CN1070241C

CN1070241C - 尤其用于制造塑料注塑模具的钢

Info

Publication number: CN1070241C
Application number: CN97109968A
Authority: CN
Inventors: J·贝奎诺特; F·切诺; G·普里蒙
Original assignee: Creusot Loire Industrie SA
Current assignee: Creusot Loire SA; Creusot Loire Industrie SA
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2001-08-29
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: EP0792944A1; ES2176632T3; DE69713415D1; CN1174244A; DE69713415T2; TW367372B; EP0792944B1; KR100451474B1; PT792944E; FR2745587A1; US5785924A; KR970065758A; ATE219526T1; FR2745587B1; CA2197532A1; MX9701554A; JPH1036938A

Abstract

用于制造注塑塑料用的模具的钢，包含(重量%)0.03%≤C≤0.25%，0%≤Si≤0.2%，0%≤Mn≤0.9%，1.5%≤Ni≤5%，0%≤Cr≤18%，0.05%≤Mo+W/2≤1%，0%≤S≤0.3%，至少一种选自Al和Cu的元素，含量为0.5-3%，任选的0.0005%≤B≤0.015%，任选的至少一种取自V、Nb、Zr、Ta和Ti的元素，含量为0-0.3%，任选的至少一种取自Pb、Se、Te和Bi的元素，含量为0-0.3%，余量为Fe和起因于处理过程的杂质，特别是N；硬度大于350BH的钢坯和焊丝。

Description

尤其用于制造塑料注塑模具的钢

本发明涉及尤其用于制造注塑塑料用的模具的组织硬化钢。

注塑塑料用的模具由用钢的坯料机加工成的组件装配组成，从而形成具有欲经模压制造的物品的形状的内腔。该物品经一系列模塑，而这种连续的模塑引起了内腔表面的磨损。制造一定数量的物品后，此模具就不能使用了，而必须更换或修理。当进行更换或修理时，修理包括用焊接再填充，接着对内腔表面进行机加工和抛光或以化学方法使之粗糙化。为了有可能通过焊接来修理，特别是需要通过焊接来添加金属和需要使基体金属中受焊接加热影响的区域具有令人满意的性能。这种以焊接修复的可能性，尤其是通过采用经淬火和退火处理而有组织硬化性能的钢来获得的。通过在钢中添加2-5％的Ni和含量0.5-3％的Al和Cu中至少一种元素获得了组织硬化。Ni和Cu或Al的组合存在就可能通过淬火和退火获得贝氏体或马氏体组织，其抗拉强度为约1400MPa的量级，而硬度约400BH。由于此硬度起因于退火时金属间化合物的析出，所以可限制碳含量。这种被限制的碳含量使该组件在受这种加热影响的区域的硬度基本上不超过400BH的条件下得到焊接修理。

除了Ni、Cu和Al之外，该钢的化学成分(重量％)包含：小于0.25％的C，小于1％的Si,0.9-2％的Mn,2-5％的Ni,0-18％的Cr,0.05-1％的Mo,0-0.2％的S，任选的含量小于0.1％的Ti、Nb或V，任选的含量小于0.005％的B，余量是Fe和起因于处理过程的杂质。

对于该模具需要经受腐蚀的某些用途而言，选择Cr含量大于8％。而对于不特别关心耐蚀性的其它用途而言，则Cr含量保持低于2％。

无论是否需要承受腐蚀，使用以这种方法制造的模具的缺点是限制了注塑塑料设备的生产能力。事实上，模塑工序由许多连续步骤组成，这包括通过冷却使该塑料固化的阶段，该阶段是相当长的。

此外，尤其是通过机加工厚度达800mm或甚至1000mm钢坯进行的模具制造过程可能遇到由于偏析带的存在所产生的困难。而且，当此钢坯很厚时，这些困难成比例地增大。

本发明的目的在于通过推荐可用于制造注塑塑料用的模具的钢来克服这些缺点，该钢的抗拉强度Rm约在1400MPa的量级，硬度大于350BH，优选是大于380BH，具有好的焊接性，甚至在厚度很大的情况下具有令人满意的机加工性，并能通过缩短注塑后的冷却期来提高该注塑设备的生产能力。

所以，本发明的主题是一种钢，尤其是用于制造注塑塑料的模具的钢，其化学成分(重量％)包含：

0.03％≤C≤0.25％

0％≤Si≤0.2％

0％≤Mn≤0.9％

1.5％≤Ni≤5％

0％≤Cr≤18％

0.05％≤Mo+W/2≤1％

0％≤S≤0.3％

-至少一种选自Al和Cu的元素，其每一种的含量为0.5-3％、

-任选的0.0005-0.015％的B、

-任选的至少一种选自V、Nb、Zr、Ta和Ti的元素，其每一种的含量为0-0.3％、

-任选的至少一种选自Pb、Se、Te和Bi的元素，其每一种的含量为0-0.3％、

-最好是小于0.003％的N、余量为Fe和起因于处理过程的杂质；此外该化学成分同时还满足如下关系：

kth=3.8×C+9.8×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+

α×Cr+1.4×(Mo+W/2)≤At在此式中，若Cr＜8％，则α=1.4而若Cr≥8％，则α=0；而At=15，更好是At=13，最好是At=11；和

Tr=3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥Bt当该钢含0.0005-0.015％的硼时，kB=0.8，否则，kB=0；Bt=3.1，更好是Bt=4.1；和：

kth/Tr≤Ct而Ct=3，更好是Ct=2.8，最好是Ct=2.5。

该钢的组成有利地以下列方式选择：

3.8×C+3.3×Mn+2.4×Ni+α×Cr+

1.4(Mo+W/2)≤8

该钢的化学成分最好必须是这样的：Mn含量≤0.7％，更好是≤0.5；类似地，Si含量≤0.1％是可取的。

当企图用该钢来制造必须耐蚀的模具时，最好是Cr含量必须≥8％。当不需要耐蚀性时，最好该Cr含量必须≤5％，而更好是≤2％，且该钢含有一些硼则是可取的。

本发明还涉及，特性尺寸d大于或等于20mm的本发明钢的坯料，它在任何点上退火后的组织是马氏体或贝氏体或马氏体-贝氏体，其硬度大于350BH。

形成该坯料的钢的化学成分最好如下：

3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥f(d)当此钢含0.0005-0.015％的硼时，kB=0.8，否则KB=0，而在此钢坯必须水淬的情况下，

f(d)=2.05+1.04×log(d)

更好是f(d)=-0.8+1.9×log(d)。

符号“log(d)”表示以mm表示的特征尺寸d的以10为底的对数。

现在尤其借助以下实施例详述本发明，但这不意味着任何限制。

本发明的钢是一种组织硬化钢，其化学成分(重量％)包含：

-大于0.03％的C，以保证足够的抗退火软化的性能，但小于0.25％，以便获得特征是焊接加热影响区的硬度不超过430BH的好的焊接性；

-0-0.2％，更好小于0.1％的Si；该元素通在处理期间使钢脱氧是必需的，但为避免过分降低钢的导热性不得超过0.2％；

-0-0.9％的Mn，这一方面是为了固定硫，另一方面，使钢有足够的可淬性；其含量被限于0.9％，较好限于0.7％，更好限于0.5％，一方面为了有助于可获得最高的导热性，另一方面，最重要的是避免形成对机加工性非常不利的偏析带；

-1.5-5％的Ni是为了在退火期间与Al或Cu形成硬化析出物；考虑到退火后的欲达到的硬度水平，加至少1.5％的Ni是合乎要求的，但不必超过5％，因为超过这个含量，补加Ni的作用不明显，而且该元素很贵；

-0-18％的Cr，当需要耐蚀性时，优选8-18％，当无需耐蚀性时，此Cr含量优选小于5％，更好小于2％；

-0.05-1％的Mo，主要是为了增强抗退火软化的能力，及由此为了支持因Ni、Cu和Al的金属间析出物获得的硬化效果，其最大含量的设定要不损害导热性，并不过多地增加钢的成本。Mo可全部或部分以2％的W对1％的Mo的比例用W取代，结果，在用这二种元素的情况下，由Mo+W/2的值来定义分析值；

-可供选择的0.0005-0.015％的B，它提高钢的淬透性而不损害其导热性；由于Cr是明显提高钢淬透性元素，所以当Cr含量小于或等于2％时，添加B特别合乎需要；

-0-0.3％的S；该元素改善机加工性，但其含量太高，损害模具的工作表面的质量，模具的这种表面一般是经抛光或粗糙化的；

-至少一种选自Al和Cu的元素，其每种的含量在0.5-3％之间，从而通过退火时析出金属间化合物而获得组织硬化效果，该效果可使此钢获得高硬度和好的焊接性。

-可供选择的至少一种选自V、Nb、Zr、Ta和Ti的元素，其每种的含量为0-0.3％，更好是大于0.01％，这尤其是为了使B的作用更可靠，当钢在镀或轧加热中急冷时尤为如此；

-可供选择的至少一种选自Pb、Se、Te和Bi的元素，其每种的含量为0.1-0.3％，目的是改善机加工性并不过多地损害抛光性和化学粗糙化性能；

-优选地小于0.003％的N，以便避免形成粗大的氮化铝，它对于获得好的抛光性是不利的；余量是Fe和起因于该处理过程的杂质。

之所以不总是可能或希望限制氮含量到小于0.003％，尤其是因为除去因处理而引入的氮的费用很高。当未将此氮含量限于小于0.003％时，将其以细小氮化钛或氮化锆的形式固定是合乎要求的。要做到这点，就希望Ti、Zr和N含量(该氮含量总是存在，至少以几个ppm和几百ppm之间的含量作为杂质存在)应为：

0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016而且应通过逐渐地溶解氧化了的Ti或Zr相而将Ti或Zr加入此钢中，例如通过将Ti或Zr添加到未脱氧的钢中，然后添加强脱氧剂，例如Al来进行这种添加。这些条件使获得分散得很细的氮化钛或氮化锆成为可能，这种细分散有利于韧性、机加工性和抛光性。当Ti或Zr以这种优选的方式加入时，尺寸大于0.1μm氮化钛或氮化锆在1-mm²面积的固态钢的显微截面上所数到的数目小于以氮化物形式析出Ti总量与以氮化物形式析出的Zr总量的一半之和的1/4，它们是以％的千分之一表示。

该钢的化学成分必须满足另外二个有关的条件，一方面是淬透性，另一方面是导热性。

为了获得满意的机械强度和硬度性能，约1400Mpa的抗拉强度和约400BH的硬度(即至少大于350BH，优选大于380BH)，则构成此注塑塑料模具的组件必须由钢坯机加工，上述钢坯首先经淬火而得到全马氏体或全贝氏体或马氏体-贝氏体混合的组织，但是，无论什么情况，都没有铁素体和珠光体；然后退火以使其通过析出金属间化合物而硬化。可以在奥氏体化后，更好是在850-1050℃之间，或直接以铸造或轧制的热进行急冷，例如用水、油或空气冷却。退火一般在500-550℃之间进行。

该钢的坯料例如是轧制板或锻成的宽板，其厚度大于20mm，可达到800mm，或甚至1000mm。在这些条件下，为使包括在此钢坯内部的组织完全淬透，该钢的淬透性必须是充分的。因此，该钢的化学成分必须满足以下关系式：

Tr=3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥Bt当钢含0.0005-0.015％的硼时，kB=0.8，否则，kB=0。

表示欲获得的最小淬透性的常数Bt必须至少等于3、1，而在大厚度的情况下，必须至少等于4.1。

更确切地说，对于一种确定的冷却方法每个钢坯都具有确定芯部冷却速度的特征尺寸d。要获得合乎要求的组织，淬透性必须适合此特征尺寸d，因此，该钢的化学成分必须是：

3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥f(d)

而，当钢坯用空冷淬火时，

f(d)=2.05+1.04×log(d)

当钢坯用水淬火时，这是优选的

f(d)=-0.8+1.9×log(d)。

符号“log(d)”表示以mm表示的该特征尺寸d的以10为底的对数。例如，该特征尺寸是板厚或圆棒的直径。

此外，本发明人发现：通过适当选择钢的化学成分使其导热性达到最小是可能的。这样的优点是可能通过缩短接着注塑步骤后的冷却步骤而提高塑料注模工序的生产能力。因此，该钢的化学成分必须是：等于3.8×C+9.8×Si+3.3×Mn+2.4×Ni

+α×Cr+1.4×(Mo+W/2)的kth尽可能小，至少，kth小于15，更好小于13，最好小于11。

该化学成分最好是这样的：

3.8×C+3.3×Mn+2.4×Ni+α×Cr

+1.4×(Mo+W/2)≤8

在这些表达式中，如果Cr含量小于8％，则α=1.4，而如果Cr含量大于或等于8％，则α=0。事实上，当Cr含量大于或等于8％时，它基本上作为与耐蚀性相关的函数来调整的。在相反的情况下，调整其含量以使导热性达到最大。

kth是无因次值，它按着与钢的绝热性相同方向变化，就是说，它与导热性成反比。

事实上，在此钢不需承受腐蚀性的情况下(Cr＜8％，或甚至≤5％)，主要的困难在于将足以使整个厚组件获得合乎要求的机械性能的淬透性；其目的在于限制，甚至是避免偏析带的存在的低的锰含量，与尽可能低的阻热性，或与之等效的尽可能高的导热率协调一致(在该钢必须承受腐蚀的情况下，由于高的铬含量，所以不产生淬透性的问题)。本发明人已发现：为获得这种最佳匹配，通过要求kth/Tr低于或等于3，更好是低于或等于2.8，而最好是低于或等于2.5而增加与该Kth/Tr比相关的附加条件是合乎要求及可能的。

一种特别有利的解决办法与化学成分(重量％)如下的钢相适应：

0.1％≤C≤0.16％

0％≤Si≤0.15％

0.6％≤Mn≤0.9％

2.8％≤Ni≤3.3％

0％≤Cr≤0.8％

0.2％≤Mo+W/Z≤0.35％

0.9％≤Al≤1.5％

0.9％≤Cu≤1.5％

0.0005％≤B≤0.015％

0％≤S≤0.3％

-可供选择的至少一种选自V、Nb、Zr、Ta和Ti的元素，其每一种的含量为0-0.3％，

-可供选择的至少一种选自Pb、Se、Te和Bi的元素，其每一种的含量为0-0.3％，

其余为Fe和起因于处理过程的杂质。

按一般分析，该钢有可能获得热阻系数kth=11.75，淬透性Tr=4.76,kth/Tr比=2.5，而硬度大于350BH，事实上在厚度可达800mm的空淬的坯的整体中都是均匀的。

实施例1

通过机加工厚度为80-500mm的钢板制造用于注塑塑料的模具组件，其标号为A、B、C、D、E、F、F₁、G、H、I、J和J₁。记号A-F₁的钢板是符合本发明的，作为比较，记号G-J₁的钢板是符合现有技术的。其化学成分，按％(重量)的千分之一计，示于表1。

所有的这些钢板在1100℃轧制，然后进行热处理，以使其都获得385-420BH的硬度。

厚度d(mm)，热处理，热阻系数kth，导热率值Cth(w/m/°K)和淬透性系数Tr(K和Tr是无因次系数)示于表2。

表1

C Si Mn Ni Cr Mo Al Cu Nb V BA 115 45 500 3100 150 310 1100 1050 3B 105 57 750 3040 160 295 1140 1050 30 3C 115 85 710 3110 140 305 1110 1600 3D 130 50 300 2750 130 285 1090 1070 3E 120 130 850 3020 150 305 1110 1075 55 3F 100 30 200 2500 100 250 1120 1085 3F1130 85 850 2800 1200 300 1120 1080 3G 130 350 1150 3050 200 290 1100 1060H 125 65 1520 3100 190 320 1130 1020I 145 85 1090 3200 210 305 1120 1050 3J 140 490 1600 3100 850 340 1050 1450J1 130 350 1500 3000 1000 300 1050 1450

表2中记录的结果显示出符合本发明的钢所具有的导热率比现有技术的钢高10％(E与H比较)到60％(F与J比较)。这些高导热率使模具的生产能力可通过降低模压周期中的冷却步骤时间而显著提高。钢F1与I,J和J1也可以比较，这四种钢都可使900mm厚的钢坯由空冷来制造。符合本发明的钢F1的导热率比现有技术的钢J和J1高30％。此外，钢F1的Mn含量显著低于这些钢，这对降低偏析是很有利的。现有技术的钢I，虽然有具有低的Si含量，但其导热率比钢F1的小10％以上。

表2d 奥氏体化淬火退火 kth Tr cth kth/TrA 80 950℃ 空气 525℃-2小时 10.6 4.5 43 2.3B 130 轧制加热空气 525℃-2小时 11.4 4.7 40 2.4C 500 950℃ 水 525℃-3小时 11.7 4.7 40 2.5D 200 950℃ 水 525℃-3小时 9.2 4.1 45 2.2E 150 950℃ 空气 525℃-2小时 12.4 4.8 39 2.6F 100 950℃ 水 525℃-2小时 7.8 3.3 47 2.4F1 900 950℃ 空气 525℃-2小时 12.1 5.32 39 2.3G 80 950℃ 空气 525℃-2小时 15.7 4.4 34 3.6H 400 950℃ 水 525℃-3小时 14.3 4.9 36 2.9I 130 950℃ 空气 525℃-2小时 13.4 5.3 35 2.5J 150 950℃ 空气 525℃-2小时 19.7 5.4 29 3.6J1 900 950℃ 空气 525℃-2小时 17.9 5.2 30 3.4

实施例2

必须耐腐蚀的注塑塑料的模具用符合本发明的钢M和现有技术的钢N来制造。将这些钢轧成150mm厚的钢板形式，然后经空淬和5500C2小时退火的热处理。化学分析，以％(重量)的千分之一计，示于表3，获得的性能示于表4。

表3

C Si Mn Ni Cr Mo Al Cu Nb V BM 40 50 300 3500 16000 600 2200 1550N 50 450 1100 4100 16000 550 2100 1450

表4

BH kth Tr cthM 415 10.8 13.0 22N 430 18.8 14.2 18

发现本发明钢的导热率比先有技术高20％，这导致了与上述相同的优点。

一般，符合本发明的钢被制成轧制板的形式或棒材形式或锻造宽板形式，但它也可以被制成任何其它形式，特别是钢丝形式。

为了使以焊接修理的部位具有与模主体相同的性能，导热率和对内腔表面要求的性能，焊接修理必须优选成分与此模主体的成分接近的焊丝来进行，所以本发明钢还可以被制成焊丝形式。

Claims

1．用于制造塑料注塑模具的钢，其特征在于其化学成分以重量％表示包含：

0.03％≤C≤0.25％

0％≤Si≤0.2％

0％≤Mn≤0.9％

1.5％≤Ni≤5％

0％＜Cr≤18％

0.05％≤Mo+W/2≤1％

0％≤S≤0.3％

-至少一种选自Al和Cu的元素，其每一种的含量为0.5-3％，

-可供选择的0.0005≤B≤0.015％，

-可供选择的至少一种选自V、Nb、Zr、Ta和Ti的元素，其每种的含量为0-0.3％，

-可供选择的至少一种选自Pb、Se、Te和Bi的元素，其每种的含量为0-0.3％，余量为Fe和起因于处理过程的杂质，该化学成分另外满足关系式：

kth=3.8×C+9.8×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+

α×Cr+1.4×(Mo+W/2)≤15如果Cr＜8％，则α=1.4，而如果Cr≥8％，则α=0，和Tr=3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥3.1如果B含量为0.0005-0.015％,kB=0.8，否则kB=0，如果Cr≤5％；

kth/Tr≤3。

2．权利要求1的钢，其特征在于：

kth=3.8×C+9.8×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+

α×Cr+1.4×(Mo+W/2)≤13。

3．权利要求2的钢，其特征在于：kth=3.8×C+9.8×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+

α×Cr+1.4×(Mo+W/2)≤11。

4．权利要求1的钢，其特征在于：

3.8×C+3.3×Mn+2.4×Ni+α×Cr+

1.4×(Mo+W/2)≤8。而如果Cr＜8％，则α=1.4，而如果Cr≥8％，则α=0。

5．权利要求1的钢，其特征在于：Tr=3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr

+1.58×(Mo+W/2)+kB≥4.1。

6．权利要求1的钢，其特征在于：

kth/Tr≤2.8。

7．权利要求6的钢，其特征在于：

kth/Tr≤2.5。

8．权利要求1的钢，其特征在于其化学成分是：

Mn≤0.7％、

9．权利要求8的钢，其特征在于其化学成分是：

Mn＜0.5％。

10．权利要求1的钢，其特征在于其化学成分是：

Si≤0.1％。

11．权利要求1-10中任一项的钢，其特征在于：

Cr≤5％。

12．权利要求11的钢，其特征在于：

Cr≤2％

0.0005％≤B≤0.005％。

13．权利要求1-4和8-10中任一项的钢，其特征在于：

Cr≥8％。

14．权利要求1的钢，其特征在于N含量小于0.003％。

15．权利要求1-14中任一项的钢的坯料，其特征在于它具有大于或等于20mm的特征尺寸d，并且在所有的点，它都具有硬度大于350BH的退火马氏体、贝氏体或马氏体-贝氏体组织。

16．权利要求15的钢的坯料，其特征在于该钢的化学成分为：

3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr+

1.58×(Mo+W/2)+kB≥2.05+1.04×log(d)。

17．权利要求15的钢坯，其特征在于该钢的化学成分为：

3.8×C+1.07×Mn+0.7×Ni+0.57×Cr+

1.58×(Mo+W/2)+kB≥-0.8+1.9×log(d)。

18．由权利要求1-14中任一项的钢制造的焊丝。