专利名称：耐熔化损失性优良的高温工具钢及模具构件的制作方法
技术领域：
本发明是关于适合于Al压铸用的模具构件的耐熔化损失性优良的高温工具钢及模具构件。
背景技术：
长久以来，作为Al压铸用的模具本体、中心型(中子)、插入模(人子ピン)及供热液金属管(以下，总称此等为模具构件)用的材料，一直使用JISSKD61，SKD6，SKD62等的高温工具钢。
但是，Fe与Al的亲和性强，且模具构件较容易与Al熔液反应，形成Fe-Al的金属间化合物等而容易产生表层部脱落的现象，即所谓熔化损失(熔损)。该熔化损失还包括基于磨损及烧结粘砂(熔执)的脱落。
该熔化损失尤其容易在高温的Al熔液与由高速接触的熔液口附近的模具的段差部及插入模等处产生。
而且，若此种熔化损失变大时，而有在制品上产生凸部缺陷，或制品的脱模变得困难等的问题。
因此，要求有对耐Al熔化损失性优良的模具构件用的材料。
以往，为提高耐Al熔化损失性，是通过进行软氮化处理等的表面处理，也可进行将表层改质为较母材高的高耐Al熔化损失性的层。
但是，在施行依此种的表面处理的改质处理的情况，虽在残留有表层的改质层的初期的期间可防止熔化损失，但因为其表层的改质层随之消失的缘故，其后母材发生熔化损失而有与上述相同的问题。
据此，在依表面处理施行表层的改质处理的情况，强烈要求母材本身的耐Al熔化损失性。
发明内容
本发明是以上述问题为背景而达成的发明，其目的在于，提供一种可保持优良的韧性、耐热裂性的同时，对耐Al熔化损失性优良的高温工具钢及模具构件。
权利要求1为有关高温工具钢，其特征为含有如下的组成重量百分比满足C0.10～0.35％、Si＜0.80％、Mn≤3.0％、Cr2.0～未满7.0％、1/2W+Mo0.3～5.0％、N大于0.05～0.50％、C+N0.20～0.60％(但C/N≤6)、O≤0.0100％、P≤0.050％、Al≤0.050％，余量则实质由Fe组成。
权利要求2的发明，是于权利要求1，其特征为还含有重量百分比满足V0.01～未满0.5％的组成。
权利要求3的发明，是于权利要求1或2，其特征为还含有Ni≤2.0％、Co≤5.0％的一种或两种的组成。
权利要求4的发明，是于权利要求1至3中任一项，其特征为还含有Ti≤1.0％、Ta≤1.0％、B≤0.010％、Cu≤1.0％的一种或两种以上的组成。
权利要求5的发明，是于权利要求1至4中任一项，其特征为还含有S≤0.050％、Ca≤0.0100％、Se≤0.0100％、Te≤0.0100％、Zr≤0.0100％、Mg≤0.0100％、Y≤0.100％的一种或两种以上的组成。
权利要求6的发明是关于模具构件，其特征为由权利要求1至5中任一项的高温工具钢所组成。
权利要求7的发明是关于模具构件，其特征为由权利要求1至5中任一项的高温工具钢所组成，其表层藉由表面处理被改质处理为比母材具有更高的耐Al熔化损失性的层。
本发明者经由对高温工具钢的耐Al熔化损失性所作的种种研究，发现藉由增加N量可提升耐Al熔化损失性。
但是，单单提高N量的情况下，若V量多时将形成粗大的一次碳氮化物，会产生作为模具构件所必要的韧性、耐热裂性降低的情况，为防止韧性、耐热裂性等的特性的降低，发现减低V量，再加上将C+N量及(C/N)比控制为一定的幅度的方法相当有效。
本发明是在如此知识的基础上完成，以增加N量、减低V量、将C+N量及(C/N)比控制在指定范围内为主，藉由上述本发明便可在不损及高温工具钢的韧性、耐热裂性之下而提高耐Al熔化损失性。
以往，在高温工具钢中，V为不可或缺的组成成份。
例如，在JIS SKD61的情况，V含有0.8～1.20％，另外，在JIS SKD62的情况，V含有0.20～0.60％，再者，在JIS SKD8的情况，V含有1.70～2.20％。
此等高温工具钢中V的作用为，藉由V的碳化物以提高硬度及耐磨耗性，另外，V的微细的两次碳化物是藉由结晶颗粒的所谓止销效果而将结晶颗粒微细化，以确保韧性。
另一方面，凝固时产生的粗大的V的一次碳化物也有损及高温工具钢的韧性、耐热裂性的不良影响。
相对于此，在以高水平含有N而组成的本发明的高温工具钢中，可消除以往所必不可缺的V的含有，在该情况也可确保充分的韧性、耐热裂性。
关于该详细理由，尚无从完全明确，但可以推知在本发明的高温工具钢中，使含有高含量的N与例如Cr等来形成微细的氮化物，然后，将该微细的氮化物置换为V的微细的两次碳化物而将结晶颗粒微细化，在确保韧性的同时还提高耐热裂性。
本发明中，宁愿利用未含有V以排除因V的粗大的一次碳化物引起的不良影响，以便较以往增大而提高韧性、耐热裂性。
但是，V具有提高硬度及耐磨耗性的机能，因此，在本发明中，与其硬度及耐磨耗性的提高，更为要求韧性、耐热裂性的情况下，则排除含有V，而在同时要求硬度及耐磨耗性的情况下，则可使V含有量在一定值以下，可根据不同目的作任意的选择。
但是，若含有V时以其含有量少于0.5％的较少量为其必要的前提条件。
在将如此的本发明的高温工具钢应用于压铸用的模具构件的情况，与依表面处理的表层改质的有无无关，可进行模具构件的补修周期的延长，可长期间高精度维持制品的尺寸精度。
另外，可省略表层改质用的表面处理，藉此可减低模具构件用的所需费用。
因为进一步省略表面处理，因此在补修模具时可省略修正表面处理要花费的功夫，可减少补修的频率，还可达成模具构件的补修费用的减少。
本发明中，根据权利要求7的发明，藉由表面处理被改质处理模具构件的表层，可改质处理为较母材具有高的耐Al熔化损失性的层。
藉由施以如此般的改质处理，可进一步提高模具构件的耐熔化损失性。
在此，作为表层改质用的表面处理可例示如下的内容。
1.扩散渗透法(A)氮化处理盐浴氮化浸硫氮化气体氮化软氮化电浆氮化硬氮化2.涂覆法(A)CVD法热CVD(TiN、TiC、TiCN、Al2O3化合物的单层或多层的形成等)电浆CVD(TiN、TiAlN、TiC、TiCN、DLC化合物的单层或多层的形成等)(B)PVD法离子植入(TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、DLC化合物的单层或多层的形成等)溅镀(TiN、TiAlN、CrN、Al2O3化合物的单层或多层的形成等)(C)氧化处理(Fe2O3、Fe3O4化合物的单层或多层的形成等)。
其次，详细说明本发明的各化学成份的限定理由如下。
C0.10～0.35％C为确保硬度及耐磨耗性用的必要元素，作为高温工具钢，为确保充分的硬度及耐磨耗性，有必要添加0.10％以上。
但是，若过量添加的情况，因熔融时生成粗大的共晶碳化物、及淬火时未固熔的碳化物的增加而招致韧性、耐热裂性的降低，因此将其上限设为0.35％。
Si＜0.80％Si为脱氧用的必要元素。另外，为对提高切削性及回火软化抵抗性用也很有效的元素。
但是，若过量添加的情况，因韧性、耐热裂性的降低的缘故，行必要将其设为未满0.80％。最好设为超过0.10～0.50％。
Mn≤3.0％Mn作为脱氧用的元素，另外为确保淬火性及硬度所必要的元素，希望添加0.02％以上。较佳为添加0.1％以上，最佳为添加0.3％以上。
另一方面，若过量添加的情况，因招致加工性降低的缘故而设为3.0％以下。较佳为2.0％以下，最佳为1.0％以下。
Cr2.0～未满7.0％Cr为形成碳化物以使基地的强化及耐磨耗性提升，另外确保淬火性用的必要元素，希望添加2.0％以上。较佳为添加3.0％以上，最佳为添加4.0％以上。
但若过量添加的情况，因招致淬火性及高温强度的降低的缘故而设为未满7.0％。较佳为6.5％以下。
1/2W+Mo0.3～5.0％为形成碳化物以使基地的强化及耐磨耗性提升，另外为确保淬火性用所必要，为获得如此的效果，有添加0.3％以上的必要。
但若过量添加的情况，因招致韧性的降低的缘故而将上限设为5.0％。
尚且，因Mo及W具有同等的效果，W为Mo的约2倍的原子量的缘故，本发明中是以Mo当量来规定。其添加方法可单独也可复合。
N大于0.05～0.50％N为提高耐Al熔化损失性及硬度所必要的元素。为提升该耐Al熔化损失性有影响微细氮化物、碳氮化物的生成的可能性。
为获得该效果，有添加超过0.05％的必要。
但若过量添加时，因共晶碳氮化物量增加而使得韧性及耐热裂性降低、及存在可由合金组成所添加的极限量的缘故而将上限设为0.50％。
C+N0.20～0.60％为抑制共晶碳氮化物的生成以提升韧性，有必要将C+N量抑制在0.60％以下。
但若添加量过低时硬度降低，由此将下限设为0.20％。最好设为0.30～0.45％。
C/N≤6为提高耐Al熔化损失性，发现添加N含量的同时，减少C含量的方法相当有效，亦即藉由将C/N控制在6以下，可大幅提升耐Al熔化损失性。作为其理由可认为是微细的氮化物及碳氮化物量增加的缘故。
O≤0.0100％O为使韧性及耐热裂性降低用的理想元素，为无可避免所含有的元素，本发明中是限制在0.0100％以下。最好为0.0030％以下。
P≤0.050％P为使韧性及耐热裂性降低用的理想元素，为无可避免所含行的元素，本发明中是限制在0.050％以下。最好减低为0.015％以下。
Al≤0.050％Al为有效作为强脱氧材的元素，另外，为防止结晶粒粗大化或提升氮化率用的元素，最好添加0.001％以上。
但若过度添加的话，会招致材料的清净度降低或切削性降低的缘故，而限定在0.050％以下。
V0.01～未满0.5％V为对形成碳化物、以使基地的强化及耐磨耗性提升有效的元素，另外，藉由微细的碳化物的形成对提升结晶粒的微细化、进而提升韧性相当有效，故可根据必要添加为0.01％以上。
但若过度添加的话，在熔融时会生成粗大的共晶碳化物、碳氮化物，及在淬火时因未固熔而残留的碳化物、碳氮化物量增加而招致韧性及耐热裂性的降低，因此，使添加量为未满0.5％。较好为0.4％以下，更好为0.3％以下。
Ni≤2.0％Ni为对提升淬火性及基地强化有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.01％以上，更好为0.03％以上，最好为0.05％以上。
但若过度添加的话，因加工性降低的缘故而有将上限设为2.0％的必要。更好为1.5％以下，最好为1.0％以下。
Co≤5.0％Co为对基地的强化、提升耐磨耗性有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.01％以上，更好为0.03％以上，最好为0.05％以上。
但若过度添加的话，因加工性降低的缘故而有必要将上限设为5.0％。更好为4.0％以下，最好为3.0％以下。
Ti≤1.0％Ti为对形成碳化物、防止淬火时的结晶粒粗大化有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.01％以上，更好为0.03％以上，最好为0.05％以上。
但若过度添加的话，因会生成粗大的碳氮化物，使得韧性及耐热裂性降低的缘故而有必要将上限设为1.0％。更好为0.7％以下，最好为0.5％以下。
Ta≤1.0％Ta为对形成碳化物、防止淬火时的结晶粒粗大化有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.01％以上，更好为0.03％以上，最好为0.05％以上。
但若过度添加的话，因会生成粗大的碳氮化物，使得韧性及耐热裂性降低的缘故而有必要将上限设为1.0％。更好为0.7％以下，最好为0.5％以下。
B≤0.010％B为对提升淬火性有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.0001％以上，更好为0.0003％以上，最好为0.0005％以上。
但若过度添加的话，因会使高温加工性及韧性降低的缘故而有将上限设为0.010％的必要。更好为0.007％以下，最好为0.005％以下。
Cu≤1.0％Cu为对基地的强化有效的元素，可根据必要予以添加。此时的理想量为0.01％以上，更好为0.03％以上，最好为0.05％以上。
但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而有将上限设为1.0％的必要。更好为0.7％以下，最好为0.5％以下。
S≤0.050％
S为无可避免所含有的元素，对提升切削性有效，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而有将上限设为0.050％的必要。
Ca≤0.0100％Ca为对提升切削性有效的元素，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而将上限设为0.0100％。
Se≤0.0100％Se为对提升切削性有效的元素，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而将上限设为0.0100％。
Te≤0.0100％Te为对提升切削性有效的元素，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性、高温加工性降低的缘故而将上限设为0.0100％。
Zr≤0.0100％Zr为对提升切削性有效的元素，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而将上限设为0.0100％。
Mg≤0.0100％Mg是于熔融时用作为脱氧、脱硫的元素。另外，对提升在高温的强度、轧延性也有效。
虽可根据必要予以添加，但若过度添加的话，因高温加工性降低的缘故而将上限设为0.0100％。
Y≤0.100％Y为对在模具表面形成氧化涂层，改善耐磨耗性、耐熔执性、耐热裂性有效的元素，可根据必要予以添加。但若过度添加的话，因韧性降低的缘故而将上限设为0.100％。
具体实施例方式
以下，详细说明本发明的实施例。
实施例1为提高钢块中的氮浓度，在将熔解、铸入的装置全体可加压至10气压为止的加压熔解炉，将表1所示组成的钢50kg熔解，并予以铸造。但关于表1中的以往的钢，是在真空熔解炉被熔解、铸造。
表1化学成分
接着，以1230℃×10hr的条件进行均热，其后锻造为60mm的角材，以870℃×3hr→徐冷的条件进行回火，粗加工Al熔化损失试验片、硬度试验片、夏比(Charpy)试验片、热裂试验片、高温大越式磨耗试验片的各试验片。
其后，以如下表2所示条件进行淬火/回火(但关于硬度试验片则以后述(B)的条件进行淬火/回火)，接着，精加工Al熔化损失试验片、硬度试验片、夏比(Charpy)试验片、热裂试验片、高温大越式磨耗试验片的各试验片。
在此，Al熔化损失试验片为Φ10mm×60mmL；硬度试验片为10mm角×10mm；另外，夏比(Charpy)试验片为JIS 3号试验片；热裂试验片为Φ15mm×5mm；高温大越式磨耗试验片为10mm×17mm×30mm。
表2
于是，关于各试验片，以如下的条件实施Al熔化损失试验、硬度试验、夏比(Charpy)试验、热裂试验。
表3显示其结果。
(A)Al熔化损失试验片将试验片的30mm浸渍于Al熔化金属液中，以描绘直径30mm的圆的方式使试验片中心旋转，来调查Al的熔化损失状况。
·Al合金B390(Al-17Si-4.5Cu)·熔化金属液温度750℃·旋转数200rpm·浸渍时间30分将试验后的试验片浸渍于饱和NaOH水溶液中而除去附着的Al合金，测定重量而以下式的熔化损失率来评价耐熔化损失性。
熔化损失率(％)＝(试验前重量-试验后重量)÷(试验前的Φ10mm×30mmL部的重量)×100(B)淬火/回火硬度以盐炉而在下述的条件实施热处理后，测定洛氏硬度(Rockwel/hardeness)。
·淬火1030℃×30分、油冷·回火650℃×1小时、空冷×两回(C)夏比(Charpy)试验从钢材的宽度方向采取试验片(T方向)，根据JIS Z 2242来评价夏比冲击值。
(D)热裂试验使用高频加热、水冷式的热裂试验机进行评价。具体在将表层部的700℃加热水冷进行1000回重复后，测定产生于试样表面的裂纹深度、根数，以裂纹的平均长度来评价耐热裂性。
(E)高温大越式磨耗试验以700℃的大越式磨耗试验的结果为基础，将以往钢No.27的耐磨耗性作为100，以指数表示其它钢种的耐磨耗性。
表3
如表3的结果所示，在No.27、28、29的以往钢的情况，任一钢种的耐熔化损失性(熔化损失率)不良，另外韧性(夏比冲击值)、耐热裂性(平均裂纹长度)的任一者均为不充分值。
另一方面，在比较钢中，相对于No.21、23、24的耐熔化损失性(熔化损失率)不良，No.22、25、26的韧性(夏比冲击值)低，No.24、25、26的耐热裂性(平均裂纹长度)不充分，在实施例的情况，耐熔化损失性、硬度、韧性、耐热裂性、耐磨耗性的任一者均可获得良好的特性。其中，暂时N量多的No.3、12、14、17的耐熔化损失性尤其优良。
另外，关于未添加V的No.3、5、13钢种，可获得高韧性(夏比冲击值)。
实施例2关于表4所示组成的钢(实施例及以往钢)，以与实施例1相同的加压熔解炉(实施例)与真空诱导炉(以往钢)来熔融50kg的钢锭，铸造为Φ20mm的圆材，其后以870℃实施回火处理。
表4化学成份
接着，实施例、以往钢均切断为各三根200mm的长度后，藉由旋削粗加工为Φ15mm×200mm，接着以1030℃×1hr的条件进行回火后，以580～590℃×8hr的条件进行两次回火，分别将硬度调整为HRC38、45、52。
然后，将此等精加工为铸拔销形状，接着实施表层改质用的表面处理。
在此，表面处理是在实施例、以往钢中，关于HRC38的素材，均以525℃×2.5hr的条件进行气体软氮化处理，另外关于HRC52的素材，则藉由PVD处理形成CrN被膜。
尚且，关于HRC45的素材，则不实施表而处理。
在Al压铸模具(汽缸头型)上插入上述铸拔销进行铸造试验。此时针对无表面处理的铸拔销，使用5000击(シヨツト)，针对施以表面处理的铸拔销，使用20000击(シヨツト)。
然后，测定铸造前的铸拔销重量及铸造后的铸拔销重量。
此时，铸造后的铸拔销浸渍于饱和NaOH水溶液内，在除去附着的Al合金后测定重量。
然后，藉由(试验前重量)-(试验后重量)求得熔化损失所造成的减量，进行熔化损失性的评价。
表5显示结果。
表5
从表5的结果可知，在实施例中，藉由实施表层改质用的表面处理可更为有效减低熔化损失减量。
以上，详细说明了本发明的实施例，但此仅为其中一例而已，本发明在未超出其实质内容的范围内可以各种变化形态进行实施。
权利要求
1.一种耐熔化损失性优良的高温工具钢，其特征为含有如下的组成重量百分比满足C0.10～0.35％、Si＜0.80％、Mn≤3.0％、Cr2.0～未满7.0％、1/2W+Mo0.3～5.0％、N大于0.05～0.50％、C+N0.20～0.60％(但C/N≤6)、O≤0.0100％、P≤0.050％、Al≤0.050％，余量则实质由Fe组成。
2.根据权利要求1所述的耐熔化损失性优良的高温工具钢，其中，还含有重量百分比满足V0.01～未满0.5％的组成。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的耐熔化损失性优良的高温工具钢，其中，还含有Ni≤2.0％、Co≤5.0％的一种或两种的组成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的耐熔化损失性优良的高温工具钢，其中，还含有Ti≤1.0％、Ta≤1.0％、B≤0.010％、Cu≤1.0％的一种或两种以上的组成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的耐熔化损失性优良的高温工具钢，其中，还含有S≤0.050％、Ca≤0.0100％、Se≤0.0100％、Te≤0.0100％、Zr≤0.0100％、Mg≤0.0100％、Y≤0.100％的一种或两种以上的组成。
6.一种耐熔化损失性优良的模具构件，其特征为由权利要求1至5中任一项所述的高温工具钢所组成。
7.一种耐熔化损失性优良模具构件，其特征为由权利要求1至5中任一项所述的高温工具钢所组成，其表层藉由表面处理被改质处理为较母材高的高耐Al熔化损失性的层。
全文摘要
本发明的目的在于，提供一种可保持良好的韧性、耐热裂性的同时，对耐Al熔化损失性优良的高温工具钢。本发明的高温工具钢，其组成为重量百分比满足C0.10～0.35％、Si＜0.80％、Mn≤3.0％、Cr2.0～未满7.0％、1/2W+Mo0.3～5.0％、N大于0.05～0.50％、C+N0.20～0.60％(但C/N≤6)、O≤0.0100％、P≤0.050％、Al≤0.050％，余量则实质由Fe组成。另外根据必要还为含有V0.01～未满0.5％的组成。
文档编号C22C38/38GK1878881SQ200380110840
公开日2006年12月13日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年12月19日
发明者仓田征儿, 藤井利光 申请人:大同特殊钢株式会社