀塑料为原料的塑料制品时，模具必须具有防腐蚀性能。防腐蚀的方法可以是镀铬或镀镍，但模具的沟槽很难得到均匀镀层，模具还很容易发生镀层的开裂和剥落；另外由于模具镀层后不能保持尖锐角的完全闭合，成型的塑料部件往往会形成较厚的毛边，因此在塑料模具上镀层已逐步淘汰，取而代之的是采用耐蚀钢模具。对于这类用途的耐蚀钢，还要求具有一定的硬度、强度和韧性等。目前国内模具钢用户一般使用S136系列钢种，但其成本较高，且韧塑性较差，越来越难以满足需求日益提高的模具市场。
国内许多单位在开发研制新型高强度高耐蚀塑料模具钢、提高冶金与轧锻质量、优化热处理工艺、提高模具寿命等方面做了大量的工作。
申请号为201711443143.X的发明《一种高强度模具钢》公开了一种高强度模具钢，其成分质量分数为：C：0.30％-0.42％，Cr：2.5％-3.5％，Mn：0.25％-0.45％，Ni：1.3％-1.5％，Si：0.3％-0.45％，V：0.4％-0.6％，Mo:2.5％-3.0％，W：0.1％-0.25％，Sn：0.01％-0.02％，余量为铁和少量杂质。所述高强度模具钢抗高温能力强，性能稳定，具有良好的耐磨和耐腐蚀性能，延长了使用寿命，但没有具体的生产方法及性能指标，难以量化其性能指标。
申请号为201410194383.0的发明《一种具有良好耐蚀性和韧性的超高强度模具钢》其成分质量分数为C：0.08％-0.32％、Si：≤0.8％、Mn：≤0.5％、Cr：5％-10％、Ni：6.0％-8.0％、Co：1.3％-1.8％、W：0.9％-1.1％、V：0.2％-0.5％、Nb：0.08％-0.15％、N：≤0.002％、O：≤0.0015％、Mo：0.9％-1.4％、Ti：0.05％-0.4％、S：0.011％-0.025％。所述模具钢经过锻造加工手段可广泛应用于要求高强度高韧性的汽车行业。但锻造成本高，成材率低，且所述塑料模具钢难以保证冲击性能。
申请号为201811285368.1的发明《高氮高耐蚀塑料模具钢的热处理方法》公开了一种塑料模具钢，其成分百分比为C：0.35％-0.45％、Si：0.3％-0.5％、Mn：0.3％-0.6％、Cr：13.0％-14.0％、Mo：0.05％-0.08％、N：0.06％-0.08％。该发明采用球化退火、盐浴淬火、回火配分的步骤，回火阶段完成元素配分得到性能优异的塑料模具钢。但所述模具钢截面尺寸小，受加热炉的局限性大，大生产中难以实现。
申请号为201711181166.8的发明《一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法》中C：0.45％-0.55％，Si：0.40％-0.80％，Mn：0.80％-1.60％，V：0.10％-0.25％，N：0.007％-0.015％，Al：0.005％-0.050％，Ni：3.5％-4.0％，Cr：8.5％-10.5％，Cu：0.25％-0.45％，Cr+Ni＝12％-14.5％，采用锻造-保温回火-粗加工、热轧-高温回火-精加工、锻造-回火-冷却的生产工艺路线较为复杂、生产周期长，与目前模具制造业的发展方向不符。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢，具有高强度硬度、高韧性、高耐蚀性等优异综合性能及高效的生产流程。
本发明目的是这样实现的：
一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.20％-0.30％，Si：0.52％-0.65％，Mn：0.65％-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：11.0％-12.0％，Mo：0.20％-0.40％，Sn：0.06％-0.09％，Nb：0.10％-0.20％，B：0.001％-0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。
所述模具钢硬度为37-40HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1020MPa，屈服强度≥860MPa，延伸率≥20％，心部横向冲击性能(KV2)≥18J。
所述模具钢钢板厚度为11-180mm。
本发明采用降C增Mn，Nb、B复合作用，适量添加Sn、Cr强化晶界、提高耐蚀性能，不添加Ni的设计思路，一方面提高所述塑料模具钢的强度硬度及耐蚀性，一方面控制塑料模具钢偏析程度以保证终态钢板横向冲击韧性，并节省Ni元素降低成本。
本发明成分设计理由如下：
C：碳可以在钢中形成弥散析出合金碳化物，因此它对强度、塑韧性和焊接性等影响极大同时也是控制马氏体强度的关键因素。对塑料模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化，另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。在本发明的马氏体不锈钢中，过高含量的碳会引起多种负面效应，比如冲击和腐蚀性能降低及心部产生严重的偏析现象等。根据所述模具钢的使用需要及不同性能的相互协同，本发明选择加入C含量为0.20％-0.30％。
Si：硅是强化铁素体重要元素之一，可以显著提高钢的强度和硬度，可提高淬火温度，提高淬透性。当处在强氧化介质中时，Si可以提高钢的耐蚀性，研究表明Si和Mo一样具有良好的耐Cl-腐蚀性能，钢中Si含量越高，其点蚀电位越正，越不易腐蚀。硅也可减小奥氏体相区，可提高淬透性和基本强度，有利于二次硬化。硅在540-580℃可提高本发明模具钢在回火过程中析出合金碳化物的弥散度，可使二次硬化峰增高。同时限制了碳的迁移速率，使析出的碳化物不容易长大，那么碳化物的结构就更稳定提高了钢的化学稳定性。但是Si的量过多，可使球化的碳化物颗粒直径变大，间距增大，同时促进偏析，导致带状组织形成，使横向性能低于纵向，因此，本发明选择加入Si含量为0.52％-0.65％。
Mn：是钢中的固溶强化元素，细化晶粒，降低韧脆转变温度，提高淬透性，钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS。对于所述模具钢采用降C增Mn的设计思想，一方面保证钢的强度和硬度，一方面改善热加工性能，但在所述塑料模具钢中，Mn含量不应大于0.80％，因此本发明选择加入Mn含量为0.65％-0.80％。
P、S：有助于切削加工性能的改善。如果含量过多会导致严重偏析，影响钢的均质性及纯净度，但考虑到生产成本，因此本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.015％。
Cr：Cr可提高铁－铬合金的淬透性，对马氏体不锈钢来说，能使钢钝化并赋予良好的耐蚀性和不锈性，Cr的腐蚀电位比铁要更负，钝化能力较铁要更强，在铁铬合金中，Cr含量增加会导致合金的腐蚀电位和临界钝化电位向负电位方向移动。即合金中铬含量越高则钢越易钝化。但过多的Cr成本较高，本发明同时添加适量Sn元素以代替部分Cr元素，因此本发明选择加入Cr含量为11.0％-12.0％。
Mo：Mo在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的二次硬化能力和回火稳定性，钼与碳结合，在回火时析出更多细小短杆状Mo2C碳化物，对提高钢的回火稳定性起了很大的作用。在本发明的马氏体不锈钢中，考虑Mo元素成本及与其他合金元素配合作用，Mo的含量要小于0.4％，Mo含量过多将会促进δ铁素体的形成，导致不利影响。因此本发明选择加入Mo含量为0.20％-0.40％。
Sn：马氏体不锈钢主要依靠Cr、Ni等元素提高其耐蚀性，但由于Cr、Ni价格高，所以生产成本也高。本发明中，适量的Sn加入可强化塑料模具钢晶界，使晶界的腐蚀敏感性大大降低，微量的Sn可细化组织，均匀的细晶粒使杂质分布更为分散，使成分更加均匀，并可使点缺陷和线缺陷分散，防止构成微观电池，从而提高所述模具钢的耐蚀性能。本发明中添加适量Sn元素不仅节约了Cr、Ni等贵金属，而且原本需要去除Sn的冶炼成本也不存在了，本发明采用适量添加Sn以降低Cr，不添加Ni的设计思想，在完善模具钢性能的同时，大大降低了生产成本，且Sn含量在所述塑料模具钢中控制在0.09％以下，钢板表面质量良好，不会产生裂纹。因此本发明中Sn含量为0.06％-0.09％。
Nb、B：本发明中复合添加Nb和B可稳定钢中碳和氮元素，复合添加会弥补逐个添加对不锈钢表面质量的有害影响，同时复合添加不仅可细化铸坯组织而且可以细化热轧后钢板组织。本发明中，复合添加B和Nb，钢中析出相为NbC、Nb(C，N)以及BN粒子，而且比逐一添加时析出量多，析出粒子更细小，细化效果更强，起到细晶强化作用，同时提高所述塑料模具钢的塑性和韧性。因此，本发明中Nb为0.10％-0.20％，B为0.0001％-0.002％。
本发明技术方案之二是提供一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；
板坯加热控制在1260-1280℃，均热段保温5-6h，所述塑料模具钢由于合金元素含量较多，因此钢坯的化学成分通常是不均匀的，这将直接影响钢的组织转变和转变产物性能。铸态组织偏析在钢坯热加工轧制过程中沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，变形后的偏析其实依然保留着枝晶偏析的形貌，从而可观察到碳及合金元素富集形成的富化带、贫化带相继堆叠的形貌，因此采用所述板坯加热工艺可改善或消除在冶金过程中形成的成分不均匀性，减轻钢坯内部的显微偏析，为后续热加工提供良好的组织形貌基础。板坯开轧温度控制在≥1050℃，采用高温低速大压下的轧制工艺，前五道次压下率均为20％-25％，采用横-纵向交替轧制模式，在保证设备安全的前提下增加道次压下量，提高轧制力的穿透力，使变形渗透到坯料心部，打碎粗大树枝晶，可有效减轻连铸坯原有缺陷影响。终轧温度≥950℃，钢板下线温度300-450℃。下线后立即采用“下铺上盖”方式堆垛缓，缓冷时间为20-30h。
随后进行热处理，具体为：球化退火-正火-回火，所述塑料模具钢采用三阶段处理的球化退火工艺为：常温入炉，随炉升温至900℃-930℃，保温1-2h，出炉后快速油冷至450℃-500℃，出油后随炉升温至900℃-930℃，保温1-2h，出炉后快速油冷至450℃-500℃，出油后随炉升温至720℃-750℃，保温3-4h，随炉冷至400℃-500℃，出炉空冷至室温。本发明采用比传统退火较高一些温度来提高碳等合金元素在奥氏体中的扩散速度，从而可缩短钢板在炉时间。将钢板加热到一定温度后采用快速油冷的方法，可有效改善碳化物组织的带状和网状排列，进而提高原子的扩散速度。等温段是生成球状珠光体的关键阶段，等温时间不足，钢板组织中碳浓度高低分布不均，但时间过长会造成二次碳化物聚集、组合，致使晶粒长大，并增加热处理周期和成本。
随后进行正火+回火热处理。控制正火温度为1000℃-1030℃，升温速率为2.0-2.5min/mm，根据不同厚度，净保温时间为4-6h，出炉后钢板空冷至室温。所述塑料模具钢正火温度高于1030℃，耐酸腐蚀能力下降，同时会导致晶粒粗大，影响钢板后续组织性能。正火温度过低，合金元素难以固溶到奥氏体中，造成组织不均匀。采用所述正火工艺可使钢板正火后获得高比例的马氏体组织，使钢的组织和硬度均匀性极大提高。
回火过程升温速率2.0-2.5min/mm，回火温度550-600℃，该温度范围可有效避免所述塑料模具钢二次硬化现象，根据不同厚度材料，净保温4-6h，可有效减少应力并控制固态相变带来的组织带状化，同时使组织均匀细小，有益于模具钢的抛光性能。
本发明的有益效果在于：本发明采用降C增Mn，Nb、B复合作用，适量添加Sn、Cr强化晶界、提高耐蚀性能，不添加Ni的设计思路，配合连铸-板坯高温均质化加热-三阶段球化退火-正火+回火的工艺生产，使所述耐蚀型塑料模具钢具有37-40HRC的终态硬度，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1020MPa，屈服强度≥860MPa，延伸率≥20％，心部横向冲击性能(KV2)≥18J，在50g·L-1氯化钠溶液、PH值为6.5-7.2，试验温度35℃连续喷雾24h下平均年腐蚀深度≤0.410mm·a-1，具有优异的耐蚀性能。本发明的耐蚀塑料模具钢完全满足目前生活、生产对塑料模具钢综合性能的要求，属于高等级塑料模具钢。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理。
板坯加热控制在1260-1280℃，均热段保温5-6h，板坯开轧温度控制在≥1050℃，前五道次压下率均为20％-25％，采用横-纵向交替轧制模式，终轧温度≥950℃，钢板下线温度300-450℃；下线后立即堆垛缓冷，缓冷时间为20-30h；
随后进行热处理：球化退火-正火-回火；所球化退火采用三阶段处理；具体为：常温入炉，随炉升温至900℃-930℃，保温1-2h；出炉后快速油冷至450℃-500℃；出油后随炉升温至900℃-930℃，保温1-2h，出炉后快速油冷至450℃-500℃；出油后随炉升温至720℃-750℃，保温3-4h，随炉冷至400℃-500℃，出炉空冷至室温；随后进行正火：正火温度1000℃-1030℃，升温速率2.0-2.5min/mm，净保温时间为4-6h，出炉后钢板空冷至室温；之后回火，回火温度550-600℃，回火过程升温速率2.0-2.5min/mm，净保温4-6h。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的主要热处理工艺参数见表3。本发明实施例钢的洛氏硬度见表4。本发明实施例钢心部拉伸和冲击性能见表5。本发明钢平均年腐蚀深度见表6。
表1 本发明实施例钢的成分(wt％)
Figure BDA0002572598020000101
表2 本发明实施例钢的主要工艺参数
Figure BDA0002572598020000102
表3 本发明实施例钢的主要热处理工艺参数
Figure BDA0002572598020000111
表4 本发明实施例钢的洛氏硬度
Figure BDA0002572598020000121
本发明实施例钢心部拉伸和冲击性能见表5。
Figure BDA0002572598020000131
表6本发明实施例钢平均年腐蚀深度
实施例 平均年腐蚀深度(mm·a<sup>-1</sup>)
1 0.396
2 0.402
3 0.397
4 0.410
5 0.388
6 0.391
7 0.405
8 0.376
9 0.389
10 0.393
备注：实施例1-10试样粗糙度相同，规格为50×50×4mm在50g·L-1氯化钠溶液、PH值为6.5-7.2，试验温度35℃连续喷雾24h下平均年腐蚀深度结果。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的发明保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.20％-0.30％，Si：0.52％-0.65％，Mn：0.65％-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：11.0％-12.0％，Mo：0.20％-0.40％，Sn：0.06％-0.09％，Nb：0.10％-0.20％，B：0.001％-0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢，其特征在于，所述模具钢硬度为37-40HRC，同板硬度差≤2HRC，心部横向抗拉强度≥1020MPa，屈服强度≥860MPa，延伸率≥20％，心部横向冲击功KV2≥18J。
3.一种权利要求1或2所述的一种具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；其特征在于：
板坯加热控制在1260-1280℃，均热段保温5-6h，板坯开轧温度控制在≥1050℃，前五道次压下率均为20％-25％，采用横-纵向交替轧制模式，终轧温度≥950℃，钢板下线温度300-450℃；下线后立即堆垛缓冷，缓冷时间为20-30h；
随后进行热处理：球化退火-正火-回火；所球化退火采用三阶段处理；具体为：常温入炉，随炉升温至900-930℃，保温1-2h；出炉后快速油冷至450-500℃；出油后随炉升温至900-930℃，保温1-2h，出炉后快速油冷至450-500℃；出油后随炉升温至720-750℃，保温3-4h，随炉冷至400-500℃，出炉空冷至室温；随后进行正火：正火温度1000-1030℃，升温速率2.0-2.5min/mm，净保温时间为4-6h，出炉后钢板空冷至室温；之后回火，回火温度550-600℃，回火过程升温速率2.0-2.5min/mm，净保温4-6h。
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