JPH1025545A - 冷間工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より高い靱性と耐摩耗性とを兼ね備えた冷間
工具鋼を提供する。 【解決手段】 本発明の冷間工具鋼は、重量％で、Ｃ：
０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍ
ｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍ
ｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：１．０〜２．３％を含有
し、かつ、ＶとＣｒに関しては、０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞
０．１５の関係を満足せしめ、残部実質的にＦｅおよび
不可避不純物からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、靭性が優れ、また
耐摩耗性に優れた冷間工具鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ１１をはじめと
して高Ｃ高Ｃｒ系ダイス鋼は、耐摩耗性や靭性に優れた
鋼種であって、冷間加工用の工具材料として汎用されて
いる。このＳＫＤ１１は、まず、凝固時に、主にＣｒ系
の硬質一次炭化物Ｍ₇Ｃ₃が多量に晶出し、これにより耐
摩耗性が高められる。尚、ＭはＦｅ，Ｃｒ，Ｖなどの炭
化物を形成する金属元素を表す。その後、１０００〜１
０５０℃から焼入後、１５０〜２００℃で焼戻しするこ
とにより、ＨＲＣ６０以上の高硬度が付与される。

【０００３】また、昨今は、Ｃｒ量を減らしたＣ−Ｃｒ
系鋼も実用化されている。このＣ−Ｃｒ系鋼は、Ｃｒ量
を減らすことによりＣｒ系の硬質一次炭化物Ｍ₇Ｃ₃を少
なくし、靭性を向上させた鋼種である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の冷間
加工においては、より高硬度の被加工材を加工したり、
その加工量が増大するなどして、冷間加工の条件が過酷
化している。そのため、冷間工具鋼に関しては、耐摩耗
性と靭性とを高位水準で兼ね備えている鋼種が強く要望
されている。

【０００５】前記ＳＫＤ１１の場合、得られた工具は高
い耐摩耗性を有するものの、硬質炭化物が多く形成され
ているので靱性の点で充分ではないという問題がある。
また、一般に鋳造材は凝固時の歪みが焼入後にも残存す
るため、焼戻しはできる限り高温で行うことが望ましい
が、当該ＳＫＤ１１は高温焼戻しで硬さが低下してしま
うという問題がある。

【０００６】また、前記Ｃ−Ｃｒ系鋼は、靭性には優れ
るが、硬質炭化物の晶出量が少ないので、耐摩耗性が不
足するという問題がある。このように、ＳＫＤ１１ある
いはＣ−Ｃｒ系鋼から成る工具の場合、耐摩耗性または
靭性の一方の性能は優れているが、他方の性能が不足し
ているので、上記したような過酷な条件に充分対応でき
ない場合がある。

【０００７】このため、冷間工具鋼に対しては、近年の
冷間加工の条件の過酷化に充分対応できるように、強
度、靭性および耐摩耗性を更に向上させることへの要求
が強くなっている。本発明は、従来の冷間工具鋼におけ
る上記した性能を改善し、鋳造により冷間工具を製造し
た際に、より高い靱性と耐摩耗性とを兼ね備えた冷間工
具を得ることができる冷間工具鋼の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した目
的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、後述するよ
うな組成から成り、かつ、Ｖの含有量とＣｒの含有量と
を適切なバランスに保持した鋼種は、その溶鋼の凝固時
にＶ系の硬質一次炭化物を微細に晶出させることがで
き、靭性と耐摩耗性とをともに向上させることができる
という事実を見出し、この知見に基づいて本発明の冷間
工具鋼を開発するに至った。

【０００９】すなわち、本発明の冷間工具鋼は、重量％
で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０
％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０
％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：１．０〜２．３％を
含有し、かつ、ＶとＣｒに関しては、０．３５＞Ｖ／Ｃ
ｒ＞０．１５の関係を満足せしめ、残部実質的にＦｅお
よび不可避不純物からなることを特徴とする。

【００１０】また、本発明においては、前記した鋼種
に、更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上またはＣ
ａ：０．００１〜０．０３０％を含有せしめることによ
り、晶出するＶＣを一層微細化し、もって、より一層靭
性に優れた冷間工具鋼が提供される。また、本発明にお
いては、重量％で、Ｐ：０．０２０％以下、かつＳ：
０．００３％以下に規制することにより、更に靭性に優
れた冷間工具鋼が提供される。

【００１１】また、本発明の冷間工具鋼においては、更
に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔａ：２．０％以
下のいずれかを含有する構成にすることにより靭性向上
効果が補填される。また、本発明においては、更に、重
量％で、Ｓ：０．００５〜０．３％を含有し、かつ、Ｔ
ｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％
のうちの１種以上を含有する構成にすることにより、靭
性の低下を引き起こすことなく、被削性が向上した冷間
工具鋼が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の冷間工具鋼において、Ｃ
は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどの炭化物形成元素と結合して硬
質の炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に資する元素であ
る。その含有量は０．９０〜１．３０重量％に設定され
る。Ｃ含有量が０．９０重量％より少ない場合は、ＨＲ
Ｃ６０以上の焼戻し硬さを得ることができなくなるとと
もに、上記特性を得られず、また、１．３０重量％より
多くなると過剰な炭化物の晶出、析出をまねくととも
に、焼入残留オーステナイト量を増大させ、靭性を低下
させてしまうからである。また、Ｃは、優れた焼入性、
焼戻し硬さ、靭性を維持し、結晶粒の微細化硬化、耐摩
耗性、焼戻し軟化抵抗の向上にも寄与する。

【００１３】Ｓｉは、高温焼戻し硬さの増大に有効な元
素であり、その含有量は、０．５〜１．０重量％に設定
される。Ｓｉ含有量が０．５重量％より少ない場合は、
上記した効果が発揮されず、また、１．０重量％より多
くなると、ＨＲＣ６０以上で高い靭性を得ることができ
なくなるからである。Ｍｎは、焼入性を向上させる元素
であり、その含有量は、０．１〜１．０重量％に設定さ
れる。Ｍｎ含有量が０．１重量％より少ない場合は、上
記した効果が発揮されず、また、１．０重量％より多く
なると、焼きなまし硬さを著しく高くし被削性を低下さ
せるからである。

【００１４】Ｍｏは、焼入性、高温焼戻し硬さを増大さ
せる元素であり、その含有量は、１．８〜４．０重量％
に設定される。Ｍｏ含有量が１．８重量％より少ない場
合は、上記した効果が発揮されず、また、４．０重量％
より多くなると晶出炭化物が多くなり靭性の劣化をきた
すからである。ところで、冷間工具鋼においては、溶製
する際の凝固時に、Ｍ₃Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、ＭＣなどの硬質の
一次炭化物（ただし、ＭはＦｅ，Ｃｒ，Ｖなどの炭化物
を形成する金属元素を表す）が晶出し、これらの炭化物
により基地の耐摩耗性が高められる。

【００１５】ここで、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系の冷間工具鋼に
おいては、主にＣｒ系の共晶炭化物Ｍ₇Ｃ₃が晶出し、こ
こに、ＭＣやＭ₃Ｃが共存する形態をとる。このとき、
これら晶出炭化物の種類、割合、大きさにより、靭性お
よび耐摩耗性は変化する。例えば、Ｍ₃Ｃ＜Ｍ₇Ｃ₃＜Ｍ
Ｃの順に硬度は高くなる。このため、比較的硬度が低い
炭化物Ｍ₃Ｃが多く存在している場合は、靭性は向上す
るが、耐摩耗性は低くなる。一方、硬度が高い炭化物Ｍ
Ｃが多く存在している場合は、耐摩耗性は向上するが靭
性は阻害される。特に、ＭＣが粗大化している場合は、
靭性の低下が著しい。このことから、前記晶出炭化物の
種類、割合およびその大きさを制御することにより靭性
と耐摩耗性とを両立させることが考えられる。

【００１６】本発明者は、特に、硬度が高いＶ系のＭＣ
（一次炭化物）を靭性を損なわせない形態、すなわち、
微細な晶出形態で積極的に晶出させることにより、高い
靭性と高い耐摩耗性とを兼ね備えた冷間工具鋼を得るこ
とを企図し、鋭意研究を行った。その結果、Ｖ含有量と
Ｃｒ含有量との間で適切なバランスをとると、Ｍ₃Ｃ、
Ｍ₇Ｃ₃、ＭＣなどの炭化物の晶出形態を制御できる事実
を見出し、この知見に基づいて、微細なＶＣが得られる
ＶとＣｒとの関係を検討した。

【００１７】ここで、炭化物の晶出形態とＶ含有量とＣ
ｒ含有量との関係を図１に示す。この図１は、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｍｎ、Ｍｏをそれぞれ、Ｃ：０．９０〜１．３０重
量％、Ｓｉ：０．５〜１．０重量％、Ｍｎ：０．１〜
１．０重量％、Ｍｏ：１．８〜４．０重量％の範囲で含
有する所定組成の鋼種においてＶ含有量とＣｒ含有量と
をそれぞれ変化させて鋼を溶製し、その組織を観察し、
晶出した炭化物の種類と、その炭化物のうちＶＣの平均
炭化物粒径を測定することにより得た。

【００１８】尚、前記粒径とは、公知の手段により求め
た円相当径である。また、本発明においては、平均炭化
物粒径１０μｍ以下を微細な粒子とし、それよりも大き
いものを粗大な粒子とした。以下、図１を基にして、微
細なＶＣが得られる範囲について説明する。図１より、
Ｖ／Ｃｒが０．１５より小さい場合、すなわち、ａ線よ
り下の範囲では、Ｍ₇Ｃ₃とＭ₃Ｃが晶出し、硬質のＶ系
炭化物（ＶＣ）の晶出はほとんどない。このため、ＶＣ
により耐摩耗性を向上させることはできない。

【００１９】また、Ｖ／Ｃｒが０．３５より大きい場
合、すなわち、ｂ線より上の範囲では、ＶＣは晶出する
が粗大化しているので、靭性を確保することは困難であ
る。Ｖ／Ｃｒが０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の範囲の
場合、すなわち、ａ線とｂ線の間の領域では、晶出炭化
物Ｍ₇Ｃ₃とともに、硬質のＶ系炭化物（ＶＣ）が微細に
晶出する。

【００２０】このように、本発明においては、ＶとＣｒ
の関係が０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５であれば、硬質
のＶ系炭化物（ＶＣ）を微細に晶出させることができる
との新たな知見を得た。本発明においては、上記知見を
基に、微細なＶＣを積極的に活用できるＣｒとＶの含有
量の範囲を規定した。以下にＣｒとＶの含有量の限定理
由を示す。

【００２１】すなわち、Ｃｒ含有量は、６．０〜９．０
重量％に設定される。Ｃｒ含有量が６．０重量％より少
なくなるとＭ₇Ｃ₃系硬質炭化物の量が少なくなり耐摩耗
性が低下し、逆に９．０重量％より多くなるとＭ₇Ｃ₃系
硬質炭化物の量が多くなり靭性が阻害されるからであ
る。また、Ｖ含有量は、１．０〜２．３重量％に設定さ
れる。Ｖ含有量が１．０重量％より少ない場合は、所望
の耐摩耗性が得られず、また、２．３重量％より多くな
ると粒子径が大きいＶＣが支配的に晶出し、耐摩耗性と
靭性の両立が困難になってくるからである。

【００２２】尚、Ｃｒは、焼入性、高温焼戻し硬さの向
上にも寄与する元素である。また、Ｖは、二次硬化元素
として高温焼入で効果を発揮し、更に、基地のオーステ
ナイト系結晶粒の粗大化を防止する効果もある。以上の
ように、本発明の冷間工具鋼においては、微細なＶＣを
積極的に活用し、耐摩耗性と靭性とを高位水準で両立さ
せるため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖを上記した
組成範囲に設定し、かつ、ＶとＣｒに関しては０．３５
＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足していることを必須
要件とする。

【００２３】また、本発明においては、上記必須要件
に、更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上またはＣ
ａ：０．００１〜０．０３０％を含有させた冷間工具鋼
が提供される。これらの元素は、一次炭化物すなわちＶ
Ｃの晶出形態をより微細にする働きがあり、靭性の向上
に寄与する。ただし、当該元素の含有量が前記範囲から
外れると上記した効果は発揮されない。

【００２４】また、本発明においては、重量％で、Ｐ：
０．０２０％以下、かつＳ：０．００３％以下に規制す
ることにより靭性に優れた冷間工具鋼が提供される。こ
れらの元素は、その上限を上記のように規制すると、Ｖ
Ｃの微細化を促進させることができ、靭性を向上させる
ことができる。また、本発明においては、上記必須要件
に、更に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔａ：２．
０％以下のいずれかを含有させた冷間工具鋼が提供され
る。

【００２５】これらの元素は、基地の結晶粒の微細化に
有効であり、靭性向上に寄与する。ただし、当該元素の
含有量が前記範囲から外れると上記した効果は発揮され
ない。また、本発明においては、上記必須要件に、更
に、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．３％を含有し、か
つ、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０
２０％のうちの１種以上を含有した冷間工具鋼が提供さ
れる。

【００２６】ここで、Ｓは、被削性を向上させるために
添加されるが、あまり多く添加されると靭性を阻害する
ので、靭性を低下させないためにＣａ、Ｔｅがあわせて
添加される。つまり、これらの元素は、靭性を損なうこ
となく被削性を改善するために添加される。ただし、当
該元素の含有量が前記範囲から外れると上記した効果は
発揮されない。

【００２７】本発明の冷間工具鋼は次のようにして製造
される。まず、例えば、溶解炉で上記した必須要件を満
足する成分組成の鋼種あるいは、当該鋼種に更に性能を
向上させるための元素を追加した鋼種を溶解する。つい
で、その溶鋼を鋳造して所定形状の鋼塊とする。このと
き、一次炭化物として、Ｃｒ系のＭ₇Ｃ₃とともに微細な
ＶＣが多く晶出する。その後、当該鋼塊は焼きなましさ
れたのち、１０３０〜１１２０℃に加熱保持され、焼入
が行われる。そして、しかる後に４８０℃〜６００℃で
高温焼戻しが施され、所望の冷間工具鋼が得られる。

【００２８】尚、本発明の冷間工具鋼は、焼戻し軟化を
抑制する元素、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏを所定量
添加して、焼戻し特性を改善しているので、４８０〜６
００℃の高温で焼戻しされたときに優れた焼戻し効果を
発揮する。このため本発明における鋼種は、かかる高温
焼戻しにより、焼入時の残留応力が除去されて安定組織
となる。

【００２９】従って、この鋼種を用い、上記したように
製造された冷間工具は、靭性と耐摩耗性とを高位水準で
兼ね備えており、その使用寿命が大幅に改善される。

【００３０】

【実施例】

実施例１〜８、比較例１〜５ 表１に示す成分組成の本発明鋼及び比較鋼を溶製したの
ち、鋳造法により下記の試験片を夫々作製し、夫々の試
験片につき、８６０℃で焼きなまし処理を行ったのち、
焼入、焼戻しを行った。得られた試験片につき、硬さ
（ＨＲＣ）、抗折力、シャルピー衝撃値、比摩耗量、被
削性指数を求め、夫々の結果を表２に示した。尚、表１
中には、上記各鋼種の焼入温度及び焼戻し温度を夫々併
記した。

【００３１】ここで、硬さ（ＨＲＣ）、抗折力、シャル
ピー衝撃値、比摩耗量、被削性指数は、以下のようにし
て求めた。 硬さ 硬さは、ロックウェル硬さ試験器のＣスケールを用いて
測定した。 抗折力 抗折力は、厚さ３ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験
片につき、支点間距離２０ｍｍ、中央１点荷重とし試験
片が破断する際の破断荷重を測定し、この破断荷重から
抗折力を求めた。 シャルピー衝撃値 シャルピー衝撃値は、１０ＲノッチＣ型試験片につきシ
ャルピー衝撃試験を行い測定した。シャルピー衝撃値が
高いほど靭性に優れていることを示す。 比摩耗量 大越式摩耗試験機を使用し、相手材をリング形状とし、
最終荷重を６．３kgf、リング外周が３ｍ／ｓｅｃにな
るように回転させ、摩耗痕の幅を測定後、摩耗体積を算
定し求めた。

【００３２】尚、相手材がＳＣＲ４２０（ＨＢ８１）の
場合の測定結果を比摩耗量（１）、相手材がＳＵＳ３０
４（ＨＢ８２）の場合の測定結果を比摩耗量（２）とし
て表２に示した。この比摩耗量が少ないほど耐摩耗性に
優れていることを示す。 被削性指数 ハイスエンドミルにより、みぞ切削を行い、エンドミル
の摩耗量が０．４ｍｍに達した時の切削体積を求めた。
そして、比較例１の切削体積の値を１００とした場合の
比較値を被削性指数として表２に示した。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、本発明鋼は何れ
もＨＲＣ６３．９以上の硬さを有し、抗折力，シャルピ
ー衝撃値が高いとともに、比摩耗量が少ない。すなわ
ち、本発明鋼は、強度，靭性が高いとともに、耐摩耗性
に優れていることを示しており、靭性と耐摩耗性を高位
水準で兼ね備えている。それに対し、比較鋼は何れもＨ
ＲＣ５９．８以上の硬さを有しているが、比較例１〜３
は、抗折力、シャルピー衝撃値が高いものの、比摩耗量
が多く、比較例５は、比摩耗量が少ないが、抗折力、シ
ャルピー衝撃値は低い。また、比較例４は、抗折力、シ
ャルピー衝撃値が低く、比摩耗量も多い。このように、
比較鋼においては、靭性と耐摩耗性がともに優れている
鋼種はなく、靭性または耐摩耗性のどちらか或いはその
両方が劣化している。

【００３６】また、本発明鋼の被削性指数は、比較鋼の
被削性指数と同等以上の値を示しており、被削性が劣化
していないことがわかる。特に、実施例６は、被削性指
数が１４５であり被削性が向上している。これは、実施
例６においては、被削性改善元素が所定量、すなわち、
Ｓ：０．０３３重量％、Ｔｅ：０．０１１重量％、Ｃ
ａ：０．００１５重量％含有されているからである。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
冷間工具鋼は、Ｖ含有量とＣｒ含有量との間でバランス
をとることにより、一次の晶出炭化物の形態を制御し、
微細なＶＣを多く晶出させているので、靱性と耐摩耗性
とを高位水準で両立することができ、過酷な冷間加工条
件に充分に耐えることができる。

【００３８】本発明鋼は、例えば、転造ダイス、冷間鍛
造型材、冷間打ち抜き型材、冷間成形ロール材としてそ
の工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭化物の晶出形態とＶ含有量とＣｒ含有量との
関係を示したグラフである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、
   Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃ
   ｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：
   １．０〜２．３％を含有し、かつ、ＶとＣｒに関して
   は、０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足せし
   め、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなること
   を特徴とする冷間工具鋼。
2. 【請求項２】 更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上
   またはＣａ：０．００１〜０．０３０％を含有する請求
   項１の冷間工具鋼。
3. 【請求項３】 重量％で、Ｐ：０．０２０％以下、かつ
   Ｓ：０．００３％以下に規制した請求項１の冷間工具
   鋼。
4. 【請求項４】 更に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、
   Ｔａ：２．０％以下のいずれかを含有する請求項１の冷
   間工具鋼。
5. 【請求項５】 更に、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．
   ３％を含有し、かつ、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．
   ０００５〜０．０２０％のうちの１種以上を含有する請
   求項１の冷間工具鋼。