JPH0672292B2

JPH0672292B2 - 高強度熱間加工用工具鋼

Info

Publication number: JPH0672292B2
Application number: JP63174040A
Authority: JP
Inventors: 信博辻井; 源隆阿部
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 1988-07-12
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: JPH0225543A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、加工中に非常に苛酷な応力が働く、特に鋼の
熱間押出工具等の用途に適する新規な鋼に関するもので
ある。

［従来の技術］軸受鋼、合金鋼、ステンレス鋼および高合金鋼等の熱間
押出工具類のうち、特にダイスやマンドレルに要求され
る特性は、熱間強度（硬さ）の高いこと、靱性が優れて
いること、耐摩耗性が優れていること、軟化抵抗性が優
れていること、焼入性が良いこと等があげられる。

これらの押出工具類に用いられる材料については、種々
検討されているが、寿命と経済性のバランスが良くとれ
ているSKD61、62クラスが主に使われているのが現状で
ある。

また、特開昭55−24931および特開昭62−130260には本
発明とほぼ同様の目的の下にSKD系の改良発明鋼が提案
されている。しかし本発明鋼はこれら公知の鋼に更に検
討を加え特に靱性や軟化抵抗性をはじめとする諸特性と
経済性に配慮して完成させたものである。

［発明が解決しようとする課題］鋼の熱間押出加工において、そのマンドレルの寿命形態
はマンドレル径の大きさで大別される。比較的小径の場
合は、マンドレル芯部までの軟化による全体の変形、特
に先端部の局部的なくびれが寿命を決定することが多
く、径が大きくなると表面層の軟化による塑性変形に起
因したあばた疵が原因となることが多い。

特にステンレス・高合金鋼の細径、高押出比の鋼管にお
ける細径マンドレルの場合、SKD61では先端部の伸び、
くびれが著しいためマンドレルの材質はより軟化抵抗の
高い3Cr-3Mo系の材料が使用されている。

しかし、寿命向上を目的としてこの3Cr-3Mo系鋼を大径
のマンドレルに用いた場合、焼入性が悪く靱性不足によ
る縦割れを起こすため、マンドレル材質は径により使い
分けているのが現状である。

一方、ダイスの寿命形態は、すり疵（えぐれ）やへたり
（流れ）によるダイス孔の変寸が大半である。ダイスに
3Cr-3Mo鋼を使用した場合は、ほとんどが割れで寿命と
なるため、全てSKD61クラスが使用されている。

このように鋼の熱間押出ダイスやマンドレルにおける寿
命は、ほとんどが工具材料の軟化による摩耗、疵、へた
り等の塑性変形からくる寸法変化によるものである（径
変寸）。この軟化は、わずかに数プッシュですでに発生
していることが確かめられており軟化抵抗が高く使用中
の強度劣化が少なく耐摩耗性に優れているいることが望
まれる。

［課題を解決するための手段］本発明者は、これらの問題点を解決するために従来のSK
D61クラスや3Cr-3Moクラスの成分について多くの改良研
究を重ねた結果、強度向上を目的としてSKD61のＣ量（J
IS規格:0.32〜0.42％）を若干高めた成分系において、
靱性を左右する焼入性や軟化抵抗性に影響するCrとMoを
適切にコントロールし且つ、少量のＶ及びNbを添加する
ことにより、高強度鋼において高い靱性と優れた軟化抵
抗性が得られることを見出だした。

またＷは、一般には耐摩耗、軟化抵抗性等についてMoと
同じ効果があり工具鋼によく添加される。しかし、Ｗ
は、Moと同様に非常に高価な元素であるうえに、その効
果はMoの半分であり同等の効果を得るためには、Moの２
倍添加する必要があり経済的でない。また、特性面で
は、むしろ靱性に悪影響を与える元素であるとともに、
本出願人が別途出願した特開昭60−190550に記載されて
いるようにＷは、耐ヒートチェック性には好ましくない
元素であるために本発明鋼には添加しないことにした。

すなわち、本願発明は、重量％で C:0.4％以上0.5％未満、 Si:0.1％以上1.0％以下、 Mn:0.1％以上1.0％以下、 Cr:3.5％以上4.5％以下、 Mo:2.0％以上3.0％未満、 V:0.2％以上0.6％以下、 Nb:0.01％以上0.20％以下を含有し、残部Feおよび不可避の不純物からなる高強度
熱間加工用工具鋼である。

［作用］まず、本発明に至った実験結果について説明する。

第１表に示したＡ〜Ｊの10ヒートを100kg真空誘導溶解
炉にて出鋼し、平均径190mmの鋳塊に鋳込みこれを径30m
mおよび焼入れ性試験用の径120mmに鍛伸して供試材とし
た。

各特性試験の為の供試材の焼入れ条件は全て1030℃空冷
焼入れとし、その後の焼戻し条件は、焼戻し硬さと0.2
％耐力およびシャルピー衝撃値測定用供試材について
は、600℃１時間保持後空冷×２回とした。軟化抵抗性
試験用は、初期硬さがHRC52±１になるように約550〜65
0℃で焼戻しを行なった。

まず強度特性の評価は、600℃焼戻し後の硬さと600℃高
温引張り試験における0.2％耐力を測定して行なった。
引張り試験片は、JIS4号試験片を用いた。靱性の評価
は、JIS3号2mmUノッチ試験片を用いて、常温でシャルピー衝撃試験を行なった。軟化抵抗性は、600℃で10時
間保持した後の母材硬さを測定して評価した。さらに、
径120mm長さ120mmの大型試験片の焼入れ状態での芯部硬
さを測定し各鋼の焼入れ性を評価した。

その際の、本発明において満足とすべき特性の目安とし
てその評価基準を、高温強度および軟化抵抗性が、それ
ぞれ3Cr-3Mo系並であることとし0.2％耐力の目標を85kg
f/mm²程度以上とした。また靱性および焼入れ性は、SKD
61に匹敵することとし衝撃値の目標をおよそ5kgfm/cm²
以上とした。

その結果、第２表に示すとおり本発明鋼は、比較鋼や従
来鋼に比べ強度、靱性、軟化抵抗性及び焼入れ性に優れ
ていることが明らかとなった。

すなわち、第１図に示すようにＣ量を0.4〜0.5％に限定
した鋼においては、上記各特性を満足させるためにCr量
およびMo量をそれぞれ3.5〜4.5％、2.0〜3.0％とするこ
とが必要であることを見いだした。

なお、これらの成分範囲は、経済性の点から、焼入れ温
度が1000〜1050℃、耐熱性の点から、焼戻し温度が500
〜650℃にて、所望の特性が得られるように考慮した。

次に本発明の化学成分の限定理由について述べる。

Ｃは、焼入れ焼戻しにより十分なマトリックス硬さを得
て高温強度を高めるために不可欠な元素であり、HRC50
程度以上の硬さを得るためには、少なくとも0.40％必要
である。一方、多量に添加すると靱性の低下をきたすの
で、上限を0.5％未満とした。

Siは、主に脱酸材として添加し耐酸化性、焼入性に有効
である。0.1％未満では、製鋼上脱酸効果が得られず、
1.0％を超えて添加すると熱伝導性の低下と靱性の劣化
を生じることによる工具寿命の短縮をもたらすので上限
を1.0％とした。

Mnは、Siと同様に脱酸材として添加し鋼の清浄度を高め
るとともに焼入性を向上させる元素で、少なくとも0.1
％添加する必要がある。しかし1.0％を超えて添加する
と靱性を低下させると同時に２次効果のピークが低温焼
戻し側に移行して軟化抵抗を低下させるので上限を1.0
％とした。

Crは、Ｃと結合して硬質炭化物を形成し耐摩耗性を向上
させるとともに、焼入性を高める元素であるが、多量に
添加すると軟化抵抗性を劣化させる。本発明鋼のＣ量の
範囲において目標とする焼入性と軟化抵抗性を兼備する
ために、Cr量を3.5〜4.5％とした。

Moは、Crと同様に耐摩耗性や焼入性を向上させるととも
に、軟化抵抗性と高温強度を高める。本発明鋼における
これらの目標特性値を満足させるためには、少なくとも
2.0％以上必要である。しかし、3.0％以上添加すると靱
性が劣化するので上限を3.0％未満とした。

Ｖは、固溶しにくい微細な炭化物を形成し耐摩耗性およ
び軟化抵抗性を高めるとともに結晶粒を微細化して靱性
向上させる元素であり本発明鋼においては少なくとも0.
2％必要である。しかし、0.6％を超えて添加すると熱処
理時に歪みが生じ易くなるため上限を0.6％とした。

Nbは、Ｖ炭化物よりも固溶しにくい安定な炭化物を形成
し、結晶粒微細化効果が大きく靱性を向上させるととも
に耐摩耗性も向上させる。本発明鋼においてこの効果を
得るためには少なくとも0.01％必要であり、0.20％を超
えて添加しても結晶粒微細化効果が飽和するので上限を
0.20％とした。

Ｗは、前述した理由により経済性および特性面から、本
発明鋼では添加せず、不純物としても、0.2％以下に規
制するのが望ましい。

［実施例］以下に本発明を実施例について述べる。

＜実施例１＞第１表の本発明鋼ＡおよびＢからなるマンドレルをSUS3
04の熱間押出加工に用いたところ第３表に示すように従
来鋼Ｉのそれに比べ、寿命はおよそ２倍に向上した。加
工条件を次に示す。

プレス装置 :2000Tプレス被加工材 :SUS304 加工温度 :1200〜1230℃ マンドレル径:71.7〜61.5mm ＜実施例２＞第１表の本発明鋼ＣからなるダイスをAlの押出加工に用
いた。Al押出ダイスはシャープなコーナーを有している
うえ押出時、高い衝撃荷重がかかるためシャープコーナ
ーからの切り欠き効果による折損やダイス中央部の変形
が生じ、寿命となる。さらに、Al押出ダイスに対しては
一般に570℃程度での窒化処理を繰り返して使用される
ため、これによる母層の軟化が問題となり鋼の押出の場
合と同様に高強度と高靱性及び優れた軟化抵抗性が望ま
れている。

テストの結果、本発明鋼Ｃからなるダイスの寿命は、第
３表のごとく従来鋼Ｊからなるそれ比べおよそ３倍向上
した。

プレス装置 :1800Tプレス被加工材 :Al 加工温度 :450〜460℃ ［効果］以上に述べたように、本発明鋼は、従来のSKD61クラス
の優れた焼入れ性と靱性に加え、3Cr-3Moクラスの高強
度と優れた軟化抵抗性を備えたものであり、加工中に非
常に苛酷な応力が働く、鋼の熱間押出工具やAl押出工
具、さらに温、熱間金型用途などに用いて、従来のもの
に比べ、約２〜３倍の使用寿命を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Cr、Moの量と各特性の関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−80318（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−23048（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−123860（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−190550（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で C:0.4％以上0.5％未満、 Si:0.1％以上1.0％以下、 Mn:0.1％以上1.0％以下、 Cr:3.5％以上4.5％以下、 Mo:2.0％以上3.0％未満、 V:0.2％以上0.6％以下、 Nb:0.01％以上0.20％以下を含有し、残部Feおよび不可避の不純物からなる高強度
熱間加工用工具鋼。