专利名称：模具用贝氏体钢的制作方法
模具用贝氏体钢本发明涉及用于工具、模具、模具支架、工具支架中的多种用途的贝氏体钢，其具有通过贝氏体转变获得的均勻硬度作为其主要特征，且不需要高含量的昂贵元素如镍和钼或者淬火工艺。因此，这样的钢在合金和使用它们的大块体的热处理中提供可观的成本收益。该合金的基于其显微组织方面的仔细设计为本发明的钢物品提供了与工具、模具和底座中所用的传统硬合金接近的硬度和性质，但它们的成本显著降低。工具和模具通常用于其它材料成形工艺，无论是热塑性聚合材料(常称作塑料) 还是金属材料。根据用于制造它们的材料的性质，在工艺中在环境温度或通常达到700°C的高温下使用这些工具。本发明的钢特别适用于在环境温度下或在低于500°C的温度下工作的模具或工具，以及用于一般用途的模具支架或工具支架。此类应用的典型实例是通常不超过300°C的塑料成形用模具。它们也适用于一般在环境温度下工作但耐受在若干条件下使用的工具的应力的模具支架和工具支架。因此，塑料模具和模具支架可以被视为本发明的钢的典型应用。在此类应用中，制造工具所用的材料的许多特性是重要的，一些与模具用途相关，另一些与它们的制造相关。 关于模具或模具支架用途的特性，强度性质是重要的，通常与材料的硬度以及沿材料截面的均勻性相关。另一方面，诸如对材料的抛光、纹理化和机械加工能力的响应之类的性质对模具或模具支架的经济制造而言是重要的。为了达到这些要求，传统钢通过淬火和回火经受热处理。淬火处理对大尺寸的块体而言是复杂的，并需要在油槽或在用聚合物改性的水介质中快速冷却。对用于大模具的块体而言，使用大于80，000升的槽，这导致重大的操作困难。除冷却工艺外，必须使用促进淬硬性的元素如镍、锰和钼来改进这些材料的化学组成。如表1所示，这些元素在现有技术状况的钢中以显著含量存在，也与最终需要的硬度相关。在此意义上，正在进行新的发展。例如专利EP0805220和US5855846的目标是生产用于模具的具有较低合金元素含量的贝氏体钢。但是，在此发明中，用最高的铬含量获得硬度(在DIN 1.2738的相同范围内)，从而降低热导率的任何可能收益并产生更高的成本。 另一方面，发明US5695576展示了使用高Al含量和Si含量的概念，这可能因存在非金属夹杂物而损害合金的机械加工能力。如实施例2中所示，高的Si含量也可能损害淬硬性。专利PI96020M-7和PI0308832-4依循相同的概念，但试图仅获得最高的硬度范围030至 530HB)和低于200毫米的厚度，然而更大量的用途是300HB的模具，未满足这种需求。这些专利都没有显示出在无需淬火处理(即，使用空气冷却)的情况下在大块体(厚度大于200 毫米)中应用的实施例。它们也没有描述避免因缓慢冷却造成的可能脆化的可能性，无论是通过调节合金还是热处理方式。表1 现有技术状况的合金。仅显示出主要的合金元素，以质量百分比为单位且铁为余量。
权利要求
1.“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计由如下构成的元素化学组成碳 0. 05 至 1. 0 ；硅至多 1. 0、锰 0. 5 至 5. 0 ；由比率 NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]给出的磷、硼、 钛和钒，NU值为0. 02至0. 30，且钛始终高于0. 005，硼始终低于0. 010且钒可以按2质量份铌对1份钒的比例被铌部分或完全替代；由比率G =
给出的镍、 钼和铬，G的值高于0. 10且低于1. 0 ；硫至多0. 20 ；硅0. 05至3. 0 ；氮低于0. 10 ；钙含量至多0. 010 ；铝低于0. 5，钴低于2. 0，其余基本上是铁和加工过程中不能避免的杂质。
2.根据权利要求1的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计由如下构成的元素化学组成碳0. 10至0. 6 ；硅至多1. 0，锰0. 8至3. 0 ；由比率NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]给出的磷、硼、钛和钒，NU值为0. 08至0. 30，钛始终高于0. 005，硼始终低于0. 010，钛0. 005至0. 10，且钒可以按2质量份铌对1份钒的比例被铌部分或完全替代；由比率G=
给出的镍、钼和铬，G的值高于0. 20且低于0. 50 ； 除该比率外，铬含量必须为0. 1至1. 5，且镍含量高于0. 3 ；硫至多0. 05 ；硅0. 05至3. 0 ；氮低于0. 05 ；钙含量至多0. 005 ；铝低于0. 1，钴低于1. 0，其余基本上是铁和加工过程中不能避免的杂质；可以按至多850毫米厚的块体制造该材料，通过从高于700°C的温度空气冷却获得250至450HV的硬度，由等式HV= 050士 140) % C+QlO士45)给出这种硬度值。
3.根据权利要求2的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计由如下构成的元素化学组成碳0. 10至0. 6 ；硅0. 05至0. 6 ；锰1. 3至3. 0 ；由比率NU = [Ti+P+lOB+(V-0. 10)]给出的磷、硼、钛和钒，NU值为0. 10和0. 20，钛始终高于0. 010，硼始终低于0. 0050，且钒可以按2质量份铌对1份钒的比例被铌部分或完全替代；由比率G =
给出的镍、钼和铬，G的值高于0. 25且低于0. 40 ；除该比率外， 铬含量必须为0. 1至1. 0，且镍含量为0. 2至1. 0 ；硫0. 001至0. 010 ；硅0. 20至1. 5 ；氮 0. 0040至0. 0150 ；钙含量0. 0005至0. 0030 ；铝低于0. 05，钴低于1. 0，其余基本上是铁和加工过程中不能避免的杂质；可以按至多850毫米厚的块体制备该材料，通过直接在热成形后进行空气冷却获得280至450HV的硬度，由等式HV= 050士 140) % C+Q10士45)给出这种硬度值。
4.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计基本上由如下构成的元素化学组成碳0. 18至0. 52，铬0. 30至0. 60，钼0. 10至0. 50， 镍 0. 30 至 0. 50，钒 0. 04 至 0. 10 ；硼 0. 0010 至 0. 0030 ；硫 0. 0010 至 0. 0100 ；钙 0. 005 至 0. 030 ；氮0. 0030至0.0100 ；其中，对于厚度100至1000毫米的相对高的尺寸，直接在锻造或层压后获得最终的使用硬度，而无需使用油或水硬化处理；热处理必须是强制对流下的平静空气冷却，对280至420HV，相当于四至42HRC的硬度值而言，根据如下比率HV = 050士140) % C+Q10士45)通过合金碳含量确定维氏硬度值。
5.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于对厚度低于400毫米的尺寸下的用途而言，G比率低于0. 10，通过如下比率计算G :G =
，其中符号代表相关元素的按质量百分比计的含量。
6.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计， 锰含量被镍或铜部分或完全地等量替代。
7.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计含有元素铌、锆或钽，以2份铌对应于1份钒或钛以及1份钽或锆对应于2份钒或钛的关系部分或完全替代元素钛或钒。
8.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计表现出硼 0. 0015 至 0. 0030 ；硅 0. 40 至 1. 2。
9.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于按质量百分比计表现出硫 0. 002 至 0. 090 和钙 0. 0005 至 0. 0030。
10.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于，直接在热成形或者炉中的预先加热之后，通过空气冷却获得的最终硬度是通过等式HV = 050士70) % C+Q10士2 给出的(在维氏标度中)或通过甚至等效方程由其它标度的测量值经硬度换算得出的最终硬度。
11.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于以质量百万分率计具有硫0. 002至0. 30和钙0. 0005至0. 010，并在其显微组织中具有低于0. 25%的碳氮化物体积分数，适用于需要高的机械加工能力的情况。
12.根据权利要求1至3任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于具有在热成形或在900°C以上的温度下加热后通过快速冷却提高的韧性。
13.根据权利要求1至12任一项的“模具用的贝氏体钢”，其特征在于具有在热成形或在900°C以上的温度下加热后通过快速冷却提高的韧性，通过如下热处理进行这种冷却工艺空气冷却至700°C，随后进入水槽30分钟(保持水温低于80°C )，接着空气冷却至环境空气温度；对易产生裂纹的部件而言，在所有其它热处理条件保持不变的情况下，将水冷时间换成在油中冷却60分钟。
全文摘要
具有按重量百分比计由如下构成的合金化元素组成0.05至1.0碳；0.5至3.0锰；由比率NU＝[％Ti+％P+10％B+(％V-0.10)]给出的磷、硼、钛和钒，其中NU值为0.02至0.30，钛始终高于0.005，硼始终低于0.010且钒可以按2重量份铌对1重量份钒的比例被铌部分或完全替代；由比率G＝
给出的镍、钼和铬，其中G的值高于0.10且低于1.0；镍高于0.1；钼的范围是0.07至0.27；钒为0.1-0.15；硫不超过0.10；硅的范围是0.05至3.0；氮低于0.10；钙含量不超过0.02；铝含量低于0.5，铬含量低于1.5；硅的范围是0.05至3.0；磷含量低于0.075；其余基本上由铁和加工过程引起的不能避免的杂质组成。为了制造该模具用贝氏体钢，即使在截面高达1000毫米的块体中，也可以通过直接在热成形或炉中的预先加热之后，通过在空气中的缓慢冷却来获得最终硬度；对于280至450HV(30-45HRC)的值，通过等式HV＝(450±140)％C+(210±45)来确定维氏硬度值；对于需要高强度的用途，也可以在水或油中通过从高于900℃的温度加速冷却来制造本发明的钢。
文档编号C21D9/00GK102439190SQ201080022236
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月8日 优先权日2009年4月3日
发明者C·A·巴尔博扎, R·A·梅斯基塔 申请人:维拉雷斯金属股份公司