CN110643900A - 塑料注射成型模具及其制造方法 - Google Patents

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阿尔吉尔达斯·昂德里斯
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Abstract

本发明涉及塑料注射成型模具，并且还涉及由低碳模具钢形成的大型锻件，所述低碳模具钢相比较于目前市售产品在大的部分中具有显著增加的硬化和淬透性能。获得上述属性的同时具有相同或更好的机械加工性和改善的模具分型线耐久性。当协同双熔融工艺制造时，本发明可以显著改善模具组中模制部件的抛光性和其他特性。

Description

塑料注射成型模具及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§120为2016年2月5日提交的美国专利申请序列号14/998,701的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及塑料注射成型模具，并且还涉及由低碳模具钢形成的大型锻件，所述低碳模具钢相较于目前市售产品而言在大的部分中具有显著增加的硬化和淬透性能。获得上述特性的同时具有相同或更好的机械加工性和改善的模具分型线耐久性。当协同双熔融工艺制造时，本发明可以显著改善模具组中模制部件的抛光性和其他特性。
背景技术
塑料在汽车工业中的地位突飞猛进，因为它是未来高性能、燃料更高效的交通模具的关键。塑料通过轻量化和多功能设计，在诸多应用中为设计师和工程师们提供了多重优势，同时降低了制造成本。塑料的多功能性目前可能表现为宽范围的形状和表面光洁度。然而，若没有优质的塑料注射模钢，这种多功能性将是不可能的。对燃料更高效的汽车日益增长的需求促使设计师们创造更多的空气动力汽车，这反过来又需要更大的复杂塑料部件，如保险杠、仪表板和门板。其它工业对塑料部件具有相似的需求，如户外(exterior)家具。塑料注射成型用于快节奏生产，且模具钢用于此应用。塑料注射模钢质量的特性从模具制造商到终端用户是不同的。良好的机械加工性以及提供良好表面光洁度的能力是对于模具制造商的重要方面。然而，均匀的硬度是对于终端用户是关键的以生产不会变形的部件。随着部件尺寸的增加，模具必须更大并仍在整个横截面显示这些特性。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，公开了一种制造在20英寸及更大的截面具有优异淬透性的塑料注射成型模具的方法。所述方法可包括如下步骤：(1)在加热单元中形成具有少于所有合金成分的钢熔体；(2)将所述熔体转移至容器以由此形成热熔物(heat)；(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注(teeming)和铸造以通过底部浇铸(pouring)形成锭；(5)重熔所述锭；(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体。所述塑模及冲模块体按重量百分比计可具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000021
所述方法还可包括如下步骤：(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理，和(8)由所述淬火和回火后的块体形成塑料注射成型模具，
在另一种改进中，重熔所述锭可包括通过真空电弧重熔法(VAR)重熔所述锭。
在另一种改进中，重熔所述锭可包括通过电渣重熔法(ESR)重熔所述锭。
在另一种改进中，所述加热单元为电弧炉。
在另一种改进中，所述加热单元为真空感应炉。
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000022
Figure BDA0002060187050000031
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000032
根据本公开内容的另一个方面，公开了一种在20英寸及更大的截面具有均匀淬透性的塑料注射成型模具。所述塑料注射成型模具可以通过包含以下步骤的方法制造：(1)形成具有少于所有合金成分的钢熔体；(2)将所述熔体转移至容器以形成热熔物；(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注和铸造以通过底部浇铸形成锭；(5)重熔所述锭；(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体。所述塑模及冲模块体按重量百分比计可具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000041
所述方法还可包括如下步骤：(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理；和(8)由所述淬火和回火后的块体形成塑料注射成型模具。
在另一种改进中，重熔所述锭包括通过真空电弧重熔法(VAR)重熔所述锭。
在另一种改进中，重熔所述锭包括通过电渣重熔法(ESR)重熔所述锭。
在另一种改进中，形成所述钢熔体包括通过电弧熔法形成所述钢熔体。
在另一种改进中，形成所述钢熔体包括通过真空感应熔法形成所述钢熔体。
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000042
Figure BDA0002060187050000051
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000052
根据本公开内容的另一个方面，公开了一种制造在20英寸及更大的截面具有优异淬透性的塑料注射成型模具的方法。所述方法可包括如下步骤：(1)在加热单元中形成含有少于所有合金成分的钢熔体；(2)将所述熔体转移至容器以形成热熔物；(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注和铸造以通过底部浇铸形成锭；(5)重熔所述锭；(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体。所述塑模及冲模块体可包括0.05至0.20重量％的钒。所述方法还可包括如下步骤：(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理；和(8)由所述淬火和回火后的块体形成塑料注射成型模具。
在另一种改进中，重熔所述锭可包括通过真空电弧重熔法(VAR)和电渣重熔法(ESR)中的一种来重熔所述锭。
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计还可包括以下元素：
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计可具有以下组成：
在另一种改进中，所述塑模及冲模块体按重量百分比计可具有以下组成：
Figure BDA0002060187050000063
在另一种改进中，所述加热单元为电弧炉。
根据以下描述，其他目的和优点将显而易见。
附图说明
图1是根据本公开内容的方法的可涉及制造塑料注射成型模具的一系列步骤的流程图。
具体实施方式
碳是必需的以提供所需的硬度和耐磨性。若碳显著高于0.40％，则模具块体将呈现低的机械加工性和抛光性。优选使用最大值0.35％的碳以保证良好的机械加工性。若使用低于0.15％的碳，则耐磨性和机械性能将不适合所述模具块体所受的工作条件。优选地，使用最小值0.20％的碳以保证可接受的耐磨性、硬度和机械性能。最优选地，使用在0.25％至0.35％范围内目标为0.30％的碳。
锰对于淬透性是必需的，并作为炼钢过程中的脱氧剂。它还与其他合金元素结合用于控制锻造操作中的硫化物。若其以明显高于1.10％存在，则存在残留奥氏体的风险。若存在明显低于0.60％的锰，则将削弱所述模块的淬透性。此外，为了保证硫的控制，所述锰含量应以硫含量的至少20倍存在。锰也有助于耐磨性，尽管程度低于其他碳化物形成剂。优选地，锰含量在0.70％至1.10％，最优选0.80％至1.10％的范围内。
硅在炼钢过程中由于其脱氧能力是指定的。若其以显著大于0.60％的量存在，则有最终产品变脆的倾向。
铬对于碳化物形成、淬透性以及耐磨性是必要的。若存在显著多于最大值2.00％的铬，则硬化温度对于正常的产品热处理过程来说变得太高。若低于指定的最小值1.00％则耐磨性将受到负面影响。优选地，铬以1.10％至2.00％，最优选1.20％至2.00％的量存在。
需要镍来强化铁素体并为所述模块提供韧性。若其以显著多于1.00％的量存在，则有残留奥氏体和机械加工性降低的风险。过量的镍也可能促进高温发线(hairline)开裂，这需要在锻造过程中气割清理和/或修整。若镍显著少于特定的最小值0.30％，则所述模块将在使用过程中具有降低的淬透性以及韧性的不足。镍的含量优选在0.20％至0.90％的范围内，最优选在0.30％至0.80％的范围内。
钼由于其是强碳化物形成剂的事实，是有助于淬透性和耐磨性的关键元素。其有益效果在0.20％至0.55％钼的范围内有效，但优选将其保持在0.30％至0.55％钼的较高范围内，最优选在0.35％至0.55％钼的范围内。
钒是一种关键元素，且由于其对淬透性、耐磨性和晶粒细化性能产生高的影响而被指定。已经发现0.05％至0.20％的特定范围内的钒的添加与适当的热处理结合能够显著改善淬透性，特别是在至少20英寸的大截面中。测试除了钒之外具有在统计上恒定的合金成分的刚样品，如表1所示，显示钒的添加显著增加了淬透性。
表1
Figure BDA0002060187050000091
对于钢X0，主要存在一类含钼和锰的碳化物。X20显示相同的碳化物，但添加了第二类含钒的碳化物。与碳化铬相比，碳化钒族对老化显著更加稳定。为了对所有特性产生最佳效果，优选钒含量为0.07％至0.20％的范围内，最优选在0.10％至0.20％的范围内且目标为0.15％，如图所示。钒对耐磨性和机械加工性也有显著影响。
铝对于晶粒细化是期望的，但其由于引起不期望的杂质铝酸盐的存在可对钢的质量产生不利的影响。因此，将铝的添加减少至在最终熔融组合物中至最高0.040％是重要的。最优选地，目标为0.020％的铝将实现颗粒细化。
磷可以提高机械加工性，但这种元素在模具钢中有胜过任何有益效果的不利影响，如韧脆转变温度的增加。因此，磷含量不应多于0.025％的指定最大值，且最优选小于0.015％。
硫是机械加工性的关键因素，通常认为模具钢中最高至0.045％的含量会产生可接受的机械加工性。然而，硫对这种类型的钢也有多种不利影响，包括加工过程中的热脆性和降低的抛光和质构特性。由于钒对碳化物尺寸的效应对机械加工性有显著影响，因此期望将硫保持在低于0.025％，优选低于0.015％，最优选低于0.005％的值。
20英寸及更大的塑模及冲模块体截面的中心与硬度测试的对照已经表明所述工件的淬透性在整个横截面基本一致。这是相对于由目前可得的钢制成的模具组的显著进步，其中所述模具组在这样的大截面的淬透性倾向于在中心附近下降。
制造在20英寸及更大截面中具有高淬透性的塑料注射成型模具可包括的一系列步骤如图1所示。第一方框102中，钢熔体可在加热单元，如电弧炉中形成。所述熔体可能含有大多数但少于所有必需合金，铝例如被推迟到接近过程结束时添加。应理解，用于形成所述钢熔体的加热单元可以是对于本领域普通技术人员显而易见的其它类型的加热单元，例如但不限于真空感应炉或激光熔化装置。由此，所述钢熔体可以通过不同方法形成，例如但不限于电弧熔法、真空感应熔法、激光熔法和对于本领域普通技术人员显而易见的其它合适加热方法。例如，在一些实施方案中，可将所述合金元素提供为粉末并用激光熔化以形成所述钢熔体。
形成所述熔体后，根据方框104，将其转移至容器，如底注式浇包，以由此形成热熔物；然后，将所述热熔物加热，进一步合金化并通过混合所述热熔物进行精炼直至所述合金均匀分散且所述热熔物的合金组成达到规格(方框106)。然后，根据方框108，所述热熔物经真空脱气，然后通过底部浇铸法浇注入锭模。
此外，根据方框110，所述锭可选地进行重熔，作为二次熔炼过程。通过增加所述锭的化学和/或机械均匀性，以及通过提供对所述锭的微观结构特性的更多控制，重熔可以提高所述锭的质量。重熔可以通过真空电弧重熔(VAR)、电渣重熔(ESR)或对于本领域普通技术人员显而易见的其他适合的重熔方法来完成。
固化后，可热加工所述锭以将所得低合金钢成形为具有20英寸及更大截面的塑模和冲模块体(方框112)。然后，根据下一个方框114，可通过淬火(优选在水中)和回火对所述塑模和冲模块体进行热处理。在下一个方框116中，可由所述淬火和回火后的塑模及冲模块体形成塑料注射成型模具。
虽然本文已经公开了本发明的具体实施例，但是对于本领域普通技术人员来说显然可以在本发明的精神和范围内进行变型。因此，当根据相关的现有技术解释时，本发明的范围仅限于以下所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种制造在20英寸及更大的截面中具有优异淬透性的塑料注射成型模具的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在加热单元中形成具有少于所有合金成分的钢熔体；
(2)将所述熔体转移至容器以由此形成热熔物；
(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；
(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注和铸造以通过底部浇铸形成锭；
(5)重熔所述锭；
(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure FDA0002060187040000011
(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理；和
(8)由所述淬火和回火后的块体形成塑料注射成型模具。
2.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其中重熔所述锭包括通过真空电弧重熔法(VAR)重熔所述锭。
3.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其中重熔所述锭包括通过电渣重熔法(ESR)重熔所述锭。
4.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其中所述加热单元为电弧炉。
5.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其中所述加热单元为真空感应炉。
6.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其特征还在于，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
7.根据权利要求1所述的制造塑料注射成型模具的方法，其特征还在于，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure FDA0002060187040000022
Figure FDA0002060187040000031
8.一种在20英寸及更大的截面中具有均匀的高淬透性的塑料注射成型模具，所述塑料注射成型模具通过包括以下步骤的方法制造：
(1)形成具有少于所有合金成分的钢熔体；
(2)将所述熔体转移至容器以由此形成热熔物；
(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；
(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注和铸造以通过底部浇铸形成锭；
(5)重熔所述锭；
(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体，所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure FDA0002060187040000032
Figure FDA0002060187040000041
(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理；和
(8)由所述淬火和回火后的块体形成所述塑料注射成型模具。
9.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中重熔所述锭包括通过真空电弧重熔法(VAR)重熔所述锭。
10.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中重熔所述锭包括通过电渣重熔法(ESR)重熔所述锭。
11.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中形成所述钢熔体包括通过电弧熔法形成所述钢熔体。
12.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中形成所述钢熔体包括通过真空感应熔法形成所述钢熔体。
13.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
14.根据权利要求8所述的塑料注射成型模具，其中所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
15.一种制造在20英寸及更大的截面中具有优异淬透性的塑料注射成型模具的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在加热单元中形成具有少于所有合金成分的钢熔体；
(2)将所述熔体转移至容器以由此形成热熔物；
(3)加热，将合金组合物进一步合金化为规格，并通过使用氩气吹扫的搅拌、磁力搅拌或一些其它混合方法来精炼所述热熔物；
(4)将所述热熔物进行真空脱气、浇注和铸造以通过底部浇铸形成锭；
(5)重熔所述锭；
(6)热加工所述锭以形成具有20英寸及更大横截面的塑模及冲模块体，所述塑模及冲模块体包括0.05至0.20重量％的钒；
(7)通过淬火和回火对所述塑模及冲模块体进行热处理；和
(8)由所述淬火和回火后的块体形成塑料注射成型模具。
16.根据权利要求15所述的方法，其中重熔所述锭包括通过真空电弧重熔法(VAR)和电渣重熔法(ESR)中的一种来重熔所述锭。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述塑模及冲模块体按重量百分比计进一步包括以下元素：
Figure FDA0002060187040000061
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure FDA0002060187040000062
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述塑模及冲模块体按重量百分比计具有以下组成：
Figure FDA0002060187040000071
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述加热单元为电弧炉。
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