專利名稱：一種耐腐蝕鏡面塑料擠壓模具鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及冶金鋼鐵材料制造技術領域，屬于模具鋼類。
背景技術：
為了生產強化工程塑料制品(如加入纖維強化的熱塑性工程塑料制品)用的或熱固性塑料擠壓成形用的模具，宜采用耐磨性好的模具鋼，當生產量較大時一般選用4Cr5MoSiV1、Cr12MoV、Cr12MoV1等鋼種制造，經淬火回火后使用。為了提高塑料制品的光潔度，提高擠壓模具的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命，一般對模具采用表面處理或選用塑料模具鋼制備模具。如選用2Cr13、3Cr17NiMoV等，但由于2Cr13耐氯離子腐蝕能力不足，使用過程中容易產生點狀缺陷而導致模具失效，國內用于制造這種高精尖塑料擠壓模具鋼主要依賴瑞典、日本等國家的進口材料，但成本極高。國內市場急需高級別耐腐蝕鏡面模具鋼，這種新型材料必須具備良好的機械加工性能和冷熱加工性能，以保證模具幾何尺寸精度；長期在200℃環境下服役具有良好的耐腐蝕性能，尤其是抗循環冷卻水中的氯離子腐蝕；具有良好的拋光性能，確保塑料制品的表面光潔度；模具經最終熱處理后的硬度要均勻(服役硬度RHC28～32)、具有良好的綜合力學性能、使用壽命比2Cr13提高50％以上。目前尚未查到與此相關的報道。
塑料模具鋼是國內發展得較滯后，到目前為止仍未成完整系列的鋼種。國內常用的塑料模具鋼仍然是含0.40～0.60％碳的碳素結構鋼，如45和40Cr，另外再以GCr15、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12、Cr12MoV等作補充。二十世界九十年代以后，國內先后開發了十余種新型塑料模具鋼。主要鋼種有 1.預硬化型塑料模具鋼 3Cr2Mo是國內較早開發的塑料模具鋼，與AISI P20相當，使用時一般是先進行預硬處理，然后再進行切削加工，該鋼適用于制造大、中型精密塑料模具，如電視機、洗衣機殼體等塑料模具，并已獲得較大量應用。除3Cr2Mo鋼外，國內先后開發的5CrNiMnMoVSCa(簡稱5NiSCa)、8Cr2MnMoVS(簡稱8Cr2)、40CrMnVBSCa(簡稱P20BSCa)、Y55CrNiMnMoV(代號SMI)等易切削型預硬塑料模具鋼，此類鋼不僅適用于制造大、中型精密注塑模具，還可用于制造精密冷作模具，但此類鋼存在的問題是抗腐蝕性能較差。
2.時效硬化型塑料模具鋼 根據制造高精度、復雜塑料模具的需要，國內先后開發了幾種時效硬化型塑料模具鋼，如10Ni3MnCuAl(代號PMS)、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3MnMo(代號SM2)、06Ni6CrMoVTiAl(代號06等)。此類鋼切削加工性能好，加工后再進行時效處理，由于時效溫度低，時效過后模具變形很小，所以適用于制造高精度、復雜的熱塑性塑料模具。其缺點是拋光性能較差。
3.耐蝕塑料模具鋼 當較大批量地生產聚氯乙烯、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品時，模具需要耐氟、氯等鹵元素氣體的腐蝕，為此需在模具表面鍍鉻或直接采用耐腐蝕鋼。國內開發的耐腐蝕塑料模具鋼0Cr16Ni4Cu3Nb(代號PCR)屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該鋼在含有氟、氯等離子的腐蝕性介質中的耐蝕性明顯優于17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)，適用于制造含氯、氟或混入阻燃劑的熱塑性塑料的注射模具。其缺點是冷熱加工性能較差。
4.非調質塑料模具鋼 非調質鋼在鍛、軋后即可達到預硬，不需再進行調質處理，為改善切削加工性能，有些鋼種還添加了適量的P、S和Ca。國內對非調質塑料模具鋼的開發較晚，25CrMnVTiSCaRe(代號FT)、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS即是近幾年開發的新鋼種。鍛、軋空冷后，FT鋼φ100圓鋼的硬度可以達到HRC30～35。主要存在問題是拋光性能和耐腐蝕性能不夠。
發明內容
本發明的目的是要解決現有塑料模具鋼綜合性能不夠，彌補上述材料的缺陷，提供一種具有較好的抗氧化性、熱強性和機械加工性能，以及較好的表面拋光性和耐500℃以下氯離子腐蝕性，使用壽命長、成型穩定性能好的新型耐腐蝕鏡面塑料擠壓模具鋼。
本發明的設計方案是新型耐腐蝕鏡面塑料擠壓模具鋼的配方，其化學成份重量百分比為C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr 13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量為Fe及微量雜質。
本發明的設計原理分析如下 鉻是不銹鋼的主要元素，對耐腐蝕性起決定性作用，隨著鉻含量的增加，不銹鋼在氧化性介質中耐腐蝕能力相應增加。鉻能有效地提高鋼的點蝕電位值，降低鋼對點蝕的敏感性，當鉻與鉬配合使用時，抗點效果更好。鉻是強鐵素體形成元素和縮小奧氏體區元素，對于馬氏體不銹鋼來說，鉻含量一般在10.50～18.00％之間，如果鉻含量過高，則固溶處理后將得不到全馬氏體組織(含有部分鐵素體組織)，而鐵素體的存在則會影響鋼的熱塑性，降低鋼的強度并惡化鋼的橫向韌性和鋼耐蝕性，另一方面，鉻是降低Ms點元素，因此本發明配方中加入了13.00～15.00％的鉻，以便提高鋼的抗腐蝕性能和淬透性，尤其是抗點腐蝕性能。
在馬氏體不銹鋼中對強度、韌性和耐腐蝕性都有利的合金元素是鉬，時效初期析出的富鉬析出物，在強化的同時保持鋼的韌性起著重要作用，由于鉬的存在也可以阻止析出相沿原奧氏體晶界析出，從而避免沿晶斷裂、提高了斷裂韌性。在某些還原性介質中鉬能促進鉻的鈍化作用，有效地抑制氯離子的點腐蝕傾向，提高鋼的抗晶間腐蝕能力。但過量加入會導致殘余奧氏體的形成，得不到全馬氏體組織，降低強度和耐腐蝕性，因此本發明配方中加入了1.80～2.50％的鉬。
銅和鉬是形成沉淀硬化相的強化元素，銅是一種較為弱的奧氏體形成元素，加入少量的銅不致于引起不銹鋼組織的明顯變化，經熱處理后以彌散細小的ε-Cu沉淀析出強化基體，在腐蝕介質中的氧化層下形成銅的富集層，它能阻止氧化鐵繼續向金屬內部深入，故在馬氏體不銹鋼中加入銅，能提高鋼在鹽酸和硫酸中的腐蝕性能和耐應力腐蝕能力，但過多的銅含量會引起熱加工時的銅脆，因此本發明配方中加入了0.80～1.20％的銅。
硅是強烈的強化鐵素體元素，硅對提高鐵基、鎳基耐蝕合金在氧化介質中的耐蝕性有明顯作用，在高溫下或在強氧化性介質中，鋼中加入一定的硅可在表面形成一層富硅的表面層SiO2，從而使鋼的抗氧化性和抗腐蝕能力顯著提高；鋼中加硅還可以抑制不銹鋼在氯離子介質中的點腐蝕傾向，但當硅含量達到4％時，鋼的脆性顯著升高，而使工業使用發生困難，因此本發明配方中的硅含量控制在0.80-1.20％之間。
碳、氮同為間隙元素和強奧氏體形成元素，對提高淬透性、高溫奧氏體穩定性和強度有一定的作用，細小的二次碳化物、氮化物是鋼的主要析出強化相，對改善拋光性能有一定的作用，但大顆粒的M(CN)容易形成硬點，使得鋼的時效硬度不均勻，M(CN)相界在氯離子介質中容易被腐蝕剝落而形成點腐蝕，宏觀上稱之為“麻點”，根據模具服役硬度的要求(HRC28-32)，碳、氮不宜過高，因此本發明配方中的碳含量應控制在0.18-0.26％之間，氮不大于0.0070％。
釩作為碳化物形成元素和鐵素體形成元素，在鋼中形成的MC可以細化晶粒和調整強度，但釩只能作為微量元素來控制(0.07～0.15％)，防止過多的碳化物析出聚集形成“硬點”而影響材料的加工性能和拋光性能。
磷、硫作為有害元素，希望在鋼中越少越好，硫降低了鋼的耐腐蝕性能，但控制過低的磷和硫，一則對工業化生產帶來困難，二則降低了鋼的拋光性能和機械加工性能。本發明方案是將磷、硫分別控制在0.015和0.008以下。
錳作為有害元素來控制，由于在Fe-Mn系合金中，錳可以在較寬的冷卻速度范圍內形成板條或塊狀馬氏體組織，所以Fe-Mn合金也為時效強化提高了良好的基礎，錳是擴大γ區的元素，在鋼中錳的穩定奧氏體組織的能力僅次于鎳，是強烈提高鋼的淬透性元素，但錳的加入會稍微降低鉻含量較低的不銹鋼的耐腐蝕性能。因此本發明方案的錳控制在0.20～0.40％之間。
鎳作為微量元素來控制，在鋼中具有極強的穩定奧氏體組織能力和擴大γ區的元素，對鋼的高溫強度、韌性和抗高溫腐蝕能力具有強效作用，但過多的鎳使鋼中殘余奧氏體增加，提高了生產成本，因而鎳控制在0.6％以下。
本發明模具鋼屬于中碳馬氏體不銹鋼，淬火狀態下殘留碳化物較少，有利于回火中析出大量彌散碳化物產生高的二次硬度和高溫強度；淬火回火時釩以M4C3型碳化物析出，提高了鋼的穩定性、二次硬度和高溫強度；具有較好的抗氧化性、熱強性和機械加工性能；特別是有較好的表面拋光性(可實現鏡面)和耐500℃以下氯離子腐蝕性。通過組織轉變、沉淀硬化和碳化物析出三種方式進行強化，經不同熱處理后能獲得不同要求的綜合性能，綜合了預硬化型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼的特點，使用壽命比2Cr13、X85CrMoV182、DIN1.2316、3Cr17NiMoV等不銹模具鋼更加優越。能廣泛用于制造高精尖塑料擠壓模具、工具、汽輪機葉片、閥門以及軸類件和緊固件等。
具體實施例方式 例1按500kg的鋼錠稱重化學成分配比(重量％)為C 0.90kg，Mn 1.00kg，Si 4.00kg，Cr 65.00kg，Mo 10.00kg，Cu 5.00kg，V 0.35kg，P 0.001kg，S 0.001kg，Ni 0.50kg，N 0.005kg，其余為Fe和不可避免的微量雜質。將上述配料采用電弧爐或感應爐+爐外精煉(LF/VD或VOD)+電渣重熔冶煉出的鋼錠，經鍛制開150～180mm方坯，高溫擴散退火，坯酸洗精整，再經鍛制或軋制成φ120mm以下成品鋼棒，并作退火或調質處理，探傷、檢驗、精整、檢查、入庫。
例2按500kg的鋼錠稱重化學成分配比(重量％)為C 1.10kg，Mn 1.50kg，Si 5.00kg，Cr 70.00kg，Mo 11.00kg，Cu 4.00kg，V 0.50kg，P 0.05kg，S 0.02kg，Ni 2.00kg，N 0.025kg，其余為Fe和不可避免的微量雜質。將上述配料采用電弧爐或感應爐+爐外精煉(LF/VD或VOD)+電渣重熔冶煉出的鋼錠，經鍛制開150～180mm方坯，高溫擴散退火，坯酸洗精整，再經鍛制或軋制成φ120mm以下成品鋼棒，并作退火或調質處理，探傷、檢驗、精整、檢查、入庫。
例3按500kg的鋼錠稱重化學成分配比(重量％)為C 1.50kg，Mn 2.00kg，Si 6.00kg，Cr 75.00kg，Mo 7.50kg，Cu 6.00kg，V 0.70kg，P 0.075kg，S 0.04kg，Ni 3.00kg，N 0.03kg，其余為Fe和不可避免的微量雜質。將上述配料采用電弧爐或感應爐+爐外精煉(LF/VD或VOD)+電渣重熔冶煉出的鋼錠，經鍛制開150～180mm方坯，高溫擴散退火，坯酸洗精整，再經鍛制或軋制成φ120mm以下成品鋼棒，并作退火或調質處理，探傷、檢驗、精整、檢查、入庫。
權利要求
1.一種耐腐蝕鏡面塑料擠壓模具鋼的配方，其特征是化學成分重量百分比為C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量為Fe及微量雜質。
全文摘要
本發明是一種耐腐蝕鏡面塑料擠壓模具鋼，其化學成分重量百分比為C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr 13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量為Fe及微量雜質。本發明屬于中碳馬氏體不銹鋼，淬火狀態下殘留碳化物較少，有利于回火中析出大量彌散碳化物產生高的二次硬度和高溫強度；淬火回火時釩以M4C3型碳化物析出，提高了鋼的穩定性、二次硬度和高溫強度；具有較好的抗氧化性、熱強性和機械加工性能；特別是有較好的表面拋光性和耐500℃以下氯離子腐蝕性，使用壽命長，能廣泛用于制造高精尖塑料擠壓模具、工具、汽輪機葉片、閥門以及軸類件和緊固件等。
文檔編號C22C38/46GK101624687SQ200810048359
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者陶惟佳 申請人:湖北新精冶金科技有限公司