專利名稱：用于熱成型工具的鋼、由所述鋼制成的部件及其制造方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橛糜跓岢尚凸ぞ叩匿摚鲣摽捎糜阼T造和模制，鍛造，拉延或擠壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選、但不限于此的應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)用于在壓力下鑄造基于鋁或鎂的輕質(zhì)合金或銅合金(cuprous alloys)的大尺寸模具。 在應(yīng)用過程中，熱成型用的工具要經(jīng)受循環(huán)應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致它們的損壞。這些應(yīng)力的產(chǎn)生源為-由機(jī)械如(壓力機(jī))直接施加的作用力導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力；-熱應(yīng)力由于交替接觸待轉(zhuǎn)化的熱物質(zhì)并被噴灑潤(rùn)滑油或耐火涂料冷卻，使溫度突然變化，從而產(chǎn)生膨脹梯度，這是產(chǎn)生局部機(jī)械應(yīng)力的原因。在某些情況下，破壞是由于突然的斷裂造成的，當(dāng)材料的韌性不足時(shí)，這種斷裂會(huì)造成工具的瞬間損壞。通常這是由裂紋造成的，這種裂紋在應(yīng)用的最初幾百個(gè)循環(huán)過程中產(chǎn)生，然后逐漸發(fā)展，直至在數(shù)萬或數(shù)十萬個(gè)循環(huán)后，使工具發(fā)生毀滅性破壞。這種過程通常稱為“熱疲勞”。抗熱疲勞所造成的破壞要求在熱循環(huán)過程中溫度的最低點(diǎn)時(shí)具有足夠的韌性。這種性質(zhì)一般是用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊彎曲能而加以測(cè)定，被測(cè)試的試樣處于環(huán)境溫度和150°C之間。還要求在使用過程中，在循環(huán)過程中溫度最高點(diǎn)時(shí)具有足夠的硬度和抗軟化性。大尺寸模具或工具(如具有大于200mm的厚度)的生產(chǎn)，要求制備它們的鋼材具有更高的性能。在淬火過程中，由于冷卻速度是通過局限于表面的熱流自然緩和的，且生產(chǎn)者關(guān)心的是部件不變形或不損壞，因此所述鋼材不會(huì)產(chǎn)生占絕大多數(shù)的馬氏體淬火結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能得到最佳的使用性能。對(duì)于每一種組合物，QCC圖(連續(xù)冷卻淬火)能描述根據(jù)冷卻速度形成的相的性質(zhì)，但是眾所周知的是，這種圖無法計(jì)算由于淬火速度的降低導(dǎo)致的淬火/回火狀態(tài)中韌性的損失量。已知的具有這種用途的鋼材可為-AISI Hll 鋼，其大約含有 C = O. 40%, Si = O. 90%, Mn = O. 40%, Cr = 5%,Mo=I. 30%, V = O. 5% ；-AISI H13鋼，與前者相同，不同在于包含V = 0.95% ;-W-L 2367 鋼，其大約含有 C = O. 40%, Si = O. 30%, Mn = O. 40%, Cr = 5%,Mo=2. 9%, V = O. 65% ；
-可與AISIHll相比的鋼，但含有Si = O. 3 %和Ni = O. 2 % (參見EP-B1-0663018);其標(biāo)稱的成分為 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 %。為了提高這些已知鋼材的性能，已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，這些研究關(guān)注的是在硬度、韌性和使用時(shí)性能的穩(wěn)定性(特別是硬度)之間獲得更好的平衡。因此，相對(duì)于Hll鋼，如上述H13鋼和W-1. 2367鋼通過提高鋼中Mo和V的含量，可以提高受熱時(shí)的耐性，然而這卻導(dǎo)致了韌性的降低。另一方面，如果降低Si的含量或者加入Ni，能提高韌性，也能提高可淬火性。但是，Ni會(huì)降低受熱時(shí)的硬度和屈服強(qiáng)度。本發(fā)明的目的是提供一種用于熱成型工具的新等級(jí)的鋼，其在上文提及的各項(xiàng)性能之間取得了優(yōu)異的平衡。為此，本發(fā)明涉及一種用于熱成型工具的鋼，具有以重量百分比表示的組成
-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(guān) 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其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選地，O.33%彡 C 彡 O. 38%。優(yōu)選地，痕量彡Si彡040%。優(yōu)選地，痕量彡Mn彡O. 60 %。優(yōu)選地，4.6 % 彡 Cr 彡 6. O %。
優(yōu)選地，I.60% 彡 Mo 彡 2. 00%且 I. 60%^ Mo+0. 65W 彡 2. 20%。優(yōu)選地，痕量彡Al ( O. 030%。優(yōu)選地，痕量彡S彡O. 0010%。優(yōu)選地，痕量彡P(guān)彡O. 0080%。優(yōu)選地，痕量彡Ti彡O. 01 %。優(yōu)選地，痕量<Zr < O. 02%。優(yōu)選地，痕量彡Nb彡O. 01 %。優(yōu)選地，痕量彡N彡O. 01 %。優(yōu)選地，10P+As+5Sb+4Sn彡 O. 10 %。優(yōu)選地，痕量<O ( 15ppm。優(yōu)選地，-O.35 彡 K 彡 O. 35。 優(yōu)選地-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%。優(yōu)選地-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%。優(yōu)選地-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%。優(yōu)選地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。本發(fā)明還涉及由鋼制備的部件的制備方法，其特征在于所述鋼是由前述鋼制備的，且在1000 1050°C下進(jìn)行奧氏體轉(zhuǎn)變，然后淬火。優(yōu)選地，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為1015 1040°C。優(yōu)選地，淬火后，將所述部件在550 650°C下，進(jìn)行至少兩次回火，使所述部件的硬度為42 52HRC。本發(fā)明還涉及由上述方法制得的鋼制備的部件，其特征在于所述部件是熱成型用工具的部件。所述部件具有大于或等于200_的厚度。所述部件是用于在壓力下鑄造輕質(zhì)合金或銅合金的模具。所述部件是鍛造工具。所述部件是鍛模。所述工具是用于鋼管的鉆孔或軋制工具。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。所述部件用如下鋼材制備(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%,而且所述部件是鋁合金鑄造用的擠出模。本發(fā)明還涉及用于熱成型的工具的部件的用途，其特征在于所述部件由如下鋼材制備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 %，且其表面的工作溫度保持低于680。。。本發(fā)明還涉及用于熱成型的工具的部件的用途，其特征在于所述部件由如下鋼材制備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%,且使用時(shí)其表面溫度保持低于770V。將會(huì)理解的是，與上文提及的已知鋼相比，尤其是EP-B1-0663018中的鋼相比，本發(fā)明特別是使起軟化和穩(wěn)定作用的元素Mo和V與中和它們?nèi)趸饔玫腘i同時(shí)相互匹配。所有這些使得可淬火性得以提高，從而在大部件上再現(xiàn)這些性能，而此前這些性能只能在小部件上獲得。由于發(fā)明人首先致力于有效測(cè)量熱成型工具使用時(shí)通過其表面的瞬時(shí)熱流量，從而使得優(yōu)化本發(fā)明的鋼的成分成為可能。然后，發(fā)明人通過計(jì)算由于熱沖擊(所述熱沖擊會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生)導(dǎo)致的瞬時(shí)熱應(yīng)力，進(jìn)行推導(dǎo)。這能更好地理解材料工作時(shí)的力學(xué)行為。由于在重現(xiàn)工業(yè)淬火速度的試樣上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，以及熱力學(xué)模擬，發(fā)明人得以了建立鋼的成分，應(yīng)用前的熱處理參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。特別是，發(fā)明人證實(shí)，組分和淬火溫度之間的相互依賴性對(duì)獲得各種力學(xué)性能的平衡具有特別重要的影響，而這些力學(xué)性能又對(duì)用于熱成型工具的鋼具有特別重要的作用。通過閱讀下文的描述以及參照附圖
，能更好地理解本發(fā)明-圖I表明的是，隨著許可溫度的變化，參照組合物(圖Ia) 圖Ie))和本發(fā)明的組合物(圖If))的未溶解的碳化物的分?jǐn)?shù)變化。-圖2是參照鋼(圖2a))和本發(fā)明的鋼(圖2b))的QCC曲線。-圖3是不同參照試樣和本發(fā)明的試樣淬火后的斷裂能的比較，該淬火是在實(shí)驗(yàn)室條件下和工業(yè)條件下進(jìn)行的。測(cè)試是在具有表I所列的組分的試樣上進(jìn)行的，具體的測(cè)試方法參見下文的描述。在該表中，系數(shù)K2, Kl和K對(duì)應(yīng)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權(quán)利要求
1.用于熱成型工具的鋼，具有以重量百分比表示的如下組分 -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 余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼，其特征在于0.33%≤ C≤ O. 38%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<Si < O. 40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量≤ Mn≤ O.60%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于4.Cr < 6. 0%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于1.60%≤ Mo ( 2. 00%，且1.60%(Mo+0. 65W ≤ 2. 20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<Al ( O. 030%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<S≤ O. 0010%。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<PS 0. 0080%。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<Ti < O. 01%。
11.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<Zr < O. 02%。
12.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<Nb < O. 01%。
13.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<N < O. 01%。
14.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于10P+As+5Sb+4Sn≤ O.10%。
15.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于痕量<O ( 15ppm。
16.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于-0.35 < K < O. 35。
17.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，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.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，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.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，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.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鋼，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
本發(fā)明涉及用于熱成型工具的鋼，所述鋼的成分如下(重量百分?jǐn)?shù))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，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明還涉及由所述鋼制成的部件及其制造方法和用途。
文檔編號(hào)C22C38/46GK102851608SQ20121004612
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者尼古拉斯·比諾, 安德烈·格雷利耶, 皮埃爾·埃馬紐埃爾·里奇 申請(qǐng)人:奧貝特迪瓦爾公司