[发明专利]具有较低δ铁素体含量的不锈模具钢

说明书

本发明是一种用于塑料成形模具中的一般应用的不锈钢，且特别是但不限于热室模具。其主要特征是与模具制造有关的性质的组合，例如机械加工性能、可焊性和低成本（与低镍（Ni）含量相关联），并且在称为δ铁素体的不期望显微组织相的控制方面容易处理。由于这些模具制造和钢制造的优点，本发明允许显著降低的模具成本。

通常操作工具和模具以成形其它材料，热塑性聚合物材料（一般称为塑料）或金属材料。根据用来制造工具的材料的性质，这些用于室温或约700℃的高温下的工艺中。本发明的钢特别用于如下的模具或模具装置：该模具或模具设备暴露于室温或低于500℃的温度并且必须耐腐蚀。此类应用的典型实例是在塑料成形模具中使用的热室，其不超过300℃。对于此类情况而言，温度/水冷却的组合作用可导致腐蚀，这解释了对不锈钢的需要。并且，由于经机械加工材料的高含量，应当优化机械加工性能。

除这两种特征（耐腐蚀性和机械加工性能）之外，经常在模具钢上应用焊接以进行小修补和模具调整。然而，具有高的铬含量（12至17%）和中等碳含量（约0.4%）的常规马氏体不锈钢具有极高的淬硬性，从而在焊接区域中引起显著硬度和潜在的开裂（参见表1）。因此，低碳合金的开发有时是期望的。

表1：现有技术中利用的传统钢的典型化学组成。示出马氏体的近似硬度以便凸显由高碳含量引起的艰难可焊性。含量为质量百分比且Fe为余量。

*典型值；并非由标准规定

除这些冶金性质之外，成本问题已变得甚至更加关键。强烈的竞争，尤其是考虑到全世界可获得的低成本模具，使得模具制造商寻找低成本的选择。在这些条件下，负面的冶金因素是δ铁素体不存在时的显微组织稳定性。碳和镍是促成奥氏体相和消除马氏体钢中的δ铁素体的最重要元素。然而，关于可焊性问题，存在上述的碳限制。并且，对于镍，成本限制是显著的。碳含量越高，对镍的需要越低，因此合金的成本越高。

正在进行新的开发以解决此类问题。例如，专利US 6,358,334和US 6,893,608B2采用高水平的铜和氮来解决低镍和碳的不锈钢的生产（参见表2）。然而，δ铁素体的出现对于它们两者而言都是显著的，且高达10%的水平是常见的。另一方面，这些合金中的δ铁素体的控制影响合金锻造和层压温度。表2示出用于这些合金的由“Thermocalc”热力学计算软件计算的平衡温度。当与高硫含量组合时，低温可能易于引起开裂或者在成形设备（通常是锻压机或层压轧机）中的过大功率。因此，考虑所有这些事项，存在某些现有技术的低碳和镍的钢，但是对其进行处理并不是容易的任务，这导致昂贵的工艺和随之而来的合金成本的增加。

因此，显然需要具有高机械加工性能、低镍和碳含量及增加的加工能力的不锈钢。为了允许降低炼钢过程的成本，材料的成形温度应显著高于现有技术钢的成形温度。

本发明的钢将满足所有这些需要。

表2：比表1所示钢更新近开发的现有技术钢。含量以质量百分比计且Fe为余量。由于低碳含量，这些合金中的马氏体的硬度为约35HRC。

*对于AISI 420钢而言，成形温度可以达到1260℃。

能够以较低的δ铁素体含量并且在锻造和层压工艺期间约30℃更高温度下生产本发明提出的模具用不锈钢。其化学组成也缺少例如镍和钼的高成本元素，但是铬含量足以保证抗氧化性。并且，如前所述，由于较低的碳含量，因此能够实现可焊性要求。

为了满足上述条件，本发明的合金具有由下列构成的合金化元素组成，以质量百分比计：

*碳：在0.01和0.2之间，且优选在0.03和0.10之间，典型为0.05。

*氮：在0.01和0.07之间，优选在0.03和0.06之间，典型为0.055。

*锰：2.0和4.0之间，优选在2.2和3.0之间，典型为2.5。

*镍:0.01和1.0之间，优选在0.1和0.5之间，典型为0.3。

*铬：11.0和13.0之间，优选在11.5和12.5之间，典型为12.0。

*钼和钨：总数应低于1.0，优选低于0.5，典型低于0.2。

*铜：0.01和1.5之间，优选在0.1和0.8之间，典型为0.55。

*钒：0.01和1.0之间，优选在0.02和0.10之间，典型为0.05。

*硫：0.01和0.20之间，优选在0.05和0.14之间，典型为0.09。

*钙：低于0.010，优选在0.001和0.003之间，典型为0.002。