一种高韧性高镜面预硬模具钢及其制造工艺的制作方法

本发明涉及模具钢技术领域，具体为一种高韧性高镜面预硬模具钢及其制造工艺。

背景技术：

模具加工成型具有生产效率高、质量好、节约材料和成本低等一系列优点，应用范围及其广泛，在目前工业体系下使用最多的模具为塑料模具，广泛用于家电、汽车、通信等领域，发展趋势是大型化和高抛光性能，对模具的抛光性、硬度均匀性、韧性等提出越来越高的要求，目前使用较多的塑料模具钢为p20、1.2738、nak80、1.2343等，前二者可以进行坯料(一般为模块)的工业调质热处理，硬度多控制在32-36hrc之间，使用硬度偏低、模具抛光性及焊接性能差；nak80的预硬硬度可达38-40hrc之间，然而其塑韧性差、大型模具的硬度均匀性及淬透性不能得到有效保证；1.2343多为退火态坯料，需要客户自行热处理，机加工难度大，模具的生产周期及生产成本均受到影响，因此开发高韧性高镜面焊接性良好的高硬度预硬型模具钢，以替代进口nak80、1.2738模具钢，提升我国模具制造水平是十分必要的。

本发明通过设计mn-cr-ni-mo复合合金化充分提高模具钢的淬透性，保证模具钢硬度及均匀性，并具有优越的抛光性能和一定的耐蚀性，改善模具钢的塑韧性和强度；降低c含量可提高模具钢的韧性、耐蚀性和焊接性能，实现预硬型模具钢的易加工性，从而获得更佳的综合性能，本发明是具有高硬度与均匀性、抛光性能高、冲击韧性优越、淬透性优良、机加工性能优异、耐蚀性出色的预硬化型塑料模具钢。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高韧性高镜面预硬模具钢及其制造工艺，解决了现有模具钢硬度偏低、模具抛光性及焊接性能差，塑韧性差、大型模具的硬度均匀性及淬透性不能得到有效保证，需要客户自行热处理，机加工难度大，模具的生产周期及生产成本均受到影响的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高韧性高镜面预硬模具钢，其原料按重量份比包括：c0.08-0.18份、si0.1-0.5份、mn2.2-3.0份、cr2.5-3.3份、mo0.1-0.5份、ni0.7-1.5份、v0.1-0.25份、p0.01-0.02份、s0.0005-0.002份和fe余量。

优选的，其原料包括如下组分：c0.12份、si0.25份、mn2.5份、cr3.1份、mo0.4份、ni0.9份、v0.1份、p0.015份、s0.001份和fe余量。

优选的，其原料包括如下组分：c0.14份、si0.28份、mn2.6份、cr2.9份、mo0.3份、ni1.0份、v0.1份、p0.016份、s0.0005份和fe余量。

优选的，其原料包括如下组分：c0.15份、si0.3份、mn2.4份、cr2.8份、mo0.3份、ni0.9份、v0.1份、p0.014份、s0.0005份和fe余量。

本发明还公开了一种高韧性高镜面预硬模具钢的制造工艺，具体包括以下步骤：

s1、配料冶炼：将配好的废钢和铁合金原料采用转炉、电炉或感应炉进行熔炼，熔炼结束后采用挡渣并加入相应重量比份的脱氧剂进行出钢；

s2、钢包精炼：通过lf精炼调整合金成分，并加入相应重量比份的脱氧剂和精炼渣进行脱氧和脱硫，控制s小于等于0.003％；

s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气装备降低钢液中n、h、o气体元素含量，真空度为50-67pa、脱气时间大于等于20min，然后采用下注法将钢液浇注为需要的锭型；

s4、电渣重熔：对高抛光性要求的模具材料通过电渣重熔工艺进行进一步提纯，从而提高钢的纯净度使硫含量降低至0.002％以下，并改善钢锭致密性和组织均匀性；

s5、锻造及退火：将钢锭加热至1180-1250℃进行保温，保温时间不少于10h，始锻温度1150-1180℃，总锻比不小于6，终锻温度不小于830℃，锻后进行空冷或风冷；

s6、退火：冷却到一定温度后装炉进行退火，加热温度为600-700℃之间，保温时间不少于15h，然后炉冷至400℃以下出炉；

s7、调质热处理：在840-910℃的温度下保温10h以上，出炉水冷或油冷至表面温度在200℃以下，再装入回火炉进行回火，回火温度为450-520℃之间，单次回火时间不少于20h，回火次数不少于2次，回火保温结束后出炉进行空冷或风冷，从而制得高韧性高镜面预硬模具钢。

优选的，所述步骤s1和步骤s2中脱氧剂为硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石或碳化硅中的一种或多种的组合。

优选的，采用炉外精炼或电渣重熔方式进行熔炼，浇铸成钢锭，对钢锭进行缓冷或800-900℃保温退火处理。

优选的，所述步骤s8中经过调质热处理后，模具材料硬度为38-43hrc，截面硬度控制在2hrc内，芯部横向无缺口冲击韧性不小于330j，抗拉强度不小于1250mpa，抛光性能和塑韧性优良，较718、nak80等常用预硬模具钢具有良好的焊接和耐蚀性能。

(三)有益效果

本发明提供了一种高韧性高镜面预硬模具钢及其制造工艺。与现有技术相比具备以下有益效果：该高韧性高镜面预硬模具钢及其制造工艺，其原料按重量份比包括：c0.08-0.18份、si0.1-0.5份、mn2.2-3.0份、cr2.5-3.3份、mo0.1-0.5份、ni0.7-1.5份、v0.1-0.25份、p0.01-0.02份、s0.0005-0.002份和fe余量，可实现通过利用mn-cr-ni-mo复合合金化充分提高模具钢的淬透性，保证模具钢硬度及均匀性，结合洁净化熔炼和多向锻造技术模具钢具有优越的抛光性能和一定的耐蚀性，并改善模具钢的塑韧性和强度，降低c含量可提高模具钢的韧性、耐蚀性和焊接性能，实现预硬型模具钢的易加工性，从而获得更佳的综合性能，与现有技术相比具有高硬度与均匀性、抛光性能高、冲击韧性优越、淬透性优良、机加工性能优异、耐蚀性出色的预硬型塑料模具钢，本发明钢种制作模具在工业条件下可抛光至10000目以上，而nak80和718制成模具可抛光至5000-8000目，发明钢种表现出了优异的抛光性能，为我国模具行业提供高韧性高镜面预硬模具钢，提升我国模具制造水平和市场竞争力。

附图说明

图1为本发明高韧性高镜面预硬模具钢的金相组织示意图；

图2为本发明高韧性高镜面预硬模具钢的淬透性示意图；

图3为本发明高韧性高镜面预硬模具钢的力学性能示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明实施例提供三种技术方案：一种高韧性高镜面预硬模具钢的制造工艺，具体包括以下实施例：

实施例1

高韧性高镜面预硬模具钢的原料包括如下组分：c0.12份、si0.25份、mn2.5份、cr3.1份、mo0.4份、ni0.9份、v0.1份、p0.015份、s0.001份和fe余量。

s1、配料冶炼：将配好的废钢和铁合金原料采用转炉、电炉或感应炉进行熔炼，熔炼结束后采用挡渣并加入相应重量比份的脱氧剂进行出钢；

s2、钢包精炼：通过lf精炼调整合金成分，并加入相应重量比份的脱氧剂和精炼渣进行脱氧和脱硫，控制s为0.003％，脱氧剂为硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石和碳化硅的组合物；

s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气装备降低钢液中n、h、o气体元素含量，真空度为60pa、脱气时间20min，然后采用下注法将钢液浇注为需要的锭型；

s4、电渣重熔：对高抛光性要求的模具材料通过电渣重熔工艺进行进一步提纯，从而提高钢的纯净度使硫含量降低至0.002％，并改善钢锭致密性和组织均匀性；

s5、锻造及退火：将钢锭加热至1200℃进行保温，保温时间10h，始锻温度1160℃，总锻比为6，终锻温度为830℃，锻后进行空冷或风冷；

s6、退火：冷却到一定温度后装炉进行退火，加热温度为650℃，保温时间为15h，然后炉冷至400℃出炉；

s7、调质热处理：在860℃的温度下保温10h，出炉水冷或油冷至表面温度在200℃，再装入回火炉进行回火，回火温度为480℃，单次回火时间为20h，回火次数为2次，回火保温结束后出炉进行空冷或风冷，从而制得高韧性高镜面预硬模具钢，经过调质热处理后，模具材料硬度为38hrc，截面硬度控制在2hrc内，芯部横向无缺口冲击韧性为370j，抗拉强度为1250mpa。

实施例2

高韧性高镜面预硬模具钢的原料包括如下组分：c0.14份、si0.28份、mn2.6份、cr2.9份、mo0.3份、ni1.0份、v0.1份、p0.016份、s0.0005％份和fe余量。

s1、配料冶炼：将配好的废钢和铁合金原料采用转炉、电炉或感应炉进行熔炼，熔炼结束后采用挡渣并加入相应重量比份的脱氧剂进行出钢；

s2、钢包精炼：通过lf精炼调整合金成分，并加入相应重量比份的脱氧剂和精炼渣进行脱氧和脱硫，控制s为0.003％，脱氧剂为硅铝钡钙铁和碳化硅的组合物；

s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气装备降低钢液中n、h、o气体元素含量，真空度为50pa、脱气时间为25min，然后采用下注法将钢液浇注为需要的锭型；

s4、电渣重熔：对高抛光性要求的模具材料通过电渣重熔工艺进行进一步提纯，从而提高钢的纯净度使硫含量降低至0.001％，并改善钢锭致密性和组织均匀性；

s5、锻造及退火：将钢锭加热至1180℃进行保温，保温时间为15h，始锻温度1150℃，总锻比为7，终锻温度为840℃，锻后进行空冷或风冷；

s6、退火：冷却到一定温度后装炉进行退火，加热温度为600℃，保温时间为16h，然后炉冷至350℃出炉；

s7、调质热处理：在840℃的温度下保温11h，出炉水冷或油冷至表面温度在150℃，再装入回火炉进行回火，回火温度为450℃，单次回火时间为22h，回火次数为1次，回火保温结束后出炉进行空冷或风冷，从而制得高韧性高镜面预硬模具钢，经过调质热处理后，模具材料硬度为41hrc，截面硬度控制在2hrc内，芯部横向无缺口冲击韧性为340j，抗拉强度为1310mpa。

实施例3

高韧性高镜面预硬模具钢的原料包括如下组分：c0.15份、si0.3份、mn2.4份、cr2.8份、mo0.3份、ni0.9份、v0.1份、p0.014份、s0.0005份和fe余量。

s1、配料冶炼：将配好的废钢和铁合金原料采用转炉、电炉或感应炉进行熔炼，熔炼结束后采用挡渣并加入相应重量比份的脱氧剂进行出钢；

s2、钢包精炼：通过lf精炼调整合金成分，并加入相应重量比份的脱氧剂和精炼渣进行脱氧和脱硫，控制s为0.002％，脱氧剂为硅铝钡钙铁；

s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气装备降低钢液中n、h、o气体元素含量，真空度为67pa、脱气时间为30min，然后采用下注法将钢液浇注为需要的锭型；

s4、电渣重熔：对高抛光性要求的模具材料通过电渣重熔工艺进行进一步提纯，从而提高钢的纯净度使硫含量降低至0.0005％，并改善钢锭致密性和组织均匀性；

s5、锻造及退火：将钢锭加热至1250℃进行保温，保温时间为12h，始锻温度1180℃，总锻比为8，终锻温度为850℃，锻后进行空冷或风冷；

s6、退火：冷却到一定温度后装炉进行退火，加热温度为700℃，保温时间为18h，然后炉冷至200℃出炉；

s7、调质热处理：在880℃的温度下保温15h，出炉水冷或油冷至表面温度在100℃，再装入回火炉进行回火，回火温度为520℃，单次回火时间为24h，回火次数为2次，回火保温结束后出炉进行空冷或风冷，从而制得高韧性高镜面预硬模具钢，经过调质热处理后，模具材料硬度为40hrc，截面硬度控制在2hrc内，芯部横向无缺口冲击韧性为350j，抗拉强度为1290mpa。

本发明中，采用炉外精炼或电渣重熔方式进行熔炼，浇铸成钢锭，对钢锭进行缓冷或800-900℃保温退火处理。

综上所述

本发明可实现通过利用mn-cr-ni-mo复合合金化充分提高模具钢的淬透性，保证模具钢硬度及均匀性，结合洁净化熔炼和多向锻造技术模具钢具有优越的抛光性能和一定的耐蚀性，并改善模具钢的塑韧性和强度，降低c含量可提高模具钢的韧性、耐蚀性和焊接性能，实现预硬型模具钢的易加工性，从而获得更佳的综合性能，与现有技术相比具有高硬度与均匀性、抛光性能高、冲击韧性优越、淬透性优良、机加工性能优异、耐蚀性出色的预硬型塑料模具钢，本发明钢种制作模具在工业条件下可抛光至10000目以上，而nak80和718制成模具可抛光至5000-8000目，发明钢种表现出了优异的抛光性能，为我国模具行业提供高韧性高镜面预硬模具钢，提升我国模具制造水平和市场竞争力。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。