法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-01-13
授权
授权
2013-12-18
实质审查的生效 IPC(主分类):C22C38/00 申请日:20120228
实质审查的生效
2013-11-20
公开
公开
技术领域
本发明涉及最适合供于诸如冲压模具、锻造模具、压铸模具、挤出工具 等多种热作工具的使韧性上升的热作工具钢及其制造方法。
背景技术
热作工具由于与高温的被加工材料、硬质的被加工材料接触着使用，因 此需要兼具可耐受热疲劳、冲击的强度及韧性。因此，关于以往热作工具领 域所使用的钢种(以下称为热作工具钢)，例如使用了属于JIS钢种的SKD61系 合金工具钢。而且，提出有如下方法：重新研究构成热作工具钢的主要元素 的添加量，进而限制管理As、Bi、Sn、Zn、Sb等多种杂质，由此提高热作工 具钢的韧性(参照专利文献1)。然而，将多种杂质元素调整到各自规定的范围 内，会牵涉到制造成本的上升。
对此，本发明人不依靠添加高价且特殊的元素，而针对钢铁材料领域中 对于合金来说不被积极添加的元素进行了深入研究，结果发现通过将以往被 作为杂质处理的Zn添加至规定的含量范围，从而可大幅地改善韧性(参照专 利文献2)。即，热作工具钢以质量%计含有C：0.3～低于0.55%、Si：1.5%以 下、Mn：1.5%以下、Cr：3.00～5.65%且Zn：0.001～0.015%。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-155540号公报
专利文献2：日本特开2007-224418号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献2中提出的Zn添加的技术作为提高热作工具钢的韧性的新方法 是有效的。此外，利用专利文献2的方法可将镀覆有Zn的钢的废料活用为再 循环原料，还有助于减轻环境负担。本发明人着眼于该积极的Zn添加所带来 的韧性上升的效果、对于弥补由其它的杂质元素导致的韧性劣化的可能性进 行了研究。若能够适当地提高这些杂质元素的容许量，则使预计今后排放量 会增加的杂质含量多的低级废料的使用率增加，且可降低去除杂质所耗的能 量用量，可进一步降低热作工具钢的制造过程对环境造成的负担。
本发明的目的在于提供可减轻环境负担的韧性优异的热作工具钢及其 制造方法。
用于解决问题的方案
本发明人调查了热作工具钢所含的杂质元素对韧性及环境造成的影响。 其结果，尤为得到以下见解：P(磷)是大幅降低热作工具钢的韧性的元素，且 去除所耗的能量大，并且由于这些原因，其还是使低级废料的使用促进停滞 的对环境负担大的元素。所以，为了降低该环境负担，研究了即便提高P的 容许量也可维持充分的韧性的方法。其结果，查明由P含量的增加导致的韧 性劣化通过添加相对于该P含量的适当量的Zn来弥补。此外，还明确了能够 充分利用该韧性的补充效果的具体的P与Zn的关系量、以及适合于达到该关 系量的成分调整的方法，从而完成了本发明。
即本发明涉及一种韧性优异的热作工具钢，其特征在于，该热作工具钢 以质量%计含有C：0.3～低于0.6%、Si：1.5%以下、Mn：1.5%以下、Cr：3.0～ 低于6.0%，其中，Zn：超过0.0025～0.025%、P：0.005%以上且Zn/P：超过0.5。 优选的是，P：0.01%以上。此外，根据需要含有Mo及W按单独或复合计(Mo +1/2W)：3.5%以下、或者还可含有V：1.5%以下。
具体而言，韧性优异的热作工具钢为以质量%计含有C：0.3～低于0.6%、 Si：1.5%以下、Mn：1.5%以下、Ni：1.5%以下(包含0%)、Cr：3.0～低于6.0%、 Mo及W按单独或复合计(Mo＋1/2W)：3.5%以下、V：1.5%以下、Nb：0.3% 以下(包含0%)、Co：5.0%以下(包含0%)、Zn：超过0.0025～0.025%、P：0.005% 以上、且Zn/P：超过0.5、余量Fe及无法避免的杂质。优选的是，P：0.01% 以上。
此外，本发明涉及韧性优异的热作工具钢的制造方法，其特征在于，该 方法包括：得到含有0.005质量%以上的P的热作工具钢的成分组成的钢水的 第一工序；在上述热作工具钢的成分组成的钢水中添加Zn的第二工序；以及 对上述添加有Zn的钢水进行铸造而得到钢锭的第三工序，上述第二工序添加 Zn，以便形成上述第三工序铸造后的钢锭的成分组成含有Zn：超过 0.0025～0.025质量%、P：0.005质量%以上、且Zn/P：超过0.5的热作工具钢。 优选的是，由上述的第一工序得到的钢水的成分组成以质量%计含有P： 0.01%以上，上述第三工序铸造后的钢锭的成分组成以质量%计含有P：0.01% 以上。此外，优选热作工具钢是上述钢锭的成分组成以质量%计含有C：0.3～ 低于0.6%、Si：1.5%以下、Mn：1.5%以下、Cr：3.0～低于6.0%的热作工具 钢。此外，根据需要可含有Mo及W按单独或复合计(Mo＋1/2W)：3.5%以下、 或者还可含有V：1.5%以下。
一种上述第三工序铸造后的钢锭的最典型的成分组成以质量%计含有 下述元素的热作工具钢，C：0.3～低于0.6%、Si：1.5%以下、Mn：1.5%以下、 Ni：1.5%以下(包含0%)、Cr：3.0～低于6.0%、Mo及W按单独或复合计(Mo+ 1/2W)：3.5%以下、V：1.5%以下、Nb：0.3%以下(包含0%)、Co：5.0%以下 (包含0%)、Zn：超过0.0025～0.025%、P：0.005%以上、且Zn/P：超过0.5、 余量Fe及无法避免的杂质。优选的是，P：0.01%以上。
发明的效果
根据本发明，即便不将作为杂质的热作工具钢所含的P管理为极低值， 也可维持充分的韧性，因此可节约用于低P化的能量消费量，可减轻对环境 的负担。而且，用于维持充分的韧性的Zn量可采用本发明的添加技术进行准 确的调整。根据以上所述，本发明可飞跃性地改善热作工具钢的韧性，对于 可应用于多种多样的用途/环境的热作工具钢的实用化而言是有效的技术。
附图说明
图1是实施例1中调质为各种硬度的本发明钢及比较钢的相对于试验片 的硬度绘制的室温下的2mmU型缺口夏比冲击值的图。
图2是实施例1中硬度调质为45HRC的本发明钢及比较钢的相对于试验 温度绘制的室温至400℃之间的2mmV型缺口夏比冲击值的图。
图3是实施例2中调质为各种硬度的本发明钢及比较钢的相对于试验片 的硬度绘制的室温下的2mmU型缺口夏比冲击值的图。
图4是实施例2中硬度调质为45HRC的本发明钢及比较钢的相对于试验 温度绘制的室温至400℃之间的2mmV型缺口夏比冲击值的图。
具体实施方式
本发明的明显特征在于，为了提高热作工具钢的韧性，积极地添加以往 被作为杂质处理的Zn。而且在于通过明确大幅降低韧性的元素P与本发明的 添加Zn量的关系，从而允许在特定的范围内含有P。即，发现对于热作工具 钢而言，若将Zn作为合金元素来利用，则即便P含量变多，也可发挥热作工 具钢韧性上升的效果。而且，由于本发明能够较多地允许以往需要极度降低 的P含量，因此在原材料的选定方面可削减高级的低P废料的用量，有助于废 料的回收利用。此外，还可降低精炼工序中去除P所需的能量及时间。以下， 对于本发明制造的热作工具钢的成分限定的理由进行叙述(关于质量%仅记 为%)。
·Zn：超过0.0025～0.025%
Zn为在本发明中最重要的添加元素，通过添加使韧性显著地上升。而且， 通过添加超过0.0025%，可充分地得到本效果。优选为0.003%以上。另一方 面，即使大量添加，其效果也会达到极限。此外，过度地添加造成晶界等处 出现极端的偏析时，其反而会成为使韧性劣化的主要原因。此外，添加技术 也变得繁杂，因此上限设为0.025%。优选为0.020%以下、进一步优选为0.015% 以下。
·P：0.005%以上
P为回火等热处理时在旧奥氏体晶界处偏析而使晶界脆化的元素。因此， 其是为了提高热作工具钢的韧性而通常被管理为尽可能少量的杂质元素。然 而，在本发明中，最大限度地利用上述Zn添加所带来的韧性上升效果，由此 可弥补由P导致的韧性劣化的部分。而且，为此所需的Zn添加的显著效果可 通过后述的相对于P含量的Zn添加量的调整来得到。由此，本发明的热作工 具钢可允许0.005%以上的P含量。即便优选为0.01%以上、进一步优选为 0.02%以上，也可维持充分的韧性。
·Zn/P：超过0.5
对于本发明的热作工具钢，即使含有0.005%以上的P的情况，也需要确 保可维持充分韧性的Zn添加量。为此，需要调整相对于P含量的Zn添加量。 具体而言，将Zn/P的值设为超过0.5，由此可确保充分的韧性。优选为Zn/P： 超过0.55。需要说明的是，超过0.55的Zn/P值对于含有0.01%以上的P、进一 步含有0.02%以上的P时也是优选的条件。
另外，由熔化铸造法得到满足上述P与Zn的关系的热作工具钢时，存在 与其相适的成分调整的方法。即，采用各种方法将铸造时的钢水的成分组成 调整为上述的含有Zn的成分组成，对钢水进行铸造从而得到本发明的热作工 具钢的钢锭。但是，金属Zn为熔点低的挥发性元素，随着时间流逝从钢水中 脱出。因此，有效的是，相对于铸造时的钢水中应当维持的Zn量，考虑到上 述脱出部分将添加到钢水中时的Zn量设定得多些。然而，控制钢水中的Zn 量，将铸造时的Zn量调整到本发明的适当值时，仅估计上述脱出部分的添加 技术的再现性低且实现困难。所以，本发明并非在与其它添加元素相同的时 机调整Zn，而是将时机设为在事先调整为热作工具钢的成分组成后的P含量 确定的钢水中进行添加，由此可缩短其后到铸造为止的经过时间，可抑制由 Zn的挥发等产生的Zn/P比的变化。
即，具体地包括：得到含有0.005质量%以上的P的热作工具钢的成分组 成的钢水的第一工序；在上述热作工具钢的成分组成的钢水中添加Zn的第二 工序；以及对上述添加有Zn的钢水进行铸造而得到钢锭的第三工序。此外， 热作工具钢的制造方法在第二工序中添加Zn，以便形成第三工序铸造后的钢 锭的成分组成含有Zn：超过0.0025～0.025质量%、P：0.005质量%以上、且Zn/P： 超过0.5的热作工具钢。上述第三工序铸造后的钢锭含有的P优选为0.01质 量%以上、进一步优选为0.02质量%以上。以下，对各工序进行说明。
·第一工序：得到含有0.005质量%以上的P的热作工具钢的成分组成的 钢水的工序。
通过预先将钢水的成分组成调整为热作工具钢的成分组成，从而可使后 述的第二工序专门用于调整Zn含量。而且，在添加规定量的Zn后可快速地过 渡到后述的第三工序的铸造中，因此容易准确地调整铸造后的钢锭的Zn含 量。需要说明的是，本发明的第一工序的“得到热作工具钢的成分组成的钢 水”是指在后述的第二工序之前处于已被调整为各种成分组成的热作工具钢 的钢水的状态。此外，此时的成分组成优选预先调整为作为目标的钢锭的成 分组成。此外，如果接下来的Zn添加中使用的Zn源的种类(成分组成)造成在 Zn添加前后成分组成发生变化，则此时优选预先考虑该变化部分。因此，并 不限于在钢水中实施的合金添加等处理，例如还可为准备熔化前的原材料的 操作。此外，在熔化后还可实施去除夹杂物、杂质的各种精炼处理。需要说 明的是，由第一工序得到的钢水含有的P的含量优选为0.01质量%以上、进一 步优选为0.02质量%以上。
·第二工序：在由第一工序得到的热作工具钢的钢水中添加Zn的工序。
如上所述，在本发明中，重要的是脱离上述第一工序地对添加Zn的第二 工序进行管理。在预先调整为热作工具钢的成分组成的钢水中添加Zn的情况 下，相对于P的Zn含量的调整容易，且可快速地过渡到后述的第三工序的铸 造中。需要说明的是，本发明的第二工序并不排除添加Zn以外的出于其它目 的的处理。因此，此时如果Zn以外的元素种类与作为目标的钢锭的成分组成 之间存在些许差别，则只要不进行新的精炼处理还可进行再次的微调。
·第三工序：对由第二工序得到的钢水进行铸造而得到钢锭的工序。
对经过第一及第二工序的钢水进行铸造而得到钢锭，从而熔炼满足本发 明的成分组成的热作工具钢。另外，本发明的第三工序的铸造不限于普通铸 锭法，也可为连铸法或其它的特殊铸锭法。
组织中碳化物大量分布时，受到其较大地妨碍，本发明的Zn添加所带来 的韧性上升效果变弱。即，通常相比于组织中大量碳化物分布的冷作工具钢， 上述的韧性上升效果在碳化物少的热作工具钢中被更充分地发挥。因此，本 发明的对象限定于热作工具钢。热作工具钢是指例如在JIS-G-4404等中规定 的成分组成的钢。此外，除JIS等标准钢种之外，也可应用以往提出的热作工 具钢。根据需要还可添加上述热作工具钢所规定以外的元素种类。以下为本 发明制造的热作工具钢的优选成分组成。对数值限定的理由进行叙述。
·C：0.3～低于0.6%
C为一部分固溶在基体中赋予强度而一部分通过形成碳化物使耐磨耗 性、耐粘砂性提高的元素。此外，固溶的侵入型原子C以及Cr等与C亲和性 强的置换型原子一起添加时，期待如下效果和作用：I(侵入型原子)-S(置换型 原子)效果；作为溶质原子拖曳阻力起效而使钢高强度化的作用。但是，过 度的添加导致韧性、高温强度的降低。因此，优选设为0.3～低于0.6%。更优 选为低于0.55%。
·Si：1.5%以下
Si为制钢时的脱氧剂且是提高原材料的切削性的元素。为了得到这些效 果，低于0.2%的添加也是可以的，但优选添加0.2%以上。但是，过多时导致 铁素体的生成，因此优选为1.5%以下。
·Mn：1.5%以下
Mn具有提高淬火性、抑制铁素体的生成、得到适度的淬火回火硬度的 效果。此外，通过以非金属夹杂物MnS的形式存在，对于切削性提高有显著 效果。为了得到这些效果，低于0.1%的添加也是可以的，但优选添加0.1%以 上。但是，过多时提高基体的粘度而使切削性降低，因此优选设为1.5%以下。
·Cr：3.0～低于6.0%
Cr是具有提高淬火性且形成碳化物来强化基体、提高耐磨耗性的效果的 元素。而且，是有助于提高回火软化阻力及高温强度的元素。但是，过度的 添加导致淬火性、高温强度的降低。因此，优选为3.0～低于6.0%。更优选为 5.65%以下。
·Mo及W按单独或复合计(Mo＋1/2W)：3.5%以下
为了介由回火使微细碳化物析出或聚集来赋予强度且提高软化阻力， Mo及W可按单独或复合计地添加。由于W的原子量约为Mo的2倍，所以此时 的添加量可以按(Mo＋1/2W)的Mo当量来一同规定(当然可仅添加任一者，也 可同时添加两者)。另外，为了得到上述效果，以(Mo+1/2W)的值计低于1.0% 的添加也是可以的，但优选添加1.0%以上。但是，过多时导致切削性、韧性 的降低，因此以(Mo＋1/2W)的值计优选3.5%以下。
·V：1.5%以下
V具有形成碳化物来强化基体、提高耐磨耗性的效果。此外，提高回火 软化阻力，且抑制晶粒的粗大化，有助于韧性的上升。为了得到这些效果， 低于0.5%的添加也是可以的，但优选添加0.5%以上。但是，过多时导致切削 性、韧性的降低，因此优选设为1.5%以下。
·Ni：1.5%以下
Ni为抑制铁素体的生成的元素。此外，是与C、Cr、Mn、Mo、W等共 同赋予热作工具钢优异的淬火性且即便淬火时的冷却速度缓慢的情况下也 可形成马氏体主体的组织从而防止韧性降低的有效元素。此外，还使基体自 身的韧性得以改善，因此在本发明中根据需要进行添加。但是，过多时提高 基体的粘度而使切削性降低。因此，即便添加时，也优选设为1.5%以下。另 外，添加时优选为0.1%以上。
·Nb：0.3%以下
Nb具有形成碳化物来强化基体、提高耐磨耗性的效果。此外，提高回火 软化阻力，且抑制晶粒的粗大化，有助于韧性的上升，因此在本发明中根据 需要进行添加。但是，过多时导致切削性、韧性的降低。因此，即便添加时， 也优选设为0.3%以下。添加时优选为0.05%以上。
·Co：5.0%以下
Co在将本发明的热作工具钢作为工具使用中在热作工具钢升温时的表 面形成极其致密且密合性良好的保护氧化覆膜。该氧化覆膜防止与对象材料 之间的金属接触、抑制工具表面的温度上升且带来优异的耐磨耗性。因此， 在本发明中，根据需要进行添加。但是，过多时使韧性降低，因此即便添加 时也优选设为5.0%以下。添加时，优选为0.3%以上。
有可能作为无法避免的杂质残留在钢中的主要元素为S、Cu、Al、Ca、 Mg、O(氧)、N(氮)等。为了有效地得到本发明的Zn添加所带来的作用效果， 这些元素优选尽量低。然而，另一方面，为了得到夹杂物的形态控制、其它 的机械特性、以及制造效率的上升之类附加的作用效果，可稍微含有和/或添 加。此时，若在S≤0.01%、Cu≤0.25%、Al≤0.025%、Ca≤0.01%、Mg≤0.01%、 O≤0.01%、N≤0.03%的范围，则可以充分地允许，为本发明的优选限制上限。
作为充分发挥Zn添加所带来的韧性上升效果的一个方式，本发明的热作 工具钢例如优选在将铸造后的钢锭加工而精加工成钢材期间实施均质化热 处理。或者，进一步优选淬火回火硬度设为50HRC以下。更优选为48HRC以 下。
实施例1
首先使用真空感应熔化炉维持调整为含有0.005质量%以上的P的热作工 具钢的成分组成的钢水。此时的成分组成通过进行下面的Zn添加(即Zn源的 投入)后调整成为目标钢锭的成分组成。而后，将镀Zn钢板用作Zn源，在该 钢水中添加Zn，进行铸造来制作7～10kg的钢锭。在表1中示出铸造后的钢锭 的成分组成。Zn含量用荧光X射线分析进行测定。本发明钢为如下的钢：在 通常所使用的热作工具钢JIS-SKD61(P规格：0.030%以下)的成分组成中以满 足本发明的Zn/P比的方式添加Zn并较多地允许P的含量。需要说明的是，在 全部钢锭中，不添加S、Cu、Al、Ca、Mg、O、N(其中，包含Al作为熔化工 序中的脱氧剂而添加的情况)，S≤0.01%、Cu≤0.25%、Al≤0.025%、Ca≤0.01%、 Mg≤0.01%、O≤0.01%、N≤0.03%。而且，铸造前添加有Zn的本发明钢的P及 Zn的含量可准确地调整为规定的关系。与之相对，在上述真空感应熔化的初 期添加Zn时，Zn蒸发而无法在铸造前的钢水中维持规定量的Zn。
除了上述以外，为了说明由本发明的Zn添加所带来的效果，还准备了表 1的比较钢1～6。这些比较钢为根本不添加Zn(除去比较钢6)而仅增加SKD61 的P的含量的钢。而且，不添加S、Cu、Al、Ca、Mg、O、N(其中，包含Al 作为熔化工序中的脱氧剂而添加的情况)，S≤0.01%、Cu≤0.25%、Al≤0.025%、 Ca≤0.01%、Mg≤0.01%、O≤0.01%、N≤0.03%。
[表1]
(质量％)
※1不添加
※2包含杂质
对这些钢锭施以1250℃下5小时的均质化热处理之后，在1150℃下进行 热锻造从而制作20mm厚×60mm宽×约500～800mm长的钢材。然后，在860℃ 下退火处理之后，加工成用于下述评价的夏比冲击试验片的尺寸，从1030℃ 开始油淬火处理，在各种温度下进行回火处理，制成各个调质硬度下韧性的 评价试样。
[试验1]
关于本发明钢1、3、5～7及比较钢1、3～6，各个硬度的室温下的2mmU 型缺口夏比冲击试验的结果示于图1。夏比试验片设定基于ASTM E399-90的 T-L方向。在含有相同水平的P的本发明钢1、3及比较钢1、本发明钢5及比较 钢3、以及本发明钢6、7及比较钢4的各个组合中，以满足本发明的Zn/P比的 方式添加有Zn的本发明钢1、3、5～7的夏比冲击值优异均优于未添加Zn的比 较钢1、3、4。而且，本发明钢6尽管含有超过0.02%的高浓度的P，但通过添 加Zn，可维持与P低于0.01%的比较钢1相同水平的韧性。比较钢6虽然在含有 相同水平的P的比较钢5中添加Zn，但不满足本发明的Zn/P，未发现韧性的上 升。
[试验2]
关于本发明钢2、4～7及比较钢2～6，调质为45HRC的硬度时的室温至 400℃之间的2mmV型缺口夏比冲击试验的结果示于图2。夏比试验片设定基 于ASTM E399-90的T-L方向。在含有相同水平的P的本发明钢2、4及比较钢2、 本发明钢5及比较钢3、以及本发明钢6、7及比较钢4的各个组合中，在任一 试验温度下，以满足本发明的Zn/P比的方式添加有Zn的本发明钢2、4～7的夏 比冲击值均优于含有相同水平的P的比较钢2～4。而且，虽然含有超过0.02% 的高浓度的P，但通过添加Zn而满足本发明的Zn/P的本发明钢6维持与P低于 0.01%的比较钢2相同水平的韧性。
实施例2
按照与实施例1中记载的方法同样的方法制作具有表2的成分组成的钢 锭。本发明钢A为在热作工具钢的成分组成中以满足本发明的Zn/P比的方式 添加有Zn的钢。而比较钢B除了不添加Zn以外，设为与本发明钢A同等的成 分组成。需要说明的是，在两者的钢锭中，不添加S、Cu、Al、Ca、Mg、O、 N(其中，Al作为熔化工序中的脱氧剂而添加。)，S<0．01％、Cu<0．25％、 Al≤0．025％、Ca≤0．01％、Mg≤0．01％、O≤0．01％、N≤0．03％。
[表2]
(质量％)
※1不添加
※2包含杂质
接着，对这些钢锭进行与实施例1同样的热锻造及各种热处理，制作调 质为各个硬度的夏比冲击试验片。然后，实施在实施例1中实施的夏比冲击 试验1、2，评价各个试样的韧性。
[试验1]
关于本发明钢A及比较钢B，各个硬度的室温下的2mmU型缺口夏比冲击 试验的结果示于图3。夏比试验片设定基于ASTM E399-90的L-S方向。由于 添加了Ni，这些钢的韧性比原先高。而且，在此基础上以满足本发明的Zn／P 比的方式添加有Zn的本发明钢A的夏比冲击值均优于不添加Zn的比较钢B。
[试验2]
关于本发明钢A及比较钢B，调质为45HRC的硬度时的室温至400℃之间 的2mmv型缺口夏比冲击试验的结果示于图4。夏比试验片设定基于ASTM E399-90的L-S方向。韧性比原先高的两种钢中，在任一试验温度下，进一步 以满足本发明的Zn/P比的方式添加有Zn的本发明钢A的夏比冲击值均优于不 添加Zn的比较钢B。
机译： 高温强度和断裂韧性优异的热作工具钢
机译： 高温强度和断裂韧性优异的热作工具钢
机译： 高温强度和断裂韧性优异的热作工具钢
