專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種塑料模具鋼及其制造工藝，尤其涉及一種銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼及其制造工藝。
背景技術(shù)：
：針對(duì)高硬度和高拋光性要求的塑料模具，如燈具、家電用面板等，曰本大同鋼鐵公司研究開(kāi)發(fā)了NAK80鋼。該鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表l，其特征是含有3%左右的鎳、1.0%鋁和1.0%銅。鋼板經(jīng)過(guò)熱加工(軋制或者鍛造)后，于900950°C固溶淬火熱處理，再在500°C時(shí)效，析出細(xì)小的Ni3Al中間化合物和s-Cu相。這些相一方面能夠提高鋼的硬度，從而改善拋光性能，同時(shí)還能夠改善鋼的切削加工性能。鉬和鉻的作用是一方面改善耐腐蝕性能，另一方面提高鋼的淬透性。表1NAK80的化學(xué)成分(wt%)、交貨狀態(tài)和交貨硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>該鋼己經(jīng)在中國(guó)市場(chǎng)上廣泛使用，用來(lái)制造高硬度、高拋光性要求的塑料模具。從用戶(hù)使用角度看，該鋼即使是在高硬度(HRC3743)條件下，仍然具有良好的切削加工性能。存在的問(wèn)題是鋼中鋁含量太高，導(dǎo)致鋼中氧化鋁夾雜多。另外鎳含量太高，導(dǎo)致鋼板芯部偏析。兩者均會(huì)影響拋光性能。從鋼板的生產(chǎn)技術(shù)角度看，一是鋼中含有1%左右的鋁，鋼中容易形成高熔點(diǎn)的氧化鋁夾雜，澆鑄時(shí)易產(chǎn)生結(jié)瘤，影響澆鑄質(zhì)量。另一方面，鋼板在熱加工后還需要固溶(淬火)處理，使得大截面鋼板在淬火過(guò)程中一方面由于截面溫差導(dǎo)致的截面應(yīng)力大，經(jīng)常出現(xiàn)淬火開(kāi)裂現(xiàn)象，另一方面，截面硬度分布均勻性差。從鋼板的制造成本看，由于含有3%左右的鎳，使得合金成本顯著增加。3另外，大截面鋼板的固溶(淬火)處理也會(huì)增加制造成本和延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，造成環(huán)境污染，不利于綠色環(huán)保。因此，高硬度塑料模具鋼的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是，降低合金和制造成本、縮短制造周期，避免鋼中大量氧化鋁夾雜存在，影響澆鑄質(zhì)量及降低高合金元素含量，減少板坯截面的合金元素偏析現(xiàn)象.2004年曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)專(zhuān)利檢索，發(fā)現(xiàn)了1篇有關(guān)硬度為HRC3842的韓國(guó)專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)KR9101111B)。最近追加檢索發(fā)現(xiàn)，2004年10月上海交通大學(xué)申請(qǐng)了一項(xiàng)"一種塑料模具鋼的貝氏體淬火方法"的專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)200410017025.9)，其化學(xué)成分、交貨狀態(tài)和硬度如表2所示?？梢?jiàn)，其交貨硬度和目前使用的NAK80相當(dāng)。表2具有高硬度(HRC3743)的塑料模具鋼專(zhuān)利化學(xué)成分(wt%)和交貨狀態(tài)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>KR9101111B專(zhuān)利不使用鎳和銅，但顯著增加了鉻和鉬兩合金元素含量，因此合金元素成本依然很高。該專(zhuān)利也不使用高鋁，因此可以避免如NAK80鋼中那樣過(guò)多氧化鋁夾雜的產(chǎn)生。依靠淬火+回火得到回火馬氏體組織，獲得高硬度HRC3842。由于無(wú)改善切削加工性能的細(xì)小析出相，如Ni3Al金屬間化合物和s-Cu相，該鋼的切削加工性能不好。另外，由于碳和鉬屬于易偏析元素，其含量太高，將導(dǎo)致鋼板芯部偏析組織的出現(xiàn)，拋光時(shí)容易出現(xiàn)水波紋。另外由于碳含量太高，焊補(bǔ)性能差。200410017025.9專(zhuān)利只是將傳統(tǒng)的P20塑料模具鋼通過(guò)直接淬火,再施加回火獲得硬度HRC3941，因此合金成本低。但是，回火溫度不能超過(guò)300°C，否則硬度將達(dá)不到HRC3941。該回火溫度遠(yuǎn)低于模具的氮化溫度450530°C。因此，當(dāng)模具需要表面氮化時(shí)，硬度將明顯下降。因此該專(zhuān)利不能適合于需要表面氮化處理的塑料模具。另外，該專(zhuān)利和上述專(zhuān)利KR9101111B一樣，由于碳含量太高，容易導(dǎo)致鋼板芯部偏析，出現(xiàn)拋光水波紋，焊補(bǔ)性能差，切削加工性能不好。兩專(zhuān)利的另外一個(gè)技術(shù)缺點(diǎn)是需要再加熱固溶淬火處理。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，是通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，在獲得.高硬度、高拋光性塑料模具的同時(shí)，降低鋼中鋁含量；降低鋼中碳、鉬含量，減小板坯芯部偏析現(xiàn)象，并且降低高硬度和高拋光性塑料模具鋼的制造成本。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明在"一種大截面貝氏體塑料模具鋼的制造方法"(CN200410053281.3)專(zhuān)利基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高鉻和錳含量，同時(shí)添加1.5%左右的鎳和0.50%左右的銅，在熱加工后直接空冷，也就是不需要再加熱淬火即可以使厚度達(dá)500mm的鋼板整個(gè)截面獲得均勻的貝氏體組織。然后在450600。C回火，使大截面鋼板在貝氏體基體組織基礎(chǔ)上，析出細(xì)小的s-Cii相。該鋼的硬度范圍為HRC3743，可以達(dá)到和NAK80同等硬度。表3為本發(fā)明例成分和對(duì)比發(fā)明專(zhuān)利成分比較。表3本發(fā)明成分和CN200410053281.3專(zhuān)利成分比較，wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明的技術(shù)方案，其化學(xué)成分如下(重量％):0.080.18%C,0.150,.50%Si，1.22.0%Mn，0.050.20%V，1.21.9%Cr，0.150.50%Mo，幼.02%P，幼.01%S，1.22.(〕％Ni，0.501,0%Cu，幼.0濯，0.0050.025%H，00.0050%Ca，0.010.04%A1。其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其優(yōu)選組成如下(重量％):0.100.16%C,0.150.40%Si，1.501.80%Mn，0.060.12%V,1.401.80%Cr，0.250.40%Mo，《0.02%P，幼.01%S，1.31.7%Ni，0.650.80%Cu，幼.01%N，0.0100.025%Ti，00.0050%Ca,0.010.0楊1。其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，本發(fā)明鋼選擇化學(xué)成分范圍的原因如下C:0.080.18%，是保證獲得粒狀貝氏體組織和硬度為服C3743的重要元素。太低，不能保證獲得粒狀貝氏體組織和所要求的硬度。太高，會(huì)導(dǎo)致板坯中心偏析嚴(yán)重，形成芯部馬氏體組織。Si:0.150.50%，適當(dāng)硅含量可以幫助脫氧，并和鈣鋁一起形成硅酸鹽，有助于改善切削加工性能。但太高的硅含量會(huì)提高馬氏體淬透性，形成芯部馬氏體組織。Mn:1.22.0%，是獲得粒狀貝氏體組織和硬度為HRC3743的重要合金元素。太低，難于保證大截面板坯均獲得粒狀貝氏體組織和上述硬度。太高，會(huì)導(dǎo)致板坯中心偏析嚴(yán)重，形成芯部馬氏體組織。V:0.050.20%，加入V有利于獲得扁平的貝氏體相變曲線(xiàn)，從而保證組織和硬度不受冷卻速度變化而變化。此外，利用V在鍛/軋后從基體組織中析出細(xì)小的碳氮化物，以提高鋼的硬度和強(qiáng)度。但V〉0.20。/。將嚴(yán)重降低鋼的塑性和韌性。Cr:l.2l.9%，加入鉻，一方面能夠提高鋼的碌度，另一方面能夠改善鋼的耐腐蝕性能。此外，鉻也是貝氏體相變促進(jìn)元素。但太高的鉻和錳同時(shí)加入鋼中，會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)(;r-Mn復(fù)合氧化物形成，在熱加工過(guò)程中形成表面裂紋。Mo:O.150.50%，強(qiáng)烈促進(jìn)貝氏體相變，并保證扁平的貝氏體相變曲線(xiàn)，有助于大截面板坯獲得均勻的組織和硬度分布。但當(dāng)鉬含量大于0.50%時(shí)，會(huì)形成特殊碳化物，影響了對(duì)貝氏體相變的促進(jìn)作用。Ti:0.0100.025%，微鈦處理對(duì)于不施行后續(xù)淬火處理的鋼在加熱過(guò)程中阻止晶粒的長(zhǎng)大有明顯幫助。同時(shí)，對(duì)高鉻鋼可以避免低熔點(diǎn)Cr-Mn復(fù)合氧化物形成，防止表面裂紋產(chǎn)生。但其含量不能夠太高，不然TiN顆粒粗大，不僅不能夠阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，而且會(huì)損害鋼的切削加工性能。Ca:00.0050%，鈣處理可以控制硫化物形態(tài)，并且通過(guò)氧化物-硫化物復(fù)合，可以改善切削加工性能。NS0.01%，屬于控制元素，不然會(huì)和鋁一起形成氮化鋁，使鋼的熱加工性能惡化。Al:0.010.04%，適當(dāng)鋁含量可以幫助脫氧，并和鈣、硅一起形成硅酸鹽，有助于改善切削加工性能。另外，由于鋁的氧化能力比鉻強(qiáng)，它的加入可以避免低熔點(diǎn)Cr-Mn復(fù)合氧化物形成，防止表面裂紋產(chǎn)生。但太高的鋁含量會(huì)形成氮化鋁，使鋼的熱加工性能惡化。Ni:1.22.0%，適當(dāng)?shù)逆嚭靠梢源龠M(jìn)貝氏體組織轉(zhuǎn)變，并改善鋼的韌性，但太高的鎳含量會(huì)增加合金成本。Cu:O.501.0%，提高銅含量可以增加析出硬化效果，在提高硬度的同時(shí)，改善鋼的切削加工性能.但銅含量在1%以上時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響鋼的熱加工性能,導(dǎo)致熱裂紋出現(xiàn).PSO.02°/^DS:^).01%，盡量降低該兩雜質(zhì)元素含量，以降低偏析。本發(fā)明的塑料模具鋼的制造工藝，包括如下步驟在熱加工工藝后直接空冷，再施以450600。C回火。本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果用本發(fā)明鋼制造的大截面鋼板，在整體硬度水平和NAK80一樣情況下，硬度分布的均勻性更好，耐腐蝕能力也更好，拋光性能相當(dāng)。由于本發(fā)明鋼減少了至少一半的鎳含量，而且免去了固溶淬火處理工序，因此本發(fā)明鋼比對(duì)比NAK80鋼的合金成本和制造成本更低，而且制造工藝更簡(jiǎn)單、制造周期更短，環(huán)境污染更小。圖1為本發(fā)明鋼的CCT曲線(xiàn)；圖2(a)圖2(e)示出了本發(fā)明鋼板回火前后截面硬度分布；圖3(a)為本發(fā)明500,1/4板寬-1/4板厚鋼板截面的貝氏體組織示意圖；圖3(b)為本發(fā)明500mmt/2板寬-1/2板厚鋼板截面的貝氏體組織示意圖；圖4(a)、圖4(b)示出了本發(fā)明鋼板在53(TC回火e-Cu析出相。具體實(shí)施方式根據(jù)上述合金成分設(shè)計(jì)思路，在試驗(yàn)室冶煉了5爐鋼，澆鑄成100kg鋼錠，其化學(xué)成分如表4所示。為比較，同時(shí)示出了對(duì)比NAK80鋼的化學(xué)成分。將鋼錠鍛造加工成150x300mm試樣，分別進(jìn)行空冷和砂冷至室溫，然后在530°C左右進(jìn)行回火。對(duì)試驗(yàn)板坯的整個(gè)截面部位截取金相樣，進(jìn)行組織觀(guān)察和硬度測(cè)定。之所以分空冷和砂冷，主要是考察所設(shè)計(jì)鋼的硬度對(duì)冷卻速率的敏感性。金相組織觀(guān)察表明，所有發(fā)明例鋼在兩種冷卻條件下均獲得了貝氏體組織。硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼整個(gè)截面在兩種冷卻條件下均獲得了基本同等的硬度(服C3743)，如表5所示。表4本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比例鋼的化學(xué)成分，wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表5實(shí)施例鋼在空冷和砂冷條件下的硬度，HRC<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>為了研究本發(fā)明鋼在熱加工后的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定了其動(dòng)態(tài)CCT曲線(xiàn)。均熱溫度1200。Cxl0min，冷卻至1100°C施以0.20的應(yīng)變，再冷卻至1050。C施以0.30的應(yīng)變，再以不同冷卻速率冷卻至室溫，觀(guān)察組織，并測(cè)定硬度。得到的CCT曲線(xiàn)如圖1所示。本發(fā)明鋼的貝氏體開(kāi)始相變溫度在冷速0.055°C/s范圍內(nèi)變化很小，為390400。C。應(yīng)該注意的是，冷速0.05°C/s相當(dāng)于500mm厚鋼板心部冷卻速率。從奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)也可以看出，根據(jù)本發(fā)明鋼制造的鋼板在熱加工后直接空冷即可以獲得硬度HV373413，相當(dāng)于服C3640。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)530。C的時(shí)效硬化處理，通過(guò)s-Cu相的均勻析出，即可以獲得硬度服C3743。這說(shuō)明，利用本發(fā)明成分制造的500mm厚大截面鋼板，其整個(gè)截面獲得均勻的貝氏體組織和硬度。根據(jù)上述成分設(shè)計(jì)原則及試驗(yàn)室小爐冶煉和熱模擬工作，進(jìn)行了工業(yè)性試制。生產(chǎn)流程為轉(zhuǎn)爐冶煉、LF+RH精煉，模鑄，鋼錠均熱、初軋、軋后單張板空冷，然后在530。(:溫度下回火。試驗(yàn)板坯厚度為100和500鵬，其化學(xué)成分如表6所示。剖析了板坯整個(gè)橫截面在回火前后的硬度分布，如圖2(a)(e)所示。表6工業(yè)試制的本發(fā)明鋼熔煉成分，wt%cSiMnCrMoVNiriAlCu其它0.1390.3361.701.710.320扁1.450.0150.0150.65P:0.016，S:0.001,Ca:0.001比較回火前后的硬度變化，可以看出，本發(fā)明鋼即使是500mm厚鋼板，在53(TC回火后硬度提高了2HRC左右，最低硬度從回火前的HRC35提高到HRC37，而且硬度分布的均勻性也改善了。比較同等厚度的本發(fā)明鋼和對(duì)比NAK80，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明鋼硬度分布的均勻性明顯提髙。組織觀(guān)察表明，用本發(fā)明鋼生產(chǎn)的厚度達(dá)500mra的大截面獲得了均勻的貝氏體組織，如圖3(a)、圖3(b)所示。利用透射電子顯微鏡進(jìn)行的組織分析表明，回火后有細(xì)小s-Cu相析出，如圖4(a)、圖4(b)所示。這也是回火后硬度提高的重要原因。塑料模具鋼在使用過(guò)程中不可避免和大氣或者潮濕氣氛接觸，而容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這將影響模具表面光澤度和塑料制品的表面質(zhì)量。一般而言，鋼的耐點(diǎn)蝕能力可以用鉻當(dāng)量Cr(eq)《r+3.3Mo+0.5Ni來(lái)表示。本發(fā)明鋼的鉻當(dāng)量比NAK80高0.50，這預(yù)示本發(fā)明鋼的耐點(diǎn)蝕能力比NAK80更好。利用金剛石砂布對(duì)本發(fā)明鋼生產(chǎn)的塑料模具鋼板和從日本進(jìn)口的NAK80進(jìn)行手工拋光試驗(yàn)，以比較兩者的拋光性能，測(cè)試結(jié)果如表7所示。表7本發(fā)明鋼和NAK80手工拋光試驗(yàn)的表面粗糙度RaUm)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可以看出，本發(fā)明鋼和NAK80拋光后的表面粗糙度相差不大，表明兩鋼的拋光性能相當(dāng)，而且都達(dá)到了鏡面效果(Ra幼.05咖)。通過(guò)上述實(shí)施例及效果分析可以發(fā)現(xiàn)，用本發(fā)明鋼制造的大截面鋼板，在整體硬度水平和NAK80—樣情況下，硬度分布的均勻性更好，耐腐蝕能力也更好，拋光性能相當(dāng)。由于本發(fā)明鋼減少了至少一半的鎳含量，而且免去了固溶淬火處理工序，因此本發(fā)明鋼比對(duì)比NAK80鋼的合金成本和制造成本更低，而且制造工藝更簡(jiǎn)單、制造周期更短，環(huán)境污染更小。本發(fā)明鋼的合金成本低，不需要淬火處理，熱加工后空冷，再施以450600。C回火，就可以使厚度達(dá)500mm板坯獲得硬度HRC3743。大截面的組織和硬度分布均勻，有一定的耐腐蝕能力。其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、周期短。因此，本發(fā)明鋼特別適用于制造硬度均勻的大截面塑料模具，取代進(jìn)口產(chǎn)品NAK80，用于制造硬度和拋光性要求高的塑料模具。從而可以為國(guó)家節(jié)省外匯，降低中國(guó)模具用戶(hù)的原材料成本，帶來(lái)了良好的社會(huì)效益。權(quán)利要求1.一種銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼，其特征在于，其重量百分比組份包括C0.08～0.18％，Si0.15～0.50％，Mn1.2～2.0％，V0.05～0.20％，Cr1.2～1.9％，Mo0.15～0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni1.2～2.0％，Cu0.50～1.0％，N≤0.01％，Ti0.005～0.025％，Ca0～0.0050％，Al0.01～0.04％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2.如權(quán)利要求l所述的銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼，其特征在于:其重量百分比組份包括C0.100.16d/q，Si0.150.40fl/o，Mn1.501.80%，V0.060.12%，Cr1.401.80，Mo0.250.40%,P幼.02%，S幼.01%，Ni1.31.7%，Cu0.650.80%，n幼.01%，Ti0.0100.025%，Ca00.0050%,Al0.010.04%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。3.如權(quán)利要求1所述的銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼的制造工藝，其特征在于在熱加工工藝后直接空冷，再施以45060(TC回火。全文摘要一種銅時(shí)效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼及其制造工藝，其化學(xué)成分如下(重量％)C0.08～0.18％，Si0.15～0.50％，Mn1.2～2.0％，V0.05～0.20％，Cr1.2～1.9％，Mo0.15～0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni1.2～2.0％，Cu0.50～1.0％，N≤0.01％，Ti0.005～0.025％，Ca0～0.0050％，Al0.01～0.04％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明制造工藝為在熱加工工藝后直接空冷，再施以450～600℃回火。本發(fā)明硬度可達(dá)HRC37～43，在獲得高硬度、高拋光性塑料模具的同時(shí)降低了氧化鋁夾雜及合金元素含量，并且降低了制造成本。文檔編號(hào)C22C38/50GK101161850SQ20061011701公開(kāi)日2008年4月16日申請(qǐng)日期2006年10月11日優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日發(fā)明者蔚華,江來(lái)珠申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司