用于制造塑料模具的可焊补钢的制作方法

专利名称：：用于制造塑料模具的可焊补钢的制作方法
技术领域：
：本发明涉及尤其适用于制造塑料或橡胶模具的具有良好焊补特性的低合金钢。塑料或橡胶模具通过机加工厚度超过1500mm的金属块而被制成。机加工的目的具体地讲是形成具有有待通过模塑得到的制品形状的腔体。在大多数情况下，腔体的表面经过抛光或化学粗糙化处理以便使通过模塑得到的制品具有所需的表观特征。由于模塑操作是通过加压注入热塑料完成的，所以模具必须承受塑料的压力，不出现扭曲现象，必须能够移除塑料的热量同时又能耐受塑料与腔体表面的磨擦。用于制造这些模具的钢必须具备满足这些需求的特性。此外，这些钢的特性在模具被使用过程必须保持稳定，也就是说，不会由于模塑操作形成的热周期受到影响。除了上述特性以外，还要求这种模具钢具有某种可焊接性以便能够在模具磨损过度的情况下进行修补或改进其腔体形状。一般情况下，在制造用于模塑新制品的模具时，生产出的第一模具用于制造第一制品，该制品经过设计者的检查，设计者经常要求对制品的形状、因此也就是对模具腔体的形状进行或多或少的改变。为了避免再次制造一个完整的模具(这种作法成本很高)，可以通过在模具腔体内进行焊接来完成再填充，随后进行新的机加工，通常接着进行抛光和视需要而进行的粗糙化处理。因此，通过焊接被再填充的区域以及受到焊接热影响的区域(ZAH)应当具备与原始金属非常接近的特性。为了满足所有这些条件，有必要能够得到一种用于制造塑料注塑模具的钢，具体地讲，该钢同时具备很高的硬度、很好的机加工性，很好的可抛光性或化学可糙化性，良好的导热性，即使是厚度达最大值的情况下具有所有这些性质的高度均一性以及良好的可焊补性。这样一种理想的钢材属于未知内容。为了生产这类模具，通常使用经过充分淬火的低合金钢块，该钢于淬火与退火之后获得具有充分的硬度、高屈服点和良好的韧性的马氏体或贝氏体结构。得到最广泛应用的钢为符合AISI标准的钢P20与符合德国Werkstoff标准的W1.2311或W1.2738。钢P20含有以重量计0.28-0.4％C、0.2-0.8％Si、0.6-1％Mn、1.4-2％Cr和0.3-0.55％Mo，其余为铁和与生产过程相关的杂质。钢W1.2311与W1.2738含有以重量计0.35-0.45％C、0.2-0.4％Si、1.3-1.6％Mn、1.8-2.10％Cr和0.15-0.25％Mo；钢W1.2738还含有0.9-1.2％镍，其余为铁和与生产过程相关的杂质。这些钢具有良好的耐磨性和机械性能，但是其缺点是可焊接性不是非常好，这样使焊补难以进行。为了克服这一不足之处，人们、特别是在欧洲专利申请EP0431557中提出一种用于制造塑料注塑模具的钢，其化学组成包括以重量计0.1-0.3％C、0.25％以下Si、0.5-3.5％Mn、2％以下Ni、1-3％Cr、0.03-2％Mo、0.01-1％V和0.002％以下被视为有害杂质的B，其余主要为铁，此外，该化学组成还满足下列关系BH＝326+847.3×C+18.3×Si-8.6×Mn-12.5×Cr≤460根据该关系式，碳的最大允许含量事实上为0.238％。该钢的优点在于即使在未经预热或后热处理的情况下在通过焊接进再填充期间也具有良好的抗裂隙性，但是其不足之处在于尤其是由于在修补的ZAH与母体金属之间硬度差异较大(100-150BH)导致其在焊补之后难以进行处理。此外，该钢的导热性较差，这就限制了采用模塑的生产线的产率。事实上，申请人业已发现通用的可焊接性的概念只部分地代表模具钢的焊补能力。事实上，在可焊接性这一概念的通常意义中，可焊接钢是一种即使在不予以特殊关注的条件下也不会在焊接过程中出现裂缝的钢。在通过焊接修补模具钢的情况下，当然需要不出现裂缝，但这还不够。同样必要的是焊补区以及与其邻近的受热区能够顺利地进行机加工，抛光与糙化处理。此外，能否在不进行预热或后热处理的条件下进行焊补操作通常并非至关重要。本发明的目的是提出一种同时具备用于模具制造的钢所需主要特性的钢，其导热性优于已知钢并且易于焊补，也就是说，尤其在焊补之后保持了良好的可抛光性与可糙化性。为此，本发明的主题是一种用于制造塑料注塑模具的钢，其化学组成含有以重量计0.17％≤C≤0.27％0％≤Si≤0.5％0％≤Mn≤2％0％≤Ni≤2％0％≤Cr≤3％0％≤Mo+W/2≤1.5％0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5％0.002％≤B≤0.015％0.005％≤Al≤0.2％，-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自硫、碲与硒的元素，-视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3％。-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自铅和铋的元素，-视具体情况而定少于或等于0.1％的钙，其余为铁和生产过程形成的杂质，此外，该化学组成满足下列关系式(含量以重量％表示)Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥2.1Mo+W/2＞0.7％若Cr≤1.5％Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×(Mo+W/2)+0.6≥3R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo+W/2)≤11.C含量优选为0.2-0.24％。类似地，铬含量优选为1.5-2.5％；同样优选的是Mo含量为0.5-1.2％。该化学组成的选择应使得BH＝326+847.3×C+18.3×Si-8.6×Mn-12.5×Cr＞460，其优点在于能够在提高钢的导热能力与腔体的耐磨性的同时不会降低可焊补性。优选地，为了获得非常好的导热性，硅含量必须少于或等于0.2％，更好地是低于或等于0.1％。当钢含有钛或锆时-这是必要的-优选的钛、锆与氮(一种通常至少作为杂质存在的元素)含量应该为0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016在此条件下，若钛或锆通过溶解被氧化相而被逐渐导入的话，则在固态钢的显微照象部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。非常细的氮化物沉淀的优点在于ZAH的微结构得到晶粒细化处理，其韧性得到改善，这有利于得到良好的可焊补性。少量氮化物粗粒沉淀还有利于机加工性和抛光性。本发明的钢可以有利地被用于制造由铸钢制成的塑料模具。在此情况下，这些模具借助铸造技术制造。通过下列实施例对本发明进行更确切的描述。为了满足制造塑料注塑模具所需的特性的组合，该钢必须尤其能够获得块状马氏体或贝氏体结构，其厚度可达1500mm，于在高于500℃的温度下经过退火后的硬度必须大于250BH。为此，该钢必须具备充足的可淬火性，因而必须含有足够的合金元素。然而，这些合金组分对导热性产生不利影响。此外，必须调节其含量以便在具备最大导热性(或最小热阻)的情况下得到足够大的可淬火性。此外，该钢的化学组成对可焊补性产生明显效果，对其组成的选择也是以此为依据进行的。具体地，可以通过ZAH(焊道附近的受热区)与母体金属之间的硬度差值来评估可焊补性。该差值越小，就越易于进行精密机加工和进行良好的抛光。然而在先有技术的钢的情况下，ZAH与母体金属之间的硬度差值大于100BH，此时，本发明人发现可以调节钢的化学组成以便在保持足够的可淬火性的同时使硬度差值小于50BH。此外，为了使糙化在良好条件下进行，应该使ZAH的微结构尽可能地细微。最后，焊接必须在不出现裂隙的条件下进行。这些考虑导致对化学组成进行研究，一方面，ZAH具有贝氏体结构，另一方面，该贝氏体结构在硬度上与母体金属的差异尽可能地小。为了同时满足所有这些条件，尤其需要限制不形成碳化物的元素(例如锰、镍和硅)的含量、加入淬火硼和提高碳化物生成元素如钒、铌和钽的含量，在较小的程度上增大钼和钨的含量。更具体地，钢的化学组成必须含有以重量计-0.17％以上且0.27％以下碳以便获得充分的腔体耐磨性；以0.2-0.24％为佳；-0.002-0.015％硼，0.005-0.2％铝，视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量总和小于0.3％；硼能够在不增大ZAH与母体金属之间硬度差值的条件下提高可淬火性；超过0.015％后，它便不再对可淬火性产生任何明显的效果但是，另一方面会使其脆性增大；铝、钛与锆会使钢脱氧并使其结合通常至少作为杂质存在的元素氮，以便使其不与硼反应；-钼，全部或部分被钨取代，其含量为0％≤Mo+W/2≤1.5，以0.5％≤Mo+W/2≤1.2％为佳，伴随有0-3％、以1.5-2.5％为佳的铬；钼和钨对可淬火性具有非常有利的影响，这一影响可通过与硼的协同作用而得到增强，而它们对热阻性的影响却较小；此外，这些元素减缓了退火软化过程，这对ZAH与母体金属之间硬度差值较小有利并且有利于在高于500℃进行退火之后获得足够的硬度；另外，过量的钼与钨明显地发生偏析，这不利于进行机加工与抛光；这就是将其含量限制在1.5％、优选在1.2％的原因；铬可用于补充钼对可淬火性和对退火软化的影响。在组成的这一范围内，由于铬，钼与钨具有部分互补效果，所以优选的是在铬含量低于1.5％时，钼含量与半数钨含量的总和应该高于0.7％。这有助于在不降低可淬火性的同时保持充分的退火软化抗性和提高导热性。为了在不破坏其它特性的条件下附加退火硬化步骤，可以视具体情况而定使钢含有至少一种选自钒、铌和钽的元素，用4除钒的含量与半数铌含量和钽含量的总和所得数值为0-0.5％，以0-0.15％为佳。这些添加组分还有助于减小ZAH与母体金属间的硬度差值。为了在500℃以上完成对于充分消除应力或进行腔体表面处理所必需的淬火和退火之后能够获得大于250BH的硬度，钢的化学组成必须满足下列条件Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥2.1，并且优选地，为了能够提高退火温度与增强耐磨性，必须满足下列条件Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥3.6。最后，可通过下列方式适宜地改善可焊补性，通过溶解氧化钛或锆相将钛或锆逐渐导入钢液之中。此时，钛或锆形成非常细的晶粒细化微结构的氮化物沉淀，其优点在于改进了ZAH的以及母体金属的可糙化性并增大了其韧性。韧性的增大有利于降低由于焊接产生裂隙的可能性。逐渐加入钛或锆能够举例来说，将钛或锆加入未脱氧钢液之中以及随后加入足量强脱氧剂如铝以便还原所形成的氧化钛或氧化锆。以％(重)表示的钛、锆与氮含量必须满足0.00003≤(Ti+Zr/2)×(N)≤0.0016氮含量取决于钢的生产条件，在几ppm-几百ppm之间。这样，在钢液中沉淀的粗氮化钛或氮化锆的生成量受到限制。所得到的钢的特征在于其中存在许多粒径大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀，在固态钢的显微照相部分的1mm2面积上计数的含量比以％(重)的千分之一表示的呈氮化物形式的半数沉淀锆总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。因此，如此得到的钢的特征不仅在于存在有非常细的氮化物，而且还在于具有少量的粗氮化物，这有利于进行机加工和抛光处理。除上述元素以外，该化学组合物中还含有-用于使钢脱氧的硅，这是一种尤其对钢的导热性产生非常不利影响的元素，所以其含量必须尽可能地低，在任何情况下都应低于0.5％，以低于0.2％为佳，以低于0.1％为更佳；-能够提高可淬火性和与硫结合的锰，但是它对导热性产生不利影响；其含量被调整在0-2％之间，以高于0.2％为佳，当钢被再硫化以便改善其机加工性时尤为如此，不应超过1.8％，以便限制有损于机加工性能的局部偏析现象发生；-视具体情况存在的0-2％镍，用以提高可淬火性；不过，该元素价格昂贵并且不太有利于获得良好的导热性，但是通常作为由铁渣制成的钢中的残余物存在；其含量以被限制在0.5％为佳；-通常作为杂质以少量存在的硫，但是其加入可以改善机加工性，视具体情况而定伴随有硒或碲；尤其是为了不使抛光性变坏有必要将硫、硒与碲含量总和保持在低于0.2％；-视具体情况而定至少一种选自铅和铋的元素，这些元素含量总和小于或等于0.2％，视具体情况而定钙含量小于或等于0.1％，添加这些元素的目的是改善机加工性。组合物中其余部分为铁和生产过程产生的杂质。这些杂质尤其包括铜，其含量达1％，它在镍存在下能产生有利的硬化效果。除了上述组成限定以外，为了实现本发明的目的，该钢的化学组成必须满足2个关系式，其中之一涉及可淬火性，另一个涉及热阻(与导热性呈倒数关系)。为了呈现充分的可淬火性，钢的化学组成必须满足下式Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×(Mo+W/2)+0.6≥kQukQu＝3，以kQu＝4为佳。为了呈现良好的导热性，钢的化学组成必须满足下式R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo+W/2)≤kRkR＝11，以kR＝9为佳(R为与热阻变化方向相同、与导热性变化方向相反的数值)。事实上，上述两式表明可淬火性数值Qu与热阻值R总体上以相同方向变化，但是通过适宜地选择化学组成可以在相同的可淬火性条件下使导热性达最大值。然而，必须考虑其它限制因素，结果本发明人发现该化学组成可以下列方式调整R≤1.5+1.83Qu，这是非常优选的。为了使该钢具有良好的可焊补性，该化学组成不必满足下列关系式BH＝326+847.3×C+18.3×Si-8.6×Mn-12.5×Cr≤460.这甚至不是非常期望的，原因在于该条件同时要求不太有利于获得良好的腔体耐磨性的低碳含量与不利于导热性和ZAH与母体金属之间的硬度相似性的高铬含量和高锰含量。因此，该钢的组成以满足下式为佳BH＝326+847.3×C+18.3×Si-8.6×Mn-12.5×Cr＞460.在用于制造模具之前，通过锻造或辊轧得到的钢块依据其厚度经过空气或水的淬火热处理，随后在高于500℃，优选高于550℃但低于AC1点的温度下进行退火，该处理的目的是使钢具有马氏体或贝氏体结构(可以是马氏体-贝氏体混合结构)，其中基本上不含铁素体(所期望的情况是完全不含铁素体；不过仍然可以残存少量该组分)，退火在足以解除应力以及能够在适宜情况下在较高温度下进行表面处理的温度下进行。具体地，退火温度经过调整使硬度在250-370BH之间，以270-350BH为佳。本发明钢的一个特别优点是可以借助铸造技术制造模具，该技术可以得到铸钢(而不是上述焊接钢)模具。按照该方法，与在呈被水循环冷却通道贯穿的平行六面体块的模具中对其腔体进行机加工不同，通过铸造技术制造模具坯料，其中包括模具腔体坯料和具有适宜形状以确保具有充分的机械强度的外部，这样使其壁要比通过腔体机加工技术由块体得到的壁薄得多。模具自身是通过精加工坯料和进行热处理得到的。该机加工的优点是规模要比由块体开始进行加工所需的规模小得多，另外，铸钢含有必须焊补的孔隙，所以，本发明钢所具有的非常良好的可焊接性是一项非常重要的优点。此外，本发明钢的良好的导热性是一个附加的优点，因为它可以降低甚至消除贯穿于模具壁中水循环通道导致的冷却效果，这是利用小厚度模具壁产生的优点。事实上，可以生产这样一种模具其冷却在使用中通过其外部周围的气体循环得到保证。热处理与在由焊接钢制成的模具上进行的热处理相同；然而，在此之前必须进行用于晶粒细化颗粒的一个或多个奥氏体化过程。例如，生产本发明的钢A、B、C、D和E，使其与先有技术钢F、G、H、I、J和K相比较。其化学组成(％重量)如表1所示。通过辊轧或锻造制造具有贝氏体或马氏体结构的退火淬火块；其厚度、热处理条件与所得到的特性对比地被列于表2。该表中，厚度以mm表示，可淬火性数值Qu和热阻数值R为无因次系数，导热性以W/m/K表示，硬度与ZAH和母体金属之间硬度之差ΔH用布氏硬度表示。BH为无因次系数。表2厚度淬火退火QuR导热性硬度ΔHBHA140空气590℃4.67.54932918476A400水590℃4.67.54933116476B1100水600℃5.49.54533140471C800水590℃5.18.34731348483D210水575℃3.96.55131315478E150空气590℃4.78.24631331493F150空气600℃4.812.938329110629G700水600℃5.314.736331123642H400水590℃4.611.34131380452I140空气590℃4.610.54229950533J800水510℃5.312.53933176458K140空气600℃4.611.64029551531</table></tables>这些结果表明所有本发明列举的钢的实例均具有大于或等于45W/m/K的导热性和小于或等于45布氏硬度的ZAH与母体金属之间的硬度差值ΔH，而先有技术钢的这两项性能指标分别为小于或等于43W/m/K和大于或等于50布氏硬度。具体地，由于ZAH与母体金属的硬度差较小，所以钢A-E的可焊补性明显地优于钢F-K。在相同可淬火性以及因此在最大厚度下进行的对比更清楚地表明了本发明钢的优点，其原因在于在Qu＝4.6的情况下，钢A和E(本发明)的导热性大于或等于40W/m/K，ΔH小于或等于31布氏硬度，而钢I、H和K(先有技术)的导热性小于或等于42W/m/K，ΔH大于或等于50布氏硬度；在Qu＞5的情况下，钢B和C(本发明)的导热率大于或等于45W/m/K，ΔH小于或等于48布氏硬度，而钢J与G(先有技术)的导热性小于或等于39W/m/K，而ΔH则大于或等于76布氏硬度。在这两种情况下，导热性的增大高于9％，而ΔH的减小则高于37％。应该注意的是焊补过程应该优选在添加组成与母体金属相同的金属的条件下进行，因此，本发明的钢不仅可以制成块的形式，而且可以制成焊丝或用于制造焊条的金属丝的形式。该钢更具体地被用于模塑由塑料或橡胶制成的，并且仅适用于温度不超过500℃的材料的制品。权利要求1.用于制造模具，尤其是塑料注塑模具的钢，其化学组成含有以重量计0.17％≤C≤0.27％0％≤Si≤0.5％0％≤Mn≤2％0％≤Ni≤2％0％≤Cr≤3％0％≤Mo+W/2≤1.5％0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5％0.002％≤B≤0.015％0.005％≤Al≤0.2％，-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选的硫、碲与硒的元素，-视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3％，-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自铅和铋的元素，-视具体情况而定少于或等于0.1％的钙，其余为铁和生产过程形成的杂质，此外，该化学组成满足下列关系Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥2.1Mo+W/2＞0.7％若Cr≤1.5％Qu＝3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×(Mo+W/2)+0.6≥3R＝3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo+W/2)≤11.2.按照权利要求1的钢，其特征在于0.2％≤C≤0.24％。3.按照权利要求1或2的钢，其特征在于1.5％≤Cr≤2.5％。4.按照权利要求3的钢，其特征在于0.5％≤Mo+W/2≤1.2％。5.按照权利要求1-4中任一项的钢，其特征在于其化学组成满足下列关系BH＝326+847.3×C+18.3×Si-8.6×Mn-12.5×Cr＞460。6.按照权利要求1-5中任一项的钢，其化学组成满足下列关系Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥3.6。7.按照权利要求1-6中任一项的钢，其特征在于Si≤0.2％。8.按照权利要求1-7中任一项的钢，其特征在于Si≤0.1％。9.按照上述权利要求中任一项的钢，其特征在于钛、锆与氮的含量为0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016，还在于在固态钢的显微照相部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。10.按照权利要求1的钢，其特征在于其化学组成含有以重量计0.2％≤C≤0.24％0％≤Si≤0.1％0％≤Mn≤2％0％≤Ni≤0.5％1.5％≤Cr≤2.5％0.5％≤Mo+W/2≤1.2％0％≤V+Nb/2+Ta/4≤0.15％0.002％≤B≤0.015％0.005％≤Al≤0.2％-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自硫、碲与硒的元素，-视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素，钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3％，-视具体情况而定总量少于或等于0.2％至少一种选自铅和铋的元素，-视具体情况而定少于或等于0.1％的钙，其余为铁和生产过程形成的杂质，此外，该化学组成满足下列关系Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥3.6Qu≥3R≤1.5+1.83Qu.11.按照权利要求10的钢，其特征在于钛、锆与氮的含量为0.00003≤(N)×(Ti+Zr/2)≤0.0016，还在于在固态钢的显微照像部分的1mm2面积上计数的尺寸大于0.1μm的氮化钛或氮化锆沉淀物的数目比以％重量的千分之一表示的呈氮化物形式的半数锆沉淀总量和呈氮化物形式的钛沉淀总数之和的4倍小。12.权利要求1-11中任一项的钢在制造塑料注塑模具方面的应用。13.权利要求1-11中任一项的钢在采用铸造技术制造塑料模具方面的应用。14.用于焊接或制造焊条的金属丝，其特征在于它由权利要求1-8和10中任一项的钢组成。全文摘要用于制造模具,尤其是塑料注塑模具的钢,其化学组成含有以重量计:0.17%≤C≤0.27%,0%≤Si≤0.5%,0%≤Mn≤2%,0%≤Ni≤2%,0%≤Cr≤3%,0%≤Mo+W/2≤1.5%,0%≤V+Nb/2+Ta/4≤0.5%,0.002%≤B≤0.015%,0.005%≤Al≤0.2%,视具体情况而定总量少于或等于0.2%至少一种选自硫、碲与硒的元素,视具体情况而定至少一种选自钛和锆的元素,钛含量与半数锆含量之和小于或等于0.3%,视具体情况而定总量少于或等于0.2%至少一种选自铅和铋的元素,视具体情况而定少于或等于0.1%的钙,其余为铁和生产过程形成的杂质,此外,该化学组成满足下列关系:Cr+3×(Mo+W/2)+10×(V+Nb/2+Ta/4)≥2.1,Mo+W/2>0.7%ifCr≤1.5%,Qu=3.8×C+1.1×Mn+0.7×Ni+0.6×Cr+1.6×(Mo+W/2)+0.6≥3,R=3.8×C+10×Si+3.3×Mn+2.4×Ni+1.4×(Cr+Mo+W/2)≤11。文档编号B23K35/30GK1170047SQ9711099公开日1998年1月14日申请日期1997年4月29日优先权日1996年4月29日发明者J·比古诺特,G·普里蒙,F·彻诺申请人:克罗索·洛利工业责任有限公司