JPS582585B2 - 冷間工具鋼及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、機械的異方性を改善し、被削性のすぐれた
冷間工具鋼に関する。

さらに詳しくは快削性付与元素としてＳを用いたものに
おいて、Ｓ量に対応して適量のＴｅをも含有させて、鋼
中の硫化物系介在物の形状を改善することにより、機械
的性質の異方性を改善し、被削性のすぐれた冷間工具鋼
を提供するものである。

本願発明はまた、このような機械的性質の異方性を改善
し、被削性のすぐれた冷間工具鋼の製造方法をも包含す
るものである。

冷間工具鋼は苛酷な使用条件に耐えうる強度と靭性を確
保するためにＣｒ、ＭｏおよびＶ等の合金元素を多量に
含有させる。

しかし、一方では強度および靭性は向上するが、多量に
含有されると必然的に被削性は劣化する。

近年、冷間工具鋼においても金型加工費の低減を含めた
トータルコストの低廉化が強く要求されており、特に大
型冷間工具においては、この傾向が強い。

従来から被削性を改善するためにＳを含有させ、硫化物
系介在物を鋼中に残存させるのが最も一般的方法として
知られているが、この方法では、鋼の熱間加工時に上記
硫化物系介在物が鍛伸方向に伸びるため、機械的性質に
異方性を生じ、特に鍛伸方向に対し直角方向の靭性を劣
化させる原因となる。

このため冷間工具鋼においては、本来の性能を劣化させ
ることなく被削性を改善させるのは困難であった。

本願発明者らは、上記実情に鑑み、冷間工具としての本
来の特性を劣化させることなく、被削性を改善するため
にはどのような条件をみたす必要があるか、またその冷
間工具鋼を製造する好適な方法はどのようなものである
かを種々検討した結果次の知見を得た。

すなわち、冷間工具鋼の本来の特性を劣化させず、快削
性を備えるためには、含有される硫化物のうち、長径が
２μ以上の比較的大型のものは、その少なくとも８０％
が長短径比が１０以下でなげればならないこと、またこ
のような硫化物系介在物は、Ｔｅ／Ｓの重量割合を０．
０４またはそれ以上にすることによって実現できること
である。

さらには、この鋼はＴｅ以外の成分を調整した溶鋼にＴ
ｅを添加して均一に分散させることにより製造できるこ
と、そして上記Ｔｅの添加に先立って、溶鋼中に非酸化
性ガスを導入して強制攪拌することにより、冷間工具鋼
としての特性および快削性にとって有害な主として酸化
物系介在物からなる大型の介在物を浮上分離させ除去す
ることが好ましいことをも知った。

以上の新規な知見にもとづく本願発明の冷間工具鋼は、
Ｃ：０．４０〜２．６０、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：
３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０．０％、Ｍｏ：０．
０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％、およ
びＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただし、Ｔｅ／Ｓの
重量比は０．０４以上）、残余が実質的にＦｅからなる
組成を有し、その中に存在する硫化物系介在物であって
、長径が２μ以上の比較的大型のものは、その少なくと
も８０％が長短径比が１０以下であることを特徴とする
ものであり、さらに上記鋼に焼入れ性向上、炭化物を形
成させての耐摩耗性の向上、耐熱性の向上、および結晶
粒の微細化等を鋼の用途に応じて任意的に付与させる場
合は、下記の少なくとも一つのグループの添加元素を含
有する。

（ｉ）Ｎｉ：４．０％以下 （ｉｉ）Ｃｏ：１３．０％以下 （ｉｉｉ）Ｗ：２．０％以下、Ｖ：５．０％以下、Ｎｂ
：３．０％以下、Ｔｉ：０．５％以下の１種または２種
以上。

また、さらに上記鋼の快削性を一層高める場合は、Ｐｂ
：０．２０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｂｉ：０．
１５％以下、Ｃａ：０．０１％以下の１種または２種以
上を含有するものである。

次に本願発明鋼の成分組成の限定理由を述べる。

Ｃ：０．４０〜２．６０％ ０．４０％以上含有すると強度、焼入性が増し、Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｗ，Ｖ等との炭化物を形成し、耐摩耗性が高まる
。

しかし多量に含有すると靭性が劣化し、工具寿命を劣化
するので上限を２．６０％とした。

Ｓｉ：２．０％以下 溶解精錬時の脱酸剤として有効な元素であるが多量に含
有すると鍛造性および靭性を劣化させるため上限を２．
０％とした。

Ｍｎ：３．０％以下 焼入性を向上させるために必要な元素であるが、多量に
含有すると被削性を劣化させるとともに、残留オーステ
ナイト量が増加し、焼入硬さが低下するため上限を３．
０％とした。

Ｃｒ：０．１〜２０．０％ 焼入性を向上させるとともに炭化物を形成し、基地を強
化するために有効な元素であるので少くとも０．０３％
含有させる必要があるが、多量に含有しても上記効果の
向上はそれほど望めないので上限を２０．０％とした。

Ｍｏ：０．０３〜１０．０％ Ｃｒと同じように焼入性を向上させるとともに炭化物を
形成し、耐摩耗性を向上せしめ、さらに焼もどし時の２
次硬化に極めて有効な元素であるが、多量に含有しても
、上記効果の向上は、それほど望めないので上限を１０
．０％とした。

Ｓ：０．０５〜０．４０％ 快削性をもたらす主要な介在物であるＭｎＳ系介在物の
形成に不可欠な元素であって、０．０５％以上含有する
と快削性は高まるが、多量に含有させると熱間加工性が
低下するので上限を０．４０％とした。

Ｔｅ：０．１０％以下 機械的異方性に対する影響の大きいＭｎＳ系介在物の形
態を調整することと、それ自体で快削性を与える点で重
要な元素である。

あまり多量に含有すると熱間加工性が劣化するので上限
を０．１０％とした。

また硫化物系介在物の形態を改善するためには、Ｔｅ／
Ｓの重量割合が０．０４以上であることが必要である。

硫化物系介在物の形態と分布： 快削性および機械的性質の異方性が鋼中の硫化物系介在
物の形態と分布に大きく依存することを本願発明者らは
確認し、硫化物の形態を種々変化させた鋼の特性をしら
べた。

その結果、硫化物系介在物のうち長径が２μ以上の比較
的大型のものが機械的性質の異方性を左右し、これが長
短径比で１０以内にあって極端に線状に展伸されていな
い形態をもつならば悪影響を示さないこと、そしてこの
ようなものが全硫化物系介在物中の個数にもとづいて８
０％またはそれ以上の大部分を占めるという条件がみた
されていればよいことを知ったのである。

この事実は実施例にて後に述べる。

上記成分組成および硫化物系介在物の形態と分布を有す
る。

鋼は、被削性にすぐれ機械的性質の異方性の改善された
冷間工具として充分な性能を有するが、用途に応じて上
記基本鋼にさらに以下の元素を含有させることが望まし
い。

Ｎｉ：４．０％以下 焼入れ性を向上させるために有効な元素であるが、多量
に含有させてもその効果は大差なく、経済性の面からも
上限を４．０％とした。

Ｃｏ：１３．０％以下 高温強度を高める上で顕著な効果があるが多量に含有す
ると快削性を劣化させるため上限を１３．０％とした。

Ｗ：２０．０％以下、Ｖ：５．Ｏ％以下、Ｎｂ：３．０
％以下、Ｔｉ：０．５％以下 いずれの元素も炭化物を形成して析出硬化し、強度を向
モさせるために有効である。

しかし、上記限界を越えるといずれも快削性、熱間加工
性、靭性を低下させる。

なお、本願発明鋼は快削性を一層高めることを希望する
場合には、Ｐｂ：０．２０％以下、Ｓｅ：０．２０％以
下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｃａ：０．０１％以下の１
種または２種以上を含有すると効果がある。

含有量の限界は冷間工具鋼本来の特性への影響を考慮し
て定めたものである。

これらは、もちろん上記の各含有元素と併用することも
できる。

以上記述した本願発明の快削性にすぐれ、機械的性質の
異方性を改善した冷間工具鋼の製造におげるポイントは
、成分の適確な調整にある。

まず、炉内でＳを除く快削性元素以外の合金成分の含有
量を所定の値に調節した溶鋼を用意する。

次に炉、取鍋またはタンディッシュ中にあるこの溶鋼に
、Ｔｅ／Ｓ≧０．０４の条件をみたすようにＴｅを添加
して、均一に分散させればよい。

Ｔｅの添加は、注入管中で行なうこともできる。

Ｐｂ、Ｓｅ、ＢｉまたはＣａを添加する場合は、Ｔｅの
添加とともに、またはＴｅ添加の前後に行なえばよい。

Ｔｅ（および場合によってはさらに別の快削性付与元素
）の添加に際して、主として酸化物系介在物である大型
の非金属介在物をできるだけ除去することが望ましく、
この目的には、炉、取鍋またはタンディッシュ内の溶鋼
中にアルゴンのような非酸化性のガスを導入して強制攪
拌することが効果的である。

この操作はＴｅの添加に先立って行なうこともできるし
、またＴｅを添加しつつ行なってもよい。

本願発明によれば、機械的性質の要求される冷間工具鋼
において、これらの特性を何ら損うことなく、すぐれた
快削性を有する冷間工具鋼が与えられる。

すなわち、冷間工具鋼において、従来は困難とされてい
た快削性と機械的特性の異方性の両立が実現したわけで
ある。

従って、この冷間工具鋼の従来からの各種用途への使用
が著しく容易になるばかりでなく、切削加工技術上から
の制約から未だ試みられていなかった用途へのこの冷間
工具鋼の使用も可能となる。

次に本願発明を実施例により詳細に説明する。

実施例 塩基性耐火物で内張リしたアーク電気炉を用いて種々の
成分組成を有する冷間工具鋼を溶製した。

諸成分の調整は、Ｔｅをはじめとする快削性付与元素を
除く合金元素を上記炉内で所定量にしたのち、Ｔｅを溶
鋼中のＳ最に応じて取鍋中に添加して、さらに若干の場
合は、Ｐｂ，Ｓｅ，Ｂｉおよび（または）Ｃａをも添加
し、溶鋼中に均一に分散させた。

成分調整の済んだ溶鋼は下注造塊法により１．３ｔの鋼
塊に造塊したのち、鍛錬比１０以上で鍛造を行なった。

各供試材の成分組成を第１表に示す。

同表中、供試材番号１〜４、６、７、９、１０、１２〜
１５、１７〜１９、２１〜２４、２７〜３０、３２〜３
５、３７〜３９、４１〜４４、４６〜４８、５０〜５２
は本願発明に従った例であり、５、８、１１、１６、２
０、２５、２６、３１、３６、４０、４５、４９、５３
のものは比較例である。

前記の供試材から試験片を採取し、下記のようを試験を
行なった。

（１）硫化物系介在物の形態および分布 供試材から鍛伸方向に平行に顕微鏡用試料を切り出し、
研磨して検鏡した。

一定の視野内にみえる硫化物系介在物中、長径が２μ以
上のものについて、長径（１）と短径（Ｗ）を測定し、
長短比（１／Ｗ）が１０以下のものが占める個数基準の
割合Ｒ（％）を算出した。

その結果を第１表に示す。

（２）靭件の異方性 供試材から鍛伸方向（Ｌ）および鍛伸方向に対する直角
方向（Ｔ）から試験片を切り出し、熱処理を行なってか
ら、１０Ｒ，Ｃノツチの試１験片により衝撃値を求めた
。

その値を熱処理条件とともに第２表に示す。

靭性の異方性を直角方向（Ｔ）／鍛伸方向（Ｌ）の比で
評価すると、同表からも明らかなとおり比較鋼は０．３
以下であるのに対し、本願発明鋼は０．３３〜０．６９
と靭件の異方性が向上していることがわかる。

（３）被削性 被削性を確認するために供試材を熱処理して、超工具旋
削寿命試験を第３表に示す旋削条件で行なった。

同表の切込および切削速度のＡは供試材■１〜３１のも
のＢは供試材■３２〜５３のものである。

その結果を熱処理条件とともに第４表に示した。

同表からもあきらかなとおり、本願発明鋼は比較鋼に比
べて、被剛性がすぐれていることがわかる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：
   ０．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％お
   よびＴｅ：０．１％以下を含有し（ただしＴｅ／Ｓの重
   量比は０．０４以上）、残余が実質的にＦｅからなる組
   成を有し、その中に存在する硫化物系介在物であって、
   長径が２μ以上の比較的大型のものはその少なくとも８
   ０％が長短径比が１０以下であることを特徴とする冷間
   工具鋼。 ２ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ ： ３．０％以下、Ｃｒ ： ０．１ 〜２
   ０％、Ｍｏ：０．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜
   ０．４０％およびＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただ
   しＴｅ／Ｓの重量比は０．０４以上）、とＮｉ：４．０
   ％以下、Ｃｏ：１３．０％以下、Ｗ：２０．０％以下、
   Ｖ：５．０％以下、Ｎｂ：３．０％以下、Ｔｉ：０．５
   ０％以下の１種または２種以上、残余が実質的にＦｅか
   らなる組成を有し、その中に存在する硫化物系介在物で
   あって、長径が２μ以上の比較的大型のものはその少な
   くとも８０％が長短径比が１０以下であることを特徴と
   する冷間工具鋼。 ３ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．Ｏ％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０％、Ｍｏ：０
   ．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％およ
   びＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただしＴｅ／Ｓの重
   量比は０．０４以上）、とＰｂ：０．２０％以下、Ｓｅ
   ：０．２０％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｃａ：０．
   ０１％以下の１種または２種以上、残余が実質的にＦｅ
   からなる組成を有し、その中に存在する硫化物系介在物
   であって、長径が２μ以上の比較的大型のものはその少
   なくとも８０％が長短径比が１０以下であることを特徴
   とする冷間工具鋼。 ４ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０％、Ｍｏ：０
   ，０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％およ
   びＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただしＴｅ／Ｓの重
   量比は０．０４以上）、とＮｉ：４．０％以下、Ｃｏ：
   １３．０％以下、Ｗ：２０．０％以下、■：５．０％以
   下、Ｎｂ：３．０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下の１種
   または２種以上、と、さらにＰｂ：０．２０％以下、Ｓ
   ｅ：０．２％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｃａ：０．
   ０１％以下の１種または２種以上、残余が実質的にＦｅ
   からなる組成を有し、その中に存在する硫化物系介在物
   であって、長径が２μ以上の比較的大型のものはその少
   なくとも８０％が長短径比が１０以下であることを特徴
   とする冷間工具鋼。 ５ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０％、Ｍｏ：０
   ．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％を含
   有し、残余が実質的にＦｅからなる組成を有する溶鋼を
   炉内で用意し、炉、取鍋またはタンデイシュ内の溶鋼に
   、Ｔｅ／Ｓの重量比が０．０４以上となるようにＴｅ：
   ０．１０％以下を添加するに際し、非酸化性ガスを導入
   して強制攪拌することにより大型非金属介在物を浮上分
   離しながら、硫化物系介在物を均一に分散させて鋳造す
   ることからなる冷間工具鋼の製造方法。 ６ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０％、Ｍｏ：０
   ．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０％およ
   びＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただしＴｅ／Ｓの重
   量比は０．０４以上）、とＮｉ ： ４。 ０％以下、Ｃｏ：１３．０％以下、Ｗ：２０．０％以下
   、Ｖ：５．０％以下、Ｎｂ：３．０％以下、Ｔｉ：０．
   ５０％以下の１種または２種以上、を含有し残余が実質
   的にＦｅからなる組成を有する溶鋼を炉内で用意し、炉
   、取鍋またはタンディシュ内の溶鋼に、Ｔｅ／Ｓの重量
   比が０．０４以上となるようにＴｅ：０．１０％以下を
   添加するに際し、非酸化性ガスを導入して強制攪拌する
   ことにより大型非金属介在物を浮上分離しながら、硫化
   物系介在物を均一に分散させて鋳造することからなる冷
   間工具鋼の製造方法。 ７ Ｃ：０．４０〜２．６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、 Ｃｒ：０．１〜２０．０％、Ｍ
   ｏ：０．０３〜１０．０％、Ｓ：０．００５〜０．４０
   ％およびＴｅ：０．１０％以下を含有し（ただしＴｅ／
   Ｓの重量比は０．０４以上）、とＰｂ：０．２０％以下
   、Ｓｅ：０．２％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｃａ：
   ０．０１％以下の１種または２種以上、を含有し残余が
   実質的にＦｅからなる組成を有する溶鋼を炉内で用意し
   、炉、取鍋またはタンデイシュ内の溶鋼に、Ｔｅ／Ｓの
   重最比が０．０４以上となるようにＴｅ：０．１０％以
   下を添加するに際し、非酸化性ガスを導入して強制攪拌
   することにより大型非金属介在物を浮上分離しながら硫
   化物系介在物を均一に分散させて鋳造することからなる
   冷間工具鋼の製造方法。 ８ Ｃ：０．４０〜２，６０％、Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：０．１〜２０％、Ｍｏ：０
   ．０３〜１０．０％、Ｓ：０．０５〜０．４０％および
   Ｔｅ：０．１０％以下を含有し（ただしＴｅ／Ｓの重量
   比は０．０４以上）、とＮｉ：４．０％以下、Ｃｏ：１
   ３．０％以下、Ｗ：２０．０％以下、Ｖ：５．０％以下
   、Ｎｂ：３．０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下の１種ま
   たは２種以上、と、さらにＰｂ：０．２０％以下、Ｓｅ
   ：０．２％以下、Ｂｉ：０．１５％以下、Ｃａ：０．０
   １％以下の１種または２種以上、を含有し残余が実質的
   にＦｅからなる組成を有する溶鋼を炉内で用意し、炉、
   取鍋またはタンデイシュ内の溶鋼に、Ｔｅ／Ｓの重量比
   が０．０４以上となるようにＴｅ：０．１０％以下を添
   加するに際し、非酸化性ガスを導入して強制攪拌するこ
   とにより大型非金属介在物を浮上分離しながら、硫化物
   系介在物を均一に分散させて鋳造することからなる冷間
   工具鋼の製造方法。