专利名称：韧性和高温强度优异的热加工工具钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有改善的韧性和高温强度的热加工工具钢，以及用于制造该热加工工具钢的方法，所述热加工工具钢适合于多种热加工工具，例如压力机阴模、锻模、压铸模以及挤出工具。
背景技术：
由于热加工工具在使用的过程中接触高温工件或硬质工件，因此它需要兼具强度和韧性，以抵抗热疲劳和冲击。因此，在热加工工具的领域中，传统上使用合金工具钢，例如JIS钢种的SKD 61。最近，由于通过使用热加工工具缩短了制品的制造时间，并且为了加工复杂的成形制品，在较高的温度下加工工件。为了同时加工多个制品，热加工工具例如模变得更大。因此，甚至在大尺寸工具的内部，也要求热加工工具用材料保证进一步改善的高温强度和韧性。为了改善合金工具钢的韧性和高温强度，已经提出了通过限定化学组成而在保持韧性的同时改善高温强度的方法(参见专利文件I)，以及通过规定残留碳化物的量而改善高温强度和韧性的方法(参见专利文件2)。专利文件I JP-A-02-179848专利文件2 JP-A-2000-32819
发明内容
本发明要解决的问题在专利文件I中的方法中，尽管由于缺少值的具体公开而不能评价韧性水平，然而，从本发明人进行的研究结果判断，对组成范围的限制不足以同时提供足够高水平的韧性和高温强度。同样，在专利文件2中的方法中，仅限定残留碳化物的量以将韧性和高温强度控制在高的水平是不充分的，原因在于韧性和高温强度极大地受到淬火以后的组织例如马氏体或贝氏体组织的影响。本发明的一个目的是提供一种确实具有改善的韧性和高温强度的热加工工具钢及其制造方法。解决问题的手段作为认真研究的结果，本发明人发现淬火以后的组织对韧性和高温强度施加了极大的影响，并且确定了一种适于同时提供优异的韧性和高温强度的淬火后组织。本发明人发现存在一个非常窄的优选组成范围，其中通过将各种元素控制在最佳范围内，可以得到合适的淬火后组织，从而最终获得本发明。
本发明提供一种具有优异的韧性和高温强度的热加工工具钢，所述热加工工具钢基本上由以质量百分数计的下列组分组成0. 34至O. 40%的C ；0. 3至O. 5%的Si ；0. 45至O. 75% 的 Mn ；0 至小于 O. 5% 的 Ni ；4. 9 至 5. 5% 的 Cr ;总量为 2. 5 至 2. 9% 的 Mo 和 1/2W,其中可以单独或组合含有Mo和W ;和O. 5至O. 7%的V ;余量为Fe和不可避免的杂质。可以将根据本发明的热加工工具钢回火，以具有不低于40HRC的硬度。尤其是，在不低于43HRC，特别是不低于45HRC的高硬度方面，所述钢具有同时提供优异的韧性和高温强度的效果。所述钢优选具有不高于49HRC的硬度。对于根据本发明的热加工工具钢，优选地，构成该钢的C，Si，Mn，Ni, Cr，Mo，W和V元素中的一种或多种满足下列窄的组成范围的条件。不必说，适宜的是全部的元素满足所述条件。C :0· 35 至 O. 39% S1:0· 35 至 O. 45%Mn :0· 5 至 O. 7%N1:0· 01 至 O. 3%Cr: 50 至 54%(MO+1/2W) :2. 6至2. 8%，Mo和W是单独或组合含有的。V :0· 55 至 O. 65%本发明还提供具有上述组成的热加工工具钢，并且所述热加工工具钢在淬火以后的断面组织含有块状组织和针状组织，其中所述块状组织的面积百分数(k% )不大于45%;所述针状组织的面积百分数(B%)不大于40%;并且残余奥氏体的体积百分数(C%)为5至20%。而且，本发明提供一种制造具有优异的韧性和高温强度的热加工工具钢的方法，其中将所述热加工工具钢回火，使得由回火硬度(HRC)和所述组织的百分数之间的下列关系式确定的X值不小于40。所述回火硬度被设定在40至49HRC，优选43至49HRC，并且进一步优选45至49HRC。X = [-0. 36X (HRC)-L 47X (Α% )_1· 67X (B% )+6. 55 X (C% )+72. 91]发明效果根据本发明，可以以非常高的水平同时提供热加工工具钢的韧性和高温强度。当将所述钢回火以使其具有不低于40HRC，例如不低于43HRC，更优选不低于45HRC，并且再进一步优选不低于46HRC的硬度时，在最大程度上获得了此效果。因此，本发明提供了一种对能够适用于多种高温应用和环境的热加工工具钢的实际应用有效的技术。实施本发明的最佳方式如上所述，本发明的一个重要方面是限定被控制在最佳范围内的元素的含量。具体地，本发明的所述方面是通过将元素的含量控制在限制的范围内，更适宜地，通过认识后述的淬火组织，发现除常规制造方法中例如宽范围内的淬火冷却速率以外，还存在甚至通过任何淬火方法，也能够同时提供高水平的韧性和高温强度的窄组成范围。即，对于基本元素，在保持C-Cr含量关系的常规平衡的同时，重要的是最佳地控制与C-Cr含量互相关联的其它碳化物形成元素例如Mo、W和V，并且根据对这些基本元素的控制结果，控制对性质施加极大影响的Si和Ni。以下，描述由根据本发明钢的窄组成范围构成的组分限制的原因。碳(C)是对于热加工工具钢必需和重要的元素，其一些固溶在基体中以提供强度，并且一些形成碳化物以增强耐磨性和耐烧蚀性。而且，在碳是形成固溶体的填隙原子，并且同与碳具有高亲和势的置换原子例如Cr 一起加入的情况下，预期到I (填隙原子)-S(置换原子)效果，即，碳起溶质原子的抵抗牵伸(drag resistance)作用以增强强度的效果。然而，如果碳含量不大于0. 34质量％，则不能确保对于工具部件足够的硬度和耐磨性。另一方面，由于碳的过量加入导致韧性和热强度的降低，因此碳含量的上限被限定为0. 40质量％。碳含量优选为0. 35至0. 39 %，进一步优选为0. 36至0. 38 %。硅(Si)是炼钢工艺中的脱氧剂，并且还是用于增强可切削性的元素。为了获得这些效果，应当加入不少于0. 3质量％的硅。然而，如果加入过多，则后述的针状组织发达，从而降低韧性。而且，Si的大量加入抑制淬火时渗碳体基碳化物在贝氏体组织中的析出，因此间接促使合金碳化物在回火过程中析出、凝聚和粗化，从而降低高温强度。因此，将Si含量限制到不大于0. 5质量％，优选0. 35至0. 45%。锰(Mn)具有增强可淬硬性并抑制铁素体产生以得到适当的淬火/回火硬度的效 果。如果Mn以非金属夹杂物MnS的形式存在于组织中，则它具有改善可切削性的极大效果。为了获得这些效果，加入不少于0. 45质量％的Mn。如果加入过多，则基体的粘度增加，从而降低可切削性。因此，将Mn含量限制到不大于0. 75质量％，优选0. 5至0. 7%。镍(Ni)是用于抑制铁素体产生的元素。而且，Ni是对于下列方面重要的添加元素 与C、Cr、Mn、Mo、W等一起提供优异的可淬硬性；甚至在淬火的冷却速率低的情况下，也获得抑制后述的针状组织产生的效果；形成主要由马氏体组成的组织；以及防止韧性下降。另外，Ni具有根本上改善基体的韧性的效果。因此，例如，优选加入不少于0.01%的Ni。本发明中最重要的是，即使加入Ni，也严格控制Ni的上限。如果Ni含量过高，基体的粘度增加，从而降低可切削性并且降低高温强度。而且，后述的块状组织发达，从而降低韧性。因此，将Ni含量限制到不大于0.5质量％。优选地，将Ni含量控制到不大于0.3质量％。铬(Cr)是具有增强可淬硬性和通过形成碳化物强化基体并且改善耐磨性的效果的元素，并且还是根据本发明的热加工工具钢所必需的元素，这有助于改善对回火中软化的抵抗力以及高温强度。为了获得这些效果，应当加入不少于4.9质量％的Cr。然而，由于Cr的过量加入导致可淬硬性和高温强度降低，因此Cr含量的上限是5. 5质量％。Cr含量优选为5. 0至5. 4%，进一步优选为5.1至5. 3%。可以单独或组合加入钥(Mo)和钨(W)，以增强可淬硬性，通过借助于回火析出微细碳化物而提供强度，并且改善耐软化性。由于W的原子量是Mo的原子量的约两倍，因此可以将含量规定为MO+1/2W(当然，可以加入任一种，或可以加入两种)。为了获得上述效果，应当加入不少于2.5质量％的(MO+1/2W)。由于其过量加入导致可切削性降低和由后述的针状组织的发达所引起的韧性降低，因此(MO+1/2W)的含量不大于2. 9质量％。优选地，(Mo+l/2ff)的含量为 2. 6 至 2. 8%。钒(V)形成具有强化基体以及改善耐磨性的效果的碳化物。而且，它增强对回火中软化的抵抗力并且抑制晶粒的粗化。它还有助于韧性的改善。为了获得这些效果，应当加入不少于0. 5质量％的V。由于V的过量加入导致可切削性和韧性的降低，因此V的含量不大于0. 7质量％。优选地，V的含量为0. 55至0. 65%。可能作为不可避免的杂质残留的主要元素为P、S、Co、Cu、Al、Ca、Mg、0、N等。为了使本发明的效果达到最大，适宜的是这些元素的含量尽可能低。另一方面，为了获得另外的效果，例如夹杂物的形态控制和机械性能或制造效率的改善，还可以含有和/或加入少量的这些元素。在此情况下，可以认为，如果这些元素按质量百分数计的含量为p<0. 03%,S ^ O. 01 %, Co ^ O. 05 %, Cu ^ O. 25 %, Al ^ O. 025 %, Ca ^ O. 01 %, Mg ^ O. 01 %,O彡O. 01 %和N彡O. 03%，则这些元素对根据本发明的热加工工具钢的基本性能不施加特别大的影响。因此，上述范围是允许的，并且以上提及的百分数是优选的上限。除上述组成的重要性以外，本发明还优选从根据组织的途径限定特征。具体地，通过研究对合金工具钢的机械性能具有影响的“组织因素”，除最佳组成范围，即本发明的很窄范围以外，还限定了最佳组织。即，根据本发明具有上述组成的热加工工具钢在淬火以后含有在断面组织中各自具有下列面积百分数的块状组织和针状组织。·
块状组织(A % ):不大于45面积％针状组织(B% ):不大于40面积％残余奥氏体(C% ) :5至20体积％首先，如通常所定义，“淬火组织”是指通过从奥氏体温度区冷却得到、主要由马氏体和/或贝氏体组成的组织。本发明的淬火组织基本上由以上提及的马氏体和/或贝氏体以及少量的残余奥氏体组成，并且上述块状组织和针状组织的每一种由马氏体和/或贝氏体的一部分组成。在根据本发明的淬火组织中所限定的块状组织和针状组织与由羽毛状贝氏体(上贝氏体)和针状贝氏体(下贝氏体)的定义所规定的那些不同，该定义用于贝氏体的普通分类。即，根据本发明的块状组织是其中许多微细碳化物在组织中的几个方向上生长的组织。在钢的断面组织中，顾名思义，根据本发明的块状组织总体上呈现“块状形状”。由于甚至在约IOmm3的小试样的高达空气冷却速率的冷却速率下也产生块状组织，因此在将实际的钢锭淬火时，更加难以减少块状组织。然而，如果块状组织占组织的大部分，则韧性降低。因此，在本发明中，将淬火组织中的块状组织的面积百分数限定为优选不大于45%，进一步优选不大于40 %，并且再进一步优选不大于30 %。其次，本发明的针状组织是其中在组织内部许多比块状组织中的碳化物长的碳化物在一个方向上生长的组织。在断面组织中，根据本发明的针状组织呈现“针的形状”。尽管此针状组织在比开始生成块状组织的冷却速率更低的冷却速率下生成，但是在将实际的钢锭淬火时，仍难以减少针状组织。然而，如果针状组织占组织的大部分，则韧性极大劣化。因此，在本发明中，将淬火组织中的针状组织的面积百分数限定为优选不大于40%，进一步优选不大于25%。通过利用形状的差别视觉观察其断面，可以区别并定量确定本发明的块状组织和针状组织。具体地，在任何组织断面中，具有耐腐蚀性比其中没有析出碳化物的马氏体基体差的两种组织优先被例如恒电位电解溶解选择性侵蚀法(SPEED法)腐蚀。
图1是通过使用扫描电子显微镜(放大倍数5000)观察被腐蚀的表面得到的显微照片。如作为补充示意图的图2和3中所示，可以区别并定量确定本发明的块状组织和针状组织。在此情况下，在本发明中，观察其中组织各自具有约O. 5 μ m以上的最大长度的任意3个视场以确定效果是足够的。图1显示随后在实施例3中所述的本发明的实施例钢6的一个视场，其具有27面积％的块状组织和30面积％的针状组织。图4显示随后在实施例3中所述的常规钢31的一个视场图，其具有44面积％的块状组织和16面积％的针状组织。而且，在本发明的淬火组织构成中，残余奥氏体是重要的。残余奥氏体是优选被减少的组织，原因在于它使强度性能劣化。然而，在本发明中，适当量的残余奥氏体有助于改善韧性。因此，在本发明中，淬火组织中的残余奥氏体的体积百分数优选为5至20%，进一步优选不小于10%。通过普通方法，例如，通过利用由使用例如电解抛光试样的X-射线衍射法得到的衍射强度的体积百分数测量，可以进行残余奥氏体的定量分析。在根据本发明的用于制造热加工工具钢的方法中，满足对于组成和淬火组织的上述要求，然后确定下一步处理的回火中的目标硬度，然后进行回火，使得下列关系式中的X不小于40。从而，制造具有优异韧性的热加工工具钢。X = [-0. 36X (HRC)-L 47X (A% )-1. 67X (B% )+6 . 55X (C% )+72. 91]其中A% :块状组织的面积百分数B% :针状组织的面积百分数C% :残余奥氏体的体积百分数作为对淬火组织和回火硬度对回火之后的韧性的影响的研究结果，以上关系式阐明了具体的影响参数。为了保证回火以后的韧性，块状组织和针状组织的减少是有效的。在这两种组织中，在表达式中具有更大的负系数的针状组织的减少特别有效。另一方面，发现了适当量的残余奥氏体有利地起着保证韧性的作用，原因在于残余奥氏体在表达式中具有大的正系数。可以将目标硬度设定在例如实现热加工工具钢的40HRC以上。然而，即使目标硬度更高，例如43HRC以上或45HRC以上，本发明的满足组成和淬火组织构成的要求的热加工工具钢也保证足够的韧性。然而，优选将回火硬度保持为不大于49HRC，以维持显著的韧性。实施例1表I给出了本发明钢、比较钢以及常规钢的化学组成。所述比较钢具有偏离本发明限制的窄组成范围的化学组成。所述常规钢是目前通常使用的热加工工具钢，自然具有在本发明的组成范围以外的化学组成。
权利要求
1.一种具有优异的韧性和高温强度的热加工工具钢，所述热加工工具钢基本上由以质量百分数计的下列组分组成O.34 至 O. 40%的 C ；O.3 至 O. 5%的 Si ；O.45 至 O. 75%的 Mn ； O至小于O. 5%的Ni ；4. 9 至 5. 5%的 Cr ； 总量为2. 5至2. 9%的Mo和1/2W，Mo和W是单独或组合含有的； O.5至O. 7%的V;以及 余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有O.35至 O. 39%的 C0
3.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有O.35至 O. 45%的 Si。
4.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有O.5至 O. 7%的 Mn。
5.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有O.01至 O. 3%的 Ni。
6.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有5.O至 5. 4% 的 Cr。
7.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有总量为2. 6至2. 8%的Mo和1/2W，Mo和W是单独或组合含有的。
8.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢按质量百分数计含有O.55至 O. 65%的 V。
9.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢具有不低于40HRC的硬度。
10.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢具有不低于43HRC的硬度。
11.根据权利要求1所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢具有不低于45HRC的硬度。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的热加工工具钢，所述热加工工具钢具有不高于49HRC的硬度。
13.根据权利要求1所述的热加工工具钢，其中所述钢在淬火以后具有包括块状组织和针状组织的断面组织，所述块状组织的面积百分数(A%)不大于45%，所述针状组织的面积百分数(B%)不大于40%，并且残余奥氏体的体积百分数(C%)为5至20%。
14.一种制造具有优异的韧性和高温强度的热加工工具钢的方法，其中将根据权利要求13所述的钢回火，使得由回火硬度(HRC)和所述组织的百分数之间的下列关系式确定的X值不小于40 X = [-0. 36X (HRC)-L 47X (A% )-1. 67X (B% )+6. 55X (C% )+72. 91]。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述钢回火到40至49HRC。
16.根据权利要求14所述的方法，其中将所述钢回火到43至49HRC。
17.根据权利要求14所述的方法，其中将所述钢回火到45至49HRC。
全文摘要
本发明公开了一种具有改善的韧性和高温强度的热加工工具钢。还开公开了一种用于制造所述热加工工具钢的方法。所述热加工工具钢包含下列组分(按质量计)C0.34-0.40％，Si0.3-0.5％，Mn0.45-0.75％，Ni0-0.5％(排除在外)，Cr4.9-5.5％，(Mo11/2W)2.5-2.9％(条件是单独或组合含有Mo和W)和V0.5-0.7％；以及余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，所述热加工工具钢的断面组织在淬火时含有块状组织和针状组织，其中所述块状组织(A％)占45面积％以下，所述针状组织(B％)占40面积％以下，并且其余的奥氏体(C％)占5至20体积％。还公开了一种用于制造热加工工具钢的方法，所述方法包括将上述热加工工具钢回火，使得由回火硬度(HRC)和所述组织的百分数之间的下列关系式确定的X值变为40以上。X＝[-0.36×(HRC)-1.47×(A％)-1.67×(B％)+6.55×(C％)+72.91]
文档编号C22C38/46GK102994902SQ201210316378
公开日2013年3月27日 申请日期2007年9月14日 优先权日2006年9月15日
发明者片冈公太, 中津英司, 田村庸, 长泽政幸 申请人:日立金属株式会社