TWI798338B - 塑膠注射模具及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

此發明與塑膠注射模具相關且也與大型鍛件相關，與現有的商業產品相比，該塑膠注射模具及大型鍛件由在大型區段中具有顯著增加的硬化及淬火性性質的低碳模鋼所形成。獲得了上述屬性以及相等或更佳的可加工性及改善的模具分模線磨損。在與雙熔化過程結合進行製造時，此發明可以顯著改善工具組中的模製零件的拋光特性及其他屬性。

Description

塑膠注射模具及其製造方法
依據專利法，此申請案是於2016年2月5日所提出的第14/998,701號的美國專利申請案的部分接續申請案。
此發明與塑膠注射模具相關且也與大型鍛件相關，與現有的商業產品相比，該塑膠注射模具及大型鍛件由在大型區段中具有顯著增加的硬化及淬火性性質的低碳模鋼所形成。獲得了上述屬性以及相等或更佳的可加工性及改善的模具分模線磨損。在與雙熔化過程結合進行製造時，此發明可以顯著改善工具組中的模製零件的拋光特性及其他屬性。
塑膠在汽車工業中的地位已經大大增長，因為它是未來高效能、更省油的車輛的關鍵。塑膠藉由提供輕量及多功能的設計以及較低的製造成本而在許多應用中提供給設計師及工程師多種優點。可以藉由現在可能的範圍廣泛的形狀及表面光潔度來表達塑膠的多功能性。然而，在沒有優質的塑膠注射模鋼的情況下，此種多功能性會是不可能的。對省油汽車的日益增長的需求促使設計師創造出更多的空氣動力汽車，這轉而需要更大的複雜塑膠零件，例如保險桿、儀表板、及門板。其他行業對於塑膠零件（例如外部傢俱）具有類似的需求。塑膠注射模塑用於快節奏生產，且工具鋼用於此應用。優質塑膠注射模鋼的性質從模具製造商到終端使用者是有所不同的。良好的可加工性以及提供良好表面光潔度的能力對於模具製造商來說是重要的方面。然而，為了讓終端使用者在沒有形狀扭曲的情況下生產零件，均勻的硬度是關鍵。隨著零件的尺寸增加，模具必須更大，且仍然跨整個區段展示這些性質。
依據本揭示內容的一個態樣，揭露了一種製造塑膠注射模具的方法，該塑膠注射模具在20吋及更大的區段中具有優異的淬火性。該方法可以包括以下步驟：(1)在加熱單元中形成鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分；(2)將所述熔體傳輸到容器以藉此形成爐鋼（heat）；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料；(5)再熔所述錠料；及(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的橫截面的鑄模及壓模塊。該等鑄模及壓模塊可以具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.15 - 0.40； Mn 0.60 – 1.10； Si 最多0.60； Cr 1.00 – 2.00； Ni 0.15 – 1.00； Mo 0.20 - 0.55； V 0.05 - 0.20； Al 最多0.040； P 最多0.025；及 S 最多0.025。
該方法可以更包括以下步驟：(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及(8)由所述淬火及回火的塊體形成塑膠注射模具。
在另一個改善方案中，再熔所述錠料的步驟可以包括以下步驟：藉由真空電弧再熔（VAR）再熔所述錠料。
在另一個改善方案中，再熔所述錠料的步驟可以包括以下步驟：藉由電渣再熔（ESR）再熔所述錠料。
在另一個改善方案中，所述加熱單元是電弧爐。
在另一個改善方案中，所述加熱單元是真空感應爐。
在另一個改善方案中，該等鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.20 - 0.35； Mn 0.70 – 1.10； Si 0.15 - 0.50； Cr 1.10 – 2.00； Ni 0.20 - 0.90； Mo 0.30 - 0.55； V 0.07 - 0.20； Al 最多0.040； P 最多0.020；及 S 最多0.015。
在另一個改善方案中，該等鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.25 - 0.33； Mn 0.80 – 1.10； Si 0.20 - 0.45； Cr 1.20 – 2.00； Ni 0.30 - 0.80； Mo 0.35 - 0.55； V 0.10 - 0.20； Al 最多0.020； P 最多0.015；及 S 最多0.005。
依據本揭示內容的另一個態樣，揭露了一種塑膠注射模具，該塑膠注射模具在20吋及更大的區段中具有均勻的淬火性。可以藉由一種方法來製造該塑膠注射模具，該方法包括以下步驟：(1)形成鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分；(2)將所述熔體傳輸到容器以藉此形成爐鋼（heat）；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料；(5)再熔所述錠料；及(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的橫截面的鑄模及壓模塊。該等鑄模及壓模塊可以具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.15 - 0.40； Mn 0.60 – 1.10； Si 最多0.60； Cr 1.00 – 2.00； Ni 0.15 – 1.00； Mo 0.20 - 0.55； V 0.05 - 0.20； Al 最多0.040； P 最多0.025；及 S 最多0.025。
該方法可以更包括以下步驟：(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及(8)由所述淬火及回火的塊體形成塑膠注射模具。
在另一個改善方案中，再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由真空電弧再熔（VAR）再熔所述錠料。
在另一個改善方案中，再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由電渣再熔（ESR）再熔所述錠料。
在另一個改善方案中，形成所述鋼熔體的步驟包括以下步驟：藉由電弧熔化來形成所述鋼熔體。
在另一個改善方案中，形成所述鋼熔體的步驟包括以下步驟：藉由真空感應來形成所述鋼熔體。
在另一個改善方案中，所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.20 - 0.35； Mn 0.70 – 1.10； Si 0.15 - 0.50； Cr 1.10 – 2.00； Ni 0.20 - 0.90； Mo 0.30 - 0.55； V 0.07 - 0.20； Al 最多0.040； P 最多0.020；及 S 最多0.015。
在另一個改善方案中，所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.25 - 0.33； Mn 0.80 – 1.10； Si 0.20 - 0.45； Cr 1.20 – 2.00； Ni 0.30 - 0.80； Mo 0.35 - 0.55； V 0.10 - 0.20； Al 最多0.020； P 最多0.015；及 S 最多0.005。
依據本揭示內容的另一個態樣，揭露了一種製造塑膠注射模具的方法，該塑膠注射模具在20吋及更大的區段中具有優異的淬火性。該方法可以包括以下步驟：(1)在加熱單元中形成鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分；(2)將所述熔體傳輸到容器以藉此形成爐鋼（heat）；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料；(5)再熔所述錠料；及(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的橫截面的鑄模及壓模塊。該等鑄模及壓模塊可以包括0.05到0.20重量百分比的釩。該方法可以更包括以下步驟：(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及(8)由所述淬火及回火的塊體形成塑膠注射模具。
在另一個改善方案中，再熔所述錠料的步驟可以包括以下步驟：藉由真空電弧再熔（VAR）及電渣再熔（ESR）中的一者來再熔所述錠料。
在另一個改善方案中，所述鑄模及壓模塊可以更包括用重量百分比為單位的以下元素： C 0.15 - 0.40； Mn 0.60 – 1.10； Si 最多0.60； Cr 1.00 – 2.00； Ni 0.15 – 1.00； Mo 0.20 - 0.55； Al 最多0.040； P 最多0.025；及 S 最多0.025。
在另一個改善方案中，所述鑄模及壓模塊可以具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.20 - 0.35； Mn 0.70 – 1.10； Si 0.15 - 0.50； Cr 1.10 – 2.00； Ni 0.20 - 0.90； Mo 0.30 - 0.55； V 0.07 - 0.20； Al 最多0.040； P 最多0.020；及 S 最多0.015。
在另一個改善方案中，所述鑄模及壓模塊可以具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.25 - 0.33； Mn 0.80 – 1.10； Si 0.20 - 0.45； Cr 1.20 – 2.00； Ni 0.30 - 0.80； Mo 0.35 - 0.55； V 0.10 - 0.20； Al 最多0.020； P 最多0.015；及 S 最多0.005。
在另一個改善方案中，所述加熱單元是電弧爐。
將藉由以下說明理解其他的目的及優點。
碳是提供所需的硬度及抗磨性所必須的。若碳顯著高於0.40%，則模塊將展現低的可加工性及拋光特性。優選地，是使用最高0.35%的碳來確保良好的可加工性。若使用實質低於0.15%的碳，則抗磨性及機械性質將不適用於模塊所經受的使用條件。優選地，是使用最低0.20%的碳來確保可接受的抗磨性、硬度、及機械性質。最優選地，是使用在0.25%到0.35%的範圍中的碳，目標是使用0.30%的碳。
錳對於淬火性及作為煉鋼過程中的脫氧劑來說是必要的。它也與其他的合金元素結合作用來控制鍛造操作中的硫化物。若存在顯著高於1.10%，則有殘留奧氏體將存在的風險。若存在顯著小於0.60%的錳，則模塊的淬火性將降低。此外，為了確保硫的控制，錳含量應用硫含量至少20倍的量存在。錳也有助於抗磨性，然而程度較其他碳化物成形劑為小。優選地，錳存在於0.70%到1.10%的範圍中，且更優選地是從0.80%到1.10%的範圍中。
為了矽在煉鋼過程中的脫氧能力而指定矽。若用實質高於0.60%的量存在，則存在著最終產物脆化的傾向。
鉻對於碳化物成形、對於淬火性、及對於抗磨性是必要的。若實質高於2.00%的最大值的鉻存在，則硬化溫度對於正常的生產熱處理過程來說變得太高。低於所指定的1.00%的最小值，抗磨性將受到負面影響。優選地，鉻是用1.10%到2.00%的量存在，且更優選地是用1.20%到2.00%的量存在。
需要鎳來強化鐵素體及向模塊提供韌性。若用實質高於1.00%的量存在，則存在殘留奧氏體及可加工性降低的風險。過量的鎳也可能促進高溫髮裂，這需要在鍛造過程期間進行火焰清理及/或調節。若鎳實質低於0.30%的指定最小值，則模塊將在使用期間具有降低的淬火性及韌性缺乏。優選地，鎳應在0.20%到0.90%的範圍中存在，且最優選地是在0.30%到0.80%的範圍中存在。
由於鉬是一種強力的碳化物成形劑，鉬是有助於淬火性及抗磨性的關鍵元素。它的有益效果在0.20%到0.55%的鉬的範圍中是有效的，但優選地它是被維持在從0.30%到0.55%的鉬的上限範圍帶中，且最優選地是在0.35%到0.55%的鉬的範圍中。
釩是一種關鍵元素，且是為了釩對淬火性、抗磨性、及晶粒細化性質的高影響而指定釩。已經發現，與正確的熱處理結合添加0.05%到0.20%的指定範圍中的釩可以顯著改善淬火性，特別是在至少20吋的大型區段中。如表格1中所示地除了釩以外用統計上恆定的合金成分來測試鋼試樣顯示，添加釩顯著地增加了淬火性。表格 1
Figure 108102204-A0304-0001
對於X0鋼來說，主要存在一種含有鉬及錳的碳化物。X20顯示相同的碳化物，但添加了含釩的第二種碳化物。在與碳化鉻相比時，碳化釩系列對於老化來說穩定得多。為了在所有特性上擁有最佳的效果，優選地，釩存在於0.07%到0.20%的範圍中，且最優選地是在0.10%到0.20%的範圍中，目標是0.15%，如圖式中所示。釩也對抗磨性及可加工性有重大影響。
鋁對於晶粒細化是合乎需要的，但是由於造成了鋁酸鹽（一種不合需要的不純物）的存在而可能對於鋼的品質有不利的影響。因此，將鋁的添加在最終的熔體組成中最小化到最大0.040%是重要的。最優選地，0.020%的鋁的目標將實現晶粒細化。
磷可以增加可加工性，但此元素在工具鋼中的不利影響（例如韌脆轉化溫度增加）超過了任何有益的效果。因此，磷含量不應高於0.025%的指定最大值，且最優選地是低於0.015%。
硫是可加工性的關鍵元素，且通常相信，工具鋼中高達0.045%的含量會給予可接受的可加工性。然而，硫在此種鋼中也具有幾種不利的影響，包括處理期間的熱脆性、及降低的拋光及織構化特性。因為釩對碳化物的尺寸的影響對於可加工性有重大的影響，將硫維持在低於0.025%、優選地低於0.015%、且最優選地低於0.005%的值是合乎需要的。
20吋及更大的鑄模及壓模塊區段中的核心與硬度測試的比較已經揭露，部件的淬火性跨整個橫截面是實質均勻的。相較於由現有的鋼製作的工具組，這是一個明顯的改善，在由現有的鋼製作的工具組中，此類大型區段的淬火性傾向在中心附近衰減。
圖1中示出了可以涉及製造在20吋及更大的區段中具有高淬火性的塑膠注射模具的一系列的步驟。在第一方框102處，可以在加熱單元（例如電弧爐）中形成鋼的熔體。熔體可以包含大部分但不是全部的必要合金，例如鋁被推遲直到接近過程結束為止。將瞭解到，用於形成鋼的熔體的加熱單元可以是在對本領域中的技術人員是顯而易見的其他類型的加熱單元，例如但不限於真空感應爐或雷射熔化設備。因此，可以藉由各種過程來形成鋼的熔體，例如但不限於電弧熔化、真空感應熔化、雷射熔化、及對本領域中的技術人員是顯而易見的其他合適的加熱方法。例如，在一些實施例中，可以將合金元素提供為粉末及用雷射熔化以形成鋼的熔體。
依據方框104，在熔體形成之後，它被傳輸到容器（例如底澆盛桶）以藉此形成爐鋼（heat）。此後，爐鋼被加熱，藉由混合爐鋼直到合金均勻分散且爐鋼的合金組成達到規格為止，來進一步合金化及精煉（方框106）。此後，依據方框108，爐鋼經受真空脫氣，且接著藉由底部澆鑄注入到鑄錠模中。
此外，依據方框110，可以可選地使錠料經受再熔作為二次熔化過程。再熔可以藉由增加錠料的化學及/或機械均一性及藉由提供對錠料的微結構特性的更多控制，來改善錠料的品質。可以藉由真空電弧再熔（VAR）、電渣再熔（ESR）、或對本領域中的技術人員是顯而易見的其他合適的再熔方法來完成再熔化。
在固化之後，可以將錠料熱加工以將生成的低合金鋼形成到具有20吋及更大的橫截面的鑄模及壓模塊中（方框112）。此後，依據下個方框114，可以藉由淬火（優選地是在水中）熱處理鑄模及壓模塊，及將鑄模及壓模塊回火。在下個方框116處，可以從淬火及回火的鑄模及壓模塊形成塑膠注射模具。
雖然已經在本文中揭露了本發明的特定示例，對於本領域中的技術人員將是顯而易見的是，可以在本發明的精神及範圍內作出更改。因此，所要的是，本發明的範圍僅被在根據相關的先前技術解釋時的下文隨附請求項的範圍所限制。
102‧‧‧方框 104‧‧‧方框 106‧‧‧方框 108‧‧‧方框 110‧‧‧方框 112‧‧‧方框 114‧‧‧方框 116‧‧‧方框
圖1是依據本揭示內容的一種方法的可以涉及製造塑膠注射模具的一系列步驟的流程圖。
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Claims (15)

  1. 一種製造塑膠注射模具的方法，該塑膠注射模具在20吋及更大的區段中，所述方法包括以下步驟：(1)在一雷射熔化設備中形成一鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分；(2)將所述熔體傳輸到一容器以藉此形成一爐鋼(heat)；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料；(5)再熔所述錠料；(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的均勻淬火性的橫截面的鑄模及壓模塊，所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.15-0.40；Mn 0.60-1.10；Si 最多0.60；Cr 1.00-2.00；Ni 0.15-1.00；Mo 0.20-0.55； V 0.05-0.20；Al 最多0.040；P 最多0.025；及S 最多0.025；(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及(8)由所述淬火及回火的塊體形成塑膠注射模具。
  2. 如請求項1所述的製造塑膠注射模具的方法，其中再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由真空電弧再熔(VAR)再熔所述錠料。
  3. 如請求項1所述的製造塑膠注射模具的方法，其中再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由電渣再熔(ESR)再熔所述錠料。
  4. 如請求項1所述的製造塑膠注射模具的方法，其進一步的特徵在於，該等鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.20-0.35；Mn 0.70-1.10；Si 0.15-0.50；Cr 1.10-2.00；Ni 0.20-0.90；Mo 0.30-0.55；V 0.07-0.20； Al 最多0.040；P 最多0.020；及S 最多0.015。
  5. 如請求項1所述的製造塑膠注射模具的方法，其進一步的特徵在於，該等鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.25-0.33；Mn 0.80-1.10；Si 0.20-0.45；Cr 1.20-2.00；Ni 0.30-0.80；Mo 0.35-0.55；V 0.10-0.20；Al 最多0.020；P 最多0.015；及S 最多0.005。
  6. 一種塑膠注射模具，在20吋及更大的區段中，該塑膠注射模具是由一方法製造的，該方法包括以下步驟：(1)在一雷射熔化設備中形成一鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分； (2)將所述熔體傳輸到一容器以藉此形成一爐鋼(heat)；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料；(5)再熔所述錠料；(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的均勻淬火性的橫截面的鑄模及壓模塊，所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.15-0.40；Mn 0.60-1.10；Si 最多0.60；Cr 1.00-2.00；Ni 0.15-1.00；Mo 0.20-0.55；V 0.05-0.20；Al 最多0.040；P 最多0.025；及S 最多0.025；(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及 (8)由所述淬火及回火的塊體形成所述塑膠注射模具。
  7. 如請求項6所述的塑膠注射模具，其中再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由真空電弧再熔(VAR)再熔所述錠料。
  8. 如請求項6所述的塑膠注射模具，其中再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由電渣再熔(ESR)再熔所述錠料。
  9. 如請求項6所述的塑膠注射模具，其中所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.20-0.35；Mn 0.70-1.10；Si 0.15-0.50；Cr 1.10-2.00；Ni 0.20-0.90；Mo 0.30-0.55；V 0.07-0.20；Al 最多0.040；P 最多0.020；及S 最多0.015。
  10. 如請求項6所述的塑膠注射模具，其中所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.25-0.33；Mn 0.80-1.10；Si 0.20-0.45；Cr 1.20-2.00；Ni 0.30-0.80；Mo 0.35-0.55；V 0.10-0.20；Al 最多0.020；P 最多0.015；及S 最多0.005。
  11. 一種製造塑膠注射模具的方法，該塑膠注射模具在20吋及更大的區段中，所述方法包括以下步驟：(1)在一雷射熔化設備中形成一鋼熔體，該鋼熔體不具有全部的合金成分；(2)將所述熔體傳輸到一容器以藉此形成一爐鋼(heat)；(3)將合金組成加熱、進一步合金化以達到規格，且藉由使用氬氣吹掃、磁力攪拌、或某些其他的混合方法攪拌來精煉所述爐鋼；(4)藉由底部澆鑄將所述爐鋼真空脫氣、注入、及鑄造以形成錠料； (5)再熔所述錠料；(6)熱加工所述錠料以形成具有20吋及更大的均勻淬火性的橫截面的鑄模及壓模塊，所述鑄模及壓模塊包括0.05到0.20重量百分比的釩；(7)藉由淬火及回火熱處理所述鑄模及壓模塊；及(8)由所述淬火及回火的塊體形成塑膠注射模具。
  12. 如請求項11所述的方法，其中再熔所述錠料的步驟包括以下步驟：藉由真空電弧再熔(VAR)及電渣再熔(ESR)中的一者來再熔所述錠料。
  13. 如請求項12所述的方法，其中所述鑄模及壓模塊更包括用重量百分比為單位的以下元素：C 0.15-0.40；Mn 0.60-1.10；Si 最多0.60；Cr 1.00-2.00；Ni 0.15-1.00；Mo 0.20-0.55；Al 最多0.040；P 最多0.025；及S 最多0.025。
  14. 如請求項12所述的方法，其中所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成： C 0.20-0.35；Mn 0.70-1.10；Si 0.15-0.50；Cr 1.10-2.00；Ni 0.20-0.90；Mo 0.30-0.55；V 0.07-0.20；Al 最多0.040；P 最多0.020；及S 最多0.015。
  15. 如請求項12所述的方法，其中所述鑄模及壓模塊具有用重量百分比為單位的以下組成：C 0.25-0.33；Mn 0.80-1.10；Si 0.20-0.45；Cr 1.20-2.00；Ni 0.30-0.80；Mo 0.35-0.55；V 0.10-0.20；Al 最多0.020；P 最多0.015；及S 最多0.005。
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