CN1068073C - 铁基合金用于塑料模具的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用一种制造塑料模具用的含Cr的马氏体合金。为了改善一种热调质处理的具有最低硬度为45HRC的塑料模具使用性能，规定，用于此种目的铁基合金主要包括按重量%计的以下成分
C 0.25至1.0
N 0.10至0.35
Cr 14.0至25.0
Mo 0.5至3.0
V 0.04至0.4
并规定，C和N的总浓度值A，按重量百分比计最低为0.5和最高为1.2，其余为铁冶炼带来的杂质。
Description
本发明涉及含铬的马氏体铁基合金用于塑料模具的用途。
为制造用于加工有化学腐蚀性的模压塑料的耐腐蚀塑料模具，多半采用含铬量高于12％的铁基合金。按照要求的或希望的材料硬度，可考虑使用能调质处理的含大约13％Cr和大约0.2或0.4％(重量)C的铬钢，例如按DIN的材料号1.2082和1.2083。这些主要含C和Cr的铁基合金完全可以经济地用于制造小负荷的模具，但是它们的缺点是，对于高腐蚀性的模压塑料和加有磨损添加物的塑料，模具没有足够长的使用寿命。
相应于DIN材料号1.2314，将含Cr量增加至约14.5重量％和提高C量至约0.48％重量以及添加约0.25重量％Mo可以获得用于塑料加工的耐腐蚀性更好的铁基合金。这类材料在实际使用中大多数有足够的耐化学腐蚀性能，然而，特别是涉及含矿物纤维的模压塑料时，它们没有足够的耐磨性。
改善涉及氧化腐蚀和磨损的塑料模具使用性能，可通过在所使用的钢内有较高的含Cr量、高的含C量以及含Mo和含V来达到。按DIN的1.2361号材料便是用于高负荷塑料模具的一种典型的铁基合金。但是，在用这种合金制造工具或模具时，会产生材料变形或不均匀的尽寸变化，这种材料变形或尺寸不均匀的改变要求对所加工的零件作往往是昂贵的再加工或使其报废。正如专业人员所已知的那样，这种不均匀的尺寸变化主要由于碳化物的变形纹理或条状结构引起的。若如所建议的那样减少合金基体中的含C量并因而减少了碳化物成分，则同时也降低了尤其是工具的耐磨性，其结果是在有较高的摩擦负荷时增大了模具的磨蚀，缩短了使用寿命。高含C量的另一个缺点是使钢的膨胀能力差和韧性下降。
本发明的目的是要克服上述这些缺点，并建议使用一种用于具有更好的耐腐蚀性的热调质处理塑料模具的含Cr马氏体铁基合金，这种模具可经济地制造和只有很小的尺寸变化，并具有改善了的使用性能。
为实现上述目的，按本发明提供了一种铁基合金的用途，它的组成按重量百分比包括
C 0.25至1.0
Si 至1.0
Mn 至1.6
N 0.10至0.35
Al 至1.0
Co 至2.8
Cr 14.0至25.0
Mo 0.5至3.0
Ni 至3.9
V 0.04至0.4
W 至3.0
Nb 至0.18
Ti 至0.20
并规定，C和N的总浓度为数值A，其重量百分比最低为0.5和最高为1.2，其余为铁和治炼带来的杂质，使用这种铁基合金制造热调质处理的塑料模具，所具有的硬度至少为45HRC，以及，具有良好的耐腐蚀性能和/或可抛光性。
按本发明获得的优点主要是，在热处理过程中，模具或工具基本上有均匀的尺寸变化。此外，改善了模具的耐腐蚀性能，以及，模具的合金基体具有良好的均质性。使用按本发明的合金制成的塑料模具，不仅其机械性能，而且完全意外的是其耐磨性，均得到了显著的提高。模具材料的这种性能改善的原因是，此铁基合金中含有N，这种元素一方面是一种稳固的奥氏体成分，另一方面通过构成氮化物的元素引起产生金属间的硬相(harter Phasen)。所有主要的合金元素的浓度，是在考虑到N对铁基合金的凝固、析出、热处理时的相变动力学、腐蚀和断裂特性的影响等，相互协调地决定，所以，使用按本发明的材料制造热调质处理的塑料模具，使之具有了显著改善的使用特性。这特别适用于可高度抛光的塑料模具，这种模具往往是需要的，例如在电子工业中使用的模具。虽然在科学上还不能完全说清楚所有的原因，但是已发现了下列关系：在凝固和变形以及一般的热处理过程中，按本发明所采用的模具材料的合金基体中Cr的浓度差很小，与不含氮的马氏体铬钢相比，碳化物成分也较低，从而带来高的耐腐蚀能力和显然有特别良好的可抛光性。然而比14％重量低的含Cr量，会导致跳跃式地增加化学腐蚀，尤其是在有机酸的作用下。当含Cr量高于25％重量时，发现了用作塑料模具时材料的脆化现象，因此，在Cr的浓度的16至18％重量的情况下具有最佳的长期效果。
为增强耐腐蚀性亦即表面钝化层的稳定性有最低含量为0.5％重量的Mo是重要的，但是，Mo有更高的含量如3％重量时，会具有一种铁素体稳定化的效果，因此使合金的可调质性变差。当Mo的含量在0.3至1.5重量％范围内时，鉴于氮化二钼(Mo2N)对材料机械性能但尤其是对耐磨损性能的影响，因而发现有特别良好的结果。
V不仅与C而且与N有很高的亲合性。分散地分布的细微的单碳化物(VC)或单氮化物(VN)和混合碳化物，当V的含量在0.04至0.4％重量范围内时，对调质状态下材料的性能方面有良好的效果，其中，V在0.05至0.2％重量范围内，可获得特别好的硬度值，并在模具有良好尺寸稳定性的情况下有高的回火稳定性，这一点也许应归诸于均匀分布的微小钒化物的晶核作用。
在合金的金属所选定的浓度范围内，铁基合金中C和N的总作用有重要意义。为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最小浓度为0.25或0.1％重量时，它们的总含量必须至小为0.5％重量。在C+N的总含量在0.5到1.2重量％范围内时令人惊异地发现，尤其在如同塑料模具中因装料周期而产生的那种交变应力作用下的疲劳强度显著提高了。这也许应归因于在原子状态或微观范围内N所造成的钝化层的稳定性，并因而避免了由于局部材料腐蚀而萌生裂纹。在材料的腐蚀或交变的应力下，如所发现的那样，N原子可能(对此还应更准确地研究)施加了有利的影响。此外，在上述最小总含量时，立方体心晶格的不稳定明显地开始发生，所以在调质处理时可用简单的方法有留下具有α和δ结构的残留区，这就消除了材料的应力腐蚀裂纹的倾向。在硬度和耐磨强度相同的情况下，通过熔炼有C和N的含Cr马氏体钢碳化物含量很小，其中合金基体有较高的强度，从而显著改善了高负荷塑料模具的使用性能。C和N有更高的总量为1.2％重量时，虽然可通过对模具用费用昂贵的回火和深冷处理产生非常高的硬度，但也骤然增加了它的断裂危险性。
在铁基合金的C和N的总含量为0.61至0.95％重量范围内时，对于用这种材料制成经热调质处理其材料硬度为50至55HRC的塑料模具，尤其用于加工有强烈化学腐蚀的模压塑料和具有磨损添加物的塑料时，能获得最长的使用寿命。令人意外的是，塑料制品或压制件在此模具中的粘附，尤其在产量大的情况下，与合金中N浓度较低时相比显著减少，其结果是大大降低了压制件的报废率。在模具壁上滑动摩擦减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损强度，然而含量再高则由于W的巨大的C亲合性而有害地影响材料的可加工性和退火特性。
No和/或Ti大部分是以单碳化物和单氮化物成分存在，然而浓度至0.18或0.2％重量时这些元素基本上存在于混合碳化物中，它们显著改善了钢的机械性能和降低了过热的危险。含量再高则尤其在含C量超过0.7％重量时会增加模具的脆性。
Co和Ni在其最多至2.8％重量或3.9％重量的低含量时改善了材料韧性，其中，为了淬透性Ni(一种构成奥氏体的元素)应最好不超过1.5％重量的浓度值。
众所周知，改善材料的可加工性可通过加入元素S来达到，其最佳值在按照权利要求2所述的浓度范围内。
为了进一步硬化或提高用按本发明的采用的铁基合金制造的塑料模具表面的磨损强度，如大量工作所证明的那样，最好尤其在工作面上按CVD或PVD法制成一个硬材料层是有利的。
为了能更加明了起见，借助于概括在一个表格中的一些例子，在下面进一步说明本发明。对此，使用了8种铁基合金制造结构相同、具有很高但为同类的化学负荷和磨损负荷的塑料模具，其中将作为现有技术的DIN1.2361号材料制的模具各项试验结果的数值用100％表示，以便能清楚地表示用不同材料制的其他模具各项主要试验结果的比较值。这些值都是取整的总值。对腐蚀性能、机械性能、耐久性、硬材料层和耐磨损系数而言，试验结果的数值越高越好，而尺寸变化小和材料有更好的可抛光性，则要用小的特征值来说明。
| 号 | 钢(DIN材料号) | 化学成分 | 试验结果 | |||||||||||||||||||
| C | Si | Mn | N | Al | CO | Cr | Mo | Ni | V | W | Nb | Ti | CiN | A | B | C | D | E | F | G | ||
| 12345678 | 1.20831.23141.2361KFE1KFE2KFE3KFE4KFE5 | 0.410.480.940.470.630.700.841.04 | 0.60.40.70.50.70.70.60.8 | 0.80.430.60.650.50.480.80.73 | ---0.150.220.240.260.19 | -----0.6-- | -----0.2-- | 13.314.818.216.216.911.821.115.8 | 0.271.151.351.400.820.67.7 | --0.22--0.8-- | --0.100.120.190.060.320.25 | ---0.20.060.72.42.8 | ---0.02-0.030.150.18 | -----0.05-0.18 | ---0.620.850.941.101.23 | 4050100190210180190180 | 100801003035354090 | 8090100250230220300110 | 304010040035030020080 | 100100100250250450250200 | 4060100270280320340400 | 110951004538424075 |
A腐蚀性能
B尺寸变化
c机械性能
D耐久性便用寿命
E硬材料层
F耐磨性值
G抛光性能(K值)
Claims (6)
1．一种铁基合金的用途，它的组成按重量百分比包括
C 0.25至1.0
Si 至1.0
Mn 至1.6
N 0.10至0.35
Al 至1.0
Co 至2.8
Cr 14.0至25.0
Mo 0.5至3.0
Ni 至3.9
V 0.04至0.4
W 至3.0
Nb 至0.18
Ti 至0.20
并规定，C和N的总浓度为数值A，其重量百分比最低为0.5和最高为1.2，其余为铁和治炼带来的杂质，使用这种铁基合金制造热调质处理的塑料模具，所具有的硬度至少为45HRC，以及，具有良好的耐腐蚀性能和/或可抛光性。
2．按照权利要求1所述的铁基合金的用途，其特征在于，上述铁基合金的成分按重量百分比包括：
C 0.4到0.8
Si 至1.0
Mn 0.3至0.8
N 0.12至0.29
Al 0.002至0.8
Co 至2.8
Cr 16.0至19.0
Mo 0.8至1.5
Ni 至1.5
V 0.05至0.2
W 至3.0
Nb 至0.8
Ti 至0.20
其余为铁和冶炼带来的杂质。
3．按照权利要求1或2所述的铁基合金的用途，其特征在于：上述C和N的总浓度数值A按重量百分比最低为0.61，最高为0.95，用于制造具有硬度为50至55HRC的热调质处理的塑料模具。
4．按照权利要求1或2所述之铁基合金的用途，其特征在于：合金中含有按重量百分比计为0.02至0.45的S。
5．按照权利要求1或2所述之铁基合金的用途，其特征在于：合金中含有按重量百分比计为0.20至0.30的S。
6．按照权利要求1或2所述之铁基合金的用途，其特征在于：它有一个表面，在此表面上至少局部制成硬材料层，它由以单一或混合形成的元素Ti和/或V和/或Al的碳化物和/或氮化物和/或氧化物构成。
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