1.本发明涉及一种热加工用模具用钢、热加工用模具及其制造方法。
背景技术：2.近年来，以汽车的轻量化与碰撞安全性提高为目的且拉伸强度超过1gpa的超高张力钢板的需求不断提高。但是，若欲通过冷压制来成形拉伸强度为1.2gpa以上的钢板，则产生成形负荷或回弹的增大、成形性等问题。因此，最近，热冲压(也称为热压制或热印)工艺受到关注。在热冲压工艺中，将钢板加热为奥氏体温度以上后，进行压制成形，将模具保持于下死点，进行骤冷并加以淬火。
3.作为热冲压工艺的优点，可列举通过基于利用模具进行骤冷的模淬火的淬火，可获得具有1.5gpa左右的拉伸强度的超高张力钢板的成形品。另外，也可列举基本上不会产生回弹等成形性优异的优点。
4.但是，热冲压工艺有生产性低的问题。即，由于用以进行模淬火的下死点保持等需要时间，因此生产性变低。作为其对策，谋求一种高热传导率的模具。其原因在于，在模淬火中，虽使模具吸收钢板的热，但模具的热传导率越高，越缩短下死点保持的时间而生产性变得越高。另外，关于热冲压用模具，为了提高耐磨损性而要求高硬度，关于热冲压用模具用钢，要求在制成模具时兼有高硬度与高热传导率。
5.在热锻造或压铸的领域中，为了达成模具的长寿命化或制造效率的进一步提高，也有要求如上所述的兼有高热传导率与高硬度的模具用钢的倾向。通常而言，为了获得高硬度的模具而需要增加模具用钢的合金量，但若合金量变多，则有模具的热传导率降低的问题，硬度与热传导率具有权衡关系。因此，通过对合金量进行控制来研究最适合的成分组成。例如，在专利文献1及专利文献2中提出有兼有硬度与热传导率的模具用钢的成分组成。另外，在专利文献3及专利文献4中也公开有如下热工具钢，其有效用作在温热压制、压铸或温热锻造等中所使用的模具的原材料，热传导率优异且耐磨损性也优异。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本专利特开2017-43814号公报
9.专利文献2：日本专利特开2018-24931号公报
10.专利文献3：日本专利第5744300号公报
11.专利文献4：日本专利特开2017-53023号公报
技术实现要素：12.发明所要解决的问题
13.专利文献1、专利文献2的模具用钢及专利文献3、专利文献4的热工具钢为可提高硬度与热传导率的有用的发明。但是，在考虑到模具用钢或热工具钢的淬火回火特性或对热冲压用等的模具的作业面进行氮化处理来使用等时，在从前的模具用钢或热工具钢的情
况下，硬度有时不足。具体而言，最近，作为热冲压用等的模具，一直谋求也可达成52hrc以上的高硬度化的模具用钢，但在专利文献1～专利文献3中无法稳定地获得52hrc以上的高硬度。另外，可获得模具用钢的最高硬度的回火温度通常位于575℃附近，但若模具用钢的最高硬度不满52hrc，则因氮化处理或使用时的升温而使模具的硬度会从未满52hrc进一步降低。
14.本发明的目的为提供一种热加工用模具用钢、热加工用模具及其制造方法，所述热加工用模具用钢可制作以高于从前的水准兼有硬度与热传导率并可维持所述硬度的模具。
15.解决问题的技术手段
16.鉴于所述实际情况，本发明人发现，对合金量进行控制而可达成高硬度及高热传导率且可维持所述所达成的高硬度(即，软化阻力大)的成分组成，从而达到本发明的热加工用模具用钢。而且，通过使用所述模具用钢，从而发现可达成高硬度及高热传导率且软化阻力也优异的热加工用模具及其制造方法。
17.即，本发明的一实施例为一种热加工用模具用钢，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～2.5％、cr：1.0％～6.0％、mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％、v：0.1％～0.5％、ni：0.15％～0.6％、cu：0.1％～0.6％、al：0.1％～0.6％以下，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
18.优选为当在575℃下进行回火时，硬度为52hrc以上。
19.本发明的另一实施例为一种热加工用模具，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～2.5％、cr：1.0％～6.0％、mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％、v：0.1％～0.5％、ni：0.15％～0.6％、cu：0.1％～0.6％、al：0.1％～0.6％以下，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
20.优选为硬度为52hrc以上且热传导率为25w/(m
·
k)以上。优选为在作业面具有氮化层。
21.本发明的又一实施例为一种热加工用模具的制造方法，其特征在于，对所述热加工用模具用钢在1020℃～1080℃的淬火温度及540℃～620℃的回火温度下进行淬火回火。
22.优选为以在进行所述淬火回火后，进而，对作业面进行氮化处理为特征。
23.发明的效果
24.通过本发明，可获得最适合于热加工用途的模具用钢。另外，通过使用所述模具用钢，可提供兼有高硬度与高热传导率并可维持所述高硬度的热加工用模具及其制造方法。
附图说明
25.图1是示出将本发明例及比较例的模具用钢淬火后，在500℃～650℃下回火时的所述模具用钢在每一回火温度下的硬度的图表图。
26.图2是示出将本发明例及比较例的模具用钢淬火后，回火为45hrc～52hrc的硬度时的所述模具用钢的热传导率的图表图。
具体实施方式
27.本发明的特征在于，查明了在考虑到热加工用模具是对模具用钢进行淬火回火而
制作或对其作业面进行氮化处理而制作时，有最适合于同时达成热加工用模具的高硬度与高热传导率的模具用钢的成分组成。特别是查明了有最适合于同时达成52hrc以上的高硬度与25w/(m
·
k)以上的高热传导率的成分。
28.另外，在所述最适合的模具用钢的成分组成中，查明了最适合于同时达成高硬度与高热传导率的淬火回火条件。特别是通过将回火温度设为540℃～620℃的温度范围(优选为575℃附近)，具有最适合的成分组成的本发明的模具用钢可达成52hrc以上的高硬度，因此即便在之后的氮化处理或使用过程中的升温环境下，模具也不易软化(软化的程度小)。
29.本发明的热加工用模具例如可应用于热锻造用模具、压铸用模具、热挤出模具、热冲压用模具，特别优选为应用于热冲压用模具。以下，对本发明的各结构要件进行说明。
30.本发明的热加工用模具用钢具有如下成分组成：以质量％(以下，简单表述为“％”)计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～2.5％、cr：1.0％～6.0％、mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％、v：0.1％～0.5％、ni：0.15％～0.6％、cu：0.1％～0.6％、al：0.1％～0.6％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。
31.·
c：0.45％～0.65％
32.c是通过淬火而固溶于基体(基质(matrix))中来提高模具的硬度的元素。另外，是与后述的cr或mo、v等碳化物形成元素形成碳化物来提高模具的硬度的元素。但是，若c量过多，则因一次碳化物的粗大化等而使模具的韧性降低。因此，c设为0.45％～0.65％。优选为0.47％以上。更优选为0.49％以上。另外，优选为0.63％以下。更优选为0.60％以下。进而优选为0.58％以下。
33.·
si：0.1％～0.6％
34.si在熔炼工序中作为脱氧剂使用。而且，是固溶于基体中来提高模具的硬度的元素。但是，若si过多，则在熔炼后，钢中的偏析倾向增强，另外，凝固组织也变得粗大，导致模具的韧性降低。而且，是使淬火回火后的模具的热传导率显著降低的元素。因此，si设为0.1％～0.6％。优选为0.14％以上。更优选为0.17％以上。另外，优选为0.45％以下，更优选为0.4％以下。进而优选为0.35％以下。进而更优选为0.3％以下。
35.·
mn：0.1％～2.5％
36.mn在熔炼工序中作为脱氧剂或脱硫剂使用。而且，是有助于强化基体的或提高淬火性、淬火回火后的韧性的元素。但是，若mn过多，则模具的热传导率显著降低。因此，mn设为0.1％～2.5％。优选为0.15％以上。另外，优选为1.0％以下。更优选为0.35％以下。进而优选为0.32％以下。进而更优选为0.3％以下。
37.·
cr：1.0％～6.0％
38.cr是固溶于基体中来使硬度上升的元素。另外，是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，且与后述的mo、v同样地是有助于回火时的二次硬化的元素。特别是，与mo、v相比，cr是可增大回火软化阻力(即便提高回火温度，也可减小通过二次硬化而获得的硬度的降低比例)的元素。通常，关于模具，在对模具用钢进行淬火回火而调整为使用硬度时，为了提高热加工用模具的热传导率，有效的是提高回火温度。而且，在本发明中，通过将cr的含量设为1.0％以上，即便在回火温度高的情况下，也可获得能达成52hrc以上的硬度且热传导率为25w/(m
·
k)以上的热加工用模具。而且，也可获得在维持所述硬度的基础上，热传导
率进一步提高至28w/(m
·
k)以上的热加工用模具。此外，所述硬度及热传导率是在室温(常温)下测定时的值。
39.另外，通过提高cr的含量而可提高模具用钢的氮化特性，因此例如通过对淬火回火后的模具的作业面进一步进行氮化处理，在也实现通过提高软化阻力来维持模具的硬度的基础上，可提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。
40.但是，若cr的含量过多，则模具用钢的合金量变多，由此难以提高模具的热传导率。因此，cr设为1.0％～6.0％。优选为1.5％以上。更优选为2.0％以上。另外，优选为5.5％以下，更优选为4.8％以下，进而优选为未满4.5％。而且，特别是在要重视提高热传导率的情况下，cr也可设为4.0％以下或3.5以下。
41.·
mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％
42.mo及w与cr同样地是固溶于基体中来使硬度上升的元素，另外，是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，是有助于回火时的二次硬化的元素。另外，也是提高淬火性的元素。w的原子量是mo的约2倍，因此可以(mo+1/2w)进行规定(当然，可仅添加任一者，也可添加两者)。但是，若mo或w的含量过多，则模具用钢的合金量变多，由此模具的热传导率变低。因此，mo及w根据(mo+1/2w)的mo当量的关系式而设为1.2％～3.5％。优选为1.5％以上。更优选为1.7％以上。进而优选为1.9％以上。另外，优选为3.4％以下。更优选为3.2％以下。
43.此外，在本发明的情况下，由于w是昂贵的元素，因此可将所有的w替换为mo。此时，成为mo：1.2％～3.5％(优选范围也相同)。但是，w可以杂质的形式包含。
44.·
v：0.1％～0.5％
45.v与cr同样地是也通过形成碳化物来使硬度上升的元素，且是有助于回火时的二次硬化的元素。但是，若v量过多，则模具用钢的合金量变多，由此模具的热传导率变低。特别是，在本实施方式中，由于有因如后述那样为了提高模具的强度特性而添加了ni、cu、al的影响而使热传导率变低的倾向，因此为了兼顾高热传导率与高硬度特性，重要的是将v限制为0.1％～0.5％。优选为0.2％以上。另外，优选为0.45％以下，更优选为0.4％以下。
46.·
ni：0.15％～0.6％
47.ni是有助于提高模具的韧性的元素。另外，在本实施方式中，可通过与al结合而形成ni-al系金属间化合物并加以析出，进行二次硬化，从而提高模具用钢的强度特性。但是，若ni量过多，则因模具用钢的合金量增加而热传导率有可能大幅变低，因此ni设为0.15％～0.6％。优选为0.2％以上。另外，优选为0.5％以下，更优选为0.45％以下。
48.·
cu：0.1％～0.6％
49.cu也与ni同样地是可通过与al结合而形成金属间化合物并加以析出，进行二次硬化，从而提高模具用钢的强度特性的元素。但是，若cu量过多，则与ni同样地，模具用钢的合金量变多，由此模具的热传导率变低。因此，cu设为0.1％～0.6％。优选为0.2％以上。另外，优选为0.5％以下，更优选为0.45％以下。
50.·
al：0.1％～0.6％以下
51.如上所述，al与ni或cu结合而形成金属间化合物。若所述al的含量过低，则无法充分形成金属间化合物，因此无法获得强度提高效果，另一方面，若al的含量过高，则模具的热传导率有可能大幅降低。因此，al设为0.1％～0.6％。优选为0.2％以上。另外，优选为0.5％以下，更优选为0.4％以下。
52.进而，在本实施方式中，为了不会过不足地形成金属间化合物并使其析出，ni/al优选为1.0～2.0。更优选的ni/al的上限为1.7，进而优选的上限为1.5。
53.或者，进而，在本实施方式中，为了不会过不足地形成金属间化合物并使其析出，cu/al优选为1.0～2.0。更优选的cu/al的上限为1.7，进而优选的上限为1.5。
54.·
剩余部分为fe及不可避免的杂质
55.若考虑当模具用钢的合金量变多时，模具的热传导率变低的情况，则所述元素种以外的剩余部分优选为实质上由fe构成。但是，这里未明示的元素种(例如，p、s、ca、mg、o(氧)、n(氮)等元素种)是有可能不可避免地残留于钢中的元素，且容许以杂质的形式包含这些元素。此时，p若过多，则在回火等热处理时，偏析至原奥氏体粒界，模具的韧性劣化。因此，p优选为限制为0.05％以下。更优选为限制为0.03％以下。而且，s若过多，则在将钢锭分块时等，热加工性劣化。因此，s优选为限制为0.01％以下。更优选为限制为0.008％以下。
56.通过对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火，可获得硬度与热传导率优异的本发明的热加工用模具。本发明的热加工用模具的硬度是在室温(常温)下测定的值，可达成例如52hrc以上等充分的硬度，且可对模具赋予优异的耐磨损性。而且，优选为可通过调整回火温度，而将模具的硬度设为53hrc以上。
57.此外，在本发明中，不需要限定模具的硬度的上限。但是，现实是在具有所述成分组成的模具用钢的情况下，根据其二次硬化的峰值硬度(处于大致540℃～620℃的回火温度的范围内)而为60hrc左右。而且，关于所述硬度的上限，尽管二次硬化的峰值硬度为60hrc左右，但就即可超过所述峰值硬度来提高回火温度的方面(即，可提高热传导率的方面)而言，优选为设为58hrc以下。
58.而且，本实施方式的模具的对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火而将模具的硬度调整为52hrc时的热传导率为25w/(m
·
k)以上。此外，所述热传导率是在室温(常温)下测定的值。优选为28w/(m
·
k)以上。具有如上所述的热传导率的本发明的模具在要进一步提高热传导率的情况下，可通过将硬度设为未满52hrc来进一步提高热传导率。另外，也能够在具有充分的热传导率的基础上，将模具的硬度调质为超过52hrc。具体而言，在模具的硬度为45hrc以上、48hrc以下时，热传导率优选为30w/(m
·
k)以上，更优选为32w/(m
·
k)以上，进而优选为34w/(m
·
k)以上。另外，在模具的硬度为53hrc以上、55hrc以下时，热传导率优选为25w/(m
·
k)以上，更优选为27w/(m
·
k)以上。
59.此种模具能够通过如下模具用钢来达成，所述模具用钢具有当在575℃下进行回火时显示出52hrc以上的硬度的热处理特性。在确认所述热处理特性时，回火前的淬火温度例如可设为1030℃。而且，本发明的模具用钢具有所述热处理特性。由此，例如可在用于热冲压工艺的过程中(例如，100℃～400℃)的模具中维持高硬度，且也可维持高的热传导率。
60.在本发明的情况下，不需要指定模具的热传导率的上限。但是，若考虑逐渐提高回火温度(例如，调整为超过600℃的温度)，模具的硬度逐渐降低的情况，则现实是为约50w/(m
·
k)左右。优选为47w/(m
·
k)以下。更优选为45w/(m
·
k)以下。而且，现实是若为模具维持着52hrc以上的硬度时，则热传导率的上限为约40w/(m
·
k)左右。优选为38w/(m
·
k)以下。
61.本发明的热加工用模具优选为在其作业面具有氮化层。
62.如上所述，本发明的热加工用模具兼有高硬度及高热传导率。而且，通过所述模具
的作业面还具有氮化层，可进一步提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。而且，通过本发明的模具用钢所具有的淬火回火特性而也可抑制氮化处理时的模具主体的硬度降低。此外，所谓作业面是与热加工中的被加工材相接的模具的面。
63.本发明的热加工用模具的制造方法是对所述模具用钢进行淬火回火的方法。
64.在对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火时，淬火温度因目标硬度等而不同，例如可设为大致1020℃～1080℃。优选为1050℃以下。
65.而且，通过针对在所述淬火温度下进行了淬火的模具用钢，例如在540℃～620℃的回火温度下进行回火，可稳定地达成52hrc以上的硬度，同时可获得热传导率为25w/(m
·
k)以上的模具。此时，在维持52hrc以上的硬度的基础上，回火温度的上限优选为设为600℃左右。更优选为595℃以下。进而优选为590℃以下。另外，回火温度的下限优选为设为550℃左右。更优选为555℃以上。进而优选为560℃以上。
66.通过以在显示出二次硬化的峰值硬度的575℃附近的回火温度下可达成52hrc以上的硬度的热处理特性为基准，满足所述热处理特性的基准的本发明的模具用钢即便在540℃～620℃的广的回火温度范围中也可维持45rhc以上的硬度。而且，关于所述峰值硬度，通过高达如例如53hrc以上、54hrc以上、55hrc以上等那样超过52hrc，可在广的回火温度范围中维持52hrc以上的硬度。而且，可在所述广的回火温度范围中获得25w/(m
·
k)以上的热传导率，特别是可在575℃以上的回火温度下提高热传导率。
67.本发明的模具用钢通过淬火回火而整理为具有规定的硬度的热加工用模具。而且，在此期间，模具用钢通过切削或穿孔等各种机械加工等而整理为热加工用模具的形状。关于所述机械加工的时序，可在淬火回火前的硬度较低的状态(即，退火状态)下进行。而且，在所述情况下，也可在淬火回火后进行精加工。另外，根据情况，也可也结合所述精加工而在进行淬火回火后的预硬化状态下进行所述机械加工。
68.本发明的热加工用模具的制造方法优选为进而对进行所述淬火回火后的模具的作业面进行氮化处理。
69.如上所述，通过对具有所述成分组成的模具用钢进行淬火回火，可获得例如将硬度调质为52hrc时的热传导率为25w/(m
·
k)的模具。而且，具有所述成分组成的模具用钢的氮化特性也优异，因此通过进而对进行所述淬火回火后的模具的作业面进行氮化处理，可提高模具的耐磨损性(作业面的硬度)。而且，通过本发明的模具用钢所具有的淬火回火特性而也可抑制氮化处理时的模具主体的硬度降低。此时，关于氮化处理的条件，例如可应用气体氮化处理或盐浴氮化处理等已知的各种氮化处理的条件。
70.实施例1
71.对具有表1的成分组成的10kg的钢锭进行熔炼。然后，将所述钢锭加热为1160℃并进行锤锻延伸，然后放置冷却，对所述放置冷却后的钢材在870℃下进行退火处理，从而制作作为本发明例的no.1～no.6的钢及作为比较例的no.7～no.9的钢。
72.[表1]
[0073][0074]
※
p≦0.05％、s≦0.01％
[0075]
＜回火硬度的评价＞
[0076]
对no.1～no.9的模具用钢在1030℃的淬火温度下实施淬火。此时，关于冷却条件，假定本发明钢及比较钢等模具用钢为实际的热冲压用模具的大小时的冷却速度，将半冷时间设为40分钟(所谓半冷时间是从淬火温度冷却至(淬火温度+室温)/2的温度所需的时间)。然后，对所述淬火后的模具用钢在500℃～650℃的回火温度下进行回火。回火实施两次，并在各个温度下保持2小时。回火温度设为以25℃为单位的合计7个条件。然后，针对no.1～no.9，分别在每一回火温度下测定其中心部的室温下的洛氏硬度(c标度)。将结果示于图1～图3中。
[0077]
作为本发明例的no.1～no.7在550℃～600℃的回火温度的范围内达成了52hrc以上的回火硬度。相对于此，作为比较例的no.7～no.9在500℃～650℃的回火温度范围内回火硬度均低于52hrc。
[0078]
＜热传导率的评价＞
[0079]
继而，对no.1～no.9的热传导率进行测定。关于热传导率测定时的试样的回火硬度，作为本发明例的no.1～no.6为52hrc，作为比较例的no.7、no.8、no.9分别为51hrc、50hrc、45hrc。关于测定要领，首先，将模具加工成直径10mm
×
厚度2mm的圆盘状试验片，利用激光闪光法来测定所述试验片的热扩散率及比热。然后，使用所述所测定的热扩散率及比热的值，并根据下述式来算出室温下的热传导率。将结果示于图2中。
[0080]
热传导率λ(w/(m
·
k))＝ρ
·
α
·cp
[0081]
(ρ：室温密度、α：热扩散率、c
p
：比热)
[0082]
根据图2的结果确认到，作为本发明例的no.1～no.6达成了25w/(m
·
k)以上的热传导率。另一方面，关于作为比较例的no.7～no.9，虽然热传导率也与本发明为相同水准，但最初峰值硬度未达到52hrc。因此，若为如比较例那样的模具用钢，则在要调整热传导率时(具体而言，在为了提高热传导率而提高回火温度时)，硬度进一步降低，无法应对各种要求特性的模具。相对于此，本发明例的模具用钢除了充分的峰值硬度以外，回火软化阻力也优异，因此确认到兼有高热传导率与高硬度特性的本发明例具有对于热加工用模具用途而言有利的特性。
技术特征：1.一种热加工用模具用钢，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～2.5％、cr：1.0％～6.0％、mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％、v：0.1％～0.5％、ni：0.15％～0.6％、cu：0.1％～0.6％、al：0.1％～0.6％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的热加工用模具用钢，其特征在于，当在575℃下进行回火时，硬度为52hrc以上。3.一种热加工用模具，其特征在于具有如下成分组成：以质量％计，c：0.45％～0.65％、si：0.1％～0.6％、mn：0.1％～2.5％、cr：1.0％～6.0％、mo及w单独或复合计(mo+1/2w)：1.2％～3.5％、v：0.1％～0.5％、ni：0.15％～0.6％、cu：0.1％～0.6％、al：0.1％～0.6％，剩余部分为fe及不可避免的杂质。4.根据权利要求3所述的热加工用模具，其特征在于，硬度为52hrc以上且热传导率为25w/(m
·
k)以上。5.根据权利要求3或4所述的热加工用模具，其特征在于，在作业面具有氮化层。6.一种热加工用模具的制造方法，其特征在于，对如权利要求1或2所述的热加工用模具用钢在1020℃～1080℃的淬火温度及540℃～620℃的回火温度下进行淬火回火。7.根据权利要求6所述的热加工用模具的制造方法，其特征在于，在进行所述淬火回火后，进而，对作业面进行氮化处理。
技术总结本发明提供一种可制作兼有高硬度与高热传导率的热加工用模具的模具用钢、热加工用模具及其制造方法。一种热加工用模具用钢，具有如下成分组成：以质量％计，C：0.45％～0.65％、Si：0.1％～0.6％、Mn：0.1％～2.5％、Cr：1.0％～6.0％、Mo及W单独或复合计(Mo+1/2W)：1.2％～3.5％、V：0.1％～0.5％、Ni：0.15％～0.6％、Cu：0.1％～0.6％、Al：0.1％～0.6％，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。另外，本发明为一种具有所述成分组成的热加工用模具及其制造方法。有所述成分组成的热加工用模具及其制造方法。有所述成分组成的热加工用模具及其制造方法。
技术研发人员：山中修司 平重贵之 福元志保
受保护的技术使用者：日立金属株式会社
技术研发日：2021.03.16
技术公布日：2022/11/1
