模具用貝氏體鋼的製作方法

2023-05-10 13:49:56

專利名稱：模具用貝氏體鋼的製作方法
模具用貝氏體鋼本發明涉及用於工具、模具、模具支架、工具支架中的多種用途的貝氏體鋼，其具有通過貝氏體轉變獲得的均勻硬度作為其主要特徵，且不需要高含量的昂貴元素如鎳和鉬或者淬火工藝。因此，這樣的鋼在合金和使用它們的大塊體的熱處理中提供可觀的成本收益。該合金的基於其顯微組織方面的仔細設計為本發明的鋼物品提供了與工具、模具和底座中所用的傳統硬合金接近的硬度和性質，但它們的成本顯著降低。工具和模具通常用於其它材料成形工藝，無論是熱塑性聚合材料(常稱作塑料) 還是金屬材料。根據用於製造它們的材料的性質，在工藝中在環境溫度或通常達到700°C的高溫下使用這些工具。本發明的鋼特別適用於在環境溫度下或在低於500°C的溫度下工作的模具或工具，以及用於一般用途的模具支架或工具支架。此類應用的典型實例是通常不超過300°C的塑料成形用模具。它們也適用於一般在環境溫度下工作但耐受在若干條件下使用的工具的應力的模具支架和工具支架。因此，塑料模具和模具支架可以被視為本發明的鋼的典型應用。在此類應用中，製造工具所用的材料的許多特性是重要的，一些與模具用途相關，另一些與它們的製造相關。 關於模具或模具支架用途的特性，強度性質是重要的，通常與材料的硬度以及沿材料截面的均勻性相關。另一方面，諸如對材料的拋光、紋理化和機械加工能力的響應之類的性質對模具或模具支架的經濟製造而言是重要的。為了達到這些要求，傳統鋼通過淬火和回火經受熱處理。淬火處理對大尺寸的塊體而言是複雜的，並需要在油槽或在用聚合物改性的水介質中快速冷卻。對用於大模具的塊體而言，使用大於80，000升的槽，這導致重大的操作困難。除冷卻工藝外，必須使用促進淬硬性的元素如鎳、錳和鉬來改進這些材料的化學組成。如表1所示，這些元素在現有技術狀況的鋼中以顯著含量存在，也與最終需要的硬度相關。在此意義上，正在進行新的發展。例如專利EP0805220和US5855846的目標是生產用於模具的具有較低合金元素含量的貝氏體鋼。但是，在此發明中，用最高的鉻含量獲得硬度(在DIN 1.2738的相同範圍內)，從而降低熱導率的任何可能收益並產生更高的成本。 另一方面，發明US5695576展示了使用高Al含量和Si含量的概念，這可能因存在非金屬夾雜物而損害合金的機械加工能力。如實施例2中所示，高的Si含量也可能損害淬硬性。專利PI96020M-7和PI0308832-4依循相同的概念，但試圖僅獲得最高的硬度範圍030至 530HB)和低於200毫米的厚度，然而更大量的用途是300HB的模具，未滿足這種需求。這些專利都沒有顯示出在無需淬火處理(即，使用空氣冷卻)的情況下在大塊體(厚度大於200 毫米)中應用的實施例。它們也沒有描述避免因緩慢冷卻造成的可能脆化的可能性，無論是通過調節合金還是熱處理方式。表1 現有技術狀況的合金。僅顯示出主要的合金元素，以質量百分比為單位且鐵為餘量。
權利要求
1.「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計由如下構成的元素化學組成碳 0. 05 至 1. 0 ；矽至多 1. 0、錳 0. 5 至 5. 0 ；由比率 NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]給出的磷、硼、 鈦和釩，NU值為0. 02至0. 30，且鈦始終高於0. 005，硼始終低於0. 010且釩可以按2質量份鈮對1份釩的比例被鈮部分或完全替代；由比率G =
給出的鎳、 鉬和鉻，G的值高於0. 10且低於1. 0 ；硫至多0. 20 ；矽0. 05至3. 0 ；氮低於0. 10 ；鈣含量至多0. 010 ；鋁低於0. 5，鈷低於2. 0，其餘基本上是鐵和加工過程中不能避免的雜質。
2.根據權利要求1的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計由如下構成的元素化學組成碳0. 10至0. 6 ；矽至多1. 0，錳0. 8至3. 0 ；由比率NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]給出的磷、硼、鈦和釩，NU值為0. 08至0. 30，鈦始終高於0. 005，硼始終低於0. 010，鈦0. 005至0. 10，且釩可以按2質量份鈮對1份釩的比例被鈮部分或完全替代；由比率G=
給出的鎳、鉬和鉻，G的值高於0. 20且低於0. 50 ； 除該比率外，鉻含量必須為0. 1至1. 5，且鎳含量高於0. 3 ；硫至多0. 05 ；矽0. 05至3. 0 ；氮低於0. 05 ；鈣含量至多0. 005 ；鋁低於0. 1，鈷低於1. 0，其餘基本上是鐵和加工過程中不能避免的雜質；可以按至多850毫米厚的塊體製造該材料，通過從高於700°C的溫度空氣冷卻獲得250至450HV的硬度，由等式HV= 050士 140) % C+QlO士45)給出這種硬度值。
3.根據權利要求2的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計由如下構成的元素化學組成碳0. 10至0. 6 ；矽0. 05至0. 6 ；錳1. 3至3. 0 ；由比率NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]給出的磷、硼、鈦和釩，NU值為0. 10和0. 20，鈦始終高於0. 010，硼始終低於0. 0050，且釩可以按2質量份鈮對1份釩的比例被鈮部分或完全替代；由比率G =
給出的鎳、鉬和鉻，G的值高於0. 25且低於0. 40 ；除該比率外， 鉻含量必須為0. 1至1. 0，且鎳含量為0. 2至1. 0 ；硫0. 001至0. 010 ；矽0. 20至1. 5 ；氮 0. 0040至0. 0150 ；鈣含量0. 0005至0. 0030 ；鋁低於0. 05，鈷低於1. 0，其餘基本上是鐵和加工過程中不能避免的雜質；可以按至多850毫米厚的塊體製備該材料，通過直接在熱成形後進行空氣冷卻獲得280至450HV的硬度，由等式HV= 050士 140) % C+Q10士45)給出這種硬度值。
4.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計基本上由如下構成的元素化學組成碳0. 18至0. 52，鉻0. 30至0. 60，鉬0. 10至0. 50， 鎳 0. 30 至 0. 50，釩 0. 04 至 0. 10 ；硼 0. 0010 至 0. 0030 ；硫 0. 0010 至 0. 0100 ；鈣 0. 005 至 0. 030 ；氮0. 0030至0.0100 ；其中，對於厚度100至1000毫米的相對高的尺寸，直接在鍛造或層壓後獲得最終的使用硬度，而無需使用油或水硬化處理；熱處理必須是強制對流下的平靜空氣冷卻，對280至420HV，相當於四至42HRC的硬度值而言，根據如下比率HV = 050士140) % C+Q10士45)通過合金碳含量確定維氏硬度值。
5.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於對厚度低於400毫米的尺寸下的用途而言，G比率低於0. 10，通過如下比率計算G :G =
，其中符號代表相關元素的按質量百分比計的含量。
6.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計， 錳含量被鎳或銅部分或完全地等量替代。
7.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計含有元素鈮、鋯或鉭，以2份鈮對應於1份釩或鈦以及1份鉭或鋯對應於2份釩或鈦的關係部分或完全替代元素鈦或釩。
8.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計表現出硼 0. 0015 至 0. 0030 ；矽 0. 40 至 1. 2。
9.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於按質量百分比計表現出硫 0. 002 至 0. 090 和鈣 0. 0005 至 0. 0030。
10.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於，直接在熱成形或者爐中的預先加熱之後，通過空氣冷卻獲得的最終硬度是通過等式HV = 050士70) % C+Q10士2 給出的(在維氏標度中)或通過甚至等效方程由其它標度的測量值經硬度換算得出的最終硬度。
11.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於以質量百萬分率計具有硫0. 002至0. 30和鈣0. 0005至0. 010，並在其顯微組織中具有低於0. 25%的碳氮化物體積分數，適用於需要高的機械加工能力的情況。
12.根據權利要求1至3任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於具有在熱成形或在900°C以上的溫度下加熱後通過快速冷卻提高的韌性。
13.根據權利要求1至12任一項的「模具用的貝氏體鋼」，其特徵在於具有在熱成形或在900°C以上的溫度下加熱後通過快速冷卻提高的韌性，通過如下熱處理進行這種冷卻工藝空氣冷卻至700°C，隨後進入水槽30分鐘(保持水溫低於80°C )，接著空氣冷卻至環境空氣溫度；對易產生裂紋的部件而言，在所有其它熱處理條件保持不變的情況下，將水冷時間換成在油中冷卻60分鐘。
全文摘要
具有按重量百分比計由如下構成的合金化元素組成0.05至1.0碳；0.5至3.0錳；由比率NU＝[％Ti+％P+10％B+(％V-0.10)]給出的磷、硼、鈦和釩，其中NU值為0.02至0.30，鈦始終高於0.005，硼始終低於0.010且釩可以按2重量份鈮對1重量份釩的比例被鈮部分或完全替代；由比率G＝
給出的鎳、鉬和鉻，其中G的值高於0.10且低於1.0；鎳高於0.1；鉬的範圍是0.07至0.27；釩為0.1-0.15；硫不超過0.10；矽的範圍是0.05至3.0；氮低於0.10；鈣含量不超過0.02；鋁含量低於0.5，鉻含量低於1.5；矽的範圍是0.05至3.0；磷含量低於0.075；其餘基本上由鐵和加工過程引起的不能避免的雜質組成。為了製造該模具用貝氏體鋼，即使在截面高達1000毫米的塊體中，也可以通過直接在熱成形或爐中的預先加熱之後，通過在空氣中的緩慢冷卻來獲得最終硬度；對於280至450HV(30-45HRC)的值，通過等式HV＝(450±140)％C+(210±45)來確定維氏硬度值；對於需要高強度的用途，也可以在水或油中通過從高於900℃的溫度加速冷卻來製造本發明的鋼。
文檔編號C21D9/00GK102439190SQ201080022236
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月8日 優先權日2009年4月3日
發明者C·A·巴爾博扎, R·A·梅斯基塔 申請人:維拉雷斯金屬股份公司