热加工工具钢的制作方法

1.本发明涉及高淬火性和高高温强度的热加工工具钢，其适合作为用于温压、压铸、热挤压或温锻等的模具(包含模)的原材料。


背景技术：

2.jis-skd61和skd7被广泛用作用于温压、压铸、热挤压或温锻的模具用原材料。两种钢种根据所要求的特性而分别使用，对于要求韧性的构件，一般使用skd61，对于要求高温强度的构件，主要使用skd7。
3.作为热加工工具的钢材，提出了以通过调整cr和mo的含量来提高抗软化特性(高温强度)和韧性这两者为目的的热加工工具钢(专利文献1)。该专利文献1所述发明所涉及的热作模具用钢的韧性以夏比(charpy)冲击试验值计为50.3～86.6j/cm2，并且，通过淬火退火进行调质之前的初期硬度的hrc与通过淬火退火进行调质之后的hrc之差δhrc为7.3～11.1。将该δhrc作为抗软化特性(高温强度)。
4.另外，还提出了着眼于淬火退火后的碳化物组成和量，以通过适当地控制它们来提高韧性和高温强度为目的的热作模具用钢(专利文献2)。该专利文献2所述发明所涉及的热作模具用钢的夏比冲击值为30j/cm2以上，软化量(δhrc)为13hrc以下。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2013-087322，
8.专利文献2：日本特开2017-155306。


技术实现要素：

9.发明所要解决的课题
10.通常，skd61、skd62、skd7等钢种作为热加工中使用的模具用原材料是已知的。而且，对于要求耐热性以及耐热裂性和韧性的用途，采用skd61作为模具原材料，对于要求耐软化性和耐热强度的用途，采用skd7作为模具原材料。
11.另一方面，在专利文献1或专利文献2所公开的发明中，热加工工具钢的高温强度以淬火退火到45hrc的钢材在高温保持后的硬度降低(抗软化性)来进行评价。这作为压铸等铸造熔融铝的模具钢的特性评价是没有问题的，但在热挤压或温锻等的加工被加工材料的强度高的材料的模具用途中，对模具材料施加的应力高，强度不足，因此不适合。即，用于热挤压的模具在40hrc以下的硬度下会由于强度不足而在加工时产生弯曲，无法满足挤压制品的尺寸规格。在专利文献1、2的发明中，也包含抗软化后的硬度为35hrc以下的钢材，从而在热挤压或温锻这样的被加工材料的强度高的情况下，如上所述，在加工时会产生弯曲，无法得到高尺寸精度的制品。
12.本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，提供热加工工具钢，其可得到高温下的0.2％耐力优异的热加工工具钢，若使用该热加工工具钢制造模具，则即使加工对象
是高强度的材料，也不会塑性变形，可进行高精度的加工。
13.解决课题的手段
14.本发明所涉及的热加工工具钢的特征在于，具有以下组成，即含有：
15.c：0.35～0.50质量％、
16.si：0.50质量％以下、
17.mn：0.37～1.00质量％、
18.cr：4.30～5.50质量％、
19.ni：0.20质量％以下、
20.mo (1/2)w：1.5～3.2质量％、
21.v：0.30～0.80质量％、
22.n：0.006～0.025质量％，且
23.余量为fe和不可避免的杂质；
24.并且，在用[x]表示成分x的含量(质量％)时，用下式求出的a超过1000：
[0025]
a＝1050-373.6[c] 28.7[cr]-150.0[ni]-127.3[v] 45.9[mo (1/2)w]。
[0026]
在本发明中，例如，可设为：
[0027]
ni为0.11质量％以上，c为0.45质量％以下或0.38～0.45质量％，或v为0.49～0.62质量％。另外，可设为：mn为0.45质量％以上，或mo (1/2)w为1.6质量％以上。
[0028]
另外，在本发明中，例如，
[0029]
作为淬火性的指标的淬火临界冷却时间优选为60分钟以上，
[0030]
并且，
[0031]
优选通过淬火退火处理，将500℃下的高温拉伸试验的0.2％耐力调质到1000mpa以上。
[0032]
发明的效果
[0033]
根据本发明，可得到高温下的0.2％耐力优异的热加工工具钢，在通过使用该钢材制造的模具进行挤压加工或锻造加工的情况下，即使在配对材料为高强度且反复加工的情况下，模具也不会塑性变形，可加工高精度的制品。
[0034]
另外，由于使用本发明的钢材的模具可防止塑性变形，所以可提高模具寿命。而且，本发明的钢材的淬火性也良好，可抑制由淬火冷却速度的影响引起的韧性降低。此外，由于本发明的钢材的淬火性优异，所以只要是使用该钢材的模具，就连大型材也可制造。
附图说明
[0035]
[图1]示出说明0.2％耐力的拉伸特性的图。
[0036]
[图2]示出0.2％耐力与弹性应变或塑性应变的关系的图。
[0037]
[图3]示出a值与0.2％耐力(mpa)的关系的图。
具体实施方式
[0038]
以下，对本发明进行详细说明。对于热加工工具钢、特别是用于热挤压模的模具用钢材，需要用于将高强度的被加工材料精加工成高精度制品的特性，这是可减小所使用的模具的弯曲的特性。为了实现该特性，需要模具用钢材在高温下的弹性限度高。本发明是基
于这样的见解而完成的。
[0039]
实际上，在实验上难以测定模具材料的高温弹性限度。因此，将一般使用的高温拉伸试验的0.2％耐力作为直到塑性变形区域为止的强度指标。图1是横轴取伸长率(应变)，纵轴取载荷(应力)，示出高温下的钢材的拉伸特性的示意图。另外，图2是选出弹性区的高温拉伸特性并示出的示意图。在图1中，点p为比例极限载荷，点e为弹性极限载荷，点b为最大载荷，点f为断裂载荷。另外，从载荷为0时的伸长率为0.2％的点起，与应力-应变线的弹性区平行地划线，与应力-应变线交叉的点为0.2％耐力σ
0.2
。需说明的是，图1和图2是示意性地示出高温拉伸特性的图，钢种和试验温度不限于特定的钢种和试验温度。如上所述，由于难以测定高温弹性限度，所以取而代之的是将0.2％耐力σ
0.2
作为高温下的弹性限度的指标(直到塑性变形区域为止的强度指标)。需说明的是，从载荷0拉伸到弹性极限载荷e时的应变为弹性应变，自弹性极限载荷e之后为塑性应变。而且，若作为钢材的弹性极限指标的0.2％耐力σ
0.2
大，则开始产生塑性应变的载荷变大，在将0.2％耐力σ
0.2
大的钢材应用于模具(模)的情况下，在受到加工应力和热应力时，弹性区的变形为主导，模具中产生的弯曲变小。因此，使用模具加工的制品的精度提高，另外，模具寿命也提高。
[0040]
因此，本技术发明人将该0.2％耐力σ
0.2
作为模具用钢材在高温下的弯曲少的指标，为了开发塑性变形少而可进行高精度加工的钢材，进行了各种实验研究。在大多数情况下，高强度热挤压模被调质到49hrc左右来使用。本技术发明人测定了调质到实际使用硬度水平的钢材的高温拉伸试验的0.2％耐力σ
0.2
，研究了提高该值的钢材成分的组合。此时，0.2％耐力σ
0.2
的目标值设为1000mpa。当然，随着持续使用的次数增加，模会因热影响而发生软化，因此也要求模具材料的抗软化性高。此外，如上所述，由于0.2％耐力高，这抑制了所使用的模具的塑性变形，所以带来模具的长寿命化。此外，热加工工具钢的淬火性影响模具中心部的淬火冷却速度。特别是在大型模具的情况下，若构成模具的钢材的淬火性低，则模具中心部的淬火冷却速度变慢，因此淬火变得不充分，导致韧性值降低，会产生模具的早期破损。因此，在本发明中，该热加工工具钢的淬火性高是重要的要素。
[0041]
因此，本发明提出了可用作模具用钢材的热加工工具钢，其通过提高0.2％耐力σ
0.2
、抗软化性和淬火性(韧性)，作为温作下使用的模具用钢材，塑性变形小，可得到高精度的制品。
[0042]
首先，对本发明的热加工工具钢的成分添加理由及组成限定理由进行说明。
[0043]“c：0.35～0.50质量％”[0044]
c固溶于热加工工具钢的基质，是提高热加工工具钢的硬度，提高耐磨损性的元素。另外，c形成碳化物，提高高温下的抗软化性。若c低于0.35质量％，则无法满足这些必要特性。另一方面，若c超过0.50质量％，则钢的韧性降低。因此，c的含量设为0.35～0.50质量％。另外，c是对后述的a值也有影响的元素，若过量添加，则高温下的0.2％耐力σ
0.2
降低。因此，优选c的上限为0.45质量％以下。
[0045]“si：0.50质量％以下”[0046]
si由于具有提高钢的切削性的效果，所以可以添加。另一方面，若含有超过0.50质量％的si，则由于偏析的恶化，韧性会降低。因此，si的含量设为0.50质量％以下。
[0047]“mn：0.37～1.00质量％”[0048]
mn是稳定奥氏体，提高淬火性的元素。若mn低于0.37质量％，则淬火性显著降低。
优选mn为0.45质量％以上。若含有超过1.00质量％的mn，则加工性和导热率恶化，因此其含量设为0.37～1.00质量％。
[0049]“cr：4.30～5.50质量％”[0050]
cr是提高淬火性和韧性的元素。另外，cr在淬火后的退火中生成碳化物，具有提高耐热性的作用。若cr低于4.30质量％，则钢的淬火性显著降低。另外，cr是对后述的a值也有影响的元素，高温下的0.2％耐力σ
0.2
通过cr的添加而增加，因此需要添加4.30质量％以上的cr。另一方面，若含有超过5.50质量％的cr，则容易过量生成cr系的碳化物，那样的话韧性降低，因此cr的含量设为4.30～5.50质量％。
[0051]“ni：0.20质量％以下”[0052]
ni与cr同样，是对提高钢的淬火性有效的元素，但若ni超过0.20质量％，则钢材的切削性降低，因此ni的含量设为0.20质量％以下。另外，ni是对后述的a值也有影响的元素，高温下的0.2％耐力σ
0.2
通过ni的添加而大幅降低。因此，不优选大量添加ni，由于这样的理由，ni添加量的上限为0.20质量％。
[0053]“mo (1/2)w：1.5～3.2质量％”[0054]
mo和w都与cr同样，是对提高淬火性有效的元素。另外，mo和w在淬火后的退火中生成碳化物，对提高钢材的强度和耐热性有效。若mo含量与w含量的1/2量的合计(mo (1/2)w)低于1.5质量％，则无法得到提高淬火性的效果。另一方面，若(mo (1/2)w)超过3.2质量％，则产生结晶碳化物，发现淬火性降低。因此，(mo (1/2)w)设为1.5～3.2质量％。但是，w具有mo的约2倍的原子量，在原子数相等的情况下，淬火性相等，在其效果的程度上具有可相互置换的特性。因此，对于mo和w的添加，以(mo (1/2)w)为指标。需说明的是，可单独添加mo和w中任一方。另外，mo和w是对后述的a值也有影响的元素，高温下的0.2％耐力通过其添加而增加。因此，优选将mo (1/2)w设为1.6质量％以上。
[0055]“v：0.30～0.80质量％”[0056]
v形成碳化物，是对防止淬火时的晶粒粗大化和提高耐磨损性有效的元素。为了得到该效果，需要含有0.30质量％以上的v。但是，若v超过0.80质量％，则在钢中形成粗大的碳化物，使钢的韧性降低，并且v的过量添加会使制造成本上升。因此，v的含量设为0.30～0.80质量％。另外，v是对后述的a值也有影响的元素，高温下的0.2％耐力会通过v的添加而降低。因此，v的含量优选为0.49质量％以上且0.62质量％以下。
[0057]“n：0.006～0.025质量％”[0058]
n形成微细的碳化物，是对防止钢淬火时的晶粒粗大化和提高切削性有效的元素。为了得到该效果，n需要为0.006质量％以上。另外，若n超过0.025质量％，则形成粗大的碳化物，使钢的韧性劣化，因此n的含量设为0.006～0.025％。
[0059]
如此，为了实现本发明的目的，需要使各成分组成在规定的组成范围内，特别重要的是使c、si、mn、cr、ni、v和(mo (1/2)w)的量在上述范围内。需说明的是，除了上述成分以外，例如有时以不使其它特性恶化的程度，含有具有改善淬火性效果的b、具有改善切削性效果的s、具有使晶粒微细化效果的ti或nb，作为不可避免的杂质。
[0060]“a＞1000”[0061]
a是在用[x]表示成分x的含量(质量％)时通过下述数学式1求出的。
[0062]
[数学式1]
[0063]
a＝1050-373.6[c] 28.7[cr]-150.0[ni]-127.3[v] 45.9[mo (1/2)w]
[0064]
在本发明中，以该a值超过1000的方式决定各成分的含量。
[0065]
本发明的技术领域即热锻、热挤压和压铸等的模具所使用的热加工工具钢，一般通过淬火退火调质到40～50hrc来利用。然后，如上所述调质过的模具在加热到400～500℃左右的温度后，用作挤压、锻造或铸造被加工材料时的模具材料。
[0066]
如上所述，本技术发明人以0.2％耐力σ
0.2
作为上述模具材料在高温下的必要特性的指标。热加工工具钢的0.2％耐力σ
0.2
在室温至300℃左右不易受到合金成分的影响，另一方面，若为500℃以上，则例如jis skd61与jis skd71的该特性产生差异。因此，在500℃下反复深入研究了各合金成分对0.2％耐力σ
0.2
的影响，结果表明，高温的0.2％耐力σ
0.2
与合金元素的关系为：若添加[c]、[ni]、[v]，则a值降低，反之，若增加[cr]、[mo (1/2)w]的添加量，则a值升高，a值越高，0.2％耐力σ
0.2
越大，特性越为提高。
[0067]
上述a值的数学式1是如下求出的。即，本技术发明人将改变各合金元素的含量而制造的试验片调质到hrc为49
±
1，在500℃下实施高温拉伸试验。然后，在该高温拉伸试验中，测定0.2％耐力σ
0.2
，然后，通过最小二乘法(多元回归分析)算出各元素对0.2％耐力σ
0.2
的影响程度。由该影响程度的分析结果求出各成分的含量的系数，从而求出a值的公式(数学式1)。
[0068]
图3中，横轴取a值，纵轴取0.2％耐力σ
0.2
，将各钢材的试验片的0.2％耐力测定值与由组成求出的a值的关系绘于图中。在这种情况下，以该0.2％耐力最近似于a值的方式，通过最小二乘法求出a值的系数，即为上述数学式1。在本发明中，若以近似式即数学式1超过1000的方式决定各成分的含量，则0.2％耐力σ
0.2
成为大致超过1000的值。
[0069]
如图3所示，a值越高，0.2％耐力σ
0.2
越高，因此通过以使该a值变高的方式规定这些成分[c]、[ni]、[v]、[cr]、[mo (1/2)w]的含量，可实现本发明的目的。具体而言，若使该a值的阈值为a＝1000，则在本发明的钢材的成分的各含量满足a＞1000的情况下，0.2％耐力为1000mpa以上，因此在本发明中以该a值比1000大的方式决定各成分的含量。
[0070]
实施例
[0071]
接下来，将满足本发明的权利要求1的实施例的热加工工具钢的特性与偏离本发明范围的比较例的热加工工具钢的特性进行对比，对本发明的效果进行说明。将下述表1所示组成的实施例1～5和比较例6～14的钢材用高频感应炉熔化，得到20kg的锭。另外，比较例15、16是将用量产电炉熔制的3～6吨钢锭以6s以上的锻造比锻造而得到的。将这些铸锭在1200～1280℃的温度下加热4小时以上后，进行锻造，然后，在820～870℃的温度下保持加热4小时以上，以15～35℃/小时的冷却速度冷却至400～500℃的温度而实施退火处理。然后，从该退火处理后的钢材上采集抗软化性试验片、淬火性试验片、拉伸试验片和夏比冲击试验片。
[0072]
然后，基于这些试验片，求出表2所示的“淬火性”、“韧性”、“0.2％耐力σ
0.2”和“抗软化性”。
[0073]“淬火性”试验中，通过formaster试验制作cct曲线，求出产生贝氏体的淬火临界冷却时间(分钟)，由此判定其优劣。具体而言，在1030℃下保持10分钟后匀速冷却，至产生贝氏体为止的淬火临界冷却时间为60分钟以上的情况记为〇，低于60分钟记为
×
，从而评价淬火性。
[0074]“韧性”试验中，切下10
×
10
×
55mm的jis 3号试验片，在1030℃下加热30分钟后，以每分钟12.5℃的冷却速度冷却至室温来进行淬火后，在580～630℃下进行2次以上的退火，使硬度一致达到49
±
1hrc后，测定冲击值。评价中，将冲击值为25j/cm2以上表示为
◎
，将15j/cm2以上且低于25j/cm2表示为〇，将低于15j/cm2的情况表示为
×
。
[0075]“抗软化性”试验中，在1030℃下加热30分钟后，以每分钟33.3℃的冷却速度冷却至室温来进行淬火后，在580～630℃下进行2次以上的退火，将硬度已调质到48
±
1hrc的各钢材在600℃下保持50小时，并将该钢材空冷后测定硬度，以与初期的调质硬度之差、即硬度降低δhrc来进行评价。若初期的调质硬度与试验后的硬度之差δhrc为10hrc以下，则抗软化性的评价记作
◎
，若超过10且为13hrc以下，则记作
○
，若超过13hrc，则记作
×
。
[0076]
对于高温拉伸试验中的“0.2％耐力”，从钢材上切下平行部的直径为6mm、平行部的长度为30mm的带凸缘的试验片(jis g0567)，在1030℃下加热30分钟后，以每分钟33.3℃的冷却速度冷却至室温来进行淬火后，在580～630℃下进行2次以上的退火，使硬度一致达到49
±
1hrc。对于得到的试验片，依照jis g0567在500℃的温度环境下进行拉伸试验。拉伸速度相对于平行部长度为30mm的部位设为0.3％/分钟。然后，求出0.2％耐力σ
0.2
并示于表2中(单位为mpa)。在本发明中，在该0.2％耐力σ
0.2
为1000mpa以上的情况下判断为良好。
[0077]
[表1]
[0078][0079]
[表2]
[0080][0081]
表1示出供试验的钢材的c、si、mn、cr、ni、mo、w、v及n的含量和mo (1/2)w的值。表1的余量为fe和不可避免的杂质。本发明的实施例1～5的各成分的含量满足权利要求1，另外，如表2所示，a值超过1000。而且，实施例1～5的淬火性为
○
，韧性为
◎
或
○
，抗软化性为
○
，0.2％耐力σ
0.2
超过1000mpa。
[0082]
另一方面，比较例6虽然a值满足超过1000，但cr含量与本发明的范围相比过少，并且mo (1/2)w比本发明的范围多，因此产生结晶碳化物，淬火性差，在本发明中作为淬火性指标的淬火临界冷却时间不满足60分钟以上。另外，比较例9、10、11、14的cr含量与本发明的范围相比也过少，因此本来会与比较例6同样淬火性差，但在这些比较例9、10、11、14中，通过添加其它元素实现了淬火性的提高，因此如表2所示，淬火性的栏均为
○
(淬火临界冷却时间为60分钟以上)。但是，比较例9、10、11、14中都添加ni超过本发明的范围，所以添加了这样的降低a值的ni(a值的公式中的系数为负)，因此a值为1000以下，高温下的0.2％耐力σ
0.2
低。另外，比较例9中c和v也较高，这也是a值降低的主要原因。
[0083]
比较例7、8、12、13中，由于ni高，所以a值低。另外，比较例7、12、13中，由于c稍高，所以这也是a值降低的主要原因。
[0084]
另外，比较例10、12、13、14中，由于mo (1/2)w的含量较低，所以a值低，0.2％耐力σ
0.2
也低。
[0085]
此外，比较例15中，由于si多、mn少、mo (1/2)w少，所以抗软化性低，a值也低，因此0.2％耐力σ
0.2
也低。比较例16中，由于mn和cr少，所以淬火性和韧性低。
[0086]
产业上的可利用性
[0087]
根据本发明，有效于制造高温下的弹性限度高、塑性变形应变小的模具，可延长模具寿命。因此，根据本发明，作为即使在对高强度的配对材料进行反复挤压或锻造的情况下也可制造高精度的制品的模具用钢材是有益的。