合金钢、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韧性淬火坯料

摘要

一种适用于塑料模具支座和支座部件的合金钢，以重量％计，含有0.06－0.15C、0.07－0.22N，其中C+N的总量应满足0.16≤C+N≤0.26的条件，0.1－1.0Si，0.1－2.0Mn，12.5－14.5Cr，0.8－2.5Ni，0.1－1.5Mo，必要时，V最多达0.7V，必要时，为改进钢的机加工性，可含有S，Ca或O中的一种或多种，其量最多0.25S，0.01(100ppm)Ca，最多0.01(100ppm)O，平衡量Fe和不可避免的杂质。

说明书

技术领域

本发明是关于一种合金钢，尤其是关于用于制造塑料成形工具支座和支座部件的合金钢。本发明还关于钢制造的支座和支座部件，以及用于加工这种支座和支座部件的由合金钢制造的坯料。

技术背景

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夹具和/或框架部，这种成套工具都是通过各种类型的模塑方法加工的塑料产品。其中，最常见的支座部件中，可以提到模座板和其他构件，以及具有很大凹穴的重块，该凹穴可盛放和支撑实际模具。所述支座和支座部件是由许多种不同合金钢制得的，包括马氏体不锈钢。本申请人制造和销售的钢的注册商标名称是RAMAXS^，属于该类并具有如下额定组分，以重量％计：0.33C，0.35Si，1.35Mn，16.6Cr，0.55Ni，0.12N，0.12S，平衡铁和来自制钢时的杂质。最接近的标准化钢是AISI 420F。这种类型的钢具有足够的抗蚀性，但不具有所希望均匀的马氏体微观结构，但可以含有铁素体和硬点，这是由于残留的，未经回火的马氏体，它还可以通过钢的某种离析趋势而进行解释。因此，就支座钢而言，还需要进一步改进。这就需要对同一种钢，可以对其组分作某些改进，对实际模具将是有用的。

发明公开

本发明的目的是提供一种钢，这种钢在淬火和回火后，比上述提到的钢具有更均匀的结构，尤其是材料中不具有铁素体和/或硬点，并具有相当高的硬度。

本发明再一个目的是获得如下中的一种或几种效果：

-良好的机加工性，

-足够的抗蚀性，

-考虑到这种钢能够用于加工由板制造的支座块，这种板必须具有至少300mm的厚度，甚至在某些情况下高达400mm厚度时，应有足够的淬透性，

-足够的延展性/韧性，

-在韧性淬火条件下，硬度为30～42HRC，最好为38～40HRC，

-良好的抛光性，至少根据优选实施方案，为了也能用于模具，就抛光性而言，对其提出了很高的要求。

如果这种钢具有所附权利要求中所述的化学组成，即可达到上述目的。

就各种单独元素的重要性和它们在钢中的相互作用而言，可以考虑按如下实施，对于任何特殊的理论是不受权利要求保护的约束。

碳和氮对于钢的硬度和延展性，是相当重要的元素。碳也是一种促进淬透性的很重要元素。然而，碳能以碳化铬的形式(M7C3-碳化物)结合铬，并因而能削弱钢的抗蚀性。因此，钢最大可含有0.15％的碳，优选含有0.13％的碳(本文中如果没有特别指出，都为重量％)。然而，碳也有某些有利的作用，在回火的马氏体中，碳与氮作为溶解元素一起存在，这对钢的硬度作出了贡献，也起到了奥氏体稳定剂的作用，因此，在结构中抵消了铁氧体。碳在钢中的最小量应为0.06％，优选至少为0.07％。

氮在合金体系内，通过固化条件的影响对碳化物和碳氮化物提供更平稳，更均匀的分布，以致避免碳化物形成的较大的聚集物，或者固化时还有所降低。也降低了M23C6碳化物的份额，并有利于M(C，N)，即，钒-碳氮化物，对延展性/韧性具有有利的冲击。简言之，氮，对于含少量的碳化物和氮化物的更有利的固化过程提供措施，这些少量的碳化物和氮化物，在加工时，可分裂成更细的分散相。根据这些原因，氮的存在量至少0.07％，优选0.08％，但不能大于0.22％，优选最大为0.15％，同时，碳和氮的总量应满足以下条件，即0.16≤C+N≤0.26，优选地，C+N至少为0.17％，但适宜的为0.23％。通常，钢含有0.20-0.22(C+N)。在淬火的和回火的钢中，在固体溶液中，氮基本上以氮-马氏体的形式溶解在马氏体中，因此有助于所要求的硬度。

总之，就氮的含量而言，可以说为了通过增加所谓的钢基质的PRE-值，而有助于所要求的抗蚀性，氮应以所述最小量存在，在回火的马氏体中作为溶解元素存在，这有助于马氏体的硬度，并形成碳氮化物M(C，N)，达到与碳在一起所要求的程度，但不能超过所述最大含量，碳+氮的含量达到最大时，碳是对硬度的最重要贡献者。

硅可增加钢中的碳活性，因此，倾向于沉淀更多的初级碳化物。这就是为什么钢需要具有低含量硅的一个主要原因。另外，硅是稳定铁氧体的元素，这是硅的一个不利特征。由于钢也应含有足够量的稳定铁氧体的元素铬和钼，以使这些元素提供所要求的效果，同时，钢中含有比通常在钢中用于所述应用的更低含量的碳，为了不引起钢在其基质中含有铁氧体，必须限制硅的含量。因此，钢中不可含有大于1％的硅，优选不大于0.7％的硅，更好不大于0.5％的Si，但多数情况下，仍含有较低量的硅。一般讲，所采用的原则是，稳定铁素体的元素可适用于稳定奥氏体的元素以避免钢中形成铁素体。然而，硅以由脱氧处理产生的残渣而存在，所以硅的最佳含量为0.05～0.5％之间，通常为0.1-0.4％，额定为0.2～0.3％。

锰是促进奥氏体和淬透性的元素，这是锰的有利作用，并通过在钢中形成无害的硫化锰而也可以用于精炼硫。因此，锰的最小存在量为0.1％，优选0.3％的锰，然而，锰与磷一起具有离析的倾向，这就导致回火脆化。因此，锰的存在量不能超过2％，优选不超过1.5％，更好至多1.3％。

铬是钢的主要合金元素，并且主要提供钢的不锈钢特征，这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，它常常在潮湿环境中使用，这种环境会引起钢降低抗蚀性而生锈。

铬也是钢淬透性的最重要的促进元素。然而，没有大量铬以碳化物的形式结合，因为钢的碳含量相当低，因此，钢可具有的铬含量可低到12.5％，尽管如此，仍可得到所要求的抗蚀性。然而，钢优选含有至少13.0％的络。其上限首先由铬的形成铁素体的倾向所决定。因此，钢不可含有大于14.5％的铬，优选不大于14.0％的铬，通常钢含有13.1-13.7％的铬。

镍在钢中存在的最小量为0.8％，优选，至少为1.0％，以使钢具有非常高的淬透性，然而，从费用考虑，含量应限定为最大2.5％，优选2.0％，通常钢含有1.4-1.8％或约1.6％的镍。

就回火操作方面，必要时，本发明的钢也可含有有效量的钒，以通过二次碳化物沉淀而产生二次淬火，其中，增加抗回火能力，当存在钒时，通过沉淀MC-碳化物，起到了晶粒生长抑止剂的作用。然而，钒含量太高时，在钢凝固期间，会形成较大的初始MC-碳氮化物，如果钢受到ESR-再熔化时，这也会发生，在淬火期间，初始碳化物不会溶解。为了获得所要求的二次淬火和为保障有效抑制晶粒生长，并同时避免钢中形成较大的，不溶解的初始碳化物，钒的最佳含量应在0.07～0.7％的V。最适宜的含量为0.10-0.30％的V，额定约为0.2％的V。

为了获得促进淬透性的效果，钢也可以含有有效量的钼，例如，至少0.1％。钼含量达到至少1.0％也能促进抗蚀性，如果含量更高，仍可有效。当回火时，钼也有利于增加钢的抗回火能力这也是很有效的。另一方面，钼含量太高，由于在引起沉淀晶界碳化物和离析的倾向，而产生一种不利的碳化物结构。此外，钼稳定铁素体，这是很不利的。因此，钢中应含有平衡量的钼以利用其有利效果，同时避免那些不利的效果。钼的含量优选不超过1.7％，最佳含量为0.1-0.9％之间，大概在0.4-0.6％的钼。

通常钢含有的钨量不超过杂质的量，但可以允许至多高达1％的量。

本发明以韧化调质条件方面，能提供一种钢，使这种钢通过机加工能够加工大型尺寸的支座和成型工具。通过在850-1000℃下，优选在900-975℃下，或在约950℃下，进行奥氏体化，随后在油中或在聚合物浴中冷却，在真空炉中的气体中，或在空气中冷却，实施淬火。用于获得具有30～42HRC，优选38-41或约40HRC的硬度的韧性淬火材料的高温回火，在510-650℃下，优选在520-540℃下，至少进行1小时，优选通过二重回火，2小时2次。作为另一种形式，钢可以在200-275℃，例如约250℃下进行低温回火，以获得38-42或约40HRC的硬度。

根据优选实施方案，为了改进钢在韧性淬火条件下的机加工性，还可含有有效量的硫，可以与钙和氧结合。为了获得机加工性改进的最好效果，如果也不含有故意加入量的钙和氧，钢至少含有0.07％的硫。如果钢也含有有效量的钙和氧，则分别至少0.035％，当钢中故意掺入一定量硫的合金成分时钢中最大硫含量为0.25％。在这种情况下，适宜硫含量可为0.12％。然而还可设想一种非硫化的变型钢。在这种情况下，钢不能含有高于杂质量的硫，钢也不能含有任意有效量的钙和/或氧。

因此可以设想，与3-100wt-ppm Ca，优选5-75ppm Ca，最适宜40ppmCa，和10-100ppm O结合，钢可含有0.035-0.25％的S，其中所述钙，可以以硅-钙，CaSi形式提供，以便球化存在的硫化物以形成硫化钙，而阻止硫化物形成所不需要的细长形状，因这可能削弱延展性。

本发明的钢通常可以以生产规模，利用通常的金属熔体加工方法而进行，根据本发明，所说的具有化学组成的熔体，是将熔体铸造成大的坯锭，或连续铸造熔体。也可以铸造熔融金属的电极，然后通过电渣重熔(ESR)进行电极重熔融。也可以通过熔体的气体喷雾法，对坯料进行冶金粉末加工，以生产粉末，然后通过包括热等静压制所谓的HIPing的技术进行压实，或者，作为另一种方法，是通过喷射成形法，对坯料进行加工。

根据本发明钢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，以下通过完成的实验和所获结果的描述，更详细地进行解释。

附图简述

在以下完成实验和所获结果的描述中，参考附图进行，其中：

图1是以本发明钢制造的典型设计的支座块。

图2A是以所谓Q-坯料(50kg实验室装炉量)生产的第一批钢，在淬火后但回火前的硬度，在保持30分钟奥氏体化温度时的曲线图。

图2B是以Q-坯料加工的另一些试验钢的相应曲线图。

图3A是第一批中，从1030℃已淬火的那些钢的回火曲线。

图3B是图3A的放大尺寸回火曲线中的回火温度为500-550℃范围的回火曲线。

图3C是对图2B中所示硬度与奥氏体化温度曲线的另一些试验钢，在500-550℃回火温度范围内的回火曲线。

图4是上述试验钢的淬透性曲线图。

图5是说明上述钢的冲击韧性试验所得的线条图，和

图6A和图6B是说明腐蚀试验样品测定的临界电流密度Icr的线条图，该腐蚀试验样品，在真空炉内，以2种不同的冷却速度，从奥氏体化温度开始慢慢冷却，此后，高温回火到约40HRC。

以实验室规模加工钢的实验

图1表示典型设计的支座1，可由本发明的钢加工制造。块1中有模腔2，可容纳成型工具，通常是塑料成型工具。块1具有相当大的体积，模腔2既大又深。因此，根据本发明对材料提出了许多不同的需求，即，根据块的相当大的厚度，需要足够的淬透性，并具有通过切割工具，像研磨切割机、钻孔机等进行机加工的优良特性。

材料

将具有表I组成的17Q-坯料(50kg实验室装炉量)加工成4种圆钢。在第一种圆钢中(Q-9043-Q9080)，加工具有很宽范围化学组成的坯料，例如，试验了具有氮含量比较高的各种变型钢。揭示了具有最感兴趣特征的合金是Q9068，即，具有平均范围约0.10％的碳含量和适中含量的氮。

在第二种圆钢中(Q9129-Q9132)，企图优化Q9068获得的特征。稍微变动碳含量，添加钒以获得细小晶粒尺寸，对一种变型钢降低了镍含量。

在第三种圆钢中(Q9129-Q9139)，试验了增加硫含量的变型钢。

在第四种圆钢中，只试验2种钢Q9153和Q9154，以评价碳和氮之间的关系。

钢Q9043和Q9063为参考材料，Q9043具有SIS2314和AISI420的组成，而Q9063相当于W.Nr.1.2316。

将Q-坯料煅造成60×40mm的棒状，随将棒条在蛭石中冷却。

表I-试验材料；以重量％表示的化学组成，平衡量Fe和不可避免的杂质

 Q-坯料    C    N    Si    Mn    Cr    V    Ni    Mo      S Q9043    0.36    0.026    0.83    0.47    13.9    0.32    0.18    0.12      n.a. Q9063    0.37    0.12    0.17    0.55    15.7    0.8    1.19      n.a. Q9064    0.27    0.18    0.14    1.35    16.7    0.3    1.61    0.44      n.a. Q9065    0.20    0.16    0.185    1.29    15.7    0.15    1.56    0.74      n.a. Q9067    0.11    0.063    0.18    1.1    12.3    0.73    0.33      n.a. Q9068    0.11    0.059    0.17    1.06    13.4    0.067    2.1    0.75      n.a. Q9069    0.075    0.084    0.15    1.01    12.4    0.076    0.75    0.34      n.a. Q9070    0.076    0.085    0.18    1.14    13.8    0.06    0.74    0.32      n.a. Q9080    0.15    0.17    0.21    1.26    16    0.12    1.56    0.75      n.a. Q9129    0.097    0.087    0.16    1.06    12.8    0.2    1.6    0.22      n.a. Q9131    0.11    0.088    0.15    1.07    12.7    0.19    0.86    0.22      n.a. Q9132    0.14    0.094    0.14    1.11    12.7    0.19    1.61    0.22      n.a. Q9135    0.19    0.039    0.12    0.93    13.4    0.27    1.02    0.21      0.07 Q9136    0.07    0.091    0.15    1.17    14.9    0.22    1.04    0.21      0.075 Q9139    0.12    0.092    0.17    1.23    14.2    0.20    1.06    0.22      0.14 Q9153    0.12    0.10    0.14    0.81    12.7    0.20    1.58    0.24      0.0059 Q9154    0.06    0.14    0.17    0.88    12.5    0.21    1.53    0.21      0.0053

n.a.＝未分析

热处理后的硬度

图2A和图2B示出了硬度与奥氏体化温度的关系，从这些示图曲线明显看出，具有高碳含量的一些钢，其硬度随着奥氏体化温度的增加而增加，如，Q9043，Q9063，Q9103，Q9104和Q9135。1030℃是奥氏体化温度，对这些情况都是适宜的。对其他的钢，硬度随着奥氏体化温度的增加而减小或保持不变。在这种情况下，作为奥氏体化温度，更适宜选择950℃。

图3A和图3B中示出了从1030℃已淬火的那些钢的回火后的硬度，而Q-坯料9129-9154，从950℃已淬火的那些钢的回火曲线，已示于图3C中。从回火曲线可得出结论，所有的钢通过在520-600℃的温度范围内进行回火，都可回火到40HRC。

钢在韧性-淬火后的适宜硬度约为40HRC。在下表II中所描述的热处理，可对不同的钢提供所述硬度。

表II-为韧性-淬火的热处理，测定的剩余奥氏体，体积％

    Q-坯料No       热处理  剩余奥氏体(％)    9063       1030℃/30分+550℃/2×2h  0    9064       1030℃/30分+550℃/2×2h  1.3    9065       1030℃/30分+550℃/2×2h  2.3    9067       1030℃/30分+525℃/2×2h  0    9068       1030℃/30分+525℃/2×2h  0    9069       1030℃/30分+525℃/2×2h  0    9070       1030℃/30分+525℃/2×2h  0    9080       1030℃/30分+550℃/2×2h  6.4    9104       1030℃/30分+550℃/2×2h  0    9129^*       950℃/30分+525℃/2×2h  0    9131^*       950℃/30分+525℃/2×2h+53/2h  0    9132^*       950℃/30分+525℃/2×2h+535/2h  0    9135^*       950℃/30分+525℃/2×2h  0    9136^*       950℃/30分+525℃/2h+500/2h  0    9139^*       950℃/30分+525℃/2×2h  0    9153^**       950℃/30分+525℃/2×2h  0    9154       950℃/30分+540℃/2×2h  未测定

^*t8/5＝1964s

^**t8/5＝1885s(t8/5相当于样品从800冷却到500℃的时间)

淬透性

从表II给定奥氏体化温度进行淬火后，样品从该温度以不同速度进行冷却的硬度，示于图4的淬透性曲线。

冲击韧性试验

在室温下对光面试验样品进行冲击韧性试验，每种钢取4～6个试验棒的平均值。对不同的钢，使用的热处理和冷却速度列于表III。结果以线条图示于图5。从这图中可以认为一些变型钢，如Q9067、9068、9069、9129、9131、9132和Q9153，具有非常高的延展性，＞350J，而试验棒没有断裂，但是一些其他钢，例如包括钢Q9154，具有比参考钢Q9063和9043更好的延展性，处于180-200J的水平。

表III

    Q-坯料No    热处理℃    冷却速度t8/5(s)    9043    1030/30+560/2h+550/2h    2093    9063    1030/30+570/2h+560/2h    2093    9064    950/30+560/2×2h    2093    9065    950/30+550/2×2h    2093    9067    950/30+525/2×2h    2093    9068    950/30+525/2×2h    2093    9069    950/30+525/2×2h    2093    9070    950/3 0+525/2×2h    2093    9080    950/30+550/2×2h    2093    9129    950/30+525/2×2h    1969    9131    950/30+525/2×2h+535/2h    1969    9132    950/30+525/2×2h+535/2h    1969    9135    950/30+525/2×2h    1964    9136    950/30+525/2×2h+500/2h    1964    9139    950/30+525/2×2h    1964    9153    950/30+535/2×2h    1985    9154    950/30+540/2×2h    1863

腐蚀试验

在第一种试验圆钢中，对表IV中的钢确立极化曲线，以临界电流密度Icr评价钢的抗蚀性。就测量方法而言，原则是Icr越低，抗蚀性越好，以两组试验进行研究，其中，试验样品经受不同的冷却速度。第一组的热处理示于表IV。

表IV-极化试验样品的热处理。真空炉内冷却

  Q-坯料No    热处理    T8/5(s)   硬度(HRC)  9063    1030℃/30分+570℃/2×2h    860   40.8  9064    1030℃/30分+600℃/2×2h    860   40.5  9065    1030℃/30分+580℃/2×2h    860   40.0  9067    1030℃/30分+525℃/2×2h+535℃/1h    860   38  9068    1030℃/30分+525℃/2×2h    860   40.1  9069    1030℃/30分+525℃/2×2h+535℃/1h    860   40  9070    1030℃/30分+525℃/2×2h+535℃/1h    860   39  9080    1030℃/30分+565℃/2h+550℃/2h    860   40.6  9129    950℃/30分+525℃/2h+535℃/2h    876   39.7  9131    950℃/30分+525℃/2h+535℃/2h    876   40.2  9132    950℃/30分+535℃/2×2h    876   39.7  9153    950℃/30分+535℃/2×2h    957   39.4

根据图6A的线条图清楚地知道第一种试验圆钢的结果。根据该线条图，可知五种钢具有比参考材料Q9063更好的抗蚀性，即Q9068、Q9070、Q9129、Q9132和Q9153。

在第二种试验圆钢中，仍使用缓慢的冷却速度t8/5，参看表V和图6B。

表V-极化试验样品的热处理。真空炉内冷却

    Q-坯料No    热处理    T8/5(s)    硬度(HRC)    9063    1030℃/30分+570℃/2×2h    1880    38.9    9104    1030℃/30分+570℃/2×2h    1880    40.1    9129    950℃/30分+525℃/2×2h    1969    40.6    9131    950℃/30分+525℃/2×2h+535℃/2h    1969    39.6    9132    950℃/30分+525℃/2×2h+535℃/2h    1969    40.1    9135    950℃/30分+525℃/2+2h    1964    40.9    9136    950℃/30分+525℃/2h+500℃/2h    1964    39.0    9139    950℃/30分+525℃/2×2h    1964    42.1    9153    950℃/30分+535℃/2×2h    1885    40.3    9154    950℃/30分+540℃/2×2h    1863    39.0

图6B说明样品Q9063、9129、9153和9154具有最好的抗蚀性。

结论

在本发明的公开介绍中，已列出了本发明的许多目的。除了具有良好的机加工性外，钢还具有良好的延展性、好的抗蚀性和好的淬透性。可以说，与钢Q9063相比，除了钢具有良好的机加工性外，还具有更好的延展性、更好的抗蚀性和更好的淬透性，这也是本发明的目的。4种钢满足了这些要求，即Q9068、Q9129、Q9153和Q9154，这4种钢具有极相似的组成，尽管钢Q9154具有较高的氮含量和较低的碳含量。根据这些试验，可以设定出最优化的组成如下，即，0.10C，0.075N，0.16Si，1.1Mn，13.1Cr，0.13V，1.8Ni，0.5Mo，平衡量Fe和不可避免的杂质。另一种形式的钢含有0.06C和0.14Ni，其余的组成与上述一样。再一种形式-可适于作标称组成-如下：0.12C、0.20Si、1.30Mn、0.10S、13.4Cr、1.60Ni、0.50Mo、0.20V、0.10N，平衡量Fe和不可避免的杂质，和/或0.14C、0.18Si、1.30Mn、0.10S、13.5Cr、1.67Ni、0.50Mo、0.22V、0.10N，平衡量Fe和不可避免的杂质。

以生产规模制造钢

电弧炉中制造35吨装炉量的熔融金属。在出钢前，熔体具有如下化学组成：0.15C，0.18Si，0.020P，0.08S，13.60Cr，1.60Ni，0.48Mo，020V，0.083N，平衡量Fe和不可避免的杂质。将熔体加工成坯料，再煅制成各种尺寸的平辊。煅制不引起任何问题。通过在950℃下奥氏体化，保持2小时，空气中急速聚冷，540℃下回火2×2h，使煅制棒韧性淬火到约380HB的硬度。这样韧性淬火的棒机加工成最后的尺度。