TWI539007B

TWI539007B - 韌性優良的模具用鋼材的製造方法

Info

Publication number: TWI539007B
Application number: TW101133031A
Authority: TW
Inventors: 菅野隆一朗; 關山孝明; 岸川圓
Original assignee: 日立金屬股份有限公司
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2016-06-21
Also published as: CN103114242B; TW201313909A; JP2013082992A; JP5904409B2; CN103114242A

Description

韌性優良的模具用鋼材的製造方法

本發明是有關於一種可用於各種模具的韌性優良的模具用鋼材的製造方法。

模具用鋼材通常是對藉由鑄造所得的原材料進行熱加工而調整形狀，繼而進行退火而製造。然後，對該退火材進行形成為模具形狀的機械加工及淬火回火，製作經調整為預定的使用硬度的模具。先前，對於塑膠成型等的要求耐蝕性及磨光性的模具用鋼材，一直使用JIS-SUS420J2所代表的高碳(C)-高鉻(Cr)的麻田散體系不鏽鋼或其改良鋼材(專利文獻1~專利文獻3)。該些成分組成的模具用鋼材是藉由淬火回火而獲得50 HRC的高硬度，故使用時的耐磨損性亦優異。然而，於該淬火回火後的高硬度的狀態下，形成為模具形狀的機械加工並不容易，故通常是以例如小於30 HRC的硬度低的上述退火材的狀態而提供，並將其機械加工成模具形狀後，淬火回火至上述使用硬度。

對於該些模具用鋼材，亦有以預先經淬火回火的預硬化狀態而提供者。預硬化狀態的模具用鋼材是於其經淬火回火的狀態下機械加工成模具形狀，故可解決由於淬火回火而產生的熱處理變形的問題。例如，將上述退火材淬火回火至30 HRC左右而提供者雖然機械加工時的被切削性(工具壽命)較退火材低，但機械加工自身並不困難。而且，所提供的模具用鋼材是經機械加工，並再次淬火回火至上述50 HRC左右的使用硬度。或者，將退火材淬火回火至40 HRC左右而以預硬化狀態提供者即便於該硬度下亦可進行機械加工，故可對其進行機械加工並以該硬度直接使用。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平04-002745號公報

[專利文獻2]日本專利特開平03-097829號公報

[專利文獻3]日本專利特開2007-277639號公報

專利文獻1~專利文獻3所提出的麻田散體系不鏽鋼的成分組成適於獲得高硬度的模具。然而，由於該些模具用鋼材的成分組成含有大量的C，故容易因上述熱加工後的退火而於其組織中分布粗大的碳化物。而且，該粗大的碳化物即便藉由此後的淬火回火亦難以消除。結果，若經過機械加工而製成的模具的組織中大量存在該粗大的碳化物，則可能模具的韌性劣化，導致使用時的裂紋等模具的早期破損。

本發明的目的在於提供一種製造方法，其於提供以SUS420J2或專利文獻1~專利文獻3等中提出的成分組成的麻田散體系不鏽鋼形成的模具用鋼材時，可提高其韌性。

本發明者對在退火後的鋼材中分布粗大的碳化物的現象的產生原因進行了調查。結果查明，該現象是熱加工後的原材料所具有的組織形態受到進行此後的退火之前的溫度歷程的影響而產生。因此，對該溫度歷程與作為前步驟的熱加工的條件一起相互重新研究，結果發現，若適當地進行熱加工的條件管理及熱加工後的原材料的溫度歷程的管理，則可抑制退火時的粗大的碳化物的產生，從而達成了本發明。

即，本發明為一種韌性優良的模具用鋼材的製造方法，其為對以質量%計而含有0.3%~0.5%的C及12.0%~16.0%的Cr的成分組成的麻田散體系不鏽鋼原材料進行熱加工，繼而對經上述熱加工的上述不鏽鋼原材料進行退火，該模具用鋼材的製造方法的特徵在於：上述熱加工中，以[(熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度-熱加工後的不鏽鋼原材料的厚度)/熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度]×100的式子算出的加工率為55%以上，且將上述熱加工後的不鏽鋼原材料冷卻至Ms點以下的溫度為止後，繼而加熱至退火溫度而進行上述退火。較佳為上述退火溫度為600℃以上及/或1000℃以下。或進而，較佳為進行熱加工的上述不鏽鋼原材料是藉由重熔法而製作。

另外，本發明為一種模具用鋼材的製造方法，其特徵在於：於上述退火後進行淬火回火，製成預硬化狀態的模具用鋼材。

根據本發明的製造方法，可提高SUS420J2或專利文獻1~專利文獻3等中提出的成分組成的模具用鋼材的韌性，該製造方法特別對於提供大型模具而言有用。

本發明的特徵在於：將對熱加工後的原材料進行退火之前所經歷的先前的溫度歷程與該熱加工時的條件一起相互重新研究，由此提出最適的熱加工及溫度管理的方法。以下，對本發明的各構成要件加以說明。

(1)一種模具用鋼材的製造方法，其是對以質量%計而含有0.3%~0.5%的C及12.0%~16.0%的Cr的成分組成的麻田散體系不鏽鋼原材料進行熱加工，繼而對經上述熱加工的上述不鏽鋼原材料進行退火。

如上所述，本發明的目的為提高SUS420J2或專利文獻1~專利文獻3等中提出的成分組成的模具用鋼材的韌性。而且，亦如上所述，該模具用鋼材是依照通常的方法對該成分組成的麻田散體系不鏽鋼原材料進行熱加工，繼而進行退火而製造。以下，對原材料的成分組成(即模具用鋼材的成分組成)加以說明(以下將「質量%」的表述簡單記作「%」)。

．C：0.3%~0.5%

C為提高淬火性、進而獲得50 HRC以上的充分的淬火回火硬度所必需的元素。然而，若過多，則淬火後容易產生淬火裂紋。因此，於本發明中設定為0.3%~0.5%。較佳為0.33%以上及/或0.45%以下。

．Cr：12.0%~16.0%

Cr為提高淬火性、獲得高的淬火回火硬度所必需的元素。進而，Cr為提高模具用鋼材的耐蝕性的重要元素。然而，若過多，則導熱率明顯降低。若導熱率高，則可縮短用作模具時的加熱、冷卻的熱循環所需要的時間而適當。因此，於本發明中設定為12.0%~16.0%。較佳為12.5%以上及/或15.0%以下。

亦含有其他元素，若示出較佳組成範圍作為本發明的製造方法的模具用鋼材的成分組成，則如下。

C：0.3%~0.5%(較佳為0.33%以上及/或0.45%以下)

Si：1.0%以下(較佳為0.2%以上及/或0.7%以下)

Mn：1.0%以下(較佳為0.2%以上及/或0.7%以下)

P：0.05%以下(較佳為0.03%以下)

S：0.01%以下(較佳為0.005%以下)

Ni：未添加~1.0%(較佳為0.5%以下)

Cr：12.0%~16.0%(較佳為12.5%以上及/或15.0%以下)

Mo及W中的一種或兩種：以(Mo+1/2W)的式子計而為0~1.5%(較佳為0.1%以上及/或1.0%以下)

Fe：實質上為剩餘部分(例如剩餘部分含有Fe及不可避免的雜質)

Si為具有提高被切削性的效果，但若過多則使導熱率極度降低的元素。

Mn為具有提高淬火性而抑制鐵氧體的生成的效果，但若過多則極度增大基底的黏性，故使被切削性降低的元素。

P為若過多則使熱加工性或韌性降低的元素。

S為若過多則使熱加工性或耐蝕性降低，進而增大韌性的異向性的元素。

Ni為具有提高淬火性且亦使耐蝕性提高的效果，但若過多則使導熱率降低的元素。

Mo及W具有提高回火時的硬度的效果，但若過多則於淬火時於基底中未完全固熔，反而使回火硬度降低。

(2)上述熱加工中，使以[(熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度-熱加工後的不鏽鋼原材料的厚度)/熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度]×100的式子算出的加工率為55%以上。

對本發明的不鏽鋼原材料進行熱加工時，為了提高其加工性、及實現由碳化物的固熔所得的成分均質化，通常將該原材料加熱至沃斯田體單相域的溫度後進行熱加工。而且，對於以組織中的碳化物的微細化為目的之本發明而言，有效的是該熱加工結束時的組織中的結晶粒微細。即，於後述的冷卻過程以後，該組織中的沃斯田體晶界成為碳化物的析出點(site)，故可預先使冷卻前的結晶粒變微細，由此該析出點增加，使退火後的碳化物變微細。

因此，於本發明中，重要的是將對上述不鏽鋼原材料進行熱加工時的加工率設定為以由下式所得的計算值計而為55%以上。即，藉由將該加工率設定為55%以上，可於熱加工中的組織中推進反覆進行加工應變的蓄積與再結晶的動態再結晶(dynamic recrystallization)的現象，使結晶粒充分微細化，有效地增加碳化物的析出點。較佳為60% 以上的加工率，更佳為65%以上的加工率。另外，預先使結晶粒變微細其自身亦對減小破壞的組織單位發揮作用，具有提高模具用鋼材的韌性等機械特性的效果。

加工率(%)=[(熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度-熱加工後的不鏽鋼原材料的厚度)/熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度]×100

(3)將上述熱加工後的不鏽鋼原材料冷卻至Ms點以下的溫度為止後，繼而加熱至退火溫度而進行上述退火。

完成了上述熱加工的原材料若直接放置，則自加工結束溫度起逐漸降溫。此時，原材料於加工後的冷卻過程中通過碳化物析出的溫度範圍，故特別於沃斯田體晶界上容易析出微細的碳化物。另外，於實際的操作中，為了省略重新的加熱步驟而效率化，將該冷卻中途的原材料立即插入至退火爐中。因此，先前，上述析出了微細碳化物的熱加工後的原材料具體而言是於300℃~500℃附近的未充分冷卻的狀態下，再次加熱至退火溫度，長時間曝露在退火環境中。而且本發明者查明，由於該溫度歷程，上述微細的碳化物成長為使模具用鋼的韌性下降的程度的粗大的碳化物。

因此，本發明者對以下方法進行了研究：即便熱加工後的原材料中析出上述微細的碳化物，亦可於此後的退火步驟中抑制該碳化物的成長。結果查明，對於完成上述熱加工而增加了碳化物的析出點的原材料，若於冷卻中途不進行退火而冷卻至Ms點以下的溫度為止，使原材料成為麻田散體組織後再次加熱至退火溫度，則可抑制碳化物的粗大化。即，藉由該麻田散體變態，組織中於此後的退火步驟中使碳化物可析出的點進一步增加。結果，退火過程中可向晶界擴散的碳或鉻的量減少，即便於晶界上存在碳化物，亦可抑制其成長。再者，將熱加工後的原材料冷卻的溫度越較Ms點低越理想。較佳為(Ms點-30℃)以下，更佳為(Ms點-50℃)以下的溫度。具體而言，以150℃以下、100℃以下、50℃以下的溫度的順序，越低越佳。然而，若過低則可能產生淬火裂紋。因此，較佳為0℃以上的溫度。再者，關於冷卻速度，只要本發明的不鏽鋼原材料可成為麻田散體組織，則無須特別限定。而且，關於該冷卻速度，例如只要可確保空氣冷卻以上的快速冷卻速度便足夠了。

(4)較佳為上述退火溫度為600℃以上及/或1000℃以下。

於在退火狀態下進行機械加工的情形時，熱加工後的退火具有使硬度降低而使加工性提高的效果。另外，具有抑制其後的步驟中產生的裂紋或彎曲的效果。進而，對於以上述成分組成形成的不鏽鋼而言，亦具有以下效果：利用藉由使Cr碳化物於組織中均勻地析出而表現出的「晶界的釘紮效應」，可於此後的淬火時抑制結晶粒的粗大化，可抑制韌性的降低。為了充分獲得該些效果、特別是釘紮效應(pinning effect)，退火溫度較佳為600℃以上。然而，若退火溫度過高，則上述Cr碳化物的析出變困難，故較佳為1000℃以下。更佳為650℃以上及/或950℃以下。退火例如亦可隔著直至室溫以下為止的冷卻而重複2次以上。

而且，上述退火溫度更佳為設定為A3點以上。例如為750℃以上。若於A3點以上進行退火，則組織中形成新的沃斯田體粒，隨之而碳化物可析出的點亦增加。結果，可藉由與上述相同的作用進一步抑制碳化物的成長。另外，碳化物的析出點的增加亦會使組織中的碳化物的數量密度增加。該些大量的碳化物於此後的淬火時表現出上述的「釘紮效應」，對結晶粒的微細化發揮作用。於重複2次以上的退火的情形時，較佳為於A3點以上的溫度下實施至少1次以上。

(5)較佳為進行熱加工的上述不鏽鋼原材料是藉由重熔法而獲得。

於本發明所製造的不鏽鋼的情形時，較佳為於上述退火時使Cr碳化物均勻地析出。因此，作為原始原材料的鋼塊較佳為儘力減少成分偏析。另外，於將該不鏽鋼特別用於塑膠成型用的模具等時，較佳為儘力減少對鋼材的磨光性造成不良影響的Al₂O₃等非金屬夾雜物。根據以上情況，進行熱加工的鋼原材料較佳為藉由電渣重熔法或真空電弧重熔法等消耗電極式重熔法而獲得。

(6)較佳為於上述退火後進行淬火回火，製成預硬化狀態的模具用鋼材。

如上所述，退火後的模具用鋼材能以適當地淬火回火至所需求的硬度、例如25HRC~45 HRC的硬度的預硬化狀態而提供。而且，若重視機械加工時的被切削性(工具壽命)，則較佳為淬火回火至25 HRC~35 HRC左右。另外，若機械加工後不進行再次淬火回火，則較佳為淬火回火至亦考慮到使用硬度的35 HRC~45 HRC左右。

[實例1]

藉由真空電弧重熔法，準備具有表1的化學成分的麻田散體系不鏽鋼的鋼塊。該些鋼塊的Ms點為約200℃，A3點為約800℃。繼而，將該些鋼塊加熱至1100℃~1200℃，進行由上述式所得的加工率為約58%的熱加工後，依照表2的條件進行冷卻，繼而進行1次或2次退火。此時，熱加工後的冷卻是設定為空氣冷卻，冷卻溫度是以原材料的表面溫度進行管理。另外，退火是藉由將於加熱爐中保持了預定時間的原材料直接於爐中冷卻而進行。繼而，對該些退火材進行50 HRC預硬化的淬火回火所應用的通常的自1030℃起的淬火及350℃的回火，評價淬火回火後的硬度及韌性。韌性的評價是採取10 R夏比衝擊試片，測定室溫下的衝擊值。

利用本發明法所製造的試樣No.1~No.5的模具用鋼材由於將熱加工後的冷卻實施至室溫為止，故隨後的退火後的組織中，沃斯田體晶界上的碳化物變微細(圖1中示出各試樣的退火後的金屬微組織(×400倍))。而且，利用本發明法製造的試樣No.1~No.5的模具用鋼材的此後的淬火回火特性為：於50 HRC以上的硬度下，表現出利用先前法製造的試樣No.6的模具用鋼材的倍數以上的衝擊值。

[實例2]

藉由真空電弧重熔法準備具有表3的化學成分的麻田散體系不鏽鋼的鋼塊。該些鋼塊的Ms點為約200℃，A3點為約800℃。繼而，將該些鋼塊加熱至1100℃~1200℃，進行由上述式所得的加工率如表4所示的熱加工後，冷卻至原材料的表面溫度成為25℃的室溫為止，繼而進行第1次為780℃、第2次為860℃的2次退火。此時，熱加工後的冷卻及退火的要領是依照實例1。然後，對該些退火材進行自1030℃起的淬火及350℃的回火，將硬度調整至約50 HRC，評價韌性。韌性的評價是採取10R夏比衝擊試片，測定於室溫下的衝擊值。

試樣No.11~No.17的模具用鋼材具有幾乎相同的成分組成，但其約50 HRC的硬度下的韌性隨著熱加工時的加工率的增加而提高(圖2中示出加工率與衝擊值的關係)。而且，熱加工後的冷卻實施至室溫為止，此外將熱加工時的加工率提高至55%以上的試樣No.11~No.16的模具用鋼材顯示超過60 J/cm²的衝擊值。

圖1為表示利用本發明法及先前法製造的模具用鋼材的一例的表示退火後的金屬微組織的圖式代用照片。

圖2為表示熱加工時的加工率對本發明法及比較法中製造的模具用鋼材的韌性造成的影響的一例的圖。

Claims

一種韌性優良的模具用鋼材的製造方法，其是對以質量%計而含有0.3%~0.5%的C及12.0%~16.0%的Cr的成分組成的麻田散體系的不鏽鋼原材料進行熱加工，繼而對經上述熱加工的上述不鏽鋼原材料進行退火，其特徵在於：上述熱加工中，以[(熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度-熱加工後的不鏽鋼原材料的厚度)/熱加工前的不鏽鋼原材料的厚度]×100的式子算出的加工率為55%以上；以及將上述熱加工後的不鏽鋼原材料冷卻至Ms點以下的溫度為止、麻田散體組織化後，繼而加熱至退火溫度而進行上述退火，其中上述退火溫度為1000℃以下。
如申請專利範圍第1項所述之韌性優良的模具用鋼材的製造方法，其中上述退火溫度為600℃以上。
如申請專利範圍第1項所述之韌性優良的模具用鋼材的製造方法，其中上述不鏽鋼原材料是藉由重熔法而獲得。
如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之韌性優良的模具用鋼材的製造方法，其中於上述退火後進行淬火回火，製成預硬化狀態的模具用鋼材。