JPH06145884A

JPH06145884A - 耐塑性流動性に優れる熱間加工用金型

Info

Publication number: JPH06145884A
Application number: JP29474192A
Authority: JP
Inventors: Isao Tamura; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】一般の熱間金型用鋼あるいはこれらの改良鋼
とほぼ同等の組成からなる鋼でありながら、耐塑性流動
性に優れる熱間加工用金型を提供する。【構成】重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%以
下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、ＷとＭoの１種
または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5%、
残部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、粒径0.15μｍ
以上の未固溶炭化物の面積率が２％以上であり、2400μ
m²中の前記炭化物の数が200ケ以上であることを特徴と
する耐塑性流動性に優れる熱間加工用金型であり、必要
に応じてＮi,Ｃoを添加することができる。望ましく
は、上記金型の表面部に窒素化合物層を有する熱間加工
用金型である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として熱間プレス金
型用などに使用される熱間加工用金型に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】熱間加工用金型の耐久性を増すために、
ＳＫＤ６やＳＫＤ６１などに窒化処理を適用したり、こ
れらより高温強度の優れるＳＫＤ７やＳＫＤ８、あるい
はこれらの改善鋼を適用することは一般に広く普及して
いる。熱間プレス金型の場合は、被加工材からの熱伝達
や応力、被加工材との摩擦作用により、ヒートクラック
の発生や摩耗、あるいは塑性流動が金型表面部に生じる
ことによって、寸法精度が低下して損耗するが、これに
耐える高温強度や耐摩耗性を付与するため窒化処理や高
強度鋼を適用することが一般に行なわれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年、熱間
プレスの加工技術の変化により、従来の窒化されたＳＫ
Ｄ６やＳＫＤ６１では要求特性を満たさない分野が増え
てきた。また高強度鋼の場合、材料コストが高くなるう
え、靱性はＳＫＤ６やＳＫＤ６１と比べ低いため、割れ
の問題が生ずる場合があった。熱間プレスの場合、成形
サイクルの短縮のため鍛造速度を速くする鍛造技術の実
用化が進み、その結果、金型表面と被加工材との摩擦作
用が過酷となり、摺動による発熱が大きくなり、軟化や
塑性流動による金型の損耗が早期に進むことが問題とな
っている。

【０００４】従来、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１に代表される
5％Cr系の熱間工具鋼では、通常の焼入れ焼もどし硬さ
がHRC40ないし55の金型に常用の窒化処理を行なうと、
一定の耐摩耗性の向上効果はえられるが、窒化条件によ
っては、十分な耐摩耗性を備える窒化層が形成されない
場合があった。そこで本発明者は、金型と高温の被加工
材との摩擦現象に着目し、これに及ぼす窒化層の性状と
未固溶炭化物の量の影響を詳細に検討した。その結果、
ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１などの熱間金型用鋼とほぼ同等の
組成でありながら、主として炭化物形成元素の配合量を
調整して調質後の基地中に未固溶炭化物を分散させ、こ
れに通常の窒化処理を施すことにより、熱間加工用工具
鋼に要求される特性を大幅に向上できることを新たに見
出した。

【０００５】ところで、熱間加工用金型に窒化処理を行
なって金型の強度、耐摩耗性を高める効果については、
特開昭54-50421号、同54-56913号、同54-110916号、同5
5-93872号に開示されている。しかし、これらは窒化処
理を行なった場合に高い表面硬さと深い窒化層が得られ
やすい金型用鋼に関するものであり、金型特性面では、
強度や耐摩耗性を向上させる目的にとどまり、本発明が
対象とする、とくに金型表面部の耐塑性流動性を必要と
する熱間加工用の金型の損耗を防止する目的で、窒素化
合物層を形成させたり、未固溶炭化物の量を制御するこ
とについての記述はない。

【０００６】以上述べたように、金型の摩擦条件が過酷
化したことにより、塑性流動の問題が顕在化してきたの
で、従来のＳＫＤ６やＳＫＤ６１の窒化処理だけでは対
応できなくなってきている。本発明の目的は、一般の熱
間金型用鋼あるいはこれらの改良鋼とほぼ同等の組成か
らなる鋼でありながら、耐塑性流動性に優れる熱間加工
用金型を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の熱間加工用金型
は、金型の基地中に適量の未固溶炭化物を分散させるた
めに5%前後のＣrの他、ＷとＭoを単独または複合添加
し、さらにＶを含有する鋼に従来の熱間金型用鋼よりＣ
を高めに添加することを特徴とする。

【０００８】すなわち本発明の第１発明は、重量％で、
Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr
4.05〜6.50%、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍo
で1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5%、残部Ｆeおよび不可避的不
純物からなり、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物の面積
率が２％以上であり、2400μm²中の前記炭化物の数が20
0ケ以上であることを特徴とする耐塑性流動性に優れる
熱間加工用金型であり、第２発明は、重量％で、Ｃ 0.4
2%〜0.55%、Ｓi 1.20%以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｎi 0.1〜
1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、ＷとＭoの１種または２種を1/
2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5%、残部Ｆeおよび不
可避的不純物からなり、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化
物の面積率が２％以上であり、2400μm²中の前記炭化物
の数が200ケ以上であることを特徴とする耐塑性流動性
に優れる熱間加工用金型である。

【０００９】第３発明は、重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55
%、Ｓi 1.20%以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、
ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ
0.2〜1.5%、Ｃo 0.3〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不
純物からなり、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物の面積
率が２％以上であり、2400μm²中の前記炭化物の数が20
0ケ以上であることを特徴とする耐塑性流動性に優れる
熱間加工用金型であり、第４発明は、重量％で、Ｃ 0.4
2%〜0.55%、Ｓi 1.20%以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｎi 0.1〜
1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、ＷとＭoの１種または２種を1/
2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5%、Ｃo 0.3〜5.0%、
残部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、粒径0.15μｍ
以上の未固溶炭化物の面積率が２％以上であり、2400μ
m²中の前記炭化物の数が200ケ以上であることを特徴と
する耐塑性流動性に優れる熱間加工用金型である。ま
た、第５発明は、窒素化合物層を有する第１ないし第４
発明のいずれかに記載の耐摩耗性に優れる熱間加工用金
型である。

【００１０】

【作用】本発明金型の未固溶炭化物の限定理由について
述べる。一般に熱間加工用金型表面部の摩耗や塑性変形
は、様々な要因によって発生するが、金型表面と高温の
被加工材との摩擦による発熱を伴った金型表層部の軟化
により、塑性流動を生じることが大きな要因のひとつで
あり、摩擦発熱が大きい場合には、型材の変態点を超
え、その結果、型表層部に再焼入層が形成されているこ
とがしばしば観察される。このような金型表面部と被加
工材との摩擦による発熱を防止するには、金型表面部に
粒径が比較的大きい炭化物や窒素の化合物を形成させる
のがよい。すなわち、金型表面部の炭化物や窒素化合物
は、金型の母相と被加工材の金属同士が直接接触する面
積を減少させる効果がある。

【００１１】被加工材との摺動性や耐焼付性は母材に分
散する炭化物の量を増すことによって向上することは、
粒径２μｍ以上の１次炭化物を多量に含む高速度工具鋼
などによりよく知られている。ところが、一般の熱間金
型用鋼あるいはこれらの改良鋼は、通常の焼入れ温度で
ある1020℃で焼入れを行なうとほとんどの炭化物は固溶
してしまう。その後の焼もどしで析出する微細な炭化物
は、前述の摩擦による発熱を抑制する効果は寡少とな
る。

【００１２】本発明は、一般の熱間金型用鋼とほぼ同等
の組成の配合量を調整することによって、未固溶炭化物
を積極的に形成させるのである。本発明の組成からなる
鋼を焼入れ焼もどしを行なった金型において、粒径 0.1
5μm以上の未固溶炭化物の面積率が２％未満で、しかも
2400μm²中の前記炭化物の数が200ケ未満の場合には、
金型表面部と被加工材との摩擦作用による発熱を抑制す
ることができなくなるので、焼入れ焼もどしを行なった
金型において、粒径 0.15μm以上の未固溶炭化物の面積
率が２％以上であり、2400μm²中の前記炭化物の数が20
0ケ以上に限定する。さらに本発明の熱間加工用金型
は、上記の未固溶炭化物を特定量分散させるだけでな
く、窒化処理により窒素化合物を形成させることにより
一段と被加工材との摩擦による発熱作用を抑制する効果
を発揮する。

【００１３】本発明鋼は、従来のＳＫＤ６やＳＫＤ６１
に比べて、未固溶炭化物の量を多くして、耐塑性流動性
を発揮させることを特徴とするが、未固溶炭化物量を増
やすためには、金型素材のＣ量および炭化物形成元素で
あるＣr,Ｗ,Ｍo,Ｖを増やす必要がある。これらのう
ち、Ｗ,Ｍo,Ｖは合金コストが高いだけでなく、鋼塊溶
製時に生成する炭化物が、その後の熱的取扱いで変化し
ないため、均一に分散させることが難しく、本用途には
適当ではない。

【００１４】このため、Ｃ，Ｃr量の調整により、未固
溶炭化物量を増やすことが必要となる。ＳＫＤ６，ＳＫ
Ｄ６１の場合、焼入れ前の焼なまし状態で存在する炭化
物は、Ｃrを主体とするＭ₂₃Ｃ₆とＶを主体とするＭＣで
あるが、焼入れ加熱中にＭ₂₃Ｃ₆のほとんど全てが基地
中に固溶してしまう。これに対して、Ｍ₂₃Ｃ₆より、固
溶の進みにくいＣrを主体とするＭ₇Ｃ₃を形成させるこ
とにより、未固溶炭化物量を増やすことができる。具体
的には、金型素材のＣrとＣ量の比Ｃr/Ｃを低目に抑え
る必要が有る。ＳＫＤ６１のＣr/Ｃ値は、13.4前後であ
るが、本発明金型の素材では、Ｃr/Ｃ値がこれより低目
となるように、Ｃ量を高目に設定しつつ、炭化物の総量
も同時に増加させるようにＣr量も高目に設定する。

【００１５】次に本発明の熱間加工用金型の成分範囲の
限定理由について述べる。Ｃは、本発明金型の優れた耐
塑性流動性を付与する最も重要な元素であり、Ｗ、Ｍ
o、Ｖ、Ｃrなどの炭化物形成元素と結合して炭化物を形
成し、焼入れ時にその一部が未固溶炭化物として母材基
地中に残留分散し、耐塑性流動性を高めるうえ、窒化時
に化合物層を形成させやすくして、窒化処理された本発
明金型の耐塑性流動性向上に寄与する。上記の効果を得
るために、Ｃは最低0.42%が必要である。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0.55%
以下に限定する。Ｓiは、本発明の金型の耐酸化性を付
与するため1.2%以下添加する。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0.
1〜1.50%とする。

【００１６】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塑性流動性の向上、焼入性の
向上および窒化処理によって、窒素化合物を形成させ易
い効果を有するものであり、4.05%以上の添加が必要で
ある。Ｃrは本発明の窒化処理による窒素化合物を形成
させるうえで、特に重要な元素である。窒化処理におけ
る窒化反応中、Ｃｒは窒素と結びついて拡散層内に極め
て微細な分散窒化物を形成し、本発明金型の表面の硬さ
や高温強度を向上させる他、耐塑性流動性向上効果を付
与する。多すぎると本発明鋼の高温強度を低下させるた
め、6.50%以下とする。

【００１７】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、Ｃと結びついて炭化物を形成し、焼入れ時
に一部は未固溶炭化物として耐塑性流動性に寄与し、残
りの基地に固溶したものは、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。Ｗ
とＭoの１種または２種が1/2Ｗ＋Ｍoで1.0%未満では上
記効果が得られず、逆に過度の添加は粗大な炭化物の析
出をまねき靭性を低下させるので、ＷとＭoの１種また
は２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%に限定する。

【００１８】Ｖは、固溶しにくい炭化物を形成して耐塑
性流動性、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、また焼入加熱時には一部が基地中に固溶
し、焼もどし時に微細な凝集しにくい炭化物を析出して
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。さらに、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、優れた高温耐力とあいまって、耐摩耗性性を向上さ
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、その方向に沿うクラックの進展を助長し、逆
に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0.2%以上とする。

【００１９】Ｎiは、Ｃ, Ｃr, Ｍn, Ｍo, Ｗなどととも
に本発明金型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、靭性の低下を防ぐ作用があり、また基地の本質的な
靭性改善効果を与えるため、必要に応じて添加する。Ｎ
iは上記効果を得るために、最低0.1%必要であるが、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
を低下させるため、添加する場合には1.5%以下とする。

【００２０】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
ともに優れた耐塑性流動性や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。Ｃoは上記効果を
付与するために添加するとよいが、多すぎると靭性を低
下させるので5.0%以下とし、低すぎると上記添加の効果
が得られないので0.3%以上とする。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明
する。表１に示す組成の素材を準備した。これらから耐
塑性流動性の評価用の試験片を作製し、1540rpmで回転
させ、600℃に加熱したSNCM439鋼に所定の荷重で押し付
けた。試験片の寸法は、直径 5mm、長さ 40mmであり、
直径 5mmの端面を加熱した相手材に押し付けた。荷重は
30kgないし80kgで行ない、座屈が生じる荷重を限界荷重
とした。試験後、試験片の押し付け部の断面を観察した
結果、表層部が再焼入れ状態になっているのが認められ
た。本発明金型相当の試験片の硬さ、未固溶炭化物量お
よび試験結果を表２に示す。なお試験片は1020℃加熱
後、200℃の油に浸漬する油焼入れ後、焼もどしにてHRC
50とした。さらに未固溶炭化物の測定は、走査型電子顕
微鏡によって、面積240μm²の組織(倍率10000倍)を10視
野撮影し、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物の個数と面
積率を測定した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】表２より、本発明金型相当の試験片は従来
金型相当の試験片に比べ、未固溶炭化物の個数が多く、
面積率が大きいため、高温の相手材であるSNCM439との
摩擦によって発熱するのが少なく、その結果塑性流動が
抑制されているのがわかる。

【００２５】（実施例２）実施例１と同じ試験片を用
い、同じ焼入れ焼もどし処理を行なった後、窒化処理を
行なった。窒化処理はイオン窒化により500℃×20h、ガ
ス組成N₂：H₂＝2:8で行った。その後、実施例と同じ要
領で座屈が生じる限界荷重を測定した。この時の最表面
部の窒素化合物層の厚みと試験結果を表３に示す。表３
のように、本発明金型相当の試験片は、未固溶炭化物の
個数が多く、面積率が大きいうえ、窒素化合物層が厚い
ため、比較試験片に比べ、塑性流動が抑制されているの
がわかる。

【００２６】

【表３】

【００２７】（実施例３）以下、本発明を熱間プレス金
型に実施した例を示す。表１に示す従来金型相当素材１
および本発明相当素材１〜１３を準備し、これから熱間
プレス金型を製作し、実用テストを行なった結果を表４
に示す。金型は自動車部品作る入れ子型であり、寸法は
幅220mm、長さ330mm、厚み180mmである。鍛造温度は115
0℃であり、最大能力1500tのクランクプレスで、毎分40
ショットの速度で成形を行なった。

【００２８】

【表４】

【００２９】表４において、従来金型１はJIS SKD61で
ある。熱処理は、熱間プレス金型に荒加工後、1020℃加
熱後、200℃の油に浸漬する油焼入れ後、焼もどしにて
硬さＨＲＣ５０となるごとく焼もどしを行なった。仕上
げ加工後、タフトライド処理を行なった。表４にこれら
の熱間プレス金型の型寿命を示す。この熱間プレス作業
は、成形速度が速いため、被加工材と金型の摺動速度が
速く、従来金型であるJIS SKD61製の金型は、摩擦発熱
による金型表面部の塑性流動が早期に進行しやすいこと
がわかる。これに対して、本発明金型は、未固溶炭化物
による効果と窒素化合物による効果の相乗効果によって
著しい型寿命が得られた。

【００３０】

【発明の効果】本発明の熱間加工用金型は、従来の金型
より基地中に未固溶炭化物を多く分散させることによっ
て、被加工材を成形する際に、金型との摩擦で発熱する
のを抑制し、その結果金型表面部の塑性流動が防止でき
る。本発明金型は、金型表面部に窒素化合物層を有する
ことで、さらに効果を高めることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%
以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、ＷとＭoの１
種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5
%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、粒径0.15μ
ｍ以上の未固溶炭化物の面積率が２％以上であり、2400
μm²中の前記炭化物の数が200ケ以上であることを特徴
とする耐塑性流動性に優れる熱間加工用金型。
【請求項２】重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%
以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｎi 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50
%、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0
%、Ｖ 0.2〜1.5%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からな
り、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物の面積率が２％以
上であり、2400μm²中の前記炭化物の数が200ケ以上で
あることを特徴とする耐塑性流動性に優れる熱間加工用
金型。
【請求項３】重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%
以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50%、ＷとＭoの１
種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0%、Ｖ 0.2〜1.5
%、Ｃo 0.3〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不純物から
なり、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物の面積率が２％
以上であり、2400μm²中の前記炭化物の数が200ケ以上
であることを特徴とする耐塑性流動性に優れる熱間加工
用金型。
【請求項４】重量％で、Ｃ 0.42%〜0.55%、Ｓi 1.20%
以下、Ｍn 0.1〜1.5%、Ｎi 0.1〜1.5%、Ｃr 4.05〜6.50
%、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.0〜3.0
%、Ｖ 0.2〜1.5%、Ｃo 0.3〜5.0%、残部Ｆeおよび不可
避的不純物からなり、粒径0.15μｍ以上の未固溶炭化物
の面積率が２％以上であり、2400μm²中の前記炭化物の
数が200ケ以上であることを特徴とする耐塑性流動性に
優れる熱間加工用金型。
【請求項５】窒素化合物層を有する請求項１ないし４
のいずれかに記載の耐摩耗性に優れる熱間加工用金型。