CN107427893B - 冷作工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供耐磨耗性优异的冷作工具及其制造方法，一种冷作工具，其具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、并且具有马氏体组织，其中，该冷作工具的硬度为58HRC以上，圆当量直径为5μm以上的碳化物在该冷作工具的截面组织中所占的面积率为4.0面积％以上，由固溶于冷作工具的组织中的碳量的质量比在该冷作工具整体含有的碳量的质量比中所占的比率表示的碳固溶率为75.0％以上。另外，一种为了获得上述冷作工具而优选的冷作工具的制造方法。

Description

冷作工具及其制造方法
技术领域
本发明涉及压制模具、锻造模具、搓丝辊、金属切断用的刀具等多种冷作工具、及其制造方法。
背景技术
冷作工具由于一边与硬质的被加工材料接触一边使用，因此需要具备能够耐受该接触的耐磨耗性。而且，以往对于冷作工具材料，使用例如为JIS-G-4404的标准钢种的SKD10、SKD11系的合金工具钢(非专利文献1)。
对于冷作工具材料，通常将由钢锭或者对钢锭进行开坯加工而成的钢坯这样的原材料作为起始材料，对其进行各种热加工、热处理而制成规定的钢材，对该钢材进行退火处理，精加工成例如块状。而且，冷作工具材料通常以硬度低的退火状态供给至冷作工具的制造商。供给至制造商的冷作工具材料被机械加工成冷作工具的形状之后，通过淬火回火而被调整至规定的使用硬度。另外，通常在被调整至使用硬度之后，进行精加工的机械加工。有时也根据情况对退火状态的冷作工具材料先进行淬火回火，然后结合上述精加工的机械加工，一并机械加工成冷作工具的形状。
淬火是如下的操作：将退火状态的冷作工具材料(或者该冷作工具材料被机械加工后的冷作工具材料)加热至奥氏体温度区域为止，对其进行骤冷，由此使组织发生马氏体相变。因此，对于冷作工具材料的成分组成，可以通过淬火而调整为马氏体组织。而且，淬火回火后的冷作工具具有马氏体组织。需要说明的是，此时，冷作工具的组织中有时也包含除马氏体组织以外的、贝氏体组织、残留奥氏体组织等。
而且，已知通过提高淬火回火后的组织的基体(matrix)的硬度、对该基体中赋予未固溶碳化物，能够提高冷作工具的耐磨耗性。基体是指冷作工具的组织中除碳化物以外的组织的部分。未固溶碳化物是指在淬火工序中未固溶于基体中的大的碳化物。对此，提出了将最大粒径为20μm以下的未固溶碳化物均匀地分布于淬火回火后的组织中而得到的冷作工具(专利文献1)。另外，提出了适度地调整淬火回火后的组织中的残留奥氏体量(专利文献2)、或适度地调整固溶于基体中的Cr量、Mo量(专利文献3、4)来提高冷作工具的硬度的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平05-156407号公报
专利文献2：日本特开2000-73142号公报
专利文献3：日本特开2005-325407号公报
专利文献4：日本特开2014-145100号公报
非专利文献
非专利文献1：“JIS-G-4404(2006)合金工具钢钢材”、JIS手册(1)铁钢I，一般财团法人日本规格协会，2013年1月23日，p.1652-1663
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1～4的冷作工具的耐磨耗性优异。但是，即使是这样的冷作工具，尽管具有充分的硬度、并且在淬火回火后的组织中存在足够量的未固溶碳化物，有时也不能得到期待的耐磨耗性。
本发明的目的在于，提供耐磨耗性优异的冷作工具及其制造方法。
用于解决问题的方案
本发明为一种冷作工具，其具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、并且具有马氏体组织，其中，
该冷作工具的硬度为58HRC以上，
圆当量直径为5μm以上的碳化物在该冷作工具的截面组织中所占的面积率为4.0面积％以上，
由固溶于冷作工具的组织中的碳量的质量比在该冷作工具整体含有的碳量的质量比中所占的比率表示的、碳固溶率为75.0％以上。
优选上述碳固溶率为80.0％以上。
另外，本发明为一种冷作工具的制造方法，其具有以下工序：
铸造工序，将具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、温度处于该成分组成的(熔点+90℃)～(熔点+110℃)的温度范围内的钢水浇注到铸模中，对浇注至该铸模的钢水在固相-液相共存区域的冷却时间为60分钟以内的冷却时间下进行冷却，得到原材料；
热加工工序，对上述原材料进行热加工，将结束该热加工的原材料冷却至产生马氏体相变的温度，得到使原材料的组织马氏体化而成的钢材；
退火工序，对上述钢材进行退火处理，得到冷作工具材料；以及
淬火回火工序，对上述冷作工具材料进行淬火回火，得到具有马氏体组织的、硬度为58HRC以上的冷作工具。
发明的效果
根据本发明，能够提高冷作工具的耐磨耗性。
附图说明
图1为示出本发明例的冷作工具的截面组织的光学显微镜照片，为示出分布于截面组织中的碳化物的一个例子的图。
图2为示出比较例的冷作工具的截面组织的光学显微镜照片，为示出分布于截面组织中的碳化物的一个例子的图。
图3为示出实施例中进行的耐磨耗试验的形态的示意图。
图4为说明本发明例及比较例的冷作工具的耐磨耗性的图。
图5为示出本发明例的冷作工具的截面组织的光学显微镜照片，为示出分布于截面组织中的碳化物的一个例子的图。
图6为示出比较例的冷作工具的截面组织的光学显微镜照片，为示出分布于截面组织中的碳化物的一个例子的图。
图7为说明本发明例及比较例的冷作工具的耐磨耗性的图。
具体实施方式
本发明人对影响冷作工具的耐磨耗性的因素进行了研究。结果发现，固溶于淬火回火后的组织中的碳量大大影响冷作工具的耐磨耗性。而且，对于在将冷作工具的硬度和其组织中的未固溶碳化物的分布状态调整至最适的基础上、进而将固溶于组织中的碳量也调整至最适的冷作工具，在具有相同成分组成的冷作工具中，耐磨耗性较优异。以下，对本发明的各构成要件进行说明。
(1)本发明的冷作工具具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、并且具有马氏体组织。
通常，冷作工具是对具有退火组织的冷作工具材料进行淬火回火而制作的。退火组织是指通过退火处理而得到的组织，例如为软化成以布氏硬度计为150～230HBW左右的组织。而且，通常为铁素体相的组织，或者在铁素体相中混合了珠光体、渗碳体(Fe3C)而成的组织。而且，通常冷作工具材料的退火组织中存在C与Cr、Mo、W、V等键合而成的碳化物。
如上所述，以往将通过淬火回火而显现马氏体组织的原材料用于这样的冷作工具材料。马氏体组织对于奠定各种冷作工具的绝对的机械特性的基础而言是必要的组织。而且，淬火回火后的冷作工具具有马氏体组织。需要说明的是，此时，如上所述，冷作工具的组织有时也包含除马氏体组织以外的、贝氏体组织、残留奥氏体组织等。
这样的冷作工具(冷作工具材料)例如使用各种冷作工具钢。冷作工具钢能够在其表面温度大致为200℃以下的环境下使用。而且，例如可以将属于JIS-G-4404的“合金工具钢钢材”的标准钢种、其它已提出的钢种应用于这样的冷作工具钢的成分组成。另外，也可以根据需要添加除上述冷作工具钢中规定以外的元素种类。而且，若为退火组织经淬火回火而显现马氏体组织的原材料，则通过使利用该原材料制作的冷作工具的硬度、该经淬火回火的组织满足后述(2)～(4)的要件，就能实现本发明的“耐磨耗性的提高效果”。
需要说明的是，为了以高水平获得本发明的“耐磨耗性的提高效果”，优选的是，在显现马氏体组织的成分组成之中、预先决定有助于后述冷作工具的硬度、冷作工具的组织中的碳化物、以及固溶于该组织中的碳量的调整的、C、及Cr、Mo、W、V的碳化物形成元素的含量。具体而言，为以质量％计包含C：1.30～2.40％、Cr：8.0～15.0％、Mo及W以单独或复合计(Mo+1/2W)：0.50～3.00％、V：0.10～1.50％的成分组成。而且，本发明的冷作工具的成分组成可以为包含上述元素种类的钢的成分组成。另外，本发明的冷作工具的成分组成可以包含上述元素种类，且余量为Fe及杂质。关于构成本发明的冷作工具的优选的成分组成的各种元素，如下。
·C：1.30～2.40质量％(以下，简记为“％”。)
C是一部分固溶于基体中而对基体赋予硬度、一部分形成碳化物从而提高耐磨耗性、抗咬(seizure)性的冷作工具的基本元素。另外，将作为间隙原子而固溶的C和Cr等与C亲和性大的代位原子一起添加时，还可以期待I(间隙原子)-S(代位原子)效果(起到溶质原子的拖拽阻力的作用、使冷作工具高强度化的作用)。但是，过度的添加会导致由未固溶碳化物的过度增加带来的韧性的降低。因此，C的含量设为1.30～2.40％。优选为1.40％以上。另外，优选为1.80％以下。
·Cr：8.0～15.0％
Cr是用于提高淬透性的元素。另外，是形成碳化物从而对耐磨耗性的提高有效果的元素。而且，是还有助于回火软化阻力的提高的冷作工具的基本元素。但是，过度的添加会形成粗大的未固溶碳化物从而导致韧性的降低。因此，Cr的含量设为8.0～15.0％。优选为14.0％以下。另外，优选为9.0％以上。更优选为11.0％以上。
·Mo及W以单独或复合计(Mo+1/2W)：0.50～3.00％
Mo及W是通过回火而使微细碳化物析出或凝聚，从而对冷作工具赋予强度的元素。Mo及W可以以单独或复合计添加。而且，对于此时的添加量，由于W的原子量是Mo的约2倍，因此能够用由(Mo+1/2W)式定义的Mo当量一起规定(当然，可以仅添加任一者，也可以同时添加两者)。而且，为了得到上述效果，优选以(Mo+1/2W)的值计添加0.50％以上。优选为0.60％以上。但是，若过多，则导致切削性、韧性的降低，因此以(Mo+1/2W)的值计设为3.00％以下。优选为2.00％以下。更优选为1.50％以下。
·V：0.10～1.50％
V是具有形成碳化物从而强化基体、提高耐磨耗性、回火软化阻力的效果的元素。而且，分布于退火组织中的上述碳化物起到抑制淬火加热时的奥氏体晶粒的粗大化的“钉扎颗粒(pinning particles)”的作用，也有助于韧性的提高。为了得到这些效果，V设为0.10％以上。优选为0.20％以上。另外，V是对在退火组织中形成固溶碳化物有效的元素。固溶碳化物是指在淬火工序中固溶于基体中的小的碳化物。而且，本发明的情况下，通过使该固溶碳化物固溶于基体中，从而能够增加后述的固溶于冷作工具的组织中的碳量。因此，为了这样，本发明的冷作工具也可以添加0.60％以上的V。但是，若过多，则会导致切削性的降低、由碳化物自身的增加带来的韧性的降低，因此设为1.50％以下。优选为1.00％以下。
并且，本发明的冷作工具的成分组成除了上述元素种类以外，也可以含有下述元素种类。
·Si：2.00％以下
Si是制钢时的脱氧剂，但若过多，则淬透性降低。另外，淬火回火后的冷作工具的韧性会降低。因此，Si的含量优选设为2.00％以下。更优选为1.50％以下。进一步优选为0.80％以下。另一方面，Si具有固溶于工具的组织中从而提高冷作工具的硬度的效果。为了得到该效果，优选添加0.10％以上。
·Mn：1.50％以下
Mn过多时，则会提高基体的粘度，从而降低材料的切削性。因此，优选设为1.50％以下。更优选为1.00％以下。进一步优选为0.70％以下。另一方面，Mn为奥氏体形成元素，具有提高淬透性的效果。另外，通过以非金属夹杂物MnS的形式存在，对于切削性的提高具有较大的效果。为了得到这些效果，优选添加0.10％以上。更优选为0.20％以上。
·P：0.050％以下
P是通常即使不添加也会不可避免地包含于各种冷作工具中的元素。而且是在回火等热处理时在原奥氏体晶界处偏析而使晶界脆化的元素。因此，为了提高冷作工具的韧性，包括添加的情况在内，优选限制为0.050％以下。更优选为0.030％以下。
·S：0.0500％以下
S是通常即使不添加也会不可避免地包含于各种冷作工具中的元素。而且是在热加工前的原材料阶段使热加工性劣化、使热加工中产生裂纹的元素。因此，为了提高该热加工性，优选限制为0.0500％以下。更优选为0.0300％以下。另一方面，S具有与上述Mn键合而以非金属夹杂物MnS的形式存在从而提高切削性的效果。为了得到该效果，优选进行超过0.0300％的添加。
·Ni：0％以上且1.00％以下
Ni是提高基体的粘度从而使切削性降低的元素。因此，Ni的含量优选设为1.00％以下。更优选为不足0.50％、进一步优选为不足0.30％。另一方面，Ni是抑制工具组织中的铁素体生成的元素。另外，是赋予冷作工具材料优异的淬透性，即使在淬火时的冷却速度缓慢的情况下，也形成马氏体主体的组织，从而能够防止韧性的降低的、有效的元素。进而，改善基体的基本韧性，因此本发明中可以根据需要来添加。添加时，优选添加0.10％以上。
·Nb：0％以上且1.50％以下
Nb由于导致切削性的降低，因此优选设为1.50％以下。另一方面，Nb具有形成碳化物、强化基体、提高耐磨耗性的效果。另外，具有提高回火软化阻力，并且与V同样地抑制晶粒的粗大化、有助于韧性的提高的效果。因此，Nb也可以根据需要来添加。添加时，优选添加0.10％以上。
在本发明的冷作工具的成分组成中，Cu、Al、Ca、Mg、O(氧)、N(氮)是例如有可能以杂质的形式残留于钢中的元素。在本发明中，优选使这些元素尽可能地低。然而另一方面，为了得到夹杂物的形态控制、其它的机械特性、以及提高制造效率等附加的作用效果，也可以含有少量。此时，若为Cu≤0.25％、Al≤0.25％、Ca≤0.0100％、Mg≤0.0100％、O≤0.0100％、N≤0.0500％的范围，则能够充分允许，为本发明的优选的限制上限。关于N，更优选的限制上限为0.0300％。
(2)本发明的冷作工具硬度为58HRC以上。
冷作工具的硬度是奠定冷作工具的绝对耐磨耗性基础的要件。而且，本发明的冷作工具的情况下，硬度设为58HRC以上。优选为60HRC以上。需要说明的是，关于硬度的上限，无需特别规定。但是，实际上可实现的硬度为66HRC左右。更实际的为63HRC左右。
对于冷作工具的硬度，是组织中的各种要件综合作用而显现的。而且，上述“各种要件”是指例如存在于组织中的各种的碳化物、夹杂物的分布状况，以及基体中的各种构成元素的固溶量、成分偏析的程度。因此，即使是具有相同成分组成、具有相同硬度的冷作工具，如果上述“各种要件”的程度不同，这些冷作工具所具有的耐磨耗性也不同。而且，本发明的情况下，在上述“各种要件”之中，若将后述的要件(3)“圆当量直径为5μm以上的碳化物在冷作工具的截面组织中所占的面积率”与要件(4)“由固溶于冷作工具的组织中的碳量的质量比在冷作工具整体含有的碳量的质量比中所占的比率表示的碳固溶率”调整为最佳，则能够以更高水平发挥具有58HRC以上的硬度的冷作工具的耐磨耗性。
(3)圆当量直径为5μm以上的碳化物在本发明的冷作工具的截面组织中所占的面积率为4.0面积％以上。
通常在冷作工具材料的退火组织中存在C与Cr、Mo、W、V等键合而成的碳化物。该碳化物中有在接下来的淬火工序中不固溶于基体中的大的“未固溶碳化物”和在接下来的淬火工序中固溶于基体中的小的“固溶碳化
物”。而且，未固溶碳化物残留在淬火回火后的组织中，有助于冷作工具的耐磨耗性的提高。
然后，本发明的冷作工具的情况下，在上述的淬火回火后的截面组织中，圆当量直径为“5μm以上”的碳化物特别是对耐磨耗性的提高的贡献度大。而且，通过使该圆当量直径为5μm以上的碳化物在冷作工具的截面组织中所占的面积率为4.0面积％以上，能够进一步提高具有58HRC以上的硬度的冷作工具的耐磨耗性。优选为5.0面积％以上。更优选为6.0面积％以上。进一步优选为7.0面积％以上。
但是，若该碳化物的面积率过大，则冷作工具的韧性会降低。因此，优选将该碳化物的面积率的上限设为20.0面积％。更优选将15.0面积％设为上限。
需要说明的是，在本发明中，上述“截面组织”不是限定于马氏体组织的局部的截面组织的意思。即，如果冷作工具的截面组织除马氏体组织以外还包含贝氏体组织、残留奥氏体组织等别的组织，则是指也包括该别的组织在内的“整体的”截面组织的意思。
预先对冷作工具的截面组织的、碳化物的圆当量直径及面积率的测定方法进行说明。
首先，用例如倍率200倍的光学显微镜观察冷作工具的截面组织。此时，要观察的截面可以为构成冷作工具的操作面(模具时为模具工作面)附近的部分。然后，对于该截面，例如使用金刚石研磨液将截面积为15mm×15mm的切断面研磨成镜面。对于该研磨成镜面的截面，优选在进行观察前，使用各种方法预先进行腐蚀以使未固溶碳化物与基体的边界变清晰。
接着，对通过上述观察得到的光学显微镜照片进行图像处理，进行将碳化物与基体的边界(例如由上述腐蚀得到的着色部与未着色部的边界)作为阈值的二值化处理，得到示出分布于截面组织的基体中的碳化物的二值化图像。这样的二值化处理可以利用已知的图像解析软件等进行。
然后，通过对上述中得到的二值化图像进一步进行图像处理，能够求出在截面组织中观察到的碳化物的圆当量直径。而且，在本发明中，提取圆当量直径为5μm以上的碳化物，求出这些碳化物在观察的视场的面积中所占的面积率即可。需要说明的是，对于确认本发明的效果，只要以光学显微镜观察的视场面积是每1个视场为877μm×661μm(＝0.58mm2)就足够。而且，在上述截面积为15mm×15mm的切断面之中的10视场中进行该基于1视场的观察，将各个视场中求出的面积率取平均就足够。
(4)由固溶于冷作工具的组织中的碳量的质量比在本发明的冷作工具整体含有的碳量的质量比中所占的比率表示的碳固溶率为75.0％以上。
固溶碳化物固溶于淬火时的基体中，从而使固溶于淬火回火后的组织中的碳量增加。而且，在淬火回火后，结果即使在具有相同硬度的冷作工具之中，固溶于组织中的碳量在其整体的碳含量中所占的比率多的冷作工具的耐磨耗性进一步提高。总之，上述“圆当量直径为5μm以上”的未固溶碳化物自身对提高冷作工具的耐磨耗性是有效果的。但是，这样大的碳化物不容易均匀地分布于冷作工具的组织中，通常在冷作工具的截面组织中以条状分布(参照图1)。
因此，本发明中，通过增大固溶于冷作工具的组织中的碳量的比率，能够强化该组织的基体自身。结果即使在上述未固溶碳化物较少的区域，也能够提高耐磨耗性。而且，本发明的冷作工具的情况下，通过使由该“固溶于组织中的”碳量(质量％)相对于该“整体的”碳量(质量％)所占的比率表示的“碳固溶率”为75.0％以上，能够进一步提高具有58HRC以上的硬度的冷作工具的耐磨耗性。优选为80.0％以上。更优选为85.0％以上。需要说明的是，若上述的碳固溶率过大，则能够形成碳化物的碳减少，从而上述“圆当量直径为5μm以上的碳化物的面积率”与该“固溶于组织中的碳量”的最适的平衡变得容易被破坏。另外，变得难以维持冷作工具的“58HRC以上”的硬度自身。因此，上述的碳固溶率优选设为95.0％以下。更优选设为93.0％以下。进一步优选设为90.0％以下。
需要说明的是，在本发明中，碳固溶的上述“冷作工具的组织”不是限定于马氏体组织的局部的组织的意思。即，如果冷作工具的组织除马氏体组织以外还包含贝氏体组织、残留奥氏体组织等别的组织，则是指也包括该别的组织的“整体的”组织的意思。
预先对冷作工具的组织中的“固溶于组织中的碳量”的测定方法进行说明。
首先，从冷作工具的操作面(为模具时，是模具雕刻面)附近采取试样。此时，对操作面实施表面处理、包覆处理，或者如果产生氧化皮、脱炭等，则去除这些影响部分来采取试样。然后，通过切削加工、粉碎法等将该采取的试样制成微粉状，由此采取0.5g的分析用试样。然后，将该分析用试样用硫磷酸水溶液不加热地溶解，将冷作工具的组织整体中的“仅基体”的部分溶解。
接着，用孔径0.3μm的玻璃过滤器对将分析用试样溶解而成的上述水溶液进行过滤。然后，如果连同玻璃过滤器一起使用燃烧-红外线吸收法对残留于该玻璃过滤器上的“溶解残渣”进行分析来测定溶解残渣中的碳量，则其是在冷作工具的组织中“构成碳化物的碳量”。然后，以在上述0.5g的分析用试样中占据的质量比(质量％)表示该溶解残渣中的碳量，从冷作工具整体的碳含量的质量比(质量％)中减去该值，则所得值为固溶于冷作工具的组织中的碳量的质量比(质量％)。需要说明的是，固溶于该组织中的碳量也可以包括在上述过滤中通过了玻璃过滤器的孔径的“构成极微细的碳化物的碳量”。但是，已经确认了这不影响本发明的效果。
然后，由以该“质量％”表示的、上述固溶于组织中的碳量和冷作工具整体的碳含量，根据关系式[(固溶于组织中的碳量/冷作工具整体的碳含量)×100(％)]，可以求出本发明的上述“碳固溶率”。
为了得到本发明的冷作工具的组织，对其淬火回火前的、冷作工具材料的退火组织预先进行调整是有效的。即，在冷作工具材料的退火组织中，预先赋予大的未固溶碳化物，另一方面预先赋予较多小的固溶碳化物。例如，在冷作工具材料的截面组织中，圆当量直径为0.4μm以下的微细的碳化物在淬火时容易固溶，对使固溶于冷作工具的组织中的碳量增加是有效的。
而且，对于这样的冷作工具材料，通过在作为起始材料的钢锭的制作阶段中适当地管理其凝固工序的进行情况从而能够达成。例如，即将注入铸模之前的“钢水的温度”的调整是重要的。通过将注入到铸模时的钢水的温度管理为较低，例如通过在冷作工具材料的熔点+100℃左右为止(例如，熔点+90℃～熔点+110℃)的温度范围内进行管理，能够抑制碳化物的粗大化。然后，例如通过将注入到铸模的钢水以快速通过其固相-液相的共存区域的方式而冷却、例如通过以60分钟以内的冷却时间进行冷却，从而能够抑制结晶的碳化物的粗大化。
而且，本发明的冷作工具的组织可以通过如下实现：在获得上述冷作工具材料的工序中，在结束作为进行其退火处理之前的阶段的、热加工为材料形状时的冷却过程中进行“充分冷却(sufficient cooling)”。充分冷却是如下操作：不是将结束了热加工的原材料(钢材)以该原材料的温度高的状态移向用于接下来的退火处理的加热工序，而是“充分”冷却至发生马氏体相变的温度为止，从而使其组织马氏体化。通过该充分冷却，在热加工中的组织中固溶的碳化物形成元素在马氏体相变时以微细的碳化物的形式析出。结果，在退火处理后的冷作工具材料的组织中，可以使上述“小的固溶碳化物”更微细。而且，对于该微细的固溶碳化物，在淬火时实际上容易固溶，能够使固溶于冷作工具的组织中的碳量增加。
上述充分冷却温度理论上是“马氏体相变点”以下的温度。但是，若是热加工后的原材料的组织发生马氏体相变的温度即可。实际上，也包括例如上述作为JIS-G-4404的标准钢种的SKD10、SKD11在内，在具有上述(1)中所述的成分组成的原材料中，大致为300℃以下。优选为200℃以下。
另外，本发明的冷作工具是对退火状态的冷作工具材料进行淬火回火而制作的。此时，淬火回火的温度根据原材料的成分组成、目标硬度等而不同，淬火温度优选为大致950～1100℃左右、回火温度优选为大致150～600℃左右。例如，在上述作为JIS-G-4404的标准钢种的SKD10、SKD11的情况下，淬火温度为1000～1050℃左右、回火温度为180～540℃左右。需要说明的是，降低淬火温度对能量成本的减少有效果。在该点上，优选的淬火温度的上限为1040℃。更优选的上限为1030℃。
对于本发明的冷作工具，通过对冷作工具材料进行切削、穿孔等各种机械加工等被整理为其的形状。此时，对于机械加工的时机，优选在淬火回火前的、材料的硬度低的状态(即退火状态)下进行。该情况下，也可以在淬火回火后进行精加工的机械加工。另外，也可以根据情况在进行淬火回火后的预硬材料的状态下结合上述精加工的机械加工一并进行机械加工而精加工成冷作工具的形状。
实施例1
对调整为规定成分组成的钢水(熔点：约1400℃)进行铸造，准备表1的原材料1、2。原材料1、2是作为JIS-G-4404的标准钢种的冷作工具钢SKD10。需要说明的是，在原材料1、2中，Cu、Al、Ca、Mg、O、N为无添加(其中，包括Al作为溶解工序中的脱氧剂而添加的情况。)，Cu≤0.25％、Al≤0.25％、Ca≤0.0100％、Mg≤0.0100％、O≤0.0100％、N≤0.0500％。在向铸模的浇注前，钢水的温度调整为1500℃。然后，通过改变原材料1、2各自的铸模尺寸，从而在向铸模的浇注后，将固相-液相的共存区域的冷却时间在原材料1中设为45分钟、在原材料2中设为168分钟。
[表1]
质量％
原材料 C Si Mn P S Cr Mo V Fe<sup>※</sup>
1 1.48 0.53 0.42 0.022 0.0002 11.9 0.76 0.74 余量
2 1.48 0.42 0.32 0.025 0.0008 11.4 0.87 0.69 余量
※包含杂质
接着，将这些原材料加热至1160℃进行热加工，进行了热加工后放冷，得到厚度25mm×宽度500mm×长度1000mm的钢材。需要说明的是，对于进行了热加工后的冷却，对于原材料1，进行冷却至170℃的充分冷却。对于原材料2，达到300℃为止，移向接下来的用于退火处理的加热工序。然后，对该钢材进行860℃的退火处理，从而制作了冷作工具材料1、2(硬度约190HBW)。然后，对这些冷作工具材料1、2进行淬火回火，从而制作具有马氏体组织的冷作工具1、2。淬火温度设为1030℃。另外，回火温度从480～540℃的范围选择以使硬度达到60HRC。
首先，对圆当量直径为5μm以上的碳化物在冷作工具1、2的截面组织中所占的面积率进行测定。对于测定面，采用假定实际冷作工具的操作面位于该钢材的内部、自表面起沿宽度方向深入1/4内部的位置、且自表面在厚度方向深入1/2内部的位置的切断面。需要说明的是，该切断面为相对于钢材的长度方向即热加工的延伸方向(碳化物的延伸方向)平行的TD(transverse direction)面。
从上述切断面采取截面积为15mm×15mm的切断面，并用金刚石研磨液将该切断面研磨成镜面。接着，通过电解研磨将该研磨的切断面的退火组织腐蚀以使碳化物与基体的边界清晰。然后，用倍率200倍的光学显微镜观察该腐蚀后的切断面。图1、2依次示出冷作工具1、2各自的淬火回火后的显微组织的一个例子(碳化物以浅色的分布来表示)。然后，拍摄每1个视场的视场面积为877μm×661μm(＝0.58mm2)的被试验面，拍摄10个视场。
然后，对拍摄的光学显微镜照片进行图像处理，进行将作为碳化物与基体的边界的、由上述腐蚀带来的着色部与未着色部的边界作为阈值的二值化处理，得到示出分布于截面组织的基体中的碳化物的二值化图像。然后，通过进行进一步图像处理，提取圆当量直径为5μm以上的碳化物，求出由该碳化物的10个视场的平均得到的面积率。将结果示于表2。需要说明的是，所述一系列的图像处理及解析使用美国国立卫生研究所(NIH)提供的开源图像处理软件ImageJ(http：//imageJ.nih.gov/ij/)。
接着，求出冷作工具1、2的“碳固溶率”。试样的采取位置与上述的碳化物的测定位置同样，采用自表面起沿宽度方向深入1/4内部的位置、且自表面起沿厚度方向深入1/2内部的位置。首先，对该测定位置进行切削加工，采用微粉状的0.5g的分析用试样。然后，将该分析用试样用硫磷酸水溶液在不加热下溶解后，用孔径0.3μm的玻璃过滤器将溶解后的水溶液过滤。然后，连同玻璃过滤器一起用燃烧-红外线吸收法对残留于玻璃过滤器上的“溶解残渣”进行分析来测定溶解残渣中的碳量。然后，从表1中示出的冷作工具整体的碳含量的质量比(质量％)中减去该溶解残渣中的碳量的质量比(质量％)，从而求出固溶于组织中的碳量的质量比(质量％)。然后，由这些值求出上述的碳固溶率。表2中示出冷作工具1、2的固溶于组织中的碳量的质量比(质量％)和上述的碳固溶率(％)。
[表2]
评价冷作工具1、2的耐磨耗性。由冷作工具1、2分别制作3根直径8mm×长度5mm的销，供耐磨耗试验。试验方法为基于ASTM G99-05的、利用摩擦磨耗试验机(A&D COMPANY,LIMITED制EFM-III-1020)的销盘式摩擦磨损试验。如图3，试验的样态如下：一边以负载460N将制作的销(冷作工具)1按压在盘(对象材料)2上，一边使盘2以0.42m/s的相对速度旋转。试验环境为室温、干式。盘2为氧化铝磨石(刚玉(alundum)磨粒#46、树脂粘结材料)。
并且，销1在旋转的盘2上的同一轨道滑动，其滑动距离达到377m时，测定该销1的减少体积，求出比磨耗量[＝减少体积/(负载×滑动距离)]。并且，将进行3次同样的耐磨耗试验而求出的比磨耗量平均，作为各冷作工具的比磨耗量。将结果示于图4。
根据图4，即使是具有相同硬度的冷作工具，本发明的冷作工具的比磨耗量也少，耐磨耗性提高了。
冷作工具1在其截面组织具有足够量的“圆当量直径为5μm以上的碳化物”。而且，固溶于组织中的碳量也多、碳固溶率提高，从而以组织整体评价的耐磨耗性提高了。
冷作工具2在其截面组织中也具有足够量的“圆当量直径为5μm以上的碳化物”。但是，固溶于组织中的碳量少，碳固溶率比冷作工具1的低，以组织整体评价的耐磨耗性比冷作工具1的低。
实施例2
对调整为规定成分组成的钢水(熔点：约1400℃)进行铸造，准备表3的原材料3、4。原材料3、4是作为JIS-G-4404的标准钢种的冷作工具钢SKD11。需要说明的是，在原材料3、4中，Cu、Al、Ca、Mg、O、N为无添加(其中，包括Al作为溶解工序中的脱氧剂而添加的情况。)、Cu≤0.25％、Al≤0.25％、Ca≤0.0100％、Mg≤0.0100％、O≤0.0100％、N≤0.0500％。在向铸模的浇注前，钢水的温度调整为1500℃。而且，通过改变原材料3、4各自的铸模尺寸，从而在向铸模的浇注后，将固相-液相的共存区域的冷却时间在原材料3中设为45分钟、在原材料4中设为168分钟。
[表3]
质量％
原材料 C Si Mn P S Cr Mo V Fe<sup>※</sup>
3 1.40 0.32 0.40 0.023 0.0010 11.7 0.82 0.23 余量
4 1.42 0.30 0.40 0.023 0.0010 11.7 0.86 0.23 余量
※包含杂质
接着，将这些原材料加热到1160℃而进行热加工，进行了热加工后放冷，得到厚度79mm×宽度560mm×长度1500mm的钢材。需要说明的是，对于进行了热加工后的冷却，原材料3进行冷却至170℃的充分冷却。原材料4达到300℃为止，移向接下来的用于退火处理的加热工序。然后，对该钢材进行860℃的退火处理，从而制作了冷作工具材料3、4(硬度约190HBW)。然后，对这些冷作工具材料3、4进行淬火回火，从而制作具有马氏体组织的冷作工具3、4。淬火温度设为1030℃。另外，回火温度从480～540℃的范围选择，以使硬度达到60HRC。
首先，对圆当量直径为5μm以上的碳化物在冷作工具3、4的截面组织中所占的面积率进行测定。此时的测定要领与实施例1相同。图5、6依次示出冷作工具3、4各自的淬火回火后的显微组织的一个例子(碳化物以浅色的分布来表示)。然后，对这些显微组织进行与实施例1同样的图像处理，提取圆当量直径为5μm以上的碳化物，将该碳化物的由10个视场的平均求出的面积率的结果示于表4。
接着，求出冷作工具3、4的“碳固溶率”。试样的采取位置为与上述的碳化物的测定位置同样的位置。并且，通过与实施例1相同的要领，对该位置的上述“溶解残渣中的碳量”进行测定，从表3中示出的冷作工具整体的碳含量的质量比(质量％)减去该溶解残渣中的碳量的质量比(质量％)，求出固溶于组织中的碳量的质量比(％)。然后，由这些值求出上述的碳固溶率。表4中示出冷作工具3、4的在组织中固溶的碳量的质量比(质量％)和上述的碳固溶率(％)。
[表4]
评价冷作工具3、4的耐磨耗性。由冷作工具3、4分别制作3根直径8mm×长度5mm的销，供耐磨耗试验。试验方法及样态等与实施例1同样(参照图3)。然后，将进行3次上述耐磨耗试验而求出的比磨耗量[＝减少重量/(负载×滑动距离)]平均，作为各冷作工具的比磨耗量。将结果示于图7。
根据图7，即使是具有相同硬度的冷作工具，本发明的冷作工具的比磨耗量也少，耐磨耗性提高了。冷作工具3在其截面组织中具有足够量的“圆当量直径为5μm以上的碳化物”。而且，固溶于组织中的碳量也多、碳固溶率提高，从而以组织整体评价的耐磨耗性提高了。冷作工具4在其截面组织中也具有足够量的“圆当量直径为5μm以上的碳化物”。但是，固溶于组织中的碳量少，碳固溶率比冷作工具3的低，以组织整体评价的耐磨耗性比冷作工具3的低。
附图标记说明
1销(冷作工具)
2盘(对象材料)

Claims (6)

1.一种冷作工具，其特征在于，具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、并且具有马氏体组织，其中，
所述冷作工具的硬度为58HRC以上，
圆当量直径为5μm以上的碳化物在所述冷作工具的截面组织中所占的面积率为4.0面积％以上，
由固溶于所述冷作工具的组织中的碳量的质量比在所述冷作工具整体含有的碳量的质量比中所占的比率表示的、碳固溶率为75.0％以上。
2.根据权利要求1所述的冷作工具，其特征在于，所述碳固溶率为80.0％以上。
3.根据权利要求1所述的冷作工具，其特征在于，所述成分组成以质量％计，
C：1.30～2.40％，
Cr：8.0～15.0％，
Mo以及W以单独或复合计(Mo+1/2W)：0.50～3.00％，
V：0.10～1.50％，
Si：2.00％以下，
Mn：1.50％以下，
P：0.050％以下，
S：0.0500％以下，
Ni：0％以上且1.00％以下，
Nb：0％以上且1.50％以下，
余量为Fe和杂质。
4.根据权利要求2所述的冷作工具，其特征在于，所述成分组成以质量％计，
C：1.30～2.40％，
Cr：8.0～15.0％，
Mo以及W以单独或复合计(Mo+1/2W)：0.50～3.00％，
V：0.10～1.50％，
Si：2.00％以下，
Mn：1.50％以下，
P：0.050％以下，
S：0.0500％以下，
Ni：0％以上且1.00％以下，
Nb：0％以上且1.50％以下，
余量为Fe和杂质。
5.一种冷作工具的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
铸造工序，将具有通过淬火而能够调整为马氏体组织的成分组成、温度处于所述成分组成的(熔点+90℃)～(熔点+110℃)的温度范围内的钢水浇注到铸模中，对浇注至该铸模的钢水在固相-液相共存区域的冷却时间为60分钟以内的冷却时间下进行冷却，得到原材料；
热加工工序，对所述原材料进行热加工，将结束该热加工的原材料冷却至300℃以下，得到使该原材料的组织马氏体化而成的钢材；
退火工序，对所述钢材进行退火处理，得到冷作工具材料；以及
淬火回火工序，对所述冷作工具材料进行淬火回火，得到具有马氏体组织的、硬度为58HRC以上的冷作工具。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述成分组成以质量％计，
C：1.30～2.40％，
Cr：8.0～15.0％，
Mo以及W以单独或复合计(Mo+1/2W)：0.50～3.00％，
V：0.10～1.50％，
Si：2.00％以下，
Mn：1.50％以下，
P：0.050％以下，
S：0.0500％以下，
Ni：0％以上且1.00％以下，
Nb：0％以上且1.50％以下，
余量为Fe和杂质。
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