一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢及其制备方法

技术领域

本申请涉及钢材冶炼的技术领域，更具体地说，它涉及一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢及其制备方法。

背景技术

普通注塑机是目前中国塑料机械中发展最快，水平与工业发达国家差距较小的注塑机品种之一。经多年的技术引进和技术创新，中国塑机行业在低端注塑机领域中，制造水平已经与发达国家相差无几。

而注塑机螺杆是注塑机的关键部件，主要用于对加温加压塑料进行输送、压实、熔化、搅拌和施压，以上操作多是通过螺杆在料筒内的旋转来完成的。在螺杆旋转时，塑料对于机筒内壁、螺杆螺槽底面、螺棱推进面以及塑料与塑料之间都会产生摩擦及相互运动，螺杆和料筒的结构将直接影响到这些作用的程度。在塑料的塑化过程中，其前进和混合的动力都是来源于螺杆和料筒的相对旋转。

当前市场用于制作注塑机螺杆用钢的常见牌号是38CrMoAl，是我国长期以来选用的合金结构钢，在最终使用前要进行渗N处理，它具有较好的塑性、韧性、耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性，回火稳定性较高，回火温度范围宽，冷热加工性能好，所以有较好的综合机械性能和工艺性能。

但38CrMoAl牌号钢的热稳定性一般，由此钢制成的注塑机螺杆在工作过程中发生变形是目前的主要问题。因此，为了提高注塑机的整机质量以及运行时的安全性、可靠性和稳定性，必须重视和提升注塑机螺杆用钢的热稳定。

发明内容

为了提高注塑机螺杆的热稳定性，同时提高注塑机的整机质量以及运行时的安全性、可靠性和稳定性，本申请提供一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢，采用如下的技术方案：

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢，按质量百分比包括以下组分：

碳0.30～0.37％；

硅≤0.25％；

锰0.40～0.70％；

铜≤0.25％；

铬1.50～1.90％；

镍0.85～1.15％；

钼0.15～0.40％；

铝0.80～1.20％；

氮0.008～0.012％；

余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

通过采用上述技术方案，本申请中的碳元素与Cr、Ni和Mo等合金元素的配合，保证了钢的力学性能；硅元素能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但在本钢种中硅元素会促使铁素体晶粒粗化，因此需要将其范围控制在0.25％以下；锰和铁形成固溶体，同时提高铁素体和奥氏体的强度并提高耐磨性，进入渗碳体取代一部分Fe原子，此外锰能部分代替铬、镍以保持强度，是能显著提高淬透性的主要元素，但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大的缺点，对锰的含量需加以控制，本申请中锰含量为0.40～0.70％，与碳元素配合，获得了良好的力学性能；铝是脱氧剂和细化晶粒元素，AlN粒子能在渗氮过程中获得理想的强度，铝元素作用的发挥与氮元素密不可分，铝与氮形成AlN细化晶粒元素，在晶界析出获得7～8级的晶粒尺寸，经过实验研究氮含量控制在0.0080～0.012％，铝含量控制在0.80～1.20％较为适宜；钼使钢材形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高，并大幅提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在450～600℃下的聚集，促进特殊碳化物的析出，且当钼与铝、氮协同作用时，显著提高了钢的热强性，但是过量的钼会影响钢材的热加工性。综上所述，本申请中的钢种将铝、氮和钼以适当比例混铸于钢种中，在保证合理力学强度的前提下，有效提升了钢种在应用过程中的热稳定性。

可选的，所述以下组分的质量百分比为：

钼0.25～0.35％；

铝1.12～1.20％；

氮0.010～0.012％。

通过采上述技术方案，钼元素对铁素体具有固溶强化作用，同时提高了碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，但过量的钼会影响钢种的抗氧化性，且将钼、铝和氮控制在此质量百分比范围内，三者的协同效果最佳。

可选的，所述铬元素和镍元素质量百分比之和≥2.5％。

通过采用上述技术方案，铬和镍是钢的主体成分，两者均能显著提高钢种的强度、硬度和耐磨性，但过高的Cr元素会降低塑性和韧性，同时在渗氮层形成粗大的碳化物；Ni元素有利于提高零件心部的韧性和强度，同时减少渗氮层的氧化，减少微小裂纹的出现，当将铬和镍的用量限制在此范围内时，两者相互配合协同的作用效果最佳。

可选的，还包括质量百分比为0.020～0.040％的铌。

通过采上述技术方案，铌元素能改善钢材的晶粒尺寸，获得良好的韧性，但过多的铌会造成相应的渗氮层碳化物聚集，渗氮过程形成微小裂纹影响寿命的情况，因此将其质量百分比控制在0.020～0.040％可以获得较佳的效果。

可选的，杂质元素的质量百分比满足以下条件，S≤0.030％，P≤0.015％，Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％，Ca≤0.0010％。

通过采用上述技术方案，将杂质元素限制在上述范围内时，对钢的性能影响较低。

第二方面，本申请提供一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，采用如下的技术方案：

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，包括以下步骤，

初炼：取生铁和合金钢在初炼炉中初炼，初炼炉出钢钢水达到：P含量≤0.025wt％，C含量≥0.05wt％，T≥1620℃时开始出钢；出钢1/3时加入铬铁、铝铁，及合成渣料；

精炼；将初炼炉中出钢的钢水注入精炼装置中，加入造渣料脱氧，于真空脱气前加入氮化铬丝，调整氮含量至80-120ppm，并喂铝丝补铝至0.015～0.025wt％；随后真空脱气，在真空退泵后，再次补喂铝线至1.2wt％；

浇注：真空脱气结束后，钢包镇静20min～40min，软吹Ar，钢液采用模注浇注；

电渣重熔：采用对应钢锭尺寸进行电渣重熔，电渣重熔钢锭缓冷或及时进行去应力退火；锻造：将钢锭加热至1230～1280℃并保温2.5～6h，随后利用锻造设备进行锻造，终锻温度为780-900℃

热处理：在终锻温度下空冷至表面平均温度为280～320℃，于300℃下保温，随后以≤80℃/h的升温速度升温至960℃±10℃；根据锻件大小实施保温足够时间；出炉空冷至室温，以≤80℃/h的升温速度升温至650℃±10℃，根绝锻件大小保温足够时间；最后出炉空冷至室温。

通过采用上述技术方案，经过上述热处理后，钢材截面上的组织分布是相对均匀的，当制得高中压螺杆时，获得了上贝氏体组织，具有较高的蠕变极限和持久强度；而为使低压螺杆获得良好的综合机械性能和低的脆性转变温度，对锻件进行淬火和回火调质处理，淬火后的组织为马氏体或下贝氏体，减少了珠光体或铁素体组织的出现；本申请钢锻件表面为下贝氏体和马氏体组织，而心部则为上贝氏体，淬火温度高于相变温度，但低于锻后热处理的正火温度；回火温度于620-660℃，获得了较佳的力学性能。

可选的，所述初炼步骤中采用的造渣料为石灰、萤石和合成渣的混合物。

通过采用上述技术方案，采用上述造渣料可以获得较好的造渣效果。

可选的，所述合成渣的各组分质量百分比为：

三氧化二氯20～55％；

二氧化硅1～15％；

氧化镁1～5；

余量为氧化钙。

通过采用上述技术方案，当合成渣采用上述物质按上述比例制得时，与石灰和萤石的协同造渣效果更好。

可选的，所述电渣重熔步骤的重熔速度为6-8kg/min。

通过采用上述技术方案，采用6-8kg/min的重熔速度进行电渣重熔，效果更佳。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用钼元素、铝元素和氮元素以适当比例协同作用，使所制得的钢获得了较好的热稳定性和力学性能；

2、本申请中优选采用铌元素，由于铌为细化晶粒元素，使所制得的钢获得了较佳的韧性；

3、本申请的方法，通过改变铝元素和氮元素的加入时机，与两者的用量相配合，使钢的力学性能和热稳定性得到了有效提升；

4、本申请的方法对锻件进行了淬火和回火调质处理，降低了珠光体和铁素体组织的含量，进一步提升了钢的热稳定性。

具体实施方式

制备例

制备例1

一种合成渣料的制备方法，包括以下步骤：

S1：称取如下质量百分比的原料，20％的Al

制备例2-4

一种合成渣料的制备方法，均以制备例1为基础，区别仅在于选用原料的质量占比不同，具体见表1。

表1制备例2-4

实施例

实施例1-4

以下以实施例1为例进行说明，一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，包括以下步骤：

初炼：将配比好的生铁和合金钢置于转炉中初炼，当转炉出钢钢水达到P含量≤0.025wt％，C含量≥0.05wt％，T≥1620℃时开始出钢；出钢1/3时加入铬铁、铝铁，及制备例1中制得的合成渣料；

精炼：将出钢的钢水注入钢包精炼炉内，采用石灰、萤石和制备例1中的合成渣为造渣剂进行造渣，通电3min后均分三次加入造渣剂，采用碳粉盒和碳化硅搅拌均匀后进行渣面扩散脱氧，渣变为黄白色并保持10min；喂氮化铬丝，调整氮含量至100ppm，喂铝丝补铝至0.015wt％；

真空脱气：在0.26Kpa条件下保持10min，真空处理总时间为25min。真空退泵后，补喂铝线至1.20wt％；

浇注：钢包镇静钢液25min，软吹氩，氩压力流量以液面微微颤动为宜，随后将钢液浇注为钢锭；

电渣重熔：采用对应钢锭尺寸的炼炉进行电渣重熔，重熔速度为5.5kg/min，电渣重熔钢锭后及时进行去应力退火；

锻造：采用加热炉将钢锭加热至1230℃并保温2.5h，使钢锭加热均匀同时阴阳面温差≤40℃，随后利用锻造设备进行锻造，终锻温度为780℃，得到锻后钢；

热处理：将锻后钢空冷至表面平均温度为300℃，并300℃下保温，随后以≤80℃/h的升温速度升温至970℃；根据锻件直径保温h

注：h1的计算方法为：h

h2的计算方法为：h

其中，D为锻件最大直径，单位dm；Q为装炉量，单位t。

实施例1-4制备的注塑机螺杆用钢的主要区别在于钢的化学元素成分质量百分比不同，具体见表2。

表2实施例1-4

实施例5-9

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例2为基础，区别仅在于钼、铝和氮三种元素的质量百分比不同，具体见表3。

表3实施例5-9

实施例10-12

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例9为基础，区别主要在于合成渣料的来源不同，具体见表4。

表4实施例10-12

实施例13-15

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例9为基础，区别主要在于还添加了铌元素，具体添加的质量百分比量见表5。

表5实施例13-15

实施例16-18

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例14为基础，区别主要在于制备过程中精炼步骤和浇注步骤的工艺条件不同，具体见表6。

表6实施例16-18

实施例19-25

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例14为基础，区别主要在于制备过程中锻造步骤的工艺条件不同，具体见表7。

表7实施例19-25

实施例26-28

一种热稳定性较高的注塑机螺杆用钢的制备方法，以实施例22为基础，区别主要在于制备过程中电渣重熔步骤的重熔速度不同，具体见表8。

表8实施例26-28

对比例

对比例1-6

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于钼、铝和氮三种元素的含量不同，具体见表9。

表9对比例1-6

对比例7

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于将钼元素替换为等量的铁元素。

对比例8

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于将铝元素替换为等量的铁元素。

对比例9

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于将氮元素替换为等量的铁元素。

对比例10

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于将钼、铝和氮元素均替换为等量的铁元素。

对比例11

一种钢的制备方法，以实施例1为基础，区别主要在于制备过程中，于初炼过程加入氮化铬丝和铝丝调节氮和铝至相同含量。

对比例12

一种市售牌号为38CrMoA的钢种。

性能检测试验

检测方法

对实施例和对比例制得的钢材进行性能检测，其试验方法如下：

将钢材制成40mm×40mm×40mm的试件，进行下列检测：

高温屈服强度：利用高温合金屈服强度检测仪，对实施例以及对比例中的钢材试件，进行800℃温度下的屈服强度检测。

以执行标准GB50017━2003，分别检测试件的抗拉强度、伸长率、断面收缩率和冲击功。

检测结果见表10。

表10检测结果

结合实施例1-28并结合表10可以看出，应用本申请中的原料质量百分比以及制备方法制得的用于注塑机螺杆用钢，所测得抗拉强度均≥860Mpa，高温屈服强度≥760Mpa，伸长率≥17％，端面收缩率≥53％以及冲击功(AKV)≥82J。说明本申请制得的钢材具有较好的力学性能，且于高温环境下的强度较好，热稳定性较佳。

比较实施例1、3和实施例2、4并结合表10可知，当铬和镍的质量百分比之和≥2.5％时，所制得的成品钢强度更高。

比较实施例2和实施例5-9并结合表10可知，实施例5-9的力学强度和高温下的屈服强度均高于实施例2，说明当钼元素的质量百分比为0.25～0.35％，铝元素的质量百分比在1.12～1.20％，氮元素的质量百分比在0.010～0.012％时，所制得钢材的力学强度和热稳定性更佳。

比较实施例9和实施例13-15并结合表10可知，当原料中加入质量百分比为0.020～0.040％的铌元素时，在热稳定性不受影响的前提下，所制得钢材的伸长率更高，韧性更佳。

比较实施例2和实施例26-28并结合表10可知，当电渣重熔步骤中的重熔速度控制在6-8kg/min时，有助于提升成品钢的性能。

比较实施例1和对比例1-10并结合表10可知，本申请中的钼元素、铝元素和氮元素三者具有协同配合作用，当三者的质量百分比不在实施例所包含的范围内时，所制得的成品钢质量参差不齐，但都远远低于实施例1的力学强度和高温下的屈服强度。

比较实施例1和对比例11并结合表10可知，当冶炼过程中铝元素和氮元素的加入方法改变时，所制得的成品钢性能大大降低。

比较实施例1和对比例12并结合表10可知，本申请制得的钢材与市售的同类别应用于注塑机螺杆制造的钢材相比较，不论是力学性能还是热稳定性都有较大的差距。

最佳实施例为：实施例27。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。