JPH1161331A

JPH1161331A - 熱間工具鋼

Info

Publication number: JPH1161331A
Application number: JP22530497A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Fujii; 利光藤井; Yukinori Matsuda; 幸紀松田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間工具鋼の硬さと耐ヒートチェック性を維
持したまま被削性を向上させ、工具や金型の寿命を短く
することなくその製作を容易にする。【解決手段】ＳＫＤ６１，ＳＫＴ４，ＳＫＤ８，セミ
ハイス鋼などの熱間工具鋼合金に対して、非金属介在物
形成元素Ｓ，ＴｅおよびＣａをそれぞれ特定量添加し、
介在物をＪＩＳＧ０５５５に定める清淨度ｄＡ６０×４
００＝０．０１０〜０．１５０％とする。介在物のア
スペクト比を２．５以下にすることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属の熱間成形用
の型の材料とする熱間工具鋼に関し、硬さを実質上低下
させることなく被削性を改善した熱間工具鋼を提供す
る。

【０００２】

【従来の技術】熱間成形用の工具や金型を製造する材料
としては、これまでＳＫＤ６１，ＳＫＤ８，ＳＫＴ４な
どＪＩＳ規格に定められた鋼や、３Ｃｒ−１Ｍｏ系鋼、
セミハイス系鋼などが用いられて来た。

【０００３】これらの鋼は、型の製造が容易であるよう
に、被削性がよいことが望まれるのはもちろんである。
近年、数値制御切削加工法が進歩した結果、金型加工
の自動化、高速化が進み、それに伴って被削性の向上に
対する要求がますます強くなって来た。

【０００４】被削性を重視する場合は、強度を犠牲にし
て低硬度の状態で加工したり、Ｓを代表とする介在物形
成元素を添加するなどの方策がとられる。しかし、硬
さを下げることは、耐摩耗性やヒートチェック性を低下
させて、金型の寿命を短くするので好ましくない。介
在物形成元素の添加は、少量では効果が期待できない
が、多量に添加することは、粗大な介在物の生成を招
き、これがクラックの起点となって耐ヒートチェック性
を低くする。鍛造型であれば、大割れの原因となる
し、ダイカスト型では、意匠を施した面にクラックが転
写された製品ができるなどの問題を生じる。

【０００５】従って、熱間工具鋼の耐ヒートチェック性
を低下させることなく、被削性を向上させることが望ま
しい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
のような技術の現状を前進させて、非金属介在物の成分
および形態を有利に制御することによって、耐ヒートチ
ェック性を悪くすることなく被削性を改善し、硬さの低
下を避けて長寿命の型を容易に製作できる熱間工具鋼を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の熱間工具鋼は、
基本的な合金組成としては、Ｃ：０．３０〜０．８０
％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：
１０％以下、Ｍｏ：５．０％以下およびＶ：３．０％以
下に加えて、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｅ：
０．００３〜０．０４０％およびＣａ：０．０００２〜
０．００３０％を含有し、ただしＳ＋Ｔｅ：０．０８０
％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成で
あって、鋼中の非金属介在物がＪＩＳＧ０５５５に定め
るｄ６０×４００清淨度にして０．０１０〜０．１５０
％であるものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の熱間工具鋼は、上記した
基本的な合金成分に加えて、下記の各グループの合金成
分の少なくとも１種類を含有することができる。

【０００９】（１）Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｕ：３．０
％以下およびＣｏ：５．０％以下の１種または２種以
上、（２）Ｗ：５．０％以下、（３）Ｎｂ：２．０％以
下、Ｔｉ：２．０％以下、Ｔａ：４．０％以下、および
Ａｌ：１．０％以下の１種または２種以上、（４）Ｂ：
０．０１０％以下、ならびに（５）ＲＥＭ：０．５０％
以下。

【００１０】非金属介在物のアスペクト比すなわち長径
と短径の比は、２．５以下であることが好ましい。

【００１１】この熱間工具鋼において、各合金成分のは
たらきと組成の限定理由を説明すれば、つぎのとおりで
ある。

【００１２】Ｃ：０．３０〜０．８０％Ｃは硬さと耐摩耗性を与える。熱間工具鋼として十分
な硬さ、耐摩耗性を確保するためには、０．３０％以上
の添加が必要である。過度の添加は加工性の低下を招
くため、０．８０％を上限とする。

【００１３】Ｓｉ：２．０％以下Ｓｉは脱酸元素として必要であるが、耐ヒートチェック
性の観点からは添加量が低い方が好ましく、この立場か
ら２．０％を上限とする。

【００１４】Ｍｎ：３．０％以下鋼の脱酸元素として必要であり、また、焼入性および硬
さの確保のためにも必要である。過度に添加すると焼
なまし時の加工性低下を招くため、３．０％を上限とす
る。

【００１５】Ｃｒ：１０．０％以下炭化物を形成し、基地を強化し、耐摩耗性を向上させ
る。過度の添加は加工性の低下を招くため、上限を１
０．０％とする。

【００１６】Ｍｏ：５．０％以下やはり炭化物を形成して、基地の強化と耐摩耗性の向上
に役立つ。過大な量が加わると加工性の低下を招く。
そこで、上限を５．０％と定めた。

【００１７】Ｖ：３．０％以下同じく炭化物を形成し、基地の強化と耐摩耗性向上の役
割を担う。添加が多量にすぎると、やはり加工性が低
下することから、３．０％の上限を置いた。

【００１８】Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｅ：
０．００３〜０．０４０％、ただし、Ｓ＋Ｔｅ：０．０
８０％以下ＳおよびＴｅはＭｎ（Ｓ，Ｔｅ）を形成し、これが切削
時の応力集中源となって被削性を高める。このような
効果を得るためには、少なくともＳ：０．００５％、Ｔ
ｅ：０．００３％以上の添加が必要である。ただし、
過度に添加すると製造時の熱間加工性が低下したり、耐
ヒートチェック性が低下するため、Ｓ：０．０５０％以
下、Ｔｅ：０．０４０％以下、Ｓ＋Ｔｅ：０．０８０％
以下を上限とする。ＳとＴｅの複合添加により、Ｓ単
独添加の場合にくらべて高度に硫化物系介在物が球状化
し、耐ヒートチェック性の低下が抑制できる。

【００１９】Ｃａ：０．０００２％以上０．００３０％
以下Ｃａは微細な酸化物を形成し、この酸化物が硫化物形成
のための核となる。従って、Ｓ，ＴｅにＣａを複合添加
することにより、硫化物を微細化し、耐ヒートチェック
性の低下を抑制する。Ｃａは、製造時の熱間加工性の
向上にも有用である。このような効果を得るために
は、少なくとも０．０００２％の添加が必要であり、一
方で過度に添加してもその効果が飽和するため、上限を
０．００３０％とする。

【００２０】非金属介在物の状況：ＪＩＳＧ０５５５に
定めるｄＡ６０×４００清淨度にして０．０１０〜０．
１５０％非金属介在物は切削の際、切くず生成時の応力集中源と
なったり、工具と切くず間の潤滑作用を発揮するなどし
て、被削性を向上させる。この効果を得るためには、
上記清淨度が０．０１０％以上であることを要する。
ただし、過度に存在すると耐ヒートチェック性が低下す
るので、０．１５０％以下に規制する。なお、ｄＡ６０
×４００＝×％とは、被検面を４００倍に拡大して６０
個の視野について測定したときに、Ａ系介在物（主に硫
化物）が占めた視野内格子点数が、総格子点のうち×％
であることをあらわす。

【００２１】任意に添加する合金成分のはたらきと、組
成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。

【００２２】Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｕ：３．０％以
下、Ｃｏ：５．０％以下いずれも焼入性の向上と基地の強化に有効であり、所望
により添加する。過度に添加するとＮｉおよびＣｏは
加工性を低下させ、Ｃｕはそれに加えて耐衝撃性も低下
させるため、上限以内の添加量とする。

【００２３】Ｗ：５．０％以下炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性の向上に有効で
あるから、適宜添加する。過度の添加は加工性の低下
を招くため、上限を５．０％とする。

【００２４】Ｎb：２.０％以下、Ｔi：２.０％以下、Ｔ
ａ：４.０％以下、Ａｌ：１.０％以下Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ
は微細な炭化物を形成し、Ａｌは微細な窒化物を形成
し、いずれも結晶粒の微細化、ひいては耐衝撃性の向上
に役立つ。過度に添加してもその効果が飽和するた
め、それぞれ上記の上限を設けた。

【００２５】Ｂ：０．０１０％以下焼入性を向上させる効果が大きい元素であり、必要に応
じて添加する。熱間加工性や靱性にとっては好ましく
ないため、０．０１０％以内の添加に止める。ＲＥＭ：０．５０％以下Ｏ，Ｐ等の不純物を固定し、基地の清淨度を高め、耐衝
撃性を向上させる。多量に過ぎると地疵が発生するた
め、上限０．５０％以下の添加量をえらぶ。

【００２６】非金属介在物のアスペクト比（長径と短径
の比）：２．５以下伸長した非金属介在物が存在する場合、深いヒートチェ
ックが発生する傾向がある。非金属介在物のアスペク
ト比が２．５以下であれば、耐ヒートチェック性はほと
んど低下しないため、アスペクト比は２．５以下となる
ようにはかる。これは、介在物形成元素Ｓ，Ｔｅおよび
Ｃａの量を適切に組み合わせることによって実現でき
る。

【００２７】

【実施例】

〔実施例１〕表１Ａおよび１Ｂに示す合金組成の熱間工
具鋼を、真空誘導炉で溶製した。これらは、在来のＳＫ
Ｄ６１鋼およびＳＫＴ４鋼をベースとしたものである。

【００２８】表１Ａ合金組成Ｎｏ．ＣＳｉＭｎＣｕＮｉＣｒＭｏＶＳＴｅＣａその他ＳＫＤ６１系実施例１ 0.40 0.06 0.50 0.01 0.08 5.30 2.01 0.85 0.006 0.003 0.0011 − ２ 0.39 0.07 0.49 0.01 0.08 5.30 1.97 0.84 0.025 0.006 0.0013 − ３ 0.40 0.07 0.51 0.01 0.08 5.27 1.99 0.85 0.046 0.009 0.0015 − ４ 0.39 0.08 0.51 0.01 0.08 5.28 1.98 0.84 0.026 0.005 0.0013 Nb:0.12 ５ 0.40 0.08 0.50 0.01 0.08 5.33 2.01 0.83 0.024 0.005 0.0011 Al:0.04 比較例１ 0.41 0.08 0.51 0.01 0.08 5.32 2.02 0.85 0.001 − − − ２ 0.41 0.07 0.52 0.01 0.08 5.35 1.96 0.84 0.007 − − − ３ 0.40 0.07 0.50 0.01 0.08 5.25 2.00 0.85 0.045 − − − ４ 0.40 0.06 0.49 0.01 0.07 5.28 2.01 0.87 0.001 0.003 0.0012 − ５ 0.40 0.06 0.48 0.01 0.07 5.31 2.03 0.86 0.066 0.016 0.0012 − 表１Ｂ合金組成Ｎｏ．ＣＳｉＭｎＣｕＮｉＣｒＭｏＶＳＴｅＣａその他ＳＫＴ４系実施例 11 0.56 0.34 1.02 0.15 1.56 1.03 0.48 0.10 0.007 0.015 0.0007 − 12 0.55 0.36 0.98 0.17 1.57 0.99 0.50 0.12 0.015 0.033 0.0005 − 13 0.54 0.34 1.03 0.13 1.54 1.00 0.49 0.11 0.035 0.035 0.0006 − 14 0.55 0.34 1.03 0.13 1.54 1.00 0.50 0.12 0.016 0.031 0.0006 Ti:0.05 15 0.55 0.34 0.98 0.15 1.55 1.01 0.48 0.10 0.017 0.034 0.0008 Ta:0.43 16 0.54 0.35 1.00 0.14 1.52 1.00 0.51 0.09 0.015 0.033 0.0006 B:0.004 17 0.56 0.34 1.01 0.17 1.54 1.02 0.50 0.12 0.017 0.033 0.0007 REM:.12 18 0.53 0.33 1.00 0.16 1.53 1.00 0.48 0.11 0.015 0.032 0.0006 Co:0.50 W:0.14 Ti:0.008 Al:0.005 B:0.005 REM:0.05 比較例 11 0.56 0.33 1.04 0.14 1.55 1.01 0.47 0.13 0.001 − − − 12 0.55 0.34 1.01 0.15 1.53 0.98 0.51 0.10 0.008 − − − 13 0.53 0.35 1.04 0.13 1.56 1.01 0.49 0.13 0.046 − − − 14 0.54 0.35 1.02 0.14 1.53 0.99 0.51 0.10 0.064 0.034 0.0008 − 鋼塊を１２００℃に加熱して鍛造し、幅１１０mm×厚さ
４５mmの板材にした。

【００２９】これらの試料を焼なまし処理したのち、
（１）清淨度・介在物形態評価用試験片、（２）ヒート
チェック試験片、および（３）被削性試験片の３種の試
験片に粗加工し、（１）については焼入れを、また
（２）および（３）については焼入れおよび焼戻しを、
下記表２の熱処理条件で実施した。

【００３０】表２鋼種焼入れ焼戻し目標硬さＳＫＤ６１系１０３０℃ ６１５〜６２５℃ ＨＲＣ４５ＳＫＴ４系８７０℃ ６００〜６１０℃ ＨＲＣ４３熱処理した試験片を精加工した。（１）はブロック状
であるが、（２）は径１５mm×高さ５mmのボタン形状の
もの、（３）は縦２００mm×横１００mm×厚さ４０mmの
板状のものである。

【００３１】まず、（１）の試験片について、ＪＩＳ法
による非金属介在物の状況をしらべてｄＡ６０×４００
清淨度を測定した。それとともに、画像解析装置を使
用して、倍率４００倍で、個々の非金属介在物のアスペ
クト比を測定し、それらの平均値を算出した。

【００３２】ヒートチェック試験は、（２）の試験片を
高周波加熱により６００℃に上昇させ、側面（円周）に
冷水を吹きつけて室温まで冷却し、再び昇温・冷却とい
うサイクルを１５００回繰り返すものであって、生じた
クラックの平均の深さを測定して耐ヒートチェック性を
評価した。この試験に先立って、（２）の試験片につ
いて硬さを測定した。

【００３３】被削性は、（３）の試験片の稜の部分をエ
ンドミルで切削することにより評価した。試験条件は
つぎのとおりである：工具：超硬エンドミル（Ｍ２０［ＵＴｉ２０Ｔ］）、１
刃切削幅：１mm 切削深さ：４．０mm 切削速度：１００ｍ/min 送り：０．０３５mm／刃切削油：なし（乾式）超硬チップの逃げ面摩耗幅が０．３mmになるまでの全切
削長さを測定し、比較のため用意した介在物形成元素を
含まない鋼における全切削長さを１００とし、それに対
する値を求めた。

【００３４】上記各試験の結果を、表３Ａおよび３Ｂに
示す。参考までに、ＪＩＳｄ(Ｂ＋Ｃ）６０×４００
清浄度のデータも掲げた。

【００３５】表３Ａ清浄度アスペクト比硬さ耐ヒート被削性Ｎｏ． JIS dA JIS d(B+C) チェック性 60x400 60x400 ＨＲＣ (μm) ＳＫＤ６１系実施例１０．０１２０１．８４５．４１２．６１６０２０．０４８０１．９４５．０１２．０１９０３０．０１４０．００４２．０４５．５１２．５２４０４０．０５５０１．９４５．２１２．６２００５０．０４９０２．２４５．１１２．０１８０比較例１００ − ４４．８１２．５１００２０．００８０３．３４５．０１２．０１４０３００１．４４４．８１２．３１２５４００１．４４４．８１２．３１２５５０．２１３０．００８２．８４４．９１６．３３５５表３Ｂ清浄度アスペクト比硬さ耐ヒート被削性Ｎｏ． JIS dA JIS d(B+C) チェック性 60x400 60x400 ＨＲＣ (μm) ＳＫＴ４系実施例 11 ０．０１００１．９４３．０２９．２１８０ 12 ０．０２４０．００４１．７４３．２２９．０２１５ 13 ０．１２５０２．２４３．０２９．４３００ 14 ０．０１７０１．７４３．１２９．５２２５ 15 ０．０２００１．８４３．３２９．４２２５ 16 ０．０２５０．００８２．０４２．７２８．８２０５ 17 ０．０１５０１．８４２．９２９．２２３０ 18 ０．０１７０１．９４３．１２９．６２１０比較例 11 ００ − ４３．２２９．４１００ 12 ０．０１１０．００４３．４４３．３２８．９１４５ 13 ０．１３８０５．０４２．８３２．５２４０ 14 ０．２１２０２．７４２．８３５．４４４０本発明の鋼は、比較例にくらべて耐ヒートチェック性の
低下が１０％未満と、実質上劣らず、一方で被削性は５
０％以上向上している。

【００３６】〔実施例２〕表４に示す合金組成の鋼を、
アーク炉で溶製した。これらは、実施例１のＳＫＤ６
１鋼、ＳＫＴ４鋼に加えてＫＳＤ８鋼およびセミハイス
鋼の系統に属する合金組成を有する。

【００３７】表４合金組成Ｎｏ．ＣＳｉＭｎＣｕＮｉＣｒＭｏＶＳＴｅＣａその他ＳＫＤ６１系実施例 21 0.39 0.07 0.52 0.06 0.08 5.35 1.98 0.85 0.035 0.005 0.0013 − 比較例 21 0.40 0.08 0.52 0.07 0.08 5.33 2.01 0.84 0.001 − − − ＳＫＴ４系実施例 22 0.56 0.34 1.01 0.13 1.54 1.03 0.51 0.10 0.037 0.005 0.0008 − 比較例 22 0.56 0.35 1.03 0.15 1.52 1.04 0.48 0.11 0.002 − − − ＳＫＤ８系実施例 23 0.36 0.34 0.32 0.08 0.07 4.29 0.38 2.16 0.034 0.007 0.0010 W:4.20 Co:4.20 比較例 23 0.35 0.33 0.31 0.08 0.08 4.33 0.40 2.17 0.002 − − W:4.23 Co:4.17 セミハイス系実施例 24 0.70 0.45 0.24 0.07 0.08 4.20 3.99 1.09 0.035 0.006 0.0012 − 比較例 24 0.68 0.46 0.22 0.07 0.08 4.22 4.02 1.07 0.002 − − − 各鋼塊を１２００℃に加熱して鍛造し、幅２５０mm×高
さ１５０mmのビレットにした。

【００３８】これらの試料を、実施例１と同様の処理
で、焼なまし、試験片粗加工、焼入れ・焼もどしの熱処
理をへて試験片精加工に至り、それらの試験片について
各試験を行なった。熱処理条件は、表５に記載のとお
りである：表５鋼種焼入れ焼戻し目標硬さＳＫＤ６１系鋼１０３０℃ ６１５〜６２５℃ ＨＲＣ４５ＳＫＴ４系鋼８７０℃ ６００〜６１０℃ ＨＲＣ４３ＳＫＤ８系鋼１１７５℃ ６６０〜６７０℃ ＨＲＣ４５セミハイス系鋼１１１０℃ ５９０〜６００℃ ＨＲＣ６０試験結果を、表６に示す。

【００３９】表６清浄度アスペクト比硬さ耐ヒート被削性Ｎｏ． JIS dA JIS d(B+C) チェック性 60x400 60x400 ＨＲＣ (μm) ＳＫＤ６１系実施例 21 ０．１０８０．００４２．１４５．１１２．５２０５比較例 21 ００ − ４５．３１２．９１００ＳＫＴ４系実施例 22 ０．０８３０２．３４２．９３０．６１９５比較例 22 ００１．２４２．８３０．４１００ＳＫＤ８系実施例 23 ０．０９１０２．４４５．３６．８２００比較例 23 ００１．４４５．０６．８１００セミハイス系実施例 24 ０．１１５０１．９６０．２１９．９１９０比較例 24 ００ − ５９．７１９．７１００この実施例においても、耐ヒートチェック性低下１０％
未満、かつ被削性向上５０％以上の目標は達成されてい
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明の熱間工具鋼は、従来の鋼とほぼ
同じ硬さを有し、耐ヒートチェック性は実質上低下させ
ることなく被削性を著しく改善したものである。この
効果は、非金属介在物形成元素の種類および量的な組み
合わせのバランスにより、適切な形状と大きさの介在物
を適量、鋼中に分布させることによって実現したもので
ある。

【００４１】この熱間工具鋼を使用すれば、機械加工が
従来より容易になることから、既存の鋼を用いたものと
同等の寿命を有する工具や金型をより高い能率で、従っ
て低減されたコストで製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．３０〜０．８０％、Ｓｉ：２．
０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：１０％以下、Ｍ
ｏ：５．０％以下およびＶ：３．０％以下に加えて、
Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｅ：０．００３〜
０．０４０％およびＣａ：０．０００２〜０．００３０
％を含有し、ただしＳ＋Ｔｅ：０．０８０％以下であっ
て、残部が実質上Ｆｅからなり、鋼中の非金属介在物が
ＪＩＳＧ０５５５に定めるｄ６０×４００清淨度にして
０．０１０〜０．１５０％である熱間工具鋼。
【請求項２】請求項１に記載の合金組成に加えて、Ｎ
ｉ：４．０％以下、Ｃｕ：３．０％以下およびＣｏ：
５．０％以下の１種または２種以上を含有し、鋼中の非
金属介在物が請求項１に規定のとおりである熱間工具
鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の合金組成に加
えてＷ：５．０％以下を含有し、鋼中の非金属介在物が
請求項１に規定のとおりである熱間工具鋼。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の合
金組成に加えて、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔｉ：２．０％
以下、Ｔａ：４．０％以下およびＡｌ：１．０％以下の
１種または２種以上を含有し、鋼中の非金属介在物が請
求項１に規定のとおりである熱間工具鋼。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の合
金組成に加えてＢ：０．０１０％以下を含有し、鋼中の
非金属介在物が請求項１に規定のとおりである熱間工具
鋼。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の合
金組成に加えてＲＥＭ：０．５０％以下を含有し、鋼中
の非金属介在物が請求項１に規定のとおりである熱間工
具鋼。
【請求項７】鋼中の非金属介在物のアスペクト比が
２．５以下である請求項１ないし６のいずれかの熱間工
具鋼。