CN115491582A

CN115491582A - 一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢及其制造方法

Info

Publication number: CN115491582A
Application number: CN202110674687.7A
Authority: CN
Inventors: 张洪奎; 张杉; 赵亮
Original assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: CN115491582B

Abstract

本发明涉及冶金行业模具钢产品,提供一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损的塑料模具钢及其制造方法，其化学成份(重量％)为：0.50～0.60％C，0.30～0.60％Si，0.8～1.2％Mn，5.0～6.0％Cr，2.5～3.0％Mo，0.20～0.40％V，0.30～0.50％Ni，0.025～0.030％Nb，≤0.020％P，≤0.010％S，余量为Fe和杂质元素；其中Nb和C元素含量之间的关系为Nb＝C/20；Mo和Cr元素含量之间的关系为Mo＝Cr/2。本发明提高耐磨性能，添加Ni元素提高韧性，尤其添加Nb元素即提高钢的耐磨性能又提高了韧性，使本发明塑料模具钢具有强韧性兼备的特点。

Description

一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶金行业模具钢产品，尤其是指具有良好耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损的模具钢。

背景技术

模具，就是用在各种压力机和装在压力机上的一种专用工具，然后通过压力把金属或非金属材料制出所需形状的零件或制品。随着现代化工业的发展，模具的应用越来越广泛，在汽车、电子、仪器仪表、家电、航空航天、建材、电机和通讯器材等产品中约60％-80％的零部件都要依靠模具加工成型，因此模具是装备制造业的重要组成部分。塑料制品在上述领域的广泛应用催生了对塑料成形模具需求量的快速增长，当前塑料成形模具已发展成为模具领域需求量最大的模具类型。在众多塑料种类中，玻璃纤维增强塑料是一种用途广泛的复合材料，它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料，玻璃纤维增强塑料的相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，但拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，因此玻璃纤维增强塑料在航空航天、铁道铁路、装饰建筑、家居家具、建材卫浴和环卫工程等等相关行业中得到了广泛应用。玻璃纤维增强塑料注射成形的注射过程玻璃纤维对模具型腔表面冲刷以及凝固成形后塑料件脱模过程对模具型腔表面的摩擦均会造成模具型腔表面的磨损，降低模具寿命。塑料模具加工前的坯料为预硬态，硬度为HRC30～44，即使预硬态硬度达到上限HRC44，模具用于玻璃纤维增强塑料注射成形仍然存在早期磨损现象。

专利公开号为CN107974636A的专利“一种高硬度高淬透性预硬化塑料模具钢及其制备方法”，公开了化学成分重量％为：C：0.40～0.50％，Si：0.2～0.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：0.6～1.0％，Ni：0.8～1.5％，Mo：0.6～2.0％，Cr：1.6～2.5％，V：0.1～0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质，其优点在于，与现有技术相比具有更高预硬化硬度、更高韧性、更高淬透性，综合性能更加优异。淬火后460℃回火处理硬度最高为HRC49.2，该硬度虽然较现有预硬型塑料模具钢的硬度有所提高，但用于玻璃纤维增强塑料注射成形的模具寿命仍然存在早期磨损现象。

发明内容

为了克服现有塑料模具钢用于玻璃纤维增强塑料注射成形不耐磨的缺点，本发明开发一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损的塑料模具钢，发明的这种塑料模具钢的化学成份(重量％)为：0.50～0.60％C，0.30～0.60％Si，0.8～1.2％Mn，5.0～6.0％Cr，2.5～3.0％Mo，0.20～0.40％V，0.30～0.50％Ni，0.025～0.030％Nb，≤0.020％P，≤0.010％S，余量为Fe和杂质元素；其中Nb和C元素含量之间的关系为Nb＝C/20；Mo和Cr元素含量之间的关系为Mo＝Cr/2。

本发明的成分设计基于以下原理确定的：

碳是提高钢的硬度和强度最为有效的元素，固溶强化作用显著，回火时析出大量弥散的碳化物具有弥散强化作用，析出的碳化物为高硬度第二相粒子，提高钢的耐磨性，但C含量过高会造成钢中碳化物数量的增多，降低韧性和焊接性能。因此碳含量不宜过高。因此本发明的碳含量为0.50～0.60％。

Si在炼钢过程有较好的脱氧作用，钢中添加Si元素具有固溶强化作用，提高基体硬度，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0.30～0.60％。

Mn是显著提高淬透性的合金元素，强烈推迟珠光体转变，但Mn含量过高则有使钢晶粒粗化的倾向，因此本发明的Mn含量为0.8～1.2％。

Cr元素是碳化物形成元素，析出的高硬度碳化物提高钢的耐磨性能，Cr元素固溶到奥氏体中则提高钢的淬透性，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5.0～6.0％。

Mo元素是碳化物形成元素，析出的高硬度碳化物提高钢的耐磨性能，Mo元素固溶到奥氏体中则提高钢的淬透性，尤其是Cr和Mo元素同时加入则显著提高淬透性，保证大规格模具淬火后获得马氏体组织，回火后获得索氏体组织提高钢的韧性。但Mo含量过高则增大热加工变形抗力，降低钢的热加工性能。因此本发明的的Mo含量为2.5～3.0％，w％Mo＝(w％Cr)/2。

钢中添加合金元素V可在回火过程析出MC型高硬度碳化物，提高钢的耐磨性能，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0.20～0.40％。

在钢中添加少量Nb即可起到细化晶粒的作用，提高钢的冲击韧性，Nb含量过高易析出大颗粒液析碳化物，降低韧性，因此本发明添加了0.025～0.030％Nb。为了防止Nb元素与C元素形成大颗粒块状液析碳化物，需要控制Nb的加入量，w％Nb＝(w％C)/20。

Ni是显著提高钢的韧性的元素，Ni含量过高出现奥氏体组织降低钢的硬度，故本发明添加了0.30～0.50％Ni。

本发明化学成分的模具钢的制造方法：

本发明采用电炉+精炼+真空脱气处理+模注电极棒+电渣重熔+锻造成形的工艺流程：

电炉冶炼采用40吨电弧炉(EAF炉)将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1630～1640℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉(40吨LF炉)。

LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，加入量为200kg/批，待渣色变白,加入20～23Kg铝锭脱氧。各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1610～1620℃时将40吨LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理。

40吨LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到≦66.7Pa后保持20～25分钟，之后破真空，测温，当温度降到1520～1530℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注Φ800mm的钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的Φ800mm的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼。

电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm，将Φ800mm的钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将450Kg渣料分批加入结晶器中，每批次加入50Kg渣料，钢渣同时熔化，按每小时700～750Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成15吨重钢锭，锻造加热采用1180～1200℃加热并保温8～10小时的加热工艺进行加热，采用4000吨快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材，锻后退火采用900～950℃保温20～24小时的退火工艺进行退火处理。

根据本发明一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，所制备的模具钢调质处理后的硬度高达HRC55～56,纵向无缺口7×10×55试样冲击功220～235J。

本发明有益的技术效果：

本发明克服了现有塑料模具钢用于玻璃纤维增强塑料注射成形不耐磨的缺点，通过合理的成分设计，提高碳含量，并添加碳化物形成元素Cr、Mo、V形成高硬度碳化物提高耐磨性能，添加Ni元素提高韧性，尤其是添加了Nb元素即提高了钢的耐磨性能又提高了韧性，使本发明塑料模具钢具有强韧性兼备的特点，采用本发明钢种加工的模具调质处理后的硬度高达HRC55，显著提高了模具的耐玻璃纤维增强塑料注射成形磨损性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

本发明的实施采用40吨电炉(EAF炉)+40吨精炼炉(LF炉)+40吨真空脱气处理(VD)+模注电极棒+电渣重熔+锻造成形的工艺流程：

实施例1：

电炉冶炼采用40吨电弧炉(EAF炉)将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1630℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉(40吨LF炉)。

LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，加入量为200kg/批，待渣色变白,加入20Kg铝锭脱氧。各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1620℃时将40吨LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理。

40吨LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到50Pa后保持20分钟，之后破真空，测温，当温度降到1530℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注Φ800mm的钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的Φ800mm的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼。

电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm，将Φ800mm的钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将450Kg渣料分批加入结晶器中，每批次加入50Kg渣料，钢渣同时熔化，按每小时750Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成15吨重钢锭，锻造加热采用1180℃加热并保温9小时的加热工艺进行加热，采用4000吨快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材，锻后退火采用920℃保温22小时的退火工艺进行退火处理。

表1实施例1化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ni
										0.50	0.60	1.0	0.015	0.008	5.8	2.9	0.35	0.025	0.30

在400×1000mm的扁方长条型材端面心部区域取300*400*500mm试块，经1020℃保温3小时油冷至室温淬火处理,560℃保温10小时回火2次处理，硬度HRC55,纵向无缺口7×10×55试样冲击功224J。

实施例2：

电炉冶炼采用40吨电弧炉(EAF炉)将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1635℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉(40吨LF炉)。

LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，加入量为200kg/批，待渣色变白,加入23Kg铝锭脱氧。各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1610℃时将40吨LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理。

40吨LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到62Pa后保持20分钟，之后破真空，测温，当温度降到1520℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注Φ800mm的钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的Φ800mm的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼。

电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm，将Φ800mm的钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将450Kg渣料分批加入结晶器中，每批次加入50Kg渣料，钢渣同时熔化，按每小时700Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成15吨重钢锭，锻造加热采用1200℃加热并保温8小时的加热工艺进行加热，采用4000吨快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材，锻后退火采用950℃保温20小时的退火工艺进行退火处理。

表2实施例2化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ni
										0.60	0.30	0.8	0.018	0.005	6.0	3.0	0.20	0.030	0.50

在400×1000mm的扁方长条型材端面心部区域取300*400*500mm试块，经1020℃保温3小时油冷至室温淬火处理,560℃保温10小时回火2次处理，硬度HRC55.5,纵向无缺口7×10×55试样冲击功220J。

实施例3：

电炉冶炼采用40吨电弧炉(EAF炉)将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1640℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉(40吨LF炉)。

LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，加入量为200kg/批，待渣色变白,加入21Kg铝锭脱氧。各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1615℃时将40吨LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理。

40吨LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到58Pa后保持22分钟，之后破真空，测温，当温度降到1525℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注Φ800mm的钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的Φ800mm的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼。

电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm，将Φ800mm的钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将450Kg渣料分批加入结晶器中，每批次加入50Kg渣料，钢渣同时熔化，按每小时730Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成15吨重钢锭，锻造加热采用1190℃加热并保温9小时的加热工艺进行加热，采用4000吨快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材，锻后退火采用900℃保温23小时的退火工艺进行退火处理。

表3实施例3化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ni
										0.56	0.45	1.2	0.013	0.006	5.0	2.5	0.40	0.028	0.36

在400×1000mm的扁方长条型材端面心部区域取300*400*500mm试块，经1020℃保温3小时油冷至室温淬火处理,560℃保温10小时回火2次处理，硬度HRC56,纵向无缺口7×10×55试样冲击功226J

实施例4：

电炉冶炼采用40吨电弧炉(EAF炉)将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1638℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉(40吨LF炉)。

LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，加入量为200kg/批，待渣色变白,加入22Kg铝锭脱氧。各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1618℃时将40吨LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理。

40吨LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到55Pa后保持24分钟，之后破真空，测温，当温度降到1526℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注Φ800mm的钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的Φ800mm的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼。

电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm，将Φ800mm的钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将450Kg渣料分批加入结晶器中，每批次加入50Kg渣料，钢渣同时熔化，按每小时720Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成15吨重钢锭，锻造加热采用1185℃加热并保温10小时的加热工艺进行加热，采用4000吨快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材，锻后退火采用920℃保温24小时的退火工艺进行退火处理。

表4实施例4化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ni
										0.58	0.35	1.1	0.016	0.007	5.4	2.7	0.32	0.029	0.45

在400×1000mm的扁方长条型材端面心部区域取300*400*500mm试块，经1020℃保温3小时油冷至室温淬火处理,560℃保温10小时回火2次处理，硬度HRC55,纵向无缺口7×10×55试样冲击功235J。

对比实施例：

采用40吨电炉(EAF炉)+40吨精炼炉(LF炉)+40吨真空脱气处理(VD)+模注电极棒+电渣重熔+锻造成形(400×1000mm的扁方长条型材)的工艺流程；

表5对比实施例化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ni
										0.38	0.21	0.43	0.018	0.005	2.12	0.56	0.15	/	0.12

在400×1000mm的扁方长条型材端面心部区域取300*400*500mm试块，经870℃保温3小时油冷至室温淬火处理,560℃保温10小时回火2次处理，硬度HRC35,纵向无缺口7×10×55试样冲击功265J。

本发明的塑料模具钢调质处理后的硬度高达HRC55～56,远高于现有塑料模具钢的硬度(对比实施例调质处理后的硬度仅HRC35)，且韧性良好，纵向无缺口7×10×55试样冲击功220～235J，用本发明塑料模具钢加工成模具用于玻璃纤维增强塑料注射成形，模具寿命超过50万件，模具寿命显著提高。

综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢,其特征在于，其各元素的重量百分比为：0.50～0.60％C，0.30～0.60％Si，0.8～1.2％Mn，5.0～6.0％Cr，2.5～3.0％Mo，0.20～0.40％V，0.30～0.50％Ni，0.025～0.030％Nb，≤0.020％P，≤0.010％S，余量为Fe和杂质元素；其中Nb和C元素含量之间的关系为Nb＝C/20；Mo和Cr元素含量之间的关系为Mo＝Cr/2。

2.一种权利要求1所述耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，采用电炉+精炼+真空脱气处理+模注电极棒+电渣重熔+锻造成形的工艺流程：具体包括如下步骤：

(1)电炉冶炼采用电弧炉将配好的生铁和废钢加入炉内，通电，石墨电极引弧加热炉内的生铁和废钢直到生铁和废钢全部熔化，当温度达到1630～1640℃时出钢，将熔化的钢液流入精炼炉；

(2)LF炉钢包就位通电升温，LF炉内按本发明化学成分含量加入合金元素C﹑Cr﹑Mn﹑Si﹑Mo﹑V﹑Ni﹑Nb,分两批加石灰，待渣色变白,加入Al锭脱氧；各种合金元素含量调整到位后测温，当温度达到1610～1620℃时将LF炉转至真空脱气处理工位(VD)进行真空脱气处理；

(3)LF炉在VD工位罩上密封盖开始抽真空，待真空度达到≦66.7Pa后保持20～25分钟，之后破真空，测温，当温度降到1520～1530℃时吊包，将钢包放置到浇钢车上，开始浇注钢锭，该钢锭是电渣重熔用的母材，钢锭浇注完毕后模冷至室温，然后将浇注好的钢锭转移至电渣重熔工位进行电渣重熔冶炼；

(4)电渣重熔采用60％CaF+25％Al₂O₃+10％CaO+5％MgO渣系，将钢锭作为电渣重熔用的电极通电，电极端部在结晶器底部引弧将电极加热熔化，同时将渣料分批加入结晶器中，钢渣同时熔化，按700～750Kg的熔化速度将电极熔化，电渣重熔成重钢锭，锻造加热采用1180～1200℃加热并保温8～10小时的加热工艺进行加热，采用快锻机锻成扁方长条型材，锻后退火采用900～950℃保温20～24的退火工艺进行退火处理。

3.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中电弧炉采用40吨电弧炉。

4.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中精炼炉为40吨LF炉。

5.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中加石灰200kg/批，待渣色变白,加入20Kg-23KgAl锭脱氧。

6.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中浇注钢锭为Φ800mm的钢锭。

7.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中电渣重熔结晶器规格为Φ1000mm。

8.根据权利要求2所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中锻造加热后采用快锻机锻成400×1000mm扁方长条型材。

9.根据权利要求2-8任一项所述一种耐添加玻璃纤维塑料注射成形磨损模具钢的制造方法，其特征在于，所制备的模具钢调质处理后的硬度高达HRC55～56,纵向无缺口7×10×55试样冲击功220～235J。