長壽命模具鋼和使用該模具鋼的模具的製作方法

2023-06-05 17:05:36

相關申請的交叉參考本申請根據35u.s.c.§119要求2016年3月8日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請no.10-2016-0027705的優先權，其公開的全部內容以引用方式併入本申請。本發明涉及具有在高溫下改進的物理性質和延長的壽命的、用於模具的合金鋼，以及使用該合金鋼的模具。特別地，該合金鋼可包括鉬、鎢以及鈮。
背景技術：
：近來，隨著全球環境問題的不斷湧現，整個工業界一直在尋求減少燃料以解決這些問題的方法。其中，車輛工業一直在開發各種環保車輛，旨在將二氧化碳的排放量減少至約95g/km，其是按照歐洲法規到2021年達到當前水平的約27％的水平。此外，車輛製造商都在致力於開發小型化和提高燃料效率的技術，以便符合標準，例如，由美國公司平均燃油經濟性標準(café)設置的2025年前達到的54.5mpg(23.2km/l)。為了實現燃料消耗的降低，已經由車輛工業部門提出了諸如在車輛發動機效率上的改進和在車輛重量上的減少的二個解決方案。在車輛重量上的減少可以提高車輛的燃料效率。然而，當車輛的重量減小時，可以提高應用於車輛的合金鋼的強度，並且其結果是，會減少製造車輛的模具的壽命。因此，車輛工業已經有了解決這個問題的目標。最近，當進一步考查該主題時，已經出現了為降低車輛重量而增加部件強度導致的施加在模具上的載荷相應增加的問題，以及車輛工業中改進生產率的問題。最近，從一個模具生產的部件數量已經增加，以增加通過模具生產產品的生產率。例如，圖1示出了根據相關技術的模具腔體中的變化。如圖1所示，不同於來自包括一個腔模1的模具(即，包括一個腔體的模具)的一個部件的生產，兩腔模具3(即，在一個模具中包括兩個腔體的兩個部件)最近已經被製造。此外，由於車輛重量的減少，部件的強度可能增加。圖2示出了根據相關技術的鍛造模具的破損。如圖2所示，由於r發動機連杆可應用為高強度材料，相比於相關技術中的35k的典型強度，強度可增加到約50k。當製造r發動機連杆時，施加在模具上的載荷增加，並且因此模具可能會受損。由於上述的事實，在高溫下由鍛造載荷上的增加引起的模具材料的物理性質上的改進最近成為車輛工業中的主要議題。技術實現要素：本發明提供在高溫下具有改進的物理性質和延長壽命的合金鋼，以及使用該合金鋼的模具。此外，合金鋼即合金鋼組分可包括鉬、鎢和/或鈮，以提供高溫下提高的強度、增強的抗回火軟化性(tempersofteningresistance)、增強的熱耐磨性(hotabrasionresistance)以及提高的韌性。本發明旨在解決的技術問題並不限於上面已經提到的技術問題，並且對本領域的普通技術人員而言，還未提到的其它技術問題將可從本發明的描述中清楚地理解。本發明的示例性實施例提供合金鋼，其可包括基於合金鋼的總重量約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)。除非另有指出，組分的wt％是基於合金鋼的總重量而得到。優選地，合金鋼可進一步包括鈮(nb)。鈮(nb)的適當含量是基於合金鋼的總重量的約0.05～0.10wt％。優選地，合金鋼可進一步包括鎢(w)。鎢(w)的適當含量是基於合金鋼的總重量的約0.10～1.00wt％。優選地，合金鋼可進一步包括鈮(nb)和鎢(w)。鈮(nb)的適當含量為基於合金鋼的總重量的約0.05～0.10wt％，並且鎢(w)的含量可以是基於合金鋼的總重量的0.10～1.00wt％。進一步提供的是由如上所述的組分組成、或可基本上由上述組分組成的合金鋼。例如，合金鋼組分由如下組分組成或可基本上由如下組分組成：基於合金鋼的總重量約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的錳(mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)。合金鋼由如下組分組成或可基本上由如下組分組成：基於合金鋼的總重量約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的錳(mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，約為0.05～0.10wt％的鈮(nb)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)。此外，合金鋼由如下組分組成或可基本上由如下組分組成：基於合金鋼的總重量約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的錳(mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，約為0.10～1.00wt％的鎢(w)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)。此外，合金鋼由如下組分組成或可基本上由如下組分組成：基於合金鋼的總重量約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的錳(mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，約為0.05～0.10wt％的鈮(nb)，約為0.10～1.00wt％的鎢(w)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)。本發明的另一個示例性實施例提供包括在此描述的合金鋼組分的模具。通過使用本發明的合金鋼，模具可具有提高的壽命和延長的壽命。此外，根據本發明的長壽命合金模具鋼而特別包括鉬、鎢和/或鈮的合金鋼可提供在高溫下提高的強度、增強的抗回火軟化、增強的熱耐磨性以及提高的韌性。附圖說明圖1示出根據相關技術的模具腔體中的變化。圖2示出根據相關技術的鍛造模具的破損。圖3是根據本發明的示例性實施例示出用於示例性模具的示例性鋼的碳化鉬。圖4是根據本發明的示例性實施例示出屈服強度相對於用於示例性模具的示例性合金鋼的鉬的示例性含量的曲線圖。圖5是根據本發明的示例性實施例示出抗拉強度相對於用於示例性模具的示例性合金鋼的鉬的示例性含量的曲線圖。圖6是示出硬度相對於相關技術的比較例1的合金鋼組分中的示例性奧氏體化溫度以及相對於相關技術的比較例1當鎢添加到模具鋼時的曲線圖。圖7是根據本發明的示例性實施例示出用於示例性模具的示例性合金鋼的碳化鎢。圖8是根據本發明的示例性實施例示出韌性相對於用於示例性模具的示例性合金鋼的鎢的示例性含量的曲線圖。圖9示出根據相關技術中的大晶粒尺寸的裂紋進展。圖10示出根據相關技術中的小晶粒尺寸的裂紋進展。圖11是根據本發明的示例性實施例示出拉伸比相對於用於示例性模具的示例性合金鋼的鈮的示例性含量的曲線圖。具體實施方式本文使用的術語只是為了描述特殊實施例，並非旨在限制本發明。除非上下文另外明確指出，否則如本文使用的單數形式「一/一個」和「該」也包括複數形式。應當進一步理解，當在本說明書中使用時，術語「包括」和/或「包含」限定了特徵、整數、步驟、操作、要素和/或部件的存在，但不排除其中一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、要素、部件和/或集合的存在或添加。如本文使用的術語「和/或」包括相關列出項的一個或多個的任何和全部組合。除非特別闡明或者從上下文顯而易見，否則如本文使用的術語「約」被理解為在本領域中正常耐受性範圍內，例如在平均值的2標準差之內。「約」可以被理解為在值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之內。除非從上下文另有明晰，本文提供的所有數值由術語「約」來修飾。應當理解，如本文中使用的術語「車輛」或「車」或其他相似的術語包括機動車輛，通常例如包括運動型多用途車(suv)、公共汽車、卡車、各種商用汽車的客運汽車，包括各種船艇和艦船等的船隻，航空器，以及包括混合動力車、電動車、插件混合動力車、氫動力車和其他替代燃料汽車(比如來自於非石油資源的燃料)。如本文，混合動力車是具有兩個或更多動力源的車輛，比如，汽油動力和電動力車輛。以下，參考附圖將詳細描述本發明的示例性實施例。在描述之前，在本說明書和權利要求書中使用的術語或詞語不應解釋為被限制在典型的或字典含義，並且基於發明人可適當地定義術語概念來以最優方式描述他或她自己的發明來解釋符合本發明的技術精神的含義和概念。因此，由於在本說明書中描述的示例性實施例和在附圖中示出的配置在本發明的示例性實施例中給出，並且不代表本發明的所有技術思想，因此，應該理解的是，取代這些示例性實施例和配置的各種等同和變型示例在提交本應用時是可能的。本發明的一個方面涉及具有在高溫下改善的物理性質和延長的壽命的合金鋼。在一般情況下，當製造車輛部件時，部件的耐久性可被提高，並且強度可以增加，以使得施加於用於製造部件的模具上的負載可能增加。此外，由於如圖1所示的模具腔體數量上的增加，施加在模具上的載荷可能增加，以便提高部件的生產率。例如，當部件通常使用鍛壓機製造時，第一過程(堵口，buster)包括用於分配體積的處理，第二過程(預鍛模膛，blocker)包括用於粗成形的處理，第三過程(終鍛模膛，finisher)包括用於尺寸成型的處理，第四過程(擴孔，piercing)包括用於分離內毛邊的處理，以及第五過程(修剪，trimming)包括用於分離外毛邊的處理。在這些處理之間，高載荷處理可以是第一到第三處理。由於如上所述的第一到第三處理，模具可以由於如圖2所示的高載荷而破裂。為了解決上述的問題，在相關技術中的常規鋼(比較例3)可以包括可加入專門用於鍛造的廉價合金鋼的鋼。常規鋼可能具有減少量的諸如釩(v)和鉬(mo)的昂貴合金組分，其被需要來確保在不必要的高溫下的硬度。此外，常規鋼可以通過從加入鈮(nb)所得的晶粒細化來提高強度和韌性，以便確保模具鋼的耐磨性和衝擊韌性，並且可由於通過添加鉻(cr)和添加硼(b)導致的淬透性的增加，來確保在室溫下的硬度和耐磨性。表1表1示出根據相關技術的比較例1～3中的組分，並示出鐵(fe)被包括作為主要組分，並且添加的組分按照基於整個模具鋼的總重量而得的重量百分比(wt％)示出。在比較例3中，強度和硬度與比較例2中的強度和硬度處於相同的水平，當執行相同的熱處理時，與比較例2相比，強度和硬度增加了20％。例如，約14000個行程由一對用於生產r發動機連杆的模具實現，並且部件的製造成本降低。另外，比較例1～3在衝擊韌性上都處於相同的水平，但在實際應用的鍛造評價中，比較例1到3中的壽命與比較例2中的壽命處於相同的水平，並且與比較例2相比，壽命提高約5倍或更多。然而，諸如比較例3的常規合金鋼組分具有這樣的問題：不能滿足用於應用到大規模生產的模具所需的強度、硬度和耐磨性。因此，一種用於模具的合金鋼也被提供，其可包括約為0.35～0.45wt％的碳(c)，約為0.80～1.20wt％的矽(si)，約為0.20～0.50wt％的錳(mn)，約為6.00～8.00wt％的鉻(cr)，約為1.50～3.00wt％的鉬(mo)，約為0.80～1.20wt％的釩(v)，約為0.05～0.10wt％的鈮(nb)，約為0.10～1.00wt％的鎢(w)，以及構成合金鋼的其餘部分的鐵(fe)，並且所有的重量百分比wt％都是基於合金鋼的總重量而得。本發明的合金鋼組分的處理可以包括鍛造處理，並且在鍛造處理中最高溫度下使用的用於熱鍛的模具的最大溫度可以在約500℃。因此，可以優化在約500℃的高溫下用於改善物理性質的合金元素的含量。與相關技術相比通過增加鉬(mo)和鉻(cr)的含量，在高溫下的強度和抗回火軟化性可以提高。另外，鎢也被添加以便利用細鎢(w)碳化物(細碳化鎢，finetungstencarbide)的析出而在高溫下提高硬度，並且，強度和韌性可以通過加入鈮(nb)利用晶粒細化(crystalgrainrefinement)來同時提高。以下，將特別地考察加入本發明的各種合金元素的效果。(1)碳(c)本發明所使用的碳(c)可以是用於確保合金鋼的強度的重要元素，並且可以穩定殘留奧氏體。對於該角色，碳(c)的含量可以優選是基於合金鋼的總重量的約0.35～0.45(wt)％。在此，當碳(c)的含量小於約0.35(wt)％時，可能無法獲得足夠的模具鋼的強度，並且可能會導致強度上的降低，等等。相反，當碳(c)的含量大於約0.45wt％時，未溶解的大的碳化物會保留，從而導致強度和耐久性上的降低，等等。(2)矽(si)本發明所使用的矽(si)可以是脫氧劑，並且可以抑制在模具鋼中形成針孔。矽組分可以在基體中為固溶的狀態以通過固溶強化效果(solidsolutionstrengtheningeffect)來增加合金鋼的強度，並且增強碳(c)的活性，等等。對於該角色，矽(si)的含量可以優選地為基於合金鋼的總重量的約0.80～1.20(wt)％。當矽(si)的含量小於約0.80(wt)％時，由於不能被充分地除去的氧，氧化物可以被保留在合金鋼中，作為結果，模具鋼的強度會降低，無法獲得充分固溶強化效果。當矽(si)的含量大於約1.20(wt)％時，脫碳可通過結構中的相互滲透反應(interpermeationreaction),諸如由於矽(si)的過量導致與碳(c)的位點競爭反應來產生。(3)錳(mn)本發明所使用的錳(mn)可改善模具鋼的淬透性(hardenability)，並增強模具鋼的強度，等等。優選地，錳(mn)的含量可以為基於合金鋼的總重量約0.20～0.50(wt)％。當錳(mn)的含量小於約0.2(wt)％時，提高模具鋼的淬透性的效果可能不充分。相反，當錳(mn)的含量大於約0.50wt％時，加工性能和壽命可能降低。(4)鉻(cr)本發明所使用的鉻(cr)可提高模具鋼的淬透性，賦予固化性(curability)，並改進合金鋼的結構。另外，鉻(cr)可以增強高溫下的強度，並且提高抗回火軟化性。優選地，鉻(cr)的含量可以是基於合金鋼的總重量的約6.00～8.00wt％。當鉻(cr)的含量小於約6.00wt％時，淬透性和可固化性會受到限制，並且可能無法獲得足夠的結構細化和球化。當鉻(cr)的含量大於約8.00wt％時，由含量上的增加所引起的效果可能不充分，並且因此，可能產生製造成本上的增加。(5)釩(v)本發明所使用的釩(v)可形成諸如碳化物的析出，並且可加強基體結構，從而通過析出強化效果來提高強度和耐磨性，並減少碳的活性。此外，合金鋼的強度可以在相同的冷卻速率下提高。優選地，釩(v)的含量可以是基於合金鋼的總重量的約0.80wt％～1.20wt％。這裡，當釩(v)的含量小於0.80wt％或大於約1.20wt％時，可能降低合金鋼的韌性和硬度等。(6)鉬(mo)本發明所使用的鉬(mo)可通過鉬(mo)碳化物碳化鉬的析出而增強在高溫下的強度，並且提高抗回火軟化性。圖3示出了用於說明根據本發明的示例性實施例的示例性合金鋼的碳化鉬的放大照片。如圖3內的箭頭所指示，碳化鉬可以析出。優選地，鉬(mo)的含量可以是基於合金鋼的總重量的約1.50～3.0wt％。當鉬(mo)的含量小於約1.50wt％時，可能無法確保足夠的強度。當鉬(mo)的含量大於約3.0wt％時，屈服強度和抗拉強度的效果可能降低，並且由於含量上的增加導致的效果可能不充分，從而導致在製造成本上的增加。當進一步考查時，圖4是說明屈服強度對應於本發明的示例性實施例的示例性合金鋼的鉬的示例性含量的曲線圖。在圖4的曲線圖中，橫軸表示鉬的含量，並且單位為wt％，而縱軸表示屈服強度，並且單位為mpa。如在圖4中所示，當鉬的含量為約1.0～1.5wt％時，強度可極大地增加。然而，當鉬的含量為約3.0～3.5wt％時，強度上的增加速率快速地減小。此外，圖5是示出抗拉強度(tensilestrength)對應於本發明的示例性實施例的示例性合金鋼的鉬的示例性含量的曲線圖。在圖5的曲線圖中，橫軸表示鉬的含量，並且單位為wt％，而縱軸表示抗拉強度，並且單位為mpa。如在圖5中所示，當鉬的含量為約1.0～1.5wt％時，強度可極大地增加。然而，當鉬的含量為約3.0～3.5wt％時，在強度上的增加速率可以快速地減小。表2mo的含量(wt％)抗拉強度(mpa)1.05201.56102.06702.57003.07003.5710在表2中，抗拉強度通過僅僅改變鉬的含量來測量，而本發明的其他組分彼此相同。如在表2中所示，當鉬以基於合金鋼的總重量的1.0～1.5wt％加入時，增加率為90mpa，這是迅速增加的值。當鉬以基於合金鋼的總重量的3.0～3.5wt％加入時，增加率為約10mpa，這是小的增加值。(7)鎢(w)本發明所使用的鎢因為碳化鎢可以析出從而可在高溫下提高硬度、耐磨性和韌性。優選地，鎢的含量可以是基於合金鋼的總重量的約0.1％～約1.0wt％。當鎢的含量小於約0.10wt％時，硬度不能得到充分提高，因為碳化鎢不能充分地析出。當鎢的含量大於約1.00wt％時，衝擊韌性(impacttoughness)由於粗碳化鎢的析出而降低。圖6是示出硬度相對於比較例1中的合金鋼的奧氏體化溫度(austenizingtemperature)的曲線圖。在圖6中，橫軸指示奧氏體化溫度，並且單位為℃，而縱軸指示硬度，並且單元對應於hrc。在圖6中，當鎢加入到比較例1中時，與其中鎢沒有加入的比較例1的硬度相比，對應於奧氏體化溫度的硬度增加。圖7是示出根據本發明的示例性實施例的示例性合金鋼的碳化鎢的放大照片。當溫度等於或大於奧氏體化溫度時，碳化鎢可以析出，並且如由圖7中的箭頭指示，析出的碳化鎢可以被確認。因此，在本發明的合金鋼中的碳化鎢可增加熱耐磨性。然而，當鎢的含量大於約1.0wt％時，衝擊韌性由於粗碳化鎢的析出而降低。圖8是根據本發明的示例性實施例示出韌性對應於示例性合金鋼的鎢的示例性含量的曲線圖。在圖8中，橫軸指示鎢的含量，並且單位為wt％，而縱軸指示韌性，並且單位對應於j。如在圖8中所示，當鎢的含量為約0.1wt％～1.0wt％時，碳化鎢被穩定化。當含量大於約1.0wt％時，碳化物可因鎢而粗化，並且衝擊韌性可能降低。(8)鈮(nb)當加入鈮時，韌性可能由於晶粒的細化而被阻止降低，並且該材料的腐蝕疲勞壽命可以提高。這可以通過下面的等式1得到證明。[方程1]σ0＝σi+k』d-1/2σ0＝屈服應力韌性(yieldstresstoughness)σ0＝位錯運動障礙摩擦係數(dislocationmotionobstruction)k＝位錯的屏障積分常數(barrierintegrationconstant)d＝晶粒的直徑根據方程1(霍爾佩奇方程)，由於晶粒的直徑減小，所以強度和韌性增加。圖9是示出根據大晶粒尺寸的裂紋進展的示意圖，而圖10是示出根據小晶粒尺寸的裂紋進展的示意圖。當外力從圖9和圖10的左側作用到右側時，箭頭指示裂紋進展。因此，晶粒越精細，裂紋進展的步數越多，並且腐蝕疲勞壽命可能由於裂紋難以進展而增加。表3nb的含量(wt％)強度(mpa)拉伸比(％)0.021,79310.30.041,78811.70.061,80214.90.091,81414.80.121,83115.0表3示出了相對於本發明的組分中加入的鈮組分的含量強度和拉伸比的增強效果。在表3中，在基於加入的鈮量的拉伸比中存在差異。當鈮以0.02wt％加入時，強度為1793mpa，並且拉伸比為10.3％。此外，當鈮以0.04wt％加入時，強度為1788mpa，並且拉伸比為11.7％。此外，當鈮以0.06wt％加入時，強度為1802mpa，並且拉伸比為14.9％。此外，當鈮以0.09wt％加入時，強度為1814mpa，並且拉伸比為14.8％。最後，當鈮以0.12wt％加入時，強度為1831mpa，並且拉伸比為15.0％。圖11是根據本發明的示例性實施例示出拉伸比對應於示例性合金鋼的鈮的示例性含量的曲線圖。在圖11中，曲線圖的橫軸指示鈮的含量，並且單位為wt％，而豎軸指示拉伸比，並且單位為％。如在圖11中所示，從其中鈮的含量是基於合金鋼的總重量的約0.5wt％的點開始，拉伸比迅速地增加。因此，本發明的鈮的含量優選可以是基於合金鋼的總重量的約0.05～0.10wt％。當鈮含量小於約0.05wt％時，壽命可能縮短，而當鈮的含量大於約0.10wt％時，提高拉伸比的效果可能是最小的，因此，製造成本會增加。本發明的另一方面，涉及包括如本文所述的合金鋼的模具。該模具具有在高溫下顯著改善的物理性質，並且具有可提高約40％的模具壽命的效果。例如，當本發明的模具應用到實際鍛造處理中時可使用20000個行程，而在相關技術中僅可使用14000個行程。根據各種示例性實施例，通過添加鉬、鎢和鈮，可以增加合金鋼的在高溫下的強度和抗回火軟化性，可以增強其熱耐磨性，並且也可以增加其強度和韌性。此外，通過製造包括本發明的合金鋼的模具，可以增加模具的壽命。如上所述，本發明已經相對於本發明的示例性實施例進行了描述，但示例性實施例僅僅是舉例說明且本發明不限於此。描述的示例性實施例可以由本發明所涉及的本領域的技術人員在不脫離本發明的範圍內進行改變或修改，並且能夠在本發明的技術精神和權利要求書的等同範圍內進行各種改變和修改。當前第1頁12