專利名稱：：超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶金行業(yè)模具鋼的生產(chǎn)方法，尤其是指大型塑料模具鋼模塊的制造方法。
背景技術(shù)：
：塑料模具是塑料成形加工工業(yè)的重要工藝裝備，占模具工業(yè)總產(chǎn)值的第一位。由于其材料用量大，品種、規(guī)格多，形成了專用的塑料模具鋼。目前塑料模具正向高精度、多型腔、大型化的方向發(fā)展，模具型腔復(fù)雜，加工精度要求高，因此高品質(zhì)的塑料模具均采用預(yù)硬化狀態(tài)的塑料模具鋼。所謂預(yù)硬型塑料模具鋼是指將熱加工后的模塊預(yù)先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，通過淬火處理及高溫回火處理，獲得回火索氏體組織，達(dá)到塑料模具鋼所要求的硬度HRC3036的硬度范圍，再進(jìn)行刻模加工，待模具成形后不需要再進(jìn)行最終熱處理，從而可以避免由于最終熱處理而引起的模具變形和裂紋問題。代表鋼種為P20和718。預(yù)硬型塑料模具鋼雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但也存在淬火裂紋敏感性高、生產(chǎn)成本高、制造周期長的缺點(diǎn)。P20和718鋼中碳含量為0.340.42%，另外還含有一定量的Cr、Mn、Ni、Mo等合金元素，碳含量及碳當(dāng)量均較高。由于鋼錠在凝固過程中存在選分結(jié)晶現(xiàn)象，造成鋼錠各部位產(chǎn)生成分偏差，即成分偏析。尤其在鋼錠心部，為鋼中碳元素的正偏析區(qū)，即鋼錠中上部位心部的碳含量高于其它部位的碳含量。因此鋼錠正偏析區(qū)碳含量必然大于0.34%，導(dǎo)致淬火裂紋敏感性很高，淬火冷卻方法控制不當(dāng)則易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；預(yù)硬型塑料模具鋼尤其是大截面的塑料模具鋼，對淬透性有很高的要求，典型鋼種P20和718就是通過添加Cr、Mn、及貴金屬Ni、Mo等提高淬透性的合金元素，從而達(dá)到提高淬透性的目的。但是添加Ni、Mo等貴金屬合金元素卻導(dǎo)致模具鋼的制造成本升高；塑料模具鋼的預(yù)硬化不僅增加了制造成本，而且還使該類模具鋼的制造周期加長。釆用非調(diào)質(zhì)鋼來代替調(diào)質(zhì)處理是一個(gè)很好的克服預(yù)硬型塑料模具鋼上述缺點(diǎn)的解決方案。所謂非調(diào)質(zhì)鋼即為通過采用Cr、Mn、Mo等主要元素進(jìn)行合金化，提高淬透性，并添加微量的V、Ti、N等微合金化元素進(jìn)行沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，使鋼在鍛軋后空冷即可獲得調(diào)質(zhì)處理所能得到的性能。目前非調(diào)質(zhì)鋼在汽車零部件領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，非調(diào)質(zhì)鋼所能生產(chǎn)的規(guī)格也僅限于熱軋材及小規(guī)格鍛材。非調(diào)質(zhì)鋼在塑料模具鋼方面的應(yīng)用也獲得了一定的進(jìn)展，例如公開號為CN1224769的專利公開了一種微合金化塑料模具鋼的制造方法，化學(xué)成分為0.200.30%C，0.100.60%Si，1.702.50%Mn，0.0350.08%P，0.010.04%S，0.200.50%Mo，0.050.20%V，0.00050.0050%B，0.00050.010%Ca等，為貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼。雖然該鋼添加P、s、等易切削合金元素并通過c鈣處理提高切削性能，卻降低了沖擊性能，U型缺口沖擊功IOJ左右。該發(fā)明的實(shí)施僅停留在截面厚度〈300mm熱軋扁鋼產(chǎn)品。該發(fā)明雖然提到由熱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)可推算出最大厚度可以做到450mm，但沒有指明寬度能夠做到多少，在相同截面厚度的情況下，中心部位的冷卻速度隨截面寬度的增加而降低，淬透性降低，若要滿足厚度為450mm、寬度超過450mm的模塊，即有效厚度超過450mm的模塊的非調(diào)質(zhì)處理需要更高的淬透性，因此上述發(fā)明專利無法滿足超厚截面塑料模具鋼非調(diào)質(zhì)的需求。另外非調(diào)質(zhì)模塊采用常規(guī)的鍛造之后熱裝退火的工藝也是無法做到的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼及其制造方法，以克服預(yù)硬化塑料模具鋼制造成本高，制造周期長，淬火裂紋敏感性高及已有非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼軋制成形厚度小的缺點(diǎn)，保證大截面模具鋼能夠獲得貝氏體組織及預(yù)硬化塑料模具鋼所要求達(dá)到的硬度HRC3036，并采用鍛造的方式進(jìn)行熱加工成形，控制鍛后的冷卻速度，實(shí)現(xiàn)了厚度超過300mm的超厚塑料模具鋼的非調(diào)質(zhì)化。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼，其成分質(zhì)量百分比為，C0.200.32Si0.200.80Mn1.802.50Cr0.801.50Mo0.200.60V0.080.20B0.00100.0030Ti0.020.06P《0.035S《0.035余鐵和不可避免雜質(zhì)；其組織狀態(tài)是貝氏體。本發(fā)明的超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的制造方法，其包括如下步驟，4)按上述成分冶煉、澆鑄成鋼錠；5)鍛造，鍛造加熱溫度為11501200°C，保溫24小時(shí)后進(jìn)行壓鉗把工序，然后返爐加熱保溫23小時(shí)后進(jìn)行鐓粗及拔長工序，在85095(TC之間停止鍛造；6)模塊鍛后風(fēng)冷至室溫，然后進(jìn)行50065(TC之間的回火處理，調(diào)整硬度，消除鍛后冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止模具在加工過程中產(chǎn)生變形和開裂。本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)基于以下原理C:0.200.32%，C是提高鋼的硬度和強(qiáng)度最為有效的元素，固溶強(qiáng)化作用顯著，是保證在非調(diào)質(zhì)狀態(tài)下能夠達(dá)到預(yù)硬化塑料模具鋼所能達(dá)到的硬度的必不可少的元素。但C含量過高則降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，不利于貝氏體的形成。Si:0.200.80%，鋼中含有少量的Si有較好的脫氧作用，但Si含量過高則降低鋼的焊接和切削加工性能。Mn:1.802.50%，Mn是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，有利于貝氏體的形成，并提高強(qiáng)度，但Mn含量過高有使鋼晶粒粗化的傾向。Cr:0.801.50%，Cr也是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，Cr、Mn同時(shí)加入，效果更加明顯，更有利于貝式體的形成。但Cr含量過高則降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度。Mo:0.200.60%，Mo有強(qiáng)烈抑制奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的作用，僅在固溶于奧氏體中的情況下才有這樣的作用，因此Mo含量不宜過高，否則將會形成碳化物，降低抑制奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的作用。Mo通常以降低鋼的回火脆性的作用加入鋼中，而本發(fā)明添加合金元素Mo的意圖是抑制奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，與共知的合金元素Mo降低鋼的回火脆性的作用是不同的。V:0.080.20%，V在鋼中能夠形成極為細(xì)小的碳化物，起到強(qiáng)化基體的作用，同時(shí)具有強(qiáng)烈組織奧氏體晶粒長大的作用。V也具有一定的推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的作用。B:0.00100.0030%，鋼中含有微量的B(0.001%)即可明顯提高鋼的淬透性，強(qiáng)烈推遲鋼的先共析鐵素體轉(zhuǎn)變，對低碳和中碳含量的鋼有效，對高碳及過共析鋼作用不大。B含量超過0.005%，將形成碳化物，對提高淬透性不再發(fā)生有益的作用。Ti:0.020.06%，由于Ti和氮、氧的親和力比B高，因此為增加鋼中的有效硼，鋼中應(yīng)添加一定量的Ti，先于B形成TiN，避免形成BN，充分發(fā)揮B提高淬透性的作用，同時(shí)形成的TiN在晶界處起釘扎作用阻礙奧氏體晶粒長大，提高韌性。本發(fā)明中，合金元素Mo強(qiáng)烈抑制奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，合金元素B強(qiáng)烈抑制先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變。合金元素Mo通常以降低鋼的回火脆性的作用加入鋼中，而本發(fā)明添加合金元素Mo的意圖是抑制奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，與共知的合金元素Mo降低鋼的回火脆性的作用是不同的。合金元素B強(qiáng)烈抑制先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變的作用雖然是共知的，但是B的加入量及鋼中有效硼的控制并不是共知的。本發(fā)明的特點(diǎn)就是超厚非調(diào)質(zhì)鋼，實(shí)現(xiàn)超厚規(guī)格的非調(diào)質(zhì)化沒有成分設(shè)計(jì)作為條件的話，僅靠工藝控制是無法實(shí)現(xiàn)的。采用同樣的工藝處理不同成分的鋼種其結(jié)果是不相同的。況且本發(fā)明鋼種的組織狀態(tài)是貝氏體，而上述論文中的非調(diào)質(zhì)鋼組織為貝式體+鐵素體。如何在鍛造之后的冷卻狀態(tài)下使截面厚度超過300mm的超厚大截面模塊獲得貝氏體組織及所需的硬度是關(guān)鍵。以上成分設(shè)計(jì)始終圍繞這一設(shè)計(jì)思路。大截面模塊在鍛造之后的冷卻速度較，若想達(dá)到全截面均獲得貝氏體組織，就要抑制奧氏體向鐵素體及珠光體的轉(zhuǎn)變，添加的Mn、Cr、Mo、B在抑制奧氏體向鐵素體及珠光體的轉(zhuǎn)變方面均有顯著的作用，直徑為O80mm的鍛坯試樣鍛后砂冷，在80060(TC之間的冷卻速度僅為0.01°C/S的極緩冷卻的條件下依然獲得了貝氏體組織，硬度達(dá)到HRC4142，經(jīng)回火處理調(diào)整到所需硬度，說明該成分設(shè)計(jì)是合理的。本發(fā)明的有益效果1.實(shí)現(xiàn)了超厚截面(有效厚度300mm以上)塑料模具鋼的非調(diào)質(zhì)化，省去了大截面塑料模具鋼的調(diào)質(zhì)處理，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期。2.采用微合金化技術(shù)提高淬透性，化學(xué)成分經(jīng)濟(jì)合理，比采用添加貴金屬Ni提高淬透性的718鋼更具成本優(yōu)勢。3.與CN1224769的專利相比，添加了合金元素Cr，合金元素Cr與Mn、Mo的復(fù)合作用進(jìn)一步提高了獲得貝氏體的能力，淬透性更高。4.與機(jī)械工程材料期刊1997.12中的論文《釩、鈦對非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼組織與性能的影響》相比，多了Mo和B兩個(gè)合金元素，抑制奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了超厚截面模塊全截面獲得貝式體組織，而《釩、鈦對非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼組織與性能的影響》論文中的非調(diào)質(zhì)鋼組織為貝式體+鐵素體。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的表層組織金相照片；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的心部組織金相照片。具體實(shí)施例方式實(shí)施例化學(xué)成分參見表1:表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>規(guī)格為300mmX790mmX5000mm(有效厚度330mm);450mmX790mmX3500mm(有效厚度500mm)?；谝陨铣煞衷O(shè)計(jì)的非調(diào)質(zhì)模具鋼牌號為SWFT32采用1015噸鋼錠進(jìn)行鍛造，鍛造加熱溫度為11501200°C，保溫24小時(shí)后進(jìn)行壓鉗把工序，然后返爐加熱保溫23小時(shí)后進(jìn)行鐓粗及拔長工序，在850950'C之間停止鍛造。模塊鍛后風(fēng)冷至室溫，然后進(jìn)行50065(TC之間的回火處理，調(diào)整硬度，消除鍛后冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止模具在加工過程中產(chǎn)生變形和開裂。實(shí)施例l，首先將鋼錠加熱至117(TC保溫3小時(shí)后壓鉗把，然后返爐加熱至117(TC保溫170min后鐓粗，鐓粗后一支鋼錠返爐加熱，另一支繼續(xù)進(jìn)行拔長操作至成品規(guī)格300mmX790mmX5000mm;返爐的一支鋼錠在1170。C保溫120min后進(jìn)行鐓粗及拔長至成品規(guī)格450mmX790mmX3500mm;模塊鍛后風(fēng)冷至室溫，并在600"C進(jìn)行回火處理。模塊最終硬度為HRC3234，硬度均勻，厚度高達(dá)450mm的模塊表層及心部均為貝氏體組織，組織非常均勻，參見圖1、圖2組織照片。以上結(jié)果顯示微合金化技術(shù)在大型塑料模具鋼方面的研究取得了突破性進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了超厚截面鍛造模塊的非調(diào)質(zhì)化，取消了調(diào)質(zhì)處理工序，節(jié)省了能耗，降低了制造成本，為用戶提供了物美價(jià)廉的產(chǎn)品，從而進(jìn)一步提高了大型塑料模具鋼的市場競爭力。權(quán)利要求1.超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼，其成分質(zhì)量百分比為，C0.20～0.32Si0.20～0.80Mn1.80～2.50Cr0.80～1.50Mo0.20～0.60V0.08～0.20B0.0010～0.0030Ti0.02～0.06P≤0.035S≤0.035余鐵和不可避免雜質(zhì)；其組織狀態(tài)是貝氏體。全文摘要超厚非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼，其成分質(zhì)量百分比為，C0.20～0.32，Si0.20～0.80，Mn1.80～2.50，Cr0.80～1.50，Mo0.20～0.60，V0.08～0.20，B0.0010～0.0030，Ti0.02～0.06，P≤0.035，S≤0.035，余鐵和不可避免雜質(zhì)；其組織狀態(tài)是貝氏體。本發(fā)明克服預(yù)硬化塑料模具鋼制造成本高，制造周期長，淬火裂紋敏感性高及已有非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼軋制成形厚度小的缺點(diǎn)，保證了大截面模具鋼能夠獲得貝氏體組織及預(yù)硬化塑料模具鋼所要求達(dá)到的硬度HRC30～36，并采用鍛造的方式進(jìn)行熱加工成形，控制鍛后的冷卻速度，實(shí)現(xiàn)了厚度超過300mm的超厚塑料模具鋼的非調(diào)質(zhì)化。文檔編號C21D8/00GK101096743SQ20061002819公開日2008年1月2日申請日期2006年6月27日優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日發(fā)明者劉笑蓮,吳曉春,張洪奎,徐明華,汪宏斌,維續(xù),毅羅,輝羅,閔永安申請人:寶山鋼鐵股份有限公司