TW201942390A - 模具用粉末 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種模具用粉末，其即使供至伴隨急速熔融急冷凝固的程序，也不易發生凝固破裂。該模具用粉末為合金製，該合金包含C：0.25質量%以上0.45質量%以下、Si：0.01質量%以上1.20質量%以下、Mn：超過0質量%且為1.50質量%以下、Cr：2.0質量%以上5.5質量%以下及V：0.2質量%以上2.1質量%以下。該合金進一步包含Mo：超過0質量%且為3.0質量%以下、W：超過0質量%且為9.5質量%以下及Co：超過0質量%且為4.5質量%以下之任1種或2種以上。該合金的剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。該合金滿足(Mn%)3/S%＞6.7。P、S及B的含有率係合計0.020質量%以下。

Description

模具用粉末
本發明關於適合模具之材料的粉末。詳細而言，本發明關於一種粉末，其適合以如三維積層造形法之伴隨急速熔融急冷凝固程序的造形法所製作的模具之材料。
於由金屬所成的造形物之製作中，使用3D列印機。於該3D列印機中，藉由積層造形法製作造形物。於積層造形法中，對於經鋪滿的金屬粉末，照射雷射束或電子束。藉由照射，粉末的金屬粒子熔融。然後粒子凝固。藉由該熔融與凝固，粒子彼此結合。照射係選擇性地在金屬粉末之一部分進行。粉末之未進行照射的部分不熔融。僅於已照射的部分中，形成結合層。
於結合層之上，進一步鋪滿金屬粉末。對於該金屬粉末，照射雷射束或電子束。藉由照射，金屬粒子熔融。然後金屬凝固。藉由該熔融與凝固，而粉末中的粒子彼此結合，形成新的結合層。新的結合層亦與既有的結合層結合。
藉由重複照射所致的結合，結合層之集合體係徐徐地成長。藉由該成長，得到具有三維形狀的造形物。藉由積層造形法，容易得到複雜形狀的造形物。積層造形法之一例揭示於專利文獻1(日本發明專利第4661842號公報)中。
模具之材質一般為鋼。作為適合模具的鋼種，於JIS中規定SKD4、SKD5、SKD6、SKD61、SKD62、SKD7及SKD8。
一般的模具係在其內部具有冷卻液的流路。於以往的模具之製作中，首先對於經熔製的鑄錠，施予鍛造、輥軋等之塑性加工，而得到塊狀的母材。藉由將該母材切削加工等，形成流路。於該切削加工中，流路的配置及形狀之自由度小。
專利文獻2(日本特開2015-209588公報)中揭示藉由積層造形法所製作的模具。藉由採用積層造形法，可形成具有配置及形狀複雜的流路之模具。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本發明專利第4661842號公報
[專利文獻2]日本特開2015-209588公報
藉由積層造形法製作模具時，容易發生凝固破裂。於伴隨急速熔融急冷凝固程序之造形法的模具之製作中，當務之急為抑制凝固破裂。
本發明之目的在於提供一種模具用粉末，其即使供至伴隨急速熔融急冷凝固之程序，也不易發生凝固破裂。
依照本發明，提供以下之態樣。
[項1]
一種合金製的模具用粉末，其包含：
-　C：0.25質量%以上0.45質量%以下，
-　Si：0.01質量%以上1.20質量%以下，
-　Mn：超過0質量%且為1.50質量%以下，
-　Cr：2.0質量%以上5.5質量%以下，及
-　V：0.2質量%以上2.1質量%以下，以及
-　Mo：超過0質量%且為3.0質量%以下、W：超過0質量%且為9.5質量%以下及Co：超過0質量%且為4.5質量%以下之任1種或2種以上，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質，
滿足下述數式：
(Mn%)3 /S%＞6.7
(式中，Mn%表示Mn的含有率(質量%)，S%表示S的含有率(質量%))，P、S及B的含有率為0.020質量%以下。
[項2]
如項1記載之模具用粉末，其中前述粉末的平均粒徑D50為10μm以上150μm以下，90%粒徑D90為200μm以下。
[項3]
如項1或2記載之模具用粉末，其中前述合金包含0.20質量%以上1.50質量%以下的Mn。
[項4]
如項1～3之任一項記載之模具用粉末，其中前述合金包含Mo：0.2質量%以上3.0質量%以下、W：0.5質量%以上9.5質量%以下及Co：0.5質量%以上4.5質量%以下之任1種或2種以上。
本發明之模具用粉末係即使供至伴隨急速熔融急冷凝固的程序，也不易發生凝固破裂。可從該粉末來製作具有複雜構造的模具。
[實施發明的形態]
藉由積層造形法製作模具時，金屬急速地熔融，且急冷地凝固。本合金藉由急冷凝固，取得與平衡狀態不同的凝固過程。於平衡狀態中δ相作為初晶結晶析出，但於伴隨急冷凝固的積層造形法之情況，初晶變成γ相。相較於δ相，γ相係如P、S及B的雜質元素之溶解度更低，故溶液中所排出的殘留液相係在凝固的最終階段偏析。
於積層造形法中，發生因凝固收縮所造成的內部應力。該內部應力係集中於晶界。
使用以往模具用的鋼，藉由積層造形法製作模具時，因金屬被急冷，而發生麻田散鐵組織。該組織韌性差。
本發明者查明由於此等的主要因素，在模具之形成時，於晶界發生凝固破裂。
本發明之模具用粉末係多數粒子之集合。該粒子為合金製。該合金可包含C、Si、Mn、Cr及V。該合金可進一步包含Mo、W及Co之內的1種或2種以上。該合金中的剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。以下，詳細說明該合金中的各元素之作用。
[碳(C)]
C係固溶於Fe中，為提高合金的強度之必要元素。再者，C係與V形成MC型碳化物，與Cr、Mo等形成M6C型碳化物或M7C型碳化物。此等之碳化物係提高高溫環境下的合金之強度。基於此等之觀點，C的含有率較佳為0.25質量%以上，更佳為0.28質量%以上，特佳為0.30質量%以上。若C的含有率過剩，則碳化物連續地析出於晶界。該析出係導致晶界的脆弱化，且導致晶界的韌性之變差。基於此等之觀點，C的含有率較佳為0.45質量%以下，更佳為0.43質量%以下，特佳為0.41質量%以下。因此，C之較佳含有率為0.25質量%以上0.45質量%以下，更佳為0.28質量%以上0.43質量%以下，尤佳為0.30質量%以上0.41質量%以下。
[矽(Si)]
Si係在合金之成分調整時，作為脫氧材料所添加的必要元素。Si係固溶於Fe中，提高合金的強度。基於此觀點，Si的含有率較佳為0.01質量%以上，更佳為0.15質量%以上，特佳為0.25質量%以上。若Si的含有率過剩，則阻礙高溫環境下的合金之耐氧化性。基於此觀點，Si的含有率較佳為1.20質量%以下，更佳為1.10質量%以下，特佳為1.00質量%以下。因此，Si之較佳含有率為0.01質量%以上1.20質量%以下，更佳為0.15質量%以上1.10質量%以下，尤佳為0.25質量%以上1.00質量%以下。
[錳(Mn)]
Mn係與S一起形成MnS之必要元素。該MnS為高熔點化合物。MnS之形成係減低包含S的低熔點化合物之析出量，抑制凝固破裂。基於此觀點，Mn的含有率較佳為0.20質量%以上，更佳為0.25質量%以上，特佳為0.30質量%以上。若Mn的含有率過剩，則阻礙高溫環境下的合金之耐氧化性。基於此觀點，Mn的含有率較佳為1.50質量%以下，更佳為1.45質量%以下，特佳為1.40質量%以下。因此，Mn的含有率為超過0質量%且為1.50質量%以下，較佳為0.20質量%以上1.50質量%以下，更佳為0.25質量%以上1.45質量%以下，尤佳為0.30質量%以上1.40質量%以下。
[鉻(Cr)]
Cr係固溶於Fe中，為提高合金的強度之必要元素。再者Cr係有助於合金之耐氧化性。基於此等之觀點，Cr的含有率較佳為2.0質量%以上，更佳為2.3質量%以上，特佳為2.5質量%以上。若Cr的含有率過剩，則阻礙高溫環境下的合金之強度。基於此觀點，Cr的含有率較佳為5.5質量%以下，更佳為5.3質量%以下，特佳為5.1質量%以下。因此，Cr之較佳含有率為2.0質量%以上5.5質量%以下，更佳為2.3質量%以上5.3質量%以下，尤佳為2.5質量%以上5.1質量%以下。
[釩(V)]
V係有助於模具的回火所造成的二次硬化之必要元素。再者，V係有助於高溫環境下的合金之強度。基於此等之觀點，V的含有率較佳為0.2質量%以上，更佳為0.3質量%以上，特佳為0.4質量%以上。從合金成本之觀點來看，V的含有率較佳為2.1質量%以下，更佳為1.5質量%以下，特佳為1.0質量%以下。因此，V之較佳含有率為0.2質量%以上2.1質量%以下，更佳為0.3質量%以上1.5質量%以下，尤佳為0.4質量%以上1.0質量%以下。
[鉬(Mo)、鎢(W)及鈷(Co)]
如前述，C係有助於合金之強度。另一方面，過剩含有C阻礙合金的韌性。合金係藉由與適量的C一起，含有Mo、W或Co，而可兼顧強度與韌性。合金係可含有Mo，不含W及Co。合金係可含有W，不含有Co及Mo。合金係可含有Co，不含有Mo及W。合金係可含有Mo及W，不含有Co。合金係可含有W及Co，不含有Mo。合金係可含有Co及Mo，不含有W。合金係可含有Mo、W及Co。
Mo係有助於碳化物的微細化之元素。微細的碳化物係有助於合金之強度。基於此觀點，Mo的含有率較佳為0.2質量%以上，更佳為0.5質量%以上，特佳為1.0質量%以上。從合金成本之觀點來看，Mo的含有率較佳為3.0質量%以下，更佳為2.5質量%以下，特佳為2.0質量%以下。因此，當合金含有Mo時，Mo之較佳含有率為超過0質量%且為3.0質量%以下，更佳為0.2質量%以上3.0質量%以下，尤佳為0.5質量%以上2.5質量%以下，特佳為1.0質量%以上2.0質量%以下。
W係有助於碳化物的微細化。微細的碳化物係有助於合金之強度元素。基於此觀點，W的含有率較佳為0.5質量%以上，更佳為1.0質量%以上，特佳為1.2質量%以上。從合金成本之觀點來看，W的含有率較佳為9.5質量%以下，更佳為9.1質量%以下，特佳為8.5質量%以下。因此，當合金含有W時，W之較佳含有率為超過0質量%且為9.5質量%以下，更佳為0.5質量%以上9.5質量%以下，尤佳為1.0質量%以上9.1質量%以下，特佳為1.2質量%以上8.5質量%以下。
Co係藉由在Fe中固溶而提高合金之強度的元素。再者，Co亦有助於析出硬化。基於此等之觀點，Co的含有率較佳為0.5質量%以上，更佳為1.0質量%以上，特佳為1.5質量%以上。從合金成本之觀點來看，Co的含有率較佳為4.5質量%以下，更佳為4.1質量%以下，特佳為3.5質量%以下。因此，當合金含有Co時，Co之較佳含有率為超過0質量%且為4.5質量%以下，更佳為0.5質量%以上4.5質量%以下，尤佳為1.0質量%以上4.1質量%以下，特佳為1.5質量%以上3.5質量%以下。
Mo、W及Co之合計含有率為更佳為0.5質量%以上17質量%以下。
[磷(P)、硫(S)及硼(B)]
P、S及B為不可避免的雜質。於本發明之模具用合金中，P、S及B係在凝固時使低熔點的液相產生。藉由伴隨急速熔融急冷凝固之程序而將模具成形時，因P、S或B所造成的低熔點共晶組織係偏折在晶界。該偏析係促進凝固破裂。從抑制凝固破裂之觀點來看，P、S及B的含有率之合計較佳為0.020質量%以下，更佳為0.017質量%以下，特佳為0.015質量%以下。
S係與Fe一起形成FeS而成為凝固破裂之原因，但若與Mn一起形成MnS，則具有抑制凝固破裂之效果。由Fe-Mn-S之三元狀態圖與實驗結果，發現滿足下述數式：
(Mn%)3 /S%＞6.7
(式中，Mn%表示Mn的含有率(質量%)，S%表示S的含有率(質量%))時，不易形成FeS，得到因MnS之形成所造成的抑制凝固破裂效果。
[粒徑]
粉末的平均粒徑D50較佳為10μm以上150μm以下。平均粒徑D50為10μm以上的粉末係流動性優異。基於此觀點，平均粒徑更佳為20μm以上，特佳為30μm以上。平均粒徑D50為150μm以下的粉末係向容器的填充率高。因此，可從該粉末得到密度大的模具。基於此觀點，平均粒徑D50更佳為120μm以下，特佳為90μm以下。因此，粉末的平均粒徑D50較佳為10μm以上150μm以下，更佳為20μm以上120μm以下，尤佳為30μm以上90μm以下。
粉末的90%粒徑D90較佳為200μm以下。粒徑D90為200um以下的粉末，係在急速加熱時可全部的粒子熔融。因此，於由該粉末所形成的模具中，缺陷少。基於此觀點，粒徑D90更佳為160μm以下，特佳為140μm以下。粒徑D90之下限值係沒有特別的限定，但典型上為20μm以上，更典型上為40μm以上，尤更典型上為50μm以上。因此，粒徑D90係典型上為20μm以上200μm以下，更典型上為40μm以上160μm以下，尤更典型上為50μm以上140μm以下。
於平均粒徑D50及90%粒徑D90之測定中，將粉末的總體積視為100%，求出累積曲線。該曲線上之累積體積為50%的點之粒徑係D50。該曲線上之累積體積為90%的點之粒徑係D90。平均粒徑D50及D90係藉由雷射繞射散射法測定。作為適合該測定的裝置，可舉出日機裝公司的雷射繞射・散射式粒徑分布測定裝置「Microtrac MT3000」。於該裝置的槽室(cell)內，粉末係與純水一起流入，以粒子的光散射資訊為基礎，檢測出粒徑。
[霧化(atomize)]
作為粉末之製造方法，可例示水霧化法、單輥急冷法、双輥急冷法、氣體霧化法、盤式霧化法及離心霧化法。較佳的製造方法為單輥冷卻法、氣體霧化法及盤式霧化法。對於粉末，亦可施予機械碾磨等。作為碾磨方法，可例示球磨法、珠磨法、行星式球磨法、磨碎機法及振動球磨法。
[模具之製作]
模具係藉由對於粉末施予伴隨急速熔融急冷凝固程序之造形法而得。作為該造形法，可例示三維積層造形法、熔射法、雷射被覆法及堆焊法。典型上，模具係藉由三維積層造形法而成形。
於該三維積層造形法中，可使用3D列印機。於該積層造形法中，對於經鋪滿的合金粉末，照射雷射束或電子束。藉由照射，粒子係被急速地加熱，而急速地熔融。粒子係然後急速地凝固。藉由該熔融與凝固，粒子彼此結合。照射係選擇地在粉末之一部分進行。粉末之未進行照射的部分係不熔融。於僅已照射的部分中，形成結合層。
於結合層之上，進一步鋪滿合金粉末。對於該粉末，照射雷射束或電子束。藉由照射，粒子急速地熔融。粒子然後急速地凝固。藉由該熔融與凝固，而粉末中的粒子彼此結合，形成新的結合層。新的結合層亦與既有的結合層結合。
藉由重複照射所致的結合，結合層之集合體係徐徐地成長。藉由該成長，得到具有三維形狀的模具。藉由該積層造形法，容易得到複雜地配置有多數的冷卻液用路徑之模具。於此等之熔融及凝固中，不易發生所謂的凝固破裂。

[實施例]
以下，藉由實施例而明示本發明之效果，惟不應以該實施例之記載為基礎而限定地解釋本發明。
[粉末之製造]
於真空中，在氧化鋁製坩堝中，以高頻感應加熱來加熱具有指定組成的原料而使其溶解。從在坩堝下的直徑5mm之噴嘴，使熔液落下。對於熔液，噴灑高壓氬氣或高壓氮氣，得到粉末。各粉末的組成詳細係顯示於下述表1中。於表1中，No.1～No.9之粉末係本發明例，No.10～No.17之粉末係比較例。
[成形]
將該粉末當作原料，實施藉由3次元層合造形裝置(EOS-M290)的積層造形法，得到成形體。成形體之形狀為立方體，每邊長度為10mm。
[破裂之評價]
對於造形方向呈平行地切斷成形體。用光學顯微鏡，以倍率100倍觀察其剖面。拍攝5個視野的顯微鏡影像，藉由影像解析，計數破裂之數目。下述之表1中顯示其結果。
[成形體之相對密度]
使用成形體在空氣中的重量、在水中的重量及水的密度，算出該成形體的密度(阿基米德密度測定法)。將該密度除以由粉末成分所算出的理論密度，算出相對密度。下述之表1中顯示其結果。
表1中所示的各實施例之粉末係諸性能優異。基於此結果，可明瞭本發明之優勢性。
本發明之粉末亦適合從噴嘴噴射粉末的類型之3D列印機。該粉末也可適合從噴嘴噴射粉末之類型的雷射被覆法。

Claims (4)

  1. 一種合金製的模具用粉末，其包含： -　C：0.25質量%以上0.45質量%以下， -　Si：0.01質量%以上1.20質量%以下， -　Mn：超過0質量%且為1.50質量%以下， -　Cr：2.0質量%以上5.5質量%以下，及 -　V：0.2質量%以上2.1質量%以下，以及 -　Mo：超過0質量%且為3.0質量%以下、W：超過0質量%且為9.5質量%以下及Co：超過0質量%且為4.5質量%以下之任1種或2種以上，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質， 滿足下述數式： (Mn%)3 /S%＞6.7 (式中，Mn%表示Mn的含有率(質量%)，S%表示S的含有率(質量%))，P、S及B的含有率為0.020質量%以下。
  2. 如請求項1之模具用粉末，其中前述粉末的平均粒徑D50為10μm以上150μm以下，90%粒徑D90為200μm以下。
  3. 如請求項1或2之模具用粉末，其中前述合金包含0.20質量%以上1.50質量%以下的Mn。
  4. 如請求項1或2之模具用粉末，其中前述合金包含Mo：0.2質量%以上3.0質量%以下、W：0.5質量%以上9.5質量%以下及Co：0.5質量%以上4.5質量%以下之任1種或2種以上。
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