一种瓶胚模具用Cr-Mo-V-N合金材料及其制备方法与流程

一种瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于塑料模具钢技术领域，具体涉及一种瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.模具钢是用来制造热锻模、冷冲模和压铸模等模具的钢种，塑料模具钢是一种用于制作塑料的模具钢。传统塑料模具钢在生产过程中往往会添加一些合金元素来提高塑料模具钢的性能，以满足塑料模具钢在不同工作环境下的性能要求，这样就导致了塑料模具钢的元素组成越来越多样化，同时生产出的不同批次模具钢的稳定性较差。
3.随着国内模具市场的发展，对于塑料模具的强度、耐腐蚀性、抛光性，特别是韧性等要求越来越高，同时对模具材料不同批次性能的稳定性有了更高的要求。
4.目前，国内高端塑料模具钢市场被进口高价产品占据，为摆脱国内关键模具材料长期受制于进口的困难局面，现有的塑料模具材料1.2316(3cr17nimo)、s136(4cr13系列产品)的综合性能已不能满足目前国内塑料模具的使用环境要求，特别是模具开裂问题，始终无法得到有效解决。
5.因此，如何寻找新的制备工艺，显著提升塑料模具钢的综合性能，特别是冲击韧性的提升，保证不同批次模具材料性能的稳定性，并解决模具开裂的问题，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料及其制备方法。本发明的技术目的在于，一是解决现有塑料模具钢综合性能较差，特别是冲击韧性较低的问题；二是解决现有塑料模具钢不同批次模具材料性能稳定性较差的问题；三是解决现有塑料模具钢容易开裂的问题。
7.本发明的目的之一是提供一种瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)按重量占比，取以下所需元素的原料c：0.15～0.30％；cr：13.00～15.00％；mo：0.80～1.30％；ni：0.20～1.00％；n：0.04～0.15％；v：0.20～0.35％；mn：0.20～1.00％，余量为fe及杂质；于非真空感应炉中初炼，熔炼温度为1520～1620℃，再经钢包精炼，熔炼温度为1560～1650℃，然后真空脱气精炼，所得钢液浇注成自耗电极；
9.(2)将自耗电极于保护气氛电渣炉中重熔精炼，制成电渣重熔锭；
10.(3)将电渣重熔锭进行高温均质化；
11.(4)将均质化后的钢锭锻造或轧制变形制成钢棒，总锻比≥7；
12.(5)对步骤(4)所得钢棒进行细化预备热处理，所述细化预备热处理的步骤包括：将钢棒加热至700℃
±
50℃，保温5小时以上，再加热至980℃
±
20℃保温2小时以上，快速冷却，再升温到720～750℃保温20小时以上，炉冷到400℃，出炉空冷；然后制备成品，即得。
13.本发明提供的上述制备方法，是充分考虑了瓶胚模具的使用环境特征：包括动态温度、动态载荷、酸碱度等，再根据影响材料延展性、韧性、断裂韧性综合因素，优化合金材料成分配比，再设计用lf炉+vd炉降低钢液中的氢、氧含量，解决材料基体氢、氧含量高的问题。用lf炉+vd炉+保护气氛电渣重熔工艺进一步降低钢液中的氧含量及提纯，同时通过保护气氛电渣逐降恒溶速技术，改善钢锭凝固结晶组织，从而提高钢材纯净度，降低枝晶偏析。更为重要的是，本发明通过高温均质化技术和预备热处理细化，最终解决了材料韧性差的问题，通过以上综合措施，大幅度提升了材料的使用寿命。所得成品经检测，h含量≤1.5ppm，o含量≤20ppm，各类夹杂物最严重视场4项之和≤3.0、综合力学性能(特别是冲击韧性)远超同类产品。
14.本发明不仅很好保持了瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料具备高强度、高耐腐蚀、高抛光性的特点，同时其冲击韧性得到了大幅度提高，而且不同批次模具材料的性能稳定性极好，各批次产品基本没有差别；同时该塑料模具钢的开裂度极低，完成500次试样制作，开裂度(以试样表面出现明显开裂)仅为0.2％，基本没有损坏，打破了国外技术封锁，能够很好替代现有产品(如s136、1.2316)。
15.进一步的是，步骤(1)中所述杂质按重量百分比计，包括：si≤0.50％、s≤0.006％、p≤0.025％、cu≤0.20％。
16.进一步的是，步骤(5)中将所得钢棒进行表面车光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品光亮钢棒。
17.进一步的是，步骤(1)中所述真空脱气精炼的真空度≤133pa。
18.进一步的是，步骤(2)中所述保护气氛为n2，所述电渣重熔的渣系组成为：caf2:al2o3:mgo＝75:20:5。
19.进一步的是，步骤(3)中所述高温均质化处理的温度为≥1200℃。
20.本发明的目的之二是提供由上述方法制备得到的瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料。
21.具体的，本发明提供的瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料按重量百分比计，包括以下元素组成：c：0.15～0.30％；cr：13.00～15.00％；mo：0.80～1.30％；ni：0.20～1.00％；n：0.04～0.15％；v：0.20～0.35％；mn：0.20～1.00％；si≤0.50％；s≤0.006％；p≤0.025％；cu≤0.20％，余量为fe。
22.本发明的瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料，室温拉伸性能为：抗拉强度rm≥1000n/mm2，屈服强度rp
0.2
≥850n/mm2，伸长率a4≥16％，断面收缩率z≥56％，冲击功akv≥26j/cm2，硬度hb290～330；室温无缺口冲击性能为：淬火硬度hrc：48～52，调质硬度hrc：47～52，无缺口冲击值≥405j/cm2。
23.本发明的试样热处理步骤及工艺参数如下：
24.1)室温拉伸、“v”型缺口冲击
25.淬火：加热温度≥1030℃，时间40分钟，冷却方式：油冷；
26.回火：加热温度≥690℃，时间120分钟，冷却方式：空冷。
27.试样室温拉伸、冲击试验要求如下：
28.抗拉强度rm≥1000n/mm2；
29.屈服强度rp
0.2
≥850n/mm2；
30.伸长率a4≥16％；
31.断面收缩率z≥56％；
32.冲击功akv≥26j/cm2；
33.硬度hr＝29～35。
34.2)室温无缺口冲击
35.淬火：加热温度≥1030℃，时间40分钟，冷却方式：油冷；
36.回火：加热温度200～400℃，时间120分钟，冷却方式：空冷(回火循环两次)。
37.试样室温无缺口冲击试验要求如下：
38.淬火硬度hrc：48～52；
39.调质硬度hrc：47～52；
40.无缺口冲击值≥405j/cm2。
41.本发明的有益效果如下：
42.(1)本发明提供的瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料，具备高强度、高耐腐蚀、高抛光性的特点，同时其冲击韧性得到了大幅度提高，不同批次模具材料的性能稳定性极好，各批次产品基本没有差别；该塑料模具钢的开裂度极低，制备过程中基本没有损坏；
43.(2)本发明提供的塑料模具钢的h含量≤1.5ppm，o含量≤20ppm，各类夹杂物最严重视场4项之和≤3.0，综合力学性能(特别是冲击韧性)远超同类产品；
44.(3)本发明提供的瓶胚模具用cr-mo-v-n合金材料室温拉伸性能为：抗拉强度rm≥1000n/mm2，屈服强度rp
0.2
≥850n/mm2，伸长率a4≥16％，断面收缩率z≥56％，冲击功akv≥26j/cm2，硬度hbc29～35；室温无缺口冲击性能为：淬火硬度hrc：48～52，调质硬度hrc：47～52，无缺口冲击值≥405j/cm2，用本材料制造的塑料模具钢，能够满足200℃～400℃的工况下的高强度高韧性高耐腐蚀的塑料模具使用要求。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
46.实施例
47.一、(1)取所需化学元素，在非真空感应炉、钢包精炼炉、真空脱气路中冶炼，熔炼过程中调节化学元素的含量，使其重量百分比如下表1：
48.表1实施例中各元素组成
[0049] c％cr％ni％mo％v％mn％n％实施例10.1913.300.800.850.250.550.06实施例20.2113.100.750.800.240.600.062实施例30.2013.450.850.810.260.650.064
[0050]
并控制杂质元素的含量尽量低，溶液浇注成自耗电极；
[0051]
(2)将自耗电极于电渣炉中重熔精炼，电渣重熔的渣系组成为：caf2:al2o3:mgo＝75:20:5，进一步降低杂质元素的含量，使其符合下述要求：
[0052]
si≤0.50％(重量百分比)，s≤0.005％(重量百分比)，
[0053]
p≤0.025％(重量百分比)，cu≤0.15％(重量百分比)；
[0054]
取样分析各组分含量合格后，制成电渣锭。
[0055]
二、将电渣锭制成钢棒，包括步骤：
[0056]
1)将电渣锭加热锻造或轧制成钢棒；
[0057]
2)钢棒锻后进行细化预备热处理，步骤及工艺参数如下：
[0058]
将钢棒加热至700℃
±
50℃，保温≥5小时后，再加热至980℃
±
20℃保温≥2小时后快冷，再升温到720～750℃并保温≥20小时后，炉冷到400℃出炉空冷。
[0059]
3)钢棒表面处理，对成品钢棒进行表面车光/铣光处理，消除表面缺陷并使钢棒尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品光亮钢棒；
[0060]
4)在成品钢棒/扁钢上取样检验力学性能，进行室温拉伸、硬度、冲击试验。
[0061]
‑‑
试样热处理步骤及工艺参数如下：
[0062]
1)室温拉伸、“v”型缺口冲击
[0063]
淬火：加热温度≥1030℃，时间40分钟，冷却方式：油冷；
[0064]
回火：加热温度≥690℃，时间120分钟，冷却方式：空冷。
[0065]
‑‑
试样室温拉伸、冲击试验技术要求如下：
[0066][0067][0068]
2)室温无缺口冲击
[0069]
淬火：加热温度≥1030℃，时间40分钟，冷却方式：油冷；
[0070]
回火：加热温度200～400℃，时间120分钟，冷却方式：空冷(回火循环两次)。
[0071]
‑‑
试样室温冲击试验技术要求如下：
[0072]
冲击功
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
akv≥280j/cm2[0073]
硬度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
hrc 47～52
[0074]
测试例1
[0075]
对上述各实施例中制作出的材料进行室温力学性能(拉伸、冲击)如下表2和表3所示，从表2和表3中的实验数据可以看出，采用本方法制作用作高强度高韧性高耐腐蚀高抛光性能的塑料模具钢材料，其比较于s136(4cr13系列)、1.2316(3cr17nimo)，在保证其强度性能前提下，有效的提高了冲击韧性，并大大降低了纵横向韧性性能差异，达到了用户使用要求。采用上述材料及相应工艺方法制备的塑料模具钢材料，经室温拉伸、冲击，结果表明其力学性能完全达到设计要求，试验结果如下表：
[0076]
表2室温拉伸性能、“v”型缺口冲击韧性
[0077][0078]
表3室温拉伸性能、无缺口冲击韧性
[0079][0080]
测试例2
[0081]
按照上述实施例的方法制备瓶胚模具钢，以实施例1的元素组成为例，完成100次不同批次的瓶胚模具钢的制备，发现各批次模具材料的性能稳定性极好，各批次产品基本没有差别。
[0082]
按照实施例2的元素组成，参照实施例的方法完成500次瓶胚模具试样的制作，以试样表面出现明显可见的开裂评定为开裂产品，肉眼难以见到开裂评定为优良产品，统计开裂度为0.2％，500件试样有499件均没有损坏，开裂度极低。