热冲压用模具用钢、热冲压用模具及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种热冲压用模具用钢、热冲压用模具及其制造方法。


背景技术：

2.近年来，以汽车的轻量化与碰撞安全性提高为目的且拉伸强度超过1gpa的超高张力钢板的需求不断提高。但是，若欲通过冷压来成形拉伸强度为1.2gpa以上的钢板，则产生成形负荷或回弹的增大、成形性等问题。因此，最近，热冲压(也称为热压或热印)工艺受到关注。在热冲压工艺中，将钢板加热为奥氏体温度以上后，进行压制成形，将模具保持于下死点，进行骤冷并加以淬火。
3.作为热冲压工艺的优点，可列举通过基于利用模具进行骤冷的模淬火的淬火，可获得具有1.5gpa左右的拉伸强度的超高张力钢板的成形品。另外，也可列举基本上不产生回弹等成形性优异的优点。
4.但是，热冲压工艺有生产性低的问题。即，由于用以进行模淬火的下死点保持等需要时间，因此生产性变低。作为其对策，谋求一种高热传导率的模具。其原因在于，在模淬火中，使模具吸收钢板的热，模具的热传导率越高，下死点保持的时间越缩短而生产性变得越高。
5.另外，在热冲压用模具中，为了提高耐磨损性而要求高硬度。
6.因此，在热冲压用模具用钢中，在制成模具时，要求兼具高硬度与高热传导率。通常而言，为了获得高硬度的模具而需要增加模具用钢的合金量，但若合金量变多，则有模具的热传导率降低的问题，硬度与热传导率具有权衡关系。因此，通过控制合金量来研究最佳的成分组成。例如，在专利文献1～专利文献3中提出有兼具硬度与热传导率的模具用钢的成分组成。另外，在专利文献4中也公开有如下热加工工具钢，其作为在温热压制、压铸或温热锻造等中所使用的模具的原材料有用，热传导率优异且耐磨损性也优异。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1：日本专利特开2017-43814号公报
10.专利文献2：日本专利特开2017-53023号公报
11.专利文献3：日本专利特开2018-24931号公报
12.专利文献4：日本专利第5744300号公报


技术实现要素：

13.发明所要解决的问题
14.专利文献1～3的模具用钢及专利文献4的热加工工具钢作为热冲压用有用。但是，在考虑到模具用钢或热加工工具钢的淬火回火特性或对热冲压用模具的作业面进行氮化处理来使用等时，在从前的模具用钢或热加工工具钢的情况下，存在硬度不足的情况。具体而言，最近，作为热冲压用钢，一直要求52hrc以上的高硬度化，但在专利文献1～专利文献4
中无法稳定地获得52hrc以上的高硬度。
15.本发明的目的为提供一种可制作适合于热冲压工艺的兼具高硬度与高热传导率的模具的模具用钢、以及热冲压用模具及其制造方法。
16.解决问题的技术手段
17.鉴于所述实际情况，本发明人进行了努力研究，结果，通过控制合金量而发现最适合于热冲压用的模具用钢。而且，通过使用所述模具用钢而发现可达成高硬度及高热传导率的热冲压用模具与其制造方法。
18.即，本发明的一实施例为一种热冲压用模具用钢，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～0.3％、cr：2.5％～6.0％、mo：1.2％～2.6％、v：0.4％～0.8％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
19.本发明的另一实施例为一种热冲压用模具，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～0.3％、cr：2.5％～6.0％、mo：1.2％～2.6％、v：0.4％～0.8％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
20.优选为，根据权利要求2所述的热冲压用模具，其特征在于，硬度为45hrc以上且热传导率λ(w/(m
·
k))满足下述式(1)。
21.λ≧-0.5h 53
…
式(1)
22.h：模具的洛氏硬度(hrc)
23.更优选为硬度为52hrc以上。而且，此时，进而优选为热传导率λ为25w/(m
·
k)以上。
24.另外，优选为在作业面具有氮化层。
25.本发明的又一实施例为一种热冲压用模具的制造方法，其特征在于，对所述热冲压用模具用钢进行基于1020℃～1080℃的淬火温度及500℃～625℃的回火温度的淬火回火。
26.优选为所述回火温度为540℃～600℃。
27.优选为，特征在于，在进行所述淬火回火后，进而，对作业面进行氮化处理。
28.发明的效果
29.根据本发明，可获得最适合于热冲压用的模具用钢。另外，通过使用所述模具用钢，可提供兼具高硬度与高热传导率的热冲压用模具及其制造方法。
附图说明
30.图1是针对将本发明例及比较例的模具用钢自1030℃淬火后，在500℃～650℃下回火而制作的模具的一例，示出其每一回火温度下的硬度的图表图。
31.图2是针对将本发明例及比较例的模具用钢自1030℃淬火后，回火为45hrc、50hrc、55hrc的硬度而制作的模具的一例，示出其热传导率的图表图。
32.图3是针对将本发明例及比较例的模具用钢自1030℃淬火后，回火为55hrc的硬度而制作的模具的一例，示出在600℃下保持时的软化阻力的图表图。
具体实施方式
33.本发明的特征在于，查明了在考虑到热冲压用模具是对模具用钢进行淬火回火而
制作或对其作业面进行氮化处理而制作时，有最适合于同时达成热冲压用模具的高硬度与高热传导率的模具用钢的成分组成。特别是查明了有最适合于同时达成52hrc以上的高硬度与25w/(m
·
k)以上的高热传导率的模具用钢的成分组成。另外，查明了最适合于同时达成所述高硬度与高热传导率的淬火回火条件。以下，对本发明的各构成要件进行说明。
34.本发明的热冲压用模具用钢具有如下成分组成：以质量％(以下，简单表述为“％”)计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～0.3％、cr：2.5％～6.0％、mo：1.2％～2.6％、v：0.4％～0.8％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
35.·
c：0.45％～0.65％
36.c是通过淬火而固溶于基体(基质(matrix))中来提高模具的硬度的元素。另外，是与后述的cr或mo、v等碳化物形成元素形成碳化物来提高模具的硬度的元素。但是，若c量过多，则因一次碳化物的粗大化等而模具的韧性降低。因此，c设为0.45％～0.65％。优选为0.47％以上。更优选为0.49％以上。另外，优选为0.63％以下。更优选为0.60％以下。进而优选为0.58％以下。
37.·
si：0.1％～0.6％
38.si在熔炼工序中作为脱氧剂使用。而且，是固溶于基体中来提高模具的硬度的元素。但是，若si过多，则在熔炼后，钢中的偏析倾向增强，另外，凝固组织也变得粗大，导致模具的韧性降低。而且，是显著降低淬火回火后的模具的热传导率的元素。因此，si设为0.1％～0.6％。优选为0.14％以上。更优选为0.17％以上。另外，优选为0.45％以下，更优选为0.4％以下。进而优选为0.35％以下。进而更优选为0.3％以下。
39.·
mn：0.1％～0.3％
40.mn在熔炼工序中作为脱氧剂或脱硫剂使用。而且，是有助于基体的强化或淬火性、淬火回火后的韧性的提高的元素。但是，若mn过多，则模具的热传导率显著降低。因此，mn设为0.1％～0.3％。优选的mn的下限为0.15％以上。另外，优选的mn的上限为0.28％以下。更优选的mn的上限为0.26％以下。
41.·
cr：2.5％～6.0％
42.cr是固溶于基体中来使硬度上升的元素。另外，是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，且与后述的mo、v同样地是有助于回火时的二次硬化的元素。特别是，与mo、v相比，cr是可增大回火软化阻力(即使提高回火温度，也可减小通过二次硬化而获得的硬度的降低比例)的元素。通常，关于模具，在对模具用钢进行淬火回火而调整为使用硬度时，为了提高热冲压用模具的热传导率，有效的是提高回火温度。而且，在本发明中，通过将cr的含量设为2.5％以上，即使提高回火温度(例如，即使超过600℃)，也可维持45hrc以上等这样的充分的硬度，因此也可同时提高热传导率。而且，即使将回火温度设为例如540℃以上，也可达成52hrc以上的硬度，且可获得热传导率为25w/(m
·
k)以上的热冲压用模具。而且，可获得在维持所述硬度的基础上，热传导率进一步提高为28w/(m
·
k)以上或30w/(m
·
k)以上的热冲压用模具。此外，所述硬度及热传导率是在室温(常温)下测定时的值。
43.另外，由于通过提高cr的含量而可提高模具用钢的氮化特性，因此，例如通过对淬火回火后的模具的作业面进一步进行氮化处理，可提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。
44.但是，若cr的含量过多，则模具用钢的合金量变多，由此难以提高模具的热传导率。因此，cr设为2.5％～6.0％。优选为2.8％以上。更优选为3.0％以上。另外，优选为5.5％
以下，更优选为4.8％以下，进而优选为未满4.5％。而且，特别是在要重视热传导率的提高的情况下，cr也可设为4.0％以下或3.5以下。
45.·
mo：1.2％～2.6％
46.mo与cr同样地是固溶于基体中来使硬度上升的元素，另外，是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，是有助于回火时的二次硬化的元素。另外，也是提高淬火性的元素。但是，若mo量过多，则模具用钢的合金量变多，由此模具的热传导率变低。因此，mo设为1.2％～2.6％。优选为1.5％以上。更优选为1.7％以上。进而优选为1.9％以上。另外，优选为2.5％以下。更优选为2.3％以下。进而优选为2.1％以下。
47.·
v：0.4％～0.8％
48.v与cr同样地是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，且是有助于回火时的二次硬化的元素。但是，若v量过多，则模具用钢的合金量变多，由此模具的热传导率变低。因此，v设为0.4％～0.8％。优选为0.5％以上。另外，优选为0.75％以下，更优选为0.65％以下，进而优选为0.6％以下。
49.·
剩余部分为fe及不可避免的杂质
50.若考虑当模具用钢的合金量变多时，模具的热传导率变低的情况，则所述元素种以外的剩余部分优选为实质上由fe构成。但是，这里未明示的元素种(例如，p、s、cu、al、ca、mg、o(氧)、n(氮)等元素种)是有可能不可避免地残留于钢中的元素，且容许以杂质的形式包含这些元素。此时，p若过多，则在回火等热处理时，偏析至原奥氏体粒界，模具的韧性劣化。因此，p优选为限制为0.05％以下。更优选为限制为0.03％以下。而且，s若过多，则在将钢锭分块时等，热加工性劣化。因此，s优选为限制为0.01％以下。更优选为限制为0.008％以下。
51.另外，ni作为有助于提高模具韧性的元素种有用，但就抑制由模具用钢的合金量的增加引起的模具的热传导率的降低的方面而言，优选为仍是将其含量抑制得低。而且，作为ni量的限制上限，优选为容许0.25％。
52.通过对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火，可获得硬度与热传导率率优异的本发明的热冲压用模具。本发明的热冲压用模具的硬度是在室温(常温)下测定的值，容易达成例如45hrc以上等充分的硬度。而且，通过调整回火温度，可将模具的硬度设为优选为52hrc以上，可对使用时的模具赋予优异的耐磨损性。模具的硬度更优选为53hrc以上，进而优选为55hrc以上。
53.此外，在本发明中，不需要限定模具的硬度的上限。但是，现实是在具有所述成分组成的模具用钢的情况下，根据其二次硬化的峰值硬度(处于大致500℃～600℃的回火温度的范围内)而为60hrc左右。而且，关于所述硬度的上限，就可超过所述峰值硬度来提高回火温度的方面(即，可提高热传导率的方面)而言，优选为设为58hrc以上。。
54.而且，特征在于，通过对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火，将模具的硬度调整为45hrc以上，并且进而具有满足下述式(1)的热传导率λ(w/(m
·
k))。
55.λ≧-0.5h 53
…
式(1)
56.这里，式(1)的h是模具的洛氏硬度(hrc)。例如，在本实施方式的模具的硬度为45hrc的情况下，热传导率为30.5w/(m
·
k)以上。另外，在模具的硬度为52hrc的情况下，热传导率为27w/(m
·
k)以上。而且，优选为“λ≧-0.5h 54”。此外，所述热传导率是在室温(常
温)下测定的值。
57.本发明的模具用钢通过淬火回火而满足式(1)的关系，因此在是热传导率的降低为课题的高硬度区域(例如52hrc以上)的回火硬度时，也可维持25w/(m
·
k)以上的热传导率。在模具的硬度为52hrc以上时，优选的热传导率为28w/(m
·
k)以上。更优选的热传导率为30w/(m
·
k)以上。而且，若为低硬度区域(例如未满52hrc)的回火硬度时，则也能够达成30w/(m
·
k)以上的热传导率，确实，若为45hrc附近的硬度，则也能够达成32w/(m
·
k)以上的热传导率。由此，可通过在热冲压工艺中处于使用中(例如，100℃～400℃)的模具来维持高热传导率。
58.除所述模具用钢的成分组成以外，通过提高回火温度，也容易达成这样的热传导率。例如，通过将回火温度提高为可获得峰值硬度的温度以上，能够调整为热传导率30w/(m
·
k)以上。
59.在本发明的情况下，不需要特定模具的热传导率的上限。但是，若考虑到提高回火温度(例如，调整为超过600℃的温度)，模具的硬度降低的情况，则模具的硬度低于45hrc时的热传导率超过50w/(m
·
k)，因此现实是在维持45hrc以上的硬度时为约50w/(m
·
k)左右。优选为47w/(m
·
k)以下。更优选为45w/(m
·
k)以下。而且，现实是若为模具维持52hrc以上的硬度时，则热传导率的上限为约40w/(m
·
k)左右。优选为38w/(m
·
k)以下。更优选为35w/(m
·
k)以下。而且，现实是根据这些热传导率的上限，所述热传导率λ(w/(m
·
k))与洛氏硬度h(hrc)的关系为约“λ≦-0.5h 70”的式(2)的关系。优选为“λ≦-0.5h 66”，更优选为“λ≦-0.5h 61”。
60.本发明的热冲压用模具优选为在其作业面具有氮化层。
61.如上所述，本发明的热冲压用模具兼具高硬度及高热传导率。而且，通过所述模具的作业面还具有氮化层，可进一步提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。此外，所谓作业面是与热冲压中的钢板相接的模具的面。
62.本发明的热冲压用模具的制造方法是对所述模具用钢进行淬火回火。
63.在对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火时，淬火温度因目标硬度等而不同，例如可设为大致1020℃～1080℃。优选为1050℃以下。
64.而且，通过对进行了基于所述淬火温度的淬火的模具用钢实施例如基于500℃～625℃的回火温度的回火，可维持45hrc以上的充分的硬度。此时的淬火温度及回火温度可以淬火回火后的模具的硬度与热传导率满足所述式(1)的关系的方式选择。
65.而且，也通过进行基于高温的回火来维持充分的模具硬度，且对于提高模具的热传导率而言有效，例如，在540℃以上的回火温度下，可达成52hrc以上的硬度，因此可获得热传导率为25w/(m
·
k)以上的模具。此时，为了维持52hrc以上的硬度，回火温度的上限优选为设为600℃左右。更优选为595℃以下。进而优选为590℃以下。
66.本发明的模具用钢通过淬火回火而整理为具有规定的硬度的热冲压用模具。而且，在此期间，模具用钢通过切削或穿孔等各种机械加工等而整理为热冲压用模具的形状。关于所述机械加工的时机，可在淬火回火前的硬度较低的状态(即，退火状态)下进行。而且，在所述情况下，也可在淬火回火后进行精加工。另外，根据情况，也可也结合所述精加工而在进行淬火回火后的预硬化状态下进行所述机械加工。
67.本发明的热冲压用模具的制造方法优选为对进行所述淬火回火后的模具的作业
面进一步进行氮化处理。
68.如上所述，通过对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火，可获得例如硬度为45hrc以上且热传导率满足式(1)的模具。而且，具有所述成分组成的模具用钢的氮化特性也优异，因此通过对进行所述淬火回火后的模具的作业面进一步进行氮化处理，可提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。此时，关于氮化处理的条件，例如可应用气体氮化处理或盐浴氮化处理等已知的各种氮化处理的条件。
69.实施例1
70.熔炼具有表1的成分组成的10kg的钢锭。然后，将所述钢锭加热为1160℃并进行锤锻延伸，然后放置冷却，对所述放置冷却后的钢材进行870℃的退火处理，从而制作作为本发明例的no.1～no.8的钢及作为比较例的no.9～no.11的钢。
71.[表1]
[0072]
(mass％)
[0073][0074]
※“‑”
：0.25％以下
[0075]
＜回火硬度的评价＞
[0076]
对no.1～no.11的模具用钢实施基于1030℃的淬火温度的淬火。此时，关于冷却条件，假定本发明钢及比较钢等模具用钢为实际的热冲压用模具的大小时的冷却速度，将半冷时间设为40分钟(所谓半冷时间是自淬火温度冷却至(淬火温度 室温)/2的温度所需的时间)。然后，对所述淬火后的模具用钢进行基于500℃～650℃的回火温度的回火。回火实施两次，并在各个温度下保持2小时。回火温度设为以25℃为单位的合计7个条件。然后，针对no.1～no.11，分别在每一回火温度下测定其中心部的室温下的洛氏硬度(c标度)。将结果示于图1中。
[0077]
作为本发明例的no.1～no.8在500℃～625℃的所有回火温度下维持45hrc以上的回火硬度。而且，特别是均在540℃～600℃的回火温度的范围内获得大致52hrc以上。另外，即使将回火温度提高为设为对于提高模具的热传导率有效的超过600℃，也达成大致45hrc以上的回火硬度。
[0078]
相对于此，作为比较例的no.9也在500℃～600℃的回火温度范围内维持45hrc以上的回火硬度，但no.10在回火温度为575℃的时点，回火硬度已低于45hrc。no.11在回火温度为500℃～625℃的范围内，回火硬度为45hrc以上，但未获得50hrc以上的硬度。
[0079]
＜热传导率的评价＞
[0080]
基于所述＜回火硬度的评价＞的结果，对no.1～no.6、no.9测定回火硬度为
45hrc、50hrc、55hrc时的热传导率。关于测定要领，首先，将模具加工成直径10mm
×
厚度2mm的圆盘状试验片，利用激光闪光法来测定所述试验片的热扩散率及比热。然后，利用所述测定的热扩散率及比热的值，并根据下述式(3)来算出室温下的热传导率。将结果示于图2中。
[0081]
热传导率λ(w/(m
·
k))＝ρ
·
α
·cp
…
式(3)
[0082]
(ρ：室温密度、α：热扩散率、c
p
：比热)
[0083]
根据图2的结果，发现作为本发明例的no.1～no.6在45hrc、50hrc、55hrc的所有硬度下，热传导率满足λ≧-0.5h 53的式子，在将硬度提高为52hrc时，也维持30w/(m
·
k)以上的高热传导率。另外，在硬度55hrc的高硬度下，也具有25w/(m
·
k)以上的高热传导率。
[0084]
相对于此，发现在作为比较例的no.9中，在调整为45hrc及50hrc的低硬度的时点，热传导率小(不满足λ≧-0.5h 53的式子)，即使将硬度提高为52hrc，也不满足λ≧-0.5h 53。
[0085]
对no.7、no.8的试样测定回火硬度为52hrc时的热传导率。测定要领与所述no.1～no.6、no.9时相同。其结果，确认到no.7的热传导率为31w/(m
·
k)，no.8的热传导率为37w/(m
·
k)，在硬度52hrc下也具有30w/(m
·
k)以上的高热传导率。
[0086]
＜软化阻力的评价＞
[0087]
热冲压工艺中的模具由于是在高温下使用，因此模具用钢的软化阻力变得重要。因此，将本发明例no.1～no.6及比较例no.9在回火为55hrc的状态下保持为600℃，并测定硬度的变化。将结果示于图3中。在作为本发明例的no.1～no.6中，由于提高回火温度，因此在保持4小时后，也维持50hrc以上的硬度。另一方面，在比较例no.9中，由于回火温度低，因此保持4小时后的硬度低于50hrc。而且，此后，随着保持时间变长，本发明钢与比较钢的硬度差变大。本发明钢的软化阻力大，在热冲压工艺中有效。