CN101397603B - 金属模具的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种金属模具的制造方法，即使是形状复杂的金属模具，应用淬火工序也可以使晶粒调整得均一。一种对金属模具原材实施淬火处理的金属模具的制造方法。所述淬火热处理包括下述步骤：(a)在从A1相变点到A3相变点的温度区域，以100℃/小时以上的加热速度对所述金属模具原材进行加热的升温步骤；(b)在A3相变点以上不超过1150℃的温度区域，保持被加热的所述金属模具原材的步骤；(c)在从A3相变点到600℃的温度区域，以5～20℃/分钟的冷却速度，冷却在所述升温度保持后的金属模具原材的步骤；(d)在从500℃到400℃的温度区域，中断0.5～5小时所述金属模具原材的冷却的步骤；(e)在所述冷却中断后的低温侧冷却处理中，在从400℃到200℃的温度区域，以1～15℃/分钟的冷却速度，进行所述金属模具原材的冷却的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及金属模具的制造方法，特别是涉及兼具底应变和高韧性而且能够使晶粒微细化的金属模具的制造方法。
背景技术
金属模具要求高硬度和高韧性。高硬度和高韧性的特性受热处理的淬火方法的很大影响。
在淬火加热中，为了使合金元素最大限度固溶，在不使晶粒粗大化的范围选择高的淬火温度。另外，为了得到高韧性，需要使晶粒微细化，同时，在淬火冷却中，抑制碳化物向晶界的析出，防止贝氏体(bainite)相变。此时，淬火冷却需要急冷，但是，另一方面，由于急冷时金属模具的应变、变形变大，因此需要适当地调节冷却速度。因此，历来有各种提案。
作为用于得到要求低应变和高韧性并立的金属模具的方法，历来提出有各种提案。历来提出的方法大部分是调整淬火温度的冷却条件，以达成低应变、高韧性并立的方法。
例如，最近在JP-A-2006-342377中提出有一种马氏低等温淬火(marquenching)法，其是对淬火温度的加热实施连续冷却，使冷却最慢部分的冷却速度从淬火温度至600℃的高温区域为20～5℃/分钟以上，400℃至200℃的低温区域为1～15℃/分钟，由此避免淬火裂纹，从而能够得到低应变且高韧性的金属模具。
马氏低等温淬火(marquenching)法，是一种为了防止因急冷造成的淬火裂纹，而将淬火冷却时的冷却在马氏体(martensite)相变的上部或较之高一些的温度下进行等温保持，在使各部分的温度均一化后再进行冷却的处理。
上述的JP-A-2006-342377所公开的方法也是一般的马氏体等温淬火(marquenching)法，是由马氏体等温淬火(marquenching)法得到的低温变的金属模具的淬火方法。
发明内容
本发明者也利用马氏体等温淬火法(marquenching)，研究低应变和主同韧性并立的金属模具的淬火方法。其结果可知，通过确实应用马氏体等温淬火法(marquenching)可以实现低应变和高韧性的并立。然而，在形状复杂的金属模具中发现，仅仅调整冷却速度，例如在金属模具的表面附近和中心部仍会存在晶粒的波动，随之而来的是韧性也存在波动。
本发明的目的在于，提供一种金属模具的制造方法，即使是形状复杂的金属模具，应用淬火工序也可以调整为均匀的晶粒。
作为既获得优异的韧性，又抑制其波动的一个方法，本发明者为了使具有复杂的形状的金属模具的金属组织均一而研究了各种热处理条件。其结果指出，在对金属模具进行淬火时，不仅是冷却条件，加热时的条件也很重要，从而达成本发明。
如此，根据本发明，提供一种对金属模具原材实施淬火热处理的以下的金属模具制造方法。
在对金属模具原材实施淬火热处理的金属模具的制造方法中，所述淬火处理包含如下步骤：
(a)在从A1相变点到A3相变点的温度区域，以100℃/小时以上的加热速度对所述金属模具原材进行加热的升温步骤；
(b)在A3相变点以上不超过1150℃的温度区域，保持被加热的所述金属模具原材的步骤；
(c)在从A3相变点到600℃的温度区域，以5～20℃/分钟的冷却速度，冷却在所述升温度保持后的金属模具原材的步骤；
(d)在从500℃到400℃的温度区域，中断0.5～5小时所述金属模具原材的冷却的步骤；
(e)在所述冷却中断后的低温侧冷却处理中，在从400℃到200℃的温度区域，以1～15℃/分钟的冷却速度，进行所述金属模具原材的冷却的步骤。
根据本发明的金属模具的制造方法，即使提高淬火温度，晶粒仍被维持在微细的状态下，因此能够得到高韧性，能够防止对金属模具施加大的负荷时的大裂纹。另外，因为还能够提高淬火温度，所以其硬度、高温硬主工也高，对热裂纹(thermal crack)等的抑制有效。另外由于热处理应变的降低，还起到降低热处理后的手工工时的效果。
附图说明
图1是表示本发明的淬火方法的一例的加热曲线图(heat pattern)。
图2是表示本发明的淬火方法的一例的加热曲线图(heat pattern)。
图3是应用本发明的淬火方法的试料的剖面显微镜照片。
图4是比较例试料的剖面显微镜照片。
符号说明
1.预热工序
1A.恒温保持工序
2.升温工序
3.淬火保持工序
4.淬火冷却工序
5.中断保持工序
6.低温侧淬火冷却工序
具体实施方式
如上述，本发明的重要的特征在于，在金属模具的制造方法中，适用使升温至淬火温度的速度最佳化的淬火条件。以下说明本发明。
在本发明的淬火条件中，淬火升温步骤(图1(2)、图2(2))是以100℃/小时以上的加热速度加热A1相变点至A3相变点的温度域的理由如下。
在本发明中，加热至淬火温度的条件特别重要。为了使晶粒微细化，抑制晶粒大小的偏差，需要在A1相变点至A3相变点的温度域控制因相变而生成的奥氏体(austenite)的发生和成长。
作为为此的条件，需要以100℃/小时以上的加热速度加热A1相变点至A3相变点的温度域。这是由于，从铁素体(ferrite)生成新的奥氏体(austenite)的晶粒时，若加热速度快，则在来自平衡温度的过热效果的作用下，导致奥氏体(austenite)的核生成密度高，从而能够得到晶粒微细化的作用。
本发明的淬火升温步骤的加热速度低于100℃/小时时，和或者若在A1相变点和A3相变点之间进行预热保持，则奥氏体(austenite)的发生的核少，一个一个的晶粒成长得很大，奥氏体(austenite)相变结束后晶粒变得粗大，容易发生晶粒直径的波动。因此在本发明中，要以100℃/小时以上的加热速度加热A1相变点至A3相变点的温度域。虽然也依存金属模具原材的形状和重量，但是也能够以150℃/小时以上的加热速度升温，这能够提高生产性。另外，更优选晶粒微细。
还有，加热速度的上限会根据加热炉的性能和金属模具原料的重量和形状而变化，因此不能一概而论，但若过度提高加热速度，则由于金属模具原材的加热不均，导致易发生应变，因此经验上，以400℃为加热速度的上限。优选的上限为300℃/小时，更优选的上限为280℃/小时，进一步优选的上了为250℃/小时。
如上述在本发明中，加热至淬火温度的条件很重要。
作为本发明的更优选的加热到淬火温度的条件进一步优选为，与上述的淬火升温步骤前进行的预热工序(图1(1)、图2(1))的升温条件一起调整。
预热工序的条件，可以是150℃/小时以下的升温速度。这是由于，若是超过150℃/小时的升温速度，则金属模具原材会产生应变，金属模具原材的表层部和内部的温度差变大，相应部位的晶粒的波动发生的可能性变高。
优选的预热工序的升温速度为50～150℃/小时的范围。更优选的升温速度为75℃±25℃/小时的范围，进一步优选的升温速度为75℃±15℃/小时的范围。
另外在本发明中，在上述的淬火升温步骤(图1(2)、图2(2))之前，也可以进行至少1次以上的金属模具原材的恒温保持(图2(1A))。
通过所述恒温保持(图2(1A))，加热金属模具原材时的温度不均被减轻，因此变形减少。另外还具有的效果是，在金属模具制作时，由于利用机械加工仿型靠模时发生的加工残留应力也预热，从而应力被去除，经其后的加热而通过相变点时，以残留应力为驱动力的晶粒的异常成长也得到抑制。
为了更确实地得到该效果，优选从A1相变点下15℃至A1相变点下200℃的温度范围进行所述恒温保持。更成选为A1相变点下20℃至A1相变点下70℃的温度范围。
还有，所述恒温保持时间，如上述，是以减轻加热金属模具原材时的温度不均为目的，因此若是时间过短，则难以获得使温度不均减轻的效果。因此，为了减轻温度不均优选有充分的时间。但是，因为根据金属模具原材的重量和形状会有所变化，所以不能一概而论，但在经验上，优选进行0.5～5小时左右的保持。若进行0.75小时以上的保持，同可以使表层温度与内部的温度差在30℃以内。因此，作为优选的保持时间为0.75小时(45分钟)以上。
还有，实际应用本发明方法时，从生产性的观点出发优选选择如下方法：例如，在预热至400～500℃左右的加热炉中装入淬火的金属模具原材，进行恒温保持至预热炉的温度，以减轻金属模具的表面与内部的温度差。在进行该低温保持时，也优选在上述的A1相变点下15℃至A1相变点下200℃的温度范围进行所述恒温保持。
其次，对于淬火温度下的保持工序(图1(3)、图2(3))进行说明。
本发明的淬火温度下的保持工序的温度，设定在A3相变点以上、上超过1150℃的温度域。
其理由是，若淬火温度保持温度低于A3相变点，则碳化物和合金元素的固溶不充分，致使硬度低，另外高温强度也低，因此容易发生热裂纹(thermal crack)。另外，若淬火加热温度为超过1150℃的温度，则钉扎(pinning)晶粒的碳化物也固溶，晶粒异常成长。
为了抑制这些问题的发生，达成晶粒的微细化，需要为A3相变点～1150℃的温度范围。优选为1010～1050℃。
其次，对于本发明的淬火冷却工序进行说是明。
在本发明中，淬火温度下的保持工序之后，作为淬火冷却工序，以5～20℃/分钟的冷却速度对A3相变点至600℃的温度域进行冷却。(图1(4)、图2(4))
若该温度域冷却速度变慢，则晶界有碳化物析出，易引起晶界破坏，韧性和耐应力腐蚀裂纹性变低。为了对其加以防止，最低需要5℃/分钟以上的冷却速度。若超过20℃/分钟，则冷却波动变大，金属模具的表层部和内部的温度不均扩大，因冷却时的热应力差导致应变和变形变大。
因此，原样维持以保持工序之前的工序进行调整的、使晶粒均一化的效果，以缓和冷却时的热应力差的应变，也能够防止变形，作为这样的冷却条件，规定为以5～20℃/分钟的冷却速度，对A3相变点至600℃的温度域进行冷却。优选为10～15℃/分钟的冷却条件。
接下来在本发明中，经中断保持工序。(图1(5)、图2(5))
中断保持工序其目的在于，通过对淬火冷却工序的阶段发生的热应力实质性地进行等温保持，使温度不均消失，以减少内外的温度差。
之所以使中断保持工序的温度为500～400℃，是因为该温度域是奥氏体(austenite)准稳定的区域。若以比500℃高的温度保持，则珠光体(pearlite)相变的情况，另一方面，如果比400℃低，则开始贝氏体(bainite)相变。因此，将本发明的中断保持工序的温度限定在500～400℃的范围。优选为425～475℃的温度域。
为了得到金属模具原材的温度均一化的效果，该中断保持工序的时间最低需要0.5小时。虽然时间越长对温度均一化越有利，但是保持5小时以上，则温度均一化的效果达到饱和状态，因此考虑到实用的生产性而使上限为5小时。若保持0.75小时以上，则可以使表层温度与内部的温度差为30℃以内，因此优选保持0.75小时(45分钟)以上。
其次，进行低温侧淬火冷却工序，其是以1～15℃/分钟的冷却速度冷却从前述中断保持工序的保持温度至400～200℃的温度域。(图1(6)、图2(6))
该低温侧淬火冷却工序的冷却速度，是抑制冷却中的金属模具原材的贝氏体(bainite)的生成，另外抑制因急冷造成的温度不均，控制韧性和淬火应变、裂纹所需要的冷却速度。
在低于的1℃/分钟的冷却速度时，贝氏体(bainite)大量生成，韧性降低。若超过15℃/分钟，则马氏体(martensite)相变中的制品的温度差变大，由于冷却中的温度不均，导致应变容易变大，淬火裂纹的危险也变大。
优选的冷却速度为10～15℃/min。
以上，若应用所说明的本发明的淬火方法，则即使是形状复杂的金属模具，仍也可调整为均一的晶粒。
这种方法是，例如，为了调整至上述的淬火冷却工序的条件，金属模具原材的最高表面温度要达到600℃以下，在通过使用鼓风机(fan)的鼓风冷却而进行了均一地冷却之后，保持在预先被保持在500～400℃的的加热炉中，一下子中断冷却而进行中断保持工序，在保持规定时间后，再次开始冷却，投入淬火油并进行急冷的方法。另外，除鼓风机(fan)和淬火油以外，在代温侧淬火冷却工序中，也可以进行使加压的惰性气体强制对流的冷却。
【实施例】
通过以下的实施例更详细地说明本发明。
首先，准备模拟金属模具的试料，从表1所示的组成的热锻模(die)用金属模具材料，分别切割下300mm(w)×300(1)×300(t)厚度的钢材，在其1面与锻造拉伸方向平行地机械加工出宽50mm、深50mm的槽。
No.A合金相当于JIS SKD61材料，No.2合金在SKD61中添加Co、Ni，还提高了Mo，是使耐热裂纹(thermal crack)特性提高了的合金。
No.A合金的A1相点变是850℃，A3相变点是895℃，No.B合金的A1相变点是830℃，A3相变点是850℃。
【表1】
| No. | C | Si | Mn | Cr | Co | Ni | Mo | V | 余量 |
| A | 0.37 | 0.92 | 0.41 | 5.12 | - | - | 1.35 | 0.94 | 铁和不可避免的杂质 |
| B | 0.38 | 0.19 | 0.58 | 5.15 | 0.57 | 0.53 | 2.17 | 0.79 | 铁和不可避免的杂质 |
使用真空炉对这些块状试料分别进行淬火处理。
为了测定冷却速度，在中心部***热电偶而进行测定。表面的温度由放射温度计确认。淬火条件显示在表2中。还有，表2中未显示的低温侧淬火升温工序(图1(1)、图2(1))条件为75℃/H。
表2中的No.6的试验片，在真空中或惰性气体气氛中加热到淬火温度，接着在惰性气体气氛中边控制气体加压量，边进行淬火冷却工序、中断保持工序后的低温侧淬火冷却工序。
其他的试验片的冷却条件为，作为淬火冷却工序，从加热炉一旦取出材料，在大气中进行空冷或鼓风冷却，在冷却途中断并装入设定于规定温度的加热炉中，经过进行加热保持的中断工序后，以淬火油进行冷却，其为低温侧淬火冷却工序。
各试验片的加热曲线图(heat pattern)，No.7试验片为图1所示的加热曲线图(heat pattern)，其以外为图2所示的加热曲线图(heat pattern)。
低温侧淬火冷却工序结束后，进行回火至45HRC，对有无淬火裂纹、应变量的测定、摆锤(Charpy)冲击值进行评价。
淬火裂纹的有无是在进行了染色探伤(color check)的槽加工部的角(comer)确认是否有裂纹。应变量的测定，是在对角线上测定与槽加工部为反对侧的面的基准面所对应的变形量。测定值之中，脱离基准面最大的量除以300，由百分率(％)表示。摆锤冲击(Charpy)试验片是从中心部平行于锻造方向进行切割，进行2mmU切口(notch)试验。
另外，通过10个视野的综合判定，确认晶粒直径是否发生波动。有无波动(有无混粒组织)的结果与上述的淬火裂纹的有无、应变量、结晶粒度、摆锤(Charpy)冲击值的结果一起显示在表3中，代表性的显微镜照片显示在图3(本发明No.7)，图4(比较例No.1)中。
【表2】
| No. | 材质 | (恒温保持工序) | (升温工序)A1～A3加热速度℃/小时 | (保持工序)淬火温度℃ | (淬火冷却工序)A3～600℃℃/分 | (中断保持工序) | (低温侧淬火冷却工序)400～200℃℃/分 | 参考 |
| 1 | A | 750℃×1小时 | 75 | 1030 | 15 | 500℃×40分 | 4 | 比较例 |
| A | 750℃×1小时 | 200 | 1030 | 8 | 500℃×40分 | 11 | 本发明 | |
| 3 | A | 700℃×1小时 | 250 | 1040 | 10 | 470℃×60分 | 14 | 本发明 |
| 4 | A | 500℃×1小时800℃×1小时 | 250 | 1040 | 15 | 450℃×60分 | 15 | 本发明 |
| A | 750℃×1小时 | 200 | 1030 | 7 | 400℃×300分 | 12 | 本发明 | |
| 6 | A | 800℃×1小时 | 175 | 1020 | 12 | 400℃×60分 | 10 | 本发明 |
| 7 | A | 无 | 225 | 1040 | 8 | 475℃×60分 | 12 | 本发明 |
| 8 | B | 750℃×1小时 | 120 | 1030 | 7 | 无 | 12 | 比较例 |
| 9 | B | 750℃×1小时 | 200 | 1030 | 14 | 无 | 5 | 比较例 |
| 10 | B | 750℃×1小时 | 200 | 1040 | 12 | 400℃×40分 | 5 | 本发明 |
| 11 | B | 700℃×1小时 | 170 | 1030 | 15 | 450℃×240分 | 13 | 本发明 |
| 12 | B | 500℃×1小时750℃×6小时 | 240 | 1040 | 18 | 450℃×60分 | 7 | 本发明 |
| 13 | B | 700℃×1小时 | 200 | 1040 | 16 | 400℃×60分 | 3 | 本发明 |
| 14 | B | 500℃×1小时750℃×4小时 | 150 | 1030 | 10 | 425℃×40分 | 9 | 本发明 |
【表3】
| No | 有无淬火裂纹 | 应变量％ | 结晶粒度编号 | 有无混粒组织 | 摆锤冲击值J/cm<sup>2</sup> | 参考 |
| 1 | 无 | 0.01 | 4 | 有 | 15 | 比较例 |
| 2 | 无 | 0.02 | 7 | 无 | 40 | 本发明 |
| 3 | 无 | 0.02 | 7 | 无 | 37 | 本发明 |
| 4 | 无 | 0.01 | 7 | 无 | 42 | 本发明 |
| 5 | 无 | 001 | 7 | 无 | 39 | 本发明 |
| 6 | 无 | 0.02 | 7 | 无 | 40 | 本发明 |
| 7 | 无 | 0.02 | 8 | 无 | 42 | 本发明 |
| 8 | 有 | 0.05 | 6 | 有 | 41 | 比较例 |
| 9 | 有 | 0.08 | 8 | 有 | 53 | 比较例 |
| 10 | 无 | 0.01 | 7 | 无 | 48 | 本发明 |
| 11 | 无 | 0.01 | 8 | 无 | 52 | 本发明 |
| 12 | 无 | 0.01 | 8 | 无 | 53 | 本发明 |
| 13 | 无 | 0.02 | 7 | 无 | 45 | 本发明 |
| 14 | 无 | 0.01 | 8 | 无 | 49 | 本发明 |
模拟应用了本发明方法的金属模具的试料，波动(混粒组织)、淬火裂纹均没有，应变量、结晶粒度、摆锤(Charpy)冲击值都为良好的结果。另外，观看图3及图4的显微镜照片，本发明No.7直至中心部仍为均一的金属组织，但比较例No.1其晶粒混乱，贝氏体(bainite)组织也发达。
比较例No.1因为从A1至A3的加热速度慢，所以奥氏体(austenite)粒充分成长，晶粒粗大，摆锤(Charpy)冲击值低并低于20J/cm2。另外，比较例No.8及No.9因为未实施淬火中断保持，所以在冷却途中没有均热过程，冷却不均变大，在槽部角(comer)的应力集中部发生裂纹。
【产业上的利用可能性】
应用了本发明淬火方法的金属模具，晶粒微细，能够获得高韧性，能够防止对金属模具施加大的负荷时的巨大裂纹。
另外，因为淬火温度也有所提高，所以硬度、高温硬度也高，在热裂纹(thermal crack)等的抑制上有效。能够适用于高韧性和高温强度不可或缺的用途。此外在实用上，由于热处理应变的降低，对热处理后的手工工时的降低也凑效。
因此，能够适用于有金属模具这样复杂的形状要求的，并且在大型的钢材中，有均一化要求的这种用途的钢材。
Claims (5)
1.一种金属模具的制造方法，其中，对金属模具原材进行淬火热处理，所述淬火热处理包括下述步骤：
(a)在从A1相变点到A3相变点的温度区域，以100℃/小时以上的加热速度对所述金属模具原材进行加热的升温步骤；
(b)在A3相变点以上且不超过1150℃的温度区域，保持被加热的所述金属模具原材的步骤；
(c)在从A3相变点到600℃的温度区域，以5～20℃/分钟的冷却速度，冷却在所述升温度保持后的金属模具原材的步骤；
(d)在从500℃到400℃的温度区域，中断0.5～5小时所述金属模具原材的冷却的步骤；
(e)在所述冷却中断后的低温侧冷却处理中，在从400℃到200℃的温度区域，以1～15℃/分钟的冷却速度，进行所述金属模具原材的冷却的步骤。
2.根据权利要求1所述的金属模具的制造方法，其中，所述升温步骤(a)中的加热速度为100℃/小时以上的加热，以150℃/小时以上的加热速度进行。
3.根据权利要求1所述的金属模具的制造方法，其中，在进行所述升温步骤(a)中的加热速度为100℃/小时以上的加热之前，作为预热工序，以150℃/小时以下的加热速度进行所述金属模具原材的加热。
4.根据权利要求2所述的金属模具的制造方法，其中，在进行所述升温步骤(a)中的加热速度为100℃/小时以上的加热之前，作为预热工序，以150℃/小时以下的加热速度进行所述金属模具原材的加热。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的金属模具的制造方法，其中，在进行所述升温步骤(a)中的加热速度为100℃/小时以上的加热之前，进行至少一次以上的所述金属模具原材的恒温保持。
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