【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は焼入温度が普通のダイス鋼程度で低い
にも拘らず、焼入硬さが高く、且つ靭性もよく、
ハイスに近い性質が得られ、その為、特に炭化物
被覆処理を行うための冷間工具鋼に関する。
近年、表面処理のひとつとして炭化物被覆処理
が開発され普及してきている。例えばTD処理と
か、CVD法がよく知られている。この処理は高
温において外部から炭化物生成元素、例えばCr、
Ｖ、Nb、Ti等を母材表面に供給接触させ、母材
表面の炭素又は外部から供給する炭素とを反応さ
せて母材表面に炭化物層を形成させて耐磨耗性を
与えるもので、冷間加工用工具鋼等に主として適
用されるものである。その処理温度は母材の種類
にあまり関係なくおよそ950°〜1050℃である。従
つて母材としては焼入温度が同程度でありば、こ
の処理後、引続き直ちに焼入を行うことができ、
経済的に有利である。従つて、この温度を焼入温
度としているJIS SKD11などのダイス鋼が、こ
の炭化物被覆処理用としてよく用いられている。
ただしこれらのダイス鋼では焼入後に高温焼戻す
れば母材の硬度が最大でもHRC59程度にしかなら
ず、より硬くしようと思えば焼戻温度（低温焼
戻）で調整するか特殊熱処理（サブゼロなど）を
するしかないが、それらは靭性を犠牲にしたり、
熱処理コストを上昇させる。そこで一般には、ハ
イス又はセミハイスがより高い硬度と靭性の為に
用いられる。
しかるにハイスあるいはセミハイスは焼入温度
が1100°〜1250℃と高いので炭化物被覆処理後に、
更にその温度まで上昇させねばならないが、それ
が種々の理由で困難なので現在は炭化物被覆処理
後直ちにその温度から焼入れし、冷却後別の炉、
往々にして真空熱処理により再加熱して焼入する
方法がとられている。これは多大の時間、労力、
設備費用を必要とし改善が望まれていた。
本発明は以上に鑑みなされたもので、焼入温度
が炭化物被覆処理温度と同一で炭化物被覆処理に
引き続き、直ちに焼入、焼戻しを行うことによ
り、ハイス、セミハイスと同じくHRC60〜63程度
の硬さと、充分な靭性が得られる鋼であつて、そ
の要旨とするところは
Ｃ：0.65〜0.89％
Si：0.50〜1.50％
Mn：0.30〜1.50％
Cr：8.1〜10.0％
Mo：0.75〜1.95％
Ｖ：0.50〜1.0％
を含み残部Feおよび不可避の不純物からなるこ
とを特徴とする炭化物被覆処理用高硬度靭性冷間
工具鋼にある。
次に本発明における各種成分の限定理由につい
て説明する。
Ｃ：冷間工具鋼としての硬さを確保する為に0.65
％は必要であり、0.89％を越えると靭性面での
劣化が著しい為、Ｃの範囲は0.65〜0.89とす
る。
Si：Siは素地中に固溶し、素地強度を高めると共
に焼戻し軟化抵抗に有効であが、0.5％以下で
は効果なく、1.5％以上に高めてもその効果は
飽和してしまい靭性も低下する。
よつてSiは0.5〜1.5％とする。
Mn：Mnは熱間加工性、焼入性を向上させる目
的で添加するが、0.3％以下ではその向上度合
は僅少である。また1.5％以上添加しても有効
に作用しない。
よつてMnは0.3〜1.5％とする。
Cr：CrはＣと結合し硬い炭化物を形成し、耐摩
耗性に寄与し、また焼戻軟化抵抗性及び焼入性
の向上に有効である。8.1％未満であるとダイ
ス鋼の焼入温度（1020−1050℃）で焼入後高温
焼戻することによりHRC60以上を得ることは出
来ず、また必要とする耐摩耗性、焼入性に対し
て不足であり、10％を越えると靭性が低下す
る。
よつてCrは8.1〜10％とした。
Mo：Moは靭性、焼戻二次硬化に有効であるが、
0.75％未満では、ダイス鋼の焼入温度（1020−
1050℃）で焼入後高焼戻することによりHRC60
以上を得ることは出来ない。又1.95％を越える
と、靭性が劣化する。
よつてMoは0.75％〜1.95％とした。
Ｖ：Ｖは二次硬化に有効でありＣと硬い炭化物を
形成して耐摩耗性の向上に大きく寄与すると共
に結晶粒を微細化する。0.5％未満では二次硬
化および耐摩耗性への寄与が少なく1.0％を越
えると靭性が劣化し、高温焼戻でHRC60以上を
得るためには焼入温度をダイス鋼以上（1050℃
以上）とする必要があり、本発明の特徴である
低温焼入（1020−1050℃）が出来なくなる、よ
つてＶは0.5〜1.0％とした。
即ち、本発明鋼は靭性に対して有害な巨大炭化
物の生成を抑制する為にＣ、Crのバランスを考
慮し、かつダイス鋼の一般的な焼入温度1020〜
1050℃で焼入し、かつ高温焼戻ししても高硬度を
得られるようにMo含有量を増し、Ｃ、Cr、Mo、
Ｖをうまくバランスさせたものである。即ち比較
的低温の焼入（1020〜1050℃）で高硬度かつ高靭
性が得られるため、炭化物被覆処理に最適な鋼で
ある。
本発明と鋼成分において一部重複する公知例と
して特開昭53−114719号の「熱処理硬さの高いス
テンレス剃刃用鋼」があるがこれは剃刃用として
薄い刃付けと、その鋭い切れ味と、その切れ味の
保持性を目的としたものであり、高い焼入れ温
度、サブゼロ処理、低い焼戻温度によらねば所要
の特性が得られないのであり、このような処理に
よると、残留オーステナイトが多く残りがちなの
でＮを低く規制したものである。
これに対し本発明は冷間で使用するダイス、マ
ンドレル等用で且つ炭化物被覆処理を行つて使用
するものであり、強大な外力の繰り返しに対する
耐圧壊強度（硬さ、靭性）や、良好な炭化物被覆
処理性等が強く要求されるもので、低い焼入温
度、サブゼロ処理なし、高い焼戻温度で所要の特
性が得られるものであり、この違いは成分構成の
違いによるものである。
以下実験結果に基づき本発明鋼の特徴を説明す
る。表１に供試鋼の化学成分を示す。また表２に
はこの供試鋼により焼入・焼戻硬さ、シヤルピー
衝撃靭性、耐摩耗性（比摩耗量）の実験結果を示
す。
表２に示す如く、本発明鋼(A)〜(E)は、ダイス鋼
と同等の熱処理により、HRC61以上が得られ、シ
ヤルピー衝撃靭性はダイス鋼の２〜３倍、耐摩耗
性はダイス鋼と同等以上であり、さらに、本発明
鋼とハイス(G)あるいはマトリツクスハイス(H)とを
比較すると、ハイス(G)の場合、硬さにおいて本発
明鋼より優れているが靭性面では劣つており、熱
処理も高温焼入の為、コストupとなる。また、
マトリツクスハイス(H)の場合、本発明鋼は、硬
度、靭性耐摩耗性において同等以上であり、熱処
理についても本発明鋼はマトリツクスハイスより
低温焼入である為、熱処理費も低コストとなる。
次に表３に供試材の炭化物被覆処理温度と、そ
の温度からの焼入焼戻し硬度およびSKH9とマト
リツクスハイスについては再焼入、焼戻条件と硬
さ示す。
Although the quenching temperature of the present invention is as low as that of ordinary die steel, it has high quenching hardness and good toughness.
Properties similar to those of high speed steel can be obtained, and therefore it particularly relates to cold work tool steel for carbide coating. In recent years, carbide coating treatment has been developed and spread as one of surface treatments. For example, TD processing and CVD methods are well known. This treatment is carried out at high temperatures by adding carbide-forming elements, such as Cr, from the outside.
V, Nb, Ti, etc. are supplied and brought into contact with the surface of the base material, and the carbon on the surface of the base material or the carbon supplied from the outside reacts to form a carbide layer on the surface of the base material, giving it wear resistance. It is mainly applied to tool steel for cold working. The processing temperature is approximately 950° to 1050°C, regardless of the type of base material. Therefore, if the quenching temperature is the same for the base material, quenching can be carried out immediately after this treatment.
Economically advantageous. Therefore, die steel such as JIS SKD11, which is quenched at this temperature, is often used for this carbide coating treatment.
However, with these die steels, if the hardness of the base metal is tempered at a high temperature after quenching, the maximum hardness of the base metal will only be about H R C59. etc.), but they sacrifice toughness or
Increases heat treatment costs. Generally, high-speed steel or semi-high-speed steel is used because of its higher hardness and toughness. However, since the quenching temperature of high-speed steel or semi-high-speed steel is as high as 1100° to 1250°C, after carbide coating treatment,
It is necessary to further raise the temperature to that temperature, but this is difficult for various reasons, so currently, quenching is performed from that temperature immediately after the carbide coating treatment, and after cooling, it is heated in another furnace.
A method of reheating and hardening using vacuum heat treatment is often used. This takes a lot of time, effort,
Improvements were desired due to the high equipment costs. The present invention has been developed in view of the above, and the quenching temperature is the same as the carbide coating treatment temperature, and by immediately quenching and tempering after the carbide coating treatment, H R It is a steel that provides hardness and sufficient toughness, and its main points are: C: 0.65-0.89% Si: 0.50-1.50% Mn: 0.30-1.50% Cr: 8.1-10.0% Mo: 0.75-1.95% A high hardness and toughness cold work tool steel for carbide coating treatment, which contains V: 0.50 to 1.0% and the remainder consists of Fe and unavoidable impurities. Next, reasons for limiting various components in the present invention will be explained. C: 0.65 to ensure hardness as cold work tool steel
% is necessary, and if it exceeds 0.89%, there will be significant deterioration in terms of toughness, so the range of C should be 0.65 to 0.89. Si: Si dissolves in solid solution in the base material and is effective in increasing the strength of the base material and resisting temper softening, but it is not effective if it is less than 0.5%, and even if it is increased to more than 1.5%, the effect is saturated and the toughness is also reduced. . Therefore, Si should be 0.5 to 1.5%. Mn: Mn is added for the purpose of improving hot workability and hardenability, but if it is less than 0.3%, the degree of improvement is small. Also, adding more than 1.5% does not work effectively. Therefore, Mn should be 0.3 to 1.5%. Cr: Cr combines with C to form a hard carbide, contributes to wear resistance, and is effective in improving temper softening resistance and hardenability. If it is less than 8.1%, it will not be possible to obtain H R C60 or higher by high-temperature tempering after quenching at the quenching temperature of die steel (1020-1050℃), and the required wear resistance and hardenability will not be obtained. If it exceeds 10%, the toughness will decrease. Therefore, Cr was set at 8.1 to 10%. Mo: Mo is effective for toughness and secondary hardening during tempering, but
If it is less than 0.75%, the die steel quenching temperature (1020−
H R C60 by high tempering after quenching at 1050℃)
You can't get more than that. Moreover, when it exceeds 1.95%, toughness deteriorates. Therefore, Mo was set at 0.75% to 1.95%. V: V is effective in secondary hardening, forms hard carbides with C, greatly contributes to improving wear resistance, and refines crystal grains. If it is less than 0.5%, there is little contribution to secondary hardening and wear resistance, and if it exceeds 1.0%, the toughness deteriorates.In order to obtain H R C60 or higher by high temperature tempering, the quenching temperature must be higher than die steel (1050℃).
(above), and low temperature quenching (1020-1050°C), which is a feature of the present invention, cannot be performed.Therefore, V is set at 0.5-1.0%. In other words, the steel of the present invention takes into account the balance of C and Cr in order to suppress the formation of giant carbides that are harmful to toughness, and also has a quenching temperature of 1020~
The Mo content is increased to obtain high hardness even when quenched at 1050℃ and tempered at high temperatures, and C, Cr, Mo,
This is a well-balanced V. That is, since high hardness and high toughness can be obtained by quenching at a relatively low temperature (1020 to 1050°C), it is the most suitable steel for carbide coating treatment. A publicly known example that partially overlaps with the present invention in terms of steel composition is ``Stainless steel for razor blades with high heat treatment hardness'' published in Japanese Patent Application Laid-open No. 53-114719. The purpose is to maintain the sharpness of the steel, and the required characteristics cannot be obtained unless high quenching temperatures, sub-zero treatment, and low tempering temperatures are used. Since it tends to remain, N is regulated low. In contrast, the present invention is for dies, mandrels, etc. used in cold conditions and is used after being coated with carbide. Coating properties are strongly required, and the required properties can be obtained at low quenching temperatures, no sub-zero treatment, and high tempering temperatures, and this difference is due to the difference in composition. The characteristics of the steel of the present invention will be explained below based on the experimental results. Table 1 shows the chemical composition of the test steel. Furthermore, Table 2 shows the experimental results of quenching/tempering hardness, Shapey impact toughness, and wear resistance (specific wear amount) for this test steel. As shown in Table 2, the steels (A) to (E) of the present invention can obtain H R C61 or higher by heat treatment equivalent to die steel, have a Charpy impact toughness of 2 to 3 times that of die steel, and a wear resistance of It is equivalent to or better than die steel.Furthermore, when comparing the steel of the present invention with high speed steel (G) or matrix high speed steel (H), in the case of high speed steel (G), it is superior to the steel of the present invention in hardness, but in terms of toughness. It is inferior in quality, and the heat treatment involves high-temperature quenching, which increases costs. Also,
In the case of matrix high-speed steel (H), the steel of the present invention has the same or higher hardness, toughness, and wear resistance. Regarding heat treatment, the steel of the present invention is quenched at a lower temperature than matrix high-speed steel, so the heat treatment cost is also lower. Become. Next, Table 3 shows the carbide coating treatment temperature of the sample materials, the quenching and tempering hardness at that temperature, and the re-quenching and tempering conditions and hardness for SKH9 and matrix HSS.
【表】【table】
【表】【table】
【表】
表３より、本発明鋼は炭化物被覆処理温度から
の焼入焼戻しにより、ダイス鋼SKD11より高硬
度が得られることが判る。これは再焼入焼戻しを
実施したマトリツクスハイスを同等以上の硬さで
ある。
本発明の用途例として、コールドピルガー圧伸
機のマンドレルに適用した時の結果を表４に示
す。[Table] From Table 3, it can be seen that the steel of the present invention has a higher hardness than die steel SKD11 by quenching and tempering from the carbide coating treatment temperature. This is equivalent to or higher than matrix HSS that has been requenched and tempered. As an application example of the present invention, Table 4 shows the results when the present invention was applied to a mandrel of a cold pilger drawing machine.
【表】
表４より、本発明鋼が従来鋼に比べ硬さも硬
く、かつ耐折れ性（靭性）も優れていることがわ
かる。
上述の如く本発明鋼はダイス鋼並みの熱処理
（1020〜1050℃Ｑ、500〜550℃Tenpen）により、
ダイス鋼を硬度を上回り、ハイスに近いHRC60〜
63が得られ、同一硬度のハイスに比べ２倍以上の
高靭性を有し、更に比較的低温の焼入で高硬度が
得られる炭化物被覆処理に適した高硬度高靭性冷
間工具鋼である。[Table] From Table 4, it can be seen that the steel of the present invention is harder and has better bending resistance (toughness) than the conventional steel. As mentioned above, the steel of the present invention is heat treated at the same level as die steel (1020-1050℃Q, 500-550℃Tenpen),
H R C60~ which exceeds die steel in hardness and is close to high speed steel
63, which is more than twice as tough as high-speed steel with the same hardness, and is a high-hardness, high-toughness cold-work tool steel that is suitable for carbide coating treatment as it can obtain high hardness by quenching at a relatively low temperature. .