JPS5964748A - 高耐摩高靭性冷間工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗性にすぐれ、且つ高靭性を有する鉄基
高Ｃ高Ｃｒ高Ｖ系のマルテンサイト硬化型冷間工具鋼に
関する。

冷間工具鋼の中でも耐摩耗性を必要とされる用途には従
来から５ＫＤ１，５ＩＣＪ）１１等の高Ｃ゛、高Ｃ’ｒ
鋼が主として使用されているが、これでも耐摩耗性に関
して十分とは言えず、鍾々の化学成分的改良が数多く行
われてきた。例えばＡｌ５ＩＤ７のように、５人１）　
１　＋に約４％のＶを添加し、ＶＣ炭化物の生成によっ
て耐摩耗性を向上したもの、５１ｃＤ２のようにＷを約
２％添加し、高温の軟化抵抗の増大による耐摩耗性同上
を計る等である。

耐摩耗性の向上方策としては （１）　　基地硬さを上げる。

（２）基地に多量の硬質粒子（例えば炭化物粒子）を多
量に分散させる。

（５）加工硬化指数の高いオーステナイト基地とする。

等の手法が考えられるが、マルテンサイト基地とする場
合（１１、（２１の方策はいずれも機械的性質を劣化さ
せるため、実際にはほとんど実施されていない状況にあ
る。とくに高Ｃ１高Ｃ’ｒの場合、共晶炭化物が鋳造時
に網目状に晶出すること、この炭化物が熱間加工によっ
て棒状に加工方向に展伸するために、高Ｃ゛高Ｃ″ｒ化
には限界がある。（５）項の対策として、高温焼入を行
ない安定な残留オーステナイトを９０係以上残留させて
、土砂摩耗用等σ）特殊摩耗条件下で高耐摩耗を狙う方
法（特公昭５４−３５１６８号）もあるが、これは一般
的解法策とはなりにくい。この他共晶粒化物を鋳造時圧
粒状化させるためにｓｉ、ｎ等の元素を添加する方法（
特公昭５１−１９３７１号）、Ｃ″Ｕ約４％を添加して
、基地硬さを上げる（特公昭７Ｉ９−１１２５７０号）
、Ｎｉを０２〜１０％添加して靭性と耐摩耗性を向上さ
せる（％開昭５２−５７５＋＋号）、ｃｏを２５〜１０
％添加して、焼戻軟化抵抗を上げる（特開昭５ｌ−１６
ＯＢ＋６号）　、　Ｃ’。

とＣ’ｕを併合添加する（特開昭５５−７９７１５号）
、Ｔｉを添加してＭＣ炭化物を形状制御する（特公昭４
７−１５５８１号）、Ａｌを添加して９化効果を付与す
る（特開昭５２−４４１５号）、Ｃを下げて靭性向上を
狙う（特開昭４７−８８０１号）等数多くの手法が提案
されているが、いずれもマイナーな改良に属し。

本質的に耐摩耗性を同上させるとは言い難い。

つぎに鉄基高Ｖ系材料でこれに若干のＣ゛γを添加して
耐摩耗性に焼入性を伺加した一群の材料がある。例えば
Ａ　Ｉ　Ｓ　Ｉ　　Ｔｙｐｅ　４４９は重量比で２．４
５６’−０，９Ｓｉ　−０，５ｕｎ　−５，２５Ｃｒ　
−１，５Ａｉｏ　−９，７５Ｖ　。

Ｔｙｐｅ　ｄｄ６は５２５　ｆ−’　−０，３δＺ　−
０，！ｌ　Ｍｎ−１，ＯＣｒ　−１、＋　ＭＯ−１２７
”　　で残部鉄および不純物を含む合金がある。これら
はＭＣ型炭化物が多量に存在し、ｍｌ摩耗性はすぐれる
が、Ｃ゛含有量が高く、熱間加工性か悪いこと、被研削
性が低く砥石加工が困難なこと、被削性が悪いこと、焼
入性も比較的低く太物では油冷が必要なこと等から、天
際にはあまり使用されない。またこれらの材料はＣ゛ｒ
含有量が低いために、自硬性が少なく高温の軟化抵抗が
低いために、使用時に温度上昇が太きいものについては
使えない。このため（、Ｏを１５％以下添加し％Ｗ０２
〜１０受併合添加して、軟化抵抗を上げる試み（特公昭
４２−２６５９１号）、同じ＜（、’６とＭＯを添加す
る試み（特公昭５９−１１０５４号）があるが、高温の
軟化抵抗は大きくは向上せす、現実には実施されていな
い。

以上の如く、従来の冷間用高耐摩工具鋼は基本的には高
Ｃ′高Ｃ″ｒ糸鋼で、炭素１〜２％を含有し。

マルテンサイト基地へのＣｒｙｃｘｒ型の炭化物を分散
させ、これに２％以下のＳｉ、３％以下のＷ、Ｍｏ。

５％以下のＶを添加した一群の材料と、高Ｃ゛高Ｖ系で
炭素２５〜３，５％と、２９〜１２％を含有し、これに
５％以下のＣ°γとＮｏ、Ｗを添加する第二群の材料に
分類される。前者は耐摩耗性は比較的低いが靭性は中位
であり、焼入性にすぐれる。後者は耐摩耗性は高いが靭
性が低く、焼入性は悪い。結果的には高耐崩高靭性の要
求が完全に満される材料とは言い難い。

これに対し本発明材料は重量比でＣ’ｉ、ｓ〜３．５％
。

Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以下、Ｃ’ｒ１０〜１５％、Ｖ
５〜１５％、Ｗ又はＭＯが７Ｆ＋２　Ｎｏ　量テ０．５
〜５　％　、残部不純物と鉄を含み目的によっては５％
以下のＣｏや５係以下のＮｉを含む材料で、従来の高Ｃ
′ｒ系材料と高Ｖ系材料の両者の長所を兼備した特性を
有するものである。発明の骨子は高Ｃ高Ｃ’ｒ系材料［
５％以十〇〕Ｖを併合添加することによって鋳造時に晶
出するＣ’ｒ糸炭化炭化物状晶化することを見出シ５．
これによって靭性が大きく向上できること、ならひに炭
素および炭化物形成元素間に適切なバランスを保持せし
めることによって、耐摩耗性を大きく　　□向」ニさせ
ながら靭性の劣化を最少限に喰い止めること、２次硬化
度な著しく高め高温の焼戻軟化抵抗をきわめて高くした
こと、ならびに好まし、くは、前述の成分範囲σン合金
を１ｒＭｌ径以下σ）粒子状に手簡合金化させて凝固さ
せ、押出又は熱間静水圧等の手法によって圧密化させる
ことによって、均一微細で且つ粒状の炭化物を分散せし
め耐摩耗性と靭性のバランスを取り得ることを見出した
ものである。

以下に実施例によって本発明を説明する。

第１表に実験的に吹製した２１ｃＡ、＋の化学分析結果
を示す。Ａ１５１　　Ｃ’ｌαｓｓ　４４９．Ａｌ５Ｉ
Ｄ７，５ＫＤ１１の６種類を比較鋼として用い、あとは
いずれも発明鋼である。発明鋼は５０Ｋｙ／Ｃｈ４’の
高周波溶解炉を用いて大気雰囲気中で吹製後、Ｎ２ガス
アトマイズ法で合金粒末を作成した。

第　　１　　表 一５２ｍｅｓｈの粉末にサイジング後、５１５Ｃの軟鋼
製カプセルに充填後、　　１０−’７ｏｒγの真空下で
封着し、１１００υの温度、　１０００気圧の、４ｒ雰
囲気で２ｈｒの熱間静水圧圧密な行なった。その後熱間
鍛伸により加工比１６を加え各種試験片を削出した。ま
た比較鋼は在来の溶解冶金法で作られた７ＩＯφ前後の
市販鋼から試験片を削出した。

第２表に各材料の焼入硬さ、焼戻硬さ、抗折曲げテスト
による破断応力測定結果を示す。

焼入硬さは１０００１１１００℃の２種類の温度に保持
した電気炉中で３０分保持後油冷した。１０００　Ｅ　
。

１１００℃の両温度からの焼入硬さは、比較鋼種対比本
発明鋼はいずれも高い硬さを有する。とくに１１００で
の高温焼入においてこの傾向が顕著である。

なかでも硬さの絶対値がＲＲＣ６７，０を越えるものが
かなりの頻度で存在する。焼戻硬さは１０００Ｅ油冷２
００’Ｃ１ｈｒＸ２回焼戻、　　１１００１１：油冷５
５０でｘ１Ａｒｘ２回の２条件で行なった。

本発明鋼の特徴は高温焼入、高温焼戻材において顕著に
あられれる。Ｖ２〜Ｖａ、Ａｉ＋　、（、’１．Ｃ２，
Ｋｔ　。

第２表 Ｐ１〜Ｐ２．Ｓｌ、Ｆ２等の材料において、在米の冷間
工具鋼では考えられないような１ｌｎｃ６６．０　　以
上の高い焼戻硬さを得ることができる。

第１図にＦ３鋼の焼入温度と焼戻温度別の硬さ変化を例
として示した３、１０釘で以上の高温焼入において、２
次硬化現象が顕著となり、　　１１２５℃焼入〜５６０
υ焼戻では最高ＨｐＣ６Ｂに近い硬さを示す。これは５
〜８％のＣｏを含有する高速度工具鋼のそれに匹敵する
ものである。鋼中のｒ′の増加の効果がとくに顕著でこ
の他Ｍｏ　、　Ｃ”ｒ　、　Ｓｉ等の増加も焼戻軟化抵
抗を上昇させる。機械的性質は１１００υ焼入で５００
℃以上で焼戻を行なった場合について１発明鋼はＩＩＲ
Ｃ６２〜６５の範囲で抗折破断応力値を示した。

比較鋼はこのような硬さが得られないのでｌｌＲ６５７
〜６０の範囲の破断応力値で示した。

本発明鋼は比歓鋼対比いずれも高い機械的性質を有する
ことが明らかである。

本発明鋼のような高合金鋼がこのようなすぐれた靭性な
有する原因にミクロ組織の差異があげられる。

第２図に代表例としてσ−１ｔ３．ｂ−Δｌ５Ｉ１１ｒ
ｉ９゜ｃ−５人Ｄ１１のＸ４００のミクロ組織を掲載し
た。本発明鋼はクローム炭化物とＭＣ型のバナジウム炭
化物の両者が完全に球状化し１粒径も微細で分布も均一
である。これにたいしＡＪＳＪｄ４９は棒状のクローム
炭化物と不定形状のバナジウム炭化物が混在した組織、
Ｓ人１）　＋　１は角型状の巨大なりローム炭化物が加
工方向に配列した組織な示す。

かかるように本発明鋼はＶの７％以」二の添加でフロー
ト炭化物を球状化し、さらに超急冷凝固された合金粉末
を用いることにより微細均一化する、ことができ、これ
が高靭性化の大きな要因となっている。

第３表に冷間ダイス鋼の用途特性として重要な焼入性に
ついて１代表鋼の測定結果を示した評価方法は半冷時ｌ
′￥！１５分、ｉＱ分の冷却時の硬さの絶対値で行った
。ここで半冷時間とはオーステナイト化渦度（１０５０
わ）から、その半分の温度まで（５２５で）の冷却に決
する時間の事で、冷却速度を示す一つのパラメーターで
ある。半冷時間５分とけ油冷時の１７Ｏｆ棒鋼の中心部
、１０分とは油冷時の２４ｏ／　ｍ鋼の中心部の冷却速
度に対応する。゛本発明鋼は比較鋼対比いずれも高い焼
入性を有することが明らかである。

第３表 第５図に代表鋼の大越式摩耗試験の結果を示す。

試験条件はＳＮ６Ｍ２＋を相手材として接触荷重６即、
摩擦距離１１００　ｍ、摩擦速度１〜’　ｍ／Ｓｅｃで
比摩耗量な測定した。

比較鋼対比発可調はいちぢるしく耐摩耗性にすぐれてい
ることが明らかである。とくにＰ°含４′量が増加する
ほど、耐摩耗性は向上する。

第６図Ｖこプラスチック成形用材料としての腐食摩耗試
験を行った時の代表鋼の測定結果を示す。

試験装置の概略図を第５図に示す。ゐ１５図において境
界を鉄板で仕切り、パイプの連結口１０ついた容器２の
下段ＰＣＡＥＳ系プラスチック樹脂３上段にガラス粉末
４を充填し容器２全体を電気炉５内に装置’ｌ、、、２
４０Ｅに加熱する。加熱により樹脂５は溶融分解し、　
Ｓ　（／２　、　Ｃ’１２．　ＢＩ’　、　Ｂ２Ｓなど
のガスを発生し連結口１を通ってガラス粉末４中に混入
する。試験片６はガラス粉末中に完全に埋没するように
セットし、モーター（図示せず）に連結してガラス粉末
中で回転させる。その回転数はｄ５０１？ＰＭ　　程度
である。腐食試験中の温度は熱電対７によリーボに調整
されている。また容器２の上部にはガス抜き口８を有し
ている。試験片は５０時間ごとに取り出しＭ景減少率を
算出し摩耗減量を比較した。

腐食摩耗に対しても発明鋼のすぐれた耐腐食性の効果が
明らかである。

つぎに成分限定の理由について示す。

（、°ｒは基地に固溶して、耐食性と焼入性を増大させ
ると共に焼戻軟化抵抗を上げ残部は炭化物を形成して耐
摩耗性付与に寄与する重要な構成元素である。含有量７
％以下では耐食性、耐焼入性が劣り基地へのＶの固溶能
力を低下させ、Ｖを６％以上添加しても二次硬化性を低
下させるので下限量を７％とした。−１：た１６５％を
越えるとむしろ焼戻硬さが減少し、ネットワーク状の炭
化物を晶出しはじめＶの添加による炭化物の粒状化効果
が減少する。あわせて熱間加工性も低下するので１６５
％を上限とする。

Ｖは本発明を構成するＣ゛γについで重要な元素である
。鋼中できわめて硬質のＡｉ　Ｃ型炭化物を形成し耐摩
耗性向上に大きく害鳥する。かつ６％以上の添加でクロ
ーム炭化物を粒状化させる効果がある。このＶ添加禁以
下では二次硬化性が少なく粒状化効果が少ないので下限
を６％とする。また上限は１４％以上では熱間加工が不
可能となる。

Ｃ゛は本発明鋼の強度と耐摩耗性を不与するために欠く
ことができない元素である。

まづＶと結合して硬質のＭＣ炭化物を生成する。

この炭化物の生成にはＶ添加量×０２１％のＣ゛含有Ｉ
１１が最低限必要で、この他基地に固溶してマルテンサ
イトの硬化および６“ｒと結合してクローノ・炭化物な
生成するのに必要且つ十分な量を添加する必要がある。

本発明のＶＺｏ〜１４，０％の範囲では少く共Ｃ’＝Ｑ
、５＋　０２１Ｖを満足するＣを添加する必要があり、
Ｃ゛がこれより低いと焼入焼戻硬さが著しく低下する。

上式を満たすには最低限２％が必要である。また４％を
越えると熱間加工ができなくなるので上限値を４％とす
る。

Ｎｏは基地と炭化物圧分配され、基地中ではパーライト
変態温度を長時間側圧移行させ焼入ｅｌ向上に有効な元
素である。また焼戻軟化抵抗を」二げ高温強度の同上に
富力する。０５％以下ではこの効果がほとんどなく、５
％を越えると、Ｍ６（、’型の炭化物な晶出させて、Ｖ
によるクローム炭化物の粒状化効果を害するので６チ以
下とした。またＡｉｏはＩＦによっておき代えても同様
の効果が発生する。

同一効果を発揮するには、重量比でＭｏの２倍のＷが使
用される。

ＩＶｉは耐食性向上に有効な元素であるが本願発明の必
須の構成元素ではない。

１％以下では耐食性向上には効果なく、６５％以上では
焼戻硬さをむしろ低下させる。耐食性がとくに要求され
る用途には最低１％、最高３％添加することができる。

Ｃ’ｏもＮｉと同様に必須の構成元素ではない。第６図
に示すようにプラスチック成型時のような特殊な雰囲気
条件下で腐食摩耗量を減少させる効果がある。この際、
１．５％以下の添加では効果が少なく６５％以上添加し
ても効果の増加がないので６．５％を上限とする３、 Ｓｉは脱酸剤として用いられるが、焼戻軟化抵抗を上昇
させる効果がある。ただし２％以上添加しても、この効
果の増加がなく、熱間加工性を害するので上限を２％と
する。

ＡｉｎはＳｉと同じく脱酸剤として用いられると同時に
焼入性向上にも効果があるが、２％を越えると変態温度
を下げ焼なまし硬さが下がりにくく、熱間加工性も低下
するので上限を２％とした。

この他車発明ではとくに規定しないが、これらの元素以
外に従来Ｋ　Ｃ’　Ｋ　Ｃ″ｒ系冷間工具鋼で用途に応
じては適宜効果ありと開示された、１’ｉ　、　Ａｌ　
、　Ｃ’ｕの添加やＮの増量なども本願発明の主旨をと
くに損うものではなく本発明鋼に適用されることは苗然
予測されるものである。

以上の如く本発明鋼は従来の高Ｃ高ｃ′ｒ系または高Ｃ
高Ｖ系の耐摩耗性がとくに要求される冷間工具鋼分野で
飛躍的に耐摩耗性を向上するのはきわめてすぐれた効果
を有する。

ｒの添加によるクローム炭化物の粒状化効果は耐摩耗性
付与を行ないつつ、靭性な損うものではない。本発明鋼
に合金粉末を出発原料とする粉末冶金の手法を採用する
ことは組織の均一微細化による靭性向上で大きな効果が
ある。

抜き金をはじめとする金型、土砂摩耗用、ロール、プラ
スチック成型金型の寿命向上に大きな寄与をする材料で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼の焼入温度と焼戻温度別の硬を示す線
図、第２図は本発明鋼と比較鋼のミクロ組織を示す顕微
鏡写真でａは本発明鋼Ｖ３、ｂ。 Ｃは夫々比較鋼、ｑｌＳＩａａｑ、５ＫＩ）１１である
。第３図は本発明鋼と比較鋼の大越式摩耗試験による摩
擦速度と比摩耗舟の線図、第４図はプラスチック成形用
材料としての本発明鋼と比較鋼の腐食摩耗試験を示す図
、第５図は腐食摩耗試験に用いた装置の概略図である。 １：ガス通路、２：容器、５：ＡＢＳ系プラプラスチッ
ク樹脂ニガラス粉末、５：電気炉、６Ｉ試験片、７：熱
電対。 ；ｔ　ＩＶ 則−２口 ｃＬＸ４ｔ′ρ Ｓ、Ｃ，メｔｊ−１７Ｕ 第３図 オ　４　腐 θ乙 つダ オ　５　膓 昭和５７ｆ１１１１ｊ１．′Ｉ願第１７’０５４５シｊ
’ｒｔ　”ｌ　（７）　名に４’　　高ｎｉ　糸高靭性
冷間工具鋺補１１″をする者 補正の内容 １、　明細書の特許請求の範囲の楠を次のように訂正す
る。 １、　重量比でｏｚｏ〜４．０％、Ｏｒ７．０〜服％、
■６．０〜１４．０％、ＭＯｏ、５〜３．０％、Ｓ１２
．０％以下、Ｍｎ＆Ｏ％以下残部Ｆθおよび不純物から
なる高耐摩耗高靭性冷間工具鋼。 ２Ｌ　　Ｔ１！量比Ｔ　Ｏ２０〜４．０％、Ｏｒ７．０
〜１７．１％、７６．０〜１４０％、Ｍｏ０．５〜３．
０％、Ｓｉｊ？、０％以下、ＭｎｆｉＬｏ％以下でさら
にＭｏ０．５〜３．０％の一部又は全部をＷｌ、０〜６
．０％の範囲で、かつ−！（％Ｗ）−（％Ｍｏ　）なる
等式で負換した残部Ｆｅおよび不純物からなる高耐摩耗
高靭性冷間工具鋼。 ３、　重量比で０２ＰＯ〜４０％、Ｏｒ７．０〜１７．
１％、７６０〜１４０％、Ｍｏ０．５〜３．０％、Ｓｉ
２．０％以下、Ｍｎ２．０％以下さらに００又はＨｌを
１．０〜３．５％含み残部’Ｆｅおよび不純物からなる
高耐摩耗高靭性冷間工具鋼０２　明細書の発明の詳細な
説明の欄を次のように訂正する。 ｆｌｌ　　明細書第５頁第４行「基地への」を「基地へ
」に訂正する。 （２）　　同書第５頁第１４行「ｏｌ、５〜」から、同
頁第１８行「以下の」までを次のように訂正する。 「０２０〜４０％、Ｓ１２．０％以下、Ｍｎ２−０％以
下、Ｏｒ７．０〜１７．１％、７６０〜１４０％、Ｗ又
はＭＯがＷ−１−２Ｍｏ量で１．０〜６．０％、残部不
純物と鉄を含み、目的によっては１．５〜３０％の００
や」 （３）　　同書第５頁第２０行「５％」を「６％」に訂
正する０ （４）　　同書第１３頁第８行１ａｕｃｓＪをｌ’−Ａ
ＢｓＪに訂正する。 （５）　　同書第１４頁第７行「以下」を、「未満」に
訂正する。 （６）　　同書第１４頁第１０行及び同頁第１３行の「
１６，５」を、それぞれ「１７．１」に訂正−する。 （力　同書第１５頁第１行「以上では熱間加工が不可能
となる。」を「を越えると熱間加工が不可能となるので
、１４％とする。」に訂正する。 （８）　　同書第１５頁第１０行「７．ＯＪを「６．０
」に訂正する。 （９）　　同１第１５頁第１９行「以下」を、「未満」
に訂正する。 ０Ｉｌｌ　　同１．第１６頁第２行「３％以下」を、「
、０５〜３．０％」に訂正する。 （１１）　　同１第１６頁第６行「本願発明」を、「本
願の第１及び第２の」に訂正する。 αδ　同１第１６頁第８行「以下」を、「未満」に訂正
する。 側　Ｎ１第１６頁第８行から第９杓にわたｚ）「以上で
は」を、「を越えると」に訂正する。 Ｑ４）　　ｌ７５１ｍ！第１勺頁第１０行「３ｊを、ｒ
３．５ｊに訂正する。 ０５）　　同１第１６頁第１２行「同様に」の後に、「
第１及び第２の発明では、」を加入する。 ０伊　同書第１６頁第１５行「１．５％以下」を、「１
．０未満」に訂正する。 ０７１　　同書第１６頁第１６行「３．５％以上」を、
「３５％を越えて」に訂正する。 ０Ｑ　　同書第１６頁第１５行から第１７行にわたる「
３．５％を上限とする。」を、「、１．０〜３．５％と
する。」ａ！１　　同書第１６頁第１９行「以上」を、
「を越えて」に訂正する。 ３　図面の第１図を臨角の第１図と差替える。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　重量比でＣ２，０〜４．０％、Ｃｒ７．ｏ〜１６
   ５％ｍ　Ｖ６．０〜１４．０％、　ｋｌｏ　０．５〜５
   ．０％＊ｓｉ２．ｏ％以下、　Ｍｎ　２．０％　以下残
   部Ｆａおよび不純物からなる高耐摩耗高靭性冷間工具鋼
   。 ２、重量比でＣ２，０〜４．０％、　Ｃｒ　７．０〜１
   ６．５％ｗＶ６．０〜１４．０％、　Ｎｏ　０．５〜３
   ．０％＠　Ｓｔ　２．０％以下ｓ　ｕｎ　２．０　％以
   下で、さらＫ　Ｎｏ　ｏ、ｓ〜３．０％の一部又は全部
   をＦｌ、０〜６．０％の範囲で、がつｉ（％Ｗ）＝Ｃ％
   Ｍｏ　）なる等式で置換した残部Ｆｅおよび不純物から
   なる高耐摩耗高靭性冷間工具鋼。 ６、　重量比でＣ’　２．０−４．０％、　Ｃｒ７．０
   　ヘ１６５％　Ｉ　Ｖ６．０　ヘ１４．０　％　ｊ　Ｎ
   Ｏ０，５〜３．０％ｔＳＬ２．０％以下、Ｍｎ２ｏ％以
   下さらにＣ’ｏ又はＮｉを１５〜５．０％含み残部Ｆｅ
   および不純物からなる高耐摩耗高靭性冷間工具鋼。