專利名稱：焊接性、切削性和熱處理性好的工具鋼及其制成的金屬模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于用于對(duì)汽車、家電制品、農(nóng)機(jī)具等使用的鋼板進(jìn)行沖裁、彎曲、深沖或修邊用的金屬模的工具鋼。
汽車制造廠家為了在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)中取勝，確保經(jīng)濟(jì)收益，在制造過(guò)程的所有環(huán)節(jié)上力圖降低成本。金屬模也不例外，為了降低成本，縮短用沖壓金屬模成形的制品的制造工序，減少金屬模的制造數(shù)量，此外還研制開(kāi)發(fā)金屬模的加工方法和加工工具等，采取各種措施降低成本。
在這類金屬模中，以往使用的金屬模材料、特別是冷加工用金屬模材料中含有大量的碳化物，以提高其耐磨損性，另外，為了獲得良好的淬透性并確保韌性，要求含Cr較多的材料，例如可以使用JISG4404中規(guī)定的合金工具鋼SKD11等高C-高Cr系的鋼。
但是，近年來(lái)，采用各種方法壓縮切削加工的工時(shí)已成為明顯的發(fā)展趨勢(shì)。在成形技術(shù)中原本就屬于成本較高的切削加工，隨著塑性加工的進(jìn)步，其成本高的缺點(diǎn)變得更加突出，為了解決這一問(wèn)題，人們先后研制出CBN、涂覆工具、高速切削機(jī)床以及NC計(jì)算法(ァルゴリズム)等新技術(shù)。適應(yīng)這種潮流，作為改善切削性的工具鋼，目前已經(jīng)有在類似于SKD11的組成中添加S的易切削工具鋼。但是，切削的方式是多種多樣的，單純添加S還不能完全適應(yīng)立銑刀、銑刀、鉆頭等各種不同的切削方式和切削條件。
另外，由于高速切削機(jī)床的出現(xiàn)，可以在HRC60的淬火、回火狀態(tài)下進(jìn)行加工的消息不斷見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)。但這種加工還是粗加工，切削仍有一定困難。這是因?yàn)?，僅僅在上述SKD11中添加S還不足以提高高硬度材料的切削性，還必須減少碳化物的存在。
此外，與切削同樣，熱處理時(shí)的尺寸變化也是一個(gè)問(wèn)題。熱處理尺寸變化較大時(shí)，必須留出較大的加工余量，結(jié)果使得精加工的工時(shí)數(shù)增加。SKS3是低合金工具鋼，其切削性比SKD11好得多，但淬透性差，需要油淬，因而容易產(chǎn)生翹曲。另外，八十年代研制的8％Cr系模具鋼具有良好的淬透性，但容易發(fā)生熱處理尺寸變化以及尺寸隨時(shí)間延續(xù)而變形，結(jié)果，難以切削的SKD11的熱處理尺寸變形是良好的。
用于對(duì)鋼板進(jìn)行沖裁、彎曲、深沖或修邊等的金屬模，使被加工制品的形狀呈三維變化而加工成所需要形狀時(shí)，金屬模上經(jīng)常產(chǎn)生裂紋，因而要求金屬模具有較高的焊接修補(bǔ)性能。即，根據(jù)近來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，金屬模加工工藝呈短期化，由于設(shè)計(jì)變更而進(jìn)行形狀修正，或者在金屬模使用過(guò)程中由于嚴(yán)酷的工作條件而產(chǎn)生破損或裂紋，為了修補(bǔ)后重新使用，焊接性能是非常重要的。
也就是說(shuō)，目前的工具鋼各有長(zhǎng)處和短處，希望研制出熱處理特性與SKD11相同、切削性與SKS3相同的工具鋼。特別是，就熱處理性能而言，迫切希望可以與SKD11裝入同一熱處理爐中進(jìn)行熱處理，使熱處理操作合理化。
本發(fā)明提供了在不降低韌性等機(jī)械性能的情況下獲得良好的焊接性、切削性和熱處理特性的工具鋼。
本發(fā)明人重新分析和研究了在保持韌性和耐磨性等基本機(jī)械性能的基礎(chǔ)上改善焊接性、切削性和熱處理性所需要的基本條件。
首先，目前的情況是，這類金屬模具材料在進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，由于強(qiáng)調(diào)耐磨性而含有大量硬質(zhì)、脆性的碳化物。但是，近年來(lái)作為提高耐磨性的手段，表面處理技術(shù)日趨完善，因此對(duì)于金屬模材料本身的耐磨性已沒(méi)有這樣重視了。而且，從耐裂紋性和焊接性的角度考慮，這些碳化物促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，因此必須降低到適當(dāng)?shù)暮克健?br> 其次，對(duì)切削工具鋼時(shí)的各種切削方式進(jìn)行了分析和探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，刀具的損傷可以分為卷刃類損傷和熱損傷兩種。兩者在一個(gè)工具的不同部位同時(shí)形成的方法，在特定的條件下可以在方端銑刀上實(shí)現(xiàn)。具體地說(shuō)，刀頭發(fā)生機(jī)械損傷，在與被切削材料接觸終了的邊界部位發(fā)生熱損傷。用這種方法對(duì)抑制這兩種損傷的易切削方法進(jìn)行了各種研究。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)了，即使減少構(gòu)成工具鋼的基本成分C含量也能獲得良好的機(jī)械性能、特別是硬度和韌性的成分和組成范圍。另外，還發(fā)現(xiàn)，減少工具鋼中存在的一次碳化物可以防止機(jī)械損傷。此外還發(fā)現(xiàn)了同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種效果，可以適應(yīng)廣泛的切削方式和切削條件，以達(dá)到這種效果最適宜的工具鋼。
本發(fā)明的工具鋼，以重量％計(jì)，滿足下列關(guān)系式，即(Cr+5．9×C)的值是9．1以上、12．5以下，并且(Cr-4．2×C)是5以下，(Cr-6．3×C)是2．2以上，含有Si0．1-0．6％，Mn0．1-1．2％，Mo或W中的1種或2種(Mo+1／2W)0．6-1．25％，V0．5％以下，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
在上述成分范圍中，優(yōu)選的是C0．55-0．75％，Cr6．8-8．0％，共晶值Z[=8×(C％)+0．6×(Cr％)]是10．8以下。另外，優(yōu)選的是，斷面積20μm2以上的碳化物在斷面組織中所占的面積比率是3％以下。此外，優(yōu)選的是，斷面積1μm2以上的硫化物在斷面組織中所占的面積比率是0．2％以上。
本發(fā)明的工具鋼，淬火后的Cr的基體偏析范圍(重量)是1％以下，或者，在500℃以上回火后其最高回火硬度是HRC57以上。本發(fā)明的金屬模具，是將以淬火前的尺寸為基準(zhǔn)，在500℃以上回火后產(chǎn)生的熱處理尺寸變形換算成線膨脹率是0．1％以下，并且在490℃回火的熱處理尺寸變形是0以下的工具鋼調(diào)質(zhì)處理成HRC55以上的硬度，進(jìn)行切削加工而制成。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是說(shuō)明本發(fā)明效果的圖。
圖2是說(shuō)明本發(fā)明效果的圖1的詳細(xì)圖。
圖3是說(shuō)明熱處理尺寸變化情況的圖。
本發(fā)明的工具鋼同時(shí)具有與JIS-SKD11相似的熱處理特性和與JIS-SKS3同等的切削性。上述JIS-SKD11的成分為(重量％，以下相同)1．40-1．60％C、0．40％以下的Si、0．60％以下的Mn、0．030％以下的P、0．030％以下的S、11．00-13．00％的Cr、0．80-1．20％的Mo、0．20-0．50％V，余量由Fe構(gòu)成。上述的JIS-SKS3的成分為即0．90-1．00％C、0．3 5％以下的Si、0．90-1．20％Mn、0．030％以下的P、0．030％以下的S、0．50-1．00％Cr、0．50-1．00％W，余量由Fe構(gòu)成。
下面詳細(xì)說(shuō)明提高切削性的研制過(guò)程。
在碳化物量減低的范圍內(nèi)，進(jìn)行可以與標(biāo)準(zhǔn)的工具鋼SKD11大致同樣熱處理的成分設(shè)計(jì)。為了得到同樣的熱處理特性，基本的設(shè)計(jì)構(gòu)思是，使淬火時(shí)固溶于基體中的組成接近于SKD11。圖1是用熱力學(xué)方法確定的成分設(shè)計(jì)線圖的全貌，圖2是將相當(dāng)于本發(fā)明的范圍擴(kuò)大的成分設(shè)計(jì)線圖。其中，(A)線表示獲得與淬火時(shí)的SKD11相同固溶C量的添加成分平面上的線。同樣，(B)線表示與SKD11同一固溶Cr量的線。兩者在中途都發(fā)生轉(zhuǎn)折，這是因?yàn)?，?C)線以上碳化物殘留下來(lái)，合金元素被碳化物奪走，添加成分不多時(shí)，不能保持與基體的固溶元素相同的水平。
(A)和(B)兩條線，基本上只有在SKD11的組成情況下才相交，因此，在同一淬火溫度下，不可能使基體組成與SKD11相同。盡管如此，在(C)線以上(A)線與(B)線接近，因而形成與SKD11近似的基體組織。但要想使該線更加接近而提高C和Cr量時(shí)，殘留碳化物量增多，卷刃型工具損耗加劇，切削性惡化。另外，就耐久性而言，容易引起疲勞破壞，因而，對(duì)于容易引起應(yīng)力集中的金屬模等用途，其使用受到限制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)弄清了這種相反的關(guān)系，在具有良好的切削性并且熱處理特性接近于SKD11的區(qū)域中只有圖2中所示的本發(fā)明的工具鋼。
另外，近年來(lái)，在熱處理特性中特別重視熱處理尺寸變化。對(duì)于金屬模的品質(zhì)來(lái)說(shuō)，雖然耐久性也很重要，但近年來(lái)特別注重?zé)崽幚沓叽缱兓谶@一點(diǎn)上，SKD11得到很高的評(píng)價(jià)。關(guān)于熱處理尺寸變化的控制可以從以下幾個(gè)方面考慮。
圖3所示為熱處理尺寸變化行為的原理圖。在淬火狀態(tài)下主要的組織是馬氏體，固溶在馬氏體組織中的C使晶格擴(kuò)大而發(fā)生膨脹。如果提高回火溫度，在中、低溫區(qū)域(圖3中的(A)區(qū))析出滲碳體，尺寸變化趨向于收縮。在高溫區(qū)域中，在與回火硬化大致相同的溫度下，尺寸變化率達(dá)到最大。最大值的產(chǎn)生是由主要在該最大值的低溫一側(cè)(圖3中的(B)區(qū)域)和高溫一側(cè)(圖3中的(C)區(qū)域)發(fā)生的機(jī)構(gòu)所決定的。在低溫一側(cè)，殘余奧氏體的分解使溫度升高，發(fā)生膨脹傾向。在最大值的高溫一側(cè)，M7C3、M23C6系碳化物析出、凝集，致使馬氏體中的固溶C量降低，因而產(chǎn)生收縮傾向。
利用這種(A)、(B)、(C)的機(jī)構(gòu)，可以得到保持SKD11的硬度同時(shí)抑制(B)和(C)間產(chǎn)生的尺寸變化，使基體組成接近于SKD11的本發(fā)明的構(gòu)思就來(lái)源于此。為此，不僅SKD11的主要合金元素C和Cr，而且還要進(jìn)行圖3中所示的、控制滲碳體析出的Si和控制M7C3和M23C6系碳化物析出的Mo和W的最優(yōu)化。
另外，由于本發(fā)明的成分系在平衡狀態(tài)圖上是處于一次碳化物難以結(jié)晶的成分區(qū)域，因此如果進(jìn)行急冷凝固或1100-1400℃的擴(kuò)散退火，減少或消除一次碳化物，可以進(jìn)一步提高切削性。
此外，本發(fā)明人還研究了添加S對(duì)于熱處理尺寸變化的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加S超過(guò)0．2％時(shí)，熱處理尺寸變化增大，優(yōu)選的是S含量為0．005-0．12％。以往從未有過(guò)這樣的報(bào)導(dǎo)，其原因認(rèn)為是，添加較多S的易切削鋼的熱處理尺寸變化問(wèn)題難以解決。另一方面，由于工具鋼中殘留碳化物較多，產(chǎn)生抑制尺寸變化的作用，無(wú)法檢查S對(duì)于尺寸變化的作用。由以上所述可知，必須將成分組成中的S調(diào)整為尺寸變化較小的0．2％以下。
下面敘述本發(fā)明的熱處理性和表面處理性。
本發(fā)明為了解決由于限制C含量而引起的耐磨性不足的問(wèn)題，要求充分確保表面處理性。表面處理分為滲碳、氮化、PVD處理和CVD處理。其中，由于被處理材料的性質(zhì)使得處理有困難的是CVD處理。這種處理是用化學(xué)方法使得在1000℃的狀態(tài)下氣化的成膜元素在材料表面上析出。因此，實(shí)質(zhì)上與材料的熱處理同樣，出現(xiàn)淬火不足、熱處理尺寸變化較大等問(wèn)題。
即，作為熱處理性的有代表性的指標(biāo)的淬透性，是為了可以適用于所有的表面處理裝置而提出的，由于采用與淬透性良好的SKD11近似的組成，因而可以充分滿足要求。另外，淬火、回火時(shí)的熱處理尺寸變化與SKD11同等的特性，給工業(yè)生產(chǎn)上帶來(lái)很大便利，為了使基體中的C和Cr成分接近于SKD11，采用圖2中所示的區(qū)域是十分重要的。由于SKD11的熱處理尺寸變化很小，因此可以用于量?jī)x鋼。
SKD11具有熱處理尺寸變化小的特性，這是因?yàn)榇篌w上只靠固溶Cr來(lái)維持高溫回火區(qū)域的硬度，抑制滲碳體析出的方法。也就是說(shuō)，可以高溫回火的高速工具鋼等有目的地添加Mo、W、V的回火硬化鋼，由于回火硬化時(shí)產(chǎn)生的殘余奧氏體分解而生成的新的馬氏體不容易發(fā)生回火收縮，因而產(chǎn)生較大的熱處理尺寸變化。
但是，在利用Cr產(chǎn)生同樣效果的場(chǎng)合，在新的馬氏體中迅速析出M7C3等Cr系碳化物，迅速發(fā)生回火馬氏體化，因而馬氏體中的固溶C量減少，可以抑制大的膨脹，這就是SKD11具有較小的熱處理尺寸變化的原因。熱處理尺寸變化決定了熱處理之前精加工的加工量，因此與切削性同樣，是決定加工效率的重要因素。
總之，通過(guò)使固溶C和Cr量接近于SKD11，使CVD等存在的熱處理尺寸變化問(wèn)題的表面處理的尺寸變化以及淬透性、硬度和尺寸隨時(shí)間而變化都可以獲得與SKD11大體相同的特性，從而可以與SKD11裝入同一爐內(nèi)進(jìn)行處理，大幅度降低表面處理作業(yè)的生產(chǎn)成本。
在CVD等表面處理溫度下奧氏體組織中固溶的C量，對(duì)于生成具有足夠膜厚的MX型化合物(TiC、VC等)是十分重要的。即，為了使在CVD表面處理時(shí)固溶C生成MX型化合物，必須從鋼材中供給，其最適宜的量取決于保持在表面處理溫度前的馬氏體組織中固溶的C量。本發(fā)明的工具鋼，其固溶C量達(dá)到0．4％以上，因而可以充分成膜。
根據(jù)以上所述，說(shuō)明構(gòu)成本發(fā)明的工具鋼的元素及其含量的限定依據(jù)。
C和Cr為了獲得與SKD11類似的性質(zhì)以及使淬火后的殘留碳化物降低到5％(質(zhì)量)以下，采用圖1和圖2所示的范圍。具體地說(shuō)，在從1000℃到1050℃淬火后的組織中，例如用熱力學(xué)方法計(jì)算未固溶的碳化物存在量在5％(質(zhì)量)以下者對(duì)于提高切削性是有利的。
SKD11的熱處理特性，在回火溫度為490℃以下的范圍，軋制方向上的熱處理尺寸變化為負(fù)值，在該溫度以上的回火溫度下熱處理尺寸變化成為正值。另外，在高于490℃的回火溫度下的最大熱處理尺寸變化量是0．1％以下的正值，此外，在這些回火范圍內(nèi)存在著可以確保HRC57-60硬度的熱處理?xiàng)l件。
可以滿足所有這些特征的成分區(qū)域是圖1和圖2中所示的成分區(qū)域。在490℃以下必然產(chǎn)生負(fù)的尺寸變化，在該溫度以上尺寸變化變成正值，根據(jù)這一特性，如果一點(diǎn)一點(diǎn)地提高回火溫度，在某一條件下必然會(huì)存在熱處理尺寸變化為0的條件，從而可以找到使尺寸變化接近于0的熱處理?xiàng)l件。這一見(jiàn)解也得到了SKD11鋼的熱處理技術(shù)人員的支持，是標(biāo)準(zhǔn)化的背景，這里所述的C與Cr的平衡特別重要。
SiSi也是基本上按照與SKD11(Si=0．25％(質(zhì)量))類似設(shè)定。只是Si原來(lái)是作為脫氧劑和為了改善鑄造性的目的而添加的，其含量減少時(shí)，韌性提高，但切削性惡化，因而必須在0．1％以上。另一方面，其含量過(guò)多時(shí)，抑制了滲碳體析出，結(jié)果導(dǎo)致在500-550℃的回火區(qū)域中熱處理尺寸變形增大。因此，Si的含量限定為0．1-0．6％。
MnMn也是基本上與SKD11(Mn=0．4％(質(zhì)量))類似進(jìn)行設(shè)定。Mn是為了提高淬透性而添加的，其含量低于0．1％時(shí)，不能穩(wěn)定地得到淬火硬度。反之，含量過(guò)高時(shí)，焊接性惡化，而且與Si同樣，基體的成分偏析加驟，因而限定為0．1-1．2％。但Mn是可以取代昂貴的Cr和Mo等的廉價(jià)的元素，在Cr和Mo等充分發(fā)揮效果并且不添加S的場(chǎng)合，也可以不添加Mn。
Mo和WMo和W也是基本上與SKD11(Mo=0．85％(質(zhì)量))同等設(shè)置。Mo和W提高淬透性，而且，即使回火在較高溫度下進(jìn)行也不會(huì)急劇軟化，因此硬度的調(diào)整變得簡(jiǎn)單。由于W的原子量是Mo的大約2倍，1％的Mo含量具有與2％W的含量相等的效果，因此，可以用(Mo+1／2W)量表示這種效果。在本發(fā)明中，可以含有Mo和W中的1種或2種，即，全部的Mo含量可以用2倍的W含量代替，或者M(jìn)o的一部分含量可以用與之相當(dāng)?shù)腤量代替。在(Mo+1／2W)量中，優(yōu)先使用哪一個(gè)成分可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)性來(lái)進(jìn)行考慮和判斷。但是，用W替換會(huì)使火焰淬火性惡化，因而最好是添加Mo。
(Mo+1／2W)的添加量低于0．6％時(shí)，高溫回火的硬度降低加劇，硬度難以控制；反之，添加量過(guò)高時(shí)，使馬氏體中的碳化物的析出、凝集變得遲緩，在500-550℃下回火時(shí)熱處理尺寸變化增大，或者伴隨馬氏體的回火遲緩，奧氏體分解變得遲緩，即使認(rèn)為已經(jīng)充分回火，不穩(wěn)定的奧氏體仍然殘留下來(lái)，制成金屬模后，在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的延續(xù)尺寸發(fā)生變化，因而其添加量限定為0．6-1．25％，優(yōu)選的是0．6-1．10％。
本發(fā)明的工具鋼，為了達(dá)到其它所要求的效果，還可以在上述成分基礎(chǔ)上含有V。V也是基本上與SKD11(V=0．25％(質(zhì)量))同等含量。V是提高工具鋼所必須的軟化抗力的元素，但V形成V系碳化物，導(dǎo)致切削性降低，因此其含量限定為0．5％以下。
SS是脆化元素的代表，在焊接和高硬度鋼領(lǐng)域中是忌諱使用的，但它具有易切削的作用，為了減少碳化物和提高韌性，可以適量添加?？紤]到熱處理尺寸變化增大，其含量最多可以允許0．2％。
CaCa不會(huì)降低機(jī)械性能，不發(fā)生組織變質(zhì)，是理想的易切削元素。其易切削的基理是，使鋼中微量分散的氧化物的熔點(diǎn)降低，由于切削熱而溶出，在刀刃上形成保護(hù)膜。但是，其蒸氣壓較高，容易從鋼水中跑掉，目前由于技術(shù)上的原因最多只能添加100ppm左右。
此外，為了提高本發(fā)明的工具鋼的切削性，可以含有2％以下的稀土元素。不可避免的雜質(zhì)總量應(yīng)在0．5％以下。如果要求韌性和焊接性，可以添加5．0％以下的Ni，在需要更高耐磨性的場(chǎng)合，可以添加1．0％以下的Al，提高氮化硬度。此外，為了獲得其它所要求的效果，可以含有0．2％以下選自Pb、Se、Te、Bi、In、Be、Ce、Zr、Ti中的1種或2種以上元素而不會(huì)改變基本性能。
為了進(jìn)一步提高本發(fā)明的效果，調(diào)整淬火后的狀態(tài)是十分有效的。即，使淬火后的馬氏體組織中固溶的C和Cr含量與SKD11近似，而且，使剛淬火后的殘留碳化物含量降低到5％(質(zhì)量)以下。也可以在鋼材的制造過(guò)程中降低剛淬火后的殘留碳化物量。采用粉末法、在1100℃以上對(duì)剛?cè)刍蟮匿撳V進(jìn)行1-10小時(shí)熱處理的均熱法、或使鋼錠小型化或急冷凝固法等，可以使剛淬火后的殘留碳化物量達(dá)到5％(質(zhì)量)以下。另外，使淬火后的Cr的基體偏析幅度(重量％)達(dá)到1％以下也有利于提高切削性。
以上所述的本發(fā)明的工具鋼具有良好的焊接性，而且，按照與以往的SKD11同樣的熱處理?xiàng)l件即從1000-1050℃淬火、在500℃以上回火，也可以確保HRC57以上的硬度。另外，在HRC57以上的硬度下具有良好的切削性，而且，鹽浴法和CVD處理等表面處理性能也很好。
另外，將本發(fā)明的工具鋼用于金屬模等時(shí)，可以根據(jù)所要求的功能，只在必要的部位上進(jìn)行火焰淬火，可以根據(jù)制作工時(shí)或需要的特性選擇獲得硬度的熱處理方法。例如，將本發(fā)明的工具鋼調(diào)質(zhì)處理成HRC55以上的硬度，進(jìn)行切削，制成金屬模。
本發(fā)明的工具鋼的另一個(gè)特征是，與JIS-SKD11相比，即使減少構(gòu)成工具鋼的基本成分的C含量，也能得到良好的機(jī)械性能，特別是硬度和韌性，而且，焊接性、切削性、表面處理特性以及熱處理特性也非常好。
即，本發(fā)明的工具鋼控制了C的含量，確保良好的焊接性，在用于金屬模時(shí)，具有良好的韌性，同時(shí)，即使使用過(guò)程中產(chǎn)生破損、裂紋或磨損，也可以通過(guò)焊接很容易地進(jìn)行修補(bǔ)，重新使用。而且，為了適應(yīng)由于控制C含量而引起耐磨性不足的場(chǎng)合，本發(fā)明的鋼確保具有良好的表面處理性。
在本發(fā)明中，所述的焊接性良好或可以焊接是指，在進(jìn)行規(guī)定的預(yù)熱、后熱處理的JISZ3158的Y形試樣中未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋。在進(jìn)行焊接時(shí)，為了防止焊接裂紋，通常要進(jìn)行預(yù)熱和后加熱。預(yù)熱一般是為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生高溫裂紋而進(jìn)行的，后加熱處理是為了防止低溫裂紋，是降低焊接熱影響區(qū)的硬度的一種回火處理。
一般地說(shuō)，金屬模在其制造過(guò)程中或使用過(guò)程中，根據(jù)情況為了改變形狀或者進(jìn)行修補(bǔ)，需要進(jìn)行焊接，為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋，往往將合金鋼預(yù)熱至高溫后進(jìn)行焊接。特別是在含有Cr等的場(chǎng)合，一般需要預(yù)熱至450-550℃以上，然后進(jìn)行焊接，本發(fā)明提供了即使降低該預(yù)熱溫度，具體地說(shuō)即使降低到250℃，在JISZ3158的Y形試樣中也沒(méi)有產(chǎn)生焊接裂紋的工具鋼。因此，本發(fā)明提高了焊接操作性，而且很經(jīng)濟(jì)。
其次，對(duì)于高C、高Cr鋼來(lái)說(shuō)，焊接后的后加熱也很重要，通過(guò)降低焊接熱影響區(qū)的硬度，可以降低后加熱的加熱溫度和減少加熱時(shí)間。特別是為了控制焊接熱影響區(qū)，將C量降低到0．75％以下，將Cr量控制在6．8％以上是有效的，這樣可以有效地將決定焊接性的馬氏體組織中的固溶C和Cr量調(diào)整為最適宜的水平。
實(shí)施例下面詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例，但本發(fā)明不受這些實(shí)施例的限制。
實(shí)施例1
首先，用100kg高頻感應(yīng)電爐將材料熔化，制成表1所示化學(xué)成分的鋼錠。比較材料是相當(dāng)于SKD11的材料。隨后進(jìn)行熱軋，鍛造比為5。待冷卻后在850℃保持4小時(shí)，進(jìn)行退火?；瘜W(xué)成分(重量％)C Si Mn S Cr Mo WV Ca(ppm) Fe發(fā)明材料1 0．43 0．40 0．40 0．001 6．73 0．91 ＜0．10 0．10 - 余量發(fā)明材料2 0．57 0．32 0．35 0．011 6．02 0．65 ＜0．01 ＜0．01 - 余量發(fā)明材料3 0．81 0．10 0．40 0．062 7．49 1．01 ＜0．01 ＜0．01 - 余量發(fā)明材料4 0．74 0．25 0．40 0．072 8．02 0．81 ＜0．01 ＜0．01 - 余量發(fā)明材料5 0．71 0．24 0．01 0．059 7．32 1．12 ＜0．01 0．25 55 余量發(fā)明材料6 0．69 0．58 0．35 0．060 7．15 0．89 ＜0．01 0．25 25 余量發(fā)明材料7 0．71 0．24 1．16 0．058 7．73 0．78 ＜0．01 ＜0．01 - 余量發(fā)明材料8 0．68 0．25 0．44 0．020 7．03 1．24 ＜0．01 0．23 - 余量發(fā)明材料9 0．60 0．60 0．46 0．021 6．89 0．44 ＜0．01 0．42 - 余量發(fā)明材料10 0．55 0．15 0．50 0．015 7．25 ＜0．01 2．4 ＜0．01 - 余量比較材料1 1．47 0．25 0．4 0．002 11．95 0．90 ＜0．01 0．35 - 余量比較材料2 0．95 0．30 1．05 0．001 0．75-0．75 -- 余量比較材料3 0．51 0．25 0．40 0．002 5．98 0．85 ＜0．01 0．25 - 余量比較材料4 0．80 0．22 0．40 0．002 8．00 1．10 ＜0．01 0．25 - 余量比較材料5 0．59 0．31 0．38 0．002 7．69 0．95 ＜0．01 0．25 - 余量比較材料6 0．75 0．24 0．25 0．001 6．51 0．91 ＜0．01 0．24 - 余量接下來(lái)，使試樣的長(zhǎng)度方向與軋制方向一致，制作21根直徑10mm、長(zhǎng)度80mm的試樣，分別進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)定。然后，將其中的各10根試樣用真空加熱爐加熱到1025℃并保持，隨后用惰性氣體進(jìn)行氣體冷卻淬火。再按530℃、1小時(shí)的條件回火2次。測(cè)定所得到的試樣的硬度時(shí)，比較例2和3未達(dá)到HRC57以上。測(cè)定達(dá)到HRC57以上的材料的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度，以預(yù)先測(cè)定的淬火前的長(zhǎng)度為基準(zhǔn)計(jì)算尺寸變化率，調(diào)查尺寸變化率超過(guò)0．1％的試樣有幾根。結(jié)果示于表2中。尺寸變化超過(guò)0．1％的數(shù)量發(fā)明材料10根發(fā)明材料20根發(fā)明材料30根發(fā)明材料40根發(fā)明材料50根發(fā)明材料60根發(fā)明材料70根發(fā)明材料80根發(fā)明材料90根發(fā)明材料10 0根比較材料10根比較材料43根比較材料52根比較材料65根由表2可以看出，本發(fā)明的鋼尺寸變化都在0．1％以下，而比較例4、5和6超過(guò)了0．1％。
隨后，對(duì)在530℃下的尺寸變化在0．1％以下者以及比較例4和5，使用剩余的退火狀態(tài)的試樣各10根，用真空加熱爐加熱至1025℃并保持，然后用惰性氣體進(jìn)行氣體冷卻淬火。再在490℃、1小時(shí)的條件下回火2次。隨后測(cè)定試樣的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度，以測(cè)定的淬火前的長(zhǎng)度為基準(zhǔn)計(jì)算尺寸變化率。調(diào)查其中尺寸變化為正值(膨脹)的試樣有幾根，結(jié)果示于表3中。尺寸變化率為正值(膨脹)的數(shù)量發(fā)明材料10根發(fā)明材料20根發(fā)明材料30根發(fā)明材料40根發(fā)明材料50根發(fā)明材料60根發(fā)明材料70根發(fā)明材料80根發(fā)明材料90根發(fā)明材料10 0根比較材料10根比較材料40根比較材料57根由表3可以看出，比較例5的尺寸變化為正值，發(fā)生了膨脹，因而尺寸變化的調(diào)整很困難，而根據(jù)上述表2的結(jié)果，本發(fā)明例1-12和比較例1沒(méi)有發(fā)生尺寸變化為正值而膨脹的情況，尺寸變化容易調(diào)整，可以進(jìn)行與SKD11同樣的熱處理。
實(shí)施例2以下進(jìn)行切削性的評(píng)價(jià)。
首先，在表1所示的材料中，使實(shí)施例1中尺寸變化情況被示為與SKD11同等的材料(本發(fā)明例1-12和比較例1)以及比較例4形成硬度HRC24以下的退火狀態(tài)，進(jìn)行使用方端銑刀的切削性評(píng)價(jià)。切削試驗(yàn)按表4所示的條件進(jìn)行。根據(jù)表5所示的結(jié)果，本發(fā)明例1-12的工具壽命(刀刃磨損0．3mm)顯示出10m以上的高切削性，而比較例1和4由于鉻系碳化物的原因，切削性很差。項(xiàng)目 條件工具2NKR 10(高速鋼)切削速度25m／min進(jìn) 給 量0．08mm／轉(zhuǎn)吃刀深度0．8×1．5mm切削方向順銑冷卻方式干式[表5]刀刃磨損0．3mm時(shí)的切削長(zhǎng)度(壽命)發(fā)明材料1 18m發(fā)明材料2 18m發(fā)明材料3＞20m發(fā)明材料4＞20m發(fā)明材料5 18m發(fā)明材料6＞20m發(fā)明材料7＞20m發(fā)明材料8 18m發(fā)明材料9 20m發(fā)明材料1018m比較材料1＜2m比較材料4 8m其次，對(duì)尺寸變化情況被視為與SKD11同等的材料(本發(fā)明例1-12和比較例1)以及比較例4進(jìn)行1030℃的淬火和500℃以上的回火，調(diào)質(zhì)成HRC57-60的硬度，制成試驗(yàn)材料，進(jìn)行使用方端銑刀的切削性評(píng)價(jià)，切削條件示于表6中。由表7所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)明例1-12的工具壽命(刀刃磨損0．1mm)良好，切削性也很高，而比較例1和4的切削性很差。項(xiàng)目條件工具 HES 2100-C(超硬涂層)切削速度 75m／min進(jìn) 給 量 0．05mm／刀吃刀深度 0．2×15mm切削方向 順銑冷卻方式 干式[表7]刀刃磨損0．1mm時(shí)的切削長(zhǎng)度(壽命)發(fā)明材料116m發(fā)明材料214m發(fā)明材料328m發(fā)明材料424m發(fā)明材料518m發(fā)明材料626m發(fā)明材料726m發(fā)明材料822m發(fā)明材料916m發(fā)明材料10 16m比較材料1 ＜2m比較材料44m實(shí)施例3在表1所示的材料中，對(duì)本發(fā)明材料中切削性較差的本發(fā)明例1、2和熱處理特性良好的比較材料1以及比較材料4，在其鋼錠狀態(tài)下于1160℃下進(jìn)行10小時(shí)的均熱，退火后在1030℃淬火，在500℃以上回火，調(diào)整為HRC57，然后進(jìn)行切削性試驗(yàn)。按表8所示的條件，以刀刃磨損達(dá)到0．1mm的切削距離作為壽命。另外，為了評(píng)價(jià)基體的偏析狀態(tài)，用電子探針顯微分析儀對(duì)淬火狀態(tài)的材料測(cè)定1mm的線上Cr的特性X線，以不是碳化物的位置的Cr變化幅度作為2σ，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。兩者的結(jié)果示于表9中。項(xiàng)目 條件工具HES 2100-C(超硬涂層)切削速度75m／min進(jìn) 給 量0．05mm／刀吃刀深度0．2×15mm切削方向順銑冷卻方式干式[表9]刀刃磨損0．1mm時(shí)的切削長(zhǎng)度(壽命) Cr基體的偏析程度發(fā)明材料128m 0．8％發(fā)明材料228m 0．8％比較材料1 ＜2m 1．8％比較材料46m 2．5％由表9可以看出，淬火狀態(tài)的Cr偏析幅度在1％以下的本發(fā)明材料比前面的實(shí)施例2壽命更高，而比較例1和4的Cr偏析幅度超過(guò)1％，工具壽命的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到希望的程度。上述Cr偏析幅度的定義是相對(duì)于在固溶狀態(tài)下Cr含量的平均值的含量變化的范圍(％)。
實(shí)施例4使用50kg的高頻感應(yīng)電爐將材料熔化，制成具有表10所示化學(xué)成分的鋼錠。比較材料7是相當(dāng)于SKD11的材料。隨后進(jìn)行熱軋，鍛造比為5，冷卻后在850℃保持4小時(shí)進(jìn)行退火?；瘜W(xué)成分(重量％)；*其中發(fā)明材料12含有Ca71ppmC Si Mn S Ni Cr Mo W V 共晶值Z發(fā)明材料 11 0．55 0．25 0．41 0．005 0．2 6．52 0．98-0．25 8．31發(fā)明材料 12 0．75 0．30 0．35 0．100 0．004 7．91 0．35 1．05 0．25 10．35發(fā)明材料 13 0．70 0．25 0．56 0．072 0．01 7．41 1．05-0．25 10．05發(fā)明材料 14 0．71 0．59 0．71 0．030 0．21 7．01 1．01-0．25 9．89發(fā)明材料 15 0．69 0．25 0．23 0．030 2．51 6．83 0．98-0．24 9．16發(fā)明材料 16 0．73 0．24 0．41 0．025 0．11 7．12 0．61-0．21 10．11發(fā)明材料 17 0．71 0．26 0．39 0．025 0．12 7．21 1．19-0．26 10．01發(fā)明材料 18 0．68 0．27 0．40 0．024 0．10 7．42 1．01-0．49 9．89比較材料 7 1．48 0．25 0．46 0．005 0．02 12．11 0．99-0．38 19．1比較材料 8 0．98 1．20 0．57 0．005 0．003 7．48 1．85-0．76 12．33比較材料 9 0．76 0．10 0．29 0．006 0．05 9．63 1．43-0．57 11．86比較材料 10 0．58 0．82 0．35 0．004 0．10 11．81 1．48-0．38 1．73比較材料 11 0．53 0．55 0．38 0．006 0．15 12．50 0．58-0．26 11．74比較材料 12 0．35 0．70 0．36 0．007 0．003 4．01 2．31-0．11 5．21比較材料 13 0．28 1．10 0．12 0．006 0．002 5．35 2．01-0．71 6．05比較材料 14 0．44 0．92 1．75 0．006 0．004 8．23 0．75-0．25 8．45比較材料 15 0．45 0．43 0．81 0．004 0．018 4．68 2．27 3．10 0．42 6．41比較材料 16 0．39 0．56 0．75 0．006 0．010 9．58 2．58- 0．01 8．87比較材料 17 0．55 1．24 0．20 0．005 0．2 5．50 1．20 1．01 0．31 8．30比較材料 18 0．50 1．00 0．35 0．100 0．004 6．30 1．40 1．05 0．25 7．78其次，將上述退火材料制成JSZ3158的Y型試樣，用真空加熱爐加熱至1025℃并保持，然后用惰性氣體進(jìn)行氣體冷卻淬火。接著在500-550℃下回火，使各試樣的硬度達(dá)到HRC57以上。將這樣制得的試樣按表2所示條件焊接，進(jìn)行焊接性評(píng)價(jià)。比較材料10-16在500℃以上回火，未能得到HRC57以上的硬度。項(xiàng)目 內(nèi)容預(yù)熱方法裝入保持加熱到預(yù)定溫度的電爐后，保持1小時(shí)焊接方法電弧焊焊條涂藥電焊條相當(dāng)于JISZ3251DF3B，直徑4mm焊接電流110A焊接后的熱處理方法 和預(yù)熱同樣條件進(jìn)行、450℃保持1小時(shí)冷卻時(shí)間7小時(shí)焊接裂紋的評(píng)價(jià)方法 著色浸透探傷檢查和內(nèi)部剖面的顯微鏡觀察焊接性是根據(jù)焊接后有無(wú)裂紋進(jìn)行評(píng)價(jià)。其結(jié)果與淬火、回火熱處理得到的硬度一起示于表3中。本發(fā)明材料11-18和比較材料17、18在350℃的預(yù)熱溫度下沒(méi)有產(chǎn)生焊接裂紋，而比較例7、8和9在350和450℃的預(yù)熱溫度下都產(chǎn)生了裂紋。硬度(HRC) 預(yù)熱溫度(℃) 焊接性(裂紋)發(fā)明材料 1159．9350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1260．1350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1359．5350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1458．5350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1559．7350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1660．3350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1760．2350 無(wú)裂紋發(fā)明材料 1858．9350 無(wú)裂紋比較材料 7 60．3350 有裂紋比較材料 8 59．8450 有裂紋比較材料 9 57．0450 有裂紋比較材料 1759．0350 無(wú)裂紋比較材料 1758．0350 無(wú)裂紋比較材料 1858．7350 無(wú)裂紋比較材料 1860．0350 無(wú)裂紋比較材料 1759．9450 無(wú)裂紋比較材料 1860．1450 無(wú)裂紋實(shí)施例5以下，進(jìn)行切削性的評(píng)價(jià)。
首先，用表10中所示的材料制成硬度HRC24以下的退火狀態(tài)的試驗(yàn)材料，進(jìn)行方端銑刀的切削性評(píng)價(jià)。切削試驗(yàn)按表13所示的條件進(jìn)行。由表14所示的結(jié)果可以看出，與相當(dāng)于SKD11的比較材料17相比，本發(fā)明材料11-18和比較材料17．18獲得了3倍或3倍以上的工具壽命。項(xiàng)目 條件工具 2NKR 10(高速鋼)切削速度 40m／min進(jìn) 給 量 0．08mm／轉(zhuǎn)吃刀深度 0．8×1．5mm切削方向 順銑冷卻方式 干式[表14]刀刃磨損0．4mm時(shí)的切削長(zhǎng)度(壽命)發(fā)明材料 11 18m發(fā)明材料 12＞20m發(fā)明材料 13 20m發(fā)明材料 14 18m發(fā)明材料 15 16m發(fā)明材料 16 14m發(fā)明材料 17 18m發(fā)明材料 18 14m比較材料 7 2m比較材料 8 3m比較材料 9 3m比較材料 17 8m比較材料 18 16m其次，使用表10所示的材料，按本發(fā)明的熱處理?xiàng)l件進(jìn)行淬火、回火成HRC57-60的硬度，制成供試驗(yàn)用的材料，進(jìn)行方端銑刀的切削性評(píng)價(jià)，切削條件示于表15中。由表16所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與相當(dāng)于SKD11的比較材料7相比，本發(fā)明材料11-18和比較材料17、18獲得了6倍或6倍以上的工具壽命。項(xiàng)目 條件工具HS 2100-C(超硬涂層)切削速度25m/min進(jìn) 給 量0．05mm/刀吃刀深度0．2×15mm切削方向順銑冷卻方式干式[表16]刀刃磨損0．08mm時(shí)的切削長(zhǎng)度(壽命)發(fā)明材料 11 22m發(fā)明材料 12 32m發(fā)明材料 13 20m發(fā)明材料 14 18m發(fā)明材料 15 20m發(fā)明材料 16 16m發(fā)明材料 17 18m發(fā)明材料 18 20m比較材料 7 3m比較材料 8 10m比較材料 9 12m比較材料 17 22m比較材料 18 32m實(shí)施例6以下，檢測(cè)焊接前的預(yù)熱溫度和焊接后的冷卻時(shí)間對(duì)于焊接性的影響。檢測(cè)時(shí)，使用真空加熱爐將上述退火材料加熱至1025℃并保持，然后用惰性氣體進(jìn)行氣體冷卻淬火，接著在500-550℃下回火到規(guī)定的硬度，制成供試驗(yàn)材料，焊接后的后加熱處理是在450℃保持1小時(shí)，然后用3小時(shí)或7小時(shí)冷卻至常溫。表17中示出在這樣的條件下是否產(chǎn)生裂紋以及調(diào)整硬度和預(yù)熱溫度。硬度 預(yù)熱溫度 冷卻時(shí)間(小 焊接性(裂紋)(HRC)(℃) 時(shí))發(fā)明材料 11 57．3 2503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 12 60．2 2503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 13 59．5 3503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 14 58．6 3503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 15 59．3 3503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 16 58．9 3503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 17 58．0 3503 無(wú)裂紋發(fā)明材料 18 58．7 3503 無(wú)裂紋比較材料 759．9 4507 有裂紋比較材料 15 54．8 4507 有裂紋比較材料 16 53．2 4507 有裂紋比較材料 17 59．2 2503 無(wú)裂紋比較材料 17 58．3 2503 無(wú)裂紋比較材料 17 58．7 3503 無(wú)裂紋比較材料 18 60．0 3503 無(wú)裂紋比較材料 18 59．7 3503 無(wú)裂紋比較材料 18 58．2 3503 無(wú)裂紋由表17可以看出，本發(fā)明材料11-18以及比較材料17、18在冷卻時(shí)間為3小時(shí)的場(chǎng)合也沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，相比之下，比較材料7、15和16在冷卻時(shí)間為7小時(shí)的情況下還是產(chǎn)生了裂紋。
實(shí)施例7以下，由本發(fā)明材料11-18和比較材料7-9以及17-18的退火材料制作10mm(直徑)×80mm(長(zhǎng)度)的試樣各10根，試樣的長(zhǎng)度方向?yàn)檐堉品较颉ｎA(yù)先測(cè)定這些淬火前的試樣的長(zhǎng)度方向尺寸，然后在1030℃下保持1小時(shí)后空冷淬火，在500℃以上進(jìn)行回火，將硬度調(diào)整為HRC60±1。在室溫下充分冷卻后再次測(cè)定尺寸，以淬火前的尺寸為基準(zhǔn)分別求出尺寸變化率，調(diào)查尺寸變化率超過(guò)0．1％的根數(shù)，結(jié)果示于表18中。尺寸變化超過(guò)0．1％的根數(shù)發(fā)明材料 11 0發(fā)明材料 12 0發(fā)明材料 13 0發(fā)明材料 14 1發(fā)明材料 15 0發(fā)明材料 16 0發(fā)明材料 17 1發(fā)明材料 18 0比較材料 7 0比較材料 8 10比較材料 9 4比較材料 17 10比較材料 18 10由表18可以看出，本發(fā)明材料11、12、13、15、16、18和相當(dāng)于SKD11的比較材料7的尺寸變化超過(guò)限度。Si含量稍高的本發(fā)明材料14和Mo含量稍高的本發(fā)明材料17，尺寸變化超過(guò)0．1％的發(fā)生數(shù)量很少，只有1根。相比之下比較材料8、17和18由于Si和Mo當(dāng)量高，10根試樣的尺寸變化全都超過(guò)限度。另外，比較材料15與特開(kāi)平11-181548中所述的工具鋼相比，Si含量降低，但由于Mo當(dāng)量高，仍有4根試樣的尺寸變化超過(guò)限度。
本發(fā)明為了提高焊接性和切削性而減少碳化物的量，有些場(chǎng)合可能耐磨性會(huì)變差，但是，由于本發(fā)明的減少尺寸變化的效果，確保了表面處理的自由度，因此可以容易制造工具和金屬模，滿足兩者工具性能的要求。
實(shí)施例8以下對(duì)于由發(fā)明材料11-18和比較例7、8、9、17和18的退火材料上切取的25×100×100(mm)的板材，檢測(cè)實(shí)際進(jìn)行TD處理時(shí)的軋制方向的尺寸變化率。前熱處理是1020℃淬火、530℃回火，進(jìn)行2次，然后進(jìn)行精加工，改變不同的位置測(cè)定5點(diǎn)的軋制方向尺寸。然后按照生成目標(biāo)膜厚為3μm的VC的條件，進(jìn)行1020℃×7小時(shí)的TD處理，在530℃下回火2次。然后進(jìn)行后熱處理，同樣是在1020℃淬火，在530℃進(jìn)行回火。測(cè)定軋制方向的尺寸，算出尺寸變化率，結(jié)果示于表19中。軋制方向的尺寸變化率(％，5次測(cè)定的平均值)發(fā)明材料 110．062發(fā)明材料 120．054發(fā)明材料 130．052發(fā)明材料 140．081發(fā)明材料 150．042發(fā)明材料 160．051發(fā)明材料 170．079發(fā)明材料 180．071比較材料 7 0．059比較材料 8 1．521比較材料 9 1．623比較材料 171．539比較材料 181．605本發(fā)明材料11-18和比較材料7(相當(dāng)于SKD11的材料)的尺寸變化率是0．1％以下，滿足尺寸變化率的要求，而比較例8、9、17和18的尺寸變化率大大超過(guò)0．1％，難以滿足實(shí)用要求。SKD11作為以往的模具鋼之所以具有廣泛的適用性，其主要原因就是因?yàn)檫@種良好的熱處理特性，同時(shí)，本發(fā)明材料也具備這種廣泛適用性的特征。但是，如實(shí)施例4和5所示，與SKD11相當(dāng)?shù)牟牧系暮附有院颓邢餍圆⒉焕硐?，因此在這些方面有大幅度改進(jìn)的本發(fā)明的工具鋼作為工具材料具有極高的工業(yè)價(jià)值。
實(shí)施例9用調(diào)頻感應(yīng)電爐熔煉表20所示化學(xué)成分的合金，制成規(guī)定的鋼錠。在表20中，比較鋼21是相當(dāng)于JISSKD11的材料。以鍛造比5對(duì)這些鋼錠進(jìn)行鍛造，加工成鋼材，進(jìn)行退火。*本發(fā)明鋼No.6含有0.6％的Ni
隨后，用真空爐將上述退火材料加熱至1030℃并保持，然后進(jìn)行氣體加壓冷卻淬火。按照目標(biāo)硬度為HRC57以上進(jìn)行500-550℃的回火熱處理。比較鋼26的硬度沒(méi)有達(dá)到HRC57以上。測(cè)定熱處理后的這些鋼材的碳化物量和硫化物量。碳化物量是將鋼材的斷面拋光后，用10％硝酸乙醇腐蝕液腐蝕，用顯微鏡(×200倍)觀察，將2mm2的視野范圍的圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，使用圖像分析軟件求出斷面積20μm2以上的碳化物量。對(duì)硫化物也采用與碳化物同樣的方法進(jìn)行分析，但將鋼材的斷面拋光后不進(jìn)行腐蝕，對(duì)斷面積1μm2以上的硫化物進(jìn)行分析。結(jié)果一并示于表20中。
所有本發(fā)明的鋼，斷面積20μm2以上的碳化物面積比率都在3％以下，除了本發(fā)明鋼22以外，本發(fā)明的鋼的斷面積1μm2以上的硫化物面積率都在0．2％以上。相比之下，相當(dāng)于SKD11的比較鋼21和比較鋼22、28、29的20μm2以上的碳化物面積率超過(guò)3％。
表21中示出的是將表20中使用的材料以25的鍛造比進(jìn)行軋制的斷面積1μm2以上的硫化物的長(zhǎng)軸／短軸比的測(cè)定結(jié)果和10R缺口夏式?jīng)_擊試驗(yàn)結(jié)果。熱處理?xiàng)l件與上述相同。硫化物的長(zhǎng)軸／短軸比是采用與表20中的硫化物測(cè)定相同的方法進(jìn)行分析。本發(fā)明鋼24和25由于含有Ca，長(zhǎng)軸／短軸比達(dá)到4．5以下，延伸鍛造垂直方向／延伸鍛造方向的沖擊值比例較大，與比較鋼22和29相比，抑制了延伸鍛造垂直方向的韌性降低。
實(shí)施例10以下，對(duì)表20中使用的材料進(jìn)行熱處理，然后制成JISZ3158的Y型試樣，按表22所示的條件焊接，進(jìn)行焊接性評(píng)價(jià)。淬火、回火的條件按實(shí)施例1進(jìn)行，表23中示出其淬火、回火硬度和焊接隆試驗(yàn)結(jié)果。
所有本發(fā)明的鋼在500℃以上回火后都得到了HRC57以上的硬度，顯示出與SKD11大致相同的熱處理特性，相比之下，比較鋼6沒(méi)有達(dá)到HRC57以上的硬度。就焊接性而言，本發(fā)明的鋼在預(yù)熱溫度450℃下沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，而比較鋼21(SKD11)的C和Cr含量較高，比較鋼22的Si含量較高，比較鋼23的S含量較高，比較鋼24的V含量較高，比較鋼28的(Mo+1／2w)較高，比較鋼29的C含量較高，因此這些鋼都產(chǎn)生了焊接裂紋。相反，比較鋼25的Cr含量較低，因此沒(méi)有產(chǎn)生焊接裂紋。
實(shí)施例11以下，進(jìn)行切削性的評(píng)價(jià)。由表20所示成分的退火狀態(tài)(硬度約為HRC15)的材料制成50mm×100mm×200mm的試樣，按表24的條件進(jìn)行使用方端銑刀的切削性評(píng)價(jià)。以工具的刀刃部的磨損達(dá)到0．3mm時(shí)的切削長(zhǎng)度作為工具壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果示于表25中。
與相當(dāng)于SKD11的比較鋼21相比，本發(fā)明的鋼顯示出良好的切削性。C或Cr含量高的、淬火回火后的斷面積20μm2以上的碳化物面積率超過(guò)3％的比較鋼21以及比較鋼22、28和29，由于碳化物的面積率較大，即使在退火狀態(tài)下切削性也很差。比較鋼24的V含量較高，而且硫化物的面積率較小，因此，即使在退火狀態(tài)下切削性也很差，相反，比較鋼27的Si含量較低，硫化物的面積率也較小，因而切削性差。
另外，用真空爐將表20所示成分的退火狀態(tài)的材料加熱至1030℃并保持，然后進(jìn)行氣體加壓冷卻淬火，在500℃以上回火，調(diào)質(zhì)成約HRC58，按表26的條件進(jìn)行切削性評(píng)價(jià)。切削性是以工具的刀刃部分磨損達(dá)到0．1mm時(shí)的切削長(zhǎng)度作為工具壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)的，評(píng)價(jià)結(jié)果示于表27中。
由表27可以看出，本發(fā)明的鋼即使是淬火回火材料也具有良好的切削性，與相當(dāng)于SKD11的比較鋼21相比，切削性大大提高。比較鋼22的Cr含量高，斷面積20μm2以上的碳化物的面積率超過(guò)3％，因此切削性比本發(fā)明的鋼要低。
實(shí)施例12以下進(jìn)行熱處理尺寸變化的試驗(yàn)。由表20所示成分的退火狀態(tài)的材料制成直徑10mm、長(zhǎng)度60mm的試樣各20根，用真空爐加熱至1030℃并保持后，進(jìn)行氣體加壓冷卻淬火，再進(jìn)行2次530℃×1小時(shí)的回火。然后測(cè)定長(zhǎng)度方向的尺寸，根據(jù)淬火前的尺寸評(píng)價(jià)其尺寸變化。表28中示出尺寸變化達(dá)到0．2％以上的試樣數(shù)量。
本發(fā)明鋼的熱處理尺寸變化全都低于0．2％，顯示出與比較鋼21(JISSKD11)大體相同的熱處理特性。但是，比較鋼21象實(shí)施例10和11一樣，焊接性和切削性差，由此可知本發(fā)明的鋼兼?zhèn)淞己玫奶匦浴Ａ硪环矫妫容^鋼22的Si含量高，比較鋼28的Mo當(dāng)量高，因而頻頻發(fā)生0．2％以上的熱處理尺寸變化。
綜上所述，采用本發(fā)明可以提供與SKD11相比退火狀態(tài)的切削性良好，淬火回火時(shí)的韌性和焊接性等材料性能高的鋼材。此外，本發(fā)明的鋼的熱處理尺寸變化以及淬透性和相對(duì)于回火溫度的硬度變化具有與SKD11近似的特性，因此可以與SKD11裝入同一爐中處理，生產(chǎn)率高，不要求額外的附加條件。
此外，淬火回火后的切削性也比SKD11明顯提高，即使在CVD等受鋼中固溶C量支配的表面處理時(shí)，成膜特性也不會(huì)惡化，作為耐磨性良好的金屬?；w材料，制造非常容易，因而本發(fā)明的工業(yè)價(jià)值巨大。
權(quán)利要求
1．具有良好焊接性、切削性和熱處理特性的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)，滿足下列關(guān)系式，即(Cr+5．9×C)值是9．1以上、12．5以下，并且(Cr-4．2×C)值是5以下，(Cr-6．3×C)是2．2以上，含有Si0．1-0．6％，Mn1．2％以下，Mo或W中的1種或2種(Mo+1／2W)1．25％以下，V0．5％以下，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
2．權(quán)利要求1所述的工具鋼，其特征是，(Mo+1／2W)含量是0．6-1．10％，Mn含量是0．1-1．2％，Si含量是0．1-0．3％，V含量是0．05-0．5％。
3．權(quán)利要求1所述的工具鋼，其特征是，共晶值Z[=8×(C％)+0．6×(Cr％)]是10．8以下。
4．權(quán)利要求1所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)，含有C0．55-0．75％，Cr6．8-8．0％。
5．權(quán)利要求1所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)，含有C0．55-0．75％，Cr6．8-8．0％，共晶值Z是9以上、10．5以下。
6．權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，斷面積20μm2以上的碳化物在斷面組織中所占的面積比率是3％以下。
7．權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)含有S0．2％以下。
8．權(quán)利要求7所述的工具鋼，其特征是，S含量是0．005-0．12％。
9．權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)含有Ca100ppm以下。
10．權(quán)利要求6或7所述的工具鋼，其特征是，斷面積1μm2以上的硫化物在斷面組織中所占的面積比率是0．2％以上。
11．權(quán)利要求10所述的工具鋼，其特征是，所述的面積比率是0．7％以下。
12．權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，在斷面組織中的斷面積1μm2以上的硫化物的長(zhǎng)軸／短軸比是4．5以下。
13．權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)含有Ni5．0％以下。
14．權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，Ni含量是1．0％以下。
15．權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，淬火后的Cr的基體偏析范圍是1％(重量)以下。
16．經(jīng)過(guò)1000-1050℃淬火、500℃以上回火其最高硬度為HRC57以上的工具鋼。
17．權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，在500℃以上回火后產(chǎn)生的熱處理尺寸變化，以淬火前為基準(zhǔn)，換算成線膨脹率是0．1％以下，在490℃回火后的熱處理尺寸變化是0以下。
18．權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的工具鋼，其特征是，以重量％計(jì)含有Al1．0％以下。
19．權(quán)利要求18所述的工具鋼，其特征是，Al含量是0．6％以下。
20．權(quán)利要求1所述的工具鋼，其特征是，該工具鋼是經(jīng)過(guò)了1000-1400℃的均熱處理。
21．金屬模，其特征是，將權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)所述的工具鋼，調(diào)質(zhì)到HRC55以上，進(jìn)行切削加工而制成。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有良好切削性和熱處理特性的工具鋼。該工具鋼以重量%計(jì),滿足下列關(guān)系式,即(Cr+5.9×C)值是9.1以上、12.5以下,并且(Cr－4.2×C)是5以下,(Cr－6.3×C)是2.2以上。還含有Si:0.1—0.6%,Mn:0.1—1.2%,Mo或W中的1種或2種(Mo+1/2W):0.6—1.25%,V:0.5%以下,另外還含有S:0.12%以下,Ca:100ppm以下,余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。將這些本發(fā)明的工具鋼調(diào)質(zhì)成HRC55以上的硬度,進(jìn)行切削加工,制成金屬模。
文檔編號(hào)C22C38/22GK1282798SQ99124819
公開(kāi)日2001年2月7日 申請(qǐng)日期1999年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月30日
發(fā)明者久保田邦親, 山岡美樹(shù), 阿部行雄, 田村庸, 加田善裕 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社