JP2002275582A - 冷延合金工具鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理後の機械的性質が熱処理条件に鈍感で
あり、さらに焼入れ性や焼なまし状態での加工性を具備
した冷延合金工具鋼板を提供する。 【解決手段】 質量％でＣ：０．６５〜０．９０％、Ｓ
ｉ：０．５５％以下、Ｍｎ：０．７５％以下、Ｃｒ：
０．３０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、鋼中に含まれる
炭化物がその組織面での円相当径の平均値で０．９０μ
ｍ以上であるとともに最大長さが１０μｍ以下であり、
硬さが１７０ＨＶ以下の冷延合金工具鋼板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車部品をはじ
め各種機械部品や軸受部品の素材に使われるものであ
り、焼なまし時の加工性および焼入れ焼戻し後の機械的
性質の安定性に優れる冷延合金工具鋼板に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼中のＣ含有量が０．６５〜０．
９０質量％の冷延鋼板は、焼入れにより６７０ＨＶ以上
の硬さが得られるとともに、焼入れ前の焼なまし状態で
ある程度の加工性を有しているため、自動車部品をはじ
め各種機械部品や軸受部品の素材として広く使用されて
いる。焼入れ性を重視する場合は、Ｃｒを添加したＪＩ
Ｓ−ＳＫＳ合金工具鋼板やその改良材が使用されてい
る。

【０００３】これらの冷延鋼板はセメンタイトを含有す
るが、焼入れ前の加工性を確保するために熱延条件や冷
延条件を管理したり球状化焼なましを行ったりして、セ
メンタイトの層状組織や網状組織を消滅させてあるとと
もに、セメンタイトを十分球状化させたものが使用され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したＣ含有量が
０．６５〜０．９０質量％の冷延鋼板で製造した部品
は、熱処理後の機械的性質、特に衝撃強度や抗折強度が
大きくばらつくことが問題となっている。本発明者はこ
の原因を鋭意検討し、以下のことが原因であることを突
きとめた。

【０００５】すなわち、上述した冷延鋼板を焼入れ加熱
温度に保持した場合、焼なまし状態で面積率２０％前後
存在していたセメンタイトが加熱保持により基地中へ固
溶し、一部は未固溶炭化物として残留する。この未固溶
炭化物の量はオーステナイトの結晶粒径に大きく影響を
及ぼす。

【０００６】この時、炭化物が多く固溶して未固溶炭化
物が少量であると、オーステナイト結晶粒は大きく成長
する。逆に炭化物の固溶が少なく未固溶炭化物が多く存
在すると、オーステナイト結晶粒は微細になる。つま
り、この焼入れ加熱により決定されるオーステナイト結
晶粒が熱処理後の機械的性質、特に衝撃強度や抗折強度
に大きく影響を及ぼすのであって、結晶粒径が大きいほ
ど、機械的性質は低下することが分かった。

【０００７】加えて、セメンタイトは焼入れ加熱温度で
非常に不安定であり、急速に固溶が進む。ちょっとした
加熱保持温度や保持時間のばらつきで未固溶炭化物量は
変化し、それに伴いオーステナイト結晶粒径が変化する
ため機械的性質のばらつきが生じることが分かった。

【０００８】このように機械的性質が熱処理条件に非常
に敏感に左右されやすいことは、高い信頼性が要求され
る自動車部品をはじめとする機械部品や軸受部品の安定
的な生産を非常に困難にしていた。

【０００９】本発明の目的は、熱処理後の機械的性質が
熱処理条件に鈍感であり、さらに焼入れ性や焼なまし状
態での加工性を具備した冷延合金工具鋼板を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、熱処理後の
機械的性質に及ぼす材料組成および炭化物の影響を検討
し、以下の構成を採用することで熱処理後の機械的性質
を安定化させること、および焼入れ性や焼なまし状態で
の加工性を具備することを見いだし本発明に到達した。

【００１１】すなわち本発明は、質量％でＣ：０．６５
〜０．９０％、Ｓｉ：０．５５％以下、Ｍｎ：０．７５
％以下、Ｃｒ：０．３０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜
０．５０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
鋼中に含まれる炭化物がその組織面での円相当径の平均
値で０．９０μｍ以上であるとともに最大長さが１０μ
ｍ以下であり、硬さが１７０ＨＶ以下であることを特徴
とする冷延合金工具鋼板である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の冷延合金工具鋼板
の材料組成限定理由を述べる。Ｃは硬さを付与するため
に必須の元素であるとともに、焼入れ加熱保持で未固溶
炭化物を安定的に残留させるために０．６５質量％以上
が必要である。しかし、多すぎると炭化物の量が増加し
て熱処理後の機械的性質を著しく低下させるので０．９
０質量％以下とする。

【００１３】Ｓｉは耐摩耗性を増大させる効果がある
が、過剰になると固溶強化により焼なまし状態での加工
性を低下させるので上限を０．５５質量％とする。好ま
しくは０．１５質量％以下とする。

【００１４】Ｍｎは焼入れ性を向上させる効果がある
が、過剰になると熱処理後の残留オーステナイト量が増
加して熱処理硬さが低下する。このため０．７５質量％
以下とする。

【００１５】Ｃｒは焼入れ性を改善するとともに焼戻し
軟化抵抗を増す。さらにセメンタイト量を増加させて、
焼入れ加熱保持後の未固溶炭化物量を増加させる効果も
併せ持つ。このためには０．３０質量％以上必要であ
る。多すぎると炭化物が増加しすぎて熱処理硬さが低下
するとともに、焼なまし状態での加工性を低下させるの
で１．５０質量％以下とする。好ましくは０．８０質量
％以下とする。

【００１６】Ｖは、本発明で最も重要な作用を有する添
加元素である。本発明者は、焼入れ焼戻し後の機械的性
質の安定性を鋭意検討する中で、Ｖの添加の作用が最も
効果があることを新たに見いだした。Ｖは主にセメンタ
イトに固溶して、焼入れ加熱保持時のセメンタイトの固
溶を抑制させることが本発明者の検討により分かった。
この作用を得るためには０．０５質量％以上必要であ
る。しかし、多すぎると熱処理硬さが低下するととも
に、粗大なＭＣ炭化物を生成して熱処理後の機械的性質
を著しく低下させるので０．５０質量％以下とすること
が必要である。好ましくは、０．０５〜０．２０質量％
である。

【００１７】その他の元素は特に規定しないが、Ｐ、Ｓ
は、延性や靭性を劣化させるので０．０３質量％以下の
含有量とすることが好ましい。Ａｌは、溶鋼の脱酸剤と
して添加されるが、鋼中のＡｌ量が０．１０質量％を越
えるとＡｌ系の介在物が増加して疲労強度の低下を招く
のでＡｌ含有量は０．１０質量％以下とすることが好ま
しい。Ｔｉは鋼中のＣやＮと結びついて窒化物を生成し
て靭性を低下させるので、３０ｐｐｍ以下とすることが
好ましい。

【００１８】Ｃａは、ＣａＯを含む介在物を生成して疲
労強度の低下を招くので、２０ｐｐｍ以下とすることが
好ましい。ＯはＡｌやＣａなどと結びついて介在物を形
成して疲労強度を低下させるので５０ｐｐｍ以下とする
ことが好ましい。Ｎは、鋼に添加された合金元素と結び
ついて窒化物を生成して靭性を低下させるので０．０５
質量％未満とするのが好ましい。Ｃｕは、鋼板表面疵の
原因となるので０．３０質量％以下とすることが好まし
い。

【００１９】また、本発明鋼板は必要に応じてＭｏ、
Ｗ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｏを添加することができる。Ｍｏ、
Ｗは耐摩耗性を向上させるために添加可能だが、過剰な
添加は粗大な炭化物の生成を招き靭性を劣化させるた
め、Ｍｏ、Ｗの１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏで２．
００質量％以下とすることが好ましい。Ｎｉは靭性改善
のために添加可能だが、過度の添加は焼なまし時の加工
性を低下させるので２．００質量％以下の添加が好まし
い。

【００２０】Ｎｂは耐摩耗性向上、結晶粒微細化のため
に添加して良い。しかし、多すぎると粗大炭化物が出現
して靭性を著しく低下させるので添加する場合は０．２
０質量％以下が好ましい。Ｃｏは耐熱性を向上させるた
めに添加可能だが、過度の添加はコスト増に見合った効
果が得られないので１．００質量％以下の添加が好まし
い。

【００２１】次に炭化物サイズおよびその限定理由を述
べる。炭化物のサイズは、その状態における加工性に直
接影響するものである。組織面での観察にて長さが１０
μｍを超えるような粗大な炭化物があると加工性、特に
冷間加工性を著しく低下させる。そのため炭化物の最大
長さはその組織面にて１０μｍ以下とする。

【００２２】上記炭化物の最大長さを１０μｍ以下にす
るためには例えば球状化焼なましを行うが、焼なまし後
の炭化物面積率はこの組成系では２０％前後でほぼ一定
であり、球状化された炭化物が小さいと炭化物の分布密
度が高くなる。炭化物の分布密度は加工性に影響を及ぼ
し、組織面の炭化物がその円相当径の平均値で０．９０
μｍ未満にまで小さいと加工性が著しく低下するほどに
分布密度が高くなる。

【００２３】また、球状化された炭化物は上記円相当径
の平均値で０．９０μｍ未満であると焼入れ加熱時に基
地中へ固溶しやすく、未固溶炭化物が減少してオーステ
ナイト結晶粒径が粗大化し、熱処理後の機械的性質、特
に衝撃強度や抗折強度を低下させる。

【００２４】従って、鋼中に含まれる炭化物は、その組
織面にて粒径が円相当径の平均値で０．９０μｍ以上で
あるとともに最大長さを１０μｍ以下とすることで、加
工性に優れかつ焼入れ加熱時の基地中へのその固溶も抑
制されて機械的性質の低下が抑制できる。

【００２５】図１、２、３はそれぞれ鋼中の炭化物を示
すミクロ組織であり、１０００倍の顕微鏡写真である。
本発明の炭化物性状は１０００倍の拡大観察で、３００
００μｍ^２以上の観察視野で判断すればよい。例えば図
１に示す炭化物性状はその円相当径の平均値が１．０８
μｍかつ最大長さが３．２５μｍの鋼板のものであり、
本発明を満たすものである。なお、図２は円相当径の平
均値が０．８６μｍ、最大長さが１０．２０μｍの鋼板
のものであり、図３は円相当径の平均値が０．８９μ
ｍ、最大長さが２．０３μｍの鋼板のものであって、本
発明を満たさない一例である。

【００２６】次に硬さの限定理由について述べる。硬さ
はその状態における加工性に直接的に影響を及ぼし、１
７０ＨＶを超えると加工性が著しく低下するので、本発
明では１７０ＨＶ以下とする。好ましくは１６０ＨＶ以
下とする。

【００２７】

【実施例】（実施例１）以下、本発明を実施例に基づき
説明する。表１に示す材料組成、硬さおよび炭化物性状
を有する厚み１．５ｍｍ、幅３０ｍｍの焼なまし状態の
冷延鋼板を用意した。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、上記焼きなまし状態の鋼板における
熱処理後の硬さと衝撃強度および、その熱処理条件の変
化による衝撃強度の変化を評価した。衝撃強度試験はシ
ャルピー衝撃試験方法に準じて以下の手順で行った。

【００３０】まず、厚み１．５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ４
０ｍｍで表面を研磨仕上げした衝撃強度試験片を表１の
各鋼板より採取した。衝撃強度試験片は表２に示す条件
で熱処理を行った。熱処理後の硬さを表３に示す。各衝
撃強度試験片の両端をスパン３０ｍｍで保持し、衝撃強
度試験片の１．５ｍｍ×３ｍｍ面中心部にハンマで衝撃
を与えて試験片を破断させた。破断するのに要したエネ
ルギーを試験片の断面積で除して得た衝撃値を表３に併
せて示す。試験は室温で行った。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】表３より、比較例では衝撃値が低いか、も
しくは熱処理条件によって大きく衝撃値が変化すること
が分かる。焼きなまし状態での炭化物がＦｅ、Ｃｒ系の
比較例Ｎｏ．６は、焼入れ加熱保持時のセメンタイトの
固溶が過度に進んだ結果として、衝撃値が低い。しか
し、本発明鋼板は熱処理条件の変化による衝撃値の変化
が小さく、かつ衝撃値が高いレベルであることが分か
る。

【００３４】衝撃強度試験片の破面を観察すると、いず
れも粒界破壊が主体の破面を呈しているが、特に熱処理
条件Ｎｏ．４において本発明鋼板の粒界破面単位は、比
較例のそれよりも小さい。従って、本発明鋼板は最も結
晶粒が粗大化しやすいと考えられる熱処理条件Ｎｏ．４
においても結晶粒の粗大化が起こり難く、衝撃値が高
い。

【００３５】上記熱処理後の衝撃強度試験片について、
その未固溶炭化物のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析
装置）分析を行なった。図４に本発明鋼板Ｎｏ．３の炭
化物を、図５に比較例Ｎｏ．６の炭化物をＥＤＸ分析し
た結果を示す。比較例Ｎｏ．６の炭化物はＦｅ、Ｃｒ系
の炭化物だが、本発明鋼板Ｎｏ．３の炭化物はＦｅ、Ｃ
ｒ、Ｖ系の炭化物であることが分かる。

【００３６】実際の工業生産においては大量の部品を同
時に熱処理する。加熱温度や加熱保持時間は一定に設定
して行うが、炉のサイズや処理量はまちまちであるた
め、実際の個々の部品に投入される熱エネルギーは多少
なりとも異なる。本発明鋼板ならば多少の熱処理作業の
変化が生じても常に高い衝撃値を得ることができる。

【００３７】（実施例２）表１のＮｏ．１の材料組成の
鋼塊を、９８０℃で厚み３ｍｍに熱間圧延を行った。そ
の後、表４に示す工程で厚み１．５ｍｍの冷延鋼板を得
た。それぞれの焼なまし硬さおよび炭化物性状は表４の
通りであり、図１、図２、図３の顕微鏡写真はそれぞ
れ、工程Ｎｏ．Ａ、工程Ｎｏ．Ｂ、工程Ｎｏ．Ｃによる
鋼板の炭化物性状を示すミクロ組織である。工程Ｎｏ．
Ａによるものは本発明鋼板であり、工程Ｎｏ．Ｂ、工程
Ｎｏ．Ｃによるものは比較例である。工程Ｎｏ．Ｂのも
のは、層状パーライトが存在しており焼なまし硬さが高
く、炭化物の最大長さが大きい。工程Ｎｏ．Ｃのもの
は、層状パーライトは見られないが、炭化物円相当径の
平均値が小さい。

【００３８】

【表４】

【００３９】この厚み１．５ｍｍの冷延鋼板をプレスで
冷間打抜きしたところ、工程Ｎｏ．Ａによる本発明鋼板
は同一打抜きパンチで多数回打抜きが可能であったが、
工程Ｎｏ．Ｂによる比較例は打抜きパンチが、工程Ｎ
ｏ．Ａによる鋼板の１０％以下の打抜き回数で破損し
た。工程Ｎｏ．Ｃによる比較例は打抜きパンチに、工程
Ｎｏ．Ａによる鋼板の７０％以下の打抜き回数で摩耗が
起こり打抜き困難となった。従って、本発明鋼板は加工
性に優れていることが分かった。

【００４０】次に、熱処理後の評価として、表５に熱処
理硬さおよび衝撃値を示す。なお、熱処理条件は表２に
従うものである。比較例では衝撃値が低く、熱処理条件
によって大きく衝撃値が変化することが分かる。しか
し、本発明鋼板は熱処理条件の変化による衝撃値の変化
が小さく、かつ衝撃値が高いレベルであることが分か
る。

【００４１】

【表５】

【００４２】衝撃強度試験片の破面を観察すると、いず
れも粒界破壊が主体の破面を呈しているが、特に熱処理
条件Ｎｏ．４において本発明鋼板の粒界破面単位は、比
較例のそれよりも小さい。従って、本発明鋼板は最も結
晶粒が粗大化しやすいと考えられる熱処理条件Ｎｏ．４
においても結晶粒の粗大化が起こり難く、衝撃値が高
い。

【００４３】

【発明の効果】本発明であれば、加工性に優れ、熱処理
後の機械的性質が熱処理条件に鈍感であり、さらに焼入
れ性も具備した冷延合金工具鋼板を提供できる。よっ
て、高い信頼性が要求される自動車部品をはじめとする
機械部品や軸受部品の安定的な生産に欠くことのできな
い技術となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼板の炭化物性状の一例を示すミクロ顕
微鏡写真である。

【図２】比較例鋼板の炭化物性状の一例を示すミクロ顕
微鏡写真である。

【図３】比較例鋼板の炭化物性状の一例を示すミクロ顕
微鏡写真である。

【図４】本発明鋼板を焼入れ焼戻しした後の、その炭化
物をＥＤＸ分析した結果の一例を示す構成図である。

【図５】比較例鋼板を焼入れ焼戻しした後の、その炭化
物をＥＤＸ分析した結果の一例を示す構成図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％でＣ：０．６５〜０．９０％、Ｓ
   ｉ：０．５５％以下、Ｍｎ：０．７５％以下、Ｃｒ：
   ０．３０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、残
   部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、鋼中に含まれる
   炭化物がその組織面での円相当径の平均値で０．９０μ
   ｍ以上であるとともに最大長さが１０μｍ以下であり、
   硬さが１７０ＨＶ以下であることを特徴とする冷延合金
   工具鋼板。