CN104651745B - 由马氏体铬钢制造塑料模具的方法以及塑料模具 - Google Patents

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Abstract

一种由马氏体铬钢制造塑料模具的方法以及塑料模具。为了实现材料的高品质，钢锭腐蚀耐受度为14.5以上至约15.7的PRE(N)值，进行初级变形，由坯件制造至少一个模具基件，由模具基件制造出塑料模具，塑料模具或模具基件奥氏体化，淬火后至少两次回火，形成48至52HRC材料硬度及在冲击弯曲试验中测得的至少60J的韧性，最后切削加工。

Description

由马氏体铬钢制造塑料模具的方法以及塑料模具
技术领域
本发明涉及一种由马氏体铬钢制造塑料模具的方法。
本发明还涉及一种塑料模具。
背景技术
在生产应用中，塑料模具要经受多种负载，材料在长期运行中必须总是承受这些负载。
这些在材料上的负载主要包括化学腐蚀负荷(特别是在提高的温度下通过所使用的塑料压制材料(如PVC)所产生的负载)、通过起研磨作用的压制材料添加剂以及在各自的产品撮(Erzeugungsschuesse)范围的内起力学冲击作用的波动负荷所产生的模具工作面的磨损负载。
另外，经常要求模具的工作面的高的抛光品质，以便实现产品的美观的表面。
在越来越多的程度上，由变形的、经过热学调质处理的成形件(譬如棒、块和类似物)通过切削加工制作塑料模具，其具有极高的尺寸精确性。该原料必须在整个内截面上具有同样的材料性能以及同样均质的结构、高的钢纯度以及同样的力学材料特征值。
作为带有上述特征要求的塑料模具的材料，目前大多使用马氏体铬钢。塑料模具还经常由根据AT407647的合金制作，并成功地加以使用。然而，有时该制造方法和各种合金元素的当前浓度是这样的，即，在每次制作时不是所有的预期值都完全达到马氏体耐腐蚀铬钢的性能特征。
发明内容
现在，本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的塑料模具的制造方法，用此实现：即使在提高的温度下也同样高的腐蚀耐受度、成形的工作面的磨损强度、高的力学值特别是用于使裂纹起始最小化并用于制造可靠性的韧性值、高的疲劳强度和硬度、极高的抛光品质、精细的在模具整个的截面上均质的材料结构。
对于该类的制造塑料模具的方法，该任务由此解决，即，钢锭用以下以重量％表示的组成制造：
C＝0.22至0.26
Si＝0.01至0.35
Mn＝0.15至0.60
P＝最高0.025
S＝最高0.003
Cr＝12.00至14.00
Mo＝0.10至0.18
Ni＝0.35至0.50
V＝0.15至0.25
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.02
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.002至0.02
Nb＝痕量至0.04
B＝痕量至0.001
N＝0.08至0.15
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.95
Mo+W/2＝0.11至0.20
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.05
V+Nb+Ta＝0.15至0.30
Nb+Ta＝痕量至0.04
Fe和杂质元素＝余量
且带有14.5以上至约15.7的腐蚀耐受度PRE(N)(耐点蚀当量)值，并且，
在高于1050℃的温度以高于2.5倍的变形度初级变形，然后，
必要时在中间冷却之后进行：在低于1050℃的温度，由坯件制造至少一个模具基件，由所述模具基件必要时在切削加工之后制造出塑料模具，并使这个塑料模具或所述模具基件奥氏体化，并且，以带有小于24的λ值的冷却速率进行淬火，然后，
在510至550℃的范围中的温度进行至少两次回火处理，其中，形成48至52HRC的材料硬度以及该材料的在冲击弯曲试验中测得的至少60J的韧性，然后，
最后进行切削最终加工，
并且如果设置了的话，进行塑料模具的抛光。
通过本发明获得的优势主要在于，根据本方法制造的塑料模具即使在提高的温度下无论如何都具有期望的腐蚀耐受度、良好的磨损耐受度、高的力学性能值、特别是材料的韧性、极高的抛光品质、在截面上精细的均匀的材料结构。
为了达到塑料模具的上述有利的材料性能，正如所发现的，基于元素的反应动力学，钢的化学组成是重要的。
在0.22至0.26重量％含量的狭窄界限内的碳，以及0.08至0.15重量％浓度范围内的氮是最终决定硬度和结构的元素，其中，能够实现有利的碳氮化物形成。比0.15重量％更高的氮含量以及特别是同时比0.26重量％更高的碳含量可以与形成碳化物的元素和形成氮化物的元素形成粗制氮化物、碳化物或碳氮化物，其一方面降低了钢的可抛光性(可抛光性对力学性能有负面影响并特别是降低了腐蚀耐受度)，这是因为，粗制含铬混合碳化物从表面区域的基质中抽出铬或者说降低了铬含量，并由此促进腐蚀侵袭。
如所发现的那样，形成碳化物或形成碳氮化物的元素铬、钼、钒、钨、钛、铪、锆、铌、钽的各自的活性通过它们在碳含量和氮含量方面的相互作用，在给定的范围内协调于所预期的反应产品的大小、形状和分布。然而在此重要的是，合计含量为：
Mo+W/2＝0.11至0.20
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.05
V+Nb+Ta＝0.15至0.30
Nb+Ta＝痕量至0.04
其分别为重量％。
根据本发明，上述用于碳化物组分的求和公式考虑了反应动力学和碳化物的晶体结构(铪、锆和钽的值通过化合物的自由生成焓计算出)。
对于经均质化的材料的奥氏体化，针对淬火进行了：在上述浓度条件下的持续的Cr-Mo-W溶解和大多数情况下V与(C和N)的化合。仅最精细的带有钒的混合碳氮化物和/或铌和/或钽的碳氮化物(其仅以最小的程度具有由多种元素制成的金属部件)保持为在基质中以纳米范围的直径均质分布的状态，并且防止了：在低于1050℃的给定的淬火温度下妨碍晶核生长，这最终对于改善塑料模具材料的力学性能起决定性作用。
对于大的模具基件，为了在热调质时获得足够的淬入深度或淬透，设置了分别以重量％给出的0.15至0.60的锰和0.30至0.60的镍。然而，为了控制这些元素的奥氏体稳定化的效果，根据本发明，限制性地设置了0.55至0.95重量％的(Mn+Ni)含量。
因为，如以上所述地在结构形态中防止了碳氮化物析出物的粗粒化，不会强制性地形成铬在表面的显著富集，如果该合金具有14.4以上至约15.7的PRE(N)值，这就在此处防止了腐蚀侵袭。PRE(N)值由(％Cr+3.3×％Mo+16×％N)得出。
为了降低铸件中已有的微观偏析，或为了促进材料均匀性，有利的是，在1050℃以上的温度高于2.5倍的变形度对原锭进行变形(变形度是起始截面除以最终截面的商)。
对于在其化学组成方面符合本发明的特征的材料的淬火，必须在模具基件或模具的整个截面上调整出马氏体结构，从而使用：对奥氏体强制冷却，以形成马氏体。小的冷却速率可以在晶界处，必要时也以小的程度导致形成珠光体结构或中间体结构，这决定性地劣化了材料的韧性值。因此根据本发明，钢的奥氏体温度的冷却速率以小于24的λ值实施。(由800℃至500℃的冷却时间(秒)除以100，得出λ值。)
为了完全转化为奥氏体，经淬火的毛坯模具或者模具的回火要求：至少两次将部件加热至在510至550℃的范围中的温度，以便调整出在48至52HRC的范围中的材料硬度。然后根据本发明，材料的韧性为：在冲击弯曲试验(根据ASTM,E23)中测得的至少60J。
根据本发明所述的制造塑料模具的方法，有利的是，其中，钢锭具有以下以重量％表示的组成：
C＝0.23至0.25
Si＝0.20至0.30
Mn＝0.32至小于0.5
P＝最高0.022
S＝最高0.0008
Cr＝13.00至13.60
Mo＝0.12至0.16
Ni＝0.38至0.48
V＝0.18至0.21
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.008
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.006至0.018
Nb＝痕量至0.03
B＝痕量至0.001
N＝0.10至0.13
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.50至0.9
Mo+W/2＝0.14至0.18
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.006
V+Nb+Ta＝0.18至0.25
Nb+Ta＝0.005至0.03
Fe和杂质元素＝余量。
其中有利的是，在切削加工后，在965至995℃的温度使所述塑料模具奥氏体化，并且，
以带有20或更小的λ值的冷却速率进行淬火，然后，
进行回火处理，其中形成了：高于48HRC且小于50HRC的材料硬度以及该材料的至少190J的韧性。
本发明还涉及一种塑料模具，其带有高的力学负载能力和高的化学腐蚀负载能力(化学腐蚀耐受性)以及高的抛光品质。
该塑料模具的特征在于由带有以下以重量％表示的化学组成的经变形的合金形成：
C＝0.22至0.26
Si＝0.01至0.35
Mn＝0.15至0.60
P＝最高0.025
S＝最高0.003
Cr＝12.00至14.00
Mo＝0.10至0.18
Ni＝0.35至0.50
V＝0.15至0.25
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.02
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.002至0.02
Nb＝痕量至0.04
B＝痕量至0.001
N＝0.08至0.15
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.95
Mo+W/2＝0.11至0.20
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.05
V+Nb+Ta＝0.15至0.30
Nb+Ta＝痕量至0.04
Fe和杂质元素＝余量，
其中，所述材料具有在48HRC与52HRC之间的硬度，以及在冲击弯曲试验中测得的至少60J的韧性，以及带有在至少10％的收缩率Z下、至少5％的断裂延伸率A的延展性，并且对于腐蚀耐受度，PRE(N)值位于14.5以上至约15.7。
其中，该化学组成的优选的扩展方案以重量％表示为：
C＝0.23至0.25
Si＝0.20至0.30
Mn＝0.32至小于0.5
P＝最高0.022
S＝最高0.0008
Cr＝13.00至13.60
Mo＝0.12至0.16
Ni＝0.35至0.48
V＝0.18至0.21
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.008
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.006至0.018
Nb＝痕量至0.03
B＝痕量至0.001
N＝0.10至0.13
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.90
Mo+W/2＝0.14至0.18
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.006
V+Nb+Ta＝0.18至0.25
Nb+Ta＝0.005至0.03
Fe和杂质元素＝余量。
在塑料模具的热处理之后，带有上述组成的材料促成了48至52HRC的硬度以及在冲击弯曲试验(根据ASTM,E23)中测得的至少60J的材料韧性。
关于模具材料在准备就绪状态下的延展性，根据本发明在根据EN10002-1的拉伸试验中断裂延伸率A为至少5％，收缩率为至少10％。
这些力学值是最小值，这些最小值即使在最不利的合金状态下也大多能被超过。在10％的断裂延伸率A和至少40％的收缩率Z始终能实现至少190J的韧性值。
附图说明
图1和图2示出了带有粗晶粒(ASTM5)的合金2的结构，以及在晶界处的珠光体区域和中间体区域，其很大程度上恶化了材料的力学性能。
图3和图4示出了根据本发明的合金4和5的带有ASTM粒度8至10的精细微结构。
在图5中对比了所研究的合金的测量结果，其中，通过降低的淬火温度明显得到了材料韧性的改善。
图6示出了：合金2和根据本发明的合金4的拉伸试验中的断裂伸长率和断面收缩率的比较。
具体实施方式
凭借开发工作的成果，应该在下面进一步阐明本发明。
由表1对比了根据现有技术的合金和根据本发明的材料。
合金1对应于AlSi420钢或X42Cr13钢，其对于带有磨损添加物的、化学侵蚀性的压制材料使用多种材料作为模具。
作为现有技术的另一合金2，对根据EP1052304的材料进行了研究。
合金3也属于现有技术，其具有高的淬透能力。
根据本发明，合金4和合金5是用于塑料模具的微合金的材料。
通过结构照片，可以看出根据本发明添加的微合金元素V和Nb的效果。
图1和图2示出了带有粗晶粒(ASTM5)的合金2的结构，以及在晶界处的珠光体区域和中间体区域，其很大程度上恶化了材料的力学性能。
相反，图3和图4示出了根据本发明的合金4和5的带有ASTM粒度8至10的精细微结构。
对材料的没有缺口的试样的冲击弯曲功取决于奥氏体化温度、冷却速率和回火条件。
为了区分根据本发明的合金2和5，选择同样的调质处理条件。
在图5中对比了所研究的合金的测量结果，其中，通过降低的淬火温度明显得到了材料韧性的改善。
图6示出了：合金2和根据本发明的合金4的拉伸试验中的断裂伸长率和断面收缩率的比较。
对于试样的淬火，以λ＝20的程度进行冷却。
合金2的更小的值归因于在晶界处珠光体相的形成，这特别是由图2得知。
表1
合金 Mn+Ni Mo+W/2 Ti+Hf+Zr V+Nb+Ta
1 0.5 0.09 - 0.2
2 0.44 0.065 0.05 0.03
3 1.89 0.485 - 0.35
4 0.74 0.185 0.001 0.218
5 0.77 0.17 0.004 0.186
表2

Claims (9)

1.一种制造塑料模具的方法，所述塑料模具总是带有高的力学负载能力和高的化学腐蚀负载能力以及高的抛光品质，其中，制成塑料模具的钢锭用以下以重量％表示的组成制造：
C＝0.22至0.26
Si＝0.01至0.35
Mn＝0.15至0.60
P＝最高0.025
S＝最高0.003
Cr＝12.00至14.00
Mo＝0.10至0.18
Ni＝0.35至0.50
V＝0.15至0.25
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.02
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.002至0.02
Nb＝痕量至0.04
B＝痕量至0.001
N＝0.08至0.15
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.95
Mo+W/2＝0.11至0.20
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.05
V+Nb+Ta＝0.15至0.30
Nb+Ta＝痕量至0.04
Fe和杂质元素＝余量
且带有14.5以上至15.7的针对腐蚀耐受度的PRE(N)值；并且，
在高于1050℃的温度以高于2.5倍的变形度初级变形，然后，
在低于1050℃的温度，由坯件制造至少一个模具基件，由所述模具基件制造出塑料模具，并使这个塑料模具或所述模具基件奥氏体化，并且，以带有小于24的λ值的冷却速率进行淬火，然后，
在510至550℃范围中的温度进行至少两次回火处理，其中，形成48至52HRC的硬度以及该塑料模具的在冲击弯曲试验中测得的至少60J的韧性，然后，
最后进行切削最终加工。
2.根据权利要求1所述的制造塑料模具的方法，其中，钢锭具有以下以重量％表示的组成：
C＝0.23至0.25
Si＝0.20至0.30
Mn＝0.32至小于0.5
P＝最高0.022
S＝最高0.0008
Cr＝13.00至13.60
Mo＝0.12至0.16
Ni＝0.38至0.48
V＝0.18至0.21
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.008
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.006至0.018
Nb＝痕量至0.03
B＝痕量至0.001
N＝0.10至0.13
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.9
Mo+W/2＝0.14至0.18
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.006
V+Nb+Ta＝0.18至0.25
Nb+Ta＝0.005至0.03
Fe和杂质元素＝余量。
3.根据权利要求1或2所述的制造塑料模具的方法，其中，
在所述切削加工后，在965至995℃的温度使所述塑料模具奥氏体化，并且，
以带有20或更小的λ值的冷却速率进行淬火，然后，
进行回火处理，其中形成了：高于48HRC且小于50HRC的硬度以及该塑料模具的至少190J的韧性。
4.根据权利要求1或2所述的制造塑料模具的方法，其中，
在所述初级变形之后，在由坯件制造至少一个模具基件之前进行中间冷却。
5.根据权利要求1或2所述的制造塑料模具的方法，其中，
所述模具基件在制造出塑料模具之前进行切削加工。
6.根据权利要求1或2所述的制造塑料模具的方法，其中，
在切削最终加工之后，进行所述塑料模具的抛光。
7.一种塑料模具，其带有高的力学负载能力和高的化学腐蚀负载能力以及高抛光品质，其由带有以下以重量％表示的组成的经变形的合金形成：
C＝0.22至0.26
Si＝0.01至0.35
Mn＝0.15至0.60
P＝最高0.025
S＝最高0.003
Cr＝12.00至14.00
Mo＝0.10至0.18
Ni＝0.35至0.50
V＝0.15至0.25
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.02
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.002至0.02
Nb＝痕量至0.04
B＝痕量至0.001
N＝0.08至0.15
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.95
Mo+W/2＝0.11至0.20
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.05
V+Nb+Ta＝0.15至0.30
Nb+Ta＝痕量至0.04
Fe和杂质元素＝余量，
其中，所述塑料模具具有在48HRC与52HRC之间的硬度，以及在冲击弯曲试验中测得的至少60J的韧性，以及带有在至少10％的收缩率Z下、至少5％的断裂延伸率A的延展性，并且对于腐蚀耐受度，PRE(N)值位于14.5以上至15.7。
8.根据权利要求7所述的塑料模具，其由带有以下以重量％表示的组成的合金制成：
C＝0.23至0.25
Si＝0.20至0.30
Mn＝0.32至小于0.5
P＝最高0.022
S＝最高0.0008
Cr＝13.00至13.60
Mo＝0.12至0.16
Ni＝0.35至0.48
V＝0.18至0.21
W＝痕量至0.20
Cu＝痕量至0.30
Co＝痕量至0.20
Ti＝痕量至0.008
Hf＝痕量至0.02
Zr＝痕量至0.02
Al＝0.006至0.018
Nb＝痕量至0.03
B＝痕量至0.001
N＝0.10至0.13
Ta＝痕量至0.04
As＝痕量至0.005
带有下述条件：
Mn+Ni＝0.55至0.90
Mo+W/2＝0.14至0.18
Ti+Hf+Zr＝痕量至0.006
V+Nb+Ta＝0.18至0.25
Nb+Ta＝0.005至0.03
Fe和杂质元素＝余量。
9.根据权利要求7或8所述的塑料模具，其中，所述塑料模具具有高于48HRC且小于50HRC的硬度以及至少190J的韧性，以及带有在至少40％的收缩率Z、10％的断裂延伸率A的延展性。
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