模具用鋼和模具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能兩方面均優(yōu)異的壓模鋼（die steel)和模具鋼 (mold steel)，以及模具。
【背景技術(shù)】
[0002] 如注射成型用模具、壓鑄用模具和熱壓（也稱作熱沖壓或模壓淬火）用模具等用 于樹脂、橡膠等的模具，常規(guī)地一般通過以下來生產(chǎn)：將鋼熔融以形成其錠，其后使錠進(jìn)行 鍛造和乳制以形成塊狀（block)或扁平的矩形材料，將該材料機(jī)械加工成模具的形狀，然 后給其施以如淬火和回火（quenching and tempering)等熱處理。
[0003] 對(duì)于這些模具通常采用的技術(shù)是在模具壁內(nèi)形成冷卻回路（水冷卻線）并使冷卻 水由此穿過，從而使模具冷卻。
[0004] 在此類模具中，提高用冷卻水冷卻的效率使得循環(huán)時(shí)間減少，即產(chǎn)品的快-循環(huán) 生產(chǎn)（成型），并且這導(dǎo)致生產(chǎn)效率的改進(jìn)。
[0005] 提高冷卻效率的直接方法是將冷卻回路設(shè)置在更接近于模具的成型表面（設(shè)計(jì) 表面）。
[0006] 然而，該方法具有下列缺陷。由于冷卻回路與成型表面之間的距離減小和由于較 強(qiáng)熱應(yīng)力的產(chǎn)生，使得模具傾向于發(fā)展出嚴(yán)重裂紋（通過從水冷卻回路至成型表面的裂紋 擴(kuò)展（crack propagation))，這是模具壽命縮短的成因。
[0007] 因此，在當(dāng)冷卻回路設(shè)置在更接近于成型表面時(shí)的情況下，當(dāng)然會(huì)有局限。
[0008] 另一可能的方法可以為其中沿所有方向復(fù)雜蜿蜒運(yùn)行的冷卻回路在模具壁內(nèi)形 成，從而通過調(diào)整冷卻回路的整體形狀、布局等來提高冷卻能力的方法。然而，在其中借助 機(jī)械加工生產(chǎn)模具的任何方法的情況下，形成具有此類復(fù)雜形狀的冷卻回路在技術(shù)上是不 可行的。
[0009] 在此類情況下，近來專注于通過疊層制造 （additive manufacturing)(三維疊層 制造）來制造模具的技術(shù)。
[0010] 疊層制造是通過材料的累加將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)物的加工技術(shù)。在疊層制造 中，首先將由三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)數(shù)據(jù)表示的形狀沿垂直于預(yù)定軸的多個(gè)面切片， 并且計(jì)算所得薄片的截面形狀。這些薄片的形狀是實(shí)際形成的，并且將形成的薄片堆疊并 接合在一起，從而將計(jì)算機(jī)表示的形狀轉(zhuǎn)換成實(shí)物。
[0011] 在疊層制造中，存在將粉末用作材料的情況和將板用作材料的情況。
[0012] 在其中將粉末用作材料的方法中，粉末均勻鋪展成層（各層具有例如幾十微米的 厚度），并且粉末層的某些區(qū)域用熱能照射，例如用電子束的激光束照射，從而使粉末層熔 融/凝固或燒結(jié)。各層由此逐層疊加，從而制造完整的形狀。
[0013] 同時(shí)，在其中將板用作材料的疊層制造中，由CAD中的三維模型數(shù)據(jù)的切片產(chǎn)生 的各個(gè)部件（板）實(shí)際通過機(jī)械加工等生產(chǎn)，并且這些部件通過例如擴(kuò)散接合來疊加并接 合在一起，從而制造完整的三維形狀。
[0014] 借助這些疊層制造技術(shù)的模具生產(chǎn)的實(shí)例，例如公開于專利文獻(xiàn)1和2中。
[0015] 具體地，專利文獻(xiàn)1公開了關(guān)于"選擇性激光燒結(jié)用金屬粉末，通過使用其的三維 形狀物體的制造方法，以及由其獲得的三維形狀物體"的發(fā)明。其中公開了如下特征：通過 用光束照射包括析出硬化型金屬成分的粉末材料層的預(yù)定部位，從而使預(yù)定部位的粉末燒 結(jié)或使其熔融并隨后固化來形成固化層，并且通過在所得固化層上新形成粉末層，然后用 光束照射新的粉末層的另一預(yù)定部位來形成另一固化層，這些步驟重復(fù)進(jìn)行，由此生產(chǎn)三 維形狀物體。
[0016] 專利文獻(xiàn)2公開了關(guān)于"模具用壓模嵌入塊，模具用嵌入塊的制造方法和樹脂成 型模具"的發(fā)明。其中公開了如下特征：內(nèi)部具有螺旋冷卻通道的壓模嵌入炔基于冷卻通 道的切片數(shù)據(jù)通過加工在多個(gè)金屬板的每一個(gè)中形成冷卻通道的凹槽，以規(guī)定的順序?qū)訅?經(jīng)凹槽加工的金屬板，將層壓的金屬板擴(kuò)散接合，并且將通過擴(kuò)散接合獲得的金屬塊成形 加工來生產(chǎn)。
[0017] 上述疊層制造的技術(shù)為通過將材料疊加制造完整形狀，且能夠容易地形成沿所有 方向蜿蜒運(yùn)行且完全不能通過機(jī)械加工來形成的復(fù)雜的冷卻回路的技術(shù)。結(jié)果，在無需在 模具的成型表面附近不必要地設(shè)置冷卻回路的情況下，可有效地提供比通過傳統(tǒng)的機(jī)械加 工生產(chǎn)的模具更高的冷卻效率。
[0018] 迄今，馬氏體時(shí)效鋼（maraging steels)和析出硬化型不銹鋼已用作需要具有高 溫強(qiáng)度的模具用材料。
[0019] 也在專利文獻(xiàn)1中，馬氏體時(shí)效鋼或析出硬化型不銹鋼的粉末因而用作模具用材 料。
[0020] 盡管此類包括馬氏體時(shí)效鋼和析出硬化型不銹鋼的鋼對(duì)于模具具有充分的高溫 強(qiáng)度，但存在的問題在于，由于這些鋼的母相含有大量如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶體 的元素，因此這些鋼具有低的導(dǎo)熱性能（低的導(dǎo)熱系數(shù)）。
[0021] 通過疊層制造生產(chǎn)的模具具有的優(yōu)勢(shì)在于，具有自由設(shè)計(jì)的復(fù)雜形狀的冷卻回路 可設(shè)置于其中，并且結(jié)果甚至可使得通過使用馬氏體時(shí)效鋼或析出硬化型不銹鋼作為材料 所生產(chǎn)的模具由于通過疊層制造形成的具有復(fù)雜形狀的冷卻回路的形狀效果而具有提高 的冷卻效率。然而，由于材料本身具有低導(dǎo)熱系數(shù)，因此難以將冷卻效率提高至充分的水 平。
[0022] 當(dāng)然，在不通過疊層制造而通過傳統(tǒng)的通用生產(chǎn)方法由其生產(chǎn)模具的情況下，冷 卻（熱交換）效率變得更加不充分。
[0023] 同時(shí)，作為具有高導(dǎo)熱性能（具有高導(dǎo)熱系數(shù)）的鋼，存在碳鋼和機(jī)械結(jié)構(gòu)用途用 鋼等。這些鋼顯示高導(dǎo)熱性能，這是由于在母相中如Si、Cr、Ni和Co等易于形成固溶體的 元素的含量低和由于這些鋼是低合金鋼。
[0024] 然而，這些鋼具有低的高溫強(qiáng)度，并且具有由其生產(chǎn)的模具具有短壽命的問題。
[0025] 即，迄今為止，無論模具是否通過疊層制造來制造，還未提供能夠給出在高溫強(qiáng)度 和導(dǎo)熱性能兩方面均具有充分性能的模具的模具用鋼。
[0026] 作為可能與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻(xiàn)3公開了關(guān)于"具有優(yōu)異的熱疲勞 性質(zhì)的壓模鋼"的發(fā)明。其中公開了下述特征：減少作為合金元素的Si和Cr的添加量，并 且平衡其它合金組分，從而獲得導(dǎo)熱系數(shù)的增大和抗軟化性的提高。
[0027] 作為另一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻(xiàn)4公開了關(guān)于"壓模用鋼"的發(fā)明。其中公開了下述 特征：適當(dāng)平衡Si、Mn和Cr的添加量，從而將鋼的導(dǎo)熱系數(shù)有效調(diào)整為小于期望值的值且 充分確保機(jī)械加工性和沖擊值。
[0028] 作為另一現(xiàn)有技術(shù)，專利文獻(xiàn)5公開了關(guān)于"球化退火性質(zhì)和淬透性優(yōu)異的壓模 鋼"的發(fā)明。其中公開了下述特征：通過調(diào)整要添加至鋼的元素，將500kg以上的大型模具 所需的淬透性和球化退火性質(zhì)賦予鋼。
[0029] 專利文獻(xiàn)3至5中記載的各種鋼的組分相對(duì)于它們權(quán)利要求中規(guī)定的化學(xué)組分的 范圍，可能與本發(fā)明模具用鋼的組分部分重疊。然而，其中沒有公開的實(shí)施例滿足本發(fā)明的 任一項(xiàng)權(quán)利要求，且專利文獻(xiàn)3至5的鋼與本發(fā)明的鋼實(shí)質(zhì)上是不同的。
[0030] 另外，專利文獻(xiàn)3至5中記載的鋼不旨在用于疊層制造，且該用途在其中根本沒有 提及。
[0031] 專利文獻(xiàn) I :W0 2011/149101
[0032] 專利文獻(xiàn) 2 JP-A-2OlO-IM72O
[0033] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利No. 4, 992, 344
[0034] 專利文獻(xiàn) 4 :Ρ-Α-2〇11_94168
[0035] 專利文獻(xiàn) 5 :JP-A-2008-121032
【發(fā)明內(nèi)容】
[0036] 在上述情況下，本發(fā)明的目的為提供模具用鋼，當(dāng)模具通過疊層制造由其生產(chǎn)時(shí) 能夠獲得高的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能二者。本發(fā)明的另一目的為提供模具用鋼，即使當(dāng)將借 助加工錠獲得的材料不通過疊層制造而通過機(jī)械加工而生產(chǎn)模具時(shí)，所述模具用鋼也能夠 獲得高的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的為提供模具。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的模具用鋼為具有包含以質(zhì)量％計(jì)的下述元素的組成的模具用鋼：
[0038] 0. 25% <C<0. 38%,
[0039] 0. 01% <Si<0. 30%,
[0040] 0. 92% <Μη<1. 80%,
[0041] 0. 8% <Cr<2. 2%,
[0042] 0· 8% <Μο〈1· 4%，和
[0043] 0. 25% <V<0. 58%,
[0044] 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的模具用鋼可進(jìn)一步包含以質(zhì)量％計(jì)的：
[0046] 0· 1% <Α1〈1· 2%〇
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的模具用鋼可進(jìn)一步包含以質(zhì)量％計(jì)的下述的至少任一種：
[0048] 0· 30%〈Ni 彡 3. 5%，和
[0049] 0· 30%〈Cu 彡 1. 5%。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的模具用鋼可進(jìn)