CN111809115B - 耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢及其制备方法，所述模具钢成分按重量百分比计如下：C：0.25％‑0.35％，Si：0.70％‑0.80％，Mn：0.60％‑0.70％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：15.1％‑16.1％，Mo：0.60％‑0.70％，W：0.1％‑0.2％，Ni：2.0％‑3.0％，Al：0.15％‑0.25％，其中，Mo+W＝0.75％‑0.85％，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—电渣重熔—退火—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40‑42HRC，同板硬度差≤2HRC；在室温下，横向心部Rm≥1280MPa，A％≥28％，夏比冲击功KV₂≥45J，同时具有优异的耐冲击腐蚀磨损性能。

Description

耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚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，尤其涉及耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢及其制备方法。

背景技术

淬透性是考量耐蚀型塑料模具钢大板的一个重要方面，特别是目前对钢板厚度要求越来越高的模具市场，研制和生产最大难点是保证整个厚度截面方向获得均匀的力学性能。如果其淬透性不佳，会致使模具不同位置的均匀性差异大，即使钢板保持最高的理想条件，由于热传导速率的限制，冷速最低的心部和冷速最高的表面易产生组织、硬度等差别较大等现象，即使针对这些问题在后期经过改善处理，其各方面性能也很难达到理想的要求。此外，在模具使用时型腔反复受到一定的冲击力，对已经进行抛光的塑料模具型腔表面有一定的腐烛作用，而模具在多次重复使用的情况下，若耐冲击腐蚀磨损性能较差，模具易失效，缩短模具寿命，造成损失，因此提高塑料模具钢的淬透性制造特厚大板，且保证良好的抛光性能及耐冲击腐蚀磨损性能应是目前产品开发的关注重点。

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。

申请号为201810390485.8的发明《一种高韧性塑料模具钢及其生产方法》中公开了一种高韧性塑料模具钢及其生产方法，其成分百分比为：C：0.24％-0.32％，Ni：0.64％-1.02％，Mo：0.46％-0.62％、S：0.072％-0.088％，Cr：8.17％-10.26％，Mn：1.68％-1.43％，W：0.25％-0.30％，V：0.17％-0.24％，Mg：0.026％-0.079％，Sr：0.17％-0.26％，Si：0.16％-0.21％，余量为Fe及其他杂质。所述的塑料模具钢经过反复熔炼锻造以及热处理得到，提高模具钢韧性，具有稳定耐压等特点。但锻造成本高，硬度均匀性及横向性能难以保证。

申请号为201110218086.1的发明《一种非调质的塑料模具钢厚板生产工艺》中公开了一种塑料模具钢厚板，其成分百分比为：C：0.25％-0.33％，Si：0.20％-0.70％，Mn：1.10％-1.50％，Cr：1.40％-2.00％，Mo≤0.20％，P≤0.01％，S≤0.005％，Ti≤0.03％，B≤0.003％，V≤0.15％，其余为铁。采用控制轧制，轧后控冷，利用相变强化和微合金碳氮化物的析出强化，使钢板截面在不进行调质处理情况下，组织性能沿截面分布均匀，获得硬度为300-400的塑料模具钢，回火后获得粒状贝氏体组织，但硬度较低，不能保证耐蚀性。

申请号为200610028195.6的发明《超厚非调质塑料模具钢及其制造方法》公开了一种超厚非调质塑料模具钢及其制造方法，克服了预硬化塑料模具钢制造成本高，淬火裂纹敏感性高以及已有非调质塑料模具钢成形厚度小的缺点，保证了大截面塑料模具钢能够获得贝氏体组织及硬度，采用锻造方式进行热加工，控制锻后冷却速度，实现了厚度超过300mm的超厚塑料模具钢的非调质化。但其采用铸坯锻造方式生产，生产环节多，效率低成本高。

申请号为201910453916.5的发明《一种高均匀性高抛光型塑料模具钢ZW636及其制备方法》公开一种高均匀性高抛光型塑料模具钢ZW636及其制备方法。其质量百分比为：C：0.20％-0.30％，Si：0.10％-0.40％，Mn：1.20％-1.80％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.20％-1.80％，Ni：0.90％-1.20％，Mo：0.48％-0.70％，V：0.08％-0.15％，Als：0.015％-0.030％，Cu≤0.25％，O≤12ppm，N：60-100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。通过电渣重熔及锻造热处理得到模具钢具有组织均匀，晶粒细小，硬度均匀，高抛光性等特点，但抗回火能力差，韧性较差。

申请号为201410124967.0的发明《一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法》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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢及其制备方法，兼顾成本及模具钢性能，使其具有较高的强度、硬度及韧性，良好的镜面抛光性及耐冲击腐蚀磨损性。

本发明目的是这样实现的：

本发明采用Cr、Mo、Ni和W复合作用使钢强化，并提高钢的淬透性，同时添加适量Al有助于保证材料硬度前提下提高韧性，并提高钢的耐冲击腐蚀磨损性能，由此获得综合性能良好的模具钢材料。

一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.25％-0.35％，Si：0.70％-0.80％，Mn：0.60％-0.70％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：15.1％-16.1％，Mo：0.60％-0.70％，W：0.1％-0.2％，Ni：2.0％-3.0％，Al：0.15％-0.25％，其中，Mo+W＝0.75％-0.85％，余量为Fe及不可避免杂质。

所述塑料模具钢硬度40-42HRC，同板硬度差≤2HRC；室心部横向抗拉强度Rm≥1280MPa，延伸率A％≥28％，夏比冲击功KV₂≥45J，所述钢板厚度得到厚度为150-250mm。

本发明成分设计理由如下：

C：在本发明的不锈钢中，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，因此它对强度、塑韧性和焊接性等影响极大。马氏体组织中易产生δ铁素体，而δ铁素体降低钢的强度、韧塑性和高温强度，为了抑制δ铁素体的形成，需添加适量的碳元素及奥氏体形成元素，但碳含量过高会与Cr形成碳化物，导致钢中耐蚀性下降，因此本发明中选择加入C含量为0.25％-0.35％。

Si：是强烈的强化铁素体元素，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。添加Si可在钢表面产生Si的富集或形成氧化硅层，显著提高钢的耐腐蚀性能。Si还可抑制不锈钢在氯离子介质中的点腐蚀倾。但Si含量过高，易产生δ铁素体，降低钢的强塑性同时使球化的碳化物颗粒直径变大，间距增大，促进偏析，导致带状组织形成，使横向性能低于纵向，因此，本发明在适量提高Si含量，配合使用Mo、W和Ni等元素，发挥Si的有益作用，本发明中选择加入Si含量为0.70％-0.80％。

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，抑制δ铁素体的形成，可提高钢的淬透性。但是当钢中加入过多的锰元素，对于该种塑料模具钢心部易产生偏析，尤其是特厚钢板，使厚度截面组织性能不均匀。因此本发明选择加入Mn含量为0.60％-0.70％。

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，使钢钝化并赋予良好的耐蚀性和不锈性。在该种模具钢中Cr含量越高则越易钝化。本发明的不锈钢中铬含量超过15％，能使钢具有良好的抗冲击腐蚀磨损性能。在热处理过程中可形成富铬的析出相，从而提高钢的回火稳定性，但Cr含量过多会增加钢的回火脆性。因此本发明选择加入Cr含量为15.1％-16.1％。

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。Mo元素是提高该种塑料模具钢耐点蚀性能最有效元素之一，Mo元素以MoO4^2-的形式溶解并吸附在金属表面形成保护膜，抑制Cl^-的破坏，防止Cl^-的穿透，使不锈钢的点蚀电位升高，点蚀速度降低，从而改善耐点蚀性能。但Mo含量过多将会促进δ铁素体的形成，恶化加工性能，增加脆性，导致不利影响。因此本发明选择加入Mo含量为0.60％-0.70％。

W：本发明中，W可增强回火稳定性、红硬性和热强性。塑料成型温度一般在150℃-350℃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℃-500℃，过高的温度使模具产生热变形而造成精度降低。本发明中W与Mo复合使用可显著提高该种模具钢的淬透性、热强性和蠕变强度，延长其使用寿命，在回火过程中产生二次硬化，因此本发明中选择加入W：0.1％-0.2％，同时控制Mo+W＝0.75％-0.85％。

Ni：在钢中起到固溶强化并显著提高钢的淬透性作用，细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，可提高钢的塑性和韧性。可提高钢的钝化倾向，能够提高钢在还原性介质中的抗腐蚀能力。特别是对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高湿下有防锈和耐热能力。Ni与Cr、Mo复合添加，可提高钢的淬透性、热强性和耐蚀性。因此本发明中选择添加Ni：2.0％-3.0％。

Al：本发明中适量Al元素有利于提高该种钢的耐蚀性能，同时可使钢中形成一定量呈小块状弥散分布的铁素体相，能有效吸附钢中的应力，减少裂纹萌生与扩展，使钢的冲击韧性得到有效提高，在保证材料洛氏硬度不降低的前提下，提高韧性，受外力时，通过合理的塑性变形减少对材料的损伤，控制产生较小的撕裂纹，保证材料结构的完整性，减小与腐蚀介质的接触面积，提高材料的耐磨损性能，但Al含量过高，可使铁素体含量增多，尺寸变大，大量呈块状的铁素体与马氏体组织交互分布，破坏材料组织的完整性，在冲击作用下必将在相界处产生严重的变形不均匀现象，促进裂纹萌生与扩展，降低材料韧性，因此本发明中选择加入Al：0.15％-0.25％。

本发明技术方案之二是提供一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚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)—电渣重熔—退火—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；

将连铸板坯进行电渣重熔，降低钢中的非金属夹杂物，使成分及组织均匀化，可提高耐蚀性和镜面抛光性能。电渣重熔后于600℃-650℃进行退火，保温5-6h后随炉冷却至室温，消除内应力。随后将板坯加热至1200℃-1250℃，均热段保温6-7h，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板坯成分不均匀性，减轻内部显微偏析。控制开轧温度为≥1070℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20％-24％。采用大压下率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，焊合中心组织缺陷，终轧温度≥950℃，得到厚度为150-250mm的钢板。钢板下线温度300-400℃。下线后立即采用“下铺上盖”方式堆垛缓，缓冷时间为32-42h。

随后进行循环正火：加热至1000℃-1050℃，保温3-4h，空冷至室温，相同制度循环3次。循环正火处理将导致奥氏体和马氏体的循环相变，细化组织，奥氏体和马氏体循环相变可细化晶粒的原因：一是马氏体组织加热奥氏体化有细化晶粒作用；二是奥氏体冷却在形成马氏体的切变过程中由于弹性应变作用会产生大量晶体缺陷，如位错、孪晶和层错等，再次加热奥氏体化时，奥氏体优先在这些缺陷位置处形核，提高形核率，从而有效细化晶粒。因此采用循环正火工艺可提高钢的强度和韧性。最后于500℃-550℃回火，保温2-3h，可有效减少应力并控制固态相变带来的组织带状化。

本发明的有益效果在于：本发明采用Cr、Mo、Ni和W复合作用使钢强化，并提高钢的淬透性，同时添加适量Al有助于保证材料硬度前提下提高韧性，并提高钢的耐冲击腐蚀磨损性能，由此获得综合性能良好的模具钢材料。配合连铸—电渣重熔—退火—板坯加热—循环正火—回火的工艺生产，使该种耐蚀型塑料模具钢具有40-42HRC的终态硬度，同板硬度差≤2HRC；在室温下，横向心部Rm≥1280MPa，A％≥28％，夏比冲击功KV₂≥45J。该种塑料模具钢抛光后，表面粗糙度为Ra0.004-0.006μm，达到国标14级标准(最高等级)，在冲击频率为120次/min，下试样(待测试样)转速为200r/min下模具钢试样冲击腐蚀磨损失重率≤90mg/h，具有优异的耐冲击腐蚀磨损性能。本发明的塑料模具钢兼顾强度、硬度、韧性、镜面抛光性能、耐冲击腐蚀磨损性能等及高效经济的生产工艺，具有优异的综合性能，应用前景广阔。

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—电渣重熔—退火—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理。

电渣重熔后于600℃-650℃进行退火，保温5-6h后随炉冷却至室温，随后将板坯加热至1200℃-1250℃，均热段保温6-7h，开轧温度为≥1070℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20％-24％，终轧温度≥950℃，钢板下线温度300-400℃，下线后立即采用“下铺上盖”方式堆垛缓，缓冷时间为32-42h；

随后进行热处理，钢板循环正火：加热至1000℃-1050℃，保温3-4h，空冷至室温，相同制度循环3次；之后于500℃-550℃回火，保温2-3h。

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。本发明实施例钢拉伸性和冲击能见表5。本发明实施例钢耐腐蚀性能见表6。本发明实施例钢抛光性能见表7。本发明实施例钢冲击磨损腐蚀性能见表8。

表1 本发明实施例钢的成分(wt％)

表2 本发明实施例钢的主要工艺参数

表3 本发明实施例钢的主要热处理工艺参数

实施例	正火温度/℃	保温时间/h	回火温度/℃	保温时间/h
					1	1045	3.3	520	2.2
2	1030	3.4	525	2.3
					3	1020	3.0	515	2.1
4	1025	4.9	500	3.8
					5	1035	3.6	550	3.5
6	1000	3.5	545	3.7
					7	1005	3.7	540	3.8
8	1010	3.8	530	3.9
					9	1015	4.0	535	3.0
10	1015	3.2	510	3.4

表4 本发明实施例钢的洛氏硬度

表5 本发明实施例钢拉伸和冲击性能

实施例	方向	Rm(MPa)	A(％)	KV<sub>2</sub>(J)
					1	横	1288	28.4	48.9
2	横	1280	29.0	50.0
					3	横	1285	28.5	48.0
4	横	1290	28.3	46.5
					5	横	1291	28.8	49.0
6	横	1286	28.6	47.0
					7	横	1281	28.7	47.6
8	横	1289	28.2	46.0
					9	横	1295	28.0	45.0
10	横	1292	28.1	45.8

表6 本发明实施例钢耐腐蚀性能

实施例	冲击腐蚀磨损下的失重率(mg/h)
		1	88
2	80
		3	85
4	82
		5	86
6	89
		7	90
8	81
		9	84
10	83

表7 本发明实施例钢抛光性能

实施例	表面粗糙度Ra(μm)
		1	0.0048
2	0.0052
		3	0.0044
4	0.0040
		5	0.0049
6	0.0055
		7	0.0060
8	0.0059
		9	0.0051
10	0.0057

表8 本发明实施例钢冲击磨损腐蚀性能

实施例	冲击腐蚀磨损下的失重率(mg/h)
		1	88
2	80
		3	85
4	82
		5	86
6	89
		7	90
8	81
		9	84
10	83

注：试验条件：仪器冲锤的冲击频率为120次/min，下试样(待测试样)转速为200r/min，上试样采用磨球材料(高铬铸铁)

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 (2)

1.一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.26%-0.34%，Si：0.70%-0.79%，Mn：0.60%-0.69%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：15.1%-16.1%，Mo：0.60%-0.70%，W：0.1%-0.2%，Ni：2.0%-3.0%，Al：0.15%-0.25%，其中，Mo+W=0.75%-0.85%，余量为Fe及不可避免杂质；所述塑料模具钢硬度40-42HRC，同板硬度差≤2HRC；心部横向抗拉强度Rm≥1280MPa，延伸率A%≥28%，夏比冲击功KV₂≥45J，所述模具钢厚度为150-250mm。

2.一种权利要求1所述的一种耐冲击腐蚀磨损性能优异的特厚塑料模具钢的制备方法，包括铁水预处理—冶炼—LF—RH—连铸—电渣重熔—退火—板坯加热—轧制—矫直—缓冷—热处理；其特征在于：

电渣重熔后于600-650℃进行退火，保温5-6h后随炉冷却至室温，随后将板坯加热至1200-1250℃，均热段保温6-7h，开轧温度为≥1070℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20%-24%，终轧温度≥950℃，钢板下线温度300-400℃，下线后立即堆垛缓冷，缓冷时间为32-42h；

随后进行热处理，钢板循环正火：加热至1000-1050℃，保温3-4h，空冷至室温，相同制度循环3次；之后于500-550℃回火，保温2-3h。