JPH03134135A

JPH03134135A - 熱間加工用工具鋼

Info

Publication number: JPH03134135A
Application number: JP27091789A
Authority: JP
Inventors: Isao Tamura; 庸田村; Toshio Okuno; 奥野　利夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1991-06-07

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、高水準の高温強度、靭性を備え、耐ヒートク
ラツク寿命に優れ、かつ金型表面の切削再生が容易にで
きることを特徴とするプレス鍛造型などに用いられる熱
間加工用工具鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

自動車部品の大型化、エンジン馬力増による鋳鉄製から
スチール製への移行などの動きを背景として大型部品を
熱間鍛造により成形する用途が拡大した。この種の用途
に用いられる金型用鋼には吹のような特性が求められる
。

（１）使用中の応力に耐える強度をもつこと。

（２）使用時型表面は、高温まで温度が上がるため、高
温強度と軟化抵抗が良いこと。

（３）耐ヒートクラツク性に優れ、切削再生が容易にで
きること（４）金型が大寸法であるので焼入性に優れかつ割損を
生じないよう靭性の高いこと。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、この種の用途には靭性の優れるＳＫＴ系の金型材
や、既に特公昭５４−３８５７０号、特開昭５３−８０
３１８号にて提案されている金型材が使用されている。

しかし、ＳＫＴ系または特公昭５４−３８５７０号、特
開昭５３−８０３１８号にて提案された金型材は、高温
強度が不足するという問題があった。

また熱間加工用工具鋼として特開昭６２−１１２７６１
号、特開昭６３−１６２８４０号、特公昭５７−５１４
５６号、特開昭６２−１４９８５２号等に開示された鋼
が提案されている。

しかし、特開昭６２−１１２７６１号、特開昭６３−１
６２８４０号、および特公昭５７−５１４５６号にて提
案された鋼はいずれも高Ｃで高硬度（ＨＲＣ４８以上）
の鋼であ・す、本質的に靭性が不足し、本願発明が対象
とする大型のプレス鍛造金型には適用できない。

また、特開昭６２−１６１９４２号、特開昭６２−１４
９８５２号にて提案された鋼は、主に複雑形状のダイカ
スト金型に用いられるものである。この用途の型は、焼
なまし状態で型加工を行ない、この後に焼入れ焼もどし
を行なって作製されるが、焼入れ時の型の寸法変化を極
力避けるため、焼入れ時の冷却として徐冷が適用される
。したがって、特開昭６２−１６１９４２号、特開昭６
２−１４９８５２号の開示の鋼は、焼入性を重視した組
成からなり、やはり本願発明が対象とする大型のプレス
鍛造金型に適用することは困難である。

本願発明は、以上の背景に鑑み、特に高温強度を改善し
た熱間加工用工具鋼の提供を課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

熱間工具鋼の高温強度は、焼入れ焼もどし時に析出した
微細な炭化物によって付与される。

しかし、工具使用に伴う工具表面の昇温により、炭化物
の凝集が進行し、強度が低下してゆく。

炭化物の凝集速度を速める要因の１つとして炭化物形成
元素量に対し、炭素量が高いことが掲げられる。この場
合、炭素の活量が大きいため、炭化物凝集速度が大きく
なる。この点について本発明者は、炭素量と炭化物形成
元素の最適化について検討を行なった。

また、他の要因として焼入れ時に基地に固溶せず、残留
した比較的粒径の大きい炭化物の存在が掲げられ、この
粒径の大きい残留炭化物は、炭化物相互の凝集速度を速
める作用を持つ。これに対しては、焼入れ温度を高くし
、残留炭化物の量を減らすことが有効であるが、同時に
結晶粒の粗大化をまねき、靭性が低下する。これを抑え
るために、本願発明では、結晶粒の微細化に効果のある
Ｎｂを添加することにより、靭性低下を防止しつつ、残
留炭化物量を従来鋼より高い焼入温度で低減し、炭化物
の凝集を抑制して高温強度を確保せんとするものである
。

すなわち本発明は、重量％でＣ０．２５〜０．３５％、
ＳＬ　１．５％以下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ０．３−２％
、Ｃｒ２．５−４．５％、１／２Ｗ　＋Ｍｏ　０．２５
−３，５％、Ｖ　０．２−２％、Ｎｂ　０．０１〜０．
２％、Ｓ　０．００５％以下、および場合によっては、
Ｃｏ　０．５〜５％、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限定理由について述べる。

Ｃは、Ｗ、Ｍ０．■、ＮｂおよびＯｒなどの炭化物形成
元素と結合して炭化物を形成し、焼もどし軟化抵抗、高
温強度与えるために添加するものであるが、多すぎると
残留炭化物量を増やし、また焼もどし時に析出して高温
強度を付与する微細析出炭化物の成長、凝集の速度を速
める。このために、炭化物生成元素量とのバランスを考
慮して低めに抑える必要があり、上限を０．３５％とす
る。低すぎると焼入性、焼もどし硬さが不足するので、
含有量を０．２５％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１．５
０％以下とする。

Ｍｎは、焼入性を向上させるが、多すぎるとＡ。

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２．００％以下とする。

Ｎｉ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に寄与する。

Ｎｉは上記効果を得るために０．３％以上必要であるが
、多すぎるとＡ、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
加工性を低下させたので、２．００％以下とする。

Ｃｒは、適正な添加量の設定の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２．５％以上とする。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４．５０％以下とする。

Ｗ、Ｍｏは、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ので
、Ｃ量に応じてなるべく多量に添加するが、多すぎると
Ｃ量との関係において炭化物量が多くなり過ぎ、これが
熱間加工方向に紐状に整列して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
化物量が多くなりすぎ、靭性を低下させるため、１／２
Ｗ＋Ｍｏで３．５％以下とし、低すぎると上記添加の効
果が得られないので、０．２５％以上とする。

■は、固溶しにくい炭化物を形成して耐摩耗性および耐
焼付性に向上効果を有するものであり、焼入れ加熱時基
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
温強度を得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共にＡ、
変態点を上げ、優れた高温強度とあいまって、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。

多すぎると巨大な炭化物を生成し、熱間加工方向に沿う
紐状炭化物の分布傾向を増大させ、熱間加工方向に沿う
クラックの伸展を助長するため、上限を２％とする。一
方、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０．２０％以上とする。

Ｎｂは、軟化抵抗、高温強度を高めるために、高めの温
度で焼入れ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。低すぎると上記添加
の効果が得られないので０．０２％以上とする。

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、その効果が大きいことを見出
したものでＳの上限を０．００５％とする。

Ｃｏは、使用中の昇温時に極めて緻密で密着性の良い保
護酸化皮膜を成形し、これにより相手材との間の金属接
触を防ぎ、金属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０．５０％以上とす
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表に本発明鋼、比較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靭性を示す。

第２表高温強度は７００℃における引張強さで示し、靭性は２
　ｍｍ　Ｕノツチシャルピー衝撃試験の結果で示す。

本発明鋼（Ａ−Ｄ）は従来＠Ｆ　（ＳＫＴ４）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Ｇ（特公昭５４−３８５７０号
に開示される鋼゛）、従来鋼Ｈ（特開昭５８−８０３１
８号ニ開示される鋼）と比較しても明らかに優れている
。これは本発明鋼の標準的な焼入温度が従来鋼に比較し
て高いためである。一方靭性は、従来鋼と同等もしくは
それ以上である。これらのことから、金型表面が６００
℃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
いことが推測される。

第３表は、本発明ｓＤおよび比較＃ｌＥの焼入れ温度と
焼入組織のオーステナイト粒度、高温強度および靭性（
２ｍｍ　Ｕノツチシャルピー衝撃値）の関係を示したも
のである。第３表から本発明ａＤ比較ＲＥともに焼入れ
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Ｒ４Ｅ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れ組織のオーステナ
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りは焼入温度が上昇
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
化抵抗が重大な用途に対してはＮｂの重要性が認識され
る。

第４表第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、１５ＭφＸ２５Ｍの試験片の表面を
７００℃で急熱し、水中で２０℃に急冷する操作を１５
００回繰り返した結果である。

本発明鋼は、従来鋼に比ベヒートクラックの個数が少な
く、またヒートクラックの深さが小さい。

これは本発明鋼の大きな特長の一つであり、ヒートクラ
ックが発生しにくいこと、また発生したヒートクラック
が深く進みにくく、型表面の切削再生の工数が少なくて
済むことを示すものである。

第　　５　　表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Ｆ　（ＳＫＴ４）の焼付臨界荷重を１０
０として指数で示したものである。

これは、本発明鋼の高温強度が高いことによるものであ
るが、Ｇｏを添加した本発明鋼Ｃの焼付臨界荷重が高い
のはｃｏを添加することにより、上記酸化処理により試
料表面に形成され、保護作用、潤滑作用をもつ酸化皮膜
が緻密で剥離しにくくなるためである。

〔発明の効果〕

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．２５〜０．３５％、Ｓｉ１．５％以
下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ０．３〜２％、Ｃｒ２．５〜４
．５％、１／２Ｗ＋Ｍｏ０．２５〜３．５％、Ｖ０．２
〜２％、Ｎｂ０．０１〜０．２％、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Ｃ０．２５〜０．３５％、Ｓｉ１．５％以
下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ０．３〜２％、Ｃｒ２．５〜４
．５％、１／２Ｗ＋Ｍｏ０．２５〜３．５％、Ｖ０．２
〜２％、Ｎｂ０．０１〜０．２％、Ｓ０．００５％以下
、Ｃｏ０．５〜５％、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。