[发明专利]模具用贝氏体钢

说明书

本发明涉及用于工具、模具、模具支架、工具支架中的多种用途的贝氏体钢，其具有通过贝氏体转变获得的均匀硬度作为其主要特征，且不需要高含量的昂贵元素如镍和钼或者淬火工艺。因此，这样的钢在合金和使用它们的大块体的热处理中提供可观的成本收益。该合金的基于其显微组织方面的仔细设计为本发明的钢物品提供了与工具、模具和底座中所用的传统硬合金接近的硬度和性质，但它们的成本显著降低。

工具和模具通常用于其它材料成形工艺，无论是热塑性聚合材料(常称作塑料)还是金属材料。根据用于制造它们的材料的性质，在工艺中在环境温度或通常达到700℃的高温下使用这些工具。本发明的钢特别适用于在环境温度下或在低于500℃的温度下工作的模具或工具，以及用于一般用途的模具支架或工具支架。此类应用的典型实例是通常不超过300℃的塑料成形用模具。它们也适用于一般在环境温度下工作但耐受在若干条件下使用的工具的应力的模具支架和工具支架。

因此，塑料模具和模具支架可以被视为本发明的钢的典型应用。在此类应用中，制造工具所用的材料的许多特性是重要的，一些与模具用途相关，另一些与它们的制造相关。关于模具或模具支架用途的特性，强度性质是重要的，通常与材料的硬度以及沿材料截面的均匀性相关。另一方面，诸如对材料的抛光、纹理化和机械加工能力的响应之类的性质对模具或模具支架的经济制造而言是重要的。

为了达到这些要求，传统钢通过淬火和回火经受热处理。淬火处理对大尺寸的块体而言是复杂的，并需要在油槽或在用聚合物改性的水介质中快速冷却。对用于大模具的块体而言，使用大于80,000升的槽，这导致重大的操作困难。除冷却工艺外，必须使用促进淬硬性的元素如镍、锰和钼来改进这些材料的化学组成。如表1所示，这些元素在现有技术状况的钢中以显著含量存在，也与最终需要的硬度相关。

在此意义上，正在进行新的发展。例如专利EP0805220和US5855846的目标是生产用于模具的具有较低合金元素含量的贝氏体钢。但是，在此发明中，用最高的铬含量获得硬度(在DIN 1.2738的相同范围内)，从而降低热导率的任何可能收益并产生更高的成本。另一方面，发明US5695576展示了使用高Al含量和Si含量的概念，这可能因存在非金属夹杂物而损害合金的机械加工能力。如实施例2中所示，高的Si含量也可能损害淬硬性。专利PI9602054-7和PI0308832-4依循相同的概念，但试图仅获得最高的硬度范围(430至530HB)和低于200毫米的厚度，然而更大量的用途是300HB的模具，未满足这种需求。这些专利都没有显示出在无需淬火处理(即，使用空气冷却)的情况下在大块体(厚度大于200毫米)中应用的实施例。它们也没有描述避免因缓慢冷却造成的可能脆化的可能性，无论是通过调节合金还是热处理方式。

表1：现有技术状况的合金。

仅显示出主要的合金元素，以质量百分比为单位且铁为余量。

*类别中最重要的。

因此，获得工具钢块体的硬度时涉及的困难和成本是明显的，无论是通过化学组成还是特殊的热处理工艺。因此，显然需要在无需使用快速冷却并且也无需使用大的合金元素含量的情况下能够被硬化产生大块体(截面大于500毫米)的钢。并且优选地，这种钢能够满足适用于模具的整个硬度范围，即300至420HB。

本发明的主题是满足所有这些需求。

本发明中提出的贝氏体钢无需淬火即可被硬化，而且具有贫含高成本元素(如镍、钼和铬)的化学组成。

为了满足上述条件，本发明的合金具有按质量百分比计由如下构成的合金元素组成：

*碳：0.05至1.0，优选0.1至0.7，典型为0.15至0.6。

*锰：0.5至5.0，优选1.0至3.0，典型为1.5至2.5。锰可以按1质量份锰对1质量份铜或镍的比率被镍或铜部分或完全替代。

*磷、硼、钛和钒：它们具有类似作用，因此它们必须按如下比率配给NU＝[Ti+P+10B+(V-0.10)]；其中NU必须具有0.02至0.30的值，典型为0.06至0.20的值。钒可以按1份钒相当于2份铌或钽的质量比被铌或钽部分或完全替代。

*钛：独立于比率NU，最小钛含量必须为0.005，典型高于0.015，优选高于0.020；但是，其绝不能高于0.10，优选低于0.05，且典型低于0.040。

*硼：除上述比率外，必须控制最大硼含量，使其低于0.010，优选低于0.007，典型低于0.004。