CN111850397A - 具有优异切削性能的耐高温耐蚀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优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢及其制备方法，该模具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.28％‑0.38％，Si：0.80％‑1.00％，Mn：1.2％‑1.5％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：13.0％‑14.0％，Ni：3.5％‑4.5％，Cu：1.0％‑1.5％，B：0.40％‑0.50％，其中，Cu+B＝1.5％‑1.9％，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36‑39HRC；在室温至500℃，循环次数为500cyc下，Rm≥410MPa，A％≥35％，热疲劳级别为2～3级；同时具有良好耐酸腐蚀性能，同时具有优异的切削性能。

Description

具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料生产技术领域，尤其涉及一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢及其制备方法。
背景技术
塑料工业的快速发展决定了对成型模具的要求也会越来越高，在具有高的强韧性的同时，还需要求具备一定的耐蚀性能，由于塑料模具钢硬度一般较高，因此切削加工性成为终端用户关注的重点。此外，塑料成型温度一般在150-400℃之间，如果塑料流动性不好，会使得模具局部热量积累，在短时间内就超过400℃，过高的温度使模具产生热变形而造成精度降低。因此，塑料模具钢还要求具有较高的耐热疲劳性能。
国内许多单位在开发研制新型塑料模具钢、提高产品质量、优化生产工艺、提高模具寿命等方面做了大量的工作。
《高热强性热作模具钢材料》(申请号：200610116358.6)中公开一种热作模具钢，其成分百分比为：Cr：3.5％-4.0％，Mo：2.0％-2.5％，V：1.0％-1.5％，W：1.0％-1.5％，Mn：0.1％-0.5％，Ni：0.1％-0.25％，C：0.3％-0.35％，Si：0.1％-0.5％，S：0.005％-0.01％，P：0.01％-0.02％。该模具钢具有较高的使用硬度，硬度在48-54HRC范围内，该材料的室温冲击韧性大于300J，并具有较优的热疲劳性能，但是不能保证耐蚀性能。
发明《高热稳定性高强度的热作模具钢》(申请号：200710171693.0)中公开一种模具钢，其成分百分比为：C：0.3％-0.6％，Si：0.5％-0.7％，Mn：10.5％-14.5％，Cr：2.0％-6.0％，Mo：1.5％-3.5％，V：0.5％-2.0％，P：0.01％-0.02％，S＜0.005％。该模具钢最大优点是热稳定性好，可在700℃条件下保持较高硬度，硬度在HRC45以上，该材料的室温冲击韧性大于300J，但硬度较高难以切削加工，为后续加工增加难度。
发明《一种4Cr13中厚板耐蚀模具钢轧制板材的工艺方法》(申请号：201310226708.4)公开了耐蚀模具钢4Cr13的轧制板材工艺方法，解决了其轧后热应力裂纹、冷却易脆裂的问题，但其强韧性配合及耐蚀耐磨性能难以保证。
发明《3Cr17NiMo-ESR塑料模具钢》(申请号：201810238021.5)公开了一种调质型3Cr17NiMo-ESR塑料模具钢，其成分百分比为C：0.30％-0.40％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，Cr：16.00％-17.50％，Ni：0.60％-1.00％，Mo：0.80％-1.30％，S≤0.020％，P≤0.035％。该种塑料模具钢硬度为30-36HRC，但均质度差，且难以保证耐磨性能，采用锻造加工，成材率低，性能不稳定。
发明《一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法》(申请号：201410124967.0)中公开了一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢，其成分质量分数为C：0.20％-0.32％，Si：0.12％-0.15％，Mn：0.05％-0.15％，P：0.06％-0.08％，S：0.01％-0.015％，N：0.1％-0.15％，Ni：3.5％-4.0％，Cr：8.5％-10.5％，Cu：0.25％-0.45％，Mo：0.45％-0.5％，Cr+Ni＝12％-14.5％。在保证了塑料模具钢原有强度、延伸率、耐磨性和切削性能下，大大提高了耐蚀性能，但韧性较差。
发明《高氮高铬塑料模具钢及其冶炼和热处理方法》(申请号：201811433208.7)公开一种高氮高铬塑料模具钢，其成分质量分数为C：0.25％-0.35％、Si：0.45％-0.8％、Mn：0.40％-0.70％、Cr：16.5％-17.5％、Ni：0.1％-0.3％、Mo：0.1％-0.5％、N：0.06％-0.10％，其余为铁和不可避免的杂质。提出了添加氮元素合金化、减少钼元素使用的化学成分设计思路，通过氮气吹入直接实现氮合金化，并配合球化退火-等温淬火-回火的热处理工艺，达到具有优异耐腐蚀性能的目的，但是强度硬度及韧性难以保证。
发明《一种具有良好耐蚀性和韧性的超高强度模具钢》(申请号：201410194383.0)公开的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％。该种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，且该种塑料模具钢难以保证冲击性能。
发明《一种塑料模具钢及其制备方法》(申请号：201710381394.3)中公开一种塑料模具钢，其成分质量百分数为C：0.16％-0.26％、Si：≤1％、Mn：≤1％、Cr：11％-16％、N：0.06％-0.16％、Mo：0.10％-0.25％。该模具钢经过N和Mo的微合金化使淬火硬度提高，具有较好的抗点蚀性能，但是难以保证塑性及韧性。
发明《一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法》(申请号：201510889604.0)其成分质量百分数为C：0.50％-0.55％、Si：0.3％-0.5％、0.4％-0.5％Mn、Cr：16.5％-17.55、Mo：0.90％-1.10％、V：0.08％-0.12％、N：0.2％-0.25％。本发明模具钢采用高温扩散退火消除碳化物及带状偏析，然后进行锻造-球化退火-淬火-回火制备出硬度高、韧性好且耐蚀性强的高氮耐蚀塑料模具钢，但是锻造成本高，成材率低，且该发明得到的模具钢成品尺寸规格小，在使用上具有局限性。
发明《高氮高耐蚀塑料模具钢的热处理方法》(申请号：201811285368.1)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。但该种模具钢截面尺寸小，受加热炉的局限性大，大生产中难以实现。
发明《一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法》(申请号：201711181166.8)中公开的塑料模具钢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。
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兼顾腐蚀、切削及高温性能等及高效经济的生产工艺的具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢及其制备方法。
本发明目的是这样实现的：
一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.28％-0.38％，Si：0.80％-1.00％，Mn：1.2％-1.5％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：13.0％-14.0％，Ni：3.5％-4.5％，Cu：1.0％-1.5％，B：0.40％-0.50％，其中，Cu+B＝1.5％-1.9％，余量为Fe及不可避免杂质。
所述塑料模具钢硬度为36-39HRC，同板硬度差≤2.5HRC；所述模具钢室温至500℃热疲劳级别为2～3级。
本发明成分设计理由如下：
C：本发明中，碳作为间隙固溶的强化元素来提高该种塑料模具钢的强度及硬度。在钢中碳的极限溶解度随Cr含量升高而降低，过高的碳含量反而会使钢的耐腐蚀性能降低。本发明中由于添加适量的B元素，在晶界处会生成硼化物，替代部分碳化物作强化相，因此适量降低碳含量可得到强韧性良好配合的模具钢，因此本发明选择加入C含量为0.28％-0.38％。
Si：强烈的铁素体形成元素，能够有效抑制渗碳体的析出，防止C的扩散从而延缓了马氏体组织的分解及碳化物聚集长大的速度，使钢在回火时硬度下降较慢，显著提高钢的回火稳定性及强度。此外，在高温和强氧化性环境中，Si元素的加入可提高钢的抗氧化性和耐蚀性能，降低钢在含氯离子环境中的点蚀倾向。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0.80％-1.00％。
Mn：作为冶炼中广泛使用的合金脱氧剂和脱硫剂，且可保证钢在较宽的冷却速度下淬火而得到马氏体组织。Mn是强烈的奥氏体稳定元素，可提高钢的淬透性。但是当钢中加入过多的锰元素，会使其晶粒粗化，降低模具钢的耐腐蚀性并影响其焊接性能。因此本发明选择加入Mn含量为1.20％-1.50％。
P、S：S以MnS的形式分布于钢中，MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材的各向异性。同时S对模具钢耐蚀性能有害，使焊接性能恶化。P虽能适量提高铁素体硬度，改进零件的表面光洁度和切削性能，但钢中P过高会增加冷脆，而且S、P过多会影响钢的均质性及纯净度。因此本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.015％。
Cr：作为耐蚀塑料模具钢中最重要的合金元素，可提高钢的淬透性并具有二次强化作用，增加钢的硬度和耐磨性而不会使钢变脆。特别的，当不锈钢中铬含量超过12％时，能使钢具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性。钢在热处理过程中形成富铬的析出相，从而提高钢的回火稳定性，但同样会增加钢的回火脆性。因此本发明选择加入Cr含量为13.0％-14.0％。
Ni：能提高钢的强度和韧性，提高淬透性。可提高铁－铬合金的钝化倾向，能够提高钢在还原性介质中的抗腐蚀能为。特别是对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。同时可避免该种模具钢中加入Cu元素产生的铜脆。因此本发明中选择加入Ni：3.5％-4.5％。
Cu：铜元素能够显著提高该种塑料模具钢的切削性能和耐腐蚀性能。钢中析出的低熔点富铜相在刀具进行切削加工过程中对刀具起到了润滑作用，减小了切削力的缘故。但铜元素过多会在提高材料切削性能和耐腐蚀性能的同时，恶化材料的热加工性能，因此本发明加入适量Ni元素来避免对材料热加工性能的危害，同时控制Cu元素含量在1.0％-1.5％。
B：硼元素在该种塑料模具钢中主要以稳定的M2B形式存在，弥散分布的硼化物对基体有钉扎作用，强化作用，硼化物比碳化物热稳定性好，不随热疲劳过程的进行而聚集长大，对基体的强化作用持续而稳定；内生的硼化物与基体结合紧密，对热疲劳裂纹的扩展起到有效的阻挡作用，因此本发明的塑料模具钢具有优异的高温力学性能及抗热疲劳性能，因此本发明选择加入B：0.40％-0.50％。
本发明中B元素以硼化物的形式可提高该种塑料模具钢的强度、硬度及高温力学性能，而Cu元素以低熔点富铜相的形式在刀具进行切削加工过程中对刀具起到了润滑作用，减小了切削力，提高材料的切削性能并可提高材料的耐蚀性能。但两者需要共同作用才能使该种塑料模具钢兼顾强度、硬度、高温力学性能及切削性能、耐蚀性能。因此本发明控制Cu+B＝1.5％-1.9％。
本发明技术方案之二是提供一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸(投入轻压下)—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；
将连铸板坯加热至1150℃-1180℃，均热段保温5-6h，由于Cu元素对模具钢的热加工性有一定影响，因此本发明采用低温加热，同时可以细化板坯组织，由于组织具有遗传性，使轧制后钢板具有较细组织。该种模具钢由于合金元素较多，采用长时间均热段加热可改善连铸过程中板坯成分不均匀性，减轻内部显微偏析。为降低后续采用大压下的轧制力，控制开轧温度为1050℃-1070℃，钢板轧制时前四个非展宽道次的压下量≥29.5mm。增大轧制压下率和单道次压下量，可以提高变形渗透深度，使粗大的柱状晶得以破碎，形成细小均匀的晶粒，改善中心组织缺陷。终轧温度≥950℃，得到成品厚度11-120mm的钢板。钢板下线温度300-400℃。下线后堆垛缓冷，缓冷时间为24-36h。
由于该种新型模具钢主要采用硼化物作为强化相，第二相碳化物析出强化为辅，因而模具钢的热处理工艺较为简单，采用一次回火工艺：回火温度600℃-650℃，保温4-5h。一方面可有效减少应力，并控制带状组织的形成，一方面该种热处理工艺高效、经济，复合模具钢生产工艺发展方向。
进一步；所述堆垛缓冷采用“下铺上盖”方式。
本发明的有益效果在于；本发明采用Cu和B元素共同作用使钢中产生的硼化物作为强化相为主，第二相碳化物析出强化为辅，得到强韧性好的基体及具有良好高温稳定性的塑料模具钢，而不采用Mo、V等强烈形成碳化物元素的思路，配合连铸-板坯低温加热-一次回火热处理的工艺生产，使该种耐蚀型塑料模具钢具有36-39HRC的终态硬度，同板硬度差≤2.5HRC；在室温至500℃，循环次数为500cyc下，Rm≥410MPa，A％≥35％，比照Uddeholm图谱评定该种模具钢试样热疲劳级别为2～3级；在试验温度为25℃，10％的盐酸溶液中，浸泡时间为36h，该种模具钢具有良好耐酸腐蚀性能，同时具有优异的切削性能。本发明的塑料模具钢兼顾腐蚀、切削及高温性能等及高效经济的生产工艺，适用应用范围不断扩大的模具市场，及不断提高的应用要求，属于应用前景广阔的高端塑料模具钢。
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
将连铸板坯加热至1150-1180℃，均热段保温5-6h，开轧温度为1050-1070℃，钢板轧制时前四个非展宽道次的压下量≥29.5mm；终轧温度≥950℃；钢板下线温度300-400℃；下线后堆垛缓冷，缓冷时间为24-36h；
热处理工艺采用一次回火工艺，具体为：回火温度600-650℃，保温4-5h。
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。本发明实施例钢的热处理见表3。本发明实施例钢的洛氏硬度性能见表4。本发明实施例钢热疲劳性能见表5。本发明实施例钢耐酸腐蚀性能见表6。本发明实施例钢切削性能见表7。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Cu B Cu+B
1 0.30 0.85 1.26 0.015 0.013 13.2 3.7 1.15 0.45 1.6
2 0.35 0.90 1.40 0.010 0.012 13.7 3.5 1.20 0.48 1.68
3 0.38 1.00 1.45 0.013 0.015 14.0 4.0 1.30 0.47 1.77
4 0.28 0.98 1.20 0.011 0.007 13.0 4.2 1.39 0.41 1.8
5 0.37 0.80 1.35 0.009 0.009 13.5 4.5 1.50 0.40 1.9
6 0.32 0.88 1.30 0.007 0.010 13.8 4.3 1.00 0.50 1.5
7 0.29 0.92 1.50 0.012 0.011 13.4 3.9 1.09 0.49 1.58
8 0.33 0.82 1.25 0.014 0.014 13.6 3.8 1.10 0.42 1.52
9 0.34 0.94 1.48 0.008 0.008 13.1 4.1 1.40 0.43 1.83
10 0.36 0.95 1.29 0.010 0.006 13.3 4.4 1.36 0.45 1.81
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
Figure BDA0002572541530000101
表3本发明实施例钢的热处理
实施例 回火温度/℃ 保温时间/h
1 610 4.1
2 635 4.4
3 650 4
4 600 4.8
5 628 5
6 620 4.9
7 638 4.5
8 630 4.2
9 648 4.7
10 640 4.6
表4本发明实施例钢的洛氏硬度性能
Figure BDA0002572541530000121
表5本发明实施例钢热疲劳性能
实施例 方向 Rm(MPa) A(％) 热疲劳级别(级)
1 横 421 35.6 2
2 横 429 35.1 3
3 横 425 35.0 2
4 横 410 36.0 3
5 横 412 35.9 3
6 横 415 35.5 2
7 横 419 35.7 3
8 横 411 36.2 2
9 横 414 36.1 2
10 横 415 35.8 2
备注：试验参数：室温至500℃，循环次数为500cyc
表6本发明实施例钢耐酸腐蚀性能
实施例 腐蚀速率/g/(m2·h)
1 2.06
2 2.10
3 1.98
4 1.95
5 2.05
6 2.00
7 2.09
8 2.01
9 1.99
10 1.97
备注：试验参数：25℃，10％的盐酸溶液，浸泡36h。
表7本发明实施例钢切削性能
实施例 震动幅值/g 后刀面磨损量/mm
1 0.29 0.028
2 0.30 0.029
3 0.28 0.026
4 0.27 0.025
5 0.31 0.030
6 0.32 0.027
7 0.29 0.023
8 0.26 0.024
9 0.33 0.031
10 0.34 0.032
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，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.28％-0.38％，Si：0.80％-1.00％，Mn：1.2％-1.5％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：13.0％-14.0％，Ni：3.5％-4.5％，Cu：1.0％-1.5％，B：0.40％-0.50％，其中，Cu+B＝1.5％-1.9％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀塑料模具钢，其特征在于，所述模具钢钢板厚度为11-120mm；硬度为36-39HRC，同板硬度差≤2.5HRC；所述模具钢室温至500℃热疲劳级别为2～3级。
3.一种权利要求1或2所述的一种具有优异切削性能的耐高温耐蚀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：
将连铸板坯加热至1150-1180℃，均热段保温5-6h，开轧温度为1050-1070℃，钢板轧制时前四个非展宽道次的压下量≥29.5mm；终轧温度≥950℃；钢板下线温度300-400℃；下线后堆垛缓冷，缓冷时间为24-36h；
热处理工艺采用一次回火工艺，具体为：回火温度600-650℃，保温4-5h。
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