CN103119187A - 表面pvd处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法、以及其表面pvd处理方法 - Google Patents

表面pvd处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法、以及其表面pvd处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供改善了表面PVD处理时的热处理变形和软化的问题的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法，还提供对本发明的预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法。预硬冷作工具钢按质量%计包含：C：0.7～1.2%、Si：1.0～2.6%、Mn：0.4～1.0%、S：0.02～0.1%、Cr：3.0～6.0%、Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%、V：0.2～1.0%、Nb：0.1～0.3%、剩余部分为Fe和不可避免的杂质，该冷作工具钢的淬火回火硬度为60HRC以上，并且组织中的残留奥氏体量为8体积%以下。其还可以含有1.0%以下的Ni。淬火回火条件优选为1000℃以上的淬火和520℃以上的回火。表面PVD处理前后的残留奥氏体的变化量优选为5体积%以内。

Description

表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法、以及其表面PVD处理方法
技术领域
本发明涉及适于工具材料、尤其是成型家电、便携式电话、汽车相关构件的冷作模具材料的表面PVD(物理气相沉积)处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法，以及该预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法。
背景技术
在用于室温下板材的弯曲、深冲、冲裁等压制成型的冷作工具中，为了提高其耐磨耗性，提出了可通过淬火和回火(以下称为“淬火回火”)达成60HRC以上硬度的钢材料(专利文献1、2)。形成这种高硬度的钢材料时，难以在淬火回火后切削加工成工具形状，因此通常在硬度低的退火状态下进行粗加工，然后淬火回火成60HRC以上的使用硬度。在这种情况下，由于会因淬火回火导致工具产生热处理变形，因此在淬火回火后实施用于修正该变形量的再次精切削加工，从而形成最终工具形状。因淬火回火导致的工具的热处理变形的主要原因在于，由退火状态下属于铁氧体组织的钢材料相变为马氏体组织而导致体积膨胀。
除了上述钢材料之外，提出了很多预先淬火回火为使用硬度来提供的预硬钢。在预硬钢中，由于无需在一次性切削加工至最终工具形状后进行淬火回火，可以免除起因于淬火回火的工具的热处理变形，还可以省略上述精切削加工，是有效的技术。关于本技术，提出了即使超过55HRC的淬火回火硬度也具有优异切削加工性的冷作工具钢(专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-189982号公报
专利文献2：日本特开2009-132990号公报
专利文献3：日本特开2001-316769号公报
发明内容
发明要解决的问题
最近，为了进一步提高冷作工具的耐磨耗性，对工具的作业面实施被覆各种硬质覆膜的表面被覆处理。作为表面被覆处理的普通方法，有形成硬质碳化物的CVD(化学蒸镀)处理、主要形成氮化物的PVD(物理蒸镀)处理。在CVD处理中，由于钢材料被加热至相当于淬火回火时的淬火温度的温度(约1000℃)，因此即使在使用预先经过淬火回火的预硬钢作为钢材料的情况下，硬度也会大幅变化，需要再次淬火回火。而且，由于进行再次淬火回火，还伴有用于修正热处理变形的再切削加工。
另一方面，在PVD处理中，由于钢材料暴露的最高温度通常低至约520℃，接近冷作工具钢的代表性回火温度(约500℃)，因此难以改变淬火回火后的硬度(以下称为“淬火回火硬度”)。因而，表面被覆处理后无需再次淬火回火，当然不会产生起因于其的热处理变形。因此，对于预硬钢而言，将其切削加工成最终工具形状后，如果可组合使用通过PVD处理形成上述硬质覆膜的技术，则在该高工具制作能力的基础上，还可以达成耐磨耗性的进一步提高。
专利文献3公开的冷作工具钢为兼具对工具形状的切削加工性与工具使用时的耐磨耗性这两者的优异的预硬钢。然而，由于其在PVD处理中会暴露于约520℃下，因此即使能够维持淬火回火硬度，也存在产生与淬火回火时机理不同的热处理变形、结果需要用于修正工具形状的切削加工的问题。另外，为了抑制预硬钢被加热至回火温度以上而软化的情况，必须含有大量价格昂贵的合金元素、尤其是Mo和W，存在不能期待低成本化的问题。
本发明的目的在于，提供确保了作为预硬钢的良好的切削加工性、并且进行表面PVD处理时的热处理变形和软化的问题得到了改善的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢及其制造方法，还提供对本发明的预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法。
用于解决问题的方案
本发明人对进行表面PVD处理时的预硬钢的热处理变形问题进行了研究。其结果发现，PVD处理时的热处理变形与前述淬火回火时的变形机理不同，是由预硬钢固有的残留奥氏体分解引起的。因此，对可降低PVD处理前的残留奥氏体量的方法进行了深入地研究，结果发现在其实现条件中存在狭域的最佳成分组成。而且，还明确了即使在具有该成分组成的预硬钢中降低Mo、W这些价格昂贵元素的添加量也可实现60HRC以上的硬度、以及实现此时的充分切削加工性的优选淬火回火条件，从而完成了本发明。
即，本发明提供一种耐热处理变形性优异的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢，其特征在于，按质量%计包含：
C：0.7～1.2%、
Si：1.0～2.6%、
Mn：0.4～1.0%、
S：0.02～0.1%、
Cr：3.0～6.0%、
Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%、
V：0.2～1.0%、
Nb：0.1～0.3%、
剩余部分为Fe和不可避免的杂质，该冷作工具钢的硬度为60HRC以上，并且组织中的残留奥氏体量为8体积%以下。硬度优选为62HRC以上，或者冷作工具钢的成分组成还可以含有1.0%以下的Ni。
而且，本发明提供一种耐热处理变形性优异的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的制造方法，其特征在于，对按质量%计包含：
C：0.7～1.2%、
Si：1.0～2.6%、
Mn：0.4～1.0%、
S：0.02～0.1%、
Cr：3.0～6.0%、
Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%、
V：0.2～1.0%、
Nb：0.1～0.3%、
剩余部分为Fe和不可避免的杂质的冷作工具钢，通过从1000℃以上的温度开始的淬火和520℃以上温度的回火，将其硬度调整为60HRC以上并且将组织中的残留奥氏体量调整为8体积%以下。硬度优选为62HRC以上，或者冷作工具钢的成分组成还可以含有1.0%以下的Ni。
本发明还提供一种表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法，其特征在于，其为对上述表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法，使前述预硬冷作工具钢的表面PVD处理前的组织中的残留奥氏体量与该处理后的组织中的残留奥氏体量之差为5体积%以内。
发明的效果
根据本发明，可以确保作为预硬钢的良好的切削加工性，并且可以显著地改善进行表面PVD处理时的热处理变形和软化的问题。因此，其将成为对于预硬冷作工具钢的实用化而言不可或缺的技术。
具体实施方式
本发明的特征在于，可以以低成本实现可使供给时的淬火回火硬度为60HRC以上、可维持该硬度并可抑制进行表面PVD处理时的热处理变形的预硬冷作工具钢。具体而言，基于下述技术构思：设计成在相当于在先的表面PVD处理中的到达温度的回火温度下表现出淬火回火时的60HRC以上的回火硬度的成分组成，抑制表面PVD处理时的残留奥氏体的分解，抑制热处理变形。以下，对本发明的预硬冷作工具钢的技术特征、用于达成该技术特征的优选制造方法以及对本发明的预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法进行说明。
(1)组织中的残留奥氏体量为8体积%以下。
PVD处理时的热处理变形是淬火回火后的预硬钢所固有的残留奥氏体的分解所引起的。因此，使PVD处理前的残留奥氏体量为8体积%以下的原因在于：如果为该值则上述热处理变形小、实用上可以省略用于修正的切削加工。优选为6体积%以下，进一步优选为5体积%以下。该残留奥氏体的限定量可以通过作为本发明特征的后述成分组成、淬火回火条件以低成本达成。作为残留奥氏体量的测定方法，例如有利用X射线衍射的方法。而且，可以使用Co作为X射线源，由晶体结构的fcc中的(200)面、(220)面、(311)面与bcc中的(200)面、(211)面的衍射强度之比求得。
(2)淬火回火硬度为60HRC以上。
使淬火回火硬度为60HRC以上是为了提高由PVD处理获得的硬质覆膜的密合性，确保使用中的耐磨耗性。优选为62HRC以上。该淬火回火硬度可通过作为本发明特征的后述成分组成、淬火回火条件以低成本达成。而且，即使经过表面PVD处理后也能具有并维持高软化阻力，因此硬质覆膜的密合性优异。
(3)按质量%计由以下的成分组成形成。
·C：0.7～1.2%
C是在钢中形成碳化物、对预硬钢赋予硬度的重要元素。少于0.7%时，所形成的碳化物量不足，难以赋予60HRC以上的硬度。另一方面，含有过多时，由于碳化物量的增加而使可切削性降低，预硬状态下想要切削加工成工具形状时容易加快切削工具的磨耗。因而，将C的含量设定为0.7～1.2%。优选为0.8%以上和/或1.1%以下。
·Si：1.0～2.6%
Si是铁氧体形成元素，通过添加Si而具有可降低预硬钢中的残留奥氏体量的效果。另外，由于Si固溶在预硬钢的基体中，因此会通过固溶强化而提高硬度。为1.0%以上时，其效果虽然高，但是过多时淬火性、韧性显著降低。因而，将Si设定为1.0～2.6%。优选为1.2%以上和/或2.0%以下。
·Mn：0.4～1.0%
为了提高淬火性而含有Mn。然而，由于Mn为奥氏体形成元素，因此如果添加量过多，则淬火回火后的残留奥氏体量增加。因而，在本发明中设定为0.4～1.0%。优选为0.5%以上和/或0.9%以下。
S：0.02～0.1%
S是脆化元素的代表，是在要求焊接性、高硬度的工具钢领域中受到限制的元素。然而另一方面，S是形成MnS而提高可切削性的元素。本发明的情况下，以为冷作工具钢的标准钢种类的JIS-SKD11为基准，与该基准相比，通过降低碳化物量来提高韧性，因此可仅添加其差量的S。因而，将S设定为0.02～0.1%。优选为0.03%以上和/或0.08%以下。
·Cr：3.0～6.0%
Cr通过在淬火回火组织中形成M7C3碳化物而对预硬钢赋予硬度。Cr不足3.0%时，所形成的碳化物量少，难以赋予60HRC以上的硬度。另一方面，如果过量添加，则所形成的碳化物量增加，淬火时以粗大的碳化物的形式残留而没有完全固溶在基体中，因此可切削性降低。因此，为了以预硬钢形式获得，将Cr设定为3.0～6.0%的狭域是重要的。
·Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%
Mo和W是对兼具本发明的耐热处理变形性与高硬度而言重要的元素。也就是说，这些元素是在淬火回火时的回火中利用微细碳化物的析出强化(二次硬化)来提高硬度的元素。然而，同时其也是使在回火中产生的残留奥氏体的分解延迟而在淬火回火后的组织中残留大量未分解奥氏体的、对本发明具有相反作用效果的元素。关于该课题，综合研究了即使降低Mo、W的添加量也可达成60HRC以上的高硬度的淬火回火条件(后述)，结果发现可兼具上述特性的预硬冷作工具钢的成分组成。
而且，作为上述结果，将本发明的预硬冷作工具钢的Mo当量(Mo+1/2W)设为0.4～1.0%。通过使Mo当量为0.4%以上，可达成60HRC以上的淬火回火硬度。而且，通过使Mo当量为1.0%以下，可降低淬火回火后的残留奥氏体量。另外，由于可以抑制属于价格昂贵元素的Mo和W的添加量，因此可以以低成本兼具优异的耐热处理变形性和高硬度。优选为0.6%以上，进一步优选为0.8%以上。
·V：0.2～1.0%
V是增大软化阻力的元素。然而，过多的添加会成为增加MC碳化物、降低可切削性的原因。因而，将V设定为0.2～1.0%。优选为0.4%以上和/或0.7%以下。
·Nb：0.1～0.3%
Nb形成MC碳化物。而且，在淬火回火时的淬火中，MC碳化物在淬火温度下不会固溶，会抑制奥氏体晶粒的粗大化，从而降低残留奥氏体的形成。其结果，PVD处理后的耐热处理变形性得到改善。然而，过量添加Nb时，会形成许多粗大的MC碳化物，导致韧性及可切削性降低。因而，在本发明中将Nb设定为0.1～0.3%。优选为0.2%以下。
·Ni：1.0%以下
Ni是改善韧性、焊接性的元素，根据需要添加1.0%以下即可。
(4)为了达成以上的预硬冷作工具钢，优选通过从1000℃以上温度开始的淬火和520℃以上的温度的回火来进行淬火回火。
制造本发明的预硬冷作工具钢时，关于此时的淬火回火条件，优选从1000℃以上温度开始进行淬火、并通过520℃以上的温度进行回火。也就是说，对于本发明的特别成分组成钢而言，使淬火温度为1000℃以上是为了促进未固溶碳化物的固溶，提高可切削性。进一步优选淬火温度为1080℃以上，这是由于：通过提高淬火温度，除了可切削性提高之外，以较少的Mo当量也可以进一步提高作为冷作工具必要的硬度。另外，使回火温度为520℃以上是由于：通过降低该时刻下未分解的残留奥氏体量本身，并且在比表面PVD处理中预硬钢暴露的温度更高的温度下预先进行回火，可抑制表面PVD处理中的残留奥氏体的分解，可抑制热处理变形。
需要说明的是，由于预硬钢通常在供给者侧进行淬火回火，与在需要者侧进行淬火回火的情况相比，容易在最适合于钢种类的设定条件下进行淬火回火。
(5)对以上的预硬冷作工具钢进行表面PVD处理时，优选该PVD处理前的组织中的8体积%以下的残留奥氏体量与该PVD处理后的组织中的残留奥氏体量之差为5体积%以内。
本发明的表面PVD处理用高硬度预硬钢中，其淬火回火时的回火温度低于PVD处理时的升温温度时，例如在通常的高温回火温度500℃下进行回火时，有可能在PVD处理时大量发生残留奥氏体的分解(热处理变形)。因此，在这种情况下，如果进行该处理以使PVD处理前后组织中的残留奥氏体量之差在5体积%以内，则可以省略PVD处理后用于修正的切削加工。
具体而言，通过将淬火回火时的回火温度设定在高于PVD处理时的升温温度的温度，可以使PVD处理前后组织中的残留奥氏体量之差在5体积%以内。
实施例1
使用高频感应熔解炉熔解材料，制作具有表1所示化学成分的铸锭。接着，对这些铸锭以锻造比为10左右的方式进行热轧，冷却后，在860℃下进行退火。
[表1]
Figure BDA00002968050900101
然后，对上述退火材进行从1030℃开始的、基于空气冷却的淬火处理后，在通常的回火温度500℃下进行2次回火处理，制作淬火回火完毕的预硬冷作工具钢。另外，作为用于评价前述表面PVD处理后状态的工具钢，还准备了在假定为该表面处理时的加热温度的520℃下进行2次回火处理而得到的预硬冷作工具钢。各回火得到的硬度和残留奥氏体量如表2所示。残留奥氏体量的测定通过上述测定条件进行。需要说明的是，对于在500℃下回火的冷作工具钢而言，作为可切削性的指标，还同时记录了使用热力学计算程序Thermo-Calc(Thermo-Calc Software公司制造)求得的未固溶的M7C3碳化物量。
[表2]
对于本发明例的预硬冷作工具钢而言，降低了Mo、W这些价格昂贵的合金元素的添加量，同时达成60HRC以上的淬火回火硬度，而且残留奥氏体量也可以降低至8体积%以下。而且，对于通过500℃的回火而淬火回火成的工具钢而言，即使通过前述表面PVD处理进行再加热、促进残留奥氏体的分解，也如假定该情况的520℃的回火结果所示那样，可将残留奥氏体的变化量抑制在5体积%以下，还可维持硬度。因而，本发明的预硬冷作工具钢即使在通常的淬火回火条件下供给，也可以解决表面PVD处理导致的热处理变形、软化的问题。进而，通过Cr量的管理，淬火回火后(即供给时)的未固溶的M7C3碳化物不足3体积%，可切削性也得到改善。
当然，通过520℃的回火进行淬火回火，残留奥氏体量可降低至5体积%以下。对其进行表面PVD处理时，由于通过接近此时的到达温度的回火进行了淬火回火，因此会进一步减少了热处理变形。
另一方面，在比较例中，No.23、25～27通过500℃和520℃两种温度下的回火不能得到60HRC的淬火回火硬度(省略No.25～27的残留奥氏体量的测定)。No.24相当于JIS-SKD11，通过500℃的回火实现了超过60HRC的淬火回火硬度。然而，假定为表面PVD处理时的加热温度的520℃的回火的结果为硬度降低。
No.21、22通过500℃和520℃的两种回火达成了超过60HRC的淬火回火硬度。然而，对于通过500℃的回火进行淬火回火而得到的工具钢而言，残留奥氏体量高，表面PVD处理(即520℃的回火)后的残留奥氏体的变化量大。而且，如果将No.21、22通过520℃的回火进行淬火回火来供给，则表面PVD处理后维持在60HRC以上的高硬度，热处理变形有可能减少。然而，对Cr量高的No.21、22而言，即使进行520℃的回火，其淬火回火后的组织中也与500℃的回火同样地依然存在大量未固溶的M7C3碳化物，可切削性不充分。No.21、22难以适合用作PVD处理用预硬冷作工具钢。
实施例2
使用表1所示的本发明例的退火材料，对其进行从1100℃开始的基于空气冷却的淬火处理。然后，假定表面PVD处理时的到达温度，在520℃以及比其高的540℃以上的温度下进行高温回火。此时的硬度和残留奥氏体量如表3所示。残留奥氏体量的测定通过上述测定条件进行。另外，还同时记录使用上述Thermo-Calc求得的未固溶的M7C3碳化物量。
[表3]
Figure BDA00002968050900151
适用优选的淬火回火条件的本发明的预硬冷作工具钢实现了60HRC以上的硬度。尤其是对Mo量和V量高的No.3、7、11、12、Si量高的No.8、降低Cr量并提高Si量的No.9而言，即使进行540℃的高温回火，也达成了62HRC以上的硬度。另外，淬火回火后的残留奥氏体量也可降低至5体积%以下。进而，未固溶的M7C3碳化物量不足0.1体积%，可切削性也得到改善。而且，对该预硬冷作工具钢进行表面PVD处理时，由于在高于此时的到达温度的温度下进行回火，因此残留奥氏体几乎不分解，因而热处理变形被降低至大致为零。

Claims (7)

1.一种表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢，其特征在于，按质量%计包含：
C：0.7～1.2%、
Si：1.0～2.6%、
Mn：0.4～1.0%、
S：0.02～0.1%、
Cr：3.0～6.0%、
Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%、
V：0.2～1.0%、
Nb：0.1～0.3%、
剩余部分为Fe和不可避免的杂质，该冷作工具钢的硬度为60HRC以上，并且组织中的残留奥氏体量为8体积%以下。
2.根据权利要求1所述的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢，其特征在于，硬度为62HRC以上。
3.根据权利要求1或2所述的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢，其特征在于，按质量%计还含有Ni：1.0%以下。
4.一种表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的制造方法，其特征在于，对按质量%计包含：
C：0.7～1.2%、
Si：1.0～2.6%、
Mn：0.4～1.0%、
S：0.02～0.1%、
Cr：3.0～6.0%、
Mo和W单独或者组合(Mo+1/2W)：0.4～1.0%、
V：0.2～1.0%、
Nb：0.1～0.3%、
剩余部分为Fe和不可避免的杂质的冷作工具钢，通过从1000℃以上的温度开始的淬火和520℃以上温度的回火，将硬度调整为60HRC以上并且将组织中的残留奥氏体量调整为8体积%以下。
5.根据权利要求4所述的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的制造方法，其特征在于，将硬度调整为62HRC以上。
6.根据权利要求4或5所述的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的制造方法，其特征在于，冷作工具钢按质量%计还含有Ni：1.0%以下。
7.一种表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法，其特征在于，其为对权利要求1～3中任一项所述的表面PVD处理用高硬度预硬冷作工具钢的表面PVD处理方法，使所述预硬冷作工具钢的表面PVD处理前的组织中的残留奥氏体量与该处理后的组织中的残留奥氏体量之差为5体积%以内。
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