CN101142337A - 用于注射成型和注射成型框的马氏体不锈钢 - Google Patents

用于注射成型和注射成型框的马氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于塑料材料的注射成型的模具组件或模具框组件，所述组件由淬火且回火的马氏体不锈钢构成，所述钢的组成以重量％计包含：0.02％≤C≤0.09％，0.025％≤N≤0.12％，其中0.05≤C+N≤0.17％；Si≤0.34％，Al＜0.080％，其中Si+23Al≥0.20％，并且Si+0.6Al≤0.25％；并且0.00025≤Al×N≤0.0020，0.55％≤Mn≤1.8％，11.5％≤Cr≤16％；任选地不超过0.48％的铜、不超过0.90％的Mo+W/2的和、不超过0.90％的镍、不超过0.090％的钒、不超过0.090％的铌、不超过0.025％的钛、任选地不超过0.25％的硫；余量是铁和源于生产操作的杂质，所述组成满足如下条件：6.5≤F＝(Cr+Mo)+2(Si+V+Nb)－27(C+N)－(Ni+Mn/2+Cu/3)≤13。

Description

用于注射成型和注射成型框的马氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及用于制造注射成型塑料材料的模具和模具框的马氏体不锈钢。
塑料材料的注射成型需要使用由钢制成的模具和模具框，所述钢要具有能够经得起源于强注入压力的较大力的高机械强度。模具和模具框的制造涉及许多冗长的加工操作，例如碾磨或钻孔，因此需要钢具有良好的可加工性。另外，因为模具和模具框具有不仅有几何形状而且在模制方面具有冷却特性的功能，组成它们的钢必须优选具有良好的导热性，从而便于通过模具的结构由传导除去热量。最后，模具必须能够耐腐蚀，当注入的塑料材料是腐蚀性的时这可以是这些塑料材料引起的腐蚀，或者是由冷却回路中的冷却流体引起的腐蚀、或者是模具模制部分抛光空腔的气氛氧化引起的腐蚀。
为了满足所有这些需求，有人尝试使用也是不锈钢的高强度钢。这就促使去寻找马氏体型不锈钢并且更具体地说是AISI 420-440系列马氏体型不锈钢或者与那些钢可比的钢。
但是，这些马氏体不锈钢具有在0.10-0.5％或者更高的较高的碳含量，并且具有不是非常有利于耐腐蚀并且最重要地是特别不利于加工操作的缺点。另外，太高的碳含量对于可焊接性是有害的，可焊接性是对于组件是重要的性质，特别是在需要再加工的情况中通过焊接组件进行修复。
为了克服上述种种缺点，尤其是在专利US 6,358,334中已经建议了打算用于制造注射成型塑料材料的模具的马氏体不锈钢，其碳含量不超过0.08％，并且为了改善可加工性能其包含从0.06-0.3％的实际添加的硫。这种钢基本上包含12-14％的铬、0.03-0.06％的碳、1-1.6％的锰、0.25-1％的硅、0.01-0.1％的钒、0.02-0.08％的氮，还包含添加的从0.5-1.3％的铜，这将改善钢的导热性。这种钢的性质比AISI 420-440系列马氏体型不锈钢更适合制造模具或模具框组件，并且还具有大约300HB量级硬度，然而这种钢具有双重缺点。一方面，因为其热可锻性不是非常好而难以通过热轧来形成。另一方面，因为其铜含量远大于不锈钢废料的平均铜含量而不是非常容易回收。
本发明的目的是通过提出适于制造注射成型塑料材料的模具或模具框的高性能不锈钢，克服了那些缺点，所述钢既容易加工又容易焊接并且耐腐蚀性很好，其具有良好的导热性并且造成很少的制造问题，特别是很少的可锻性问题和很少的回收问题。
为此，本发明涉及由马氏体不锈钢制成的用于注射成型塑料材料的模具组件或模具框组件，所述钢的组成以重量％计包含：
0.02％≤C≤0.09％
0.025％≤N≤0.12％
其中0.05≤C+N≤0.17％
Si≤0.34％
Al≤0.080％
其中Si+23Al≥0.20％
并且Si+0.6Al≤0.25％
并且0.00025≤Al×N≤0.0020
0.55％≤Mn≤1.8％
11.5％≤Cr≤16％
任选地不超过0.48％的铜、不超过0.90％的Mo+W/2的和、不超过0.90％的镍、不超过0.090％的钒、不超过0.090％的铌、不超过0.025％的钛、任选地不超过0.25％的硫，
余量是铁和源于生产操作的杂质，所述组成满足如下条件：
6.5≤F＝(Cr+Mo)+2(Si+V+Nb)-27(C+N)-(Ni+Mn/2+Cu/3)≤13
优选地，所述马氏体不锈钢的组成满足一个或多个下面的条件：
Si+0.6Al＜0.25％
Cu≤0.4％
Al×N≥0.00050
优选地，所述马氏体不锈钢的组成满足至少一个下面的条件：
Ni≥0.10％
V≥0.015％
Mo+W/2≥0.10％
所述马氏体不锈钢的组成可以满足条件：
7.0≤F≤8.9
当寻求非常好的抛光适应性时，或者满足条件：
9.0≤F≤11.5
用于注射成型塑料材料的组件或模具框组件由淬火且回火的根据本发明的马氏体不锈钢构成。
优选地，组成所述组件的钢的结构包含小于20％的δ铁素体(ferrite)，余量为马氏体。所述钢的结构再更优选地包含小于10％的δ铁素体，余量为马氏体。
现在以非限制性的并且由实施例举例说明的方式更详细地说明本发明。
本发明以新颖且意外的方式发现在马氏体不锈钢中，通过硅含量的显著降低可以代替铜对导热性的有利作用，并且通过增加钼或氮的含量可以补偿铜对腐蚀的有利作用。
从这些观察结果出发，本发明人发现通过显著降低铜含量、通过显著降低硅含量和通过任选地添加钼或氮或者这两种元素的组合可以获得对于制造组件具有满意的性质并且还具有良好可锻性的马氏体不锈钢。
考虑到这些观察结果，根据本发明的钢是马氏体型不锈钢，其组成以重量百分数计包含下面限定的含量。
为了有助于硬化，所述钢含有大于0.02％，优选大于0.03％的碳，但是为了不损害耐腐蚀性，所述钢含有不大于0.09％，优选不大于0.06％，并且优选不大于0.05％的碳；
为了改善钢的机械强度和其耐腐蚀性，所述钢含有至少0.025％，并且优选至少0.035％的氮，但是为了降低形成不希望的氮化铬的趋势，所述钢含有小于0.12％，并且优选小于0.10％，或者甚至小于0.075％的氮；这些氮化铬具有脆化作用并且趋向于降低游离铬的含量，这对耐腐蚀性是有害的；
为了通过形成碳化物和氮化物保证对回火时硬化足够的贡献，调整碳和氮的含量，使得在上述限定的界限内，碳和氮的含量的和大于或等于0.05％并且优选大于或等于0.07％，但是为了不导致对于此处考虑的应用过度的硬化、避免对韧性的损害并且最后通过局部降低部分以碳氮化物形式固定的铬的含量不会太大地降低耐腐蚀性，碳和氮的含量的和必须优选不超过0.17％，更有利地0.14％并且再更有利地0.11％。
为了改善可加工性能，尤其是在碾磨和钻孔方面，特别是当表面质量要求(抛光的质量或者有纹理的表面)不高的时，尤其是当使用钢制造模具框或者制造具有低美学需求的注射成型塑料材料的空腔时，可以添加硫。在此情况下，硫的含量必须优选至少0.05％，更优选至少0.075％，并且再更优选至少0.10％。但是，为了不损害钢的可锻性、其耐腐蚀性和其韧性，硫的最大含量必须小于0.25％，优选0.20％，并且再更优选0.15％。
硅和铝是有助于保证钢浴良好的脱氧作用的元素，并且从该角度来看它们的存在是可取的。具体地说，需要硅和铝的含量为Si+23×Al≥0.20％并且优选≥0.35％。但是，本发明人已经发现将硅含量降低至尽可能低的水平并将铝含量降至较低的程度，可以部分地但是以非常显著的方式补偿高含量铬对钢导热性非常不利的作用。高铬钢的这种不良的导热性在用于注射成型塑料材料的模具应用中是非常有害的，对于这一应用，高效的热量去除允许注射成型塑料材料物品快速固化，从而构成了使用的重要功能之一。
因此，为了获得良好的导热性，硅和铝的含量优选为：Si+0.6×Al≤0.25％，并且更优选≤0.17％。
另外，并且为了保证对于轧制或锻造满意的适应性，也就是说导致热成型的温度范围足够宽以允许通常在一次加热操作中轧制而不用中间加热，铝和氮的含量必须为：Al≤0.0020/N，并且优选≤0.0010/N。另外，并且为了控制晶粒的增大从而限制热处理期间晶粒的尺寸，并因此在实施了质量处理后保证满意的晶粒尺寸，铝和氮的含量必须为：Al≥0.00025/N并且优选≥0.00050/N。
锰对于以硫化锰的形式固定硫是特别可取的，从而限制硫对钢的脆性的有害作用。因此，锰含量优选为：Mn≥0.3％+5×S。
此外，锰增加了可淬火性并且降低了淬火后获得的大体上马氏体结构中铁素体的含量。
为此，含锰量大于或等于0.55％，并且更优选大于或等于0.75％，并且再更优选大于或等于1.05％。但是，当含锰量太高时，该元素损害了韧性。因此，含锰量必须小于或等于1.8％，并且优选小于或等于1.6％。
提供耐腐蚀性的铬含量必须大于或等于11.5％并且优选大于或等于12％。但是，并且为了限制在淬火后所得的结构中存在作为软组分的δ铁素体，铬含量必须小于或等于16％，并且优选小于或等于15％，更优选小于或等于14％，并且再更优选小于或等于13％。
为了不损害热变形的适应性，并且为导致不太难回收的废料，铜含量小于或等于0.48％，优选小于或等于0.4％，并且甚至可以是低至所需要的含量。
如上所述，尽管铜对耐腐蚀性并且对δ铁素体的含量具有有利的作用，但是本发明人发现尤其是通过添加钼并且尽可能降低硅含量，可以保留，或者甚至增强高的铜含量的优点。
但是，铜通常作为废金属中的残留存在，从而为了限制与为了获得非常低铜含量所需要的废料分类相关的额外费用，大于0.1％，或者实际上大于0.2％，或者甚至大于0.31％，并且再更优选大于0.35％的由废金属引入的铜含量是可以接受的。
钼具有改善可淬火性的优点，其促进了马氏体微结构的产生，该微结构对于优化拉伸强度与韧性之间折中是可取的。
该元素还促进了在回火时强的抗软化性。最后，它对耐腐蚀性贡献很大。但是，它是非常昂贵的并且促进了δ铁素体的形成。因此，钼的最大含量将不超过0.90％并且优选不超过0.48％，并且再更优选不超过0.35％。该元素的存在不是必不可少的并且其最小含量可以只是0％或者是痕量水平。但是，优选钼的最小含量为至少0.10％并且优选至少0.20％并且再更优选0.30％。
可以在2％钨对1％钼的比例下，任选地用钨代替钼。但是，由钨代替钼不是优选的，特别是由于钨的成本是特别高的。
同样，可以添加具有可比作用的钴。但是，这也是不希望的，因此该元素的含量将优选小于或等于0.010％。也就是说该元素是痕量的或者作为杂质存在。
镍是有利于韧性的元素。此外，它是产生γ相的元素，其能够补偿用于增强耐腐蚀性的产生α相的元素作用。因此，可以添加该元素，其存在不是必须的。因此，最小的镍含量可以是0％或者是痕量水平，但是对于其含量优选大于或等于0.10％并且再更优选大于或等于0.20％。但是，其高的成本意味着大于0.95％的含量是不可取的。优选镍含量小于或等于0.48％。
钒可以以残余物的状态存在。考虑到钢中的铬含量，通过传统路线使用电炉的生产可能导致不超过大约0.05％的残余量，而不用保证控制的最小值。但是，因其在回火期间的硬化功能，可以作为控制的添加任选地使用钒，最小含量为0.015％。但是，特别是由于其成本和其对可加工性能不利的影响，钒含量优选不超过0.090％。
铌具有与钒类似的作用，并且同样其含量必须不超过0.090％。此外，该元素对于可锻性是有害的。因此，优选其含量小于0.020％，并且更优选小于0.010％并且再更优选该元素只是痕量的。
尽管由于氮化钛或者碳化钛组分的硬度可能显著损害可加工性能，钛的存在是不希望的，但是为了在热处理过程中控制晶粒的增大，可以任选地添加该元素。在此情况下，钛含量必须不超过0.0025％并且优选应该从0.010％-0.020％。
另外，为了使氮化钛的尺寸是小的并且特别是小于大约1微米，以从向炉渣中添加开始的渐进方式并且通过非常渐进的向金属/氮化物接触的转移，在生产时向液态钢浴中添加钛是非常可取的。
组合物的余量部分由铁和杂质构成。
除了在每种元素的含量方面已经刚刚说明的条件外，优选调整组成，以限制δ铁素体的含量，所述δ铁素体不能转化成马氏体并且其存在对可抛光性、强度和耐腐蚀性是有害的。特别地，优选在主要的马氏体结构中δ铁素体的比例小于或等于20％或者再更优选小于或等于10％。
为此，组成必须满足下面条件：
6.5≤F≤13
并且优选7.0≤F≤11.5，
其中：F＝(Cr+Mo)+2(Si+V+Nb)-27(C+N)-(Ni+Mn/2+Cu/3)。
在这些限制内，两个子范围(sub-range)是显著的。一方面，所述子范围相应于更有利于良好的金属同质性和良好的可抛光性的从7.0至8.9的F，并且另一方面，所述范围相应于从9.0至11.5的F。令人感兴趣的折中相应于8.5≤F≤10.5。
通常，通过公知的方法，例如使用电炉来生产这种钢。任选地，为了添加钛，向炉渣中添加该元素并且通过与炉渣金属接触将钛转移到液态钢浴中，并且或者通过轧制或者通过锻造以热成型的板条或棒的形式浇铸液态钢。然后，进行热处理并且包括在大约950℃下奥氏体化，接着冷却操作，将奥氏体转化成马氏体(对于小于大约100mm的厚度可以是在空气中的简单冷却，或者任何其它的淬火方法)并且在500℃-550℃的优选温度下回火，从而获得从250HB-400HB并且典型地大约300HB的硬度。然后，加工模具组件或模具框组件。
作为实例，可以生产出化学组成输入在表1中的钢。
表1
C Si Al Mn Ni Cr Mo Cu N V Nb S   δ铁素体   HB硬度   热导率   耐腐蚀性指数
  0.041   0.42   0.027   1.15   0.25   12.7   0.015   0.85   0.051   0.045   0   0.14   8   310   22.2   15.1
  0.04   0.38   0.025   1.2   0.3   12.6   0.018   0.43   0.048   0.041   0   0.03   10   295   22.8   14.5
  0.04   0.31   0.02   1.37   0.22   12.5   0.017   0.4   0.05   0.042   0   0.12   9   305   23.4   14.5
  0.039   0.09   0.035   1.41   0.27   12.7   0.017   0.42   0.047   0.04   0   0.12   6   300   25.4   14.6
  0.042   0.19   0.028   1.44   0.29   12.7   0.24   0.42   0.052   0.04   0   0.1   8   325   24.0   15.5
  0.039   0.11   0.025   1.39   0.34   12.5   0.27   0.38   0.053   0.04   0   0.14   6   330   25.1   15.4
  0.04   0.1   0.007   1.25   0.32   13.1   0.28   0.41   0.053   0.04   0   0.045   10   325   24.9   16.0
  0.039   0.21   0.011   1.41   0.27   12.3   0.53   0.35   0.053   0.043   0   0.12   8   340   24.0   16.0
  0.042   0.085   0.027   1.4   0.27   13.1   0.49   0.39   0.054   0.035   0   0.16   10   335   24.7   16.7
  0.033   0.15   0.015   1.25   0.3   14   0.85   0.18   0.041   0.033   0.035   0.15   14   340   23.4   18.2
  0.051   0.09   0.033   1.38   0.33   12.2   0.22   0.37   0.059   0.03   0.04   0.15   4   330   25.6   15.1
  0.05   0.12   0.02   1.35   0.7   13.2   0.75   0.27   0.049   0.035   0.051   0.17   8   350   23.6   17.4
  0.042   0.06   0.035   1.1   0.25   12.9   0.37   0.25   0.052   0.037   0.025   0.1   8   325   26.1   15.9
  0.052   0.11   0.022   1.45   0.8   12.1   0.25   0.43   0.068   0.027   0.023   0.12   0   330   24.5   15.4
  0.078   0.095   0.02   1.39   0.75   12.3   0.23   0.38   0.072   0.025   0   0.17   0   345   24.7   15.6
所得δ铁素体的百分数、在520℃下回火热处理后所得的HB硬度、钢的热导率和等于Cr+3.3Mo+Cu+30N的腐蚀指数也都输入在表中。
在该表中，第一行的钢是相应于现有技术的对照钢，并且其它钢是根据本发明的钢。
从表中可见，对于现有技术的钢，δ铁素体的含量总是小于20％并且通常大约为10％。钢的HB硬度从295HB至350HB并且耐腐蚀性指数从14.5至18.2，最后的值远高于对照钢的耐腐蚀性指数。最后，热导率在22.8至26.1W/m/℃之间，其在所有情况中高于，甚至大大高于比较钢的热导率。另外，使用根据本发明的钢在热成型方面没有任何困难，可锻性总是非常令人满意的。很清楚小于或等于0.43％的铜含量接近废金属中常规的含量并且这使得能够从根据本发明的钢中无困难地回收废料。

Claims (10)

1.用于塑料材料的注射成型的模具组件或模具框组件，所述组件由淬火且回火的马氏体不锈钢构成，所述钢的组成以重量％计包含：
0.02％≤C≤0.09％
0.025％≤N≤0.12％
其中0.05≤C+N≤0.17％
Si≤0.34％
Al≤0.080％
其中Si+23Al≥0.20％
并且Si+0.6Al≤0.25％
并且0.00025≤Al×N≤0.0020
0.55％≤Mn≤1.8％
11.5％≤Cr≤16％
任选地不超过0.48％的铜、不超过0.90％的Mo+W/2的和、不超过0.90％的镍、不超过0.090％的钒、不超过0.090％的铌、不超过0.025％的钛、任选地不超过0.25％的硫，
余量是铁和源于生产操作的杂质，所述组成满足如下条件：
6.5≤F＝(Cr+Mo)+2(Si+V+Nb)-27(C+N)-(Ni+Mn/2+Cu/3)≤13。
2.根据权利要求1的组件，其特征在于：
Cu≤0.4％。
3.根据权利要求1或权利要求2的组件，其特征在于：
Al×N≥0.00050。
4.根据权利要求1-3任何一项的组件，其特征在于所述组成满足至少一种下面的条件：
Ni≥0.10％
V≥0.015％
Mo+W/2≥0.10％。
5.根据权利要求1-4任何一项的组件，其特征在于所述组成满足条件：7.0≤F≤8.9。
6.根据权利要求1-4任何一项的组件，其特征在于所述组成满足条件：9.0≤F≤11.5。
7.根据权利要求1-6任何一项的组件，其特征在于：
Nb＜0.020％。
8.根据权利要求1-7任何一项的组件，其特征在于所述钢的结构包含小于20％的δ铁素体，余量为马氏体。
9.根据权利要求8的组件，其特征在于所述钢的结构包含小于10％的δ铁素体，余量为马氏体。
10.根据权利要求1-9任何一项的组件，其特征在于：
C+N≤0.14％。
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