JPH0243346A - 熱間加工用工具鋼 - Google Patents

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〕 本発明は常温強度、高温強度に優れ、かつ十分な焼入性
を備えており、実用上十分な靭性を備えていることを特
徴とする熱間加工用工具鋼に関するものである。さらに
詳しくは、近年のアルミダイカスト技術における鋳造合
金溶湯温度の上昇または、寸法精度向上のための熱間鍛
造型のシャープコーナー化など使用条件の過酷化に耐え
るための高温域の強度が優れ、かつ大割れを生ぜず長寿
命の金型に代表される熱間加工用工具鋼に関する。

〔従来の技術〕

従来、アルミダイカスト型材としては、５ＫＤ６１が広
く使用されてきた。しかし近年、ダイカスト製品が複雑
形状化し、寸法精度、耐摩耗性も向上させたいという製
品からの要請に応じて、鋳造合金の溶湯温度を上昇させ
たり、成形圧力を高めるなど型材に負荷される応力が過
酷化している。

このため、５ＫＤ６１では高温域での強度や軟化抵抗が
不足し、ヒートクラックが発生し易く早期に型寿命に至
るので、５ＫＤ６１での対応は困難であった。

また、熱間鋳造技術の分野でも、成形品の歩留向上のた
め、成形品の寸法精度の高い閉塞鍛造の技術が進み、金
型に対する負荷が増し、やはり５ＫＤ６１での対応は困
難である。

これらの分野には、５ＫＤ６１より強度の優れた５ＫＤ
７．５ＫＤ８が使用されてきたが、焼入性の不足に伴う
靭性面や、鋼材の熱間加工方向に整列する炭化物の紐状
分布に沿う縦方向の耐割れ性に問題があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来鋼５ＫＤ７．５ＫＤ８の問題点の改善につ
いて特公昭５６−５４３７９号、特開昭５４−５０４２
１号、特開昭６２−１４９８５２号等、種々提案がなさ
れ、一定の改善効果が得られているものの、未だ、型寿
命を十分満たしたものではなかった。これらの問題点は
主に高温下で強度、耐力および軟化抵抗が十分でないた
め、ヒートクラックが発生しやすいことにあった（具体
的には後述の実施例で示す）。

本発明は従来鋼の問題点である高温強度、靭性を改善し
、かつ炭化物の紐状分布を少なくし、高温でのヒートク
ラックの発生伸展を抑え、かつクラックが熱間加工方向
へ伸展しにくい型材を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明鋼の化学組成は、炭化物形成元素の量、成分間の
バランスについて系統的な検討を行ない、高温強度、靭
性の両面がらの最適化をはかり、かつ素材の炭化物の紐
状分布の形成傾向を減じ、適量の炭化物を分散分布させ
ることから決定されたものである。

本発明鋼は、併せて、Ｎ添加による結晶粒の微細化効果
が、Ｎ１添加による基地の本質的な靭性改善とあいまっ
て、特に優れた靭性が付与されている。

また、熱間での耐摩耗性付与のためにＧｏを添加し、使
用時の昇温により型表面に緻密で固着性の大きい酸化皮
膜を形成させ、これによる潤滑作用および断熱効果によ
り母材の強度、適量の炭化物分布とあいまって、温間お
よび熱間での耐摩耗性、耐肌あれ性を大幅に改善したも
のである。

すなわち本発明は、重量％でＣ０．３６〜０．５％。

Ｓｉ　１．００％以下、Ｍｎ１．００％以下、Ｃｒ　２
．６０−４．００％、ＷとＭｏの１種または２種が１．
／２Ｗ＋Ｍｏで２．６０−３．５０％、　Ｖ　０．７１
〜１．５％、Ｎｉ　１．２０％以下、Ｓ　０．００５２
以下、および場合によっては、Ｃｏ　０．５０〜５．０
０％。

Ｎ　０．１０％以下を適宜含有し、残部Ｆｅおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする熱間加工用工具鋼
である。

〔作用〕

次に本発明鋼の成分範囲の限定理由について述べる。

Ｃは、本発明鋼の優れた焼入性、焼もどし硬さ、および
高温硬さを維持し、またＷ、Ｍ０．■およびＣｒなどの
炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、結晶粒の微
細化、耐摩耗性、焼もどし軟化抵抗、高温硬さを与える
ために添加するものである。Ｃは多すぎると靭性を低下
させ、また紐状の炭化物分布を過度に生じさせるので０
．５０％以下とし、少なすぎると上記添加の効果が得ら
れないので、含有量を０．３６％以上とする。

Ｓｉは、Ａ３変態点を高めることと用途に応じた耐酸化
性を付与するために添加されるが、過剰の添加は、使用
中の昇温による保護性酸化皮膜を形成させに＜＜シ、ま
た靭性、熱伝導性を低下させるので１．００％以下とす
る。

Ｍｎは、焼入性を向上させるが、多すぎるとＡ１変態点
を過度に低下させ、焼なまし硬さを過度に高くし、被切
削性を低下させるので１．００％以下とする。

Ｎ］はＣ、Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｍ０．Ｗなどとともに、本
発明鋼に優れた焼入性を付与し、緩やかな焼入冷却速度
の場合にも、マルテンサイト主体の組織を形成し、靭性
の低下を防ぐための重要な添加元素である。また基地の
本質的な靭性改善を与える。

Ｎ１は」二記効果を得るために添加されるが、多ずぎる
とＡ１変態点を過度に高くして機械加工性を低下させる
ので、１．２０％以下とする。

Ｃｒは、適正な添加量の設定により焼もどし軟化抵抗、
および高温強度、Ｃと結合して炭化物を形成することに
よる耐摩耗性および焼入性をそれぞれ向」ユさせ、また
迅速窒化性を付与する効果を有するものである。Ｃｒは
低すぎると耐酸化性が不足し、使用時に肌あれを生じや
すく、上記の添加効果と共に本発明鋼の特徴である優れ
た靭性を得るために２．６０％以上添加する。高すぎる
と昇温時凝集しやすい炭化物を形成し、軟化抵抗、高温
強度を低下させるので４．００％以下とする。

Ｗ、Ｍｏは、焼入加熱時、基地に固溶しにくい炭化物を
形成して耐摩耗性向上に効果をもたらすものであり、ま
た焼もどし時に微細な炭化物を析出して軟化抵抗、高温
強度を増加させる効果を有するものである。

Ｗ、Ｍｏは上記の効果を得るために添加されるものであ
り、ＷとＭｏは１種または２種から選ばれて添加できる
。これは１／２ＷとＭｏの量がその添加効果において等
価であるからである。Ｗおよび／またはＭｏは多すぎる
と、Ｃ量の関係において、炭化物量が多くなりすぎて、
これが熱間加工方向に紐状に整列し、熱間加工方向への
クラックが伸展しやすくなり、また焼もどし時析出する
微細炭化物量が過度に増え靭性を低下させるため、］／
２Ｗ　＋Ｍｏで３．５０％以下とし、低すぎると上記添
加の効果が得ら九ないので２．６０％以上とする。

■は昇温時にも固溶しにくい炭化物を形成して耐摩耗性
および耐焼付性の向上に効果を有するものであり、焼入
加熱時に基地に固溶して焼もどし時に微細な凝集しにく
い炭化物を析出し、高い温度域における軟化抵抗を大と
し、大きな高温耐力を与えるための重要な元素である。

また、■は結晶粒を微細化して靭性を向上させるととも
に、Ａ１変態点を上げるので、優れた高温耐力とあいま
って耐ヒートクラツク性を向−１−させる効果をもたら
すものである。

本発明鋼の特徴である優れた靭性と高温強度の兼備のた
めにＶ量の適量の設定は非常に重要である。■は多すぎ
ると巨大な炭化物を生成し、熱間方向に沿う紐状炭化物
の分布傾向を増大させ、熱間方向に沿うクラックの伸展
を助長するため、１．５０％以下とし、低すぎると型表
面部の早期軟化をまねくなど上記添加の効果が得られな
いので０．７１％以上とする。

ＣＯは、使用中の昇温時、極めて緻密で密着性の良い保
護酸化皮膜を形成し、これにより金型表面と相手材との
間の金属接触がなくなり、金型表面の温度上昇を防ぐと
共に優れた耐摩耗性をもたらすものである。

また、この保護酸化皮膜形成により断熱効果が高まり、
面と相手材との間の金属接触がなくなり、金型表面を保
護することによる耐ヒートクラツク性の向上およびクラ
ック発生の起点の成形の抑制などの効果が得られるもの
である。

ＣＯは上記効果を付与するために添加するが、多すぎる
と靭性を低下させるので５．００％以下とし、低すぎる
と上記添加の効果が得られないので０．５０２以上とす
る。

Ｎは結晶粒の微細化効果をもたらし、本発明鋼の靭性向
上をもたらすもので、この目的のために添加を行なう。

多量の添加は必要なく、溶製、造塊時の製造性を考慮し
て、０．１０％以下とする。

ＳはＭｎと硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて分布
し、熱間加工方向の靭性を低下させるので少ない方がよ
い。これに及ぼすＳの影響は、０．００５％以下でその
効果が大きくなり、さらにＳ０．００３％以下でその効
果が際立って大きくなることを見出したものでＳの上限
を０．００５％とし、−層望ましい範囲を０．００３％
以下とする。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

第１表に本発明鋼および従来鋼の化学組成を示す。

第２表に本発明鋼および従来鋼の標準的な熱処理条件に
おける高温強度を示す。

高温強度は６５０℃、７００℃における引張強さで示す
。

本発明鋼（Ａ−Ｆ）は従来鋼Ｇ（ＳＫＤ６１）に対し高
温強度が明らかに優れている。

また、本発明鋼を従来鋼Ｊ（特公昭５６−５４３７９号
に開示される鋼）、従来鋼Ｌ（特開昭６２−１４９８５
２号に開示される鋼）と比較すると６５０℃では強度の
差は比較的小さいが、７００℃で比較すると強度が明ら
かに優れている。これは本発明鋼の大きな特徴であり、
金型表面が６５０℃以上に昇温する用途の金型に本発明
鋼が使用されるとき、金型表面のヒートクラックや塑性
流動が起こりにくいことを示している。

第 表 第 表 次に、本発明鋼の高温強度と従来鋼Ｈ（ＳＫＤ７）、従
来鋼Ｉ（ＳＫＤ８）、従来鋼Ｋ（特開昭５４５０４２１
号）の高温強度とを比較すると同等ないしは従来鋼の方
が若干優れた値を示す。

第３表は、第１表に示す本発明鋼および従来鋼試料を半
冷時間３０ｍ１ｎ　（焼入温度と室温との中間温度まで
降温するまでの所要時間が３０ｍ１ｎとなるような冷却
速度）で焼入後、ＨＲＣ４５に焼もどした場合の破壊靭
性値（Ｋ　ＩＣ）を示す。

従来鋼Ｈ（ＳＫＤ７）、従来鋼Ｋ（特開昭５４５０４２
１号に開示される鋼）の場合は、半冷３０ｍｊｎの焼入
で上部ベイナイト主体の組織となるため、焼もどし後十
分な靭性が得られない。また従来鋼Ｉ（ＳＫＤ８）の場
合は、組織中に存在する炭化物が多すぎ靭性が低い。そ
のうえ、金型でテスト使用した結果では紐状に分布した
炭化物にそった大割れが早期に起こる頻度が多かった。

これに対し、本発明鋼は従来鋼Ｊに準する靭性値を備え
ている。

すなわち、従来鋼（Ｇ−Ｌ）は高温強度が優れる場合に
は、靭性が劣り（従来鋼Ｈ，Ｉ、Ｋ）、逆に靭性が優れ
る場合には、高温強度が劣る（従来鋼Ｇ。

Ｊ、Ｌ）のに対し、本発明鋼は高温強度、靭性の両者を
兼備していることがわかる。

第４表に本発明鋼の耐ヒートクラツク性試験結果を示す
。この試験結果は、１５ｗｎφ×２５ｍの試験片の表面
を６８０℃に急熱し、水中で２０°Ｃに急冷する操作を
１５００回繰り返した結果である。

本発明鋼は、従来鋼Ｇ、Ｊに比ベヒートクラック個数が
少ない。これは本発明鋼の大きな特色の一つであり、ヒ
ートクラックが発生しにくいことを示すものである。ヒ
ートクラックの深さは従来鋼と大差がない。

第５表は、本発明鋼の高温焼付試験における焼付臨界荷
重（比）を示す。試料は、円柱状試料で、熱処理、研磨
仕上後あらかじめ５５０°Ｃにおける空気酸化処理を行
なったのち、７００℃に加熱した鋼材（相手材）に高速
で回転しながら端面を押しつけた場合の焼付が起こらな
い最大荷重（臨界荷重）を求め、従来鋼Ｈ（ＳＫＤ７）
の焼付臨界荷重を１００として指数で示したものである
。

本発明鋼は、従来鋼より明らかに焼付臨界荷重が高いこ
とがわかる。

これは、本発明鋼は高温強度が高く、炭化物の適正な分
布などによる耐摩耗性付与効果に加えて、上記酸化処理
により本発明鋼の試料表面に形成された緻密で剥離しに
くい酸化皮膜による保護作用、ならびに潤滑作用による
ものであり、本発明鋼の大きな特色の一つである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本願発明鋼は、ダイカスト型、熱間
鍛造型などの熱間加工用工具に使用されるのに十分な焼
入性を備えつつ、高温域の強度に優れた特性を有し、ま
た優れた酸化皮膜特性を備えている。そのため、工具の
へたり、ヒートクラック、大割れ、摩耗が生じにくく工
具寿命を延ばすことができるので、その効果は非常に大
きい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％でＣ０．３６〜０．５％、Ｓｉ１．００％以
   下、Ｍｎ１．００％以下、Ｃｒ２．６０〜４．００％、
   ＷとＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．６０
   〜３．５０％、Ｖ０．７１〜１．５％、Ｎｉ１．２０％
   以下、Ｓ０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不
   純物からなることを特徴とする熱間加工用工具鋼。 ２　重量％でＣ０．３６〜０．５％、Ｓｉ１．００％以
   下、Ｍｎ１．００％以下、Ｃｒ２．６０〜４．００％、
   ＷとＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．６０
   〜３．５０％、Ｖ０．７１〜１．５％、Ｎｉ１．２０％
   以下、Ｃｏ０．５０〜５．００％、Ｓ０．００５％以下
   、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴と
   する熱間加工用工具鋼。 ３　重量％でＣ０．３６〜０．５％、Ｓｉ１．００％以
   下、Ｍｎ１．００％以下、Ｃｒ２．６０〜４．００％、
   ＷとＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．６０
   〜３．５０％、Ｖ０．７１〜１．５％、Ｎｉ１．２０％
   以下、Ｓ０．００５％以下、Ｎ０．１０％以下、残部Ｆ
   ｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間
   加工用工具鋼。 ４　重量％でＣ０．３６〜０．５％、Ｓｉ１．００％以
   下、Ｍｎ１．００％以下、Ｃｒ２．６０〜４．００％、
   ＷとＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．６０
   〜３．５０％、Ｖ０．７１〜１．５％、Ｎｉ１．２０％
   、以下、、Ｃｏ０．５０〜５．００％、Ｓ０．００５％
   以下、Ｎ０．１０％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純
   物からなることを特徴とする熱間加工用工具鋼。