CN1049700C - 用于制造塑料和橡胶模具的低合金钢 - Google Patents

Abstract

用于制造塑料或橡胶模具的低合金钢，其化学组成如下(按重量)0.24%至0.35%的碳、1%至2.5%的锰、0.3%至2.5%的铬、0.1%至0.8%的钼加上二分之一的钨、微量至2.5%的镍、0%至0.3%的钒、小于0.5%的硅、0.002%至0.005%的硼、0.005%至0.1%的铝、0%至0.1%的钛和小于0.02%的磷。这些化学组成必须满足以下关系式：

U＝409(%C)+19.3[%Cr+%Mo+%W/2+%V]+29.4(%Si)+10(%Mn)+7.2(%Ni)＜200

和

R＝3.82(%C)+9.79(%Si)+3.34(%Mn)+11.94(%P)+2.39(%Ni)+1.43(%Cr)+1.43(%Mo+%W/2)＜11.14。

Description

用于制造塑料和橡胶模具的低合金钢

本发明涉及低合金钢，特别是用于制造塑料和橡胶模具的低合金钢。

塑料或橡胶的模具是通过加工固体金属模块而制造的，其厚度可超过500mm。通过机械加工而得到的模具内腔表面通常可用抛光或者化学晶粒化以便使铸件产品的表面状况良好。为了尽量减少模具的磨损，模具的任何部位必须有很高的硬度，在250HB至400HB，而通常是在270HB至350HB。此外，还应有很高的屈服强度和优良的冲击强度以便耐受住冲击和变形。

加工工艺是非常重要的，因为它表示了制造模具总成本的70％，该金属必须有机械加工性，而且这种机械加工性不能通过含有过量的添加物来达到，例如硫或铅，因为这些添加物会影响到金属抛光或晶粒化的效果。

因为模具通常是通过焊接而制造的，所以使用的金属必须具有可焊性。

此外，因为塑料或橡胶是在加热中注入模具的，所以使用的金属必须有高的热导率以便容易地将热量传送出来，该热量限制了注模产品的生产率。

为了加工模具，一般使用具有足够硬化度的低合金钢模块，经淬火和回火后，以获得马氏体组织或者马氏体—贝氏体(mar-tensito-bainitic)组织，它有足够的硬度，高的屈服强度和优良的韧性。

最常用的钢，按照AISI标准是P20钢，按照WERKSTOFF德国标准是W1.2311或W1.2738钢。

P20钢含有(按重量)0.28％至0.4％的碳，0.2％至0.8％的硅，0.6％至1％的锰，1.4％至2％的铬，0.3％至0.55％的钼，其余为铁和伴随熔炼的杂质。

W1.2311和W1.2738钢含有(按重量)0.35％至0.45％的碳，0.2％至0.4％的硅，1.3％至1.6％的锰，1.8％至2.10％的铬和0.15％至0.25％的钼，W1.2738钢进而含有0.9％至1.2％的镍，其余为铁和伴随熔炼的杂质。

这些钢具有优良的耐磨性，但是它们的焊接性、机械加工性、韧性和热导性是不足的。

为了改进焊接性，在EP 0,431,557专利申请中提出了以下的钢，即含有(按重量)0.1％至0.3％的碳，小于0.25％的硅，0.5％至3.5％的锰，小于2％的镍，1％至3％的铬，0.03％至2％的钼，0.01％至1％的钒，小于0.002％的硼，上述的元素被看作是不需要的杂质，其余基本为铁，且组成还要满足以下的关系式：BH＝326+847.3(％C)+18.3(％Si)-8.6(％Mn)-12.5(％Cr)≤460

由此关系式中看出，碳含量必须保持小于0.238％。

虽然这种钢具有一定的优良焊接性和可接受的机械加工性，但没有足够高的热导性。

事实上，本领域的技术人员选择了在上述指示范围内的组成以便得到足够的硬化度，以生产厚度超过400mm的产品部件；特别值得一提的是各种元素不能同时都保持在范围的下限值。因此，所有这些钢所具有的热导性小于35W.m^-1K^-1，而且对于一些模具来说，往往要求在其某一个部位的热导性要足够高时，则相应的部位用铜/铝/铁合金制造，其热导性大于40W.m^-1K^-1，然而用这种技术制造模具时，其缺点是复杂化，因为它们是复合物，使用合金的价钱要比钢贵的多。

本发明的目的在于提供了用于制造塑料和橡胶模具的低合金钢，同时这些钢至少与普通钢一样具有相同的机械性能和机械加工性，具有热导性大于40W.m^-1K^-1，特别是能够制造全钢模具。

为了完成此目的，本发明中的用于制造塑料和橡胶模具的低合金钢的化学组成如下，(按重量)：

 0.24％≤C≤0.35％

    1％≤Mn≤2.5％

  0.3％≤Cr≤2.5％

  0.1％≤Mo+W/2≤0.8％

   微量≤Ni≤2.5％

    0％≤V≤0.3％

         Si≤0.5％

0.002％≤B≤0.005％

0.005％≤Al≤0.1％

    0％≤Ti≤0.1％

         P≤0.02％。

这些组成进而满足以下的关系式：

U＝409(％C)+19.3[％Cr+％Mo+％W/2+％V]+29.4(％Si)+

   10(％Mn)+7.2(％Ni)＜200和

R＝3.82(％C)+9.79(％Si)+3.34(％Mn)+11.94(％P)+

   2.39(％Ni)+1.43(％Cr)+1.43(％Mo+％W/2)＜11.14。

优选的是所述的钢含有：

0.24％≤C≤0.28％

   1％≤Mn≤1.3％

   1％≤Cr≤1.5％

 0.3％≤Mo+W/2≤0.4％

0.03％≤V≤0.1％

此钢中的硅含量优选地要少于0.1％。

此外，也可以添加铜以便在回火中得到更强的硬度，最后钢含有0.8％至2％的镍和0.5％至2.5％的铜。

硬度也可以通过添加铌得到改进，其量小于0.1％，而机械加工性可以通过添加硫、碲、硒、铋、钙、锑、铅、铟、锆或稀土元素得到改进，其含量小于0.1％。

本发明的另一目的是使用本发明的钢，通过淬火和回火制造硬度为270HB至350HB的钢块。

在图1中表示了根据泰勒方法示出本发明钻削机械加工性的程度。

本发明低合金钢主要含有(按重量)：

大于0.24％C，这是为了在高于500℃下淬火和回火后，使硬度大于270HB，和小于0.35％C，这是为了不降低焊接性，限制不利于机械加工性、抛光性和晶粒化的偏析程度。优选的碳含量在0.24％至0.28％；

大于1％的锰，这是为了增加钢的硬化性，并且小于2.5％，优选的是1.3％以下，这是为了防止过多地降低钢的热导性。

大于0.3％的铬，这也是为了增加可硬化性和防止铁素体-珠光体相对抛光性的不利影响，并且小于2.5％是为了不降低焊接性和防止过量的碳化铬形成，这些物质对机械加工性是不利的，优选的铬含量在1％至1.5％。

大于0.1％，优选的是大于0.3％的钼，这是为了增加硬化性和减少回火柔软性的程度，但是要小于0.8％，优选的是小于0.4％，这是因为太过量时，钼则形成很硬的碳化物，这对于机械加工性是不适宜的，并且显示出偏析成网状组织，这些对于抛光和晶粒化是不利的，而且导致在机械加工时损坏工具。钼可以完全或部分地用钨代替。对于1％的钼用2％的钨代替时，其含量按Mo+W/2计算。

0％至0.3％，优选的是0.03％至0.1％的钒，这是为了在回火时产生第二次硬化。

伴随着0.002％至0.005％的硼有0.005％至0.1％的铝和0％至0.1％的钛，这是为了有效地增加硬化性和不损害其它性能。铝和钛用于防止硼与氮结合，其中一直存有一定量的氮这是为了保护硼。

以下的添加物是有效的，当氮含量大于50ppm时，铝的含量必须大于0.05％，同时钛的含量小于0.005％；当钛含量大于0.015％时，铝的含量可以小于0.03％，优选的是在0.020％至0.030％内；

小于0.02％的磷，这是一种脆化杂质。

除了这些化学组成中的主要元素外，所述的钢含有，或可以含有的元素如硅、铜和镍或者杂质或补充的合金元素。

特别是当用碎铁制造钢时，在钢中含有少量铜和镍。当镍含量少时，过高的铜含量，在热轧、热锻时会引起缺陷，这是因为脆化了晶界。在无添加物的条件下，镍和铜的含量各应小于0.5％。

为了增加硬化性，可以添加到2.5％的镍。

为了产生组织-硬化效应也可以添加铜。此时，铜含量必须在0.5％至2％，而伴随着的镍含量为0.8％和2.5％。

硬度也可通过添加小于0.1％铌的量进行调节。

在抛光性或晶粒化的要求允许的情况下，可以通过添加硫、碲、硒、铋、钙、锑、铅、铟、锆、或稀土元素改进机械加工性，其量小于0.1％。

本发明者们业已发现，当化学组成在以下范围时，其机械加工性实质上高于P20型钢：

U＝409(％C)+19.3[％Cr+(％Mo+％W/2)+％V]+29.4(％Si)+

   10(％Mn)+7.2(％Ni)＜200。

为了具有足够的热导性，还必须符合下式：

R＝3.82(％C)+9.79(％Si)+3.34(％Mn)+11.94(％P)+

   2.39(％Ni)+1.43(％Cr)+1.43(％Mo+％W/2)＜11.14。

因此，化学组成必须选择在U＜200和R＜25。这样热导性大于40W.m^-1K^-1。

为了制造模具，要将本发明的钢熔化，并用硅进行预脱氧化，而后用铝进行脱氧化，接着添加钛和硼。

将上述的液体金属进行浇铸，形成半成品，如铸块、铸坯或者钢坯。

而后将半成品加热到低于1300℃下，对其进行锻造或轧制，而得到棒钢或板材。

为了得到全部体积是马氏体或马氏体-贝氏体组织，将棒材或板材淬火。

淬火可直接进行，在轧制或锻造下直接进行，其前题是轧制或锻造的最终温度小于1000℃，或者在奥氏体化后，当温度大于Ac₃点的时刻，优选的是小于1000℃。

在空气、油或水中淬火后，根据尺寸大小，将棒材或板材在大于500℃，优选的是大于550℃下进行回火，这样可使得棒材或板材的所有部位上得到270HB和350HB的硬度，优选的是近于300HB的硬度。通过淬火将内部产生的应力衰减下来。

然后，模块被切成要求的尺寸并且被加工形成模腔，这是为了通过注模得到所要求的产品部件。

而后，对模腔的表面进行处理，如抛光或晶粒化，为了得到理想的表面状态也可以进行渗氮或镀铬。

举例说明，用以下组成(重量百分数)的钢A制造模具：

C＝0.25％

Si＝0.25％

Mn＝1.1％

Cr＝1.3％

Mo＝0.35％

Ni＝0.25％

V＝0.04％

Cu＝0.3％

B＝0.0027％

Al＝0.025％

Ti＝0.020％

S＝0.001％

P＝0.010％

制造400mm厚的模块，在900℃下进行1小时奥氏体化后，水淬火和在550℃下回火1小时，并在空气中冷却。因而得到马氏体-贝氏体组织，在产品所有点上的硬度为300HB至318HB。屈服强度Re是883MPa和拉伸强度Rm是970MPa，即Re/Rm接近0.91；在+20℃下冲击强度KCV是60J/cm²。

此钢的碳当量，可用下式计算，

C_eq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

C_eq＝0.808；

其BH值：

BH＝508；

机械加工性指数：

U＝151；

热导率：λ＝41W.m^-1K^-1。

为了比较，用P20型钢制成同样尺寸模块，其组成如下：

C＝0.34％

Si＝0.45％

Mn＝0.95％

Cr＝1.85％

Ni＝0.3％

Mo＝0.38％

在900℃下，奥氏体化后，用水淬火而后在580℃下回火1小时，比较硬度，其值集中在300HB周围。屈服强度Re是825MPa并且拉伸强度Rm是1010MPa，即Re/Rm的比例接近0.82。在+20℃下的冲击强度KCV是20J/cm²。

碳当量是：

C_eq＝0.964；

BH系数是：

BH＝591；

机械加工性指数：

U＝207；

热导率是：

λ＝35W.m^-1K^-1。

机械加工性指数U的不同导致机械加工的能力不同，如图1所示，该图中表示了钢A和用实施例方法得到的P20钢的泰勒钻削线。在此图中，可以看出在相同的切削速度下，对于钢A的钻削深度比P20钢约大10倍或者，在钻削相同深度下，钢A比P20钢的允许切削速度大25％。

因为焊接性更好是低的碳当量或者低的BH系数，所以本发明的钢的焊接性大于P20钢。

并且发现钢A的热导性高于P20钢17％和其屈服强度和冲击强度显著地高于P20钢。

作为比较，用以下组成生产同样尺寸的模块：

C＝0.17％

Si＝0.09％

Mn＝2.15％

Cr＝1.45％

Mo＝1.08％

V＝0.55％

B＝0.0007％

在900℃下奥氏体化后，水淬火和在570℃下回火，模块的全部体积硬度接近300HB并且，

碳当量是：

C_eq＝1.144；

BH系数是：

BH＝435；

机械加工性指数U是：

U＝153；

热导率是：

λ＝35W.m^-1K^-1。

这些钢与钢A相比具有较好的BH值，但是碳当量数很差。它的机械加工性指数可以与钢A相比，但是热导率低于15％。

使用本发明的钢B制成400mm厚的模块，将其在920℃下奥氏体化，在水中淬火，在560℃下回火，而后在空气中冷却。每一点的硬度在300HB至315HB。屈服强度Re是878MPa，拉伸强度Rm是969MPa，即Re/Rm比为0.91。

钢的组成如下：

C＝0.25％

Si＝0.1％

Mn＝1.3％

Cr＝1.3％

Mo＝0.4％

V＝0.01％

B＝0.0025％

Al＝0.055％

S＝0.002％

P＝0.015％

Ni＝0.8％

Cu＝0.35％

碳当量是：

C_eq＝0.83；

BH系数是：

BH＝512；

机械加工性指数是：

U＝153；

热导率是：

λ＝44W.m^-1K^-1。

这些钢在组成上不同于钢A，主要是在硅和镍的含量方面，但具有钢A相同的优良性质，此外具有很好的热导率。

Claims (5)

1.通过用低合金钢加工至少一种经淬火和回火的钢模块，来制造塑料或橡胶模具的应用，其化学组成如下，按重量：

0.24％≤C≤0.35％

   1％≤Mn≤2.5％

 0.3％≤Cr≤2.5％

 0.1％≤Mo+W/2≤0.8％

  微量≤Ni≤2.5％

   0％≤V≤0.3％

        Si≤0.5％0.002％≤B≤0.005％0.005％≤Al≤0.1％

   0％≤Ti≤0.1％

        P≤0.02％

        Cu≤2％小于0.1％的从Nb，Zr，S，Se，Te，Bi，Ca，Sb，Pb，In和稀土元素中任意选出的至少一种元素，其余为铁和伴随熔化时的杂质，进而，化学组成满足以下关系式：

U＝409(％C)+19.3[％Cr+(％Mo+％W/2)+％V]+29.4(％Si)+

   10(％Mn)+7.2(％Ni)＜200和

R＝3.82(％C)+9.79(％Si)+3.34(％Mn)+11.94(％P)+

   2.39(％Ni)+1.43(％Cr)+1.43(％Mo+％W/2)＜11.14。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征是硬度为270HB至350HB。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征是化学组成如下：

0.24％≤C≤0.28％

   1％≤Mn≤1.3％

 0.3％≤Cr≤1.5％

 0.3％≤Mo+W/2≤0.4％。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征是含有Si≤0.1％。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征是

0.5％≤Ni≤2.5％

0.5％≤Cu≤2％。

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