專利名稱：用于制造塑料和橡膠模具的低合金鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低合金鋼，特別是用于制造塑料和橡膠模具的低合金鋼。
塑料或橡膠的模具是通過加工固體金屬模塊而制造的，其厚度可超過500mm。通過機械加工而得到的模具內腔表面通?？捎脪伖饣蛘呋瘜W晶?；员闶硅T件產品的表面狀況良好。為了盡量減少模具的磨損，模具的任何部位必須有很高的硬度，在250HB至400HB，而通常是在270HB至350HB。此外，還應有很高的屈服強度和優(yōu)良的沖擊強度以便耐受位沖擊和變形。
加工工藝是非常重要的，因為它表示了制造模具總成本的70％，該金屬必須有機械加工性，而且這種機械加工性不能通過含有過量的添加物來達到的，例如硫或鉛，因為這些添加物會影響到金屬拋光或晶?；男?。
因為模具通常是通過焊接而制造的，所以使用的金屬必須具有可焊性。
此外，因為塑料或橡膠是在加熱中注入型模的，所以使用的金屬必須有高的熱導率以便容易地將熱量傳送出來，該熱量限制了注模產品的生產率。
為了加工模具，一般使用具有足夠硬化度的低合金鋼模塊，而且具有在淬火和回火后，馬式體或者馬式—貝式體(marten-sito-bainitic)組織有足夠的硬度，高的屈服強度和優(yōu)良的韌性。
最常用的鋼，按照AISI標準是P20鋼，按照WERKSTOFF德國標準是WI.2311或WI.2738鋼。
P20鋼含有(按重量)0.28％至0.4％的碳，0.2％至0.8％的硅，0.6％至1％的錳，1.4％至2％的鉻，0.3％至0.55％的鉬，平衡量的鐵和伴隨熔煉的雜質。
WI.2311和WI.2738鋼含有(按重量)0.35％至0.45％的碳，0.2％至0.4％的硅，1.3％至1.6％的錳，1.8％至2.10％的鉻和0.15％至0.25的鉬，WI.2738鋼進而含有0.9％至1.2的鎳，平衡量鐵和伴隨熔煉的雜質。
這些鋼具有優(yōu)良的耐磨性，但是它們的焊接性、機械加工性、韌性和熱導性是不足的。
為了改進焊接性，在EP 0,431,557專利申請中提出了以下的鋼，即含有(按重量)0.1％至0.3％的碳，小于0.25的硅，0.5％至3.5％的錳，小于2％的鎳，1％至3％的鉻，0.03％至2％的鉬，0.01％至1％的釩，小于0.002％的硼，上述的元素被看作是不需要的雜質，基本上是平衡量的鐵，進而組成間還要滿足以下的關系式BH＝326＋847.3(％C)＋18.3(％Si)-8.6(％Mn)-12.5(％Cr)≤460由此關系式中看出，碳含量必須保持小于0.238％。
雖然這種鋼具有一定的優(yōu)良焊接性和可接受的機械加工性，但沒有足夠高的熱導性。
事實上，本領域的技術人員選擇了上述指示的范圍以便得到足夠的硬化度來生產厚度超過400mm的產品部件；特別值得一提的是各種元素不能同時都保持在范圍的下限值。因此，所有的這些鋼所具有的熱導性小于35W·m-1K-1，而且對于一些模具來說，往往要求在其某一個部位的熱導性要足夠高時，則相應的部位則由銅/鋁/鐵合金制造，其熱導性大于40W·m-1K-1，然而用這種技術在制造模具時存在著復雜化的缺點，因為他們是在以后復合該部件，此外，所使用的合金價錢要比鋼貴的多。
本發(fā)明的目的在于提供了用于塑料和橡膠模具的低合金鋼，同時這些鋼至少與普通鋼一樣具有相同的機械性和機械加工性，具有熱導性大于40W·m-1K-1，特別是能夠制造全鋼模具。
為了完成此目的，本發(fā)明中的用于塑料和橡膠型模的低合金鋼其化學組成如下，(用重量)
0.24％≤C≤0.35％1％≤Mn≤2.5％0.3％≤Cr≤2.5％0.1％≤Mo＋W/2≤0.8％0％≤Ni≤2.5％0％≤V≤0.3％Si≤0.5％0.002％≤B≤0.005％0.005％≤Al≤0.1％0％≤Ti≤0.1％P≤0.02％。
這些組分進而滿足以下的關系式U＝409(％C)＋19.3[％Cr＋％Mo＋％W/2＋％V]＋29.4(％Si)＋10(％Mn)＋7.2(％Ni)＜200和R＝3.82(％C)＋9.79(％Si)＋3.34(％Mn)＋11.94(％P)＋2.39(％Ni)＋1.43(％Cr)＋1.43(％Mo＋％W/2)＜11.14。
優(yōu)選的鋼含量如下0.24％≤C≤0.28％1％≤Mn≤1.3％1％≤Cr≤1.5％0.3％≤Mo＋W/2≤0.4％0.03％≤V≤0.1％此鋼中的硅含量優(yōu)選地要少于0.1％。
此外，也可以添加銅以便在回火中得到更強的硬度，最后鋼含有0.8％至2％的鎳和0.5％至2.5％的銅。
硬度也可以通過添加鈮得到改進，其量小于0.1％，而機械加工性可以通過添加硫、碲、硒、鉍、鈣、銻、鉛、銦、鋯或稀土元素得到改進，其含量小于0.1％。
本發(fā)明的另外目的是使用本發(fā)明的鋼，通過淬火和回火制造硬度為270HB至350HB的鋼塊。
在

圖1中表示了根據泰勒方法本發(fā)明鉆削機械性的程度。
按照本發(fā)明的低合金鋼主要含有(按重量)大于0.24％C，這是為了在高于500℃下淬火和回火后，使硬度大于270HB，和小于0.35％C，這是為了不降低焊接性，限制不利于機械性、拋光性和晶?；碾x析擴散。優(yōu)選的碳含量在0.24％至0.28％；大于1％的錳，這是為了增加鋼的硬化性，并且小于2.5％，優(yōu)選的是1.3％以下，這是為了防止太大而降低鋼的熱導性。
大于0.3％的鉻，這也是為了增加可硬化性和防止鐵氧-珠光體相對拋光性的不利影響，并且小于2.5％這是為了不降低焊接性和防止過量的碳化鉻形成，這些物質對機械加工性是不利的，優(yōu)選的鉻含量在1％至1.5％。
大于0.1％，優(yōu)選的是大于0.3％的鉬，這是為了增加硬化性和減少回火柔軟性的程度，但是要小于0.8％，優(yōu)選的是小于0.4％，這是因為太過量時，鉬則形成很硬的碳化物，這對于機械性是不適宜的，并且顯示出離析成網狀組織，這些對于拋光和晶粒化是不利的，而且導致在機械加工時損壞工具。鉬可以完全或部分地用鎢代替。對于1％的鉬用2％的鎢代替時，其含量按Mo＋W/2計算。
0％至0.3％，優(yōu)選的是0.03％至0.1％的釩，這是為了在回火時產生第二硬度。
伴隨著0.002％至0.005％的硼有0.005至0.1％的鋁和0％至0.1％鈦，這是為了有效地增加硬化性和不損害其他的性質。鋁和鈦用于防止硼與氮結合，其中一直存有一定量的氮這是為了保護硼。
以下的添加物是有效的，當氮含量大于50ppm，鋁的含量必須大于0.05％，同時鈦的含量小于0.005％；當鈦含量大于0.015％，鋁的含量可以小于0.03％，優(yōu)選的是在0.020％至0.030％內；小于0.02％的磷，這是一種脆化雜質。
此外，在這些化學組分中的主要元素的鋼含有，或可以含有的元素如硅、銅和鎳或者雜質或補充的合金元素。
特別是當用碎鐵制造鋼時，在鋼中含有少量銅和鎳。鎳的量是少量時，過高的銅含量，在熱軋、熱鍛時會引起缺陷，這是因為脆化了晶界。在無添加物的條件下，鎳和銅的含量各應小于0.5％。
為了增加硬化性，可以添加到2.5％的鎳。
為了產生組織-硬化效應也可以添加銅。此時，銅含量必須在0.5％至2％，而伴隨著的鎳含量為0.8％和2.5％。
硬度可通過添加小于0.1％鈮的量進行調節(jié)。
在拋光性或晶粒化的要求允許情況下，可以通過添加硫、碲、硒、鉍、鈣、銻、鉛、銦、鋯、或稀土元素改進機械加工性，其量小于0.1％。
本發(fā)明者們業(yè)已發(fā)現，當化學組成在以下范圍時，其機械加工性實質上高于P20型鋼，U＝409(％C)＋19.3[％Cr＋(％Mo＋％W/2)＋％V]＋29.4(％Si)＋10(％Mn)＋7.2(％Ni)＜200，其機械加工性，實質上是高于P20型鋼。
為了使其有足夠的熱導性，它必須符合下式R＝3.82(％C)＋9.79(％Si)＋3.34(％Mn)＋11.94(％P)＋2.39(％Ni)＋1.43(％Cr)＋1.43(％Mo＋％W/2)＜11.14。
因此，化學組成必須選擇在U＜200和R＜25。這樣熱導性大于40W·m-1K-1。
為了制造模具，要將本發(fā)明的鋼熔化，并用硅進行予脫氧化，而后用鋁進行脫氧化，接著添加鈦和硼。
將上述的液體金屬進行澆鑄，形成半成品，如鑄塊、板或者顆粒。
而后將半成品加熱到低于1300℃下，對其進行鍛造或軋制，而得到棒鋼或板材。
為了得到全部體積是馬氏體或馬氏-貝氏組織，將棒材或板材淬火。
淬火可直接進行，從軋制或鍛制下直接進行，其前提是軋制或鍛制的最終溫度小于1000℃?；蛘咴趭W氏體化后，當溫度大于AC3點的時刻，優(yōu)選的是小于1000℃。
在空氣中、油或水中淬火后，根據尺寸大小，將棒材或板材在大于500℃，優(yōu)選的是大于550℃下進行回火，這樣可使得棒材或板材的所有部位上得到270HB和350HB，優(yōu)選的是近于300HB的硬度。通過淬火將內部產生的應力衰減下來。
然后，模塊被切成要求的尺寸并且被加工成模腔型式，這是為了通過注模得到所要求的產品部件。
而后，模腔的表面進行處理，如拋光或晶粒化，為了得到理想的表面狀態(tài)也可以進行滲氮或鍍鉻。
舉例說明，用組成(重量百分數)為以下的鋼A制造模具C＝0.25％Si＝0.25％Mn＝1.1％Cr＝1.3％Mo＝0.35％Ni＝0.25％V＝0.04％Cu＝0.3％B＝0.0027％Al＝0.025％Ti＝0.020％S＝0.001％
P＝0.010％制造400mm厚的模塊，在900℃下進行1小時奧氏體化后，水淬火和在550℃下回火1小時，并在空氣中冷卻。因而得到馬氏-貝氏組織，在產品所有點上的硬度為300HB至318HB。屈服強度Re是883Mpa和拉伸強度Rm是970Mpa，即Re/Rm接近0.91；在+20℃下沖擊強度KCV是60J/cm2。
此鋼的碳當量，可用下式計算，Ceq＝C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15Ceq＝0.808；其BH值BH＝508；機械加工指數U＝151；熱導率λ＝41W.m-1k-1。
為了比較，用P20型鋼制成同樣尺寸模塊，其組成如下C＝0.34％Si＝0.45％Mn＝0.95％Cr＝1.85％Ni＝0.3％Mo＝0.38％在900℃下，奧氏體化后，用水淬火而后在580℃下回火1小時，比較硬度，其值集中在300HB周圍。屈服強度Re是825Mpa并且拉伸應力Rm是1010Mpa，即Re/Rm的比例接近0.82。在+20℃下的沖擊強度KCV是20J/cm2。
碳當量是Ceq＝0.964；BH系數是BH＝591；
機械加工指數；U＝207；熱導率是λ＝35 W.m-1k-1。
機械加工指數U的不同導致機械加工的能力不同，如圖1所示，該圖中表示了鋼A和用實施例方法得到的P20鋼的泰勒鉆削線。在此圖中，可以看出在相同的切削速度下，對于鋼A的鉆削深度比P20鋼約大10倍或者，在鉆削相同深度下，鋼A比P20鋼的允許切削速度大25％。
因為焊接性更好于低碳當量或者低的BH系數，所以本發(fā)明的鋼的焊接性大于P20鋼。
并且發(fā)現鋼A的熱導性高于P20鋼17％和其屈服強度和碰撞強度顯著地高于P20鋼。
作為比較，用以下組成生產同樣尺寸的模塊C＝0.17％Si＝0.09％Mn＝2.15％Cr＝1.45％Mo＝1.08％V＝0.55％B＝0.0007％在900℃下奧氏體化后，水淬火和在570℃下回火，模塊的全部體積硬度接近300HB并且，碳當量是Ceq＝1.144；BH系數是BH＝435；機械加工指數U是U＝153；
熱導率是λ＝35W.m-1k-1。
這些鋼與鋼A相比具有較好的BH值，但是碳當量數很差。它的機械加工指數可以與鋼A相比，但是熱導率低了15％。
使用本發(fā)明的鋼B制成400mm的模塊，將其在920℃下奧氏體化，在水中淬火，在560℃下回火，而后在空氣中冷卻。每一點的硬度在300HB至315HB。屈服強度Re是878Mpa，拉伸強度Rm是969Mpa，即Re/Rm比為0.91。
鋼的組成如下C＝0.25％Si＝0.1％Mn＝1.3％Cr＝1.3％Mo＝0.4％V＝0.01％B＝0.0025％Al＝0.055％S＝0.002％P＝0.015％Ni＝0.8％Cu＝0.35％碳當量是Ceq＝0.83；BH系數是BH＝512；機械加工指數是U＝153；熱導率是λ＝44W.M-1k-1。
這些鋼在組成上不同于鋼A，主要是在硅和鎳的含量方面，但具有鋼A相同的優(yōu)良性質，此外具有很好的熱導率。
權利要求
1.低合金鋼，它的化學組成如下(按重量)0.24％≤C≤0.35％1％≤Mn≤2.5％0.3％≤Cr≤2.5％0.1％≤Mo＋W/2≤0.8％0.1％≤W/2≤0.8％Ni≤2.5％0％≤V≤0.3％Si≤0.5％0.002％≤B≤0.005％0.005％≤Al≤0.1％0％≤Ti≤0.1％P≤0.02％Cu≤2％。小于0.1％的從Nb，Zr，S，Se，Te，Bi，Ca，Sb，Pb，In和稀土元素中任意選出的至少一種元素，平衡量的鐵和伴隨熔化時的雜質，進而，化學組成滿足以下關系式U＝409(％C)＋19.3[％Cr＋(％Mo＋％W/2)＋％V]＋29.4(％Si)＋10(％Mn)＋7.2(％Ni)＜200和R＝3.82(％C)＋9.79(％Si)＋3.34(％Mn)＋11.94(％P)＋2.39(％Ni)＋1.43(％Cr)＋1.43(％Mo＋％W/2)＜11.14。
2.根據權利要求1的低合金鋼，其特征是低合金鋼的化學組成如下(按重量)0.24％≤C≤0.28％1％≤Mn≤1.3％1％≤Cr≤1.5％0.3％≤Mo＋W/2≤0.4％0.3％≤V≤0.1％。
3.根據權利要求1或2的低合金鋼，其特征是Si≤0.1％。
4.根據權利要求1至3中任何一項的低合金鋼，其特征是0.5％≤Ni≤2.5％0.5％≤Cu≤2％。
5.通過加工至少一種經過淬火和回火的鋼模塊作成用于制造塑料或橡膠模具的低合金鋼，其化學組成如下(按重量)0.24％≤C≤0.35％1％≤Mn≤2.5％0.3％≤Cr≤2.5％0.1％≤Mo＋W/2≤0.8％Ni≤2.5％0％≤V≤0.3％Si≤0.5％0.002％≤B≤0.005％0.005％≤Al≤0.1％0％≤Ti≤0.1％P≤0.02％Cu≤2％。小于0.1％的從Nb，Zr，S，Se，Te，Bi，Ca，Sb，Pb，In和稀土元素中任意選出的至少一種元素，平衡量的鐵和伴隨熔化時的雜質，進而，化學組成滿足以下關系式U＝409(％C)＋19.3[％Cr＋(％Mo＋％W/2)＋％V]＋29.4(％Si)＋10(％Mn)＋7.2(％Ni)≤200和R＝3.82(％C)＋9.79(％Si)＋3.34(％Mn)＋11.94(％P)＋2.39(％Ni)＋1.43(％Cr)＋1.43(％Mo＋％W/2)＜11.14。
6.根據權利要求5通過加工至少一種鋼模塊作成用于制造塑料或橡膠模具的低合金鋼，其特征是淬火和回火后的硬度為270HB至350HB。
7.低合金鋼，它的化學組成如下(按重量)0.24％≤C≤0.28％1％≤Mn≤1.3％0.3％≤Cr≤1.5％0.3％≤Mo＋W/2≤0.4％Ni≤2.5％0％≤V≤0.3％Si≤0.5％0.002％≤B≤0.005％0.005％≤Al≤0.1％0％≤Ti≤0.1％P≤0.02％Cu≤2％。小于0.1％的從Nb，Zr，S，Se，Te，Bi，Ca，Sb，Pb，In和稀土元素中任意選出的至少一種元素，平衡量的鐵和伴隨熔化時的雜質，進而，化學組成滿足以下關系式U＝409(％C)＋19.3[％Cr＋(％Mo＋％W/2)＋％V]＋29.4(％Si)＋10(％Mn)＋7.2(％Ni)＜200和R＝3.82(％C)＋9.79(％Si)＋3.34(％Mn)＋11.94(％P)＋2.39(％Ni)＋1.43(％Cr)＋1.43(％Mo＋％W/2)＜11.14。
8.根據權利要求7的低合金鋼，其特征是含有Si≤0.1％。
9.根據權利要求7和8的任何一項，其特征是0.5％≤Ni≤2.5％0.5％≤Cu≤2％。
10.根據權利要求7、8的任何一項，用于制造塑料或橡膠的模具，其特征是該模具是通過加工至少一種鋼模塊，并經過淬火和回火。
11.根據權利要求10通過加工至少一種鋼模塊作成用于制造塑料或橡膠模具的低合金鋼，其特征是經過淬火和回火后的硬度為270HB至350HB。
全文摘要
用于制造塑料或橡膠模具的低合金鋼，其化學組成如下(按重量)0.24％-0.35％的碳、1％-2.5％的錳、0.3-2.5％的鉻、0.1-0.8％的鉬加上二分之一的鎢、2.5％的鎳、0％-0.3％的釩、小于0.5％的硅、0.002％至0.005％的硼、0.005％至0.1的鋁、0％至0.1％的鈦和小于0.02％的磷，進而這些化學組成必須滿足以下關系式U＝409(％C)+19.3[％Cr+％Mo+％W/2+％V]+29.4(％Si)+10(％Mn)+7.2(％Ni)＜200和R＝3.82(％C)+9.79(％Si)+3.34(％Mn)+11.94(％P)+2.39(％Ni)+1.43(％Cr)+1.43(％Mo+％W/2)＜11.14。
文檔編號C22C38/00GK1129744SQ95118340
公開日1996年8月28日 申請日期1995年10月31日 優(yōu)先權日1994年10月31日
發(fā)明者讓·貝居諾, 弗雷德利克·舍努, 吉貝爾·普利蒙 申請人:克魯索盧瓦爾工業(yè)公司