專利名稱：：超厚非調質塑料模具鋼及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及冶金行業模具鋼的生產方法，尤其是指大型塑料模具鋼模塊的制造方法。
背景技術：
：塑料模具是塑料成形加工工業的重要工藝裝備，占模具工業總產值的第一位。由于其材料用量大，品種、規格多，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、大型化的方向發展，模具型腔復雜，加工精度要求高，因此高品質的塑料模具均采用預硬化狀態的塑料模具鋼。所謂預硬型塑料模具鋼是指將熱加工后的模塊預先進行調質處理，通過淬火處理及高溫回火處理，獲得回火索氏體組織，達到塑料模具鋼所要求的硬度HRC3036的硬度范圍，再進行刻模加工，待模具成形后不需要再進行最終熱處理，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。預硬型塑料模具鋼雖然具有上述優點，但也存在淬火裂紋敏感性高、生產成本高、制造周期長的缺點。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，碳含量及碳當量均較高。由于鋼錠在凝固過程中存在選分結晶現象，造成鋼錠各部位產生成分偏差，即成分偏析。尤其在鋼錠心部，為鋼中碳元素的正偏析區，即鋼錠中上部位心部的碳含量高于其它部位的碳含量。因此鋼錠正偏析區碳含量必然大于0.34%，導致淬火裂紋敏感性很高，淬火冷卻方法控制不當則易產生開裂現象；預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致模具鋼的制造成本升高；塑料模具鋼的預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。釆用非調質鋼來代替調質處理是一個很好的克服預硬型塑料模具鋼上述缺點的解決方案。所謂非調質鋼即為通過采用Cr、Mn、Mo等主要元素進行合金化，提高淬透性，并添加微量的V、Ti、N等微合金化元素進行沉淀強化和細晶強化，使鋼在鍛軋后空冷即可獲得調質處理所能得到的性能。目前非調質鋼在汽車零部件領域應用較為廣泛，非調質鋼所能生產的規格也僅限于熱軋材及小規格鍛材。非調質鋼在塑料模具鋼方面的應用也獲得了一定的進展，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，為貝氏體型非調質鋼。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。該發明的實施僅停留在截面厚度〈300mm熱軋扁鋼產品。該發明雖然提到由熱模擬試驗數據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的模塊的非調質處理需要更高的淬透性，因此上述發明專利無法滿足超厚截面塑料模具鋼非調質的需求。另外非調質模塊采用常規的鍛造之后熱裝退火的工藝也是無法做到的。
發明內容本發明的目的在于開發一種超厚非調質塑料模具鋼及其制造方法，以克服預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質塑料模具鋼軋制成形厚度小的缺點，保證大截面模具鋼能夠獲得貝氏體組織及預硬化塑料模具鋼所要求達到的硬度HRC3036，并采用鍛造的方式進行熱加工成形，控制鍛后的冷卻速度，實現了厚度超過300mm的超厚塑料模具鋼的非調質化。為達到上述目的，本發明的技術方案是，超厚非調質塑料模具鋼，其成分質量百分比為，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；其組織狀態是貝氏體。本發明的超厚非調質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小時后進行壓鉗把工序，然后返爐加熱保溫23小時后進行鐓粗及拔長工序，在85095(TC之間停止鍛造；6)模塊鍛后風冷至室溫，然后進行50065(TC之間的回火處理，調整硬度，消除鍛后冷卻過程中產生的內應力，防止模具在加工過程中產生變形和開裂。本發明的成分設計基于以下原理C:0.200.32%，C是提高鋼的硬度和強度最為有效的元素，固溶強化作用顯著，是保證在非調質狀態下能夠達到預硬化塑料模具鋼所能達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是強烈推遲珠光體轉變的合金元素，有利于貝氏體的形成，并提高強度，但Mn含量過高有使鋼晶粒粗化的傾向。Cr:0.801.50%，Cr也是強烈推遲珠光體轉變的合金元素，Cr、Mn同時加入，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變溫度。Mo:0.200.60%，Mo有強烈抑制奧氏體向珠光體轉變的作用，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，而本發明添加合金元素Mo的意圖是抑制奧氏體向珠光體的轉變，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小的碳化物，起到強化基體的作用，同時具有強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，強烈推遲鋼的先共析鐵素體轉變，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，鋼中應添加一定量的Ti，先于B形成TiN，避免形成BN，充分發揮B提高淬透性的作用，同時形成的TiN在晶界處起釘扎作用阻礙奧氏體晶粒長大，提高韌性。本發明中，合金元素Mo強烈抑制奧氏體向珠光體的轉變，合金元素B強烈抑制先共析鐵素體的轉變。合金元素Mo通常以降低鋼的回火脆性的作用加入鋼中，而本發明添加合金元素Mo的意圖是抑制奧氏體向珠光體的轉變，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強烈抑制先共析鐵素體的轉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。本發明的特點就是超厚非調質鋼，實現超厚規格的非調質化沒有成分設計作為條件的話，僅靠工藝控制是無法實現的。采用同樣的工藝處理不同成分的鋼種其結果是不相同的。況且本發明鋼種的組織狀態是貝氏體，而上述論文中的非調質鋼組織為貝式體+鐵素體。如何在鍛造之后的冷卻狀態下使截面厚度超過300mm的超厚大截面模塊獲得貝氏體組織及所需的硬度是關鍵。以上成分設計始終圍繞這一設計思路。大截面模塊在鍛造之后的冷卻速度較，若想達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變，添加的Mn、Cr、Mo、B在抑制奧氏體向鐵素體及珠光體的轉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，硬度達到HRC4142，經回火處理調整到所需硬度，說明該成分設計是合理的。本發明的有益效果1.實現了超厚截面(有效厚度300mm以上)塑料模具鋼的非調質化，省去了大截面塑料模具鋼的調質處理，降低了生產成本，縮短了生產周期。2.采用微合金化技術提高淬透性，化學成分經濟合理，比采用添加貴金屬Ni提高淬透性的718鋼更具成本優勢。3.與CN1224769的專利相比，添加了合金元素Cr，合金元素Cr與Mn、Mo的復合作用進一步提高了獲得貝氏體的能力，淬透性更高。4.與機械工程材料期刊1997.12中的論文《釩、鈦對非調質塑料模具鋼組織與性能的影響》相比，多了Mo和B兩個合金元素，抑制奧氏體向珠光體的轉變，實現了超厚截面模塊全截面獲得貝式體組織，而《釩、鈦對非調質塑料模具鋼組織與性能的影響》論文中的非調質鋼組織為貝式體+鐵素體。圖1為本發明一實施例的表層組織金相照片；圖2為本發明一實施例的心部組織金相照片。具體實施例方式實施例化學成分參見表1:表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>規格為300mmX790mmX5000mm(有效厚度330mm);450mmX790mmX3500mm(有效厚度500mm)。基于以上成分設計的非調質模具鋼牌號為SWFT32采用1015噸鋼錠進行鍛造，鍛造加熱溫度為11501200°C，保溫24小時后進行壓鉗把工序，然后返爐加熱保溫23小時后進行鐓粗及拔長工序，在850950'C之間停止鍛造。模塊鍛后風冷至室溫，然后進行50065(TC之間的回火處理，調整硬度，消除鍛后冷卻過程中產生的內應力，防止模具在加工過程中產生變形和開裂。實施例l，首先將鋼錠加熱至117(TC保溫3小時后壓鉗把，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，另一支繼續進行拔長操作至成品規格300mmX790mmX5000mm;返爐的一支鋼錠在1170。C保溫120min后進行鐓粗及拔長至成品規格450mmX790mmX3500mm;模塊鍛后風冷至室溫，并在600"C進行回火處理。模塊最終硬度為HRC3234，硬度均勻，厚度高達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。以上結果顯示微合金化技術在大型塑料模具鋼方面的研究取得了突破性進展，首次實現了超厚截面鍛造模塊的非調質化，取消了調質處理工序，節省了能耗，降低了制造成本，為用戶提供了物美價廉的產品，從而進一步提高了大型塑料模具鋼的市場競爭力。權利要求1.超厚非調質塑料模具鋼，其成分質量百分比為，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；其組織狀態是貝氏體。全文摘要超厚非調質塑料模具鋼，其成分質量百分比為，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；其組織狀態是貝氏體。本發明克服預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質塑料模具鋼軋制成形厚度小的缺點，保證了大截面模具鋼能夠獲得貝氏體組織及預硬化塑料模具鋼所要求達到的硬度HRC30～36，并采用鍛造的方式進行熱加工成形，控制鍛后的冷卻速度，實現了厚度超過300mm的超厚塑料模具鋼的非調質化。文檔編號C21D8/00GK101096743SQ20061002819公開日2008年1月2日申請日期2006年6月27日優先權日2006年6月27日發明者劉笑蓮,吳曉春,張洪奎,徐明華,汪宏斌,維續,毅羅,輝羅,閔永安申請人:寶山鋼鐵股份有限公司