JPH028347A

JPH028347A - 温間および熱間加工用工具鋼

Info

Publication number: JPH028347A
Application number: JP15647988A
Authority: JP
Inventors: Toshio Okuno; 奥野　利夫; Isao Tamura; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1990-01-11
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JP2602903B2

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、耐摩耗性が良好で、かつ十分な焼入
性を備えており、特に高温強度、靭性が優れていること
を特徴とする温間および熱間加工用工具鋼に関するもの
である。

〔従来の技術〕

温間鍛造、熱間精密プレス鍛造用の金型など鍛遭製品の
寸法精度が特に優れていることが要求される用途の金型
に対しては、従来高温強度の特に高い熱間工具鋼５ＫＤ
８や常温〜高温強度の高い高速度工具鋼系型材（例えば
５ＫＨ５１）が使用されている。

しかし、５ＫＤ８の場合、低〜中Ｃ量のため高い常温強
度（初期硬度）が得難いため、加工温度が低い場合、へ
たり、摩耗を早期に生ずる場合があり、また加工温度が
高い場合でも、表面層を支える内層の強度が十分でない
場合があった。

一方在来の高速度工具鋼（例えば５ＫＨ５１）を本分野
の金型に適用した場合、靭性不足による大割れが生じや
すい、高温下での軟化抵抗が十分でないため、ヒートク
ラックが発生し易いなどの問題点より十分な型寿命が必
ずしも得られていない。

また、従来鋼は炭化物形成元素を多量に含むため鋼材に
熱間加工方向に沿う炭化物の紐状分布を生じ、上記の大
割れ、ヒートクラックの発生を助長していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来鋼５ＫＤ８．５ＫＨ５１の問題点の改善に
ついて特公昭５５−２４６６号、特公昭５７−２６３４
２号、特開昭６２−１１２７６１号、特公昭５５−４９
１４８号、特公昭５８−１７２５０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
寿命に対する要求を十分満たしたものではなかった。そ
れぞれの問題点は実施例の項にて述べる。

本発明鋼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抑え、高温でのへたりに強
く、かつクラックの熱間加工方向への進展しにくい型材
を開発し、問題点を解決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、バランスに
ついて系統的な検討を行ない、高温強度、靭性の両面か
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たものであ
る。

併せて、Ｎｂ添加さらにはＮ添加による結晶粒の微細化
に特徴を有する。すなわち、特に型材の昇温温度が高い
場合、軟化抵抗を高めるために焼入温度を高くすること
が有効であるが、結晶粒粗大化により靭性が低下する。

これを抑えるためにはＮｂの添加が特に効果的である。

この効果は、Ｎｉを含有せしめることにより更に顕著と
なる。

すなわち、Ｎｉ添加による基地の本質的な靭性改善とあ
いまって、特に優れた靭性付与を可能とするのである。

また温、熱間での耐摩耗性付与のためにＣＯ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、耐肌荒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Ｃ０．４５〜０．７％、Ｓ
ｉ　０．６０％以下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ　３．
００−５．５０％。

ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００−３．５０％、Ｖ　０．８０−１，６０％、Ｃｏ　
０．３０−５．００％。

Ｓ　０．００５％以下、Ｎｂ　０．２０％以下、および
場合によってはＮｉ　１．８％以下、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温間および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、本発明の優れた焼入性、焼もどし硬さ、および高
温硬さを与えるために添加するものである。多すぎると
靭性を低下させ、また紐状の炭化物分布を生じさせるの
で０．７０％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０．４５％以上とする。

Ｓｉ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０．６
０％以下とする。更に望ましくは０．３０％以下である
。

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１．５０％以下とする。

Ｎｉは、Ｃ，Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍ０．Ｗなどとともに本発明
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。

Ｎｉは上記効果を得るために添加されるが、多すぎると
Ａ１変態点を過度に低下させ、耐へたり寿命の低下をま
ねき、焼なまし硬さを過度に高くして機械加工性を低下
させるので、含有せしめる場合には１．８０％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
よび高温強度の向上、Ｃと結合して炭化物を形成するこ
とによる耐摩耗性の向上、焼入性の向上および迅速窒化
性付与の効果を有するものである。低すぎると耐酸化性
が不足し、使用時肌荒れを生じやすく、上記の添加効果
とともに本発明鋼の特徴である優れた靭性を得るために
３．００％以上添加する。高すぎると昇温時凝集し易い
炭化物を形成し、軟化抵抗、高温強度を低下させるので
５．５０％以下とする。

Ｗ、Ｍｏは単独または複合で添加することができ、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
るが、多すぎるとＣ量との関係において炭化物量が過度
に大となり、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大となり靭性を低下
させるため、ＷおよびＭｏの１種または２種を１／２Ｗ
＋Ｍｏで３．５０％以下とし、低すぎると上記添加の効
果が得られないので、　２．００％以上とする。

Ｗ添加はＭｏ添加の場合よりも高温強度、耐摩耗性を高
める効果が大きく、一方靭性面ではＭ。

の方が有利である。

■は炭化物を形成して耐摩耗性および耐焼付性に向上効
果を有するものであり、焼入加熱時基地に固溶して焼も
どし時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。

また結晶粒を微細化して靭性を向上させるとともに、Ａ
１変態点を上げ、優れた高温耐力とあいまって、耐ヒー
トクラツク性を向上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量の設定は非常に重要である。

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、１．６０％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０．８０％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、これにより相手材との間の金属接
触を除き、金属表面の温度上昇を防ぐとともに優れた耐
摩耗性をもたらすものである。

また、この酸化皮膜形成による断熱効果、保護作用によ
る耐ヒートクラツク性の向上、クラック発生の起点の生
成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０．３０％以上とす
る。

Ｎｂは、軟化抵抗、高温強度を高めるために、高目の温
度で焼入する時の結晶粒粗大化を抑制する効果を有し、
本発明鋼の特徴である優れた高温強度と靭性の兼備をも
たらすための重要な元素である。

多すぎると、固溶しにくい炭化物を形成し、靭性を低下
させるため０．２０％以下とする。

Ｓは硫化物を形成し、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。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
Ｓ　Ｏ．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ｏ．ｏｏｓ％とし、い
っそう望ましい範囲を０．００３％以下とする。

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。

〔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、比較鋼および従来鋼の化学組成を示
す。第２表は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とＴ方向の靭性を示す。

高温強度は１２０ｎｙｎφ鋼材からＬ方向（鍛伸平行方
向）に採取した試料による７００℃における引張強さで
示し、Ｔ方向の靭性は１２０ｍφ鋼材からＴ方向（鍛伸
直角方向）に採取した試料による１００ｍｍＲシャルピ
ー衝撃試験の結果で示す。

第表本発明鋼は従来鋼に対しＴ方向の靭性が明らかに優れて
いる点に大きな特徴がある。

これは本発明鋼は基地の靭性が高いのに加え、残留炭化
物の紐状分布の形成傾向や縞状偏析の傾向が小さいため
である。従来鋼を用いた工具では紐状に分布した炭化物
に沿った大割れが早期に起ったり、熱応力により発生し
たヒートクラックが紐状に分布した炭化物に沿って伸展
し易く工具表面の損傷が早く、十分な工具寿命が必ずし
も得られていなかったが、本発明鋼を用いることにより
、大割れの発生が無くなり、また工具表面の損傷による
工具寿命も向上した。また高温強度についても従来鋼の
場合と同等以上の強さを備えている。

次に、本発明鋼と従来鋼の特性を比較し、それぞれの問
題点を指摘しておく。

従来鋼Ｌ（特公昭５５−２４６６号）は、Ｔ方向の靭性
が低い。これはＶ量に対しＣ量が高すぎ、ＶＣ炭化物が
鍛伸方向に紐状に分布しているためである。

従来鋼Ｍ（特公昭５７−２６３４２号）も、同様にＴ方
向の靭性が低い。ｖ、Ｃ量が高すぎ、ＶＣ炭化物の鍛伸
方向への紐状分布傾向が強いのに加え、Ｗ、Ｍｏ量が多
すぎ、焼もどし時の析出炭化物量が多すぎるためである
。

従来鋼Ｎ（特開昭６２−１１２７６１号）は、残留炭化
物の紐状分布は無いものの、Ｗ、Ｍｏ量が多すぎ、本発
明鋼より靭性が下回ることと、高温強度に寄与するＶ量
が低すぎ、この面でも本発明鋼より下回っている。

従来鋼Ｏ（特公昭５５−４９１４８号）は靭性が低い。

これは含有Ｓｉ量が高すぎるためである。

従来鋼Ｐ（特公昭５８−１７２５０号）は、高温強度が
低い。これは高温下の加熱で炭化物の雄集を促進するＣ
ｒを多量に含むためである。

第３表は本発明鋼Ｆおよび比較鋼Ｉの焼入温度と焼入組
織のオーステナイト結晶粒度、高温強度および靭性（Ｌ
方向１０　ｎｗｎ　Ｒシャルピー衝撃値）の関係を示し
たものである。

第３表から本発明鋼Ｆおよび比較鋼■ともに焼入温度が
高いほど高温強度が増すことが明らかであるが、比較鋼
重は焼入温度の上昇とともに靭性が低下する。これは焼
入温度の上昇とともに焼入組織のオーステナイト結晶粒
が粗大化し、組織が粗くなるためである。これに対し、
Ｎｂを添加した本発明鋼Ｆは焼入温度が上昇しても靭性
が低下しない。これはＮｂがオーステナイト結晶粒の粗
大成長を防ぐためであり、特に高温強度、軟化抵抗が重
要な用途に対してはＮｂの重要性が認識される。

第４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℃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らない最大
荷重（臨界荷重）を求め、従来鋼（ＳＫＨ５１）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、高温強度、炭化物分布などによる耐摩耗性付与
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し１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。

第４表＝１７〔発明の効果〕

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．４５〜０．７％、Ｓｉ０．６０％以
下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ３．００〜５．５０％、
ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００〜３．５０％、Ｖ０．８０〜１．６０％、Ｃｏ０．
３０〜５．００％、Ｓ０．００５％以下、Ｎｂ０．２０
％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする温間および熱間加工用工具鋼。２　重量％でＣ０．４５〜０．７％、Ｓｉ０．６０％以
下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ３．００〜５．５０％、
ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００〜３．５０％、Ｖ０．８０〜１．６０％、Ｎｉ１．
８％以下、Ｃｏ０．３０〜５．００％、Ｓ０．００５％
以下、Ｎｂ０．２０％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温間および熱間加工用工
具鋼。３　重量％でＣ０．４５〜０．７％、Ｓｉ０．６０％以
下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ３．００〜５．５０％、
ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００〜３．５０％、Ｖ０．８０〜１．６０％、Ｃｏ０．
３０〜５．００％、Ｓ０．００５％以下、Ｎｂ０．２０
％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温間および熱間加工用工
具鋼。４　重量％でＣ０．４５〜０．７％、Ｓｉ０．６０％以
下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ３．００〜５．５０％、
ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００〜３．５０％、Ｖ０．８０〜１．６０％、Ｎｉ１．
８％以下、Ｃｏ０．３０〜５．００％、Ｓ０．００５％
以下、Ｎｂ０．２０％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温間
および熱間加工用工具鋼。