TWI575074B - 模具用鋼材之製造方法、模具用鋼材、模具用預硬材料之製造方法、及模具用預硬材料 - Google Patents

模具用鋼材之製造方法、模具用鋼材、模具用預硬材料之製造方法、及模具用預硬材料 Download PDF

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Description

模具用鋼材之製造方法、模具用鋼材、模具用預硬材料之製造方法、及模具用預硬材料
本發明係關於模具之鋼材，其最適合成形出追求高級的表面性質之製品，例如塑膠製品等，尤其係關於調整成預硬狀態(prehardened state)時之研磨性(polishability)優異的模具用鋼材(mold steel)之製造方法及模具用鋼材。並且，係關於模具用預硬材料(prehardened mold material)之製造方法及模具用預硬材料。
在塑膠製品等物的成形中，多數情況下，模具的表面形狀直接轉印於成形品的表面，並決定最終製品之表面性質。因此，在用來成形出追求表面平滑或美感的製品之模具中，要求將其雕刻面精加工成鏡面。並且，例如成形出塑膠製品的模具，主流係預先準備調整過硬度的預硬鋼，在其表面施加切削、拋光等機械加工，並精加工為雕刻面。所以，用於此種模具的模具用鋼材中，須要優異的研磨性，尤其追求在預硬狀態下的研磨性優異。
本發明中的「研磨性」係關於模具用鋼材之被加工性的性質，係可抑制拋光步驟中的氧化物或氮化物之脫落所致的針孔產生，可將其表面精加工成極為平滑的鏡面狀態之性質。
本案申請人提案出含有C：0.005~0.1質量%、Si：1.5質量%以下、Mn：2.0質量%以下、Cr：3.0以上未滿8.0質量%、Ni：4.0質量%以下、Al：0.1~2.0質量%、Cu：3.5質量%以下、Mo：0.1~1質量%的模具用鋼材(日本特許第3351766號公報)，以及在該模具用鋼材中添加0.001超0.02質量%以下之Mg的模具用鋼材(日本特開2004-091840號公報)，係藉由其特別的成分組成，將淬火回火(quenching and tempering)後的麻田散鐵組織調整成最佳，即使在超過38HRC的高硬度之預硬狀態下也發揮出優異的研磨性。並且，可藉由將無法避免地混入至鋼中的O(氧)限制於0.003質量%以下、N(氮)限制於0.02質量%以下，減低組織中的氧化物及氮化物來更加提昇此優異的研磨性。
上述日本特許第3351766號公報及日本特開2004-091840號公報(以下亦稱「2份文獻」)之模具用鋼材的成分組成，係即使在高硬度的預硬狀態下也能達成優異的研磨性的有用成分組成。並且，在具有此成分組成的模具用鋼材中，上述減低O及N為重要。O及N的量高時，Al2O3及AlN等Al夾雜物(Al inclusion)在組織中增加。並且，此等物若在精加工的加工中脫落，則形成針孔而使研磨性劣化。所以，上述2份文獻中揭示有真空熔解爐之熔解、成分調整手法，來作為可減低O及N的模具用鋼材之製造方法的一例。
真空熔解係在進行溶解於熔融鋼中的O(氧)之去除(脫氧；deoxidation)及N(氮)之去除(脫氮；denitrification)的真空精煉之能力優異，適於製造O之量及N之量低的鋼材。
藉由真空熔解來調整上述2份文獻之模具用鋼材的O之量及N之量，理論上不論處理量均能進行。
但是，在實際作業中，待處理的熔融鋼之量增加為例如數十噸時，藉 由真空熔解中的精煉作用來減低O及N所用的真空處理時間變長，成為製造成本增大的原因。
又，若能確立比習知更加減低模具用鋼材所含的O之量及N之量的製造方法，則能更加提昇模具用鋼材之研磨性，所以希望如此。
所以，本發明之目的在於提供一種模具用鋼材之製造方法，能在短時間有效率地製造出O之量及N之量極低、減低組織中的夾雜物且研磨性優異的模具用鋼材。
又，本發明之目的在於提供一種O之量及N之量極低、減低組織中的夾雜物且研磨性優異的模具用鋼材。
又，本發明之目的在於提供一種模具用預硬材料之製造方法，能在短時間有效率地製造O之量及N之量極低、減低組織中的夾雜物且研磨性優異的模具用預硬材料。
又，本發明之目的在於提供一種O之量及N之量極、減低組織中的夾雜物且研磨性優異的模具用預硬材料。
本案發明人對於具有上述2份文獻之成分組成的模具用鋼材之製造方法進行研討，尤其對於負責脫氧及脫氮的熔解步驟之改良進行檢討。
其結果發現，將能有效率地去除熔融鋼中之氧化物或氮化物的礦渣精煉組合至習知手法即真空精煉的後步驟，(例如在1次熔解中處理噸級熔融鋼的實際作業中亦然)，能穩定地減低精煉後的熔融鋼中之O及N，鑄造後，獲得更加抑制夾雜物之形成的模具用鋼材，進而達成本發明。
亦即，用來解決上述問題的具體方法如下。
<1>一種模具用鋼材之製造方法，其包含以下步驟：第1步驟，準備熔融鋼A，係真空精煉後的熔融鋼，其具有的成分組成含有C：0.005~0.1質量%、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、及Al：超過0而在2.0質量%以下，且O之量係0.005質量%以下、N之量係0.03質量%以下；第2 步驟，對於該熔融鋼A進行礦渣精煉，分別減低該熔融鋼A中的O之量及N之量並獲得熔融鋼B；及第3步驟，用該熔融鋼B進行鑄造。
<2>如<1>之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下。
<3>如<1>或<2>之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B為O之量係0.001質量%以下、N之量係0.01質量%以下。
<4>如<1>~<3>中任一者之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下，該熔融鋼A含有Mn：超過0而在2.0質量%以下。
<5>如<1>~<4>中任一者之模具用鋼材之製造方法，其中，該第2步驟將S添加至該礦渣精煉後的該熔融鋼A並獲得該熔融鋼B。
<6>如<1>~<5>中任一者之模具用鋼材之製造方法，其中，該第1步驟將Al添加至藉由真空精煉而分別將O之量減低至0.005質量%以下、將N之量減低至0.03質量%以下的熔融鋼，俾使該熔融鋼A中的Al之量超過0而在2.0質量%以下，來準備該熔融鋼A。
<7>如<1>~<6>中任一者之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼A中的O之量超過0.0010而在0.005質量%以下，該熔融鋼B中的O之量係在0.0010質量%以下。
<8>如<1>~<7>中任一者之模具用鋼材之製造方法，其中，該第2步驟將Mg添加至該熔融鋼A，俾使該熔融鋼B中的Mg之量超過0而在0.02質量%以下。
<9>如<8>之模具用鋼材之製造方法，其中，該Mg之添加係藉由下述至少其中一者來進行：使用含有MgO的礦渣對於該熔融鋼A進行礦渣精煉；及將Mg合金添加至該熔融鋼A。
<10>一種模具用預硬材料之製造方法，其係藉由如<1>~<9>中任一者之模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，並對於所製造的模具用鋼材施加熱加工而獲得材料，對於施加該熱加工後的材料施加退火，對於已施加退火的材料施加淬火回火。
<11>一種模具用預硬材料之製造方法，其係藉由如<1>~<9>中任一者之模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，並對於所製造的模具用鋼材施 加熱加工而獲得材料，對於施加該熱加工後的冷卻中之材料施加直接淬火，並對於已施加該直接淬火的材料施加回火。
<12>一種模具用鋼材，其係藉由如<1>~<7>中任一者之模具用鋼材之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、及Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
<13>一種模具用鋼材，其係藉由如<8>或<9>之模具用鋼材之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、及Mg：超過0而在0.02質量%以下，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
<14>一種模具用預硬材料，其係藉由如<10>或<11>之模具用預硬材料之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、及Mg：0.02質量%以下(包含不添加的情形)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
依據本發明，能提供一種模具用鋼材之製造方法，在短時間有效率地製造出O之量及N之量極低、減低組織中的夾雜物且研磨性優異的模具。
又，依據本發明，能提供一種O之量及N之量極低、組織中的夾雜物減低且研磨性優異的模具用鋼材。
又，依據本發明，能提供一種模具用預硬材料之製造方法，O之量及N之量極低、組織中的夾雜物減低且研磨性優異的模具用預硬材料。
又，依據本發明，能提供一種O之量及N之N量極低，組織中的夾雜物減低且研磨性優異的模具用預硬材料。
圖1係顯示實施例中用試料No.1的熔融鋼B(礦渣精煉後)進行鑄造而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
圖2係顯示實施例中用試料No.4的熔融鋼B(礦渣精煉後)進行鑄造而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
圖3係顯示實施例中對於用試料No.7的熔融鋼B(礦渣精煉後)先進行鑄造而獲得的鋼塊實施真空電弧再熔解而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
【實施發明之較佳形態】
本說明書中，有時將顯示各成分之量(含有比率)的「質量%」，僅標示為「%」。
本說明書中，以「~」來表示的數值範圍，係表示包含將「~」的前後所記載的數值分別定為最小值及最大值的範圍。
又，本說明書中，以單位「HRC」所示的硬度係表示JIS G 0202所規定的洛氏硬度。
以下詳細說明本發明之模具用鋼材之製造方法、模具用預硬材料之製造方法、模具用鋼材、及模具用預硬材料。
[模具用鋼材之製造方法、模具用預硬材料之製造方法]
本發明之模具用鋼材(以下亦僅稱為「鋼材」)之製造方法具有以下步驟：第1步驟，準備熔融鋼A，係真空精煉後的熔融鋼，其具有的成分組成中含有碳(以下亦稱為「C」)：0.005~0.1質量%、鎳(以下亦稱為「Ni」)：1.0~5.0質量%、鉻(以下亦稱為「Cr」)：3.0~8.0質量%、鉬(以下亦稱為「Mo」)：超過0而在2.0質量%以下、銅(以下亦稱為「Cu」)：超過0而在3.5質量%以下、及鋁(以下亦稱為「Al」)：超過0而在2.0質量%以下，且氧(以下亦稱為「O」)之量係0.005質量%以下、氮(以下亦稱為「N」)之量係0.03質量%以下；第2步驟，對於該熔融鋼A進行礦渣精煉(slag refining)，分別減低該熔融鋼A中的O之量及N之量並獲得熔融鋼B；及第3步驟，用該熔融鋼B進行鑄造。
本發明的模具用鋼材之製造方法亦可因應於必要而具有其他步驟。
依據本發明之模具用鋼材的製造方法，因為對於原本O之量及N之量少的熔融鋼A再施加礦渣精煉，所以可將熔融鋼中的O之量及N之量，有效率地減低且直到極低的量(亦即，熔融鋼之脫氧及脫氮的效率優異)。藉此，可製造出減低了組織中之夾雜物(例如氧化物或氮化物。以下同。)的模具用鋼材。
所獲得的模具用鋼材，因為減低了組織中的夾雜物，所以研磨性優異。再者，切削性亦優異。
所以，依據本製造方法，即使在熔融鋼量多的實際作業之規模下，也能在短時間有效率地製造出研磨性(polishabilty)及切削性(machinability)比原本更優異的成分組成(例如，上述2份文獻所代表的成分組成)之模具用鋼材。
又，依據上述製造方法，因為可在上述2份文獻所記載的成分組成中，將O及N更加減低(例如能將O之量限制於0.001%以下、將N之量限制於0.01%以下)，所以能更加提升研磨性及切削性。
依據以上所述，本發明之模具用鋼材的製造方法，適合作為用於成形 出具有高級的表面性質之製品用的模具之鋼材的製造方法，對於模具產業而言係有用的技術。
以下說明第1~3步驟。
<第1步驟>
第1步驟係準備熔融鋼A之步驟，熔融鋼A係真空精煉後的熔融鋼，其具有的成分組成中含有C：0.005~0.1質量%，Ni：1.0~5.0質量%，Cr：3.0~8.0質量%，Mo：超過0而在2.0質量%以下，Cu：超過0而在3.5質量%以下，及Al：超過0而在2.0質量%以下，且具有O之量係0.005質量%以下、N之量係0.03質量%以下。熔融鋼A中的各成分之量的較佳範圍將後述。
在此第1步驟中，可使用預先準備好的上述熔融鋼A，亦可在每次模具用鋼材的製造中製造上述熔融鋼A。
製造上述熔融鋼A時，該製造可藉由例如日本特許第3351766號公報及日本特開2004-091840號公報所記載的真空精煉之方法來進行。
一般而言，模具用鋼材之成分組成係將原料調合至熔解前的鐵源，或將原料投放至熔解的熔融鋼中，來進行調整。並且，若此等鐵源及原料含有不少的雜質，此即成為鋼材中之O及N增加的一個要因。
所以，本製造方法中，係在負責後述脫氧及脫氮之主幹的第2步驟(礦渣精煉)之前預先準備好熔融鋼A，該熔融鋼A至少調整過構成模具用鋼材的主要元素之量、且藉由真空精煉來預備性地減低O及N(第1步驟)。
具體而言，第1步驟所準備的熔融鋼A中，O之量係0.005%以下、N之量係0.03%以下。
O之量，宜係0.003%以下。又，N之量，宜係0.02%以下。
第1步驟所準備的熔融鋼A中，Al不僅成為最終的模具用鋼材之構成元素，在第2步驟中亦作為脫氧劑及脫氮劑來發揮功能，並且被消耗。因此，就第1步驟所準備之熔融鋼中的Al之量而言，容許比模具用鋼材所須 之量更多的量。
所以，第1步驟所準備之熔融鋼A中的Al之量定為2.0%以下。
並且，此時的Al之量只要含有對於第2步驟中的脫氧及脫氮而言充分的量即可，不須特別的下限。
熔融鋼A中的Al之量宜係0.1%以上。
就第1步驟而言，較佳者係以下形態：將Al添加至藉由真空精煉分別將O之量減低至0.005質量%以下、N之量減低至0.03質量%以下的熔融鋼，俾使該熔融鋼A中的量成為Al：超過0而在2.0質量%以下，來準備該熔融鋼A。
在此形態中，可在熔融鋼中添加Al而幾乎不影響到真空精煉之脫氣效果(詳細為後述)及精煉效率。
在此形態中，更可藉由熔融鋼A中僅存剩餘的O與N以及所添加的Al來形成Al夾雜物。並且，能藉由第2步驟的礦渣精煉來去除Al夾雜物，進而就本製造方法全體而言，能更有效地減低O之量及N之量。
上述，第1步驟中的Al之添加時期，亦可從真空精煉結束後開始，宜在實質上脫氣結束的真空精煉之尾期(例如藉由真空精煉分別將熔融鋼中的O之量減低至0.005質量%以下、N之量減低至0.03質量%以下的階段之後)。
真空精煉所致的脫氧及脫氮，專門藉由熔融鋼中的C與O之反應，及伴隨此反應的沸騰來進行(以下將此等作用亦稱為「脫氣效果」或「脫氣」)。
所以，在真空精煉前添加大量的Al時，有些情況下，該Al將先與脫氣之前的O及N形成夾雜物，降低精煉效率。
所以，若在真空精煉之尾期添加Al，首先而言，不影響原本的脫氣效果。並且，在真空精煉之尾期添加的Al，之後亦與熔融鋼中剩餘的少量之O及N結合，一部分在第2步驟前，即在礦渣精煉前的熔融鋼中形成Al夾雜物。
又，後述第2步驟，即礦渣精煉，係將熔融鋼中的夾雜物提取至礦渣 中，藉以進行熔融鋼之脫氧及脫氮。
所以，若於事前在礦渣精煉前的熔融鋼添加好Al，即可省略添加效率差的從礦渣頂面之Al添加。並且，若亦於事前形成好Al夾雜物，則礦渣精煉的效率提昇。再者，轉而進行礦渣精煉時，若經過將熔融鋼移至別的容器之步驟，因為可藉由其出鋼時大幅攪拌熔融鋼的作用，使添加的Al遍布於熔融鋼的整體，且所形成的Al夾雜物亦浮起，所以在第2步驟的精煉效率更加提昇。並且，若將第2步驟中的礦渣，投放至第1步驟中的真空精煉的尾期及該出鋼時至少其中一個時候的熔融鋼中，即能事前加熱(進而熔融)好礦渣，亦能進行攪拌，所以能進一步提昇在第2步驟下的精煉效率。
第1步驟係藉由真空精煉來製造熔融鋼A的步驟之情形中，真空精煉的時間宜為60分鐘以上，較佳者為90分鐘以上。
真空精煉的時間上限並無特別限制，從生產性的觀點而言，真空精煉的時間宜為180分鐘以下，較佳者為150分鐘以下。
並且本發明的製造方法中，藉由設置後述第2步驟，而可縮短真空精煉的時間(宜為180分鐘以下，較佳者為150分鐘以下)。
就第1步驟所準備的熔融鋼A之成分組成而言係如上所述，但此成分組成中亦可含有矽(以下亦稱為「Si」)：超過0而在3.0%以下。
又，此熔融鋼A的成分組成中亦可含有錳(以下亦稱為「Mn」)：超過0而在2.0%以下。
又，此熔融鋼A的成分組成中亦可含有鈷(以下亦稱為「Co」)：超過0而在1.0%以下。
又，此熔融鋼A的成分組成中亦可含有硫(以下亦稱為「S」)：超過0而在0.05質量%以下。
又，就此熔融鋼A的成分組成而言，在O之量及N之量以外，亦可與後述模具用鋼材之成分組成定為相同組成。
<第2步驟>
第2步驟係對於該熔融鋼A進行礦渣精煉，分別減低該熔融鋼A中的 O之量及N之量並獲得熔融鋼B之步驟。
獲得的熔融鋼B中，O之量宜係0.001%以下。
獲得的熔融鋼B中，N之量宜係0.01%以下。
本發明中，礦渣精煉係使熔融鋼與礦渣接觸而進行的形態之精煉。就上述礦渣而言，可從習知的製鋼用礦渣中適當選擇來使用。
因為真空精煉係藉由上述脫氣效果來進行脫氧及脫氮，所以對於與Al等結合而以夾雜物之狀態存在的O及N之去除而言，效率不佳。
所以，若將以短時間之處理時間來真空精煉的熔融鋼直接鑄造成鋼材，其所含之Al量的一部分形成Al夾雜物，難以將O之量及N之量減低直到極微量。其結果，若真空精煉之處理時間短，則真空精煉後的熔融鋼中剩餘不少的O及N，有可能與此時添加的Al結合而在鑄造後的鋼材中形成許多Al夾雜物。
另一方面，如後所述，本發明之模具用鋼材中的Al之量，係以與Ni形成金屬間化合物使得Al發揮硬度之提昇效果及抗軟化之提昇效果作為前提來調整。
所以，僅藉由真空精煉來進行成分組成調整的習知鋼材中，真空精煉後之熔融鋼中的Al之量即使係目標量，鑄造後，一部分的Al其實也形成Al夾雜物(亦即，相對於Al之量而言，O之量及N之量較高)，而認為無法充分發揮原本的硬度或抗軟化。再者，亦認為因為Al夾雜物的存在而未發揮出原本優異的研磨性。
所以，為使鑄造後的模具用鋼材中的Al係形成金屬間化合物而非夾雜物，在熔解步驟中不僅應該減低處於氣體成分狀態的O或N，還應該積極地減低形成為Al夾雜物之狀態的O及N(亦即Al夾雜物本身)。
在本發明中，對於藉由真空精煉來減低處於氣體成分狀態之O及N的熔融鋼A，再施加礦渣精煉作為第2步驟，藉以將熔融鋼中的Al夾雜物有效率地提取至礦渣中，而能去除Al夾雜物。藉此，能更加減低熔融鋼A中 的O之量及N之量。
並且，仍然剩餘在熔融鋼中的氣體成分之O及N亦在礦渣精煉前所含之Al的一部分作為脫氧劑及脫氮劑而發揮功能，在礦渣精煉的過程使該氣體成分轉變成Al夾雜物，而能有效率地去除產生的Al夾雜物。
以上結果，在利用真空精煉的上述2份文獻之手法中，鋼材中的O之限制量容許直到0.003%，若為組合上述第1步驟與第2步驟而成的本發明，則穩定地提昇脫氧能力，可將O之量管理在低限制值，例如0.001%以下。
又，依據本發明，亦將鋼材中的N管理在低限制值，例如0.01%以下。
另，本發明中，若第2步驟所獲得之熔融鋼B中的Al量變得比鋼材的目標量更低，只要在當時添加不足分量即可。
第2步驟中，礦渣精煉的時間從使得礦渣精煉所致的效果(O之量及N之量的減低效果)更有效果的觀點而言，宜為20分鐘以上，較佳者為40分鐘以上，更佳者為50分鐘以上。
礦渣精煉的時間上限並無特別限制，但從生產性的觀點而言，礦渣精煉的時間宜為180分鐘以下，較佳者為120分鐘以下，更佳者為90分鐘以下。
第2步驟所獲得的熔融鋼B宜含有S：超過0而在0.05質量%以下。
藉此可形成該S與熔融鋼B中的其他元素結合的硫化物，進而能更加提昇所製造的鋼材之切削性。
此時，熔融鋼B中的S之量宜為0.003%以上，較佳者為0.004%以上。
又，從抑制硫化物的粗大化、提昇抗蝕性的觀點而言，熔融鋼B中的S之量宜為0.05%以下，更佳者為0.01%以下。
熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下時，尤其為佳的形態係第1步驟所準備的熔融鋼A含有Mn：超過0而在2.0質量%以下的形態。
在此形態中，熔融鋼B亦可含有Mn：超過0而在2.0質量%以下，藉此，第2步驟後中，可形成S與Mn結合的硫化物，進而能更加提昇所製 造的鋼材之切削性。
熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下之情形，該S可預先包含於熔融鋼A(礦渣精煉前)中，亦可於礦渣精煉中或礦渣精煉後(宜為礦渣精煉後)添加至熔融鋼A。
宜在第2步驟中，將S添加至礦渣精煉後的熔融鋼A並獲得熔融鋼B。
藉此，能將S添加至熔融鋼中而幾乎不影響礦渣精煉所致的效果(O之量及N之量的減低效果)。
此形態中，宜將S添加至礦渣精煉後的熔融鋼A，俾使熔融鋼B中的S之量成為超過0而在0.05質量%以下。
又，就第2步驟中O之量減低的一例而言，舉例熔融鋼A中的O之量為超過0.0010而在0.005質量%以下，熔融鋼B中的O之量為0.0010質量%以下。
在第2步驟中，可將Mg添加至該熔融鋼A(較佳者為將Mg添加至該熔融鋼A，俾使該熔融鋼B中的Mg之量成為超過0而在0.02質量%以下)。
藉由添加Mg，在第2步驟去除包含Al2O3的Al夾雜物，另一方面，可將殘存的微少量之Al2O3的夾雜物形態轉變成MgO系的微小氧化物。藉此，能更加提昇鋼材之研磨性。
又，藉由添加Mg，可形成MgS系的微小夾雜物來更加提昇鋼材之切削性。
另，Mg係容易蒸發的元素，以金屬Mg的形態投放至熔融鋼時，有些情況下將會立刻進行氣化。
所以，在第2步驟中將Mg添加至該熔融鋼A時，宜藉由下者至少其中之一來進行：使用含有MgO的礦渣對於熔融鋼A進行礦渣精煉；及，將Mg合金添加至熔融鋼A。
使用含有MgO的礦渣進行礦渣精煉時，該MgO於礦渣精煉中受到還元，並將該還元所產生的Mg添加至熔融鋼A。
第2步驟所獲得的熔融鋼B之成分組成，在O之量及N之量以外，可定為與熔融鋼A相同的成分組成。
熔融鋼B之成分組成亦可含有Si：超過0而在3.0%以下。
又，熔融鋼B的成分組成亦可含有Mn：超過0而在2.0%以下。
又，熔融鋼B的成分組成亦可含有Co：超過0而在1.0%以下。
又，就熔融鋼B的成分組成而言，亦可與後述模具用鋼材之成分組成定為相同的組成。
<第3步驟>
第3步驟係用第2步驟所獲得的熔融鋼B(調整過成分組成的熔融鋼)進行鑄造之步驟。藉由此第3步驟來獲得鋼塊(模具用鋼材)。
就鑄造的手法而言，在使用錠模的普通造塊法以外，還有連續鑄造法、對於先鑄造後的鋼塊實施的真空電弧再熔解法、或電力礦渣再熔解法等，其手法不論。
第3步驟所獲得的鋼塊可直接使用作為模具用鋼材。
又，第3步驟所獲得的鋼塊，可以因應於必要而再經過下述其他步驟之後使用作為模具用鋼材。
本發明的模具用鋼材之製造方法亦可因應於必要而具有其他步驟。
就其他步驟而言，舉例如有對於第3步驟所獲得的鋼塊施加鍛造或滾軋等熱加工之步驟。可藉由此種步驟來精加工成為期望形狀的模具用鋼材。
又，作為預硬狀態的模具用鋼材(模具用預硬材料)時，例如，可在對於熱加工後施加過退火的材料施加淬火後，或者，對於熱加工後的冷卻中材料直接施加淬火後施加既定的回火。藉此可獲得例如為35HRC以上或38HRC以上的模具用預硬材料。
鑄造後的鋼塊(模具用鋼材)組織中之夾雜物的分布狀況，亦反映於經過上述步驟而獲得的預硬狀態之模具用鋼材(模具用預硬材料)的組織中。
所以，就模具用鋼材而言，製造出O之量及N之量低，組織中的夾雜 物係微小且少量的鋼塊，並以適當條件加工及熱處理該鋼塊，藉而能獲得研磨性優異的模具用預硬材料。
亦即，本發明中，第1模具用預硬材料的製造方法，係藉由上述本發明的模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，對於所製造的模具用鋼材施加熱加工(hot working)而獲得材料，並於施加過該熱加工之後的材料施加退火(annealing)，且對於施加過退火的材料施加淬火回火(quenching and tempering)之製造方法。
又，本發明中，第2模具用預硬材料之製造方法，係藉由上述本發明的模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，對於所製造的模具用鋼材施加熱加工而獲得材料，並於施加過該熱加工之後的冷卻中材料施加直接淬火，且對於施加過該直接淬火的材料施加回火之製造方法。
依據第1及第2模具用預硬材料之製造方法，獲得與上述本發明之模具用鋼材之製造方法所獲得之效果相同的效果。
尤其，藉由第1及第2模具用預硬材料之製造方法，可在短時間有效率地製造在預硬狀態下並且顯示優異的研磨性之模具用預硬材料。
[模具用鋼材、模具用預硬材料]
本發明的模具用鋼材含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、及Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、(及宜為Mg：超過0而在0.02質量%以下)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
依據本發明之模具用鋼材，藉由O之量及N之量極低來減低組織中的夾雜物。藉此，相較於習知的模具用鋼材(例如，上述2份文獻中記載的模具用鋼材)而言，更加提昇研磨性及切削性。
本發明的模具用鋼材可藉由上述本發明之模具用鋼材之製造方法而良好地製造。
又，本發明之模具用鋼材之成分組成的細節將後述。
本發明之模具用預硬材料含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、Mg：0.02質量%以下(包含不添加的情形)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
依據本發明之模具用預硬材料，獲得與本發明之模具用鋼材同樣的效果。尤其，本發明之模具用預硬材料在預硬狀態下顯示優異的研磨性。
本發明之模具用預硬材料係藉由上述的本發明之模具用預硬材料之製造方法而良好地製造。
又，本發明之模具用預硬材料之成分組成的細節將後述。
[模具用鋼材及模具用預硬材料之成分組成]
其次說明宜於達成優異的研磨性之模具用鋼材及模具用預硬材料的成分組成(質量%)。
以下有時將模具用鋼材及模具用預硬材料合稱為「材料」。
又，有時將本發明之模具用鋼材之製造方法及本發明之模具用預硬材料之製造方法合稱「本發明之製造方法」。
．C：0.005~0.1%
C係對於防止肥粒鐵產生、提昇硬度、強度而言有效的元素。
但是，過多時形成碳化物，成為切削時的刀具磨耗增長的原因。又，因為減少母材中的Cr量，所以抗蝕性劣化。
所以，材料中的C之量宜為0.005~0.1%。
C之量，較佳者為0.01%以上。
另一方面，C之量，較佳者為0.08%以下。
．Si：超過0而在3.0%以下
Si通常用來作為熔解步驟中的脫氧劑。
並且，含有Si使得材料中母材的硬度提昇並改善切削性，但就反面而言，使得靭性降低。
所以，考慮到此等的作用平衡，材料中的Si之量宜為3.0%以下。Si之量較佳者為2.0%以下，更佳者為1.5%以下。
另一方面，Si之量，較佳者為0.05%以上，更佳者為1.0%以上。
．Mn：超過0而在2.0%以下
Mn係與Si同樣用來作為脫氧劑。並且，Mn具有提高淬火性阻止肥粒鐵產生的作用。
又，於材料含有充分量的S時，係形成MnS系的硫化物而提高切削性的元素。
但是，材料中Mn過多時，組織的延展性增加，切削性降低。
所以，材料中的Mn之量宜為2.0%以下。Mn之量較佳者為1.0%以下。
另一方面，Mn之量，較佳者為0.1%以上。
．S：0.05%以下
S係與Mn或後述的Mg結合而形成硫化物，提昇切削性。
但是，過多時，因為助長硫化物的粗大化，並且粗大的硫化物易成為孔洞蝕的起點，所以抗蝕性劣化。
所以，即使添加S時，材料中的S之量亦宜為0.05%以下。S之量較佳者為0.01%以下。
另一方面，添加S時，材料中的S之量宜為0.003%以上，較佳者為0.004%以上。
．Ni：1.0~5.0%
Ni具有降低變態點，使淬火冷卻時的麻田散鐵變態均勻進行的作用。又，具有與後述的Al形成金屬間化合物並析出，提高硬度或抗軟化的作用。
但是，過多時，產生沃斯田鐵，使得切削性劣化。
所以，材料中的Ni之量宜為1.0~5.0%。
Ni之量，較佳者為2.0%以上。
另一方面，Ni之量，較佳者為3.8%以下。
．Cr：3.0~8.0%
Cr係對於給予抗蝕性而言有效的元素，並且係為了獲得切削性優異的組織而必須加以限制之元素。
因為Cr在約未滿3%，並且約超過8%，淬火冷卻時的麻田散鐵變態前，助長初析肥粒鐵之析出，所以切削性降低。並且，此初析肥粒鐵之析出亦成為其次剩餘沃斯田鐵變態成麻田散鐵時的變態應變之要因，更加使切削性降低。
所以，材料中的Cr之量宜為3.0~8.0%。
Cr之量，較佳者為3.5%以上。
另一方面，Cr之量，較佳者為7.0%以下，更佳者為5.0%以下。
．Mo：超過0而在2.0%以下
Mo係固溶於母材中而強化鈍態皮膜，對於提昇抗蝕性而言極為有效的元素。又，藉由與C結合而形成微小複合碳化物，具有抑制以Cr為主體形成的M7C3型碳化物之粗大化的顯著效果，對於靭性的提昇及針孔的減輕發揮作用。
但是，過多時形成多量的碳化物，增加切削或精細加工時的刀具磨耗。
所以，材料中的Mo之量，宜為2.0%以下。Mo之量，較佳者為1.5%以下。
另一方面，Mo之量，較佳者為0.1%以上，更佳者為0.5%以上。
．Cu：超過0而在3.5%以下
Cu產生固溶有少量Fe的固溶體(ε相)，與上述的Ni同樣有益於析出硬化。
但是，過多時，靭性及熱加工性降低。
所以，材料中的Cu之量宜為3.5%以下。Cu之量，較佳者為1.5%以 下，更佳者為1.0%以下。
另一方面，Cu之量，較佳者為0.3%以上。
．Al：0.1~1.5%
Al如上所述，與Ni形成金屬間化合物並析出，具有提高硬度及抗軟化的作用。
但是，過多時，形成粗大且堅硬的氧化物系夾雜物，成為切削及精細加工時的刀具磨耗之原因。又，亦成為鏡面拋光性、紋路加工性(crepability)劣化的原因。
所以，材料中的Al之量，宜為0.1~1.5%。
Al之量，較佳者為0.5%以上。
另一方面，Al之量，較佳者為1.2%以下。
．Co：1.0%以下(包含不添加的情形)
本發明之材料中亦可添加1.0%以下的Co。
在處理噸級熔融鋼的實際作業中，模具用鋼材含有亦可不添加的0.5%左右以下的Co。並且，Co固溶於母材中而提昇2次硬化性與抗蝕性，並且抑制Cr為主體而形成的M7C3型之碳化物的粗大化，使此碳化物及NiAl金屬間化合物微小析出至母材中，改善靭性。
．O：0.001%以下
O係無法避免地存在於材料中，形成氧化物的元素。氧化物使得用來製造材料的冷間塑性加工性，及用來精加工模具表面的研磨性降低下。
所以，材料中的O宜將上限限制於0.001%。較佳者為0.0005%以下。並且，此材料中減低至極微量的O之量，可藉由上述的本發明之製造方法，穩定且有效率地來達成。
．N：0.01%以下
N係無法避免地存在於材料中，形成氮化物的元素。尤其，含有Al的本發明之材料時，形成的AlN氮化物使得鋼材的靭性、切削性及研磨性顯 著劣化。所以，本發明之材料中的N宜限於0.01%以下。較佳者為0.005%以下，更加者為0.002%以下。
鋼中的N之固溶度係大幅受到Cr之量所左右。亦即，熔解步驟中，Cr量的增加使得熔融鋼中的N之固溶度增加。例如，1500℃的熔融鋼中，Cr量約2%時的N之固溶限係220ppm左右，Cr量成為約3%時，其增加至280ppm左右。並且，Cr量成為5%時，固溶限將擴大至超過300ppm。
所以，對於含有3.0%以上之Cr的本發明之材料而言，用來將N量減低至上述限制值內的熔解方法係為重要。並且，減低至此極微量的N量可藉由上述的本發明之製造方法來穩定且有效率地達成。
．Mg：0.02%以下
對於成形大型且表面高級的製品之模具的實用化而言，其雕刻面追求例如#3000以上的高等級之鏡面精加工表面，所以，模具用鋼材必須有優異的研磨性。
但是，鋼材中存在有多量塊狀且易於凝集的Al2O3系之粗大的夾雜物匙時，其易於鏡面拋光中脫落，產生能容易目視確認程度的針孔，成形製品的表面等級不佳。
所以，添加於鋼材中的Mg，因為與O之親和力係大於Al，所以與鋼中的O結合而形成MgO系的氧化物，抑制成為研磨性劣化之原因的Al2O3之形成。並且，MgO系夾雜物難以凝集，即使残留於鋼中，相較於容易在鋼中凝集、粗大化的Al2O3而言，亦能達成夾雜物之微小化效果。
又，Mg與S而形成MgS系的夾雜物。
習知，在含有Mn的鋼種中，藉由使MnS析出至組織中來提昇切削性。
但是，MnS難以為微小化，為了使切削性提昇而添加多量的Mn與S時，產生源自於硫化物的針孔，使得研磨性劣化。相對於此，因為MgS系的夾雜物微小、容易分散化，所以可利用少量添加而產生、分布作為研削屑之切斷起點的硫化物。
其中，Mg的添加在符合本成分系的O與S以上時，熱加工性劣化。
依據上述，在本發明中，宜將Mg添加0.02%以下。更佳者為0.005%以上之添加。並且，對於含有Al的本發明之材料而言，此適量的Mg量之添加可藉由上述的本發明之製造方法來穩定且有效率地達成。
【實施例】
以下，藉由實施例具體說明本發明，本發明不限於此等實施例。
[本發明例]
(第1步驟)
分別準備下述表1所示的試料No.1~7之熔融鋼A。
表1中的成分組成(質量%)係從熔融鋼A採取的試料之成分組成。
詳細而言，調整成既定成分組成的25t熔融鋼，在1kPa以下的真空度實施約120分鐘的真空精煉，準備出熔融鋼A(第1步驟)。
期間，真空精煉的尾期，確認熔融鋼中的O及N降低了(具體而言，熔融鋼中分別減低為O之量0.005質量%以下、N之量係0.03質量%以下)之後，將Al及CaO礦渣添加至熔融鋼中。
並且，將真空精煉結束之後的熔融鋼(熔融鋼A)移至礦渣精煉用的取鍋。
(第2步驟)
對於移至礦渣精煉用之取鍋的熔融鋼A，實施使用CaO礦渣的礦渣精煉約60分鐘。將S(硫)添加至實施上述礦渣精煉後的熔融鋼，獲得熔融鋼B(以上，第2步驟)。
上述礦渣精煉中，在試料No.4中，更將MgO加入至礦渣中。
又，上述礦渣精煉中，在試料No.5及6，係將Ni-Mg合金投放至熔融鋼中，貫穿CaO礦渣。
(第3步驟)
分別用試料No.1~6的熔融鋼B進行鑄造，製造模具用鋼材(第3步驟)。
試料No.1~6的熔融鋼B之成分組成(亦即，鑄造後的模具用鋼材之成 分組成)顯示於表1。
試料No.7中，對於用熔融鋼B先進行鑄造而獲得的鋼塊實施真空電弧再熔解法來製造模具用鋼材(以下亦稱為「真空電弧再熔解後之模具用鋼材」)。表1中，試料No.7記有熔融鋼B的成分組成，並且記有真空電弧再熔解後之模具用鋼材的成分組成。
[習知例]
分別用試料No.1~7之熔融鋼A進行鑄造，製造模具用鋼材(習知例)。
此等習知例相當於不實施礦渣精煉、僅使用真空熔解爐之成分調整所致的習知模具用鋼材之製造方法。
~表1之說明~
．No.1~No.7中不添加Co。
．No.1~No.3及No.7中不添加Mg。
．No.1~No.7中，Fe之量「Bal.」(Balance)係顯示從100質量%中減去表1中的各成分及無法避免的雜質之總計量(質量%)後的量。
如表1所示，依據本發明之製造方法所得的熔融鋼B之成分組成，與相當於習知製造方法的熔融鋼A之成分組成相較而言，係將脫氧(O之量的減低)及脫氮(N之量的減低)進行直到極微量。
例如，熔融鋼A(及用熔融鋼A鑄造而獲得的模具用鋼材)中的O之量為十數ppm之層級，但熔融鋼B(及用熔融鋼B進行鑄造而獲得的模具用鋼材)中的O之量為數ppm之極微量的層級。
在試料No.7之模具用鋼材(真空電弧再熔解後)中，與試料No.7的熔融鋼B相較而言，O之量及N之量更加減低。
又，任一熔融鋼中，Al量均維持0.8%(目標值)或0.9%。
又，在本發明例之模具用鋼材中，與習知例之模具用鋼材相較而言，鋼塊組織中的夾雜物少，且夾雜物微小。
圖1係顯示用試料No.1之熔融鋼B(礦渣精煉後)進行鑄造而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
圖2係顯示用試料No.4之熔融鋼B(礦渣精煉後)進行鑄造而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
圖3係顯示對於用試料No.7之熔融鋼B(礦渣精煉後)先進行鑄造而獲得的鋼塊進行真空電弧再熔解而獲得的鋼塊(本發明例)之組織的光學顯微鏡照片。
圖1~3中，組織中特地利用黑點確認者係夾雜物。
並且，尤其在圖3(試料No.7)中，夾雜物少且夾雜物微小。
試料No.1~7之鋼塊組織中的夾雜物之分布狀況，亦反映於其後經由 熱加工或熱處理而獲得之預硬狀態的模具用材料之組織中。亦即，預硬狀態的模具用材料之組織中亦成為夾雜物少且夾雜物微小。
如以上所示，依據本發明，達成具有日本特許第3351766號公報及日本特開2004-091840號公報之成分組成的模具用材料之優異的研磨性，且能期待進一步的研磨性之提昇。
本說明書引用日本專利申請案特願2012-073095號案之全部揭示內容。
本說明書所記載的全部文獻、專利申請案、及技術規格，係將各文獻、專利申請案、及技術規格藉由引用方式，以等同分別具體記載的程度引用至本說明書中。

Claims (13)

  1. 一種模具用鋼材之製造方法，其包含以下步驟：第1步驟，準備熔融鋼A，係真空精煉後的熔融鋼，其具有的成分組成含有C：0.005~0.1質量%、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、及Al：超過0而在2.0質量%以下，且O之量係0.005質量%以下、N之量係0.03質量%以下；第2步驟，對於該熔融鋼A進行礦渣精煉，分別減低該熔融鋼A中的O之量及N之量，而獲得熔融鋼B；及第3步驟，用該熔融鋼B進行鑄造；且該第1步驟將Al添加至藉由真空精煉而分別將O之量減低至0.005質量%以下、將N之量減低至0.03質量%以下的熔融鋼，俾使該熔融鋼A中的Al之量超過0而在2.0質量%以下，來準備該熔融鋼A。
  2. 如申請專利範圍第1項之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B為O之量係0.001質量%以下、N之量係0.01質量%以下。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼B含有S：超過0而在0.05質量%以下，該熔融鋼A含有Mn：超過0而在2.0質量%以下。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之模具用鋼材之製造方法，其中，該第2步驟將S添加至該礦渣精煉後的該熔融鋼A，而獲得該熔融鋼B。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之模具用鋼材之製造方法，其中，該熔融鋼A中的O之量超過0.0010而在0.005質量%以下，該熔融鋼B中的O之量係在0.0010質量%以下。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之模具用鋼材之製造方法，其中，該第2步驟將Mg添加至該熔融鋼A，俾使該熔融鋼B中的Mg之量超過0而在0.02質量%以下。
  8. 如申請專利範圍第7項之模具用鋼材之製造方法，其中，該Mg之添加係藉由下述至少其中一者來進行：使用含有MgO的礦渣對於該熔融鋼A進行礦渣精煉；及將Mg合金添加至該熔融鋼A。
  9. 一種模具用預硬材料之製造方法，其係藉由如申請專利範圍第1~8項中任一項之模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，對於所製造的模具用鋼材施加熱加工而獲得材料，對於施加該熱加工後的材料施加退火，並對於已施加退火的材料施加淬火回火。
  10. 一種模具用預硬材料之製造方法，其係藉由如申請專利範圍第1~8項中任一項之模具用鋼材之製造方法來製造模具用鋼材，對於所製造的模具用鋼材施加熱加工而獲得材料，對於施加該熱加工後的冷卻中之材料施加直接淬火，並對於已施加該直接淬火的材料施加回火。
  11. 一種模具用鋼材，其係藉由如申請專利範圍第1~6項中任一項之模具用鋼材之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、及Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
  12. 一種模具用鋼材，其係藉由如申請專利範圍第7或8項之模具用鋼材之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、及Mg：超過0而在0.02質量%以下，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
  13. 一種模具用預硬材料，其係藉由如申請專利範圍第9或10項之模具用預硬材料之製造方法所製造，含有C：0.005~0.1質量%、Si：超過0而在3.0質量%以下、Mn：超過0而在2.0質量%以下、S：0.05質量%以下(包含不添加的情形)、Ni：1.0~5.0質量%、Cr：3.0~8.0質量%、Mo：超過0而在2.0質量%以下、Cu：超過0而在3.5質量%以下、Al：0.1~1.5質量%、Co：1.0質量%以下(包含不添加的情形)、及Mg：0.02質量%以下(包含不添加的情形)，且分別將O之量限制於0.001質量%以下、N之量限制於0.01質量%以下，剩餘部分係由Fe及無法避免的雜質所構成。
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