CN111405951A

CN111405951A - 模具用粉末

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Publication number: CN111405951A
Application number: CN201980005984.3A
Authority: CN
Inventors: 西面由夏
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: EP3778068A4; CN111405951B; EP3778068A1; JP7398533B2; TW201942390A; JP2019173049A; US20210025042A1; WO2019188854A1; US11781204B2; TWI779182B; JP2022180515A

Abstract

本发明提供一种模具用粉末，即使供于伴随有高速熔融急冷凝固的工艺中使用，也难以发生凝固裂纹。该模具用粉末为合金制，该合金含有C：0.25质量％以上且0.45质量％以下、Si：0.01质量％以上且1.20质量％以下、Mn：高于0质量％且在1.50质量％以下、Cr：2.0质量％以上且5.5质量％以下和V：0.2质量％以上且2.1质量％以下。该合金还含有Mo：高于0质量％且在3.0质量％以下、W：高于0质量％且在9.5质量％以下、和Co：高于0质量％且在4.5质量％以下中的任意一种或两种以上。该合金的余量是Fe和不可避免的杂质。该合金满足(Mn％)³/S％＞6.7。P、S和B的含有率合计为0.020质量％以下。

Description

模具用粉末

技术领域

本发明涉及适于模具的材料的粉末。详细地说，本发明涉及适于以三维层叠造型法这样的伴随有高速熔融急冷凝固工艺的造型法而制作的模具的材料的粉末。

背景技术

在由金属构成的造型物的制作中使用3D打印机。在此3D打印机中，通过层叠造型法制作造型物。在此层叠造型法中，对于铺开的金属粉末照射激光束或电子束。通过照射，粉末的金属粒子熔融。之后，粒子发生凝固。经过此熔融和凝固，粒子之间结合。照射对金属粉末的一部分选择性地进行。粉末的未被照射的部分不发生熔融。只在被照射的部分形成结合层。

在结合层之上，再铺满金属粉末。对于该金属粉末，照射激光束或电子束。通过照射，金属粒子熔融。之后，金属凝固。经过该熔融和凝固，粉末中的粒子之间被结合，形成新的结合层。新的结合层与既有的结合层也被结合。

通过重复由照射进行的结合，结合层的集合体慢慢生长。通过此生长，可得到具有三维形状的造型物。根据层叠造型法，容易获得复杂形状的造型物。层叠造型法的一例，公开在专利文献1(日本专利第4661842号公报)中。

模具的材质一般是钢。作为适合模具的钢种，在JIS中规定有SKD4、SKD5、SKD6、SKD61、SKD62、SKD7和SKD8。

一般的模具，在其内部具有冷却液的流道。在现有的模具的制作中，首先对熔炼的铸块实施锻造、轧制等的塑性加工，得到块状的母材。通过切削加工等在该母材上形成流道。在此切削加工中，流道的配置和形状的自由度小。

在专利文献2(日本特开2015－209588公报)中，公开有一种通过层叠造型法制作的模具。由于层叠造型法的采用，能够形成具有配置和形状复杂的这种流道的模具。

在先技术文献

专利文献

专利文献1日本专利第4661842号公报

专利文献2日本特开2015－209588号公报

由层叠造型法制作模具时，容易发生凝固裂纹。由伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法进行的模具的制作中，凝固裂纹的抑制是当务之急。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种模具用粉末，即使供于伴随着高速熔融急冷凝固的工艺中使用，也难以发生凝固裂纹。

根据本发明，可提供以下的方式。

[项1]

一种合金制的模具用粉末，其中，含有

C：0.25质量％以上且0.45质量％以下、

Si：0.01质量％以上且1.20质量％以下、

Mn：高于0质量％且在1.50质量％以下、

Cr：2.0质量％以上且5.5质量％以下、和

V：0.2质量％以上且2.1质量％以下，以及

Mo：高于0质量％且在3.0质量％以下、W：高于0质量％且在9.5质量％以下、和Co：高于0质量％且在4.5质量％以下中的任意一种或两种以上，余量是Fe和不可避免的杂质，

满足下述算式：

(Mn％)³/S％＞6.7

(式中，Mn％表示Mn的含有率(质量％)，S％表示S的含有率(质量％))，P、S和B的含有率为0.020质量％以下。

[项2]

根据项1所述的模具用粉末，其中，所述粉末的平均粒径D50为10μm以上且150μm以下，90％粒径D90为200μm以下。

[项3]

根据项1或2所述的模具用粉末，其中，所述合金中，含有Mn为0.20质量％以上且1.50质量％以下。

[项4]

根据项1～3中任一项所述的模具用粉末，其中，所述合金含有Mo：0.2质量％以上且3.0质量％以下、W：0.5质量％以上且9.5质量％以下、和Co：0.5质量％以上且4.5质量％以下中的任意一种或两种以上。

本发明的模具用粉末，即使供于伴随着高速熔融急冷凝固的工艺中使用，也难以发生凝固裂纹。利用此粉末，能够制作具有复杂结构的模具。

具体实施方式

通过层叠造型法制作模具时，金属高速熔融，且急冷凝固。本合金通过急冷凝固，获取与平衡状态不同的凝固过程。在平衡状态下，δ相作为初晶而结晶出来，但在伴随急冷凝固的层叠造型法的情况下，初晶变成γ相。γ相与δ相比较，P、S和B这样的杂质元素的溶解度低，因此排出到溶液中残留液相在凝固的最终阶段发生偏析。

在层叠造型法中，因凝固收缩引起的内部应力发生。该内部应力集中于结晶晶界。

使用现有模具所用的钢，由层叠造型法制作模具时，由于金属被急冷，导致马氏体组织产生。该组织韧性差。

本发明者要查明，由于这些要因，在模具的形成时，在结晶晶界发生凝固裂纹的情况。

本发明的模具用粉末，是大量粒子的集合。该粒子为合金制。该合金中能够含有C、Si、Mn、Cr和V。该合金中，还能够含有Mo、W和Co中的一种或两种以上。该合金的余量是Fe和不可避免的杂质。以下，详细说明该合金的各元素的作用。

[碳(C)]

C是固溶于Fe而提高合金的强度的必须元素。此外C与V形成MC型碳化物，与Cr、Mo等形成M6C型碳化物或M7C型碳化物。这些碳化物提高在高温环境下的合金的强度。从这些观点出发，C的含有率优选为0.25质量％以上，更优选为0.28质量％以上，特别优选为0.30质量％以上。若C的含有率过剩，则碳化物在结晶晶界连续地析出。该析出招来结晶晶界的脆弱化，且招来结晶晶界的韧性的劣化。从这些观点出发，C的含有率优选为0.45质量％以下，更优选为0.43质量％以下，特别优选为0.41质量％以下。因此，C的优选含有率为0.25质量％以上且0.45质量％以下，更优选为0.28质量％以上且0.43质量％以下，进一步优选为0.30质量％以上且0.41质量％以下。

[硅(Si)]

Si是在合金的成分调整时作为脱氧材被添加的必须元素。Si固溶于Fe而提高合金的强度。从这一观点出发，Si的含有率优选为0.01质量％以上，更优选为0.15质量％以上，特别优选为0.25质量％以上。若Si的含有率过剩，则高温环境下的合金的抗氧化性受到阻碍。从这一观点出发，Si的含有率优选为1.20质量％以下，更优选为1.10质量％以下，特别优选为1.00质量％以下。因此，Si的优选的含有率为0.01质量％以上且1.20质量％以下，更优选为0.15质量％以上且1.10质量％以下，进一步优选为0.25质量％以上且1.00质量％以下。

[锰(Mn)]

Mn是与S一起形成MnS的必须元素。该MnS是高熔点化合物。MnS的形成减少含S的低熔点化合物的析出量，抑制凝固裂纹。从这一观点出发，Mn的含有率优选为0.20质量％以上，更优选为0.25质量％以上，特别优选为0.30质量％以上。若Mn的含有率过剩，则在高温环境下的合金的抗氧化性受到阻碍。从这一观点出发，Mn的含有率优选为1.50质量％以下，更优选为1.45质量％以下，特别优选为1.40质量％以下。因此，Mn的含有率为高于0质量％且在1.50质量％以下，优选为0.20质量％以上且1.50质量％以下，更优选为0.25质量％以上且1.45质量％以下，进一步优选为0.30质量％以上且1.40质量％以下。

[铬(Cr)]

Cr是固溶于Fe而提高合金的强度的必须元素。此外Cr有助于合金的抗氧化性。从这些观点出发，Cr的含有率优选为2.0质量％以上，更优选为2.3质量％以上，特别优选为2.5质量％以上。若Cr的含有率过剩，则高温环境下的合金的强度受到阻碍。从这一观点出发，Cr的含有率优选为5.5质量％以下，更优选为5.3质量％以下，特别优选为5.1质量％以下。因此，Cr的优选的含有率为2.0质量％以上且5.5质量％以下，更优选为2.3质量％以上且5.3质量％以下，进一步优选为2.5质量％以上且5.1质量％以下。

[钒(V)]

V是有助于模具的回火进行的二次硬化的必须元素。此外V有助于高温环境下的合金的强度。从这些观点出发，V的含有率优选为0.2质量％以上，更优选为0.3质量％以上，特别优选为0.4质量％以上。从合金的成本的观点出发，V的含有率优选为2.1质量％以下，更优选为1.5质量％以下，特别优选为1.0质量％以下。因此，V的优选含有率为0.2质量％以上且2.1质量％以下，更优选为0.3质量％以上且1.5质量％以下，进一步优选为0.4质量％以上且1.0质量％以下。

[钼(Mo)、钨(W)和钴(Co)]

如前述，C有助于合金的强度。另一方面，过剩的C的含有阻碍合金的韧性。合金通过含有适量的C并含有Mo、W或Co，能够使强度与韧性并立。合金也可以含有Mo，不含有W和Co。合金也可以含有W，不含有Co和Mo。合金也可以含有Co，不含有Mo和W。合金也可以含有Mo和W，不含有Co。合金也可以含有W和Co，不含有Mo。合金也可以含有Co和Mo，不含有W。合金也可以含有Mo、W和Co。

Mo是有助于碳化物的微细化的元素。微细的碳化物，有助于合金的强度。从这一观点出发，Mo的含有率优选为0.2质量％以上，更优选为0.5质量％以上，特别优选为1.0质量％以上。从合金的成本的观点出发，Mo的含有率优选为3.0质量％以下，更优选为2.5质量％以下，特别优选为2.0质量％以下。因此，合金含有Mo时，Mo优选的含有率为高于0质量％且在3.0质量％以下，更优选为0.2质量％以上且3.0质量％以下，进一步优选为0.5质量％以上且2.5质量％以下，特别优选为1.0质量％以上且2.0质量％以下。

W有助于碳化物的微细化。微细的碳化物是有助于合金的强度的元素。从这一观点出发，W的含有率优选为0.5质量％以上，更优选为1.0质量％以上，特别优选为1.2质量％以上。从合金的成本的观点出发，W的含有率优选为9.5质量％以下，更优选为9.1质量％以下，特别优选为8.5质量％以下。因此，合金含有W时，W优选的含有率为高于0质量％且在9.5质量％以下，更优选为0.5质量％以上且9.5质量％以下，进一步优选为1.0质量％以上且9.1质量％以下，特别优选为1.2质量％以上且8.5质量％以下。

Co是通过向Fe的固溶而提高合金的强度的元素。此外Co也有助于析出硬化。从这些观点出发，Co的含有率优选为0.5质量％以上，更优选为1.0质量％以上，特别优选为1.5质量％以上。从合金的成本的观点出发，Co的含有率优选为4.5质量％以下，更优选为4.1质量％以下，特别优选为3.5质量％以下。因此，合金含有Co时，Co优选的含有率为高于0质量％且在4.5质量％以下，更优选为0.5质量％以上且4.5质量％以下，进一步优选为1.0质量％以上且4.1质量％以下，特别优选为1.5质量％以上且3.5质量％以下。

Mo、W和Co的合计含有率更优选为0.5质量％以上且17质量％以下。

[磷(P)、硫(S)和硼(B)]

P、S和B是不可避免的杂质。在本发明这样的模具用合金中，P、S和B在凝固时使低熔点的液相生成。由伴随着高速熔融急冷凝固的工艺而成形模具时，因P、S或B引起的低熔点共晶组织在结晶晶界偏析。该偏析助长凝固裂纹。从凝固裂纹抑制的观点出发，P、S和B的含有率的合计优选为0.020质量％以下，更优选为0.017质量％以下，特别优选为0.015质量％以下。

S与Fe一起形成FeS，成为凝固裂纹的原因，但如果与Mn一起形成MnS，则具有抑制凝固裂纹的效果。由Fe－Mn－S的三元相图与实验结果可知，满足下述算式时：

(Mn％)³/S％＞6.7

(式中，Mn％表示Mn的含有率(质量％)，S％表示S的含有率(质量％)。)，则难以形成FeS，而能够得到由MnS的形成带来的凝固裂纹抑制效果。

[粒径]

粉末的平均粒径D50优选为10μm以上且150μm以下。平均粒径D50为10μm以上的粉末，流动性优异。从这一观点出发，平均粒径更优选为20μm以上，特别优选为30μm以上。平均粒径D50为150μm以下粉末，向容器中的充填率高。因此由该粉末能够得到密度大的模具。从这一观点出发，平均粒径D50更优选为120μm以下，特别优选为90μm以下。因此，粉末的平均粒径D50优选为10μm以上且150μm以下，更优选为20μm以上且120μm以下，进一步优选为30μm以上且90μm以下。

粉末的90％粒径D90优选为200μm以下。粒径D90为200μm以下粉末，在高速加热时能够熔融全部的粒子。因此在由该粉末形成的模具中，缺陷少。从这一观点出发，粒径D90更优选为160μm以下，特别优选为140μm以下。粒径D90的下限值没有特别限定，但典型的是20μm以上，更典型的是40μm以上，更典型的是50μm以上。因此，粒径D90典型的是20μm以上且200μm以下，更典型的是40μm以上且160μm以下，更典型的是50μm以上且140μm以下。

在平均粒径D50和90％粒径D90的测量中，粉末的总体积为100％，求得累积曲线。在该曲线上的累积体积为50％的点的粒径为D50。该曲线上的累积体积为90％的点的粒径为D90。平均粒径D50和D90，通过激光衍射散射法测量。作为适于该测量的装置，可列举日机装社的激光衍射·散射式粒径分布测量装置“マイクロトラックMT3000”。粉末与纯水一起被灌入到该装置的槽室内，基于粒子的光散射信息，可检测粒径。

[雾化]

作为粉末的制造方法，可例示水雾化法、单辊急冷法、双辊急冷法、气体雾化法、盘式雾化法和离心雾化法。优选的制造方法是单辊冷却法、气体雾化法和盘式雾化法。也可以对于粉末实施机械磨碎等。作为磨碎方法，可例示球磨法、珠磨法、行星球磨法、磨碎机法和振动球磨法。

[模具的制作]

模具通过对于粉末实施伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法而取得。作为该造型法，可例示三维层叠造型法、热喷涂法，激光熔覆法和堆焊法。典型的是，模具由三维层叠造型法成形。

在该三维层叠造型法中，能够使用3D打印机。在该层叠造型法中，对于铺开的合金粉末，照射激光束或电子束。通过照射，粒子被高速加热，高速熔融。之后，粒子高速凝固。经过该熔融和凝固，粒子之间结合。照射对于粉末的一部分选择性地进行。粉末的未被照射的部分不熔融。只在受到照射的部分形成结合层。

在结合层之上，再铺满合金粉末。对该粉末照射激光束或电子束。通过照射，粒子高速熔融。之后，粒子高速凝固。经过此熔融和凝固，粉末中的粒子之间被结合，形成新的结合层。新的结合层与既有的结合层也被结合。

通过重复由照射进行的结合，结合层的集合体慢慢生长。通过此生长，能够得到具有三维形状的模具。根据此层叠造型法，可容易获得大量的冷却液用路径被复杂配置的模具。在此熔融和凝固中，所谓的凝固裂纹难以发生。

实施例

以下，由实施例表明本发明的效果，但不应该基于此实施例的记述而限定性地解释本发明。

[粉末的制造]

在真空中，用氧化铝制坩埚，通过高频感应加热，加热具有规定的组成的原料，使之熔化。从位于坩埚下的直径5mm的喷嘴，使熔液落下。对于该熔液，喷雾高压氩气或高压氮气，得到粉末。各粉末的组成的详情显示在下述的表1中。在表1中，No.1至No.9的粉末是本发明例，No.10至No.17的粉末是比较例。

[成形]

以该粉末为原料，由三维层叠造型装置(EOS－M290)实施层叠造型法，得到成形体。成形体的形状为立方体，一边的长度为10mm。

[裂纹的评价]

相对于造型方向平行地切断成形体。对该断面用光学显微镜，以倍率100倍进行观察。拍摄5个视野中的显微镜图像，通过图像分析统计裂纹的数量。其结果显示在下述的表1中。

[成形体的相对密度]

运用成形体在空气中的重量、在水中的重量和水的密度，计算该成形体的密度(阿基米德密度测量法)。用该密度，除以根据粉末成分计算出的理论密度，计算相对密度。其结果显示在下述的表1中。

【表1】

表1所示的各实施例的粉末，诸性能优异。由此结果可知，本发明的优势性。

本发明的粉末，也适用于从喷嘴喷射粉末型的3D打印机。该粉末也适用于从喷嘴喷射粉末型的激光熔覆法。

Claims

1.一种合金制的模具用粉末，其含有

C：0.25质量％以上且0.45质量％以下、

Si：0.01质量％以上且1.20质量％以下、

Mn：高于0质量％且在1.50质量％以下、

Cr：2.0质量％以上且5.5质量％以下、和

V：0.2质量％以上且2.1质量％以下，

还含有Mo：高于0质量％且在3.0质量％以下、W：高于0质量％且在9.5质量％以下和Co：高于0质量％且在4.5质量％以下中的任意一种或两种以上，

余量是Fe和不可避免的杂质，

并且，满足下述算式：

(Mn％)³/S％＞6.7

式中，Mn％表示Mn的质量％的含有率，S％表示S的质量％的含有率，P、S和B的含有率为0.020质量％以下。

2.根据权利要求1所述的模具用粉末，其中，所述粉末的平均粒径D50为10μm以上且150μm以下，90％粒径D90为200μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的模具用粉末，其中，所述合金含有Mn为0.20质量％以上且1.50质量％以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的模具用粉末，其中，所述合金含有Mo：0.2质量％以上且3.0质量％以下、W：0.5质量％以上且9.5质量％以下和Co：0.5质量％以上且4.5质量％以下中的任意一种或两种以上。