本發(fā)明涉及要求高的硬度和良好的耐蝕性的塑料成形模具(plasticformingmould)用的馬氏體不銹鋼。本發(fā)明還涉及由該發(fā)明鋼制成的塑料成形模具。
背景技術(shù)：
：使用不銹鋼、特別是預(yù)硬化400系列不銹鋼(如AISI420和AISI440)作為塑料成形模具用的材料也是已知的。然而，這些鋼傾向于偏析碳化物和形成δ鐵素體。在這些鋼中在硬化和回火條件下還可存在大量的殘余奧氏體。因此，機械性質(zhì)對于塑料模具應(yīng)用不是最佳的。具有約0.35-0.40wt.％的中碳含量的不銹鋼(如類型AISI420、DIN1.2316和DIN1.2085的鋼)遭受相對低的硬度，其導(dǎo)致受限的耐磨性。類型AISI440(例如AISI440C)的不銹鋼具有約1wt.％的碳含量和良好的耐磨性。如圖1中所示，該鋼在低溫或高溫下回火之后可獲得在58-60HRC范圍內(nèi)的硬度。然而，如圖2中所示，這些鋼遭受降低的耐蝕性，尤其在470-500℃的溫度范圍內(nèi)的退火之后。可使用在200℃的低溫退火以獲得58-60HRC的硬度和足夠的耐蝕性。然而，低溫退火的嚴重缺陷在于鋼將傾向于開裂(裂紋化，cracking)。具體地，開裂將在放電加工(ElectroDischargeMachining，EDM)期間或者甚至在研磨之后發(fā)生。因此，鋼AISI440C在用于塑料模具時需要經(jīng)歷高溫退火以防止開裂但是進而損害了耐蝕性。除了以上缺陷之外，鋼AISI440C還由于高的殘余奧氏體的量而在熱處理時具有低的尺寸穩(wěn)定性。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的總體目的是提供適宜作為塑料成形模具用的材料的可經(jīng)歷EDM的不銹鋼。具體地，所述不銹鋼應(yīng)為馬氏體的，具有高的硬度和良好的耐蝕性(即使在高溫退火之后也是如此)以及良好的尺寸穩(wěn)定性。另一個目的是提供由所述新的不銹鋼制成的塑料成形模具。通過提供具有如在合金權(quán)利要求中闡述的組成的不銹鋼顯著地實現(xiàn)了前述目的以及額外優(yōu)點。所述鋼具有滿足由塑料模具制造者提出的對于材料性質(zhì)的提升要求的性質(zhì)概況(profile)。發(fā)明定義在權(quán)利要求中。具體實施方式下面簡要地解釋所主張的合金的單獨元素的重要性和它們彼此的相互作用以及化學(xué)成分的限制。有用和優(yōu)選的范圍定義在權(quán)利要求中。鋼的化學(xué)組成的全部百分比在整個說明書中以重量％(wt.％)給出。碳(0.56-0.82％)碳對于淬透性是有利的且以0.56％的最小含量、優(yōu)選至少0.62％、0.64％或0.66％存在。在高碳含量下，M23C6、M7C3和M2C(其中M代表Cr、Fe、Mo、V或其它碳化物形成元素)類型的碳化物可以太高的量形成于鋼中，導(dǎo)致降低的延性和耐蝕性。而且，高碳含量還可導(dǎo)致增大量的殘余奧氏體。因此，碳含量不應(yīng)超過0.82％。碳的上限可設(shè)定為0.80％、0.74％、0.72％或0.70％。氮(0.08-0.25％)氮被限制于0.08-0.25％以獲得期望的類型和量的硬質(zhì)相、尤其是V(C,N)。當相對于釩含量適當?shù)仄胶獾繒r，富含釩的碳氮化物V(C,N)將形成。這些將在奧氏體化步驟期間部分地溶解且然后在回火步驟期間作為納米尺寸的粒子沉淀。據(jù)認為釩的碳氮化物的熱穩(wěn)定性比釩的碳化物的熱穩(wěn)定性好，因此可改善不銹工具鋼的耐回火性。此外，通過回火至少兩次，回火曲線將具有較高的二次峰(副峰，secondarypeak)。然而，過量添加可導(dǎo)致孔的形成。N的優(yōu)選范圍包括：0.10-0.20％，0.10-0.18％，0.12-0.20％和0.12-0.18％。硅(1.05-2.0％)硅用于脫氧。Si增大鋼中碳的活度。Si還改善所述鋼的機械加工性。為了得到期望的效果，Si的含量應(yīng)為至少1.05％、優(yōu)選更高例如1.15％或1.25％。然而，Si是強的鐵素體形成物(形成元素，former)且因此應(yīng)限制于≤2.0％、優(yōu)選限制于1.65％、1.50％或1.45％。在本發(fā)明的鋼中，似乎硅對回火響應(yīng)具有有利效果，因為二次硬化的峰將在較低溫度下出現(xiàn)且硬度將增大。錳(0.2-1.0％)錳有助于改善鋼的淬透性，且錳與硫一起可通過形成錳的硫化物而有助于改善機械加工性。此外，Mn增大氮在所述鋼中的溶解度。因此，錳應(yīng)以0.2％的最小含量、優(yōu)選至少0.3％存在。然而，Mn是通過廢料添加而引入所述鋼中的使得由于成本原因下限可設(shè)定至0.35％或0.40％。錳為奧氏體穩(wěn)定化元素且應(yīng)限制于1.0％、0.8％、0.65％或0.60％以避免太多的殘余奧氏體。優(yōu)選的范圍包括0.40-0.65％和0.40-0.60％。鉻(12-16％)鉻是不銹鋼中最重要的元素。鉻當以至少12％的溶解量存在時導(dǎo)致在鋼表面上鈍化膜的形成。鉻應(yīng)以在12％和16％之間的量存在于所述鋼中以給予所述鋼良好的淬透性和耐蝕性。優(yōu)選地，Cr以大于13％的量存在以保證良好的耐點蝕性。下限按照預(yù)期應(yīng)用進行設(shè)定且可為13.1％、14.0％、14.2％或14.7％。然而，Cr是強的鐵素體形成物，且為了避免硬化之后的鐵素體，量需要控制。出于實際原因，上限可降低至15.8％、15.7％、15.5％或15.1％。優(yōu)選的范圍包括14.2-15.5％和14.7-15.1％。鉬(0.1-0.8％)Mo已知對淬透性具有非常有利的效果。它還已知改善耐點蝕性。此外，Mo還促進二次硬化且比W更多地促進M(C,N)的形成。最小含量為0.1％，且可設(shè)定為0.17％、0.23％、0.25％或0.30％。鉬是強的碳化物形成元素且也是強的鐵素體形成物。因此，鉬的最大含量為0.8％。優(yōu)選地，Mo限制于0.7％、0.65％、0.55％或甚至0.50％。釩(0.10-0.45％)釩在鋼的基體中形成均勻分布的M(C,N)類型的一次沉淀的碳氮化物。在本發(fā)明的鋼中，M主要為釩，但是可存在顯著量的Cr和一些Mo。因此，釩應(yīng)以0.10-0.45％的量存在。上限可設(shè)定為0.40％、0.35％或0.30％。下限可設(shè)定為0.15％、0.20％、0.22％或0.25％。上限和下限可在權(quán)利要求1中所闡述的界限內(nèi)自由地組合。鋁(≤0.3％)鋁可用于脫氧。在大多數(shù)情形中，鋁含量限制于0.06％。合適的上限為0.06％、0.046％、0.036％和0.03％。為了確保足夠的脫氧而設(shè)定的合適的下限為0.005％和0.01％。任選的元素鎳(≤1％)鎳給予所述鋼良好的淬透性和韌性。由于費用，應(yīng)限制所述鋼的鎳含量。優(yōu)選的含量為≤0.5％或≤0.35％。最優(yōu)選地，不故意添加Ni。銅(≤3％)Cu是任選的元素，其可有助于增大所述鋼的硬度和耐蝕性。此外，它有助于所述鋼的耐蝕性以及機械加工性。如果使用，優(yōu)選的范圍為0.02-2％和0.02-0.5％。然而，一旦已經(jīng)添加銅，就不可能從所述鋼中提取出銅。這急劇地使廢料處理更困難。由于該原因，正常情況下不故意添加銅。鈷(≤3％)Co是任選的元素。它有助于增大馬氏體的硬度。最大量為3％。然而，由于實際原因例如廢料處理，不故意添加Co。優(yōu)選的最大含量可設(shè)定為0.15％。鎢(≤0.8％)鎢可在不對所述鋼的性質(zhì)太有害的情況下以最高0.8％的含量存在。然而，鎢在凝固期間傾向于偏析，且可引起不想要的δ鐵素體。此外，鎢是昂貴的，且它還使廢料的處理復(fù)雜化。因此，最大量限制于0.8％、優(yōu)選0.5％，優(yōu)選地不進行故意添加。鈮(≤0.1％)鈮和釩類似，因為它形成M(C,N)類型的碳氮化物。Nb的最大添加為0.1％。優(yōu)選地，不添加鈮。磷(≤0.05％)P是雜質(zhì)元素，其可導(dǎo)致回火脆性。因此，其限制于≤0.05％、0.03％、0.020％、0.01％或0.005％。硫(≤0.5％)硫優(yōu)選地限制于S≤0.004％以減少夾雜物的數(shù)量。然而，S有助于改善鋼的機械加工性。用于改善鋼在硬化和回火條件下的機械加工性的合適含量為0.07-0.15％。在高的硫含量下，存在熱脆性的風(fēng)險。而且，高的硫含量可對鋼的疲勞性質(zhì)具有負面影響。因此，所述鋼應(yīng)包含≤0.5％。然而，如果通過電渣重熔(ElectroSlagRemelting，ESR)制造鋼，那么硫含量應(yīng)非常低，優(yōu)選≤0.002％、更優(yōu)選≤0.001％或≤0.0008％。氧(任選地0.003-0.01％)可在鋼包處理期間向鋼中故意添加氧以在所述鋼中形成期望量的氧化物夾雜物，且從而改善所述鋼的機械加工性。氧含量進而控制到落在0.003-0.01％的范圍內(nèi)。優(yōu)選的范圍為0.003-0.007％。然而，如果通過電渣重熔(ESR)制造鋼，那么氧含量可降低至≤0.001％、優(yōu)選≤0.0008％。鈣(任選地0.0003-0.009％)可在鋼包處理期間向鋼中故意添加鈣以形成期望組成和形狀的夾雜物。鈣進而以0.0003-0.009、優(yōu)選0.0005-0.005的量添加。Be、Se、Mg和REM(稀土金屬)這些元素可以所主張的量添加至鋼中以進一步改善機械加工性、熱加工性和/或焊接性。硼(≤0.01％)可使用B以進一步增大鋼的硬度。所述量限制至0.01％、優(yōu)選≤0.003％。Ti、Zr和Ta這些元素是碳化物形成物，且可以所主張的范圍存在于合金中以改變硬質(zhì)相的組成。然而，正常情況下這些元素均不添加。PRE通常使用耐點蝕當量(PRE)以量化不銹鋼的耐點蝕性。較高的值表明較高的耐點蝕性。對于高氮馬氏體不銹鋼，可使用以下表達式：PRE＝％Cr+3.3％Mo+30％N其中％Cr、％Mo和％N是在奧氏體化溫度(TA)下溶解于所述基體中的含量。所述溶解的含量可對于實際奧氏體化溫度(TA)用Thermo-Calc計算和/或在淬火之后的鋼中測量。所述奧氏體化溫度(TA)在950-1200℃、典型地1000-1050℃的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，PRE數(shù)在16-18的范圍內(nèi)。鋼制造具有所主張的化學(xué)組成的不銹鋼可通過常規(guī)的煉鋼或通過粉末冶金(PM)而制造。這種類型的鋼通常通過在電弧爐(ElectricArcFurnace，EAF)中使廢料熔融、然后使所述鋼經(jīng)歷鋼包冶金、和任選地真空脫氣而制成。氧含量可如下而在鋼包中的液體鋼中增大：通過攪拌熔體和使熔體表面暴露于大氣和/或通過添加軋鋼皮(millscale)。可在冶金處理結(jié)束時優(yōu)選以CaSi添加鈣。然而，該處理是任選的，且其只在對所述鋼的機械加工性存在特殊要求時才進行。所述熔體通過鑄錠、適宜地底鑄而鑄造成錠。可使用粉末冶金(PM)制造，但是正常情況下由于成本原因而不使用。另一方面，塑料模具用的鋼通常要求高的潔凈度。由于該原因，可在加工途徑中包括一個或多個重熔步驟例如VIM、VAR或ESR。在大多數(shù)情形中，ESR是優(yōu)選途徑。可對鋼進行熱處理以和用于類型400系列的不銹鋼相似的方式調(diào)節(jié)硬度。硬化溫度范圍優(yōu)選在980℃-1030℃的范圍內(nèi)，因為超過1030℃將導(dǎo)致晶粒生長和增大的殘余奧氏體含量。保持時間應(yīng)為約30分鐘。1020℃的溫度是優(yōu)選的。所述鋼應(yīng)回火兩次，中間冷卻至室溫。在回火溫度下的保持時間應(yīng)為最少2小時。應(yīng)使用的最低回火溫度為250℃。當使用1020℃作為硬化溫度時，在250℃下回火之后可達到56-58HRC的硬度。在520℃下回火之后可達到58-60HRC的硬度。后一處理除去殘余奧氏體且得到接近于零的尺寸變化。實施例通過常規(guī)冶金術(shù)制備根據(jù)本發(fā)明的鋼組合物。對比鋼為標準AISI440C。所檢查的鋼的組成在表1中給出(以wt.％計)，除雜質(zhì)以外余量為Fe。表1所檢查的鋼的組成元素發(fā)明鋼對比鋼AISI440CC0.681.05Si1.350.42Mn0.530.43Cr14.916.6Ni0.140.29Mo0.430.49V0.290.06Al0.0160.014N0.160.051通過在1000-1050℃下奧氏體化30分鐘和在400-550℃下以2小時回火兩次而對發(fā)明鋼進行硬化。結(jié)果示于表2中。表2發(fā)明鋼的硬化結(jié)果對對比鋼也進行硬化和回火，且結(jié)果示于表3中。表3對比鋼AISI440C的硬化結(jié)果可以看出，對比鋼在450℃和500℃下回火之后可實現(xiàn)所要求的硬度，但是殘余奧氏體的量太高而不能保證良好的尺寸穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗，為了獲得良好的尺寸穩(wěn)定性，殘余奧氏體的量在硬化期間和在制造中應(yīng)小于8％。盡管可使用較高的回火溫度以減少殘余奧氏體的量，但是較高的回火溫度不是可選項，因為硬度將非常低。在全部試驗中發(fā)現(xiàn)發(fā)明鋼的耐蝕性優(yōu)于對比鋼AISI440C。所述試驗在0.1摩爾的H2SO4中在室溫進行。圖3中所示的一個對比試驗的結(jié)果揭示了在500℃下回火之后發(fā)明鋼具有比AISI440C顯著更好的耐蝕性。進行了另外的試驗以比較發(fā)明鋼和參照鋼的其它性質(zhì)。結(jié)果總結(jié)于圖4中，且可以看出，發(fā)明鋼具有對于塑料成形模具中的預(yù)期用途而言改善的性質(zhì)概況。盡管所述鋼合金是為了在塑料成形模具中使用而專門開發(fā)的，但是相信所述合金可用于很多其它應(yīng)用。可想到的應(yīng)用包括但不限于刀具，尤其是在其中要求耐蝕性的領(lǐng)域中例如在食品加工產(chǎn)業(yè)和塑料回收產(chǎn)業(yè)中的刀具、螺桿、切碎機刀盤和壓輥。所述鋼可以任何常規(guī)的形式(包括棒和帶)提供。當前第1頁1 2 3