CN114000059B - 热作工具钢及热作工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种韧性及耐淬火裂纹性优异的热作工具钢及热作工具。一种热作工具钢及热作工具，其中以质量％计，C为0.25％～0.45％，Si为0.1％～0.4％、Mn为0.5％～0.9％、Ni为0％～0.6％、Cr为4.9％～5.5％、Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)为1.9％～2.3％、V为0.6％～0.9％、剩余部分为Fe及杂质，且利用下述式1及式2算出的各值满足A值：6.00以上及B值：1.00以下。式1、式2的[]括号内表示各元素的含量(质量％)。式1：A值＝‑0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]‑0.12[％V]。

Description

热作工具钢及热作工具
本申请为申请日为2019年05月09日，申请号为201980055701.6(国际申请号PCT/JP2019/018543)，发明名称为“热作工具钢及热作工具”的专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种最适合冲压模具、锻造模具、压铸模具、挤压工具等多种热作工具的热作工具钢及所述热作工具。
背景技术
热作工具由于一边与高温的被加工材、硬质的被加工材接触一边使用，因此需要具备可耐冲击的韧性。而且，以往，热作工具钢例如使用作为日本工业标准(JapaneseIndustrial Standards，JIS)钢种的SKD61系的合金工具钢。另外，根据最近的进一步提高韧性的要求，提出了改良所述SKD61系合金工具钢的成分组成的合金工具钢(专利文献1、专利文献2)。
热作工具钢通常是以由钢锭或将钢锭分块加工而成的钢坯构成的原材料为原始材料，对其进行各种热加工或热处理而制成规定的钢材，对此钢材进行退火处理而制造。而且，所述制造的热作工具钢通常在硬度低的退火状态下供给到热作工具的制作厂家侧，被机械加工成热作工具的形状后，通过淬火回火调整为规定的使用硬度。另外，一般在调整成所述使用硬度后进行精加工。然后，热作工具钢的韧性在所述淬火回火的状态(即相当于热作工具的状态)下进行评价。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-104519号公报
专利文献2：欧洲专利申请公开第2194155号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在对热作工具钢进行淬火回火时，如果经机械加工的热作工具钢的工具形状复杂，则在淬火冷却中，产生以其凹部等为起点的“淬火裂纹”成为问题。而且，如果淬火裂纹显著，在之后的精加工中也难以除去此“裂纹，”成为热作工具不良的主要原因。在这一点上，专利文献1、专利文献2在实现优异的韧性及耐淬火裂纹性方面有研究的余地。
本发明的目的在于提供一种韧性及耐淬火裂纹性优异的热作工具钢及热作工具。
解决问题的技术手段
鉴于所述课题，本发明人进行了努力研究，结果发现，通过精细地分析淬火冷却中的相变行为，热作工具钢具有能够抑制淬火裂纹的发生、同时获得高韧性的优选的成分范围。
即，本发明是一种热作工具钢，其中以质量％计：C为0.25％～0.45％、Si为0.1％～0.4％、Mn为0.5％～0.9％、Ni为0％～0.6％(优选为0.2％～0.5％)、Cr为4.9％～5.5％、Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)为1.9％～2.3％、V为0.6％～0.9％、剩余部分为Fe及杂质，且利用下述式1及式2算出的各元素的含量的关系满足A值：6.00以上及B值：1.00以下。式1、式2的[]括号内表示各元素的含量(质量％)。
式1：A值＝-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]
式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]
而且，本发明是一种热作工具，其中以质量％计：C为0.25％～0.45％、Si为0.1％～0.4％、Mn为0.5％～0.9％、Ni为0％～0.6％(优选为0.2％～0.5％)、Cr为4.9％～5.5％、Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)为1.9％～2.3％、V为0.6％～0.9％、剩余部分为Fe及杂质，且利用下述式1及式2算出的各元素的含量的关系满足A值：6.00以上及B值：1.00以下。式1、式2的[]括号内表示各元素的含量(质量％)。
式1：A值＝-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]
式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]
发明的效果
根据本发明，能够提供一种可抑制淬火时的淬火裂纹，淬火回火后的韧性优异的热作工具钢及所述热作工具。
附图说明
图1是表示在实施例的淬火裂纹试验中使用的试验片的形状的图。
图2是表示进行实施例的淬火裂纹试验后的、本发明例的试验片的槽底角落的附图代用照片。
图3是表示进行实施例的淬火裂纹试验后的、比较例的试验片的槽底角落的附图代用照片。
具体实施方式
本发明的特征在于，针对热作工具钢(或热作工具)的成分组成，将构成其的各元素的含量调整到最优选且限定的范围，而可实现韧性及耐淬火裂纹性优异的热作工具钢。也就是说，通过使热作工具钢为上述成分组成，即使所述热作工具钢的制造方法保持以往，淬火回火条件也保持以往，也能够抑制淬火冷却中的淬火裂纹，且能够赋予淬火回火后的高韧性。
淬火是指将热作工具钢加热到奥氏体温度区域，将其冷却(骤冷)，从而使组织相变为马氏体或贝氏体的工序。而且，如果对热作工具钢进行淬火，与其表面相比，在内部发生相变的时机晚，由此，在热作工具钢的各位置产生膨胀差。而且，如各种模具的形状面那样，热作工具钢的工具形状复杂时，应力集中在其凹部(角落部)，容易产生淬火裂纹。
而且，热作工具钢中，为了赋予淬火回火后的优异的韧性，可添加提高淬火性的Cr、Mn、Mo、W、Ni等元素，如此，淬火冷却中的相变时的膨胀量增加，成为淬火裂纹更显著的主要原因。
因此，本发明中，通过精细地分析所述淬火冷却中的相变行为，发现热作工具钢中存在能够抑制淬火裂纹的产生，同时获得高韧性的优选的成分范围。以下，对本发明的热作工具钢(或热作工具)的成分组成进行详细说明。
·C：0.25质量％～0.45质量％(以下，仅记作[％])
C是一部分固溶于基底中而赋予强度、一部分形成碳化物从而提高耐磨耗性、抗咬(seizure)性的热作工具钢的基本元素。但是，C的过度添加会对降低热强度起作用。而且，助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此，C设为0.25％～0.45％。优选为0.30％以上。更优选为0.32％以上。另外，优选为0.43％以下。更优选为0.40％以下。
·Si：0.1％～0.4％
Si是炼钢时的脱氧剂，同时也是提高切削性的元素。但是，如果Si过多，淬火回火组织中生成针状的贝氏体，工具的韧性降低。另外，在淬火冷却时的贝氏体组织中，抑制渗碳体系的碳化物的析出，由此间接加速回火时的合金碳化物的析出、凝聚、粗大化，使高温强度降低。而且，助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此，Si设为0.1％～0.4％。优选为0.15％以上。更优选为0.20％以上。另外，优选为0.35％以下。更优选为0.33％以下。
·Mn：0.5％～0.9％
Mn是提高淬火性而抑制铁素体的生成、有助于提高淬火回火后的韧性的元素。另外，是对获得适度淬火回火硬度有效果的元素。而且，如果以非金属夹杂物的MnS的形式存在于组织中，则是对切削性的提高显示出很大效果的元素。但是，如果Mn过多，就会提高基底的粘度从而降低切削性。而且，助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此，Mn设为0.5％～0.9％。优选为0.55％以上。另外，优选为0.85％以下。
·Ni：0％～0.6％
Ni是抑制铁素体生成的元素。另外，Ni是对于以下而言有效果的元素：与Cr、Mn、Mo、W等一起赋予热作工具钢优异的淬火性，即使在缓慢的淬火冷却速度的情况下，也形成马氏体主体的组织，从而防止韧性降低。另外，也是赋予基底的基本韧性改善效果的元素。
但是，如果Ni过多，热作工具的高温强度就会下降。另外，提高基底的粘度而使切削性降低。而且，助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此，在本发明中，为了确保热作工具钢的耐淬火裂纹性，重要的是严格管理Ni的上限。而且，通过满足后述利用式1、式2算出的A值及B值，即使不含有Ni，也可赋予热作工具优异的韧性。因此，Ni被限制在0.6％以下。优选为0.5％以下。更优选为0.4％以下。进一步优选为0.3％以下。而且，当Ni是杂质时，可将其下限设为0％，上限也可进一步设为0.1％或0.05％。
但是，只要满足后述的利用式1、式2算出的A值及B值，本发明的热作工具钢也可含有Ni。此时，例如可设为0.2％以上的含量。
·Cr：4.9％～5.5％
Cr是提高淬火性、且对提升韧性有效果的元素。另外，是在组织中形成碳化物而具有强化基底和提高耐磨耗性的效果，也有助于回火软化阻力及高温强度的提高的热作工具钢的基本元素。但是，Cr的过度添加会成为高温强度下降的主要原因。而且，助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此，Cr设为4.9％～5.5％。优选为5.0％以上。更优选为5.1％以上。进一步优选为5.2％以上。另外，优选为5.45％以下。更优选为5.40％以下。
·Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)：1.3％～2.3％
Mo及W是为了如下目的而可单独或复合添加的元素：提升淬火性而使韧性提高，并且通过回火使微细碳化物析出而赋予强度、提高软化阻力。由于W的原子量是Mo的约2倍，因此可用(Mo+1/2W)来规定(当然，可只添加任一方，也可以添加双方)。但是，Mo和W过多时导致切削性降低。而且助长淬火冷却中的淬火裂纹。因此Mo及W以(Mo+1/2W)的Mo的当量的关系式计，设为1.3％～2.3％。优选为1.35％以上。更优选为1.4％以上。另外，优选为2.2％以下。更优选为2.15％以下。进一步优选为2.1％以下。
再者，在本发明的情况下，W是昂贵的元素，因此可将W的全部替换为Mo。此时，Mo成为1.3％～2.3％(优选范围也相同)。但是，W可作为杂质含有。
在上述Mo当量的范围内，特别重视韧性的进一步提高时，优选将Mo当量进一步设为1.5％以上。更优选为1.7％以上。进一步优选为1.9％以上。更进一步优选为2.0％以上。通过将Mo当量调整到高值侧，对提高由后述的式1计算出的A值起作用。
另一方面，在上述Mo当量的范围内，特别重视耐淬火裂纹性的进一步提高时，优选将Mo当量进一步设为2.0％以下。更优选为1.8％以下。进一步优选为1.6％以下。更进一步优选为1.5％以下。通过将Mo当量调整到低值侧，对降低由后述的式2计算出的B值起作用。
·V：0.6％～0.9％
V形成碳化物从而具有强化基底、提高耐磨耗性的效果。另外，在提高回火软化阻力的同时，抑制晶粒的粗大化，从而有助于韧性的提高。而且其是对抑制淬火冷却中淬火裂纹有效果的元素。但是，如果V过多，则会导致切削性降低。因此，V设为0.6％～0.9％。优选为0.65％以上。另外，优选为0.85％以下。更优选为0.80％以下。
·由式1计算出的A值：6.00以上
式1：A值＝-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]([]括号内表示各元素的含量(质量％))。
而且，在本发明中，在上述热作工具钢(或热作工具)的成分组成中，重要的是将由上述式1算出的A值管理为“6.00以上”。也就是说，式1将对热作工具钢的独特“韧性”产生影响的各元素的影响度数值化。而且，通过此式1求出的“A值”是表示某成分组成的热作工具钢所具有的“韧性”的程度的指标值。
在本发明为热作工具钢的情况下，作为影响淬火回火后的韧性的元素种类，可列举“Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V”。而且，本发明人发现在这些元素种类中，Si对降低韧性起作用，Mn、Ni、Cr、Mo、W、V对提高韧性起作用。而且，本发明人通过将“正”系数赋予对提高韧性起作用的Mn、Ni、Cr、Mo、W、V，将“负”系数赋予对降低韧性起作用的Si，并且针对各系数，根据对提高或降低韧性起作用的程度来确定系数的值(绝对值)，从而完成了可通过热作工具钢的成分组成来评价相互变化的各元素的含量与韧性之间的平衡的所述式。
藉由以上系数的规定，将由上述式1计算出的A值“增大”是指，包括下述耐淬火裂纹性在内，将对热作工具钢所要求的其他特性的影响抑制得少，提高热作工具钢的韧性。而且，在本发明中，将上述A值设为“6.00以上”。由此，淬火冷却时淬火性提高等，能够以高水平维持淬火回火后的韧性。优选为“6.30以上”。更优选为“6.50以上”。进一步优选为“7.00以上”。更进一步优选为“7.30以上”。
再者，只要构成式1的Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V的元素满足其各个成分范围，就不特别需要此A值的上限。而且，也可根据与后述的B值的关系等，例如设定“8.50”、“8.30”、“8.00”、“7.80”等的值。
·由式2计算出的B值：1.00以下
式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]([]括号内表示各元素的含量(质量％)。)
而且，在本发明中，在上述热作工具钢(或热作工具)的成分组成中，重要的是将由上述式2算出的B值管理为“1.00以下”。即，式2将影响热作工具钢的独特“耐淬火裂纹性”的各元素的影响度数值化。而且，通过所述式2求出的“B值”是表示某成分组成的热作工具钢所具有的“耐淬火裂纹性”的程度的指标值。
在本发明的热作工具钢的情况下，作为影响淬火冷却中的淬火裂纹的元素种类，可列举“C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V”。而且，本发明人发现，这些元素种类中，C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W对耐淬火裂纹性的降低起作用，V对耐淬火裂纹性的提高起作用。而且，本发明人通过将“负”系数赋予对耐淬火裂纹性提高起作用的V，将“正”系数赋予对耐淬火裂纹性的降低起作用的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W，并且针对各系数，根据对耐淬火裂纹性的提高或降低起作用的程度来确定系数的值(绝对值)，从而完成了能够以热作工具钢的成分组成来评价相互变化的各元素的含量与耐淬火裂纹性的平衡的上述式。
通过以上的系数的规定，使由上述的式2算出的B值“减小”是指，包含上述的韧性在内，将对热作工具钢所要求的其他特性的影响抑制得少，使热作工具钢的耐淬火裂纹性提高。而且，在本发明中，将上述B值设为“1.00以下”。特别是，需要严格地管理此B值。由此，能够应对淬火冷却中的热作工具钢产生的膨胀差，能够抑制淬火冷却中的淬火裂纹。
再者，只要构成式2的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V的元素满足其各个成分范围，此B值的下限就不特别需要。而且，也可根据与上述A值的关系等，设定例如“0.70”、“0.75”、“0.80”、“0.85”、“0.90”等的值。
与本发明的“抑制淬火冷却中的淬火裂纹”及“提高淬火回火后的韧性”的效果相关的上述淬火及回火的温度根据原材料的成分组成和目标硬度等而不同，但优选淬火温度大致为1000℃～1100℃左右，回火温度大致为500℃～650℃左右。
而且，淬火回火硬度优选为50HRC以下。优选为40HRC～50HRC。而且，更优选为41HRC以上。进一步优选为42HRC以上。另外，更优选为48HRC以下。进一步优选为46HRC以下。
[实施例]
使用10t电弧熔解炉，熔炼具有表1的成分组成的钢锭。对此钢锭进行保持在1200℃以上的温度的均热处理(soaking)后，在1000℃～1250℃下进行热锻，精加工成尺寸超过约厚300mm×宽400mm的钢材。然后，对此钢材进行850℃～900℃的退火处理，制作试样1～试样5(本发明例)及试样11、试样12、试样13(比较例)的热作工具钢。表1还示出通过本发明的式1及式2求出的A值及B值。
[表1]
(质量％)
Figure BDA0003337586630000081
※1：含有杂质
※2：-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]
※3：1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]
[]括号内为各元素的含量(质量％)
＜淬火裂纹试验＞
从试料上提取纵300mm×横300mm×高300mm的区块，在其一面加工宽50mm、深100mm的槽，制作了凹形形状的试验片(图1)。凹部(槽底)的角落形状精加工成2.0R的曲率半径。再者，对于试样1、试样3、试样5，还准备了上述曲率半径为1.5R的试样。对此试验片进行淬火温度为1020℃～1030℃的淬火。淬火冷却用油冷却进行，在试验片中心部的温度达到200℃～250℃的时间从油中提起。然后，直接转移到至回火温度(500℃～650℃)的加热，进行目标硬度为43HRC的回火后，对相当于所述热作工具的试验片的表面进行渗透探伤试验(着色探伤)，确认槽底的角落有无产生淬火裂纹。
＜夏比冲击试验(Charpy impact test)＞
从试样中提取夏比冲击试验片(S-T方向，2mm U型切口)，对其进行淬火回火。淬火的淬火温度为1030℃，淬火冷却用加压气体进行。此时，假定尺寸大的实际的热作工具钢的中心部，以从淬火温度(1030℃)冷却至[淬火温度+室温(20℃)]/2的温度(525℃)所需要的时间(称为半冷时间)为90分钟左右的缓慢的冷却速度进行冷却。而且，在淬火后，在500℃～650℃中的各种温度下进行回火，调整为与热作工具相当的43HRC的目标硬度，进行精加工后，实施夏比冲击试验。
＜耐淬火裂纹性及韧性的评价＞
将淬火裂纹试验及夏比冲击试验的结果示于表2。在本发明例的试样1～试样5中，获得了30J/cm2以上的夏比冲击值。特别是在试样2、试样4中，获得了40J/cm2以上的夏比冲击值。另外，在本发明例的试样1～试样5中，在其槽底的角落处未确认到淬火裂纹(图2)。对于试样1、试样3、试样5，即使是凹部曲率半径为1.5R的试验片，也没有确认到淬火裂纹。
与此相对，比较例的试样11的A值小，没有达到30J/cm2以上的夏比冲击值。另外，比较例的试样13的B值大，在槽底的角落处产生了淬火裂纹。关于这一点，比较例的试样12也是同样的，试样12的各个元素的含量满足本发明，但在槽底的角落处产生了淬火裂纹(图3：条纹状的物质是渗透液)。
[表2]
Figure BDA0003337586630000101

Claims (2)

1.一种热作工具钢，其特征在于：以质量％计，C为0.25％～0.45％，Si为0.1％～0.4％、Mn为0.5％～0.9％、Ni为0.2％～0.5％、Cr为4.9％～5.5％、Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)为1.9％～2.3％、V为0.6％～0.9％、剩余部分为Fe及杂质，且
利用下述式1及式2算出的各元素的含量的关系满足A值：6.00以上及B值：1.00以下，
式1：A值＝-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]
式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]
[]括号内表示各元素以质量％计的含量。
2.一种热作工具，其特征在于，以质量％计，C为0.25％～0.45％，Si为0.1％～0.4％、Mn为0.5％～0.9％、Ni为0.2％～0.5％、Cr为4.9％～5.5％、Mo及1/2W以单独或复合计(Mo+1/2W)为1.9％～2.3％、V为0.6％～0.9％、剩余部分为Fe及杂质，
利用下述式1及式2算出的各元素的含量的关系满足A值：6.00以上及B值：1.00以下，
式1：A值＝-0.7[％Si]+1.5[％Mn]+1.3[％Ni]+0.9[％Cr]+0.6[％(Mo+1/2W)]+0.3[％V]
式2：B值＝1.9[％C]+0.043[％Si]+0.12[％Mn]+0.09[％Ni]+0.042[％Cr]+0.03[％(Mo+1/2W)]-0.12[％V]
[]括号内表示各元素以质量％计的含量。
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