贝氏体预硬型塑料模具钢及其制备和热处理方法

摘要

本发明涉及一种贝氏体预硬型塑料模具钢及其制备和热处理方法。该钢的化学成分在P20钢基础上进行了优化，适当增加了Mn含量，减少了Cr、Mo含量，并加入微量的Nb，且不含价格昂贵的Ni和V。本发明的塑料模具钢的制备过程如下：配料、冶炼、浇涛；然后多向锻造热加工；再进行风冷+空冷方式冷却；最后进回火热处理。本发明的塑料模具钢具有大截面、低成本、高淬透性、硬度均匀性好等特点，同时具有低的白点敏感性，且省去了扩氢退火工艺，另外采取锻后正火替代调质处理过程，大大缩短了生产周期，使大截面、长寿命、高品质、短周期塑料模具钢的国产化向前迈进了一大步，且符合当前国内节能减排、可持续、经济型的制造理念。

说明书

技术领域

本发明涉及一种贝氏体预硬型塑料模具钢及其制备和热处理方法，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

所谓预硬化型塑料模具钢是由钢厂在供货状态下已预先对模具进行了热处理，使其达到模具使用时所要求的硬度和使用性能，从而可避免模具加工后再进行淬火、回火热处理操作所造成的氧化、脱碳、变形和开裂，从而保证了模具的制造精度。同时，因省略了热处理和热处理后的精加工，所以降低了成本，大大缩短了制造周期。

预硬型塑料模具钢属于低中碳钢，含碳量一般在0.3%～0.5%范围内，添加有Cr、Mo、Mn、Ni、V等合金元素。现在广泛采用的预硬型塑料模具钢，成分一般是在美国P20钢基础上发展而来，各国模具钢生产厂家基于本国的标准不断改进，形成企业自己的牌号。我国已纳入国家标准的预硬化型塑料模具钢有：SM3Cr2Mo（P20）、SM3Cr2MnNiMo（718）（GB/T1299-2000中的3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo）。

而我国多年来占据塑料模具钢大模块市场的主流钢种是调质态预硬化塑料模具钢。此类钢因其硬度均匀、加工性能及力学性能好、模具变形小，受到塑料模具制造业的青睐。3Cr2Mo（P20）目前使用最为广泛，一般用于制作厚度在400mm以下的塑料模块，而3Cr2MnNiMo（718）钢是在P20的基础上添加了提高淬透性元素如Ni、Cr等而来，其可用于制作截面厚度在达1000mm的模块，但是1%Ni含量的加入使其成本明显高于P20。

随着塑料行业的发展，对于大规格的预硬型塑料模具钢的需求越来越多，塑料模具钢截面面积的提高，必然要求模块具有更高淬透性和均匀的力学性能（主要为硬度，韧性和强度），要求在模块心部不析出或少析出铁素体以及珠光体。同时，由于国内钢铁企业生产的模块在品种规格系列化和质量水平上与国际企业相比仍有较大差距，高品质塑料模具钢长期依赖进口。如瑞典UDDEHOLM公司的718，德国SAARSTAHI公司的2311和2378，德胜集团的THYROPLAST2311、2711和2738，大同特殊钢公司的PDS3，日立金属公司的HPM7等都是国内市场上常见进口品牌，价格为国内钢材的2～3倍甚至更高，高昂的成本一定程度制约厂家对新钢种的研制。

因此，调质预硬型塑料模具钢其生产周期长，能耗高，成本高，而一些用于结构件的非调质钢被引入来制造塑料模具钢，其组织又大多为铁素体-珠光体型。这不仅使很多生产企业缺乏国际国内竞争力，也造成我国大量资源的浪费。在目前国内外可持续、经济型的发展模式下，本发明从经济、节能环保的角度出发，研制出新型贝氏体预硬型塑料模具钢。本发明使大截面、长寿命、高品质、短周期的塑料模具钢国产化迈出了重要一步。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，针对塑料模具钢钢种成份的优化、组织控制、冶金质量控制、锻、轧工艺控制、供货状态及使用状态的组织控制、应用性技术等研究工作，本发明的目的是提供一种贝氏体预硬型塑料模具钢及其制备和热处理方法，以满足国内大截面、长寿命、高品质、短周期的塑料模具钢市场的需求，使高品质低成本塑料模具钢国产化。

本发明的构思如下：

成分设计：在P20钢基础上适当增加Mn含量，能强烈地推迟高温铁素体相变的发生，以提高贝氏体淬透性和贝氏体钢强度；适当减少Si，有助于在更大冷速范围内得到贝氏体，同时减小在不同冷速下得到的硬度梯度，从而提高该钢的硬度均匀性；加入适量Nb，可以起到细化晶粒和沉淀强化作用；可见，主加合金元素为Mn、Cr、Mo，充分发挥C、Cr、Mn、Mo的复合合金化提高淬透性的作用，并且不含Ni和V，0.20%的Mo含量，这大大降低了生产成本。Nb作为微合金元素，可以与C交互作用，生成少量NbC并溶入其他碳化物中增加其稳定性，并细小均匀分布，抑制动态再结晶，细化晶粒，从而对钢的强韧化产生影响。在回火时，Nb以MC型碳化物弥散析出，形成强烈的二次硬化效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种贝氏体预硬型塑料模具钢，该钢的化学成分在P20钢基础上适量增加了Mn含量，减少了Cr、Mo含量，并加入微量的Nb，不含价格昂贵的Ni和V；各主要合金元素的质量百分比为：

C                0.25~0.40 %          Si                0.10~0.50 %

Mn               1.50~2.50 %        S                  ≤0.03 %

Cr                1.00~2.00 %        P                  ≤0.03 %

Mo               0.10~0.35 %        Fe                  余量

Nb                0.02~0.07 %

一种制备和热处理贝氏体预硬型塑料模具钢的方法，该方法具有以下步骤：

A．             炼钢：按贝氏体预硬型塑料模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.25～0.40%，Si 0.10～0.50%，Mn 1.50～2.50%，Cr 1.00～2.00%，Mo 0.10～0.35%，Nb 0.02～0.07%，P≤0.03%，S≤0.03%，Fe余量，配料后放入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼；然后进行精炼；再经过真空脱气；最后浇注钢锭，待用；

B．             锻造：将上述钢锭脱模后热送入炉中，然后将温度调整到1150～1250℃温度范围内进行多向锻造加工；锻造比≥4，终锻温度≥850℃；

C．             锻后冷却：采用风冷+空冷方式冷却；风冷至350~400℃时，停止风冷，然后入回火炉待料；

D．             回火热处理：500~550℃回火处理，然后随炉冷却至250℃以下，出炉空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

经合金优化设计以及推荐热处理工艺，该新型低成本贝氏体预硬型塑料模具钢克服了目前预硬化塑料模具钢制造成本高，制造周期长，淬火裂纹敏感性高及已有非调质塑料模具钢厚度限制等缺点。与传统的国产P20钢相比，淬透性提高，心部与表面的硬度差别很小，硬度均匀性提高，心部组织全为贝氏体组织，且组织均匀。同时其合金含量低，且不含Ni和V，0.20%的Mo含量，这大大降低了原材料成本，同时具有低的白点敏感性，且省去了扩氢退火工艺，另外采取锻后正火替代调质处理过程，大大缩短了生产周期，节约了生产成本，也符合当前我国急需节能减排，绿色环保的制造理念。

附图说明

图1为本发明塑料模具钢打硬度选取的模块截面位置示意图。

图2为本发明塑料模具钢表层金相组织。

图3为本发明塑料模具钢心部金相组织。

图4为本发明塑料模具钢大模块截面沿宽度方向硬度变化曲线。

图5为本发明塑料模具钢大模块截面沿厚度方向硬度变化曲线。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于下。

实施例

本实例中，采用贝氏体预硬型塑料模具钢的组成成分及其重量百分比如下：

C                0.35 %       Si                0.34 %

Mn               2.30 %       S                  0.005 %

Cr                1.10 %       P                  0.010 %

Mo               0.12 %       Fe                  余  量

Nb               0.058 %

本实施例中，制备和热处理贝氏体预硬型塑料模具钢的方法及步骤如下：

A．炼钢：按上述的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，然后精炼，再进行真空脱气，最后浇铸成25t重的八角钢锭并空冷；

B．锻造：将上述钢锭脱模后热送至锻造车间，入炉前表面温度不低于500℃，然后调整温度到1150～1250℃温度范围内进行多向锻造加工；锻造比≥4；开锻温度≥1100℃，停锻温度≥850℃，最终成形锻件为（580+25）mm×（1300+25）mm×(2000+L)mm的大模块。

C．锻后冷却：将锻后的大模块搁置于料架上，模块底面与地面高度≥300mm，安置3台以上风扇强制快速冷却，需单独安置一台对模块尾部吹风，风扇距模块1.0m～2.5m。当模块表面温度降至350~400℃时，停止风冷，直接入回火炉350~400℃待料。

D．回火热处理：回火炉350~400℃待料，大模块进炉后保温8h，然后以40℃/h速度升温至550℃，保温20h，再以≤30℃/h的冷速冷至250℃以下，出炉空冷至室温。

本发明塑料模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为580mm×1300mm×2645mm的大模块，对其取样进行主要性能检测：

A． 探伤

采用的探伤仪的探头直径为20mm，频率为2.5MHZ，灵敏度为Ф3.0mm，对大模块横向、纵向两侧面100%全面积扫描，分析得FBH≤4.0mm，无明显缺陷存在。

B． 硬度

成品大模块头、尾部截面硬度为30.6~33.6HRC，波动范围在±1.5HRC内，尾部截面硬度为心部截面为30.8~31.8HRC，波动范围在±0.5HRC左右。选取截面位置如附图1所示。

C． 夹杂物

大模块从表层到心部未发现典型的硫化物及氧化物夹杂，A、B、D、DS类粗系、细系夹杂均不超过0.5级，无C类夹杂物。

D． 晶粒度

大模块从表层到心部的晶粒度均保持在8.0级以上。

E．  组织

大模块整个截面上均得到了细小均匀的贝氏体组织。如附图2、3所示。

F．  冲击性能

在大模块表层和心部位置取横向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm（GB/T229-2007标准），开U2型缺口。室温冲击功值：20J左右。