JP2000290753A

JP2000290753A - 冷間工具鋼

Info

Publication number: JP2000290753A
Application number: JP11100076A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Matsuda; 幸紀松田; Tamiki Yanagisawa; 民樹柳澤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】使用する際には高硬度、高靭性、耐摩耗性を
備え、かつ、工具を製造する際には優れた被研削性を有
する冷間工具鋼を提供する。【解決手段】質量%で、Ｃ：０．９０〜１．３０
％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０
％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０
％、Ｖ：０．５〜１．０％を含有し、かつ、０．１５
≦（Ｖ質量%）／（Ｃｒ質量%）≧０．０５の関係を満足
し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなる。一
次炭化物の晶出形態を制御することにより、強靭性と被
研削性を向上した。４８０〜６００℃で焼きもどして用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用条件が過酷な
冷間加工用工具に使用する高硬度で高耐摩耗性を有し、
かつ、被研削性に優れた冷間工具鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷間加工技術の発展に伴って、よ
り高硬度の被加工材を加工したり、その加工量が増大す
るなどして、冷間加工条件が過酷化している。そのた
め、冷間工具鋼に対しては、高い靭性と高い硬度・耐摩
耗性とを兼備していることが強く要望されている。

【０００３】他方、これらの冷間加工用工具を形成する
ため、ワイヤーカット、放電加工法他の各種の加工法が
開発されているが、依然として、切削工具を用いる切削
加工および精密仕上げ加工としての研削加工は主要な加
工方法であり、複雑な形状を有する金型、精密な形状・
寸法を要求されるダイスなどを能率良く製作するために
は、被削性、被研削性に優れた工具鋼が要望される。特
に、ねじ転造用ダイスのように精密な形状・寸法を要す
る工具用材料としては、被削性、被研削性に優れた工具
鋼に対する要望が強い。

【０００４】従来、冷間鍛造用ダイスおよびポンチ、冷
間打抜き用工具、冷間圧造用工具などの使用条件が過酷
な工具材料としては、ＪＩＳＳＫＤ１１などの高Ｃ−
高Ｃｒ系鋼が汎用されてきた。これらの高Ｃ−高Ｃｒ系
鋼では、主にＣｒ系の硬質一次炭化物Ｍ₇Ｃ₃が多量に析
出し、これによって耐摩耗性が高められる。ここに、Ｍ
はＣｒのほかＦｅ、Ｖなどの炭化物形成元素をあらわ
す。これらの鋼は、焼入れ後１５０〜２００℃で焼戻し
することによりＨＲＣ６０以上の高硬度として使用され
る。

【０００５】前記高Ｃ−高Ｃｒ系鋼は、一次炭化物Ｍ₇
Ｃ₃を多量に析出しているために靭性が劣るきらいがあ
り、また、焼戻し温度が低いために内部ひずみが大き
く、ワイヤーカットなどの放電加工時に割れを生じた
り、加工後に大きな変形を生じたりするという問題があ
った。

【０００６】高Ｃ−高Ｃｒ系鋼における上記の問題を解
決するため、本発明者は、さきにＣｒ含有率を低めてＭ
₇Ｃ₃炭化物による脆化を低減し、かつ、Ｍｏによる焼戻
し二次硬化を利用することにより、４５０℃以上の高温
で焼戻しを行っても高い硬度を示し、内部ひずみが少な
い冷間ダイス鋼を提案した（特公昭６４−５１００号公
報）。

【０００７】さらに、Ｃｒ含有量との関係において適量
のＶを添加し鋼中に微細なＶ炭化物（ＶＣ）を晶出する
ことにより、靭性を損なうことなく耐摩耗性を向上した
冷間工具鋼を提案した（特開平１０−０２５５４５号公
報）。この冷間工具鋼は、靭性、耐摩耗性に優れた上、
焼入れ後、４８０〜６００℃の高温で焼戻しすることに
よって優れた焼戻し効果を発揮するとともに、焼入れ時
の残留応力が除去されて安定組織となる。しかし、その
金属組織にＶ炭化物（ＶＣ）が存在するため研削加工に
おける被研削性に劣るため、例えば、ねじ転造用ダイス
のように研削加工が多く、精密な形状・寸法を要する工
具の製作にあたっては、多くの研削コストを要するとい
う問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の冷間
工具鋼における上記の問題に鑑みてなされたもので、そ
の課題とするところは、冷間加工用工具として使用する
際には高硬度、高靭性、耐摩耗性を備え、かつ、該冷間
加工用工具を製造する際には優れた被研削性を有する冷
間工具鋼を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の冷間工具鋼は、（１）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：
０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：
６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：０．
５〜１．０％を含有し、かつ、Ｖ質量％とＣｒ質量％に
関して、０．１５≦（Ｖ質量％）／（Ｃｒ質量％）≧
０．０５の関係を満足し、残部実質的にＦｅおよび不可
避不純物からなることを特徴とする。（２）上記（１）に加えて、更に、質量％で、Ｎ：０．
０１５〜０．０５０％を含有することを特徴とする。（３）上記（１）に加えて、更に、質量％で、Ｎｂ：
２．０％以下、Ｔａ：２．０％以下のうちいずれか１種
以上を含有することを特徴とする。（４）上記（１）に加えて、更に、質量％で、Ｓ：０．
００５〜０．３％、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０
００５〜０．０２％のうちいずれか１種以上を含有する
ことを特徴とする。（５）上記（１）に加えて、Ｐ含有率を、質量％で０．
０２０％以下とすることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の冷間工具鋼における各化
学成分組成の限定理由は以下の通りである。Ｃ：０．９０〜１．３０質量％Ｃは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ時のマルテンサイト
の硬さを高めるほか、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどの炭化物形成
元素と結合して炭化物を形成することにより、結晶粒を
微細化し、耐摩耗性を向上し、焼戻し軟化抵抗性を付与
するために添加する。Ｃ含有率が０．９０質量％未満で
は、本発明の冷間工具鋼として望ましいＨＲＣ６０以上
の焼戻し硬さが得難くなるとともに、上記の所用特性も
得られないのでＣ含有率の下限を０．９０質量％とす
る。しかし、Ｃ含有率が１．３０質量％を超えると過剰
な炭化物の晶出・析出を招くとともに、焼入れ残留オー
ステナイト量を増大し、靭性を低下するのでＣ含有率の
上限を１．３０質量％とする。

【００１１】Ｓｉ：０．５〜１．０質量％Ｓｉは、高温焼戻し硬さの増大に有効な元素である。Ｓ
ｉ含有率が０．５質量％未満では上記の効果が十分では
なく、また、１．０質量％を超えるとＨＲＣ６０以上の
高い硬さとしたときに高靭性を得ることができなくなる
ので、Ｓｉの含有率は、０．５〜１．０質量％とす
る。。

【００１２】Ｍｎ：０．１〜１．０質量％Ｍｎは鋼の焼入れ性を向上するために添加する。Ｍｎ含
有率が０．１質量％未満では焼入れ性向上の効果が十分
発揮されず、また、１．０質量％を超えて含有すれば、
鋼の焼きなまし硬さを著しく高め、被削性を低下させる
のでＭｎの含有率は、０．１〜１．０質量％とする。

【００１３】Ｃｒ：６．０〜９．０質量％Ｃｒは、焼入れ時に基地中に固溶して焼入れ性を高め、
また、焼戻し抵抗性を高めるとともに、Ｃｒ炭化物を形
成することによって耐摩耗性を向上させるが、Ｃｒ含有
率６．０質量％未満では上記の効果が小さく、逆に９．
０質量％を超えると靭性を劣化させる。それゆえ含有率
の下限は６．０質量％とし、上限は９．０質量％とす
る。

【００１４】Ｍｏ：１．８〜４．０質量％Ｍｏは、鋼の焼入れ性を増大し、焼戻し二次硬化性が大
きく高温焼戻し硬さの増大に効果がある。そのためには
１．８質量％以上のＭｏを含有する必要がある。しか
し、Ｍｏの含有量が過剰となると晶出炭化物により靭性
の劣化をきたすので、Ｍｏ含有率の上限は４．０質量％
とする。

【００１５】Ｖ：０．５〜１．０質量％Ｖは、鋼中に一次炭化物を形成し、高温加熱時における
オーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、鋼の金属組織
を微細化して靭性向上に寄与する。Ｖの添加により鋼の
靭性を損なうことなく高温で焼入れすることが可能とな
り、合金元素の固溶を促進し、大きな焼戻し二次硬化を
得ることができる。また硬質なＶ系炭化物によって鋼の
耐摩耗性を向上する。上記の効果を発揮するためには、
０．５質量％以上のＶ含有が必要である。

【００１６】前記硬質なＶ系炭化物は、鋼の耐摩耗性を
向上する反面、鋼の加工時における被研削性を低減す
る。被研削性を損なわない範囲として、本発明の冷間工
具鋼においてはＶ含有率の上限を１．０質量％とする。
好ましくは０．５％〜１．０％未満である。

【００１７】本発明者は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系冷間工具鋼
にＶを添加した場合における一次炭化物の晶出形態にお
よぼすＶ含有量およびＣｒ含有量の影響について研究し
た結果、晶出炭化物の種類および晶出するＶ系炭化物
（ＶＣ）の粒径などの炭化物形態に対してＶ含有量とＣ
ｒ含有量の比率が大きな影響を及ぼすことを確かめた。
本発明の冷間工具鋼の化学組成においては、（Ｖ質量
％）／（Ｃｒ質量％）の値が０．０５未満であると、鋼
の焼入れ加熱時にオーステナイト結晶粒の粗大化を阻止
できないので、鋼の靭性を低減する。そのため、本発明
の冷間工具鋼における（Ｖ質量％）／（Ｃｒ質量％）値
は０．０５以上とする。（Ｖ質量％）／（Ｃｒ質量％）
の値が過大であると、鋼の耐摩耗性は向上するものの、
粗大なＶＣ炭化物が晶出することによって鋼の靭性を低
下せしめる上、鋼の被研削性を著しく損なう。晶出炭化
物を微細にして鋼の靭性を高め、かつ、鋼の被研削性を
低下せしめるような顕著なＶＣ炭化物を晶出することが
ない範囲として、（Ｖ質量％）／（Ｃｒ質量％）の値
は、０．１５以下であることが必要である。

【００１８】以上のように、本発明の冷間工具鋼におい
ては、晶出炭化物の形態を制御し、靭性と耐摩耗性を高
水準で両立させるとともに優れた被研削性をもたせるた
めにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを上記した組成範
囲に設定し、かつ、ＶとＣｒに関しては（Ｖ質量％）／
（Ｃｒ質量％）の値を０．０５〜０．１５の範囲とする
ことを必須要件とする。

【００１９】本発明においては、上記の必須要件に、更
に、以下の各元素を含有する冷間工具鋼が提供される。Ｎ：０．０１５〜０．０５０質量％Ｎは、一次炭化物の晶出形態を微細にする効果を有す
る。そのためには、Ｎを０．０１５質量％以上含有する
必要がある。しかし過大に含有すると鋼中に気泡を生じ
るなどして鋼材の健全性を損なうので含有率の上限を
０．０５０質量％とする。

【００２０】Ｎｂ：２．０質量％以下、Ｔａ：２．０質
量％以下ＮｂおよびＴａはいずれも強い炭化物形成元素であり、
結晶粒の微細化に有効な元素であって、Ｖの効果を増大
させる。しかし、過剰に添加してもその効果は飽和し、
徒に鋼のコストを高めるだけなので、それぞれ２質量％
以下の範囲で含有することができる。

【００２１】Ｓ：０．００５〜０．３質量％Ｔｅ：０．２質量％以下Ｃａ：０．０００５〜０．０２質量％Ｓ、Ｔｅ、Ｃａは、いずれも鋼の被削性を向上する元素
である。更に、Ｔｅは、Ｓと共存して鋼中に形成される
硫化物の形態を変えることにより被削性を向上するとと
もに、Ｓによる靭性の低減を防ぐ働きをする。また、Ｃ
ａは、それ自身鋼の被削性を向上するとともに、一次炭
化物の晶出形態を微細にして、鋼の靭性向上に寄与する
効果を有する。上記の各元素の効果を発揮させるため、
本発明の冷間工具鋼においては、Ｓ、Ｔｅ、Ｃａのいず
れか１種以上を含有させるが、十分な効果を発揮するた
めには、当該元素の含有率をそれぞれ前記の範囲内とす
る必要がある。

【００２２】本発明においては、前記の必須要件に、更
に、Ｐ含有率を制限した冷間工具鋼が提供される。Ｐ：０．０２０質量％以下Ｐは、鋼の靭性を損なう元素であり、その含有量は低い
ことが好ましい。本発明の冷間工具鋼においては、Ｐ含
有率を０．０２０質量％％以下に低減することによって
鋼の靭性を向上することができる。

【００２３】本発明の冷間工具鋼は、通常の特殊鋼を溶
製する方法に従って溶製し、所定の形状の鋼塊とし、鍛
造、圧延等の熱間加工を経て所要の形状の鋼材とする。
該鋼材は必要に応じて焼きなましを施したのち、１０３
０〜１１２０℃に加熱保持し焼入れを行う。その後、４
８０〜６００℃で高温焼戻しして所望の冷間工具鋼とす
る。

【００２４】本発明の冷間工具鋼は、焼戻し軟化を抑制
する元素、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏを所定量含有
して焼戻し特性を改善している。Ｃｒ含有率との対比で
適量のＶを含有することにより、オーステナイト結晶粒
の粗大化を防いでいるので焼入れ温度を１１２０℃の高
温まで上昇することができる。これによって、前記焼戻
し軟化を抑制する元素、特に、焼戻し2次硬化をもたら
すＣｒ、Ｍｏを十分に固溶することができ、４８０〜６
００℃という高温での焼戻しによっても冷間工具として
十分な硬度を維持することができ、優れた耐摩耗性が得
られる。

【００２５】さらに、本発明の冷間工具鋼は、Ｃｒ、Ｖ
の含有率およびそれらの比率を特定の範囲に制限するこ
とによって一次炭化物の晶出形態を制御し、鋼の靭性を
向上するとともに、鋼の被研削性を向上している。

【００２６】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を溶製し、熱間鍛造
によって断面寸法４０ｍｍ×６０ｍｍの角材に鍛延し、
８６０℃で焼きなましして硬さＨＢ１９７の試験材とし
た。

【００２７】

【表１】

【００２８】該試験材について切削試験および研削試験
を行って被削性および被研削性を調べた。また、該試験
材から機械加工によって下記の各試験片を作成し、焼入
れ焼戻しを行って硬さ試験、曲げ試験、摩耗試験を行っ
た。

【００２９】各試験は以下のようにして行った。硬さ試験：硬さ試験は、ロックウエル硬さ試験機のＣス
ケールを用いて行った。曲げ試験：厚さ３ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験
片につき、支点間距離２０ｍｍ、中央１点荷重として試
験片が破断するときの破断荷重を測定し、この破断荷重
から最大曲げ応力を算出して抗折力を求めた。摩耗試験：大越式摩耗試験機を用い、相手材をφ３０×
３ｔ寸法のリング形状とし、最終荷重を６．３ｋｇｆ、
リング外周が３ｍ／ｓｅｃになるように回転させ、摩耗
痕の幅ｂを測定して摩耗体積ＷをＷ≒Ｂｂ³／１２ｒの
式によって算定し、これから比摩耗量を求めた。ここ
で、ｒはリング半径１５ｍｍ、Ｂはリング幅３ｍｍであ
る。この比摩耗量の値が小さいほど耐摩耗性に優れてい
ることを示す。

【００３０】なお、相手材をＳＣＲ４２０（ＨＢ８１）
として試験した場合の試験結果を比摩耗量（１）、相手
材をＳＵＳ３０４（ＨＢ８２）として試験した場合の試
験結果を比摩耗量（２）として表２に示した。

【００３１】切削試験：試験材（焼きなまし材）につい
て、ハイスエンドミルにより、みぞ切削を行い、エンド
ミルの摩耗量が０．４ｍｍに達するまでに切削した切削
距離を測定した。比較例１の切削距離の値を１００と
し、これに対する各試験片の切削距離の比を求め、被削
性指数として表２に示した。

【００３２】研削試験：アルミナ砥石を用いて試験材
（焼きなまし材）を研削し、砥石の減耗体積と試験材の
研削体積とを測定し、砥石の単位体積当たりの研削体積
を算定して単位研削量とした。比較例１の単位研削量を
１００とし、これに対する各試験材の単位研削量の比を
求め、被研削性指数として表２に示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】表２から明らかなように、本発明鋼（実施
例１〜９）はいずれもＨＲＣ６３．９以上の硬さを有
し、抗折力が高く、比摩耗量も少ない。すなわち、本発
明鋼は、強度、靭性、耐摩耗性に優れていることが明ら
かである。さらに被削性指数、被研削性指数が大きく、
焼きなまし状態での被削性、被研削性に優れていること
が明らかである。

【００３５】これに対して、本発明鋼に比べてＶ／Ｃｒ
（Ｖ含有率／Ｃｒ含有率）の値が小さい比較例１〜３に
おいては、被研削性はほどほどに良好であるが、耐摩耗
性が著しく劣る。Ｖ／Ｃの値が本発明の範囲を超える比
較例４〜６は、耐摩耗性は良好であるが、被削性、被研
削性が著しく劣る。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、本発明の冷間工具鋼は、冷間加工用工具として
使用する焼入れ焼戻し状態では高硬度、高靭性、耐摩耗
性を兼ね備え、かつ、該冷間加工用工具を製造する際に
は優れた被削性と被研削性を有する。本発明鋼は、例え
ば、転造ダイス、冷間鍛造型材、冷間打抜き型材、冷間
成形ロール材など硬さ、靭性、耐摩耗性を要求される用
途に用いて大きな効果をもたらすが、特に、転造ダイス
などの冷間圧造用工具のように精密な研削加工を要し、
また、研削加工量の多い工具用の材料として、その工業
的価値は極めて大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：０．５〜１．０％を含有し、かつ、Ｖ質量％とＣ
ｒ質量％に関して、０．１５≦（Ｖ質量％）／（Ｃｒ質量％）≧０．０５の関係を満足し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物
からなることを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】更に、質量％で、Ｎ：０．０１５〜０．
０５０％を含有することを特徴とする請求項１記載の冷
間工具鋼。
【請求項３】更に、質量％で、Ｎｂ：２．０％以下、
Ｔａ：２．０％以下のうちいずれか１種以上を含有する
ことを特徴とする請求項１記載の冷間工具鋼。
【請求項４】更に、質量％で、Ｓ：０．００５〜０．
３％、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．
０２％のうちいずれか１種以上を含有することを特徴と
する請求項１記載の冷間工具鋼。
【請求項５】Ｐ含有率を、質量％で０．０２０％以下
とすることを特徴とする請求項１記載の冷間工具鋼。