JPS6160864A

JPS6160864A - 耐熱疲労特性及び焼戻し軟化抵抗にすぐれた熱間工具鋼

Info

Publication number: JPS6160864A
Application number: JP18341284A
Authority: JP
Inventors: Koji Hosomi; 細見　広次; Yuji Toyoda; 豊田　裕至; Tokihiko Mori; 時彦森; Yukitaka Mizuno; 幸隆水野; Takeshi Terabayashi; 武司寺林; Masaaki Kotakane; 小高根　正昭; Masao Hozen; 保前　正夫; Keiichi Hayashida; 林田　敬一
Original assignee: NIPPON KOSHUHA KOGYO KK; Nippon Koshuha Steel Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: NIPPON KOSHUHA KOGYO KK; Nippon Koshuha Steel Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1986-03-28

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】本発明は耐熱疲労特性及び焼戻し軟化抵抗にすぐれた熱
間工具鋼に関する。

アルミ合金押出用マンドレル、Ｃｕ合金押出用マンドレ
ル及びダイス、アルミダイカスト金型、鍛造プレス金型
等の熱間工具鋼の素材鋼としては、従来、０．４　Ｃ−
５Ｃｒ系の５ＫＤ６１！Ｆｊｌや５ＫＤ６２鋼等が一般
的に用いられている。

しかし、近年、熱間鍛造の精密化や高速化、アルミ合金
の高圧鍛造等の成形加工技術の向上に伴い、加工温度の
上昇や加工時間サイクルの短縮化が進むと共に、複雑な
形状を有する製品の加工も行なわれるようになり、かく
して、工具に対する温度及び応力条件が従来におけるよ
りも厳しくなっている。一方において、加工製品の寸法
精度の向上や表面疵、パリの低減等の要求が高まりつつ
あり、このために工具の熱疲労亀裂や変形に対する廃却
基準も厳しさを増しつつある。

このように、工具の使用環境が苛酷化するにつれて、従
来より用いられている前記熱間工具鋼によれば、非常に
少ない使用回数にて熱疲労亀裂が発生し、或いは、軟化
及び強度不足によって工具が変形し、廃却されることが
多くみられるに至っている。また、熱間工具鋼として５
ＫＤａ鋼のような高級鋼も使用されることがあるが、こ
の鋼は前記従来鋼に比べて靭性が著しく低いために、使
用範囲が限られる問題を有する。

本発明者らは熱間工具鋼における上記した問題を解決す
るために鋭意研究した結果、通常の炭化物析出強化型の
熱間工具鋼と異なり、Ｃ量を低減すると共に、Ｃｒ、Ｗ
及びＣｏを多量に添加し、これら元素のマトリックスへ
の固溶による強化を図ることによって、すぐれた耐熱疲
労特性、室温及び高温における強靭性と焼戻し軟化抵抗
を得ることを見出して、本発明に至ったものである。

本発明による耐熱疲労特性及び焼戻し軟化抵抗にすぐれ
た熱間工具鋼は、重量％でＣ０．０５〜０．１５％、Ｓｉ　　０．ｌ”１．０％、Ｍｎ　　０．１〜１．０％、Ｃｒ　　５〜８％、Ｍｏ　　２〜４％、Ｗ　　５〜９％、Ｃｏ　　６〜１２％、残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする。

本発明鋼において化学成分を限定する理由を説明する。

Ｃはマルテンサイト基地を強化すると共に、炭化物を形
成して、オーステナイト域への加熱時に結晶粒の粗大化
を抑制すると共に、焼戻しによって析出する上記炭化物
は鋼の強度及び耐摩耗性を向上させる。このような効果
を有効に発揮させるために、本発明鋼においてはＣを少
なくとも０．０５％添加することが必要である。しかし
、過多に添加するときは、靭性を劣化させ、また、焼戻
し硬さのピークを低温側に移行させて、高温強度及び軟
化抵抗を低下させ、更に耐熱疲労特性を劣化させるので
、Ｃ添加量の上限を０．１５％とする。

Ｓｉは脱酸剤として必要であり、また、適度の耐酸化性
と高温強度を与えるために、下限量を０、１％とするが
、過多に添加するときは、被削性及び靭性を劣化させる
と共に、熱伝導性を低下させ、更にはフェライトを生成
させるので、その添加量の上限を１．０％とする。

Ｍｎは脱酸のために少なくとも０．１％を添加すること
が必要である。しかし、過多に添加するときは、Ａ、点
を低下させ、また、被削性を劣化させるので、添加量は
１．０％以下とする。

Ｃｒはマトリックス中に固溶し、室温及び高温における
強靭性及び焼戻し軟化抵抗を向上させるのに効果がある
。また、焼入れ性を高める効果も有する。これらの効果
を有効に発現させるために、本発明鋼においては、少な
くとも５％の添加を必要とする。しかし、余りに多量に
添加することは、焼入れ時に残留オーステナイトを増大
させると共に、焼鈍硬さを増し、熱処理や加工を困難に
するので、その添加量の上限を８％とする。

ＭＯも焼入れ性を高めると共に、（Ｆｅ、　Ｃｒ）　２
　（Ｍｏ、　Ｗ）型Ｌａｖｅｓ相を生成し、これは鋼の
オーステナイト域への加熱時にその漱細な未固溶物が結
晶粒の粗大化を防止すると共に、焼戻しによってもＬａ
ｖｅｓ相は微細に析出し、従来の炭化物強化型の熱間工
具鋼に比較して、特にすぐれた耐熱疲労特性及び軟化抵
抗を与える。更に、マトリックス中のＭ。

はＡ３点を高める効果を有する。そのために、本発明鋼
においては、かかる効果を有効に発現させるために、少
なくとも２％の添加を必要とする。

しかし、添加量が２％よりも少ないときは、オーステナ
イト化したときに、結晶粒の粗大化を防止し得す、焼入
れ温度を高くすることができなくなり、この結果、焼戻
しによって十分な強度を得ることができないので、添加
量の下限を２％とする。

しかし、４％を超えて多量に添加するときは、靭性を劣
化させ、焼鈍硬さを太き（して、加工性を劣化させるの
で添加量の上限を４％とする。

Ｗも焼入れ性を向上させると共に、特に、前記したよう
に、Ｆｅ及びＭＯと共にＬａｖａｓ和を形成して、耐熱
疲労特性及び軟化抵抗を格段に向上させる。また、マト
リックス中に固溶して、室温及び高温における強靭性の
向上、軟化抵抗の増大に効果がある。従って、例えば、
添加量が過少であるときは、オーステナイト化したとき
に結晶粒が粗大化し、焼入れ温度を高くすることができ
ない。

従って、本発明鋼においては、上記のような効果を有効
に発揮させ、特に、耐熱疲労特性を確保するために、少
なくとも５％の添加を必要とする。

しかし、Ｗは鋼の靭性を顕著に低下させるので、その添
加量は９％以下とする。

ＣＯは、マトリックスに固溶して、強度を向上させると
共に、特に、焼戻し後の強度の向上と軟化抵抗及び耐熱
疲労特性を顕著に改善する。更に、緻密な表面スケール
を生成し、耐摩耗性及び耐酸化性を向上させる効果もあ
る。従って、本発明鋼においては少なくとも６％を添加
する。しかし、過剰に添加するときは、焼鈍硬さを大き
くして熱処理及び加工を困難にし、また、Ａ３点を低下
させ、或いは耐熱疲労特性を低下させる傾向があので、
添加量の上限は１２％とする。

本発明鋼においては、上記した元素に加えて、更に、■
を添加することができる。

■は鋼のオーステナイト域への加熱時の結晶粒の粗大化
を防止し、靭性の低下を抑制し、また、耐摩耗性を向上
させるのにを効であるので、本発明鋼においては０．５
％以下の範囲で添加する。過多に添加するときは、鋼の
靭性を大幅に劣化させる。

更に、本発明鋼においては、■と同じ効果ををするＮｂ
、Ｔｉ及びＺｒの少なくとも１種を■に代えて、又は■
と併用して添加することができる。

Ｎｂ、Ｔｉ及びＺｒの添加量はそれぞれ０．３％以下の
範囲とし、且つ、その合計量が０．３％を超えないこと
とする。各元素の添加量又は合計量が０゜３％を超える
ときは、未固溶の炭化物が増加し、却って靭性の劣化を
招くからである。

以下に本発明鋼を実施例によって詳細に説明する。

実施例第１表に本発明鋼及び比較鋼の化学組成を示し、第２表
に上記のうち本発明鋼Ａ−Ｅ、及び比較鋼Ｈ及びＩの名
調を１０２５°Ｃに３０分間保持した後、空冷して焼入
れしたときの硬さ、及びこの焼入れ後に第２表に示す所
定の温度に９０分間保持した後、空冷する焼戻し処理を
２回行なった後の焼戻し硬さを第２表に示す。本発明鋼
によれば、６００°Ｃ以上の温度への焼戻しによる焼戻
し硬さが比較鋼よりも大きく、特に、７００℃での焼戻
しによってもＨＲＣ４０程度の焼戻し硬さを保持してお
り、比較鋼に比べて焼戻し軟化抵抗にすぐれることが明
らかである。

次に、本発明鋼及び比較鋼についての流動層式熱疲労試
験による結果を第１図及び第３表に示す。

比較鋼Ｈが熱疲労特性に著しく劣ることが明らかである
。比較鋼Ｆ及びＧはＨに比べれば比較的耐熱疲労特性に
すぐれているが、しかし、本発明鋼に比べれば亀裂の成
長が尚急激である０本発明鋼はすぐれた亀裂伝播抵抗を
有して、耐熱疲労特性に格段にすぐれることが明らかで
ある。

尚、上記熱疲労試験は、アルミナ粒子を熱媒体とする二
つの流動層式恒温槽からなる試験機に試験片を交互に浸
漬して加熱冷却を繰り返した。熱サイクル条件は高温槽
７００℃、低温槽１３０℃とし、それぞれに１５秒及び
４５秒ずつ浸漬した。

この熱サイクルにて試験片の表面は最高約６００℃に達
し、金型の熱解析結果に近い温度条件となった。試験片
の形状及び寸法を第２図に示す。即ち、試、験片は直径
７０ｍｍ、厚さ２１ｍの外周に３個の半円状切欠きを有
し、熱疲労試験中にこの部分に発生する亀裂長さを顕微
鏡により測定した。

更に、本発明鋼及び比較鋼について６００℃の温度に所
定時間保持したときの軟化抵抗を第４表に示す。比較鋼
Ｈ及びＩは６００℃に１００時間保持したときの軟化が
顕著であるのに対して、本発明鋼はＨＲＣ４０以上を保
持し、すぐれた軟化抵抗を有する。

また、本発明鋼及び比較鋼の室温及び６００℃における
引張特性を第５表に示す。本発明鋼を比較ｗ４Ｈと同じ
強度水準に熱処理した場合、本発明鋼は比較鋼Ｈと同等
以上の伸び及び絞りを有する。

また、本発明鋼Ａを）ＩＩＥ５０以上に熱処理した場合
、同じ強度水準の比較ｗＩＩに比べて、伸び、絞り及び
高温強度のいずれにおいてもすぐれている。

次に、直径２００　ａｍの鋼材の焼入れ冷却を空冷で行
なった場合の鋼材の中心部における冷却速度のシミュレ
ートとして、本発明ｍＡ及び比較鋼トＩについて、荒加
工形状の素材を１０２５　ｃで３０分間保持した後、５
００℃まで半冷時間３０分で冷却し、５００℃以下を徐
冷する焼入れを行なつた。焼入れ後は第６表に示す温度
にて９０分間保持した後、空冷する焼戻しを２回行なっ
た。

ダイカスト金型のような精密金型においては、焼入れ歪
を避けるため、焼入れ冷却を急激にすることは好まれず
、更に大型の金型になると、その冷却速度は非常に遅く
なり、従来のＳＫＤ系の熱間工具鋼によれば、焼入れ冷
却速度が遅い場合での靭性の劣化が大きい問題となって
いるが、本発明鋼によれば、シミュレート熱処理材での
衝撃値が比較鋼Ｈよりも大きく、すぐれた靭性を有する
ことが理解される。また、焼戻し硬さも十分太き（、焼
入れ性が良好なことからも、アルミダイカストの高圧鋳
造用金型鋼はか、熱間鍛造用金型、Ｃｕ押出用工具等の
種々の金型鋼として好適に用い得ることが明らかである
。

以上のように、本発明による熱間工具鋼は、非常にすぐ
れた耐熱疲労特性、焼戻し軟化抵抗及び高温強度を有し
、従来鋼の５ＫＤ６１鋼や５ＫＤ６２鋼の熱疲労亀裂発
生までの寿命を大幅に改善すると共に、非常にすぐれた
亀裂伝播抵抗を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱疲労試験における本発明鋼及び比較鋼の亀裂
成長を示すグラフ、第２図は熱疲労試験において用いた
試験片を示す平面図及び断面図である。特許出願人　　株式会社神戸製鋼所第１図寸イフンレ数５　（ヌ１０３）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＣ　０．０５〜０．１５％、Ｓｉ　０．１〜１．０％、Ｍｎ　０．１〜１．０％、Ｃｒ　５〜８％、Ｍｏ　２〜４％、Ｗ　５〜９％、Ｃｏ　６〜１２％、残部鉄及び不可避的不純物よりなる耐熱疲労特性及び焼
戻し軟化抵抗にすぐれた熱間工具鋼。
（２）重量％で（ａ）Ｃ　０．０５〜０．１５％、Ｓｉ　０．１〜１．０％、Ｍｎ　０．１〜１．０％、Ｃｒ　５〜８％、Ｍｏ　２〜４％、Ｗ　５〜９％、Ｃｏ　６〜１２％、（ｂ）Ｖ　０．５％以下、Ｎｂ　０．３％以下、Ｔｉ　０．３％以下及びＺｒ　０．３％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種（但し、Ｎｂ、
Ｔｉ及びＺｒの合計量は０．３％を超えない。）、及び残部鉄及び不可避的不純物よりなる耐熱疲労特性及び焼
戻し軟化抵抗にすぐれた熱間工具鋼。