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CN1174896A - 用于制造塑料模具的低合金钢 - Google Patents

用于制造塑料模具的低合金钢 Download PDF

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CN1174896A
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Abstract

用于制造塑料注塑模具的钢,含有以重量计:0.35%≤C≤0.5%,0%≤Si≤0.5%,0.2≤Mn≤2.5%,0%≤Ni≤4%,0%≤Cr≤4%,0%≤Mo+W/2≤2%,0≤Cu≤1%,0%≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5%,0.005%≤Al≤0.2%,0%≤B≤0.015%,0%≤Ti+Zr/2≤0.3%,0%≤S+Se+Te≤0.2%,0%≤Pb+Bi≤0.2%,0%≤Ca≤0.1%,其余为铁和生产过程形成的杂质,该化学组成满足下列关系式:Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥1,R=3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo+W/2)≤11,Qu=3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×(Mo+W/2)+kB≥3,(当B≥0.0005%时,kB=0.5,否则kB=0)以及R≤Max(2.33×Qu－1,0.9×Qu+4)。

Description

用于制造塑料模具的低合金钢
本发明涉及尤其适用于制造塑料模具的低合金钢。
塑料或橡胶模具通过机加工厚度达到1500mm的金属块而被制成。机加工的目的具体地讲是形成具有有待通过模塑得到的制品形状的腔体。在大多数情况下，腔体的表面经过抛光或化学粗糙化处理以便通过模塑得到的制品具有所需的表观特征。由于模塑操作是通过加压注入热塑料完成的，所以模具必须首先能够承受塑料的压力，其次能够尽快地除去塑料中的热量以便提高模塑操作的产出效率，最后能够耐受塑料与腔体表面的磨擦。此外，这些钢的特性在模具被使用过程必须保持稳定，也就是说，不会由于模塑操作形成的温度周期受到影响，并且必须(包括在最厚的部分之中)尽可能地保持均匀一致。为了满足所有这些条件，有必要得到一种用于制造塑料注塑模具的钢，具体地讲，该钢同时具备很高的硬度、很好的机加工性，很好的可抛光性或化学可糙化性，良好的导热性，即使是厚度达最大值的情况下具有所有这些性质的高度均匀性。这样一种理想的钢材属于未知内容。
为了生产这类模具，通常使用经过充分淬火的低合金钢块，该钢于淬火与退火之后获得具有充分的硬度、高屈服点和良好的韧性、基本上不含铁素体的马氏体或贝氏体结构。
得到最广泛应用的钢为符合AISI标准的钢P20与符合德国Werkstoff标准的钢W1.2311或W1.2738。
钢P20含有以重量计0.28-0.4％C、0.2-0.8％Si、0.6-1％Mn、1.4-2％Cr和0.3-0.5％Mo，其余为铁和与生产过程相关的杂质。
钢W1.2311与W1.2738含有以重量计0.35-0.45％C、0.2-0.4％Si、1.3-1.6％Mn、1.8-2.10％Cr和0.15-0.25％Mo；钢W1.2738还含有0.9-1.2％镍，其余为铁和与生产过程相关的杂质。
这些钢具有良好的耐磨性。然而，本发明人具体地发现它们的导热性与可淬火性的组合效果不够充分。钢W1.2738比W1.2311明显地更具可淬火性，而后者比钢P20的可淬火性更强。但是，钢W1.2738的导热性明显地低于钢W1.2311，后者明显地低于钢P20。由于具备最佳导热性的钢的可淬火性最低，并且反之亦然，所以不能制备具备良好导热性的大块模具。如果期望制备具备良好导热性的大尺寸模具，有必要使用钢P20而不是钢W1.2738，需要将模具设计成为数个较小的组件而不是非常大的单一部分。然而，该技术从未得到使用，甚至未被设想到，其原因在于非常复杂和模具制造成本较高。事实上，有必要确保各组件达到尽善尽美的配合，避免在模塑制成的制品上形成表面印记，但是在实践中，这是不可能的。
本发明的目的是通过提供一种钢来克服这一不足之处，该钢同时具有模具制造钢所需的主要特性、尤其是非常好的耐磨性以及优于先有技术可得到的可淬火性与导热性的组合。
为此，本发明的主题是一种用于制造塑料或橡胶注塑模具的钢，其化学组成含有以重量计：
                0.35％≤C≤0.5％
                 0％≤Si≤0.5％
                0.2％≤Mn≤2.5％
                  0％≤Ni≤4％
                  0％≤Cr≤4％
               0％≤Mo+W/2≤2％
                  0≤Cu≤1％
            0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5％
               0.005％≤Al≤0.2％
                0％≤B≤0.015％-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自硫、碲与硒的元素，-视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3％。-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自铅和铋的元素，-视具体情况而定少于或等于0.1％的钙，其余为铁和生产过程形成的杂质，此外，该化学组成满足下列关系式(含量以重量％表示)：
Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥1
R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr
+Mo+W/2)≤11
Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×
(Mo+W/2)+kB≥3
(当B≥0.0005％时，KB＝0.5，否则KB＝0)以及R≤Max(2.33×Qu-1，0.9×Qu+4)
化学组成优选为Mo+W/2≥0.4％
同样优选的是Si≤0.15％，以Si≤0.1％为更佳。
最后，有必要使硼含量大于或等于0.0005％。
优选地，必须选择钢的组成以便使R≤9，视具体情况而定Qu≥4.3。
当钢的化学组成如下所示时可以特别有利的方式获得上述条件：
                   0.37％≤C≤0.45％
                    0％≤Si≤0.15％
                   0.2％≤Mn≤1.5％
                    0％≤Ni≤0.5％
                    0％≤Cr≤2.5％
                   0％≤Mo+W/2≤1％
                      0≤Cu≤1％
                0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.2％
                   0.005％≤Al≤0.2％
                  0.0005％≤B≤0.015％
                 0％≤Ti+Zr/2≤0.3％
该组成还满足下列关系式：
R≤2.33×Qu-2.4
当钢含有钛或锆时-这是必要的-需要将钛或锆在制造过程中逐渐地加入钢液中以便得到非常细的氮化钛或氮化锆沉淀。优选的钛、锆与氮含量(％重量)应该为：
0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016
在此条件下，固态钢的显微照相部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。
最后，本发明涉及一种具有本发明化学组成的钢块，其特征尺寸约为20-1500mm，在其各点上是马氏体或贝氏体结构，基本上不含铁素体，其各点处的硬度为250-370布氏硬度，以270-350布氏硬度为佳。
本发明的钢还可被用于采用铸造技术制造塑料模具。
现在以不意味着加以限制的方式对本发明进行更详细地描述，下面给出实例。
为了获得所有制造塑料注塑模具所需的使用特性，该钢的化学组成包括以重量表示：
-0.35％以上碳，以便同时获得充分的硬度和非常好的耐磨性，在等同硬度的条件下，碳含量越高，耐磨性越佳；然而，碳含量不能太高以致无法保持令人满意的机加工性与韧性；所以，碳含量必须小于或等于0.5％；碳含量必须优选地为0.37-0.45％；
-钼，优选地大于0.4％，以便增大可淬火性，尤其是增大贝氏体比例，这样便能够在厚块体内得到良好的特征均一性；钼的优点还在于能够提高耐退火性并且能够与碳形成在相同强度下可以提高耐磨性的碳化物；然而，为了使得该元素充分发挥功效，钼含量不必高于2％，以限于1％为佳，尤其是由于该元素非常昂贵，同时由于它会促使产生不利于机加工与抛光处理的偏析现象；每1％钼可以全部或部分地被2％钨置换；因此，化学组成条件被数量Mo+W/2所限定；
-0-4％、优选1.5-2.5％的铬，以便在不过分破坏导热性的条件下改善可淬火性和提高抗软化性和耐磨性；
-视具体情况单独或组合地存在的钒、铌或钽，V+Nb/2+Ta/4之和为0-0.5％，以小于或等于0.2％为佳，以提高硬度和耐磨性；
-0.2％以上能够提高可淬火性和与硫结合的锰，但是它明显地降低了导热性；其含量被限制在2.5％，以1.5％为佳；
-少于0.5％，优选少于0.15％，更好地少于0.1％的硅，这是一种用于使钢液脱氧的元素，其缺点在于非常明显地提高了钢的热阻并且促使在大尺寸块料中形成中介偏析；硅含量以尽可能低为佳；
-视具体情况存在的镍，其含量为0-4％，以便提高可淬火性，以少于0.5％为佳，以便不过分地降低导热性；该元素还可以在由铁渣生产钢之时作为残余物存在；
-视具体情况存在的0-1％铜，这是通过原料被引入的残余元素，但是在伴随有镍的情况下，它能产生有利的硬化效果；
-0.005-0.2％铝，以便使钢脱氧，在适宜情况下促进可淬火性的硼保护作用；
-至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量的总和小于或等于0.3％，以便捕集钢中常含有的并且可以中和硼的功效的氮，当钢含有钛或锆时，钛、锆与氮(通常至少作为杂质存在的元素，其含量为几ppm-数百ppm)的含量优选为
0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016优选地钛或锆通过逐渐溶解氧化钛或锆相例如通过将钛或锆加入未脱氧钢、随后加入强脱氧剂如铝来将钛或锆引入钢中；其条件能够获得非常细的氮化钛分散体，这有利于冲击强度，机加工性和抛光性；当以此优选方式导入钛或锆时，则在固态钢的显微照相部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小；
-视具体情况存在的硼，在0-0.015％之间，以大于0.0005％为佳，以大于0.002％为更佳，以便在不破坏导热性的条件下提高可淬火性；
-可作为杂质或作为添加物存在的硫，也就是说其含量低于0.005％，视具体情况而定伴随有碲或硒，以便提高机加工性；硫、碲与硒的总量小于或等于0.2％；还可以通过加入少于或等于0.2％的铅或铋或通过加入少于或等于0.1％的钙来改进机加工性；
其余为铁和由生产过程产生的杂质。
在此组成中，每一组分含量必须满足下列条件：若R为代表钢的热阻的数量，Qu为代表其可淬火性的数量，则
R≤11，以R≤9为佳
Qu≥3，以Qu≥4.3为佳。
此外R与Qu均为无因次系数，由下式计算得到：
R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+
1.4×(Cr+Mo+W/2)
Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+
1.6×(Mo+W/2)+kB
若B≥0.0005％，则kB＝0.5，否则kB＝0。
由这些条件可以得到在淬火后足以获取基本上不含铁素体(铁素体不必要存在，但是可以有少量残余)的马氏体或贝氏体结构的可淬火性，以便得到能够增大注塑设备生产效率的钢的导热性。
当由上述两个式中每一个计算每一元素的这些系数的比值时，人们发现Si、Ni以及在某种程度上的锰为产生不利效果的元素，其含量必须调至与各种冶金限制因素相匹配的最低水平上，另外，依次优选硼、钼(或钨)、碳与铬，这些是在对热阻性产生给定效果的条件下非常有利于可淬火性的元素。更确切地，在计算涉及R与Qu的式中系数的比值的过程中，对于钼、碳和铬的系数来说，钢的化学组成应满足下列关系式：
R≤Max(2.33×Qu-1，0.9×Qu+4)
该式表明R必须小于或等于两个数2.33×Qu-1与0.9×Qu+4中较大的一项。
最后，为了在高于500℃下退火后得到大于250BH的硬度，需要得到钢的各种性能的良好稳定性和令人满意的抗冲击强度，钼、钨、铬、钒、铌和钽的含量必须为：
Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥1
所有这些关系式必须同时得到满足。
通过下列条件可以确定上述定义的组成的优选范围：
              0.37％≤C≤0.45％
               0％≤Si≤0.15％
              0.2％≤Mn≤1.5％
               0％≤Ni≤0.5％
                    0％≤Cr≤2.5％
                   0％≤Mo+W/2≤1％
                      0≤Cu≤1％
                0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.2％
                   0.005％≤Al≤0.2％
                  0.005％≤B≤0.015％
                 0％≤Ti+Zr/2≤0.3％
        Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥1
                  R≤2.33×Qu-2.4
该钢还可以含有上述其它元素(硫、硒、碲、铋、铅和钙)；优选以上述方式加入钛。
虽然碳含量约为0.4％的钢通常被认为难以焊接，但是用本发明的钢制造的模具可以通过在高于或等于约300℃的温度下进行预热与后热处理而被焊补。由此看来，所选用的组成范围的优点在于能够促进焊补后的处理(机加工、抛光、糙化)，原因在于母体金属与焊接的ZAH之间的硬度差ΔH较小(小于100BH)并且在相同的可淬火性条件下明显地低于先有技术得到的钢中ZAH与母体金属之间的硬度差。
为了制造可被用于生产模具的钢块，将生产的钢液浇铸成半成品如钢锭或板坯，该半成品随后被轧制或锻造成例如可以成为片材的块状。该半成品随经过退火与淬火热处理以便得到基本上不含铁素体这一不利于进行机加工的组分的马氏体或贝氏体结构。该块体通常呈平行六面体，大多数情况下具有最小的特征尺寸d，该尺寸与淬火介质的性质组合决定芯部的冷却速率。由于芯部结构不含铁素体所以钢的可淬火性高到足以使产生铁素体的临界速率低于芯部的冷却速率。
退火必须在500℃以上，以550℃以上为佳但低于钢的AC1点的温度下进行。
本发明钢的一个特别优点是可以借助铸造技术制造模具，该技术可以得到铸钢(而不是上述焊接钢)模具。按照该方法，不是在呈被水循环冷却通道贯穿的平行六面体块的模具中对其腔体进行机加工，而是通过铸造技术制造模具坯料，其中包括模具腔体坯料和具有适宜形状以确保具有充分的机械强度的外部，这样使其壁要比通过腔体机加工技术由块体得到的壁薄得多。模具自身是通过精加工坯料和进行热处理得到的。由于模具较薄，所以使用导热性很好的本发明的钢可以减少甚至消除利用在贯穿于模具壁中的水循环通道进行的冷却，并且确保在使用期间通过模具外部周围的气体循环得到冷却。腔体的机加工通常导致孔隙的出现，可以焊补这些孔隙。可焊接性较好的钢使这一操作易于进行。热处理与在焊接钢制成的模具上进行的热处理相同；然而，可以进行一个或多个奥氏体化过程对颗粒进行晶粒细化处理。
作为实例，生产了本发明钢A、B、C和D与先有技术钢E、F和G。其化学组成(％(重)的千分之一)为：
 C  Si  Mn  Ni  Cr  Mo  V  B  Al  Ti  N
 A  400  60  300  200  1900  650  50  3  20  35  5
 B  410  50  520  190  2220  810  -  3  30  23  6
 C  380  80  1050  150  975  780  -  2  60  -  6
 D  410  55  750  210  1925  850  -  -  25  -  6
 E  395  300  1490  210  1920  270  -  -  30  -  6
 F  410  310  1410  980  1950  280  -  -  27  -  5
 G  400  200  600  200  1400  400  -  -  25  -  7
由这些钢制成可用于制造模具的退火淬火块。这些块的厚度(特性尺寸d)，热阻系数R、可淬火性系数Qu、导热性、硬度、ZAH与母体金属之间的硬度差ΔH、淬火方法与退火条件如下所示：
 dmm 淬火 退火  Qu  R  导热性  硬度 ΔH
 A  140 空气 600℃  4.77  7.16  51  320  5
 B  900 水 600℃  5.4  8.47  47  310  55
 C  600 水 600℃  5.13  8.53  47  330  16
 D  600 水 620℃  5.05  8.97  46  325  53
 E  150 空气 600℃  4.9  12.9  39  320  107
 F  700 水 600℃  5.4  14.8  37  305  135
 G  180 水 600℃  3.8  8.5  47  278  44
导热性以W/m/K表示
硬度为布氏硬度
结果表明本发明的钢A、B、C和D具有与先有技术钢E和F相似的可淬火性，但前者的导热性大大(约30％)高于后者。先有技术的钢G的导热性类似于钢B、C和D，但其可淬火性远低于后面几种钢。由于这一低可淬火性，可制成的最大厚度小于200mm，淬火必须用水完成，这是厚度小造成的缺陷之一。
本发明的钢A-D的ZAH与母体金属之间硬度差ΔH小于55BH，而钢E与F的ΔH大于100BH。先有技术钢G的ΔH较小(44BH)，但是同时具有很小的可淬火性。
本发明钢可用于制造特性尺寸在20mm-至少1500mm的块，在所有点上的结构均为马氏体或贝氏体结构，尤其是不含铁素体，其硬度在所有点上均在250-370布氏硬度之间。这些块可用于制造注塑塑料或橡胶或任何其它优选在低于约500℃温度下模塑的材料的模具。
当焊补模具时，迫切需要被加入的金属具有与母体金属相同的组成；因此，本发明钢可制成焊丝或用于制造焊条的金属丝。

Claims (11)

1.用于制造塑料或橡胶注塑模具的钢，其特征在于其化学组成含有以重量计：
                 0.35％≤C≤0.5％
                  0％≤Si≤0.5％
                 0.2％≤Mn≤2.5％
                   0％≤Ni≤4％
                   0％≤Cr≤4％
                 0％≤Mo+W/2≤2％
                    0≤Cu≤1％
             0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5％
                 0.005％≤Al≤0.2％
                  0％≤B≤0.015％-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自硫、碲与硒的元素，-视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3％，-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自铅和铋的元素，-视具体情况而定少于或等于0.1％的钙，其余为铁和生产过程形成的杂质，此外，该化学组成满足下列关系：
    Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥1
    R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr
    +Mo+W/2)≤11
    Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×
    (Mo+W/2)+kB≥3
(当B≥0.0005％时，kB＝0.5，否则kB＝0)以及R≤Max (2.33×Qu-1，0.9×Qu+4)
2.按照权利要求1的钢，其特征在于Si≤0.15％。
3.按照权利要求1或2的钢，其特征在于B≥0.0005％。
4.按照权利要求1-3中任一项的钢，其特征在于R≤9。
5.按照权利要求1-4中任一项的钢，其特征在于Qu≥4.3。
6.按照权利要求1-5中任一项的钢，其特征在于Si≤0.1％。
7.按照权利要求1-6中任一项的钢，其特征在于
            0.37％≤C≤0.45％
             0％≤Si≤0.15％
            0.2％≤Mn≤1.5％
             0％≤Ni≤0.5％
             0％≤Cr≤2.5％
            0％≤Mo+W/2≤1％
               0≤Cu≤1％
         0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.2％
            0.005％≤Al≤0.2％
           0.0005％≤B≤0.015％
          0％≤Ti+Zr/2≤0.3％
           R≤2.33×Qu-2.4.
8.按照权利要求1-7中任一项的钢，其特征在于：钛、锆、氮含量优选为0.00003≤(N)×(Ti+Zn/2)≤0.0016以及在固态钢的显微照相部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。
9.按照权利要求1-8中任一项的钢，其特征在于特性尺寸在20mm-1500mm，在所有点上的结构均为马丁或贝氏结构，其硬度均为250-370布氏硬度。
10.权利要求1-8中任一项的钢在采用铸造技术制造塑料模具方面的用途。
11.用于焊接或制造焊条的金属丝，其特征在于它由权利要求1-8中任一项的钢组成。
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