专利名称：用于制造塑性材料注塑成型用的模具或用于制造金属加工部件的钢锭的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其是可用于制造塑性材料注塑成型或金属如轻合金成型用的模具或用于制造金属加工工具的钢锭。
背景技术：
塑性材料注塑成型用的模具一般是用其硬度约为300HB的钢生产。然而，当这些模具用来塑料如工业塑料或热固性塑料成型时，优选的是采用一些更耐磨的更硬的钢。一种含有约0.55％碳、1.75％镍、铬、钼和钒的型号为55NCDV7的钢因此可以使用，并能制造其硬度约为400HB的模具。然而，这种钢有许多缺点它难以机加工和难以焊接。此外，这种钢常常有局部偏析，所述局部偏析构成若干难以抛光或难以化学粒化的硬点。这两个缺点特别不希望有，因为模具的制造需要相当大量的机加工，并且模具一般是通过用焊接和抛光或者粒化重新加载进行维修。此外，这些模具必须能例如通过渗氮进行表面硬化，而同时不损失它们的硬度。
对甚至更需要的应用，尤其是如果注塑成型的塑料含有非常刚性的纤维，则优选的是使用甚至更硬和更耐磨的钢。同样，注塑成型压力的增加也导致对更强并因此更硬的钢的研究。最后，对某些包括轻合金注塑成型或者金属冷或热加工的应用，赋予工具的机械应力及耐磨性要求需要一种具有硬度高于450HB的钢。因此可能需要一种具有强度约为450或甚至高于500HB的钢，如AISI(美国钢铁学会)级H11或H13，上述AISI级H11或H13通常也用于轻合金的注射。这些钢含有约0.4％碳、5％铬、1.25％钼、0.3至1％钒。然而，这种类型的钢在更大程度上具有与55NCDV7相同的上述缺点。
此外，特别重要的是随着硬度增加而产生另一个问题，该问题基本不可避免地伴随有韧度降低在冷却管道和模具型腔表面之间产生裂纹的危险，上述这些管道应通过较靠近这个表面地通过而有效地冷却。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种钢来克服这些缺点，所述钢用于模具或用于制造金属加工用的部件，上述钢更容易焊接和更容易机加工、抛光和粒化，并且与现有技术的钢相比是更好的热导体，并且能制造一些甚至在通过渗氮进行表面硬化之后具有硬度约为450HB至高于500HB的部件或工具，而这意味着所要求的特性—尤其是硬度特性—必须适合于在至少530℃下回火。
因此本发明涉及一种用于制造模具或工具用的部件的钢锭，所述钢锭的厚度大于20mm并可以达到1500mm，其中结构是马氏体或马氏体-贝氏体，所有点处的硬度在约430HB和520HB之间，所述钢的化学成分按重量百分比计包括0.180％≤C≤0.400％Si≤0.8％Mn≤2.5％Ni≤3％Cr≤3.5％Mo+W/2≤2.8％V+Nb/2+Ta/4≤0.5％Al≤0.4％Ti+Zr/2≤0.1％-硼含量在0.0005％和0.015％之间，-可选地，硫、硒和碲中的一种或多种元素，这些元素的总含量小于或等于0.2％，
-可选地，铅和铋中的一种或多种元素，这些元素的总含量小于或等于0.2％，-可选地，含量小于或等于0.1％的钙，其余是铁和生产中产生的杂质，铜是一种杂质，所述化学成分还满足下式3.2≤Tr≤985≤Dr≤95U/Dr≤10.0Mo*+3×V*≥0.4％其中，含量按百分比计是Tr＝1.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×Mo*+K式中如果钢不含硼则K＝0，而如果钢含硼则K＝0.5Dr＝54×C0.25+24.5×(Mo*+3×V*)0.30+1.58×Mn+0.74×Ni+1.8×Si+12.5×(Cr)0.20U＝1600×C+100×(0.25×Cr+Mo*+4.5×V*)R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo*)Mo*＝Mo+W/2V*＝V+Nb/2+Ta/4及硼、铝、钛、锆和氮的含量按重量百分比的千分数计是B≥13×K1+0.5]]>式中K1＝Min(I*；J*)I*＝Max(O；I)和J*＝Max(O；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti+2r/2-5))J=Min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52Al)2+283))]]>优选的是，所述化学成分是R＞11。
还优选的是，所述化学成分是R≤2.7×Tr。
优选的是，硅含量按重量百分比计严格地保持在0.45％。
优选的是，所述成分是R/(2.7×Tr)≤0.90，更优选的是R/(2.7×Tr)≤0.80。
优选的是，所述成分是U/Dr≤9.0。
此外，优选的是，所述钢的化学成分是0.230％≤C≤0.350％Si≤0.30％0.1％≤Mn≤1.8％Ni≤2.5％0.2％≤Cr≤3％Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*≥0.8％。
而甚至更优选的是，0.240％≤C≤0.320％Si≤0.15％0.1％≤Mn≤1.6％Ni≤2％0.2％≤Cr≤2.5％0.3％≤Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*≥1.2％。
因此优选的是，所述成分是Tr＞4.5。
本发明还涉及一种由钢制成的模具部件，所述模具部件用按照本发明所述的钢锭进行机加工，其中至少一个表面部通过渗氮硬化，并且所有点处的硬度在430HB和530HB之间。
本发明所述的钢与现有技术所述的钢相比具有导热更好的优点。这种更好的导热率与使用现有技术所述的钢相比能够使冷却管道从模具表面进一步取下。因此，显著地减小在各管道和模具型腔之间产生裂纹的危险。
此外，由于更好的导热率，所以模具的冷却更均匀地进行，并且这改进了成型质量。
按照本发明所述的钢还用于制造金属加工部件。
具体实施例方式
现在将更详细描述和举例说明本发明，但并不限于这些示例。
用于模具或用于金属加工的部件是通过机加工实心钢锭制成，所述实心钢锭被淬火以获得均匀的马氏体-贝氏体结构，并且被回火以便获得所要求的硬度和延性性能。因此必须使用一种具有高可回火性和显著可硬化性的钢。然而，这些硬化的钢必须具有最佳可能的可机加工性和最高可能的导热率。这个最终性能有助于改进成型操作的生产率。这些各种性能的组合起初是矛盾的。实际上，公知的是钢越硬越容易机加工，并且还公知的是可机加工性可以通过加入一些合金元素如硫、钙、硒、碲或铅改进。然而，这些元素在模具用的钢中必须加以限制，因为尽管它们在模具型腔的表面粒化时是可接受的，但当表面抛光时它们是有害的。无论什么情况，这些添加元素是不适当的。还公知钢的导热率和可淬火性可能随着成分的改变而相反变化。因此这些要求是矛盾的。然而，在一种新型方式中，发明人发现，可以找到产生其性能组合显著比公知钢性能更好的成分范围。这些成分范围一方面由成分中每种元素的含量分布限定，而另一方面由要遵守的配方限定。
为了得到这些性能组合，所述钢必须含有-0.18％至0.4％的碳，以便形成碳化物，所述碳化物变硬而不过度削弱可焊接性、韧性和可机加工性，并且这个含量必须优选的是在0.230％和0.350％之间，而更优选的是在0.240％和0.320％之间。
-低于0.8％优选的是低于0.30％和更优选的是低于0.15％的硅。这种元素一般用来在生产期间给钢脱氧，上述硅严重影响导热率。然而，它总是至少以微量存在；-低于2.5％的锰，优选的是0.1％至1.8％，而更优选的是0.1％至1.6％，以得到良好的可淬火性而不引起过度偏析，上述偏析将降低在模具上得到良好表面状态的能力。该元素总是至少以微量状态存在。此外，它的含量优选的是高于0.1％，以便捕集仍以杂质状态存在的硫。如果加入硫来改进可机加工性，则因此优选的是必须采用最小锰含量，并且该最小锰含量必须是至少硫含量的5倍，而优选的是7倍；-低于3％的镍，优选的是低于2.5％和更优选的是低于2％。这种元素能增加可淬火性，但是价钱贵。它可以微量存在。然而，在要求更大韧性和很均匀硬度的应用中，按两份镍对一份锰的比例降低对镍有利的锰含量可能有价值。这种用镍代替一份锰还具有降低偏析的优点。
-低于3.5％的铬，优选的是0.2％至3％的铬，而更优选的是0.2％至2.5％的铬。这种元素能增加可淬火性，但在过量时易于将碳化物蓄集在铬中而危害其它更有利的元素如钼、钨、钒、铌和钽。它可以微量存在。
-钼和/或钨，它的含量是总量Mo*＝Mo+W/2低于2.8％，而优选的是低于2.5％；还优选的是它高于0.3％。这些元素具有显著的淬火效应。此外，它们显著减少了中间退火，当模具的型腔经受表面处理例如至少500℃的温度下的渗氮时，这是所希望的。然而，在过量时，它们有损于可机加工性。
-可选地，从钒、铌和钽中选定的至少一种元素，它们的含量是总量V*＝V+Nb/2+Ta/4低于0.5％，而优选的是低于0.3％。这些元素能增加抗中间退火性，尤其是当回火在550℃以上的温度下进行时更是如此。它们还增加模具型腔的耐磨性。然而，在过量时，它们有损于可机加工性和可焊接性。
-0.0005％至0.015％的硼。这种元素显著增加可淬火性而不严重影响导热率。此外，因为在焊接期间所遇到的高奥氏体温度下它的作用消失，所以它对通过焊接的良好可修复性是有利的。低于0.0005％，它没有显著的作用，上述0.0005％实际上是分析装置(means)的检测极限。高于0.015％，它使钢变脆而不增加的可淬火性。
-可选地，高达0.4％的铝和可选地钛和锆中的一种或多种元素，其中总量Ti+Zr/2可以达到0.1％。这些元素是强脱氧剂。此外，它们固定仍然至少作为杂质存在的氮，上述杂质氮含量基本低于0.0250％，但可能甚至更低，即使钢含有硼，氮含量也必须低于0.0250％。Al、Ti和Zr中的至少一种元素的存在对硼完全有效来说是理想的。
为了使从铝、钛和锆中单独取一种或者这些元素的两种或三种的组合能保护硼免受氮的影响并使其完全有效，硼、铝、钛、锆和氮的含量按重量百分比的千分数计是B≥13×K1+0.5]]>式中K1＝Min(I*；J*)I*＝Max(O；I)和J*＝Max(O；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti+2r/2-5))J=Min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52Al)2+283))]]>-铜可以取微量或杂质的形式，含量高达约0.3％；-可选地，少量硫、硒和碲中的一种或多种元素，这些元素的总含量必须低于0.200％。然而，如果钢用于制造具有抛光的、化学粒化的表面的模具，则这些元素的总含量必须低于0.025％，或者优选的是低于0.005％；-可选地，铝和铋中的一种或多种元素，这些元素的总含量低于0.2％。然而，如果钢用于制造具有抛光的、化学粒化的表面的模具，则优选的是钢不合这些元素；-可选地，含量低于0.100％的钙。然而，如果钢用于制造具有抛光的、化学粒化的表面的模具，则钢优选的是不合这种元素，因为它与硫结合可达到对可机加工性的积极作用，其中如果钢必须抛光或粒化，则优选的是限制加入这种元素；-其余成分包括铁和生产中产生的杂质。必须注意的是，在未提出最小含量的所有合金元素情况下，如果这些元素未加入，它们仍然可以至少以很低含量的残留物或杂质形式发现。
在刚刚限定的极限内，必须选定钢的成分，以便得到所要求的使用特性。为此，成分必须是
-数值Tr＝1.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×Mo*+K，式中如果钢不含硼则K＝0，而如果钢含硼则K＝0.5，换句话说，如果加硼含量高于或等于0.0005％，则上述数值Tr高于3.2和优选的是高于4.5，以便得到足够的可淬火性。尤其是为了在其厚度可能超过1000mm和高达1500mm的部件上得到一种没有任何微量珠光体结构的马氏体-贝氏体结构，Tr值必须高于4.5；-数值Dr＝54×C0.25+24.5×(Mo*+3×V*)0.30+1.58×Mn+0.74×Ni+1.8×Si+12.5×(Cr)0.20必须在85和95之间，以便通过碳化物得到足够的硬化，而不过度损害可机加工性；-数值U＝1600×C+100×(0.25×Cr+Mo*+4.5×V*)是可机加工性的一种指示剂(indicator)(U值越低，可机加工性越好)，上述U值必须低于10.0，而优选的是低于9.0；-数值R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo*)随热阻系数而变，换句话说，导热率的倒数优选的是必须低于2.7×Tr。更优选的是，比值R/(2.7×Tr)必须小于或等于0.90，而甚至更优选是的小于或等于0.80。然而，考虑到对钢所要求的所有特性要求，这个值通常也不可以降到低于11；本发明更具体地说涉及到其中R＞11同时尽可能低的钢；-考虑到所有应力，总量Mo*+3×V*必须高于0.40％；如果所述钢的成分对应于优选的分析结果0.230％≤C≤0.350％Si≤0.30％0.1％≤Mn≤1.8％Ni≤2.5％0.2％≤Cr≤3％Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*必须高于0.8％；如果这种钢对应于更优选的分析结果0.240％≤C≤0.320％
Si≤0.15％0.1％≤Mn≤1.6％Ni≤2％0.2％≤Cr≤2.5％0.3％≤Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*必须高于1.2％。
为了用这种钢制造一种模具，所述钢是用公知方法生产、铸造和热轧或热锻并切割，以便得到钢锭，该钢锭的厚度大于20mm，并可以超过100mm和达到400mm，可能是600mm及甚至是1500mm。应该注意，在最小厚度情况下，钢锭可以是薄钢板或大的板材，而在最大厚度情况下，它们通常是锻造的钢锭。
将钢锭可选地在锻造热或轧制热中在高于AC3的温度下，优选的是低于950℃，尤其是钢含有硼时，进行奥氏体处理，和然后根据钢的厚度和可淬火性，将它们在空气、油或水中淬火，以便在所有质量上都得到马氏体或马氏体-贝氏体结构。最后，将它们在高于500℃且优选至少500℃但低于AC1的温度下回火。这样得到在约430HB和530HB之间的硬度。
在这些钢锭中，将包括型腔的模具的抛光和可选地粒化的部件用公知的方式进行机加工。可选地，这些部件例如通过气态渗氮进行表面硬化。在气态渗氮后，除了部件的极度氮化的表面外，钢的硬度在约430HB和530HB之间。
通过示例和对比，考虑汇集在表1中的分析结果，其中某些特性汇集在表2中。
示例1-6，9-12和14-16对应于本发明，而示例17、18、20和21作为比较给出。这些钢不含添加元素硒、碲、铅、铋或钙。然而，它们含有少量的硫，硫含量在0.010％至0.020％之间。
对所有这些钢来说，硬度HB还在回火淬火状态下进行了测定，换句话说，对在550℃下回火的马氏体或马氏体-贝氏体结构，以及在焊缝附近的受热影响区中的硬度HVHAZ(热影响区维氏硬度)进行了测定，上述硬度HVHAZ与基底金属的硬度Hvbasic相比不受热影响。这些结果也汇集在表1中。
这两个表表明，对于比较硬度(HB)和比较硬度系数Dr，按照本发明所述的钢与作为比较给出的钢相比，具有更好的可机加工性(较低的U/Dr比值)。此外，它们更好地适合于通过焊接维修，尤其是，对维修之后的抛光具有比作为比较的钢更均匀的响应，因为在HAZ(热影响区)中的硬度较低，尤其是HVHAZ(热影响区维氏硬度)与HVbasic(维氏硬度)之比较低。在按照本发明所述的钢中，HVHAZ/Hvbasic之比小于或等于0.35％。
表1
*硼、氮、钛和铝按百分比的千分数计表2
这些钢适合于制造塑性材料注塑成型用的模具的部件。但它们也适合于制造金属加工工具部件。
权利要求
1.用于制造塑性材料注塑成型或者金属成型用的模具或者用于制造金属加工部件的钢锭，它的厚度大于20mm，其中结构完全是马氏体或者马氏体-贝氏体，所有点处的硬度都在430HB和530HB之间，并且所述钢的化学成分按重量百分比计包括0.180％≤C≤0.400％Si≤0.8％Mn≤2.5％Ni≤3％Cr≤3.5％Mo+W/2≤2.8％V+Nb/2+Ta/4≤0.5％Al≤0.4％Ti+Zr/2≤0.1％-硼含量在0.0005％和0.015％之间，-可选地，硫、硒和碲中的一种或多种元素，这些元素的总含量小于或等于0.2％，-可选地，铅和铋中的一种或多种元素，这些元素的总含量小于或等于0.2％，-可选地，含量小于或等于0.1％的钙，其余是铁和生产中产生的杂质，铜是一种杂质，所述化学成分还满足下式3.2≤Tr≤985≤Dr≤95U/Dr≤10.0Mo*+3×V*≥0.4％其中，含量按百分比计是Tr＝1.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×Mo*+K式中如果所述钢不含硼则K＝0，而如果所述钢含硼则K＝0.5Dr＝54×C0.25+24.5×(Mo*+3×V*)0.30+1.58×Mn+0.74×Ni+1.8×Si+12.5×(Cr)0.20U＝1600×C+100×(0.25×Cr+Mo*+4.5×V*)R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo*)Mo*＝Mo+W/2V*＝V+Nb/2+Ta/4硼、铝、钛、锆和氮的含量按重量百分比的千分数计是B≥13×K1+0.5]]>式中K1＝Min(I*；J*)I*＝Max(O；I)和J*＝Max(O；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti+Zr/2-5))J=Min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52Al)2+283)).]]>
2.按照权利要求1所述的钢锭，其特征在于，所述化学成分是R＞11。
3.按照权利要求1或2所述的钢锭，其特征在于，R≤2.7×Tr。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的钢锭，其特征在于，硅含量按重量百分比计严格地小于0.45％，并且碳含量按重量百分比计小于或等于0.35％。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的钢锭，其特征在于，R/(2.7×Tr)≤0.90。
6.按照权利要求5所述的钢锭，其特征在于，R/(2.7×Tr)≤0.80。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的钢锭，其特征在于，U/Dr≤9.0。
8.按照权利要求7所述的钢锭，其特征在于，所述成分是0.230％≤C≤0.350％Si≤0.30％0.1％≤Mn≤1.8％Ni≤2％0.2％≤Cr≤3％Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*≥0.8％。
9.按照权利要求8所述的钢锭，其特征在于，它的成分是0.240％≤C≤0.320％Si≤0.15％0.1％≤Mn≤1.6％Ni≤2％0.2％≤Cr≤2.5％0.3％≤Mo+W/2≤2.5％V+Nb/2+Ta/4≤0.3％Mo*+3×V*≥1.2％。
10.按照权利要求8或9所述的钢锭，其特征在于，Tr＞4.5。
11.用按照权利要求1至10中任一项所述的钢锭机加工的钢模具部件，其中表面的至少一部分通过渗氮硬化，并且所有点处的硬度都在430HB和530HB之间。
全文摘要
本发明涉及用于制造塑性材料注塑成型用的模具或用于制造金属加工部件的钢锭。该钢锭的厚度大于20mm，结构完全是马氏体或马氏体－贝氏体，硬度在430HB和530HB之间，并且化学成分按重量百分比计包括0.180％≤C≤0.40％；Si≤0.8％；Mn≤2.5％；Ni≤3％；Cr≤3.5％；Mo+W/2≤2.8％；V+Nb/2+Ta/4≤0.5％；Al≤0.4％；Ti+Zr/2≤0.1％；0.0005＜B＜0.015％；S+Se+Te＜0.2％；Pb+Bi＜0.2％；Ca≤0.1％，其余为铁和生产中产生的杂质，所述化学成分还满足下式3.2≤Tr≤9；85≤Dr≤95；U/Dr≤10.0；其中Tr＝1.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×Mo
文档编号C22C38/58GK1646717SQ03807860
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月3日
发明者J·贝吉诺 申请人:法国安达斯戴乐公司