CN112292219A - 用于制造锻造品的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于制造锻造品的方法，借此能够增加用于温和热锻造的模具的耐久性。用于制造锻造品的方法的特征在于包括：使用模具，将包括0.01‑0.98质量％的水溶性硫酸盐的水溶性聚合物基润滑剂喷洒或施用到模具的工作表面上，以及温和热锻造钢材，所述模具具有在其工作表面上的氮化层或渗硫氮化层并且包括具有硬度为55‑60HRC的材料，所述材料具有的成分组成以质量％计为：0.4‑0.7％的C、1.0％或更少的Si、1.0％或更少的Mn、4.0‑6.0％的Cr、2.0‑4.0％的根据关系表达式(Mo+1/2W)的W和Mo中的一者或两者、0.5‑2.5％的根据关系表达式(V+Nb)的V和Nb中的一者或两者、0‑1.0％的Ni、0‑5.0％的Co、以及0.02％或更少的N，剩余部分为Fe和杂质。

Description

用于制造锻造品的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造锻造品的方法。

背景技术

通常，当通过对钢材执行温锻造(warm forging)或热锻造(hot forging)制造锻造品(例如汽车组件)时，各种类型的热工具钢或高速工具钢被用作用于温锻造或热锻造的模具的原材料。进一步地，在高速工具钢的情况下，所谓的“基体高速钢”，其成分组成中碳化物形成元素的含量减少并且因此减少了在结构中碳化物的含量，这对改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性是有效的，因为它具有高硬度并且在温锻造或热锻造过程中表现出优异的韧性。

进一步地，为了改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性，在其工作表面(即，在温锻造或热锻造期间与钢材(待锻造的材料)接触的表面)上进行各种类型的表面处理是有效的。这些表面处理的典型的实施例是氮化处理。进一步地，在它们之中，利用各种氮/硫供应源作为处理介质，在模具的工作表面形成含有硫化铁的氮化层的渗硫氮化(nitrosulfidizing)处理，使得赋予用于温锻造或热锻造的模具的工作表面优异的耐磨性和良好的耐咬合性成为可能(专利文献1和专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平10-219421号

专利文献2：特开2002-239671号

发明内容

发明要解决的技术问题

专利文献1和专利文献2中公开的技术对改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性是有效的。然而，在近期的温锻造或热锻造中，因为通过温锻造或热锻造制造的锻造品的复杂形状和/或近终形(near net shape)或类似情况，较大的载荷在锻造期间被施加在工作表面上。例如，在锻造的期间，在工作表面(具有较高温度的工作表面)上会产生较大的摩擦热。因此，进一步改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性是被期望的。

本发明旨在提供一种用于制造锻造品的方法，能够改善温锻造或热锻造用的模具的耐久性。

解决问题的方案

本发明的发明人将注意力集中在“润滑剂”，其在温锻造或热锻造期间被喷洒或施用在模具的工作表面上，以便抑制上述的摩擦热的增加。然后，发明人已经发现，当温锻造或热锻造用的模具的原材料被优化，在温锻造或热锻造用的模具的工作表面上形成了表面处理层的最佳组合，其由优化的原材料以及上述润滑剂组成，并且实现了本发明。

换而言之，本发明提供了一种用于制造锻造品的方法，包括：通过使用模具，通过将水溶性聚合物润滑剂喷洒或施用到所述模具的工作表面上来温锻造或热锻造钢材，所述水溶性聚合物润滑剂包含0.01-0.98质量％的水溶性硫酸盐，

所述模具由原材料制成，所述原材料的成分组成以质量％计为：0.4-0.7％的C、1.0％或更少的Si、1.0％或更少的Mn、4.0-6.0％的Cr、2.0-4.0％的以关系表达式(Mo+1/2W)包含W和Mo中的一者或两者、0.5-2.5％的以关系表达式(V+Nb)包含V和Nb中的一者或两者、0-1.0％的Ni、0-5.0％的Co、0.02％或更少的N、以及由Fe和杂质构成的剩余部分，并且所述原材料的硬度为55-60HRC，以及所述模具包括在其工作表面上的氮化层或渗硫氮化层。

进一步地，本发明优选地提供上述用于制造锻造品的方法，其中水溶性聚合物润滑剂被喷洒或施用到被预热至150-400℃的模具的工作表面上。

在上述的模具中，在模具的工作表面上的氮化层或渗硫氮化层优选通过盐浴法形成。进一步地，在上述模具中，-400MPa或更弱的压缩残余应力被优选地施加到模具的位于距其工作表面30μm的深度处的部分。

发明的效果

根据本发明，当钢材被温锻造和热锻造时，可以改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性。

附图说明

图1是作为代替绘图的照片，示出了使用前的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面的外观的实施例；

图2是作为代替绘图的照片，示出了使用后的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面的外观的实施例；

图3是表示锻造设备的实施例的示意横截面视图。

图4是在使用中的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面的Fe-S-O组成相图，用于解释在工作表面上形成磁铁矿的机理；

图5示出了在进行了表面处理后，从模具的工作表面在深度方向上的残余应力分布；以及，

图6示出了对经过表面处理的模具加热后，从模具的工作表面在深度方向上的残余应力分布。

具体实施方式

本发明的特征在于，通过采用特征的组合可以改善用于温锻造或热锻造的模具的耐久性，该特征的组合为用于温锻造或热锻造的模具的原材料仅限于具有预定的成分组成“基体高速钢”，以及在模具的工作表面上形成的表面处理层是“氮化层”或“渗硫氮化层”，其特征在于，在温锻造或热锻造期间使用的润滑剂是“水溶性聚合物润滑剂，其包含0.01-0.98质量％的水溶性硫酸盐”。值得注意的是，温锻造或热锻造是指通过将待锻造的钢材加热至大约700-1300℃被执行的锻造。本发明的每个组分/要求将在下文中进行描述。

(1)<在本发明中，用于温锻造或热锻造的模具由原材料制成，原材料的成分组成以质量％计为：0.4-0.7％的C、1.0％或更少的Si、1.0％或更少的Mn、4.0-6.0％的Cr、2.0-4.0％的以关系表达式(Mo+1/2W)包含W和Mo中的一者或两者、0.5-2.5％的以关系表达式(V+Nb)包含V和Nb中的一者或两者、0-1.0％的Ni、0-5.0％的Co、0.02％或更少的N、以及由Fe和杂质构成的剩余部分，并且原材料的硬度为55-60HRC。>

在本发明中，首先，选择用于温锻造或热锻造的模具的原材料是非常重要的，以便改善模具的耐久性。换而言之，它是一种原材料，其除了能够达到足够高的硬度以赋予模具在使用中的足够的拉伸强度之外，还能够在其高硬度状态下保持优异的韧性。进一步地，尤其是，在本发明中，积极地使用润滑剂以维持模具的工作表面的润滑性，这将在后面进行描述。因此，因为根据本发明的用于制造锻造品的方法是在模具通过润滑剂迅速地被冷却并且由此在模具中裂纹很可能发生的环境中进行的，因此作为用于模具的原材料，有必要选择“基体高速钢”具有足够优异的韧性以防止上述的在模具中产生的裂纹。根据本发明的用于模具的原材料的要求(成分组成和硬度)将在后面进行描述。

-C：0.4-0.7％

C与诸如Cr、Mo、W、V和Nb的碳化物形成元素相结合，从而形成坚硬的双碳化物，从而赋予用于温锻造或热锻造的模具所需的耐磨性。进一步地，一部分C固溶(solid-dissolved)在基体中，从而增强基体。进一步地，其在硬化和回火后赋予马氏体结构硬度。然而，过量的C会导致碳化物偏析。因此，C为0.4-0.7％。C优选为0.45％或更多，并且更优选为0.5％或更多。C优选为0.65％或更少，并且更优选为0.6％或更少。

-Si：1.0％或更少

Si一般在熔融步骤中用作脱氧剂，并且是在铸造后不可避免地包含在钢锭中的元素。然而，当Si的量过大时，用于温锻造或热锻造的模具的韧性退化。因此，Si为1.0％或更少。Si优选为0.8％或更少，并且更优选为0.6％或更少。进一步地，Si优选为0.4％或更少，并且更进一步地优选为0.2％或更少。

值得注意的是，Si具有在铸造期间使得初生碳化物呈球状以及微小的功能。因此，其优选为0.05％以上，并且更优选为0.1％以上。

-Mn：1.0％或更少

与Si相似，Mn在熔融步骤中用作脱氧剂，并且是在铸造后不可避免地包含在钢锭中的元素。然而，当Mn的量过大时，退火硬度增加，因此当钢锭被加工成用于温锻造或热锻造的模具时，机械加工性能(切削性能)退化。因此，Mn为1.0％或更少。Mn优选为0.9％或更少，并且更优选为0.8％或更少。进一步地，Mn优选为0.7％或更少，并且更进一步地优选为0.6％或更少。

值得注意的是，Mn具有改善硬化性能的功能。因此，Mn优选为0.1％或更多，并且更优选为0.2％或更多。进一步地，Mn优选为0.3％或更多，并且更进一步地优选为0.4％或更多。

-Cr：4.0-6.0％

Cr是与C结合并且从而形成碳化物的元素，因此改善了用于温锻造或热锻造的模具的耐磨性。进一步地，Cr也是有助于改善硬化性能的元素。然而，当Cr含量过大时，这会导致组织的偏析并且从而降低韧性。因此，Cr为4.0-6.0％。Cr优选为5.5％或更少，并且更优选为5.0％或更少。进一步地，Cr优选为4.5％或更少。

–以关系表达式(Mo+1/2W)包含W和Mo中的一者或两者：2.0-4.0％

W和Mo是与C结合并且从而形成碳化物的元素，并且在硬化期间是固溶在基体中并且从而增加硬度，因此改善用于温锻造或热锻造的模具的耐磨性。然而，当量过大时，这会造成偏析并且从而降低模具的韧性。至于上述功能和效果，W和Mo的含量可以根据关系表达式(Mo+1/2W)被调整。进一步地，在本发明中，根据上述关系表达式的W和Mo一者或两者的量被调整至2.0-4.0％。其优选为2.2％或更大，更优选为2.4％或更大，并且进一步优选为2.6％或更大。进一步地，其优选为3.7％或更小，更优选为3.3％或更小，并且进一步优选为3.0％或更小。

值得注意的是，相较于Mo，W具有导致偏析的能力并且因此倾向于减少韧性。因此，W优选为3.0％或更少(在上述关系表达式中为1.5％或更少)。进一步地，W优选为2.0％或更少(在上述关系表达式中为1.0％或更少)。

以关系表达式(V+Nb)包含V和Nb中的一者或两者：0.5-2.5％

V和Nb与C结合并且从而形成碳化物，因此改善用于温锻造或热锻造的模具的耐磨性和耐咬合性能。进一步地，在硬化期间它们是固溶在基体中并且产生在回火期间不太可能粘在一起沉淀的极小的碳化物。因此，它们改善了在高温环境下的耐软化性，并且赋予了优良的耐高温试验应力(proof stress)。进一步地，它们使晶粒细小并且从而改善了韧性和抗热裂纹性。然而，当量过大时，它们产生大的碳化物颗粒并且从而导致在温锻造或热锻造期间在模具中裂纹的发生。至于上述功能和效果，V和Nb的含量可以根据关系表达式(V+Nb)被调整。进一步地，根据上述关系表达式的V和Nb的一者或两者的量被调整至0.5-2.5％。其优选为0.7％或更大，并且更优选为0.9％或更大，并且进一步优选为1.1％或更大。进一步地，其优选为2.0％或更小，并且更优选为1.8％或更小。进一步地，其优选为1.5％或更小，并且更进一步地优选为1.3％或更小。

值得注意的是，相较于V，Nb具有优异的抗软化性能，对改善高温强度有很好的效果，并且对防止晶粒变大有很好的效果。因此，优选地包含Nb。进一步地，当包含Nb时，Nb优选为0.02％或更多。例如，Nb的上限可以是0.1％或0.08％。

-Ni：0-1.0％

Ni赋予高速工具钢优异的硬化性能。结果，可以形成主要由马氏体组成的淬硬结构并且从而改善基体本身的固有韧性。因此，可以根据需要包含Ni，尽管其含量可能为0％。然而，当Ni的量过大时，退火硬度增加，因此当钢锭被机加工成用于温锻造或热锻造的模具的形状时，机加工性能退化。因此，即使当包含Ni时，其量为1.0％或更少。其优选为0.7％或更少，并且更优选为0.5％或更少。进一步地，其优选为0.35％或更少，并且更进一步地优选为0.15％或更少。进一步地，当包含Ni时，Ni优选为0.01％或更多。Ni更优选为0.03％或更多，并且进一步地优选为0.05％或更多。

-Co：0-5.0％

Co是在高温环境下改善抗软化性能的元素，并且当升高使用中的温锻造或热锻造用的模具的温度时，Co是对保持高温硬度有效的元素。因此，可以根据需要包含Co，尽管其含量可能为0％。然而，当Co的量过大时，韧性退化。因此，即使当包含Co，其量为5.0％或更少。Co优选为4.0％或更少，并且更优选为3.0％或更少。进一步地，Co优选为2.0％或更少，并且更进一步地优选为1.0％或更少。当包含Co时，Co优选为0.3％或更多。Co更优选为0.4％或更多，进一步优选为0.5％或更多，并且更进一步优选为0.6％或更多。

-N(氮)：0.02％或更少

N是在铸造后不可避免地包括在钢锭中的杂质元素。进一步地，因为它是与碳化物形成元素V和Nb具有强亲和力的元素，因此它是形成大量碳氮化物并且从而降低用于温锻造或热锻造的模具的韧性的元素。进一步地，碳氮化物成为断裂的起始点，并且因此成为用于温锻造或热锻造的模具在使用中的导致早期裂纹的因素。因此，将N的量调整为0.02％或更少是非常重要的。N的量优选为0.018％或更少，并且更优选为0.015％或更少。值得注意的是，不可避免的包括的N含量的极端减少可能成为原材料制造效率恶化的因素。因此，例如，N含量的下限可能是0.0005％。替代地，N含量的下限可以是0.001％。

进一步地，根据本发明的高速工具钢中可能含有S和P作为不可避免的杂质元素。当S的量过大时，其削弱了热加工性能。因此，S的量被优选调节至0.01％或更少。其更优选为0.005％或更少，并且进一步优选为0.003％或更少。当P的量过大时，韧性退化。因此，P的量被优选地调节至0.05％或更少。其更优选为0.025％或更少，并且进一步优选为0.02％或更少。

-硬度：55-60HRC

因为其特殊的基体高速钢的成分组成，根据本发明的上述原材料，即使当它被调整为高硬度时，也可以保持优异的韧性。进一步地，由上述原材料制成的温锻造或热锻造用的模具的硬度(洛氏硬度)被调整至55HRC或更高(在室温下)。优选地，硬度为56HRC或更高。通过提高硬度，即使在高温下也有可能赋予模具优异的拉伸强度。

当用于温锻造或热锻造的模具的硬度过高时，韧性可能会极度降低。因此，当在高温下使用模具时突然在模具中产生应力，这成为可能导致模具裂纹的因素。因此，由原材料制成的用于温锻造或热锻造的模具的硬度被调整至60HRC或更低(在室温下)。优选地，硬度为58HRC或更低。

值得注意的是，本发明的模具的硬度可以根据JIS Z 2245“洛氏硬度试验/试验方法(Rockwell Hardness Test/Test Method)”中记载的测定方法测定，并且因此洛氏C-分度硬度被使用。

(2)<在本发明中，通过使用用于温锻造或热锻造的模具，通过将包括0.01-0.98质量％的水溶性硫酸盐的水溶性聚合物润滑剂喷洒或施用到用于温锻造或热锻造的模具的工作表面上，钢材被温和热锻造，该用于温锻造或热锻造的模具包括在其工作表面上的氮化层或渗硫氮化层。>

通常，在其工作表面形成各种类型的表面处理层的用于温锻造和热锻造的模具中，在使用前工作表面呈现出“浊色”(图1)。进一步地，已知已经执行了一定次数的温锻造或热锻造但是还没有达到其寿命的模具的工作表面，即所谓的“耐用模具”的工作表面，呈现出闪亮的黑色(图2)。

因此，首先，本发明分析了呈现出上述闪亮的黑色的工作表面。结果，证实了呈现出闪亮的黑色的工作表面上形成了具有优异润滑性的氧化铁(Fe-O)层。进一步地，本发明的发明人发现：当Fe-O层的组分是“磁铁矿(Fe_3-cO_4-d)”时，该磁铁矿的润滑性更优于赤铁矿(Fe_2-aO_3-b)；并且因此，在温锻造或热锻造期间，模具的工作表面形成的磁铁矿改善了用于温锻造或热锻造的模具的耐久性。值得注意的是，Fe与O之间的原子比不一定是化学计量成分比。因此，它们通过使用符号a、b、c和d来表达。

进一步地，本发明的发明人通过使用在其工作表面上形成“氮化层(包括渗硫氮化层)”的用于温锻造或热锻造的模具评估了上述现象，并证明了，正如预期的，具有优异的耐磨性的模具的工作表面呈现上述“闪亮的黑色”并且在其工作表面形成磁铁矿层。

进一步地，本发明的发明人发现，归功于这个磁铁矿层的稳定性，在温锻造或热锻造期间，可以积极地使用喷洒或施用在模具工作表面上的润滑剂，并且根据本发明已经实现了表面处理层和润滑剂的最佳组合。

也就是说，润滑剂含有“有效”量的硫，其作用于上述磁铁矿层的形成。结果，润滑剂中的硫组分被供给到使用中的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面上形成的氮化层与待处理材料之间的区域，并且所供给的硫组分起到用于有效地将氮化铁(Fe-N)构成的氮化层转变成磁铁矿层的机制。值得注意的是，可以推断出构成待加工材料的钢材中的Fe组分和构成模具的原材料中的Fe组分也有助于这种机理，而有助于机理的主要物质就是构成待处理材料的物质。进一步地，关于使这种机制起作用的“有效”量的硫，使润滑剂本身含硫是不切实际的。但是，可以通过使润滑剂以水溶性硫酸盐的形式包括相当大量的硫成为可能，并且可以加快上述磁铁矿层的形成。

据推断，形成磁铁矿层的机理详情如下。图4是在使用中的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面(700℃)上的Fe-S-O组成相图。横轴表示工作表面环境中氧气的分压，其中氧气的分压P(O₂)表示为log₁₀(P(O₂))。进一步地，纵轴表示工作表面环境中硫的分压，其中硫的分压P(S₂)表示为log₁₀(P(S₂))。尽管在使用期间每个分压都会发生波动，但是从这个相图可以大致了解使用期间工作表面的环境(反应过程)。

为了增加用于温锻造或热锻造的模具的寿命，从使用模具的开始就迅速且均匀地在工作表面上形成具有优异的润滑性的磁铁矿层是有效的。进一步地，本发明的发明人发现，对于这种有效形成的磁铁矿层，通过调节润滑剂中硫的量，对经由化学形态的FeS(铁(II)硫化物)将Fe-N组成的氮化层和待加工材料中的Fe转变为磁铁矿(Fe_3-cO_4-d)的环境进行布置是有效的。

<当润滑剂中的硫的量不足时>

首先，当润滑剂中的硫的量不足时，在工作表面环境中的硫的分压下降。因此，如图4中所示，在氮化层中的Fe-N被氧化并且转变成FeO(维氏体(wustite))。即使这种FeO也可以被转变成磁铁矿。但是，在这样的使用环境下，维氏体向磁铁矿的转变取决于氧在维氏体中的扩散速度，所以该转变是缓慢的。进一步地，维氏体是脆性物质，并且特别是当温度低(例如，在600℃以下)时是脆性氧化物。因此，当模具开始使用后工作表面的温度不高时，没有被转变成磁铁矿的维氏体破碎并且变成磨料粉。磨料粉摩擦模具的工作表面，因此在其上造成三元磨料耗损并且妨碍了用于温锻造或热锻造的模具的寿命增加。

<当润滑剂中的硫的量适当时>

因此，当润滑剂中的硫的量增加到适当的量时，工作表面环境中的硫的分压被适当地调整。因此，如图4中所示，在氮化层中的Fe-N和待加工材料中的Fe被转变成FsS。进一步地，因为FeS可以与Fe_3-cO_4-d共存，上述FsS可以很容易地转变成磁铁矿。进一步地，对于这种转变，在转变期间没有产生上述FeO来进行改变在理论上是可能的。因此，从使用温锻造或热锻造的模具开始就进行氮化处理，以在温锻造或热锻造的模具的工作表面上均匀且迅速地形成具有优异的润滑性的磁铁矿层，而可以不产生维氏体。因此，可以抑制使用中模具的工作表面上的摩擦热的产生，抑制在其上的三元磨料耗损，并且实现热锻造或温锻造用的模具的使用空间的增加。

<当润滑剂中的硫的量过多时>

然而，当润滑剂中的硫的量过多时，在工作表面环境中的硫的分压极度提升。因此，如图4中所示，在氮化层中的Fe-N和待加工材料中的Fe被转变成化学形式的FeS₂(二硫化铁)和Fe₇S₈。进一步地，FeS₂和Fe₇S₈很难与磁铁矿(Fe_3-cO_4-d)共存。进一步地，即使如果这些铁的硫化物可以被转变成磁铁矿，这种转变也需要FeS的转变。因此，在使用中的用于温锻造或热锻造的模具的工作表面上没有形成足够的磁铁矿层(因为磁铁矿层消失了)。因此，不能期望得到改善用于温锻造或热锻造的模具的寿命的效果。替代地，即使如果在工作表面上形成磁铁矿层，当希望在温锻造或热锻造的早期阶段减少成型载荷时，形成的磁铁矿层是不够的。因此，改善用于温锻造或热锻造的模具的寿命的效果是很小的。当工作表面环境中硫的分压很高时，由于咬合可能出现明显的磨损并且因此模具的寿命可以被大幅缩短。

如上所述，在根据本发明的用于制造锻造品的方法中，在该方法中使用的上述的水溶性聚合物润滑剂包含0.01-0.98质量％的水溶性硫酸盐。当水溶性硫酸盐的含量非常小时，由于维氏体的产生，三元磨料磨损的发生令人担忧，并且因此无法获得上述的形成磁铁矿层的功能。其优选为0.03质量％或更大。进一步地，通过将水溶性硫酸盐的含量调整至0.98质量％或更小，可以促进磁铁矿层的快速形成，并且从而从温锻造或热锻造的早期阶段起获得了改善模具的寿命的效果。进一步地，锻造设备的腐蚀被抑制了并且由于硫的燃烧而产生的难闻的气味也被抑制了，从而改善了工作环境。其优选为0.7质量％或更小，更优选为0.50质量％或更小，进一步优选为0.30质量％或更小，以及更进一步优选为0.10质量％或更小。值得注意的是，当润滑剂在使用时被稀释时，水溶性硫酸盐的含量被调整，使得稀释的润滑剂中的含量变为0.01-0.98质量％。

上述水溶性硫酸盐可以适当地从可以在水中解离的硫酸盐中选择。例如，一种或多种硫酸盐可以选自硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铷、硫酸镁、硫酸铝和硫酸锌。

水溶性聚合物润滑剂被用作润滑剂，该润滑剂中包含水溶性硫酸盐。水溶性聚合物润滑剂适合作为温锻造或热锻造用的润滑剂，因为它在高温下对模具的工作表面具有优异的粘附性，并且还具有优异的润滑性。进一步地，水溶性聚合物润滑剂可以适当地从已知的水溶性聚合物润滑剂中选择。此外，任何可以作为温锻造或热锻造用的润滑剂使用的水溶性聚合物润滑剂都可以用作上述水溶性聚合物润滑剂。

在本发明中，水溶性聚合物润滑剂是至少包含水溶性聚合物和水溶性硫酸盐的水基润滑剂，并且如果需要，还可以包含其他组分。

水溶性聚合物被用于使润滑剂中的组分粘附至模具的表面，从而形成坚固的润滑剂膜。水溶性聚合物可以是具有水溶性取代基的任何聚合物化合物，并且可以适当地从已知的聚合物化合物中选择。水溶性取代基的实施例包括诸如羧基的酸性基团以及磺酸基、诸如氨基的碱性基团，以及羟基。

水溶性聚合物的具体实施例包括聚丙烯酸、丙烯酸-马来酸酐共聚物、羧甲基纤维素、异丁烯-马来酸酐共聚物以及甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物。进一步地，可以仅使用一种类型的水溶性聚合物，或者可以组合使用两种或两种以上类型的水溶性聚合物。

基于总量、即100质量％的包括水的水溶性聚合物润滑剂，水溶性聚合物润滑剂中的水溶性聚合物的含量的比例优选为1质量％-30质量％。

进一步地，如果需要，水溶性聚合物润滑剂还可包含，例如，用于减少模具与钢材(即待加工材料)之间的摩擦的羧酸化合物，和/或在锻造设备中抑制腐蚀的防腐蚀添加剂或螯合剂。羧酸化合物、防腐添加剂和螯合剂可以适当地从已知的化合物和试剂中选择。

(3)<本发明优选地提供一种由盐浴法在工作表面上形成氮化层或渗硫氮化层的方法。>

用于在模具的工作表面上形成氮化层或渗硫氮化层的方法可以适当地从已知的方法种选择。对于氮化层的形成，传统的氮化处理方法可以被应用。其实施例包括各种氮化处理方法，诸如等离子体氮化法、气体氮化法和盐浴氮化法。例如，在等离子体氮化处理的情况下，使用氮气和氢气的混合气体作为原料气体，并且可以在约400-560℃的温度下进行氮化处理。进一步地，至于渗硫氮化层的形成，实施例包括专利文献1中公开的渗硫氮化处理、专利文献2中公开的盐浴渗硫氮化处理、以及日本未经审查的专利申请公开No.2001-316795中公开的气体渗硫氮化处理方法。盐浴氮化处理是表面处理方法，使用盐浴作为处理介质，在盐浴中将硫化物加到包括氮化源的基础盐中，将待加工材料浸入包括NaCl、KCNO、CaCN₂、NaCNO等为主要组分的盐浴中，并且可以在500-600℃下处理。在气体渗硫氮化处理的情况下，氮化处理可在温度约为400-580℃、在包括氨气和硫化氢的氮化气体以及硫化气体的混合气氛中进行。

在氮化层或渗硫氮化层中的层的深度不限于任何特定的深度，但是优选为0.05mm-0.5mm从而改善模具的耐久性。进一步地，其更优选为0.1mm或更长。进一步地，其更优选为0.3mm或更短。

通过将上述的包含适当量的水溶性硫酸盐的水溶性聚合物润滑剂与通过上述表面处理方法在用于温锻造或热锻造的模具的工作表面上形成表面处理层(氮化层或渗硫氮化层)相结合，在使用中的模具的工作表面，经过长时间的使用后被呈现出“闪亮的黑色”(即磁铁矿层)所覆盖，因此在工作表面上提供抑制磨损的效果。然而，即使在这种形成磁铁矿层的机理中，当模具被使用较长的一段时间后，氮化层本身(或渗硫氮化层本身)是形成磁铁矿层的来源，并且也维持工作表面的强度，逐渐被热分解，并且最终由于磨损达到用于温锻造或热锻造的模具的寿命。

为了解决该问题，可以通过使用“盐浴法”在工作表面上形成表面处理层以改善表面处理层的耐热性(高温强度)。通过这样做，可以延缓表面处理层的热分解。进一步地，可以抑制由于使用模具期间的软化而导致的用于温锻造或热锻造的模具的原材料的硬度降低。

进一步地，特别地，可以通过用盐浴法形成工作表面的表面处理层，以赋予表面处理层“残余压缩应力”。进一步地，由于即使在高温环境下使用模具的状态下，即使当模具被使用了很长时间，这种残余压缩应力也不太可能被释放，也可以防止裂纹在工作表面形成和生长。值得注意的是，上述残余压缩应力被优选地分布在邻近模具的表面处。进一步地，优选的是在距形成表面处理层的模具的工作表面的深度为30μm(0.03mm)的位置处施加-400MPa或更弱的大压缩残余应力(“-(负)”表示它是压应力)。其更优选为-500MPa或更小，并且进一步优选为-600MPa或更小。值得注意的是，没有必要为这个值设置下限(其绝对值的上限)。进一步地，其实际值约为-1000MPa。

进一步地，当选择“渗硫氮化层”作为表面处理层时，通过使盐浴法形成渗硫氮化层也是有效的，因为可以容易地调节在使用中的模具的工作表面上的硫的分压。如上所述，当使用中的模具的工作表面环境中的硫的分压过度升高时，氮化层中的Fe-N和待加工材料中的Fe不太可能转变为磁铁矿。因此，盐浴渗硫氮化层比气体渗硫氮化层等更优选，这是因为其中存在的Fe-S层的量(厚度)可以被减少，并且通过调节润滑剂中的硫的含量优化工作表面环境中硫的分压的升高，从而工作表面环境中硫的分压的升高可以被抑制。

(用于制造锻造品的方法)

在下文中，将参照图3描述通过将水溶性聚合物润滑剂喷洒或施用到模具的工作表面上，对钢材进行温锻造或热锻造的方法的实施例。

图3是表示锻造设备的实施例的示意横截面视图。图3中的冲压模具1'和1分别表示加压之前的状态和加压期间的状态，并且是同一个冲压模具。在图3所示的实施例中，锻造设备包括冲压模具1、模具4和用于喷洒水溶性聚合物润滑剂5的展开端口2。通过冲压模具1和模具4的结合形成腔3。

在图3所示的实施例中，将水溶性聚合物润滑剂喷洒或施用到模具4的工作表面上以及，然后，布置是待加工材料的钢材6。然后，水溶性聚合物润滑剂5从展开端口2喷洒到尚未被加压的冲压模具1'的工作表面8上。随后，通过压力机的操作，冲压模具1按图3中箭头7所示的加压方法加压，并且通过反向挤压加工来制造由钢材6制成的锻造品。钢材料(其最终成为锻造品)可以根据锻造品等的使用，可以被适当地从可用于锻造的不锈钢和碳钢中选择。

值得注意的是，锻造设备典型地包括锻压机(未示出)。进一步地，对其余的配置没有特别的限制，并且任何已知的配置都可用于此。

在本发明中，关于在用于温锻造或热锻造的模具的工作表面上喷洒或施用包含水溶性硫酸盐的水溶性聚合物润滑剂的时间，每次温锻造或热锻造完成一次或两次以上时，可以在从待加工材料分离温锻造或热锻造模具的工作表面时执行喷洒或施用。进一步地，优选地在每次温锻造或热锻造完成一次之后执行，从而也可以获得润滑剂作为脱模剂的效果。

进一步地，在上述喷洒或施用包含水溶性硫酸盐的水溶性聚合物润滑剂时，用于温锻造或热锻造的模具的工作表面优选地被预热至150-400℃。其更优选为300℃或更低。进一步地，特别地，优选地从第一次温锻造或热锻造开始时预热工作表面。将工作表面预热至上述温度，对于从温锻造或热锻造的早期在模具的工作表面上形成优异的磁铁矿层是有效的，并且对于减小成形载荷也是有效的。

[实施例]

通过使用具有如图1所示的形状的冲压模具(模具)对钢材S45C(JIS G4051)进行温锻造或热锻造以制造用于等速万向接头的部件。值得注意的是，冲压模具的原材料具有表1所示的成分组成，并且通过硬化和回火将其硬度调整至57HRC。

[表1]

*包括杂质(P：0.019％，S：0.0005％，等)

进一步地，通过如下所示的表面处理1-3在冲压模具的工作表面上形成各种类型的表面处理层。

<表面处理1>

渗硫氮化层，其中通过盐浴渗硫氮化处理(处理温度：580℃，处理时间：4小时)形成深度为0.20mm左右的氮化层(扩散层)(图1)。

<表面处理2>

渗硫氮化层，其中通过气体渗硫氮化处理(处理温度：500℃，处理时间：5小时)形成深度为0.15mm左右的层(扩散层)。

<表面处理3>

氮化层，其中通过等离子体渗硫氮化处理(处理温度：510℃，处理时间：6小时)形成深度为0.10mm左右的层(扩散层)。

值得注意的是，至于用于表面处理1和表面处理2的渗硫氮化处理，测量了由上述原材料制成的试样的表面-处理的表面(表面-处理的工作表面)在深度方向上的残余应力分布。测量是X射线应力测试，并且Fe3N的(103)面被用作衍射线。进一步地，在加热到600℃后，还测量了表面-处理试样的残余应力分布。在测量中使用α-Fe的(211)面作为衍射线。图5(在表面处理后)以及图6(在加热后)分别示出了结果。纵轴表示残余应力(MPa，“-(负)”表示压应力)，以及横轴表示距离表面的深度(μm)。

图5示出了在盐浴中进行渗硫氮化处理(表面处理1)，相较于在气体硝基氮化处理(表面处理2)中的地方，在更靠近表面的地方被赋予较大的压缩残余应力。进一步地，在距表面30μm的深度处被赋予高达-700MPa的压缩残余应力。进一步地，如图6所示的，即使在加热后这种压缩残余应力不太可能被释放，并且维持有效防止裂纹在工作表面形成和生长的值。

通过使用制造的冲压模具执行实际的温锻造或热锻造。首先，通过使用喷洒使润滑剂在预热至200℃的冲压模具的工作表面上展开，并且对加热至700-1000℃的钢材执行温锻造或热锻造成型。然后，每次温锻造或热锻造完成一次，润滑剂被喷洒在与待锻造的材料的钢材分离的冲压模具的工作表面上，重复温锻造或热锻造。进一步地，测量直到工作表面上的渗硫氮化层被耗尽并且因此模具达到其寿命的锻造次数。值得注意的是，上述的润滑剂可以通过将市售的水溶性聚合物润滑剂“Hot Aqualub 300TK(大同化学工业株式会社制造)”用四倍于水溶性聚合物润滑剂的水稀释得到。然后，对于稀释的润滑剂，在两种不同的条件下进行温锻造或热锻造，即，使用的条件是稀释的润滑剂，其被称为“润滑剂A”，以及使用的条件是在稀释的润滑剂中加入0.06质量％的硫酸钠，其被称为“润滑剂B”。表2示出了模具寿命(上述锻造次数)的结果。(表面处理3和润滑剂A组合的结果被定义为“100”。)

[表2]

作为温锻造或热锻造的结果，在温锻造或热锻造中使用润滑剂B，在模具的工作表面上形成的磁铁矿层是稳定的，并且因此改善了氮化层或渗硫氮化层的耐久性(图2示出了施用了表面处理1的模具的工作表面)。进一步地，与盐浴渗硫氮化处理和润滑剂A的组合相比，模具的寿命提高了约两倍或两倍以上。

本申请基于2018年5月22日提交的日本专利申请2018-097711号，并要求其权益，该日本专利申请的公开内容通过引用整体合并于此。

符号说明

1' 冲压(加压前)

1 冲压(加压期间)

2 展开端口

3 腔

4 模具

5 水溶性聚合物润滑剂

6 钢材(待加工材料)

7 加压

8 工作表面。

Claims (4)

1.一种用于制造锻造品的方法，所述方法包括：通过使用模具，通过将水溶性聚合物润滑剂喷洒或施用到所述模具的工作表面上来温锻造或热锻造钢材，所述水溶性聚合物润滑剂包含0.01-0.98质量％的水溶性硫酸盐，所述模具由原材料制成，所述原材料的成分组成以质量％计为：0.4-0.7％的C、1.0％或更少的Si、1.0％或更少的Mn、4.0-6.0％的Cr、2.0-4.0％的以关系表达式(Mo+1/2W)包括W和Mo中的一者或两者、0.5-2.5％的以关系表达式(V+Nb)包括V和Nb中的一者或两者、0-1.0％的Ni、0-5.0％的Co、0.02％或更少的N、以及由Fe和杂质构成的剩余部分，并且所述原材料的硬度为55-60HRC，以及所述模具包括在其工作表面上的氮化层或渗硫氮化层。

2.根据权利要求1所述的用于制造锻造品的方法，其中在所述模具的所述工作表面上的所述氮化层或所述渗硫氮化层通过盐浴法被形成。

3.根据权利要求1或2所述的用于制造锻造品的方法，其中-400MPa或更弱的压缩残余应力被施加到所述模具的位于距所述工作表面30μm的深度处的部分。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制造锻造品的方法，其中所述水溶性聚合物润滑剂被喷洒或施用到被预热至150-400℃的所述模具的所述工作表面上。

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