热加工性优异的金属模用钢

摘要

本发明提供一种兼备了优异的被切削性能、耐生锈性、热加工性，并且具有满足作为金属模产品的强度和韧性的金属模用钢。该金属模用钢包括：以质量％计，C：0.1～不足0.2％、Si：大于0～1.2％、Mn：1.2～2.0％、S：0.01～0.1％、Ni：0.5～1.5％、Cr：12.0～13.0％、Mo：0.3～0.8％、V：0.07～0.3％、Cu：0.1～1.0％、Al：0.05％以下、N：0.03～0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，Si为0.1～0.8％、S为0.05～0.1％、N为0.04～0.1％，不可避免的杂质O为0.02％以下。或者进一步，金属模用钢的硬度为30～45HRC。

说明书

技术领域

本发明涉及如塑料、橡胶的成型用金属模，涉及用于构成其型腔部等的模具镶块、保持模具镶块的模座等的金属模部件上的金属模用钢。

背景技术

以往，在成型塑料等的金属模中，对构成其的金属模用钢要求优异的被切削性能。并且，这些金属模的整体中，在形成其外壳的模座上加工用于紧合保持作为金属模本体的模具镶块的较大“模具镶块孔”。因此，在金属模用钢中，特别是模座用钢要求更优异的被切削性能。另外，该模座上设有用于缩短成型周期的水冷孔，所以，还要求优异的对水等的耐生锈性。

作为上述的模座用钢一直在使用JIS-SCM440等的低合金的中C-Mn-Cr-Mo-Fe系钢。并且，近年来，为了适应制作交货期的缩短、加工费的削减等的强烈要求，一般使用添加快切削性赋予元素S而提高了被切削性能的金属模用钢(专利文献1)。另外，还提出了在添加S的基础上，以改善耐生锈性为目的，进一步制成低碳的工具钢(专利文献2、3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平03-097829号公报

专利文献2：日本特开平05-279800号公报

专利文献3：日本特表2008-505786号公报

发明内容

专利文献1的金属模用钢的被切削性能优异。但是，具有以质量％计(以下，标记为％)，C：0.20％以上且Cr：14％以上的中C-高Cr的成分组成，所以，如果析出粗大的碳化物，则热加工性变差，存在难以稳定地制造产品的担忧。

与此相对，专利文献2的金属模用钢，将C降至0.1％的水平，抑制了由于碳化物引起被切削性能降低，并且热加工性也良好。但是，由于低C化导致的硬度的降低是通过NiAl金属间化合物的析出来进行补充的，所以需要添加0.5％以上的Al。因此，如果形成硬质的铝系非金属夹杂物，则存在降低被切削性能或热性的担忧。特别是，对于塑料成型金属模用钢而言，基质中的铝系非金属夹杂物将成为形成针孔的主要因素，使抛光性变差，所以是应该排除的因素。

专利文献3的金属模用钢，由于将C极端降至0.09％以下，虽然热加工性、耐生锈性优异，但是，达到30HRC以上的高硬度时，难以将其稳定地得到。

因此，本发明提供一种金属模用钢，其在维持以往的金属模用钢无法全部满足的各个特性，即作为金属模用钢的强度、韧性，特别是塑料成型金属模的模座用钢所要求的被切削性能和耐生锈性的基础上，还兼备优异的使其钢材制造变容易的热加工性。

本发明的发明人重新研究了使金属模用钢不损害以往的被切削性能和耐生锈性就能够达到优异的热加工性的方法。其结果，得到了降低热加工性的主要因素为粗大的碳化物或MnS夹杂物，将这些微细化会有效的见解。并且，发现使碳化物微细化时，存在构成对此最合适的狭窄范围的C含量和Cr含量的关系，另外，即使添加S，为了使该MnS夹杂物的微细化，不允许以往程度的添加量。并且，根据这些见解，伴随C和Cr含量的降低的硬度的降低可以通过调整其他的Si、Mo、V、Cu的含量来补充，从而达到了兼备足够的被切削性能和耐生锈性、优异的热加工性的金属模用钢。

也就是说，本发明是一种热加工性优异的金属模用钢，其特征在于，包括：以质量％计，C：0.1～不足0.2％、Si：大于0～1.2％、Mn：1.2～2.0％、S：0.01～0.1％、Ni：0.5～1.5％、Cr：12.0～13.0％、Mo：0.3～0.8％、V：0.07～0.3％、Cu：0.1～1.0％、Al：0.05％以下、N：0.03～0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，Si为0.1～0.8％、S为0.05～0.1％、N为0.04～0.1％，不可避免的杂质O为0.02％以下。或者，进一步，金属模用钢的硬度为30～45HRC。

由于本发明兼备了强度、韧性、被切削性能、耐生锈性、加之与其钢材制造有关的热加工性这样以往的金属模用钢无法全部满足的各个特性，所以有助于金属模制作时的加工次数的大幅降低和提高作为金属模的特性。因此，是对于金属模的技术的提高有效的技术。

附图说明

图1为表示在实施例1的耐生锈性试验中，在本发明钢1～4和比较钢1～6的抛光面上产生的生锈状况的图。

图2为说明在实施例2中，本发明钢3和比较钢3的回火硬度的图。

具体实施方式

本发明的金属模用钢以低C-Mn-Ni-Cr-Fe系的合金作为基本成分。其中，通过使C为0.1至不足0.2％，以例如550℃以上的高温回火达到了30～45HRC的高硬度。另外，通过使Cr为12.0～13.0％的高含量，将大量的Cr固溶在基质中，形成致密的氧化膜，赋予优异的耐生锈性。作为金属模使用时，优异的耐生锈性将防止上述水冷孔的生锈，使冷却效果长时间持续，有助于金属模寿命的提高。

并且，被切削性能优异的本发明的金属模用钢，能够以例如上述的30～45HRC的预硬状态进行供给。即，对于规定的部件形状，在该硬度状态下进行切削等机械加工后，实施抛光整理而整理成该形状而被使用。因此，由于可以省略上述加工后的热处理，所以也可以用于要求严格的尺寸精度的金属模部件。

以下，对本发明钢的成分限定的理由进行叙述。

C是用于维持金属模强度，优选维持30～45HRC左右的淬火回火硬度所必须的基本的添加元素。并且，为了抑制切削加工等时发生的加工变形，优选降低钢中的残留应力，为此，需要可以升高上述的回火温度。因此，在本发明钢中，重要的是仅添加使在如550℃以上的回火中能够稳定地达到30HRC以上的硬度所足够的C量。但是，如果过多，则形成巨大的残留碳化物，使被切削性能、热加工性降低。因此，C为0.1至不足0.2％。

Si是在钢锭制作时作为脱氧剂而添加的元素。并且，在本发明钢中是具有通过被含有而提高被切削性能效果的元素。如果过多，则会招致韧性等机械性能的降低，所以为1.2％以下。优选为0.1％以上和/或0.8％以下。

Mn是为了提高本发明钢的淬火性，抑制铁素体的生成而赋予适当的淬火回火硬度而添加的重要的元素。但是，如果过多，则使基质的粘度增加降低被切削性能。因此，Mn为1.2～2.0％。优选为1.7％以下。

S通过以非金属夹杂物MnS形式存在于组织中而对被切削性能的提高有很大的效果。但是，大量的MnS的存在将会成为助长机械特性，特别是韧性的各向异性等，降低金属模自身的性能的主要因素。另外，在钢材的制造过程中，粗大的MnS将阻碍热加工性。因此，在本发明中，S为0.01～0.1％。为了提高被切削性能，优选含有0.05％以上。

Ni是用于增加基质的粘度，提高韧性的重要的元素。但是，如果过多，则会变得过粘，使韧性和被切削性能的平衡变差。因此，为0.5～1.5％。优选为0.8％以上和/或1.3％以下。

Cr是固溶在基质中，提高本发明钢的耐生锈性的极其重要的元素。另外，在回火处理中，为了生成Cr系的碳化物形成本发明钢的强度而添加。如果过多，则会招致热加工性和被切削性能的劣化。因此，Cr为12.0～13.0％。

Mo在回火时析出并凝集微细碳化物，从而提高本发明钢的强度和回火软化阻力。进一步，Mo的一部分通过固溶在金属模表面的氧化被膜中，从而具有提高金属模使用中的、例如对从塑料中产生的腐蚀性气体的耐腐蚀性的作用效果。但是，另一方面，如果过多，则成为被切削性能降低的主要因素。因此，Mo为0.3～0.8％。优选为0.4％以上和/或0.6％以下。

V提高回火软化阻力的同时，抑制晶粒的粗大化，有助于提高韧性。另外，具有微细地形成硬质的碳化物而提高耐磨性的效果。为此需要V至少在0.07％以上，但是，如果过多，则招致被切削性能的降低，所以V为0.3％以下。优选为0.25％以下。

Cu通过一部分固溶在基质中而与上述Cr的效果相乘，进一步提高本发明钢的耐生锈性。另外一部分从基质中析出，从而适度降低基质的延展性，赋予优异的被切削性能。但是，如果过多，除了降低热加工性以外，还反而降低被切削性能。因此，Cu为0.1～1.0％。优选为0.2％以上和/或0.6％以下。

Al通常作为熔炼时的脱氧元素来被使用，其结果，生成的铝系非金属夹杂物(Al₂O₃)如果大量残留在钢中，则会使抛光加工性或热加工性降低。因此，本发明需要将Al规定为0.05％以下。优选为0.04％以下。

N(氮)具有通过其添加而提高耐生锈性的效果。另外，是在钢中形成微细的氮化物的元素，具有提高本发明钢的硬度的效果。进一步，在切削加工性中，在钢中形成微细的氮化物的情况下，由于这些会提高切削形成时的切口效果(notch effect)，所以还呈提高被切削性能的效果。但是，如果添加过量的氮，则形成过多的粗大的氮化物，这成为使金属模的韧性、被切削性能和研磨性显著劣化的主要因素。因此，本发明钢的N为0.03～0.1％。优选为0.04％以上。

作为不可避免的杂质的O(氧)是在钢中形成氧化物的元素，这是使冷塑性加工性和研磨性显著劣化的主要因素。并且，特别是在本发明中，重要的是抑制上述Al₂O₃的形成，所以优选将O控制为较低。因此，优选的顺序依次为，优选的上限为0.02％，进一步为0.01％以下，更优选0.005％以下。另外，对于同时还进行Al的降低管理的本发明，如果考虑其制造的容易性，将O量为0.001％左右也可以发挥本发明的效果。

实施例1

表1中表示了本发明钢和比较钢的化学组成。另外，比较钢1、2相当于上述的专利文献1的金属模用钢，比较钢3相当于专利文献2的金属模用钢，而且，比较钢4相当于专利文献3的金属模用钢。

表1

(质量％)

 样品  C  Si  Mn  P  S  Ni  Cr 本发明钢1  0.14  1.03  1.45  0.006  0.060  1.05  12.16 本发明钢2  0.13  1.02  1.45  0.007  0.050  1.02  12.32 本发明钢3  0.16  0.60  1.46  0.005  0.064  1.06  12.71 本发明钢4  0.14  0.60  1.41  0.005  0.065  1.06  12.72 比较钢1  0.35  0.35  1.65  0.007  0.070  0.01  15.89 比较钢2  0.33  0.23  1.74  0.006  0.093  0.44  15.93 比较钢3  0.05  0.20  1.43  0.006  0.152  0.27  12.38 比较钢4  0.17  0.37  1.33  0.005  0.002  3.06  13.22 比较钢5  0.14  0.59  1.55  0.006  0.058  1.10  12.68 比较钢6  0.16  0.59  1.43  0.005  0.055  1.05  12.82

 样品  W  Mo  V  Cu  Al  N  0  Fe^※ 本发明钢1  ＜0.01  0.51  0.10  0.41  0.05  0.040  0.002  余量 本发明钢2  ＜0.01  0.51  0.10  0.21  0.05  0.040  0.002  余量 本发明钢3  ＜0.01  0.50  0.15  0.40  0.03  0.076  0.003  余量 本发明钢4  ＜0.01  0.50  0.15  0.40  0.03  0.031  0.004  余量 比较钢1  ＜0.01  0.01  0.01  0.01  0.04  0.040  0.003  余量 比较钢2  ＜0.01  0.01  0.01  0.01  0.02  0.001  0.006  余量

 比较钢3  ＜0.01  0.50  0.04  0.34  0.02  0.067  0.005  余量 比较钢4  ＜0.01  0.34  0.01  0.01  1.06  0.001  0.001  余量 比较钢5  ＜0.01  0.49  0.15  0.40  0.09  0.117  0.002  余量 比较钢6  ＜0.01  0.48  0.14  0.39  0.03  0.002  0.003  余量

※含杂质

对这些样品从1030℃进行淬火处理后，以40HRC的硬度为目标进行回火处理，调质到规定的硬度。然后，对调质的本发明钢和比较钢，实施其机械特性的评价、以下的被切削试验和耐生锈试验。机械特性测定了根据2mmU缺口冲击试验的冲击值、根据1100℃的抗拉试验的抗拉强度、伸长率、断面收缩率。抗拉试验用于评价与该钢材制造相关的热加工性。

被切削试验是对上述调质后的样品实施的钻孔加工，用将比较钢1作为100的指数评价其钻孔寿命时的孔数(该指数越大，被切削性能越优异)。耐生锈试验是将上述的样品抛光后的20mm×40mm的面上，将35℃的5％NaCl水溶液喷雾3小时，用将比较钢1作为100的指数评价其生锈面积(该指数越小，耐生锈性越优异)。此时的本发明钢和比较钢的生锈状况如图1所示。并且，将以上的结果归纳表示于表2。

表2

根据表2可知，本发明钢1～4维持与比较钢1同等优异的被切削性能，同时其热加工性得到了改善，韧性在调质成超过40HRC硬度的本发明钢3、4中也十分优异。并且，特别是N量高的本发明钢1～3的耐生锈性格外优异。

与此相对，相比于本发明钢，比较钢2为高C、高Cr，所以，残留碳化物变多，热加工性降低。并且，进一步，N量也少，切屑形成时的缺口效果低，被切削性能降低。

比较钢3在韧性、热加工性、被切削性能、耐生锈性上均显示出了充分的特性。但是，如后述的实施例2所述，在为了得到30HRC以上的硬度的热处理条件上有限制。

比较钢4通过C量的最优化，在耐生锈性上优异。但是，由于管理成高的Cr量、低Cu量和N量，加之本来S量本身低，所以被切削性能差。并且，对于过多的Ni和Al量来说，由于比较例4是通过Ni和Al的相互添加而析出微细的Ni₃Al金属间化合物而赋予了硬度的金属模用钢，所以这成为使韧性极端降低的主要因素。

比较钢5、6在金属模用钢的主要成分上是具有最适当组成的钢。但是，由于比较钢5的Al和N量过多，所以形成了硬质的非金属夹杂物Al₂O₃、粗大的AlN，从而韧性、热加工性、被切削性能降低。并且，由于比较钢6的N量少，所以切削加工性中的切屑形成时的缺口效果降低，从而被切削性能降低。

实施例2

将表1的本发明钢3和比较钢3从1030℃进行淬火处理。然后，将这些在各温度中进行回火处理，并测定此时的回火温度引起的硬度变化。将作为结果的回火温度曲线示于图2。添加有0.1％以上的C量的本发明钢3即使在550℃以上的回火温度中也能够稳定地达到30HRC以上的硬度。与此相对，C量不足0.1％的比较钢3在相同的回火温度中不能稳定地达到30HRC的硬度。

工业实用性

本发明的金属模用钢由于其具有优异的机械特性和被切削性能，也可以应用于其他的要求精密加工的产品。