模具用钢和模具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在高温强度和导热性能两方面均优异的压模钢（die steel)和模具钢 (mold steel)，以及模具。
【背景技术】
[0002] 如注射成型用模具、压铸用模具和热压（也称作热冲压或模压淬火）用模具等用 于树脂、橡胶等的模具，常规地一般通过以下来生产：将钢熔融以形成其锭，其后使锭进行 锻造和乳制以形成块状（block)或扁平的矩形材料，将该材料机械加工成模具的形状，然 后给其施以如淬火和回火（quenching and tempering)等热处理。
[0003] 对于这些模具通常采用的技术是在模具壁内形成冷却回路（水冷却线）并使冷却 水由此穿过，从而使模具冷却。
[0004] 在此类模具中，提高用冷却水冷却的效率使得循环时间减少，即产品的快-循环 生产（成型），并且这导致生产效率的改进。
[0005] 提高冷却效率的直接方法是将冷却回路设置在更接近于模具的成型表面（设计 表面）。
[0006] 然而，该方法具有下列缺陷。由于冷却回路与成型表面之间的距离减小和由于较 强热应力的产生，使得模具倾向于发展出严重裂纹（通过从水冷却回路至成型表面的裂纹 扩展（crack propagation))，这是模具寿命缩短的成因。
[0007] 因此，在当冷却回路设置在更接近于成型表面时的情况下，当然会有局限。
[0008] 另一可能的方法可以为其中沿所有方向复杂蜿蜒运行的冷却回路在模具壁内形 成，从而通过调整冷却回路的整体形状、布局等来提高冷却能力的方法。然而，在其中借助 机械加工生产模具的任何方法的情况下，形成具有此类复杂形状的冷却回路在技术上是不 可行的。
[0009] 在此类情况下，近来专注于通过叠层制造 （additive manufacturing)(三维叠层 制造）来制造模具的技术。
[0010] 叠层制造是通过材料的累加将三维模型数据转换成实物的加工技术。在叠层制造 中，首先将由三维计算机辅助设计（CAD)数据表示的形状沿垂直于预定轴的多个面切片， 并且计算所得薄片的截面形状。这些薄片的形状是实际形成的，并且将形成的薄片堆叠并 接合在一起，从而将计算机表示的形状转换成实物。
[0011] 在叠层制造中，存在将粉末用作材料的情况和将板用作材料的情况。
[0012] 在其中将粉末用作材料的方法中，粉末均匀铺展成层（各层具有例如几十微米的 厚度），并且粉末层的某些区域用热能照射，例如用电子束的激光束照射，从而使粉末层熔 融/凝固或烧结。各层由此逐层叠加，从而制造完整的形状。
[0013] 同时，在其中将板用作材料的叠层制造中，由CAD中的三维模型数据的切片产生 的各个部件（板）实际通过机械加工等生产，并且这些部件通过例如扩散接合来叠加并接 合在一起，从而制造完整的三维形状。
[0014] 借助这些叠层制造技术的模具生产的实例，例如公开于专利文献1和2中。
[0015] 具体地，专利文献1公开了关于"选择性激光烧结用金属粉末，通过使用其的三维 形状物体的制造方法，以及由其获得的三维形状物体"的发明。其中公开了如下特征：通过 用光束照射包括析出硬化型金属成分的粉末材料层的预定部位，从而使预定部位的粉末烧 结或使其熔融并随后固化来形成固化层，并且通过在所得固化层上新形成粉末层，然后用 光束照射新的粉末层的另一预定部位来形成另一固化层，这些步骤重复进行，由此生产三 维形状物体。
[0016] 专利文献2公开了关于"模具用压模嵌入块，模具用嵌入块的制造方法和树脂成 型模具"的发明。其中公开了如下特征：内部具有螺旋冷却通道的压模嵌入炔基于冷却通 道的切片数据通过加工在多个金属板的每一个中形成冷却通道的凹槽，以规定的顺序层压 经凹槽加工的金属板，将层压的金属板扩散接合，并且将通过扩散接合获得的金属块成形 加工来生产。
[0017] 上述叠层制造的技术为通过将材料叠加制造完整形状，且能够容易地形成沿所有 方向蜿蜒运行且完全不能通过机械加工来形成的复杂的冷却回路的技术。结果，在无需在 模具的成型表面附近不必要地设置冷却回路的情况下，可有效地提供比通过传统的机械加 工生产的模具更高的冷却效率。
[0018] 迄今，马氏体时效钢（maraging steels)和析出硬化型不锈钢已用作需要具有高 温强度的模具用材料。
[0019] 也在专利文献1中，马氏体时效钢或析出硬化型不锈钢的粉末因而用作模具用材 料。
[0020] 尽管此类包括马氏体时效钢和析出硬化型不锈钢的钢对于模具具有充分的高温 强度，但存在的问题在于，由于这些钢的母相含有大量如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶体 的元素，因此这些钢具有低的导热性能（低的导热系数）。
[0021] 通过叠层制造生产的模具具有的优势在于，具有自由设计的复杂形状的冷却回路 可设置于其中，并且结果甚至可使得通过使用马氏体时效钢或析出硬化型不锈钢作为材料 所生产的模具由于通过叠层制造形成的具有复杂形状的冷却回路的形状效果而具有提高 的冷却效率。然而，由于材料本身具有低导热系数，因此难以将冷却效率提高至充分的水 平。
[0022] 当然，在不通过叠层制造而通过传统的通用生产方法由其生产模具的情况下，冷 却（热交换）效率变得更加不充分。
[0023] 同时，作为具有高导热性能（具有高导热系数）的钢，存在碳钢和机械结构用途用 钢等。这些钢显示高导热性能，这是由于在母相中如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶体的 元素的含量低和由于这些钢是低合金钢。
[0024] 然而，这些钢具有低的高温强度，并且具有由其生产的模具具有短寿命的问题。
[0025] 即，迄今为止，无论模具是否通过叠层制造来制造，还未提供能够给出在高温强度 和导热性能两方面均具有充分性能的模具的模具用钢。
[0026] 作为可能与本发明相关的现有技术，专利文献3公开了关于"具有优异的热疲劳 性质的压模钢"的发明。其中公开了下述特征：减少作为合金元素的Si和Cr的添加量，并 且平衡其它合金组分，从而获得导热系数的增大和抗软化性的提高。
[0027] 作为另一现有技术，专利文献4公开了关于"压模用钢"的发明。其中公开了下述 特征：适当平衡Si、Mn和Cr的添加量，从而将钢的导热系数有效调整为小于期望值的值且 充分确保机械加工性和冲击值。
[0028] 作为另一现有技术，专利文献5公开了关于"球化退火性质和淬透性优异的压模 钢"的发明。其中公开了下述特征：通过调整要添加至钢的元素，将500kg以上的大型模具 所需的淬透性和球化退火性质赋予钢。
[0029] 专利文献3至5中记载的各种钢的组分相对于它们权利要求中规定的化学组分的 范围，可能与本发明模具用钢的组分部分重叠。然而，其中没有公开的实施例满足本发明的 任一项权利要求，且专利文献3至5的钢与本发明的钢实质上是不同的。
[0030] 另外，专利文献3至5中记载的钢不旨在用于叠层制造，且该用途在其中根本没有 提及。
[0031] 专利文献 I :W0 2011/149101
[0032] 专利文献 2 JP-A-2OlO-IM72O
[0033] 专利文献3 :日本专利No. 4, 992, 344
[0034] 专利文献 4 :Ρ-Α-2〇11_94168
[0035] 专利文献 5 :JP-A-2008-121032
【发明内容】
[0036] 在上述情况下，本发明的目的为提供模具用钢，当模具通过叠层制造由其生产时 能够获得高的高温强度和导热性能二者。本发明的另一目的为提供模具用钢，即使当将借 助加工锭获得的材料不通过叠层制造而通过机械加工而生产模具时，所述模具用钢也能够 获得高的高温强度和导热性能。本发明的进一步的目的为提供模具。
[0037] 根据本发明的模具用钢为具有包含以质量％计的下述元素的组成的模具用钢：
[0038] 0. 25% <C<0. 38%,
[0039] 0. 01% <Si<0. 30%,
[0040] 0. 92% <Μη<1. 80%,
[0041] 0. 8% <Cr<2. 2%,
[0042] 0· 8% <Μο〈1· 4%，和
[0043] 0. 25% <V<0. 58%,
[0044] 余量为Fe和不可避免的杂质。
[0045] 根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的：
[0046] 0· 1% <Α1〈1· 2%〇
[0047] 根据本发明的模具用钢可进一步包含以质量％计的下述的至少任一种：
[0048] 0· 30%〈Ni 彡 3. 5%，和
[0049] 0· 30%〈Cu 彡 1. 5%。
[0050] 根据本发明的模具用钢可进