CN101792886B

CN101792886B - 用于塑料成型用模具的钢材以及塑料成型用模具

Info

Publication number: CN101792886B
Application number: CN201010107454.0A
Authority: CN
Inventors: 伊吹基宏; 井上幸一郎
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: EP2218802B1; ATE513934T1; CN101792886A; EP2218802A1; JP2010174319A; KR20100088088A; JP5412851B2

Abstract

本发明提供一种用于塑料成型用模具的钢材，所述钢材基本上由下列元素构成：以重量％计，C：0.22％至0.35％、Si：0.01％至0.40％、Mn：0.10％至1.20％、P：至多0.030％、Cu：0.05％至0.20％、Ni：0.05％至1.00％、Cr：5.0％至10.0％、Mo：0.10％至1.00％、V：大于0.50％但小于或等于0.80％、N：0.01％至0.2％、O：至多0.0100％、以及Al：至多0.050％，余量为铁和不可避免的杂质；此外，本发明还提供用所述钢材制得的模具。

Description

用于塑料成型用模具的钢材以及塑料成型用模具

技术领域

本发明涉及用于塑料成型用模具的钢材以及塑料成型用模具。

背景技术

近年来，模制塑料制品被应用于各个领域中。通常，使用塑料成型用模具(例如，注射成型用模具和压力成型用模具)使具有所需形状的模制塑料制品成形。

传统上已知的用于塑料成型用模具的钢材包括沉淀硬化型钢和SUS钢。

专利文献JP-A-2-93043公开了一种用于塑料成型的工具钢，以重量％计，其包含：0.25％至0.50％的C、0.005％至0.5％的Si、0.1％至2.0％的Mn、8.0％至10.0％的Cr、0.05％至2.0％的Mo、0.005％至0.050％的酸溶性Al以及总量为0.002％至0.035％的氮；并且其还包含0.01％至0.50％的V、0.005％至0.25％的Nb和0.01％至0.25％的W中的至少二者，余量为铁和不可避免的杂质。

专利文献JP-A-4-116139公开了一种用于塑料成型用模具的钢材，以重量％计，其包含：0.30％至0.55％的C、0.01％至1.0％的Si、0.1％至3.0％的Mn、7％至12％的Cr、0.05％至3.0％的Mo、0.005％至0.10％的可溶性Al和0.002％至0.05％的TN；其还包含0.01％至0.50％的V、0.005％至0.50％的Nb和0.01％至0.50％的W中的至少二者；并且其还包含0.01％至0.15％的S、0.01％至0.10％的Pb和0.005％至0.20％的Te中的至少一者。

从模制品的品质改善、产率等角度来说，在最近的塑料成型过程中，需要根据成型时间不断地调整模具温度。

例如，对模具的一部分(其对应于焊缝产生区域)进行加热，以(例如)提高成型树脂的流动性，从而抑制焊缝的产生并提高表面质量。另一方面，对模具进行冷却，以(例如)缩短冷却成型树脂所需的时间，从而提高产率。

为了对模具温度进行调节，需要采用具有优异导热性的钢材。然而，从确保加工性的角度考虑，降低了上述的沉淀硬化型钢中的铬(其具有有效的耐腐蚀性)的含量。因此，所述模具在加热孔和冷却孔(加热介质和冷却介质通过该孔进行循环)中容易生锈，并且该生锈容易造成导热性降低。另一方面，虽然SUS钢具有优异的耐腐蚀性因而不易生锈，但是这些钢的导热性较差。

此外，在将刚性树脂用作成型树脂的情况下，采用硬度不够的模具时，会由于与取出的模制品接触或者由于发生溢料(moldingflash，所产生的溢料夹在模具表面之间)等而造成磨具损坏，从而导致模具寿命缩短。

如上所述，近来人们已经要求用于塑料成型用模具的钢材具有优异的导热性、耐腐蚀性和硬度。但是，还没有钢材能够完全满足所有的要求。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于塑料成型用模具的钢材，与传统的钢材相比，该钢材在导热性、耐腐蚀性和硬度之间具有优异的平衡性。

即，本发明涉及以下各项：

1.一种用于塑料成型用模具的钢材，其基本上由下列元素构成：以重量％计

C：0.22％至0.35％，

Si：0.01％至0.40％，

Mn：0.10％至1.20％，

P：至多0.030％，

Cu：0.05％至0.20％，

Ni：0.05％至1.00％，

Cr：5.0％至10.0％，

Mo：0.10％至1.00％，

V：大于0.50％、但小于或等于0.80％，

N：0.01％至0.2％，

O：至多0.0100％，以及

Al：至多0.050％，

余量为铁和不可避免的杂质。

2.项1所述的钢材，其中Cr和Mo的含量满足7≤Cr+3.3Mo。

3.项1或2所述的钢材，其还包含选自由下列元素所组成的组中的至少一种元素：以重量％计

S：0.001％至0.20％，

Se：0.001％至0.3％，

Te：0.001％至0.3％，

Ca：0.0002％至0.10％，

Pb：0.001％至0.20％，以及

Bi：0.001％至0.30％。

4.项1至项3中任意一者所述的钢材，其还包含选自由下列元素所组成的组中的至少一种元素：以重量％计

Ta：0.001％至0.30％

Ti：至多0.20％，以及

Zr：0.001％至0.30％。

5.一种塑料成型用模具，其使用了项1至项4中任意一项所述的钢材作为原料。

由于本发明的用于塑料成型用模具的钢材具有本文所采用的化学组成，因此与传统的钢材相比，其在导热性、耐腐蚀性和硬度之间具有优异的平衡。

当所述钢材中的Cr和Mo的含量满足7≤Cr+3.3Mo时，可以获得充分的耐腐蚀性。

当所述钢材还含有特定量的选自硫、硒、碲、钙、铅和铋中的至少一种元素时，该钢材在抑制韧性降低的同时加工性得到改善。因此，在模具制造中该钢材具有优异的加工性能。

当本发明的钢材还含有特定量的选自钽、钛和锆中的至少一种元素时，所述元素容易与碳和氮结合而形成碳氮化物，从而抑制了晶粒的粗化。因此，其强度容易增加，并且该钢材还具有优异的镜面特性。

本发明的塑料成型用模具是采用上述的用于塑料成型用模具的钢材作为原料而制成的。因此，该模具在模具温度调节、对加热介质/冷却介质(如水)的耐腐蚀性以及模具强度方面具有优异的适应性。另外，由于所述模具具有上述的特性，因此其还具有优良的模具寿命。

附图简要说明

图1为示出Cr+3.3Mo的值与生锈面积比之间的关系的图。

图2为示出0.1×(10×Si)²+5×Ni+Cr+Mo的值与导热系数(比较用钢材2的导热系数被视为100)之间的关系的图。

具体实施方式

以下对本发明实施方案的用于塑料成型用模具的钢材(以下有时称为“本发明钢材”)和塑料成型用模具(以下有时称为“本发明模具”)进行详细地说明。

1.本发明钢材

本发明钢材基本上由以下元素构成，余量为铁和不可避免的杂质。添加元素的种类和比例、限定的原因等如下。比例的单位为重量％。

C：0.22％至0.35％

碳是确保强度和耐磨性的必要元素。碳与形成碳化物的元素(如铬、钼、钨和钒)结合而形成碳化物，并且碳还在氮的协同作用下与铬、钼、钨或钒形成碳氮化物。在淬火硬化过程中，碳在基质相中形成固溶体，从而形成马氏体结构。因此，对确保硬度而言，碳也是必要的。从获得这些效果的角度考虑，碳含量的下限为0.22％。碳含量的下限优选为0.26％。

如果碳的含量过高，则形成碳化物的元素与碳结合而形成含有铬和钼的碳化物。结果，在基质中以固溶体形式存在的铬和钼的量降低，从而导致耐腐蚀性降低。因此，碳含量的上限为0.35％。碳含量的上限优选为0.30％。

Si：0.01％至0.40％

添加的硅主要是用作脱氧剂，或者用作提高模具制造所需加工性的元素。从获得这些效果的角度来说，硅含量的下限为0.01％。硅含量的下限优选为0.10％，更优选为0.20％。

如果硅的含量过高，则导热性降低。从避免发生该问题的角度来说，硅含量的上限为0.40％。硅含量的上限优选为0.30％。

Mn：0.10％至1.20％

添加锰是为了提高淬火硬化的适应性或使奥氏体稳定。当硫不可避免地进入该钢材中时，锰可以有效地抑制韧性降低。从获得这些效果的角度来说，锰含量的下限为0.10％。

如果锰的含量过高，热加工性会下降。从避免发生该问题的角度来说，锰含量的上限为1.20％。

P：至多0.030％

磷不可避免地包含在该钢材中。磷在晶界处偏析，从而导致韧性下降。因此，磷含量的上限为0.030％。

Cu：0.05％至0.20％

铜是使奥氏体稳定的元素。从获得此效果的角度来说，铜含量的下限为0.05％。

如果铜的含量过高，热加工性会降低。从避免发生该问题的角度来说，铜含量的上限为0.20％。

Ni：0.05％至1.00％

镍是形成奥氏体的元素。从获得此效果的角度来说，镍含量的下限为0.05％。

如果镍的含量过高，退火适应性会降低，从而难以调节硬度。从避免发生该问题的角度来说，镍含量的上限为1.00％。镍含量的上限优选为0.50％，更优选为0.20％。

Cr：5.0％至10.0％

铬是使耐腐蚀性得到改善的元素。从获得此效果的角度来说，铬含量的下限为5.0％。铬含量的下限优选为7％。

如果铬的含量过高，导热性和韧性会下降。从避免发生该问题的角度来说，铬含量的上限为10.0％。铬含量的上限优选为9％。

Mo：0.10％至1.00％

钼是使耐腐蚀性得到改善的元素。此外，钼与碳结合从而有助于所述材料的二次硬化。从获得这些效果的角度来说，钼含量的下限为0.10％。

如果钼的含量过高，碳化物容易结晶，从而导致冲击值和镜面特性的下降。从避免发生该问题的角度来说，钼含量的上限为1.00％。钼含量的上限优选为0.60％。

V：大于0.50％但小于或等于0.80％

钒与碳和氮结合而形成碳氮化物。该碳氮化物有助于抑制淬火硬化过程中的晶粒粗化。从获得此效果的角度来说，钒含量的下限为大于0.50％。钒含量的下限优选为0.55％。

如果钒的含量过高，粗糙碳氮化物的生长会加快，从而导致碳氮化物颗粒的直径增加，因而使镜面特性降低。从避免发生该问题的角度来说，钒含量的上限为0.80％。钒含量的上限优选为0.70％。

N：0.01％至0.2％

氮是间隙元素，有助于提高马氏体结构的硬度。与同为间隙元素的碳相比，氮具有更高的γ-稳定能力。此外，固溶态的氮有助于改善耐腐蚀性。另外，氮与碳和钒结合而形成碳氮化物。该碳氮化物能够抑制晶粒在淬火硬化过程中粗糙化。从获得这些效果的角度来说，氮含量的下限为0.01％。

如果氮的含量过高，粗糙的碳氮化物的生长会加快，从而导致碳氮化物颗粒的直径增大，因而降低了镜面特性。从避免发生该问题的角度来说，氮含量的上限为0.2％。

O：至多0.0100％

氧是不可避免地包含在熔融的钢材中的元素。然而，如果氧的含量过大，氧会与硅和铝结合而形成粗糙的氧化物，并且该氧化物作为夹杂物会使韧性和镜面特性下降。从避免发生该问题的角度来说，氧含量的上限为0.0100％。

Al：至多0.050％

铝是作为脱氧剂而添加的元素。然而，如果铝的含量过高，容易产生粗糙的氮化物，从而使镜面特性下降。从避免发生该问题的角度来说，铝含量的上限为0.050％。铝含量的上限优选为0.020％。

除了上述的基本元素以外，本发明钢材还可以含有选自下列元素中的任何一种或多种所需的元素。各元素的比例及其限定原因等如下。

S：0.001％至0.20％；

Se：0.001％至0.3％；

Te：0.001％至0.3％；

Ca：0.0002％至0.10％；

Pb：0.001％至0.20％；和

Bi：0.001％至0.30％

可以分别添加硫、硒、碲、钙、铅和铋，以提高加工性。从获得上述效果的角度来说，硫含量的下限为0.001％。基于同样的理由，硒含量的下限为0.001％。碲含量的下限为0.001％。钙含量的下限为0.0002％。铅含量的下限为0.001％。铋含量的下限为0.001％。

如果硫、硒、碲、钙、铅和铋各元素的含量过高，这会导致韧性降低。从避免发生该问题的角度来说，硫含量的上限为0.20％。基于同样的理由，硒含量的上限为0.3％。碲含量的上限为0.3％。钙含量的上限为0.10％。铅含量的上限为0.20％。铋含量的上限为0.30％。

Ta：0.001％至0.30％；

Ti：至多0.20％；和

Zr：0.001％至0.30％

钽、钛和锆与碳和氮结合而形成碳氮化物，从而抑制晶粒发生粗糙化。因此，这三种元素能有效地提高镜面特性。从获得此效果的角度来说，钽含量的下限为0.001％。基于相同的原因，锆含量的下限为0.001％。关于钛的含量，对其下限没有具体的限定。

如果钽、钛和锆各元素的含量过高，这会导致机械加工性降低。从避免发生该问题的角度来说，钽含量的上限为0.30％。基于相同的原因，钛含量的上限为0.20％。锆含量的上限为0.30％。

在此，关于本发明钢材中所含的各元素，根据一个实施方案，其在钢材中存在的最小量为所开发的钢材的实施例中使用的最小非零量，如表1所总结的那样。根据另外的实施方案，其在钢材中存在的最大量为所开发的钢材的实施例中使用的最大量，如表1所总结的那样。

优选的是，本发明钢材中Cr和Mo的含量(以重量％计)满足7≤Cr+3.3Mo的要求。这是因为，满足该要求的钢材能够对通过加热孔和冷却孔(其形成于模具中，以进行模具温度调节)而循环的加热介质和冷却介质表现出充分的耐腐蚀性。可以通过按照JIS G 0577测量点蚀电位并按元素的影响重新排列结果来确定上述的要求。

添加合金化元素基本上会降低导热性，因此容易引起模具温度调节适应性的降低。改变组成元素的添加量制成多个样品并测定其导热度，以检测各组成元素的添加量对导热度的影响。结果发现，(例如)硅和镍是对导热性具有相当大影响的元素，并且铬和钼当过量添加时也会使导热性降低，但是就提高模具对加热介质/冷却介质的耐腐蚀性而言，后面的两种元素是必不可少的。对检测结果进行回归得到了必要条件0.1×(10×Si)²+5×Ni+Cr+Mo≤15。优选的是，本发明钢材中Si、Ni、Cr和Mo的含量(以重量％计)满足该必要条件，这是因为满足该必要条件的钢材能够表现出令人满意的导热性。

可以通过以下方法来确定导热度λ：采用激光闪光法测定样品的比热Cp和热扩散率α，并按照以下方式由这些特性的测量值和另外测定的密度值ρ来计算导热度。

用激光辐射样品的表面(样品重量：M，样品厚度：L)以得到其热能Q，并且用热电偶测量样品背面的温度变化ΔT。由Cp＝Q/(M×ΔT)[J/(kg·K)]算得所述样品的比热Cp。另外，采用设置在样品前面的红外检测器测量样品温度达到样品的温度变化最大值一半时所需要的时间(t1/2)。根据α＝0.1388×L²/(t1/2)[m²/s]来计算样品的热扩散率α。通过这些数值，样品的导热度λ可由λ＝Cp×α×ρ[W/(m.K)]算得。

本发明钢材的化学组分如上所述。尽管本发明钢材的硬度取决于热处理的条件，但是就用作最终模具的钢材的硬度而言，优选为49HRC或更高，更优选为53HRC或更高。

可以采用(例如)以下方式来适当地制造上述的本发明钢材。首先，用真空感应炉等将具有上述化学组成的钢材制成熔体，并且将该熔体铸造而形成钢锭。

随后，对所得到的钢锭进行热锻和/或热轧，从而得到具有所需尺寸的钢材。

热加工之后，根据需要对所述钢材进行一次或多次热处理。所述热处理的例子包括淬火-回火、零度以下处理和球化退火。

淬火-回火的例子包括以下方法。例如，在1,000℃至1,200℃下将钢材加热0.5至1.5小时，随后快速冷却以进行淬火硬化。然后，根据需要对所述钢材进行零度以下处理，例如，在-196℃或-76℃下处理0.5至1小时。然后，将该钢材在200℃至700℃下加热0.5至1.5小时，之后空气冷却以进行回火。

球化退火的例子包括这样的方法，其中，将钢材在(例如)850℃至900℃下加热3至5小时，随后在炉内以10℃/小时至20℃/小时的速度冷却至约600℃，然后空气冷却。

2.本发明模具

本发明模具是采用上述的本发明钢材作为原料而制成的模具。

从耐磨性、镜面特性等角度来说，本发明模具的硬度优选在49HRC-53HRC的范围内。本发明模具的硬度是指模具材料(基础材料)本身的硬度，并且该硬度是通过对既未经过冷加工的加工硬化也未受到各种表面处理的任何影响的部分进行检测而确定的。

例子

以下将结合例子对本发明进行详细地说明。

使用真空感应炉将分别具有表1所示化学组成(重量％)的各钢材制成熔体，然后进行铸造，从而得到50Kg的钢锭。

将铸造所得的钢锭进行热锻，从而制得尺寸为60平方毫米的棒材。然后，通过将所述棒材在900℃下保持4小时、随后以15℃/小时的条件冷却至700℃，从而将其退火，以确保制造各测试件所需的加工性。

然后，从退火后的棒材上切下各测试件，并且对其进行有关导热性(导热系数和循环时间特性)、耐腐蚀性、硬度、耐冲击性和镜面特性的测试。将待进行有关导热性、耐腐蚀性、耐冲击性和镜面特性测试的测试件进行淬火硬化(在1,000℃至1,100℃下保持1小时)，回火(将该材料进行这样的两次处理：在150℃至600℃下保持1小时，然后冷却至室温)，然后进行精密加工。有关耐冲击性和镜面特性的结果作为参考数据。

<导热性>

采用上述的激光闪光法测定所述导热系数。下表2所示出的导热系数值是相对于比较用钢材2的导热系数(其被视为100)的值。

此外，制造具有水冷孔(直径：8mm)的测试件，并且使水通过该水冷孔(水温：40℃，流速：3.5L/分钟)。通水后，采用高频加热线圈将各测试件的表面加热到300℃，并测量该表面冷却至100℃时所需要的时间。表2中给出了经过1天通水后所获得的数据和经过30天通水后所获得的数据。

<耐腐蚀性>

制造其中形成有通孔(直径：8mm)的测试件，并且使水通过该通孔(水温：40℃，流速：3.5L/分钟，24小时)。然后，对各测试件的剖面进行拍照，并且采用图像分析来测定生锈面积比(％)。

<硬度>

从所述棒材上切下边长为10mm的立方块体，并且将底面和待检测的表面打磨至#400。然后，采用洛氏C硬度计(Rockwell C scale)检测该立方块体的硬度。

<耐冲击性>

从所述棒材上切下大小足以获得JIS No.3测试件的样品，并对其进行上述的热处理。然后，对该样品进行精密加工，从而制成JIS No.3测试件，对该测试件进行却贝冲击测试。

<镜面特性>

将所述棒材加工成尺寸为50mm×45mm×12mm的板材，并对该板材进行上述的热处理。然后，通过机械抛光将该板材打磨至#8000，从而制得测试件。根据JIS B0633，检测所得测试件的表面粗糙度Ry。

表1中示出了所开发的钢材和比较用钢材的化学组成。表2示出了测试结果。图1示出了Cr+3.3Mo的值与生锈面积比之间的关系。图2示出了0.1×(10×Si)²+5×Ni+Cr+Mo的值与导热系数(比较用钢材2的导热系数被视为100)之间的关系。

从表1和表2的比较以及图1和图2的比较中可以看出以下方面。比较用钢材1的碳含量和铬含量低于本发明规定的范围的下限。因此，比较用钢材1的硬度和冲击值较低，并且具有较差的耐腐蚀性。

比较用钢材2的铬含量高于本发明规定的范围的上限。因此，尽管比较用钢材2具有优异的耐腐蚀性，但是其导热系数和冲击值较低。

比较用钢材3的碳含量和铬含量低于本发明规定的范围的下限。该钢材还具有高于本发明规定范围的上限的硅含量和镍含量。因此，比较用钢材3的硬度、导热系数和冲击值都较低，并且其耐腐蚀性不充分。

比较用钢材4的碳含量低于本发明规定范围的下限。因此，比较用钢材4的硬度较低。

与这些比较用钢材形成对比的是，所开发的各钢材在导热性、耐腐蚀性和硬度之间具有优异的平衡。从图1中可以看出，当满足本发明的化学组成和7≤Cr+3.3Mo的要求时，容易获得充分的耐腐蚀性。因此，所开发的钢材1(其不满足7≤Cr+3.3Mo的要求)的耐腐蚀性稍差。从图2中可以看出，当满足本发明的化学组成和0.1×(10×Si)²+5×Ni+Cr+Mo≤15的要求时，容易表现出令人满意的导热性。

从这些结果能够确定，当所开发的钢材被用作塑料成型用模具的原料时，能够获得在温度调节适应性、对加热介质/冷却介质(如水)的耐腐蚀性和强度方面优异的塑料成型模具。

以上对本发明的实施方案和实施例进行了说明。本发明不应该被解释为仅限于这些实施方案或实施例，而是可对其进行各种改变。

本申请基于2009年1月29日提交的日本专利申请No.2009-017419，其内容以引用的方式并入本文。

Claims

1.一种用于塑料成型用模具的钢材，该钢材由下列元素构成：以重量％计，

C：0.22％至0.35％，

Si：0.01％至0.40％，

Mn：0.10％至1.20％，

P：至多0.030％，

Cu：0.05％至0.20％，

Ni：0.05％至1.00％，

Cr：5.0％至10.0％，

Mo：0.10％至1.00％，

V：0.55％至0.80％，

N：0.01％至0.2％，

O：至多0.0100％，以及

Al：至多0.050％，

余量为铁和不可避免的杂质，

所述钢材的硬度为49HRC或更高。

2.根据权利要求1所述的钢材，其中Cr和Mo的含量满足7≤Cr+3.3Mo。

3.根据权利要求1所述的钢材，其还包含选自由下列元素所组成的组中的至少一种元素：以重量％计，

S：0.001％至0.20％，

Se：0.001％至0.3％，

Te：0.001％至0.3％，

Ca：0.0002％至0.10％，

Pb：0.001％至0.20％，以及

Bi：0.001％至0.30％。

4.根据权利要求2所述的钢材，其还包含选自由下列元素所组成的组中的至少一种元素：以重量％计，

S：0.001％至0.20％，

Se：0.001％至0.3％，

Te：0.001％至0.3％，

Ca：0.0002％至0.10％，

Pb：0.001％至0.20％，以及

Bi：0.001％至0.30％。

5.一种塑料成型用模具，其是通过使用权利要求1至4中任意一项所述的钢材作为原料而制成的。