專利名稱：：金屬模具的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬模具的制造方法，特別是涉及兼具底應(yīng)變和高韌性而且能夠使晶粒微細(xì)化的金屬模具的制造方法。
背景技術(shù)：
：金屬模具要求高硬度和高韌性。高硬度和高韌性的特性受熱處理的淬火方法的很大影響。在淬火加熱中，為了使合金元素最大限度固溶，在不使晶粒粗大化的范圍選擇高的淬火溫度。另外，為了得到高韌性，需要使晶粒微細(xì)化，同時，在淬火冷卻中，抑制碳化物向晶界的析出，防止貝氏體(bainite)相變。此時，淬火冷卻需要急冷，但是，另一方面，由于急冷時金屬模具的應(yīng)變、變形變大，因此需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)冷卻速度。因此，歷來有各種提案。作為用于得到要求低應(yīng)變和高韌性并立的金屬模具的方法，歷來提出有各種提案。歷來提出的方法大部分是調(diào)整淬火溫度的冷卻條件，以達(dá)成低應(yīng)變、高韌性并立的方法。例如，最近在JP-A-2006-342377中提出有一種馬氏低等溫淬火(marquenching)法，其是對淬火溫度的加熱實施連續(xù)冷卻，使冷卻最慢部分的冷卻速度從淬火溫度至600。C的高溫區(qū)域為205。C/分鐘以上，400'C至20(TC的低溫區(qū)域為115t:/分鐘，由此避免淬火裂紋，從而能夠得到低應(yīng)變且高韌性的金屬模具。馬氏低等溫淬火(marquenching)法，是一種為了防止因急冷造成的淬火裂紋，而將淬火冷卻時的冷卻在馬氏體(martensite)相變的上部或較之高一些的溫度下進(jìn)行等溫保持，在使各部分的溫度均一化后再進(jìn)行冷卻的處理。上述的JP-A-2006-342377所公幵的方法也是一般的馬氏體等溫淬火(marquenching)法，是由馬氏體等溫淬火(marquenching)法得到的低　溫變的金屬模具的淬火方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明者也利用馬氏體等溫淬火法(marquenching)，研究低應(yīng)變和主同韌性并立的金屬模具的淬火方法。其結(jié)果可知，通過確實應(yīng)用馬氏體等溫淬火法(marquenching)可以實現(xiàn)低應(yīng)變和高韌性的并立。然而，在形狀復(fù)雜的金屬模具中發(fā)現(xiàn)，僅僅調(diào)整冷卻速度，例如在金屬模具的表面附近和中心部仍會存在晶粒的波動，隨之而來的是韌性也存在波動。本發(fā)明的目的在于，提供一種金屬模具的制造方法，即使是形狀復(fù)雜的金屬模具，應(yīng)用淬火工序也可以調(diào)整為均勻的晶粒。作為既獲得優(yōu)異的韌性，又抑制其波動的一個方法，本發(fā)明者為了使具有復(fù)雜的形狀的金屬模具的金屬組織均一而研究了各種熱處理條件。其結(jié)果指出，在對金屬模具進(jìn)行淬火時，不僅是冷卻條件，加熱時的條件也很重要，從而達(dá)成本發(fā)明。如此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種對金屬模具原材實施淬火熱處理的以下的金屬模具制造方法。在對金屬模具原材實施淬火熱處理的金屬模具的制造方法中，所述淬火處理包含如下步驟(a)在從Al相變點(diǎn)到A3相變點(diǎn)的溫度區(qū)域，以100。C/小時以上的加熱速度對所述金屬模具原材進(jìn)行加熱的升溫步驟；(b)在A3相變點(diǎn)以上不超過1150。C的溫度區(qū)域，保持被加熱的所述金屬模具原材的步驟；(c)在從A3相變點(diǎn)到600。C的溫度區(qū)域，以520'C/分鐘的冷卻速度，冷卻在所述升溫度保持后的金屬模具原材的步驟；(d)在從500。C到400。C的溫度區(qū)域，中斷0.55小時所述金屬模具原材的冷卻的步驟；(e)在所述冷卻中斷后的低溫側(cè)冷卻處理中，在從40(TC到20(TC的溫度區(qū)域，以115t:/分鐘的冷卻速度，進(jìn)行所述金屬模具原材的冷卻的步驟。根據(jù)本發(fā)明的金屬模具的制造方法，即使提高淬火溫度，晶粒仍被維持在微細(xì)的狀態(tài)下，因此能夠得到高韌性，能夠防止對金屬模具施加大的負(fù)荷時的大裂紋。另外，因為還能夠提高淬火溫度，所以其硬度、高溫硬主工也高，對熱裂紋(thermalcrack)等的抑制有效。另外由于熱處理應(yīng)變的降低，還起到降低熱處理后的手工工時的效果。圖1是表示本發(fā)明的淬火方法的一例的加熱曲線圖(heatpattem)。圖2是表示本發(fā)明的淬火方法的一例的加熱曲線圖(heatpattern)。圖3是應(yīng)用本發(fā)明的淬火方法的試料的剖面顯微鏡照片。圖4是比較例試料的剖面顯微鏡照片。符號說明1.預(yù)熱工序1A.恒溫保持工序2.升溫工序3.淬火保持工序4.淬火冷卻工序5.中斷保持工序6.低溫側(cè)淬火冷卻工序具體實施方式如上述，本發(fā)明的重要的特征在于，在金屬模具的制造方法中，適用使升溫至淬火溫度的速度最佳化的淬火條件。以下說明本發(fā)明。在本發(fā)明的淬火條件中，淬火升溫步驟(圖1(2)、圖2(2))是以100。C/小時以上的加熱速度加熱A1相變點(diǎn)至A3相變點(diǎn)的溫度域的理由如下。在本發(fā)明中，加熱至淬火溫度的條件特別重要。為了使晶粒微細(xì)化，抑制晶粒大小的偏差，需要在Al相變點(diǎn)至A3相變點(diǎn)的溫度域控制因相變而生成的奧氏體(austenite)的發(fā)生和成長。作為為此的條件，需要以100。C/小時以上的加熱速度加熱Al相變點(diǎn)至A3相變點(diǎn)的溫度域。這是由于，從鐵素體(ferrite)生成新的奧氏體(austenite)的晶粒時，若加熱速度快，則在來自平衡溫度的過熱效果的作用下，導(dǎo)致奧氏體(austenite)的核生成密度高，從而能夠得到晶粒微細(xì)化的作用。本發(fā)明的淬火升溫步驟的加熱速度低于100'C/小時時，和或者若在Al相變點(diǎn)和A3相變點(diǎn)之間進(jìn)行預(yù)熱保持，則奧氏體(austenite)的發(fā)生的核少，一個一個的晶粒成長得很大，奧氏體(austenite)相變結(jié)束后晶粒變得粗大，容易發(fā)生晶粒直徑的波動。因此在本發(fā)明中，要以100°C/小時以上的加熱速度加熱Al相變點(diǎn)至A3相變點(diǎn)的溫度域。雖然也依存金屬模具原材的形狀和重量，但是也能夠以150'C/小時以上的加熱速度升溫，這能夠提高生產(chǎn)性。另外，更優(yōu)選晶粒微細(xì)。還有，加熱速度的上限會根據(jù)加熱爐的性能和金屬模具原料的重量和形狀而變化，因此不能一概而論，但若過度提高加熱速度，則由于金屬模具原材的加熱不均，導(dǎo)致易發(fā)生應(yīng)變，因此經(jīng)驗上，以40(TC為加熱速度的上限。優(yōu)選的上限為30(TC/小時，更優(yōu)選的上限為28(TC/小時，進(jìn)一步優(yōu)選的上了為25(TC/小時。如上述在本發(fā)明中，加熱至淬火溫度的條件很重要。作為本發(fā)明的更優(yōu)選的加熱到淬火溫度的條件進(jìn)一步優(yōu)選為，與上述的淬火升溫步驟前進(jìn)行的預(yù)熱工序(圖1(1)、圖2(l))的升溫條件一起調(diào)整。預(yù)熱工序的條件，可以是150'C/小時以下的升溫速度。這是由于，若是超過150。C/小時的升溫速度，則金屬模具原材會產(chǎn)生應(yīng)變，金屬模具原材的表層部和內(nèi)部的溫度差變大，相應(yīng)部位的晶粒的波動發(fā)生的可能性變高。優(yōu)選的預(yù)熱工序的升溫速度為5015(TC/小時的范圍。更優(yōu)選的升溫速度為75。C士25。C/小時的范圍，進(jìn)一步優(yōu)選的升溫速度為75°C±15°C/小時的范圍。另外在本發(fā)明中，在上述的淬火升溫步驟(圖1(2)、圖2(2))之前，也可以進(jìn)行至少1次以上的金屬模具原材的恒溫保持(圖2(1A))。通過所述恒溫保持(圖2(1A))，加熱金屬模具原材時的溫度不均被減輕，因此變形減少。另外還具有的效果是，在金屬模具制作時，由于利用機(jī)械加工仿型靠模時發(fā)生的加工殘留應(yīng)力也預(yù)熱，從而應(yīng)力被去除，經(jīng)其后的加熱而通過相變點(diǎn)時，以殘留應(yīng)力為驅(qū)動力的晶粒的異常成長也得到抑制。為了更確實地得到該效果，優(yōu)選從Al相變點(diǎn)下15'C至Al相變點(diǎn)下20(TC的溫度范圍進(jìn)行所述恒溫保持。更成選為Al相變點(diǎn)下2(TC至Al相變點(diǎn)下70'C的溫度范圍。還有，所述恒溫保持時間，如上述，是以減輕加熱金屬模具原材時的溫度不均為目的，因此若是時間過短，則難以獲得使溫度不均減輕的效果。因此，為了減輕溫度不均優(yōu)選有充分的時間。但是，因為根據(jù)金屬模具原材的重量和形狀會有所變化，所以不能一概而論，但在經(jīng)驗上，優(yōu)選進(jìn)行0.55小時左右的保持。若進(jìn)行0.75小時以上的保持，同可以使表層溫度與內(nèi)部的溫度差在3(TC以內(nèi)。因此，作為優(yōu)選的保持時間為0.75小時(45分鐘)以上。還有，實際應(yīng)用本發(fā)明方法時，從生產(chǎn)性的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選選擇如下方法例如，在預(yù)熱至40050(TC左右的加熱爐中裝入淬火的金屬模具原材，進(jìn)行恒溫保持至預(yù)熱爐的溫度，以減輕金屬模具的表面與內(nèi)部的溫度差。在進(jìn)行該低溫保持時，也優(yōu)選在上述的Al相變點(diǎn)下15'C至Al相變點(diǎn)下200°C的溫度范圍進(jìn)行所述恒溫保持。其次，對于淬火溫度下的保持工序(圖1(3)、圖2(3))進(jìn)行說明。本發(fā)明的淬火溫度下的保持工序的溫度，設(shè)定在A3相變點(diǎn)以上、上超過115(TC的溫度域。其理由是，若淬火溫度保持溫度低于A3相變點(diǎn)，則碳化物和合金元素的固溶不充分，致使硬度低，另外高溫強(qiáng)度也低，因此容易發(fā)生熱裂紋(thermalcrack)。另外，若淬火加熱溫度為超過1150'C的溫度，則釘扎(pinning)晶粒的碳化物也固溶，晶粒異常成長。為了抑制這些問題的發(fā)生，達(dá)成晶粒的微細(xì)化，需要為A3相變點(diǎn)1150。C的溫度范圍。優(yōu)選為10101050°C。其次，對于本發(fā)明的淬火冷卻工序進(jìn)行說是明。在本發(fā)明中，淬火溫度下的保持工序之后，作為淬火冷卻工序，以520。C/分鐘的冷卻速度對A3相變點(diǎn)至60(TC的溫度域進(jìn)行冷卻。(圖1(4)、200810161704.1說明書第6/ll頁圖2(4))若該溫度域冷卻速度變慢，則晶界有碳化物析出，易引起晶界破壞，韌性和耐應(yīng)力腐蝕裂紋性變低。為了對其加以防止，最低需要5'C/分鐘以上的冷卻速度。若超過2(TC/分鐘，則冷卻波動變大，金屬模具的表層部和內(nèi)部的溫度不均擴(kuò)大，因冷卻時的熱應(yīng)力差導(dǎo)致應(yīng)變和變形變大。因此，原樣維持以保持工序之前的工序進(jìn)行調(diào)整的、使晶粒均一化的效果，以緩和冷卻時的熱應(yīng)力差的應(yīng)變，也能夠防止變形，作為這樣的冷卻條件，規(guī)定為以52(TC/分鐘的冷卻速度，對A3相變點(diǎn)至60(TC的溫度域進(jìn)行冷卻。優(yōu)選為1015TV分鐘的冷卻條件。接下來在本發(fā)明中，經(jīng)中斷保持工序。(圖l(5)、圖2(5))中斷保持工序其目的在于，通過對淬火冷卻工序的階段發(fā)生的熱應(yīng)力實質(zhì)性地進(jìn)行等溫保持，使溫度不均消失，以減少內(nèi)外的溫度差。之所以使中斷保持工序的溫度為500400'C，是因為該溫度域是奧氏體(austenite)準(zhǔn)穩(wěn)定的區(qū)域。若以比500。C高的溫度保持，則珠光體(pearlite)相變的情況，另一方面，如果比40(TC低，則開始貝氏體(bainite)相變。因此，將本發(fā)明的中斷保持工序的溫度限定在50040(TC的范圍。優(yōu)選為425475'C的溫度域。為了得到金屬模具原材的溫度均一化的效果，該中斷保持工序的時間最低需要0.5小時。雖然時間越長對溫度均一化越有利，但是保持5小時以上，則溫度均一化的效果達(dá)到飽和狀態(tài)，因此考慮到實用的生產(chǎn)性而使上限為5小時。若保持0.75小時以上，則可以使表層溫度與內(nèi)部的溫度差為30。C以內(nèi)，因此優(yōu)選保持0.75小時(45分鐘)以上。其次，進(jìn)行低溫側(cè)淬火冷卻工序，其是以115'C/分鐘的冷卻速度冷卻從前述中斷保持工序的保持溫度至40020(TC的溫度域。(圖1(6)、圖2(6))該低溫側(cè)淬火冷卻工序的冷卻速度，是抑制冷卻中的金屬模具原材的貝氏體(bainite)的生成，另外抑制因急冷造成的溫度不均，控制韌性和淬火應(yīng)變、裂紋所需要的冷卻速度。在低于的rC/分鐘的冷卻速度時，貝氏體(bainite)大量生成，韌性降低。若超過15。C/分鐘，則馬氏體(martensite)相變中的制品的溫度差變大，由于冷卻中的溫度不均，導(dǎo)致應(yīng)變?nèi)菀鬃兇?，淬火裂紋的危險也變大。優(yōu)選的冷卻速度為1015°C/min。以上，若應(yīng)用所說明的本發(fā)明的淬火方法，則即使是形狀復(fù)雜的金屬模具，仍也可調(diào)整為均一的晶粒。這種方法是，例如，為了調(diào)整至上述的淬火冷卻工序的條件，金屬模具原材的最高表面溫度要達(dá)到60(TC以下，在通過使用鼓風(fēng)機(jī)(fan)的鼓風(fēng)冷卻而進(jìn)行了均一地冷卻之后，保持在預(yù)先被保持在50040(TC的的加熱爐中，一下子中斷冷卻而進(jìn)行中斷保持工序，在保持規(guī)定時間后，再次開始冷卻，投入淬火油并進(jìn)行急冷的方法。另外，除鼓風(fēng)機(jī)(fan)和淬火油以外，在代溫側(cè)淬火冷卻工序中，也可以進(jìn)行使加壓的惰性氣體強(qiáng)制對流的冷卻。實施例通過以下的實施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。首先，準(zhǔn)備模擬金屬模具的試料，從表1所示的組成的熱鍛模(die)用金屬模具材料，分別切割下300mm(w)X300(1)X300(t)厚度的鋼材，在其1面與鍛造拉伸方向平行地機(jī)械加工出寬50mm、深50mm的No.A合金相當(dāng)于JISSKD61材料，No.2合金在SKD61中添加Co、Ni，還提高了Mo，是使耐熱裂紋(thermalcrack)特性提高了的合金。No.A合金的Al相點(diǎn)變是850。C，A3相變點(diǎn)是895'C，No.B合金的A1相變點(diǎn)是830。C，A3相變點(diǎn)是85(TC。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>使用真空爐對這些塊狀試料分別進(jìn)行淬火處理。為了測定冷卻速度，在中心部插入熱電偶而進(jìn)行測定。表面的溫度由放射溫度計確認(rèn)。淬火條件顯示在表2中。還有，表2中未顯示的低溫側(cè)淬火升溫工序(圖l(1)、圖2(l))條件為75。C/H。表2中的No.6的試驗片，在真空中或惰性氣體氣氛中加熱到淬火溫度，接著在惰性氣體氣氛中邊控制氣體加壓量，邊進(jìn)行淬火冷卻工序、中斷保持工序后的低溫側(cè)淬火冷卻工序。其他的試驗片的冷卻條件為，作為淬火冷卻工序，從加熱爐一旦取出材料，在大氣中進(jìn)行空冷或鼓風(fēng)冷卻，在冷卻途中斷并裝入設(shè)定于規(guī)定溫度的加熱爐中，經(jīng)過進(jìn)行加熱保持的中斷工序后，以淬火油進(jìn)行冷卻，其為低溫側(cè)淬火冷卻工序。各試驗片的加熱曲線圖(heatpattern),No.7試驗片為圖1所示的加熱曲線圖(heatpattern)，其以外為圖2所示的加熱曲線圖(heatpattem)。低溫側(cè)淬火冷卻工序結(jié)束后，進(jìn)行回火至45HRC，對有無淬火裂紋、應(yīng)變量的測定、擺錘(Charpy)沖擊值進(jìn)行評價。淬火裂紋的有無是在進(jìn)行了染色探傷(colorcheck)的槽加工部的角(corner)確認(rèn)是否有裂紋。應(yīng)變量的測定，是在對角線上測定與槽加工部為反對側(cè)的面的基準(zhǔn)面所對應(yīng)的變形量。測定值之中，脫離基準(zhǔn)面最大的量除以300，由百分率(％)表示。擺錘沖擊(Charpy)試驗片是從中心部平行于鍛造方向進(jìn)行切割，進(jìn)行2mmU切口(notch)試驗。另外，通過10個視野的綜合判定，確認(rèn)晶粒直徑是否發(fā)生波動。有無波動(有無混粒組織)的結(jié)果與上述的淬火裂紋的有無、應(yīng)變量、結(jié)晶粒度、擺錘(Charpy)沖擊值的結(jié)果一起顯示在表3中，代表性的顯微鏡照片顯示在圖3(本發(fā)明No.7)，圖4(比較例No.l)中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>模擬應(yīng)用了本發(fā)明方法的金屬模具的試料，波動(混粒組織)、淬火裂紋均沒有，應(yīng)變量、結(jié)晶粒度、擺錘(Charpy)沖擊值都為良好的結(jié)果。另外，觀看圖3及圖4的顯微鏡照片，本發(fā)明No.7直至中心部仍為均一的金屬組織，但比較例No.l其晶?；靵y，貝氏體(bainite)組織也發(fā)達(dá)。比較例No.l因為從Al至A3的加熱速度慢，所以奧氏體(austenite)粒充分成長，晶粒粗大，擺錘(Charpy)沖擊值低并低于20J/cm2。另外，比較例No.8及No.9因為未實施淬火中斷保持，所以在冷卻途中沒有均熱過程，冷卻不均變大，在槽部角(corner)的應(yīng)力集中部發(fā)生裂紋。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性應(yīng)用了本發(fā)明淬火方法的金屬模具，晶粒微細(xì)，能夠獲得高韌性，能夠防止對金屬模具施加大的負(fù)荷時的巨大裂紋。另外，因為淬火溫度也有所提高，所以硬度、高溫硬度也高，在熱裂紋(thermalcrack)等的抑制上有效。能夠適用于高韌性和高溫強(qiáng)度不可或缺的用途。此外在實用上，由于熱處理應(yīng)變的降低，對熱處理后的手工工時的降低也湊效。因此，能夠適用于有金屬模具這樣復(fù)雜的形狀要求的，并且在大型的鋼材中，有均一化要求的這種用途的鋼材。權(quán)利要求1.一種金屬模具的制造方法，其中，對金屬模具原材進(jìn)行淬火熱處理，所述淬火熱處理包括下述步驟(a)在從A1相變點(diǎn)到A3相變點(diǎn)的溫度區(qū)域，以100℃/小時以上的加熱速度對所述金屬模具原材進(jìn)行加熱的升溫步驟；(b)在A3相變點(diǎn)以上且不超過1150℃的溫度區(qū)域，保持被加熱的所述金屬模具原材的步驟；(c)在從A3相變點(diǎn)到600℃的溫度區(qū)域，以5～20℃/分鐘的冷卻速度，冷卻在所述升溫度保持后的金屬模具原材的步驟；(d)在從500℃到400℃的溫度區(qū)域，中斷0.5～5小時所述金屬模具原材的冷卻的步驟；(e)在所述冷卻中斷后的低溫側(cè)冷卻處理中，在從400℃到200℃的溫度區(qū)域，以1～15℃/分鐘的冷卻速度，進(jìn)行所述金屬模具原材的冷卻的步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬模具的制造方法，其中，所述升溫步驟(a)中的加熱速度為10(TC/小時以上的加熱，以150。C/小時以上的加熱速度進(jìn)行。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬模具的制造方法，其中，在進(jìn)行所述升溫步驟(a)中的加熱速度為100。C/小時以上的加熱之前，作為預(yù)熱工序，以150'C/小時以下的加熱速度迸行所述金屬模具原材的加熱。4.根據(jù)權(quán)利要求13中任一項所述的金屬模具的制造方法，其中，在進(jìn)行所述升溫步驟(a)中的加熱速度為100。C/小時以上的加熱之前，進(jìn)行至少一次以上的所述金屬模具原材的恒溫保持。全文摘要提供一種金屬模具的制造方法，即使是形狀復(fù)雜的金屬模具，應(yīng)用淬火工序也可以使晶粒調(diào)整得均一。一種對金屬模具原材實施淬火處理的金屬模具的制造方法。所述淬火熱處理包括下述步驟(a)在從A1相變點(diǎn)到A3相變點(diǎn)的溫度區(qū)域，以100℃/小時以上的加熱速度對所述金屬模具原材進(jìn)行加熱的升溫步驟；(b)在A3相變點(diǎn)以上不超過1150℃的溫度區(qū)域，保持被加熱的所述金屬模具原材的步驟；(c)在從A3相變點(diǎn)到600℃的溫度區(qū)域，以5～20℃/分鐘的冷卻速度，冷卻在所述升溫度保持后的金屬模具原材的步驟；(d)在從500℃到400℃的溫度區(qū)域，中斷0.5～5小時所述金屬模具原材的冷卻的步驟；(e)在所述冷卻中斷后的低溫側(cè)冷卻處理中，在從400℃到200℃的溫度區(qū)域，以1～15℃/分鐘的冷卻速度，進(jìn)行所述金屬模具原材的冷卻的步驟。文檔編號C21D9/00GK101397603SQ20081016170公開日2009年4月1日申請日期2008年9月22日優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日發(fā)明者西田純一申請人:日立金屬株式會社