JPH07109021B2 - 熱間加工用工具鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高い高温強度、耐摩耗性を有するとともに、き
わめて大きい焼入性とすぐれた靭性を有し、使用時の昇
温温度が高く、併せて過酷な摩耗作用、熱衝撃を受け、
かつ大きい衝撃応力を受ける各種寸法の熱間鍛造型など
熱間工具用途に適用し、長寿命を与える型材料に関する
ものである。

〔従来の技術〕

使用中の型面温度の上昇が激しく、高度の熱間強度なら
びに熱間耐摩耗性を要求される用途に対しては、従来最
も高温強度の高い材料として高Ｗ−Ｖ−Co系のAISI H19
系鋼が使用されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしこれは、高温強度が高い反面靭性が低く、用途に
より使用中早期割れ発生をまねく場合があり、また焼入
性が小さいため、焼入冷却速度の僅かな低下により、上
部ベイナイト組織の多量の生成をまねき、この結果靭性
が大幅に低下するため、中〜大寸法の型への適用が困難
であった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明鋼の化学組成は、中Ｃ−中Cr−Ni−中（Ｗ・Mo）
−中〜Ｖ−Ｎを基本成分とし、靭性低下の要因の一つで
ある粗大なVC炭化物の生成を抑制し、また基地の焼入組
織を半冷30min程度の徐冷焼入の場合にもマルテンサイ
ト組織主体の組織となるよう十分な焼入性を付与するた
め、Ｃ、Cr、Ni、Mnを主体とした合金組成を適切に組合
せ、併せて凝固組織の微細化、オーステナイト結晶粒径
の微細化による靭性向上効果を与え、大寸法の型でもす
ぐれた靭性が得られる特性を付与したものである。

また、Ｃ、Ｗ、Mo、Ｖ量の適切な組合せにより、すぐれ
た高温強度と高温耐摩耗性を付与するとともに、Cr、C
o、Niの添加、Si量の調整により、使用時の昇温により
型面に緻密で固着性が大きく適度の厚みを有する酸化被
膜を形成させ、この面からも高度の高温耐摩耗性、焼付
性を付与したものである。

すなわち本願発明は、 重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、Mn1.50％以
下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2W＋Mo）1.
90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025〜0.15
％、残部Feおよび通常の不純物からなることを特徴とす
る熱間加工用工具鋼、 重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、Mn1.50％以
下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2W＋Mo）1.
90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025〜0.15
％、Co0.50〜4.00％、残部Feおよび通常の不純物からな
ることを特徴とする熱間加工用工具鋼、 重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、Mn1.50％以
下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2W＋Mo）1.
90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025〜0.15
％、Nb0.02〜0.15％、残部Feおよび通常の不純物からな
ることを特徴とする熱間加工用工具鋼、および、 重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、Mn1.50％以
下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2W＋Mo）1.
90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025〜0.15
％、Co0.50〜4.00％、Nb0.02〜0.15％、残部Feおよび通
常の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の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、NbおよびCrなど
の炭化物生成元素と結合して炭化物を形成し、結晶粒の
微細化、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。

多すぎると靭性が低下するので、含有量を0.50％以下と
し、低すぎると上記添加の効果が得られないので、含有
量を0.36％以上とする。

SiはA₁変態点を高めるため、および用途に応じた耐酸化
特性を付与するために添加される。

多量の添加は靭性の点で不利であり、また使用時の保護
性酸化被膜が形成されにくくなり、また熱伝導性の低下
をまねくので1.00％以下とする。

Mnは、本発明鋼の特徴である特にすぐれた焼入性を付与
するために添加される。

多量の添加は焼なまし硬さを上げ、被切削性を低下さ
せ、またA₁変態点の低下をまねくので、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すぐれ
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
改善を与える。

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、耐摩耗寿命の低下をまねき、
また焼きなまし硬さを過度に高くして機械加工性を低下
させるので2.30％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。

Crは本発明鋼の特徴である焼入性の向上を目的として添
加されるもので、Niとともに本発明鋼における最も重要
な元素の一つであり、Cr量の設定はきわめて重要であ
る。またCrは焼もどし軟化抵抗および高温強度の向上、
また適度の酸化被膜特性の付与、Ｃと結合して炭化物を
形成することによる耐摩耗性向上効果、A₁変態点向上効
果を得るために添加される。

低すぎると本発明鋼の特徴である特にすぐれた焼入性を
保持することが困難となり、また耐酸化性が不足し、使
用時肌あれを生じ易く、A₁変態点の低下、昇温時の軟化
抵抗の劣化、残留炭化物の減少等により、良好な靭性を
耐摩耗性を兼備させるのが困難となるので4.05％以上と
し、高すぎると昇温時凝集しやすい炭化物を形成し、高
温強度、軟化抵抗を低下させるので6.50％以下とする。
徐冷焼入によっても十分な焼入性を得るためには、4.50
〜6.50％添加させるのがより望ましい。

Ｗは焼入加熱時に固溶しにくい炭化物を多量に形成し
て、耐摩耗性向上に独得の効果をもたらすものであり、
また焼もどし時、凝集しにくい微細な炭化物を析出して
高温耐力を高め、また昇温時の軟化抵抗を特に高くし、
さらに使用中の昇温時に形成される表面酸化被膜の緻密
性を向上させるために添加するものである。Ｗは、多す
ぎると従来鋼と同様粗大な炭化物を形成する傾向が大と
なり、靭性の低下をまねく。

Moは炭化物を形成し、耐摩耗性を高め、基地に固溶して
焼入性を向上させ、また焼もどし時、微細な炭化物を形
成して高温強度および昇温時の軟化に対する抵抗性を高
め、また使用中の保護性酸化被膜の生成容易性を向上さ
せる効果をもたらすものである。

Ｗ、Moは上記効果を得るために添加するが、多すぎると
粗大炭化物の形成や、炭化物量の増大などにより靭性を
低下させ、本発明鋼の特徴であるすぐれた靭性を保持さ
せることが困難となるので、（1/2W＋Mo）で3.50％以下
とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので1.90
％以上とする。

なお、ＷとMoの添加効果は類似しているが、高温強度、
耐摩耗性に関してはＷの方が有利であり、靭性に関して
はMoの方が有利で、目的、用途により単独または複合添
加を行なうものである。

Ｖは固溶しにくい炭化物を多量に形成して耐摩耗性およ
び耐焼付性向上効果をもたらすものであり、かつ焼入加
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、高い温度領域における軟化抵抗を向上さ
せる。

また焼入時の結晶粒微細化効果をもたらし靭性を向上さ
せ、またA₁変態点をあげ高温強度向上効果とあいまっ
て、耐ヒートクラック性を向上させる。多すぎると粗大
な炭化物に生成し、本発明鋼の特徴であるすぐれた靭性
を保持させることが困難となるので1.00％未満とし、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。

ＮはNbとともに凝固組織を微細化し、また焼入時に結晶
粒を微細化させ、徐冷焼入においても粗大な上部ベイナ
イトの生成を防止して、高い靭性を保持させ、本発明鋼
の効果を達成させるための不可欠の重要な添加元素であ
る。

Ｎは上記効果を得るために添加されるが多量の添加は必
要なく、固溶限からの制約もあり0.15％以下とし、低す
ぎると上記添加の効果が得られないので0.025％以上と
する。

Coは本発明鋼において、きわめて大きい高温耐摩耗性を
付与するための添加元素である。これはCoの添加によ
り、使用中の昇温時きわめて緻密で密着性のよい保護性
酸化被膜を形成し、これにより、相手材との間の金属接
触を防ぎ、本発明鋼の温度上昇を防ぐとともにすぐれた
耐摩耗性をもたらすものである。

Coのこの効果は、Cr、Niをはじめ、Ｗ、Moその他の添加
元素量との関係において異なってくるもので、本発明鋼
の場合、多量の添加を必要としない。多すぎると靭性を
低下させるので4.00％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。

Nbは焼もどし時、微細で特に凝集しにくい炭化物を形成
し、昇温時の軟化抵抗を特に高め、また焼入時の結晶粒
の微細化のために添加される。

またＮ、Ｃと結び付いて凝固時の初晶生成時の核作用に
より、凝固組織を微細化し、靭性向上の効果をもたら
す。

Nbは上記効果を得るために添加されるが、多すぎると粗
大な炭化物を形成し、靭性を低下させるので0.15％以下
とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので0.02
％以下とする。

〔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表に本発明鋼および従来の熱間加工用工具鋼の化学
組成を示す。

第２表は第１表に示す本発明鋼および従来鋼の熱処理条
件（目標硬さＨRC45）および高温強度を示したもので、
本発明鋼は従来鋼と同等ないしこれに準ずる高温強度を
備えていることがわかる。

第３表は、第１表に示す本発明鋼および従来鋼試料を半
冷30min（焼入温度と室温との中間温度または降温する
までの所要時間が30minとなるような冷却速度）で焼入
冷却後、ＨRC45に焼もどした場合の破壊靭性値（KIC）
を示す。

従来鋼Ｋの場合は、半冷30minの焼入で上部ベイナイト
主体の組織となるため、焼もどし後十分な靭性が得られ
ない。

一方本発明鋼の場合、焼入性が大きく、半冷30minの焼
入冷却の場合にもマルテンサイト主体の組織を生成し、
焼もどし後高い靭性値を示している。

このように本発明鋼は、徐冷焼入の場合にも十分な靭性
値が得られるため、大寸法の金型でも空冷焼入で十分な
靭性を維持することができる点に大きな特徴がある。

第４表に本発明鋼の耐ヒートチェック性を示す。試験片
は、第２表に示した各オーステナイト化温度より、半冷
30minで焼入後、ＨRC45に焼もどしを行なった。

試験片を15mmφ×25mmで660℃に急熱し、水中で20℃に
急冷する操作を3,000回繰返した結果である。

本発明鋼は従来鋼よりクラック個数はやや多いが、平均
および最大深さが小さく格段にすぐれた耐ヒートチェッ
ク性を備えていることがわかる。

これは、本発明鋼が従来鋼と同等ないしこれに準ずるす
ぐれた高温強度を有しており、かつ焼入性が大きく、半
冷30minの焼入においても、上部ベイナイトの生成が抑
制され、高い靭性を維持すること、また合金組成および
凝固時の初晶の核生成効果により、凝固時に粗大な炭化
物を生成する傾向が小さいことによる靭性改善の効果、
などによるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明鋼は半冷時間30min程度、
あるいはこれより冷却速度の遅い徐冷焼入の場合にも靭
性の低下を生ぜず、また合金組織の適切な組合せ、凝固
組織の微細化とあいまって大寸法工具の場合でもすぐれ
た高温強度と高いレベルの靭性を保持することを特徴と
する新しい熱間加工用工具鋼である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、M
   n1.50％以下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2
   W＋Mo）1.90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025
   〜0.15％、残部Feおよび通常の不純物からなることを特
   徴とする熱間加工用工具鋼。
2. 【請求項２】重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、M
   n1.50％以下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2
   W＋Mo）1.90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025
   〜0.15％、Co0.50〜4.00％、残部Feおよび通常の不純物
   からなることを特徴とする熱間加工用工具鋼。
3. 【請求項３】重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、M
   n1.50％以下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2
   W＋Mo）1.90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025
   〜0.15％、Nb0.02〜0.15％、残部Feおよび通常の不純物
   からなることを特徴とする熱間加工用工具鋼。
4. 【請求項４】重量％でC0.36〜0.50％、Si1.00％以下、M
   n1.50％以下、Ni0.50〜2.30％、Cr4.05〜6.50％、（1/2
   W＋Mo）1.90〜3.50％、V0.50％以上1.00％未満、N0.025
   〜0.15％、Co0.50〜4.00％、Nb0.02〜0.15％、残部Feお
   よび通常の不純物からなることを特徴とする熱間加工用
   工具鋼。