JPH02247357A

JPH02247357A - 転造ダイス用鋼

Info

Publication number: JPH02247357A
Application number: JP6946189A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Oba; 充大場; Atsushi Kumagai; 敦熊谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1990-10-03
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JP2809677B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、各種ねじ、スプライン軸、セレーション軸な
どの転造に用いる転造ダイス用工具鋼に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

転造による加工は、従来ねじ製造に主に用いられてきた
が、転造機構の改良や、高精度化に伴い、自動車部品の
スプライン軸やセレーション軸の製造にも適用されてき
ている。転造ダイスの材質は、一部転造条件が過酷な場
合には、高速度工具鋼も用いられることはあるが、主に
５ＫＤＩＩを基本として、合金元素の添加、変動により
改良が行なわれている。

その−例として特公昭６４−５１００号に開示された冷
間工具鋼がある。この冷間工具鋼は概ねＣ０．９〜１．
３％、ＳＬ　０．５−２．０％、Ｍｎ　０．１，−２，
０％、Ｃｒ５．０−１１．０％、ｆｖｉｏ　１．３〜４
．０％、Ｖ　０．１−０，３５％、残部Ｆｅからなる組
成を有し、４５０℃以上の高温焼もどし処理を施して二
次硬化硬さを増大させることにより寿命および放電加工
性の向上を図ったものである。

また、特公昭６４−５１００号の冷間工具鋼のＮ、Ｓ、
０、Ｐの量を低減し、靭性を向上した冷間工具鋼（特開
昭６４−１１９４５号）、８％　ｓ、ｏ、ｐを低減する
とともに微量の希土類元素を添加し靭性を向上した冷間
工具ｆＩ４（特開昭６４−３１９５２号）等も知られて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

転造製品の適用拡大に伴い、これらの素材、つまり被加
工材の材質も多様になってきている。自動車部品等にお
いては、硬さＨＲＣ４０前後の調質材を転造する場合も
現われてきている。また、難加工材であるステンレスの
転造も増加してきている。

このような状況のもとで、転造ダイスの使用条件は過酷
になってきており、従来の転造ダイス材では、山部の欠
損や摩耗により十分な工具寿命を維持することが難しく
なってきている。このため、転造ダイスの廃却原因を詳
しく調査した結果、残留炭化物の性状が工具寿命を左右
する主因であり、また主に結晶粒界に残存する不純物に
よって粒界が脆化していると山部の欠損が生じやすいこ
とがわかった。つまり従来材は、耐摩耗性を重視するあ
まり、Ｍ、Ｃ，型やＭＣ型の３０μ山以上の大型の１次
炭化物を１０数％から数１０％と多量に分布させた組織
としていたが、欠損や摩耗はこれら大型の１次炭化物の
連鎖状分布を径路としてクラックが進展するか、炭化物
単位の欠落による微小欠損の集積が原因であり、過剰の
１次炭化物が逆効果として作用していたのである。また
、従来鋼は、高温焼もどしでは十分な硬さが得られない
ため、低温焼もどしにより使用されていたが、難加工材
の転造では、かなりの昇温かあるため、高温焼もどしに
おいても十分な硬さの確保ができ、軟化抵抗の高い材質
が求められている。

また、鋼中に含まれるＰ、Ａｓ、Ｓｂ等の特定の不純物
は主に粒界に偏析し、粒界の脆化の原因となっているの
で、炭化物を起点にした転造ダイスのの山部のクラック
はこの脆化した粒界に添って伝播することがわかった。

本発明は、これらの事実をもとになされたものであり、
化学成分の適正化とミクロ組織の調整により、１次炭化
物の適量化を図り、靭性を重視した材質とし、高温焼も
どしにおいてもＨＲＣ６２以上の硬さの得られる高性能
転造ダイス材を提供するものである。さらに転造ダイス
の微小クラックの原因となり易い硫化物系の非金属介在
物を最少限にとどめるため、Ｓ含有量を炭化物の面積率
とともに規制することが有効なこと、およびＰや他の不
純物であるＡｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉの
含有量もある特定値以下にすると、−段と靭性が向上し
転造ダイスの欠は防止に有効であることを見出したもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、重量％でＣ０．９０〜１．３５％、　Ｓｔ　
０．７０〜１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ　０．０
０４％以下、Ｃｒ　６．０−１０．０％、ＭｏとＷの１
種または２種をＭｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％、■と
Ｎｂの１種または２種をＶ　十Ｎ　ｂ／２で０．１５〜
２．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からな
る組成を有し、焼入れ焼もどし組織における、Ｍ、　Ｃ
，型炭化物の面積率が２％以上９％以下、ＭＣ炭化物の
面積率が２．５％以下である転造ダイス用鋼であって、
不純物であるＡｓ、　Ｓｎ、　　Ｓｂ、　Ｃｕ、Ｂ、Ｐ
ｂ、Ｂｉの合計量が０．１３％以下であることを特徴と
する転造ダイス用鋼、および重量％で重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ
０．７０−１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ　０．０
０４％以下、　Ｃｒ６．０−１０．０％、ＭｏとＷの１
種または２種をＭｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％、■と
Ｎｂの１種または２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５−２．
５％、ＮｉとＣｏの１種または２種をＮｉ＋Ｃｏで０．
３〜１．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物か
らなる組成を有し、焼入れ焼もどし組織における、Ｍ、
　Ｃ，型炭化物の面積率が２％以上９％以下、ＭＣ炭化
物の面積率が２．５％以下である転造ダイス用鋼であっ
て、不純物であるＡｓ、’Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ
、Ｂｉの合計量が０．１３％以下であることを特徴とす
る転造ダイス用鋼、および重量％でＣ０．９０〜１．３
５％、Ｓｉ　０．７０〜１６４０％、Ｍｎ１．０％以下
、Ｓ　０．００４％以下、Ｐ　０．０１５％以下、Ｃｒ
　６．０−１０．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭ
。

＋Ｗ　／２　テ１．５−２．５％、ＶとＮｂの１種また
は２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５−２．５％を含み、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼入
れ焼もどし組織における、Ｍ７Ｃ３型炭化物の面積率が
２％以上９％以下、ＭＣ炭化物の面積率が２．５％以下
である転造ダイス用鋼であって、不純物であるＡｓ、　
Ｓｎ、ｓｂ％Ｃｕ％Ｂ％ｐｂ％Ｂｉの合計量が０．１３
％以下であることを特徴とする転造ダイス用鋼、および
重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ　０．７０〜１
．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ　０．００４％以下、
Ｐ　０．０１５％以下、Ｃｒ　６．０−１０．０％、Ｍ
ＯとＷの１種または２種をＭＯ十Ｗ／２で１．５〜２．
５％、■とＮｂの１種または２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．
１５〜２．５％、ＮｉとＣＯの１種または２種をＮｉ十
Ｃｏで０．３〜１．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなる組成を有し、焼入れ焼もどし組織にお
ける、Ｍ、　Ｃ，型炭化物の面積率が２％以上９％以下
、ＭＣ炭化物の面積率が２．５％以下であることを特徴
とする転造ダイス用鋼であって、不純物であるＡｓ、Ｓ
ｎ％　Ｓｂ％Ｃｕ、８％　Ｐｂ、Ｂｉの合計量が０．１
３％以下であることを特徴とする転造ダイス用鋼、および真空溶解、真空脱ガスおよびエレクトロスラブ溶
解から選ばれる１種または２種以上の精錬方法により鋼
塊を製造する工程、該鋼塊または該鋼塊を熱間加工する
過程で、少なくとも一回以上１１５０−１２５０℃で保
持し、高温拡散処理する工程を含む請求項１ないし４の
いずれかに記載の転造ダイス用鋼の製造法である。

以下に、本発明における化学成分の限定理由について述
べる。

Ｃは、工具鋼の強度、耐摩耗性の主因をなす元素であり
、十分な熱処理硬さを得るためには０．９％以上必要で
ある。またＣは、Ｃｒ、Ｍｏ、■と炭化物を形成し、耐
摩耗性に寄与する。しかし過剰になると、凝固時の１次
炭化物が多くなり、靭性を劣化させる原因となるため、
上限を１．３５％とした。

Ｓｉは通常脱酸剤として添加されるが、本発明において
は、低温焼もどしく１８０〜２５０’Ｃ）において使用
される場合も想定し、この温度域で軟化抵抗を発現する
ため規定した。この効果を十分に発揮するためには、少
なくとも０．７０％以上が必要であるが、１．４０％を
越えると靭性が低下してくるため、これを上限とした。

Ｃｒは、凝固時にＭ７Ｃ３型炭化物として晶出する。こ
れは工具鋼の耐摩耗性を発揮する主因となるものである
が、その量は材質の靭性を大きく左右する。このため、
Ｃ量とのバランスから工具鋼としての耐摩耗性を維持す
るためには、６．０％以上必要であり、１０％を越える
と１次炭化物が適量となり、靭性が劣化してくるためこ
れを上限とした。

Ｍｏ、Ｗは、Ｃｒ炭化物に固溶して耐摩耗性を高めると
ともに、焼入性を向上させ、また焼もどしにおいて、炭
化物として析出し、強い２次硬化を示す元素である。転
造ダイスでは被加工材の種類、特に難加工材では加工中
に昇温するため、ダイスには高温焼もどしが必要になる
場合がある。したがって、高温焼もどしによる硬さをＨ
ＲＣ６２以上と設定しＭＯ１Ｗ量を規定した。

Ｍｏは、靭性の改善にＷは耐摩耗性の向上にそれぞれ有
効であるため、用途により使い分けを行なうこととし、
Ｗの原子量はＭＯの約２倍であるため、（Ｍｏ＋Ｗ／２
）としてまとめ硬さの設定から１．５〜２．５％とした
。

■、Ｎｂはともに凝固時にＭＣ型炭化物として晶出する
ものであり、硬質の炭化物として耐摩耗性に重要な役割
を担うとともに、結晶粒微細化の効果があり、靭性の向
上に有効である。また２次硬化元素であるため、高温焼
もどしによる硬さ確保に有利である。これら効果を発揮
するためには、■とＮｂの１種または２種を（Ｖ＋Ｎｂ
／２）で少なくとも０．１５％以上必要である。しかし
、この型の炭化物は多量になると連鎖状に分布し、分布
方向の靭性を劣化させるだけでなく、熱処理によってほ
とんど変化しない。このため後に述べるＭＣ型炭化物量
の規定から上限を２．５％とした。

Ｎｉ、Ｃｏはともに基地に固溶して靭性や焼付性を改善
する効果がある。またＮｉは焼入性の向上にも寄与する
。このためには、ＮｉとＣＯの１種または２種を（Ｎｉ
＋Ｃｏ）で少なくとも０．３％以上必要であるが、過剰
の添加はともに熱処理硬さを低下させるため上限を１．
５％とした。

Ｍｎは通常脱酸剤として添加されるが、１％を越えると
熱間加工性を害するだけでなく、被削性を劣化させるた
めこれを上限とした。

Ａｓ、Ｓｎ％　Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｂｉは、凝固時に粒界
部に濃縮し、熱間加工後の縞状の偏析度を高めて靭性を
低下させ、また熱処理時オーステナイト粒界に偏析する
ので、最終的に特に結晶粒界に残存して転造ダイスとし
て必要な靭性の水準を低下させる。またＰｂは熱間加工
方向に伸びて靭性を低下させる。

本発明は、前述のように炭化物組織を規制するとともに
、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ％Ｐｂ、Ｂｉといった微
量不純物元素の含有量を特に低く抑えることにより、転
造ダイスに必要な靭性向上を図ったものである。本発明
者の検討によるとＡｓ、　　Ｓｎ等の含有量の合計は、
０．１３％以下にすると粒界への偏析が軽減され、転造
ダイスに生じた微小クラックの進展が阻止されることを
後述の抗折試験片および転造ダイスの破断部のミクロ組
織観察により確認した。なお、各成分の望ましい規制量
は、Ａｓ　０．００５％以下、Ｓｎ　０．００３％以下
、Ｓｂ　０．００１５％以下、Ｃｕ　０．０８％以下、
Ｂ　０．０００５％以下、Ｐｂ０．０００２％以下、Ｂ
ｉ　０．０００１％以下である。

Ｓは特にＭｎと非金属介在物（ＭｎＳ）を形成し、圧延
方向に伸びた状態で分布する傾向を持つ。この場合、特
に圧延方向の靭性が低下する。転造ダイスにおいては、
刃部の圧造方向にこの非金属介在物が並ぶと、刃の欠損
につながるためできるだけ低Ｓとすることが望まれる。

この点について検討したところ、０．００４％以下のＳ
において、改善効果が見られたのでこれを上限とした。

Ｐは、転造ダイスの刃部に作用する衝撃力に耐えるため
に低い方がよい。特に０．０１５％以下にすると衝撃値
の縦横の異方性を小さくできるために転造ダイスの寿命
向上に寄与する。

前述したように、転造ダイス材の寿命を大きく左右する
のは、凝固時に晶出する１次炭化物である。したがって
、本発明の効果を十分発揮するためには本発明の成分範
囲において、さらに１次炭化物の量を規定する必要があ
る。従来の５ＫＤ１ルベルでは、Ｍ、　Ｃ，型の１次炭
化物の面積率は、１０〜１２％であった。Ｍ、Ｃ，型１
次炭化物を種々の面積率を示す材質について靭性、どの
関連を調査したところ、９％以下において改善効果が見
られるため、これを上限とした。しかし工具としての耐
摩耗性も必要であり、完全になくすことはできない。耐
摩耗性の面からは少なくとも２％以上必要である。

ＭＣ型炭化物は、耐摩耗性に大きな効果があるだけでな
く、凝固時にＭ７Ｃ３型炭化物に先立って晶出し、Ｍ、
　Ｃ，型炭化物の分布状態を改善する効果もある。しか
し、面積率で２．５％を越えると靭性が低下してくるた
め、これを上限とした。

本発明鋼を製造するには、Ｓ、ＰおよびＡｓ、Ｓｎ、Ｓ
ｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉなどの不純物を低め、非金属
を最少限に調整して靭性の向上を図るために真空溶解、
真空脱ガスおよびエレクトロスラグ溶解から選ばれる１
種または２種以上の精錬方法を適用することが望ましい
。さらに上述のＭ、Ｃ，型およびＭＣ型の１次炭化物量
を調整する手段として、本発明鋼の製造するに当って鋼
塊または鋼塊を熱間加工する過程で、少なくとも１回以
上１１５０−１２５０℃で保持し高温拡散処理する工程
を含むことが望ましい、拡散温度は１１５０℃未満だと
十分な元素の拡散、均質化が行なわれないため、下限を
１１５０℃とし、１２５０℃を越えると一部炭化物が溶
融し、機械的強度を下げるため上限を１２５０℃とする
。

［実施例］以下、本発明を実施例に基づいて説明する。第１表は本
発明鋼を評価するために従来鋼および比較鋼とともに製
造した本発明鋼の化学成分を示すものである。供試鋼Ｎ
ｏのうち、Ｎｏ、１が従来鋼であり、Ｎｏ、ｌ、２は基
本成分は本発明の成分範囲内にあるが、Ａｓ、Ｓｎ等の
不純物およびＭ７Ｃ３型炭化物の多いものである。供試
鋼Ｎｏ、１については高周波溶解、供試鋼Ｎｏ、２ない
しＮｏ、６については真空誘導溶解、供試鋼Ｎｏ、７と
Ｎｏ、８についてはＥＳＲ溶解、および供試鋼Ｎｏ、９
ないしＮｏ、１１については、真空脱ガス処理を行なっ
たものである。

供試鋼Ｎ　ｏ、３ないしＮｏ、１１の本発明鋼の鋼塊に
ついては、１次炭化物、特にＭ７Ｃ３型炭化物を調整す
るために、１１７０℃で２０時間保持する高温拡散処理
を行なった。

この高温拡散処理の条件は、１次炭化物が溶融しない範
囲でできるだけ高い温度が望ましいので、温度としては
１１５０〜１２５０℃の範囲が最適である。

すべての鋼塊は鍛造圧延により、断面寸法が１０１００
ｍｍＸ１００の鋼片とした。この鋼片に焼なまし処理を
行ない供試材とした。

−３３：抗折試験片は、鋼片の圧延方向（以下り方向という）と
圧延方向に直角な方向（以下Ｔ方向という）よりφ５Ｘ
７０ｍｍαの試験片を採取し、所定の焼入れ焼もどしを
行ない試験に供した。なお、焼もどしは二次硬化を示す
範囲での高温焼もどしである。

抗折試験は２点支持で、支点間隔５０Ｉｌ１１１で行な
い、ミクロ組織の炭化物の定量はＬ方向とＴ方向の試料
の平均値として表わした。これらの結果を第２表にまと
めて示す。

本発明鋼は、ＨＲＣ６２以上の高い硬さが得られるとと
もに一次炭化物の調整および不純物の規制により、従来
材に比較して高い抗折力と大きなたわみが得られ、靭性
の優れた材質であることがわかる。

また、本発明鋼と類似する比較鋼でも、−吹成化物の多
いものは抗折力が小さいこと、さらに不純物の多い供試
鋼Ｎｏ、　１、Ｎｏ、２に比較して大きく、本発明鋼の
靭性値の縦横の差異が小さいことがわかる。

また耐摩耗性について、大越式摩耗試験を行なった結果
を同時に示した。これは相手材を５ＫＤ６１　（ＨＲＣ
４０）とし、摩擦速度１．３７ｍ／ｓ、摩擦距離４００
　ｍ、最終荷重６．３ｋｇの条件で試験を行ない、摩耗
体積を測定し、従来鋼の摩耗体積を１００とした場合の
指数である。比較鋼はＭ７Ｃ３型炭化物およびＭＣ型炭
化物量が多く耐摩耗性に優れているが靭性で劣る。本発
明鋼は靭性を重視した材質であるが、耐摩耗性において
も従来鋼と遜色なく、またＭＣ型炭化物の多い供試＄ｑ
Ｎｏ、５、Ｎｏ、１１では従来鋼より優れていることが
わかる。

〔発明の効果〕

本発明は、従来の転造ダイスの廃却原因の解析に基づき
なされたものであり、１次炭化物を適正化すること、お
よび不純物を規制することにより、高硬度でしかも高い
靭性を有する転造ダイス用鋼を開発したものである。本
発明により、過酷な転造条件においても、長寿命を有す
る転造ダイスを製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ０．７０〜
１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ０．００４％以下、
Ｃｒ６．０〜１０．０％、ＭｏとＷの１種または２種を
Ｍｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％、ＶとＮｂの１種また
は２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５〜２．５％を含み、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、焼入
れ焼もどし組織における、Ｍ＿７Ｃ＿３型炭化物の面積
率が２％以上９％以下、ＭＣ炭化物の面積率が２．５％
以下である転造ダイス用鋼であって、不純物であるＡｓ
、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉの合計量が０．１
３％以下であることを特徴とする転造ダイス用鋼。２　重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ０．７０〜
１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ０．００４％以下、
Ｃｒ６．０〜１０．０％、ＭｏとＷの１種または２種を
Ｍｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％、ＶとＮｂの１種また
は２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５〜２．５％、ＮｉとＣ
ｏの１種または２種をＮｉ＋Ｃｏで０．３〜１．５％を
含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有
し、焼入れ焼もどし組織における、Ｍ＿７Ｃ＿３型炭化
物の面積率が２％以上９％以下、ＭＣ炭化物の面積率が
２．５％以下である転造ダイス用鋼であって、不純物で
あるＡｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉの合計量
が０．１３％以下であることを特徴とする転造ダイス用
鋼。３　重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ０．７０〜
１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ０．００４％以下、
Ｐ０．０１５％以下、Ｃｒ６．０〜１０．０％、Ｍｏと
Ｗの１種または２種をＭｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％
、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５
〜２．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物から
なる組成を有し、焼入れ焼もどし組織における、Ｍ＿７
Ｃ＿３型炭化物の面積率が２％以上９％以下、ＭＣ炭化
物の面積率が２．５％以下である転造ダイス用鋼であっ
て、不純物であるＡｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、
Ｂｉの合計量が０．１３％以下であることを特徴とする
転造ダイス用鋼。４　重量％でＣ０．９０〜１．３５％、Ｓｉ０．７０〜
１．４０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｓ０．００４％以下、
Ｐ０．０１５％以下、Ｃｒ６．０〜１０．０％、Ｍｏと
Ｗの１種または２種をＭｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％
、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５
〜２．５％、ＮｉとＣｏの１種または２種をＮｉ＋Ｃｏ
で０．３〜１．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不
純物からなる組成を有し、焼入れ焼もどし組織における
、Ｍ＿７Ｃ＿３型炭化物の面積率が２％以上９％以下、
ＭＣ炭化物の面積率が２．５％以下であることを特徴と
する転造ダイス用鋼であって、不純物であるＡｓ、Ｓｎ
、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉの合計量が０．１３％以
下であることを特徴とする転造ダイス用鋼。５　真空溶解、真空脱ガスおよびエレクトロスラグ溶解
から選ばれる１種または２種以上の精錬方法により鋼塊
を製造する工程、該鋼塊または該鋼塊を熱間加工する過
程で、少なくとも一回以上１１５０〜１２５０℃で保持
し、高温拡散処理する工程を含む請求項１ないし４のい
ずれかに記載の転造ダイス用鋼の製造法。