CN112030073B - 一种含铋易切削预硬型塑料模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铋易切削预硬型塑料模具钢及其制备方法，模具钢按质量百分比其化学组成如下：C：0.32～0.40％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.50～1.70％、Cr：1.70～2.00％、Ni：0.85～1.15％、Mo：0.25～0.40％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.05～0.10％，Bi：0.05～0.15％，余量为Fe；其制备方法包括：按照设定的化学成分冶炼铸成铸锭，铸锭高温均质化处理后锻造成锻坯，锻后离线进行正火处理细化晶粒，最后经过调质热处理，获得硬度32～48HRC的均匀组织。本发明的含铋易切削预硬型塑料模具钢，通过合理的化学成分设计，添加铋元素，代替传统的易切削元素硫与铅，由于控制了硫含量，匹配合理的锻造和热处理工艺，避免了热脆现象以及硫元素引起的各向异性，同时解决了铅对人体有害且污染环境的问题。

Description

一种含铋易切削预硬型塑料模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别涉及一种含铋易切削预硬型塑料模具钢及其制备方法。

背景技术

塑料模具是塑料成型工业的重要工艺装备，塑料制品的广泛应用带动了塑料模具钢产业的高速发展。在工业发达国家的模具钢总产量中，塑料模具钢占比最大，行业对塑料模具钢的需求量也越来越大。近几年大型家电制造业和汽车制造业对高端塑料制品的强度需求不断提高，这导致塑料模具钢也朝着高硬度方向发展，以此来保证其具有更高的强度，更好的耐磨和抛光性能，但同时也给切削加工带来了困难。在塑料模具的生产环节中，相对于塑料模具钢的制备成本，模具切削加工所需的费用往往更高，切削加工费用占模具制造总成本的60％以上，在某些特殊产品制造中甚至可达到总成本的80％，与此同时，为满足经济发展带来产品更新换代速度的加快，模具生产时间急需压缩，机械加工性能已成为判定模具钢质量的一个重要指标，因此迫切需要切削性能良好的塑料模具钢来降低生产成本。

改善切削性能的方法是在钢中加入特征元素，如硫、铅、钙等，利用元素本身或者与其他元素结合形成夹杂物来改善切削性能，目前易切削塑料模具钢大多利用添加硫元素来改善切削性能，而硫在钢中偏析较为严重，为避免形成FeS，通常还需要加入一定量的锰，使硫与锰结合形成熔点较高的软性夹杂物MnS，从而破坏基体连续性，易于断屑，减轻对刀具的磨损。但硫元素的过多加入，也会在钢中形成偏析，同时在塑料模具钢热加工过程中，MnS会沿着变形方向变形，使钢产生各向异性，严重影响模具钢的使用性能。铅的添加同样可以起到改善切削性能的作用，与硫不同的是，铅在钢中的固溶度极低，以微小的单质形式分布在钢中，切削时会有融熔铅渗出，对刀具起到润滑作用。但是铅的比重较大，如果含量过高，凝固时容易引起严重的偏析并形成大颗粒夹杂物，这种缺陷在后续的热加工和热处理过程中很难消除，反而降低铅对切削的有利作用，造成含铅易切削钢的力学性能偏低，同时铅是一种对人体有害且环境污染的有毒金属元素，这些问题严重限制了铅在易切削钢中的应用。寻找硫与铅合理的替代元素，成为了易切削塑料模具钢的一个重要发展方向。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，以铋代替传统的硫与铅，解决了含硫夹杂物造成的力学性能各向异性问题和铅污染问题，同时控制Bi含量，解决了Bi含量过高时影响钢材力学性能的问题，制备的塑料模具钢力学性能和切削加工性能良好。

本发明采用的技术方案如下：

一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：

C：0.32～0.40％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.50～1.70％、Cr：1.70～2.00％、Ni：0.85～1.15％、Mo：0.25～0.40％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.05～0.10％，Bi：0.05～0.15％，余量为Fe。

本发明所述的含铋易切削预硬型塑料模具钢的制备方法，包括步骤：

(1)冶炼：采用真空感应冶炼的方式将上述原料冶炼成钢水并铸成圆柱形钢锭，其成分按质量百分比为C：0.32～0.40％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.50～1.70％、Cr：1.70～2.00％、Ni：0.85～1.15％、Mo：0.25～0.40％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.05～0.10％，Bi：0.05～0.15％，余量为Fe；

(2)锻前加热：将所述钢锭以70～100℃/h的速度加热至1180～1250℃，保温时间6～8h；

(3)锻造：始锻温度为1160～1200℃，终锻温度≥800℃，进行三次轴向镦粗-拔长过程，锻造成锻坯，锻造过程中的镦粗比控制在1.8～2.2之间，每次镦粗后回炉加热至始锻温度保温1h，拔长比控制在2.0～4.0之间，每次拔长后回炉加热至始锻温度保温1h，锻后炉冷至室温；

(4)锻后热处理：对得到的锻坯进行正火处理细化晶粒，正火处理条件：温度870～930℃保温2～3h，空冷至室温；正火处理后进行淬火处理，淬火处理条件：温度860～910℃保温2～3h，水冷至室温；淬火处理后进行两次回火，回火处理条件：温度460～660℃保温2～3h，两次回火后均空冷至室温。

通过上述技术方案，本发明提供了一种具有良好切削性能的预硬型塑料模具钢，与本领域常用的塑料模具钢3Cr2MnNiMo相比，通过Bi、V、Mn等元素的复合添加与调整，经过合适的锻造和热处理工艺，在满足原有模具钢性能要求的基础上，提高了切削性能，降低了塑料模具钢的加工成本，进而缩短了塑料模具的生产周期，降低了模具生产企业的能源消耗。

本发明获得的含铋易切削预硬型塑料模具钢具有如下优点：

(1)加入0.05～0.15％的Bi元素，不依靠添加S与Pb来提升切削性能：通常情况下，易切削塑料模具钢大多利用添加S元素来改善切削性能，但是S在钢中偏析较为严重，恶化钢的质量，降低钢的塑性，为避免形成FeS，会在钢中加入一定量的Mn，使S与Mn形成熔点较高的软性夹杂物MnS，从而破坏基体连续性，易于断屑，减轻对刀具的磨损，但随着MnS的形成，在塑料模具钢热加工过程中，MnS会沿着变形方向变形，使塑料模具钢产生各向异性，严重影响使用性能。Pb元素同样用改善切削性能的作用，但是Pb的比重较大，如果含量过高，凝固时容易引起严重的偏析并形成大颗粒夹杂物，这种缺陷在后续的热加工和热处理过程中难以消除，反而降低Pb对切削的有利作用，造成含铅易切削钢的力学性能偏低，同时Pb是一种对人体有害且环境污染的有毒金属元素，铅系易切削钢的生产已经受到环保法律法规的限制，不适合继续使用。Bi与Pb的物理化学性质相似，在钢中Bi以微小的颗粒单质形式弥散分布，热变形后不会像MnS一样沿着变形方向拉长，不影响模具钢的等向性，在后续切削加工过程中，摩擦产生的热量会使细小的Bi颗粒软化，从而形成应力集中，产生切口效应，易于断屑，提升切削性能，同时利用自身低熔点的润滑性，可以减少刀头的磨损。在钢铁材料中，Bi的润滑性比Pb更高，只需要少量的Bi元素就可达到良好的切削加工性能，并且Bi无毒无害，在中国储量丰富，具有良好的应用前景，因此Bi在本发明提出的含铋易切削预硬型塑料模具钢的切削加工过程中起到易于断屑、提升润滑的作用，提高刀头的使用寿命，减小磨损，降低加工表面粗糙度，极大的提高切削加工的效率。优选加入0.05～0.15％的Bi元素，使得本发明含铋易切削塑料模具钢具有良好的切削性能，同时保证材料具有良好的热加工性能。然而，Bi易偏析于晶间、相间，在晶间浓度甚至可为在合金整体浓度的8100倍，Bi的存在能够引起钢的脆性，能使合金钢韧性降低，如含铋量较多，影响钢的高温强度，还会降低钢的塑性，致使钢材在锻压时产生裂纹。

(2)加入0.05～0.10％的V元素：目前对高端塑料制品的强度需求不断提高，这导致塑料模具钢也朝着高硬度方向发展，以此来保证其具有更高的强度，更好的耐磨和抛光性能，添加0.05～0.10％的V元素可以明显细化晶粒，在淬火后可以细化马氏体，改善添加Bi元素后带来的韧性和强度下降的问题，从而提高强韧性，并且V对形变奥氏体的再结晶过程阻碍小，奥氏体再结晶温度区间较宽，使钢材在锻造过程中不易开裂，同时V与C结合形成稳定的碳化物VC，经过回火处理后弥散分布于基体中，可以提高含铋易切削预硬型塑料模具钢的耐磨性，增大模具的使用寿命。

(3)Mn含量的提高(1.50～1.70％)：Mn成本较低，在添加了V的基础上，适量提高Mn的含量可以提高塑料模具钢的淬透性而不影响晶粒尺寸，Mn又可形成碳化物，从而提高钢的硬度和耐磨性，同时提高锰含量可以强烈降低Ms点，增加淬火后的残余奥氏体量，有利于韧性的提高，弥补Bi添加带来的韧性下降的情况，但当Mn含量过高时，容易在钢锭心部产生偏析，若Mn的百分含量超过2％，铁素体产生固溶强化，损伤切削性能。对比3Cr2MnNiMo中Mn含量1.10～1.50％，故作为优选，本发明设定Mn的控制范围为1.50～1.70％。

(4)Si含量的减少(0.15～0.30％)：当有较高含量的Si存在时有损切削性能，使切削时的阻尼增大，还有增大脱碳的倾向，在钢中形成带状组织，使钢的横向性能降低，同时由于本发明中含有Ni且提高了Mn的含量，所以需要降低Si的含量来抑制回火脆性的发生，作为优选，本发明中Si含量要控制在0.15～0.30％，此含量的Si在保证含铋易切削预硬型塑料模具钢力学性能的基础上，可以得到优异的切削加工性能。

(5)本发明的中采用三次镦粗和三次拔长的锻造工艺，可以提高塑料模具钢的横向冲击韧性，同时严格控制每次镦粗比和拔长比，每次镦粗或拔长后回炉加热至始锻温度，可以消除添加Bi元素后导致的锻造时容易开裂的危害，同时锻后在调质处理前，采用正火处理，通过细化晶粒提高塑料模具钢的强度和韧性。

(6)采用本发明的方法制备出的含铋易切削预硬型塑料模具钢，与传统预硬型塑料模具钢3Cr2MnNiMo钢相比，在满足原有模具钢性能要求的基础上大大提升了切削加工性能，降低了塑料模具钢的加工成本，进而缩短了塑料模具的生产周期，降低了模具生产的能源消耗。

本发明的有益效果：以铋代替传统的硫与铅，提高预硬型塑料模具钢的切削性能，同时解决了含硫夹杂物造成的力学性能各向异性问题和铅污染问题。通过调整Mn、V、Si等元素的含量和采用合理的加工工艺，不但能够增加模具钢的耐磨性、硬度和强韧性，还能消除本申请中Bi元素的添加对预硬型塑料模具钢的不利影响。与传统预硬型塑料模具钢3Cr2MnNiMo钢相比，在满足原有模具钢性能要求的基础上大大提升了切削加工性能和力学性能，降低了塑料模具钢的加工成本，进而缩短了塑料模具的生产周期，降低了模具生产企业的能源消耗。

附图说明

图1为本发明实施例1的显微组织图

图2为本发明实施例2的显微组织图

图3为本发明实施例3的显微组织图

具体实施例

下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

采用扫描电子显微镜观察本发明提出的含铋易切削预硬型塑料模具钢组织。夏比冲击试验按照GB/T 229-2007，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，V型缺口深度为2mm，室温下冲击，拉伸试样按照GB/T2975-1998制成圆形截面的标准试样，在CMT5105-SANS微机控制电子万能实验机上对本发明的含铋易切削预硬型塑料模具钢进行室温力学性能测试，硬度测试采用KB3000BVRZ-SA万能硬度计，切削实验在XA5032铣床上进行，采用HSS-Al超硬高速钢直柄立铣刀，无润滑干切削状态，轴向切削深度为2mm，径向切削深度为100mm，主轴速度为300转/min。

实施例1：

本发明提供的一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：

C：0.36％、Si：0.30％、Mn：1.70％、Cr：2.00％、Ni：1.00％、Mo：0.40％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.05％，Bi：0.10％，余量为Fe。

其制备方法按照以下步骤进行：

(1)采用真空感应冶炼的方式将上述原料冶炼成钢水并铸成直径180mm、高度300mm的圆柱形钢锭；

(2)将钢锭以70℃/h的速度加热至1200℃，保温时间6h；

(3)锻造过程为三次轴向墩粗-拔长，始锻温度1200℃，终锻温度820℃，采用镦粗比为2.0，拔长比为4.0，每次镦粗或拔长后回炉加热至始锻温度保温1h，锻后炉冷至室温；

(4)热处理采用正火+调质处理，正火工艺为870℃保温2h后空冷至室温，调质处理淬火温度为860℃，保温2h后水冷至室温，回火温度为580℃，回火两次，每次时间2h，两次回火后均空冷至室温。

对经上述步骤(1)～(4)的得到的含铋易切削预硬型塑料模具钢，利用扫描电子显微镜观察其组织如图1所示，从边部到心部均为均匀致密的回火马氏体组织。室温下进行拉伸、冲击和切削试验。本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢平均屈服强度1108MPa，抗拉强度1195MPa，断后伸长率12.45％，横向冲击功41.8J，硬度40HRC，切削铣刀磨损0.52mm，断屑颜色为银白色，切削温度约为200℃，根据结果可知，本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢，具有优良的综合力学性能，满足模具钢的使用要求，同时具有优异的切削加工性能。

实施例2：

本发明提供的一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：

C：0.38％、Si：0.25％、Mn：1.60％、Cr：1.90％、Ni：1.10％、Mo：0.35％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.10％，Bi：0.05％，余量为Fe。

其制备方法按照以下步骤进行：

(1)采用真空感应冶炼的方式将上述原料冶炼成钢水并铸成直径190mm、高度320mm的圆柱形钢锭；

(2)将钢锭以90℃/h的速度加热至1180℃，保温时间8h；

(3)锻造过程为三次轴向墩粗-拔长，始锻温度1180℃，终锻温度810℃，采用镦粗比为1.8，拔长比为3.8，每次镦粗或拔长后回炉加热至始锻温度保温1h，锻后炉冷至室温；

(4)热处理采用正火+调质处理，正火工艺为910℃保温2h后空冷至室温，调质处理淬火温度为880℃，保温2h后水冷至室温，回火温度为500℃，回火两次，每次时间2h，两次回火后均空冷至室温。

对经上述步骤(1)～(4)的得到的含铋易切削预硬型塑料模具钢，利用扫描电子显微镜观察其组织如图2所示，从边部到心部均为均匀致密的回火马氏体组织。室温下进行拉伸、冲击和切削试验。本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢平均屈服强度1191MPa，抗拉强度1405MPa，断后伸长率10.24％，横向冲击功16.8J，硬度45HRC，切削铣刀磨损0.86mm，断屑颜色为银白色和淡黄色，切削温度约为220℃，根据结果可知，本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢，具有优良的综合力学性能，满足模具钢的使用要求，同时具有优异的切削加工性能。

实施例3：

本发明提供的一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：

C：0.38％、Si：0.25％、Mn：1.60％、Cr：1.90％、Ni：1.10％、Mo：0.35％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.10％，Bi：0.14％，余量为Fe。

其制备方法按照以下步骤进行：

(1)采用真空感应冶炼的方式将上述原料冶炼成钢水并铸成直径180mm、高度310mm的圆柱形钢锭；

(2)将钢锭以100℃/h的速度加热至1250℃，保温时间6h；

(3)锻造过程为三次轴向墩粗-拔长，始锻温度1250℃，终锻温度850℃，采用镦粗比为2.2，拔长比为3.0，每次镦粗或拔长后回炉加热至始锻温度保温1h，锻后炉冷至室温；

(4)热处理采用正火+调质处理，正火工艺为930℃保温2h后空冷至室温，调质处理淬火温度为910℃，保温2h后水冷至室温，回火温度为620℃，回火两次，每次时间2h，两次回火后均空冷至室温。

对经上述步骤(1)～(4)的得到的含铋易切削预硬型塑料模具钢，利用扫描电子显微镜观察其组织如图3所示，从边部到心部均为均匀致密的回火马氏体组织。室温下进行拉伸、冲击和切削试验。本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢平均屈服强度957MPa，抗拉强度1109MPa，断后伸长率14.24％，横向冲击功68.3J，硬度36HRC，切削铣刀磨损0.31mm，断屑颜色为银白色，切削温度约200℃，根据结果可知，本实施例制备的含铋易切削预硬型塑料模具钢，具有优良的综合力学性能，满足模具钢的使用要求，同时具有优异的切削加工性能。

Claims (1)

1.一种含铋易切削预硬型塑料模具钢，其特征在于：含铋易切削预硬型塑料模具钢的化学成分按质量百分比组成为：C：0.32~0.40%、Si：0.15~0.30%、Mn：1.50~1.70%、Cr：1.70~2.00%、Ni：0.85~1.15%、Mo：0.25~0.40%、P≤0.015%、S≤0.005%、V：0.05~0.10%，Bi：0.05~0.15%，余量为Fe；

所述含铋易切削预硬型塑料模具钢的制备方法包括如下步骤：

S1：按质量百分比取下述化学成分原料：C：0.32~0.40%、Si：0.15~0.30%、Mn：1.50~1.70%、Cr：1.70~2.00%、Ni：0.85~1.15%、Mo：0.25~0.40%、P≤0.015%、S≤0.005%、V：0.05~0.10%，Bi：0.05~0.15%，余量为Fe；

S2：采用真空感应冶炼的方式将所述原料冶炼钢水并铸成圆柱形钢锭；

S3：将所述钢锭以70~100℃/h的速度加热至1180~1250℃，保温时间6~8h后经过三次轴向墩粗-拔长过程锻造成锻坯，始锻温度为1160~1200℃，终锻温度≥800℃，锻造过程中的镦粗比控制在1.8~2.2之间，每次镦粗后回炉加热至始锻温度保温1h，拔长比控制在2.0~4.0之间，每次拔长后回炉加热至始锻温度保温1h，锻后炉冷至室温；

S4：对得到的锻坯进行正火处理细化晶粒，正火处理条件为：温度870~930℃保温2~3h，空冷至室温；正火处理后进行淬火处理，淬火处理条件为：温度860~910℃保温2~3h，水冷至室温；淬火处理后进行两次回火，回火处理条件为：温度460~660℃保温2~3h，两次回火后均空冷至室温。

Images