熱作工具材料以及熱作工具的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供熱作工具材料以及熱作工具的制造方法，所述熱作工具材料具有對制作熱作工具時的淬火回火組織的細(xì)化有效的退火組織。一種熱作工具材料，該熱作工具材料具有退火組織、被淬火回火來使用，其中，該熱作工具材料具有通過上述淬火而能夠被調(diào)整為馬氏體組織的成分組成，該熱作工具材料的退火組織的截面中的鐵素體晶粒具有如下的粒徑分布：在以鐵素體晶粒的截面積為基準(zhǔn)的篩上物累計分布中，累計截面積為總截面積的90％時的粒徑以圓當(dāng)量直徑計為25μm以下。而且，涉及對上述熱作工具材料進(jìn)行淬火回火的熱作工具的制造方法。
【專利說明】
熱作工具材料以及熱作工具的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及對壓制模、鍛模、壓鑄模、擠出工具等多種熱作工具最合適的熱作工具 材料以及使用其的熱作工具的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱作工具由于一邊與高溫的被加工材料、硬質(zhì)的被加工材料接觸一邊使用，因此 需要具備能夠耐受沖擊的韌性。而且，以往對于熱作工具材料，使用例如為JIS鋼種的SKD61 系合金工具鋼。另外，應(yīng)最近的進(jìn)一步的韌性提高的要求，提出了改良了SKD61系合金工具 鋼的成分組成的合金工具鋼(專利文獻(xiàn)1~3)。
[0003] 熱作工具材料通常以硬度低的退火狀態(tài)供給至熱作工具的制造商。然后，供給至 制造商的熱作工具材料被機(jī)械加工成熱作工具的形狀之后，通過淬火回火被調(diào)節(jié)至規(guī)定的 使用硬度。另外，通常在被調(diào)節(jié)至該使用硬度之后，進(jìn)行精機(jī)械加工。有時根據(jù)情況對退火 狀態(tài)的熱作工具材料先進(jìn)行淬火回火，然后結(jié)合上述精機(jī)械加工，從而機(jī)械加工成熱作工 具的形狀。淬火是如下的操作:將退火狀態(tài)的熱作工具材料(或者，該熱作工具材料被機(jī)械 加工之后的熱作工具材料)加熱至奧氏體溫度區(qū)域，對其進(jìn)行驟冷，由此使組織發(fā)生馬氏體 相變。因此，熱作工具材料的成分組成通過淬火而能夠被調(diào)整為馬氏體組織。
[0004] 然而已知，熱作工具的韌性可通過使馬氏體相變后的熱作工具的組織變得微細(xì)來 提高。具體而言，是使熱作工具的組織中被確認(rèn)到的原奧氏體粒徑變得微細(xì)。而且，作為使 該原奧氏體粒徑變得微細(xì)的方法，在淬火前的熱作工具材料階段，對其退火組織預(yù)先進(jìn)行 操作是有效的，例如，提出了如下的方法:將退火組織制成如下的"金相組織:其混雜有碳化 物致密區(qū)域A和碳化物稀疏區(qū)域B，以10000倍觀察時，所述碳化物致密區(qū)域A在100μπι2中圓 當(dāng)量直徑0.1~0.5μπι的碳化物個數(shù)形成有300個以上，所述碳化物稀疏區(qū)域Β在100μπι2中圓 當(dāng)量直徑0.1~0.5μπι的碳化物個數(shù)比該區(qū)域Α少100個以上"（專利文獻(xiàn)4)。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)1:日本特開平2-179848號公報 [0008] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2000-328196號公報 [0009] 專利文獻(xiàn)3:國際公開第2008/032816號小冊子 [0010] 專利文獻(xiàn)4:日本特開2007-056289號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 發(fā)明要解決的問題
[0012]專利文獻(xiàn)4是對熱作工具的組織的細(xì)化有效的方法。若對專利文獻(xiàn)4的熱作工具材 料進(jìn)行淬火，則能夠?qū)嶙鞴ぞ叩慕M織中的原奧氏體粒徑晶粒細(xì)化為基于JIS - G - 0 5 51 (ASTM-E112)的粒度號為如.9.0(平均粒徑為18以111左右）（粒度號變得越大，粒徑變得越?。?。 但是，為了實現(xiàn)該晶粒細(xì)化，需要將淬火前的金相組織調(diào)整為具有復(fù)雜的碳化物分布的退 火組織。
[0013] 本發(fā)明的目的在于，通過調(diào)整退火組織中的不同于碳化物分布的因素，提供具有 對制成熱作工具時的組織的細(xì)化有效的退火組織的熱作工具材料以及熱作工具的制造方 法。
[0014] 用于解決問題的方案
[0015] 本發(fā)明為一種熱作工具材料，該熱作工具材料具有退火組織、被淬火回火來使用， 其中，該熱作工具材料具有能夠通過上述淬火而被調(diào)整為馬氏體組織的成分組成，該熱作 工具材料的退火組織的截面中的鐵素體晶粒具有如下的粒徑分布:在以鐵素體晶粒的截面 積為基準(zhǔn)的篩上物累計分布中，累計截面積為總截面積的90%時的粒徑以圓當(dāng)量直徑計為 25μηι以下。
[0016] 而且，本發(fā)明涉及對上述本發(fā)明的熱作工具材料進(jìn)行淬火回火的熱作工具的制造 方法。優(yōu)選為如下的熱作工具的制造方法:對本發(fā)明的熱作工具材料進(jìn)行淬火回火，使熱作 工具的組織中的原奧氏體粒徑為基于JIS-G-0551的粒度號為No. 9.0以上。
[0017] 發(fā)明的效果
[0018] 根據(jù)本發(fā)明能夠使熱作工具的組織中可被確認(rèn)的原奧氏體粒徑變得微細(xì)。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明例的熱作工具材料A的截面組織的光學(xué)顯微鏡照片(a)以及由電子背 散射衍射（以下，記為EBSD)得到的晶界圖（b)。
[0020] 圖2是比較例的熱作工具材料B的截面組織的光學(xué)顯微鏡照片(a)以及由EBSD得到 的晶界圖（b)。
[0021 ]圖3是表示分布于熱作工具材料A、B的截面組織中的鐵素體晶粒的粒徑分布的圖。 [0022]圖4是本發(fā)明例的熱作工具材料C的截面組織的光學(xué)顯微鏡照片(a)以及由EBSD得 到的晶界圖（b)。
[0023] 圖5是比較例的熱作工具材料D的截面組織的光學(xué)顯微鏡照片(a)以及由EBSD得到 的晶界圖（b)。
[0024] 圖6是表示分布于熱作工具材料C、D的截面組織中的鐵素體晶粒的粒徑分布的圖。
【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明人對存在于熱作工具的淬火回火組織中的原奧氏體粒徑產(chǎn)生影響的、熱作 工具材料的退火組織中的因素進(jìn)行了調(diào)查。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該因素中除了退火組織中的碳化 物的分布狀態(tài)以外，還有鐵素體晶粒的分布狀態(tài)。而且發(fā)現(xiàn)，通過使該鐵素體晶粒成為規(guī)定 的粒徑分布，能夠使熱作工具的淬火回火組織中的原奧氏體粒徑變得微細(xì)，從而實現(xiàn)了本 發(fā)明。下面，對本發(fā)明的各構(gòu)成特征進(jìn)行說明。
[0026] (1)本發(fā)明的熱作工具材料是具有退火組織、被淬火回火來使用的熱作工具材料， 其是具有能夠通過上述淬火而被調(diào)整為馬氏體組織的成分組成的熱作工具材料。
[0027] 退火組織是通過退火處理而得到的組織，優(yōu)選如下的組織:硬度例如以布氏硬度 計被軟化為150~230HBW左右。而且，通常為:鐵素體相組織;該鐵素體相中混合有珠光體、 滲碳體(Fe3C)的組織。而且，上述鐵素體相構(gòu)成退火組織中的"鐵素體晶粒"。在熱作工具材 料的情況下，例如如SKD61系合金工具鋼那樣，還有在上述鐵素體晶粒的晶粒內(nèi)、晶界處存 在Cr、Mo、W、V等的碳化物的組織。本發(fā)明中，優(yōu)選為珠光體、滲碳體少的退火組織。珠光體、 滲碳體會使熱作工具材料的機(jī)械加工性大幅劣化。
[0028]因此，本發(fā)明的熱作工具材料優(yōu)選具有例如其截面組織中的80%面積以上可被確 認(rèn)為鐵素體晶粒的退火組織。更優(yōu)選為90%面積以上。此時，存在于鐵素體晶粒的晶粒內(nèi)、 晶界處的上述〇、1〇、1、￥等的碳化物與珠光體、滲碳體等相比，對機(jī)械加工性的影響小，包 含在鐵素體晶粒的面積中。
[0029] 對于具有退火組織的熱作工具材料，通常將由鋼錠或者對鋼錠進(jìn)行開還加工得到 的鋼坯而成的原材料作為起始物料，對其進(jìn)行各種熱加工、熱處理而制成規(guī)定的鋼材，對該 鋼材實施退火處理，精加工成塊狀。而且，如上所述，以往將通過淬火回火而顯現(xiàn)馬氏體組 織的原材料用于熱作工具材料。馬氏體組織對于奠定各種熱作工具的絕對的韌性的基礎(chǔ)而 言是必要的組織。作為這樣的熱作工具材料的原材料，例如各種熱作工具鋼是代表性的。熱 作工具鋼能夠在其表面溫度被升溫至大致200°C以上的環(huán)境下使用。而且，例如可以代表性 地將屬于JIS-G-4404的"合金工具鋼鋼材"的標(biāo)準(zhǔn)鋼種、其它已提出的鋼種應(yīng)用于熱作工具 鋼的成分組成。另外，可以根據(jù)需要添加除上述熱作工具鋼中規(guī)定以外的元素種類。
[0030] 而且，只要是退火組織經(jīng)過淬火回火而顯現(xiàn)馬氏體組織的原材料，則通過使該退 火組織滿足后述(2)的必要條件，就能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的熱作工具組織的細(xì)化效果。因此，為 了實現(xiàn)本發(fā)明的熱作工具組織的細(xì)化效果，無需特別規(guī)定原材料的成分組成。
[0031] 然而，對于奠定熱作工具的絕對的機(jī)械特性的基礎(chǔ)而言，例如，作為顯現(xiàn)馬氏體組 織的成分組成，優(yōu)選具有以質(zhì)量％計包含C: 0.30~0.50%、Cr: 3.00~6.00 %的熱作工具鋼 的成分組成。另外，進(jìn)而在提高熱作工具的絕對的韌性方面，優(yōu)選具有包含V:0.10~1.50% 的熱作工具鋼的成分組成。而且，作為一個具體例子，優(yōu)選具有如下的成分組成:C:〇. 30~ 0.50 %、Si :2.00 % 以下、Μη: 1.50 % 以下、P :0.0500 % 以下、S :0.0500 % 以下、Cr :3.00 ~ 6.00%、基于關(guān)系式(Mo+l/2W)的Mo和W中的1種或2種:0.50~3.50%、V:0.10~1.50%、余 量為Fe和雜質(zhì)。
[0032] · C:0.30~0.50質(zhì)量％(以下，簡稱為"％"）
[0033] C是一部分固溶于基體中而賦予強(qiáng)度、一部分形成碳化物從而提高耐磨耗性、耐咬 死(seizure)性的熱作工具材料的基本元素。另外，將作為間隙原子而固溶的C和Cr等與C親 和性大的代位原子一起添加時，還可以期待K間隙原子)-S(代位原子)效果(起到溶質(zhì)原子 的拖拽阻力的作用、使熱作工具高強(qiáng)度化的作用）。但是，過度的添加導(dǎo)致韌性、高溫強(qiáng)度的 降低。因此，優(yōu)選為0.30~0.50 %。更優(yōu)選為0.34%以上。另外，更優(yōu)選為0.40 %以下。
[0034] · Si :2.00% 以下
[0035] Si是制鋼時的脫氧劑，過多時，導(dǎo)致在淬火回火后的工具組織中生成鐵素體。因 此，優(yōu)選使其為2.00 %以下。更優(yōu)選為1.00 %以下。進(jìn)一步優(yōu)選為0.50 %以下。另一方面，Si 具有提高材料的切削性的效果。為了得到該效果，優(yōu)選添加0.20%以上。更優(yōu)選為0.30%以 上。
[0036] · Μη: 1.50% 以下
[0037] Μη過多時，提高基體的粘度，從而降低材料的切削性。因此，優(yōu)選使其為1.50%以 下。更優(yōu)選為1.00%以下。進(jìn)一步優(yōu)選為0.75%以下。另一方面，Μη具有提高淬透性、抑制工 具組織中的鐵素體的生成、得到適當(dāng)?shù)拇慊鸹鼗鹩捕鹊男Ч?。另外，通過以非金屬夾雜物的 MnS的形式存在，對于切削性的提高具有大的效果。為了得到這些效果，優(yōu)選添加0.10%以 上。更優(yōu)選為〇. 25 %以上。進(jìn)一步優(yōu)選為0.45 %以上。
[0038] ·Ρ:0.0500% 以下
[0039] Ρ是通常即使不添加也會不可避免地包含于各種熱作工具材料中的元素。而且是 在回火等熱處理時在原奧氏體晶界處偏析而使晶界脆化的元素。因此，為了提高熱作工具 的韌性，包括添加的情況在內(nèi)，優(yōu)選限制為〇. 0500%以下。
[0040] ·5:0.0500% 以下
[0041] S是通常即使不添加也會不可避免地包含于各種熱作工具材料中的元素。而且是在 熱加工前的原材料階段使熱加工性劣化、使熱加工中的原材料產(chǎn)生裂紋的元素。因此，為了 提高上述熱加工性，優(yōu)選限制為〇. 0500%以下。另一方面，S具有與上述Μη鍵合而以非金屬 夾雜物MnS的形式存在從而提高切削性的效果。為了得到該效果，優(yōu)選添加0.0300%以上。
[0042] · Cr:3.00~6.00%
[0043] Cr是提高淬透性而且形成碳化物，對于基體的強(qiáng)化、耐磨耗性、韌性的提高有效的 熱作工具材料的基本元素。但是，過度的添加導(dǎo)致淬透性、高溫強(qiáng)度的降低。因此，優(yōu)選使其 為3.00~6.00%。而且，更優(yōu)選為5.50%以下。進(jìn)一步優(yōu)選為5.00%以下。特別優(yōu)選為 4.50%以下。另外，更優(yōu)選為3.50%以上。本發(fā)明中由于得到了熱作工具組織的細(xì)化帶來了 韌性提高的效果，因此可降低該效果部分的Cr。此時，例如通過使Cr成為5.00%以下、進(jìn)而 成為4.50%以下，能夠?qū)崿F(xiàn)熱作工具的高溫強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。
[0044] ?基于關(guān)系式(]\1〇+1/21)的]\1〇和￥中的1種或2種:0.50~3.50%
[0045] 對于Mo和W，為了通過回火而使微細(xì)碳化物析出或者凝聚從而賦予強(qiáng)度、提高軟化 阻力，可以以單獨或組合的方式添加。對于此時的添加量，由于W的原子量是Mo的約2倍，因 此能夠用由關(guān)系式(Mo+l/2W)定義的Mo當(dāng)量一起規(guī)定（當(dāng)然，可以僅添加任一者，也可以同 時添加兩者）。而且，為了得到上述效果，優(yōu)選以基于關(guān)系式(MO+1/2W)的值計添加0.50%以 上。更優(yōu)選為1.50 %以上。進(jìn)一步優(yōu)選為2.00 %以上。但是，過多時，導(dǎo)致切削性、韌性的降 低，因此優(yōu)選以基于關(guān)系式(MO+1/2W)的值計添加3.50%以下。更優(yōu)選為3.00%以下。進(jìn)一 步優(yōu)選為2.50%以下。
[0046] · V:0.10~1.50%
[0047] V具有形成碳化物從而強(qiáng)化基體、提高耐磨耗性、回火軟化阻力的效果。而且，分布于 退火組織中的V的碳化物起到抑制淬火加熱時的奧氏體晶粒的粗大化的"釘扎顆粒(pinning particles)"的作用，有助于韌性的提高。為了得到這些效果，優(yōu)選添加0.10%以上。而且，本 發(fā)明中，從進(jìn)一步推進(jìn)熱作工具組織的細(xì)化方面出發(fā)，優(yōu)選添加 V。更優(yōu)選為0.30%以上。進(jìn) 一步優(yōu)選為〇 . 50%以上。但是，過多時，導(dǎo)致切削性的降低、碳化物自身的增加造成的韌性 的降低，因此優(yōu)選使其為1.50 %以下。更優(yōu)選為1.00 %以下。進(jìn)一步優(yōu)選為不足0.80 %。
[0048] 而且，除了上述元素種類以外，也可以含有下述元素種類。
[0049] ·Μ:0 ~1.00%
[0050] Ni是提高基體的粘度從而使切削性降低的元素。因此，優(yōu)選使Ni的含量為1.00% 以下。更優(yōu)選為不足0.50%，進(jìn)一步優(yōu)選為不足0.30%。另一方面，Ni是抑制工具組織中的 鐵素體生成的元素。另外，其是對于以下而言有效的元素:與(：、&、111、1〇、1等一起賦予工具 材料優(yōu)異的淬透性，即使在淬火時的冷卻速度緩慢的情況下，也形成馬氏體主體的組織，從 而防止韌性的降低。而且，還改善基體的本征韌性，因此本發(fā)明中也可以根據(jù)需要來添加。 添加時，優(yōu)選添加0.10 %以上。
[0051] ·(：〇:0 ~1.00%
[0052] Co由于降低韌性，因此優(yōu)選使其為1.00%以下。另一方面，Co在熱作工具的使用 中，在其升溫時的表面形成極其致密且密合性良好的保護(hù)氧化覆膜。該氧化覆膜防止與對 象材料之間的金屬接觸，抑制工具表面的溫度上升，并且?guī)韮?yōu)異的耐磨耗性。因此，Co也 可以根據(jù)需要來添加。添加時，優(yōu)選添加〇. 30 %以上。
[0053] ·Ν13:0~0.30%
[0054] Nb由于導(dǎo)致切削性的降低，因此優(yōu)選使其為0.30%以下。另一方面，Nb具有形成碳化 物、強(qiáng)化基體、提高耐磨耗性的效果。另外，具有提高回火軟化阻力，并且與V同樣地抑制晶粒的粗 大化、有助于韌性的提高的效果。因此，Nb也可以根據(jù)需要添加。添加時優(yōu)選添加0.01%以上。
[0055] 〇!)1、0&、1%、0(氧）、"氮)是有可能以不可避的雜質(zhì)的形式殘留于鋼中的元素。 本發(fā)明中，優(yōu)選使這些元素盡可能地低。然而另一方面，為了得到夾雜物的形態(tài)控制、其它 的機(jī)械特性、以及提高制造效率等附加的作用效果，也可以含有少量。此時，若為Cu< 0.25%、厶1彡0.040%、0&彡0.0100%、]\%彡0.0100%、0彡0.0100%川彡0.0300%的范圍，則 能夠充分允許，為本發(fā)明的優(yōu)選的限制上限。A1更優(yōu)選為0.025%以下。
[0056] (2)本發(fā)明的熱作工具材料的退火組織的截面中的鐵素體晶粒具有如下的粒徑分 布:在以鐵素體晶粒的截面積為基準(zhǔn)的篩上物累計分布中，累計截面積為總截面積的90% 時的粒徑以圓當(dāng)量直徑計為2 5μηι以下。
[0057] 本發(fā)明人在具有退火組織的熱作工具材料被加熱至淬火溫度(奧氏體溫度區(qū)域） 并被驟冷這樣的一系列的淬火工序中確認(rèn)了由退火組織生成馬氏體組織為止的舉動。首 先，在熱作工具材料向淬火溫度被加熱的過程中，從溫度達(dá)到Ai點時起，在退火組織中的鐵 素體晶粒的晶界處優(yōu)先地開始析出"新的奧氏體晶粒"。接著，在熱作工具材料達(dá)到淬火溫 度并保持規(guī)定時間的過程中，整個退火組織實質(zhì)上被替換為新的奧氏體晶粒。而且，通過對 保持為淬火溫度之后的熱作工具材料進(jìn)行冷卻，金相組織發(fā)生馬氏體相變，從而成為上述 新的奧氏體晶粒的晶界被確認(rèn)為"原奧氏體晶界"的馬氏體組織，淬火結(jié)束。在該原奧氏體 晶界處形成的"原奧氏體粒徑"的分布狀況(粒徑值）即便在接下來的回火之后的金相組織 (即，完成的熱作工具的組織）中實質(zhì)上也能得到維持。
[0058]因此，為了使熱作工具的組織變得微細(xì)、即為了減小組織中的原奧氏體粒徑，只要 在上述淬火工序中使在鐵素體晶粒的晶界處析出的新的奧氏體晶粒維持為微細(xì)即可。而 且，為此，在新的奧氏體晶粒析出之后，以不使其大幅生長的方式進(jìn)行抑制即可。于是，本發(fā) 明人經(jīng)過深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在淬火加熱前的階段，若將熱作工具材料的退火組織的鐵素 體晶粒調(diào)整為微細(xì)，則在上述淬火工序中能夠抑制新的奧氏體晶粒的生長。即，該原理在 于，通過使淬火加熱前的退火組織中的鐵素體晶粒變得微細(xì)，使鐵素體晶粒的晶界密度變 大。若使鐵素體晶粒的晶界密度變大，則在淬火加熱時，析出奧氏體晶粒的晶界(析出點)變 得多且致密。而且，由此，多且致密地析出的奧氏體晶粒彼此的距離足夠近，因此抑制彼此 的生長。其結(jié)果，在將保持為淬火溫度之后的熱作工具材料冷卻時，上述奧氏體晶粒在保持 微細(xì)的狀態(tài)下被冷卻，因此在淬火后的組織中可被確認(rèn)到的原奧氏體粒徑細(xì)小、能夠得到 微細(xì)的組織。
[0059]然后，本發(fā)明人對熱作工具材料的退火組織中的鐵素體晶粒的細(xì)化進(jìn)一步反復(fù)進(jìn) 行了研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過進(jìn)行細(xì)化直至使該退火組織的截面中的鐵素體晶粒的粒徑成 為如下的粒徑分布，能夠使上述析出點變得足夠多且致密，所述粒徑分布為:在以鐵素體晶 粒的截面積為基準(zhǔn)的篩上物累計分布中，以累計截面積為總截面積的90%時的基于圓當(dāng)量 直徑的粒徑計為25μπι以下。優(yōu)選為20μπι以下的粒徑分布。而且，由此查明，將淬火后的組織 中的原奧氏體粒徑不僅能夠晶粒細(xì)化為No. 9.0的粒度號，而且還能夠晶粒細(xì)化為No . 10.0 (以平均粒徑計為13μπι左右)這樣的超過No.9.0的粒度號。而且確認(rèn)了，該被細(xì)化的原奧氏 體粒徑在接下來的回火后實質(zhì)上也能得到維持。
[0060]此處，對本發(fā)明在鐵素體晶粒的粒徑的評價中使用的上述"粒徑分布"的測定方法 進(jìn)行說明。首先，需要對熱作工具材料的截面組織進(jìn)行顯微鏡觀察，從而由位于該截面上的 鐵素體晶粒的聚集體識別每個鐵素體晶粒。該識別方法中，例如能夠利用EBSD(電子背散射 衍射分析hEBSD是指，進(jìn)行結(jié)晶性試樣的取向解析的方法。由此，截面組織中的每個晶?？?被識別為"具有同一取向的單元"，g卩，能夠使晶粒的晶界變得突出。其結(jié)果，能夠?qū)㈣F素體 晶粒的聚集體區(qū)分為一個個鐵素體晶粒。圖1的(b)是對于后述實施例中評價的熱作工具材 料A的截面組織，由其的EBSD得到的晶界圖的一個例子。此時，圖1的（b)是對EBSD的衍射圖 案進(jìn)行解析從而示出取向差15°以上的大角度晶界的圖。而且，圖1的(b)中，被細(xì)線劃分為 多個的一個個區(qū)域為鐵素體晶粒。
[0061]接著，對于由晶界圖得到的上述鐵素體晶粒，使用圖像分析軟件求出其各個鐵素體 晶粒的粒徑(截面積），將其值換算為圓當(dāng)量直徑。然后，使用由該換算得到的各個鐵素體晶粒 的圓當(dāng)量直徑，制作基于它們的存在比率的粒徑分布。此時，存在比率的基準(zhǔn)以晶粒的截面積 為基準(zhǔn)。而且，粒徑分布采用以晶粒的粒徑小的一側(cè)為零的"篩上物"的累計分布。即，本發(fā) 明在評價中使用的粒徑分布由以晶粒的累計截面積（％)為縱軸、以晶粒的圓當(dāng)量直徑為橫 軸的"不斷上升的累計分布圖"表示。圖3是基于該篩上物累計分布的粒徑分布的一個例子。
[0062]然后，根據(jù)上述要點在掌握鐵素體晶粒的粒徑分布的基礎(chǔ)上，通過該粒徑分布確 認(rèn)累計截面積為總截面積的90%時(所謂的d9Q)的鐵素體晶粒的圓當(dāng)量直徑。在圖3的情況 下，上述dgo的值為19μηι和31μηι。而且，在本發(fā)明的情況下，若該dgo的值為25μηι以下，則淬火 加熱時的新的奧氏體晶粒的析出點足夠多且致密。然后在淬火回火之后，根據(jù)前文所述的 原理能夠穩(wěn)定地得到原奧氏體粒徑例如為No.9.0以上的微細(xì)的組織。
[0063]需要說明的是，從得到本發(fā)明的熱作工具組織的細(xì)化效果的角度考慮，上述d9Q的值 越小越好，不必設(shè)定其下限。但是，作為在實際操作中可實現(xiàn)的值，其下限例如為?〇μπι左右。
[0064] 通常，對于具有退火組織的熱作工具材料，將由鋼錠或者對鋼錠進(jìn)行開還加工得 到的鋼坯而成的原材料作為起始物料，對其進(jìn)行各種熱加工、熱處理而制成規(guī)定的鋼材，對 該鋼材進(jìn)行退火處理并進(jìn)行精加工。而且，根據(jù)原材料的大小例如應(yīng)用提高上述熱加工時 的加工比（例如，5以上的加工比）以及縮短其熱加工時的實際加工時間（例如，20分鐘以 內(nèi)）、減少在熱加工的中途進(jìn)行的再加熱的次數(shù)(例如，不進(jìn)行再加熱自身)等而能夠?qū)崿F(xiàn)本 發(fā)明的熱作工具材料的退火組織。而且，對熱加工后的鋼材進(jìn)行的退火處理可設(shè)為使其處 理溫度為奧氏體相變點以上或者為奧氏體相變點附近的溫度的通常的條件。
[0065] (3)本發(fā)明的熱作工具的制造方法為對上述本發(fā)明的熱作工具材料進(jìn)行淬火和回 火的制造方法。
[0066]通過對本發(fā)明的熱作工具材料進(jìn)行淬火，能夠減小其馬氏體相變后的淬火組織中 的原奧氏體晶粒的粒徑。而且，該原奧氏體晶粒的粒徑即使在接下來的回火之后實質(zhì)上也 能得到維持。因此，通過對本發(fā)明的熱作工具材料進(jìn)行淬火回火，能夠提高熱作工具的韌 性。關(guān)于韌性的提高的程度，例如在基于L方向、2mmU型切口的條件的夏比沖擊試驗中能夠 穩(wěn)定地實現(xiàn)50(J/cm2)以上的夏比沖擊值。
[0067]而且，關(guān)于原奧氏體晶粒的粒徑，例如可以使其為基于JIS-G-0551的粒度號為 No . 9.0以上。優(yōu)選為No. 9.5以上。更優(yōu)選為No. 10.0以上?；贘IS-G-0551的粒度號可視為 等價于基于國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E112的粒度號。
[0068] 在確認(rèn)淬火回火后的組織中的原奧氏體晶粒時，可用回火前的"淬火時"的組織進(jìn) 行該確認(rèn)。其理由在于，在淬火時的組織的情況下，不析出微細(xì)的回火碳化物，容易確認(rèn)原 奧氏體晶粒。而且，該淬火時的原奧氏體晶粒的粒徑即便在回火之后也能得到維持。
[0069] 本發(fā)明的熱作工具材料通過淬火和回火而被制備成具有規(guī)定硬度的馬氏體主體 的組織(例如，包括一部分含貝氏體的組織），被制造為熱作工具的制品。然后，這期間，上述 熱作工具材料通過切削、穿孔等各種機(jī)械加工等而被制造成熱作工具的形狀。關(guān)于該機(jī)械 加工的時機(jī)，優(yōu)選在淬火回火前的、硬度低的熱作工具材料的狀態(tài)（即，退火狀態(tài)）下進(jìn)行。 在此情況下，在淬火回火后也可以進(jìn)行精機(jī)械加工。另外，也可以根據(jù)情況，在進(jìn)行淬火回 火后的預(yù)硬狀態(tài)下，將上述機(jī)械加工與該精機(jī)械加工合并在一起進(jìn)行。
[0070] 淬火和回火的溫度根據(jù)原材料的成分組成、目標(biāo)硬度等而不同，淬火溫度優(yōu)選為 大致1000~1100°C左右，回火溫度優(yōu)選為大致500~650°C左右。例如，在作為熱作工具鋼的 代表鋼種的SKD61的情況下，淬火溫度為1000~1030 °C左右，回火溫度為550~650°C左右。 優(yōu)選使淬火回火硬度為50HRC以下。更優(yōu)選為48HRC以下。另外，優(yōu)選使其為40HRC以上。更優(yōu) 選為42HRC以上。
[0071] 實施例1
[0072]準(zhǔn)備具有表1的成分組成的原材料A、B(厚度50mmX寬度50mmX長度100mm)。需要 說明的是，原材料A、B是屬于JIS-G-4404的標(biāo)準(zhǔn)鋼種的熱作工具鋼SKD61。接著，將這些原材 料加熱至作為熱作工具鋼的通常的熱加工溫度的l〇〇〇°C，進(jìn)行熱加工。此時，對于原材料A， 將熱加工時的加工比(截面積比）設(shè)為7S的實心件鍛造，對于原材料B，將同一加工比設(shè)為3S 的實心件鍛造。然后，對原材料A、B均不進(jìn)行熱加工中的再加熱，以5分鐘的實際加工時間結(jié) 束熱加工。然后，對結(jié)束該熱加工的鋼材進(jìn)行860 °C的退火，制作與原材料A、B的順序?qū)?yīng)的 熱作工具材料A、B(硬度為190HBW)。
[0073] 表 1
[0074] 質(zhì)量 ％
[0076] ※包含雜質(zhì)（Cu彡0·25%、Α1 彡0.040%、Ca彡0.0100%、
[0077] Mg彡0.0100%、0彡0.0100%、N彡0.0300%)
[0078]觀察退火處理后的熱作工具材料A、B的截面組織。觀察到的截面為熱作工具材料 的中心部，是與其熱加工方向（即，材料的長度方向）平行的面。觀察用光學(xué)顯微鏡(倍率200 倍)進(jìn)行，觀察到的截面積為〇. 16mm2(400ymX 400μπι)。觀察結(jié)果，熱作工具材料A、B的截面 組織幾乎整體被鐵素體相占據(jù)，鐵素體晶粒占觀察到的截面面積的99%以上。
[0079] 接著，確認(rèn)了熱作工具材料A、B的截面組織中的鐵素體晶粒的分布狀況。首先，對 于上述截面積為0.16mm2的截面組織，解析倍率為200倍的EBSD圖案，得到由15°以上的取向 差的大角度晶界劃分的晶界圖。關(guān)于該EBSD圖案的解析，使用附屬于掃描電子顯微鏡(Carl Zeiss ULTRA55)上的EBSD裝置(測定間隔為Ι.Ομπι)。將熱作工具材料A的晶界圖示于圖1的 (b)。將熱作工具材料B的晶界圖示于圖2的(b)。圖1、2中還示出了截面組織的光學(xué)顯微鏡照 片(a)(倍率為200倍）。然后，根據(jù)前述要點，使用圖像分析軟件，求出由上述晶界圖得到的 每個鐵素體晶粒的粒徑(截面積），換算為圓當(dāng)量直徑。然后，確認(rèn)了基于該圓當(dāng)量直徑的鐵 素體晶粒的粒徑分布。
[0080] 將熱作工具材料A、B的粒徑分布示于圖3。圖3中，縱軸為鐵素體晶粒的累計截面積 (%)，橫軸為鐵素體晶粒的圓當(dāng)量直徑。而且，由圖3的結(jié)果可知，關(guān)于累計截面積為總截面 積的90 % (d9Q)的圓當(dāng)量直徑，熱作工具材料A為19μπι，熱作工具材料B為3Ιμπι。
[0081] 然后，對觀察截面組織之后的熱作工具材料Α、Β進(jìn)行始于1030°C的淬火和630°C的 回火（目標(biāo)硬度43HRC)，得到與熱作工具材料A、B的順序?qū)?yīng)的、具有馬氏體組織的熱作工 具A、B。然后，對于各個熱作工具A、B，測定為其中心位置的、與上述熱加工方向（即，材料的 長度方向）平行的面的組織中的原奧氏體粒徑，以基于JIS-G-0551(ASTM-E112)的粒度號進(jìn) 行評價。其結(jié)果，熱作工具B的粒度號為No. 8.0，與此相對，熱作工具A為粒度號No. 10.0的細(xì) 粒。然后，對熱作工具A、B實施夏比沖擊試驗(L方向，2mmU型切口），結(jié)果熱作工具B的沖擊值 為48J/cm2,與此相對，熱作工具A的沖擊值為53J/cm2,韌性提高。將以上結(jié)果總結(jié)示于表2。
[0082] 表 2
[0084] 實施例2
[0085]準(zhǔn)備具有表3的成分組成的熱作工具鋼的原材料C、D(厚度50mmX寬度50mmX長度 100mm)。接著，將這些原材料加熱至1000°C，進(jìn)行熱加工。此時，對原材料C不進(jìn)行熱加工中 的再加熱，對原材料D在中途進(jìn)行1次再加熱。然后，對于原材料C、D，均進(jìn)行熱加工時的加工 比（截面積比）為7S的實心件鍛造，均以5分鐘的實際加工時間（不包括再加熱時間）結(jié)束熱 加工。然后，對結(jié)束該熱加工的鋼材進(jìn)行860 °C的退火，制作與原材料C、D的順序?qū)?yīng)的、熱 作工具材料C、D(硬度為190HBW)。
[0086] 表 3
[0087] 質(zhì)量 ％
[0089] ※包含雜質(zhì)（Cu彡0·25%、Α1 彡0.040%、Ca彡0.0100%、
[0090] Mg彡0.0100%、0彡0.0100%、N彡0.0300%)
[0091] 然后，對熱作工具材料C、D的截面組織以與實施例1相同的要點進(jìn)行觀察，得到由 EBSD解析得到的晶界圖。將熱作工具材料C的晶界圖示于圖4的(b)。將熱作工具材料D的晶 界圖示于圖5的(b)。圖4、5中還示出了截面組織的光學(xué)顯微鏡照片(a)(倍率為200倍）。熱作 工具材料C、D的截面組織整體幾乎被鐵素體相占據(jù)，鐵素體晶粒占觀察到的截面面積的 99%以上。然后，將熱作工具材料C、D的鐵素體晶粒的粒徑分布示于圖6。由圖6的結(jié)果可知， 關(guān)于累計截面積為總截面積的90% (d9Q)的圓當(dāng)量直徑，熱作工具材料C為22μπι，熱作工具材 料D 為 44μπι。
[0092] 然后，對觀察截面組織之后的熱作工具材料C、D進(jìn)行始于1030°C的淬火和650°C的 回火（目標(biāo)硬度43HRC)，得到與熱作工具材料C、D的順序?qū)?yīng)的、具有馬氏體組織的熱作工 具C、D。然后，對于各個熱作工具C、D，測定為其中心位置的、與上述熱加工方向（即，材料的 長度方向）平行的面的組織中的原奧氏體粒徑，以基于JIS-G-0551(ASTM-E112)的粒度號進(jìn) 行評價。其結(jié)果，熱作工具D的粒度號為No. 6.5，與此相對，熱作工具C為粒度號No. 10.0的細(xì) 粒。然后，對熱作工具C、D實施夏比沖擊試驗(L方向，2mmU型切口），結(jié)果熱作工具D的沖擊值 為47J/cm2,與此相對，熱作工具C的沖擊值為51J/cm2,韌性提高。將以上結(jié)果總結(jié)示于表4。
[0093] 表 4
【主權(quán)項】
1. 一種熱作工具材料，該熱作工具材料具有退火組織、被淬火回火來使用，其特征在 于， 所述熱作工具材料具有能夠通過所述淬火而被調(diào)整為馬氏體組織的成分組成， 所述退火組織的截面中的鐵素體晶粒具有如下的粒徑分布:在以該鐵素體晶粒的截面 積為基準(zhǔn)的篩上物累計分布中，累計截面積為總截面積的90%時的粒徑以圓當(dāng)量直徑計為 25μηι以下。2. -種熱作工具的制造方法，其特征在于，對權(quán)利要求1所述的熱作工具材料進(jìn)行淬火 回火。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱作工具的制造方法，其特征在于，進(jìn)行所述淬火回火，使熱 作工具的組織中的原奧氏體粒徑基于JIS-G-0551的粒度號為No. 9.0以上。
【文檔編號】C22C38/60GK105960475SQ201580006709
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年5月26日
【發(fā)明人】中野洋佑
【申請人】日立金屬株式會社