TWI447233B - 切削性優異之冷作工具鋼 - Google Patents

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Description

切削性優異之冷作工具鋼
本發明係有關於一種適合於將工具材料特別是家電、行動電話及汽車相關零件成形的冷作模具材料之冷作工具鋼。
在室溫之板材的彎曲、拉製、沖壓等的加壓成形所使用之冷作工具，為了提升其耐摩耗性，有提案一種藉由淬火回火(以下稱為「調質」)而能夠達成60HRC以上的硬度之鋼坯料(專利文獻1至3)。若形成為此種高硬度的鋼坯料，則在調質後要切削加工成為工具形狀係為困難。通常係在硬度較低的退火狀態進行粗加工之後，調質成為60HRC以上的使用硬度。此時，由於調質引起工具發生熱處理變形，所以調質後，施加再次之最後完成切削加工以修正其變形分之而調整成為最終工具形狀。調質引起工具的熱處理變形之主要原因，係由於在退火狀態時為肥粒鐵(ferrite)組織之鋼坯料變相成為麻田散鐵(martensite)組織而體積膨脹之故。
上述的鋼坯料以外，有許多提案預先調質至使用硬度而供給之預硬鋼。預硬鋼由於在進行成批切削加工至最後工具形狀之後，不必調質，能夠免除起因於調質之工具的熱處理變形，亦能夠省略上述的最後切削加工之有效的技術。關於本技術，有提案一種冷作工具鋼，其係藉由將在淬火回火後的鋼坯料中存在之使切削性降低之未固溶碳化物的量最適化，而在確保大於55HRC的調 質硬度之同時，具有優良的切削性(專利文獻4)。另一方面，為了抑制切削加工時的切削工具與鋼坯料之間的摩擦而產生之工具摩耗，亦有提案一種冷作工具鋼，其係添加形成熔點為1200℃以下的氧化物(有(FeO)2 ．SiO2 、Fe2 SiO4 或(FeSi)Cr2 O2 )之元素，藉此，利用切削加工時所產生熱量而在模具表面，形成前述氧化物以賦予自潤滑性(專利文獻5)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2008-189982號公報
[專利文獻2]特開2009-132990號公報
[專利文獻3]特開2006-193790號公報
[專利文獻4]特開2001-316769號公報
[專利文獻5]特開2005-272899號公報
在專利文獻4所揭示的冷作工具鋼，係兼具切削加工時的切削性及作為模具之耐摩耗性之優異的預硬鋼。但是，針對耐摩耗性，因為除了規定未固溶碳化物的形成量少以外，淬火溫度亦被限制，所以若要成為60HRC以上的調質硬度，能夠得到此之成分範圍非常地受到限定。而且，為了抑制淬火加熱時的結晶粒成長之目的，在專利文獻4認為較佳添加之Nb和V，係在上述的淬火溫度容易形未固溶的MC碳化物之元素。因為MC碳化物係為硬質，在專利文獻4所揭示之成分組成，有調質後的被削 性顯著低落之問題。
又，在專利文獻5所揭示之冷作工具鋼，係將低熔點氧化物利用作為自潤滑皮膜，但是在切削溫度未上升至氧化物的熔點之情況，則無法得到潤滑效果。相反地，切削溫度過度上升的情況，則氧化物的黏度顯著低落而有無法達成作為潤滑皮膜的功能之問題。
本發明的目的係提供一種冷作工具鋼，其係將即使是60HRC以上的高調質硬度亦能夠安定地達成之成分組成作為基本，在此基礎上更佳為即便進一步增加未固溶碳化物的形成量，亦不依存於切削溫度而飛躍性地提升調質後的切削性。
本發明者專心研究提升冷作工具鋼的切削性之手法。其結果，發現藉由積極地導入高熔點氧化物之Al2 O3 ，利用切削加工時之熱而在切削工具的表面形成包含其及高延展性夾雜物亦即MnS之複合潤滑保護皮膜之手法。而，達成60HRC以上的調質硬度，能夠形成該複合潤滑保護皮膜之鋼坯料係有最適合的成分範圍，藉由將其特定而達成了本發明。
亦即，本發明係一種切削性優異之冷作工具鋼，其特徵在於：包含以質量%計為C：0.6~1.2%、Si：0.7~2.5%、Mn：0.3~2.0%、S：0.02~0.1%、 Cr：3.0~小於5.0%、Mo及W以單獨或複合且(Mo+1/2W)：0.5~2.0%、Al：0.04~小於0.3%、剩餘部分Fe及不可避免的不純物，而且藉由包含上述的S、Cr、Al量之關係式：21.9×S+124.2×(Al/Cr)-2.1所求得之切削性指數MP值大於0。較佳是調質後的硬度為60HRC以上。
本發明之冷作工具鋼係亦可含有1.0%以下的Ni、或是進一步含有1.0%以下的Cu。
而且，本發明之冷作工具鋼，亦可進一步含有1.0%以下的V、或是再進一步含有0.5%以下Nb。
依照本發明，因為採用能夠廣泛地對應多數的成分組成之提升切削性的手段，調質為60HRC以上的硬度，而且未固溶碳化物量多之合金設計，亦能夠不依存於切削溫度而可作為調質後的切削性飛躍性地提升之冷作工具鋼。因此，能夠自由地選擇冷作工具鋼的調質硬度、或是按照各種功能之未固溶碳化物量，特別是對於預硬冷作工具鋼的實用化，係成為不可缺少之技術。
 [實施發明之形態]
本發明之特徵係在於：先將調質硬度提升之後，即使在為了控制結晶粒徑等而形成大量未固溶碳化物之情況，亦能夠實現調質後的切削性不依存於溫度之良好的冷作工具鋼。具體上，係除了能夠得到60HRC以上的調 質硬度以外，為了抑制切削工具的摩耗以使高熔點氧化物之Al2 O3 、及高延展性夾雜物之MnS的複合潤滑保護皮膜在切削工具的表面形成之方式成分設計鋼坯料。
首先，本發明者檢討能夠廣泛地對應冷作工具鋼的成分組成之提升切削性的手段。其結果，注目在自潤滑性的有效性。而且在檢討如專利文獻5之利用低熔點氧化物的自潤滑性的作用效果時，查明了其有依存於切削溫度之課題。亦即，因為具有自潤滑性之低熔點氧化物，通常係為含有大量地被含有在鋼坯料中之Fe和Cr的複合氧化物，因切削溫度的變動，複合氧化物的成分和形成量會大幅度地變動，而無法得到安定的潤滑效果。
在此，本發明係專心研究不以利用低熔點氧化物而提升冷作工具鋼的切削性之手法時，相反地，發現藉由積極地導入高熔點氧化物之Al2 O3 ，利用切削加工時之熱，使包含其及高延展性夾雜物之MnS的複合潤滑保護皮膜在切削工具的表面形成之手法。此複合潤滑保護皮膜係對應廣闊範圍的切削溫度而效果不會變動，而且即便添加形成Nb和V之硬質的MC碳化物之元素時亦能夠確保良好的切削性。而且達成60HRC以上的調質硬度，能夠形成該複合潤滑保護皮膜之鋼坯料係有最適合的成分範圍，藉由將其特定而達成了本發明。以下針對關於本發明的製造方法之冷作工具鋼成的成分組成進行說明。
．C：0.6~1.2質量%(以下僅記載為%)
C係在鋼中形成碳化物且對冷作工具鋼賦予硬度之重要元素。C太少時，所形成之碳化物量係不足，使賦予 60HRC以上係為困難。另一方面，過多的含有，會因為淬火時的未固溶碳化物量之增加而使韌性容易降低。因此，使C的含量係為0.6~1.2%，較佳為0.7%以上及/或1.0%以下。
．Si：0.7~2.5%
Si係固溶於鋼中，且係對冷作工具鋼賦予硬度之重要元素。又，除了氧化傾向比Fe或Cr強，因為係容易與Al2 O3 形成剛玉(corundum)系的氧化物之元素，而在本發明中抑制使氧化物低熔點化之Fe系氧化物和Cr系氧化物的形成，而具有促進Al2 O3 保護皮膜的形成之重要的作用。但是，過多時淬火性和韌性則顯著地降低。因此，使Si為0.7~2.5%，較佳為0.8%以上及/或2.0%以下。
．Mn：0.3~2.0%
Mn係本發明之重要元素，其係在切削工具表面所形成之Al2 O3 保護皮膜上作為良好的潤滑皮膜而作用。而且係沃斯田體(austenite)形成元素，在鋼中固溶而提升淬火性。但是，添加量過多時，則在調質後殘留沃斯田體大量地殘留，而成為作為工具使用時之經年尺寸變化的原因。又，因為容易與Fe或Cr形成低熔點氧化物，而成為阻礙Al2 O3 保護皮膜的功能之重要因素。因此，在本發明係設為0.3~2.0%，較佳為0.4%以上及/或1.5%以下。
．S：0.02~0.1%
S係本發明之重要元素，其係在切削工具表面所形成之Al2 O3 保護皮膜上作為良好的潤滑皮膜而作用。為了充分地發揮此種潤滑作用，必要添加0.02%以上，但是因為 S會使鋼的韌性變差，設上限為0.1%。較佳為0.03%以上及/或0.08%以下。
．Cr：3.0~小於5.0%
Cr係藉由在調質後的組織中形成M7 C3 碳化物，而賦予冷作工具鋼硬度。又，在淬火加熱時一部分係作為未固溶碳化物而存在，而有抑制結晶粒的成長之效果。但是，Cr小於3.0%時，所形成的碳化物量少，達成60HRC以上的硬度係為困難。另一方面，藉由使Cr小於5.0%，未固溶碳化物量減少而韌性提升。而且藉由抑制過多地形成含Cr的低熔點氧化物，能夠提升後述之藉由Al的Al2 O3 保護皮膜的功能，而能夠使切削性顯著地提升。又，為了抑制結晶粒成長和賦予硬度之目的而添加形成硬質的MC碳化物之V和Nb時，藉由使其與M7 C3 碳化物共存，亦具有抑制粗大的MC碳化物形成之效果，但Cr小於3.0%時，無法充分得到該效果且切削性降低。因此，使Cr為3.0~小於5.0%係重要的。較佳為3.1%以上及/或4.8%以下。
．Mo及W係以單獨或複合且(Mo+1/2W)：0.5~2.0%
Mo及W係在調質時回火，藉由強化析出(二次硬化)微細碳化物而使硬度提升之元素。但是同時，因為會使在回火產生之殘留沃斯田體的分解遲滯，過多地含有時，殘留沃斯田體係容易殘留在調質後的組織。又，因為Mo和W係昂貴的元素，在實用化上應盡力減低添加量。因此，設該等元素的添加量以(Mo+1/2W)的關係式為0.5~2.0%。
．Al：0.04~小於0.3%
Al係本發明之重要元素，在切削加工時在切削工具表面形成高熔點氧化物之Al2 O3 作為保護皮膜而作用。而且，藉由含有0.04%以上，能夠形成充分的厚度之保護皮膜而改善工具壽命。但是大量地添加Al時，因為在鋼坯料中，Al2 O3 大量地形成作為以夾雜物，鋼坯料的切削性反而降低。因此，設Al的添加量之上限為小於0.3%。較佳為0.05%以上及/或0.15%以下。
．藉由包含上述的S、Cr、Al量之關係式：21.9×S+124.2×(Al/Cr)-2.1所求得之切削性指數MP值為大於0。
切削性指數MP的調整，係為了使本發明的最大特徵亦即包含Al2 O3 及MnS之複合潤滑保護皮膜，在切削加工時的工具表面充分地形成之必要條件。本發明的鋼坯料中所含有之充分量的Al，係藉由切削加工時所產生的熱而在切削工具表面形成高熔點氧化物之Al2 O3 。Al2 O3 的熔點係約2050℃，因為其比切削溫度高出甚多，Al2 O3 係作為切削工具的保護皮膜而作用。再者，本發明的鋼坯料中所含有之充分量的S，係形成MnS。MnS係除了富有延展性，因為與Al2 O3 的親和性良好，堆積在上述的Al2 O3 保護皮膜上，達成作為良好的複合潤滑保護皮膜之任務。
另一方面，冷作工具鋼的主要成分之Cr，係容易形成低熔點氧化物。亦即，相對於鋼中的Al量，過多地含有之Cr，會成為阻礙Al2 O3 保護皮膜的功能之重要因素。而且，該結果會成為阻礙作為本發明的特徵之包含Al2 O3 及MnS之複合潤滑保護皮膜的功能之重要因素。因此，本發明的冷作工具鋼係在含有0.04%以上之充分量的Al之基礎上，調整鋼中的Al量與Cr量的平衡(Al/Cr)係為重要。而且，藉由進行與其相稱之S量的調整，能夠發揮上述複合潤滑保護皮膜的功能。
基於以上的作用效果而詳細地研究S、Cr、Al對自潤滑性造成之影響度的相互關係。其結果查明了，若為滿足本發明的成分組成之冷作工具鋼時，由於該等3元素之上述的影響度係成立「21.9×S+124.2×(Al/Cr)-2.1」的相互關係，且藉由將該關係式由來之值作為切削性指數MP，能夠精確度良好地評價本發明的切削性。而且，該MP值變大時，能夠發揮藉由使用本發明的高熔點氧化物之複合潤滑保護皮膜，來提升切削性之效果，具體上若以大於0的方式調整成分組成，即可充分地發揮該效果。
．較佳為Ni：1.0%以下
Ni係改善鋼的韌性和焊接性之元素。又，因為調質時之回火係作為Ni3 Al析出而具有提高鋼的硬度之效果，按照本發明之冷作工具鋼所含有的Al量而添加係為有效的。但是，Ni係昂貴金屬，在實用化上係應盡力減低添加量之元素。此時，本發明的冷作工具鋼因為較代表性的冷作工具鋼JIS-SKD11，大幅度地減少了同樣是昂貴金屬之Cr的添加量，所以能夠增加該程度之Ni的添加量。在此，在本發明之Ni可以添加1.0%以下。
．較佳為Cu：1.0%以下
Cu係在調質時的回火時作為ε-Cu析出，而具有提高 鋼的硬度之效果。但是，Cu係造成鋼坯料的熱作脆性之元素。因此，本發明之Cu可以添加1.0%以下。又，為了抑制Cu引起的熱作脆性，亦較佳為同時添加Ni。而且，此時的Cu及與Ni更佳為大約同量。
．較佳為V：1.0%以下
V係形成各種的碳化物而具有提高鋼的硬度之效果。又，所形成之未固溶的MC碳化物係具有抑制結晶粒成長之效果。而且特別是藉由與後述的Nb複合添加，在淬火加熱時未固溶的MC碳化物係變為微細且均勻，具有可有效地抑制結晶粒成長之作用。另一方面，MC碳化物係硬質，會成為使切削性降低之原因。因此，在本發明，藉由在切削加工時的工具表面形成上述的複合潤滑保護皮膜，即便在鋼坯料中形成大量的MC碳化物亦能夠確保良好的切削性之方面，具有重要的特徵。但是添加過量的V，過剩地形成粗大的MC碳化物會使冷作工具鋼的韌性和切削性降低。在本發明，為了抑制粗大的MC碳化物之形成，係使Cr為3.0%以上，但即便添加V時，亦較佳為1.0%以下，更佳為0.7%以下。
．較佳為Nb：0.5%以下
Nb係形成MC碳化物而具有抑制結晶粒的粗大化之作用。但是過量地添加時，粗大的MC碳化物係過剩地形成，使鋼的韌性和切削性降低。在本發明，為了抑制粗大的MC碳化物之形成，而使Cr為3.0%以上，即便是此時，Nb亦較佳為0.5%以下，更佳為0.3%以下。
本發明之冷作工具鋼，係藉由使用作為預硬鋼，能 夠免除起因於調質之熱處理變形，亦能夠省略最後完成切削加工。但是，即便如先前般在退火狀態粗加工後進行調質，施行最後完成切削加工時，因為在切削工具表面同樣地形成有複合潤滑保護皮膜，對於最後完成切削加工的高效率化及改善工具壽命係為有效。又，在包含本發明的冷作工具鋼之冷作工具，藉由進行表面PVD處理，在維持高尺寸精確度之同時，亦能夠進一步提升耐摩耗性。
[實施例1]
使用高頻感應熔融爐將材料熔解，來製造具有表1所表示的化學成分之鑄錠(ingot)。其次，對該等鑄錠進行使鍛造比成為10左右之熱作鍛造，冷卻後，於860℃進行退火。隨後，對該等退火材料進行從1030℃之藉由空氣冷卻的淬火處理之後，於500~540℃下藉由2次的回火處理，而調質成為60±2HRC的硬度，來製造用以評價切削性之試片。但是，如表1所表示，試料No.35、36係因為形成M7 C3 碳化物之Cr、形成MC碳化物之Nb、V的添加量少，在500~540℃的回火處理係無法得到55HRC以上的硬度而不適合使用作為冷作工具鋼。
切削性試驗係使用日立TOOLS股份有限公司製刀片PICOmini作為對應高硬度材料的切削之刀鋒交換式工具藉由平面切削來實施。刀片(insert)係將超硬合金作為基料且在表面施行TiN塗覆者。切削條件係切削速度為70m/min、轉速為1857/min、輸送速度為743mm/min、每一刀刃的輸送量0.4mm/刀刃、切入深度為0.15mm、切入寬度為6mm、刀刃數為1。
切削性試驗基於以下2點而進行，首先，評價在切削工具表面之包含Al2 O3 及MnS之複合潤滑保護皮膜的形成量。該形成量係在切削剛開始後之切削距離為0.8m的階段，從切削面(cutting face)側使用EPMA分析刀片且作為此時之Al及S的平均統計數。然後，將切削距離延長至8m而使用光學顯微鏡實測此時的工具摩耗量。將該等的評價結果顯示在表2。
本發明的冷作工具鋼，係在切削工具表面形成複合潤滑保護皮膜，而能夠抑制工具摩耗。而且，即便添加形成未固溶碳化物之V和Nb時，亦能夠維持良好的切削性。相對於此，未滿足本發明之切削性指數MP之冷作工具鋼，相較於本發明，工具摩耗量大。
又，雖然試料No.33、34係切削性指數MP高，但是切削性差。這是由於為了確保60±2HR的硬度，儘管Cr添 加量少，但是大量地添加V、Nb之結果，大量地形成了粗大的MC碳化物。
第1圖係顯示在試料No.1、6、11、22、30、34所使用之切削工具的刀腹面(flank face)及切削面之數位顯微鏡照片，第2圖係對應該部分之使用上述的EPMA之分析結果(各元素的高濃度部分係以淡色顯示)。在表2，Al及S的平均統計數高之試料No.1、6、11係在第2圖的EPMA分析亦能夠確認Al及S係在廣闊範圍附著的情形。與此相較，切削性指數MP為負值之試料No.22，Al及S的平均統計數較試料No.1、6、11低，Al和S的附著量少。又，原來鋼中的Al及S含量即低之試料No.30，該等元素的平均統計數亦較低，且使用EPMA分析係幾乎無法檢出Al及S(能夠檢出的，大部分被認為是從試片轉移之Fe及Cr)。試料No.34係在第2圖的EPMA分析，附著有Al、S，但是S的附著範圍狹窄，表示於表2之S的平均統計數亦低。此係因為在工具表面一次附著之MnS被粗大的MC碳化物削去，而未充分地具有作為複合潤滑保護皮膜的功能。
而且，顯示切削工具的摩耗狀態之第1圖，對應於上述的結果，在試料No.1、6、11的工具切削面，顯著地附著有附著物，得知工具摩耗係在刀腹面及切削面的雙方均被抑制。又，工具摩耗係均勻且安定地進行。相對於此，試料No.22的工具摩耗量係接近No.1的二倍，且在工具亦產生破片。而且在試料No.30和試料No.34的工具表面係亦與試料No.22同樣地，損傷嚴重。
再者，第3圖係將在試料No.1、22、30的工具表面確 認之附著物，與位於在其下面之TiN塗覆同時顯示之剖面TEM(透射型電子顯微鏡)影像。符合於上述的結果，仍然是Al及S的平均統計數較高的試料No.1的附著物係較厚，隨著Al及S的平均統計數變低，試料No.22的附著物係變為較薄。試料No.30係幾乎無法觀察到附著物。而且，與No.1同樣，在試料No.22的工具表面亦附著有Al2 O3 及MnS，但是其厚度係較薄且如上述產生破片。試料No.1的附著物係發揮高潤滑保護功能，可從以下得知：由於切削加工時的摩擦應力，通常會塑性變形之工具表面的TiN塗覆，在附著物較厚的試料No.1係被抑制(塑性變形區域為最狹窄)。
[實施例2]
使用在超硬基料施行比TiN塗覆更硬質的TiAlN塗覆之日立TOOLS股份有限公司製刀片PICOmini，以切削速度為160m/min、轉速為4244/min、輸送速度為1698mm/min、每一刀刃的輸送量0.4mm/刀刃、切入深度為0.15mm、切入寬度為6mm、刀刃數為1的切削條件評價切削性。使用工具顯微鏡測定工具刀腹面之TiAlN塗覆剝離後之超硬基料的露出寬度。
被切削材料係使用高頻感應熔融爐及大氣電弧熔融爐，由具有表3所示化學成分之鑄錠製造。對鑄錠進行使鍛造比成為5左右之熱作鍛造，冷卻後，於860℃進行退火。而且，對該等退火材料進行從1030℃之藉由空氣冷卻的淬火處理之後，於500~540℃下藉由2次的回火處理，調質成為60±2HRC的硬度，製造試片。
將切削距離延長至25m時之，切削工具的刀腹面之超硬基料露出寬度的變化顯示在第4圖，將顯示切削工具的刀腹面及切削面之數位顯微鏡照片顯示在第5圖。關於本發明之冷作工具鋼，即便切削至25m，基料露出寬度亦為0.02mm以下，且工具幾乎沒有損傷。相對於此，未滿足本發明之冷作工具鋼，係在切削距離為10m的階段已經露出0.05mm以上，而且在試料No.3、4係產生破片。如此，本發明的冷作工具鋼即便與實施例1不同的切削條件，亦能確認切削性為優良。
1‧‧‧用以調製試料之保護膜
2‧‧‧切削時的附著物
3‧‧‧TiN塑性變形區域
4‧‧‧TiN未變形區域
第1圖係顯示在本發明及比較例的切削加工所使用之切削工具的刀腹面(flank face)及切削面之數位顯微鏡照片。
第2圖係將在第1圖的切削工具的表面所形成之附著物使用EPMA(電子射線微量分析器)分析時之色彩圖。
第3圖係將第2圖的附著物與TiN塗覆同時顯示之剖面TEM(透射型電子顯微鏡)照片。
第4圖係顯示在本發明及比較例的切削加工所使用之切削工具的刀腹面之基料露出寬度與切削距離的關係之圖。
第5圖係顯示在本發明及比較例的切削加工所使用之切削工具的刀腹面及切削面之數位顯微鏡照片。

Claims (7)

  1. 一種切削性優異之冷作工具鋼，其特徵在於包含：以質量%計為C：0.6~1.2%、Si：0.7~2.5%、Mn：0.3~2.0%、S：0.02~0.1%、Cr：3.0~小於5.0%、Mo及W以單獨或複合且(Mo+1/2W)：0.5~2.0%、Al：0.04~小於0.3%、剩餘部分Fe及不可避免的不純物，且藉由包含上述的S、Cr、Al量之關係式：21.9×S+124.2×(Al/Cr)-2.1所求得之切削性指數MP值大於0。
  2. 如申請專利範圍第1項之切削性優異之冷作工具鋼，其中進一步含有以質量%計為Ni：1.0%以下。
  3. 如申請專利範圍第1項之切削性優異之冷作工具鋼，其中進一步含有以質量%計為Cu：1.0%以下。
  4. 如申請專利範圍第1項之切削性優異之冷作工具鋼，其中進一步含有以質量%計為V：1.0%以下。
  5. 如申請專利範圍第1項之切削性優異之冷作工具鋼，其中進一步含有以質量%計為Nb：0.5%以下。
  6. 如申請專利範圍第1項之切削性優異之冷作工具鋼，其中進一步含有2種以上選自下列組成之群組：以質量%計為Ni：1.0%以下、Cu：1.0%以下、V：1.0%以下、及Nb：0.5%以下。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之切削性優異之冷作工具鋼，其中調質後的硬度為60HRC以上。
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