專利名稱：一種微合金化塑料模具鋼的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種模具鋼，特別是用于制造塑料或膠木件的塑料模具鋼。
目前，用于家用電器如電冰箱、電視機、洗衣機、空調、復印機、計算機上的塑料或膠木件制造的塑料模具鋼的主要技術性能為高淬透性，以保證大截面模具心部與表面具有基本相同的硬度和組織，良好的切削加工性能和較低的氣割裂紋敏感性。使用時的硬度要求為用于模架的鋼硬度為VHN180～220、用于型腔的鋼硬度為VHN260～320，現有技術中這兩種鋼的代表性鋼種為S48C-55C和P20(P20+Ni)，前者在正火狀態下使用，其組織為鐵素體+珠光體；后者需進行調質處理，以得到回火馬氏體。對于型腔用鋼而言，為了保證大截面模塊的高淬透性，現有技術中一般是以中碳鋼為基礎提高合金元素含量，然后進行調質處理，例如歐洲專利EP0247415A2公開了一種“合金鋼、模塊和其它鍛造、鑄造制品及其制造方法”，其合金成分為(重量％)C 0.12～0.75,Mn 0.3～1.5,Si痕量～1.0,Cr痕量～5.0,Ni痕量～2.0,Mo 0.05～3.0,V0.05～1.5,Nb痕量～0.3,P最大0.03,S痕量～0.05,Al 0.02～0.16或Ti 0.015-0.08或Zr 0.015～0.08中的至少二種，Al+2(Ti+Zr)總量約0.02～約0.16，其碳當量CE=C+Mn/6+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Cu+Ni)=0.87，碳當量很高。該鋼的合金含量較高，并需要進行退火以及后續調質熱處理，其綜合成本更高，生產周期長。同時，由于大截面模塊表面和中心在淬火過程(油冷)中的冷卻速度的較大差別(比空冷時大)，其組織和硬度差距較大。而且由于在淬火過程中得到馬氏體組織，大截面模塊的淬火裂紋敏感性高。此外，由于其碳當量高，火焰氣割敏感性高，而且焊接修補性能差。為了改善鋼的切削加工性能，現有技術采用S或者S-Ca復合，如中國專利申請CN86103713A公開了一種“易切削高韌性塑料模具鋼”，其成分為(重量％)S 0.04～0.20,Ca 0.002～0.02,C 0.30～0.65,Ni 0.30～2.00,Mn 0.50～2.00,Cr 0.30～2.00,Mo 0.10～1.00,V 0.10～0.80,0＜Si＜1.0，碳當量CE=1.02。該鋼也需要進行調質熱處理，同時太高S的將將形成太多的MnS，增加鋼在使用過程中與塑料制品或者濕空氣接觸時的腐蝕傾向，為此需要加入其它合金元素來改善切削加工性能，以保證不損害耐腐蝕性能。
本發明的目的是得到一種塑料模具鋼的制造方法，通過對合金成分進行設計，加入少量合金元素并降低碳當量，使其具有較好的切削性能，并得到較高的淬透性，因此不需要進行調質熱處理即可獲得較好的機械性能。
為實現上述目的，本發明提出了如下的技術解決方案其關鍵在于通過對合金成分進行設計，使該鋼在熱加工后空冷條件下得到粒狀貝氏體組織，可得到所需要的機械性能，而且其組織和硬度沿截面的分布比現有調質鋼更為均勻。
本發明的微合金化塑料模具鋼的化學成分為(重量％)C0.20～0.30,Si 0.10～0.60,Mn 1.7～2.5,P 0.035～0.08,S 0.01～0.04,Mo 0.20～0.50,V 0.05～0.20,B 0.0005～0.0050,Ca0.0005～0.010,N 0.0050～0.010,Ti/N=3～4，其余為Fe和不可避免的雜質。
上述微合金化塑料模具鋼的化學成分為(重量％)C 0.20～0.25,Si 0.10～0.40,Mn 1.85～2.0,P 0.035～0.05,S 0.01～0.03,Mo 0.20～0.35,V 0.05～0.15,B 0.0005～0.0030,Ca 0.0005～0.008,N 0.0050～0.0080,Ti/N=3～4，其余為Fe和不可避免的雜質。
該模具鋼在高溫熱加工后的冷卻速度為0.02～0.5℃/秒。
圖1為本發明微合金化貝氏體型塑料模具鋼的連續冷卻轉變(CCT)曲線及不同冷卻速度下的硬度。
圖2為對比例(德國產420mm厚P20+Ni)鋼模塊沿截面的變化。
下面對本發明做進一步詳細敘述本發明的關鍵是對其合金成分進行設計，控制關鍵性元素如C、Mn、Mo等，使該鋼具有較高的貝氏體淬透性，因此僅在鍛/軋后空冷情況下，整個截面的組織均為貝氏體，而且其硬度分布均勻；同時，復合加入P、S、Ca等，利用P對切削加工性能和耐腐蝕性能的有利影響，在改善鋼的切削加工性能的同時兼顧耐腐蝕性能。并適量控制Ti和N，保證鋼在高溫軋制或者鍛造時的奧氏體晶粒長大傾向小，以保證鋼在熱加工后直接空冷時(不需要調質處理)具有良好的機械性能。
本發明得到的貝氏體型塑料模具鋼的化學成分(重量％)為C0.20～0.30,Si 0.1 0～0.60,Mn 1.7～2.5,P 0.035～0.08,S 0.01～0.04,Mo 0.20～0.50,V 0.05～0.20,B 0.0005～0.0050,Ca0.0005～0.010,N 0.0050～0.010,Ti/N=3～4，其余為Fe和不可避免的雜質。
下面介紹各個合金元素的作用C:0.20～0.30(重量％，以下同)，為了降低鋼的碳當量，減少鋼的氣割裂紋敏感性，改善鋼的焊接修補性能，需要降低碳當量，但碳含量太低不利于獲得貝氏體組織，不能保證鋼的硬度。
Si:0.10～0.60，適當Si含量可以幫助鋼中脫氧，但太高則會提高鋼的馬氏體淬透性，增加鋼的氣割裂紋敏感性和惡化鋼的焊接修補性能。
Mn:1.7～2.5，含量大于1.7時有助于獲得貝氏體組織，太高則增高碳當量，增加鋼的氣割裂紋敏感性和惡化鋼的焊接修補性能。
P:0.035～0.08，有助于改善鋼的切削加工性能，并可改善鋼的耐腐蝕性能，但P＞0.08％將會嚴重偏析，影響鋼的均質性。
S:0.01～0.04，有助于改善切削加工性能，但如S＞0.04％，將會嚴重影響鋼的耐腐蝕性能。
Mo:0.20～0.50，固溶于基體中強烈推遲鐵素體和珠光體轉變，特別有利于貝氏體組織的形成，但當其含量＞0.50％時會形成碳化物，影響其作用的發揮。
V:0.05～0.20，使鋼在鍛/軋后從鐵素體中析出碳氮化物，以提高鋼的硬度和強度。此外，加入V有利于貝氏體轉變曲線的扁平化，從而有利于大截面模塊組織沿截面的均勻分布，但V＞0.20％將嚴重降低鋼的塑性和韌性。
B:0.0005～0.0050，B固溶于基體中將使鋼的所有中溫組織轉變(鐵素體、珠光體和貝氏體)強烈推遲，它和Mo復合加入有助于在很寬的冷速范圍內均等得到貝氏體。但當其含量＞0.0050％時會形成碳化物，影響其作用的發揮。
Ca:0.0005～0.010,Ca使鋼中氧化物和硫化物同時變性，并且使變性后硫化物將氧化物包裹，有利于改善鋼的切削加工性能。由于蒸汽壓大，Ca含量＞0.01％時不容易加入鋼中。
N:0.0050～0.010,Ti/N=3～4,Ti的作用是固定N，形成TiN，可以阻礙均熱過程中奧氏體晶粒的長大，有利于改善鋼的韌性。同時，避免BN的形成，可以充分發揮B的有效作用。太多的N將形成粗大的TiN，對切削性能不利。
下面結合效果介紹本發明的實施例。
在實驗室非真空感應爐冶煉250公斤，其具體成分如表1示，鋼錠經過不同壓縮比鍛造后經過空冷和砂冷，測定其硬度為VHN280，抗拉強度為1020MPa。在熱模擬機上測定其動態CCT曲線，其加熱和變形工藝為1200℃均熱10分鐘后，冷至1100℃施以0.10的應變，再冷至1050℃施以0.30的應變，緊接著冷至1000℃施以0.10的應變，再以不同冷速(0.02～5℃/s)進行冷卻至室溫，觀察其組織并測定其硬度。所得CCT曲線如圖1示，可以看出，該鋼在所有冷速范圍內均為貝氏體組織，只是貝氏體形態不同，但冷速在0.02～1℃/s范圍內，其組織均為粒狀貝氏體，而且硬度均勻，只在VHN275～28范圍內波動。該硬度和在鍛后空冷/砂冷試樣的硬度一樣，說明該鋼對熱加工工藝不敏感，工業生產容易操作和實現。其中，0.02～0.5℃/s冷速相當于450mm厚度模塊心部和表面時的冷速，這將表明450mm厚度模塊心部和表面的組織均為粒狀貝氏體，而且其硬度差別小于10VHN。為了進行對比，實驗測定了工業生產的德國P20+Ni(718)鋼420mm厚度模塊的硬度沿截面的分布，如圖2所示，可以看出其表面和心部硬度相差25VHN，這表明本發明的貝氏體塑料模具鋼比P20(718)鋼的硬度沿截面分布的均勻性更好。
與現有技術相比，本發明由于對合金成分進行設計，使該鋼在熱加工后直接空冷即可得到粒狀貝氏體組織，用該鋼制造的大截面模具不需要調質熱以達到現有技術調質鋼所具有的機械性能處理(硬度VHN260～320，抗拉強度850～1100MPa)，而且其組織和硬度沿截面的分布比現有調質鋼更加均勻。該鋼克服了調質鋼成本高、生產周期長、淬火裂紋敏感性、高火焰氣割敏感性高以及焊接裂紋修補性能差等眾多缺點。同時該鋼的成分設計綜合了良好的切削加工性能和一定的耐腐蝕性能。表1本發明和對比例鋼的化學成分
權利要求
1．一種微合金化塑料模具鋼的制造方法，其特征在于它的化學成分為(重量％)C 0.20～0.30,Si 0.10～0.60,Mn 1.7～2.5,P 0.035～0.08,S 0.01～0.04,Mo 0.20～0.50,V 0.05～0.20,B0.0005～0.0050,Ca 0.0005～0.010,N 0.0050～0.010,Ti/N=3～4,其余為Fe和不可避免的雜質。
2．根據權利要求1所述的微合金化塑料模具鋼的制造方法，其特征在于它的化學成分為(重量％)C 0.20～0.25,Si 0.10～0.40,Mn 1.85～2.0,P 0.035～0.05,S 0.01～0.03,Mo 0.20～0.35,V 0.05～0.15,B 0.0005～0.0030,Ca 0.0005～0.008,N0.0050～0.0080,Ti/N=3～4，其余為Fe和不可避免的雜質。
3．根據權利要求1或2所述的微合金化塑料模具鋼的制造方法，其特征在于該模具鋼在高溫熱加工后的冷卻速度為0.02～0.5℃/秒。
全文摘要
本發明涉及一種微合金化貝氏體型塑料模具鋼的制造方法,其化學成分為(重量%):C0.20～0.30,Si0.10～0.60,Mn1.7～2.5,P0.035～0.08,S0.01～0.04,Mo0.20～0.50,V0.05～0.20,B0.0005～0.0050,Ca0.0005～0.010,N0.0050～0.0080,Ti/N=3～4,其余為Fe和不可避免的雜質。該鋼通過對合金成分進行設計,加入少量合金元素并降低碳當量,使其具有較高淬透性,軋/鍛后不必調質熱處理,只進行空冷即可使大截面模塊整個截面獲得粒狀貝氏體組織及較好的機械、切削性能。
文檔編號C22C38/14GK1224769SQ9811177
公開日1999年8月4日 申請日期1998年12月30日 優先權日1998年12月30日
發明者江來珠, 王習順, 王建會 申請人:寶山鋼鐵(集團)公司