一种经济型塑料型腔模具用钢及其制造方法.pdf

一种经济型塑料型腔模具用钢的制造方法，包括如下步骤：a)其化学成分质量百分比为：C 0.10～0.25、Si 0.10～0.50、Mn 1.20～1.80、Cr1.20～2.00、Ni 0.10～0.30、S≤0.010、P≤0.020、V 0.05～0.30、Al 0.010～0.040、N 0.002～0.006、Ca 0.0010～0.0060、Ti/N＝3～5、余Fe；b)冶炼、铸造成钢坯；c)钢坯加热至1150～1250℃，保温时间按有效厚度1～1.5min/mm计算；d)在奥氏体再结晶的温度范围内进行终轧温度控制，终轧温度870～950℃；e)终轧厚钢板采用单张板直接空冷方式，冷却速度0.2～10.0℃/s。本发明以Mn-Cr合金成分体系替代了Cr-Mo-Ni合金或Mn-Mo-B合金成分体系，降低制造成本；而且不需要调质热处理，降低了制造成本。

1.  一种经济型塑料型腔模具用钢，其化学成分质量百分比为：
C     0.10～0.25
Si    0.10～0.50
Mn    1.20～1.80
Cr    1.20～2.00
Ni    0.10～0.30
S     ≤0.010
P     ≤0.020
V     0.05～0.30
Al    0.010～0.040
N     0.002～0.006
Ca    0.0010～0.0060
Ti/N＝3～5
其余为Fe和不可避免的杂质。

2.  如权利要求1所述的经济型塑料型腔模具用钢的制造方法，包括如下步骤：
a)其化学成分质量百分比为：C 0.10～0.25、Si 0.10～0.50、Mn1.20～1.80、Cr 1.20～2.00、Ni 0.10～0.30、S≤0.010、P≤0.020、V0.05～0.30、Al 0.010～0.040、N 0.002～0.006、Ca 0.0010～0.0060、Ti/N＝3～5、其余为Fe和不可避免的杂质；
b)按上述成分冶炼、铸造形成钢坯；
c)将钢坯加热至1150～1250℃，保温时间按有效厚度1～1.5min/mm计算；
d)在奥氏体再结晶的温度范围内进行终轧温度控制，终轧温度介于870～950℃之间；
e)终轧厚钢板采用单张板直接空冷方式，钢板冷却速度控制在0.2～10.0℃/s之间。

3.  如权利要求2所述的经济型塑料型腔模具用钢的生产方法，其特征是，f)对冷却后的钢板进行回火以消除内应力，回火温度为400℃～550℃。

4.  如权利要求2所述的经济型塑料型腔模具用钢的生产方法，其特征是，铸造采用连铸或模铸，控制连铸拉坯速度，保证连铸拉坯速度≤1.0m/min。

一种经济型塑料型腔模具用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及模具用钢及其制造方法，特别涉及一种经济型塑料型腔模具用钢及其制造方法。
背景技术
随着工业生产技术的发展和不断出现的新材料，塑料制品已经成为一种重要的工业材料并广泛用于国民经济的各部门。从航天器到舰艇，从建筑材料到农业生产，从家用电器到儿童玩具都离不开塑料制品。为此，不少工业发达国家塑料模具的产值已经在模具制造业中位居首位。塑料模具用钢按大类分，有模架模具制造用钢和型腔模具制造用钢，使用硬度要求为：用于模架模具用钢的硬度为HRC22～24，代表钢种有日本钢S50C～55C，为调质型模架模具用钢，用于型腔模具用钢的硬度分为HRC28～32、HRC33～37和HRC38～43，代表钢种有美国AISI标准的P20、P20+Ni和日本Daido公司的NAK80，均为调质型型腔模具用钢。
型腔模具用钢的钢板厚度通常在15～500mm之间，其关键技术是要保证钢板厚度方向组织和硬度分布的均匀性，从而获得优良的抛光性能、耐大气腐蚀性能和较低的气割裂纹敏感性。长期以来，型腔模具用钢均采用中碳合金成分设计体系，钢中的Cr、Ni、Mo等贵金属含量较高，目的是通过调质热处理工艺来获得制造模具时所需要的性能和硬度要求。
如表1所示，有的专利采用Mn-Cr-Mo-Ni高合金成分体系，如中国专利号CN86103713A，CN1576382A以及欧洲专利号EP0247415A2；有的专利采用Cr-Mo-Ni-Cu高合金成分体系，如日本专利号JP2003-201537A、中国专利号CN86103713A；有的专利是Mn-Mo-B合金成分体系，专利号有中国专利公开号CN1224769A。
中国专利公开号CN1224769A“一种微合金塑料模具钢的制造方法”，其合金成分为(重量％)，C 0.20～0.30，Si 0.10～0.60，Mn 1.70～2.50，P 0.035～0.080，S 0.010～0.040，Mo 0.20～0.50，V 0.05～0.20，B 0.0005～0.0050，Ca 0.00050～0.010，N 0.0050～0.0080，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
该专利关键性合金元素为C、Mn、Mo和B，这些元素虽然使钢具有较高的淬透性，在热加工后空冷条件下也能获得单一的贝氏体组织。问题是由于该钢的碳含量为0.20～0.25％之间，锰含量为1.70～2.50％，而且硼含量为0.0005～0.0050％，由于碳、锰属于易偏析合金元素，过高的锰含量会导致工业生产大截面板坯芯部偏析严重，而合金偏析严重的直接后果就是板坯在热加工后芯部偏析带易获得脆性的马氏体组织。这种马氏体组织虽然能通过后续高温回火热处理转变为回火索氏体组织，但回火索氏体硬度与正常部位贝氏体组织硬度相差很大，由于芯部和其它部位组织不同，切削加工性和抛光性能受到不良影响，并且硼含量在冶炼时难于精准控制。因此，该发明专利虽然成功采用了非调质贝氏体钢的成分设计思路，但难于保证一定厚度钢板整个截面组织和硬度的等同性和均匀性。
中国专利公开号CN1576382A“机械加工性优异的塑料注射成型模具用钢”的专利，其合金成分为(重量％)，C 0.10～0.30％，Si 0.40～0.70％，Mn 0.90～1.50％，S 0.005～0.020％，Cr 1.0～2.50％，Ni 0.10～0.50％，Mo0.20～0.50％，V 0.0010～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。
该专利关键性合金元素为Cr、Mo。这些元素匹配主要是提高钢的淬透性，使该专利钢能在淬火(油淬)后得到马氏体组织，回火后转变为回火索氏体和析出碳化物并起到钢的二次硬化作用。
由于该专利钢是通过后续热处理(淬火+回火)来达到大截面塑料模具钢的硬度和其它性能要求，调质后的硬度也能达到HRC29～31。问题是大截面模块表面和中心在淬火过程(油淬)中的冷却速度极其不均匀性，造成模块厚度上的组织和硬度差距较大，同时淬火过程中形成的马氏体组织，使大截面模块淬火裂纹敏感性提高。另外，钢在油淬时环境污染比较严重，不利于绿色环保要求。

随着世界钢铁产量的突飞猛进，铁矿石贵金属Mo、Ni价格的飙升，造成型腔用塑料模具钢的价格也随之不断攀升。开发成本低且具有较好耐蚀性和抛光性、硬度在HRC28～32的型腔塑料模具用钢成为目前模具钢生产企业的重要课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种经济型塑料型腔模具用钢及其制造方法，具有稳定的硬度值、力学性能和较好的抛光性能和耐湿热腐蚀性能，可用于硬度为HRC28～32、钢板厚度≤70mm型腔塑料模具。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种经济型塑料型腔模具用钢，其化学成分质量百分比为：
C    0.10～0.25
Si   0.10～0.50
Mn   1.20～1.80
Cr   1.20～2.00
Ni   0.10～0.30
S    ≤0.010
P    ≤0.020
V    0.05～0.30
Al   0.010～0.040
N    0.002～0.006
Ca   0.0010～0.0060
Ti/N＝3～5
其余为Fe和不可避免的杂质。
碳：0.10～0.25％，碳是钢中最经济、最基本的强化元素。通过固溶强化和析出强化提高钢的强度和硬度，碳也是保证获得贝氏体组织的重要元素。太低，则不能保证钢获得贝氏体组织及所需的力学性能指标；过高，会增加钢在连铸或模铸过程中的偏析倾向，导致钢板偏析严重，最终成品钢板芯部形成马氏体组织造成力学性能不合格。
硅：0.10～0.50％，适当Si是钢中有益脱氧剂，能与钢中钙铝一起形成易于上浮的钙铝硅酸盐夹杂物，提高钢质纯净度。但太高的硅含量会提高钢的淬透性，形成钢板心部马氏体组织。
锰：1.20～1.80％，锰在钢中起固溶强化作用，是廉价的强化元素。Mn也是获得贝氏体组织的重要元素。锰含量太低，难以保证贝氏体淬透性和改善钢水可浇铸性的Mn/Si比值；过高，则易产生板坯偏析现象，形成马氏体组织。
铬：1.20～2.00％，铬是提高钢淬透性和耐腐蚀性的关键性元素，是经济型塑料型腔模具用钢获得贝氏体组织和提高耐湿热腐蚀性能的重要合金元素。太高的铬，会导致钢中低熔点Cr-Mn复合氧化物的形成，在热加工过程中形成表面裂纹。
镍：0.10～0.30％，适当的镍含量可以促进贝氏体组织转变，并改善钢的韧性。但太高的镍含量会增加合金成本。
钒：0.05～0.30钒是强碳氮化物形成元素。由于钢中加入适量的钛，钛与氮的形成温度较高，因此通过控制钛、氮的含量，使得钒主要与碳化合。碳化钒析出温度较氮化钛和碳化钛低，在热轧时与热轧工艺匹配，通过控制碳化钒的析出来细化组织和提高强度和韧性。
钛/氮：Ti/N＝3～5，钛是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中0.006％以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，同时，对高铬钢可以避免低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，防止表面裂纹产生。但其含量不能够太高，不然TiN颗粒粗大，不仅不能够阻止晶粒长大，而且会损害钢的抛光性能。
钙：0.0010～0.0060％，通过合适Ca/S比能控制硫化物形态，使长条硫化物变形为纺锤型或圆球型硫氧化合物，可以改善切削加工性能。钙含量少于0.001时对硫化物变形没有效果，而过高钙含量会增加钢中夹杂物面积百分数，形成大颗粒夹杂物，对钢的力学性能造成损害。
铝：Al 0.010～0.030％，铝是钢中的主要脱氧元素，控制适当的铝含量，有利于钢中脱氧和细化晶粒。过高的铝含量，易形成更多的AlN夹杂物，导致板坯裂纹；过低的铝含量，以至于无法避免氧化能力更低的合金元素形成低熔点夹杂物，对钢晶粒细化不利。
硫、磷：P≤0.02％、S≤0.01％，硫、磷是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，以降低偏析。
本发明经济型塑料型腔模具用钢的制造方法，包括如下步骤：
a)其化学成分质量百分比为：C 0.10～0.25、Si 0.10～0.50、Mn 1.20～1.80、Cr 1.20～2.00、Ni 0.10～0.30、S≤0.010、P≤0.020、V 0.05～0.30、Al 0.010～0.040、N 0.002～0.006、Ca 0.0010～0.0060、Ti/N＝3～5、其余为Fe和不可避免的杂质；
b)按上述成分冶炼、铸造形成钢坯；
c)将钢坯加热至1150～1250℃，保温时间按有效厚度1～1.5min/mm计算；
d)在奥氏体再结晶的温度范围内进行终轧温度控制，终轧温度介于870～950℃之间；
e)终轧厚钢板采用单张板直接空冷方式，钢板冷却速度控制在0.2～10.0℃/s之间。
进一步，步骤f)对冷却后的钢板可进行回火以消除内应力，回火温度为400℃～550℃。
其中，铸造采用连铸或模铸，控制连铸拉坯速度，保证连铸拉坯速度≤1.0m/min，可以使铸坯内部成分均匀和表面质量良好的效果；模铸钢锭需轧制成初轧板坯。连铸坯和初轧坯采用缓慢的冷却速度，可以避免马氏体转变引起开裂。
连铸坯或初轧钢坯的加热温度控制在1150℃～1250℃之间，一方面能使V(C，N)等第二相质点发生溶解，Ti(C，N)发生部分溶解，在保证奥氏体晶粒不长大的情况下获得均匀的奥氏体化组织。开轧温度≤1150℃，终轧温度870～950℃时可以保证钢在奥氏体再结晶区轧制，使变形奥氏体再结晶化，轧后单张钢板直接空冷后获得均匀组织，保证钢板厚度截面硬度或强度的均匀性。
轧后空冷钢板的组织应力将会造成型腔开模时的尺寸不稳定，因此生产厂必须对模具材料进行去应力回火，提高模具钢的内在质量，使模具钢在使用条件下具有良好的综合力学性能和组织稳定性。回火温度控制在400～550℃之间，确保回火后的硬度为HRC28～32。
本发明成分简单，以Mn、Cr合金为主，赋予少量Ni合金。锰在钢中起固溶强化作用，是廉价的强化元素；Mn也是获得贝氏体组织的重要元素。铬是提高钢淬透性和耐腐蚀性的关键性元素，也是获得贝氏体组织的重要元素。通过Mn、Cr合金的合理匹配，取代了很多专利中不得不加入的贵金属元素Mo；其次，结合本发明的合金成分设计，在工艺上采取低温加热，控制终轧温度及轧后空冷的工艺过程。终轧温度控制在钢的奥氏体再结晶区，有利于形变奥氏体再结晶化，使本发明生产的产品热加工后单张板直接空冷后即可获得单一的均匀的贝氏体组织，保证基体硬度的稳定性，同时又保证较好的抛光性能和耐湿热腐蚀性能。对比试验表明，本发明钢抛光性能和耐湿热腐蚀性能均优于P20和SP300。
本发明的有益效果
本发明采用上述成分设计和工艺控制方法制造的型腔塑料模具用钢，以Mn-Cr合金为主的成分体系替代了以Cr-Mo-Ni合金为主或Mn-Mo-B合金为主的成分体系，降低合金制造成本。用该发明钢制造硬度为HRC28～32型腔塑料模具钢不需要调质热处理，轧后单张钢板直接空冷后就能达到力学性能和硬度的要求，降低了制造成本，而且其组织和硬度沿截面的分布更均匀，钢的抛光性能和耐湿热腐蚀性能更优异，可用于汽车、电器、厨具制品等塑料模具行业。
附图说明
图1为本发明钢轧后空冷后的组织形貌(板厚60～70mm)照片。
图2为回火温度对本发明实施例1硬度的影响的示意图。
图3为本发明钢与对比钢的耐湿热腐蚀试验示意图。
具体实施方式
本发明通过下列试验得到证实。
本发明实施例化学成分见表2，成品板厚度为50～60mm。

硬度试验结果表明，试验钢整个截面在上述工艺下均获得了基本同等的硬度(HRC28～32)，表3为本发明实施例1钢板、本发明实施例6钢板沿板厚方向的硬度分布情况，表4为本发明例钢在轧后空冷下的硬度和力学性能，表5为本发明实施例钢回火温度条件下的硬度和力学性能，表6为本发明实施例1、实施例6轧制工艺参数对组织、硬度和力学性能影响，图2为本发明实施例1回火温度对硬度值影响图。
表3  本发明实施例钢终轧空冷及回火后沿板厚方向的硬度分布

表4  本发明实施例钢轧后空冷条件下的硬度和力学性能