專利名稱：一種塑料模具鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金行業(yè)模具鋼制造工藝領(lǐng)域，具體涉及一種大規(guī)格預(yù)硬化型塑料模具鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
塑料模具是塑料成形加工工業(yè)的重要工藝裝備，占模具工業(yè)總產(chǎn)值的第一位，由于其材料用量大，品種、規(guī)格多，形成了專用的塑料模具鋼。目前塑料模具正向高精度、多型腔、大型化的方向發(fā)展，模具型腔復(fù)雜，加工精度要求高，因此高品質(zhì)的塑料模具均采用預(yù)硬化型塑料模具鋼制造。預(yù)硬化型塑料模具鋼是由冶金廠在供貨時(shí)就保證模具鋼達(dá)到用戶所要求的硬度和使用性能，用戶得到材料后，直接加工成模具，不再進(jìn)行淬火、回火處理就可以直接使用，這類鋼可以避免在模具加工以后再進(jìn)行淬火、回火熱處理操作所造成的變形、開裂、脫碳等缺陷，同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性，切削性能和拋光性能、尺寸精度以及性能價(jià)格比，適宜制造形狀復(fù)雜、精密的塑料模具，在塑料模具鋼市場(chǎng)中占有較大份額。當(dāng)前，大規(guī)格塑料模具鋼產(chǎn)品領(lǐng)域最常用的是調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼SW718H，其化學(xué)成分為0. 32 0. 40 % C，0. 20 0. 40 % Si, 1. 10 1. 50 % Mn，P 彡 0. 025 %，S 彡 0. 04%,0. 25 0. 40% Mo, 1. 70 2. 00% Cr,0. 85 1. 15% Ni，其余為 Fe。從上述化學(xué)成分可以明顯看出SW718H鋼中碳含量為0. 32 0.40%，另外還含有一定量的Cr、Mn、Ni、Mo等合金元素，碳含量及碳當(dāng)量均較高。由于鋼錠在凝固過程中存在選分結(jié)晶現(xiàn)象，造成鋼錠各部位產(chǎn)生成分偏差，即成分偏析，尤其在鋼錠心部，為鋼中碳元素的正偏析區(qū)，即鋼錠中上部位心部的碳含量高于其它部位的碳含量，因此鋼錠正偏析區(qū)碳含量必然大于0. 32%。由此導(dǎo)致截面硬度的均勻性不佳，一般截面硬度差值在3. 5HRC， 截面硬度的均勻性不佳會(huì)造成模具的光潔度差，從而影響了模具成形質(zhì)量。另外，SW718H鋼的制造技術(shù)要求在鍛造成形之后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理才能達(dá)到預(yù)硬化HRC30 HRC36的硬度范圍，即將鋼模塊重新置入加熱爐中進(jìn)行加熱至860°C 880°C溫度，保溫8 10小時(shí)出爐，然后放入大型淬火槽中進(jìn)行淬火處理，當(dāng)模塊在淬火槽中冷卻至 150°C后，再將模塊置入550°C 600°C回火爐中進(jìn)行10 20小時(shí)的保溫處理，隨后出爐冷卻至室溫。這勢(shì)必要增加調(diào)質(zhì)加熱爐、回火爐和淬火槽等冶金裝備，增加了制造成本，延長(zhǎng)了大規(guī)格模具鋼的制造工藝周期。如果希望省略調(diào)質(zhì)熱處理工序而要達(dá)到預(yù)硬化模塊的硬度效果，目前的工藝技術(shù)只能做到厚度400mm以下的規(guī)格。例如公開號(hào)為CN12M769的專利公開了一種微合金化塑料模具鋼的制造方法，化學(xué)成分為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% Β,Ο. 0005 0. 010% Ca等。該專利化學(xué)成份組成的特點(diǎn)是含有較高的錳元素和微合金化元素硼元素，通過在鋼種中加入硼元素作為微合金化元素增加鋼的淬透性，并通過鈣處理增加其切削性能。雖然按照上述專利生產(chǎn)出的模具鋼可作為一種非調(diào)質(zhì)的貝氏體型鋼使用，但是，其僅僅能作為一種規(guī)格小于300mm厚度的熱軋扁鋼產(chǎn)品使用。
然而，目前用于汽車內(nèi)飾板的塑料模具均采用的是截面厚度在600mm以上的預(yù)硬型塑料模具鋼。因此，多年來，廣大冶金材料學(xué)科的研技術(shù)人員一直在尋找一種新型的非調(diào)質(zhì)型大規(guī)格塑料模具鋼模塊，以替代目前的調(diào)質(zhì)型SW718H塑料模具鋼，滿足模具行業(yè)對(duì)低成本高質(zhì)量的大規(guī)格預(yù)硬化塑料模具鋼的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種塑料模具鋼及其制造方法，該種模具鋼采用新型的化學(xué)成分配比，其制造過程無需調(diào)質(zhì)熱處理工序，直接鍛后空冷，即可制得心部到表面硬度均勻的預(yù)硬化型塑料模具鋼，且適用于厚度在600mm以上的大規(guī)格塑料模具鋼。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供了所述塑料模具鋼化學(xué)成分重量百分含量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%,余量為!^e及不可避免的雜質(zhì)。上述化學(xué)成分的重量百分含量設(shè)計(jì)達(dá)到如下技術(shù)效果C 0. 25 0. ^%，C是提高鋼的硬度和強(qiáng)度最為有效的元素，固溶強(qiáng)化作用顯著， 是保證在非調(diào)質(zhì)狀態(tài)下能夠達(dá)到預(yù)硬化塑料模具鋼所需達(dá)到的硬度的必不可少的元素；但 C含量過高則降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，不利于貝氏體的形成，因此本發(fā)明將C的重量百分含量限定在0. 25 0^9%。Si 0. 40 0. 60%，在煉鋼過程中加入Si作為還原劑和脫氧劑，Si的鐵素體強(qiáng)化作用顯著，本發(fā)明中，Si和Mo、Cr配合使用，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用。Mn :1. 30 1. 50%，Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，含Mn鋼較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，能提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能；當(dāng)Mn的重量百分含量為1. 30 1. 50%時(shí)，隨其含量的增加顯著降低鐵素體的臨界轉(zhuǎn)變速率，但是當(dāng) Mn含量過高時(shí)，臨界速率曲線趨于平緩，且會(huì)減弱鋼的抗腐蝕能力，使鋼晶粒粗化，降低焊接性能。Cr 1. 20 1. 50%, Cr也是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，本發(fā)明中，Cr、Mn同時(shí)加入，效果更加明顯，更有利于貝氏體的形成，但Cr含量過高則降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，因此本發(fā)明將Cr的重量百分含量限定在1. 20 1. 50%。Mo 0. 40 0. 50%，Mo有強(qiáng)烈抑制奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的作用，僅在固溶于奧氏體中的情況下才有這樣的作用，因此Mo含量不宜過高，否則將會(huì)形成碳化物，降低抑制奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的作用。Nb 0. 02 0. 05%，作為微合金元素之一，Nb可以與碳交互作用，生成少量NbC 并溶入其他合金碳化物中增加鋼材料的穩(wěn)定性，并細(xì)小均勻分布，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，從而對(duì)鋼的強(qiáng)韌化產(chǎn)生影響，可以增加鋼的淬透性，并且，鈮以MC型碳化物彌散析出， 形成強(qiáng)烈的二次硬化效果。Ni 15%，Ni是顯著提高淬透性的元素，但高含量的Ni會(huì)引起吸氫，因此本發(fā)明將Ni的重量百分含量限定為不超過0. 15%。Cu ^ 0. 15%，銅可以造成鋼在鍛造冷卻過程中由于銅析出相使得鋼發(fā)生脆性變化，因此，本發(fā)明將Cu的重量百分含量限定為不超過0. 15%，以防止脆性的發(fā)生。P ^ 0. 020%，磷增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性，本發(fā)明將磷元素的重量百分含量控制在不超過0. 020 %，可以防止降低鋼的綜合性能。S 0.015%，硫元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產(chǎn)生過熱和過燒現(xiàn)象，控制硫的重量百分含量不超過0. 015%，可以提高鋼加工性能。N:彡0.012%，對(duì)N含量的控制，主要是為了避免Nb和N結(jié)合，因?yàn)镹bN比NbC更穩(wěn)定，易形成堆積，而非細(xì)小彌散。本發(fā)明還提供上述塑料模具鋼的制造方法1)按照上述化學(xué)成份配比，經(jīng)電弧爐初煉、爐外精煉后，澆鑄成25噸 35噸鋼錠；2)將上述鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C /小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至 1160°C 1180°C，保溫5 8小時(shí)后，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度為1100°C 1150°C，停鍛溫度為850°C 950°C，鍛造完畢得到鍛后模塊；3)將上述鍛后模塊放置在空氣中自然冷卻至室溫。上述制造方法中工藝參數(shù)的控制達(dá)到如下技術(shù)效果在電弧爐初煉和爐外精練之后澆鑄成25噸 35噸鋼錠一方面可以滿足大規(guī)格塑料模具鋼單件重量17噸 M噸的市場(chǎng)需求，另一方面大鋼錠比小鋼錠可以獲得更大的鍛造壓縮比，這樣可以改善塑料模具鋼的化學(xué)成份的偏析，提高組織均勻性。鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)加熱至1160°C 1180°C后保溫5 8小時(shí)可以獲得最佳的熱變形塑性，有利于鍛造的順利進(jìn)行。對(duì)鋼錠鍛造的開鍛溫度1100°C 1150°C、停鍛溫度850°C 950°C:由于開鍛溫度和停鍛溫度的控制范圍是塑料模具鋼的奧氏體區(qū)域，具有良好的高溫延展性和可變形性， 不會(huì)導(dǎo)致塑料模具鋼在變形過程中發(fā)生變形開裂現(xiàn)象。鍛后模塊在空氣中自然冷卻至室溫這種處理方式是為了鍛后模塊在空氣中冷卻硬化，并達(dá)到合理的硬度要求。這種工藝方法使得塑料模具鋼截面硬度均勻，而且無需調(diào)質(zhì)熱處理工序，同樣達(dá)到了厚度大于600mm的大規(guī)格塑料模具鋼預(yù)硬化的效果。此外，由于本鋼種含M量很低，通過這種退火方法可以充分?jǐn)U氫，避免氫致裂紋。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)(1)化學(xué)成分配比更加合理，通過加入微合金化元素Nb，Cr、Ni、Mn等合金元素配合微合金化元素Nb發(fā)生復(fù)合作用，成分偏析更小，二次硬化效果更佳，達(dá)到了大規(guī)格塑料模具鋼的直接空冷硬化目的。具體來說，這種復(fù)合作用為Nb元素與碳元素交互作用形成碳化鈮NbC，碳化鈮又溶入多種合金碳化物Cr7C3、Mo3C等合金碳化物中，并細(xì)小、均勻分布在基體中和Mn元素、Ni元素一起組成多元碳化物對(duì)材料產(chǎn)生復(fù)合作用，這些復(fù)合作用可以增加材料的穩(wěn)定性，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性和淬透性。另外，微合金元素鈮在鋼中以MC型碳化物形式在鋼的冷卻過程中彌散析出，形成強(qiáng)烈的二次硬化效果。(2)本發(fā)明的塑料模具鋼的截面硬度均勻性從原來的硬度差值3. 5HRC減小到硬度差值2. 0HRC，大幅提升了大規(guī)格鋼制成模具的使用性能。(3)無需調(diào)質(zhì)熱處理工序，通過鍛后空冷的方式同樣使得厚度大于600mm大規(guī)格塑料模具鋼達(dá)到了預(yù)硬化的效果，截面硬度值大于等于30HRC，且截面硬度更均勻，省去了大規(guī)格預(yù)硬化塑料模具鋼通常采用的調(diào)質(zhì)爐和淬火槽的冶金裝備，節(jié)約了制造成本，縮短了大規(guī)格塑料模具鋼制造周期。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的塑料模具鋼和SW718H鋼表面及心部的金相顯微組織對(duì)比圖，其中，圖Ι-a和圖l_b為SW718H鋼表面及心部的金相顯微組織照片；圖l_c和圖 Ι-d為實(shí)施例1制得的塑料模具鋼表面及心部的金相顯微組織照片；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制得的塑料模具鋼和SW718H鋼截面硬度均勻性對(duì)比曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例用于具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。實(shí)施例1本實(shí)施例塑料模具鋼的化學(xué)成份重量百分比為C 0. 28wt%, SiO. 49wt%,Mn 1. 44wt Cr 1. 40wt Mo 0. 46wt %, Nb 0. 035wt Ni 0. 13wt Cu 0. Ilwt S 0. 003wt%,P 0. 013wt%, N 0. 0098wt%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。按照上述化學(xué)成分配比，進(jìn)行電弧爐初煉、爐外精煉之后，澆鑄成25噸鋼錠 ’然后鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C /小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至1165°C，保溫5. 5小時(shí)，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度1110°C、停鍛溫度930°C ；鍛造完畢后，制得厚度為660mm的鍛后模塊；將上述鍛后模塊直接放置空氣中冷卻至室溫，即得到厚度為660mm的預(yù)硬化型塑料模具鋼。經(jīng)過上述方法制造的塑料模具鋼，其截面硬度達(dá)到32HRC，硬度均勻，截面硬度差值為 HRC1. 5。將上述實(shí)施例制得的塑料模具鋼和SW718H鋼進(jìn)行性能對(duì)比檢測(cè)，檢測(cè)所用 SW718H鋼購(gòu)買自廣東東莞寶特模具鋼公司銷售的SW718H模塊產(chǎn)品，檢測(cè)結(jié)果如附圖1和附圖2所示。附圖1為本實(shí)施例制得的塑料模具鋼和SW718H鋼表面及心部的金相顯微組織對(duì)比圖，圖Ι-a和圖Ι-b顯示出SW718H鋼表面為回火索氏體，心部為貝氏體，顯微組織均勻性差，導(dǎo)致鋼的截面硬度不均勻；而圖1-c和圖Ι-d顯示出本發(fā)明制得的塑料模具鋼的心部和表面都是均勻的貝氏體組織，顯微組織均勻性好，塑料模具鋼獲得了均勻的截面硬度，性能更佳。圖2為本實(shí)施例制得的塑料模具鋼和SW718H鋼截面硬度均勻性對(duì)比曲線圖，截面組織均勻性的差異直接影響到截面硬度均勻性，從圖中可以看出，本發(fā)明的模具鋼心部和表面的硬度差較小，截面硬度更趨均勻。實(shí)施例2本實(shí)施例塑料模具鋼的化學(xué)成份重量百分比為C 0. 25wt%, SiO. 40wt%,Mn 1. 50wt Cr 1. 20wt Mo 0. 50wt %, Nb 0. 050wt Ni 0. Ilwt Cu 0. 12wt S
0.013wt%,P 0. 020wt%, N 0. 012wt%，余量為1 及不可避免的雜質(zhì)。按照上述化學(xué)成分配比，進(jìn)行電弧爐初煉、爐外精煉之后，澆鑄成35噸鋼錠；然后鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C /小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至1160°C，保溫8. 0小時(shí)，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度1100°C、停鍛溫度850°C ；鍛造完畢后，得到厚度為610mm的鍛后模塊；將上述鍛后模塊直接放置空氣中冷卻至室溫，即得到厚度為610mm的預(yù)硬化型塑料模具鋼。經(jīng)過上述方法制得的塑料模具鋼，其截面硬度達(dá)到32HRC，硬度均勻，截面硬度差值為 HRC1. 5。實(shí)施例3本實(shí)施例塑料模具鋼的化學(xué)成份重量百分比為C 0. 25wt%, SiO. 60wt%,Mn
1.30wt Cr 1. 40wt Mo 0. 44wt %, Nb 0. 020wt Ni 0. IOwt Cu 0. Ilwt S 0. 012wt%,P 0. 016wt%, N 0. 009wt%，余量為1 及不可避免的雜質(zhì)；按照上述化學(xué)成分配比，進(jìn)行電弧爐初煉、爐外精煉之后，澆鑄成25噸鋼錠；然后鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C /小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至1170°C，保溫6. 0小時(shí)，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度1120°C、停鍛溫度880°C ；鍛造完畢后，得到厚度為620mm的鍛后模塊；將上述鍛后模塊直接放置空氣中冷卻至室溫，即得到厚度為620mm的預(yù)硬化型塑料模具鋼。經(jīng)過上述方法制造的塑料模具鋼，其截面硬度達(dá)到32HRC，硬度均勻，截面硬度差值為 HRC2. 0。實(shí)施例4本實(shí)施例塑料模具鋼的化學(xué)成份重量百分比為C 0. 28wt%, SiO. 48wt%, Mn 1. 35wt%, Crl. 45wt%, Mo 0. 48wt%, Nb 0. 046wt%, Ni 0. 09wt%, Cu 0. 08wt%, S 0. 010wt%,P 0. 018wt%, N 0. 0097wt%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。按照上述化學(xué)成分配比，進(jìn)行電弧爐初煉、爐外精煉之后，澆鑄成35噸鋼錠 ’然后鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C /小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至1180°C，保溫6. 5小時(shí)，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度1125°C、停鍛溫度950°C ；鍛造完畢后，得到厚度為610mm的鍛后模塊；將上述鍛后模塊直接放置空氣中冷卻至室溫，即得到厚度為610mm的預(yù)硬化型塑料模具鋼。經(jīng)過上述方法制造的塑料模具鋼，其截面硬度達(dá)到31HRC，硬度均勻，截面硬度差值為 HRC2. 0。
權(quán)利要求
1.一種塑料模具鋼，其化學(xué)成分的重量百分含量為 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%,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的塑料模具鋼，其特征在于組織狀態(tài)為貝氏體。
3.如權(quán)利要求1所述的塑料模具鋼的制造方法，其包括如下步驟1)按照權(quán)利要求1所述的化學(xué)成份配比，經(jīng)電弧爐初煉、爐外精煉后，澆鑄成25噸 35噸鋼錠；2)將上述鋼錠在鍛造加熱爐內(nèi)以80°C/小時(shí) 120°C /小時(shí)的升溫速度加熱至 1160°C 1180°C，保溫5 8小時(shí)后，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，開鍛溫度為1100°C 1150°C，停鍛溫度為850°C 950°C，鍛造完畢得到鍛后模塊；3)將上述鍛后模塊放置在空氣中自然冷卻至室溫。
全文摘要
一種塑料模具鋼，其化學(xué)成分的重量百分含量為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％，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)；其制造方法無需調(diào)質(zhì)熱處理工序，直接鍛后空冷，即制得厚度超過600mm且心部到表面硬度均勻的預(yù)硬化型塑料模具鋼。本發(fā)明克服了現(xiàn)有非調(diào)質(zhì)模具鋼厚度均小于400mm的局限，滿足模具行業(yè)對(duì)低成本高質(zhì)量的大規(guī)格預(yù)硬化型塑料模具鋼的需求。
文檔編號(hào)C22C38/48GK102286698SQ20101020216
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者吳曉春, 周荃, 續(xù)維, 羅毅, 閔永安 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司