JP2000212699A

JP2000212699A - 溶接性および被削性に優れた工具鋼およびそれを用いた金型

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Publication number: JP2000212699A
Application number: JP22497699A
Authority: JP
Inventors: Kunichika Kubota; 邦親久保田; Isao Tamura; 庸田村; Yukio Abe; 行雄阿部; Yoshihiro Kada; 善裕加田; Miki Yamaoka; 美樹山岡
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2000-08-02
Anticipated expiration: 2019-08-09
Also published as: JP4099742B2

Abstract

(57)【要約】【課題】靭性や耐摩耗性といった機械的性質を低下さ
せずに、溶接性や被削性に優れた工具鋼を提供する。【解決手段】重量％で、C:0.45〜0.75%、Si:0.1〜0.6
%、Mn:0.1〜1.2%、Cr:4.5〜12.0%、MoまたはWの1種ある
いは2種を(Mo+1/2W):0.6〜1.2%、V:0.05〜0.5%未満を含
有し、残部がFeおよび不可避の不純物からなり、共晶値
Z[=8×(C%)+0.6×(Cr%)]が10.8以下である工具鋼であ
る。好ましくは、重量％で、C:0.55〜0.75%、Cr:6.8〜
8.0%であり、かつ共晶値Z[=8×(C%)+0.6×(Cr%)]を9以
上10.5以下とし、あるいは、Si:0.1〜0.3%、S:0.005〜
0.10%、Ni≦5.0%、Ca≦100ppmの工具鋼である。そし
て、これらに加えて、1000〜1050℃での焼入れ、500℃
以上の焼戻しに適用され、55HRC以上の硬さになる工具
鋼であり、これら本発明の工具鋼を55HRC以上の硬さに
調質し、切削加工を行うことで作製した金型である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、家庭電化
製品、農機具等に使用される鋼板の打抜、曲げ、絞りあ
るいはトリミング用の金型等に使用される工具鋼に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車メーカー等では、価格競争に打ち
勝ち収益を確保するために、これまであらゆる分野での
コスト低減を実施してきた。その分野は金型関連までに
もおよび、コスト低減のため、プレス金型で成形される
製品の製作工程の短縮や金型製作数の削減、更には、金
型の加工方法や工具の開発等、種々の低減施策が実施さ
れてきた。

【０００３】このような金型において、従来より使用さ
れる金型材、特に冷間加工用金型材には、耐摩耗性付与
のため炭化物を多量に含み、更に、焼入れ性に優れかつ
靭性を確保するためＣｒ含有量が多い材料が求められて
おり、例えば、ＪＩＳＧ４４０４規定の合金工具鋼鋼
材であるＳＫＤ１１等の高Ｃ−高Ｃｒ系鋼が使用されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年の傾向と
しては、金型を構成する部品数の削減や一体成形、形状
の複雑化等で、上述のＳＫＤ１１のごとき鋼材からの加
工による形状出しでは、耐摩耗性には優れているが加工
すべき体積が膨大となり、製造コスト増加の原因となっ
ている。一方、ＳＫＤ１１に相当する材質の成分で鋳造
化して加工代を減少する試みも成されてきたが、炭化物
を多量に含むため、靭性等に問題があり、適切な合金設
計での実用化までには至っていないのが現状である。

【０００５】そして、特に鋼板の打抜、曲げ、絞りある
いはトリミング等に使用される金型では、三次元的に変
化している被打抜品の形状を成形する金型にて割れが頻
発するようになり、溶接補修性等の要求が高まってき
た。つまり、最近の動向を見てみると、金型加工工程の
立ち上げが短期化してきたための設計変更による形状修
正や、金型使用中の過酷な条件等による破損や割れが生
じても、救済により再使用ができるための溶接性が重要
となってきたのである。

【０００６】以上、従来より金型等に適用されてきた工
具鋼には、その最近において求められる機械的特性につ
いて各々、一長一短がある。そこで、本発明は、靭性や
耐摩耗性といった機械的性質を低下させずに、溶接性や
被削性に優れた工具鋼を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、靭性や耐
摩耗性といった基本的な機械的特性の維持を鑑みた上
で、溶接性や被削性の改善に要求される基本条件を見直
した。

【０００８】まず、このような金型材は、現状では耐摩
耗性重視のため硬質脆性な炭化物を多量に含有する成分
設計を行っているが、近年の耐摩耗性付与手段として表
面処理の技術が発達してきたことから、金型材自体の耐
摩耗性確保は現状ほど重視する必要性が無くなってき
た。そして、耐割れ性の点から見ると、このような炭化
物はクラック進展を促進させる因子であるので、適切な
量まで低くする必要がある。

【０００９】これら考慮の結果として、本発明者らは、
工具鋼を構成する基本成分であるＣ含有量を減少しても
良好な機械的性質、特に硬さ及び靭性を得るに充分な成
分構成および組成を見いだし、更に溶接性や被削性、表
面処理特性にも優れた本発明の工具鋼に想到した。

【００１０】すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：０．
４５〜０．７５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：
０．１〜１．２％、Ｃｒ：４．５〜１２．０％、Ｍｏま
たはＷの１種あるいは２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．
６〜１．２％、Ｖ：０．０５〜０．５％未満を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、共晶値Ｚ
［＝８×（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）］が１０．８以
下である工具鋼である。

【００１１】好ましくは、重量％で、Ｃ：０．５５〜
０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０％であり、かつ共晶
値Ｚ［＝８×（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）］を９以上
１０．５以下とし、あるいは、Ｓｉ：０．１〜０．３
％、Ｓ：０．００５〜０．１０％、Ｎｉ≦５．０％、Ｃ
ａ≦１００ｐｐｍの工具鋼である。そして、これら本発
明に加えて、１０００〜１０５０℃での焼入れ、５００
℃以上の焼戻しに適用され、５５ＨＲＣ以上の硬さにな
る工具鋼である。そして、これら本発明の工具鋼を５５
ＨＲＣ以上の硬さに調質し、切削加工を行うことで作製
した金型である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、工具鋼を構成す
る基本成分であるＣ含有量を減少しても良好な機械的性
質、特に硬さ及び靭性を得るに充分な成分構成および組
成を見いだし、更に溶接性や被削性、表面処理特性にも
優れた工具鋼を達成したところにある。

【００１３】つまり、本発明の工具鋼は、Ｃの含有量を
抑えて優れた溶接性を確保するものであり、金型に使用
すれば、その優れた靭性と共に、使用中の破損や割れ、
摩耗が生じても溶接による補修にて容易に再使用が可能
である。そして、Ｃ含有量の抑制による耐摩耗性の不足
が生じた場合にも対処すべく、優れた表面処理性をも確
保したものである。

【００１４】本特許において、溶接性が優れるあるいは
溶接可能というのは、規定の予熱、後熱処理を行うＪＩ
ＳＺ３１５８のＹ形状試験にて溶接割れが認められ
ないことを指す。溶接を行うにおいては、その際の溶接
割れを防止するために、通常は予熱、後熱を行う。予熱
は一般的に溶接時の高温割れ防止のために行い、後熱は
低温割れの防止を目的とし、特に溶接熱影響部の硬さを
下げる一種の焼戻しである。

【００１５】一般に金型は、その製造途中または使用中
の状況により形状変更や補修のために溶接が実施される
が、合金鋼は溶接時の割れを防止するために高温に予熱
した状態で実施される。特に、Ｃｒ等を含む場合は４５
０〜５５０℃以上に予熱後実施するのが一般的である
が、本発明では、この予熱温度を下げても、具体的には
２５０℃にまで下げても、ＪＩＳＺ３１５８のＹ形
状試験による溶接割れが認められない工具鋼が提供でき
る。これによって、溶接に係る作業性が向上し、経済的
でもある。

【００１６】次に、高Ｃ、Ｃｒ鋼では溶接後の後熱も重
要になるが、溶接熱影響部の硬さを下げることで、後熱
における加熱温度、時間を低くすることができる。特に
溶接熱影響部のコントロールにはＣ量を０．７５％以下
にすることと、Ｃｒ量を４．５％以上、好ましくは６．
８％以上にすることが有効であり、これは溶接性を左右
するマルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量を最適に調
整するに有効となる。

【００１７】次に、本発明の表面処理性について述べて
おく。本発明は、Ｃ含有量の抑制による耐摩耗性の不足
が生じた場合にも対処すべく、表面処理性をも十分に確
保するものである。そのために必要な特性は、焼入性お
よび、塩浴法やＣＶＤ処理といった表面処理温度でのオ
ーステナイト組織中に固溶するＣ量と表面近傍部の母材
の硬さである。

【００１８】つまり、焼入れ性は、あらゆる表面処理装
置への適用を可能にすべく付与するものであり、主にＣ
ｒ量を４．５％以上、好ましくは６．８％以上に維持す
ることで確保できる。同時に、４．５％以上のＣｒ含有
は、複雑形状物へ表面処理後の冷却中におこる一種の焼
き割れ現象を防止する目的で確保すべきものでもある。

【００１９】表面処理温度でのオーステナイト組織中に
固溶するＣ量は、十分な膜厚を有するＭＸ型化合物（Ｔ
ｉＣ、ＶＣ等）の生成に重要である。つまり、固溶Ｃ
は、ＣＶＤ、ＴＤ処理等の表面処理法にてＭＸ型化合物
を生成するために、その鋼材から供給すべく必要とな
り、その最適量は、表面処理温度に保持する前のマルテ
ンサイト組織中に固溶するＣ量による。その固溶Ｃ量の
調整をすべく、本発明の工具鋼は、そのＣ含有量を０．
４５％以上、好ましくは０．５５％以上としている。

【００２０】そして、表面近傍部の母材の硬さを維持す
ることは、表面処理による形成膜の耐剥離性を付与する
に重要な要素である。

【００２１】本発明の表面処理性の中で、次に重要なの
が熱処理時の変寸である。ＴＤ、ＣＶＤ処理は一種の焼
入れ焼戻しを兼ね、その後少しでも寸法が狂い研削で落
とすことになると、表面膜を除去することになり問題が
ある。

【００２２】この熱処理変寸挙動の原理図を図１に示
す。焼入れままでは、主体となっているマルテンサイト
組織中に固溶するＣによって結晶格子が押し広げられ、
膨張をする。焼戻し温度を上げてゆくと、低、中温領域
（図１（Ａ）域）ではセメンタイトが析出して寸法変化
が収縮傾向となる。高温域では、２次硬化とほぼ同じ温
度で変寸率が最大になる。この最大値が発生するのは、
この最大値の低温側（図１（Ｂ）域）と高温側（図１
（Ｃ）域）で主に起こる二つの機構による。

【００２３】低温側では残留オーステナイトの分解が温
度を上げることより多くなり膨張傾向が発生する。最大
値よりも高温側ではＭ_７Ｃ_３、Ｍ_２３Ｃ_６系の炭化物の
析出・凝集によりマルテンサイト中の固溶Ｃ量が低下し
てゆくため、収縮傾向が発生する。この（Ｂ）、（Ｃ）
間で起こる変寸の抑制に対しては、図１にも示されてい
るような、セメンタイト析出を制御するＳｉ、Ｍ_７Ｃ_３
やＭ_２３Ｃ_６の析出を制御するＭｏ、Ｗの最適化を行う
必要がある。そのため本発明の工具鋼では、Ｓｉを０．
６％以下、好ましくは０．３％以下に調整すると共に、
（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量を１．２％以下とすることが非常
に重要である。

【００２４】被削性の向上のもと一次炭化物量を低減し
た鋼組成においては、一方で耐摩耗性が不足するのであ
って、このような工具鋼については表面処理を施すこと
をも十分に考慮した設計をしておかないと、工具材料と
しての実用性に乏しいものとなる。つまり、本発明は、
表面処理が施される場合にも最適な工具鋼を達成するた
めにも、上記熱処理変寸の抑制を重要とするのである。

【００２５】優れた被削性を備えた工具鋼としては、例
えば特開平１１−１８１５４８が提案されているが、本
発明の重要とする変寸の抑制に鑑みれば２．０％ものＳ
ｉ含有に合わせて５．０％ものＭｏ当量を許容し、その
実施例を見ても高Ｓｉ、高Ｍｏ側であって、これでは本
発明の熱処理変寸の抑制には至らない。つまり、特開平
１１−１８１５４８の工具鋼は、本発明が狙う変寸抑制
が困難な組成系、具体的には最近の金型品質に対応でき
る０．１％以下の変寸抑制が困難な組成系を中心に設計
されているからであって、工具、金型として作製される
最終的な姿を視野に入れた研究を重要とする工具鋼設計
において不十分である。これらに基いて、本発明の工具
鋼を構成する元素およびその含有量の限定理由について
述べる。

【００２６】Ｃは、焼入れ性を向上し、熱処理後の硬さ
を維持するために必要である。耐摩耗性を達成すべく熱
処理後の硬さを５５ＨＲＣ以上に確保し、ＣＶＤ処理や
塩浴法といった表面処理において十分なＭＸ型炭化物の
膜厚を確保するためには、０．４５％以上、好ましくは
０．５５％以上の含有量が必要である。０．４５％未満
では、焼入硬さが不足し十分な強度を確保できず、かつ
塩浴法もしくはＣＶＤ法による３μｍ以上の膜厚を生成
させるのが困難となる。

【００２７】また、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖと結合して炭
化物を形成し、耐摩耗性や焼戻し軟化抵抗を向上させ
る。添加量が過多になると靭性を低下させ、０．７５％
を越えると溶接性を劣化させる。更に、固液共存温度幅
が大きくなり鋳造欠陥発生の危険、つまり共晶値Ｚが増
す原因となる。よってＣの添加量は、０．４５〜０．７
５％、好ましくは０．５５〜０．７５％とした。

【００２８】なお、共晶値Ｚとは、共晶凝固の起こり易
さを評価する指標であり、Ｚ＝８×（Ｃ％）＋０．６×
（Ｃｒ％）で定義する。この式での（Ｃ％）と（Ｃｒ
％）とは工具鋼に含有されるＣおよびＣｒの重量％であ
る。

【００２９】Ｓｉは、熱処理変寸の抑制のためにも本発
明がその調整を重要とする元素である。脱酸剤および鋳
造性改善の目的で含有し、その効果を得るべく０．１％
以上が含有される。しかし、製造方法によっては添加し
なくてもよい。一方、熱処理時の変寸が大きくなると実
用上不具合が大きくなることから、０．６％以下、好ま
しくは０．３％以下に調整することが不可欠である。ま
た、過多の含有は、被削性と溶接性を阻害する原因とも
なり、加えてマトリックスの成分偏析も激しくなること
から、この点においても調整するものである。

【００３０】Ｍｎは、焼入性向上のために含有するが、
０．１％未満では焼入硬さを安定して得るためには不十
分である。一方、多過ぎると溶接性を劣化させる原因と
なり、更にＳｉと同様、マトリックスの成分偏析も激し
くなるので、０．１〜１．２％とした。ただし、Ｍｎは
高価なＣｒやＭｏ等と置換できる経済的な元素でもあ
り、ＣｒやＭｏ等の効果が十分発揮される場合にはＭｎ
は無添加としても良い。

【００３１】Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を生成し耐摩
耗性を向上すると共に、焼入性を増す効果、そして、Ｃ
ＶＤ処理や塩浴法などによる複雑形状物への表面処理後
の冷却中におこる一種の焼き割れ現象を防止する効果が
ある。しかし、多過ぎるとＣｒ炭化物の増加による靭性
の低下をきたす。更に、Ｃの添加と同様に、固液共存温
度幅が大きくなり鋳造欠陥発生の危険（共晶値Ｚ）が増
す原因となる。よってＣｒの添加量は、４．５〜１２．
０％、好ましくは６．８〜８．０％とした。

【００３２】ＭｏおよびＷは、焼入性を向上する。ま
た、Ｃと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上
させる。Ｗの原子量はＭｏの約２倍であるため、Ｍｏ１
％の含有量はＷ２％の含有量と等しい効果を有し、（Ｍ
ｏ＋１／２Ｗ）量でその効果を表すことが可能である。
本発明ではＭｏ、Ｗの１種または２種を含有させること
ができ、つまり、Ｍｏの全含有量を２倍のＷ含有量で置
き換え使用してもよく、Ｍｏの一部をそれに相当するＷ
量に置き換え使用してもよい。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量で
どちらの成分を優先して使うかは経済性を考慮して判断
すればよいが、火炎焼入れ処理を行う材料としてはＷ添
加を少なくした方が良い。

【００３３】（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の添加量が０．６％未
満では、高温焼戻しでの硬さが５５ＨＲＣ以上出難くな
り、焼戻し温度による硬さの変化も急激になるため硬さ
合わせが思うようにし難くなる。一方、過多の添加量で
は、熱処理変寸が大きくなり、表面処理、熱処理での寸
法精度が確保できない。よってＭｏの添加量は０．６〜
１．２％とした。なお、高温焼戻しでの硬さの確保をも
考慮すれば１．０％以上の含有が有効であり、また、過
多の含有は疲労特性を低下させる塊状の共晶炭化物を発
生させることから、この点においても調整するものであ
る。

【００３４】Ｖは、焼入れによる残留オーステナイトの
成長を抑制し、靭性を確保するのに有効であり、この効
果を発揮するためには、０．０５％以上の含有が必要で
ある。逆に、過多の含有は凝固時に巨大なＶ系炭化物を
晶出し、溶接性と靭性を低下させる原因となる。そし
て、焼きなまし状態での炭化物中にＶＣ形成を起こし、
被削性が劣化するので、０．０５〜０．５％未満とし
た。

【００３５】共晶値Ｚは、先述したように共晶凝固の起
こり易さを評価する指標であり、共晶値Ｚが増す程、固
液共存温度幅が大きくなる。本発明の工具鋼において
は、共晶値Ｚが大きくなると溶接時の高温割れや靭性の
劣化が懸念されるので、１０．８以下とする。好ましく
は、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０
％に調整するに合わせて、９以上１０．５以下する。

【００３６】また、本発明の工具鋼は、その他求められ
る効果に則して、上記の成分組成にＳ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｐ
ｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ｃｅのうちの１種
または２種以上を含有してもよい。そのうち、Ｓは、脆
化元素の代表として溶接、高硬度鋼の分野では忌み嫌わ
れる元素であるが、快削効果があるため、靭性、溶接性
を向上させた分、被削性向上の目的で０．１％程度まで
なら含有を許容することができる。本発明に好ましく
は、０．００５〜０．１０％であり、効果を得る上で更
に好ましくは０．０２〜０．１０％である。

【００３７】Ｃａは、機械的性質の低下や組織の変質を
伴わない、理想的な快削元素である。その快削性向上の
機構は、鋼中に微量に分散している酸化物を低融点化さ
せ、これが切削熱で溶けだし、刃先に保護膜を形成する
ものである。また、Ｓ添加に際し、Ｃａを添加すること
はＭｎＳの形態制御を行い、圧延と直角方向の靭性を向
上させるのに有望である。しかし、Ｃａは蒸気圧が高い
ので、現状の技術では１００ｐｐｍ程度が含有の上限で
ある。

【００３８】Ｎｉは、焼入性と衝撃遷移温度を上げるこ
とによる靭性向上が認められる元素であるが、本合金系
では、特に高Ｃ量域での靭性維持による効果で溶接性劣
化を防止でき、実用的に操業可能な表面処理領域を広げ
る方向に作用する。しかし、過多のＮｉ含有は製造上の
困難性から上限を５．０％以下とした。上記の効果を得
るに好ましくは、０．００５％以上、更に好ましくは、
０．０１％以上とする。

【００３９】その他、希土類は、本発明の工具鋼におけ
る被削性を向上する目的のもとに０．２％以下、好まし
くは、０．１％以下の含有が可能である。また不可避の
不純物の総量は０．５％以下が望ましい。但し、耐摩耗
性を上げるため窒化処理を施す場合、窒化層の硬さを積
極的に上げるＡｌの添加は１．０％以下なら許容でき
る。

【００４０】以上に述べた本発明の工具鋼であれば、優
れた溶接性の付与に加えて、従来のＳＫＤ１１と同等の
熱処理条件である１０００〜１０５０℃からの焼入れ、
５００℃以上の焼戻しによっても５５ＨＲＣ以上の硬さ
が確保できる。そして、その５５ＨＲＣ以上の硬さにて
優れた被削性の達成に加え、塩浴法やＣＶＤ処理といっ
た表面処理性、更には熱処理時の変寸抑制にも優れるも
のである。

【００４１】また、本発明の工具鋼を金型等に使用した
場合は、その求められる機能に応じて必要な部位のみに
火焔焼入れ等を実施しても良く、製作工数あるいは必要
特性を考慮して硬さを得るための熱処理方法を選択すれ
ばよい。一例として、本発明の工具鋼を５５ＨＲＣ以上
の硬さに調質し、切削加工を行うことで作製した金型で
ある。

【００４２】なお、本発明では、本効果の更なる向上に
おいて、焼入後の状態を調整することが有効である。つ
まり、焼入れ後のマルテンサイト組織中に固溶するＣお
よびＣｒ含有量を重量％でＣ：０．４５〜０．６％、Ｃ
ｒ：３．０〜６．０％とすること、好ましくはＣ：０．
５０〜０．６３％、Ｃｒ：４．５〜７．５％の範囲を狙
うことであり、工具鋼を構成するＣ、Ｃｒ量をＣ：０．
５５〜０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０％に調整する
ことと合わせて有効である。そして、断面組織中のＭ_７
Ｃ_３型一次炭化物を面積％にて１．５％以下とすること
である。

【００４３】マルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量を
調整することは、溶接性の向上に有効である。高Ｃ、Ｃ
ｒ鋼では溶接後の後熱も重要であり、溶接熱影響部の硬
さを下げることで、後熱における加熱温度、時間を低く
することができることは先述の通りである。その手段と
してマルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量の調整は有
効であり、本発明において具体的には、固溶Ｃ量を０．
６％以下、固溶Ｃｒ量を３．０％以上とすることであ
る。更には、固溶Ｃｒ量を６．０％以下とすることであ
り、この場合、被削性の向上の面においても有効であ
る。

【００４４】また、表面処理性の向上にも繋がる焼入れ
性の向上おいて、本発明の工具鋼に含有されるＣｒ量を
４．５％以上にすることは先述の通りであるが、好まし
くは、そのうち、マルテンサイト組織中の固溶Ｃｒ量を
３．０％以上にすることが有効である。また、固溶Ｃ量
を確保する理由は、先述のごとく、表面処理法にてＭＸ
型化合物を生成するために鋼材からの供給が必要となる
ためでもあって、硬さを維持する上でも、その固溶Ｃ量
を０．４５％以上とすることが好ましい。

【００４５】これら焼入れ後のマルテンサイト組織中に
固溶するＣおよびＣｒ含有量を調整する有効性について
述べたが、それら上下限の限定においてはそれぞれの効
果の程度調整に加えて、更には本発明の工具鋼を構成す
るＣ、Ｃｒ量自体の最適調整範囲にも応じた決定が望ま
しい。具体的には、Ｃ：０．５０〜０．６３％、Ｃｒ：
４．５〜７．５％の固溶範囲を狙うことであり、工具鋼
を構成するＣ、Ｃｒ量をＣ：０．５５〜０．７５％、Ｃ
ｒ：６．８〜８．０％に調整することと合わせて有効で
ある。

【００４６】一次炭化物は、良好な被削性を確保する上
で、その断面組織中の１．５（面積％）以下にすること
が好ましい。なお、一次炭化物量は、本発明の工具鋼に
て規定する化学組成に加え、熱処理によっても低減が可
能である。

【００４７】

【実施例】次に、本発明の実施例について詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例により何等限定されるも
のではない。（実施例１）まず、５０ｋｇ高周波炉を使用して材料を
溶解し、表１に示す化学組成を有したインゴットを作製
した。なお、比較材１はＳＫＤ１１相当材である。次
に、鍛造比が５程度になるように熱間圧延をし、冷却
後、８５０℃で４時間保持の焼鈍を実施した。

【００４８】

【表１】

【００４９】次に、上記焼鈍材をＪＩＳＺ３１５８
のＹ型試験片に整え、真空加熱炉を用いて１０２５℃に
加熱保持後、不活性ガスでガス冷却焼入れを実施した。
更に続けて各試験片の目標硬さがＨＲＣ５５以上となる
ように、５００〜５５０℃で焼戻しを実施した。このよ
うにして製作した試験片を表２に示す条件で溶接し、溶
接性の評価を行なった。なお、比較材４〜１０は、５０
０℃以上の焼戻しで５５ＨＲＣ以上の硬さを得ることが
できなかった。

【００５０】

【表２】

【００５１】溶接性の評価は、溶接後の割れの有無によ
って行ない、その結果を焼入れ、焼戻し熱処理による硬
さと共に表３に示す。本発明材１〜８、比較材１１、１
２では３５０℃の予熱温度でも溶接割れが発生しなかっ
たが、比較材１、２、３では予熱温度が３５０、４５０
℃のいずれかで割れを生じた。

【００５２】

【表３】

【００５３】（実施例２）次に、被削性の評価を行なっ
た。まず、表１に示す素材にて、硬さ２４ＨＲＣ以下の
焼きなまし状態である供試材を作製し、スクエアエンド
ミルでの被削性の評価を行った。なお、切削試験は表４
に示す条件で行った。表５に示す結果より、本発明材１
〜８と比較材１１、１２は、ＳＫＤ１１相当である比較
材１に比べて、３倍あるいはそれ以上の工具寿命が得ら
れることが分かる。

【００５４】

【表４】

【００５５】

【表５】

【００５６】次に、表１に示す素材にて、本発明の熱処
理条件により硬さ５７〜６０ＨＲＣに焼入れ焼戻しした
供試材を作製し、スクエアエンドミルでの被削性の評価
を行った。切削条件は表６に示す。表７に示す試験結果
より、本発明材１〜８と比較材１１、１２はＳＫＤ１１
相当である比較材１に比べて、６倍あるいはそれ以上の
工具寿命が得られることが分かる。

【００５７】

【表６】

【００５８】

【表７】

【００５９】（実施例３）次に、溶接前の予熱温度と溶
接後の冷却時間が溶接性に及ぼす影響を調査した。調査
にあたっては、上記焼鈍材を真空加熱炉を用いて１０２
５℃に加熱保持後、不活性ガスでガス冷却焼入れを実施
し、続けて５００〜５５０℃で焼戻して所定の硬さとし
たものを供試材とし、溶接後の後熱は４５０℃で１時間
保持後、３時間または７時間をかけて常温まで冷却する
ものとした。この条件による割れの発生有無を、調整硬
さおよび予熱温度と共に、表８に示す。

【００６０】

【表８】

【００６１】表８より、本発明材１〜８と比較材１１、
１２では、冷却時間が３時間の場合でも割れが発生しな
かったのに対し、比較材１、９、１０では７時間の冷却
時間においても割れを生じた。

【００６２】（実施例４）次に、発明材１〜８と比較材
１〜３および１１、１２の焼鈍材から長手方向が圧延方
向になるように１０ｍｍφ×８０ｍｍＬのテストピース
を１０本づつ作製した。それら焼入れ前のテストピース
の長さ方向寸法を予め計ってから、１０３０℃×１時間
保持して空冷焼入れし、５００℃以上の焼戻しを行なっ
て６０ＨＲＣ±１に入るように硬さ調整した。室温に十
分に冷やした後、再度寸法を測定し、焼入れ前を基準と
した寸法変化率をそれぞれ求め、変寸率が０．１％を超
えたものの本数を調べた。表９にその結果を示す。

【００６３】

【表９】

【００６４】これより、本発明材１、２、３、５、６、
８とＳＫＤ１１相当である比較材１は限度オーバーの変
寸が見られなかった。Ｓｉがやや高い本発明材４、Ｍｏ
がやや高めの本発明材７の場合でも０．１％を超える変
寸の発生数は１本と少ないものであった。それに対し、
比較材２、１１、１２はＳｉ、Ｍｏ当量が高いため、１
０本全てに限度オーバーの変寸が発生している。なお、
比較材３は例えば先述の特開平１１−１８１５４８にて
提案されるような工具鋼に対しＳｉを低めたものである
が、それでもＭｏ当量が高いために４本の変寸オーバー
が発生している。

【００６５】本発明は、溶接性や被削性を向上させるた
めに炭化物を低減しているので、場合によっては耐摩耗
性が劣るといった懸念がある。しかし、本発明の変寸低
減効果により、表面処理の自由度は確保されているの
で、工具、金型への作製のし易さと、その工具性能の両
者を満足できる。

【００６６】（実施例５）次に、発明材１〜８と比較例
１、２、３、１１、１２の焼鈍材から切り出した２５×
１００×１００（ｍｍ）の板材について、実際にＴＤ処
理を行なった時の圧延方向の寸法変化率を調べた。前熱
処理は焼入れ１０２０℃で、焼戻しは５３０℃を２回行
い、その後仕上げ加工を行なってから、５点の圧延方向
寸法をそれぞれ場所を変えて測定した。次に目標膜厚を
３μmに設定したＶＣを生成させる条件として１０２０
℃×７時間でＴＤ処理し、焼戻しは５３０℃で２回行っ
た。更に後熱処理でも同様に焼入れを１０２０℃で行
い、焼戻しを５３０℃で行った。その後圧延方向の寸法
測定を行い、変寸率を算出した。その結果を表１０に示
す。

【００６７】

【表１０】

【００６８】発明材１〜８と比較材１（ＳＫＤ１１相当
材）は変寸率が０．１％以下で満足する変寸率となって
いるが、比較例２、３、１１、１２の変寸率は０．１％
を大きく超え実用には耐え難い変寸率となっている。Ｓ
ＫＤ１１が従来ダイス鋼として汎用性を持つのは、この
ような熱処理特性が良好であることが大きな要因である
と同時に、本発明材もこのような汎用性を持つにふさわ
しい特徴を具備していることが分かる。但し、ＳＫＤ１
１相当材は実施例１、２で示したように溶接性、被削性
に乏しいため、その点を大幅に改良した本発明の工具鋼
であれば工具材料として工業的価値が極めて高いことが
分かる。

【００６９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、ＳＫＤ１１と比
較して、基本成分であるＣ含有量を減少しても良好な機
械的性質、特に硬さ、靭性を確保することができ、溶接
性に優れ、更に被削性の優れた鋼材を提供することがで
きる。更に溶接時の予熱温度を低めに設定でき、冷却時
間を短縮しても割れが発生し難く、作業性にも優れてい
る。加えて、優れた熱処理・表面処理性にも考慮がなさ
れていることから、本発明による工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理変寸挙動の原理を説明する図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加田善裕島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内 (72)発明者山岡美樹島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．４５〜０．７５％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃ
ｒ：４．５〜１２．０％、ＭｏまたはＷの１種あるいは
２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６〜１．２％、Ｖ：
０．０５〜０．５％未満を含有し、残部がＦｅおよび不
可避の不純物からなり、共晶値Ｚ［＝８×（Ｃ％）＋
０．６×（Ｃｒ％）］が１０．８以下であることを特徴
とする溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、
Ｃｒ：６．８〜８．０％であり、かつ共晶値Ｚ［＝８×
（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）］が９以上１０．５以下
であることを特徴とする請求項１に記載の溶接性および
被削性に優れた工具鋼。
【請求項３】重量％で、Ｓｉ：０．１〜０．３％であ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接性お
よび被削性に優れた工具鋼。
【請求項４】重量％で、Ｓ：０．００５〜０．１０％
であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項５】重量％で、Ｎｉ≦５．０％であることを
特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接性
および被削性に優れた工具鋼。
【請求項６】重量比で、Ｃａ≦１００ｐｐｍであるこ
とを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の溶
接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項７】１０００〜１０５０℃での焼入れ、５０
０℃以上の焼戻しに適用され、５５ＨＲＣ以上の硬さに
なることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記
載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかの工具鋼を
５５ＨＲＣ以上の硬さに調質し、切削加工を行うことで
作製したことを特徴とする金型。