JPH04308059A

JPH04308059A - 熱間工具鋼

Info

Publication number: JPH04308059A
Application number: JP9942991A
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: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1992-10-30
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JP3191008B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイカストや熱間プレ
ス鍛造等に用いられる熱間金型用の熱間工具鋼に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイカストや熱間プレス鍛造用の金型材
としては、一部の温間鍛造や精密鋳造用の金型、比較的
小寸法の金型、特殊な金型部品等を除いては、従来、Ｓ
ＫＤ６やＳＫＤ６１などを熱処理硬さ　ＨＲＣ５０未満
で用いるのが通常のやり方であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年の熱間加工技術の
進歩、例えばダイカストの分野では、高圧ダイカスト法
、鍛造技術の分野では、密閉鍛造や高速鍛造の適用が進
み、金型表面に作用する熱的または機械的な負荷が増し
、金型表面にヒートクラックが生成したり、あるいは摩
耗したりして早期に使用不可能となる場合が多くなった
。このうち、損耗現象を改善するために最も効果的であ
るのは、熱処理硬さを高めることであるが、従来の金型
材では、硬さを高めると靭性値が低下するため、割れや
チッピングが生じやすく、熱処理硬さ　ＨＲＣ５０程度
以上で使用できる金型の用途は限定されていた。本発明
は、高硬度範囲で高靭性を有し、耐ヒートクラック性に
優れた熱間工具鋼を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１を
始めとする従来の熱間工具鋼では、焼入れ焼もどし硬さ
をＨＲＣ５０以上とするとき、焼もどし温度が６００℃
以下となる。このとき焼もどしで微細に析出する炭化物
の分布密度が極めて大となり靭性が低下するが、この炭
化物の析出挙動に、Ｓｉ，Ｃｒの含有量の関与が極めて
大きいことを発見した。ところで、Ｓｉ含有量を限定し
て合金鋼の靭性を高める効果については、特開昭６０−
５６０５５号、同６０−５９０５３号、同６１−２１３
３４８号、同６１−２１３３４９号でも開示されている
。しかし、これらには、本発明で特定した塑性範囲でＨ
ＲＣ５０以上としたときの特性値等についての記述はな
く、またＣｒ量との関係でＳｉ量を限定する記述もない
。本発明は、前記提案に開示されていない熱間工具鋼の
靭性値に関するＳｉ，Ｃｒ量の関与を詳しく調査し、■
Ｓｉ量の低減による靭性値向上効果は、従来の使用硬さ
であったＨＲＣ　４２〜４８前後のＨＲＣ５０未満より
むしろ、焼もどし温度が低めとなるＨＲＣ５０以上の硬
さのとき大きいこと、■Ｓｉ量の低減による靭性値向上
効果は、含有Ｃｒ量との関係で決定され、Ｃｒ量の低い
合金鋼では、過度の低減は必要でなく、一方金型の焼入
性などを考慮してＣｒ量を高めに設定する場合は、Ｓｉ
量を低めに抑える必要があること、■さらに、本願の第
１，３発明の鋼において、単にＳｉを低減した場合、金
型表面の肌あれをまねき、金型寿命が低下することがし
ばしば認められているが、適量のＣｏを添加することに
よって、Ｓｉを低減した金型材についても、酸化スケー
ルの成長を抑え、肌あれを防止する効果があること、を
発見したことに基づくものである。以上のことから、熱
処理硬さを高目にすることにより、苛酷な熱間加工条件
の金型に使用しても、ヒートクラックや摩耗等の金型表
面の損耗が生じにくく、かつ割れやチッピングが起こり
にくいため、従来より大寸法や複雑形状など広い用途に
適用できる熱間工具鋼の提供が可能となった。

【０００５】すなわち、本発明は具体的には、重量％で
、Ｃ　０．３５％を越え０．４５％未満、Ｓｉ　１．０
０％以下、Ｍｎ　０．１〜１．５％、Ｎｉ　０．１〜１
．５％、Ｃｒ　４．３５〜５．６５％、ＷとＭｏを１種
または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ　１．５〜３．５％、Ｖ　
０．５〜１．５％で、かつＳｉ，Ｃｒ量がＳｉ＜（１８
．７／Ｃｒ）−３．３の関係式を満たし、残部Ｆｅおよ
び不可避的不純物からなり、焼入れ焼もどし硬さ　ＨＲ
Ｃ５０以上で使用することを特徴とする熱間工具鋼、上
記添加元素にさらに重量％で、Ｃｏ　０．３〜５．０％
を添加したもの、および上記それぞれにおいて、Ｓｉを
０．１％越えるごとく制限した熱間工具鋼である。

【０００６】

【作用】次に本発明の成分範囲の限定理由について述べ
る。Ｃは、本発明鋼のすぐれた焼入性、焼もどし硬さ、
および高温硬さを維持し、またＷ、Ｍｏ、Ｖ、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
微細化効果、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。多すぎると過度の炭
化物の析出をまねき靭性を低下させるので０．４５％未
満とし、本発明鋼の特徴の一つであるＨＲＣ５０以上の
焼入れ焼もどし硬さを保持するため等上記目的の達成の
ために含有量を０．３５％を越えるものとする。Ｓｉは
、本発明鋼の特徴であるＨＲＣ５０以上の高い硬さで高
い靭性値を得るために１．０％以下添加する。詳細には
Ｃｒの項でまとめて述べる。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０．
１〜１．５０％以下とする。ＮｉはＣ，　Ｃｒ，　Ｍｎ
，　Ｍｏ，　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させ、靭性の低下を防ぐために重
要な添加元素であり、また基地の本質的な靭性改善効果
を与えるため、０．１％以上添加する。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、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、１．
５０％以下とする。

【０００７】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り、４．
３５％以上添加する。ただし、Ｃｒは本発明鋼のように
ＨＲＣ５０以上の高い焼入れ焼もどし硬さの金型として
使用される場合、本発明鋼の高い靭性値を確保するため
にはその含有量を制限する必要がある。これは以下に述
べる作用に基づくものである。本発明鋼のようにＨＲＣ
５０以上の高い焼入焼もどし硬さの金型として使用され
る場合、焼もどし温度は６００℃前後またはさらに低く
なるが、この温度域では焼もどしによって基地中に極く
微細に析出する特殊炭化物の分布密度が極めて大きく、
基地の靭性が著しく低下する。一方、Ｃｒ，Ｓｉはその
前段階で析出するセメンタイト炭化物の析出を抑える作
用があるので、逆にＣｒ，Ｓｉの含有量を抑えることに
よってセメンタイト炭化物を適量析出させることにより
基地の靭性を低下させる特殊炭化物の分布密度を抑える
ことができる。このため、Ｓｉ量は１．０％以下、Ｃｒ
は５．６５％以下とするが、ＣｒとＳｉは上記の作用に
複合的に作用するため、金型用として必要な靭性値を得
るべく、Ｓｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−３．３％の関係式
を満たすように添加する。この関係式からも判るように
Ｃｒ含有量を多くしたい場合（例えばＣｒ＞５．５％）
には、Ｓｉ量を０．１％以下が必要である。ただし、Ｓ
ｉはＣｏの項で述べるように、これが低すぎると酸化皮
膜が厚くなり過ぎ易いので０．１％を越えることが望ま
しい。Ｃｏを添加で補う場合も同様である。

【０００８】Ｗ，Ｍｏ量の設定は本発明鋼の用途に必要
とされる高温強度、軟化抵抗を保つ上で重要である。Ｗ，Ｍｏは、焼もどし処理時に微細な特殊炭化物を析出
して、軟化抵抗、高温強度を高める。ただし過度の添加
は過度の炭化物の析出をまねき靭性を低下させるので、
金型、工具の使用条件に応じた強度、高温強度に基づい
て、１種または２種を１／２Ｗ＋Ｍｏで１．５〜３．５
％添加する。Ｖ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の向上に効果を有するものであり、
焼入加熱時基地に固溶し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
トクラッ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、熱間加工方向に沿う紐状炭化物の分布
傾向を増大させ、その方向に沿うクラックの進展を助長
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０．５０％以上とする。

【０００９】Ｃｏは、使用中の昇温時、きわめて緻密で
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防ぎ、金型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。ただし、
この酸化皮膜は厚くなりすぎると金型表面の肌あれをま
ねき逆効果となるが、Ｃｏは酸化皮膜の形成速度や厚み
を抑える効果を持つ。本発明鋼のようにＳｉ量の少ない
鋼の場合酸化皮膜が厚くなり過ぎ易いため、Ｃｏの添加
は、保護酸化皮膜特性の向上に特に有効である。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。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。表１にテストに供した本発明鋼および比較鋼の化学
組成を示す。表１において、比較鋼１はＪＩＳＳＫＤ６
１であり、比較鋼３は成分的には特開昭６０−５６０５
５号に開示されたその実施例の一つを狙って吹製したも
のであり、同公報の特許請求の範囲に含まれるとともに
、同６０−５９０５３号、同６１−２１３３４８号、同
６１−２１３３４９号の請求範囲にも含まれる熱間工具
鋼である。また、比較鋼５〜８は、Ｓｉ含有量を各レベ
ルとするが、Ｓｉ＜（１７．８／Ｃｒ）−３．３を満足
しないものである。図１は、表１の各試料を１０２０℃
加熱後、油焼入れまたは半冷１５ｍｉｎ焼入後、焼もど
し温度を変えて、ＨＲＣ４６からＨＲＣ５４の各硬さと
なるごとく焼もどしを行なった場合の硬さとシャルピー
衝撃値の関係を示す。なお、半冷　１５ｍｉｎ焼入とは
、焼入温度（１０２０℃）と室温（２０℃）との中間温
度５２０℃までを１５ｍｉｎで降温する処理を意味する
。なお、試験片は２ｍｍ深さのＵノッチ試験片である。半
冷１５ｍｉｎ焼入で、衝撃試験を行なう理由は、実際の
金型を冷却する場合、寸法が比較的大きい場合、実際の
焼入冷却速度は、同じように処理した試験片より小さく
なり、また、熱間工具鋼の靭性値は、焼入冷却速度に影
響を受けやすいためである。ＳＫＤ６１の油焼入れの衝
撃値は、ＨＲＣ５０を越える硬さで、急激な低下をまね
き、また半冷１５ｍｉｎ、焼入れの衝撃値は、完全焼入
状態である油焼入れに比べて大幅に低い。比較鋼２は、
油焼入れの衝撃値がＳＫＤ６１に比べ高く、かつ焼入冷
却速度が小さくなったときも（半冷１５ｍｉｎ）靭性値
の低下が大幅に少ない。これは主にＮｉの添加の焼入性
向上効果によるものである。しかし、該比較鋼１の場合
も、ＨＲＣ５０以上の硬さで急激な衝撃値の低下が見ら
れる。比較鋼３の油焼入れの衝撃値は、比較鋼１（ＳＫ
Ｄ６１）のそれと比較して高い。比較鋼３は比較鋼１（
ＳＫＤ６１）の含有Ｓｉ量を低減させたものであり、Ｓ
ＫＤ６１に比べ靭性値が高い。またＨＲＣ５０を越えた
硬さでの衝撃値の低下が緩やかである。なお、該鋼は前
述のように、特開昭６０−５６０５５号の実施例の一つ
を狙成分として吹製したものであるが、該公報には、Ｈ
ＲＣ４６での衝撃値の記載はあるが、ＨＲＣ５０以上の
衝撃値の記載はない。

【００１１】図２に、本発明鋼１，２，３，４の半冷１
５ｍｉｎ焼入れの衝撃値を、比較例２，４のそれと比較
して示す。比較鋼２は同４に比し、前述のようにＮｉ添
加による焼入性向上により半冷１５ｍｉｎの衝撃値向上
が図られているが、Ｓｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−３．３
を満足していないため、ＨＲＣ５０またはそれ以上の高
硬度での衝撃値低下が急峻である。これに対し、本発明
鋼１，２，３，４および比較鋼４は、上記ＳｉとＣｒと
の関係式を満足するからこの低下が緩やかである。なお
、本発明鋼３は高温強度付与のため、ＭｏやＶの添加量
を多めとしたため衝撃値が比較鋼４と同程度であるが、
後に述べるヒートクラック発生寿命が大きいことに特徴
を持つ。特に、被加工材の溶湯温度の高いダイカスト金
型や、被加工材との接触時間の長い鍛造金型など、型面
の昇温温度が高い用途の場合、高温強度を付与するＷ，
Ｍｏ，　Ｖ量を多めとする。これに応じて、衝撃値の絶対値は低下する傾向を示すが
、硬さの上昇にともなう急激な衝撃値の低下は認められ
ない。

【００１２】次にＣｒとＳｉ量の設定のために行なった
実験結果を図３に示す。該図は表１の比較鋼、本発明鋼
数例ずつについて、Ｓｉ，Ｃｒ含有量をプロットすると
ともに、その半冷１５ｍｉｎ焼入れ後焼もどしにより硬
さＨＲＣ５２としたときのシャルピー衝撃値を添字で表
したものである。なお、図中で本７は本発明鋼７を、同
様に比１は比較鋼１を示す。前述のようにＣｒは焼入性
を向上させる元素であるので、焼入性が問題となる大寸
法の金型材については、多めに添加する。しかし、この
場合、「作用」の項に述べたような焼もどし炭化物の析
出分布、挙動に影響するため、これに応じてＳｉ量を設
定する必要が生じる。図３に示す通り、半冷１５ｍｉｎ
焼入れで、焼もどし硬さＨＲＣ５２とした場合、Ｃｒ，
Ｓｉ量がともに高い場合の衝撃値は低い（例；比較鋼８
）。またＣｒ量が高い場合、Ｓｉ量が低めであっても衝
撃値の低下をまねく（例；比較鋼５）のに対し、Ｃｒ量
が比較的低い場合は、ある程度のＳｉを含有しても衝撃
値は比較的高い（例；本発明鋼７）。過度のＳｉ量の低減は、耐酸化性不足にともなう金型表
面の肌あれや金型の切削工具などによる被加工性の低下
をまねくため、上記靭性の影響を配慮して必要とされる
Ｃｒ量に応じて、重量％でＳｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−
３．３を満たす程度に設定する。

【００１３】次に、熱間工具鋼において、実用性能上、
最も重要な耐ヒートクラック性のテストについて確認を
行なった結果を述べる。耐ヒートクラック性のテストに
ついては、ヒートクラック発生までの熱サイクル数Ｎと
、このテストを前記熱サイクルの数Ｎの２倍まで継続し
た時のクラックの最大深さＤについて評価した。テスト
仕様は、６０ｍｍφ×４０ｍｍの試験片の表面を６００
℃に急熱した後、表面を２０℃の水で急冷する操作を繰
り返すものである。ヒートクラック発生までの熱サイク
ル数Ｎには、主に高温強度が、ヒートクラックの内部へ
の進展性、つまりクラック最大深さＤに対しては、おも
に靭性値がそれぞれ関与するが、このほか工具表面の特
性、とくに耐酸化性が、酸化被膜の生成や成長のし易さ
の点で、それぞれ耐ヒートクラック性に影響する。図４
に、本発明鋼、比較鋼の耐ヒートクラック性試験の結果
を示す。各データから、硬さを高めることにより、ヒー
トクラック発生までのサイクル数Ｎが明らかに増大する
ことがわかる。また、比較鋼７は比較鋼１に比しＭｏを
増量して高温強度を高めたものであるが、これによって
サイクル数Ｎが増大し、金型のヒートクラック寿命向上
につながることが伺われる。しかし、これは一面で硬さ
をＨＲＣ５２と高くした場合、ヒートクラックの進展深
さが大きくなることがわかる。アルミダイカスト型のよ
うな実用金型で、ＳＫＤ６１をＨＲＣ５２程度に調質し
、鋳造を行なった場合、熱サイクルによる熱応力の他に
、型締め力等の機械的応力が金型に作用するため、深く
進展したヒートクラックを起点とした割損が起きやすい
。このため、小寸法の金型の例を除き、ＳＫＤ６１では
ＨＲＣ５０以下の硬さで使用されているのが現状である
。これに対し、図４に示すように、本発明鋼では、ＨＲ
Ｃ５２まで硬さを高めた場合でも、ヒートクラックの進
展深さが小さい。本発明鋼は、前記のようにＨＲＣ５２
の高い硬さでも、高い靭性値を保持するため、実用金型
に適用した例で、割損をまねいていない。

【００１４】上記のヒートクラック試験片に発生したヒ
ートクラックの断面形態を観察したところ、試験片の表
面およびクラックの開口部にも表面酸化が進行しており
、本発明鋼５は、酸化被膜が特に厚く０．１ｍｍであっ
た。これに対してＣｏを添加し、耐酸化性が改善された
本発明鋼１１，１２は、酸化被膜の厚みが０．０４ｍｍ
であり、クラック進展深さも小さく、耐ヒートクラック
進展性の改善効果が大きかった。

【００１５】

【発明の効果】以上に記述したように、本発明鋼は、熱
間用の金型として従来材料より高い硬さ、具体的にはＨ
ＲＣ５０以上の硬さで割損をまねくことなく使用でき、
ヒートクラック発生や摩耗の点で優れた使用寿命を与え
る金型を製造することができる。しかも金型の使用中の
金型表面の酸化被膜の成長速度を抑え、肌あれやヒート
クラックの金型内部への進展が抑制され、この面からも
優れた使用寿命を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較鋼１〜３の油焼入れと半冷　１５ｍｉｎ焼
入れ後、各硬さに焼もどしした場合の、シャルピー衝撃
値の焼もどし硬さに対する変化の挙動を示した図である
。

【図２】本発明鋼１，２，３，４および比較鋼２，４の
半冷１５ｍｉｎ焼入れ後、各硬さに焼もどしした場合の
、シャルピー衝撃値を示す図である。

【図３】本発明鋼１，４，５，６，８，９，１０と比較
鋼１，２，５，６，７，８のそれぞれの半冷１５ｍｉｎ
焼入れ後、焼もどし硬さＨＲＣ５２としたときのシャル
ピー衝撃値を、各鋼の含有Ｓｉ，Ｃｒ量で整理した図で
ある。

【図４】本発明鋼１，２，５，６，１１，１２および比
較鋼１，７についての耐ヒートクラック性試験結果を示
す図である。

【表１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％で、Ｃ　０．３５％を越え０．
４５％未満、Ｓｉ　１．００％以下、Ｍｎ０．１〜１．
５％、Ｎｉ　０．１〜１．５％、Ｃｒ　４．３５〜５．
６５％、ＷとＭｏを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ　
１．５〜３．５％、Ｖ　０．５〜１．５％で、かつＳｉ
，Ｃｒ量がＳｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−３．３の関係式
を満たし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、焼
入れ焼もどし硬さＨＲＣ５０以上で使用することを特徴
とする熱間工具鋼。
【請求項２】　　重量％で、Ｃ　０．３５％を越え０．
４５％未満、Ｓｉ　１．００％以下、Ｍｎ０．１〜１．
５％、Ｎｉ　０．１〜１．５％、Ｃｒ　４．３５〜５．
６５％、ＷとＭｏを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ　
１．５〜３．５％、Ｖ　０．５〜１．５％、Ｃｏ　０．
３〜５．０％で、かつＳｉ，Ｃｒ量がＳｉ＜（１８．７
／Ｃｒ）−３．３の関係式を満たし、残部Ｆｅおよび不
可避的不純物からなり、焼入れ焼もどし硬さ　ＨＲＣ５
０以上で使用することを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項３】　　重量％で、Ｃ　０．３５％を越え０．
４５％未満、Ｓｉ　０．１％を越え１．００％以下、Ｍ
ｎ　０．１〜１．５％、Ｎｉ　０．１〜１．５％、Ｃｒ
　４．３５〜５．５％、ＷとＭｏを１種または２種で１
／２Ｗ＋Ｍｏ　１．５〜３．５％、Ｖ　０．５〜１．５
％で、かつＳｉ，Ｃｒ量がＳｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−
３．３の関係式を満たし、残部Ｆｅおよび不可避的不純
物からなり、焼入れ焼もどし硬さ　ＨＲＣ５０以上で使
用することを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項４】　　重量％で、Ｃ　０．３５％を越え０．
４５％未満、Ｓｉ　０．１％を越え１．００％以下、Ｍ
ｎ　０．１〜１．５％、Ｎｉ　０．１〜１．５％、Ｃｒ
　４．３５〜５．５％、ＷとＭｏを１種または２種で１
／２Ｗ＋Ｍｏ　１．５〜３．５％、Ｖ　０．５〜１．５
％、Ｃｏ　０．３〜５．０％で、かつＳｉ，Ｃｒ量がＳ
ｉ＜（１８．７／Ｃｒ）−３．３の関係式を満たし、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ焼もどし
硬さ　ＨＲＣ５０以上で使用することを特徴とする熱間
工具鋼。