本发明涉及要求高的硬度和良好的耐蚀性的塑料成形模具(plasticformingmould)用的马氏体不锈钢。本发明还涉及由该发明钢制成的塑料成形模具。
背景技术：
：使用不锈钢、特别是预硬化400系列不锈钢(如AISI420和AISI440)作为塑料成形模具用的材料也是已知的。然而，这些钢倾向于偏析碳化物和形成δ铁素体。在这些钢中在硬化和回火条件下还可存在大量的残余奥氏体。因此，机械性质对于塑料模具应用不是最佳的。具有约0.35-0.40wt.％的中碳含量的不锈钢(如类型AISI420、DIN1.2316和DIN1.2085的钢)遭受相对低的硬度，其导致受限的耐磨性。类型AISI440(例如AISI440C)的不锈钢具有约1wt.％的碳含量和良好的耐磨性。如图1中所示，该钢在低温或高温下回火之后可获得在58-60HRC范围内的硬度。然而，如图2中所示，这些钢遭受降低的耐蚀性，尤其在470-500℃的温度范围内的退火之后。可使用在200℃的低温退火以获得58-60HRC的硬度和足够的耐蚀性。然而，低温退火的严重缺陷在于钢将倾向于开裂(裂纹化，cracking)。具体地，开裂将在放电加工(ElectroDischargeMachining，EDM)期间或者甚至在研磨之后发生。因此，钢AISI440C在用于塑料模具时需要经历高温退火以防止开裂但是进而损害了耐蚀性。除了以上缺陷之外，钢AISI440C还由于高的残余奥氏体的量而在热处理时具有低的尺寸稳定性。技术实现要素：本发明的总体目的是提供适宜作为塑料成形模具用的材料的可经历EDM的不锈钢。具体地，所述不锈钢应为马氏体的，具有高的硬度和良好的耐蚀性(即使在高温退火之后也是如此)以及良好的尺寸稳定性。另一个目的是提供由所述新的不锈钢制成的塑料成形模具。通过提供具有如在合金权利要求中阐述的组成的不锈钢显著地实现了前述目的以及额外优点。所述钢具有满足由塑料模具制造者提出的对于材料性质的提升要求的性质概况(profile)。发明定义在权利要求中。具体实施方式下面简要地解释所主张的合金的单独元素的重要性和它们彼此的相互作用以及化学成分的限制。有用和优选的范围定义在权利要求中。钢的化学组成的全部百分比在整个说明书中以重量％(wt.％)给出。碳(0.56-0.82％)碳对于淬透性是有利的且以0.56％的最小含量、优选至少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)类型的碳化物可以太高的量形成于钢中，导致降低的延性和耐蚀性。而且，高碳含量还可导致增大量的残余奥氏体。因此，碳含量不应超过0.82％。碳的上限可设定为0.80％、0.74％、0.72％或0.70％。氮(0.08-0.25％)氮被限制于0.08-0.25％以获得期望的类型和量的硬质相、尤其是V(C,N)。当相对于钒含量适当地平衡氮含量时，富含钒的碳氮化物V(C,N)将形成。这些将在奥氏体化步骤期间部分地溶解且然后在回火步骤期间作为纳米尺寸的粒子沉淀。据认为钒的碳氮化物的热稳定性比钒的碳化物的热稳定性好，因此可改善不锈工具钢的耐回火性。此外，通过回火至少两次，回火曲线将具有较高的二次峰(副峰，secondarypeak)。然而，过量添加可导致孔的形成。N的优选范围包括：0.10-0.20％，0.10-0.18％，0.12-0.20％和0.12-0.18％。硅(1.05-2.0％)硅用于脱氧。Si增大钢中碳的活度。Si还改善所述钢的机械加工性。为了得到期望的效果，Si的含量应为至少1.05％、优选更高例如1.15％或1.25％。然而，Si是强的铁素体形成物(形成元素，former)且因此应限制于≤2.0％、优选限制于1.65％、1.50％或1.45％。在本发明的钢中，似乎硅对回火响应具有有利效果，因为二次硬化的峰将在较低温度下出现且硬度将增大。锰(0.2-1.0％)锰有助于改善钢的淬透性，且锰与硫一起可通过形成锰的硫化物而有助于改善机械加工性。此外，Mn增大氮在所述钢中的溶解度。因此，锰应以0.2％的最小含量、优选至少0.3％存在。然而，Mn是通过废料添加而引入所述钢中的使得由于成本原因下限可设定至0.35％或0.40％。锰为奥氏体稳定化元素且应限制于1.0％、0.8％、0.65％或0.60％以避免太多的残余奥氏体。优选的范围包括0.40-0.65％和0.40-0.60％。铬(12-16％)铬是不锈钢中最重要的元素。铬当以至少12％的溶解量存在时导致在钢表面上钝化膜的形成。铬应以在12％和16％之间的量存在于所述钢中以给予所述钢良好的淬透性和耐蚀性。优选地，Cr以大于13％的量存在以保证良好的耐点蚀性。下限按照预期应用进行设定且可为13.1％、14.0％、14.2％或14.7％。然而，Cr是强的铁素体形成物，且为了避免硬化之后的铁素体，量需要控制。出于实际原因，上限可降低至15.8％、15.7％、15.5％或15.1％。优选的范围包括14.2-15.5％和14.7-15.1％。钼(0.1-0.8％)Mo已知对淬透性具有非常有利的效果。它还已知改善耐点蚀性。此外，Mo还促进二次硬化且比W更多地促进M(C,N)的形成。最小含量为0.1％，且可设定为0.17％、0.23％、0.25％或0.30％。钼是强的碳化物形成元素且也是强的铁素体形成物。因此，钼的最大含量为0.8％。优选地，Mo限制于0.7％、0.65％、0.55％或甚至0.50％。钒(0.10-0.45％)钒在钢的基体中形成均匀分布的M(C,N)类型的一次沉淀的碳氮化物。在本发明的钢中，M主要为钒，但是可存在显著量的Cr和一些Mo。因此，钒应以0.10-0.45％的量存在。上限可设定为0.40％、0.35％或0.30％。下限可设定为0.15％、0.20％、0.22％或0.25％。上限和下限可在权利要求1中所阐述的界限内自由地组合。铝(≤0.3％)铝可用于脱氧。在大多数情形中，铝含量限制于0.06％。合适的上限为0.06％、0.046％、0.036％和0.03％。为了确保足够的脱氧而设定的合适的下限为0.005％和0.01％。任选的元素镍(≤1％)镍给予所述钢良好的淬透性和韧性。由于费用，应限制所述钢的镍含量。优选的含量为≤0.5％或≤0.35％。最优选地，不故意添加Ni。铜(≤3％)Cu是任选的元素，其可有助于增大所述钢的硬度和耐蚀性。此外，它有助于所述钢的耐蚀性以及机械加工性。如果使用，优选的范围为0.02-2％和0.02-0.5％。然而，一旦已经添加铜，就不可能从所述钢中提取出铜。这急剧地使废料处理更困难。由于该原因，正常情况下不故意添加铜。钴(≤3％)Co是任选的元素。它有助于增大马氏体的硬度。最大量为3％。然而，由于实际原因例如废料处理，不故意添加Co。优选的最大含量可设定为0.15％。钨(≤0.8％)钨可在不对所述钢的性质太有害的情况下以最高0.8％的含量存在。然而，钨在凝固期间倾向于偏析，且可引起不想要的δ铁素体。此外，钨是昂贵的，且它还使废料的处理复杂化。因此，最大量限制于0.8％、优选0.5％，优选地不进行故意添加。铌(≤0.1％)铌和钒类似，因为它形成M(C,N)类型的碳氮化物。Nb的最大添加为0.1％。优选地，不添加铌。磷(≤0.05％)P是杂质元素，其可导致回火脆性。因此，其限制于≤0.05％、0.03％、0.020％、0.01％或0.005％。硫(≤0.5％)硫优选地限制于S≤0.004％以减少夹杂物的数量。然而，S有助于改善钢的机械加工性。用于改善钢在硬化和回火条件下的机械加工性的合适含量为0.07-0.15％。在高的硫含量下，存在热脆性的风险。而且，高的硫含量可对钢的疲劳性质具有负面影响。因此，所述钢应包含≤0.5％。然而，如果通过电渣重熔(ElectroSlagRemelting，ESR)制造钢，那么硫含量应非常低，优选≤0.002％、更优选≤0.001％或≤0.0008％。氧(任选地0.003-0.01％)可在钢包处理期间向钢中故意添加氧以在所述钢中形成期望量的氧化物夹杂物，且从而改善所述钢的机械加工性。氧含量进而控制到落在0.003-0.01％的范围内。优选的范围为0.003-0.007％。然而，如果通过电渣重熔(ESR)制造钢，那么氧含量可降低至≤0.001％、优选≤0.0008％。钙(任选地0.0003-0.009％)可在钢包处理期间向钢中故意添加钙以形成期望组成和形状的夹杂物。钙进而以0.0003-0.009、优选0.0005-0.005的量添加。Be、Se、Mg和REM(稀土金属)这些元素可以所主张的量添加至钢中以进一步改善机械加工性、热加工性和/或焊接性。硼(≤0.01％)可使用B以进一步增大钢的硬度。所述量限制至0.01％、优选≤0.003％。Ti、Zr和Ta这些元素是碳化物形成物，且可以所主张的范围存在于合金中以改变硬质相的组成。然而，正常情况下这些元素均不添加。PRE通常使用耐点蚀当量(PRE)以量化不锈钢的耐点蚀性。较高的值表明较高的耐点蚀性。对于高氮马氏体不锈钢，可使用以下表达式：PRE＝％Cr+3.3％Mo+30％N其中％Cr、％Mo和％N是在奥氏体化温度(TA)下溶解于所述基体中的含量。所述溶解的含量可对于实际奥氏体化温度(TA)用Thermo-Calc计算和/或在淬火之后的钢中测量。所述奥氏体化温度(TA)在950-1200℃、典型地1000-1050℃的范围内。优选地，PRE数在16-18的范围内。钢制造具有所主张的化学组成的不锈钢可通过常规的炼钢或通过粉末冶金(PM)而制造。这种类型的钢通常通过在电弧炉(ElectricArcFurnace，EAF)中使废料熔融、然后使所述钢经历钢包冶金、和任选地真空脱气而制成。氧含量可如下而在钢包中的液体钢中增大：通过搅拌熔体和使熔体表面暴露于大气和/或通过添加轧钢皮(millscale)。可在冶金处理结束时优选以CaSi添加钙。然而，该处理是任选的，且其只在对所述钢的机械加工性存在特殊要求时才进行。所述熔体通过铸锭、适宜地底铸而铸造成锭。可使用粉末冶金(PM)制造，但是正常情况下由于成本原因而不使用。另一方面，塑料模具用的钢通常要求高的洁净度。由于该原因，可在加工途径中包括一个或多个重熔步骤例如VIM、VAR或ESR。在大多数情形中，ESR是优选途径。可对钢进行热处理以和用于类型400系列的不锈钢相似的方式调节硬度。硬化温度范围优选在980℃-1030℃的范围内，因为超过1030℃将导致晶粒生长和增大的残余奥氏体含量。保持时间应为约30分钟。1020℃的温度是优选的。所述钢应回火两次，中间冷却至室温。在回火温度下的保持时间应为最少2小时。应使用的最低回火温度为250℃。当使用1020℃作为硬化温度时，在250℃下回火之后可达到56-58HRC的硬度。在520℃下回火之后可达到58-60HRC的硬度。后一处理除去残余奥氏体且得到接近于零的尺寸变化。实施例通过常规冶金术制备根据本发明的钢组合物。对比钢为标准AISI440C。所检查的钢的组成在表1中给出(以wt.％计)，除杂质以外余量为Fe。表1所检查的钢的组成元素发明钢对比钢AISI440CC0.681.05Si1.350.42Mn0.530.43Cr14.916.6Ni0.140.29Mo0.430.49V0.290.06Al0.0160.014N0.160.051通过在1000-1050℃下奥氏体化30分钟和在400-550℃下以2小时回火两次而对发明钢进行硬化。结果示于表2中。表2发明钢的硬化结果对对比钢也进行硬化和回火，且结果示于表3中。表3对比钢AISI440C的硬化结果可以看出，对比钢在450℃和500℃下回火之后可实现所要求的硬度，但是残余奥氏体的量太高而不能保证良好的尺寸稳定性。根据经验，为了获得良好的尺寸稳定性，残余奥氏体的量在硬化期间和在制造中应小于8％。尽管可使用较高的回火温度以减少残余奥氏体的量，但是较高的回火温度不是可选项，因为硬度将非常低。在全部试验中发现发明钢的耐蚀性优于对比钢AISI440C。所述试验在0.1摩尔的H2SO4中在室温进行。图3中所示的一个对比试验的结果揭示了在500℃下回火之后发明钢具有比AISI440C显著更好的耐蚀性。进行了另外的试验以比较发明钢和参照钢的其它性质。结果总结于图4中，且可以看出，发明钢具有对于塑料成形模具中的预期用途而言改善的性质概况。尽管所述钢合金是为了在塑料成形模具中使用而专门开发的，但是相信所述合金可用于很多其它应用。可想到的应用包括但不限于刀具，尤其是在其中要求耐蚀性的领域中例如在食品加工产业和塑料回收产业中的刀具、螺杆、切碎机刀盘和压辊。所述钢可以任何常规的形式(包括棒和带)提供。当前第1页1 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