專利名稱：熱加工工具鋼以及使用其制得的鋼制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱加工工具鋼以及用它制備的鋼制品。更具體來說，本發(fā)明涉及這樣 的熱加工工具鋼以及用它制得的鋼制品，與通用的模具鋼(JIS SKD61)相比，所述熱加工 工具鋼能夠提高導(dǎo)熱率，并且其在保持與通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性的同 時，具有比通用的模具鋼更高的沖擊值。
背景技術(shù)：
關(guān)于壓鑄、熱鍛和溫鍛用的模具材料，通常使用機械加工性優(yōu)異的JIS SKDBl0 然而，JIS SKD61的導(dǎo)熱率低，從而帶來這樣的問題模具溫度往往較高，并且由于頻繁地 發(fā)生粘模(soldering)或熱裂，使得模具的壽命縮短。此外，隨著模具尺寸的增加，由于 JISSKD61在低的冷卻速率條件下貝氏體轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變溫度高(所謂的淬透性)，因此其難以 進行組織細化，這會導(dǎo)致韌性顯著降低。因此，JIS SKD61具有這樣的不利之處促進了熱 裂，從而模具的壽命進一步縮短。在這種情況下，工業(yè)上需要一種導(dǎo)熱率和沖擊值均優(yōu)于 JISSKD61的熱加工工具鋼。在這方面，已經(jīng)有人提出了多種適于此種應(yīng)用的鋼材。例如，專利文獻1公開了一種相變行為(淬透性)和蠕變特性優(yōu)異的、并且可替代 JIS SKD61的熱加工工具鋼，該熱加工工具鋼是含有下列元素作為主要成分的鋼C 0. 30 至 0. 38 重量％，Si 0. 10 至 0. 40 重量％，Mn 0. 60 至 0. 80 重量％，Cr 5. 40 至 5. 70 重量％， Mo 1.50至1.70重量％，V:0. 70至0. 85重量％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。專利文獻2公開了一種熱板坯的寬度精整(width sizing)用的模具，通過引入熱 沖擊因子K使得該模具的耐磨性和抗熱裂性提高，該模具是含有下列元素的鋼以重量％ 計，C :0. 1 至 0. 5%, Si 0. 1 至 1. 5%, Mn 0. 2 至 1. 5%, Ni 小于或等于 5. 0%, Cr 0. 5 至 5.0%, Mo 小于或等于1.5%，V:小于或等于1.0%，Cu 小于或等于0. 2%，余量為Fe及雜 質(zhì)。專利文獻3公開了一種通過電渣重熔工藝而獲得的低周疲勞性能優(yōu)異的熱加工 工具鋼，其為含有下列元素的鋼以重量％計，C 0. 32至0. 42%, Si 0. 10至1.20%，Mn: 0. 10 Mo. 50%, Cr 4. 50 至 5. 50%，Mo 1. 00 至 1. 50%，V 0. 30 至 0. 80%，P 小于或等于 0. 010%, S 小于或等于0. 003%, Ni 小于或等于1. 00%, Co 小于或等于1.00%，W:小于 或等于1. 00%，余量為Fe以及雜質(zhì)。專利文獻4公開了一種熱加工工具鋼，其成功地提高了實用模具的耐磨性、抗斷 裂性(crack resistance)和抗碎屑性(chippingresistance)，該熱加工工具鋼是含有下 列元素的鋼以重量％計，C :0. 15至0. 80% ；Si 小于0. 10% ；Mn 小于或等于3. 0% ；以下 成分中的一者、兩者或多者Ni 小于或等于4. 0%, Cr 小于或等于10. 0%, Cu 小于或等 于3. 0% ；以下成分中的一者、兩者或多者Mo 小于或等于5. 0%,ff 小于或等于5. 0%,V 小于或等于3.0%、Ti 小于或等于1.0%、Nb 小于或等于1.0%、Zr 小于或等于1.0%、 Co 小于或等于5.0% ；S 小于或等于0. 005% ；P 小于或等于0.015% ；0 小于或等于0. 0030%，余量為Fe及雜質(zhì)。專利文獻5公開了一種熱加工性和疲勞性能優(yōu)異的合金工具鋼，其為含有下列 成分的鋼以重量％ 計，C 0. 35 M 1. 50% ；Si :0. 1 至 2. 0% ；Mn :0. 1 至 1. 5 % ；Cr 2. 0 至10. 0% ；以下成分中的一者、兩者或多者2Mo+W 1. 5至30. 0%、V :0. 5至5. 0%、REM 0. 001至0. 60% ；以下成分中的一者、兩者或多者Co 1. 0至20. 0%、Ni 0. 01至2. 0%、 Cu 0. 25至1. 0%、B 0. 001至0. 050%，并且還限定了 S 小于或等于0. 0020%, 0 小于或 等于0. 0030%, N 小于或等于0. 020%, Al 小于或等于0. 020%, P 小于或等于0. 020%, 余量基本上為Fe。專利文獻6公開了一種模具鋼，其成功地提高了熱疲勞性能和抗軟化性能，從而 能夠抑制熱裂和冷水孔的破裂并延長了模具的壽命，該模具鋼是含有下列元素的鋼以重 量％計，C :0. 1 至 0. 6%, Si 0. 01 至 0. 8%, Mn 0. 1 至 2. 5%, Cu 0. 01 至 2. 0%, Ni 0. 01 至2. 0%, Cr 0. 1至2. 0%, Mo 0. 01至2. 0%, V、W、Nb和Ta中的一者、兩者或多者合計 為 0. 01 至 2. 0%,A1 0. 002 至 0. 04%,N 0. 002 至 0. 04%,0 小于或等于 0. 005%，余量為 Fe及不可避免的雜質(zhì)。專利文獻7公開了一種用于塑料成型的便宜的模具鋼，其具有令人滿意的機械加 工性和導(dǎo)熱率，該模具鋼是含有下列元素的鋼=C 0. 25 Mo. 45%,Si 小于0.3%,,Mn=O. 5 至2%，S :0.01至0. 05%，A1溶膠小于或等于0. 02%，余量為Fe及雜質(zhì)，其中可含有最多 0. 5%的Cr和少于0. 2%的V中的一者或兩者。專利文獻8公開了一種用于壓鑄模的預(yù)硬化鋼，其能夠延長壓鑄模的壽命，該預(yù) 硬化鋼是含有下列成分的鋼以質(zhì)量含量計，0. 15至0. 35%的C，大于或等于0. 05%而小于 0. 20_Si，0. 05至1. 50%的Mn，小于或等于0. 020%的P，小于或等于0. 013%的S，小于 或等于0. 10%的Cu，小于或等于0. 20%的附，0. 20至2. 50%的Cr，0. 50至3. 00%的Mo， 合計為0. 05至0. 30 %的V和Nb，0. 020至0. 040 %的Al，小于或等于0. 003 %的0，0. 010 至0. 020 %的N，余量基本上為Fe。專利文獻9公開了一種熱疲勞性能高的用于沖壓模具的鋼，其為含有下列成分的 鋼C 0. 10 至 0. 45 重量 ％，Si 0. 10 至 2. 0 重量 ％，Mn 0. 10 至 2. 0 重量 ％，Mo 0. 50 至 3. 0重量％，V 0. 50至0. 80重量％，另外還含有Cr 3. 0至8. 0重量％和Ni 0. 05至1. 2
重量％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。專利文獻10公開了一種球化退火性和機械加工性良好的模具鋼，其確保能夠獲 得令人滿意的淬火性和所需的沖擊值、并且延長了模具的壽命，該模具鋼是具有下列成分 組成的鋼以質(zhì)量％計，C :0. 2 至 0. 6%, Si 0. 01 至 1. 5%，Mn 0. 1 至 2. 0%，Cu 0. 01 至 2. 0%, Ni 0. 01 至 2. 0%, Cr 0. 1 至 8. 0%,Mo 0. 01 至 5. 0%, V.ff.Nb 和 Ta 中的一者、兩 者或多者合計為0. 01至2. 0%，A1 0. 002至0. 04%,N 0. 002至0. 04%，余量為Fe及不 可避免的雜質(zhì)。[專利文獻l]JP-A-06_322483(此處所用的術(shù)語“JP-A”是指“未經(jīng)審查的日本專 利申請公開”)[專利文獻 2] JP-A-03-000402[專利文獻 3] JP-A-07-062494[專利文獻 4] JP-A-60-059053
[專利文獻 5] JP-A-08-100239[專利文獻 6] JP-A-2008-056982[專利文獻 7] JP-A-2004-183008
[專利文獻 8] JP-A-2005-307242[專利文獻 9] JP-A-64-062444[專利文獻 10] JP-A-2008-121032然而，一般而言，當通過提高導(dǎo)熱率來改善熱裂性能時，機械加工性會變差，這將 可能會導(dǎo)致加工效率降低并使成本增加。因此，在很多情況下，上述效果被完全抵消。另外，專利文獻1至10中公開的鋼材并不是本發(fā)明所致力于獲得的能夠同時滿足 導(dǎo)熱率和沖擊值的鋼材。例如，在專利文獻1中，既沒有暗示也沒有公開其導(dǎo)熱率，而且可能會由于過量的 V而導(dǎo)致沖擊值降低。而且，在專利文獻1中，可能由于Si含量太少而造成機械加工性嚴重 劣化，并且難以將其加工成模具的形狀。在專利文獻2中，可能會由于過多的Si而導(dǎo)致導(dǎo)熱率降低，并且由于過少的Si而 造成機械加工性劣化。此外，在專利文獻2中，可能由于Mn過少或Cr過少而造成沖擊值降 低。專利文獻3至5中也沒有暗示或公開導(dǎo)熱率。在專利文獻3中，可能會由于Mn的 量太少而導(dǎo)致相變行為(淬透性)不充分并且沖擊值降低。專利文獻4中，可能由于Si太 少而造成機械加工性劣化。此外，在專利文獻4中，可能會由于Cr的量太少、或者V的量過 少或過多而導(dǎo)致沖擊值降低。在專利文獻5中，可能會由于Mn的量太少而導(dǎo)致相變行為 (淬透性)不充分或者沖擊值降低，由于Mo的量太少而導(dǎo)致高溫強度降低，或者由于V的量 過少或過多而導(dǎo)致沖擊值降低。在專利文獻6至8中，可能會由于Cr的量過少而導(dǎo)致相變行為(淬透性)劣化、 或者硬度或沖擊值降低。在專利文獻9和10中，可能由于Si過少而造成機械加工性劣化，由于過量的Si 而導(dǎo)致導(dǎo)熱率降低，或者由于Cr的量過少而導(dǎo)致沖擊值降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在考慮這些情況下做出的，本發(fā)明的一個目的是提供這樣的熱加工工具 鋼，該熱加工工具鋼的導(dǎo)熱率優(yōu)于通用的模具鋼(Jis SKD61)，并且其在保持與通用的模具 鋼相當或更高水平的機械加工性的同時，確保沖擊值高于通用的模具鋼的沖擊值。通用的模具鋼(JIS SKD61)雖然具有優(yōu)良的機械加工性，但是其導(dǎo)熱率和沖擊值 較低。因此，工業(yè)上需要一種機械加工性、導(dǎo)熱率和沖擊值都得以提高的鋼材。然而，一般 而言，存在這樣的關(guān)系當機械加工性得以提高時，導(dǎo)熱率會降低，而當導(dǎo)熱率得到提高時， 機械加工性會變差。因此，迄今還沒有提出一種能同時滿足本發(fā)明在機械加工性、導(dǎo)熱率和 沖擊值各個方面所要求的性能的鋼材。本發(fā)明人進行了深入的研究，以將導(dǎo)熱率提高至高于通用的模具鋼的導(dǎo)熱率，并 且在保持與通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性的同時，獲得高于通用的模具鋼的 沖擊值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)
(a)通過調(diào)節(jié)Si的含量，能夠在防止機械加工性劣化的同時提高導(dǎo)熱率，同時，(b)通過調(diào)節(jié)Mn含量、Cr含量、Mo含量和V含量，能夠在保持導(dǎo)熱率高于通用的 模具鋼的導(dǎo)熱率的同時提高沖擊值?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)而完成了本發(fā)明。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種熱加工工具鋼，其包含0. 20 質(zhì)量 C < 0. 50 質(zhì)量 ％，0. 40 質(zhì)量％< Si < 0. 75 質(zhì)量％，0. 50 質(zhì)量 ％< Mn < 1. 50 質(zhì)量 ％，5.24質(zhì)量％<0<9.00質(zhì)量％，1. 08 質(zhì)量％< Mo < 2. 99 質(zhì)量％，以及0. 30 質(zhì)量％< V < 0. 70 質(zhì)量％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。在此，不可避免的雜質(zhì)的例子包括W < 0.30質(zhì)量％，Co < 0.30質(zhì)量％，Nb
<0. 004 質(zhì)量％，Ta < 0. 004 質(zhì)量％，Ti < 0. 004 質(zhì)量％，Zr < 0. 004 質(zhì)量％，Al < 0. 004 質(zhì)量 ％，N < 0. 004 質(zhì)量 ％，Cu < 0. 15 質(zhì)量 ％，Ni < 0. 15 質(zhì)量 ％，B < 0. 0010 質(zhì)量 ％，S
<0. 010 質(zhì)量％，Ca < 0. 0005 質(zhì)量％，Se < 0. 03 質(zhì)量％，Te < 0. 005 質(zhì)量％，Bi < 0. 01 質(zhì)量％，Pb < 0. 03 質(zhì)量％，Mg < 0. 005 質(zhì)量％，以及 0 < 0. 0080 質(zhì)量％。本發(fā)明的熱加工工具鋼還可含有0. 30 質(zhì)量 W < 4. 00 質(zhì)量 ％。本發(fā)明的熱加工工具鋼還可含有0. 30 質(zhì)量 Co < 3. 00 質(zhì)量 ％。本發(fā)明的熱加工工具鋼還可含有選自由下列元素所組成的組中的至少一種元 素0.004 質(zhì)量 Nb 彡 0. 100 質(zhì)量 ％，0.004 質(zhì)量 TaS 0. 100 質(zhì)量 ％，0.004 質(zhì)量Ti 彡 0. 100 質(zhì)量％，0. 004 質(zhì)量 Zr < 0. 100 質(zhì)量 ％，0. 004 質(zhì)量AK 0.050 質(zhì)量％，以及0.004 質(zhì)量 N < 0.050 質(zhì)量 ％。本發(fā)明的熱加工工具鋼還可含有選自由下列元素所組成的組中的至少一種元 素0. 15 質(zhì)量 Cu 彡 1. 50 質(zhì)量 ％，0. 15 質(zhì)量Ni < 1. 50 質(zhì)量％，以及0. 0010 質(zhì)量B 彡 0. 0100 質(zhì)量％。本發(fā)明的熱加工工具鋼還含有選自由下列元素所組成的組中的至少一種元素0. 010 質(zhì)量S 彡 0. 500 質(zhì)量％，0. 0005 質(zhì)量 Ca < 0. 2000 質(zhì)量 ％，0. 03 質(zhì)量 Se < 0. 50 質(zhì)量 ％，0. 005 質(zhì)量 ％ 彡 Te 彡 0. 100 質(zhì)量 ％，
0. 01 質(zhì)量Bi < 0. 30 質(zhì)量％，以及0. 03 質(zhì)量 Pb < 0. 50 質(zhì)量 ％。本發(fā)明的鋼制品使用了本發(fā)明的熱加工工具鋼。本文所用術(shù)語“鋼制品”是指(例如)壓鑄模、熱鍛模具、或者溫鍛模具，但是本發(fā) 明并不僅限于此。本發(fā)明的熱加工工具鋼以及用它制備的鋼制品具有上述的成分組成，因此其產(chǎn)生 了這樣的效果在保持與通用的模具鋼(JIS SKD61)相當或更高水平的機械加工性的同 時，確保具有比通用的模具鋼更優(yōu)異的導(dǎo)熱率和更高的沖擊值，即，確保在機械加工性、導(dǎo) 熱率和沖擊值各性質(zhì)之間達到優(yōu)異平衡的前所未有的效果。更詳細地說，在本發(fā)明的熱加工工具鋼中，對Si的含量進行了優(yōu)化，并且對Mn含 量、Cr含量、Mo含量和V含量進行了優(yōu)化，從而能夠獲得比通用的模具鋼更優(yōu)異的導(dǎo)熱率， 同時能夠確保與通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性。因此，產(chǎn)生了這樣的效果本 發(fā)明的熱加工工具鋼不但具有高的導(dǎo)熱率，而且在低冷卻速度的條件下貝氏體轉(zhuǎn)變(所謂 的淬透性)的轉(zhuǎn)變溫度低、并且具有高的沖擊值。由于這種效果，就本發(fā)明的熱加工工具鋼 而言，可以防止其模具加工所需的成本高于通用的模具鋼所需的成本。另外，本發(fā)明的熱加 工工具鋼幾乎不會導(dǎo)致粘?；驘崃眩瑥亩軌颢@得較長的模具壽命并降低了生產(chǎn)成本，并 且能夠提高壓鑄、熱鍛和/或溫鍛時的生產(chǎn)率。附圖簡要說明

圖1為示出機械加工性與Si含量之間的關(guān)系的圖。圖2為示出導(dǎo)熱率與Si含量之間的關(guān)系的圖。圖3為示出沖擊值與Mn含量之間的關(guān)系的圖。圖4為示出導(dǎo)熱率與Mn含量之間的關(guān)系的圖。圖5為示出沖擊值與Cr含量之間的關(guān)系的圖。圖6為示出導(dǎo)熱率與Cr含量之間的關(guān)系的圖。圖7為示出600°C時的強度(高溫強度)與Mo含量之間的關(guān)系的圖。圖8為示出沖擊值與V含量之間的關(guān)系的圖。
具體實施例方式下面描述根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的熱加工工具鋼以及由其制備的鋼制品。(熱加工工具鋼的成分組成及其限定原因)本實施方案的熱加工工具鋼含有下列元素作為主要元素C、Si、Mn、Cr、Mo和V、余 量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本實施方案的熱加工工具鋼含有(例如)W、Co、Nb、Ta、 Ti、Zr、Al、N、Cu、Ni、B、S、Ca、Se、Te、Bi、Pb、Mg和0作為不可避免的雜質(zhì)。此處，在本說 明書中，所有的質(zhì)量百分比分別與重量百分比相同。(1)0. 20 質(zhì)量 C < 0. 50 質(zhì)量 ％C是調(diào)節(jié)鋼的強度所需的主要元素。如果C的量低于0. 20質(zhì)量％，則難以獲得所 需要的大于或等于36HRC的硬度，然而如果C的量高于0. 50質(zhì)量％，則硬度趨于飽和，同時 碳化物的量變得過多，從而使疲勞強度或沖擊值劣化。因此，將C的量設(shè)定為0. 20質(zhì)量％ ^ C ^ 0. 50質(zhì)量％。為了在硬度、疲勞強度和沖擊值之間獲得優(yōu)異的平衡，C的量優(yōu)選為
70. 24質(zhì)量C ≤ 0. 46質(zhì)量％，更優(yōu)選為0. 28質(zhì)量C ≤ 0. 42質(zhì)量％。(2)0. 40 質(zhì)量％< Si < 0. 75 質(zhì)量％Si是調(diào)節(jié)鋼的機械加工性所需的主要元素。如果Si的量小于或等于0.40質(zhì) 量％，則難以確保其機械加工性與通用的模具鋼的機械加工性相當或更高。如果Si的量大 于或等于0. 75質(zhì)量％，則導(dǎo)致導(dǎo)熱率顯著降低。因此，將Si的量設(shè)定為0. 40質(zhì)量％< Si
<0. 75質(zhì)量％。Si的量優(yōu)選為0. 44質(zhì)量Si ^ 0. 70質(zhì)量％，更優(yōu)選為0. 48質(zhì)量％ ^ Si ^ 0. 65質(zhì)量％，這樣機械加工性和導(dǎo)熱率達到良好的平衡。(3)0. 50 質(zhì)量 ％< Mn < 1. 50 質(zhì)量 ％Mn是用于改善相變行為(淬透性)的主要元素。如果Mn的量小于或等于0. 50 質(zhì)量％，則降低相變溫度和使組織細化的效果不充分，因此難以確保硬度或者沖擊值。如 果Mn的量超過1. 50質(zhì)量％，不僅沖擊值極大地降低，而且?guī)缀醪荒鼙３指叩膶?dǎo)熱率。因 此，將Mn的量設(shè)定為0. 50質(zhì)量％< Mn彡1. 50質(zhì)量％。另外，Mn的量優(yōu)選為0. 55質(zhì)量％ ^ Mn ^ 1. 35質(zhì)量％，更優(yōu)選為0. 65質(zhì)量％彡Mn彡1. 20質(zhì)量％，這可以確保硬度和沖擊 值，同時能夠獲得高的導(dǎo)熱率。(4) 5. 24 質(zhì)量 Cr 彡 9. 00 質(zhì)量 ％Cr是用于改善相變行為(淬透性)、同時通過形成碳化物來提高鋼強度的主要元 素。如果Cr的量小于5. 24質(zhì)量％，則降低相變溫度和使組織細化的效果不充分，從而難以 獲得充分的硬度和沖擊值。另外，隨著Cr的量增大，抗腐蝕性也增大，這是暴露于腐蝕性環(huán) 境中的壓鑄模具所需的。另一方面，如果Cr的量超過9. 00質(zhì)量％，則難以保持高的導(dǎo)熱 率。因此，將Cr的量設(shè)定為5. 24質(zhì)量％SCr <9. 00質(zhì)量％。另外，Cr的量優(yōu)選為5. 40 質(zhì)量％ < Cr < 8. 40質(zhì)量％，更優(yōu)選為5. 55質(zhì)量％ < Cr < 7. 80質(zhì)量％，這可以確保硬度、 沖擊值和抗腐蝕性，同時可以獲得高的導(dǎo)熱率。(5) 1. 08 質(zhì)量 ％< Mo < 2. 99 質(zhì)量 ％Mo不僅是改善相變行為(淬透性)、而且是通過形成碳化物來提高鋼強度(尤其 是提高高溫強度)的主要元素。如果Mo的量小于或等于1.08質(zhì)量％，則不能獲得令人滿 意的高溫強度，然而如果Mo的量大于或等于2. 99質(zhì)量％，則高溫強度趨于飽和，同時成本 顯著提高而使得收益率受損。因此，將Mo的量設(shè)定為1.08質(zhì)量％<110 < 2.99質(zhì)量％。 另外，Mo的量優(yōu)選為1. 15質(zhì)量％< Mo彡2. 80質(zhì)量％，更優(yōu)選為1. 20質(zhì)量％彡Mo彡2. 50 質(zhì)量％。(6)0. 30 質(zhì)量％< V < 0. 70 質(zhì)量％V不僅是改善相變行為(淬透性)、而且是通過形成碳化物來提高鋼強度(尤其是 提高高溫強度)的主要元素。如果V的量小于或等于0.30質(zhì)量％，在淬火時奧氏體顆粒容 易粗糙化從而降低了沖擊值，然而如果V的量大于或等于0. 70質(zhì)量％，則粗糙的碳化物的 量過多，這會使沖擊值劣化。因此，將V的量設(shè)定為0. 30質(zhì)量％<V<0. 70質(zhì)量％。另外， V的量優(yōu)選為0. 40質(zhì)量％ < V < 0. 67質(zhì)量％，更優(yōu)選為0. 50質(zhì)量％ < V < 0. 64質(zhì)量％， 這能夠確保耐軟化性，同時可以獲得令人滿意的疲勞強度和沖擊值。(7)不可避免的雜質(zhì)W < 0. 30 質(zhì)量％，Co < 0. 30 質(zhì)量％，Nb < 0. 004 質(zhì)量％，Ta < 0. 004 質(zhì)量％，Ti
<0. 004 質(zhì)量 ％，Zr < 0. 004 質(zhì)量 ％，Al < 0. 004 質(zhì)量 ％，N < 0. 004 質(zhì)量 ％，Cu < 0. 15質(zhì)量 ％，Ni < 0. 15 質(zhì)量 ％，B < 0. 0010 質(zhì)量 ％，S < 0. 010 質(zhì)量 ％，Ca < 0. 0005 質(zhì)量 ％， Se < 0. 03 質(zhì)量 ％，Te < 0. 005 質(zhì)量 ％，Bi < 0. 01 質(zhì)量 ％，Pb < 0. 03 質(zhì)量 ％，Mg < 0. 005 質(zhì)量％，0 < 0. 0080質(zhì)量％，等。在W、Co、Nb、Ta、Ti、Zr、Al、N、Cu、Ni、B、S、Ca、Se、Te、Bi、Pb、Mg、0 等的含量分別 在上述范圍內(nèi)的情況下，這些元素作為不可避免的雜質(zhì)被包含。根據(jù)本實施方案的熱加工工具鋼還可含有下列元素作為可選擇的元素(a) W,(b)Co,(c)選自由Nb、Ta、Ti、Zr、Al和N所組成的組中的至少一種元素，(d)選自由Cu、Ni和B所組成的組中的至少一種元素，以及/ 或者(e)選自由S、Ca、Se、Te、Bi和Pb所組成的組中的至少一種元素。(8)0. 30 質(zhì)量 W < 4. 00 質(zhì)量 ％W是可以加入的選擇性元素，以通過析出碳化物來提高強度(沉淀硬化)。如果W 的量少于0. 30質(zhì)量％，則提高強度的效果較小，而如果W的量超過4. 00質(zhì)量％，這會導(dǎo)致 所述提高強度的效果飽和并且會導(dǎo)致成本顯著提高。因此，將W的量設(shè)定為0. 30質(zhì)量％ ^ W ^ 4. 00 質(zhì)量 ％。(9)0. 30 質(zhì)量 Co < 3. 00 質(zhì)量 ％Co是可以添加的選擇性元素，以通過基體中的固溶體來提高強度(固溶硬化)。 如果Co的量少于0. 30質(zhì)量％，則提高強度的效果較小，而如果Co的量超過3. 00質(zhì)量％， 這會導(dǎo)致所述提高強度的效果飽和并導(dǎo)致成本顯著提高。因此，將Co的量設(shè)定為0. 30質(zhì) 量％< Co ^ 3. 00 質(zhì)量％。(10)選自由下列元素所組成的組中的至少一種元素0. 004 質(zhì)量 Nb < 0. 100 質(zhì)量 ％，0.004 質(zhì)量 TaS 0. 100 質(zhì)量 ％，0.004 質(zhì)量Ti 彡 0. 100 質(zhì)量％，0. 004 質(zhì)量 Zr < 0. 100 質(zhì)量 ％，0.004 質(zhì)量AK 0.050 質(zhì)量％，以及0.004 質(zhì)量 NS 0.050 質(zhì)量 ％。Nb、Ta、Ti、Zr、Al和N是可被添加的選擇性元素，以通過在淬火時使奧氏體顆粒 細化(細晶化)來提高強度和韌性。對于所有這些元素來說，如果其添加量少于預(yù)定的量， 則提高強度和韌性的效果較小，而如果其添加量超過預(yù)定的量，則產(chǎn)生過量的碳化物、氮化 物、或氧化物，而這會導(dǎo)致韌性降低。(11)選自由下列元素所組成的組中的至少一種元素0. 15 質(zhì)量 Cu 彡 1. 50 質(zhì)量 ％，0. 15 質(zhì)量Ni < 1. 50 質(zhì)量％，以及0. 0010 質(zhì)量B < 0. 0100 質(zhì)量％。Cu、Ni和B是可被添加的選擇性元素，以改善相變行為(淬透性)。對于所有這些 元素來說，如果其添加量少于預(yù)定的量，則改善可淬性的效果較小，而如果其添加量超過預(yù)定的量，則所述改善效果飽和，并且實際益處較小。特別是，對于Cu和Ni來說，如果加入的 量過多的話，會引起導(dǎo)熱率降低。(12)選自由下列元素所組成的組中的至少一種元素0. 010 質(zhì)量 S < 0. 500 質(zhì)量 ％，0. 0005 質(zhì)量 Ca < 0. 2000 質(zhì)量 ％，0. 03 質(zhì)量 Se < 0. 50 質(zhì)量 ％，0. 005 質(zhì)量 Te 彡 0. 100 質(zhì)量 ％，0. 01 質(zhì)量Bi <0.30 質(zhì)量％，以及0. 03 質(zhì)量 Pb < 0. 50 質(zhì)量 ％。S、Ca、Se、Te、Bi和Pb是可被加入的選擇性元素，以提高機械加工性(機械加工性 改善)。對于所有這些元素來說，如果其添加量少于預(yù)定的量，則提高機械加工性的效果較 小，而如果其添加量超過預(yù)定的量，則熱加工性顯著劣化從而導(dǎo)致在塑料加工時頻繁地產(chǎn) 生裂縫，因此生產(chǎn)率和產(chǎn)量降低。在這方面，關(guān)于本發(fā)明的鋼中所含有的各元素，根據(jù)一個實施方案，它們在鋼中存 在的最低量是在所開發(fā)的如表1和表2中所總結(jié)的鋼材的例子中所使用的最小非零量。根 據(jù)進一步的實施方案，它們在鋼中存在的最高量是在所開發(fā)的如表1和表2中所總結(jié)的鋼 材的例子中所使用的最大量。(制備方法)例如，可以通過下述工序來獲得該實施方案的鋼材，但是本發(fā)明并不局限于此。(1)鑄造將原料混合以得到上述預(yù)定的成分，將該原料熔融，并在鑄模中對熔體進行鑄造 以得到鋼錠。(2)均質(zhì)化熱處理/熱加工進行均質(zhì)化熱處理和熱加工以使所獲得的鋼錠的成分均勻化并破壞鑄態(tài)組織。關(guān) 于均質(zhì)化熱處理和熱加工的條件，優(yōu)選根據(jù)各成分來選擇用于各處理的最佳條件。通常通過將鋼錠在1，100°C至1，500°C下保持大約10至30小時來進行均質(zhì)化熱處理。通常在1，OOiTC至1，30(TC下進行熱加工，并且在加工完成之后，將鋼錠進行空氣冷卻。(3)回火/球化退火/粗加工根據(jù)本實施方案的鋼材具有相對較好的相變行為(淬透性)，因此，由于發(fā)生了貝 氏體相變或者馬氏體相變，在熱加工后，該鋼材經(jīng)常在空氣冷卻時變硬。因此，優(yōu)選的是，通 過在所述熱加工之后進行回火和球化退火、然后進行粗加工，使該材料軟化。關(guān)于回火的條件，優(yōu)選根據(jù)各成分來選擇最佳的條件。通常通過將該材料在600 至750°C下保持大約1至10小時來進行回火。優(yōu)選進行球化退火以使鋼材的硬度大約為90至97HRB。通常通過將所述材料在 800至950°C下保持大約1至10小時、然后以每小時5至30°C的速度將其冷卻來進行球化 退火。通過將軟化后的材料機械加工成預(yù)定的形狀來進行粗加工。
(4)熱處理(淬火/回火)進行熱處理以將粗加工后的材料調(diào)節(jié)至所需的硬度。關(guān)于淬火條件和回火條件， 優(yōu)選根據(jù)各成分和所需的特性來選擇用于各處理的最佳條件。通常通過將所述材料在1，000至1，050°C下保持0. 5至5小時、然后快速將其冷卻
來進行淬火。對快速冷卻的方法沒有特別的限制，優(yōu)選根據(jù)目的來選擇最佳的方法?？焖?冷卻方法的例子包括水冷、油冷和空氣吹風冷卻。通常通過將所述材料在500至650°C下保持1至10小時來進行回火。經(jīng)過上述的步驟(1)至(4)，可以獲得這樣的鋼材，其導(dǎo)熱率優(yōu)于通用的模具鋼 (JIS SKD61)，并且沖擊值高于通用的模具鋼，同時保持與通用的模具鋼相當或更高水平的 機械加工性。(5)精加工將熱處理至所需硬度的材料進行精加工。經(jīng)過步驟(5)，就得到了采用本實施方案的熱加工工具鋼制成的鋼制品。(操作方式)在本實施方案的熱加工工具鋼中，Si的量被優(yōu)化，使得該鋼材可以具有與通用的 模具鋼相當或更高水平的機械加工性，并且可以獲得優(yōu)于通用的模具鋼的導(dǎo)熱率。此外，在 本實施方案的熱加工工具鋼中，Mn的量、Cr的量、Mo的量和V的量也被優(yōu)化，從而在確保與 通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性的同時，獲得與通用的模具鋼相比優(yōu)異的導(dǎo)熱 率和高的沖擊值。因此，本發(fā)明的熱加工工具鋼能夠使得模具加工的成本不高于在使用通 用的模具鋼時的模具加工成本。而且，本發(fā)明的熱加工工具鋼幾乎不會導(dǎo)致粘?；驘崃眩Y(jié) 果，模具的壽命可以延長，并且在壓鑄、或者熱煅和/或溫煅時的制備成本可以降低且生產(chǎn) 率可以提高。實施例(實施例A)為了制備下述實施例B中的各個本發(fā)明鋼材，進行實施例1至5以研究優(yōu)選的Si、 Mn、Cr、Mo和V的含量。(實施例1:Si含量的研究)研究Si的優(yōu)選含量，并參照圖1和2進行以下說明。圖1示出了在切削由0. 35質(zhì)量％的C、0. 82質(zhì)量％的胞、5. 73質(zhì)量％的Cr、l. 21 質(zhì)量％的臨、0. 62質(zhì)量％的V和χ質(zhì)量％的Si構(gòu)成的鋼材時，相對于Si的量，采用切削工 具進行加工直到其壽命結(jié)束時所切削的距離。在圖1中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的 數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％)、并且下側(cè)的數(shù)值表示所切削的距離(mm)。用于評價機械加工性 的樣本為55mmX 55mmX 200mm的方形棒(其是按照與實施例B相同的工序制造的，并且通 過球化退火將其軟化至硬度為90至97HRB)，將切削工具的端間隙面上的最大磨損量達到 300 μ m時的時間判斷為其壽命的終點。所切削的距離越大，表示加工性越好，因而是優(yōu)選 的。根據(jù)圖1，隨著Si的量的增加，所切削的距離也增加，因此，從提高機械加工性的 觀點考慮，優(yōu)選的是Si的量較大。根據(jù)圖1，當Si含量小于或等于0. 40質(zhì)量％時，所切削 的距離的降低較為顯著。因此，從確保機械加工性的觀點考慮，Si的量優(yōu)選為大于0. 40質(zhì)
11量％，更優(yōu)選為大于或等于0. 44質(zhì)量％，進一步更優(yōu)選為大于或等于0. 48質(zhì)量％。另一方 面，當Si的量大于或等于0. 75質(zhì)量％時，改善機械加工性的效果并不顯著。將通過使用與圖1中相同的材料而制成的Φ IlmmX50mm的圓棒在1，030°C下加 熱，然后通過快速冷卻和回火將其處理至49HRC的硬度。由該圓棒制作用于測量導(dǎo)熱率的 Φ IOmmX 2mm的樣本。圖2示出了通過激光閃爍法在室溫下測定的導(dǎo)熱率與Si含量的關(guān) 系。在圖2中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％ )、并且下側(cè)的數(shù)值 表示導(dǎo)熱率(W/m/K)。導(dǎo)熱率越高，表示所形成的模具的冷卻能力越高，因而是優(yōu)選的。根據(jù)圖2，隨著Si含量的增加，導(dǎo)熱率降低，當Si含量超過0. 80質(zhì)量％時，導(dǎo)熱率 降低至與通用的模具鋼(Jis SKD61，導(dǎo)熱率為24W/m/K)相比幾乎沒有差別的程度。因此， 從獲得比通用的模具鋼(JISSKD61，導(dǎo)熱率為24W/m/K)更高的導(dǎo)熱率的觀點考慮，選擇小 于0. 75質(zhì)量％的值作為Si含量的上限。另外，根據(jù)圖2，當Si的量為0. 10質(zhì)量％至0. 40質(zhì)量％時，可以獲得大于或等于 28. 3ff/m/K的高導(dǎo)熱率，當Si的含量為0. 10至0. 70質(zhì)量％時，可以獲得大于或等于26W/ m/K的優(yōu)良導(dǎo)熱率。綜上所述，盡管導(dǎo)熱率隨著Si含量的增加而降低，但是與通用的模具鋼相比，Si 含量的上限可以設(shè)定為低于0.75質(zhì)量％。從提高導(dǎo)熱率的觀點考慮，Si含量更優(yōu)選小于 或等于0. 70質(zhì)量％，進一步更優(yōu)選小于或等于0. 65質(zhì)量％。(實施例2=Mn含量的研究)研究Mn的優(yōu)選含量，并參照圖3和圖4進行以下說明。圖3繪制出了鋼材在室溫下的沖擊值相對于Mn的含量的情況，所述鋼材由0. 32 質(zhì)量％的(、0. 42質(zhì)量％&Si、5. 03質(zhì)量％的0、1. 22質(zhì)量％的臨、0. 60質(zhì)量％的V以及χ 質(zhì)量％的Mn構(gòu)成。在圖3中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％ )、 并且下側(cè)的數(shù)值表示沖擊值(J/cm2)。用于評價沖擊值的樣本為IlmmX IlmmX55mm的方 形棒(其是按照與實施例B相同的工序制造的，并且通過球化退火將其軟化至硬度為90至 97HRB)，將其在1，030°C下加熱，然后通過快速冷卻和回火將其處理至49HRC的硬度。由上 述方形棒制造IOmmX IOmmX 55mm的JIS No. 3沖擊測試樣本，并用于測定沖擊值。沖擊值 越大，表示所形成的模具的抗斷裂性越高，因而是優(yōu)選的。根據(jù)圖3可以看出，當Mn的含量小于或等于0. 50質(zhì)量％時，沖擊值相對較低。另 外，根據(jù)圖3，所述沖擊值隨著Mn含量的增加而提高，但是當Mn含量超過1. 50質(zhì)量％時，沖 擊值降低。根據(jù)圖3，當Mn的含量為0. 45質(zhì)量％和0. 55質(zhì)量％時，可以獲得大于或等于30J/ cm2的沖擊值。因此，選擇Mn含量為0. 45質(zhì)量％和0. 55質(zhì)量％的中間值0. 50質(zhì)量％作為 Mn含量的下限。另外，根據(jù)圖3，當Mn含量大于或等于0. 65質(zhì)量％時，可以獲得大于或等 于31J/cm2的沖擊值。但是，根據(jù)圖3，當Mn含量超過1. 50質(zhì)量％時，盡管沖擊值仍保 持在良好的水平上，但是沖擊值降低了。圖4繪制出了與圖3中相同的材料在室溫下的導(dǎo)熱率相對于Mn的含量的情況。在 圖4中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％)、并且下側(cè)的數(shù)值表示導(dǎo) 熱率(W/m/K)。通過與實施例1中相似的激光閃爍方法來測定導(dǎo)熱率。
根據(jù)圖4，隨著Mn含量的增加，導(dǎo)熱率降低。根據(jù)圖4，Mn含量可以小于或等于 1. 50質(zhì)量％，以便獲得大于或等于26W/m/K的導(dǎo)熱率，與JIS SKD61 (導(dǎo)熱率24W/m/K)相 比，該導(dǎo)熱率使得冷卻能力提高；Mn含量可以小于或等于1. 35質(zhì)量％，以便獲得大于或等 于26. 4ff/m/K的導(dǎo)熱率，該導(dǎo)熱率使得冷卻能力進一步提高；Mn含量可以小于或等于1. 20 質(zhì)量％，以便獲得大于或等于26. 8ff/m/K的導(dǎo)熱率，該導(dǎo)熱率使得冷卻能力更進一步提高。(實施例3=Cr含量的研究)對Cr的優(yōu)選含量進行研究并參考圖5和圖6進行描述。圖5繪制出了鋼材在室溫下的沖擊值相對于Cr的含量的情況，所述鋼材由0. 35 質(zhì)量％的(、0. 51質(zhì)量％的Si、0. 84質(zhì)量％的胞、1. 22質(zhì)量％的臨、0. 61質(zhì)量％的V以及 χ質(zhì)量％的&構(gòu)成、并且已處理至硬度為49HRC。在圖5中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上 側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％ )、并且下側(cè)的數(shù)值表示沖擊值(J/cm2)。按照與實施例2相同 的方式制備樣本并測量沖擊值。根據(jù)圖5，隨著Cr含量的增加，沖擊值增大。當Cr含量超過5質(zhì)量％時，該元素 的這種效果尤其顯著。根據(jù)圖5可以理解的是，為了獲得27. 2J/cm2或更高的沖擊值，Cr的 含量可以為5. 24質(zhì)量％或更高。因此，從確保沖擊值的觀點考慮，將Cr含量的下限設(shè)定為 5. 24質(zhì)量％或更高。另外，根據(jù)圖5，當Cr含量低于5質(zhì)量％時，沖擊值顯著降低。圖6繪制出了鋼材在室溫下的導(dǎo)熱率相對于Cr的含量的情況，所述鋼材由0. 21 質(zhì)量％的(、0. 41質(zhì)量％&Si、0. 52質(zhì)量％的胞、1. 22質(zhì)量％的臨、0. 61質(zhì)量％的乂以及χ 質(zhì)量％的Cr構(gòu)成。在圖6中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì)量％ )、 并且下側(cè)的數(shù)值表示導(dǎo)熱率(W/m/K)。通過與實施例1中相似的激光閃爍方法來測定導(dǎo)熱 率。根據(jù)圖6，隨著Cr含量的增加，導(dǎo)熱率降低。根據(jù)圖6，Cr含量可以為9. 00質(zhì)量％ 或更低，以便獲得25W/m/K或更高的導(dǎo)熱率，與JIS SKD61(導(dǎo)熱率24W/m/K)相比，該導(dǎo)熱 率使得冷卻能力提高；Cr含量可以為8. 40質(zhì)量％或更低，以便獲得25. 6ff/m/K或更高的導(dǎo) 熱率，該導(dǎo)熱率使得冷卻能力提高；Mn含量可以為7. 80質(zhì)量％或更低，以便獲得26. 3ff/m/K 或更高的導(dǎo)熱率，高導(dǎo)熱率使得冷卻能力進一步提高。另外，根據(jù)圖6，Cr含量可以為6. 70 質(zhì)量％或更低，以便獲得28W/m/K或更高的導(dǎo)熱率，與JIS SKD61相比，該導(dǎo)熱率使得冷卻 能力顯著提高。(實施例4=Mo含量的研究)研究Si的優(yōu)選含量，并參照圖7進行以下說明。圖7示出了鋼材的高溫強度(在600°C時的變形阻力)相對于Mo的含量的情 況，所述鋼材由0. 35質(zhì)量％的C、0. 47質(zhì)量％的Si、0. 83質(zhì)量％的Mn、5. 74質(zhì)量％的Cr、 0. 59質(zhì)量％的V以及χ質(zhì)量％的Mo構(gòu)成。在圖7中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù) 值表示χ值(質(zhì)量％)、并且下側(cè)的數(shù)值表示高溫強度(MPa)。用于測定變形阻力的樣本 為Φ15πιπιΧ50πιπι的圓棒(其是按照與實施例B相同的工序制造的，并且通過球化退火將其 軟化至硬度為90至97HRB)，將其在1，030°C下加熱，然后通過快速冷卻和回火將其處理至 45HRC的硬度。由該圓棒制作用于測量變形阻力的Φ 14mmX21mm的樣本。將該樣本以5°C / 秒的速度加熱到600°C并保持100秒后，在應(yīng)變速率為10秒―1的條件下對其進行加工以測 定變形阻力。
此處所用的術(shù)語“變形阻力，，是指使材料變形所需的每單位面積上的力。更具體 而言，“變形阻力”表示由Kf = pw/aw所確定的Kf，其中pw為在以10秒―1的應(yīng)變速率進行加 工的過程中的力，而aw表示與該力垂直的接觸面積(下文中，所用的“變形阻力”的含義與 此處相同)。將通過這種方式測得的變形阻力定義為在600°C下的強度(高溫強度)，并將該變 形阻力相對于Mo的含量繪圖(見圖7)。變形阻力越高，表示強度越高，反過來磨損就越低， 因而是優(yōu)選的。根據(jù)圖7，隨著Mo含量的增加，高溫強度也隨之增加。特別是，當Mo含量高于1. 08 質(zhì)量％ (對應(yīng)于JIS SKD61中的Mo含量)時，高溫強度的增加使得能夠獲得較高水平的高 溫強度(> 930MPa)。根據(jù)圖7，當Mo含量為1. 25質(zhì)量％至3質(zhì)量％時，高溫強度的增加 變緩，并且當Mo含量大于或等于3質(zhì)量％時，高溫強度的增加達到飽和。因此，在Mo含量 為1. 25質(zhì)量％或更低的范圍內(nèi)，高溫強度的增加趨勢變緩，Mo含量(例如)優(yōu)選大于1. 15 質(zhì)量％，更優(yōu)選大于或等于1. 20質(zhì)量％。另外，根據(jù)圖7，Mo含量可以為1.23質(zhì)量％或更高，以便獲得950MPa或更高的高 溫強度；Mo含量可以為2. 5質(zhì)量％或更高，以便獲得970MPa或更高的高溫強度。然而，Mo 含量大于或等于3質(zhì)量％時會導(dǎo)致成本顯著增加。因此，為了降低成本，Mo含量優(yōu)選少于 2. 99質(zhì)量％，更優(yōu)選為2. 80質(zhì)量％或更低，進一步更優(yōu)選為2. 50質(zhì)量％或更低。(實施例5=V含量的研究)對V的優(yōu)選含量進行研究并參考圖8進行描述。圖8示出了鋼材的沖擊值相對于V的含量的情況，所述鋼材由0. 34質(zhì)量％的C、 0. 49質(zhì)量％的Si、0. 82質(zhì)量％的Mn、5. 75質(zhì)量％的Cr、1. 23質(zhì)量％的Mo以及χ質(zhì)量％的V 構(gòu)成、并已被處理至48HRC。在圖8中，關(guān)于各個繪制點上的數(shù)值，上側(cè)的數(shù)值表示χ值(質(zhì) 量％)、并且下側(cè)的數(shù)值表示沖擊值(J/cm2)。按照與實施例2相同的方式制備樣本并測量 沖擊值。根據(jù)圖8，當V的含量在0. 1質(zhì)量％至1質(zhì)量％的范圍內(nèi)變動時，不管V的含量為 多少，均可獲得良好的沖擊值(20J/cm2或更高)。根據(jù)圖8，在V含量為0. 30質(zhì)量％的附近 以及在V含量為0. 70質(zhì)量％的附近出現(xiàn)拐點。因此，當將V含量設(shè)定為高于0. 30質(zhì)量％ 至低于0.70質(zhì)量％時，據(jù)認為有助于改善相變行為(淬透性)并且可通過形成碳化物來 實現(xiàn)鋼材的高強度。另一方面，根據(jù)圖8，當V含量為0. 30質(zhì)量％或更低時，沖擊值顯著降 低；當V含量為0. 70質(zhì)量％或更高時，除了沖擊值降低之外，材料成本的增加在工業(yè)上也會 成為大問題。因此，V含量優(yōu)選為0.30質(zhì)量％< V <0.70質(zhì)量％。根據(jù)圖8可知，V含量 可以為0. 40質(zhì)量％或更高，以便獲得31J/cm2或更高的沖擊值，并且V含量可以為0. 50質(zhì) 量％或更高，以便獲得34J/cm2或更高的沖擊值。(實施例B)基于實施例A的研究結(jié)果，制造了本發(fā)明鋼材和對比用鋼材并對它們進行了評 價，如下所述。(樣本的制造和壓鑄模具)關(guān)于表1和表2中所示的實施例和比較例(對比用鋼材All為JIS SKD61)，將各 鋼件在真空中熔融，并將熔體在鑄模中鑄造以得到6噸鋼錠。
將所得到的鋼錠在1，240°C下進行均質(zhì)化處理。然后，通過熱煅制造截面為 3IOmmX 660mm的矩形塊。隨后，在700°C下將該矩形塊回火，然后加熱至900°C并逐漸冷卻，從而使該矩形 塊軟化至硬度為90至97HRB。由所得到的矩形塊加工成約700kg的壓鑄模具。將該壓鑄模具在真空中加熱至1，030°C并保持1小時之后，通過噴射氮氣使其淬 火。然后通過在580至610°C下進行回火將該壓鑄模具的硬度處理至約42HRC。在熱處理之后，從該壓鑄模具上切割下不同的樣本。另外，將該壓鑄模具進行精加 工，從而制得大約650kg的壓鑄模具。
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(基本特性的測量和評價)使用從壓鑄模具上切割下來的樣本，測量并評價其基本特性(高溫強度、導(dǎo)熱率、

沖擊值、抗腐蝕性、成本)。按下列方式測定高溫強度。從壓鑄模具上切割下來Φ 14mmX21mm的樣本。將所 獲得的樣本以5°C /秒的速度加熱至600°C并保持100秒之后，然后在應(yīng)變速率為10秒―1 的條件下對其進行加工以測量變形阻力。結(jié)果示于表3。按下列方式測定導(dǎo)熱率。從壓鑄模具上切割下來Φ IOmmX 2mm的樣本，并通過激 光閃爍方法在室溫下測定所獲得的樣本的導(dǎo)熱率。結(jié)果示于表3。按下列方式測定沖擊值。從壓鑄模具上切割下來IOmmX IOmmX 55mm的JIS No. 3
沖擊測試樣本，并在室溫下測量該樣本的沖擊值。結(jié)果示于表3。按下列方式測量抗腐蝕性。從壓鑄模具上切割下來樣本，該樣本中打有孔，并以 5. 0升/分鐘的速度使30°C的工業(yè)用水流經(jīng)該孔的內(nèi)部24小時。在使水流經(jīng)之后，用肉眼 來評價在孔的內(nèi)表面上鐵銹的生成狀況。結(jié)果示于表3。表3基本特性
(基本特性的評價)當高溫強度為920MPa或更高時將其評為“好”(表3中用“A”表示)，否則的話將 其評為“差”(表3中用“B”表示)。當導(dǎo)熱率為26W/m/K或更高時將其評為“好”(表3中 用“A”表示)，否則的話將其評為“差”(表3中用“B”表示)。當沖擊值大于20J/cm2時將 其評為“好”(表3中用“A”表示)，否則的話將其評為“差”(表3中用“B”表示)。與JIS SKD61 (對比用鋼材All)相比，當生銹少于JIS SKD61時，將抗腐蝕性評為“好”(表3中用 “A”表示)，當生銹的情況與JIS SKD61相當時，將抗腐蝕性評為“稍差”(表3中用“B”表 示)，當生銹的情況比JIS SKD61更嚴重時，將抗腐蝕性評為“差”(表3中用“C”表示)。本發(fā)明的鋼材在所有項目中都表現(xiàn)出良好的性能。此外，本發(fā)明鋼材的機械加工 性不比通用的模具鋼(JIS SKD61)差。順便提及的是，通過對壓鑄模具在實際切削時的加工效率以及切削工具的磨損損失進行判斷，由此來評價機械加工性。當對機械加工性差的 鋼材進行切割時，切削工具容易導(dǎo)致局部非正常磨損或產(chǎn)生碎屑，由于要頻繁地更換切削 工具這不可避免地會降低加工效率，并且由于要使用大量的切削工具這不可避免地會提高 成本。在切割本發(fā)明的鋼材時切削工具的加工效率或者磨損損失與切割通用鋼材時的加工 效率或者磨損損失相當，并且可以確定的是，在實際的模具加工中本發(fā)明鋼材的機械加工 性與通用鋼材的機械加工性相當。在其導(dǎo)熱率大于27W/m/K的本發(fā)明鋼材中，Si含量為0. 55質(zhì)量％或更低(除了 本發(fā)明鋼材A12之外，Si含量均為0. 52質(zhì)量％或更低)、Mn含量為0. 81質(zhì)量％至1. 04質(zhì) 量％ (除了本發(fā)明鋼材A12之外，Mn含量均為0. 81質(zhì)量％至0. 95質(zhì)量％ ；進一步，除了本 發(fā)明鋼材All之外，Mn含量均為0. 81質(zhì)量％至0. 84質(zhì)量％ )、并且Cr含量為5. 55質(zhì)量％ 至5. 74質(zhì)量％ (除了本發(fā)明鋼材A12之外，Cr含量均為5. 63質(zhì)量％至5. 74質(zhì)量％ ；進一 步，除了本發(fā)明鋼材All之外，Cr含量均為5. 71質(zhì)量％至5. 74質(zhì)量％ )。在其沖擊值為34J/cm2或更高的本發(fā)明鋼材中，Mn含量為0. 51質(zhì)量％至1. 42質(zhì) 量％ (除了本發(fā)明鋼材A05外，Mn含量均為0. 51質(zhì)量％至0. 83質(zhì)量％ )、Cr含量為5. 25 質(zhì)量％至8.61質(zhì)量％ (除了本發(fā)明鋼材AOl外，Cr含量均為5. 25質(zhì)量％至8. 08質(zhì)量％ )、 并且V含量為0. 57質(zhì)量％至0. 69質(zhì)量％。另一方面，在對比用鋼材All的情況下，除了高溫強度和成本以外，其它所有項目 都評為“C”。所用的樣本是從大的壓鑄模具(已使其淬火速率降低)上切割下來的樣本。 因此，特別是在對比用鋼材All中，大量地形成了 V的碳化物，從而沖擊值低。其他對比用鋼材在某些評價項目中比對比用鋼材All (JISSKD61)要好一些，但是 沒有一個鋼件在所有項目中均被評為“A”。例如，在對比用鋼材AOl中，由于C太少，其高溫強度降低。此外，由于V太少，淬 火時奧氏體晶粒變粗，并且沖擊值降低。另外，在對比用鋼材AOl中，由于Cr和Mo的含量 相對較少，導(dǎo)致其抗腐蝕性差。對比用鋼材A02中，由于C或V過多使得碳化物的量過大，沖擊值降低。此外，在對 比用鋼材A02中，由于Si和Mn的含量相對較多導(dǎo)致導(dǎo)熱率降低。另外，在對比用鋼材A02 中，由于Cr和Mo的含量相對較少導(dǎo)致抗腐蝕性差，并且由于過多的V而使得成本較高。在對比用鋼材A03中，由于Si過多而使得導(dǎo)熱率降低。在對比用鋼材A04中，盡管Si很少，但是由于Mn和Cr的含量相對較多而使導(dǎo)熱 率降低。在對比用鋼材A05中，由于Mn太少，在冷卻速率低的條件下使相變溫度降低的效 果、以及組織細化的效果不充分，并且沖擊值降低。此外，在對比用鋼材A05中，由于Cr的 含量相對較少而使得抗腐蝕性差。在對比用鋼材A06中，由于Mn過多而使導(dǎo)熱率降低。此外，將對比用鋼材A06的 沖擊值評為好，但是該沖擊值只是勉強能夠滿足評價標準。另外，在對比用鋼材A06中，C的 含量較大，因而形成了大量的Cr的碳化物，結(jié)果，作為固溶體的Cr的量減少了，從而造成抗
腐蝕性差。在對比用鋼材A07中，由于Cr太少而使得可淬性不充分，并且沖擊值降低。此夕卜， 由于Cr太少而使得對比用鋼材A07的抗腐蝕性差。
在對比用鋼材A08中，由于Cr過多而使得導(dǎo)熱率降低。在對比用鋼材A09中，由于Mo太少而使得高溫強度降低。在對比用鋼材AlO中，由于Mo過多而使得成本顯著增加。在對比用鋼材All中，由于Si過多而使得導(dǎo)熱率降低，并且由于Mn太少或V過多 而使得沖擊值降低。(利用壓鑄模具進行的實機試驗)按照下列方式，利用壓鑄模具進行實機試驗。將所制得的壓鑄模具安裝在機器中， 并對鋁合金進行鑄造。將ADC 12用作鋁合金，并將熔融和保溫爐的溫度設(shè)定為680°C。壓 鑄產(chǎn)物的重量為約5kg，并且一個循環(huán)為60秒。在鑄造10，000次之后，對模具表面上的熱 裂以及內(nèi)部冷卻回路的腐蝕破裂進行評價。另外，還要對直至完成10，000次鑄造時，是否 由于內(nèi)部冷卻回路的破裂而導(dǎo)致明顯的粘?；蚵┧M行評價。實機試驗的結(jié)果示于表4。 將表3中所示的導(dǎo)熱率和沖擊值直接插入到表4中。表 4壓鑄試驗結(jié)果 表4(續(xù))壓鑄試驗結(jié)果 (實機試驗的評價)用肉眼逐一來判斷熱裂、粘模、磨損以及水孔的破裂，當未產(chǎn)生上述情況時將其評 為“好”(在表4中表示為“A”)；當稍微產(chǎn)生了上述情況時將其評為“略差”(在表4中表 示為“B” )；當已經(jīng)產(chǎn)生了上述情況時將其評為“差”(在表4中表示為“C” )。本發(fā)明鋼材在所有項目中都顯示出良好的特性，而對比用鋼材在任意一個項目中 均未符合評價標準。這是因為本發(fā)明鋼材具有上述的成分組成，從而確保了高的導(dǎo)熱率和 高的沖擊值，而對比用鋼材不具有上述的成分組成，因而導(dǎo)熱率和/或沖擊值低。也就是說，在本發(fā)明鋼材中，由于導(dǎo)熱率高，所以熱應(yīng)力小，并且?guī)缀醪粫l(fā)生熱 裂。另外，在本發(fā)明鋼材的情況下，高的導(dǎo)熱率抑制了模具的過熱，并且大幅度地降低了鋁 合金與模具之間的粘模。另外，高速注入鋁合金所引起的磨損可以忽略不計，這與高溫強度 高是對應(yīng)的。在本發(fā)明鋼材的情況下，內(nèi)部冷卻回路的腐蝕不太明顯，并且未產(chǎn)生由于裂縫 (其起源于被腐蝕部分)的滲透導(dǎo)致的漏水。另一方面，可以看到，與JIS SKD61(對比用鋼材All)相比，對比用鋼材AOl至 AlO (不包括對比用鋼材A02)性能有所改善，但是比本發(fā)明鋼材差，并且對比用鋼材A02比 JIS SKD61(對比用鋼材All)更差。在其導(dǎo)熱率和沖擊值都較低的鋼件(對比用鋼材A02和All)中，容易發(fā)生熱裂。 此外，在導(dǎo)熱率較低的鋼件(對比用鋼材A02、A03、A04、A06、A08和All)中，頻繁地發(fā)生粘 模。在抗腐蝕性較低的鋼件(對比用鋼材A01、A02、A05、A06和A07)中，內(nèi)部冷卻回路的腐 蝕相當嚴重，并且起源于被腐蝕部位的裂紋分散開來。在內(nèi)部高溫強度較低的鋼件(對比 用鋼材AOl和A09)中，磨損明顯。對比用鋼材AlO的Mo含量高，考慮到成本或節(jié)約資源， 不推薦使用該材料。特別是，與針對基本特性評價時的情況相似，對比用鋼材All (JIS SKD61)，除了磨 損和成本之外，在其它所有項目中均被評為“差”或“稍差”。對比用鋼材All由于其導(dǎo)熱率 較低導(dǎo)致模具過熱，并且使得鋁合金與模具之間頻繁地發(fā)生粘模。此外，由于導(dǎo)熱率較低進 而造成熱應(yīng)力較大，因此產(chǎn)生了很多熱裂。用于實機試驗中的模具是一大型模具。該試驗結(jié)果表明盡管利用本發(fā)明鋼材制 得的模具尺寸較大，但是其可以具有高的沖擊值，并可具有高的導(dǎo)熱率和高溫強度。
雖然在上文中描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不局限于這些實施方案。本發(fā)明的熱加工工具鋼以及由其制成的鋼制品的導(dǎo)熱率優(yōu)于通用的模具鋼(JIS SKD61)的導(dǎo)熱率，并且能夠在保持與通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性的同時， 確保比通用的模具鋼更高的沖擊值，因此，在工業(yè)上對于模具制造商和模具使用者來說非 常有價值。
權(quán)利要求
一種熱加工工具鋼，包含0.20質(zhì)量％≤C≤0.50質(zhì)量％，0.40質(zhì)量％＜Si＜0.75質(zhì)量％，0.50質(zhì)量％＜Mn≤1.50質(zhì)量％，5.24質(zhì)量％≤Cr≤9.00質(zhì)量％，1.08質(zhì)量％＜Mo＜2.99質(zhì)量％，以及0.30質(zhì)量％＜V＜0.70質(zhì)量％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的熱加工工具鋼，還包含 0. 30 質(zhì)量W ^ 4. 00 質(zhì)量％。
3.權(quán)利要求1或2所述的熱加工工具鋼，還包含 0. 30 質(zhì)量Co ^ 3. 00 質(zhì)量％。
4.權(quán)利要求1至3中任意一項所述的熱加工工具鋼，還包含選自由下列元素所組成的 組中的至少一種元素0. 004 質(zhì)量Nb ^ 0. 100 質(zhì)量％， 0. 004 質(zhì)量Ta ^ 0. 100 質(zhì)量％， 0. 004 質(zhì)量Ti ^ 0. 100 質(zhì)量％， 0. 004 質(zhì)量Zr ^ 0. 100 質(zhì)量％， 0. 004質(zhì)量Al ^ 0. 050質(zhì)量％，以及 0. 004 質(zhì)量N^O. 050 質(zhì)量％。
5.權(quán)利要求1至4中任意一項所述的熱加工工具鋼，還包含選自由下列元素所組成的 組中的至少一種元素0. 15 質(zhì)量Cu ^ 1. 50 質(zhì)量％， 0. 15質(zhì)量Ni ^ 1. 50質(zhì)量％，以及 0. 0010 質(zhì)量B^O. 0100 質(zhì)量％。
6.權(quán)利要求1至5中任意一項所述的熱加工工具鋼，還包含選自由下列元素所組成的 組中的至少一種元素0. 010 質(zhì)量S^O. 500 質(zhì)量％， 0. 0005 質(zhì)量Ca ^ 0. 2000 質(zhì)量％， 0. 03 質(zhì)量Se ^ 0. 50 質(zhì)量％， 0. 005 質(zhì)量Te ^ 0. 100 質(zhì)量％， 0. 01質(zhì)量Bi ^ 0. 30質(zhì)量％，以及 0. 03 質(zhì)量Pb ^ 0. 50 質(zhì)量％。
7.一種鋼制品，其包含權(quán)利要求1至6中任意一項所述的熱加工工具鋼。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱加工工具鋼以及由其制備的鋼制品，所述熱加工工具鋼含有0.20質(zhì)量％≤C≤0.50質(zhì)量％、0.40質(zhì)量％＜Si＜0.75質(zhì)量％、0.50質(zhì)量％＜Mn≤1.50質(zhì)量％、5.24質(zhì)量％≤Cr≤9.00質(zhì)量％、1.08質(zhì)量％＜Mo＜2.99質(zhì)量％、以及0.30質(zhì)量％＜V＜0.70質(zhì)量％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。與通用的模具鋼(JIS SKD61)相比，所述熱加工工具鋼能夠提高導(dǎo)熱率，并且在保持與通用的模具鋼相當或更高水平的機械加工性的同時，其具有比通用的模具鋼更高的沖擊值。
文檔編號C22C38/30GK101921958SQ20101020349
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者河野正道 申請人:大同特殊鋼株式會社