CN1723293A - 尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷模具钢，按质量％计，含有C：0.7％以上并且低于1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：低于0.05％(含0％)、S：0.01～0.1 2％、Cr：7.0～13.0％、Mo或W中的1种或2种(Mo+(W/2))＝0.5～1.7％、V：低于0.7％(含0％)、Ni：0.3～1.5％、Cu：0.1～1.0％及Al：0.1～0.7％。优选地，此钢，按质量％计，满足式：Ni/Al＝1～3.7。此外，此钢，优选按质量％计，满足式：(Cr－4.2×C)＝5以下、及(Cr－6.3×C)＝1.4以上的关系式。更优选含有0.3％以下的Nb。

Description

尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢
技术领域
本发明，从广义上讲涉及金属铸模材料，特别涉及非常适合用于成型家电、便携式电话、汽车等构成部件所用的金属铸模的尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢。
背景技术
以往，在冷模具钢中，多采用JIS SKD11，但其中一部分，进行了改进SKD11，重新提高切削性、韧性、二次硬化硬度的试验。例如，提出了(1)通过调整C、Cr的添加量，尽量维持SKD11的基体组织，同时减少未固溶碳化物，改进切削性或韧性的称为10％CrSKD(参照特开平11-279704号公报)的冷模具钢，或(2)除尽量维持SKD11的基体组织，同时减少未固溶碳化物外，进而通过提高Mo量，提高二次硬化能的称为8％CrSKD(参照特开平01-011945号公报)的冷模具钢。
上述的方法，对于提高冷模具钢所要求的诸特性是有效的。但是，它们都存在回火时产生的尺寸变化大的问题。即，由于在回火的二次硬化区域发生的膨胀量大，因此导致热处理后的加工工时的增加。
回火时的膨胀尺寸变化的发生，其原因是在先实施的淬火时的残余应力的释放(残余奥氏体的分解)，以往，为期待二次硬化而添加的Mo等形成的回火碳化物的析出促进了其发生。此外，残余奥氏体，如果被在造块时形成的、本来存在的未固溶的一次碳化物所约束，就抑制其回火时的分解，但由于一次碳化物成为切削性劣化的要因，因此优选降低，由此，同样促进残余奥氏体的分解，助长尺寸变化。
发明内容
近年来，在金属铸模加工业中，由于加工技术的发展，因此热处理前的加工工时剧减，但在热处理后的加工、调整的工时，比以前无大变化，尤其，当务之急是改进热处理后的工序。为此，本发明，通过抑制淬火、回火时发生的尺寸变化，提供一种冷模具钢，能够削减金属铸模制作工时依然高的热处理后的加工、调整工序，特别适合金属铸模材料。
首先，本发明人等，摸索出在冷模具钢的回火时，在必须维持冷模具钢所要求的所有诸特性的要求条件下，通过相抵手段反向抑制难以充分抑制的尺寸变化的方法。进而，通过仔细研究在回火时在基体产生的组织变化，也查明回火碳化物本身对二次硬化的贡献度低。另外，通过发现能够抑制尺寸变化、且也能够提高硬度的新的方法，从而可以得到仍充分具有其它特性的冷模具钢。
因此，根据本发明，能够提供具有以下组成、尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢。
即，提供一种冷模具钢，按质量％计，含有C：0.7％以上并且低于1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：低于0.05％(含0％)、硫(S)：0.01～0.12％、Cr：7.0～13.0％、从Mo和W构成的组中选择的1种或2种元素：按式(Mo+(W/2))＝0.5～1.7％规定的量、V：低于0.7％(含0％)、Ni：0.3～1.5％、Cu：0.1～1.0％及Al：0.1～0.7％。
优选地，该冷模具钢，按质量％计，满足式：Ni/Al＝1～3.7。进而，该冷模具钢，优选按质量％计，满足(Cr-4.2×C)＝5以下、及(Cr-6.3×C)＝1.4以上的关系式。此外，更优选，含有0.3％以下的Nb。
本发明的重要的特征在于，在维持冷模具钢所要求的诸特性的同时，利用相抵手段抑制本来难抑制的尺寸变化。而且，尽管成为促进回火时的膨胀尺寸变化的要因，但是为二次硬化而采用的上述回火碳化物，关于其的“通过仔细重新评价冷模具钢的热处理硬化行为而查明二次硬化能的不足”，发现了与尺寸变化的抑制同时，还补充其二次硬化能不足的手段。根据该补足手段，能够在不阻碍包括切削性或耐磨损性的必要特性的情况下，实现优异的尺寸变化抑制特性和高硬度。
本发明的原理，是通过按能够降低一次碳化物、满足诸性能的范围，以尽量能够抑制尺寸变化的发生的成分组成为基础，添加适量的Ni、Al，并且再据此添加适量的Cu，得到尺寸变化特性及高硬度特性优异的冷模具钢。
在本发明中，Ni、Al，由于它们形成金属间化合物，通过在上述工具钢的二次硬化区域的回火时(时效时)析出，对收缩方向的尺寸变化产生作用，所以能够利用残余奥氏体的分解相抵所述膨胀。另外，在发挥上述的相抵效果方面，重要的是只在工具钢的二次硬化区域温度析出该Ni-Al系金属间化合物，也要适当调整具有如此作用效果的Cu量。
进而，本发明人们，利用投射型电子显微镜的观察，详细研究了，尤其在多发膨胀尺寸问题的、残余奥氏体的分解和析出回火碳化物的高温回火时的热处理中，其基体呈现何种的组织变化。结果发现，关于促进尺寸变化的回火碳化物，虽然只大大有助于提高耐磨损性，但尤其几乎未发现以往看作二次硬化的贡献要因的微细碳化物的析出，关于二次硬化的程度，基于基体侧的要因形成的程度大。
在本发明采用的Ni-Al系金属间化合物的情况下，由于它们也具有作为析出强化元素的二次硬化作用，除上述的尺寸变化相抵作用外，还进一步补充二次硬化作用，因此，能够在不阻碍切削性或耐磨损性等其它必须特性的情况下，实现优异的耐尺寸变化特性和高硬度特性。
利用该金属间化合物的析出强化，是以往多用于马氏体时效钢等的手段，但很少在含有0.2质量％以上的C的工具钢的领域、尤其在作为本发明的对象的冷加工工具钢的领域使用。在本发明中，还发现，除其尺寸变化相抵特性外，工具钢本体中认为由回火碳化物形成的二次硬化作用，实际上是很小的，从而着眼于如此的金属间化合物的利用，虽然如此，但由于在该Ni或Al各自中也具有阻碍工具钢的要求特性的作用，所以工具钢的成分组成另外需要与Cu相互且适当的合金设计。
接着，如果叙述淬火时发生的尺寸变化，其程度被淬火时的基体中的固溶C量控制，即，马氏体组织中固溶的C使扩宽晶格，膨胀。在以往的钢的情况下，其淬火时的固溶C量达到SKD11，以达到0.6(质量％)附近的方式进行整体的合金设计，但本发明的冷加工工具钢，降低其固溶C量，进行以0.53％附近为目标的成分设计。
另外，通过添加Cu、Ni、Al等可降低固溶C量的元素，也能达到此目的，作为抑制淬火时的膨胀的设计原则。达到如此的固溶C量的优选的条件是，除本发明的基本组成和Cu、Ni、Al量的适当的添加量外，将作为冷模具钢整体的C、Cr添加量，调整到(Cr-4.2×C)＝5以下、及(Cr-6.3×C)＝1.4以上。优选，(Cr-6.3×C)＝1.7以上。
图1是总结上述效果的概念图。(*注：在图1中，符号A表示“降低固溶碳量的膨胀抑制效果”。符号B表示“通过析出强化相抵尺寸变化量”。符号C表示“本发明的二次硬化温度”)
本发明的冷加工工具钢，尽管引起比JIS SKD11大的二次硬化，但显示出能够更加抑制尺寸变化。本发明的原理，在于同时满足(1)减少淬火时的固溶C量(参照图1中的符号A)、及(2)通过添加Cu、Ni、Al，相抵二次硬化时的基体的体积变化(参照图1中的符号B)这两点。关于项目(1)的观点，认为在普通使用的淬火温度即1030℃前后将固溶C量规定为0.53％左右，在工业上是最重要的。关于项目(2)的观点，认为通过添加Cu和Ni，担心热加工性、冷加工性的劣化，但重要的是，按可防止其发生的水平，且引起最大的析出强化的平衡进行调整。
以下，说明构成本发明的冷加工工具钢的成分组成。另外，表示各元素的含量的％为质量％。
C，是通过一部分固溶在基体中，付与强度，一部分形成碳化物，提高耐磨损性或耐烧伤性的重要元素。此处，由于钢中的C成为固溶C和碳化物的比例主要由与Cr的相互作用决定，因此必须了解C与Cr的相互作用，并进行同时规定。但是，为了形成均衡地满足切削性和热处理变形稳定性两者的实用的冷模具钢，C的成分范围单独地规定为0.7～1.6％，优选0.9～1.3％。
Si，对于本发明的冷模具钢是重要的元素。Si通常作为脱氧剂添加0.3％左右，但在本发明中，由于担心作为抑制淬火时的膨胀的成分设计，会降低淬火硬度，所以为了抑制到回火时的温度490℃附近的软化现象，重要的是规定为比通常高0.5％以上。另外，由于过多的含有引起δ-铁素体的形成，所以上限规定为3.0％，优选0.9～2.0％。
Mn与Si同样，作为脱氧剂使用，最低也含有0.1％。但是，如果过度含有，由于阻碍切削性，所以上限规定为3.0％，优选0.1～1.0％。
Cr，是提高淬火性，同时是形成碳化物不可缺的元素。此处，与C时同样，由于钢中的Cr成为固溶Cr和碳化物的比例，由与C的相互作用决定，因此仍然必须了解其含量与C的相互作用，并进行同时规定。但是，为了形成均衡地良好满足切削性和热处理变形稳定性两者的实用的冷模具钢，Cr的成分范围，单独地规定为7.0～13.0％，优选8.0～11.0％。
Mo和W付与相同的作用效果，其程度可根据原子量的关系按(Mo+(W/2))规定。Mo、W作为担当工具钢的二次硬化的元素，尤其大量添加在用于车刀、钻头等小件制品的需要高硬度的高速工具钢中。在本发明中，由于Mo、W也十分有助于发挥二次硬化的基体状态，因此需要添加，但如果低于0.5％，得不到足够的效果，另外，由于这些元素如上所述助长尺寸变化，因此对于冷加工模具等大件制品最好不要过多添加。因而，在本发明的冷模具钢中，规定为(Mo+(W/2))＝0.5～1.7％。优选是(Mo+(W/2))＝0.75～1.5％。
Al与Ni结合，形成称为Ni3Al或NiAl的Ni-Al系金属间化合物，承担析出形成的二次硬化。此外，由于基体通过该析出反应收缩，因此相抵工具钢中的二次硬化时的膨胀反应，其结果，对于本发明，是抑制尺寸变化的重要元素。但是，如果低于0.1％，得不到足够的效果，另外，超过0.7％的过多的Al，由于引起形成显著的δ-铁素体，所以规定在0.1～0.7％。优选0.1～0.5％，更优选0.15～0.45％。
Ni，如上所述，与Al结合，形成·析出Ni-Al系金属间化合物，同时能够抑制二次硬化和尺寸变化，对于本发明是重要的元素。此外，对于含有后述的Cu的本发明的冷模具钢，也是抑制热脆性的有益的元素。但是，如果低于0.3％，得不到足够的效果，另外，由于超过1.5％的过多的含量，升高Fe中的C的固溶度，阻碍退火状态的加工性，因此规定在0.3～1.5％。优选0.4～1.5％，更优选0.5～1.3％。
进而，通过以满足Ni/Al＝1～3.7的关系方式调整Ni、Al量，能够调整不参加形成金属间化合物的、基体中的Ni、Al量。尤其在金属间化合物的析出后，由于能够降低基体中的Ni量，所以能够良好地保持热处理(时效)后的切削性。优选为Ni/Al＝1.2～3.7，更优选为1.3～3.7，最优选为2.5～3.5。
Cu，其Cu金属相大约从480℃以上开始析出，由于其成为金属间化合物的析出核，所以能够正好在工具钢的二次硬化温度附近，析出本来在更高温度下析出的上述Ni-Al系金属间化合物。因此，能够最大限度地发挥本发明的Ni-Al系金属间化合物的析出提供的尺寸变化相抵效果。但是，如果多量添加Cu，由于引起热脆性，所以在本发明中，重要的是规定在0.1～1.0％。优选为0.2～0.8％。
硫(S)，对于本发明的冷模具钢，是提高切削性的有益的必须元素。但是，如果过多含有，由于降低韧性，所以规定在0.01～0.12％。优选为0.03～0.09％。
Nb，由于具有使组织中的碳化物的分布均匀化、减小热处理变形的作用，所以对于本发明的冷模具钢，是优选含有的元素。尤其优选含有0.03％以上，但如果因含有其而形成的MX化合物的量过多，损害切削性，所以优选含有0.3％以下。
此外，只要在下述的范围内，在本发明钢中也可以含有以下的元素。
P，由于是阻碍韧性的元素，所以限制在低于0.05％、优选0.02％以下。V能够以提高淬火性的目的添加，但由于是阻碍切削性的元素，所以即使在含有时，也限制在低于0.7％，优选限制在0.5％以下。
本发明，是满足以上的冷模具钢，能够形成余量实质上为Fe的钢。例如，只要是除上述元素以外，Fe和其它元素合计在20％以下、10％以下、5％以下的冷模具钢，或由余量为Fe及不可避免的杂质构成的冷模具钢，就能够同时实现优异的尺寸变化抑制特性和二次硬化。
以下，参照附图，说明本发明的实施例。
附图说明
图1是表示冷模具钢的回火后的尺寸及硬度的变化的图示，是说明本发明的效果的图示。
图2是表示冷模具钢的在热处理前后的尺寸变化量的图示。
图3A是用于测定冷模具钢的在热处理前后的扭曲量的、在本发明的实施例中使用的试样的主视图。
图3B是用于测定冷模具钢的在热处理前后的扭曲量的、在本发明的实施例中使用的试样的侧面图。
图4是表示冷模具钢的在热处理前后的扭曲量的图示。
具体实施方式
实施例
实施例1
通过大气中的高频感应熔炼，得到调整到表1所示的余量Fe及不可避免的杂质的组成的本发明例No.1～6、比较例No.7～9的、截面尺寸为80×80mm的钢锭。此处，No.7是称为JIS SKD11的材料、No.8是称为8％CrSKD的材料、No.9是称为10％CrSKD的材料。
                                                                                                              表1
                                                               成分组成(质量％) Mo+W/2 Ni/Al Cr-4.2C Cr-6.3C
C Si Mn P S Cr Mo W V Ni Cu Al Nb Fe
  本发明No.1   1.11   1.31   0.58   ＜0.01   0.06   8.95   1.1   ＜0.1   0.25   0.78   0.42   0.27   ＜0.03   余量   1.1   2.889   4.288   1.957
  ″No.2   1.19   1.49   0.62   ＜0.01   0.12   9.12   0.8   0.21   0.35   1.02   0.78   0.31   ＜0.03   余量   0.905   3.290   4.122   1.623
  ″No.3   0.72   1.51   0.61   ＜0.01   0.06   7.20   1.0   0.13   0.21   0.81   0.49   0.28   ＜0.03   余量   1.065   2.893   4.176   2.664
  ″No.4   1.51   1.52   0.64   ＜0.01   0.01   12.3   1.25   0.32   ＜0.1   1.02   0.61   0.29   ＜0.03   余量   1.410   3.517   5.958   2.787
  ″No.5   1.18   1.05   0.57   ＜0.01   0.06   10.4   0.88   0.24   ＜0.1   0.79   0.54   0.26   ＜0.03   余量   1.000   3.038   5.444   2.966
  ″No.6   1.02   1.51   0.56   ＜0.01   0.07   8.40   0.91   ＜0.1   ＜0.1   0.52   0.39   0.35   0.13   余量   0.91   1.486   4.116   1.974
比较例No.7 1.49 0.35 0.38 ＜0.01 ＜0.01 12.2 1.04 0.35 0.25   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01 ＜0.03 余量 1.215 5.942 2.813
″No.8 0.98 1.11 0.41 ＜0.01 ＜0.01 7.95 1.98 0.30 0.25   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01 ＜0.03 余量 2.130 3.834 1.776
″No.9 1.18 0.39 0.42 ＜0.01 0.06 10.2 1.02 0.25 0.25   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01 ＜0.03 余量 1.145 5.244 2.766
首先，对上述钢锭实施热加工，形成截面尺寸15mm×15mm的线状坯料，在退火处理后，制作8mmΦ×80mmL的试验片，进行纵向的尺寸的测定。然后，对试验片进行1030℃的淬火(大气压0.506MPa的氮冷却)和连续2次的各试样引起二次硬化的高温回火，将硬度调到60～63HRC前后，在此状态下再次进行尺寸的测定。另外，No.8(8％CrSKD)在用大约525℃的回火温度迎接二次硬化，以外的试样用大约510℃的回火温度迎接二次硬化。而且，No.1～6的调质硬度全部比SKD11(No.7)高，显示优异的二次硬化能。
图2表示各试样的热处理前后的尺寸变化量，即二次硬化时的尺寸变化量。该热处理尺寸变化量，是由上述的热处理前后的纵向的尺寸测定结果，按以下的公式算出的。
热处理尺寸变化量＝((热处理后的尺寸-热处理前的尺寸)/热处理前的尺寸)×100
No.8，膨胀量最多，尺寸变化大。这是因为过多含有Mo之故。所以No.7、9，才将Mo当量(Mo+(W/2))调整到1.0％附近，但还是引起0.05％程度的膨胀。对此，得出，添加适量的Ni、Cu、Al的No.1～6，热处理尺寸变化被抑制在0.01％以下，具有通过在二次硬化区域的Ni-Al系金属间化合物的析出反应，抵消膨胀的作用。
实施例2
接着，由退火处理后的材料，制作图3A(主视图)、图3B(侧面图)所示的形状的试验片。另外，图3A的箭头(1)(从左2.5mm)、箭头(2)(从左5.0mm)、箭头(3)(从左7.5mm)的位置上的间隙(间隙尺寸)为0.5mm。另外，在进行了与实施例1相同的热处理后，重新测定相同位置的间隙，从它们的变化量，利用下面的计算公式求出“扭曲量”。
扭曲量(绝对值)＝
|((1)～(3)的平均变化量)-((1)或(3)中的、离上述平均量最远一方的值)|
图4表示计算的扭曲量的结果。No.7的扭曲量最大，但这是因为在马氏体中的固溶C量多，未固溶碳化物量也多，所以基体的膨胀和由未固溶碳化物的约束产生的内部变形大。另外，得知，即使是未固溶碳化物少的No.8、9，也发生大的扭曲，但通过Ni-Al系金属间化合物的析出，相抵基体的内部变形的No.1～6，扭曲量也小。并且，含有适量的Nb的No.6，在±0.0001mm的测定精度中，得到未发现扭曲的良好的结果。
根据本发明，由于热处理尺寸变化及变形小，因而能够减少/省略热处理后的修整等精加工，所以能够降低金属铸模的制造成本。进而，由于制作金属铸模的交货期缩短，也能够提高与更复杂的形状的金属铸模的热处理的适应性，所以工业上是极为有益的技术。
本发明的冷模具钢，非常适合用作成型机械装置用构件的金属铸模材料。
需要说明的是本说明书中“以上、以下”均包括端点。

Claims (5)

1.一种尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢，按质量％计，含有C：0.7％以上并且低于1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：低于0.05％(含0％)、S：0.01～0.12％、Cr：7.0～13.0％、从Mo和W构成的组中选择的1种或2种元素：按式(Mo+(W/2))＝0.5～1.7％规定的量、V：低于0.7％(含0％)、Ni：0.3～1.5％、Cu：0.1～1.0％及Al：0.1～0.7％。
2.如权利要求1所述的冷模具钢，按质量％计，满足Ni/Al＝1～3.7。
3.如权利要求1所述的冷模具钢，按质量％计，满足(Cr-4.2×C)＝5以下、及(Cr-6.3×C)＝1.4以上的关系。
4.如权利要求1所述的冷模具钢，含有0.3％以下(不含0)的Nb。
5.一种尺寸变化抑制特性优异的冷模具钢，按质量％计，含有C：0.7％以上并且低于1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：低于0.05％(含0％)、S：0.01～0.12％、Cr：7.0～13.0％、从Mo和W构成的组中选择的1种或2种元素：按式(Mo+(W/2))＝0.5～1.7％规定的量、V：低于0.7％(含0％)、Ni：0.3～1.5％、Cu：0.1～1.0％、Al：0.1～0.7％、及Nb：0.3％以下(不含0)，满足Ni/Al＝1～3.7、(Cr-4.2×C)＝5以下及(Cr-6.3×C)＝1.4以上的关系。
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