專利名稱：使用鐵基合金制塑料模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用含鉻的馬氏體鐵基合金制造塑料模具。
為制造用于加工有化學(xué)腐蝕性的模壓塑料的耐腐蝕塑料模具，多半采用含鉻量高于12％的鐵基合金。按照要求的或希望的材料硬度，可考慮使用能調(diào)質(zhì)處理的含大約13％Cr和大約0.2或0.4％(重量)C的鉻鋼，例如按DIN的材料號(hào)1.2082和1.2083。這些主要含C和Cr的鐵基合金完全可以經(jīng)濟(jì)地用于制造小負(fù)荷的模具，但是它們的缺點(diǎn)是，對(duì)于高腐蝕性的模壓塑料和加有磨損添加物的塑料，模具沒(méi)有足夠長(zhǎng)的使用壽命。
相應(yīng)于DIN材料號(hào)1.2314，將含Cr量增加至約14.5重量％和提高C量至約0.48％重量以及添加約0.25重量％Mo可以獲得用于塑料加工的耐腐蝕性更好的鐵基合金。這類材料在實(shí)際使用中大多數(shù)有足夠的耐化學(xué)腐蝕性能，然而，特別是涉及含礦物纖維的模壓塑料時(shí)，它們沒(méi)有足夠的耐磨性。
改善涉及氧化腐蝕和磨損的塑料模具使用性能，可通過(guò)在所使用的鋼內(nèi)有較高的含Cr量、高的含C量以及含Mo和含V來(lái)達(dá)到。按DIN的1.2361號(hào)材料便是用于高負(fù)荷塑料模具的一種典型的鐵基合金。但是，在用這種合金制造工具或模具時(shí)，會(huì)產(chǎn)生材料變形或不均勻的盡寸變化，這種材料變形或尺寸不均勻的改變要求對(duì)所加工的零件作往往是昂貴的再加工或使其報(bào)廢。正如專業(yè)人員所已知的那樣，這種不均勻的尺寸變化主要由于碳化物的變形紋理或條狀結(jié)構(gòu)引起的。若如所建議的那樣減少合金基體中的含C量并因而減少了碳化物成分，則同時(shí)也降低了尤其是工具的耐磨性，其結(jié)果是在有較高的磨擦負(fù)荷時(shí)增大了模具的磨蝕，縮短了使用壽命。高含C量的另一個(gè)缺點(diǎn)是使鋼的膨脹能力差和刃性下降。
本發(fā)明的目的是要克服上述這些缺點(diǎn)，并建議使用一種用于具有更好的耐腐蝕性的熱調(diào)質(zhì)處理塑料模具的含Cr馬氏體鐵基合金，這種模具可經(jīng)濟(jì)地制造和只有很小的尺寸變化，并具有改善了的使用性能。
按本發(fā)明為達(dá)到上述目的，建議采用具有按權(quán)利要求1所述成分的鐵基合金，制造具有硬度最低為45HRC最好從50至55HRC并具有良好耐腐蝕性能的熱調(diào)質(zhì)處理塑料模具。
按本發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)主要是，在熱處理過(guò)程中，模具或工具基本上有均勻的尺寸變化。此外，改善了模具的耐腐蝕性能，以及，模具的合金基體具有良好的均質(zhì)性。使用按本發(fā)明的合金制成的塑料模具，不僅其機(jī)械性能，而且完全意外的是其耐磨性，均得到了顯著的提高。模具材料的這種性能改善的原因是，此鐵基合金中含有N，這種元素一方面是一種穩(wěn)固的奧氏體成分，另一方面通過(guò)構(gòu)成氮化物的元素引起產(chǎn)生金屬間的硬相(harter Phasen)。所有主要的合金元素的濃度，是在考慮到N對(duì)鐵基合金的凝固、析出、熱處理時(shí)的相變動(dòng)力學(xué)、腐蝕和斷裂特性的影響等，相互協(xié)調(diào)地決定，所以，使用按本發(fā)明的材料制造熱調(diào)質(zhì)處理的塑料模具，使之具有了顯著改善的使用特性。這特別適用于可高度拋光的塑料模具，這種模具往往是需要的，例如在電子工業(yè)中使用的模具。雖然在科學(xué)上還不能完全說(shuō)清楚所有的原因，但是已發(fā)現(xiàn)了下列關(guān)系在凝固和變形以及一般的熱處理過(guò)程中，按本發(fā)明所采用的模具材料的合金基體中Cr的濃度差很小，與不含氮的馬氏體鉻鋼相比，碳化物成分也較低，從而帶來(lái)高的耐腐蝕能力和顯然有特別良好的可拋光性。然而比14％重量低的含Cr量，會(huì)導(dǎo)致跳躍式地增加化學(xué)腐蝕，尤其是在有機(jī)酸的作用下。當(dāng)含Cr量高于25％重量時(shí)，發(fā)現(xiàn)了用作塑料模具時(shí)材料的脆化現(xiàn)象，因此，在Cr的濃度的16至18％重量的情況下具有最佳的長(zhǎng)期效果。
為增強(qiáng)耐腐蝕性亦即表面鈍化層的穩(wěn)定性有最低含量為0.5％重量的Mo是重要的，但是，Mo有更高的含量如3％重量時(shí)，會(huì)具有一種鐵素體穩(wěn)定化的效果，因此使合金的可調(diào)質(zhì)性變差。當(dāng)Mo的含量在0.3至1.5重量％范圍內(nèi)時(shí)，鑒于氮化二鉬(Mo2N)對(duì)材料機(jī)械性能但尤其是對(duì)耐磨損性能的影響，因而發(fā)現(xiàn)有特別良好的結(jié)果。
V不僅與C而且與N有很高的親合性。分散地分布的細(xì)微的單碳化物(VC)或單氮化物(VN)和混合碳化物，當(dāng)V的含量在0.04至0.4％重量范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)調(diào)質(zhì)狀態(tài)下材料的性能方面有良好的效果，其中，V在0.05至0.2％重量范圍內(nèi)，可獲得特別好的硬度值，并在模具有良好尺寸穩(wěn)定性的情況下有高的回火穩(wěn)定性，這一點(diǎn)也許應(yīng)歸諸于均勻分布的微小釩化物的晶核作用。
在合金的金屬所選定的濃度范圍內(nèi)，鐵基合金中C和N的總作用有重要意義。為了如前面曾提及的造成合金元素有利的相互作用，在C和/或N最小濃度為0.25或0.1％重量時(shí)，它們的總含量必須至小為0.5％重量。在C＋N的總含量在0.5到1.2重量％范圍內(nèi)時(shí)令人驚異地發(fā)現(xiàn)，尤其在如同塑料模具中因裝料周期而產(chǎn)生的那種交變應(yīng)力作用下的疲勞強(qiáng)度顯著提高了。這也許應(yīng)歸因于在原子狀態(tài)或微觀范圍內(nèi)N所造成的鈍化層的穩(wěn)定性，并因而避免了由于局部材料腐蝕而萌生裂紋。在材料的腐蝕或交變的應(yīng)力下，如所發(fā)現(xiàn)的那樣，N原子可能(對(duì)此還應(yīng)更準(zhǔn)確地研究)施加了有利的影響。此外，在上述最小總合量時(shí)，立方體心晶格的不穩(wěn)定明顯地開(kāi)始發(fā)生，所以在調(diào)質(zhì)處理時(shí)可用簡(jiǎn)單的方法有留下具有α和δ結(jié)構(gòu)的殘留區(qū)，這就消除了材料的應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向。在硬度和耐磨強(qiáng)度相同的情況下，通過(guò)熔煉有C和N的含Cr馬氏體鋼碳化物含量很小，其中合金基體有較高的強(qiáng)度，從而顯著改善了高負(fù)荷塑料模具的使用性能。C和N有更高的總量為1.2％重量時(shí)，雖然可通過(guò)對(duì)模具用費(fèi)用昂貴的回火和深冷處理產(chǎn)生非常高的硬度，但也驟然增加了它的斷裂危險(xiǎn)性。
在鐵基合金的C和N的總含量為0.61至0.95％重量范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)于用這種材料制成經(jīng)熱調(diào)質(zhì)處理其材料硬度為50至55HRC的塑料模具，尤其用于加工有強(qiáng)烈化學(xué)腐蝕的模壓塑料和具有磨損添加物的塑料時(shí)，能獲得最長(zhǎng)的使用壽命。令人意外的是，塑料制品或壓制件在此模具中的粘附，尤其在產(chǎn)量大的情況下，與合金中N濃度較低時(shí)相比顯著減少，其結(jié)果是大大降低了壓制件的報(bào)廢率。在模具壁上滑動(dòng)摩擦減小的原因尚未完全清楚。
含W量到3.0％重量改善了硬度和磨損強(qiáng)度，然而含量再高則由于W的巨大的C親合性而有害地影響材料的可加工性和退火特性。
No和/或Ti大部分是以單碳化物和單氮化物成分存在，然而濃度至0.18或0.2％重量時(shí)這些元素基本上存在于混合碳化物中，它們顯著改善了鋼的機(jī)械性能和降低了過(guò)熱的危險(xiǎn)。含量再高則尤其在含C量超過(guò)0.7％重量時(shí)會(huì)增加模具的脆性。
Co和Ni在其最多至2.8％重量或3.9％重量的低含量時(shí)改善了材料韌性，其中，為了淬透性Ni(一種構(gòu)成奧氏體的元素)應(yīng)最好不超過(guò)1.5％重量的濃度值。
眾所周知，改善材料的可加工性可通過(guò)加入元素S來(lái)達(dá)到，其最佳值在按照權(quán)利要求2所述的濃度范圍內(nèi)。
為了進(jìn)一步硬化或提高用按本發(fā)明的采用的鐵基合金制造的塑料模具表面的磨損強(qiáng)度，如大量工作所證明的那樣，最好尤其在工作面上按CVD或PVD法制成一個(gè)硬材料層是有利的。
為了能更加明了起見(jiàn)，借助于概括在一個(gè)表格中的一些例子，在下面進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。對(duì)此，使用了8種鐵基合金制造結(jié)構(gòu)相同、具有很高但為同類的化學(xué)負(fù)荷和磨損負(fù)荷的塑料模具，其中將作為現(xiàn)有技術(shù)的DIN1.2361號(hào)材料制的模具各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值用100％表示，以便能清楚地表示用不同材料制的其他模具各項(xiàng)主要試驗(yàn)結(jié)果的比較值。這些值都是取整的總值。對(duì)腐蝕性能、機(jī)械性能、耐久性、硬材料層和耐磨損系數(shù)而言，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值越高越好，而尺寸變化小和材料有更好的可拋光性，則要用小的特征值來(lái)說(shuō)明。
A腐蝕性能B尺寸變化c機(jī)械性能D耐久性便用壽命E硬材料層F耐磨性值G拋光性能(K值)
權(quán)利要求
1.使用一種鐵基合金，它的組成按重量百分比包括C 0.25至1.0，最好0.4到0.8Si至1.0Mn至1.6，最好0.3至0.8N 0.10至0.35，最好0.12至0.29Al至1.0，最好0.002至0.8Co至2.8Cr14.0至25.0，最好16.0至19.0Mo0.5至3.0，最好0.8至1.5Ni至3.9，最好至1.5V 0.04至0.4，最好0.05至0.2W 至3.0Nb至0.18Ti至0.20并規(guī)定，C和N的總濃度為數(shù)值A(chǔ)，其重量百分比最低為0.5和最高為1.2，最好最低為0.61和最高為0.95，其余為鐵和冶煉帶來(lái)的雜質(zhì)，使用這種鐵基合金制造熱調(diào)質(zhì)處理的塑料模具，所具有的硬度至少為45HRC，最好從50至55HRC，以及，具有良好的耐腐蝕性能和/或可拋光性。
2.使用按照權(quán)利要求1所述之鐵基合金，合金中含有按重量百分比計(jì)為0.02至0.45的S，最好是0.20至0.30，使用這種合金的目的與權(quán)利要求1所述之相同。
3.使用按照權(quán)利要求1或2之一所述之鐵基合金，它有一個(gè)表面尤其是工作表面，在此表面上至少局部制成硬材料層，它最好由以單一或混合形式的尤其是元素Ti和/或V和/或Al的碳化物和/或氮化物和/或氧化物構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用一種制造塑料模具用的含Cr的馬氏體合金。為了改善一種熱調(diào)質(zhì)處理的具有最低硬度為45HRC的塑料模具使用性能，規(guī)定，用于此種目的鐵基合金主要包括按重量％計(jì)的以下成分C 0.25至1.0，最好0.4至0.8N 0.10至0.35，最好0.12至0.29Cr 14.0至25.0，最好16.0至19.0Mo 0.5至3.0，最好0.8至1.5V 0.04至0.4，最好0.05至0.2并規(guī)定，C和N的總濃度值A(chǔ)，按重量百分比計(jì)最低為0.5和最高為1.2，最好是最低為0.61和最高為0.95，其余的鐵冶煉帶來(lái)的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C38/24GK1134987SQ9610086
公開(kāi)日1996年11月6日 申請(qǐng)日期1996年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月16日
發(fā)明者格哈德·哈克, 卡爾·萊班, 曼弗雷德·格斯特納 申請(qǐng)人:博哈里爾特種鋼有限公司, 博哈里爾·雅布斯塔爾沃克有限公司