專利名稱：合金鋼、塑料成形工具用的支座和支座部件,和支座和支座部件用的韌性淬火坯料的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種合金鋼，尤其是關于用于制造塑料成形工具支座和支座部件的合金鋼。本發明還關于鋼制造的支座和支座部件，以及用于加工這種支座和支座部件的由合金鋼制造的坯料。
背景技術：
用于塑料成形工具的支座和支座部件是用作成套工具中塑料成形工具的夾具和/或框架部，這種成套工具都是通過各種類型的模塑方法加工的塑料產品。其中，最常見的支座部件中，可以提到模座板和其他構件，以及具有很大凹穴的重塊，該凹穴可盛放和支撐實際模具。所述支座和支座部件是由許多種不同合金鋼制得的，包括馬氏體不銹鋼。本申請人制造和銷售的鋼的注冊商標名稱是RAMAXS，屬于該類并具有如下額定組分，以重量％計0.33C，0.35Si，1.35Mn，16.6Cr，0.55Ni，0.12N，0.12S，平衡鐵和來自制鋼時的雜質。最接近的標準化鋼是AISI 420F。這種類型的鋼具有足夠的抗蝕性，但不具有所希望均勻的馬氏體微觀結構，但可以含有鐵素體和硬點，這是由于殘留的，未經回火的馬氏體，它還可以通過鋼的某種離析趨勢而進行解釋。因此，就支座鋼而言，還需要進一步改進。這就需要對同一種鋼，可以對其組分作某些改進，對實際模具將是有用的。
發明公開本發明的目的是提供一種鋼，這種鋼在淬火和回火后，比上述提到的鋼具有更均勻的結構，尤其是材料中不具有鐵素體和/或硬點，并具有相當高的硬度。
本發明再一個目的是獲得如下中的一種或幾種效果-良好的機加工性，
-足夠的抗蝕性，-考慮到這種鋼能夠用于加工由板制造的支座塊，這種板必須具有至少300mm的厚度，甚至在某些情況下高達400mm厚度時，應有足夠的淬透性，-足夠的延展性/韌性，-在韌性淬火條件下，硬度為30～42HRC，最好為38～40HRC，-良好的拋光性，至少根據優選實施方案，為了也能用于模具，就拋光性而言，對其提出了很高的要求。
如果這種鋼具有所附權利要求中所述的化學組成，即可達到上述目的。
就各種單獨元素的重要性和它們在鋼中的相互作用而言，可以考慮按如下實施，對于任何特殊的理論是不受權利要求保護的約束。
碳和氮對于鋼的硬度和延展性，是相當重要的元素。碳也是一種促進淬透性的很重要元素。然而，碳能以碳化鉻的形式(M7C3-碳化物)結合鉻，并因而能削弱鋼的抗蝕性。因此，鋼最大可含有0.15％的碳，優選含有0.13％的碳(本文中如果沒有特別指出，都為重量％)。然而，碳也有某些有利的作用，在回火的馬氏體中，碳與氮作為溶解元素一起存在，這對鋼的硬度作出了貢獻，也起到了奧氏體穩定劑的作用，因此，在結構中抵消了鐵氧體。碳在鋼中的最小量應為0.06％，優選至少為0.07％。
氮在合金體系內，通過固化條件的影響對碳化物和碳氮化物提供更平穩，更均勻的分布，以致避免碳化物形成的較大的聚集物，或者固化時還有所降低。也降低了M23C6碳化物的份額，并有利于M(C，N)，即，釩-碳氮化物，對延展性/韌性具有有利的沖擊。簡言之，氮，對于含少量的碳化物和氮化物的更有利的固化過程提供措施，這些少量的碳化物和氮化物，在加工時，可分裂成更細的分散相。根據這些原因，氮的存在量至少0.07％，優選0.08％，但不能大于0.22％，優選最大為0.15％，同時，碳和氮的總量應滿足以下條件，即0.16≤C+N≤0.26，優選地，C+N至少為0.17％，但適宜的為0.23％。通常，鋼含有0.20-0.22(C+N)。在淬火的和回火的鋼中，在固體溶液中，氮基本上以氮-馬氏體的形式溶解在馬氏體中，因此有助于所要求的硬度。
總之，就氮的含量而言，可以說為了通過增加所謂的鋼基質的PRE-值，而有助于所要求的抗蝕性，氮應以所述最小量存在，在回火的馬氏體中作為溶解元素存在，這有助于馬氏體的硬度，并形成碳氮化物M(C，N)，達到與碳在一起所要求的程度，但不能超過所述最大含量，碳+氮的含量達到最大時，碳是對硬度的最重要貢獻者。
硅可增加鋼中的碳活性，因此，傾向于沉淀更多的初級碳化物。這就是為什么鋼需要具有低含量硅的一個主要原因。另外，硅是穩定鐵氧體的元素，這是硅的一個不利特征。由于鋼也應含有足夠量的穩定鐵氧體的元素鉻和鉬，以使這些元素提供所要求的效果，同時，鋼中含有比通常在鋼中用于所述應用的更低含量的碳，為了不引起鋼在其基質中含有鐵氧體，必須限制硅的含量。因此，鋼中不可含有大于1％的硅，優選不大于0.7％的硅，更好不大于0.5％的Si，但多數情況下，仍含有較低量的硅。一般講，所采用的原則是，穩定鐵素體的元素可適用于穩定奧氏體的元素以避免鋼中形成鐵素體。然而，硅以由脫氧處理產生的殘渣而存在，所以硅的最佳含量為0.05～0.5％之間，通常為0.1-0.4％，額定為0.2～0.3％。
錳是促進奧氏體和淬透性的元素，這是錳的有利作用，并通過在鋼中形成無害的硫化錳而也可以用于精煉硫。因此，錳的最小存在量為0.1％，優選0.3％的錳，然而，錳與磷一起具有離析的傾向，這就導致回火脆化。因此，錳的存在量不能超過2％，優選不超過1.5％，更好至多1.3％。
鉻是鋼的主要合金元素，并且主要提供鋼的不銹鋼特征，這是用于塑料造型工具的支座和支座部件，以及塑料造型工具本身的重要特征，它常常在潮濕環境中使用，這種環境會引起鋼降低抗蝕性而生銹。
鉻也是鋼淬透性的最重要的促進元素。然而，沒有大量鉻以碳化物的形式結合，因為鋼的碳含量相當低，因此，鋼可具有的鉻含量可低到12.5％，盡管如此，仍可得到所要求的抗蝕性。然而，鋼優選含有至少13.0％的絡。其上限首先由鉻的形成鐵素體的傾向所決定。因此，鋼不可含有大于14.5％的鉻，優選不大于14.0％的鉻，通常鋼含有13.1-13.7％的鉻。
鎳在鋼中存在的最小量為0.8％，優選，至少為1.0％，以使鋼具有非常高的淬透性，然而，從費用考慮，含量應限定為最大2.5％，優選2.0％，通常鋼含有1.4-1.8％或約1.6％的鎳。
就回火操作方面，必要時，本發明的鋼也可含有有效量的釩，以通過二次碳化物沉淀而產生二次淬火，其中，增加抗回火能力，當存在釩時，通過沉淀MC-碳化物，起到了晶粒生長抑止劑的作用。然而，釩含量太高時，在鋼凝固期間，會形成較大的初始MC-碳氮化物，如果鋼受到ESR-再熔化時，這也會發生，在淬火期間，初始碳化物不會溶解。為了獲得所要求的二次淬火和為保障有效抑制晶粒生長，并同時避免鋼中形成較大的，不溶解的初始碳化物，釩的最佳含量應在0.07～0.7％的V。最適宜的含量為0.10-0.30％的V，額定約為0.2％的V。
為了獲得促進淬透性的效果，鋼也可以含有有效量的鉬，例如，至少0.1％。鉬含量達到至少1.0％也能促進抗蝕性，如果含量更高，仍可有效。當回火時，鉬也有利于增加鋼的抗回火能力這也是很有效的。另一方面，鉬含量太高，由于在引起沉淀晶界碳化物和離析的傾向，而產生一種不利的碳化物結構。此外，鉬穩定鐵素體，這是很不利的。因此，鋼中應含有平衡量的鉬以利用其有利效果，同時避免那些不利的效果。鉬的含量優選不超過1.7％，最佳含量為0.1-0.9％之間，大概在0.4-0.6％的鉬。
通常鋼含有的鎢量不超過雜質的量，但可以允許至多高達1％的量。
本發明以韌化調質條件方面，能提供一種鋼，使這種鋼通過機加工能夠加工大型尺寸的支座和成型工具。通過在850-1000℃下，優選在900-975℃下，或在約950℃下，進行奧氏體化，隨后在油中或在聚合物浴中冷卻，在真空爐中的氣體中，或在空氣中冷卻，實施淬火。用于獲得具有30～42HRC，優選38-41或約40HRC的硬度的韌性淬火材料的高溫回火，在510-650℃下，優選在520-540℃下，至少進行1小時，優選通過二重回火，2小時2次。作為另一種形式，鋼可以在200-275℃，例如約250℃下進行低溫回火，以獲得38-42或約40HRC的硬度。
根據優選實施方案，為了改進鋼在韌性淬火條件下的機加工性，還可含有有效量的硫，可以與鈣和氧結合。為了獲得機加工性改進的最好效果，如果也不含有故意加入量的鈣和氧，鋼至少含有0.07％的硫。如果鋼也含有有效量的鈣和氧，則分別至少0.035％，當鋼中故意摻入一定量硫的合金成分時鋼中最大硫含量為0.25％。在這種情況下，適宜硫含量可為0.12％。然而還可設想一種非硫化的變型鋼。在這種情況下，鋼不能含有高于雜質量的硫，鋼也不能含有任意有效量的鈣和/或氧。
因此可以設想，與3-100wt-ppm Ca，優選5-75ppm Ca，最適宜40ppmCa，和10-100ppm O結合，鋼可含有0.035-0.25％的S，其中所述鈣，可以以硅-鈣，CaSi形式提供，以便球化存在的硫化物以形成硫化鈣，而阻止硫化物形成所不需要的細長形狀，因這可能削弱延展性。
本發明的鋼通常可以以生產規模，利用通常的金屬熔體加工方法而進行，根據本發明，所說的具有化學組成的熔體，是將熔體鑄造成大的坯錠，或連續鑄造熔體。也可以鑄造熔融金屬的電極，然后通過電渣重熔(ESR)進行電極重熔融。也可以通過熔體的氣體噴霧法，對坯料進行冶金粉末加工，以生產粉末，然后通過包括熱等靜壓制所謂的HIPing的技術進行壓實，或者，作為另一種方法，是通過噴射成形法，對坯料進行加工。
根據本發明鋼的其他特性方面和特征，以及它用于加工支座和成型工具的使用，以下通過完成的實驗和所獲結果的描述，更詳細地進行解釋。
附圖簡述在以下完成實驗和所獲結果的描述中，參考附圖進行，其中
圖1是以本發明鋼制造的典型設計的支座塊。
圖2A是以所謂Q-坯料(50kg實驗室裝爐量)生產的第一批鋼，在淬火后但回火前的硬度，在保持30分鐘奧氏體化溫度時的曲線圖。
圖2B是以Q-坯料加工的另一些試驗鋼的相應曲線圖。
圖3A是第一批中，從1030℃已淬火的那些鋼的回火曲線。
圖3B是圖3A的放大尺寸回火曲線中的回火溫度為500-550℃范圍的回火曲線。
圖3C是對圖2B中所示硬度與奧氏體化溫度曲線的另一些試驗鋼，在500-550℃回火溫度范圍內的回火曲線。
圖4是上述試驗鋼的淬透性曲線圖。
圖5是說明上述鋼的沖擊韌性試驗所得的線條圖，和圖6A和圖6B是說明腐蝕試驗樣品測定的臨界電流密度Icr的線條圖，該腐蝕試驗樣品，在真空爐內，以2種不同的冷卻速度，從奧氏體化溫度開始慢慢冷卻，此后，高溫回火到約40HRC。
以實驗室規模加工鋼的實驗圖1表示典型設計的支座1，可由本發明的鋼加工制造。塊1中有模腔2，可容納成型工具，通常是塑料成型工具。塊1具有相當大的體積，模腔2既大又深。因此，根據本發明對材料提出了許多不同的需求，即，根據塊的相當大的厚度，需要足夠的淬透性，并具有通過切割工具，像研磨切割機、鉆孔機等進行機加工的優良特性。
材料將具有表I組成的17Q-坯料(50kg實驗室裝爐量)加工成4種圓鋼。在第一種圓鋼中(Q-9043-Q9080)，加工具有很寬范圍化學組成的坯料，例如，試驗了具有氮含量比較高的各種變型鋼。揭示了具有最感興趣特征的合金是Q9068，即，具有平均范圍約0.10％的碳含量和適中含量的氮。
在第二種圓鋼中(Q9129-Q9132)，企圖優化Q9068獲得的特征。稍微變動碳含量，添加釩以獲得細小晶粒尺寸，對一種變型鋼降低了鎳含量。
在第三種圓鋼中(Q9129-Q9139)，試驗了增加硫含量的變型鋼。
在第四種圓鋼中，只試驗2種鋼Q9153和Q9154，以評價碳和氮之間的關系。
鋼Q9043和Q9063為參考材料，Q9043具有SIS2314和AISI420的組成，而Q9063相當于W.Nr.1.2316。
將Q-坯料煅造成60×40mm的棒狀，隨將棒條在蛭石中冷卻。
表I-試驗材料；以重量％表示的化學組成，平衡量Fe和不可避免的雜質
n.a.＝未分析熱處理后的硬度圖2A和圖2B示出了硬度與奧氏體化溫度的關系，從這些示圖曲線明顯看出，具有高碳含量的一些鋼，其硬度隨著奧氏體化溫度的增加而增加，如，Q9043，Q9063，Q9103，Q9104和Q9135。1030℃是奧氏體化溫度，對這些情況都是適宜的。對其他的鋼，硬度隨著奧氏體化溫度的增加而減小或保持不變。在這種情況下，作為奧氏體化溫度，更適宜選擇950℃。
圖3A和圖3B中示出了從1030℃已淬火的那些鋼的回火后的硬度，而Q-坯料9129-9154，從950℃已淬火的那些鋼的回火曲線，已示于圖3C中。從回火曲線可得出結論，所有的鋼通過在520-600℃的溫度范圍內進行回火，都可回火到40HRC。
鋼在韌性-淬火后的適宜硬度約為40HRC。在下表II中所描述的熱處理，可對不同的鋼提供所述硬度。
表II-為韌性-淬火的熱處理，測定的剩余奧氏體，體積％
*t8/5＝1964s
**t8/5＝1885s(t8/5相當于樣品從800冷卻到500℃的時間)淬透性從表II給定奧氏體化溫度進行淬火后，樣品從該溫度以不同速度進行冷卻的硬度，示于圖4的淬透性曲線。
沖擊韌性試驗在室溫下對光面試驗樣品進行沖擊韌性試驗，每種鋼取4～6個試驗棒的平均值。對不同的鋼，使用的熱處理和冷卻速度列于表III。結果以線條圖示于圖5。從這圖中可以認為一些變型鋼，如Q9067、9068、9069、9129、9131、9132和Q9153，具有非常高的延展性，＞350J，而試驗棒沒有斷裂，但是一些其他鋼，例如包括鋼Q9154，具有比參考鋼Q9063和9043更好的延展性，處于180-200J的水平。
表III
腐蝕試驗在第一種試驗圓鋼中，對表IV中的鋼確立極化曲線，以臨界電流密度Icr評價鋼的抗蝕性。就測量方法而言，原則是Icr越低，抗蝕性越好，以兩組試驗進行研究，其中，試驗樣品經受不同的冷卻速度。第一組的熱處理示于表IV。
表IV-極化試驗樣品的熱處理。真空爐內冷卻
根據圖6A的線條圖清楚地知道第一種試驗圓鋼的結果。根據該線條圖，可知五種鋼具有比參考材料Q9063更好的抗蝕性，即Q9068、Q9070、Q9129、Q9132和Q9153。
在第二種試驗圓鋼中，仍使用緩慢的冷卻速度t8/5，參看表V和圖6B。
表V-極化試驗樣品的熱處理。真空爐內冷卻
圖6B說明樣品Q9063、9129、9153和9154具有最好的抗蝕性。
結論在本發明的公開介紹中，已列出了本發明的許多目的。除了具有良好的機加工性外，鋼還具有良好的延展性、好的抗蝕性和好的淬透性。可以說，與鋼Q9063相比，除了鋼具有良好的機加工性外，還具有更好的延展性、更好的抗蝕性和更好的淬透性，這也是本發明的目的。4種鋼滿足了這些要求，即Q9068、Q9129、Q9153和Q9154，這4種鋼具有極相似的組成，盡管鋼Q9154具有較高的氮含量和較低的碳含量。根據這些試驗，可以設定出最優化的組成如下，即，0.10C，0.075N，0.16Si，1.1Mn，13.1Cr，0.13V，1.8Ni，0.5Mo，平衡量Fe和不可避免的雜質。另一種形式的鋼含有0.06C和0.14Ni，其余的組成與上述一樣。再一種形式-可適于作標稱組成-如下0.12C、0.20Si、1.30Mn、0.10S、13.4Cr、1.60Ni、0.50Mo、0.20V、0.10N，平衡量Fe和不可避免的雜質，和/或0.14C、0.18Si、1.30Mn、0.10S、13.5Cr、1.67Ni、0.50Mo、0.22V、0.10N，平衡量Fe和不可避免的雜質。
以生產規模制造鋼電弧爐中制造35噸裝爐量的熔融金屬。在出鋼前，熔體具有如下化學組成0.15C，0.18Si，0.020P，0.08S，13.60Cr，1.60Ni，0.48Mo，020V，0.083N，平衡量Fe和不可避免的雜質。將熔體加工成坯料，再煅制成各種尺寸的平輥。煅制不引起任何問題。通過在950℃下奧氏體化，保持2小時，空氣中急速聚冷，540℃下回火2×2h，使煅制棒韌性淬火到約380HB的硬度。這樣韌性淬火的棒機加工成最后的尺度。
權利要求
1.一種合金鋼，特征是，它具有如下化學組成，以重量％計，含有0.06-0.15C0.16≤C+N≤0.260.1-1.0Si0.1-2.0Mn12.5-14.5Cr0.8-2.5Ni0.1-1.5Mo必要時，釩至多達0.7V必要時，含有S，C和O中的一種或多種元素，以改進鋼的機加工性，其量可至多達最多0.25S，最多0.01(100ppm)Ca，最多0.01(100ppm)O，平衡量Fe和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有0.07-0.13C。
3.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有0.08-0.15N。
4.根據權利要求1-3中任一項的合金鋼，特征是，C+N的總量應滿足0.17＜C+N＜0.23的條件。
5.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有0.1-0.7的Si，優選最多0.5Si。
6.根據權利要求5的合金鋼，特征是，它含有0.1-0.4的Si。
7.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有最多1.5的Mn，優選最多1.3的Mn。
8.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有13.0-14.0的Cr。
9.根據權利要求8的合金鋼，特征是，它含有13.1-13.7的Cr。
10.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有1.0-2.0的Ni。
11.根據權利要求10的合金鋼，特征是，它含有1.4-1.8的Ni。
12.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有0.1-0.9的Mo。
13.根據權利要求12的合金鋼，特征是，它含有0.4-0.6的Mo。
14.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有至少0.07的V。
15.根據權利要求14的合金鋼，特征是，它含有至少0.10的V。
16.根據權利要求15的合金鋼，特征是，它含有0.10-0.30的V。
17.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它含有最多0.15的S。
18.根據權利要求17的合金鋼，特征是，它含有0.08-0.12的S。
19.根據權利要求1的合金鋼，特征是，它不含有高于雜質水平量的S，Ca或O。
20.根據上述權利要求中任一項的合金鋼，特征是，它含有0.06-0.13C0.08-0.15N0.1-0.4，優選0.2-0.3Si0.2-1.3Mn12.5-13.6Cr0.1-0.3V0.2-0.8Mo1.4-1.8Ni
21.一種用于塑料模具的支座和支座部件，特征是，它們是由權利要求1-20中任一項合金鋼制成。
全文摘要
一種適用于塑料模具支座和支座部件的合金鋼，以重量％計，含有0.06－0.15C、0.07－0.22N，其中C+N的總量應滿足0.16≤C+N≤0.26的條件，0.1－1.0Si，0.1－2.0Mn，12.5－14.5Cr，0.8－2.5Ni，0.1－1.5Mo，必要時，V最多達0.7V，必要時，為改進鋼的機加工性，可含有S，Ca或O中的一種或多種，其量最多0.25S，0.01(100ppm)Ca，最多0.01(100ppm)O，平衡量Fe和不可避免的雜質。
文檔編號C22C33/02GK1478151SQ0181966
公開日2004年2月25日 申請日期2001年11月22日 優先權日2000年12月11日
發明者奧德·桑德伯格, 馬格努斯·泰德斯滕, 奧德 桑德伯格, 斯 泰德斯滕 申請人:尤迪霍爾姆工具公司