鋼粉末和使用其的模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋼粉末和使用其的模具。本發(fā)明涉及一種鋼粉末，其具有包含以質(zhì)量％計的以下的組成，0.10≤C＜0.25，0.005≤Si≤0.600，2.00≤Cr≤6.00，-0.0125×[Cr]+0.125≤Mn≤-0.100×[Cr]+1.800，其中[Cr]表示以質(zhì)量％計的Cr含量的值，0.01≤Mo≤1.80，-0.00447×[Mo]+0.010≤V≤-0.1117×[Mo]+0.901，其中[Mo]表示以質(zhì)量％計的Mo含量的值，0.0002≤N≤0.3000和余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
【專利說明】
鋼粉末和使用其的模具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的熱傳導性能和耐腐蝕性的鋼粉末，和通過使用所述鋼粉末 生產(chǎn)的模具。
【背景技術(shù)】
[0002] -般地，通過使鋼熔融以生產(chǎn)鋼錠，然后使鋼錠進行鍛造和/或乳制以生產(chǎn)塊狀或 扁平的方形材料，通過機械加工將其切割以形成模具形狀的產(chǎn)品，然后對模具形狀的產(chǎn)品 實施如淬火或回火等熱處理來制造如用于使樹脂和橡膠等成形的注射成形模具、壓鑄模 頭、熱壓(也稱為熱壓印(hot stamp)或模壓淬火(die quench))模頭等模具或模頭。
[0003] 對于這些模具，模具的冷卻一般通過在其內(nèi)部設(shè)置冷卻回路(水冷卻線)并且使冷 卻水流經(jīng)冷卻回路來進行。
[0004] 在此類模具中，提高用冷卻水冷卻的效率導致循環(huán)時間縮短，即，產(chǎn)品的快速循環(huán) 生產(chǎn)(成形），并且這導致生產(chǎn)效率改進。
[0005] 作為提高冷卻效率的方法，認為在模具的內(nèi)部沿所有方向曲折且復雜地形成冷卻 回路，從而通過冷卻回路的整體形狀和布局等提高冷卻能力。然而，在通過借助于機械加工 的切削而制造模具的方法中，以此類復雜的方式形成冷卻回路在技術(shù)上是不可能的。
[0006] 在上述情況下，注意力目前集中在通過層疊成形法(三維層疊成形法)制造模具的 技術(shù)上。
[0007] 層疊成形法為通過材料的積累將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際物體的加工方法。在層 疊成形法中，首先沿與預定軸垂直的多個平面將由三維計算機輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的 形狀切片，并且計算所得切片的截面形狀。實際上形成這些切片的形狀，并且使形成的切片 堆疊并貼合在一起，從而將計算機表現(xiàn)的形狀轉(zhuǎn)換為實際物體。
[0008] 層疊成形法包括使用粉末作為材料的情況和使用板作為材料的情況。在其中粉末 用作材料的方法中，粉末均勻地鋪展為層狀(各層的厚度為，例如，幾十微米），并且粉末層 的特定區(qū)域用如激光束或電子束等熱能照射，從而使粉末層熔融/固化或者使粉末層燒結(jié)。 層由此一層接一層堆疊，從而制造整體形狀。
[0009] 另一方面，在其中板用作材料的層疊成形中，由CAD的三維模型數(shù)據(jù)的切片得到的 各部件(板)通過機械加工等來實際生產(chǎn)，并且通過例如，擴散接合使這些部件堆疊并貼合 在一起，從而制造整體三維形狀。
[0010]例如，在專利文獻1和2中公開了通過這些層疊成形法制造模具的實例。
[0011] 具體地，專利文獻1公開了涉及"選擇性激光燒結(jié)用金屬粉末，通過使用其的三維 成形物的制造方法，和由此獲得的三維成形物"的發(fā)明。其中公開的特征在于，通過用光束 照射包含沉淀硬化金屬成分的粉狀材料層的預定部位，從而使該預定部位的粉末燒結(jié)或熔 融固化來形成固化層，通過在所得固化層上新形成粉末層，然后用光束照射新粉末層的另 一預定部位來形成另一固化層，并且重復進行這些步驟，從而生產(chǎn)三維成形物。
[0012] 專利文獻2公開了涉及"模具用空腔插入件，模具用插入件的制造方法和樹脂成形 用模具"的發(fā)明。其中公開的特征在于，通過基于空腔插入件的切片數(shù)據(jù)加工溝槽以在多個 金屬板的每個中形成冷卻路徑，以預定順序堆疊溝槽加工的金屬板，使堆疊的金屬板擴散 接合，和將獲得的金屬塊形狀加工來生產(chǎn)具有螺旋狀冷卻路徑內(nèi)部的空腔插入件。
[0013] 上述層疊成形法的技術(shù)為通過堆疊材料來制造整體形狀的技術(shù)，并且能夠容易地 形成沿所有方向曲折設(shè)置并且完全不能通過機械加工形成的復雜的冷卻回路。結(jié)果，在不 配置不必要接近模具的成形面的冷卻回路的情況下，可以有效地呈現(xiàn)比通過傳統(tǒng)的機械加 工生產(chǎn)的模具更高的冷卻效率。
[0014] 如上所述，通過在模具等的內(nèi)部設(shè)置曲折且復雜的三維冷卻回路而提高了冷卻能 力。然而，冷卻效率已經(jīng)達到其極限，并且冷卻效率的進一步改進困難。由于抑制冷卻效率 改進的原因，存在以下問題：（1)低熱導率，（2)水冷卻孔的裂紋促進和(3)低耐腐蝕性。作為 除了模具的冷卻效率以外的其它問題，存在(4)熱裂的頻繁發(fā)生的問題。以下描述問題（1) 至⑷。
[0015] 首先，以下描述（1)低熱導率的問題。一般地，層疊成形法中使用18Ni馬氏體時效 鋼或SUS420J2-型鋼的粉末，但這些鋼具有低熱導率。因此，即使有效設(shè)置冷卻回路，模具內(nèi) (外觀面與冷卻回路之間）的熱轉(zhuǎn)移也不快，并且對冷卻效率的改進有限制。
[0016] 描述(2)水冷卻孔的裂紋促進的問題。為了提高冷卻效率，冷卻回路可以設(shè)置為接 近外觀面。然而，如果設(shè)置冷卻回路過度接近外觀面，則由于應力提高和貫通距離 (penetration distance)減少的疊加使得來自冷卻回路的龜裂變得在外觀面上容易發(fā)展。 因此，對冷卻回路與外觀面的接近有限制，因此，對冷卻效率的改進有限制。此外，18Ni馬氏 體時效鋼和SUS420J2-型鋼具有低熱導率，因此，模具的溫度梯度變大。結(jié)果，冷卻回路內(nèi)表 面的熱應力增大，并且構(gòu)成冷卻回路的水冷卻孔的裂紋變得容易發(fā)生。從這層意義上說，同 樣，具有低熱導率的材料使得難以設(shè)置接近外觀面的冷卻回路，并且冷卻效率的改進變?yōu)?瓶頸。
[0017] 描述(3)低耐腐蝕性的問題。由于18Ni馬氏體時效鋼具有低耐腐蝕性，所以水冷卻 孔容易生銹。作為氧化物的銹具有非常低的熱導率，因此，變?yōu)槔鋮s水與模具之間熱交換的 障礙，并且抑制冷卻效率的改進。當銹變得顯著時，冷卻回路因銹變窄，并且冷卻劑的流動 體積降低，從而使冷卻效率降低。在嚴重的情況下，冷卻回路有時被銹堵塞，并且在此類情 況下，彎曲的冷卻回路變得毫無意義。
[0018] 最后，描述(4)熱裂的頻繁發(fā)生的問題。由于18Ni馬氏體時效鋼和SUS420 J2-型鋼 具有低熱導率，所以模具的溫度梯度變大。結(jié)果，外觀面的熱應力增大并且熱裂變得容易產(chǎn) 生。如果高溫強度低，則熱裂的問題進一步出現(xiàn)。
[0019] 綜上所述，具有三維冷卻回路的模具或部件的問題歸結(jié)于低熱導率和低耐腐蝕 性。由于低熱導率，從而對冷卻效率的改進存在限制，另外，促進水冷卻孔的裂紋并且熱裂 頻繁發(fā)生。此外，由于低耐腐蝕性，由于生銹使得冷卻效率降低(在最差的情況下，水冷卻孔 堵塞），并且這使得更難以改進冷卻效率。
[0020] 換言之，如果通過使用獲得高熱導率和高耐腐蝕性二者的鋼粉末的層疊成形法來 制造模具或部件，則將解決上述問題。
[0021] 然而，無論通過層疊成形法制造模具，如JIS SKD61-型鋼、SUS420J2-型鋼和馬氏 體時效鋼等通常用于模具的鋼包含大量的具有高溫強度但容易固溶在基體中的如Si、Cr、 Ni和Co等元素。因此，此類鋼具有低熱導率，并且從熱導率的觀點，難以提高冷卻效率。
[0022] 即，迄今為止，還沒有提供除了在由鋼形成模具的情況下的高溫強度以外，也可以 在耐腐蝕性和熱導率性方面實現(xiàn)充分的性能的模具用鋼。
[0023] 作為本發(fā)明的另一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻3公開了涉及"熱加工用工具鋼"的發(fā)明。具 體地，專利文獻3公開了包含以下的熱加工用工具鋼：(： ：0.28%-0.55%，31:0.15%-0.80%，Mn:0.40%-0.85%，P:0.020% 以下，S:0.018% 以下，0:2.5%-5.7%，]?〇:1.4%-2.8%，7:0.20%-0.90%，￥:0.01%-1.65%，(：〇 :0.03%-0.89%，和附：0.01%-1.65%，余 量基本上為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中作為不可避免的雜質(zhì)的N限制至0.009%以下，Ti限 制至0.003%以下，和B限制至0.012%以下，非金屬夾雜物的清凈度為JIS dA0.00 5%以下 和d(B+C)0.020%以下，和熱處理之后的馬氏體結(jié)構(gòu)體的取向性在17%-33%的范圍內(nèi)。 [0024]作為本發(fā)明的另一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻4公開了涉及"粉碎刀片用鋼和粉碎刀片的 生產(chǎn)方法"的發(fā)明。具體地，專利文獻4公開了包含以下的粉碎刀片用鋼:C:0.3%-0.5%， Si:0.2%-0.5%，Mn:0.1%-1.0%，Cr:4.0%-6.0%，Mo和W中的一種或兩種作為Mo+l/2W: 0.8%-2.5%，以及￥和他中的一種或兩種作為￥+1/2他:0.3%-1.0%作為基本成分，余量為 Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0025] 作為本發(fā)明的又一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻5公開了涉及"熱鍛造模具及其制造方法" 的發(fā)明。具體地，專利文獻5公開了包含以下的熱鍛造模具:C:0.32%-0.42 %，Si:0.3%以 T，Mn:0.3%-1.5%，Ni:0.5%WT，Cr:4.0%-6.0%，V :0.2%-1.0%，Mo+l/2W:0.8%-2.0%，和N:0.005%-0.04%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0026] 作為本發(fā)明的又一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻6公開了涉及"熱加工用模具"的發(fā)明。具體 地，專利文獻6公開了具有包含以下的化學組成的熱加工用模具：C:0.30%以上且小于 0.50%，Si:0.10%-0.5%，Mn:0.30%-1.0%，P:0.02% 以下，S:0.005% 以下，〇:4.0%_ 8.0%，M〇:0.2% 以上且小于1.5%，V:0.05%-1.0%，A1:0.03% 以下，N:0.0150% 以下，和 0:0.0030%以下，和余量為Fe和雜質(zhì)，其中Ni和W作為雜質(zhì)各自為小于0.7%，并且具有 900MPa以上的拉伸強度，和其中熱加工用模具具有設(shè)置在接觸待加工材料的至少表面上的 硬化深度超過200wii的氮化層，并且在30wii以上的深度的位置處，氮化層以Vickers硬度計 的硬度為900以下。
[0027] 作為本發(fā)明的又一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻7公開了涉及"熱鍛造模頭用鋼"的發(fā)明。具 體地，專利文獻7公開了包含以下的熱鍛造模頭用鋼:C: 0.25 %-0.45 %，Si : 0.50%以下， Mn:0.2%-1.0%，P:0.015% 以下，S:0.005% 以下，Ni:0.5%-2.0%，Cr:2.8%-4.2%，Mo: 1.0%-2.0%，￥:0.1%-0.5%，余量為?6和不可避免的雜質(zhì)。
[0028] 作為本發(fā)明的又一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻8公開了涉及"熱加工用工具鋼"的發(fā)明。具 體地，專利文獻8公開了熱加工用工具鋼，其為包含以下的合金鋼:C: 0.25 %-0.40 %，Si : 0.50%以下，]?11:0.30%-1.00%，？：0.015%以下，5 :0.005%以下，附：0.50%-2.00%，0: 2.70%-5.50% ,M〇：1.00%-2.00% ,V：0.40%-0.80% ,B：0.0005%-0.0100% ,A1： 0.015%-0.10%，和10.015%以下，余量為？6和不可避免的雜質(zhì)，其中合金鋼在室溫下具 有250Kgf/mm V2以上的斷裂韌性值(KQ)，和在高溫(600°C)下具有60Kgf/mm2以上的彈性極 限應力（proof stress)(0.2%PS)〇
[0029] 然而，專利文獻3-8中公開的鋼為C含量為0.25%以上，因此在C含量方面不同于本 發(fā)明的鋼。另外，這些專利文獻沒有涉及鋼以粉末狀用作層疊成形法的材料的實施方案。
[0030] 專利文獻 1:W02011/149101
[0031] 專利文獻 2:JP-A-2010-194720
[0032] 專利文獻 3:JP-A-2003-268486
[0033] 專利文獻 4:JP-A-2007-297691
[0034] 專利文獻 5:JP-A-2008-308745
[0035] 專利文獻 6:JP-A-2010-65280
[0036] 專利文獻 7:JP-A-H06-256897
[0037] 專利文獻 8:JP-A-H08-269625

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038] 本發(fā)明鑒于上述情況而進行，且其目的是提供一種通過實施層疊成形法生產(chǎn)模具 用的可以獲得高熱導率和高耐腐蝕性的鋼粉末，和提供通過使用所述鋼粉末制造的模具。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末為具有包含以質(zhì)量％計的以下元素的組成的鋼粉末：
[0040] 0.10<C<0.25,
[0041 ] 0.005 < Si < 0.600,
[0042] 2.00 < Cr < 6.00,
[0043] -0.0125X[Cr]+0.125 <Mn<-〇. 100X[Cr]+l.800 (1)
[0044] 其中[Cr]表示以質(zhì)量％計的Cr含量的值，
[0045] 0.01 < Mo < 1.80,
[0046] -0.00447 X[Mo]+0.010 < V < -〇.1117 X[Mo]+0.901 (2)
[0047] 其中[Mo]表示以質(zhì)量％計的Mo含量的值，
[0048] 0.0002 <N< 0.3000,和
[0049] 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0050]本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計：
[0051 ] 0.10<A1 < 1.20。
[0052]本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種：
[0053] 0.30<附<3.50和
[0054] 0.30<Cu< 2.00〇
[0055] 本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計：
[0056] 0.0001<B<0.0100〇
[0057]本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種：
[0058] 0.003<S< 0.250,
[0059] 〇.〇〇〇5<Ca< 0.2000,
[0060] 0.03<Se<0.50,
[0061 ] 0.005<Te<0.100,
[0062] 0.01<Bi <0.50,和
[0063] 0.03<Pb<0.50。
[0064] 本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種：
[0065] 〇.〇〇4<Nb< 0.100,
[0066] 〇.〇〇4<Ta< 0.100,
[0067] 〇.〇〇4<Ti <0.100,和
[0068] 0.004<Zr<0.100〇
[0069] 本發(fā)明的鋼粉末可進一步包含，以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種：
[0070] 0.10<W<5.00 和
[0071] 0.10<Co<3.00〇
[0072] 根據(jù)本發(fā)明的模具為包括使用上述鋼粉末的任意一種通過層疊成形法生產(chǎn)的部 位的模具。
[0073] 在本發(fā)明中，術(shù)語"模具"涵蓋模具和模頭，并且包括模具(或模頭)本體和組裝至 模具(或模頭)本體的如軸芯(spool core)等模具(或模頭)部件。此外，術(shù)語"模具"包括由 本發(fā)明的鋼制成的表面處理的模具(或模頭）。
[0074] 在通常不提供具有高熱導率和高耐腐蝕性兩種特性的任何鋼粉末的情況下，完成 本發(fā)明。通過減少降低熱導率的合金組分相對于如馬氏體時效鋼和不銹鋼等高合金鋼的含 量，由于如果Cr過度減少則耐腐蝕性劣化，所以在不過度減少Cr的情況下將Cr含量調(diào)節(jié)至 2.00 < Cr< 6.00，并且適當?shù)仄胶膺@些合金組分，本發(fā)明可以在維持高耐腐蝕性的同時實 現(xiàn)高熱導率。
[0075] 根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末優(yōu)選用作用于通過借助層疊成形法成形來制造模具的粉末 材料。
[0076] 在使用粉末的層疊成形法中，當將熱能施加至鋪展粉末的層從而使粉末固結(jié)時， 粉末熔融凝固或燒結(jié)。
[0077] 此時，粉末從如熔融狀態(tài)等高溫狀態(tài)急速冷卻（quench)，并且自動進行淬火 (hardening)。該情況下的淬火在高冷卻速度下迅速進行。即，在層疊成形步驟中，淬火順次 地同時進行。
[0078] 因此，淬火在高冷卻速度下進行。因此，作為鋼組分，即使將用于改進淬透性 (hardenability)的組分的含量預先抑制在少量，在層疊成形期間淬火也良好地進行。根據(jù) 本發(fā)明，可實現(xiàn)僅通過層疊成形的模具所必要的30-50HRC的硬度。
[0079] 在將上述根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末通過層疊成形法施用于壓鑄模頭或其部件的情況 下，可以實現(xiàn)冷卻效率的改進、熱裂的抑制和水冷卻孔的裂紋的抑制。
[0080] 此外，即使在將根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末施用于用于樹脂和橡膠等的注射成形、鍛造 或鋼板的熱壓的模具或部件的情況下，鋼粉末可以發(fā)揮高性能。
[0081] 不必需通過層疊成形來制造模具或部件的全部。例如，通過通常的制造法(例如， 由熔融成形的材料機械加工)生產(chǎn)的構(gòu)件用作基臺（base)，并且僅包含彎曲的三維冷卻回 路的部位可以使用本發(fā)明的鋼粉末通過層疊成形法來生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0082] 以下，將詳細描述根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末的組成。根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末具有包含C、 31、0、]?11、]\1〇、￥、對乍為必要元素，余量由？6和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的組成。
[0083] 以下描述限定本發(fā)明的鋼粉末中的各化學組分的理由。各化學組分的值為基于質(zhì) 量％。
[0084] 0.10<C<0.25
[0085] 在C含量小于0.10的情況下，當在層疊成形之后進行回火時沒有獲得模具所需的 30HRC以上的硬度。另一方面，在C含量為0.25以上的情況下，熱導率降低。另外，在C含量為 0.25以上的情況下，在層疊成形之后模具的硬度超過50HRC，并且當原樣使用在層疊成形之 后的模具時，模具的大裂紋的危險增大。從各種特性的優(yōu)異的平衡的觀點，C含量優(yōu)選為在 0.11 <C<0.24,并且更優(yōu)選在0.12<(：<0.23的范圍內(nèi)。
[0086] 0.005 < Si <0.600
[0087] 在Si含量小于0.005的情況下，切削性顯著劣化。另一方面，在Si含量大于0.600的 情況下，熱導率顯著降低。從各種特性的優(yōu)異的平衡的觀點，Si含量優(yōu)選為在0.010 < Si < 0.550，并且更優(yōu)選在0.020 < Si < 0.200的范圍內(nèi)。
[0088] 2.00 < Cr < 6.00
[0089] 在Cr含量小于2.00的情況下，耐腐蝕性不充分，導致水冷卻回路的生銹或裂紋。另 外，在Cr含量小于2.00的情況下，馬氏體轉(zhuǎn)變點變高，并且金相結(jié)構(gòu)粗大化，從而缺乏硬度 和韌性。另一方面，在Cr含量大于6.00的情況下，熱導率降低。從各種特性的優(yōu)異的平衡的 觀點，Cr含量優(yōu)選為在2.05 < Cr < 5.90，并且更優(yōu)選在2.10 < Cr < 5.70的范圍內(nèi)。
[0090] -0.0125X[Cr]+0.125 <Mn<-〇. 100X[Cr]+l.800 (1)
[0091] 在式中，[Cr]表示以質(zhì)量％計的Cr含量的值。在Mn含量小于-0.0125X[Cr]+0.125 的情況下，相變點變高，并且使金相結(jié)構(gòu)粗大化，從而缺乏硬度和韌性。另一方面，在Mn含量 大于-0.100 X [Cr]+1.800的情況下，熱導率降低。
[0092] 使金相結(jié)構(gòu)粗大化從而缺乏硬度和韌性的傾向在Cr含量低的情況下特別顯著。另 外，熱導率的降低在Cr含量高的情況下特別顯著。
[0093] 0.01<Mo<1.80
[0094]在Mo含量小于0.01的情況下，高溫強度不充分。另外，在Mo含量小于0.01的情況 下，當在層疊成形之后進行在Acl點以下的溫度下的熱處理時，變得難以確保30HRC以上的 硬度。另一方面，在Mo含量大于1.80的情況下，斷裂韌性值的降低大。Mo含量優(yōu)選為在0.05 < Mo < 1.70,并且更優(yōu)選在0.10 < Mo < 1.60的范圍內(nèi)。
[0095] -0.00447 X[Mo]+0.010 < V < -〇.1117 X[Mo]+0.901 (2)
[0096] 在式中，[Mo]表示以質(zhì)量％計的Mo含量的值。在V含量小于-0.00447 X [Mo] +0.010 的情況下，高溫強度不充分。此外，當在層疊成形之后進行在Acl點以下的溫度下的熱處理 時，變得難以確保30HRC以上的硬度。另外，在V含量小于-0.00447 X [Mo]+0.010的情況下， 當在層疊成形之后進行在Ac3點以上的溫度下加熱的淬火時，使晶粒粗大化，從而降低韌 性。另一方面，在V含量大于-〇. 1117 X [Mo] +0.901的情況下，上述效果傾向于飽和，另外，含 量引起成本的顯者提尚。
[0097] 0.0002 <N< 0.3000
[0098] 在N含量小于0.0002的情況下，變得難以確保30HRC以上的硬度。此外，在N含量小 于0.0002的情況下，耐腐蝕性的改進效果差。另外，在N含量小于0.0002的情況下，當在層疊 成形之后進行淬火時使晶粒粗大化。另一方面，在N含量大于0.3000的情況下，提高強度和 改進耐腐蝕性的效果傾向于飽和，另外，精煉成本顯著提高。此外，在N含量大于0.3000的情 況下，在層疊成形期間氮從熔融部頻繁逸出。在此類情況下，在層疊成形部形成孔，并且沒 有滿足如韌性等特性。N含量優(yōu)選為在0.0003 < N < 0.2500，并且更優(yōu)選在0.0004 < N < 0.2000的范圍內(nèi)。
[0099] 本發(fā)明的鋼粉末通常以以下量包含以下組分作為不可避免的雜質(zhì)。
[0100] 0<P<0.05
[0101] 〇<S< 0.003
[0102] 0 < Cu < 0.30
[0103] 〇<Ni <0.30
[0104] 〇<Al <0.10
[0105] 0<ff<0.10
[0106] 〇<〇<〇.〇5
[0107] 〇< Co <0.10
[0108] 0 < Nb < 0.004
[0109] 〇<Ta< 0.004
[0110] 〇<Ti <0.004
[0111] 0<Zr< 0.004
[0112] 〇<B< 0.0001
[0113] 0<Ca< 0.0005
[0114] 0<Se<0.03
[0115] 〇<Te< 0.005
[0116] 〇<Bi <0.01
[0117] 0<Pb<0.03
[0118] 〇< Mg <0.02
[0119] 0 < REM(稀土金屬）< 0.10
[0120] 根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末除了上述必要元素以外，可以任選地包含選自下述元素的一 種以上的元素。即，根據(jù)本發(fā)明的鋼粉末可以僅由以質(zhì)量％計的以下元素組成：
[0121] 0.10<C<0.25,
[0122] 0.005 < Si < 0.600,
[0123] 2.00 < Cr < 6.00,
[0124] -0.0125X[Cr]+0.125 <Mn<-〇. 100X[Cr]+l.800 (1)
[0125] 0.01 < Mo < 1.80,
[0126] -0.00447 X[Mo]+0.010 < V < -〇.1117 X[Mo]+0.901 (2)
[0127] 0.0002<N< 0.3000,和
[0128] 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，但可以任選地包含選自具有如上所述的其含量的元 素的一種以上。
[0129] A1：
[0130] 根據(jù)本發(fā)明的鋼可以在層疊成形之后進行淬火。為了抑制淬火期間奧氏體晶體的 粗大化，可以以0.10<A1< 1.20的量包含A1。
[0131] A1鍵合至N從而形成A1N，并且產(chǎn)生抑制奧氏體晶粒邊界的移動（即，晶粒的生長） 的效果。
[0132] 此外，A1在鋼中形成氮化物，從而有助于析出強化，因此，具有提高氮化的鋼材料 的表面硬度的作用。對于為了實現(xiàn)較高的表面硬度而進行氮化處理的模具(包括構(gòu)成模具 的部件的部分），使用包含A1的鋼材料是有效的。
[0133] Ni和Cu:
[0134] 根據(jù)本發(fā)明的鋼可以在層疊成形之后進行淬火。如果淬透性差，則在淬火期間鐵 素體、珠光體或粗大的膨潤土析出，和各種特性劣化。為了應對劣勢，可以選擇性地添加Cu 和/或Ni以提高淬透性。具體地，0.30<Ni < 3.50和0.30<Cu < 2.00的至少任一種可以包含 在鋼中。
[0135] 無論是否進行淬火，在進行熱處理至Acl點以下的溫度下的情況下，Ni鍵合至A1以 析出金屬間化合物并且具有提高硬度的效果。同樣，在進行熱處理至Acl點以下的溫度下的 情況下，Cu通過時效析出（age precipitation)具有提高硬度的效果。Ni含量和Cu含量分別 優(yōu)選為在〇. 50 < Ni < 3.00和0.50 < Cu < 1.80的范圍內(nèi)。超過預定量的各元素使導熱性和韌 性降低。
[0136] B：
[0137] 作為淬透性的改進措施，B的添加也是有效的。具體地，可以以0.0001 <B < 0.0100 的量包含B。
[0138] 當B形成BN時，淬透性的改進效果消失。因此，B必須單獨存在于鋼中。具體地，由與 B相比對N具有較強的親和性的元素形成氮化物，從而防止B鍵合至N。此類元素的實例包括 Nb、Ta、T i和Zr。即使這些元素以雜質(zhì)水平存在，這些元素也具有固定N的效果，但存在根據(jù)N 的量以下述的量添加這些元素的情況。即使B鍵合至鋼中的N以形成BN，如果余量的B單獨存 在于鋼中，則這也提高淬透性。
[0139] B對切削性和磨削性的改進也是有效的。由本發(fā)明的鋼制成的模具和部件在層疊 成形之后可以進行切削或磨削。在改進切削性和磨削性的情況下，使得形成BNAN具有與石 墨類似的性質(zhì)，并且使切削或磨削的耐性降低，并且進一步改進薄片易碎性（chip breakability)〇
[0140] 在B和BN存在于鋼中的情況下，淬透性以及切削性和磨削性同時改進。
[0141] S、Ca、Se、Te、B0PPb:
[0142] 本發(fā)明的鋼具有少量的Si，因此，具有稍微差的機械加工性。作為加工性的改進型 措施，可以選擇性添加以下5丄3、56、16、8丨和？13。具體地，0.003<3<0.250、0.0005<〇&< 0.2000、0.03<Se <0.50、0.005<Te <0.100、0.01<Bi <0.50和0.03<Pb<0.50的至少任 一種可以包含于鋼中。
[0143] 在這些元素的任意一種的量超過預定量的情況下，其引起沖擊值的降低。
[0144] Nb、Ta、Ti 和 Zr:
[0145] 在層疊成形之后進行淬火的情況下，如果由于不期望的設(shè)備故障等引起淬火的加 熱溫度提高或淬火的加熱時間延長，則涉及由晶粒的粗大化引起的各種特性的劣化。為了 應對該情況，可以選擇性添加Nb、Ta、Ti和Zr，并且奧氏體晶粒的粗大化可以通過由這些元 素形成的微細析出物來抑制。具體地，〇.〇〇4<恥<0.100、0.004<丁&<0.100、0.004<11< 0.100和0.004<Zr < 0.100的至少任一種可以包含在鋼中。
[0146] 在這些元素的任意一種的量超過預定量的情況下，過度形成碳化物、氮化物和氧 化物，引起沖擊值的降低。
[0147] W和Co:
[0148] 為了提高具有C<0.25的低C的作為模具用鋼的本發(fā)明的鋼的強度，可以選擇性添 加W和Co。
[0149] W通過碳化物的微細析出來提高強度。Co通過固溶入基體來提高強度，并且同時介 由碳化物形式的變化有助于沉淀硬化。具體地，0.105.00和0.10<Co < 3.00的至少任 一種可以包含在鋼中。
[0150] 在這些元素的任意一種的量超過預定量的情況下，其引起特性的飽和和成本的增 加。在Co超過預定量的情況下，其降低熱導率。W和Co的量分別優(yōu)選為0.30 < W < 4.50和0.30 < Co <2.50。
[0151] 根據(jù)上述本發(fā)明，可以提供在通過施用層疊成形法生產(chǎn)模具時可以實現(xiàn)高熱導率 和高耐腐蝕性的鋼粉末，和使用所述鋼粉末生產(chǎn)的模具。
[0152] 實施例
[0153] 通過使用表1示出的34種鋼粉末通過層疊成形法來生產(chǎn)模具和試驗片，并且進行 各種測試。具體地，進行用于評價硬度、熱導率、模具表面溫度、熱裂和水冷卻孔的裂紋的測 試。
[0154] 表1示出的一些鋼粉末在規(guī)定為雜質(zhì)的量的范圍內(nèi)包含表中未示出的元素。
[0155] 在表1中，比較鋼1為JIS SKD61-型鋼，比較鋼2為18Ni馬氏體時效鋼，比較鋼3為馬 氏體不銹鋼SUS 420J2,和比較鋼4為機械結(jié)構(gòu)用鋼SCM435。各比較鋼為至少兩種元素的量 在本發(fā)明規(guī)定的范圍以外。
[0156] 表1: 化學組成(質(zhì)量％) (余量:Fe)
[0157]

[0160] 這34種鋼粉末通過氣體霧化法(gas atomizing method)來生產(chǎn)。獲得的粉末具有 接近球體的形狀，并且在采用其直徑的直方圖的情況下，直徑為100M1以下的粉末占據(jù)全體 的80 %以上(存在少量的薄片狀或萌蘆形粉末）。
[0161] 層疊成形用的優(yōu)選的粉末為其中直徑的平均值為400wii以下，并且在采用直徑的 直方圖的情況下，全體粉末的80 %以上的直徑為400wii以下的微細粉末。
[0162] 通過使用電子束使獲得的粉末進行層疊成形，從而形成SKD61的塊狀模具(這用作 基臺）。由此，制得模具(模具本體）。制造的整個模具的重量為約18kg。彎曲的冷卻回路設(shè)置 在層疊成形部中，和冷卻回路與外觀面之間的距離為15mm。
[0163] 比較鋼1、3和4以層疊成形形式具有過高的硬度，和原樣具有非常低的韌性。因此， 使由這些鋼獲得的模具在300°C至650°C的范圍內(nèi)的溫度下回火1小時，從而將硬度調(diào)節(jié)為 適于模具的硬度。
[0164] 將模具安裝至夾緊力為135噸的壓鑄機，并且用30，000次噴丸（shot)作為鑄造試 驗來制備質(zhì)量為630g的鑄造品。評價該情況下的第10次噴丸和第30,000次噴丸的模具表面 溫度(最高溫度）。在具有30,000次噴丸的鑄造后，觀察外觀面上的熱裂。切斷熱裂評價之后 的模具，并且觀察冷卻回路的水冷卻孔的腐蝕和裂紋的程度。使約30°C的工業(yè)水流經(jīng)模具 內(nèi)的冷卻回路。
[0165] 除了模具以外，從通過層疊成形生產(chǎn)的小棒切出熱導率測量用的試驗片，并且在 25°C下通過激光閃光法測量試驗片的熱導率。
[0166] 這些評價測試的結(jié)果示于下表2。
[0167] 表2

[0170] 如表2所示，使用各本發(fā)明的鋼通過層疊成形獲得的模具的硬度為41-49HRC，該硬 度適于通過層疊成形獲得的正是原樣的模具。比較鋼通過回火而具有36-45HRC的適當?shù)?值。
[0171] 模具表面溫度
[0172] 在模具的表面溫度（最高溫度）為410°C以下的情況下，劣勢（例如，燒傷 (burning)、差的鑄造結(jié)構(gòu)、循環(huán)時間的延長和熱裂)一般難以發(fā)生。
[0173] 根據(jù)表2,比較鋼1-3為其中模具的表面溫度在鑄造初期的第10次噴丸已經(jīng)達到不 優(yōu)選的高于410°C的溫度的鋼。這些比較鋼具有24W/m/K以下的低熱導率。對于這些比較鋼， 涉及模具的過熱的劣勢。
[0174] 另一方面，具有29W/m/K以上的高熱導率的本發(fā)明鋼1-30在第10次噴丸時沒有超 過410°C的模具表面溫度。根據(jù)經(jīng)驗，如果熱導率為28W/m/K以上，則獲得高冷卻效率，并且 在這些本發(fā)明鋼中確保抑制過熱。
[0175] 耐腐蝕性大大影響在第30,000次噴丸時的模具表面溫度。其原因在于，如果在水 冷卻孔生成銹，則通過與銹的熱交換的抑制和冷卻水的量減少（由銹使水冷卻孔的直徑變 細)而降低冷卻效率。
[0176] 從上述觀點，在具有非常低的Cr量的比較鋼2和4中，與第10次噴丸相比，第30,000 次噴丸的模具表面溫度大大提高，并且這表示水冷卻孔已經(jīng)生成銹。
[0177] 在比較鋼4中，在第10次噴丸時的模具表面溫度為394°C，但在第30,000次噴丸時 的模具表面溫度超過410°C。
[0178]另一方面，比較鋼3具有非常高的Cr量并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性。因此，與第10次 噴丸相比，第30,000次噴丸時的模具表面溫度沒有變化。然而，在比較鋼3中，在第10次噴丸 之后模具表面溫度超過410°C，并且明顯的是僅高耐腐蝕性對于模具表面溫度是不充分的， 并且模具的過熱不能有效抑制，除非模具具有高熱導率。
[0179]另一方面，實現(xiàn)高耐腐蝕性和高熱導率二者的本發(fā)明鋼1-30即使在第30，000次噴 丸時也維持410°C以下的低模具表面溫度。
[0180] 因為本發(fā)明鋼5、8和26的Cr量相對低，所以第10次噴丸與第30，000次噴丸之間的 模具表面溫度的差傾向于增大，并且這表明水冷卻孔中輕微地生成銹。然而，由于高熱導率 和高冷卻效率，使得由于銹導致的冷卻能力降低不顯著。為了將模具的溫度穩(wěn)定地維持在 低溫下，確認需要高耐腐蝕性和高熱導率。
[0181] 整翌
[0182] 觀察30,000次噴丸之后模具的外觀面的熱裂。熱裂容易生成的條件是模具的高溫 強度低(初期硬度低且抗軟化性低（softening resistance))和作用的熱應力高（熱導率 低）的情況。
[0183] 比較鋼1具有高的高溫強度和在比較鋼中相對高熱導率。因此，熱裂為中等程度。 該不利狀態(tài)指定為"B"。
[0184] 比較鋼2具有低的高溫強度(初期硬度低）和低熱導率。因此，產(chǎn)生極重度的熱裂， 并且該狀態(tài)評價為T'。
[0185] 比較鋼3具有高的高溫強度，但由于低熱導率而生成顯著的熱裂，并且該狀態(tài)評價 為（然而，與比較鋼2的狀態(tài)相比該狀態(tài)為稍微較輕的水平）。
[0186] 比較鋼4具有低的高溫強度。因此，即使高熱導率，與比較鋼3相同程度的熱裂產(chǎn) 生，因此，比較鋼4評價為"C"。
[0187] 另一方面，本發(fā)明鋼1-30實現(xiàn)高的高溫強度和高熱導率二者，因此，熱裂非常輕 度，并且該情況評價為"A"。
[0188] 這一次鑄造試驗以30，000次噴丸完成，但熱裂較少，因為認為具有進一步幾萬次 噴丸的鑄造是可能的。為了抑制熱裂，確認需要高熱導率。
[0189] 水冷卻孔的銹和裂紋
[0190] 切斷30，000次噴丸鑄造之后的模具，并且確認水冷卻回路中的水冷卻孔的銹和裂 紋。
[0191] 銹對應于模具表面溫度的結(jié)果，并且在比較鋼2和4中顯著生成銹。作為不銹鋼的 比較鋼3基本上沒有生成銹，以及比較鋼1中的銹為輕度。比較鋼1不是不銹鋼，但具有約5 % 的高Cr量，因此，具有相當?shù)哪透g性。
[0192] 本發(fā)明鋼具有隨著Cr量越高的水平銹的生成越少的趨勢。
[0193] 另一方面，水冷卻孔的裂紋容易生成的條件為耐腐蝕性低（Cr量少)且熱導率低 (熱應力尚）的情況。
[0194] 比較鋼1具有相對高的耐腐蝕性并且有變?yōu)辇斄训钠瘘c的極少的腐蝕部。然而，深 度為約5mm的龜裂由于低熱導率而發(fā)展，并且該狀態(tài)評價為"B"。該狀態(tài)不是龜裂向外觀面 貫通即刻發(fā)生的水平，但龜裂為深龜裂，并且這不是優(yōu)選狀態(tài)。
[0195] 比較鋼2具有低的耐腐蝕性和低熱導率，并且觀察到超過10mm的龜裂。外觀面與水 冷卻孔之間的距離為15mm，并且該狀態(tài)是非常危險的狀態(tài)，即，涉及由龜裂向外觀面的貫通 導致的水泄漏。不用說，該狀態(tài)評價為"C"。
[0196] 比較鋼3具有非常高的耐腐蝕性，并且基本上沒有變?yōu)辇斄训钠瘘c的腐蝕部，并且 基本上沒有觀察到龜裂。理解的是，盡管低熱導率，但如果可以抑制龜裂的起點的生成，則 可以抑制水冷卻孔的裂紋。
[0197] 比較鋼4具有高的熱導率但低耐腐蝕性。因此，不能抑制龜裂的產(chǎn)生，結(jié)果，約5mm 的龜裂已經(jīng)發(fā)展。因此，比較鋼4評價為"B"。
[0198] 另一方面，本發(fā)明的鋼具有高耐腐蝕性和高熱導率的特性。由于這些特性，使得冷 卻水孔的裂紋是輕度的，并且龜裂的深度為最多約1mm。本發(fā)明的鋼的評價為"A"。這一次鑄 造試驗以30，000次噴丸完成，但水冷卻孔的龜裂為淺深度的狀態(tài)，因為認為進一步幾萬次 噴丸的鑄造是可能的。
[0199] 由表2示出的結(jié)果確認，實現(xiàn)高耐腐蝕性和高熱導率二者對于模具的冷卻性能的 改進、熱裂的抑制和水冷卻孔的裂紋的減輕是有效的。
[0200] 水冷卻孔與外觀面之間的距離
[0201] 具有高耐腐蝕性的比較鋼3具有第10次噴丸與第30,000次噴丸之間的模具表面溫 度不改變的穩(wěn)定的冷卻性能。因此，在距離外觀面l〇mm的位置處具有水冷卻孔的模具通過 使用比較鋼3的鋼粉末來制造，并且在與表2示出的鑄造試驗相同的條件下進行評價試驗。 通過厚度的降低使得使水冷卻孔接近外觀面來降低外觀面的熱應力。因此，可以期待熱裂 的改進效果。結(jié)果示于表3。
[0202] 表 3
[0204]如表3所示，在第10次噴丸時的模具表面溫度為397°C，并且為與表2示出的本發(fā)明 鋼(水冷卻孔與外觀面之間的距離為15_)類似的低溫。使水冷卻孔接近外觀面的方法對于 實現(xiàn)低模具表面溫度是有效的。此外，即使在第30，000次噴丸時模具表面溫度也維持在397 °C，并且冷卻能力非常穩(wěn)定。另外，熱裂如所期望的由表2的C改進為B。
[0205] 然而，水冷卻孔的裂紋由表2的A下降為C。在如本實施例使水冷卻孔接近外觀面的 情況下，外觀面的熱應力減小，但水冷卻孔表面的熱應力增大。為此，認為即使變?yōu)辇斄训?起點的腐蝕部少（即使高耐腐蝕性），也促進龜裂的發(fā)展。龜裂的深度超過5mm。從外觀面與 水冷卻孔之間的距離為1〇_的事實，這是非常危險的狀態(tài)，即，涉及由龜裂向外觀面的貫通 導致的水泄漏。
[0206] 因此，在使水冷卻孔接近外觀面以改進冷卻能力的情況下，水冷卻孔的裂紋變得 明顯。
[0207] 如上所述，在熱導率高但耐腐蝕性差的情況下，冷卻能力由于生銹而大大劣化。另 外，腐蝕部變?yōu)辇斄训钠瘘c，因此，水冷卻孔的裂紋變得容易產(chǎn)生。另一方面，即使耐腐蝕性 提高，在熱導率低的情況下，冷卻能力也劣化，另外，促進水冷卻孔的裂紋，并且耐熱裂性降 低。
[0208] 因此，即使僅提高熱導率和耐腐蝕性之一，也難以同時實現(xiàn)低溫度化(冷卻能力的 改進）、熱裂的抑制和水冷卻孔的裂紋的減輕三個要求.
[0209] 另一方面，本發(fā)明鋼具有高耐腐蝕性和高熱導率二者。因此，可同時實現(xiàn)上述三個 要求。
[0210] 盡管以上詳細描述了本發(fā)明的實施例，但其僅為實例。以上描述壓鑄用模具(或模 頭）的應用例，但實現(xiàn)高熱導率和高耐腐蝕性二者的本發(fā)明的鋼可以優(yōu)選應用于用于控制 溫度的冷卻劑流經(jīng)其中的回路形成在內(nèi)部的模具或部件。具體地，本發(fā)明的鋼可以應用于 用于樹脂和橡膠等的注射成形、鍛造和鋼板的熱壓的模具和部件，并且發(fā)揮高性能。
[0211] 此外，當由本發(fā)明的組分組成的鋼用作棒狀、線狀或絲狀的焊接材料時，在與層疊 成形狀態(tài)類似的焊接狀態(tài)下可以原樣獲得適當?shù)挠捕?，并且可以利用高熱導率和高耐腐蝕 性的特性。焊接是層疊成形的一種。當然，如在普通焊接材料中，可以在焊接之后進行為了 調(diào)節(jié)硬度和除去應變和應力的目的的再加熱。
[0212]此外，根據(jù)本發(fā)明的鋼的模具與表面處理（噴丸、噴砂、氮化、PVD、CVD、鍍覆等)組 合是有效的。
[0213] 在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明可以在具有各種改進的實施方案 中進行。
[0214] 本申請基于2015年1月28日提交的日本專利申請No. 2015-014809和2015年8月18 日提交的日本專利申請No.2015-161384,通過參考將其內(nèi)容并入本文中。
【主權(quán)項】
1. 一種鋼粉末，其具有由以質(zhì)量％計的以下元素組成的組成： 0.10 <C<0.25, 0.005 < Si <0.600, 2.00<Cr<6.00, -0.0125 X[Cr]+0.125 < Μη <-〇.100 X[Cr]+1.800 (1) 其中，所述[Cr]表示以質(zhì)量％計的Cr含量的值， 0.01 <Mo < 1.80， -0.00447X[Mo]+0.010 < V<-0.1117X[Mo]+0.901 (2) 其中，所述[Mo]表示以質(zhì)量％計的Mo含量的值， 0.0002 <Ν<0·3000,和 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素組成： 0·10<Α1 < 1.20〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種組 成： 0.30<附<3.50和 0.30<Cu<2.00〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素組成： 0.0001<B<0.0100〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種組 成： 0.003<S<0.250, 0.0005<Ca<0.2000， 0.03<Se <0.50, 0.005<Te <0.100, 0.01<Bi <0.50,和 0.03<Pb<0.50。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種組 成： 0.004<Nb<0.100， 0.004<Ta<0.100， 0.004<Ti <0.100,和 0.004<Zr <0.100〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼粉末，其進一步由以質(zhì)量％計的以下元素的至少任一種組 成： 0.10<W<5.00 和 0.10<C〇<3.00.8. -種模具，其包括使用權(quán)利要求1-7任一項所述的鋼粉末通過層疊成形法生產(chǎn)的部 位。
【文檔編號】B21D37/01GK105821327SQ201610060500
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月28日
【發(fā)明人】河野正道
【申請人】大同特殊鋼株式會社