CN105018851A - 模具用钢和模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具用钢和模具。本发明涉及模具用钢和通过使用所述模具用钢借助叠层制造来制造的模具，所述模具用钢具有包含以质量％计的下述的组成：0.25％<C<0.38％，0.01％<Si<0.30％，0.92％<Mn<1.80％，0.8％<Cr<2.2％，0.8％<Mo<1.4％和0.25％<V<0.58％，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

模具用钢和模具

技术领域

本发明涉及在高温强度和导热性能两方面均优异的压模钢(die steel)和模具钢(mold steel)，以及模具。

背景技术

如注射成型用模具、压铸用模具和热压(也称作热冲压或模压淬火)用模具等用于树脂、橡胶等的模具，常规地一般通过以下来生产：将钢熔融以形成其锭，其后使锭进行锻造和轧制以形成块状(block)或扁平的矩形材料，将该材料机械加工成模具的形状，然后给其施以如淬火和回火(quenching andtempering)等热处理。

对于这些模具通常采用的技术是在模具壁内形成冷却回路(水冷却线)并使冷却水由此穿过，从而使模具冷却。

在此类模具中，提高用冷却水冷却的效率使得循环时间减少，即产品的快-循环生产(成型)，并且这导致生产效率的改进。

提高冷却效率的直接方法是将冷却回路设置在更接近于模具的成型表面(设计表面)。

然而，该方法具有下列缺陷。由于冷却回路与成型表面之间的距离减小和由于较强热应力的产生，使得模具倾向于发展出严重裂纹(通过从水冷却回路至成型表面的裂纹扩展(crack propagation))，这是模具寿命缩短的成因。

因此，在当冷却回路设置在更接近于成型表面时的情况下，当然会有局限。

另一可能的方法可以为其中沿所有方向复杂蜿蜒运行的冷却回路在模具壁内形成，从而通过调整冷却回路的整体形状、布局等来提高冷却能力的方法。然而，在其中借助机械加工生产模具的任何方法的情况下，形成具有此类复杂形状的冷却回路在技术上是不可行的。

在此类情况下，近来专注于通过叠层制造(additive manufacturing)(三维叠层制造)来制造模具的技术。

叠层制造是通过材料的累加将三维模型数据转换成实物的加工技术。在叠层制造中，首先将由三维计算机辅助设计(CAD)数据表示的形状沿垂直于预定轴的多个面切片，并且计算所得薄片的截面形状。这些薄片的形状是实际形成的，并且将形成的薄片堆叠并接合在一起，从而将计算机表示的形状转换成实物。

在叠层制造中，存在将粉末用作材料的情况和将板用作材料的情况。

在其中将粉末用作材料的方法中，粉末均匀铺展成层(各层具有例如几十微米的厚度)，并且粉末层的某些区域用热能照射，例如用电子束的激光束照射，从而使粉末层熔融/凝固或烧结。各层由此逐层叠加，从而制造完整的形状。

同时，在其中将板用作材料的叠层制造中，由CAD中的三维模型数据的切片产生的各个部件(板)实际通过机械加工等生产，并且这些部件通过例如扩散接合来叠加并接合在一起，从而制造完整的三维形状。

借助这些叠层制造技术的模具生产的实例，例如公开于专利文献1和2中。

具体地，专利文献1公开了关于“选择性激光烧结用金属粉末，通过使用其的三维形状物体的制造方法，以及由其获得的三维形状物体”的发明。其中公开了如下特征：通过用光束照射包括析出硬化型金属成分的粉末材料层的预定部位，从而使预定部位的粉末烧结或使其熔融并随后固化来形成固化层，并且通过在所得固化层上新形成粉末层，然后用光束照射新的粉末层的另一预定部位来形成另一固化层，这些步骤重复进行，由此生产三维形状物体。

专利文献2公开了关于“模具用压模嵌入块，模具用嵌入块的制造方法和树脂成型模具”的发明。其中公开了如下特征：内部具有螺旋冷却通道的压模嵌入块基于冷却通道的切片数据通过加工在多个金属板的每一个中形成冷却通道的凹槽，以规定的顺序层压经凹槽加工的金属板，将层压的金属板扩散接合，并且将通过扩散接合获得的金属块成形加工来生产。

上述叠层制造的技术为通过将材料叠加制造完整形状，且能够容易地形成沿所有方向蜿蜒运行且完全不能通过机械加工来形成的复杂的冷却回路的技术。结果，在无需在模具的成型表面附近不必要地设置冷却回路的情况下，可有效地提供比通过传统的机械加工生产的模具更高的冷却效率。

迄今，马氏体时效钢(maraging steels)和析出硬化型不锈钢已用作需要具有高温强度的模具用材料。

也在专利文献1中，马氏体时效钢或析出硬化型不锈钢的粉末因而用作模具用材料。

尽管此类包括马氏体时效钢和析出硬化型不锈钢的钢对于模具具有充分的高温强度，但存在的问题在于，由于这些钢的母相含有大量如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶体的元素，因此这些钢具有低的导热性能(低的导热系数)。

通过叠层制造生产的模具具有的优势在于，具有自由设计的复杂形状的冷却回路可设置于其中，并且结果甚至可使得通过使用马氏体时效钢或析出硬化型不锈钢作为材料所生产的模具由于通过叠层制造形成的具有复杂形状的冷却回路的形状效果而具有提高的冷却效率。然而，由于材料本身具有低导热系数，因此难以将冷却效率提高至充分的水平。

当然，在不通过叠层制造而通过传统的通用生产方法由其生产模具的情况下，冷却(热交换)效率变得更加不充分。

同时，作为具有高导热性能(具有高导热系数)的钢，存在碳钢和机械结构用途用钢等。这些钢显示高导热性能，这是由于在母相中如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶体的元素的含量低和由于这些钢是低合金钢。

然而，这些钢具有低的高温强度，并且具有由其生产的模具具有短寿命的问题。

即，迄今为止，无论模具是否通过叠层制造来制造，还未提供能够给出在高温强度和导热性能两方面均具有充分性能的模具的模具用钢。

作为可能与本发明相关的现有技术，专利文献3公开了关于“具有优异的热疲劳性质的压模钢”的发明。其中公开了下述特征：减少作为合金元素的Si和Cr的添加量，并且平衡其它合金组分，从而获得导热系数的增大和抗软化性的提高。

作为另一现有技术，专利文献4公开了关于“压模用钢”的发明。其中公开了下述特征：适当平衡Si、Mn和Cr的添加量，从而将钢的导热系数有效调整为小于期望值的值且充分确保机械加工性和冲击值。

作为另一现有技术，专利文献5公开了关于“球化退火性质和淬透性优异的压模钢”的发明。其中公开了下述特征：通过调整要添加至钢的元素，将500kg以上的大型模具所需的淬透性和球化退火性质赋予钢。

专利文献3至5中记载的各种钢的组分相对于它们权利要求中规定的化学组分的范围，可能与本发明模具用钢的组分部分重叠。然而，其中没有公开的实施例满足本发明的任一项权利要求，且专利文献3至5的钢与本发明的钢实质上是不同的。

另外，专利文献3至5中记载的钢不旨在用于叠层制造，且该用途在其中根本没有提及。

专利文献1：WO 2011/149101

专利文献2：JP-A-2010-194720

专利文献3：日本专利No.4,992,344

专利文献4：P-A-2011-94168

专利文献5：JP-A-2008-121032

发明内容

在上述情况下，本发明的目的为提供模具用钢，当模具通过叠层制造由其生产时能够获得高的高温强度和导热性能二者。本发明的另一目的为提供模具用钢，即使当将借助加工锭获得的材料不通过叠层制造而通过机械加工而生产模具时，所述模具用钢也能够获得高的高温强度和导热性能。本发明的进一步的目的为提供模具。

根据本发明的模具用钢为具有包含以质量％计的下述元素的组成的模具用钢：

0.25％<C<0.38％，

0.01％<Si<0.30％，

0.92％<Mn<1.80％，

0.8％<Cr<2.2％，

0.8％<Mo<1.4％，和

0.25％<V<0.58％，

余量为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的：

0.1％<Al<1.2％。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的下述的至少任一种：

0.30％<Ni≤3.5％，和

0.30％<Cu≤1.5％。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的：

0.0001％<B≤0.0050％。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的下述的至少一种：

0.003％<S≤0.250％，

0.0005％<Ca≤0.2000％，

0.03％<Se≤0.50％，

0.005％<Te≤0.100％，

0.01％<Bi≤0.50％，和

0.03％<Pb≤0.50％。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的下述的至少一种：

0.004％<Nb≤0.100％，

0.004％<Ta≤0.100％，

0.004％<Ti≤0.100％，和

0.004％<Zr≤0.100％。

根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的下述的至少任一种：

0.10％<W≤4.00％，和

0.10％<Co≤3.00％。

根据本发明的模具用钢可具有28W/m/K以上的通过激光闪光法评价的25℃下的导热系数。

根据本发明的模具用钢可用作用于通过叠层制造来制造模具的材料。

在本发明中，所述材料可以为粉末或板。

根据本发明的模具为通过使用根据本发明的模具用钢借助叠层制造来制造的模具。

本发明的模具用钢为与如马氏体时效钢和析出硬化型不锈钢等传统的高合金钢相比不添加如Si、Cr、Ni和Co等此类元素，或者以较少的量添加此类元素的低合金钢，从而实现提高的导热系数。同时，本发明的模具用钢具有与机械结构用途用钢相比较高含量的如Mn、Mo和V等元素，从而实现增强的高温强度。本发明的模具用钢结合了高的高温强度和高的导热系数。

另外，本发明的模具用钢保持为整体上具有减少的合金元素添加量的低合金钢。

在用于通过叠层制造的模具生产中的假设下，本发明的模具用钢中，作为为用于改进淬透性的元素的Cr和Mo的含量，与其在适于通过刮削的模具生产的情况中的含量相比已经减少。本发明的模具用钢因而相应地处于低合金化状态。

例如，JIS SKD61包含5Cr和1.5Mo，和JIS SKD7包含3Cr和3Mo。相反，本发明的模具用钢包含基于质量％的Cr<2.2％和Mo<1.4％。

此外，本发明中Si+Mn+Cr+Mo+V的总含量小于6.2质量％，这比JISSKD61和JIS SKD7中Si+Mn+Cr+Mo+V的含量低约3至4％。

在叠层制造中，特别是，在其中使用粉末的叠层制造中，将热能施加至均匀铺展的粉末的层，从而通过熔融/凝固或通过烧结使粉末硬化。

在本操作中，高温状态如熔融状态下的粉末迅速冷却并且自动进行淬火。该淬火在高冷却速度下迅速进行。即，淬火与粉末叠层制造的各步骤顺次且同时进行。

由于如上所述淬火在高冷却速度下进行，因此即使钢已预先配混为具有减少含量的作为钢的组分的淬透性改进组分，钢在通过叠层制造的制作期间也令人满意地淬火。

此外，本发明的模具用钢具有高导热系数，这是由于该钢为低合金钢。

尽管适合用作叠层制造用材料，但本发明的模具用钢还可用在其中由钢锭通过借助机械加工而由此形成模具形状来生产模具的情况中。在该情况下，用于淬火等的热处理条件可根据所含元素来设定。

由此获得的模具由于钢组成的特征而具有高的高温强度和高导热性能二者。

根据本发明，可提供能够获得高的高温强度和高导热系数二者的模具用钢和模具。

附图说明

图1为作为本发明的一个实施方案的压铸模具的截面图，所述模具具有轴芯(spool core)。

图2为示出轴芯的磨耗状态的图。

具体实施方式

以下，将详细描述根据本发明的模具用钢。根据本发明实施方案的模具用钢包含下述元素作为基本元素，余量由Fe和不可避免的杂质构成。以下解释限制本发明中各化学组分的含量的原因。各化学组分的含量值基于质量％给出。

0.25％<C<0.38％

在满足0.25％<C的情况下，通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具可通过热处理实现模具所需的30-57HRC的硬度。处于通过叠层制造生产的状态下的模具也具有30-57HRC的硬度。此外，还在热处理通过叠层制造获得的模具的情况下，实现30-57HRC的硬度。在C≤0.25％的情况下，在通过任何生产工序生产的模具中，硬度是不充分的。另一方面，在0.38％≤C的情况下，导热系数降低。

0.01％<Si<0.30％

在Si≤0.01％的情况下，机械加工性大幅劣化。另一方面，在0.30％≤Si的情况下，导热系数大幅减小。

0.92％<Mn<1.80％

在Mn≤0.92％的情况下，当通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具淬火时或当通过叠层制造生产的模具淬火时，淬透性不充分。另一方面，在1.80％≤Mn的情况下，导热系数降低。另外，在1.80％≤Mn的情况下，当P的含量高时回火脆性发生。更优选的范围为0.92％<Mn<1.50％。

0.8％<Cr<2.2％

在Cr≤0.8％的情况下，耐候性不充分。此外，在Cr≤0.8％的情况下，钢具有蓝脆性且200℃至350℃下的延性降低。另外，在Cr≤0.8％的情况下，当通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具淬火时或当通过叠层制造生产的模具淬火时，淬透性不充分。另一方面，在2.2％≤Cr的情况下，导热系数降低。

0.8％<Mo<1.4％

在Mo≤0.8％的情况下，当通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具淬火和回火时或当通过叠层制造生产的模具回火(淬火后或不淬火)时，难以通过二次硬化确保硬度，并且高温强度也不充分。另一方面，在1.4％≤Mo的情况下，断裂韧性值大幅降低。

0.25％<V<0.58％

在V≤0.25％的情况下，当通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具淬火时或当通过叠层制造生产的模具淬火时，奥氏体晶粒的粗大化成问题。另外，在V≤0.25％的情况下，当通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具淬火和回火时或当通过叠层制造生产的模具回火(淬火后或不淬火)时，难以通过二次硬化确保硬度，并且高温强度也不充分。另一方面，在0.58％≤V的情况下，这些效果趋于不再增强且成本增加。

另外，在0.58％≤V的情况下，在模具用材料通过常规方法(包括熔融、精炼、铸造和热加工)生产的情况下，以下存在更高的可能性：粗VC粒可能在铸造中的凝固期间在锭中以较大量结晶出来并成为模具断裂的起始点。

在本发明的钢中，通常以下述量包含作为不可避免的杂质的下列组分。

0≤N≤0.05％

0≤P≤0.05％

0≤S≤0.003％

0≤Cu≤0.30％

0≤Ni≤0.30％

0≤Al≤0.10％

0≤W≤0.10％

0≤O≤0.01％

0≤Co≤0.10％

0≤Nb≤0.004％

0≤Ta≤0.004％

0≤Ti≤0.004％

0≤Zr≤0.004％

0≤B≤0.0001％

0≤Ca≤0.0005％

0≤Se≤0.03％

0≤Te≤0.005％

0≤Bi≤0.01％

0≤Pb≤0.03％

0≤Mg≤0.02％

根据本发明的模具用钢可任选地包含除上述基本元素以外的选自下述元素的一种以上的元素。即，根据本发明的模具用钢可仅由基于质量％的0.25<C<0.38、0.01<Si<0.30、0.92<Mn<1.80、0.8<Cr<2.2、0.8<Mo<1.4和0.25<V<0.58，余量为Fe和不可避免的杂质组成，但其可任选地包含选自具有如下所述含量的元素的一种以上的元素。

0.1％<Al<1.2％

存在本发明的钢在通过叠层制造的模具制作后进行淬火的情况。可引入0.1质量％<Al<1.2质量％的量的Al，从而抑制淬火期间奥氏体晶粒的粗大化。

Al与N结合以形成AlN，并且产生抑制奥氏体晶粒间界的移动(即晶粒的生长)的效果。

由于Al在钢中形成氮化物以有助于析出强化，因此Al进一步具有使渗碳钢能够具有提高的表面硬度的功能。对于为了赋予模具较高的耐磨耗性而氮化的模具(包括构成模具一部分的组件)，包含Al的钢材的使用是有效的。

0.30％<Ni≤3.5％，和0.30％<Cu≤1.5％

近年来，模具的大小由于模具组件和其整体的大小的增加而趋于增加。大模具难以冷却。为此，在由具有不良淬透性的钢材制成的大模具淬火的情况下，淬火期间铁素体、珠光体或粗贝茵体的析出发生，从而使各种性质劣化。该问题的可能性可通过选择性添加Cu和/或Ni以增强淬透性来消除。具体地，该问题可通过引入下述的至少任一种来克服：

0.30％<Ni≤3.5％，和

0.30％<Cu≤1.5％。

Ni通过与Al结合从而使金属间化合物析出而进一步具有提高硬度的效果。Cu通过时效沉淀进一步具有提高硬度的效果。优选的范围如下：

0.50％≤Ni≤3.0％，和

0.50％≤Cu≤1.2％

当以超过给定值的量含有各元素时，各元素可大幅偏析，导致对于镜面抛光的适用性降低。

0.0001％<B≤0.0050％

B的添加作为改进淬透性的权宜之计也是有效的。具体地，B可根据需要以以下的量引入：

0.0001％<B≤0.0050％

在形成BN时，B变得不显示淬透性的改进效果。因此必须使B在钢中单独存在。具体地，可使用其中使用具有比对B高的对N的亲和性的元素以形成氮化物，从而防止B与N结合的方法。此类元素的实例包括Nb、Ta、Ti和Zr。尽管这些元素即使当以杂质水平的量存在时也具有固定N的效果，但存在下列情况：根据N的含量在下文将描述的范围内的这些元素的添加量是期望的。

0.003％<S≤0.250％、0.0005％<Ca≤0.2000％、0.03％<Se≤0.50％、 0.005％<Te≤0.100％、0.01％<Bi≤0.50％和0.03％<Pb≤0.50％

由于本发明的钢具有低的Si含量，因此该钢显示稍微不良的机械加工性。可用于改进机械加工性的权宜之计可以为选择性地添加S、Ca、Se、Te、Bi和Pb。具体地，可添加下述元素的至少一种：

0.003％<S≤0.250％，

0.0005％<Ca≤0.2000％，

0.03％<Se≤0.50％，

0.005％<Te≤0.100％，

0.01％<Bi≤0.50％，和

0.03％<Pb≤0.50％。

以超过给定值的量添加这些元素的每一种导致不进一步改进机械加工性，热加工性劣化，以及冲击值和对于镜面抛光的适用性降低。

0.004％<Nb≤0.100％、0.004％<Ta≤0.100％、0.004％<Ti≤0.100％和 0.004％<Zr≤0.100％

在不期望的设备故障等发生导致升高的淬火用加热温度或者导致延长的淬火用加热时间的情况下，担心由于晶粒粗大化导致各种性质的劣化。在此类情况下制备时，可使用其中选择性添加Nb、Ta、Ti和Zr并且奥氏体晶粒的粗大化通过由这些元素形成的细沉淀的作用而受到抑制的方法。具体地，可引入下述元素的至少一种：

0.004％<Nb≤0.100％，

0.004％<Ta≤0.100％，

0.004％<Ti≤0.100％，和

0.004％<Zr≤0.100％。

这些元素各自在以超过给定值的量添加时，产生过量的碳化物、氮化物和氧化物，导致冲击值和对于镜面抛光的适用性降低。

0.10％<W≤4.00％和0.10％<Co≤3.00％

尽管增加C的含量在增强强度方面是有效的，但C含量的过度增加由于碳化物量的增加而导致性质(冲击值和机械疲劳性)劣化。为了在不引起此类麻烦的情况下增强强度，可使用其中选择性添加W和Co的方法。

W通过形成碳化物细沉淀来提高强度。Co通过在基材(base material)中形成固溶体来提高强度，并与此同时，有助于通过变为碳化物的形式来沉淀硬化。具体地，可引入下述的至少任一种：

0.10％<W≤4.00％和

0.10％<Co≤3.00％。

以超过给定值量添加各元素导致没有进一步的性质改进，并且导致成本大幅增加。优选的范围如下：

0.30％≤W≤3.00％和

0.30％≤Co≤2.00％。

实施例

下面详细描述本发明的实施例。

分别具有表1所示的化学组成的17种钢各自的粉末通过气体雾化法来生产。将该粉末用于通过三维叠层制造基于激光照射生产作为如图1所示的压铸模具10的一部分的轴芯12。该轴芯12具有形成于其内部的冷却回路14。该冷却回路14具有三维、螺旋、复杂的形状。

在表1中，比较例1为热加工用压铸钢SKD61，比较例2为18Ni马氏体时效钢，比较例3为马氏体不锈钢SUS420J2，以及比较例4为机械结构用途用钢SCM435。

尽管存在根据本发明的各实施例以不可避免的量包含杂质组分的情况，但杂质组分未示于表中。

表1：化学组成(质量％)(余量，Fe)

在图1中，压铸模具10包括定模(fixed half)16和动模(movable half)18。作为产品-成型用空间的模腔20和流道(runner)22设置在模16和18之间，并且模腔20和流道22在窄的浇口(gate)24处彼此相连。

轴芯12和柱塞26设置在位于铸件最后凝固的位置的圆筒状芯饼部(biscuit part)28夹置于它们之间的位置。流道22从该芯饼部28延伸。

轴芯12具有形成于其中的沟槽，并且该沟槽构成流道22的一部分。

通过上述步骤获得的轴芯12在350℃至650℃范围内的温度下加热(回火或时效(aging))，从而回火至43HRC。之后，工件通过机械加工成最终的轴芯形状而精轧。该轴芯12为135-吨压铸机器用轴芯。轴芯12在模具结构中的位置示于图1。图1为从侧面观察的铸造模具的结构的截面图。

铸造的循环为合模、注射、压模定时(die timer)、开模、产品取出、鼓风、脱模剂喷雾和鼓风以该顺序的重复(图1示出压模定时的阶段)。

首先，使动模18与定模16相接触，从而使模具进入闭合状态。结果，形成作为产品-成型用空间的模腔20。在保持模具处于该状态的同时，将铝合金的熔体用桶(ladle)注入套筒(sleeve)30中并且用高速移动的柱塞26注射。

注射的熔体穿过流道22并流过浇口24，以液体、液滴和/或雾状物的形式进入模腔20。这在想象喷水枪或喷雾器时是可容易理解的。模腔20很快填充有熔体。将压力保持施加至填充模腔20的熔体直至熔体固化。

这是称为压模定时的阶段，并且图1示出该阶段。在熔体已固化成产品时，将动模18移动以打开模具。通过使用推出销或操纵器将产品取出。由于已与高温铝合金接触的模具具有高温，所以通过鼓风和脱模剂喷雾将该模具冷却。上述步骤为压铸的一个循环。

在这些阶段中，对缩短压模定时(熔体在模具内固化的阶段)进行研究。在轴芯12具有高冷却能力的情况下，芯饼部28快速固化，因而，可缩短压模定时。因此，可缩短整体循环时间。从改进生产效率的观点，循环时间的减少是非常优选的。

在试验中使用具有135吨的夹持力(clamping force)的压铸机。足够长的压模定时(其中芯饼部28进入完全硬化状态)一次缩短1秒，并且在开模时当芯饼部28固化时将压模定时评为可接受的，而当芯饼部28还未固化时评为不可接受的。评价最短的可接受压模定时。

芯饼部28的形状具有50mm(直径)×40mm的尺寸，并且轴芯12在水冷却回路14与表面之间的距离为15mm。熔体为具有730℃温度的ADC12，并且压铸产品具有660g的重量。还评价轴芯12在10,000次铸造后在其中是否观察到相当大的磨耗。在轴芯具有不充分的高温强度的情况下，由于熔体流动引起的磨耗太明显使得不能确保充分的模具寿命

试验结果示于表2。期望压模定时应为10[秒]以下并且磨耗以10,000次铸造后的深度损失计应为小于0.2mm。

比较例1至比较例3的压模定时长达12-14[秒]。这是因为各种钢具有低至23[W/m/K]以下的导热系数，并且其中的热交换困难。另一方面，这些芯轴12在10,000次铸造后不具有明显的磨耗。这是因为这些钢具有充分的高温强度。

在其中导热系数高达38[W/m/K]的比较例4的情况下，压模定时短至8[秒]，这是优选的结果。然而，由于低的高温强度，使得在10,000次铸造后观察到明显的磨耗。因此认为，难以确保模具寿命。该轴芯的状态示于图2。在构成流槽22的一部分的沟槽M中，在熔体的流动方向急剧改变的拐角k的周围观察到由磨耗造成的塌边(shear droop)表面结构。

在根据本发明的13个实施例的每个实施例中，压模定时极短至9[秒]以下。这是因为各种钢具有高达31[W/m/K]以上的导热系数且热交换容易。此外，由于这些钢具有充分的高温强度，因此在10,000次铸造后在芯轴12中未观察到明显的磨耗。在比较例中和在根据本发明的实施例中，未观察到从水冷却回路的裂纹。

接下来，还对比较例1至比较例3进行了压模定时是否能够减少一半的研究。具体地，生产其中水冷却回路14与表面之间的距离减少至7.5mm以促进热交换的芯轴12，并且在与表2所示相同的试验条件下进行试验。其结果示于表3。压模定时减少至与表2所示的根据本发明实施例相同的水平。其中水冷却回路14设置在更接近于表面的模具结构在缩短压模定时方面非常有效。

然而，在完成10,000次铸造前，从水冷却回路14的裂纹到达表面而使寿命终止。这是因为不仅裂纹穿透壁的距离已缩短，而且热应力已增大。尽管实现了压模定时的减少，但在此类模具结构的情况下，压铸生产效率的改进困难(由于模具更换需要长时间)。此外，尽管没有达到10,000次，但如表2所示的试验中在这些芯轴中未观察到明显的磨耗。

表2

表3

如从上文给出的结果可看出，根据本发明的实施例在防止磨耗和水冷却回路龟裂从而确保模具寿命的同时，使得压模定时能够减少。在比较例中，为了确保模具寿命导致延长的压模定时，而缩短压模定时使得不能确保模具寿命。根据本发明的实施例可兼得确保的模具寿命和缩短的压模定时的原因在于，钢具有高的高温强度和高导热系数。

尽管上文详细描述了根据本发明的实施例，但这些仅为示例。

结合高导热系数和高的高温强度的本发明的钢除了适用于压铸用模具以外，还适用于注射成型树脂用模具。本发明的钢当还用作例如钢板热压(也称为热冲压或模压淬火)用模具时显现出高性能。在该情况下，即使当本发明的钢不仅通过叠层制造而且通过常规机械加工和热处理应用于模具生产时，该模具在确保模具寿命和缩短循环时间方面也比具有相同形状且已通过相同方法制造的任何传统钢模具更有效。

将由本发明的钢形成的模具与表面改性(喷丸、喷砂、渗氮、PVD、CVD、镀覆等)相结合也是有效的。

本发明的钢还可用作棒或丝状的焊接材料。具体地，通过叠层制造生产的模具或通过将借助加工锭获得的材料机械加工而生产的模具可通过使用由根据本发明的模具用钢构成的焊接材料来焊接而修复。在该情况下，要修复的模具的化学组成可与本发明的钢的范围不同，或可在本发明的钢的范围内。在任一情况下，用由本发明的钢构成的焊接材料修复的部位具有由于本发明钢的组分所显现出的高的高温强度和高导热系数。

在不偏离本发明精神的情况下，本发明中可进行其它各种修改。

本申请基于2014年4月30日提交的日本专利申请No.2014-093742，并将其内容通过参考并入于此。

附图标记说明

10  压铸模具

12  轴芯

14  冷却回路

Claims (11)

1.一种模具用钢，其具有包含以质量％计的下述的组成：

0.25％<C<0.38％，

0.01％<Si<0.30％，

0.92％<Mn<1.80％，

0.8％<Cr<2.2％，

0.8％<Mo<1.4％，和

0.25％<V<0.58％，

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的：

0.1％<Al<1.2％。

3.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的下述的至少任一种：

0.30％<Ni≤3.5％，和

0.30％<Cu≤1.5％。

4.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的：

0.0001％<B≤0.0050％。

5.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的下述的至少一种：

0.003％<S≤0.250％，

0.0005％<Ca≤0.2000％，

0.03％<Se≤0.50％，

0.005％<Te≤0.100％，

0.01％<Bi≤0.50％，和

0.03％<Pb≤0.50％。

6.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的下述的至少一种：

0.004％<Nb≤0.100％，

0.004％<Ta≤0.100％，

0.004％<Ti≤0.100％，和

0.004％<Zr≤0.100％。

7.根据权利要求1所述的模具用钢，其进一步包含以质量％计的下述的至少任一种：

0.10％<W≤4.00％，和

0.10％<Co≤3.00％。

8.根据权利要求1至7任一项所述的模具用钢，其具有28W/m/K以上的通过激光闪光法评价的25℃下的导热系数。

9.根据权利要求1至7任一项所述的模具用钢，其用作用于通过叠层制造来制造模具的材料。

10.根据权利要求9所述的模具用钢，其中所述材料为粉末或板。

11.一种模具，其通过使用权利要求9所述的模具用钢通过叠层制造来制造。