CN113235017A

CN113235017A - 一种高性能塑料模具钢及其制造方法

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Publication number: CN113235017A
Application number: CN202110536282.7A
Authority: CN
Inventors: 李民华
Original assignee: Hubei Youte Mould Material Manufacturing Co ltd; Hubei Shangda Mould Material Technology Co ltd
Current assignee: Hubei Youte Mould Material Manufacturing Co ltd; Hubei Shangda Mould Material Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2021-08-10

Abstract

本发明涉及塑料模具钢技术领域，公开了一种高性能塑料模具钢，包括如下的重量百分比组分：0.10～0.15％C；1.5～2.0％Si；0.5～1.0％Mn；19.0～22.0％Cr；0.5～1.5％Mo；3.0～5.0％Ni；0.15～0.25％V；3.0～4.0％Cu；0.2～0.3％N；≦0.001％Ti；≦0.001％Al；≦0.001％S；≦0.01％P；还公开了其制造方法，S1、EAF炉+LF炉+VD炉冶炼，EAF炉将废钢原料熔化，在LF炉中将钢液的成分调整到本发明要求的成分含量范围之内，VD处理之后模注电极；S2、进行电渣重熔冶炼，电渣重熔结束之后电渣锭模冷至室温，之后采用锻造成形的方法将电渣锭锻成适合模具加工的扁钢；S3、进行球化退火处理，球化退火温度820～840℃保温10～15小时后炉冷至室温。本发明，实现了耐腐蚀性能﹑抛光性能﹑切削加工性能同时提高，满足塑料模具钢的使用性能要求。

Description

一种高性能塑料模具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及塑料模具钢技术领域，尤其涉及到PVC类型的塑料的注射成形加工用模具，适用于通讯电子﹑医疗器械﹑塑料管材的塑料零件成形加工模具，具体是一种高性能塑料模具钢及其制造方法。

背景技术

塑料制品种类繁多，汽车零部件如：灯罩、仪表盘，光学仪器零部件如镜头，家用电器外壳，PVC日用塑料制品等。其中家电外壳使用的塑料是ABS+阻燃剂。某些塑料如聚氯乙烯、含氟塑料、阻燃性ABS等，会分解出氯化氢、氟化氢、二氧化硫等腐蚀性气体，对模具有一定的腐蚀作用，因此要求此类塑料制品的模具应具有耐腐蚀性能。具备耐腐蚀性能的钢材普遍应用的是不锈钢，其中马氏体不锈钢是一类可以通过热处理对其性能进行调整的不锈钢，是一类可硬化的不锈钢，淬火硬度可以达到HRC50以上，非常适合制造具有耐腐蚀性能要求的模具，典型钢号为4Cr13，该钢为Cr系马氏体不锈钢，具有一定的耐氯离子介质腐蚀的作用，但是由于用于塑料模具选材的这些马氏体不锈钢含碳量达到0.4％左右，钢中碳化物数量较多，降低了耐点蚀性能，盐雾腐蚀试验后试样上存在点蚀坑。钢中的碳化物降低模具的抛光性能，钢中的碳化物是硬质点，造成微观硬度不均匀，影响抛光面的粗糙度，抛光质量受钢中碳化物数量﹑大小影响，抛光质量容易波动。马氏体不锈钢经过热处理后的硬度可以达到HRC50以上，高硬度可以提高抛光质量，提高抛光面的光亮度，但是高硬度带来的不利因素是降低了模具的切削加工性能，切削加工变得更加困难。

为了提高塑料模具对耐腐蚀性能﹑抛光性能﹑切削加工性能，模具钢行业工程技术人员对塑料模具钢的成分进行优化设计，以此提高塑料模具钢的上述性能，如专利公开号为CN101270451A的专利公开了一种塑料模具钢，其化学成分为0.32～0.45％C；0.2～1.0％Si；0.2～1.0％Mn；12.6～18％Cr；0.6～2.3％Cu；0.34～1.0％Ni；Ni/Cu:1/3～1/2；≦0.035％S；≦0.035％P，该发明注重材料的切削性能，添加铜元素提高了切削性能和耐腐蚀性能，但是该专利的碳含量较高，钢中碳化物数量多，碳化物颗粒大，这些碳化物的存在降低了模具的抛光性能，模具抛光容易出现麻点缺陷。专利公开号CN1920085A公开了一种耐腐蚀易切削塑料模具钢，其化学成分为0.25～0.35％C；0.3～0.6％Si；0.5～1.0％Mn；15～18％Cr；0.6～1.0％Ni；0.03～0.05％Mo；0.06～0.35％V；0.04～0.10％S；≦0.025％P；0.03～0.07％N；该专利采用添加S元素提高模具的切削性能，但是添加S元素降低模具的耐腐蚀性能，添加S元素在钢中形成的MnS非金属夹杂物还降低钢的抛光性能，模具抛光易出现麻点缺陷，该发明碳含量较高，钢中碳化物数量多，碳化物颗粒大，这些碳化物的存在降低了模具的抛光性能，模具抛光容易出现麻点缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能塑料模具钢及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高性能塑料模具钢，包括如下的重量百分比组分：0.10～0.15％C；1.5～2.0％Si；0.5～1.0％Mn；19.0～22.0％Cr；0.5～1.5％Mo；3.0～5.0％Ni；0.15～0.25％V；3.0～4.0％Cu；0.2～0.3％N；≦0.001％Ti；≦0.001％Al；≦0.001％S；≦0.01％P。

作为本发明进一步的方案：包括如下的重量百分比组分：0.12％C；1.8％Si；0.8％Mn；21％Cr；1.1％Mo；4.6％Ni；0.21％V；3.8％Cu；0.28％N；0.0005％Ti；0.0007％Al；0.0008％S；0.007％P。

作为本发明进一步的方案：包括如下的重量百分比组分：0.13％C；1.3％Si；0.9％Mn；20％Cr；0.9％Mo；4.3％Ni；0.18％V；3.5％Cu；0.27％N；0.0007％Ti；0.0008％Al；0.0006％S；0.009％P。

一种高性能塑料模具钢的制造方法，包括如下步骤：

S1、采用电炉(EAF炉)+炉外精炼(LF炉)+真空脱气(VD炉)冶炼，EAF炉将废钢原料熔化，在LF炉中将钢液的成分调整到本发明要求的成分含量范围之内，经VD炉进行真空脱气处理，真空度达到66.7Pa时保持20分钟，破真空之后模注5吨重电极棒，模铸好的电极棒缓冷至室温脱模；

S2、进行电渣重熔冶炼，电渣重熔结束之后电渣锭模冷至室温，之后采用锻造成形的方法将电渣锭锻成适合模具加工的扁钢；

S3、进行球化退火处理，球化退火温度820～840℃保温10～15小时后炉冷至室温。

作为本发明进一步的方案：S2中电渣重熔冶炼方式为：电渣重熔采用55～60％CaF₂+20～25％Al₂O₃+15～20％CaO渣系冶炼，电渣重熔过程熔速控制在10～12Kg/分钟，将5吨重的电极棒重熔成重量为4.8吨重的电渣锭。

作为本发明再进一步的方案：S3中电渣锭的锻造方式：采用1230～1250℃温度的加热并保温10～15小时，锻成规格为100～250(厚度)×600～800(宽度)mm扁钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用Cr﹑Ni﹑Cu元素合金化技术，显著提高了钢的耐腐蚀性能，5％NaCl溶液盐雾腐蚀试验无点蚀，同时明显提高了钢的切削加工性能，减少了车削用刀具的磨损量，采用降碳加氮的合金化技术，通过减少钢中碳化物数量，提高了钢的抛光性能，本发明设计的合金成分的塑料模具钢实现了耐腐蚀性能﹑抛光性能﹑切削加工性能同时提高，满足塑料模具钢的使用性能要求，通过控制Ni和Cu含量的比例关系，沉淀析出CuNi金属间化合物，提高钢的硬度，因Cu元素与Ni元素形成了化合物，消除了含铜钢热加工易发生的铜脆现象。

附图说明

图1为本发明中实施例一的盐雾腐蚀试验结果示意图。

图2为本发明中实施例二的盐雾腐蚀试验结果示意图。

图3为本发明中实施例三的盐雾腐蚀试验结果示意图。

图4为本发明中实施例四的盐雾腐蚀试验结果示意图。

图5为本发明中对比试样的盐雾腐蚀试验结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的成分设计基于以下原理确定的：

碳是提高钢的硬度最为有效的元素，固溶强化作用显著，回火时的碳化物具有沉淀强化作用，提高材料的硬度。但钢中C含量过高碳化物数量将会增多，降低模具的抛光性能。因此碳含量不宜过高。因此本发明的碳含量为0.10～0.15％。

硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于奥氏体中，提高钢的强度，钢中含有少量的Si有较好的脱氧作用，但Si含量过高则降低钢的韧性，并且增加石墨化倾向，因此本发明的Si含量为1.5～2.0％。

Mn是强烈推迟珠光体转变的合金元素，提高钢的淬透性并提高强度，淬透性高可以将规格较大的模具淬火冷却获得更多的马氏体组织，但Mn含量超过2％则有使钢晶粒粗化的倾向，因此本发明的Mn含量为0.5～1.0％

Cr在本发明钢中的重要作用是提高模具的耐腐蚀性能，当钢中含Cr≥12％，钢的表面会自动形成一种厚度约2～5×10－6mm的无色、透明且非常光滑的一层富铬的氧化物膜，这层膜的形成防止了钢的生锈，这层膜称为钝化膜，这就是Cr元素的耐腐蚀作用的机理，Cr含量过高将得到铁素体组织，导致强度降低，因此本发明的Cr含量19.0～22.0％。

Mo是提高钢的耐腐蚀性能的合金元素，尤其是提高耐点蚀的作用明显，Mo与Cr、Mn配合加入，其交互作用可显著提高钢的淬透性，强烈抑制珠光体相变，降低获得马氏体组织所需要的冷却速度。但Mo含量过高则增大热加工变形抗力，热加工可变形温度区间变窄。因此本发明的的Mo含量为0.5～1.5％。

V在钢中主要以碳化物形式存在，钢中添加合金元素V可析出MC型细小弥散的碳化物产生二次硬化效应提高钢的回火稳定性。含V的MC型碳化物硬度极高，硬度达到HV2100,因此钢中存在含V的碳化物显著提高钢的耐磨性能，延长模具使用过程表面出现拉毛的时间，延长模具寿命。过高的V含量易析出大颗粒液析碳化物，降低韧性。因此本发明的V含量为0.15～0.25％

Cu元素在α铁中的溶解度随温度的降低而剧烈下降，经过时效处理，Cu元素可以产生沉淀硬化作用。钢中的Cu元素可以形成钝化膜，提高材料抗大气环境下的耐腐蚀作用。Cu元素在钢中可以同Ni元素形成金属间化合物，提高钢的硬度，同时切削加工过程容易断屑，提高了钢的切削性能。因此本发明添加了3.0～4.0％Cu。

Ni是形成奥氏体的元素，添加Ni元素可以避免因加入过多的Cr元素析出铁素体组织，提高钢的耐腐蚀性能，Ni元素抑制珠光体相变作用显著，因此钢中添加Ni元素可显著提高淬透性，Ni元素与Cu元素同时加入到钢中，Cu和Ni结合形成金属间化合物，产生沉淀硬化作用，提高钢的强度。因此本发明添加了3.0～5.0％Ni,并将Ni和Cu的比例控制在Ni/Cu≧1。

N是一个具有显著固溶强化作用的元素，通过添加少量的N既可以起到固溶强化作用，因此N是可以部分替代C的元素。模具的基本性能要求是高硬度，降低了碳含量需要用其他元素补充，从而保证模具对硬度的要求，过多的N容易形成气泡缺陷，故本发明添加了0.2～0.3％N，并将C和N含量之和控制在C+N＝0.4％。

Al是炼钢中常用的脱氧元素，Al易与O结合形成氧化物吸附于渣中起到脱氧作用。钢中的残余Al元素与N元素结合形成AlN，因本发明的钢中添加了0.2～0.3％N，容易析出大颗粒AlN化合物，降低钢的韧性，因此本发明将残余Al元素的含量控制在≦0.001％，防止析出大颗粒AlN化合物。

Ti与N的亲和力比Al与N的亲和力强，如钢中有较高的N含量，则极易析出大颗粒TiN化合物，降低钢的韧性，因此本发明将残余Ti元素的含量控制在≦0.001％，防止析出大颗粒TiN化合物。

S元素在钢中易形成MnS非金属夹杂物，降低钢的韧性，但是为了提高钢的切削性能，提高钢中的S含量已成为了易切削钢的主流技术，S的过多加入将降低钢的耐点蚀性能，本发明采用添加Cu元素提高钢的切削性能，不降低钢的耐腐蚀性能，因此本发明将S元素作为有害元素加以控制到≦0.001％S。

P元素存在于钢中易偏聚在晶界处，导致晶界脆化，降低钢的韧性，因此P元素在钢中作为残余元素应尽量控制的低一些，故本发明将P元素作为有害元素加以控制到≦0.01％P。

实施例一

采用20tEAF+20tLF+20tVD熔炼浇注Φ500电极棒，采用55％CaF₂+25％Al₂O₃+20％CaO渣系进行电渣重熔冶炼，按10～12Kg/分钟的熔速进行电渣重熔，得到Φ680电渣锭，电渣锭重量为4.8吨，电渣锭模冷至室温，对电渣锭进行高温加热锻造，加热温度1230℃保温15h，然后锻成100×600mm的扁方长条型材，之后进行830℃保温10小时的球化退火处理。

化学成分如下：

表1实施例一化学成分(重量百分比)

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Cu	N	Al	Ti
														1	0.10	2.0	1.0	0.008	0.0008	19	1.5	0.25	5.0	4.0	0.3	0.0009	0.0005

实施例二

采用20tEAF+20tLF+20tVD熔炼浇注Φ500电极棒，采用60％CaF₂+25％Al₂O₃+15％CaO渣系进行电渣重熔冶炼，按10～12Kg/分钟的熔速进行电渣重熔，得到Φ680电渣锭，电渣锭重量为4.8吨，电渣锭模冷至室温，对电渣锭进行高温加热锻造，加热温度1250℃保温10h，然后锻成150×600mm的扁方长条型材，之后进行840℃保温15小时的球化退火处理。

化学成分如下：

表2实施例二化学成分(重量百分比)

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Cu	N	Al	Ti
														2	0.15	1.5	0.5	0.009	0.0009	22	0.5	0.15	3.0	3.0	0.25	0.0008	0.0006

实施例三

采用20tEAF+20tLF+20tVD熔炼浇注Φ500电极棒，采用60％CaF₂+20％Al₂O₃+20％CaO渣系进行电渣重熔冶炼，按10～12Kg/分钟的熔速进行电渣重熔，得到Φ680电渣锭，电渣锭重量为4.8吨，电渣锭模冷至室温，对电渣锭进行高温加热锻造，加热温度1240℃保温10h，然后锻成250×800mm的扁方长条型材，之后进行850℃保温12小时的球化退火处理。

化学成分如下：

表3实施例三化学成分(重量百分比)

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Cu	N	Al	Ti
														3	0.12	1.8	0.8	0.007	0.0008	21	1.1	0.21	4.6	3.8	0.28	0.0007	0.0005

实施例四

采用20tEAF+20tLF+20tVD熔炼浇注Φ500电极棒，采用60％CaF₂+20％Al₂O₃+20％CaO渣系进行电渣重熔冶炼，按10～12Kg/分钟的熔速进行电渣重熔，得到Φ680电渣锭，电渣锭重量为4.8吨，电渣锭模冷至室温，对电渣锭进行高温加热锻造，加热温度1250℃保温15h，然后锻成220×800mm的扁方长条型材，之后进行850℃保温15小时×的球化退火处理。

化学成分如下：

表4实施例四化学成分(重量百分比)

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Cu	N	Al	Ti
														4	0.13	1.6	0.9	0.009	0.0006	20	0.9	0.18	4.3	3.5	0.27	0.0008	0.0007

对上述实施例锻成的扁钢端部取样进行耐腐蚀性能﹑抛光性能﹑切削性能检测。对比试样为4Cr13锻造扁钢端部切取的试样，该扁钢规格为200(厚度)×600(宽度)mm。

(1)耐腐蚀性能检测采用5％NaCl水溶液进行盐雾试验，喷雾时间24小时，盐雾腐蚀试样规格为30×50×3mm，将试样进行调质处理，调质处理后的硬度为HRC50，将经过盐雾腐蚀试验后的试样清洗干净，试样表面腐蚀形貌见图1-5。

实施例盐雾腐蚀试样表面腐蚀点极少，对比试样表面腐蚀点多，实施例表现出了极佳的耐腐蚀性能。

(2)抛光性能检测采用机械自动抛光机，抛光试样规格为100×100×50mm，将抛光试样进行调质处理，调质处理后的硬度为HRC50，采用320#油石→2000#砂纸→1um研磨膏进行抛光，抛光完成之后检测抛光面的粗糙度，检测结果见表5。

表5抛光性能检测结果

实施例抛光等级按ISO1302标准评级超过抛光标准的最高等级N1级，对比试样抛光等级达到抛光标准的N2级。实施例表现出了极佳的抛光性能。

(3)切削性能在C6140机床上采用干切方式进行的，刀具选用YT15硬制合金刀具，切削试样规格为Φ80×400mm，切削试样为退火态，硬度为HB230，切削条件为：进给量为0.1mm/rev，切削深度0.5mm，切削速度为50m/min，切削时间20分钟，刀具后刀面磨损量见表6，实施例表现出了极佳的切削性能。

表6切削性能检测结果

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种高性能塑料模具钢，其特征在于，包括如下的重量百分比组分：0.10～0.15％C；1.5～2.0％Si；0.5～1.0％Mn；19.0～22.0％Cr；0.5～1.5％Mo；3.0～5.0％Ni；0.15～0.25％V；3.0～4.0％Cu；0.2～0.3％N；≦0.001％Ti；≦0.001％Al；≦0.001％S；≦0.01％P。

2.根据权利要求1所述的一种高性能塑料模具钢，其特征在于，包括如下的重量百分比组分：0.12％C；1.8％Si；0.8％Mn；21％Cr；1.1％Mo；4.6％Ni；0.21％V；3.8％Cu；0.28％N；0.0005％Ti；0.0007％Al；0.0008％S；0.007％P。

3.根据权利要求1所述的一种高性能塑料模具钢，其特征在于，包括如下的重量百分比组分：0.13％C；1.3％Si；0.9％Mn；20％Cr；0.9％Mo；4.3％Ni；0.18％V；3.5％Cu；0.27％N；0.0007％Ti；0.0008％Al；0.0006％S；0.009％P。

4.一种高性能塑料模具钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种高性能塑料模具钢的制造方法，其特征在于，S2中电渣重熔冶炼方式为：电渣重熔采用55～60％CaF₂+20～25％Al₂O₃+15～20％CaO渣系冶炼，电渣重熔过程熔速控制在10～12Kg/分钟，将5吨重的电极棒重熔成重量为4.8吨重的电渣锭。

6.根据权利要求4所述的一种高性能塑料模具钢的制造方法，其特征在于，S3中电渣锭的锻造方式：采用1230～1250℃温度的加热并保温10～15小时，锻成规格为100～250(厚度)×600～800(宽度)mm扁钢。