JP2012201909A

JP2012201909A - 熱間工具鋼

Info

Publication number: JP2012201909A
Application number: JP2011065369A
Authority: JP
Inventors: Yukio Tate; 幸生舘; Kazuo Nakama; 一夫中間
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: JP5680461B2

Abstract

【課題】
本発明は、熱間鍛造、熱間押出、鋳造、ダイカストなどの金型用の熱間工具鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３〜０．４５％、Ｓｉ：０．２５％超〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：３〜６％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種を、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種を、Ｖ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．３〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、該不純物としては、Ｎ：０．０１５％以下、Ｔｉ：０．００５％以下、かつ、ＮとＴｉのバランスが、Ｎ≦Ｒ≡１．４６×１０^-4×Ｔｉ^-0.736からなることを特徴とする熱間工具鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱間鍛造、熱間押出、鋳造、ダイカストなどの金型用の熱間工具鋼に関するものである。

従来、プレス型、鍛造型、ダイカスト型などの素材として用いられる工具鋼としては、ＪＩＳに制定されているＳＫＤ６１、ＳＫＤ６、ＳＫＴなどのほか、３Ｃｒ−３Ｍｏ系鋼、セミハイス系鋼などが使用されている。近年、数値制御による切削加工のさらなる進歩により、金型加工等の自動化、高速化が進み、工具鋼におけるより優れた靱性が求められている。

例えば、特許第４５１６２１１号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｃ：０．３〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜０．８％、Ｃｒ：４〜６％、Ｍｏ：１．８〜３％、Ｖ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：≦０．２５％、Ｎ：≦０．０１０％、Ｏ：≦１０ｐｐｍ、Ｐ：≦０．０１０％、Ｓ：≦０．０００８％で焼入焼戻しにて４５ＨＲＣを超える硬度が得られる熱間加工工具鋼が提案されている。
特許第４５１６２１１号公報

上述した特許文献１には、ＮとＴｉの低減が凝固時に生成するＭＸ系晶出物（Ｍ：Ｖ，Ｔｉ、Ｘ：Ｃおよび／またはＮ）を軽減することが述べられている。しかしながら、Ｔｉを含むＶ炭化物は鋼材基地組織中に固溶しにくく、鋼材製品の靱性の低下を招き、凝固時のＴｉ含有Ｖ炭化物の晶出を完全には低減することができない。

上述したような問題を解消するために発明者らは鋭意開発した結果、不純物としてのＴｉとＮの含有量を制御することで、靱性に有害な凝固時の晶出物形成量を低減する。また、適正な固溶化熱処理を加えて鋼材製品に残存する晶出物をさらに減少させることで、優れた靱性を得ることを見出し発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
質量％で、Ｃ：０．３〜０．４５％、Ｓｉ：０．２５％超〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：３〜６％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．３〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、該不純物としては、Ｎ：０．０１５％以下、Ｔｉ：０．００５％以下、かつ、ＮとＴｉのバランスが、Ｎ≦Ｒ≡１．４６×１０^-4×Ｔｉ^-0.736からなることを特徴とする熱間工具鋼にある。

以上述べたように、本発明鋼は、高強度材における問題であった、靱性が大きく改善されたことで、熱間鍛造、熱間押出、鋳造、ダイカストなどの金型用の熱間工具鋼として優れた工具寿命をもたらすものであり、その効果は非常に大きい。

以下、本発明鋼の成分範囲の限定理由について述べる。
Ｃ：０．３〜０．４５％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物を形成させることで硬度、耐摩耗性や強度を得るための元素である。しかし、０．３％未満では十分な強度、耐摩耗性が得られない。また、０．４５％を超えると、凝固偏析を助長し、炭窒化物の晶出が生じ易くなり、靱性を阻害する。したがって、その範囲を０．３〜０．４５％とした。

Ｓｉ：０．２５％超〜１．２％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入性確保として必要な元素である。しかし、０．２５％以下であると、その効果が十分でなく、また、１．２％を超えると靱性を低下させ、また、熱間工具鋼として重要な物性値である熱伝導率を低下させることから、その範囲を０．２５％超〜１．２％とした。

Ｍｎ：０．２〜１．０％
Ｍｎは、焼入性を確保するための元素である。しかし、０．２％未満ではその効果が十分でなく、また、１．０％を超えると加工性を低下させることから、その範囲を０．２〜１．０％とした。

Ｃｒ：３〜６％
Ｃｒは、焼入性を改善するための元素である。しかし、３％未満ではその効果が十分でなく、また、６％を超えると焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成され、高温強度および軟化抵抗性を低下させることから、その範囲を３〜６％とした。

Ｍｏ＋１／２Ｗ：１．０〜３．５％
Ｍｏ、Ｗは、共に焼入性と二次硬化、耐摩耗性に寄与する析出炭化物を得るためと、焼入れ時に未固溶となった微細な炭化物が結晶粒の粗大化を抑制するための元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で表すことができる。しかし、Ｍｏ＋１／２Ｗが１．０％未満ではその効果が十分でない。また、過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、炭化物が粗大凝集することにより靱性を低下させることから、その範囲を１．０〜３．５％とした。

Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．３〜１．０％
Ｖ、Ｎｂは、焼戻し時に微細で硬質な炭化物、炭窒化物を析出し、強度や耐摩耗性に寄与する。また、焼入れ時には微細な炭化物、炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靱性の低下を抑制する。ただし、その効果はＶの方がＮｂよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＮｂはＶの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｖ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で表すことができる。しかし、０．３％未満ではその効果が十分でない。また、多過ぎると、凝固時に粗大な晶出物を生成し、靱性を低下させることから、その範囲を０．３〜１．０％とした。

Ｎ：０．０１５％以下、Ｔｉ：０．００５％以下、かつ、ＮとＴｉのバランスが、Ｎ≦Ｒ≡１．４６×１０^-4×Ｔｉ^-0.736
Ｎ、Ｔｉは、不純物としてのＮとＴｉの含有量を制御することで、靱性に有害な凝固時の晶出物形成量を低減するもので、Ｎは０．０１５％を超え、また、Ｔｉは０．００５％を超える場合は、晶出物が固溶しにくく、十分な靱性を得ることができないことから、それぞれの上限を０．０１５％、０．００５％とした。ただし、Ｎ≦Ｒ≡１．４６×１０^-4×Ｔｉ^-0.736とした理由は、上記式を満たさない条件でＮおよびＴｉを制御した場合、凝固時に形成される晶出物は固溶され難い組成になり、固溶化熱処理後の残存量が多くなり、十分な靱性を得ることが出来ないからである。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学成分の鋼を真空溶解炉にて、Ｎｏ．１〜１４は１００ｋｇ、Ｎｏ．１５〜２０は５０ｋｇの溶解を行い、５０ｋｇずつの小鋼塊を製造した。Ｎｏ．１〜１４は小鋼塊の片方は固溶化熱処理を実施し、もう一方は固溶化熱処理を行わず、Ｎｏ．１５〜２０は固溶化熱処理を実施した。いずれの小鋼塊も圧鍛を加えて、比較試験に供した。その結果を表２に示す。

表２の内、Ｎｏ．１〜１４は、固溶化熱処理を実施していない。一方、Ｎｏ．１５〜３４は、１２５０℃での固溶化熱処理を実施した鋼材であり、固溶化熱処理の時間は、工業的に日常連続操業が可能な２０時間とした。また、晶出物量は、１００ｍｍ径の圧鍛材の中心部より、圧延方向に平行な面にて幅１０ｍｍで長さ１６ｍｍの試験片を採取し、観察を実施した。最終バフ研磨にて鏡面研磨仕上げをした後、光学顕微鏡にて４００倍で観察を行い、晶出物が多い箇所を３０視野選択し、晶出物の面積率を算出して晶出物量とした。

また、靱性は、シャルピー衝撃試験により評価した。試験片は、１００ｍｍ径の圧鍛材の中心部より圧延方向と垂直方向より採取した。試験片は、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣの範囲内の硬さに収まるように調質し、ＪＩＳＺ２２４２に従い、深さ２ｍｍのＵノッチを圧延方向に垂直となる面に加工した。さらに、高温特性は、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣに調質した各鋼材を６５０℃にて５０時間保持し、この鋼材を空冷した後に硬度を測定し、初期の調質硬さとの差（硬度低下度）にて評価した。

表１に示す化学成分のＮｏ．１〜７は、本発明例であり、Ｎｏ．８〜２０は、比較例である。

表２に示すＮｏ．１〜７、１５〜２１は、本発明例であり、Ｎｏ．８〜１４、２２〜３４は、比較例である。

表２に示すように、比較例Ｎｏ．８は、Ｔｉ含有量が高く、かつ、Ｎは本発明の範囲内であるが、Ｎ≦Ｒを満たしていないことから、晶出物量を低減することができず、残存する晶出物量が多くなってしまい、靱性が劣る。比較例Ｎｏ．９は、Ｔｉ含有量が高いために、晶出物量を低減することができず、靱性が劣る。比較例Ｎｏ．１０は、ＴｉとＮの含有量が共に高いために、比較例Ｎｏ．９と同様に、晶出物量を低減することができず、靱性が劣る。

比較例Ｎｏ．１１は、ＴｉとＮの含有量は共に本発明の範囲内であるが、Ｎ≦Ｒを満たしていないことから、残存する晶出物量が多くなってしまい、靱性が悪い。比較例Ｎｏ．１２は、Ｎ含有量が高いために、晶出物量を低減することができず、晶出物量が非常に多くなってしまい、靱性が悪い。比較例Ｎｏ．１３は、Ｔｉ含有量が高く、Ｎは本発明の範囲内であるが、Ｎ≦Ｒを満たしていないことから、晶出物量を低減することができず、晶出物量が非常に多くなってしまい、靱性が悪い。

比較例Ｎｏ．１４は、ＴｉとＮの含有量は共に本発明の範囲内であるが、Ｎ≦Ｒを満たしていないことから、残存する晶出物量が多くなってしまい、靱性が劣る。なお、比較例Ｎｏ．２２〜２８は、比較例Ｎｏ．８〜１４に係る化学成分が本発明の成分含有量の範囲外である条件での、１２５０℃での固溶化熱処理を実施した鋼材であるが、いずれも晶出物量の面積％が大きい。すなわち、晶出物量が多くなってしまい、靱性が十分でない。また、Ｎｏ．２２〜２８の合金元素含有量は、Ｎｏ．８〜１４と同等であることから、高温特性は評価しない。

比較例Ｎｏ．２９は、靱性は良いがＣ含有量が低いために、高温特性が劣り、十分な耐摩耗性が得られない。比較例Ｎｏ．３０は、Ｓｉ含有量が低く、かつ、ＶおよびＶｅｑが多過ぎるために、焼入性を十分確保できず、また、凝固時に粗大な晶出物生成し、十分な靱性が得られない。比較例Ｎｏ．３１は、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が高いために、加工性および焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成され、高温強度および軟化抵抗性が得られない。

比較例Ｎｏ．３２は、Ｓｉ含有量が多過ぎ、かつＣｒ含有量が少なく、Ｖｅｑは低いために、晶出物量は少ないが、靱性が悪く、熱間工具鋼としての熱伝導性が悪い。比較例Ｎｏ．３３は、Ｃ含有量が高く、Ｍｎ含有量が低く、Ｍｏｅｑが高いため、特にＣ含有量が過多のため、凝固偏析を助長し、炭窒化物の晶出が生じ易くなり、靱性を阻害し、また、Ｍｎが低いために、焼入性を確保することができず、高温特性が得られず、さらに、Ｍｏｅｑが多過ぎるため、炭化物が粗大凝集し、靱性をさらに悪くする。

比較例Ｎｏ．３４は、Ｍｏｅｑが低いために、高温特性が得られない。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜７は、いずれも本発明の条件を満足していることから、その特性とする靱性および高温特性の優れた金型用の熱間工具鋼を得ることを可能とした。

以上のように、本発明により不純物としてのＴｉとＮの含有量を制御することで、靱性に有害な凝固時の晶出物形成量を低減し、適正な固溶化熱処理を加えて鋼材製品に残存する晶出物をさらに減少させることで、優れた靱性と優れた高温強度とを兼ね備え熱間鍛造、熱間押出、鋳造、ダイカストなどの金型用の熱間工具鋼として優れた工具寿命をもたらす熱間工具鋼を提供することを可能とした。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：０．３〜０．４５％、
Ｓｉ：０．２５％超〜１．２％、
Ｍｎ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：３〜６％、
ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．３〜１．０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、該不純物としては、
Ｎ：０．０１５％以下、
Ｔｉ：０．００５％以下、
かつ、ＮとＴｉのバランスが、Ｎ≦Ｒ≡１．４６×１０^-4×Ｔｉ^-0.736からなることを特徴とする熱間工具鋼。