專(zhuān)利名稱(chēng)：具有優(yōu)良的機(jī)加工性能的高強(qiáng)度模具用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高強(qiáng)度及優(yōu)良的機(jī)加工性能的，含有馬氏體顯微組織的模具用鋼。
按常規(guī)，用于模具的預(yù)硬化鋼是公知的，如，用于模制塑料的模具。這種模具所用的預(yù)硬化鋼與常規(guī)的模具用鋼不同，經(jīng)過(guò)調(diào)整以具有預(yù)定的硬度，經(jīng)后續(xù)的機(jī)加工而得到作為最終產(chǎn)品的模具而無(wú)需進(jìn)一步的淬火處理，而所述的常規(guī)的模具鋼則經(jīng)受退火、機(jī)加工和淬火過(guò)程，以便提高其強(qiáng)度和硬度。
因此，雖然該預(yù)硬化鋼可具有保證高強(qiáng)度和高耐磨性的高硬度，從而可適用于作模具等產(chǎn)品，但又要求它具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，而該性能與上述各種性能是相抵觸的。
例如，于JP-A-5-70887，JP-A-7-278737等中所述，已有具有上述性能的公知材料，它們通過(guò)使添加的Ni、Al、Cu等的析出作用而被改善，從而具有高強(qiáng)度，然后經(jīng)調(diào)整而具有機(jī)加工性能良好的貝氏體顯微組織。
這種金屬組織的初始顯微組織為貝氏體的預(yù)硬化鋼在體現(xiàn)高硬度及相當(dāng)好的機(jī)加工性能方面是有效果的。
因此，無(wú)需使這種預(yù)硬化鋼在機(jī)加工后經(jīng)受淬火處理，因而便于用于模具制造。
但，在制造該鋼的產(chǎn)品時(shí)，在調(diào)整該鋼以具有貝氏體顯微組織的熱處理過(guò)程中，需控制冷卻速度，而所需多個(gè)熱處理步驟是不利于這種用于得到貝氏體顯微組織的調(diào)節(jié)。此外，近年有一種對(duì)模具必須具有耐腐蝕性，高強(qiáng)度以及更長(zhǎng)壽命的要求趨勢(shì)。
另一方面，其組織的初始顯微組織為馬氏體的鋼一直被用于各種用途，使這種鋼的特殊性能有最大的應(yīng)用，這些性能可以通過(guò)與從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的比較的高速冷卻處理，同時(shí)避免初始鐵素體、珠光體和貝氏體相存在而獲得的。
有一些這類(lèi)已知的用于模具的鋼，其中的一個(gè)實(shí)例示于JP-A2-3-501752中，其化學(xué)成份中包括0.01～0.1％的C、不大于2％的Si、0.3～3.0的Mn、1～5％的Cr、0.1～1％的Mo、1～7％的Ni以及1.0～3.0％的Al和1.0～4.0％的Cu中的至少一種。
它在時(shí)效之前具有條狀馬氏體的顯微組織及30～38HRC的硬度，而且為提高硬度而易于經(jīng)受后續(xù)的熱處理。
但，也是在JP-A2-501752的情況下，沒(méi)有考慮到對(duì)具有較高的，超過(guò)38HRC硬度的馬氏體鋼的加工。
這是因?yàn)樵跈C(jī)加工性能方面，認(rèn)為馬氏體顯微組織方面有難題，而且因?yàn)樵谡{(diào)整到具有高硬度的馬氏體后，機(jī)加工是不可想像的。
為解決上述難題，本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度鋼，它在機(jī)加工性能方面有所提高而又有無(wú)損于強(qiáng)度和延展性之間的優(yōu)良平衡的優(yōu)越性能，因而該鋼可作為預(yù)硬化材料用于模具，尤其是用于模壓塑料的模具。
本發(fā)明人針對(duì)該鋼檢驗(yàn)了機(jī)加工性能和韌性以及耐腐蝕性之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將該鋼調(diào)整到具有最佳的化學(xué)成份，以控制在淬火時(shí)自?shī)W氏體轉(zhuǎn)變而成的馬氏體顯微組織及在淬火和回火過(guò)程中金屬間化合物和碳化物的析出行為來(lái)使機(jī)加工性能大為提高而又無(wú)損于韌性，從而推出本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種具有優(yōu)良機(jī)加工性能的高強(qiáng)度模具用鋼，它主要由(％重量)0.005～0.1％的C、不大于1.5％的Si、不大于2.0的Mn、從3.0至小于8.0％的Cr、不大于4.0％的Ni、0.1～2.0％的Al、不大于3.5％的Cu及余量的Fe及不可避免的，包括N和O的雜質(zhì)，而且它具有初始顯微組織是馬氏體的金屬組織，其中作為雜質(zhì)的氮和氧的量被分別限于不大于0.02％的氮和不大于0.003％的氧。
按本發(fā)明就可能改善厚件切割的機(jī)加工性能、精密的電火花加工性能及高精度的拋光性能，這是通過(guò)使該鋼滿足下式所限定的值而達(dá)到的該值＝(7.7×C(％重量))+(2.2×Si(％重量))+(271.2×S(％重量))≥2.5，其中該值不大于6則更佳。
本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼可任選地含有(％重量)不大于1％的Mo、不大于1％的Co、不大于0.5％的V和Nb中的至少一種及不大于0.20％的S。


圖1示意性地表示本發(fā)明鋼的金屬顯微組織；
圖2A表示本發(fā)明鋼的一個(gè)實(shí)例中的金屬顯微組織的光學(xué)顯微鏡照片；圖2B是圖2A照片的示意性圖解；圖3A表示具有高碳含量的對(duì)比鋼的典型金屬顯微組的照片的實(shí)例；圖3B是圖3A照片的示意性圖解；圖4表示具有低Cr含量的對(duì)比鋼的典型金屬顯微組織照片的實(shí)例及其圖2A照片的示意性圖解；圖5表示本發(fā)明鋼的金屬顯微照片的一個(gè)實(shí)例，在該照片中，晶界處的碳化物被處理得清晰可見(jiàn)；圖6表示本發(fā)明的，添加了Mo的鋼的金屬顯微組織照片的一個(gè)實(shí)例，在該照片中，晶界處的碳化物被處理得清晰可見(jiàn)；圖7表示本發(fā)明的，添加了Co的鋼的金屬顯微組織照片的一個(gè)實(shí)例，在該照片中，晶界處的碳化物被處理得清晰可見(jiàn)；圖8表示了本發(fā)明的，同時(shí)添加了Mo和Co的鋼的金屬顯微照片的一個(gè)實(shí)例，在該照片中，晶界處的碳化物被處理得清晰可見(jiàn)。
如上所述，提供了一種模具用鋼，通過(guò)將該鋼調(diào)整得具有最佳的化學(xué)成份，從而使其具有優(yōu)良的機(jī)加工性能及耐腐蝕性，更好是具有優(yōu)良的厚件切割性能、電火花加工性能及拋光性能，同時(shí)還具有堅(jiān)硬的及高強(qiáng)度的馬氏體顯微組織。
馬氏體顯微組織通?？捎么慊鹛幚慝@得。但因本發(fā)明的鋼含有不小于3％的Cr，所以它容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。因此，還可能通過(guò)直接淬火得到馬氏體，淬火時(shí)，該鋼在熱處理后以高于空冷的冷卻速度冷卻。
本發(fā)明鋼的化學(xué)成份的特點(diǎn)如下C0.005～0.1％為保證本發(fā)明鋼在機(jī)加工性能方面的基本改善，經(jīng)選定的相當(dāng)?shù)偷奶己渴侵匾?。為使馬氏體領(lǐng)域(Packet)增大，降低碳含量是有效的，該領(lǐng)域是馬氏體顯微組織的單元，而且降低碳含量對(duì)于鋼具有硬的馬氏體顯微組織的同時(shí)提高機(jī)加工性能而言是重要的因素。
具體地說(shuō)，本發(fā)明的鋼具有圖1中所示的顯微組織，其中1指條狀馬氏體、2是區(qū)段(block)，3是領(lǐng)域，4是先前的奧氏體晶界，其中一個(gè)奧氏體晶粒被分成若干個(gè)領(lǐng)域，而每個(gè)領(lǐng)域又被分成若干個(gè)一般是平行的條狀區(qū)段。
領(lǐng)域是由很多條(條狀馬氏體)的組所組成區(qū)域，它們沿相互平行的方向排列(即它們有相同的晶面，而區(qū)段是由一組條(條狀馬氏體))構(gòu)成的區(qū)域，這些條相互平行，并具有相同的結(jié)晶取向。
因此領(lǐng)域和區(qū)段是基本的組織單元，它們是體現(xiàn)馬氏體的韌性的原因。在本發(fā)明的鋼中，據(jù)信韌性主要由領(lǐng)域確定，因?yàn)閰^(qū)段的生長(zhǎng)不充分。具體地說(shuō)，本發(fā)明的鋼具有圖1所示的組織。
當(dāng)降低碳含量時(shí)，溶解的碳減少，因而轉(zhuǎn)變應(yīng)力下降，該應(yīng)力出現(xiàn)于從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，因而減少了領(lǐng)域的結(jié)合，領(lǐng)域是因應(yīng)力消除機(jī)理而形成的。因?yàn)榇蟮念I(lǐng)域降低了機(jī)加工，如切削過(guò)程中的斷裂應(yīng)力，所以它們減少了切削阻力并改善了加在切削工具上的負(fù)荷。因此，即使其組織是堅(jiān)硬的馬氏體，也可確保優(yōu)良的機(jī)加工性能。
此外，碳防止形成鐵素體，而且它對(duì)于改善硬度和強(qiáng)度是有效的。要求碳含量不小于0.005％。當(dāng)碳含量大于0.1％時(shí)，它形成碳化物，當(dāng)切削時(shí)，碳化物增加工具的磨損，或由于減少了基體中的Cr含量而惡化了耐腐蝕性能。因此，為進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)加工性能而又無(wú)損于上述的功能，碳含量不應(yīng)大于0.1％，更好是小于0.05％。
Cr3.0～小于8.0％。
對(duì)于使鋼具有耐腐蝕性能，Cr是有效的，因而，為了獲得具有良好機(jī)加工性能的金屬組織，要求對(duì)Cr含量有所限制。當(dāng)Cr含量小于3％或大于8％時(shí)，因初始鐵素體在馬氏體轉(zhuǎn)變前析出而使機(jī)加工性能惡化。此外，因在初始鐵素體析出時(shí)溶解碳被帶入基體中，所以基體中的溶解碳增加，從而導(dǎo)致在后續(xù)的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中轉(zhuǎn)變應(yīng)力增大。
由于這種原因，上述領(lǐng)域尺寸變小，從而惡化了機(jī)加工性能。
因此，在本發(fā)明的鋼中，鉻含量限于3.0～小于8.0％的范圍，更好是限于3.5％～7.0％的范圍。
N不大于0.02％。
本發(fā)明的鋼含有較大的，不小于3.0％的Cr。提高Cr含量則提高了氮在鋼水中的溶解度。例如，當(dāng)Cr含量為約2％時(shí)，1500℃時(shí)的氮溶解度為約220ppm。在約3％的Cr的情況下，該溶解度上升到280ppm。在5％的Cr的情況下，該溶解度超過(guò)300ppm。
氮(N)在鋼中形成氮化物。尤其是在鋼中含Al的情況下，就象本發(fā)明的鋼一樣，AlN使得由該鋼制成的模具的韌性、機(jī)加工性能及拋光性能大為惡化。因此，在含Cr的本發(fā)明的鋼中，將氮含量限制在低水平是重要的。
按本發(fā)明，為進(jìn)一步改善韌性、機(jī)加工性能及拋光性能，將氮含量限于不大于0.02％，更優(yōu)選是不大于0.005％，最好是不大于0.002％。
O不大于0.003％，優(yōu)選是不大于0.001％。
氧(O)在鋼中形成氧化物。當(dāng)氧含量大于0.003％時(shí)，冷態(tài)塑性加工性能和拋光性能明顯惡化。因此，氧含量的上限為0.003％。為改進(jìn)拋光性能，氧含量最好不大于0.001％。
Si不大于1.5％通常Si被用作脫氧劑。它在惡化韌性的同時(shí)還改善機(jī)加工性能?？紤]到上述兩種功能間的平衡，為提高基體的硬度而又不損害上述兩種功能間的平衡，Si含量?jī)?yōu)選是不大于1.5％，更好是大于0.05％和不大于1.5％。
Mn不大于2.0％Mn象Si一樣是脫氧劑，并具有通過(guò)增強(qiáng)硬化能力而防止鐵素體形成的功能。但，過(guò)量的Mn提高延展性，從而降低了機(jī)加工性能。因此將Mn含量限于不大于2.0％。
Ni1.0～4.0％當(dāng)冷卻時(shí)，Ni具有降低轉(zhuǎn)變溫度的功能，從而均勻地形成初始的馬氏體顯微組織；以及使含Ni的金屬間化合物形成并析出，從而提高了硬度。若Ni含量小于1.0％，則不能期待這類(lèi)功能。即使它超過(guò)4.0％，Ni的作用將不會(huì)因其含量(提高)而變得更明顯。此外，超過(guò)4.0％的Ni形成具有過(guò)度韌性的奧氏體，從而惡化了機(jī)加工性能。因此，Ni含量被限于1.0～4.0％。
Al0.1～2.0％Al具有與Ni結(jié)合而析出金屬間化合物NiAl，從而提高硬度的功能。為確保此功能的效果，需使Al含量不小于0.1％。但即使Al含量大于2.0％，由于Al和Ni間的平衡，也不能期望沉淀硬化的效果。此外，大于2.0％的Al形成堅(jiān)硬的氧化物系的夾雜物。它使得工具被磨損、有損于鏡面光潔性能，產(chǎn)生桔皮表面的加工性能等。因此，Al含量被限于0.1～2.0％的范圍。為了通過(guò)保證穩(wěn)定的硬度而阻止軟化抗力的下降，Al含量以0.5～2.0％為佳。
Cu不大于3.5％
Cu被認(rèn)為形成含少量Fe的ε相固溶體。Cu象Ni一樣，是沉淀硬化的原因。另一方面，Cu由于在高溫下侵入基體金屬的晶界而降低韌性及惡化熱加工性能。因此，Cu含量被限為不大于3.5％，而更好是0.3～3.5％。
在本發(fā)明鋼的上述基本成份范圍中，在常規(guī)的端面銑等方面的機(jī)加工性能無(wú)任何問(wèn)題。但，本發(fā)明人牢記將其研究推向厚件切割，因而發(fā)現(xiàn)“(7.7×C(％重量))+(2.2×Si(％重量))+(271.2×S(％重量))”的值以不小于2.5和不大于6為佳。
實(shí)際上本發(fā)明人進(jìn)行了本發(fā)明的鋼在厚件切割條件下的性能測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)上式的值不小于2.5時(shí)可以獲得在厚件切割方面的優(yōu)良韌性和機(jī)加工性能的組合。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)當(dāng)上式的值不大于6時(shí)，可獲得適于精密電火花加工的性能和拋光性能的進(jìn)一步組合。上式的系數(shù)是從實(shí)驗(yàn)數(shù)值的回歸分析中獲得的。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明人確定了一種異常的現(xiàn)象例如在厚件切割時(shí)，在每個(gè)齒切入被切材料的切入面積不小于50mm2的切削條件下，發(fā)生了工具卡咬，結(jié)果導(dǎo)致工具壽命的結(jié)束，而且甚至在本發(fā)明的規(guī)定成份范圍內(nèi)也如此。雖然這原因不明，但可以認(rèn)為這種現(xiàn)象是因切削溫度的升高而引起的。
由于本發(fā)明人的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整C、Si和S含量得到了能保證甚至是厚件切割時(shí)也符合要求的成份。上式規(guī)定了這些含量間的關(guān)系。
可以認(rèn)為上式中規(guī)定的C、Si和S含量對(duì)于厚件切割有以下含意。
在厚件切割的場(chǎng)合下，切削溫度顯著升高，從而在工具和切屑間的接觸界面，Si形成低熔點(diǎn)的氧化物，從而由于切屑的潤(rùn)滑效果而防止了被切材料卡住工具。
S是由于形成低熔點(diǎn)的硫化物而改善切屑的潤(rùn)滑效果的原因，也是由MnS所賦予的改善切割性能的原因。此外，因在厚件切割時(shí)，切削溫度明顯提高，所以被切材料的延展性和韌性也高，因而切割該材料很難。在高溫下能稍許降低延展性和韌性的S，可提高機(jī)加工性能。
至于C，切屑不久就被分開(kāi)，從而防止卡住工具。
雖然上述范圍對(duì)于防止厚件切割時(shí)的卡工具現(xiàn)象是合乎要求的，但當(dāng)Si含量高時(shí)韌性稍許下降。為對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，將C含量調(diào)得稍高是合乎需要的?？紤]到這點(diǎn)，當(dāng)厚件切割時(shí)，采用不小于0.03％(重量)的優(yōu)選C含量并將Si含量設(shè)置在稍高的0.8-1.5％的范圍是必要的。
此外，在實(shí)施厚件切割的場(chǎng)合下，由于S含量小于0.001％，厚件切割時(shí)的機(jī)加工性能不如此之好，而且當(dāng)S含量大于0.01％時(shí)，適于精密電火花加工的性能不好(由于MnS使韌性惡化并產(chǎn)生條狀缺陷)，以及由于MnS出現(xiàn)麻點(diǎn)，所以高精度拋光性能也不好。因此，當(dāng)欲加S時(shí)，其量以0.001～0.01％為佳。此外，因S提高裂紋敏感性，所以尤其在進(jìn)行電火花加工時(shí)，最好將S含量限于0.006％以下是合乎要求的。
Mo不大于1.0％Mo溶于基體中，由于加強(qiáng)了鈍化膜而對(duì)于改善耐腐蝕性能是很有效的。此外，Mo與C結(jié)合而形成細(xì)小的混合碳化物，因而對(duì)于阻止M7C3型的碳化物變粗非常有效，這種碳化物主要是由Cr形成的。結(jié)果，韌性被改善，而且作為形成針孔原因的各種因素也被減少。但，過(guò)量的Mo形成大量的碳化物，結(jié)果增加了工具的磨損。因此，Mo含量的上限為1.0％。更可取的是，為確保上述效果的有效產(chǎn)生，加入不小于0.1％的Mo是符合要求的。
Co不大于1.0％Co溶于基體中以改進(jìn)二次硬化和耐腐蝕的性能。Co也阻止主要由Cr形成的M7C3型碳化物的粗化，從而使這些碳化物和金屬間化合物(Ni-Al)在基體中很細(xì)地析出，從而改善韌性。但，過(guò)量的Co使鋼的韌性、機(jī)加工性能和淬火性能惡化。出于這一原因和經(jīng)濟(jì)上的考慮，將Co含量的上限定為1.0％。更可取的是，為確保上述效果有效地獲得，Co的加入量不小于0.1％。
V和Nb不大于0.5％V和Nb對(duì)于凈化晶粒以改進(jìn)鋼的韌性，從而進(jìn)一步提高本發(fā)明鋼的各種性能是有效的。因此，可任選地添加這些元素。
此外，因V和Nb傾向于與氮結(jié)合而形成細(xì)的氮化物，所以它可阻止由于形成AlN而使化合物變粗從而引起的機(jī)加工性能、韌性和拋光性能的惡化。大量的V和Nb形成碳化物，從而增加了工具磨損。因此將V和Nb總量的上限定為0.5％，優(yōu)選是0.01-0.1％。
S不大于0.20％S與Mn結(jié)合形成MnS夾雜物，因而改善機(jī)加工性能。但因S易于成為點(diǎn)狀腐蝕的起源點(diǎn)，從而惡化抗腐蝕性能，所以S可任選地添加。但因即使S含量超過(guò)0.20％時(shí)也不能期望隨抗腐蝕性的下降同時(shí)改善機(jī)加工性能，所以將S含量的上限定為0.20％。此外，如上所述，S惡化電火花加工性能和拋光性能，因此根據(jù)鋼的用途限制S含量是必要的。
符合本發(fā)明的鋼，可以以這樣的范圍添加用于改善韌性或機(jī)加工性能的元素在該范圍內(nèi)，源于所述金屬組織和化學(xué)成份的基本功能不因添加該類(lèi)元素而受損。
例如，作為改善延展性的元素，本發(fā)明的鋼可含一或二種選自不大于0.5％的Ti、不大于0.5％的Zr和不大于0.3％的Ta的元素。作為改善機(jī)加工性能的元素，它還可含有一或二種選自0.003～0.2％的Zr、0.0005～0.01％的Ca、0.03％～0.2％的Pb、0.03～0.2％的Se、0.01～0.15％的Te、0.01～0.2％的Bi、0.005～0.5％的In及0.01～0.1％的Ce。它還可含有總量為0.0005～0.3％的Y、La、Nd、Sm和其它稀土元素。
實(shí)施例下面借助實(shí)施方案詳細(xì)解釋本發(fā)明。
首先陳述標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備方法。將鋼試樣在30kg的高頻真空熔煉爐中熔化，在鍛成40mm×40mm的方棒后，通過(guò)熱處理該方棒而獲得馬氏體組織。
所述熱處理是這樣進(jìn)行的為得到40HRC±5的硬度，通過(guò)在1000℃加熱1小時(shí)，然后空冷而完成淬火，此后以20℃的增量值由520到580℃的適宜溫度下加熱，接著空冷而完成回火。
實(shí)際測(cè)量和評(píng)估馬氏體領(lǐng)域的尺寸是以平均領(lǐng)域尺寸測(cè)定的首先通過(guò)將馬氏體的光學(xué)顯微組織與按ASTM規(guī)定的100倍放大率的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖對(duì)比來(lái)確定該領(lǐng)域尺寸，然后對(duì)每個(gè)試樣作6張照片的測(cè)量。領(lǐng)域尺寸的數(shù)值越高，則該領(lǐng)域越細(xì)小。
為評(píng)價(jià)機(jī)加工性能，進(jìn)行端銑切削試驗(yàn)，然后在工具的側(cè)面以6m的切削長(zhǎng)度測(cè)量最大磨損寬度(Vbmax(mm))。按濕法在端面銑床上用2個(gè)直徑為10mm的高速鋼刀刃，以23m/分的切削速度和0.06mm/齒的進(jìn)刀速率進(jìn)行切削。
為評(píng)價(jià)韌性，用2mm的U形缺口試樣(JIS No.3試樣)進(jìn)行擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)(Charpy impact test)，并室溫下測(cè)量擺錘式?jīng)_擊值。
作為耐腐蝕性能試驗(yàn)，進(jìn)行(1)噴鹽試驗(yàn)(5％的NaCl，35℃，1小時(shí))和(2)自來(lái)水浸漬試驗(yàn)(室溫、浸漬后將試樣在空氣中滯留1小時(shí))。通過(guò)外觀觀察進(jìn)行銹蝕狀態(tài)的比較，然后按照下述銹蝕程度，進(jìn)行評(píng)定；優(yōu)(無(wú)銹蝕，◎)良(銹蝕面積百分比小于10％，○)差(銹蝕面積百分比大于30％，×)和中(銹蝕表面百分比10-30％以下，△)。
為評(píng)價(jià)拋光性能，通過(guò)使5mm的方形試樣經(jīng)受淬火和回火以調(diào)整其硬度，此后，按研磨劑-紙-金剛砂組合法進(jìn)行鏡面拋光研磨，再用10倍放大率的放大鏡計(jì)數(shù)所出現(xiàn)的小點(diǎn)數(shù)目。試樣這樣評(píng)定當(dāng)小點(diǎn)數(shù)小于10時(shí)評(píng)為好(○)，當(dāng)該數(shù)為10-20時(shí)評(píng)為中等(△)，當(dāng)其大于20時(shí)評(píng)為差(×)。實(shí)施例1具有表1所示主成分，而且其中可測(cè)出表2所示的痕量元素的鋼是用上述制造方法生產(chǎn)并評(píng)價(jià)其性能。評(píng)價(jià)的結(jié)果示于表3。
在本發(fā)明的1-6號(hào)試樣中，Cr含量在本發(fā)明的規(guī)定范圍內(nèi)變化。當(dāng)Cr含量在本發(fā)明范圍內(nèi)提高時(shí)，耐腐蝕性能傾向于略有提高。當(dāng)Cr含量約為5％時(shí)，機(jī)加工性能最好。在韌性或拋光性能方面未見(jiàn)大的差別。
另一方面，在Cr含量小于本發(fā)明規(guī)定范圍的對(duì)比試樣C3和Cr含量大于本發(fā)明規(guī)定范圍的對(duì)比試樣C4中，出現(xiàn)了鐵素體組織，因而這些試樣的機(jī)加工性能大大低于本發(fā)明試樣的機(jī)加工性能。
在本發(fā)明的7-12號(hào)試樣中，C含量在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)變化。當(dāng)C含量在本發(fā)明的規(guī)定范圍內(nèi)升高時(shí)，機(jī)加工性能趨于稍有惡化。在耐腐蝕性能、韌性和拋光性能方面無(wú)大的差別。
另一方面，在C含量高于本發(fā)明的規(guī)定范圍的對(duì)比試樣C1中，耐腐蝕性能劣于本發(fā)明的試樣，而同時(shí)機(jī)加工性能大為下降。
圖2A表明了放大400倍的試樣3的組織的光學(xué)顯微照片，是本發(fā)明鋼的典型組織。圖3A表明了放大400倍的試樣C1的組織的光學(xué)顯微照片及其示意圖。在C含量高的試樣C1中，領(lǐng)域尺寸明顯地小。換言之，機(jī)加工性能的惡化與表3中所示的領(lǐng)域尺寸相關(guān)，因而結(jié)論是，對(duì)比試樣C1中的領(lǐng)域尺寸隨著C含量增高而減小，結(jié)果導(dǎo)致機(jī)加工性能下降。
在N含量高于本發(fā)明規(guī)定范圍的對(duì)比試樣C2中，作為模具鋼的重要性能的拋光性能劣于本發(fā)明的試樣，而且在機(jī)加工性能測(cè)試中還出現(xiàn)了不合格的切屑。
圖4表明了放大400倍的對(duì)比試樣3的組織的照片，試樣3的Cr含量較低。如圖4所示，當(dāng)Cr含量低于本發(fā)明規(guī)定的范圍時(shí)，產(chǎn)生鐵素體組織。鐵素體的形成惡化了機(jī)加工性能。
表1
表2
基于測(cè)量水平測(cè)得的雜質(zhì)上限值0.001 Mg，0.001 Ca，0.001 Ag，0.001 Zn，0.006 Sn，0.001 Pb，0.004 As，0.001 Sb，0.01 Bi，0.01 Se，0.001 Te，0.01 Y，0.01 Ce和0.01 Ta
表3
實(shí)施例2用上述制造方法生產(chǎn)具有表4中所示的主要成份，而且其中可測(cè)出表5所示的痕量元素的鋼，然后評(píng)價(jià)其性能。評(píng)價(jià)的結(jié)果示于表6。
在21-24號(hào)試樣中，按本發(fā)明規(guī)定的所需范圍加入Mo和Co的效果是肯定的。加了Mo和/或Co的22-24號(hào)試樣與基本上未加Co的21號(hào)試樣相比，韌性明顯提高，而其機(jī)加工性能未明顯惡化。換言之，很明顯在改善韌性方面，加Co和Mo是非常有效的。
此外，如24號(hào)試樣，組合加入Mo和Co可進(jìn)一步提高韌性，因而是有益的。
以超出本發(fā)明的合格成份范圍加入Mo和/或Co的對(duì)比鋼C5-C7中，可以肯定，盡管韌性得以提高，但機(jī)加工性能惡化。
本發(fā)明的試樣21號(hào)(未加Mo和Co)、試樣22號(hào)(加入Mo)、試樣23號(hào)(加入Co)和試樣24號(hào)(組合加入Co和Mo)的金屬組織分別示于圖5、6、7和8中，這些組織是在浸蝕處理后使碳化物在晶界處明顯呈現(xiàn)后觀察到的。
很明顯，在圖5所示的不含Mo和Co的鋼中，雖然C含量低，碳化物(M7C3)在前奧氏體晶界處和馬氏體領(lǐng)域邊界處大量析出。另一方面，可以肯定，在圖6和8中的含Mo和/或Co的鋼中，在前奧氏體晶界和馬氏體領(lǐng)域邊界處析出的碳化物(M7C3)量大為減少。換言之，按本發(fā)明加入Mo和/或Co，則對(duì)阻礙使韌性惡化的碳化物(M7C3)在前奧氏體晶界和馬氏體領(lǐng)域邊界處析出是明顯有效的。
表4
表5
<p>基于測(cè)量水平確定的雜質(zhì)上限值0.001 Mg，0.001 Ca，0.001 Ag，0.001 Zn，0.006 Sn，0.001 Pb，0.004 As，0.001 Sb，0.01 Bi，0.01 Se，0.001 Te，0.01 Y，0.01 Ce和0.01 Ta表6
實(shí)施例3具有表7所示的主成份而且其中可測(cè)出表8所示的痕量元素的鋼用上述制造方法生產(chǎn)，然后評(píng)價(jià)其性能。評(píng)價(jià)結(jié)果示于表9。
在31-35號(hào)試樣中，按本發(fā)明所需的規(guī)定范圍加入V和Nb的效果是肯定的。與基本上不加V或Nb的31號(hào)試樣相比，加入V和/或Nb的32-35號(hào)試樣的韌性有極大提高，而其機(jī)加工性能幾乎沒(méi)有惡化。換言之，很明顯對(duì)于改善韌性而言，加入V和Nb是非常有效的。此外，如試樣34，組合加入V和Nb是可以的。
以超出本發(fā)明所需的規(guī)定成份范圍的量加入V和/或Nb的對(duì)比試樣C8-C10中，可以確定，韌性幾乎沒(méi)有提高，機(jī)加工性能變差，而且耐腐蝕性能也變差。
表7
>表8<
根據(jù)測(cè)量水平確定的雜質(zhì)上限值0.001 Mg，0.001 Ca，0.001 Ag，0.001 Zn，0.006 Sn，0.001 Pb，0.004 As，0.001 Sb，0.01 Bi，0.01 Se，0.001 Te，0.01 Y，0.01 Ce和0.01 Ta
表9
實(shí)施例4用上述制造方法生產(chǎn)具有表4所示的主成份，且其中可測(cè)得表11所示的痕量元素的鋼，然后評(píng)價(jià)其性能。評(píng)價(jià)結(jié)果示于表12。
在41-51號(hào)試樣中，其成份在本發(fā)明規(guī)定的范圍內(nèi)變化。與本發(fā)明的試樣不同，對(duì)比鋼C11的Si含量超出了本發(fā)明所需的規(guī)定范圍，因此，雖然機(jī)加工性能稍有提高，但韌性變差。在對(duì)比鋼C12中，由于有過(guò)量的Ni，所以雖然韌性沒(méi)有改善如此之大，但機(jī)加工性能顯著變差。
在對(duì)比鋼C13中，Al含量過(guò)小，由于硬化元素析出不足，故硬度未能提高。在對(duì)比鋼C15中，Cu含量過(guò)高，因而在熱加工時(shí)出現(xiàn)裂紋，結(jié)果使熱加工不能進(jìn)行。在對(duì)比鋼C15中(其S含量超出本發(fā)明所需的規(guī)定范圍)，雖然機(jī)加工性能得以改善，但因S含量而使韌性明顯惡化。此外，因大量形成硫化物，所以該鋼易于銹蝕，而且拋光性能也變差。
表10
表11
根據(jù)測(cè)量水平確定的雜質(zhì)上限值0.001 Mg，0.001 Ca，0.001 Ag，0.001 Zn，0.006 Sn，0.001 Pb，0.004 As，0.001 Sb，0.01 Bi，0.01 Se，0.001 Te，0.01 Y，0.01 Ce和0.01 Ta
表12
實(shí)施例5按上述制造方法生產(chǎn)具有表13所示主要成分，而且其中可測(cè)到表14所示痕量元素的鋼，并評(píng)價(jià)其性能。評(píng)價(jià)結(jié)果示于表15。除用端面銑床進(jìn)行上述評(píng)價(jià)外，還評(píng)價(jià)了在厚件切割時(shí)的機(jī)加工性能。
為評(píng)價(jià)厚件切割時(shí)的機(jī)加工性能，進(jìn)行了端面銑切割試驗(yàn)，然后測(cè)量工具被損傷時(shí)的切割長(zhǎng)度。切割是按干法，通過(guò)用120m/分的切削速度和0.1mm/齒進(jìn)刀速率的單齒完成。采用中心切割法，而且每個(gè)刀具齒切入被切坯料中的面積為240mm2。
為評(píng)價(jià)電火花加工性能，在用直徑為10-20mm的銅電極，在能得到±1μm的精加工表面(表面粗糙度)的條件下完成的實(shí)驗(yàn)后(峰值電流1-4A，脈沖寬度2-10μs，用煤油)，進(jìn)行直接觀察并用光學(xué)顯微鏡觀察，然后測(cè)量表面粗糙度。在評(píng)價(jià)電火花加工性能時(shí)，直接地及用光學(xué)顯微鏡觀察到裂紋的試樣(X)首先被排除。此后，對(duì)剩余的試樣作如下評(píng)價(jià)。表面粗糙度小于2μm的試樣被評(píng)為優(yōu)(○)，表面粗糙度為2～小于3μm的評(píng)為中(△)，表面粗糙度大于3μm的評(píng)為差(×)。
如表15所示，52-62號(hào)本發(fā)明鋼的試樣滿足按本發(fā)明中的方程式所定的適宜范圍，而且其硫含量范圍為O.001-0.01％，這些試樣能承受厚件切削，而且即使在精密的放電加工時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的條狀圖形，或在高等級(jí)拋光性能評(píng)價(jià)時(shí)也不出現(xiàn)麻點(diǎn)。因此肯定這些試樣是優(yōu)良的。此外，S含量不大于0.006％的52、54、55、57、58、60和61號(hào)試樣提供了適于精密放電加工的更佳性能和高級(jí)拋光性能。
表13
表14
按測(cè)量水平確定的雜質(zhì)上限值
0.001 Mg，0.001 Ca，0.001 Ag，0.001 Zn，0.006 Sn，0.001 Pb，0.004 As，0.001 Sb，0.01 Bi，0.01 Se，0.001 Te，0.01 Y，0.01 Ce和0.01 Ta表15
根據(jù)本發(fā)明，為了對(duì)初始金屬組織是馬氏體的鋼在熱處理后，明顯改善其加工性能，提供了一種高強(qiáng)度模具鋼，從降低生產(chǎn)成本和縮短超前時(shí)間的觀點(diǎn)來(lái)看，該性能對(duì)于降低切削模具所需的工時(shí)而言是必要的。
尤其是在滿足了本發(fā)明所需的成份范圍時(shí)，該鋼對(duì)于模壓塑料的模具很有用，因?yàn)槠溆捕仍?8-45HRC的范圍內(nèi)，而又無(wú)損于強(qiáng)度和延展性之間的優(yōu)良平衡，并具有優(yōu)良的耐腐性能及明顯提高的機(jī)加工性能。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)良機(jī)加工性能的高強(qiáng)度模具鋼，按重量計(jì)，它主要由0.005～0.1％的C、不大于1.5％的Si、不大于2.0％的Mn、3.0～小于8.0％的Cr、不大于4.0％的Ni、0.1～2.0％的Al、不大于3.5％的Cu、余量的Fe及包括氮和氧的不可避免雜質(zhì)組成，該鋼有初始顯微組織為馬氏體的金屬組織，其中作為雜質(zhì)的氮和氧被限于不大于0.02％的氮和不大于0.003％的氧的含量范圍。
2.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，它含有不大于1％的Mo。
3.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，它含有不大于1％的Co。
4.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，按重量計(jì)它含有不大于0.005％的氮和不大于0.001％的氧。
5.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，按重量計(jì)，它主要由0.005～0.05％的C、不大于1.5％的Si、不大于2.0％的Mn、3.5～7.0％的Cr、1～4.0％的Ni、0.5～2.0％的Al、0.3～3.5％的Cu及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
6.按權(quán)利要求1～5中之任一項(xiàng)的高強(qiáng)度鋼，它含不大于0.5％的V和Nb中的至少一種(即，(V+Nb)≤0.5％)。
7.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，按重量計(jì)，它含有不大于0.20％的S。
8.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，按重量計(jì)，它含有不大于0.05％的和不大于1.5％的Si。
9.按權(quán)利要求1的高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成份滿足以下等式(7.7×C(％重量)+(2.2×Si(％重量)+(271.2×S(％重量))≥2.5。
10.按權(quán)利要求9的高強(qiáng)度鋼，其中該等式的值不大于“6”。
11.按權(quán)利要求9的高強(qiáng)度鋼，按重量計(jì)，它含有不小于0.03％的C和0.8～1.5％的Si。
全文摘要
一種高強(qiáng)度模具鋼具有優(yōu)良的機(jī)加工性能,它主要由(%重量)0.005～0.1%的C、小于1.5%的Si、小于2.0%的Mn、3.0～小于8.0%的Cr、小于4.0%的Ni、0.1～2.0%的Al、小于3.5%的Cu、余量的Fe及包括氮和氧的不可避免的雜質(zhì)組成,而且該鋼具有初始顯微組織為馬氏體的金屬組織,其中N和O作為雜質(zhì)限于不大于0.02%的N和不大于0.003%的O的含量范圍。按本發(fā)明,當(dāng)上述高強(qiáng)度鋼具的化學(xué)成分,其中的(7.7×C(%重量)+(2.2×Si(%重量))+(271.2×S(%重量))的值優(yōu)選大于2.5,更好小于6時(shí),可達(dá)到厚件切割時(shí)的機(jī)加工性能、精密電火花加工性能以及高級(jí)拋光性能的改進(jìn)。
文檔編號(hào)C22C38/44GK1263170SQ00101880
公開(kāi)日2000年8月16日 申請(qǐng)日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月12日
發(fā)明者中津英司, 田村庸, 村川義行 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社