JP2001049394A

JP2001049394A - 溶接性及び被削性に優れた工具鋼ならびにそれを用いた金型

Info

Publication number: JP2001049394A
Application number: JP23015199A
Authority: JP
Inventors: Yukio Abe; 行雄阿部; Kunichika Kubota; 邦親久保田; Isao Tamura; 庸田村; Yoshihiro Kada; 善裕加田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-20

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ならびに金型を
提供する。【解決手段】重量％で、C:0.50〜0.75%、Si:0.1〜0.8
%、Mn:0.1〜1.2%、Cr:6.0〜8.0%、MoまたはWの1種また
は2種を(Mo+1/2W):2.0%未満、V:1.0%以下、S:0.2%以下
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、組織
断面に占める断面積20μm²以上の炭化物の面積率が3%以
下の工具鋼である。望ましくは、C:0.55〜0.75%、Si:0.
1〜0.6%、Cr:6.8〜8.0%、MoまたはWの1種または2種を(M
o+1/2W):1.5%未満とし、さらにはCa:100ppm以下とす
る。加えて、組織断面に占める断面積1μm²以上の硫化
物の面積率が0.2%以上、または、該断面積の硫化物の長
軸/短軸比が4.5以下、さらにはNi:1.0%以下とする。そ
して、これら工具鋼を55HRC以上に調質し、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き、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
ならびに金型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車や家庭電化製品等の部品製造に
は、打抜き等の加工が用いられる。その加工に使用され
る金型、特に冷間加工用金型には、その素材として耐摩
耗性付与のために炭化物を多量に含み、さらに焼入れ性
に優れかつ靭性を確保するために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といった高Ｃ−高Ｃｒ系鋼
が使用されている。また耐摩耗性を特に必要としない場
合はＳＫＳ３といった低合金鋼も、油焼入れ後３００℃
以下での焼戻しで調質して使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年自動車メーカー等
では、価格競争に打ち勝つためにこれまであらゆる分野
でコスト低減を実施し、上記金型関連においても金型製
作工数の削減が必要となってきた。一方、全体的な社会
の流れとして多品種少量生産への移行があり、それに伴
って金型をいかに早く作製できるかが重要視され、被削
性等型材の加工性が良好なことも金型製作工数の削減の
上で求められている。この場合、ＳＫＤ１１では耐摩耗
性が良好な反面、鋼材からの加工による形状出しでは切
削加工時間を短縮するという要求に満足できなくなって
きた。

【０００４】その点、低合金鋼のＳＫＳ３はＳＫＤ１１
に比べ被削性こそ良好であるが、油焼入れを必要とし近
年重要視されてきている環境面で好ましくない。加えて
工具鋼が工業上必要とされる５７ＨＲＣ以上の硬さを得
るには約３００℃以下の低温での焼戻しが必要となり、
耐摩耗性付与のため行われる表面処理や、形状出しに用
いられる放電加工ができないといった問題点がある。そ
れらに加え、特に鋼板の打抜き、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
いる製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、溶接補修等の要求も高まってきた。

【０００５】以上、従来より金型等に適用されてきた工
具鋼には、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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは、靭性や耐摩
耗性といった基本的な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。

【０００７】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おり、また社会的な流れである多
品種少量生産、つまり一型の必要生産個数の減少により
金型自体の耐摩耗性確保は現状ほど重視する必要がなく
なってきた。

【０００８】そして、耐割れ性や溶接性の点から見る
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。また被削
性については工具寿命の向上、つまり工具の摩耗を抑制
するためには硬質粒子の炭化物を適切な量に抑える必要
がある。さらに快削元素であるＳの添加により適切な量
の硫化物を生成させることも望ましいが、硫化物は鍛造
によって延伸されやすく、鍛伸垂直方向の靭性低下を招
く恐れがある。つまり、硫化物はその形態を適切なもの
に制御することがより望ましい。

【０００９】また、冷間加工用金型材はＳＫＤ１１が広
く用いられ、熱処理メーカーでは型材の焼入れ焼戻しの
熱処理も多い。ＳＫＤ１１と熱処理条件が同様であれば
処理バッチ数を増やさず効率的である。そこで、前記溶
接性や被削性に優れることに加え、熱処理特性がＳＫＤ
１１に近い工具鋼であることも必要である。

【００１０】これら考慮の結果として、本発明者らは工
具鋼の基本成分である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及び組成
を見出し、溶接性や被削性が優れ、さらには熱処理・表
面処理特性にも優れた組成及び炭化物、硫化物量の形態
を見いだした。

【００１１】すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：０．
５０〜０．７５％、Ｓｉ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：
０．１〜１．２％、Ｃｒ：６．０〜８．０％、Ｍｏまた
はＷの１種または２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：２．０％
未満、Ｖ：１．０％以下、Ｓ：０．２％以下を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、組織断面に占
める断面積２０μｍ^２以上の炭化物の面積率が３％以下
の工具鋼である。

【００１２】望ましくは、重量％で、Ｃ：０．５５〜
０．７５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜
１．２％、Ｃｒ：６．８〜８．０％、ＭｏまたはＷの１
種または２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．５％未満、
Ｖ：１．０％以下、Ｓ：０．２％以下を含有し、残部が
Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、組織断面に占める断
面積２０μｍ^２以上の炭化物の面積率が３％以下の工具
鋼である。

【００１３】さらには、Ｃａ：１００ｐｐｍ以下を含有
する工具鋼であって、組織断面に占める断面積１μｍ^２
以上の硫化物の面積率が０．２％以上、または、それら
断面積１μｍ^２以上の硫化物についてその長さの長軸／
短軸比が４．５以下の工具鋼、さらには、Ｎｉ：１．０
％以下の工具鋼である。そして、５００℃以上の焼戻し
によりその最高硬さが５７ＨＲＣ以上の工具鋼であっ
て、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。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、工具鋼の基本成
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十分な成分組成を検討し、加えて
適正な炭化物、硫化物量・形態をも検討することによっ
て、溶接性や被削性が優れ、さらには熱処理・表面処理
特性にも優れた工具鋼を見いだしたところにある。

【００１５】本発明において、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。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する。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４５０〜５５０℃以上に予
熱後溶接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ＪＩＳＺ３１５８のＹ形状試験にて溶接
割れが認められない。これによって溶接での作業性が向
上する。

【００１６】また高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６．０％以上にすることが望ましい。

【００１７】次に被削性について述べる。被削性に関与
する材料の組織的要因のひとつに炭化物がある。硬質粒
子である炭化物が存在すると、そのアブレッシブ摩耗に
より工具の摩耗が促進され、工具寿命の低下、つまり被
削性が悪くなる。この点から見れば被削性の向上には炭
化物がないことが望ましく、Ｃ及びＣｒ添加量を下げる
ことでこれも可能でこそあるが、完全に炭化物をなくす
領域まで下げると工具鋼が工業上必要とする５７ＨＲＣ
以上の硬さを得難くなり、耐摩耗性が劣化する。

【００１８】被削性低下に影響を及ぼすのは、主に凝固
過程にて晶出する一次炭化物などの粗大な炭化物であ
る。つまり、これら優れた耐摩耗性と被削性を兼備する
には、耐摩耗性を向上させる上で十分なＣ、Ｃｒ量を確
保する一方で、良好な被削性を達成すべく粗大な炭化物
を少なくする必要があるのだが、上述したようにＣ、Ｃ
ｒ量と炭化物形態には密接な関係があるのであって、こ
れら最適要件の決定には相互的な検討を要す。

【００１９】その結果、本発明者らは、５７ＨＲＣ以上
の焼入れ焼戻し硬さを得かつ良好な被削性を得るに最適
なバランスとして、Ｃが０．５０％以上、Ｃｒが６．０
％以上、組織断面に占める断面積２０μｍ^２以上の炭化
物面積率が３％以下という手段を見いだした。本発明の
炭化物量であれば、その調整は成分バランスに加えて造
塊方法や熱処理、鍛造方法を適正に行うことで達成でき
ることから、その実施に無理もなく実用的である。

【００２０】加えて、被削性は快削元素であるＳを添加
し、ＭｎＳ等の硫化物を生成させることでより向上す
る。これは硫化物が応力集中源として作用し、ミクロク
ラックが発生して、それが硫化物間を伝播し切削抵抗が
低下することによる。また工具面と切りくず部の接触域
で硫化物は高い圧縮応力下の高温での流動変形によって
粘性体挙動をして薄膜上に延伸され、鋼母相の内部でス
リップするように変形して、見かけの流動変形抵抗を下
げ、被削性が向上する。

【００２１】これら効果を得るにＳ添加は有効であり、
硫化物を多くすると被削性は向上することからその添加
量は多い方が望ましいが、それにより靭性や溶接性の低
下を招くので、Ｓ添加量は０．２％以下、好ましくは
０．１％以下とした。なお、上記効果を得るにＳは０．
０１％以上の添加が好ましく、さらに好ましくは０．０
４％以上である。それに加えて、組織断面に占める断面
積１μｍ^２以上の硫化物の面積率を０．２％以上にする
ことが被削性の向上に好ましい。なお、靭性や溶接性の
低下を考慮してその硫化物の面積率の上限は０．７％、
さらに望ましくは０．５％がよい。

【００２２】硫化物は圧延や鍛造によって鍛伸方向に延
伸されやすく、鍛伸垂直方向の靭性低下を招くことがあ
る。そこで硫化物の形態を鍛伸方向の伸びが少ないよう
に制御することが望ましい。具体的には組織断面に占め
る断面積１μｍ^２以上の硫化物について、その長さの長
軸／短軸比を４．５以下に調整することであり、鍛伸垂
直方向の靭性低下の抑制に望ましい。この硫化物の形態
制御は造塊、鍛造方法の適正化で行うことができる。さ
らに、後述するＣａの添加により硫化物の延伸を抑制す
ることができ、硫化物の形態制御に効果がある。

【００２３】以上述べた本発明の炭化物、硫化物形態に
調整することにより、焼きなまし状態、そして焼入れ焼
戻し後の被削性が向上し、具体的には５７ＨＲＣ以上と
いう焼入れ焼戻し状態においても優れた被削性が達成で
きる。そのため、本発明の工具鋼は、いわゆるプリハー
ドン鋼として、所定の硬さに調質してから切削加工を行
うことで作製する金型に最適である。

【００２４】次に表面処理性について述べる。本発明
は、Ｃ含有量の抑制による耐摩耗性の不足が生じるよう
な場合にも対処すべく、優れた表面処理性をも十分に確
保するものである。表面処理にて十分な膜厚を有するＭ
Ｘ型化合物（ＴｉＣ、ＶＣ等）を生成するには、その表
面処理温度でのオーステナイト組織中に固溶するＣ量の
調整が重要である。つまり、固溶Ｃは、表面処理におい
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。同時
に炭化物状態の調整をも必要とする本発明の工具鋼にお
いて、その最適な固溶Ｃ量への調整をすべく、本発明の
工具鋼はＣ含有量を０．５０〜０．７５％としている。

【００２５】次に、熱処理特性について述べる。熱処理
特性とは焼入れ焼戻し時の硬さ及びそれによって生じる
熱処理変寸といった特性を言い、ＳＫＤ１１はこれら焼
入れ焼戻し後の十分な硬さに加え、熱処理変寸も小さい
ことから冷間加工用金型材の代表である。つまり、熱処
理特性をＳＫＤ１１と同等にすることで、その熱処理変
寸の抑制作用による形状精度の向上は勿論、同バッチで
の熱処理も可能になり、工業上の利便性を高めるものと
して重要である。加えて、優れた表面処理性をも兼備さ
せる本発明の工具鋼にとってこれら熱処理特性の向上は
重要である。

【００２６】本発明ではＳＫＤ１１レベルの熱処理特性
が得られる工具鋼を達成すべく検討した結果、焼入れ組
織における固溶組成をＳＫＤ１１相当に調整することが
有効であることを知見した。例えばＳＫＤ１１の中心組
成はＣ添加量が１．５％、Ｃｒ添加量が１２％である
が、標準的な焼入れ温度１０００〜１０５０℃のほぼ中
間である焼入れ１０３０℃の場合の基地の固溶元素量
は、熱力学計算ソフトであるサーモカルクで計算すると
Ｃ固溶量が０．６％、Ｃｒ固溶量が６．７％となり、こ
れに近いほど熱処理特性はＳＫＤ１１に近づく。

【００２７】つまり、本発明の工具鋼組成および炭化物
状態を満たした上で、焼入れ組織における基地の固溶元
素量をＣ：０．４５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜０．６
％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：６．０〜７．５
％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．４％以下、Ｖ：０．５％
以下にすることで、ＳＫＤ１１と同等の熱処理特性にて
ＳＫＤ１１を超える被削性を達成できる。これらの特性
を兼備させるためにも本発明の組成・炭化物調整は重要
である。なお、基地の固溶元素量は前述のサーモカルク
で計算、知ることができる。

【００２８】これらのことを踏まえ、本発明での成分の
限定理由について述べる。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。またＣは耐摩
耗性付与のため行われる表面処理において十分な膜厚を
有するＭＸ型化合物（ＴｉＣ、ＶＣ等）の生成に重要で
ある。耐摩耗性を達成すべく熱処理後の硬さを５７ＨＲ
Ｃ以上にまで確保し、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
にも０．５０％以上の含有量が必要である。

【００２９】また、ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、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、溶接性を劣
化させる。また、炭化物量増加により被削性が低下する
ので、Ｃ量は０．５０〜０．７５％、望ましくは０．５
５〜０．７５％とした。

【００３０】Ｓｉは脱酸剤及び鋳造性改善の目的で含有
するが、これを低減化すると靭性が向上する。しかし被
削性も劣化するため０．１％以上が必要である。過多の
含有は溶接性を阻害する原因となり、マトリックスの成
分偏析も激しくなる。このためＳｉの含有量は０．１〜
０．８％とした。またＳｉ量が高いと焼戻し時のセメン
タイトの析出を遅らせ、結果的に残留オーステナイトの
分解も遅れ、熱処理変寸の抑制にとって不利となる。そ
こで、熱処理変寸を考慮してするとＳｉ添加量は０．６
％以下が望ましい。

【００３１】Ｍｎは焼入れ性向上のために含有するが、
０．１％未満では焼入れ硬さを安定して得るには不十分
である。一方、多過ぎると溶接性を劣化させる原因とな
り、さらに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。

【００３２】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、焼入れ性を増す効果、そしてＣＶ
Ｄ処理や塩浴法などによる複雑形状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及
び被削性低下の原因となる。さらに固液共存温度幅が大
きくなり鋳造欠陥発生の危険度が増し、実質的に製造性
に困難が生じる原因ともなる。よって、Ｃｒの添加量は
６．０〜８．０％、望ましくは６．８〜８．０％とし
た。

【００３３】Ｍｏ及びＷは焼入れ性を向上する。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。ＭｏとＷが各特性に与える効果は同様のものが多
く、その効果の程度は重量比でＭｏがＷの２倍相当であ
ることから、その効果は（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量で評価す
ることが可能である。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。

【００３４】過多の添加量ではＭｏ、Ｗ系炭化物の晶出
量が多くなり被削性及び靭性を劣化させるので２．０％
未満、望ましくは１．５％未満とした。加えて、マルテ
ンサイト中の炭化物の析出・凝集を延滞させ５００〜５
５０℃での焼戻しで熱処理変寸が大きくなったり、マル
テンサイトの焼戻しの延滞化に伴うオーステナイト分解
の延滞化のため、十分焼戻ししたと思っていても不安定
なオーステナイトが残留し、型作製後の使用中に経年変
寸が発生することも懸念され、この点より好ましくは
１．２％以下、更には１．１％以下である。

【００３５】また、硬さを得るに合わせ、その硬さのコ
ントロールの上から０．６％以上の含有が望ましく、こ
れら好ましい含有量調整に伴って、焼入れ組織における
基地の固溶（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量としては０．５〜１．
１％への調整とする。なお、Ｍｏ、Ｗの含有において
は、基本的にＷ置換はフレームハード性を劣化させるの
でＭｏを加えるのが好ましい。

【００３６】Ｖは工具鋼に必要な軟化抵抗を増大させる
元素であるが、過多の含有は凝固時に巨大なＶ系炭化物
を晶出し、溶接性と被削性を低下させる原因となるので
１．０％以下とした。好ましくは０．５％未満とし、こ
の場合の焼入れ組織における基地の固溶Ｖ量としては
０．４５％以下がよい。

【００３７】Ｓは被削性を高める硫化物生成に必要な元
素である。添加し過ぎると靭性や溶接性の低下を招くの
で０．２％以下とし、好ましくは０．１％以下とする。
なお、上記効果を得るに０．０１％以上の添加が好まし
く、さらに好ましくは０．０４％以上である。Ｃａは機
械的性質の低下を伴わない快削元素である。その快削機
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出し、刃先に保護膜を形成するため
である。また硫化物の鍛伸方向への延伸を抑え、鍛伸垂
直方向の靭性低下を抑制する効果がある。しかし、蒸気
圧が高いため溶鋼中から抜け易く、添加技術上１００ｐ
ｐｍ程度までが現状の技術的レベルである。

【００３８】Ｎｉは焼入れ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、被削性を劣化させるため
１．０％以下とする。上記効果を得るに好ましくは０．
００５％以上、さらに好ましくは０．０１％以上とす
る。

【００３９】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Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ
ｉ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｔｉのうちの１種または
２種以上を０．２％以下なら含有しても問題はない。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
る目的で０．２％以下の含有が可能である。また不可避
的不純物の総量は０．５％以下が好ましい。但し、耐摩
耗性付与がさらに必要な場合、Ａｌを０．５％以下添加
して窒化硬さを上げることも可能である。

【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℃からの焼き入れ、
５００℃以上の焼戻しによっても５７ＨＲＣ以上の硬さ
が確保できる。そしてその５７ＨＲＣ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にのみ
フレームハード等を実施してもよく、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。例えば本発明の工具鋼を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
り、必要に応じて上記表面処理やフレームハード等を施
すことが可能である。

【００４２】

【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）高周波炉により表１に示す化学組成の合金
を溶解し、所定の鋼塊を製作した。表１で比較鋼１はＪ
ＩＳＳＫＤ１１相当材である。これら鋼塊を鍛造比５
にて鍛造して鋼材に仕上げ、焼なましを行なった。

【００４３】

【表１】

【００４４】次に上記焼きなまし材を真空炉で１０３０
℃に加熱保持後、ガス加圧冷却焼入れを行い、目標硬さ
が５７ＨＲＣ以上になるよう焼戻し５００〜５５０℃の
熱処理を行った。なお、比較鋼６は５７ＨＲＣ以上の硬
さに達しなかった。そして、熱処理後のこれら鋼材の炭
化物量及び硫化物量の測定を行った。炭化物量は鋼材の
断面を研磨後、１０％ナイタール液で腐食し、顕微鏡
（×２００倍）で２ｍｍ ^２の視野範囲画像をコンピュー
ターに取り込み、画像解析ソフトを用いて断面積２０μ
ｍ^２以上の炭化物量を求めた。硫化物も炭化物と同様の
解析を行ったが、鋼材の断面を研磨後、無腐食にて断面
積１μｍ^２以上の硫化物について解析を行った。結果は
併せて表１に示す。

【００４５】本発明鋼はいずれも断面積２０μｍ^２以上
の炭化物面積率が３％以下であり、本発明鋼２以外の本
発明鋼は断面積１μｍ^２以上の硫化物面積率が０．２％
以上となっている。それに対し、ＳＫＤ１１相当の比較
鋼１や比較鋼２、８、９は２０μｍ^２以上の炭化物面積
率が３％を超えている。

【００４６】表２には、表１で用いた素材につき、鍛造
比が２５のものについて行なった断面積１μｍ^２以上の
硫化物の長軸／短軸比の測定結果及び１０Ｒノッチシャ
ルピー衝撃試験結果を示す。熱処理条件は上記に同様で
ある。硫化物の長軸／短軸比は表１での硫化物測定と同
じ方法を活用し、解析を行なった。本発明鋼４、５はＣ
ａ含有の効果により長軸／短軸比が４．５以下となり、
衝撃値の鍛伸垂直方向／鍛伸方向の比が大きく、比較鋼
２、９に比べて鍛伸垂直方向の靭性低下が抑制されてい
る。

【００４７】

【表２】

【００４８】（実施例２）次に表１で用いた素材につい
て熱処理後、ＪＩＳＺ３１５８のＹ形試験片を製作し、
表３に示す条件で溶接して溶接性の評価を行った。な
お、焼入れ焼戻し条件は実施例１に準じ、表４にその焼
入れ焼戻し硬さと溶接性試験結果を示す。

【００４９】

【表３】

【００５０】

【表４】

【００５１】本発明鋼はいずれも５００℃以上の焼戻し
で５７ＨＲＣの硬さが得られており、ＳＫＤ１１とほぼ
同等の熱処理特性であるのに対し、比較鋼６は５７ＨＲ
Ｃ以上の硬さに達しなかった。溶接性は、本発明鋼が予
熱温度４５０℃では割れなかったのに対し、ＳＫＤ１１
である比較鋼１はＣ、Ｃｒが、比較鋼２はＳｉが、比較
鋼３はＳが、比較鋼４はＶが、比較鋼８は（Ｍｏ＋１／
２Ｗ）が、そして比較鋼９はＣが高いため溶接割れを生
じた。反対に比較鋼５はＣｒが低いために溶接割れを生
じた。

【００５２】（実施例３）次に被削性の評価を行った。
表１の成分の焼きなまし状態（硬さ約１５ＨＲＣ）の素
材より５０ｍｍ×１００ｍｍ×２００ｍｍの試験片を製
作し、表５の条件にてスクエアエンドミルでの評価を行
った。評価は工具の刃先部の摩耗が０．３ｍｍに達する
までの切削長を工具寿命として評価した。結果を表６に
示す。

【００５３】

【表５】

【００５４】

【表６】

【００５５】ＳＫＤ１１に相当する比較鋼１に比べて本
発明鋼が優れた被削性を示すことがわかる。焼入れ焼戻
し後の断面積２０μｍ^２以上の炭化物面積率が３％を超
える比較鋼１や比較鋼２、８、９は、その焼きなまし状
態においても炭化物の面積率が大きいため被削性が劣
る。比較鋼４はＶが高いことに加えて、その焼きなまし
状態でも硫化物の面積率は小さいために被削性が劣り、
反対に比較鋼７はＳｉが低く、硫化物の面積率も小さい
ために被削性が劣る。

【００５６】さらに表１の成分の焼きなまし状態の素材
を真空炉により１０３０℃に加熱保持後、ガス加圧冷却
焼入れを行い、５００℃以上の焼戻しによって約５８Ｈ
ＲＣに調質して、表７の条件にて被削性評価を行った。
なお、被削性は工具の刃先部の摩耗が０．１ｍｍに達す
るまでの切削長を工具寿命として評価した。結果を表８
に示す。

【００５７】

【表７】

【００５８】

【表８】

【００５９】表８より、本発明鋼は焼入れ焼戻し材でも
良好な被削性であり、ＳＫＤ１１相当の比較鋼１に比べ
て数段被削性が向上していることがわかる。比較鋼２も
断面積２０μｍ^２以上の炭化物の面積率が３％を超えて
いるため、本発明鋼に比して被削性の低いものである。

【００６０】（実施例４）次に熱処理変寸の試験を行っ
た。表１の成分を有する焼きなまし状態の素材より直径
１０ｍｍ、長さ６０ｍｍの試験片を各２０本製作し、真
空炉で１０３０℃に加熱保持後、ガス加圧冷却焼入れを
行い、５３０℃×１ｈの焼戻しを２回数行った。その後
長手方向の寸法を測って、焼入れ前基準での寸法変化を
評価した。表９に０．２％以上の変寸が発生した本数を
示す。

【００６１】

【表９】

【００６２】本発明鋼は熱処理変寸が全て０．２％未満
であり、ＪＩＳＳＫＤ１１である比較鋼１とほぼ同等
の熱処理特性を示す。しかし、比較鋼１は実施例２、３
のごとく溶接性や被削性に劣り、本発明鋼が優れた特性
を兼備していることがわかる。一方、比較鋼２はＳｉ量
が高いため、そして比較鋼８はＭｏ当量が高いため、
０．２％以上の熱処理変寸が多数発生している。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明鋼はＳＫＤ１
１と比較して工具鋼の基本成分であるＣ含有量を減少し
ても適正な組成及び炭化物、硫化物量のバランスにより
良好な機械的性質、特に硬さ及び靭性を確保することが
でき、溶接性や被削性に優れる工具鋼である。加えて、
その表面処理性や熱処理特性にも優れることから、工具
・金型としての十分な硬さの達成に加えて、その熱処理
にて懸念される形状精度の劣化にも対処できる。よっ
て、金型の製作効率向上及びそれによるコスト低減が期
待でき、本発明による工業的価値は大きい。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．５０〜０．７５％、
Ｓｉ：０．１〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃ
ｒ：６．０〜８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種
を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：２．０％未満、Ｖ：１．０％以
下、Ｓ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避
的不純物からなり、組織断面に占める断面積２０μｍ^２
以上の炭化物の面積率が３％以下であることを特徴とす
る溶接性及び被削性に優れた工具鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃ
ｒ：６．８〜８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種
を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．５％未満、Ｖ：１．０％以
下、Ｓ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避
的不純物からなり、組織断面に占める断面積２０μｍ^２
以上の炭化物の面積率が３％以下であることを特徴とす
る溶接性及び被削性に優れた工具鋼。
【請求項３】重量比で、Ｃａ：１００ｐｐｍ以下を含
有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接
性及び被削性に優れた工具鋼。
【請求項４】組織断面に占める断面積１μｍ^２以上の
硫化物の面積率が０．２％以上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及び被削性
に優れた工具鋼。
【請求項５】組織断面に占める断面積１μｍ^２以上の
硫化物について、その長さの長軸／短軸比が４．５以下
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
記載の溶接性及び被削性に優れた工具鋼。
【請求項６】重量％で、Ｎｉ：１．０％以下を含有す
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
の溶接性及び被削性に優れた工具鋼。
【請求項７】５００℃以上の焼戻しによりその最高硬
さが５７ＨＲＣ以上であ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及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。