專利名稱：機加工性能優異的熱加工工具鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及用作熱鍛模具、熱壓模具、壓鑄模具和熱擠壓模具等的熱加工工具鋼及其制備方法。更具體地，本發明涉及機加工性能改善，同時仍具有未受損害的與模具壽命有關的性能如韌性和抗熱震性，并且，因此有可能減少模具生產時間的熱加工工具鋼，以及這種鋼的制備方法。
制備上述應用場合的模具的一般步驟(a)包括對已退火材料進行粗機加工，隨后進行淬火-回火處理，以使其具有給定硬度，然后，對材料進行精加工，獲得所要求的模具。
在每批制備的產品數量少或者類似情形時，由于要求的模具壽命不很長，有時采用下面的步驟(b)。即，硫作為易切削元素大量(約0.1％)添加到SKD61中，并且，在鋼廠對該鋼進行淬火-回火處理，以使硬度(HRC)為約40。如此處理的鋼作為預硬化鋼發貨，用戶直接對該鋼進行從粗加工到精加工的機械加工。
相反，當模具可以通過機加工將少量鋼去除來制備，即模具的制備不需要深度刻制時，最近正在嘗試步驟(c)，該步驟中，用戶購買退火材料，例如SKD61，而且，用戶對該材料進行淬火-回火處理，以獲得給定硬度，并且直接對其進行從粗加工到精加工(直接刻制)的機械加工。
然而，步驟(a)存在如下問題，即模具制備需要許多步驟和大量時間，而且，切削刀具相當昂貴。在這種情況下，越來越需要減少模具制備的機加工時間和降低刀具成本。
即越來越需要改善退火態或淬火-回火態的機加工性能。
步驟(b)的優點是不需要輸送模具進行淬火-回火處理，因此，能夠縮短模具交貨時間期限。
然而，已添加大量硫(0.1％)的鋼存在下述問題其含有拉長的MnS夾雜物粒子，而且，這會縮短模具壽命。
即當采用步驟(b)制備模具時，需要提高模具壽命。
另一方面，對于步驟(c)，其中迄今沒有一種專用鋼，而且，目前機加工時間的減少是以相當大的犧牲刀具壽命為代價獲得的。
步驟(c)還存在下述問題由于對已進行淬火-回火處理并且硬度高的材料實施從粗加工到精加工的機械加工，因此，難于將該步驟應用于其制備需要深度刻制的模具。
本發明人已進行廣泛研究，以便消除此類問題。本發明人的想法是通過添加硫獲得機加工性能，諸如韌性和抗熱裂性等性能的降低通過添加其它元素和由此形成球形硫化物加以抑制。此項研究的結果已經公開。
由此發展的鋼的實例包括在JP-A-10-60585中公開的熱加工工具鋼和在日本專利申請2000-280290中公開的熱加工工具鋼。
在JP-A-10-60585中公開的鋼基于如下想法硫、碲和鈣聯合添加，由此形成球形硫化物。然而，可以預料的是，由于環境問題，碲的使用將受到控制，因此，將這種鋼投入實際應用有點困難。
在日本專利申請2000-280290中公開的鋼基于如下想法硫和鋯，或者硫、鋯和鈣共同添加，由此形成球形硫化物。然而，硫化物球形成的程度隨生產時間波動，需要進一步改善。
在根據傳統技術的上述鋼中，氧化物如CaO和ZrO2起硫化物核心作用。然而，在上述鋼中，不存在包括CaO-Al2O3氧化物的作為核心的具有雙層結構的夾雜物，這種夾雜物是此后將述及的本發明的特征之一。在前述專利文件中，沒有聲明涉及這種夾雜物。
發明概述為了解決前述問題，本發明提供下述機加工性能優異的熱加工工具鋼及其制備方法。
即本發明提供(1)一種機加工性能優異的熱加工工具鋼，其組成中含有如下元素(以wt.％計)C大于0.30至0.60％，Si0.02-2.00％，Mn0.1-3.0％，P0.001-0.050％，S大于0.005至0.050％，Cr大于3.5至6.5％，Mo+1/2W0.3-5.0％，V0.05-2.50％，Al0.0010-0.0200％，Ca0.0005-0.0100％，O0.0005-0.0100％，N0.003-0.040％，余者主要是Fe，并且含有夾雜物粒子，該粒子的結構包括含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜，每3.5mm2視場中的夾雜物粒子的數目為5.0個或更多。
本發明還提供(2)一種機加工性能優異的熱加工工具鋼，其組成中含有如下元素(以wt.％計)C大于0.30至0.60％，Si0.02-2.00％，Mn0.1-3.0％，P0.001-0.050％，S大于0.005至0.050％，Cr大于3.5至6.5％，Mo+1/2W0.3-5.0％，V0.05-2.50％，Al0.0010-0.0200％，Ca0.0005-0.0100％，O0.0005-0.0100％，N0.003-0.040％，余者主要是Fe，并且含有夾雜物粒子，該粒子的結構包括含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜，每3.5mm2視場中夾雜物粒子所占面積為0.5×10-3mm2或更大。
上述鋼(1)或(2)優選是(3)氧化物夾雜中CaO含量為8-62wt.％，以及，硫化物夾雜中鈣含量為1.0wt.％或更高的鋼。
上述鋼(1)、(2)或(3)優選是(4)一種還含有一種或多種下述元素的鋼，所述元素分別為Ni≤2.0％，Cu≤1.0％，Co≤5.0％，B≤0.010％，Nb≤1.0％，Ta≤1.0％。
上述鋼(1)、(2)、(3)或(4)優選是(5)一種其中硫被硒和/或碲替代的鋼，各元素比例滿足如下關系S+0.4Se+0.25Te大于0.005至0.050％。
上述鋼(1)、(2)、(3)、(4)或(5)優選是(6)一種還含有下述元素之一種或兩種的鋼，所述元素為Ti≤0.030％和Zr≤0.030％。
本發明進一步提供(7)一種機加工性能優異的熱加工工具鋼的制備方法，包括熔煉含有如上述(1)-(6)中之任何一項所示組元的合金，并且調整該熔體的組成，其中，在組成調整中，向合金中添加硫、鋁和鈣，以使熔體的組成滿足如下關系[S]/[O]8-40，[Ca]×[S]1×10-5～1×10-3，[Ca]/[S]0.01-20，[Al]0.001-0.020％。
附圖簡述

圖1A和1B分別示出的是本發明實施例中獲得的夾雜物形式以及現有鋼中獲得的夾雜物形式以進行比較。
參考數字描述10夾雜物12氧化物夾雜14硫化物夾雜發明詳述本發明人已發現當在熱加工工具鋼中適量添加硫、鋁、鈣和氧時，能夠在鋼中產生具有雙層結構的近乎球形的夾雜物粒子。
對這些具有雙層結構的近乎球形的夾雜物粒子進行分析，發現每個這種夾雜物粒子均包含一個主要由CaO-Al2O3構成、作為核心的氧化物夾雜以及已在該核心的周邊上結晶并沉積的(Ca，Mn)S。
而且，當使用的含Mg耐火材料溶解時，Mg可能會取代用作核心的CaO-Al2O3氧化物中的部分Ca。
對于已加入硫作為易切削組元的含硫鋼，鋼中會產生MnS夾雜，該MnS夾雜能夠改善鋼的機加工性能。
然而，這種含硫鋼雖然具有改善的機加工性能，但是其與模具壽命有關的性能，例如韌性和抗熱裂性相當差。
其原因可能如下所述。這種MnS夾雜粒子在鍛造引起的鋼的拉伸方向呈拉長狀延伸，后面將對此詳細介紹，而且，裂紋容易于所述粒子處產生。此外，一旦產生裂紋，裂紋很容易沿著拉長的MnS夾雜物粒子擴展。
相反，在根據本發明的熱加工工具鋼中，已產生的夾雜物粒子是具有雙層結構、近乎球形的粒子，其包含作為核心的含CaO的氧化物夾雜和包圍該核心周邊的含鈣硫化物夾雜。據認為，這類夾雜物粒子能夠抑制與模具壽命有關的性能，例如韌性和抗熱裂性下降。
然而，為使夾雜物產生上述作用，每3.5mm2視場中存在的這種夾雜物粒子的數目必須為5.0個或更多(鋼(1))。
或者，每3.5mm2視場中這種夾雜物粒子所占面積必須為0.5×10-3mm2或更大(鋼(2))。
上述本發明的熱加工工具鋼具有與硬度相同的現有鋼相同或者只是稍有下降的熱裂性，但其退火態或者淬火-回火態的機加工性能遠優于現有鋼。
結果，當本發明的熱加工工具鋼應用于步驟(a)(該步驟是一個常規方法)時，能夠縮短機加工時間并且降低刀具費用。
當所述熱加工工具鋼應用于步驟(b)，即該鋼作為預硬化鋼供貨時，能夠縮短模具交貨時間，并且，也能確保模具壽命。
此外，當所述熱加工工具鋼應用于步驟(c)，即該鋼作為直接刻制的熱加工工具鋼供貨時，能夠以較低的刀具代價縮短模具交貨時間。而且，所述熱加工工具鋼的使用能夠使步驟(c)適用于制備需要深度刻制的模具。
本發明中，氧化物夾雜中CaO的含量最好為8-62wt.％，構成外層的硫化物夾雜中的鈣含量最好為1.0wt.％或更高(鋼(3))。
本發明的鋼可以還含有一種或多種下述元素作為合金元素，所述元素分別為Ni≤2.0％，Cu≤1.0％，Co≤5.0％，B≤0.010％，Nb≤1.0％，Ta≤1.0％(鋼(4))。
所述鋼也可以是一種其中硫被硒和/或碲替代的鋼，各元素比例滿足如下關系(鋼(5))S+0.4Se+0.25Te大于0.005至0.050％。
所述鋼還可以含有下述元素之一種或兩種作為合金元素，所述元素為Ti≤0.030％和Zr≤0.030％(鋼(6))。
根據上述本發明的熱加工工具鋼的制備方法，當采用該方法制備熱加工工具鋼時，能夠令人滿意地形成具有上述雙層結構的近乎球形的夾雜物粒子。
下面，詳細介紹限制本發明中各化學組元含量的原因。
C大于0.30至0.60％碳是確保硬度和耐磨性的必需元素。為了確保熱加工工具鋼要求的足夠硬度和耐磨性，必須添加碳，使碳含量超過0.30％。然而，由于碳的過多添加會導致熱加工強度下降，因此，碳含量上限為0.60％。
Si0.02-2.00％(優選0.15-0.60％)硅是一種脫碳必需元素，而且，還是一種為提高回火軟化抗力應添加的元素。
然而，硅含量太低會導致機加工性能明顯下降，而硅添加量過高會導致抗熱裂性下降或韌性下降。因此，硅的最佳含量為0.15-0.60％。
Mn0.1-3.0％錳是確保淬透性和硬度的必需元素。而且，它還是一種本發明形成雙層結構夾雜物的必需元素，因為錳以(Ca，Mn)S的形式在CaO-Al2O3核心上結晶和沉積。為了在夾雜物形成期間充分形成(Ca，Mn)S，必須添加錳，且其含量為0.1％或更高。
然而，由于錳的過量添加會導致加工性下降，因此，錳含量的上限為3.0％。
P0.001-0.050％磷降低韌性和抗熱裂性。因此，盡管磷是一種希望減少的元素，但它卻是一種鋼中不可避免存在的元素。
優選將磷含量降至0.015％或更低。
S大于0.005至0.050％硫是一種提高機加工性能所必需的元素，原因是它能夠以(Ca，Mn)S的形式在CaO-Al2O3核心上結晶和沉積。為了改善機加工性，必須添加硫，且其含量超過0.005％。
然而，由于硫的過量添加會導致抗熱裂性的下降或者韌性下降，因此，硫含量的上限為0.050％。從權衡機加工性能和抗熱裂性或韌性的角度考慮，優選硫含量為0.015-0.035％。
Cr大于3.5至6.5％鉻是通過形成碳化物強化基體和改善耐磨性以及確保淬透性的必需元素。
為了獲得上述效果，必須添加鉻，且其含量超過3.5％。然而，由于鉻的過量添加會導致淬透性下降或熱加工強度降低，因此，鉻含量的上限為6.5％。
Mo+1/2W0.3-5.0％鉬和鎢是通過形成碳化物強化基體和改善耐磨性以及確保淬透性的必需元素。為了獲得上述效果，必須添加鉬和鎢，且使Mo+1/2W為0.3％或更高。然而，由于鉬和鎢的過量添加會導致韌性下降，因此，Mo+1/2W的上限為5.0％。
鉬和鎢的作用相同。由于鎢的原子量約為鉬原子量的兩倍，因此，采用鉬當量表示鎢量。鉬和鎢可以單獨添加或者一起添加。
V0.05-2.50％釩是通過形成碳化物強化基體和改善耐磨性的必需元素。而且，由于釩形成細小碳化物粒子，因此，它是一種能有效減小晶粒尺寸并且因此改善韌性的元素。為了獲得上述效果，必須添加釩，且其含量為0.05％或更高。然而，由于釩的過量添加會導致韌性下降，因此，釩含量的上限為2.50％。
Al0.0010-0.0200％
鋁是一種形成CaO-Al2O3氧化物的必需元素，該氧化物作為雙層結構夾雜物的核心，此為本發明的一個特征。
為了形成所述氧化物，必須添加鋁，且其含量為0.0010％或更高。然而，由于鋁添加量過多時，會單獨形成硬的Al2O3，這會損害抗熱裂性和韌性，因此，鋁含量的上限為0.0200％。
Ca0.0005-0.0100％鈣是一種形成CaO-Al2O3氧化物的必需元素，該氧化物作為雙層結構夾雜物的核心，此為本發明的一個特征。而且，鈣作為(Ca，Mn)S結晶并沉積在所述核心周圍，這種(Ca，Mn)S比單獨的MnS能更有效改善機加工性能。
然而，為了形成CaO-Al2O3氧化物和(Ca，Mn)S硫化物，必須添加鈣，且其含量為0.0005％或更高。另一方面，由于鈣的過量添加會形成CaS，這會在澆注步驟引起水口堵塞，使生產難于進行。因此，鈣含量的上限為0.0100％。
O0.0005-0.0100％氧是一種形成CaO-Al2O3氧化物的必需元素，該氧化物作為雙層結構夾雜物的核心，此為本發明的一個特征。
然而，當氧的添加量過小時，核心數目下降，并且，近乎球形的硫化物粒子的數目也下降，從而導致抗熱裂性或韌性下降。因此，必須添加氧，且其含量為0.0005％或更高。
另一方面，氧的過量添加會形成大量的硬氧化物，例如Al2O3，這會損害抗熱裂性和韌性，因此，氧含量的上限為0.0100％。
為了進一步提高抗熱裂性和韌性，理想的是添加的氧含量為0.0010-0.0050％。
N0.003-0.040％氮是鋼中不可避免存在的一種元素。氮含量的下限為0.003％。
氮是一種有效獲得硬度和耐磨性的元素，原因是它能夠與碳、鉻、鉬、鎢、釩等結合，形成碳氮化物。
然而，氮的過量添加會導致粗大碳氮化物粒子的形成，損害韌性或抗熱裂性。因此，氮含量的上限為0.040％。
Ni≤2.0％鎳能有效改善淬透性和強化基體，而且可以根據需要添加。然而，由于過量添加會導致加工性下降，因此，鎳含量的上限為2.0％。
Cu≤1.0％銅能有效強化基體，而且可以根據需要添加。然而，由于過量添加會導致韌性下降，因此，銅含量的上限為1.0％。
Co≤5.0％鈷能有效強化基體，而且可以根據需要添加。然而，由于過量添加會導致加工性下降，因此，鈷含量的上限為5.0％。
B≤0.010％硼是一種有效改善淬透性的元素，而且可以根據需要添加。然而，由于過量添加會導致熱加工性下降或韌性下降，因此，硼含量的上限為0.010％。
Nb≤1.0％鈮能形成有效防止淬火期間晶粒長大的碳氮化物。然而，過量添加會導致粗大碳氮化物粒子的形成，損害韌性或抗熱裂性。因此，鈮含量的上限為1.0％。
Ta≤1.0％鉭能形成有效防止淬火期間晶粒長大的碳氮化物。然而，過量添加會導致粗大碳氮化物粒子的形成，損害韌性或抗熱裂性。因此，鉭含量的上限為1.0％。
S+0.4Se+0.25Te大于0.005-0.050％硒和碲是與硫性質相同的元素，可以用作硫的替代元素。由于硒和碲的原子量分別約為硫的原子量的2.5倍和4倍，因此，這些元素的量采用S+0.4Se+0.25Te所代表的硫當量表示。
為了改善機加工性能，所述硫當量必需高于0.005％。然而，由于硫當量太高會導致抗熱裂性或韌性下降，因此，該硫當量的上限為0.050％。
Ti≤0.030％鈦形成TiO氧化物，并且起MnS結晶核心的作用。它還有助于減小非雙層結構硫化物的尺寸并改善性能。然而，過量添加會導致粗大氧化物或氮化物粒子的形成，降低抗熱裂性。因此，鈦含量的上限為0.030％。
Zr≤0.030％鋯形成ZrO2氧化物，并且起MnS結晶核心的作用。它還有助于減小非雙層結構硫化物的尺寸并改善性能。然而，過量添加會導致粗大氧化物或氮化物粒子的形成，降低抗熱裂性。因此，鋯含量的上限為0.030％。
雙層結構的夾雜物粒子的數目為每3.5mm2視場中5.0個或更多。
雙層結構的夾雜物粒子的面積每3.5mm2視場中0.5×10-3mm2或更大。
為了獲得足夠的機加工性能、韌性和抗熱裂性，必須滿足上述兩個要求中的至少一個。
應該注意掌握如下機制。
機加工性就通過夾雜物改善機加工性而言，一般認為存在下述機制。
MnS基于由應力集中引起的缺口效應和潤滑效應提高機加工性，而含鈣氧化物夾雜通過抑制刀具與加工材料之間的擴散磨損來提高機加工性能。
假定根據本發明的雙層結構夾雜物兼有上述兩種組元的性能，因此，能夠獲得更高的機加工性能改善效果。
韌性，抗熱裂性當存在拉長的夾雜物粒子時，裂紋容易沿夾雜物粒子擴展。相反，本發明產生的每一個雙層結構夾雜物粒子在其中心處都含有比MnS硬的CaO-Al2O3氧化物或者MgO-CaO-Al2O3氧化物，并且呈近乎球形。可以認為，由于這些近乎球形的夾雜物粒子的存在，韌性或抗熱裂性的下降得到抑制。
在熔體的組成調整中硫、鋁和鈣的添加方法[S]/[O]8-40[Ca]×[S]1×10-5-1×10-3[Ca]/[S]0.01-20[Al]0.001-0.020％為了獲得作為雙層結構夾雜物粒子核心的CaO-Al2O3氧化物，必須向已進行適度脫氧的鋼熔體中添加鈣。
其原因如下。當氧含量太低時，產生CaS，但不易產生CaO。另一方面，當氧含量太高時，會產生過多的Al2O3，而不易產生CaO。
甚至當氧適量存在時，如果硫含量較高，則會產生CaS，而不易產生CaO.
而且，為了產生Al2O3，必須存在至少0.001％鋁。然而，鋁量過高趨于單獨形成Al2O3。
當為了形成雙層結構的夾雜物粒子添加硫、鋁和鈣時，應該考慮上述效應。前面已給定了[S]/[O]，[Ca]×[S]，[Ca]/[S]和[Al]量之間的平衡。
如上所述，本發明的熱加工工具鋼由具有上述特定組成的合金制成，結果，在鋼中能夠產生給定的夾雜物粒子，即具有包含含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜的結構的夾雜物粒子，而且，每3.5mm2視場中存在的夾雜物粒子的數目為5.0個或更多。
下面詳細介紹本發明的實施例。
實施例1(1)在真空熔煉爐中分別熔煉出化學組成如表1和2所示、重150kg的SKD61，SKD62和SKD8，之后，進行澆注。(2)將所獲每種鑄件鍛造成邊長 63mm的材料(63mm的方材)。(3)在870℃×3h條件下，對這些方材進行退火，隨后逐漸冷卻。
表1 化學組成(wt％)
表2 化學組成(wt％)
(4)接下來，通過粗加工(至于用于機加工性能測試的試樣，用于機加工性能評價的退火試樣，需進行精加工)，獲得用于夾雜物檢測的試樣、用于機加工性能測試的試樣、夏氏測試的試樣以及用于抗熱裂性測試的試樣。(5)之后，在如表4所示條件下，對每個試樣進行淬火-回火處理，以將試樣硬度調整至表中所示結果。
(6)對每個試樣進行精加工，使其具有下述形狀和尺寸。
·用于夾雜物檢測的試樣□10×10mm·用于機加工性能測試的試樣□60×200mm·用于夏氏測試的試樣JIS No.3·用于抗熱裂性測試的試樣φ15×5mm分別采用下述方法對用于夾雜物檢測的試樣、用于機加工性能測試的試樣、夏氏測試的試樣以及用于抗熱裂性測試的試樣進行夾雜物評價、機加工性能試驗、夏氏試驗和熱裂試驗。(7)夾雜物評價根據鍛造引起的鋼拉伸方向進行檢測。即將試樣拋光，然后采用EPMA檢測，確定夾雜物的組成。之后，采用光學顯微鏡拍攝同一區域的顯微照片。紀錄雙層結構的夾雜物粒子的數目，并且采用圖像分析儀測量夾雜物粒子的面積。
采用光學顯微鏡評價夾雜物的條件如下。
·檢測中的放大倍數200倍·檢測區域12.6mm2(0.42mm2×30個視場)·紀錄的夾雜物粒子最大長度為3μm或更長的粒子·測試的特性夾雜物粒子的數目；夾雜物粒子的面積；縱橫比(夾雜物粒子的長寬比)。(由于球形夾雜物粒子的形成能有效抑制韌性和抗熱裂性下降，因此，采用縱橫比作為球形夾雜形成的一個指數。由包括雙層結構夾雜物粒子在內的所有夾雜物粒子來確定縱橫比。)(8)機加工性能試驗通過采用超硬整體立銑刀(近來，其使用不斷增加)進行高速切削來評價機加工性能。具體地，在下述條件下進行線性切削，以測量立銑刀由于摩擦顯著增大(產生火花)而碎裂或變得不能切削之前，試樣被切削過的距離。
采用每種材料的切削距離與SKD61鋼，SKD62鋼和SKD8鋼中的一種標準現有鋼(例如，SKD61鋼中的1#現有鋼)的切削距離之比，評價其機加工性能，其中，每種標準鋼的切削距離看作是1。然而，對于被確定為一種現有預硬化鋼的2#鋼，僅僅對淬火-回火態的材料進行了評價。
·刀具φ10mm的超硬整體立銑刀(6刃銑刀；(Ti-Al)N涂層)·切削速度302m/min·進刀量0.1mm/每刃·軸向切削深度10mm·徑向切削深度0.5mm·冷卻劑噴霧冷卻(9)夏氏實驗沿鋼材寬度方向(T方向)制取試樣，并且根據JIS Z 2242測定夏氏沖擊值。(10)熱裂性試驗通過使用高頻加熱和水冷卻的熱裂實驗評價抗熱裂性。具體地，將包括加熱表面層部分至710℃并且用水冷卻該部分的循環重復進行1000次。之后，測量在試樣表面產生的裂紋的深度和個數。采用平均裂紋長度評價抗熱裂性。
上述結果示于表3中。
表3 結果
1)制備方法A；普通方法，B；本發明方法2)機加工性能目標值至少是標準鋼的200％，夏氏沖擊值和抗熱裂性的目標值至少是標準鋼的80％。表4 淬火/回火條件和硬度
表3中，夾雜物粒子的數目指的是每3.5mm2的視場中的粒子數目，夾雜物粒子的面積指的是每3.5mm2的視場中的粒子面積。
每個縱橫比均為平均結果。
機加工性能目標值至少是標準鋼的200％(用指數表示至少是2)，而夏氏沖擊值和抗熱裂性的目標值至少是標準鋼的80％。
含有硫、鋁和鈣，并且在表3中的制備方法一列用B表示的每種材料，均是通過在熔體組成調整中添加硫、鋁和鈣，以使熔體組成滿足根據本發明方法的要求制備而成的熱加工工具鋼。另一方面，用A表示的每種材料均是采用迄今一直使用的普通方法，即在低氧含量狀態([S]/[O]＞40)添加鈣的方法制備而成的熱加工工具鋼。
由表3所示結果可明顯看出，根據本發明的熱加工工具鋼的機加工性能顯著改善，同時又令人滿意地保持了韌性(夏氏沖擊值)和抗熱裂性(裂紋平均長度)，這些均是與模具壽命相關的性能。
上述結果歸因于下述事實，即在根據本發明鋼中產生的夾雜物粒子是近乎球形的夾雜物粒子，其具有包括作為核心的含CaO的氧化物夾雜和包圍該核心的(Ca，Mn)S的雙層結構。
在這方面，圖1A是采用顯微鏡檢測根據本發明的10#鋼的鍛造拉長方向剖面觀察到的真實夾雜物粒子的例圖。
該圖中，數字10表示夾雜物，12表示起核心作用、主要組元為CaO-Al2O3的氧化物夾雜，14表示主要組元為(Ca，Mn)S、已在核心上結晶和沉積的硫化物夾雜。
另一方面，圖1B是采用顯微鏡檢測23#對照鋼的鍛造拉長方向剖面觀察到的MnS夾雜物例圖。
如圖1A和1B所示，在本發明的熱加工工具鋼中，產生了近乎球形的夾雜物粒子10，其具有包括含鈣的硫化物夾雜14和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜12的雙層結構。
相反，23#對照鋼中存在沿鍛造拉伸方向呈拉長狀伸展的MnS夾雜物粒子16。
可以認為基于夾雜物粒子形式的這種差別，根據本發明的熱加工工具鋼具有改善的機加工性能，同時又令人滿意地保持了模具要求的性能。
順便提一句，圖1A和1B是采用光學顯微鏡拍攝的顯微照片的如實例證。
實施例2(1)在下述條件下，通過根據前述普通步驟(a)對分別具有表5所示化學組成的熱加工工具鋼進行熱鍛來制備模具。分別進行了夾雜物檢測、機加工性能評價和模具壽命評價。所獲結果示于表6和表7中。
表5 化學組成(wt.％)
(2)制備以大規模生產方式，在電熔爐中熔煉出3.6t的每種材料，并且鍛造成335×345mm的方材。將該材料在870℃下退火處理。
(3)模具粗加工將所獲材料切制成1010mm長，并且對其六個面進行銑削，以使尺寸為325×335×1000mm。之后，采用立銑刀將一個335×1000mm面粗刻制成汽車曲軸形狀，根據銑削完成之前所要求得刀片更換數目評價退火態的機加工性能。
(4)淬火/回火采用熱處理裝置，在1030℃×4小時的條件下對鋼進行淬火，然后，在580-590℃×8小時的條件下進行回火。該處理進行兩次，以將鋼硬度調整為HRC45。
(5)模具精加工采用立銑刀將鋼精加工成曲軸形狀。根據精加工要求的立銑刀數目評價淬火-回火態的機加工性能。
(6)氣體碳氮共滲處理在525℃下進行氣體碳氮共滲處理達25小時。
(7)鍛造通過熱壓鍛造制備曲軸。根據在因模具中產生熱裂或者因磨損導致鍛造不能繼續之前進行的鍛造沖擊次數，評價模具壽命。
表6 夾雜物檢測結果
表7 結果
由表7明顯看出，含有近乎球形的雙層結構夾雜物粒子的本發明鋼具有令人滿意的機加工性能，由此獲得的熱鍛模具具有令人滿意的模具壽命。
實施例3(1)在與實施例2同樣條件下，通過根據前述的直接刻制步驟(c)將具有與實施例2相同化學組成的熱加工工具鋼制備成壓鑄模具，以檢測機加工性能和模具壽命。所獲結果示于表8中。
(2)切割，淬火/回火將鋼切割成110×60×170mm的方材。采用熱處理裝置，在1030℃×1小時的條件下對鋼進行淬火，然后，在570-580℃×2小時的條件下進行回火。該處理進行兩次，以將鋼硬度調整為HRC52。
(3)模具粗加工到精加工對鋼的六個面進行銑削。之后，將一個110×170mm面刻制成袖珍電話外殼形狀。根據機加工和精加工所要求的立銑刀數目評價淬火-回火態的機加工性能(直接刻制加工性能)。
(4)鑄造袖珍電話外殼采用鎂觸變模壓方法鑄造而成。根據在因熱裂或者熔化損耗導致鑄造不能繼續之前進行的鑄造沖擊次數評價模具壽命。
表8 結果
由表8明顯看出，由現有鋼制備的壓鑄模具的模具壽命為5.3×104沖擊次數，而由根據本發明的鋼制備的壓鑄模具則具有7.2×104沖擊次數的令人滿意的模具壽命。
而且，在根據本發明的鋼中，所使用的立銑刀數目小，只有4個，而現有鋼為8個。即本發明的鋼在模具生產中具有改善的機加工性能。
實施例4(1)在下述條件下，根據前述步驟(b)，采用分別具有表9所示化學組成的熱加工工具鋼制備預硬化鋼，并且然后制備鍛造模具。對其性能進行了評價，所獲結果示于表10和表11中。
表9 化學組成(wt.％)
(2)制備以大規模生產方式，在電熔爐中熔煉出3.6t的每種材料，并且鍛造成150×350×1500mm的方材。在鋼廠，又采用熱處理爐，在1030℃×5小時的條件下對鋼進行淬火，然后，在580-600℃的條件下進行回火。該處理進行兩次，以將鋼硬度調整為HRC43。
(3)模具粗加工到精加工由如此處理的每種鋼切制出150×165×360mm的材料。在對該材料的六個面進行銑削之后，將一個165×360mm面刻制成汽車搖臂桿形狀。根據機加工和精加工所要求的立銑刀數目評價淬火-回火態(預硬化態)的機加工性能。
(4)鍛造搖臂桿采用熱壓鍛造制備。根據在因模具產生熱裂或者因磨損導致鍛造不能繼續之前進行的鍛造沖擊次數評價模具壽命。
表10 夾雜物檢測結果
表11 結果
如表11所示，現有鋼1和現有鋼2的模具壽命分別為5800鍛造沖擊次數和1500鍛造沖擊次數，而本發明鋼的模具壽命令人滿意，達7800鍛造沖擊次數。而且，在由本發明鋼獲得的鍛造模具中，所使用的立銑刀數目少，僅為4個，而現有鋼1卻為6個。即本發明的鋼具有令人滿意的機加工性能。
雖然已參照本發明的具體實施方案對本發明進行了詳細描述，但是，對于本領域的專業人員顯而易見的是，只要不偏離本發明的精神和范圍，可以對其進行各種改變和修正。
權利要求
1.一種機加工性能優異的熱加工工具鋼，其組成中含有如下元素(以wt.％計)C大于0.30至0.60％，Si0.02-2.00％，Mn0.1-3.0％，P0.001-0.050％，S大于0.005至0.050％，Cr大于3.5至6.5％，Mo+1/2W0.3-5.0％，V0.05-2.50％，Al0.0010-0.0200％，Ca0.0005-0.0100％，O0.0005-0.0100％，N0.003-0.040％，余者主要是Fe，并且含有夾雜物粒子，該粒子的結構包括含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜，每3.5mm2視場中的夾雜物粒子的數目為5.0個或更多。
2.一種機加工性能優異的熱加工工具鋼，其組成中含有如下元素(以wt.％計)C大于0.30至0.60％，Si0.02-2.00％，Mn0.1-3.0％，P0.001-0.050％，S大于0.005至0.050％，Cr大于3.5至6.5％，Mo+1/2W0.3-5.0％，V0.05-2.50％，Al0.0010-0.0200％，Ca0.0005-0.0100％，O0.0005-0.0100％，N0.003-0.040％，余者主要是Fe，并且含有夾雜物粒子，該粒子的結構包括含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜，每3.5mm2視場中夾雜物粒子所占面積為0.5×10-3mm2或更大。
3.根據權利要求1或2機加工性能優異的熱加工工具鋼，其中，氧化物夾雜中CaO含量為8-62wt.％，硫化物夾雜中鈣含量為1.0wt.％或更高。
4.根據權利要求1-3中之任何一項的機加工性能優異的熱加工工具鋼，其還含有一種或多種下述元素的鋼，所述元素分別為Ni≤2.0％，Cu≤1.0％，Co≤5.0％，B≤0.010％，Nb≤1.0％，Ta≤1.0％。
5.根據權利要求1-4中之任何一項的機加工性能優異的熱加工工具鋼，其中，硫已被硒和/或碲替代，各元素比例滿足如下關系S+0.4Se+0.25Te大于0.005至0.050％。
6.根據權利要求1-5中之任何一項的機加工性能優異的熱加工工具鋼，其還含有下述元素之一種或兩種，所述元素為Ti≤0.030％和Zr≤0.030％。
7.一種機加工性能優異的熱加工工具鋼的制備方法，包括熔煉含有如權利要求1-6中之任何一項所示組元的合金，并且調整該熔體的組成，其中，在組成調整中，向合金中添加硫、鋁和鈣，以使熔體的組成滿足如下關系[S]/[O]8-40，[Ca]×[S]1×10-5～1×10-3，[Ca]/[S]0.01-20，[Al]0.001-0.020％。
全文摘要
熱加工工具鋼，其含有(以wt.％計)C大于0.30至0.60％，Si0.02－2.00％，Mn0.1－3.0％，P0.001－0.050％，S大于0.005至0.050％，Cr大于3.5至6.5％，Mo+1/2W0.3－5.0％，V0.05－2.50％，Al0.0010－0.0200％，Ca0.0005－0.0100％，O0.0005－0.0100％，N0.003－0.040％，余者主要是Fe，并且含有雙層結構的夾雜物粒子，該粒子的結構包括含鈣硫化物夾雜和其中作為核心存在的含CaO的氧化物夾雜，每3.5mm
文檔編號C22C38/24GK1445379SQ03120429
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月14日 優先權日2002年3月15日
發明者藤井利光 申請人:大同特殊鋼株式會社