一種塑料成型模具用鋼和其熱處理方法
2023-04-24 07:21:11
專利名稱：一種塑料成型模具用鋼和其熱處理方法
本申請是於2001年12月19日向中國國家知識產權局專利局提交的中國專利申請No.01143694.8的分案申請。
本發明涉及到一種具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蝕性的馬氏體時效硬化鋼，以及其用途。本發明還包括該種具有改善了的可切削性的馬氏體時效硬化鋼的熱處理方法，該種熱處理法能製備即使在大的橫截面時也淬透的物體。
在日常生活和工業需要的產品中含有塑料，這些塑料製件通常應有固定了的形狀和表面性質。成型可以通過例如將物料壓制，注模壓制或注射成模製件進行。對於顧客審美判斷的重要的製件表面性質主要是在成型過程中由所應用的模具的表面性能所決定。
通常是由鋼，特別是馬氏體時效硬化了的鋼製成的物體或元件用作為塑料成型用模具，也用作為夾緊元件如框架和類似件。煉製用於上述目的的鋼時一方面要考慮到製造模具者的興趣，另一方面考慮到模具使用者的興趣。
模具製造者為了在短時間內經濟地製備出塑料成型模具和附屬配件，所以希望應用庫存的熱時效硬化了的棒材或板材製成的儘量大型的工件。這樣一方面可在產生較少的廢料的同時由省去熱處理而降低生產成本。另一方面在由已經時效硬化了的材料加工時能提供給模具使用者具有特別精確尺寸的塑料成型模具或元件，因為這避免了由於在制模完成後接著的熱處理而使得模具變形的現象。模具製造者為了容易加工處理和達到塑料製件足夠的表面質量，特別是要求熱時效硬化了的起始材料有良好的可切削性。還有為了達到所製備出來的塑料成型模具在整個橫截面上有相同的機械性能，要求所用的工件是完全淬透的。
出於經濟的原因，為了低成本生產和特別是修理模具，對於模具使用者來說，除了良好的可焊接性，模具材料的抗腐蝕性能也是具有重要意義的一個方面。只有由足夠抗腐蝕性能的鋼製成的塑料成型模具和模具元件才適合於具有間隔存放時間的多次使用和/或長期使用。模具由於注入物，特別是塑料的汙染物，例如由酸性催化聚合反應中生成的酸，其表面要與引起腐蝕的腐蝕性化學試劑發生經常性的接觸。
眾所周知，含有高於12重量％的鉻的鋼應用來製備具有較高抗腐蝕性能的塑料成型模具。這種鋼可通過具有德國工業標準材料號1.2085，1.2314或1.2316的合金獲知。這些種類的鋼含有至少14.0重量％的鉻，0.33重量％或更多的碳，這麼高的碳含量在形成碳化物時就要降低在基體中的鉻濃度，這樣也就要降低抗腐蝕性，特別是在碳化物的周圍介質中。
為了達到較好的抗腐蝕性能，一類具有較低碳含量的鋼得到應用，例如德國工業標準材料號為1.4005的鋼。在US 6,045 633中提出了一種用來製備塑料成型模具的低碳的馬氏體鋼。這種鋼除了含有鐵和製備過程中帶進的雜質外，還含有1.0-1.6重量％的錳，0.25-1.0重量％的矽，0.5-1.3重量％的銅，12.0-14.0重量％的鉻，0.06-0.3重量％的硫以及其他元素。對於這種合金，除了降低的碳含量外通過銅而提高了抗腐蝕性。然而這麼高的銅含量就會在工件的熱變形時引起較大的問題，特別是在被加工的工件表面形成細小的裂紋，這些裂紋又容易造成裂縫腐蝕。
已知的用於製備塑料成型模具或類似的配件的鋼要能滿足模具製造者和使用者所提出的機械的和化學腐蝕性能的多方面要求。然而這種材料常常被觀察到達不到可切削性能。另外在熱時效硬化時顯示出由這些合金製備的工件有時候非常難以達到淬透，尤其是對於具有大橫截面的大型物體，例如生產技術上常要產生的鍛棒。此外由這些工件生產的模具會有不均勻的機械性能並因此產生薄弱位，這主要是通過過早的材料缺陷而顯示出來。
所以本發明的任務是提供一種馬氏體時效硬化鋼，該種鋼同時具有良好的可焊接性，高的抗腐蝕性和改善了的可切削性。
本發明的另一任務是給出用於具有改善了的切削性能的馬氏體時效硬化鋼的熱處理方法，用該方法可製備出甚至大橫截面時都淬透了的物體。
最後，本發明的目的是闡述根據本發明的鋼的應用。
這個提供具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蝕性的馬氏體時效硬化鋼的任務可通過一種具有以下合金元素含量(重量％)的馬氏體時效硬化鋼而解決，0.02-0.075％碳0.1-0.6％的矽0.5-0.95％的錳0.08-0.25％的硫上限為0.04％的磷12.4-15.2％的鉻0.05-1.0％的鉬0.2-1.8％的鎳上限為0.15％的釩0.1-0.45％的銅上限為0.03％的鋁0.02-0.08％的氮以及非必要的一種或多種上限為2.0％的其他合金元素，餘量為鐵和製備中帶入的雜質，這種鋼在組織結構中的鐵素體份額小於28體積％。
本發明的優點特別在於，通過確定的合金技術措施製備出能馬氏體時效硬化鋼，該種鋼協同地具有一定的通過熱處理按需要可調節的在組織結構中的鐵素體份額，所以具有改善了的可切削性，同時其碳含量為0.02-0.075重量％和鉻含量為12.4-15.2重量％，保證了高的抗腐蝕性和良好的可焊接性。根據本發明的鋼中還含有0.2-1.8重量％的鎳，其一方面用來調整組織結構中鐵素體份額。另一方面鎳與鉻化合可達到對還原性化學試劑的耐腐蝕的目的，這樣根據本發明的鋼可達到高的化學抗腐蝕性。
為了在材料中形成有利於可切削性的硫化錳，0.5-0.95重量％的錳含量和0.08-0.25重量％的硫含量對本發明是很重要的，在此錳和硫的含量比例是如下所確定的，即在達到良好的抗腐蝕性的同時有優越的可切削性。人們發現錳含量小於0.5重量％時，有形成硫化鉻的趨勢，而硫化鉻對可切削性有不利的影響。相反地當錳含量大於0.95重量％時通常要形成不含鉻的硫化錳。上限為0.01重量％的鈣能夠引起硫化錳包裹物有較均勻的形態學。
銅的含量範圍在0.1-0.45重量％，這個含量範圍的銅能提高抗腐蝕性能。銅含量的上限為0.45重量％，直到這個上限，由根據本發明的鋼製備的工件，特別是大的鍛件可達到良好的熱變形性。
含量為0.05-1.0重量％的鉬可得到在馬氏體時效硬化時提高硬度所期望的變形動力學，並且證實上述濃度範圍內一方面有利於對碳化鉻形成的進一步抑制，另一方面提高了抗腐蝕性。相反地高於1.0重量％的鉬在一些溫度範圍內在工件的熱變形過程中會降低其抗裂性能。
根據本發明的鋼的其他元素是在權利要求1中給出的重量含量下的碳、矽、磷、礬、鋁和氮。
合金成分，特別如第5和第6副族的合金成分能以總含量上限2重量％存在，而沒有對可切削性可觀察到的不利影響，還可能用來提高抗腐蝕性。
根據本發明的鋼在一個優選實施方案中含有0.80-0.90重量％的錳和0.1-0.16重量％的硫。在錳/硫的重量比為5.0至9.0的組成範圍內在特別改善了的可切削性的情況下可達到良好的抗腐蝕性能，這種效應能歸因於在上述方案中硫化錳顆粒的球狀形態學的影響。當錳/硫的化學計量比小於3∶1時也顯得對形成可能含有極少量的鉻的硫化錳顆粒是有利的，這使得材料達到優越的腐蝕性能。
較高的鉻含量主要是用來改善合金的抗腐蝕性，而幾乎不減小合金的可加工性。根據本發明的鋼較好的鉻含量為13.8-15.0％，優選為14.1-14.7％，在這個組成範圍內可同時達到所期望的優越的性能。
對於良好的抗腐蝕性以及精確的鐵素體份額的調整和改善了的切削性能，根據本發明的鋼中的鎳含量為0.25-1.6重量％，優選為0.35-1.1重量％，最優選為0.8-1.0重量％是重要的。較高的鎳濃度在較高的溫度對穩定奧氏體通常是很不利的，相反地較低的鎳含量在材料熱時效硬化時對變形性有不利的影響。
在材料性能的最優化時銅含量為0.25-0.35重量％證明是有利的。在這個銅濃度範圍內對熱變形了的物體通過該合金元素能最大程度地改善其抗腐蝕性，而在較高的銅含量時由於形成了細小的表面裂紋而能解釋裂縫腐蝕的增大傾向。
根據本發明的材料的良好可加工性可在組織結構中的鐵素體含量直到15體積％時達到。然而對於僅有微不足道的較小的可加工性，鐵素體含量可優選為直到10體積％和直到6體積％，這樣可提高模具元件的機械性能，特別是與變形方向成橫向的機械性能。
另一個任務即給出具有改善了的可切削性的馬氏體時效硬化鋼的熱處理方法，用該法可製備一種甚至大橫截面時也淬透的物件，該任務如下解決，即具有如下組成(重量％)的鋼錠0.02-0.075％的碳0.1-0.6％的矽0.5-0.95％的錳0.08-0.25％的硫上限為0.04％的磷12.4-15.2％的鉻0.05-1.0％的鉬0.2-1.8％的鎳上限為0.15％的釩0.1-0.45％的銅上限為0.03％的鋁0.02-0.08％的氮以及可能的總量最大為2.0％的其他合金元素，餘量為鐵和製備時帶入的雜質，第一步對鋼錠進行退火處理以形成和調節組織結構中鐵素體份額，第二步以至少4倍的變形度進行熱變形，第三步進行鍛件的軟化退火，接著進行由至少一次硬化處理和至少一次回火處理組成的熱時效硬化處理。
根據本發明的方法的創新點在於，能製備出熱處理了的金屬物體，這種物體在大橫截面情況下也有完全硬化的結構，所以由這樣的工件能製備具有均勻機械性能和高質量的塑料成型模具元件。在此優越的淬透主要歸因於鎳與其他合金元素的結合作用。
以根據本發明的方法在大範圍內調整組織結構中鐵素體含量是可能的，這就可以影響工件的可切削性。
在鎳含量為0.2-1.8重量％時，根據本發明，通過選擇退火處理的溫度和時間可將組織結構中的鐵素體含量有針對地調節為0至70體積％。在足夠的退火時間下，鐵素體含量可根據與鎳含量相關的下列的經驗方程式得到0.5％鎳鐵素體含量[體積％]＝0.345×退火處理溫度[℃]-370 (1)1.0％鎳鐵素體含量[體積％]＝0.355×退火處理溫度[℃]-390 (2)1.5％鎳鐵素體含量[體積％]＝0.375×退火處理溫度[℃]-430 (3)也能夠在給定的退火處理溫度下簡單地通過改變鋼中的鎳含量而調節組織結構中鐵素體的含量。
如已被證實為有利的，當在1080℃至1350℃之間進行退火處理至少12小時，優選為至少24小時時，能保證將鐵素體含量精確調節到材料進一步加工所需的有利的穩定性。
在根據本發明方法的另一個有利的形式中通過退火處理而調節組織結構中的鐵素體含量直至15體積％，優選為直至10體積％，最優選為直至6體積％，這樣就能在達到所期望的良好的工件可切削性的同時達到良好的強度性能。
還發現當鋼中含有13.8-15.0重量％，優選為14.1-14.7重量％的鉻和/或0.25-1.6重量％，優選為0.35-1.1重量％，最優選為0.8-1.0重量％的鎳時，根據本發明所製備的工件的鐵素體含量被特別精確地確定下來，在這個鉻和鎳的含量範圍內能製備出超出現有技術的抗腐蝕性能的工件。
如已所述，當鋼中的銅含量為0.2至0.35重量％時，將特別地改善材料的抗腐蝕性能。然而銅含量超過0.35重量％對材料的熱變形起不利的作用並且降低元件的表面性能。另外在銅含量高於0.35重量％時將增大材料的裂縫腐蝕的傾向。
應用根據本發明的鋼用於塑料成型模具的框架結構已經證實是特別優越的和經濟的。由於改善了的可切削性，高的抗腐蝕性和良好的可焊接性，這種鋼適合於用來經濟地製備應用時需高的抗化學腐蝕性和長時間使用壽命的模具元件。應用由根據本發明的合金製備的鍛件已經證實特別適宜於用來製備模具或元件，特別是由於其極高的經濟性。
下面是一個僅作為例示性的用來理解本發明的實施形式。
圖1圖示了模具的磨損標記寬度與根據本發明的鋼的工件(以1-3標記)和參比鋼的工件(以4-6標記)的壽命關係曲線圖。
為了檢驗材料性能，應用了具有表1所列的化學組成的根據本發明製備得到的工件和參比工件。工件1至3的化學組成各自涉及根據本發明的鋼，而工件4至6的化學組成涉及根據現有技術已知的參比鋼。
表1被檢驗工件的化學組成，重量％(沒列出製備過程中所帶入的雜質)
對這些工件進行熱處理，即第一步在1080℃至1350℃之間進行15小時的退火處理，對於根據本發明的工件在給定含量的鎳下通過這個溫度而被調整到所期望的鐵素體含量。第二步，這些工件在大約1000℃下以6倍的變形度而各自被鍛壓，然後在590℃下進行軟化退火。最後進行熱時效硬化，包括1020℃硬化和530℃範圍內回火。檢驗這些工件的淬透性。另外還要檢驗可切削性和抗腐蝕性。
沿著工件橫截面的水平軸進行五次硬度測量可定量判斷工件的橫截面上的淬透性。根據本發明生產的工件相對於最大的硬度值的硬度差別都是在最大±5％以內，而參比工件4，5或6的硬度差別為±10％或更大。
為了確定可切削性，應用了裝備有硬質金屬卷切片的環形銑刀，切削係數如下
切削速度350m min-1進口/銑齒0.3mm通過本發明的改善示於圖1中，由圖1可明顯看出在根據本發明的鋼的處理時製成的模具工作壽命有顯著的提高。
在具有相同的化學組成時，根據本發明方法製備的在組織結構中具有鐵素體含量直至大約5％的工件被證實是較容易加工的。
抗腐蝕性檢驗根據德國工業標準50021通過一系列鹽噴射試驗而進行，在此被腐蝕了的面積份額在2小時和5小時的處理時間後測定。被檢測的工件試樣大小為36cm2。
表2根據德國工業標準50021檢測工件的抗腐蝕性
由根據本發明的鋼製成的模具元件的焊接不產生問題。
對根據本發明在鋼中還含有直至大約1.5重量％的其它合金元素的鋼進行檢測，顯示出相似的結果，所添加的元素主要是周期表中的第5和第6副族金屬元素。
權利要求
1.一種具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蝕性的鋼物體，該鋼物體具有由馬氏體構成的組織結構和少於28體積％的鐵素體含量，並含有(重量％)0.02-0.075％的碳0.1-0.6％的矽0.5-0.95％的錳0.08-0.25％的硫上限為0.04％的磷12.4-15.2％的鉻0.05-1.0％的鉬0.2-1.8％的鎳上限為0.15％的釩0.1-0.45％的銅上限為0.03％的鋁0.02-0.08％的氮以及可能的上限為2.0％的一種或多種其他合金元素，餘量為鐵，還含有煉製過程中帶進的雜質，和該鋼物體通過將一種具有以上組成的鋼錠進行如下處理獲得的，即對此鋼錠第一步進行用來形成和調節在組織結構中的鐵素體含量的退火處理，第二步進行具有至少4倍的變形度的熱變形，之後在第三步進行軟化退火，接著進行由至少一次硬化處理和至少一次回火處理組成的熱時效硬化。
2.根據權利要求1的鋼物體，含有0.80-0.90％的錳和0.10-0.16％的硫。
3.根據權利要求1或2的鋼物體，含有13.8-15.0％，優選為14.1-14.7％的鉻。
4.根據權利要求1至3之一的鋼物體，含有0.25-1.6％，優選為0.35-1.1％，最優選為0.8-1.0％的鎳。
5.根據權利要求1至4之一的鋼物體，含有0.25-0.35％的銅。
6.根據權利要求1至5之一的鋼物體，其組織結構含有鐵素體(以體積％)為直至15％，優選為直至10％，最優選為直至6％。
7.一種具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蝕性的鋼物體的製備方法，其特徵在於，一種鋼錠具有以下組成(以重量％)，0.02-0.075％的碳0.1-0.6％的矽0.5-0.95％的錳0.08-0.25％的硫上限為0.04％的磷12.4-15.2％的鉻0.05-1.0％的鉬0.2-1.8％的鎳上限為0.15％的釩0.1-0.45％的銅上限為0.03％的鋁0.02-0.08％的氮以及可能的上限為2.0％的其他合金元素，餘量為鐵，以及煉製過程中帶進的雜質，對此鋼錠第一步進行用來形成和調節在組織結構中的鐵素體含量的退火處理，第二步進行具有至少4倍的變形度的熱變形，之後在第三步進行軟化退火，接著進行由至少一次硬化處理和至少一次回火處理組成的熱時效硬化。
8.根據權利要求7的方法，其特徵在於，用來在組織結構中形成和調節鐵素體含量的退火處理在1080℃至1350℃之間至少進行12小時，優選為至少24小時。
9.根據權利要求7或8之一的方法，其特徵在於，通過退火處理將鐵素體含量(體積％)調整至最大為15％，優選直至為10％，最優選直至6％。
10.根據權利要求7至9之一的方法，其特徵在於，鋼鍵含有(重量％)13.8-15.0％，優選為14.1-14.7％的鉻和/或0.25-1.6％，優選為0.35-1.1％和特別優選為0.8-1.0％的鎳。
11.根據權利要求7至10之一的方法，其特徵在於，鋼錠含有0.25-0.35重量％的銅。
12.根據權利要求1至6之一的鋼物體的應用，用於製備塑料成型模具的框架結構材料。
13.根據權利要求1至6之一的鋼物體的應用，用於具有至少0.32m的厚度和至少0.1m2的橫截面積的鍛壓件，該鍛壓件根據權利要求7至9之一的方法熱處理用來製備通過拉伸處理製成的塑料成型模具和/或模具元件。
全文摘要
本發明涉及到一種具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蝕性的馬氏體時效硬化鋼，一種用於該種鋼的熱處理方法以及它的應用。根據本發明這種鋼含有(重量％)0.02－0.075％的碳，0.1－0.6％的矽，0.5－0.95％的錳，0.08－0.25％的硫，0.04％的磷，12.4－15.2％的鉻，0.05－1.0％的鉬，0.2一1.8％的鎳，上限為0.15％的釩，0.1－0.45％的銅，上限為0.03％的鋁，0.02－0.08％的氮，以及可能的上限為2.0％的一種或多種合金元素，餘量為鐵，以及在煉製過程中帶進的雜質，在組織結構中具有少於28體積％的鐵素體。具有改善了的可切削性的馬氏體時效硬化鋼的熱處理方法，該方法可製備甚至大橫截面也淬透了的物體，該方法主要為對具有上述組成的鋼錠第一步進行用於形成和調節其組織結構中的鐵素體含量的退火處理，第二步進行熱變形，第三步為軟化退火和接著進行熱時效硬化。
文檔編號B29C33/38GK101041885SQ20071000679
公開日2007年9月26日 申請日期2001年12月19日 優先權日2001年2月14日
發明者K·薩穆特, J·薩米爾, G·利啻特尼戈爾 申請人:博哈裡爾特種鋼有限公司