CN101041885A - 一种塑料成型模具用钢和其热处理方法 - Google Patents

一种塑料成型模具用钢和其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蚀性的马氏体时效硬化钢，一种用于该种钢的热处理方法以及它的应用。根据本发明这种钢含有(重量％)：0.02－0.075％的碳，0.1－0.6％的硅，0.5－0.95％的锰，0.08－0.25％的硫，0.04％的磷，12.4－15.2％的铬，0.05－1.0％的钼，0.2一1.8％的镍，上限为0.15％的钒，0.1－0.45％的铜，上限为0.03％的铝，0.02－0.08％的氮，以及可能的上限为2.0％的一种或多种合金元素，余量为铁，以及在炼制过程中带进的杂质，在组织结构中具有少于28体积％的铁素体。具有改善了的可切削性的马氏体时效硬化钢的热处理方法，该方法可制备甚至大横截面也淬透了的物体，该方法主要为对具有上述组成的钢锭第一步进行用于形成和调节其组织结构中的铁素体含量的退火处理，第二步进行热变形，第三步为软化退火和接着进行热时效硬化。

Description

一种塑料成型模具用钢和其热处理方法
本申请是于2001年12月19日向中国国家知识产权局专利局提交的中国专利申请No.01143694.8的分案申请。
本发明涉及到一种具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蚀性的马氏体时效硬化钢，以及其用途。本发明还包括该种具有改善了的可切削性的马氏体时效硬化钢的热处理方法，该种热处理法能制备即使在大的横截面时也淬透的物体。
在日常生活和工业需要的产品中含有塑料，这些塑料制件通常应有固定了的形状和表面性质。成型可以通过例如将物料压制，注模压制或注射成模制件进行。对于顾客审美判断的重要的制件表面性质主要是在成型过程中由所应用的模具的表面性能所决定。
通常是由钢，特别是马氏体时效硬化了的钢制成的物体或元件用作为塑料成型用模具，也用作为夹紧元件如框架和类似件。炼制用于上述目的的钢时一方面要考虑到制造模具者的兴趣，另一方面考虑到模具使用者的兴趣。
模具制造者为了在短时间内经济地制备出塑料成型模具和附属配件，所以希望应用库存的热时效硬化了的棒材或板材制成的尽量大型的工件。这样一方面可在产生较少的废料的同时由省去热处理而降低生产成本。另一方面在由已经时效硬化了的材料加工时能提供给模具使用者具有特别精确尺寸的塑料成型模具或元件，因为这避免了由于在制模完成后接着的热处理而使得模具变形的现象。模具制造者为了容易加工处理和达到塑料制件足够的表面质量，特别是要求热时效硬化了的起始材料有良好的可切削性。还有为了达到所制备出来的塑料成型模具在整个横截面上有相同的机械性能，要求所用的工件是完全淬透的。
出于经济的原因，为了低成本生产和特别是修理模具，对于模具使用者来说，除了良好的可焊接性，模具材料的抗腐蚀性能也是具有重要意义的一个方面。只有由足够抗腐蚀性能的钢制成的塑料成型模具和模具元件才适合于具有间隔存放时间的多次使用和/或长期使用。模具由于注入物，特别是塑料的污染物，例如由酸性催化聚合反应中生成的酸，其表面要与引起腐蚀的腐蚀性化学试剂发生经常性的接触。
众所周知，含有高于12重量％的铬的钢应用来制备具有较高抗腐蚀性能的塑料成型模具。这种钢可通过具有德国工业标准材料号1.2085，1.2314或1.2316的合金获知。这些种类的钢含有至少14.0重量％的铬，0.33重量％或更多的碳，这么高的碳含量在形成碳化物时就要降低在基体中的铬浓度，这样也就要降低抗腐蚀性，特别是在碳化物的周围介质中。
为了达到较好的抗腐蚀性能，一类具有较低碳含量的钢得到应用，例如德国工业标准材料号为1.4005的钢。在US 6,045 633中提出了一种用来制备塑料成型模具的低碳的马氏体钢。这种钢除了含有铁和制备过程中带进的杂质外，还含有1.0-1.6重量％的锰，0.25-1.0重量％的硅，0.5-1.3重量％的铜，12.0-14.0重量％的铬，0.06-0.3重量％的硫以及其他元素。对于这种合金，除了降低的碳含量外通过铜而提高了抗腐蚀性。然而这么高的铜含量就会在工件的热变形时引起较大的问题，特别是在被加工的工件表面形成细小的裂纹，这些裂纹又容易造成裂缝腐蚀。
已知的用于制备塑料成型模具或类似的配件的钢要能满足模具制造者和使用者所提出的机械的和化学腐蚀性能的多方面要求。然而这种材料常常被观察到达不到可切削性能。另外在热时效硬化时显示出由这些合金制备的工件有时候非常难以达到淬透，尤其是对于具有大横截面的大型物体，例如生产技术上常要产生的锻棒。此外由这些工件生产的模具会有不均匀的机械性能并因此产生薄弱位，这主要是通过过早的材料缺陷而显示出来。
所以本发明的任务是提供一种马氏体时效硬化钢，该种钢同时具有良好的可焊接性，高的抗腐蚀性和改善了的可切削性。
本发明的另一任务是给出用于具有改善了的切削性能的马氏体时效硬化钢的热处理方法，用该方法可制备出甚至大横截面时都淬透了的物体。
最后，本发明的目的是阐述根据本发明的钢的应用。
这个提供具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蚀性的马氏体时效硬化钢的任务可通过一种具有以下合金元素含量(重量％)的马氏体时效硬化钢而解决，
0.02-0.075％碳
0.1-0.6％的硅
0.5-0.95％的锰
0.08-0.25％的硫
上限为0.04％的磷
12.4-15.2％的铬
0.05-1.0％的钼
0.2-1.8％的镍
上限为0.15％的钒
0.1-0.45％的铜
上限为0.03％的铝
0.02-0.08％的氮
以及非必要的一种或多种上限为2.0％的其他合金元素，余量为铁和制备中带入的杂质，这种钢在组织结构中的铁素体份额小于28体积％。
本发明的优点特别在于，通过确定的合金技术措施制备出能马氏体时效硬化钢，该种钢协同地具有一定的通过热处理按需要可调节的在组织结构中的铁素体份额，所以具有改善了的可切削性，同时其碳含量为0.02-0.075重量％和铬含量为12.4-15.2重量％，保证了高的抗腐蚀性和良好的可焊接性。根据本发明的钢中还含有0.2-1.8重量％的镍，其一方面用来调整组织结构中铁素体份额。另一方面镍与铬化合可达到对还原性化学试剂的耐腐蚀的目的，这样根据本发明的钢可达到高的化学抗腐蚀性。
为了在材料中形成有利于可切削性的硫化锰，0.5-0.95重量％的锰含量和0.08-0.25重量％的硫含量对本发明是很重要的，在此锰和硫的含量比例是如下所确定的，即在达到良好的抗腐蚀性的同时有优越的可切削性。人们发现锰含量小于0.5重量％时，有形成硫化铬的趋势，而硫化铬对可切削性有不利的影响。相反地当锰含量大于0.95重量％时通常要形成不含铬的硫化锰。上限为0.01重量％的钙能够引起硫化锰包裹物有较均匀的形态学。
铜的含量范围在0.1-0.45重量％，这个含量范围的铜能提高抗腐蚀性能。铜含量的上限为0.45重量％，直到这个上限，由根据本发明的钢制备的工件，特别是大的锻件可达到良好的热变形性。
含量为0.05-1.0重量％的钼可得到在马氏体时效硬化时提高硬度所期望的变形动力学，并且证实上述浓度范围内一方面有利于对碳化铬形成的进一步抑制，另一方面提高了抗腐蚀性。相反地高于1.0重量％的钼在一些温度范围内在工件的热变形过程中会降低其抗裂性能。
根据本发明的钢的其他元素是在权利要求1中给出的重量含量下的碳、硅、磷、矾、铝和氮。
合金成分，特别如第5和第6副族的合金成分能以总含量上限2重量％存在，而没有对可切削性可观察到的不利影响，还可能用来提高抗腐蚀性。
根据本发明的钢在一个优选实施方案中含有0.80-0.90重量％的锰和0.1-0.16重量％的硫。在锰/硫的重量比为5.0至9.0的组成范围内在特别改善了的可切削性的情况下可达到良好的抗腐蚀性能，这种效应能归因于在上述方案中硫化锰颗粒的球状形态学的影响。当锰/硫的化学计量比小于3∶1时也显得对形成可能含有极少量的铬的硫化锰颗粒是有利的，这使得材料达到优越的腐蚀性能。
较高的铬含量主要是用来改善合金的抗腐蚀性，而几乎不减小合金的可加工性。根据本发明的钢较好的铬含量为13.8-15.0％，优选为14.1-14.7％，在这个组成范围内可同时达到所期望的优越的性能。
对于良好的抗腐蚀性以及精确的铁素体份额的调整和改善了的切削性能，根据本发明的钢中的镍含量为0.25-1.6重量％，优选为0.35-1.1重量％，最优选为0.8-1.0重量％是重要的。较高的镍浓度在较高的温度对稳定奥氏体通常是很不利的，相反地较低的镍含量在材料热时效硬化时对变形性有不利的影响。
在材料性能的最优化时铜含量为0.25-0.35重量％证明是有利的。在这个铜浓度范围内对热变形了的物体通过该合金元素能最大程度地改善其抗腐蚀性，而在较高的铜含量时由于形成了细小的表面裂纹而能解释裂缝腐蚀的增大倾向。
根据本发明的材料的良好可加工性可在组织结构中的铁素体含量直到15体积％时达到。然而对于仅有微不足道的较小的可加工性，铁素体含量可优选为直到10体积％和直到6体积％，这样可提高模具元件的机械性能，特别是与变形方向成横向的机械性能。
另一个任务即给出具有改善了的可切削性的马氏体时效硬化钢的热处理方法，用该法可制备一种甚至大横截面时也淬透的物件，该任务如下解决，即具有如下组成(重量％)的钢锭：
0.02-0.075％的碳
0.1-0.6％的硅
0.5-0.95％的锰
0.08-0.25％的硫
上限为0.04％的磷
12.4-15.2％的铬
0.05-1.0％的钼
0.2-1.8％的镍
上限为0.15％的钒
0.1-0.45％的铜
上限为0.03％的铝
0.02-0.08％的氮
以及可能的总量最大为2.0％的其他合金元素，余量为铁和制备时带入的杂质，第一步对钢锭进行退火处理以形成和调节组织结构中铁素体份额，第二步以至少4倍的变形度进行热变形，第三步进行锻件的软化退火，接着进行由至少一次硬化处理和至少一次回火处理组成的热时效硬化处理。
根据本发明的方法的创新点在于，能制备出热处理了的金属物体，这种物体在大横截面情况下也有完全硬化的结构，所以由这样的工件能制备具有均匀机械性能和高质量的塑料成型模具元件。在此优越的淬透主要归因于镍与其他合金元素的结合作用。
以根据本发明的方法在大范围内调整组织结构中铁素体含量是可能的，这就可以影响工件的可切削性。
在镍含量为0.2-1.8重量％时，根据本发明，通过选择退火处理的温度和时间可将组织结构中的铁素体含量有针对地调节为0至70体积％。在足够的退火时间下，铁素体含量可根据与镍含量相关的下列的经验方程式得到：
0.5％镍：铁素体含量[体积％]＝0.345×退火处理温度[℃]-370  (1)
1.0％镍：铁素体含量[体积％]＝0.355×退火处理温度[℃]-390  (2)
1.5％镍：铁素体含量[体积％]＝0.375×退火处理温度[℃]-430  (3)
也能够在给定的退火处理温度下简单地通过改变钢中的镍含量而调节组织结构中铁素体的含量。
如已被证实为有利的，当在1080℃至1350℃之间进行退火处理至少12小时，优选为至少24小时时，能保证将铁素体含量精确调节到材料进一步加工所需的有利的稳定性。
在根据本发明方法的另一个有利的形式中通过退火处理而调节组织结构中的铁素体含量直至15体积％，优选为直至10体积％，最优选为直至6体积％，这样就能在达到所期望的良好的工件可切削性的同时达到良好的强度性能。
还发现当钢中含有13.8-15.0重量％，优选为14.1-14.7重量％的铬和/或0.25-1.6重量％，优选为0.35-1.1重量％，最优选为0.8-1.0重量％的镍时，根据本发明所制备的工件的铁素体含量被特别精确地确定下来，在这个铬和镍的含量范围内能制备出超出现有技术的抗腐蚀性能的工件。
如已所述，当钢中的铜含量为0.2至0.35重量％时，将特别地改善材料的抗腐蚀性能。然而铜含量超过0.35重量％对材料的热变形起不利的作用并且降低元件的表面性能。另外在铜含量高于0.35重量％时将增大材料的裂缝腐蚀的倾向。
应用根据本发明的钢用于塑料成型模具的框架结构已经证实是特别优越的和经济的。由于改善了的可切削性，高的抗腐蚀性和良好的可焊接性，这种钢适合于用来经济地制备应用时需高的抗化学腐蚀性和长时间使用寿命的模具元件。应用由根据本发明的合金制备的锻件已经证实特别适宜于用来制备模具或元件，特别是由于其极高的经济性。
下面是一个仅作为例示性的用来理解本发明的实施形式。
图1图示了模具的磨损标记宽度与根据本发明的钢的工件(以1-3标记)和参比钢的工件(以4-6标记)的寿命关系曲线图。
为了检验材料性能，应用了具有表1所列的化学组成的根据本发明制备得到的工件和参比工件。工件1至3的化学组成各自涉及根据本发明的钢，而工件4至6的化学组成涉及根据现有技术已知的参比钢。
                表1：被检验工件的化学组成，重量％
                  (没列出制备过程中所带入的杂质)
    元素                           组成[重量％]
    工件1     工件2     工件3   工件4   工件5   工件6
    CMnSiSPCrNiCuMoVAlN     0.050.80.340.240.0213.90.630.150.10.060.030.04     0.040.700.430.10.0112.50.40.250.250.030.020.05     0.060.860.370.140.0114.50.950.340.920.090.020.05   0.341.400.350.120.0216.00.650.150.040.05   0.080.800.450.180.0212.80.040.05   0.051.350.480.220.0212.60.950.080.040.04
    余量     Fe     Fe     Fe   Fe   Fe   Fe
对这些工件进行热处理，即第一步在1080℃至1350℃之间进行15小时的退火处理，对于根据本发明的工件在给定含量的镍下通过这个温度而被调整到所期望的铁素体含量。第二步，这些工件在大约1000℃下以6倍的变形度而各自被锻压，然后在590℃下进行软化退火。最后进行热时效硬化，包括1020℃硬化和530℃范围内回火。检验这些工件的淬透性。另外还要检验可切削性和抗腐蚀性。
沿着工件横截面的水平轴进行五次硬度测量可定量判断工件的横截面上的淬透性。根据本发明生产的工件相对于最大的硬度值的硬度差别都是在最大±5％以内，而参比工件4，5或6的硬度差别为±10％或更大。
为了确定可切削性，应用了装备有硬质金属卷切片的环形铣刀，切削系数如下：
切削速度：350m min-1
进口/铣齿：0.3mm
通过本发明的改善示于图1中，由图1可明显看出在根据本发明的钢的处理时制成的模具工作寿命有显著的提高。
在具有相同的化学组成时，根据本发明方法制备的在组织结构中具有铁素体含量直至大约5％的工件被证实是较容易加工的。
抗腐蚀性检验根据德国工业标准50021通过一系列盐喷射试验而进行，在此被腐蚀了的面积份额在2小时和5小时的处理时间后测定。被检测的工件试样大小为36cm2。
             表2：根据德国工业标准50021检测工件的抗腐蚀性
                    被腐蚀了的面积份额[％]
  喷射时间[h]     工件1     工件2     工件3     工件4     工件5     工件6
  25     2857     3361     3263     3568     5071     3769
由根据本发明的钢制成的模具元件的焊接不产生问题。
对根据本发明在钢中还含有直至大约1.5重量％的其它合金元素的钢进行检测，显示出相似的结果，所添加的元素主要是周期表中的第5和第6副族金属元素。

Claims (13)

1.一种具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蚀性的钢物体，该钢物体具有由马氏体构成的组织结构和少于28体积％的铁素体含量，并含有(重量％)
0.02-0.075％的碳
0.1-0.6％的硅
0.5-0.95％的锰
0.08-0.25％的硫
上限为0.04％的磷
12.4-15.2％的铬
0.05-1.0％的钼
0.2-1.8％的镍
上限为0.15％的钒
0.1-0.45％的铜
上限为0.03％的铝
0.02-0.08％的氮
以及可能的上限为2.0％的一种或多种其他合金元素，余量为铁，还含有炼制过程中带进的杂质，和该钢物体通过将一种具有以上组成的钢锭进行如下处理获得的，即对此钢锭第一步进行用来形成和调节在组织结构中的铁素体含量的退火处理，第二步进行具有至少4倍的变形度的热变形，之后在第三步进行软化退火，接着进行由至少一次硬化处理和至少一次回火处理组成的热时效硬化。
2.根据权利要求1的钢物体，含有0.80-0.90％的锰和0.10-0.16％的硫。
3.根据权利要求1或2的钢物体，含有13.8-15.0％，优选为14.1-14.7％的铬。
4.根据权利要求1至3之一的钢物体，含有0.25-1.6％，优选为0.35-1.1％，最优选为0.8-1.0％的镍。
5.根据权利要求1至4之一的钢物体，含有0.25-0.35％的铜。
6.根据权利要求1至5之一的钢物体，其组织结构含有铁素体(以体积％)为直至15％，优选为直至10％，最优选为直至6％。
7.一种具有改善了的可切削性，良好的可焊接性和高的抗腐蚀性的钢物体的制备方法，其特征在于，一种钢锭具有以下组成(以重量％)，
0.02-0.075％的碳
0.1-0.6％的硅
0.5-0.95％的锰
0.08-0.25％的硫
上限为0.04％的磷
12.4-15.2％的铬
0.05-1.0％的钼
0.2-1.8％的镍
上限为0.15％的钒
0.1-0.45％的铜
上限为0.03％的铝
0.02-0.08％的氮
以及可能的上限为2.0％的其他合金元素，余量为铁，以及炼制过程中带进的杂质，对此钢锭第一步进行用来形成和调节在组织结构中的铁素体含量的退火处理，第二步进行具有至少4倍的变形度的热变形，之后在第三步进行软化退火，接着进行由至少一次硬化处理和至少一次回火处理组成的热时效硬化。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，用来在组织结构中形成和调节铁素体含量的退火处理在1080℃至1350℃之间至少进行12小时，优选为至少24小时。
9.根据权利要求7或8之一的方法，其特征在于，通过退火处理将铁素体含量(体积％)调整至最大为15％，优选直至为10％，最优选直至6％。
10.根据权利要求7至9之一的方法，其特征在于，钢键含有(重量％)13.8-15.0％，优选为14.1-14.7％的铬和/或0.25-1.6％，优选为0.35-1.1％和特别优选为0.8-1.0％的镍。
11.根据权利要求7至10之一的方法，其特征在于，钢锭含有0.25-0.35重量％的铜。
12.根据权利要求1至6之一的钢物体的应用，用于制备塑料成型模具的框架结构材料。
13.根据权利要求1至6之一的钢物体的应用，用于具有至少0.32m的厚度和至少0.1m2的横截面积的锻压件，该锻压件根据权利要求7至9之一的方法热处理用来制备通过拉伸处理制成的塑料成型模具和/或模具元件。
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