专利名称：用于热成型工具的钢、由所述钢制成的部件及其制造方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及的技术领域为用于热成型工具的钢，所述钢可用于铸造和模制，锻造，拉延或挤压。
发明内容
本发明的一个优选、但不限于此的应用领域是生产用于在压力下铸造基于铝或镁的轻质合金或铜合金(cuprous alloys)的大尺寸模具。 在应用过程中，热成型用的工具要经受循环应力，这会导致它们的损坏。这些应力的产生源为-由机械如(压力机)直接施加的作用力导致的机械应力；-热应力由于交替接触待转化的热物质并被喷洒润滑油或耐火涂料冷却，使温度突然变化，从而产生膨胀梯度，这是产生局部机械应力的原因。在某些情况下，破坏是由于突然的断裂造成的，当材料的韧性不足时，这种断裂会造成工具的瞬间损坏。通常这是由裂纹造成的，这种裂纹在应用的最初几百个循环过程中产生，然后逐渐发展，直至在数万或数十万个循环后，使工具发生毁灭性破坏。这种过程通常称为“热疲劳”。抗热疲劳所造成的破坏要求在热循环过程中温度的最低点时具有足够的韧性。这种性质一般是用标准试样的冲击弯曲能而加以测定，被测试的试样处于环境温度和150°C之间。还要求在使用过程中，在循环过程中温度最高点时具有足够的硬度和抗软化性。大尺寸模具或工具(如具有大于200mm的厚度)的生产，要求制备它们的钢材具有更高的性能。在淬火过程中，由于冷却速度是通过局限于表面的热流自然缓和的，且生产者关心的是部件不变形或不损坏，因此所述钢材不会产生占绝大多数的马氏体淬火结构，该结构能得到最佳的使用性能。对于每一种组合物，QCC图(连续冷却淬火)能描述根据冷却速度形成的相的性质，但是众所周知的是，这种图无法计算由于淬火速度的降低导致的淬火/回火状态中韧性的损失量。已知的具有这种用途的钢材可为-AISI Hll 钢，其大约含有 C = O. 40%, Si = O. 90%, Mn = O. 40%, Cr = 5%,Mo=I. 30%, V = O. 5% ；-AISI H13钢，与前者相同，不同在于包含V = 0.95% ;-W-L 2367 钢，其大约含有 C = O. 40%, Si = O. 30%, Mn = O. 40%, Cr = 5%,Mo=2. 9%, V = O. 65% ；
-可与AISIHll相比的钢，但含有Si = O. 3 %和Ni = O. 2 % (参见EP-B1-0663018);其标称的成分为 C = O. 3-0. 4%, Si ^ O. 8%, Mn ^ O. 8%, Cr = 4. 5-5. 8%,Mo = O. 75-1. 75 %, V ^ I. 3 %, W ^ I. 5 %, Ni ^ O. 5 %, P ^ O. 008 %, Sb ^ O. 002 %,Sn ( O. 003 %，As 彡 O. 005 %，且 10P+5Sb+4Sn+As 彡 O. 10 %。为了提高这些已知钢材的性能，已经进行了很多研究，这些研究关注的是在硬度、韧性和使用时性能的稳定性(特别是硬度)之间获得更好的平衡。因此，相对于Hll钢，如上述H13钢和W-1. 2367钢通过提高钢中Mo和V的含量，可以提高受热时的耐性，然而这却导致了韧性的降低。另一方面，如果降低Si的含量或者加入Ni，能提高韧性，也能提高可淬火性。但是，Ni会降低受热时的硬度和屈服强度。本发明的目的是提供一种用于热成型工具的新等级的钢，其在上文提及的各项性能之间取得了优异的平衡。为此，本发明涉及一种用于热成型工具的钢，具有以重量百分比表示的组成
-O. 30%^ C^O. 39%-4. 00%^ Cr ^ 6. 00%-痕量彡Si;^ O. 50%-痕量彡Mn ^ O. 80%-痕量彡W 彡 1.45%-痕量彡Co ^ 2. 75%-O. 80%^ Ni ^ 2. 80%-I. 50%彡 Mo 彡 2. 60%且 I. 50%彡 Mo+0. 65W ^ 3. 20%-O. 55%^ V ^ O. 80%-和-O.65 彡 K 彡 O. 65式中K = K2-K1K2 = O. 75 X (Ni-O. 60) Kl = I. 43 X (V-0. 40) +0. 63 X [ (Mo+0. 65W)-I. 20]-痕量彡Al ( O. 080%-痕量彡S 彡 O. 0040%-痕量彡P 彡 O. 0200%-痕量彡Ti 彡 O. 05%-痕量彡Zr ^ O. 05%-痕量彡Nb ^ O. 08%-痕量彡N 彡 O. 040%-10P+As+5Sb+4Sn ^ O. 21%-痕量O 彡 30ppm其余为铁和不可避免的杂质。优选地，O.33%彡 C 彡 O. 38%。优选地，痕量彡Si彡040%。优选地，痕量彡Mn彡O. 60 %。优选地，4.6 % 彡 Cr 彡 6. O %。
优选地，I.60% 彡 Mo 彡 2. 00%且 I. 60%^ Mo+0. 65W 彡 2. 20%。优选地，痕量彡Al ( O. 030%。优选地，痕量彡S彡O. 0010%。优选地，痕量彡P彡O. 0080%。优选地，痕量彡Ti彡O. 01 %。优选地，痕量<Zr < O. 02%。优选地，痕量彡Nb彡O. 01 %。优选地，痕量彡N彡O. 01 %。优选地，10P+As+5Sb+4Sn彡 O. 10 %。优选地，痕量<O ( 15ppm。优选地，-O.35 彡 K 彡 O. 35。 优选地-O. 335%^ C^O. 375%-I. 50%^ Ni ^ 2. 10%-I. 60%^ Mo+0. 65W 彡 2. 20%且 I. 60%彡 Mo 彡 2. 00%-O. 62%彡 V 彡 O. 75%。优选地-O. 335%^ C^O. 375%-2. 00%^ Ni ^ 2. 40%-I. 80%^ Mo+0. 65W ( 2. 90%且 I. 80%彡 Mo ( 3. 40%且 W 彡 O. 90%-O. 66%彡 V 彡 O. 76%。优选地-O. 335%^ C^O. 375%-O. 90%^ Ni ^ I. 50%-I. 50%^ Mo+0. 6W 彡 I. 90%且 W 彡 O. 40%-O. 55%彡 V 彡 O. 63%。优选地O. 335 % 彡 C 彡 O. 375 %，4. 60 % 彡 Cr 彡 6. 00 %，痕量彡 Si 彡 O. 40 %，痕量彡Mn彡O. 60 %，痕量彡W彡I. 45 %，痕量彡Co彡2. 75 %，I. 50 %彡Ni彡2. 10 %，1.60 %^ Mo+0. 65W 彡 2. 20 % 且 I. 60 % ^ Mo ^ 2. 00 %,0. 62 % ^ V ^ O. 75 %,且-O. 35 < K < O. 35，痕量< Al ( O. 030%，痕量< S<0. 0010%，痕量< P < O. 0080%,痕量彡Ti ( O. 011%，痕量彡Zr ( O. 02%，痕量彡Nb ( O. 01%，痕量彡NS O. 01%，痕量
15ppm。本发明还涉及由钢制备的部件的制备方法，其特征在于所述钢是由前述钢制备的，且在1000 1050°C下进行奥氏体转变，然后淬火。优选地，奥氏体转变温度为1015 1040°C。优选地，淬火后，将所述部件在550 650°C下，进行至少两次回火，使所述部件的硬度为42 52HRC。本发明还涉及由上述方法制得的钢制备的部件，其特征在于所述部件是热成型用工具的部件。所述部件具有大于或等于200_的厚度。所述部件是用于在压力下铸造轻质合金或铜合金的模具。所述部件是锻造工具。所述部件是锻模。所述工具是用于钢管的钻孔或轧制工具。所述部件是用于玻璃成型的工具 。所述部件是用于塑料成型的工具。所述部件用如下钢材制备(λ335 %^ C ^ O. 375 %, 2. 00 % ^ Ni ^ 2. 40 %,I. 80% ^ Mo+0. 65W 彡 2· 90%且 I. 80% 彡 Mo 彡 3· 40%和 W 彡 O. 90%,O. 66%^V^0. 76%,而且所述部件是铝合金铸造用的挤出模。本发明还涉及用于热成型的工具的部件的用途，其特征在于所述部件由如下钢材制备0335 %彡 C 彡 0375 %, 2. 00 % ^ Ni ( 2. 40%, I. 80% ^ Mo+0. 65W ^ 2. 90 % 且
I.80 %彡Mo彡3. 40 %和W彡O. 90 %，O. 66 %彡V彡O. 76 %，且其表面的工作温度保持低于680。。。本发明还涉及用于热成型的工具的部件的用途，其特征在于所述部件由如下钢材制备0· 335%^ C ^ O. 375%,O. 90 % ^ Ni ^ I. 50 %, I. 50 % ^ Mo+0. 6W 彡 I. 90%且W^O. 40%,O. 55%^ V ^ O. 63%,且使用时其表面温度保持低于770V。将会理解的是，与上文提及的已知钢相比，尤其是EP-B1-0663018中的钢相比，本发明特别是使起软化和稳定作用的元素Mo和V与中和它们弱化作用的Ni同时相互匹配。所有这些使得可淬火性得以提高，从而在大部件上再现这些性能，而此前这些性能只能在小部件上获得。由于发明人首先致力于有效测量热成型工具使用时通过其表面的瞬时热流量，从而使得优化本发明的钢的成分成为可能。然后，发明人通过计算由于热冲击(所述热冲击会导致裂纹的产生)导致的瞬时热应力，进行推导。这能更好地理解材料工作时的力学行为。由于在重现工业淬火速度的试样上进行的实验测量，以及热力学模拟，发明人得以了建立钢的成分，应用前的热处理参数和微观结构之间的联系。特别是，发明人证实，组分和淬火温度之间的相互依赖性对获得各种力学性能的平衡具有特别重要的影响，而这些力学性能又对用于热成型工具的钢具有特别重要的作用。通过阅读下文的描述以及参照附图
，能更好地理解本发明-图I表明的是，随着许可温度的变化，参照组合物(图Ia) 图Ie))和本发明的组合物(图If))的未溶解的碳化物的分数变化。-图2是参照钢(图2a))和本发明的钢(图2b))的QCC曲线。-图3是不同参照试样和本发明的试样淬火后的断裂能的比较，该淬火是在实验室条件下和工业条件下进行的。测试是在具有表I所列的组分的试样上进行的，具体的测试方法参见下文的描述。在该表中，系数K2, Kl和K对应于下述量,其中含量是以wt %表示的K2 = O. 75 X (Ni-O. 60)Kl = I. 43 X (V-0. 40) +0. 63 X [ (Mo+0. 65W)-I. 20]
K = K2-K
权利要求
1.用于热成型工具的钢，具有以重量百分比表示的如下组分 -O. 30%^ C ≤ O. 39% -4. 00%^ Cr ( 6. 00% -痕量≤ Si ( O. 50% -痕量≤ Mn ^ O. 80% -痕量SW < I. 45% -痕量< Co ( 2. 75% -O. 80%^ Ni ( 2. 80% -I. 50%≤ Mo ( 2. 60%且 I. 50%^ Mo+0. 65W ( 3. 20% -O. 55%^ V ≤ O. 80%—O. 65 ≤ K ≤ O. 65 式中 K = K2-K1K2 = O. 75X (Ni-O. 60)Kl = I. 43 X (V-0. 40) +0. 63 X [ (Mo+0. 65W)-I. 20] -痕量<A1 ( O. 080% -痕量< SS 0. 0040% -痕量< Ρ<0· 0200% -痕量< Ti ( O. 05% -痕量≤ Zr ( O. 05% -痕量≤ Nb ^ O. 08% -痕量< N < O. 040% -10P+As+5Sb+4Sn ^ O. 21% -痕量≤ O ( 30ppm 余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的钢，其特征在于0.33%≤ C≤ O. 38%。
3.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<Si < O. 40%。
4.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量≤ Mn≤ O.60%。
5.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于4.Cr < 6. 0%。
6.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于1.60%≤ Mo ( 2. 00%，且1.60%(Mo+0. 65W ≤ 2. 20%。
7.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<Al ( O. 030%。
8.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<S≤ O. 0010%。
9.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<PS 0. 0080%。
10.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<Ti < O. 01%。
11.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<Zr < O. 02%。
12.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<Nb < O. 01%。
13.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<N < O. 01%。
14.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于10P+As+5Sb+4Sn≤ O.10%。
15.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于痕量<O ( 15ppm。
16.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于-0.35 < K < O. 35。
17.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于-O. 335%^ C ≤ O. 375%-I. 50%^ Ni ( 2. 10%-I. 60%^ Mo+0. 65W ( 2. 20%且 I. 60%≤ Mo ( 2. 00%-O. 62%^ V ≤ O. 75%。
18.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于-O. 335%≤ C ≤ O. 375%-2. 00%^ Ni ( 2. 40% -I. 80%^ Mo+0. 65W ( 2. 90%且 I. 80%≤Mo ( 2. 40%且 W ≤ O. 90%-O. 66%^ V ≤ O. 76%。
19.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于-O. 335%≤ C ≤ O. 375%-O. 90%^ Ni ( I. 50% -L 50%^ Mo+0. 65W ( I. 90%且 W ≤ O. 40%-O. 55%^ V ≤ O. 63%。
20.根据权利要求I或2所述的钢，其特征在于 O.335 % ≤ C ≤ O. 375 %，4· 60 % ≤ Cr ≤6. 00 %，痕量≤ Si ≤ O. 40 %，痕量≤ Mn ≤ O. 60%，痕量≤ W^l. 45%，痕量≤ Co ≤ 2. 75%, I. 50%^ Ni ^ 2. 10%, I. 60%^ Mo+0. 65W ≤ 2. 20%且 I. 60%≤ Mo ≤ 2. 00%，O. 62%≤ VS O. 75%，-O. 35 ≤KS O. 35，痕量< Al ( O. 030%，痕量< SS0. 0010%，痕量< P < O. 0080%，痕量< Ti ( O. 011%,痕量≤Zr ( O. 02%,痕量≤Nb ( O. 01%,痕量≤N≤O. 01%,痕量≤O ( 15ppm。
全文摘要
本发明涉及用于热成型工具的钢，所述钢的成分如下(重量百分数)0.30％＝C＝0.39％，4.00％＝Cr＝6.00％，痕量＝Si＝0.50％，痕量＝Mn＝0.80％，痕量＝W＝1.45％，痕量＝Co＝2.75％，0.80％＝Ni＝2.80％，1.50％＝Mo＝2.60％且1.50％＝Mo+0.65W＝3.20％，0.55％＝V＝0.80％，且0.65＝K＝0.65，其中K＝K2-K1且K2＝0.75×(Ni 0.60)，K1＝1.43×(V 0.40)+0.63×[(Mo+0.65W)1.20]，痕量＝Al＝0.080％，痕量＝S＝0.0040％，痕量＝P＝0.0200％，痕量＝Ti＝0.05％，痕量＝Zr＝0.05％，痕量＝Nb＝0.08％，痕量＝N＝0.040％，10P+As+5Sb+4Sn＝0.21％，痕量＝O＝30ppm，余量为铁和不可避免的杂质。本发明还涉及由所述钢制成的部件及其制造方法和用途。
文档编号C22C38/46GK102851608SQ20121004612
公开日2013年1月2日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年11月29日
发明者尼古拉斯·比诺, 安德烈·格雷利耶, 皮埃尔·埃马纽埃尔·里奇 申请人:奥贝特迪瓦尔公司