CN1648276A - 合金工具钢 - Google Patents
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Abstract
一种合金工具钢，其可在操作温度约为700℃时具有高温强度，同时维持和传统基体高速工具钢一样高的室温强度。该合金工具钢包含0.45wt％至0.65wt％的C、0.10wt％至1.00wt％的Si、0.20wt％至2.00wt％的Mn、不超过0.020wt％的P、不超过0.015wt％的S、不超过1.00wt％的Cu、不超过1.00wt％的Ni、3.50wt％至5.00wt％的Cr、0.00wt％至3.00wt％的Mo、0.00wt％至10.00wt％的W、1.00wt％至2.00wt％的V、0.00wt％至8.00wt％的Co、不超过0.10wt％的Al、不超过0.01wt％的O、不超过0.02wt％的N，以及余量基本上由Fe和不可避免的杂质组成，其中Weq为2.0至10.0，2Mo/Weq不大于0.60，且ΔC为－0.3至0.0。
Description
技术领域
本发明关于合金工具钢，尤有关于应用于包含热塑性加工模及温塑性加工模的各种不同工具的合金工具钢。
背景技术
传统上，对于在苛刻条件下(即在高承受压力及高温下)所使用的热/温塑性加工模而言，通常采用重点在抗软化性的W-Cr系热模具钢如JIS-SKD8，以及锻模钢如JIS-SKT4。
此外，在某些热/温加工领域，也可使用基体(matrix)高速工具钢，因其可保证在室温及高温两者下的高强度，例如日本公开特许公报平2-8347及平2-11736号中披露除了如C、Si、Mn、Cr、V及Co(见两参考文件中的第8栏第1-14行与表1)等元素之外，含有0.98wt％至1.61wt％的W以及1.98wt％至2.55wt％的Mo的热加工工具钢。在这些参考文件中描述：当W及Mo两者或其中之一的组成，就1/2W+Mo而论，为2.0wt％至3.50wt％时，可提升抗软化性与高温强度而不会减损韧性。
另外，日本公开特许公报平7-207414号中披露一种用于铝铸模的钢材，其含有除了如C、Si、Mn、Cr、V及Co(见0014段及表1)等元素外的0.42wt％至3.21wt％的W以及0.35wt％至3.70wt％的Mo。此参考数据中描述：当W及Mo两者或其中之一的组成就1/2W+Mo而论，为0.2wt％至4.0wt％时，可避免韧性降低。
再者，日本公开特许公报2003-268499号中披露一种高速工具钢以代替基体高速工具钢，其中该高速工具钢除了如C、Si、Mn、Cr、V及Co等元素外，还包含2.0wt％至9.5wt％的Mo及1.0wt％至16.0wt％的W，且2Mo+W的组成为自5wt％至20wt％。此参考文件中描述：当2Mo/(2Mo+W)的组成不大于0.9时，可提升高温抗软化性且可保证于低温硬化期间对抗热处理的硬度。
包含Mo而不含W的JIS-SKD61是最广泛使用作为热模具钢的，其具有改良韧性及对于热震的稳定性；然而，因SKD61仅具有50HRC等级的最大硬度，且其抗软化性不足，所以无法应用于苛刻条件下所使用的热/温塑性加工模。
另一方面，在JIS钢材中，W-Cr系热模具钢(如SKD8)具有高强度及高抗软化性；然而，即使W-Cr系热模具钢具有55HRC等级的最大硬度，其仍难以应用至苛刻条件下所使用的压锻模。此外，锻模钢(例如SKT4)有下列问题：(1)因其可硬化性不足，不易应用至大产品，以及(2)最大硬度在55HRC等级，因此不保证具有高强度。
相反地，基体高速工具钢可保证高强度且其优于传统热模具钢及锻模钢；然而，因传统基体高速工具钢在700℃的强度仍不足，故当其应用至最外层达700℃数量级的热/温塑性加工时，即产生无法达到足够耐受性的问题。
发明内容
本发明目的之一是克服上述问题，并提供保证在其操作温度700℃数量级下具有高温强度的合金工具钢，以及维持与传统基体高速工具钢一样高的室温强度。本发明的另一目的为通过提供在维持室温强度以支持钢模同时，可抑制最外层强度降低，从而改善热/温塑性加工模的寿命的材料。
为达到目的且根据本发明的目的，根据本发明优选实施例的合金工具钢包含0.45wt％至0.6 5 wt％的C、0.10wt％至1.00wt％的Si、0.20wt％至2.00wt％的Mn、不超过0.02wt％的P、不超过0.015wt％的S、不超过1.00wt％的Cu、不超过1.00wt％的Ni、3.5wt％至5.00wt％的Cr、0.00wt％至3.00wt％的Mo、0.00wt％至10.00wt％的W、1.00wt％至2.00wt％的V、0.00wt％至8.00wt％的Co、不超过0.10wt％的Al、不超过0.01wt％的O、不超过0.02wt％的N，以及余量基本上由Fe和不可避免的杂质组成，其中Weq为2.0wt％至10.0wt％，2Mo/Weq不大于0.60，且ΔC为-0.3至0.0，其中
Weq＝2Mo(wt％)+W(wt％)
ΔC＝C(wt％)-(0.06×Cr(wt％)+0.063×Mo(wt％)+0.033×W(wt％)+0.2×V(wt％))
因为根据本发明优选实施例的合金工具钢是制成基体高速工具钢的延伸，且Mo对W的比例(2Mo/Weq)已经过最优化，因此在维持室温下的强度(室温强度)的同时，可抑制高温下强度(高温强度)的降低；另外，因ΔC量亦已经最优化，因此可达到高硬度及高韧性。
本发明另外的目的与优势将由下面的说明而变得更显而易见，或者可通过实施本发明而了解；本发明的目的及优势可由权利要求中的合金工具钢来实现并获得。
附图说明
在此并入并构成本发明一部分的附图，说明了本发明的实施例，且其与说明书一同提供了本发明的目的、优势以及原理。在图中：
图1为显示本发明钢材与对照钢材的室温强度与700℃高温强度间的关系图。
图2为显示2Mo/Weq与高温强度对低温强度之比间的关系图。
具体实施方式
以下提供由本发明所实施的合金工具钢的一个优选实施例的详细说明。根据本发明合金工具钢的特征是包含下列元素，以及余量基本上由Fe和不可避免的杂质组成。之后的说明将集中于添加元素、其添加量的范围、以及该范围限制的理由。
(1)C：0.45wt％至0.65wt％
C是确保硬度及耐磨性所必须的元素。为在不小于60HRC的硬化及回火后能确保最大硬度，C的添加量必须保持不低于0.45wt％；另一方面，当加入的C为大量时，其与碳化物形成元素(Cr、Mo、W、及V)结合以形成碳化物，如此在硬化时会残留大量碳化物，此导致韧性降低，因此C的添加量最好不超过0.65wt％。在确保硬度时为保证抗软化性，C的添加量最好为0.50wt％至0.60wt％。
(2)Si：0.10wt％至1.00wt％
添加硅是作为脱氧元素，且硅可在碳化物及基体中溶解，由此可提高硬度，因此Si的添加量最少为0.10wt％；另一方面，当Si过度添加时，加工性及韧性便会降低，因此Si的添加量最好不要超过1.00wt％。为抑制材料的韧性降低，优选Si的添加量不超过0.5wt％。
(3)Mn：0.20wt％至2.00wt％
Mn是作为脱氧元素与确保可硬化性及硬度所必须的元素，故Mn的添加量最少为0.20wt％；另一方面，过量的Mn将导致热加工性降低，故Mn的添加量优选不超过2.00wt％。
(4)P：不超过0.020wt％
P为不可避免地存在于熔融材料中的元素，P含量增加会造成晶粒间脆化，故P的添加量优选不超过0.020wt％，更优选不超过0.010wt％，如此可基本上避免降低韧性。
(5)S：不超过0.015wt％
S不可避免地存在于熔融材料中。因其可提高切削性，故同时添加S与Mn的方法被广泛采用，然而当硫化物的形成量增加时，韧性即显著降低，故S的添加量优选不超过0.015wt％，更优选不超过0.010wt％。
(6)Cu：不超过1.00wt％
当Cu添加大量时，即显现出红脆性，且其热加工性便降低，因此，Cu的添加量优选不超过1.00wt％，更优选不超过0.50wt％。
(7)Ni：不超过1.00wt％
因为Ni有助于提高可硬化性并强化基体，故可利用Ni的添加；然而，添加过量将降低加工性，因此，Ni的添加量优选不超过1.00wt％，更优选不超过0.50wt％。
(8)Cr：3.50wt％至5.00wt％
Cr在硬化时溶解于基体中以确保可硬化性，为确保可硬化性所需的最少添加量为3.50wt％。为确保极佳可硬化性，Cr的添加量优选不低于4.00wt％；另一方面，添加过量Cr会导致Cr系碳化物残留或降低在硬化温度下的抗软化性，故Cr的添加量优选不超过5.00wt％；当需要改善抗软化性时，Cr的添加量优选不超过4.5wt％。
(9)Mo：0.00wt％至3.00wt％
Mo可形成碳化物，以强化基体并提高耐磨性以及确保可硬化性。为获得具有优异强度、耐磨性及可硬化性的合金工具钢，Mo的添加量优选不少于0.20wt％；然而，当其过量添加时，Mo在硬化时以碳化物型态残留，此将导致韧性降低。因此，Mo的添加量优选不超过3.00wt％，更优选不超过2.00wt％。
(10)W：0.00wt％至10.00wt％
W可形成碳化物，以强化基体并提高耐磨性以及确保可硬化性。为获得具有优异强度、耐磨性及可硬化性的合金工具钢，W的添加量优选不少于1.00wt％；然而，当其过量添加时，W在硬化时以碳化物型态残留，此将导致韧性降低。因此，W的添加量优选不超过10.00wt％，更优选不超过8.00wt％。
顺便说明，虽然W可单独添加，其也可与Mo同时添加，因W与Mo会产生类似效应。在这种情况下，优选决定W及Mo的添加量以使W当量(Weq)及Mo-W比(2Mo/Weq)落在后面将提及的预定范围内。
(11)V：1.00wt％至2.00wt％
V是与C结合以形成稳定MC型碳化物的元素。V可通过在硬化时以碳化物型态分散于基体中而有效防止晶粒粗化，并通过在硬化时溶解于基体中且于回火时以微细回火碳化物型态沉积而提高回火硬度。为了在硬化时以碳化物形态留存于基体中，以避免晶粒粗化，V的添加量优选不低于1.00wt％；另一方面，为抑制因V作为粗碳化物的结晶化所致的韧性降低，V的添加量优选不超过2.00wt％。
(12)Co：0.00wt％至8.00wt％
Co溶解于基体中有助于提高强度；再者，因Co可避免碳化物粗化且有助于增加抗软化性，故优选主动添加Co，虽然Co为非必须添加元素，但其可能由废料混入而占不超过1.00wt％。因Co为昂贵添加元素，过量添加将耗费高成本；此外，过量添加Co将使强化基体与避免碳化物粗化的效应失效，故Co的添加量优选不超过8.00wt％，更优选不超过5.00wt％。
(13)Al：不超过0.10wt％
因Al是作为脱氧剂，其不可避免地存在于钢材中。当过量添加Al时，Al即形成氧化物而变成夹杂物，因此钢材的韧性大幅降低，故Al的添加量优选不超过0.10wt％。
(14)O：不超过0.01wt％
O为包含于熔融钢材中的元素，且其不可避免地存在于钢材中。当包含大量O时，其将与Al、Si、Mg等反应而产生氧化物的夹杂物，故O含量优选不超过0.01wt％。
(15)N：不超过0.02wt％
N在熔化期间溶解于熔融钢材中，且不可避免地存在。当包含大量N时，将产生氮化物而使材料性质劣化，因此，N含量优选不超过0.02wt％。
之后将说明元素的平衡。
(A)Weq：2.0至10.0
Mo及W两者均为形成M6C型碳化物的元素，因W的原子量约为Mo的2倍，故M6C型碳化物的形成量是根据原子量之比而由下列(1)式的Weq(W当量)表示：
Weq＝2Mo(wt％)+W(wt％) (1)
当此值小时，代表在硬化时碳化物的溶解量不足，无法充份达到二次硬化，故Weq优选不小于2.00，更优选不小于4.00；另一方面，W和/或Mo的过量添加将增加碳化物的形成量，因此难以确保其韧性，故Weq优选不大于10.00，此时碳化物有明显残留，优选不大于8.00。
(B)2Mo/Weq：不大于0.60
2Mo/Weq代表Mo-W比，若此值小即意谓W为主要添加元素。为尽量维持高抗软化性，主要由W组成的碳化物比主要由Mo组成的碳化物更为有效，因此，为提高温强度对室温强度之比(之后将其简称为“强度比”)，2Mo/Weq优选不大于0.60，为获取稳定的强度比，2Mo/Weq优选不大于0.50；另一方面，2Mo/Weq的下限为0，此代表仅有W添加于钢材中。但为获得高韧性以及稳定强度比，2Mo/Weq优选不小于0.1。
(C)ΔC：-0.3至0.0
ΔC为当所有代表性碳化物形成元素已变成碳化物时，基体中的C残留量，由下列(2)式表示：
ΔC＝C(wt％)-(0.06×Cr(wt％)+0.063×Mo(wt％)+0.033×W(wt％)+0.2×V(wt％)) (2)
通常在高速工具钢中，ΔC量是作为C溶解量的指标。当此值大时即意谓C的溶解量大，且钢是制成具有高硬度但低韧性的类型；另一方面，当此值小时，钢是制成具有低硬度但高韧性的类型。因为根据本发明的合金工具钢包含主要由Cr、Mo、W、V组成的碳化物形成元素，其中Cr的添加量稍大，而ΔC量是作为硬度与韧性的指标以及用于计算适当C量的指标。
换言之，若ΔC量过小，则不易确保硬度，故ΔC量优选不小于-0.3；另一方面，若ΔC量过大，则韧性会大幅降低，故ΔC量优选不大于0.0。
按上面定义的每个添加元素的添加量而在一预定温度下硬化以及在不低于500℃下回火，可获得具有不小于53HRC的室温硬度、不低于1800Mpa的室温强度、及不低于450Mpa的700℃高温强度的合金工具钢；再者，当组成经最优化后，可获得不低于1900Mpa的室温强度、及不低于600Mpa的700℃高温强度的合金工具钢。
接着，除了上述每个元素外，根据本发明的合金工具钢还可包含一种或多种下列元素。
(16)Nb：不超过0.50wt％
与V相同，Nb为可与C结合以形成稳定MC碳化物的元素，主要由Nb所组成的碳化物相对于主要由V组成的碳化物具有较高稳定性，且Nb在硬化时几乎不溶于基体中，故其可依需要添加，因其有助于避免硬化时的晶粒粗化。然而，过量添加Nb将产生粗碳化物而降低韧性，如此，Nb的添加量优选不超过0.50wt％。
(17)Ti：不超过0.10wt％
Ti是与C及N结合且有助于提升高温强度及细化晶粒的元素，其可依需要添加；然而，添加过量Ti会使大量氧化物及氮化物残留于钢材中，残留的氧化物及氮化物会降低加工性。因此，Ti的添加量优选不超过0.10wt％。
(18)B：不超过0.01wt％
B可强化晶粒边界并有助于提升冲击值及确保热韧性，且其可依需要添加。然而，当B添加过量时，B的浓度区域形成于颗粒边界附近，且在不超过1200℃时会出现熔融相，如此将降低热加工性，故B的添加量优选不超过0.01wt％。
在上述组成中，具有此组成的根据本发明的合金工具钢，如果C、Si、Cr、Mo、W及Co的含量、Weq及2Mo/Weq在以下提供的范围内时是优选的：
C：0.50wt％至0.60wt％；
Si：0.10wt％至0.50wt％；
Cr：4.00wt％至4.50wt％；
Mo：0.20wt％至2.00wt％；
W：1.00wt％至8.00wt％；
Co：不超过5.00wt％；
Weq：4.0至8.0；以及
2Mo/Weq：0.10至0.50
以在上述范围内的个别添加元素的添加量，于预定条件下硬化并回火，可获得具有在高温(700℃)下强度对在室温(25℃)下强度的比值(即强度比)不低于0.25的合金工具钢。
再者，除了上述每个元素外，根据本发明的合金工具钢还可包含一种或多种下列元素。
(19)Ta和/或Zr：不超过0.10wt％
Ta及Zr两者为极强氮化物形成与碳化物形成元素，此类型碳氮化物的作用为令晶粒细化。然而，当过度添加Ta和/或Zr时，大量碳氮化物形成，韧性会因此降低，故Ta和/或Zr之添加量优选其总量(Ta+Zr)不超过0.10wt％。
(20)Ca，Te和/或Se：不超过0.10wt％
Ca、Te及Se是与S和Mn一起使用，以作为MnS的形成控制。其不可避免地会与外界混合并形成稳定氧化物及硫化物，因此会使延展性变差。因此，Ca、Te和/或Se之添加量优选其总量(Ca+Te+Se)不超过0.10wt％。
(21)Pb和/或Bi：不超过0.10wt％
Pb与Bi两者均为以夹杂物形式存在于钢材中的低熔点金属。当其在低温熔融时，将降低钢的热加工性；因此，Pb和/或Bi的添加量优选其总量(Pb+Bi)不超过0.10wt％。
(22)Mg：不超过0.01wt％
Mg是强氧化物形成元素，其在钢材中会与氧反应形成氧化物，因此，Mg会以氧化物夹杂物形式残留而降低品质，故Mg的添加量优选不超过0.01wt％。
(23)REM：不超过0.010wt％
REM主要包含La、Ce及Pr。因REM具备强氮化物形成能力，若将其加入钢材中，固氮反应在固化初期即会进行，延迟了包含Nb、V等的氮化物的形成；此外，在固化结构中的MC碳化物因而被细化，结构即变得均匀。然而，过量添加REM将导致大量氧化物形成，此令夹杂物产生，故REM的添加量优选不超过0.010wt％。
再者，就以根据本发明的合金工具钢而言，在Ta和/或Zr、Ca，Te和/或Se、Pb和/或Bi、Mg、和/或REM的添加量在上述范围内时，在包含于钢材的元素之中，P、S、Cu及Ni的添加量在下列范围较佳：
P：不超过0.010wt％；
S：不超过0.010wt％；
Cu：不超过0.50wt％；以及
Ni：不超过0.50wt％
按照在上述范围内的每个添加元素的添加量，在预定条件下硬化并回火，可获得具有在高温(700℃)下强度对在室温(25℃)下强度的比值(即强度比)不低于0.30的合金工具钢。
如上所述，在根据本发明的合金工具钢中，将上述每个元素的组成经过最优化，以达不小于0.25或不小于0.30的强度比。
再者，通过将组成最优化，即可获得具有700℃高温强度不小于600MPa或不小于700MPa的合金工具钢。
另外，通过将组成最优化，即可获得具有室温硬度不低于55HRC、室温强度不小于1900MPa、且强度比不小于0.27的合金工具钢。
又另外，通过更将组成最优化，即可获得具有室温硬度不低于55HRC、室温强度不小于2000MPa、且强度比不小于0.29的合金工具钢。
又另外，通过更将组成最优化，即可获得具有室温硬度不低于55HRC、室温强度不小于2100MPa、且强度比不小于0.30的合金工具钢。
又另外，通过更将组成最优化，即可获得具有室温硬度不低于55HRC、室温强度不小于2200MPa、且强度比不小于0.31的合金工具钢。
虽然根据本发明的合金工具钢可于硬化及回火后即刻使用，但可对硬化及回火的合金工具钢提供表面处理；表面处理的方法并无特殊限制，且可采用各种不同的方法，尤其碳化处理、氮化处理、碳化与氮化处理、CVD处理、PVD处理、TD处理等为表面处理方法的适合例子。
根据与应用至一般合金工具钢相似的工艺，根据本发明的合金工具钢在使用前受过热处理，尤其具有一预定组成的材料经过熔化及铸造，接着在一预定锻造比下锻造。至于锻造比、硬化温度、回火温度等，可根据合金工具钢的组成、应用目的、所需性质等来选择最优条件。
其次将说明根据本发明的合金工具钢的效果。在每个添加元素的组成是最优化时，Weq、2Mo/Weq、及ΔC也是最优化的，合金工具钢可在维持高室温强度时仍抑制高温强度的降低。
Weq指示了在回火期间沉淀的碳化物的二次沉淀量；ΔC表示C的溶解量指标，因此，当Weq和/或ΔC增加时，二次沉淀量也有增加的趋势。另一方面，W-Mo比(2Mo/Weq)的值影响将于回火期间沉淀的碳化物种类以及沉淀的条件，且其显示：当2Mo/Weq变大时，主要由Mo组成的碳化物会产生沉淀。
另外，因为高温强度的降低是由于回火期间所沉淀的碳化物的内聚力及粗化所致，若排除内聚力及粗化，即可维持高温强度；此外，碳化物的内聚力及粗化是由于Mo、W等的扩散所致，W的扩散速率较Mo的慢，当扩散速率较快的Mo被W取代后，即排除了碳化物的内聚力及粗化，也就可维持高温强度。
特别地，通过将每个元素的添加量、Weq及ΔC值最优化并添加W，即可提高强度比，因此2Mo/Weq值为0.6或更小；此外，当2Mo/Weq不大于0.5时，即可获得具更进一步稳定性的强度比。
〔实施例〕
表1显示在根据本发明的合金工具钢(本发明钢材1，2-1至2-3，以及3至16)中的元素；另外，表2显示在传统基体高速工具钢(1至6)及传统热模具钢(1，2，SKD61，SKD7，SKD4，SKD5，SKD8，DH42，2-4，及2-5)中的比较实施例。
表1
| 本发明钢材 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Cr | Mo | W | V | Co | No | Al | Ti | B |
| 1 | 0.48 | 0.15 | 0.37 | 0.009 | 0.011 | 0.43 | 0.84 | 4.53 | 2.33 | 3.45 | 1.19 | 4.25 | 0.02 | 0.008 | ||
| 2-1 | 0.54 | 0.31 | 0.48 | 0.004 | 0.008 | 0.24 | 0.14 | 4.31 | 0.51 | 4.02 | 1.48 | 2.03 | 0.040 | |||
| 2-2 | 0.53 | 0.29 | 0.52 | 0.006 | 0.005 | 0.34 | 0.25 | 4.27 | 1.02 | 2.89 | 1.53 | 1.98 | 0.003 | |||
| 2-3 | 0.55 | 0.33 | 0.53 | 0.002 | 0.007 | 0.15 | 0.37 | 4.23 | 1.48 | 2.11 | 1.46 | 1.94 | 0.014 | |||
| 3 | 0.48 | 0.49 | 0.47 | 0.004 | 0.014 | 0.42 | 0.19 | 4.33 | 0.48 | 4.11 | 1.63 | 4.02 | 0.036 | |||
| 4 | 0.52 | 0.44 | 0.49 | 0.003 | 0.012 | 0.13 | 0.04 | 4.33 | 0.48 | 4.25 | 1.85 | 4.02 | 0.12 | 0.063 | 0.01 | |
| 5 | 0.58 | 0.88 | 0.31 | 0.014 | 0.009 | 0.56 | 0.43 | 3.59 | 0.89 | 5.34 | 1.22 | 1.02 | 0.021 | |||
| 6 | 0.63 | 0.76 | 0.67 | 0.009 | 0.004 | 0.37 | 0.56 | 4.89 | 1.34 | 3.89 | 1.89 | 3.45 | 0.11 | 0.011 | ||
| 7 | 0.52 | 0.48 | 0.99 | 0.004 | 0.007 | 0.21 | 0.66 | 4.66 | 1.89 | 3.33 | 1.01 | 6.22 | 0.05 | 0.003 | ||
| 8 | 0.64 | 0.49 | 0.45 | 0.018 | 0.014 | 0.86 | 0.45 | 4.13 | 2.75 | 4.11 | 1.89 | 2.57 | 0.007 | 0.003 | ||
| 9 | 0.57 | 0.14 | 0.64 | 0.019 | 0.002 | 0.13 | 0.31 | 3.89 | 1.89 | 4.48 | 1.78 | 3.12 | 0.013 | |||
| 10 | 0.49 | 0.95 | 0.29 | 0.004 | 0.007 | 0.22 | 0.84 | 3.63 | 0.54 | 3.45 | 1.22 | 0.56 | 0.024 | 0.04 | ||
| 11 | 0.63 | 0.27 | 0.59 | 0.017 | 0.009 | 0.11 | 0.14 | 4.93 | 2.65 | 3.64 | 1.03 | 1.36 | 0.21 | 0.037 | ||
| 12 | 0.59 | 0.64 | 0.87 | 0.019 | 0.005 | 0.35 | 0.25 | 4.22 | 2.33 | 4.35 | 1.68 | 2.11 | 0.041 | |||
| 13 | 0.63 | 0.41 | 0.34 | 0.007 | 0.004 | 0.43 | 0.04 | 4.89 | 1.56 | 6.21 | 1.63 | 0.89 | 0.004 | 0.002 | ||
| 14 | 0.58 | 0.12 | 0.49 | 0.012 | 0.008 | 0.24 | 0.43 | 4.21 | 1.33 | 5.33 | 1.24 | 4.21 | 0.030 | |||
| 15 | 0.54 | 0.19 | 0.62 | 0.015 | 0.003 | 0.64 | 0.56 | 3.68 | 0.31 | 3.34 | 1.38 | 1.78 | 0.004 | 0.008 | ||
| 16 | 0.63 | 0.34 | 0.33 | 0.002 | 0.013 | 0.14 | 0.06 | 4.15 | 2.33 | 3.89 | 1.21 | 3.45 | 0.042 |
| 本发明钢材 | O | N | Ta、Zr | Se、Te、Ca、Pb、Bi | Mg、REM |
| 1 | 0.0021 | 0.019 | |||
| 2-1 | 0.0031 | 0.013 | |||
| 2-2 | 0.0014 | 0.012 | |||
| 2-3 | 0.0012 | 0.015 | |||
| 3 | 0.0047 | 0.019 | |||
| 4 | 0.0067 | 0.002 | Ca：0.001 | ||
| 5 | 0.0010 | 0.007 | Ta：0.04 | Mg：0.01 | |
| 6 | 0.0030 | 0.006 | Zr：0.01 | ||
| 7 | 0.0024 | 0.013 | Ca：0.002.Se：0.01 | ||
| 8 | 0.0031 | 0.019 | |||
| 9 | 0.0049 | 0.008 | |||
| 10 | 0.0086 | 0.014 | Zr：0.02 | ||
| 11 | 0.0012 | 0.012 | |||
| 12 | 0.0035 | 0.004 | Te：0.03 | ||
| 13 | 0.0045 | 0.009 | Pb：0.01.Bi：0.05 | REM：0.001 | |
| 14 | 0.0014 | 0.018 | Ta：0.04 | ||
| 15 | 0.0063 | 0.017 | |||
| 16 | 0.0045 | 0.008 | Ta：0.02，Zr：0.02 |
表2
| 对照钢材 | 钢材 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Cr | Mo | W | V | Co | Nb | Al |
| 基体高速钢 | 1 | 0.52 | 0.11 | 0.40 | 0.002 | 0.001 | 0.02 | 0.02 | 4.22 | 2.00 | 1.55 | 1.19 | 0.99 | 0.09 | |
| 2 | 0.65 | 1.46 | 0.40 | 0.002 | 0.001 | 0.02 | 0.02 | 4.23 | 2.80 | ＜.01 | 1.80 | ＜.01 | ＜.01 | ||
| 3 | 0.80 | 0.85 | 0.30 | 0.002 | 0.001 | 0.02 | 0.01 | 4.99 | 5.45 | 1.19 | 1.19 | ＜.01 | ＜.01 | ||
| 4 | 0.55 | 0.07 | 0.30 | 0.001 | 0.001 | 0.02 | 0.01 | 4.52 | 3.74 | 1.49 | 0.99 | ＜.01 | ＜.01 | ||
| 5 | 0.81 | 0.80 | 0.30 | 0.004 | 0.002 | 0.02 | 0.01 | 5.47 | 4.50 | 1.01 | 1.20 | ＜.01 | 0.01 | ||
| 6 | 0.56 | 0.07 | 0.30 | 0.006 | 0.001 | 0.02 | 0.01 | 5.57 | 3.75 | 1.51 | 1.00 | ＜.01 | ＜.01 | ||
| 热模具钢 | 1 | 0.35 | 0.25 | 0.60 | ＜.001 | 0.001 | 0.02 | 0.01 | 5.53 | 3.12 | ＜.01 | 0.79 | ＜.01 | ＜.01 | 0.008 |
| 2 | 0.48 | 0.25 | 0.60 | 0.001 | 0.001 | 0.02 | 0.01 | 5.51 | 2.99 | 0.01 | 0.80 | ＜.01 | ＜.01 | ||
| SKD61 | 0.39 | 0.35 | 0.40 | 0.001 | 5.17 | 1.20 | 0.04 | 0.85 | 0.13 | ||||||
| SKD7 | 0.36 | 0.77 | 0.32 | 0.008 | 2.97 | 3.00 | 0.55 | 0.22 | |||||||
| SKD4 | 0.30 | 0.30 | 0.50 | 2.50 | 5.50 | 0.40 | |||||||||
| SK05 | 0.30 | 0.30 | 0.50 | 2.50 | 8.00 | 0.40 | |||||||||
| SKD8 | 0.30 | 0.40 | 0.50 | 4.20 | 0.40 | 4.00 | 2.00 | 4.00 | |||||||
| DH42 | 0.41 | 0.30 | 0.30 | 3.50 | 1.50 | 2.10 | 1.00 | 2.00 | |||||||
| 2-4 | 0.56 | 0.27 | 0.54 | 0.008 | 0.004 | 0.22 | 0.14 | 4.32 | 2.01 | 1.02 | 1.49 | 2.12 | 0.033 | ||
| 2-5 | 0.53 | 0.27 | 0.47 | 0.004 | 0.008 | 0.11 | 0.32 | 4.26 | 2.49 | 0.05 | 1.55 | 2.09 | 0.014 |
| 对照钢材 | 钢材 | Ti | B | O | N | Ta，Zr | Se、Te、Ca、Pb、Bi | Mg、REM |
| 基体高速钢 | 1 | ＜.01 | 0.0021 | 0.0051 | - | - | - | |
| 2 | ＜.01 | 0.0016 | 0.0076 | - | - | - | ||
| 3 | ＜.01 | 0.0020 | 0.0051 | - | - | - | ||
| 4 | ＜.01 | 0.0016 | 0.0041 | - | - | - | ||
| 5 | ＜.01 | 0.0020 | 0.0045 | - | - | - | ||
| 6 | ＜.01 | 0.0012 | 0.0037 | - | - | - | ||
| 热模具钢 | 1 | ＜.01 | ＜.002 | 0.0020 | 0.0047 | - | - | - |
| 2 | ＜.01 | 0.0009 | 0.0032 | - | - | - | ||
| SKD61 | 0.0030 | - | - | - | ||||
| SKD7 | 0.0028 | - | - | - | ||||
| SKD4 | ||||||||
| SKD5 | ||||||||
| SKD8 | ||||||||
| DH42 | ||||||||
| 2-4 | 0.0024 | 0.009 | ||||||
| 2-5 | 0.0025 | 0.014 |
表1所示的每一本发明钢材及表2所示的基体高速工具钢与热模具钢(之后称为“对照钢材”)是在一150kg真空感应电炉熔化及铸造的，接着再经过均热处理(1230℃×10hr或更久)；其次，所得的铸锭在锻造比为8S下锻造；再者，在各钢材的最优温度下施行硬化及回火。
此外，如下所述执行硬化。所得材料维持在适中温度(800℃至850℃)10分钟，维持在一硬化温度持续一预定时间，再用油冷却；当硬化温度低于1100℃时，在硬化温度的维持时间为30分钟，但当硬化温度不低于1100℃时则维持5分钟；通过重复维持一预定温度1小时并以空气冷却的程序两次来进行回火。
在每一种所得的本发明钢材及对照钢材上进行表征测试，该表征测试是针对硬度及室温(25℃)下的抗拉强度、硬化及回火后在高温(700℃)下的抗拉强度。此外，计算在室温下的抗拉强度与高温下的抗拉强度的强度比，表3显示本发明钢材的结果，表4显示对照钢材的结果。
表3
| 本发明钢材 | ΔC | Weq. | 2Mo/Weq. | 硬化温度(℃) | 回火温度(℃) | 硬度HRC | 室温强度(MPa) | 高温强度(MPa) | 强度比 |
| 1 | -0.29 | 8.11 | 0.57 | 1100 | 560 | 59 | 2373 | 691 | 0.291 |
| 2-1 | -0.18 | 5.04 | 0.20 | 1130 | 600 | 58 | 2297 | 725 | 0.316 |
| 2-2 | -0.19 | 4.93 | 0.41 | 1150 | 600 | 58.5 | 2335 | 711 | 0.305 |
| 2-3 | -0.16 | 5.07 | 0.58 | 1150 | 600 | 58 | 2297 | 673 | 0.293 |
| 3 | -0.27 | 5.07 | 0.19 | 1150 | 560 | 53 | 1944 | 646 | 0.332 |
| 4 | -0.29 | 5.21 | 0.18 | 1150 | 560 | 56 | 2150 | 711 | 0.331 |
| 5 | -0.11 | 7.12 | 0.25 | 1150 | 600 | 57 | 2222 | 689 | 0.310 |
| 6 | -0.27 | 6.57 | 0.41 | 1100 | 540 | 59 | 2373 | 722 | 0.304 |
| 7 | -0.20 | 7.11 | 0.53 | 1150 | 540 | 60 | 2452 | 742 | 0.303 |
| 8 | -0.29 | 9.61 | 0.57 | 1130 | 600 | 58 | 2297 | 654 | 0.285 |
| 9 | -0.29 | 8.26 | 0.46 | 1130 | 600 | 57 | 2222 | 664 | 0.299 |
| 10 | -0.12 | 4.53 | 0.24 | 1100 | 580 | 58 | 2297 | 710 | 0.309 |
| 11 | -0.18 | 8.94 | 0.59 | 1100 | 580 | 56 | 2150 | 634 | 0.295 |
| 12 | -0.29 | 9.01 | 0.52 | 1130 | 600 | 55.5 | 2114 | 611 | 0.289 |
| 13 | -0.29 | 9.33 | 0.33 | 1150 | 600 | 55 | 2079 | 627 | 0.301 |
| 14 | -0.18 | 7.99 | 0.33 | 1130 | 600 | 56.8 | 2208 | 698 | 0.316 |
| 15 | -0.09 | 3.96 | 0.16 | 1100 | 620 | 55 | 2079 | 673 | 0.324 |
| 16 | -0.14 | 8.55 | 0.55 | 1130 | 600 | 58 | 2297 | 669 | 0.291 |
表4
| 对照钢材 | 钢材 | ΔC | Weq. | 2Mo/Weq. | 硬化温度(℃) | 回火温度(℃) | 硬度HRC | 室温强度(MPa) | 高温强度(MPa) | 强度比 |
| 基体高速钢 | 1 | -0.16 | 5.55 | 0.72 | 1150 | 580 | 58.3 | 2320 | 610 | 0.263 |
| 2 | -0.14 | 5.60 | 1.00 | 1150 | 560 | 62.5 | 2656 | 612 | 0.231 | |
| 3 | -0.12 | 12.09 | 0.90 | 1140 | 580 | 65.5 | 2918 | 702 | 0.240 | |
| 4 | -0.20 | 8.97 | 0.83 | 1150 | 580 | 62 | 2614 | 646 | 0.247 | |
| 5 | -0.08 | 10.01 | 0.90 | 1140 | 560 | 67 | 3055 | 735 | 0.241 | |
| 6 | -0.26 | 9.01 | 0.83 | 1130 | 560 | 63 | 2698 | 667 | 0.247 | |
| 热模具钢 | 1 | -0.34 | 6.24 | 1.00 | 1040 | 640 | 48 | 1641 | 378 | 0.231 |
| 2 | -0.20 | 5.99 | 1.00 | 1030 | 620 | 50 | 1756 | 405 | 0.231 | |
| SKD61 | -0.17 | 2.44 | 0.98 | 1030 | 620 | 48 | 1641 | 382 | 0.233 | |
| SKD7 | -0.12 | 6.00 | 1.00 | 1030 | 620 | 48.6 | 1674 | 388 | 0.232 | |
| SKD4 | -0.11 | 5.50 | 0.00 | 1080 | 600 | 51 | 1817 | 601 | 0.331 | |
| SKD5 | -0.19 | 8.00 | 0.00 | 1100 | 580 | 47 | 1586 | 524 | 0.531 | |
| SKD8 | -0.51 | 4.80 | 0.17 | 1130 | 540 | 52 | 1880 | 630 | 0.335 | |
| DH42 | -0.16 | 5.10 | 0.59 | 1050 | 600 | 47 | 1586 | 451 | 0.284 | |
| 2-4 | -0.16 | 5.04 | 0.80 | 1150 | 600 | 57 | 2222 | 579 | 0.260 | |
| 2-5 | -0.19 | 5.03 | 0.99 | 1130 | 600 | 56.5 | 2186 | 554 | 0.253 |
在对照钢材的热膜钢之中，SKD4、SKD5、SKD8中的每一种均显示超过3.0的强度比；然而，其室温硬度并未超过52HRC且室温强度小于1900MPa。
另一方面，在对照钢材的热膜钢之中，钢2-4及2-5显示超过55HRC的室温硬度及超过2000MPa的室温强度；再者，基体高速工具钢具有高室温硬度与高室温强度，且其值超过钢2-4及2-5。然而，这些对照钢材中每一种均显示0.231至0.263的强度比，且其高温强度大幅降低。
反之，在每一本发明钢材中，室温硬度不低于53HRC；此外，室温强度不小于1900MPa；再者，强度比不小于2.80，这些方面均稳定地获得高值。表3显示出根据本发明的合金工具钢在室温及高温下均具有高强度，故其适合作为高温使用的钢模所用的材料。
图1显示关于表1与表2所示的每一种钢材的室温强度与700℃高温强度间的关系。图1指出根据本发明的合金工具钢具有较对照钢材更大的室温强度(即不低于1900MPa)及强度比(即不小于0.27)。
图2显示关于本发明钢材(钢2-1至2-3)及对照钢材(钢2-4及2-5)的2Mo/Weq与强度比之间的关系。图2指出：当2Mo/Weq变小时，强度比即变大，认为这是由于碳化物的内聚力及粗化因W的比例增加而受抑制所致。
根据本发明的合金工具钢可作为各种不同工具包含热/温塑性加工模所用的材料。
已出于举例和说明的目的介绍了本发明优选实施例的上述说明。但并非意图将本发明限制于此处所披露的具体形式，本发明可依照上述教导或由本发明的实施中作修正或变化。此处所选择及说明的实施例为说明本发明的原理，且其实施应用为本领域技术人员可在各种不同实施例中使用本发明，并可进行根据其所考虑的具体用途的各种不同修正；本发明的范围由此处所附的权利要求及其等同物所限定。
Claims (16)
1.一种合金工具钢，包含：
0.45wt％至0.65wt％的C；
0.10wt％至1.00wt％的Si；
0.20wt％至2.00wt％的Mn；
不超过0.020wt％的P；
不超过0.015wt％的S；
不超过1.00wt％的Cu；
不超过1.00wt％的Ni；
3.50wt％至5.00wt％的Cr；
0.00wt％至3.00wt％的Mo；
0.00wt％至10.00wt％的W；
1.00wt％至2.00wt％的V；
0.00wt％至8.00wt％的Co；
不超过0.10wt％的Al；
不超过0.01wt％的O；
不超过0.02wt％的N；以及
余量基本上由Fe和不可避免的杂质组成，其中
Weq为2.0至10.0，
2Mo/Weq不大于0.60，且
ΔC为-0.3至0.0，其中
Weq＝2Mo(wt％)+W(wt％)，且
ΔC＝C(wt％)-(0.06×Cr(wt％)+0.063×Mo(wt％)+0.033×W(wt％)+0.2×V(wt％))。
2.根据权利要求1的合金工具钢，还包含选自下列元素中的至少一种元素：
不超过0.50wt％的Nb；
不超过0.10wt％的Ti；以及
不超过0.01wt％的B。
3.根据权利要求2的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
0.50wt％至0.60wt％的C；
0.10wt％至0.50wt％的Si；
4.00wt％至4.50wt％的Cr；
0.20wt％至2.00wt％的Mo；
1.00wt％至8.00wt％的W；以及
0.00wt％至5.00wt％的Co；
Weq为4.0至8.0，
2Mo/Weq为0.10至0.50，且
高温强度对室温强度之比不小于0.25。
4.根据权利要求3的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
不超过0.010wt％的P；
不超过0.010wt％的S；
不超过0.50wt％的Cu；以及
不超过0.50wt％的Ni；
该合金工具钢还包含选自下列元素中的至少一种元素：
不超过0.10wt％的(Ta+Zr)；
不超过0.10wt％的(Ca+Te+Se)；
不超过0.10wt％的(Pb+Bi)；
不超过0.01wt％的Mg；以及
不超过0.010wt％的REM，且
高温强度对室温强度的比不小于0.30。
5.根据权利要求4的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
6.根据权利要求3的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
7.根据权利要求2的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
不超过0.010wt％的P；
不超过0.010wt％的S；
不超过0.50wt％的Cu；以及
不超过0.50wt％的Ni；
该合金工具钢还包含选自下列元素中的至少一种元素：
不超过0.10wt％的(Ta+Zr)；
不超过0.10wt％的(Ca+Te+Se)；
不超过0.10wt％的(Pb+Bi)；
不超过0.01wt％的Mg；以及
不超过0.010wt％的REM，且
高温强度对室温强度之比不小于0.30。
8.根据权利要求7的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
9.根据权利要求2的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
10.根据权利要求1的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
0.50wt％至0.60wt％的C；
0.10wt％至0.50wt％的Si；
4.00wt％至4.50wt％的Cr；
0.20wt％至2.00wt％的Mo；
1.00wt％至8.00wt％的W；以及
0.00wt％至5.00wt％的Co；
Weq为4.0至8.0，
2Mo/Weq为0.10至0.50，且
高温强度对室温强度之比不小于0.25。
11.根据权利要求10的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
不超过0.010wt％的P；
不超过0.010wt％的S；
不超过0.50wt％的Cu；以及
不超过0.50wt％的Ni；
该合金工具钢还包含选自下列元素中的至少一种元素：
不超过0.10wt％的(Ta+Zr)；
不超过0.10wt％的(Ca+Te+Se)；
不超过0.10wt％的(Pb+Bi)；
不超过0.01wt％的Mg；以及
不超过0.010wt％的REM，且
高温强度对室温强度之比不小于0.30。
12.根据权利要求11的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
13.如申请专利范围第10项之合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
14.根据权利要求1的合金工具钢，其中该合金工具钢包含：
不超过0.010wt％的P；
不超过0.010wt％的S；
不超过0.50wt％的Cu；以及
不超过0.50wt％的Ni；
该合金工具钢还包含选自下列元素中的至少一种元素：
不超过0.10wt％的(Ta+Zr)；
不超过0.10wt％的(Ca+Te+Se)；
不超过0.10wt％的(Pb+Bi)；
不超过0.01wt％的Mg；以及
不超过0.010wt％的REM，且
高温强度对室温强度之比不小于0.30。
15.根据权利要求14的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
16.根据权利要求1的合金工具钢，其中室温硬度不小于55HRC，室温强度不低于1900MPa，且高温强度对室温强度之比不小于0.27。
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