JP2000328196A - 熱間工具鋼 - Google Patents

熱間工具鋼

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JP2000328196A
JP2000328196A JP11144737A JP14473799A JP2000328196A JP 2000328196 A JP2000328196 A JP 2000328196A JP 11144737 A JP11144737 A JP 11144737A JP 14473799 A JP14473799 A JP 14473799A JP 2000328196 A JP2000328196 A JP 2000328196A
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tool steel
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hot
quenching
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Toshimitsu Fujii
利光 藤井
Yukinori Matsuda
幸紀 松田
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Mo当量(Mo+1/2W)を高めた熱間工
具鋼において、高温強度と靭性と被削性とのバランスが
とれた熱間工具鋼を提供する。 【解決手段】 C:0.30〜0.45重量%,Si:
0.16重量%を超え0.40重量%以下,Mn:1.5
重量%以下,S:0.005重量%以下,Cr:5.20
〜5.80重量%,Mo当量(Mo+1/2W):2.5
0〜3.50重量%,V:0.8重量%を超え1.20重
量%以下,残部はFeと不可避的不純物から成り、焼入
れ後に観察される残留(Mo,W)6C系炭化物の面積率
が0.5〜1.0%になっている熱間工具鋼。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は熱間工具鋼に関し、
更に詳しくは、熱間工具鋼の代表例であるSKD61に
比べて被削性は若干劣るものの、高温強度が高いのでそ
の使用寿命は長くなり、被削性と高温強度のバランスが
とれていて熱間鍛造用の金型,熱間プレス用の金型,ダ
イカスト用の金型,アルミ押出しダイスなどの用途分野
に好適な熱間工具鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】熱間鍛造用の金型,熱間プレス用の金
型,ダイカスト用の金型,アルミ押出しダイスなどに
は、一般に、SKD61に代表される5%Cr−1%M
o系の熱間工具鋼が使用されている。そして、使用条件
の過酷な用途分野においては、上記SKD61に比べる
とMo当量(Mo+1/2W)を高くして高温強度を更
に高めた例えば5%Cr−2%Mo系や5%Cr−3%
Mo系などの鋼種も使用されている。
【0003】これらの鋼種の場合、いずれも、所定組成
の鋼種の溶製時に一次炭化物、具体的には(Mo,W)6
C系炭化物が残存する。この(Mo,W)6C系炭化物を
溶体化処理時または焼入れ時に基地に固溶せしめ、つい
で焼戻し時に微細な二次炭化物として析出させることに
より、全体の高温強度を高めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した鋼
種において、Mo当量を高めて、例えばMo当量を2.
5%以上にするとSKD61に比べて高温強度は高くな
り、金型材料としての使用寿命は長くなる。しかしなが
ら、他方では靭性の低下や被削性の極端な劣化という問
題が発生してくる。このことは、金型の製造や使用途中
での手直し作業にとって不都合な問題である。
【0005】本発明は、Mo当量を高めた鋼種におい
て、高温強度はSKD61よりも大幅に向上し、また靭
性も高くなり、被削性はSKD61に比べて若干低いと
はいえ、金型材料としては、全体として高温強度と被削
性のバランスがとれている熱間工具鋼の提供を目的とす
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、溶製時
に生成した(Mo,W)6C系炭化物を多量に残存させる
ことなく、またその全てを焼入れ時に基地に固溶させる
ことなく、一部を残留せしめると、SKD61に対比し
て高温強度や靭性の向上はもとよりのこと、被削性の極
端な劣化も抑制することができるとの知見を得、また焼
入れ時における上記(Mo,W)6C系炭化物の残留量は
他の必須成分であるSiの含有量によって規制されると
の知見を得た。そして、これらの知見に基づいて更に研
究を重ねて本発明の熱間工具鋼を開発するに至った。
【0007】すなわち、本発明の熱間工具鋼は、C:
0.30〜0.45重量%,Si:0.16重量%を超え
0.40重量%以下,Mn:1.5重量%以下,S:0.
005重量%以下,Cr:5.20〜5.80重量%,M
o当量(Mo+1/2W):2.50〜3.50重量%,
V:0.8重量%を超え1.20重量%以下,残部はFe
と不可避的不純物から成り、焼入れ後に観察される残留
(Mo,W)6C系炭化物の面積率が0.5〜1.0%であ
ることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の熱間工具鋼は上記した成
分組成を有するものであるが、その最大の特徴は、焼入
れ後に観察される残留(Mo,W)6C系炭化物の面積率
が0.5〜1.0%になっていることである。具体的に
は、温度1030℃で焼入れしたのちの試料を走査型電
子顕微鏡で観察し、全視野中に観察される全ての(M
o,W)6C系炭化物の面積総和を視野面積で除算して得
られる百分率が0.5〜1.0%であるような状態になっ
ている熱間工具鋼である。
【0009】この面積率が0.5%より小さい場合に
は、(Mo,W)6C系炭化物の基地への固溶量が増加し
ており、焼戻し時に微細に析出する炭化物量が多く、基
地の強度が高まるため、SKD61に対比して被削性の
劣化が顕著となるからであり、また面積率が1.0%よ
り大きくなると、被削性の劣化は抑制されるもののSK
D61に対比して靭性が低下するからである。
【0010】ここで、各成分について説明する。まずC
は、Cr,Mo,W,Vとともに炭化物を生成して硬
さ,高温強度,耐摩耗性を確保するための必須成分であ
る。熱間工具鋼としての充分な強度,耐摩耗性を確保す
るためには、0.3重量%以上配合することが必要であ
るが、あまり多く配合すると熱間強度の低下を引き起こ
すようになるので0.45重量%を上限とする。
【0011】Siは脱酸元素として機能するが、それと
同時に、焼入れ後における(Mo,W)6C系炭化物の残
留量を規制して被削性に影響を与える成分である。この
Siの配合量が0.16重量%以下である場合には、焼
入れ時に基地に固溶する(Mo,W)6C系炭化物は増量
し、焼戻し時に微細に析出する炭化物量が増加するため
基地の強度が高まり、その被削性は大幅に劣化する。そ
して、Siの配合量を増量すると焼入れ後における(M
o,W)6C系炭化物の残留量も増加していき被削性の向
上が認められるが、他方では靭性の低下も進行するので
1.0重量%を上限とする。
【0012】Siの配合量を0.16重量%を超え0.4
0重量%に規制することにより、製造条件に関係なく、
焼入れ後における残留(Mo,W)6C系炭化物の面積率
を0.5〜1.0%の範囲内で制御することができ、その
ことにより、適正な靭性と被削性の確保が可能になる。
Mnは脱酸元素として機能し、また焼入れ性の確保と硬
さ確保のために必要な成分であるが、あまり多く配合す
ると、加工性の低下が引き起こされるので1.5重量%
を上限とする。
【0013】Sは不純物として混入して他成分との間で
硫化物を生成することにより靭性の低下を引き起こすの
で、その混入量は0.005重量%以下に規制される。
Crは炭化物を生成して基地の強化や耐摩耗性の向上に
資するとともに、焼入れ性を確保するために必要な成分
であり、その配合量は5.20重量%以上が必要であ
る。しかし、あまり多く配合すると、焼入れ性の低下や
熱間強度の低下を引き起こすようになるので5.80重
量%を上限とする。
【0014】Mo,Wは炭化物を生成して基地の強化や
耐摩耗性の向上に資する成分であるが、焼戻し時に微細
な炭化物粒子として析出して高温強度を充分に高めるた
めには、その配合量は、Mo+1/2Wで表されるMo
当量として2.50重量%以上であることが必要であ
る。しかし、あまり多く配合すると靭性の低下を招き、
また被削性の劣化も引き起こすのでMo当量としては
3.50重量%を上限とする。
【0015】Vは炭化物を生成して基地の強化や耐摩耗
性の向上に資する成分であり、その配合量が0.8重量
%以下である場合には上記効果は充分に発揮されない。
しかし、あまり多く配合すると靭性の低下が引き起こさ
れるので1.20重量%を上限とする。本発明の熱間工
具鋼は上に列記した成分を必須とするが、更には、焼入
れ性の向上や基地の強化のためにNiを配合してもよ
い。その場合、あまり多く配合すると加工性の低下が引
き起こされるので、配合する場合は1.0重量%を上限
にする。また、Coの配合も基地の強化にとって有効で
あるが、あまり多く配合すると加工性の低下が引き起こ
されるので、配合する場合は1.0重量%を上限とす
る。
【0016】
【実施例】真空誘導炉で表1で示した組成の鋼種を溶製
し、その溶湯のそれぞれから50kgのインゴットを鋳造
した。
【0017】
【表1】
【0018】これらのインゴットのうち、実施例3,4
については溶体化処理を行わずにそのまま温度1200
℃で熱間鍛造を行い、幅110mm,厚み45mmの板材に
したのち温度870℃で焼きなましを行った。一方、比
較例1〜3,実施例1,2については、それぞれ2本の
インゴットを鋳造し、うち1本に対しては、温度123
0℃で12時間の溶体化処理を行い、他の1本は溶体化
処理を行わずに、それぞれを温度1200℃で熱間鍛造
して幅110mm,厚み45mmの板材にしたのち温度87
0℃の焼きなましを行った。また、従来例については、
上記条件の溶体化処理を行い、更に熱間鍛造と焼きなま
しを順次行った。
【0019】以上の板材から、残留(Mo,W)6C系炭
化物の測定用試験片,引張試験片,シャルピー値測定用
試験片、および被削性測定用試験片を粗加工し、それぞ
れを、温度1030℃で30分の保持後焼き入れたのち
温度600〜610℃で焼戻してHRC48の硬度に揃
えた。なお、残留(Mo,W)6C系炭化物の測定用試験
片は焼入れのみを行い、焼戻しは行わなかった。
【0020】各試験片につき、下記の仕様でそれぞれの
特性を測定した。 (1)残留(Mo,W)6C系炭化物の面積率。 幅方向,厚み方向の中心部より、10mm×10mm×10
mmの試験片を3ヶ所から採取し、温度1030℃で30
分保持したのち油冷を行い、鍛造方向に平行な面を研磨
して(Mo,W)6C系炭化物の面積率測定用試験片とし
た。
【0021】観察は走査型電子顕微鏡の反射電子線を用
い、倍率5000倍,総顕鏡面積10000μm2で実
施した。また、(Mo,W)6C系炭化物の判別は、反射
電子像ではFeよりも重い元素であるMo,Wを含む
(Mo,W)6C系炭化物が白色に観察されることを利用
して行い、画像解析装置でその面積を測定した。
【0022】(2)高温強度の測定。 直径8mmの試験片に精密加工し、JIS G0567で
規定する引張試験方法で温度700℃における0.2%
耐力を測定して高温強度を評価した。 (3)シャルピー値の測定。 JIS3号試験片に精密加工し、JIS Z2242で
規定する方法で常温下におけるシャルピー値を測定し、
靭性を評価した。
【0023】(4)被削性の測定。 縦200mm,横100mm,厚み40mmの試験片に精密加
工し、その試験片に対してエンドミルで切削加工を行
い、逃げ面摩耗幅が0.3mmになるまでの切削距離を測
定した。この切削距離が長い試験片ほど被削性に優れた
材料である。なお、このときの切削加工の条件として
は、工具:超硬エンドミル(1刃),工具材種:M2
0,切削幅:1mm,切削深さ:4mm,切削速度:50m
/分,送り:0.035mm/刃,切削油:乾式、を採用
した。
【0024】以上の結果を表2に示した。
【0025】
【表2】
【0026】表1,表2から次のことが明らかである。 (1)本発明鋼は、従来例(SKD61)に比べて0.
2%耐力とシャルピー値は高く、高温強度と靭性に優れ
ている。しかし、一方では被削性は劣化しているが、そ
の場合であってもSKD61の70%程度の被削性を備
えていて、極端な劣化とはいえない。そして、この特徴
は溶体化処理の有無に関係なく発揮されている。
【0027】(2)また、比較例1と実施例1において
溶体化処理を行ったものを対比して明らかなように、残
留(Mo,W)6C系炭化物の面積率が0.5%より小さ
い比較例1は、従来例(SKD61)に比べて被削性が
極端に劣化しているが、実施例1の場合は、対SKD6
1比73%の被削性が確保されている。このようなこと
から、焼入れ後における残留(Mo,W)6C系炭化物の
面積率は0.5%以上にすべきことがわかる。
【0028】そして、比較例1と実施例1は、Si含有
量を除くと他の成分組成がほとんど同じであることを考
えると、Siの含有量によって(Mo,W)6C系炭化物
の面積率の大小は、Si含有量によって左右されること
がわかる。 (3)また、比較例2,3のように、(Mo,W)6C系
炭化物の面積率が1%を大きく超えている場合には、被
削性は従来例(SKD61)と同等の値を示しているも
のの、シャルピー値は低く、靭性に乏しいものになって
しまう。このようなことから、(Mo,W)6C系炭化物
の面積率の上限は1%に設定すべきであることがわか
る。
【0029】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
熱間工具鋼は、SKD61に比べるとその被削性は劣化
しているものの、靭性,高温強度はいずれも優れていて
SKD61よりも使用寿命の長い材料であり、金型の材
料としては被削性と使用寿命のバランスのとれた特性を
備えている。したがって、使用条件の過度な用途分野で
用いる熱間工具鋼としてその工業的価値は大である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.30〜0.45重量%,Si:
    0.16重量%を超え0.40重量%以下,Mn:1.5
    重量%以下,S:0.005重量%以下,Cr:5.20
    〜5.80重量%,Mo当量(Mo+1/2W):2.5
    0〜3.50重量%,V:0.8重量%を超え1.20重
    量%以下,残部はFeと不可避的不純物から成り、焼入
    れ後に観察される残留(Mo,W)6C系炭化物の面積率
    が0.5〜1.0%であることを特徴とする熱間工具鋼。
  2. 【請求項2】 更に、Ni:1.0重量%以下が含有さ
    れている請求項1または2の熱間工具鋼。
  3. 【請求項3】 Co:1.0重量%以下が含有されてい
    る請求項1または2の熱間工具鋼。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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