本发明涉及热加工工具钢，其作为在温热压制、压铸或温热锻造等中使用的模具的原材料有用。
背景技术：
作为在压铸、热锻造、温热锻造中使用的模具原材料，广泛使用机械加工性优异的jisskd61。但是该jisskd61的导热率低，因此频发粘模和热裂，有模具寿命短的问题。
因此，以往提出了一种热加工工具钢，其中，提高了si含量，在防止机械加工性的劣化的同时提高导热率，同时通过调整mn、cr、mo和v含量，在保持比通用模具钢更高的导热率的同时比通用模具钢提高了冲击值(专利文献1)。该专利文献1的权利要求1所公开的热加工工具钢含有c：0.20-0.42质量%、si：0.40-0.75质量%、mn：0.65-1.50质量%、cr：5.24-9.00质量%、mo：1.08-2.50质量%、v：0.30-0.70质量%，剩余部分为fe和不可避免的杂质。需说明的是，专利文献1的权利要求4记载了含有n：0.004-0.024质量%，权利要求2记载了含有w：0.30-4.00质量%。
另外，降低塑料和橡胶的注射成型品、压铸品、低压铸造品和锻造品等的产品成本的需求增高。因此人们希望这些产品的制造效率提高以及不良率降低。
因此，以往，为了提高模具的导热率从而使模具的快速冷却成为可能，由此使产品制造可短周期化而谋求制造效率的提高，而且谋求不良率的降低，提出了对si、mn、cr的添加量进行了规定的模具用钢(专利文献2)。该专利文献2的权利要求1中公开的热加工工具钢的组成为：含有c：0.35-0.50质量%、si：0.01-0.19质量%、mn：1.50-1.78质量%、cr：2.00-3.05质量%、mo：0.51-1.25质量%、v：0.30-0.80质量%、n：0.004-0.040质量%，剩余部分为fe和不可避免的杂质。需说明的是，专利文献2的权利要求2记载了含有w：0.30-4.00质量%。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5515442号公报
专利文献2：日本专利第5402529号公报。
技术实现要素：
发明所要解决的课题
但是，专利文献1所公开的热加工工具钢的导热率为26-28(w/m·k)左右，较低，有无法缩短制造周期的问题。另外该热加工工具钢的硬度不足，因此可认为耐磨损性差。
另一方面，专利文献2所公开的热加工工具钢的cr含量少，因此淬透性差，在大型模具中生成贝氏体，韧性差，因此不实用。另外在压铸等的模具中，为了使模具冷却而开有水冷孔，通过冷却水冷却模具，但该热加工工具钢的cr含量低，因此有容易生锈、容易发生碎裂的问题。并且专利文献2中记载的热加工工具钢硬度不足，因此耐磨损性差，si含量少，因此机械加工性差。
本发明鉴于这些问题而成，其目的在于提供热加工工具钢，该热加工工具钢保持充分的淬透性，同时可使导热率提高，由此可缩短周期时间，可使热处理后的硬度提高，可使耐磨损性提高，同时虽然为高硬度但韧性优异，耐腐蚀性优异、机械加工性的劣化也少。
解决课题的方案
本发明所涉及的热加工工具钢的特征在于，具有以下组成：
含有
c：0.45-0.57质量%、
si：0.05-0.30质量%、
mn：0.45-1.00质量%、
cr：4.5-5.2质量%、
ni：0.5质量%以下、
mo+(1/2)w：1.0-2.0质量%、
v：0.30-0.80质量%、
n：0.008-0.025质量%，剩余部分为fe和不可避免的杂质；
圆当量直径1μm以下的碳化物的面积率为20%以上。
发明效果
根据本发明，可得到导热率高、可缩短制造周期、可使制造效率提高，同时可降低加热冷却所伴随的热应力，因此可抑制热裂的热加工工具钢。另外，根据本发明，可得到淬透性优异、可抑制韧性的降低、也可制造大型的模具，同时耐磨损性优异、可延长模具的寿命的热加工工具钢。
具体实施方式
以下对本发明进行详细说明。首先对本发明的热加工工具钢的成分添加理由以及组成限定理由进行说明。
“c：0.45-0.57质量%”
c是固溶于热加工工具钢的基体，从而提高热加工工具钢的硬度的元素，还是形成碳化物的重要的元素。如果c低于0.45质量%则钢的硬度降低，无法确保必要的耐磨损性。另外，如果c超过0.57质量%则钢的韧性降低。因而c的含量设为0.45-0.57质量%。
“si：0.05-0.30质量%”
si是提高钢的导热率的重要的元素。si低于0.05质量%则钢的机械加工性显著降低，如果以超过0.3质量%含有si，则钢的导热率显著降低，因此si的含量设为0.05-0.30质量%。
“mn：0.45-1.00质量%”
mn也是提高导热率的重要的元素。低于0.45wt%则淬透性显著降低，以超过1.00wt%含有，则导热率显著降低，因此设为0.45-1.00wt%。
“cr：4.5-5.2质量%”
cr也是提高钢的导热率的重要的添加元素。cr低于4.5质量%则钢的淬透性显著降低，另外，如果以超过5.2质量%含有cr，则导热率显著降低，因此cr的含量设为4.5-5.2质量%。
“ni：0.5质量%以下”
ni与cr同样，是用于使钢的淬透性提高的有效的元素，如果ni超过0.5质量%则成本增加，不利，另外钢的机械加工性也降低。因而ni的含量设为0.5质量%以下。
“mo+(1/2)w：1.0-2.0质量%”
mo和w均与cr同样，是用于使钢的淬透性提高的有效的元素。如果mo含量和w含量的1/2量的合计(mo+(1/2)w)低于1.0质量%，则无法得到淬透性提高的效果。另一方面，如果(mo+(1/2)w)超过2.0质量%，则发生钢的导热率降低，制造成本升高。因此，(mo+(1/2)w)设为1.0-2.0质量%。不过，w具有mo的约2倍的原子量，在原子数相同的情况下，淬透性和导热率相同，在效果的程度上具有可互相置换的特性，因此，以(mo+(1/2)w)做为指标来确定mo和w的含量范围。需说明的是，mo和w也可以单独添加。
“v：0.30-0.80质量%”
v是对于形成碳化物、防止淬火时的晶粒粗大化以及提高耐磨损性有效的元素。为获得该效果，必须使v以0.30质量%以上含有。但是，如果v超过0.80质量%则钢中形成粗大的碳化物，使钢的韧性降低，同时v的过量添加使制造成本升高。因此v的含量设为0.30-0.80质量%。
“n：0.008-0.025质量%”
n是对于形成微细碳化物、防止钢淬火时的晶粒粗大化以及提高机械加工性有效的元素。为获得该效果，n必须为0.008质量%以上。如果n超过0.025质量%则形成粗大的碳化物，使钢的韧性变差，因此n的含量设为0.025%以下。
如此，为实现本发明的目的，必须使各成分组成在规定的组成范围内，特别重要的是使c、si、mn和cr的量为上述范围。
“圆当量直径1μm以下的微细碳化物的面积率：20%以上”
通常，如果降低si的含量则钢的导热率提高，但有钢的机械加工性变差的不良情况。本发明中，虽降低了si的含量，但通过使圆当量直径1μm以下的微细碳化物的面积率为20%以上来弥补该si含量降低所伴随的机械加工性的降低，由此可得到具有与si含量高的情形相同程度的机械加工性的热加工工具钢。如果降低si含量，则切削温度升高，切屑对工具的粘着变显著，在切削加工中粘着物剥离时工具也发生缺损。由此机械加工性变差。本发明中，通过较大量(以面积率计20%以上)地含有圆当量直径1μm以下的微细碳化物，即使降低si含量，也可以减少切屑对工具的粘着的发生，同时由于形成微细的碳化物，因此钢材的基体变脆，由此可得到与以往的热加工工具钢同等的机械加工性。
接着，对于上述本发明的热加工工具钢的制造方法进行说明。将上述组成的钢材熔解、铸造。然后，将所得铸锭在1200-1280℃的温度下加热4小时以上，锻造，加工为规定的尺寸。然后，将锻造材料加热至820-870℃的温度，保持4小时以上后，以15-35℃/小时的冷却速度冷却至400-500℃的温度，由此对钢材进行退火处理。由此可制造含有规定量上述微细的碳化物的热加工工具钢。
实施例
接着，将满足本发明的权利要求1的实施例的热加工工具钢的特性与本发明范围之外的比较例的热加工工具钢的特性进行对比，对本发明的效果进行说明。将下述表1所示的组成的实施例和比较例的钢材用高频感应炉熔解，得到20kg的锭。将该锭在1200-1280℃的温度下加热4小时以上，然后锻造，之后在820-870℃的温度下加热保持4小时以上，以15-35℃/小时的冷却速度进行冷却至400-500℃的温度来实施退火。由该钢材采集热处理硬度试验片、导热率试验片、磨损试验片、以及却贝氏(charpy)冲击试验片。
[表1]
热处理硬度是将25×25mm见方的试验片在1030℃下淬火，自500℃起以5℃间隔实施回火至620℃。将各试验片的最高硬度示于下表2的“硬度”栏里。“导热率”是将直径10mm、厚度3mm的试验片进行热处理，达到各试验片钢种的最高硬度，然后通过激光闪光法测定室温下的导热率值(w/m·k)。“耐磨损性”通过大越式磨损试验实施。试验片是在1030℃下热处理，然后回火，实施加工所得物品。匹配材料为590mpa高强材料，摩擦速率为2.37(m/秒)，最终载荷为6.3kgf，摩擦距离为100m，在常温下进行试验，评价比磨损量(104mm3/kgfm)。“淬透性”试验是通过foremaster试验制作cct曲线，通过求出产生贝氏体的临界冷却时间(分钟)来进行。“韧性”试验是切取10×10×55mm的jis3号试验片，在1030℃下热处理，在达到50hrc的硬度后测定冲击值。以jisskd61钢为基准，在冲击值与该skd61相比为同等或良好时设为○，稍差时设为δ，差则时设为×，以此评价冲击值。“耐腐蚀性”是切取直径18mm、厚度15mm的试验片，在1030℃下热处理，在达到50hrc的硬度后，按照jis2371的盐水喷雾试验方法实施试验，以jisskd61钢的情形为基准，在锈与skd61相比为同等或良好时设为○，稍差时设为δ，差时设为×，以此评价耐腐蚀性。“机械加工性”是通过直径6mm的高速钻机钻出孔深度为42mm的孔，以折断或产生尖声时作为寿命，通过以jisskd61的寿命设为100时的比率来评价实施例、比较例的机械加工性。“碳化物面积率”是将尺寸为15mm×20mm×10mm的试验片进行研磨，然后用苦味酸腐蚀，用5000倍的倍率拍照，进行图像分析，由此测定其面积率(%)。
[表2]
如该表1和表2所示，比较例15-26的成分组成和/或碳化物面积率在本发明的范围之外，因此导热率、耐磨损性、淬透性、韧性、耐腐蚀性和机械加工性均差。与此相对，本发明的实施例1-14的成分组成和碳化物面积率满足本发明的范围，因此导热率、耐磨损性、淬透性、韧性、耐腐蚀性和机械加工性均具有所期望的特性。