JP2004002951A - 快削性工具鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】被削性が優れ、また鏡面性、耐食性も優れていて、プラスチック成形用金型の材料として有用な快削性工具鋼を提供する。
【解決手段】Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．００１〜０．４質量％、Ｓｉの含有量が０．０２〜２質量％、Ｎｉの含有量が０．１〜６質量％、Ｃｒの含有量が０．１〜１０質量％、Ａｌの含有量が０．１から３質量％、Ｍｎの含有量が０．７質量％以下であり、Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量であり、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量である快削性工具鋼。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工具や金型の素材として使用される工具鋼、とくに快削性を有する工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型や工具類は、焼きなまし状態の鋼材を用い、これを粗加工し、更に焼入れ焼戻しによる所定の硬さへの調整後、仕上げ加工されることが多い。また、納期短縮を目的として、所定の硬さに焼入れ焼戻しを行った材料を用い、直接、金型や工具類に最終加工する場合もある。これは、最終的に金具や工具を製造するための素材供給者と金型あるいは工具の製造者であるユーザーとの工程分担に関係する。つまり、前者では素材供給者は焼きなまし状態でユーザーへ鋼材を供給し、ユーザー側では粗加工、焼入れ焼戻し処理および仕上げ加工を負担する形となるが、後者では焼入れ焼戻し材の形で鋼材が供給され、ユーザー側では最終加工のみを分担する形となる。ただし、この最終加工は、粗加工を経ていないので加工量自体はやや大きくなる。
【０００３】
上記いずれの場合においても、加工は切削加工や研削加工などの除去加工を主体として行われることになる。しかしながら、工具鋼の場合、被加工材に充分打ち勝つだけの硬度や靭性が要求されるので、その工具鋼自体の加工を行うことは、他の鉄系材料と比較すれば容易ではない。とくに、焼入れ焼戻しを行った後では、加工は一層困難となる。近年では、金型や工具の製造コスト低減を図るために、金型の納期短縮や無人加工を拡大する必要性が高まってきており、これに対応するため、既存の材料よりも被削性を改善した材料の提供が望まれていた。
【０００４】
鉄系材料の被削性を向上させる元素としては、Ｓ，Ｐｂ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ｔｅ，Ｃａなどが知られている。これらのうち、Ｐｂは、環境保護に対する関心が地球規模で高まりつつある近年では次第に敬遠されるようになっており、その使用を制限する機器や部品も多くなりつつある。
そこで、ＳやＴｅを被削性向上元素の主体として用いた材料が、代替材料として考えられている。これらの材料では、主にＭｎＳやＭｎＴｅなどの介在物を生成させ、介在物に対する切屑形成時の応力集中効果や、工具と切屑間の潤滑作用により被削性や研削性を高めるようにしている（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２３６６４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＳやＴｅを被削性向上元素として用いた鋼材の場合、ＭｎＳやＭｎＴｅ等の介在物は被削性を向上させはする。しかしながら、これらの介在物は圧延や鍛造時にその鍛伸方向に伸長しやすく、材料の機械的性質に望まざる異方性が生じやすいという問題を引き起こす。具体的には、上記鍛伸方向と直角な向き（以下、Ｔ方向という）の靭性や強度が低下し、その結果、耐割れ性が損なわれるという問題が生ずる。また、工具や金型の使用形態に応じて、材料の使用方向をいちいち考慮しなければならず、製造能率や、材料活用の歩留まり低下などにもつながりやすい。
【０００７】
更に、これらの介在物は、通常、長さ５０μｍを超える大きなものが多いのも問題である。つまり、こうした大きな介在物が形成されると、材料表面を鏡面研磨しようとしたとき、脱落した介在物が研磨面を擦って粗したり、また、脱落した介在物の跡が大きな凹みになり、所期の粗さの鏡面が得にくくなる。また、硫化物系の大きな介在物は材料の耐食性の低下を招きやすいという問題もある。このことは、例えば特開平７−１８８８６４号公報において、こうした硫化物系の介在物の個数の８０％以上のものを、寸法５０μｍ以下の寸法に調整することにより、耐食性向上を図る旨が謳われていることからも明らかである。
【０００８】
本発明の目的は、優れた被削性を有するとともに、鏡面仕上げ性（鏡面性）、耐食性、放電加工性も優れており、かつ素材の鍛伸方向の機械的特性、とくに靭性に異方性が生じにくい快削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】
上記した目的を達成するために、本発明においては、Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．００１〜０．４質量％、Ｓｉの含有量が０．０２〜２質量％、Ｎｉの含有量が０．１〜６質量％、Ｃｒの含有量が０．１〜１０質量％、Ａｌの含有量が０．１〜３質量％、Ｍｎの含有量が０．７質量％以下であり、
Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量であり、
Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量であり、かつ、
Ｃの含有量をＷ_Ｃと表示したときに、前記Ｘ値と前記Ｙ値と前記Ｗ_Ｃ値の間では、２．２５≦Ｘ／Ｙ≦３．７、０．１≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦０．６５の関係が成立しており、かつ、
Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていて、研磨表面で観察される前記快削性付与化合物相の面積率が０．０５〜５％であることを特徴とする快削性工具鋼（以下、工具鋼Ａという）が提供される。
【００１０】
また、本発明においては、Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．００１〜０．６質量％、Ｎｉの含有量が６質量％以下、Ｃｕの含有量が５質量％以下、Ａｌの含有量が３質量％以下、Ｓｉの含有量が２質量％以下、Ｍｎの含有量が３質量％以下であり、
Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜３．５質量％となる含有量であり、
Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜１質量％となる含有量であり、
前記Ｘ値とＹ値の間では、次式：１≦Ｘ／Ｙ≦４の関係が成立しており、
含有量が０．００５〜０．５質量％であるＳｎと、含有量が０．００５〜０．５質量％であるＡｓと、含有量が０．００５〜０．０３質量％であるＨとの群から選ばれる少なくとも１種が含有されており、かつ、
Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていることを特徴とする快削性工具鋼（以下、工具鋼Ｂという）が提供される。
【００１１】
更に、本発明においては、Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．０１〜０．５質量％、Ｓｉの含有量が０．０１〜２質量％、Ｍｎの含有量が０．０１〜０．８質量％、Ｃｕの含有量が０．０１〜５質量％、Ｎｉの含有量が０．０１〜５質量％、Ｃｒの含有量が８〜１７質量％、Ｍｏの含有量が０．０１〜５質量％であり、
Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量であり、
Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量であり、かつ、
Ｃの含有量をＷ_Ｃと表示したときに、前記Ｘ値と前記Ｙ値と前記Ｗ_Ｃ値の間では、１．５≦Ｘ／Ｙ≦５、０．２≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦３．５の関係が成立しており、かつ、
Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていて、研磨表面で観察される前記快削性付与化合物相の面積率が０．０３〜５％であり、
ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）が２８〜４３に調整されているプレハードン鋼であることを特徴とする快削性工具鋼（以下、工具鋼Ｃという）が提供される。
【００１２】
なお、本明細書における「主成分」（「主体」なども同様）とは、着目している材料または組織において、含有量が最も多い成分（相も概念として含む）のことを意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
最初に工具鋼Ａについて説明する。
この工具鋼Ａの場合、上記のような組成範囲にあるＣ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓ，ＳｅおよびＴｅが含有されていることにより、鋼の組織中に、Ｔｉまたは／およびＺｒが金属元素成分の主成分であり、当該金属元素成分との結合成分として、Ｃを必須とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの少なくとも１種を含有する快削性付与化合物相が分散形成されている。この化合物相の形成により、工具鋼Ａには良好な被削性が付与される。
【００１４】
本発明者らは、切削や研削などの加工を施す際には、除去される材料部分が加工により切り離される際に、細かく分散した粒状の快削性付与化合物相がいわばミシン目のように作用して、切断面の形成を促す結果、被削性が向上するものと考えている。
また、本発明の工具鋼Ａは、Ｐｂが含有された従来の工具鋼のように環境問題に対する懸念もない。
【００１５】
また、この快削性付与化合物相は、圧延や鍛造を経ても鍛伸方向に伸長せず、粒状の状態を維持する。その結果、鍛伸方向に延伸しやすいＭｎＳ等と異なり、前記Ｔ方向の靭性低下を著しく抑制することが可能となる。
また、この工具鋼Ａは、焼きなまし状態のみならず焼入れ焼戻し状態においても被削性が良好であり、前記した納期短縮化に対応するための、焼入れ焼戻し状態での重加工にも充分に対応できるようになる。具体的には、この工具鋼Ａは、焼入れ焼戻し処理により、ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）を３３〜４８の範囲に調整できる。そして、このように硬化した状態であっても、充分良好な被削性を確保している。なお、本発明における焼入れ焼戻し処理は後述の溶体化・時効硬化熱処理をも概念として含む。
【００１６】
快削性付与化合物相は、組成式：Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２（ただし、ＭはＴｉまたは／およびＺｒを主成分とする金属元素成分（以下、Ｔｉ相当元素ともいう）、ＱはＳ，ＳｅおよびＴｅの少なくともいずれか１種（以下、Ｓ相当元素ともいう）を表す）で示される化合物相を主体とするものである。
この化合物相は、鍛伸方向への延伸がとくに生じにくく、また、組織中への分散性も良好であり、工具鋼Ａの機械的特性に極端な異方性を生じさせることなく、被削性を高める効果に優れている。
【００１７】
なお、上記化合物相における金属元素成分Ｍについては、Ｔｉを必須とするがＺｒが含有されていてもよく、また、合金成分としてＶが含有されている場合には、その少なくとも一部がＭ成分に含まれていてもよい。また、Ｑ成分についても、Ｓ，ＳｅおよびＴｅのいずれか１種のみが含有されていてもよく、２種以上含有されていてもよい。更に、成分Ｍおよび成分Ｑともに、本発明の効果発現のため、上記化合物相が備えているべき難延伸性および分散性が損なわれない範囲で、上記以外の成分が副成分として含有されていてもよい。
【００１８】
なお、鋼中のＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物（以下、本明細書では「Ｔｉ系炭硫化物」と標記する場合がある）の同定は、Ｘ線回折（例えば、ディフラクトメータ法）や電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）法により行うことができる。
例えば、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物が存在しているか否かは、Ｘ線ディフラクトメータ法による測定プロファイルに、対応する化合物のピークがあらわれるか否かにより確認できる。また、組織中における前記Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成領域は、鋼材の断面組織に対してＥＰＭＡによる面分析を行い、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓ，ＳｅあるいはＣの特性Ｘ線強度の２次元マッピング結果を比較することにより特定できる。
【００１９】
Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成において、成分Ｍ，Ｑ，Ｃのいずれかに余剰が生ずると、その余剰成分が望まざる非金属介在物を形成し、被削性の低下や鏡面研磨性（鏡面仕上げ性、鏡面性）の低下を引き起こす。また、Ｍｎは脱硫元素であるため、鋼中にある程度の量が存在することは避けられない。そして、この元素はＳとの結合力が強いため、本来Ｔｉ系炭硫化物になるべきＳが、Ｍｎと結合して、ＭｎＳとなり、形成されたＭｎＳは粗大化しやすいため、鏡面性を大きく劣化させる。また、Ｍｎとの結合により、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成に必要なＳ量が減少するため、このことは前記した組成バランスを実質的に崩すことにつながり、被削性低下を招く虞もある。
【００２０】
しかしながら、工具鋼Ａでは、快削性付与化合物相の構成元素である４Ａ属金属元素（前記した組成式：Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２におけるＭ成分である）の、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒ（ただし、Ｗ_ＴｉはＴｉの含有量（質量％）、Ｗ_ＺｒはＺｒの含有量（質量％）を表す）で示されるＴｉ換算含有量（Ｘ）と、６Ｂ属元素（前記した組成式：Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２におけるＱ成分である）の、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅ（ただし、Ｗ_ＳはＳの含有量（質量％）、Ｗ_ＳｅはＳｅの含有量（質量％）、Ｗ_ＴｅはＴｅの含有量（質量％）を表す）で示されるＳ換算含有量（Ｙ）と、Ｃの含有量（これをＷ_Ｃ（質量％）で表す）とを、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成を考慮したときに一定以上の余剰成分が生じないように、Ｘ，Ｙ，Ｗ_Ｃの間では、２．２５≦Ｘ／Ｙ≦３．７、０．１≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦０．６５の関係が成立するように配合されている。
【００２１】
また、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を過不足なく形成できるように、Ｘ値が０．０３〜１．２質量％、Ｙ値が０．０１〜０．４質量％にそれぞれ調整されている。また、Ｍｎの含有率が０．７質量％以下に制限されている。
その結果、ＭｎＳやＭ成分の炭化物あるいは窒化物というＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の非金属介在物の形成とその粗大化という問題は極めて効果的に抑制されている。また、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物自体も粗大化しにくくなる。その結果、工具鋼Ａでは良好な被削性が確保され、かつ、粗大化した非金属介在物による鏡面研磨性の低下が大幅に生じにくくなる。
【００２２】
快削性付与化合物相を含めた非金属介在物は、上記組成を採用することにより、工具鋼Ａの研磨表面にて観察される非金属介在物粒子の円換算直径寸法の最大値を５０μｍ以下とすることができる。非金属介在物として、円換算直径寸法において５０μｍを超える粗大なものが生成しなくなることにより、鏡面研磨性を大幅に向上させることができる。
【００２３】
なお、非金属介在物は、工具鋼Ａの研磨断面組織において、観察される介在物粒子の外形線に、位置を変えながら外接平行線を引いたときの、その外接平行線の最大間隔にて表される長さが５０μｍ以下となっていることが望ましく、さらに望ましくは、３０μｍ以下になっていることがよい。
また、工具鋼Ａの被削性を更に高める観点からすると、快削性付与化合物相の円換算直径寸法の平均値は１〜５μｍ程度であることがよい。
【００２４】
以下、工具鋼Ａに含有される元素の含有範囲の限定理由について述べる。
（１）Ｆｅを主成分として含有し、０．００１〜０．４質量％のＣを含有する：本発明の工具鋼Ａは、工具鋼としての機能が発揮されることを前提的な性能目標としているので、上記のような工具鋼としての必須成分を含有している。Ｆｅは、鋼を構成するために必須の成分であるため、主成分として含有させる。
【００２５】
また、Ｃは工具鋼として必要な硬さを維持するために含有させる元素である。さらに、本発明においては、Ｃは被削性を向上させる快削性付与化合物相を形成するためにも必須の成分である。
これらの効果が充分に発揮されるように、Ｃは最低でも０．００１質量％含有させることが必要である。一方、過剰に含有させると、被削性の向上にとっては望ましくない炭化物が形成されるためにその含有量を制限するのがよい。また、本発明の工具鋼Ａにあっては、後述する（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物の時効析出により、その硬さあるいは強度を高めることができるため、この場合は一般に硬さ向上のために必要なＣの添加も適度に抑えておく。硬さ向上のために過剰にＣを含有させると、却って靭性が劣化するために好ましくないからである。
【００２６】
以上、これらの観点から、Ｃの含有量は０．４質量％以下に制限される。望ましくは０．０５〜０．２５質量％の範囲内に設定される。また、Ｃの含有量は被削性向上の効果が最良の状態で得られるように、上記快削性付与化合物相が形成されるように適宜調節するのがよい。また、上記快削性付与化合物相に構成元素そして含有されなかった残余のＣは鋼組織中に固溶し、鋼の硬さを向上させる効果を付与する。
【００２７】
（２）０．０２〜２質量％のＳｉ：
Ｓｉは固溶加熱処理後の硬さを充分に高めるため、０．０２質量％以上含有させる。また、Ｓｉは、脱酸剤としても機能する。なお、Ｓｉが過剰に含有されると、靭性が低下するので、上限を２質量％とする。なお、被削性を向上させる目的で０．５質量％以上を含有させることもある。
【００２８】
（３）０．１〜６質量％のＮｉ：
Ｎｉの添加は、焼入れ性の向上、基地の強化、あるいは、耐食性向上にとって有効である。これらの効果を期待するためには、０．１％以上の添加が必要である。また、時効硬化熱処理により硬さの向上を図る場合には、その時効析出相（例えばＮｉＡｌ等の（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物である）の主要構成元素として機能し、その場合には１質量％以上の添加が望ましい。しかし、過度の添加は効果が飽和するとともに、加工性の低下を招くため６質量％を上限とする。
【００２９】
（４）０．１〜１０質量％のＣｒ
Ｃｒは炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させ、また、焼入れ性や耐食性、耐錆性を向上させる効果を発揮する。その効果を得るためには、０．１質量％以上の添加が必要である。ただし、過剰の添加は基地を硬くしすぎて被削性を低下させるので、上限を１０％とする。
【００３０】
（５）０．１〜３質量％のＡｌ：
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、過剰な添加は鏡面研磨を施したときの鏡面性に悪影響を与え、また靭性の低下も招く。そのため、Ａｌの含有量は、３質量％以下に制限される。他方、時効析出処理を行う場合は、前記した（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物の構成元素としてＡｌは必須の成分となる。析出強化効果を充分に達成するためには、最低でも０．５質量％以上は含有させるようにする。また、この場合の過剰添加は、（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物の過剰析出あるいはその粗大化を招き、加工性および靭性など、ひいては生産性の低下につながる。
【００３１】
（６）Ｔｉの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｚｒの含有量をＷ_Ｚｒ（質量％）と表示したときの前記したＴｉ換算含有量（Ｘ）に基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量のＴｉまたは／およびＺｒ：
ＴｉとＺｒとは、本発明の工具鋼Ａにおいて、被削性向上効果を達成するための中心的な役割を果たすＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物（快削性付与化合物相の主体）を形成するために必須の構成元素である。
【００３２】
Ｘ値が０．０３質量％未満と計算されるようなＴｉまたは／およびＺｒの含有量である場合には、快削性付与化合物相の形成量が不充分となり、充分な被削性向上効果を期待できない。他方、Ｘ値が１．２質量％より大きい値と計算されるようなＴｉまたは／およびＺｒの含有量である場合には、Ｔｉまたは／およびＺｒが他の元素と化合物を形成し、逆に被削性や鏡面研磨性の低下を招くことがある。このようなことから、Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量は、Ｘ値が０．０３〜１．２質量％となるような含有量に設定される。
【００３３】
（７）Ｓの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｓｅの含有量をＷ_Ｓｅ（質量％）、Ｔｅの含有量をＷ_Ｔｅ（質量％）と表示したときの前記したＳ換算含有量（Ｙ）に基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量の、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの群から選ばれる少なくとも１種：
Ｓ，ＳｅおよびＴｅは、鋼の被削性を向上させるために有効な元素である。これらを含有させることによりＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物が鋼中に形成される。その効果が発現するＹ値の下限は０．０１質量％である。したがって、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量は、Ｙ値が０．０１質量％以上となる量をもって下限とする。
【００３４】
しかしながら、これらの元素の過剰な添加は、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成にあたらないＳ，ＳｅおよびＴｅを増加させることになる。そして、ＭｎＳなどのＭｎとの化合物が粗大に形成される場合は鏡面研磨性が低下することにつながり、Ｓ，ＳｅおよびＴｅ（とくにＳ）が遊離相として含有される場合は熱間加工性を低下させる。また、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの含有量に応じて形成されるＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の量も増加するが、過剰なＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成は鏡面性を低下させる。
【００３５】
このようなことから、これらの元素の含有量は、Ｙ値が０．４質量％となる量をもって上限とする。
Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物による被削性向上の効果を充分に得るためには、快削性付与化合物相の構成元素である、Ｃ，Ｔｉ，Ｚｒ等の添加量に応じて、これらＳ，ＳｅおよびＴｅの含有量を適宜調整することが好ましい。
【００３６】
（８）Ｘ／Ｙが２．２５〜３．７：
Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物中のＴｉ換算含有量（Ｘ）とＳ換算含有量（Ｙ）の重量比は、化学量論比的には、３：１である。したがって、両元素を過不足なく添加する場合は、Ｘ／Ｙ＝３であることが望ましく、そのとき、目的のＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を鋼中に形成することが可能である。ただし、実質的には、Ｘ／Ｙが２．２５〜３．７の場合でも、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物の形成は充分に抑えられる。しかし、Ｘ／Ｙがこの範囲外になると、図１に示すように、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物の面積率が急激に増大し、被削性低下や鏡面研磨性の低下につながる。
【００３７】
（９）Ｗ_Ｃ／Ｘが０．１〜０．６５：
Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物中のＴｉ換算含有量（Ｘ）とＣの含有量（Ｗ_Ｃ）との重量比は、化学量論比的には、８：１である。
したがって、両元素を過不足なく添加する場合は、Ｗ_Ｃ／Ｘ＝０．１２５であることが望ましい。ただし、実質的には、Ｃを多少多めに添加しても、余分なＣは、マトリックスへ固溶するので、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成は阻害されない。逆にＣが多少不足する場合でもＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の充分な量を形成できる。
【００３８】
しかし、図２に示すように、Ｗ_Ｃ／Ｘが上記の範囲外ではＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物の面積率が急増し、被削性低下や鏡面研磨性低下につながる。
（１０）Ｍｎの含有量が０．７質量％以下
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、硬さ向上を図る上でも有効な元素である。この効果を顕著に得るためには、０．０１質量％以上含有させることが望ましい。ただし、過剰な含有は、図３に示すように、ＭｎＳを主体とする、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物の面積率増大を招き、Ｓの不足により快削性付与化合物相が充分に得られなくなるだけではなく、ＭｎＳが粗大なため鏡面研磨性の低下を招く。また、靭性の方向依存性が顕著になる。したがって、その含有量の上限は０．７質量％とする。なお、Ｍｎは、精錬時における脱硫元素としても有用であり、不可避的に含有されることがある。
【００３９】
また、工具鋼Ａの研磨表面で観察される快削性付与化合物相の面積率は、０．０５〜５％とする。快削性付与化合物相の形成により、被削性向上効果が得られるためには、快削性付与化合物相が研磨断面組織における面積率で０．０５％以上含まれていることが必要である。しかし、多すぎても、被削性向上の効果は飽和状態となる。また、過剰な快削性付与化合物相の形成は、工具鋼を圧延・鍛伸した場合に、鍛伸方向（Ｌ方向）と垂直な方向（Ｔ方向）の靭性値の劣化が目立つようになり、また、鏡面研磨性も低下するので、研磨断面組織中における面積率は５％以下とする。
【００４０】
以下、本発明の工具鋼の組成に関し、さらに付加可能な組成要件について説明する。
（１１）Ｎの含有量が０．０１５質量％以下、およびＯの含有量が０．０１質量％以下：
ＮおよびＯは、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の構成元素であるＴｉ，Ｚｒや、他の元素Ａｌなどと結合して窒化物、酸化物を形成する。とくに、Ｔｉとの結合力が強く、目的とするＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成を阻害する。その上、これらの窒化物、酸化物は、硬質であり、窒素量や酸素量が高くなるにつれ、図４に示すように、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物が形成されてきて、その面積率が増大する。
【００４１】
また、個々の介在物の大きさは、Ｎの含有量によって変化し、例えば図５で示すように、Ｎ含有量が多くなると個々の介在物の寸法も増大する。その結果、鏡面性を害することはもとより、被削性や靭性の観点からも、極力含有を抑制することが望ましいが、製造コストとの兼ね合いによりＮ，Ｏの含有量は上記の範囲に設定される。より望ましくはＮの含有量を０．０１質量％以下、およびＯの含有量を０．００５質量％以下とする。
【００４２】
（１２）０．１〜５質量％のＣｕ：
Ｃｕは、時効析出強化処理を行う場合、（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物を析出させるための核として重要な役割を持ち、とくに、ＮｉおよびＡｌの含有量が少ない場合に効果的である。また、Ｃｕは、溶体化・時効硬化状態の被削性改善にも有効である。なお、時効析出強化による効果を期待する場合、０．５質量％以上は含有させるようにする。一方、Ｃｕの含有量が５質量％を超えると、かえって熱間加工性が低下することにつながり、経済性の点でも不利となる。
【００４３】
（１３）Ｍｏの含有量をＷ_Ｍｏ（質量％）、Ｗの含有量をＷ_Ｗ（質量％）と表示したときに、次式：Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗに基づく計算値が４質量％以下となる含有量のＭｏまたは／およびＷ：
ＭｏおよびＷは、焼入れ性を向上させ、また、炭化物形成により基地の強化および耐摩耗性向上の効果を発揮する。しかしながら、過剰に含有させると、靭性が劣化するため、その含有量は、上記Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗの計算値が４質量％以下になるような含有量に制限するのがよい。なお、上記効果を顕著に得るためには、上記Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗの値で０．１質量％以上含有させるのがよい。
【００４４】
（１４）２質量％以下のＣｏ、１質量％以下のＮｂおよび１質量％以下のＶから選ばれる１種または２種以上：
いずれの元素も、鋼中に微細に分散し、靭性を向上させる。また、Ｖは快削性付与化合物相の構成元素の一つとなりうる。顕著な効果を得るためには、Ｃｏは０．００１質量％以上、Ｎｂは０．０１質量％以上、Ｖは０．０１質量％以上含有させることが望ましい。他方、これら元素を過剰に含有させると、望まない炭化物の形成により被削性向上の効果を低下させる場合があり、その含有量をそれぞれ、Ｃｏ：２質量％以下、ＮｂおよびＶ：１質量％以下とするのがよい。
【００４５】
（１５）０．００５質量％以下のＣａ：
Ｃａは熱間加工性の向上に有効な元素である。また、硫化物や酸化物を形成することにより被削性向上にも寄与する。また、少量の添加により、ＭｎＳなどの介在物の長さを短くすることができ、鏡面性の向上にも効果がある。顕著な効果を得るためには０．０００５質量％以上添加するのがよい。他方、過剰な添加は効果の飽和や鋼の強度低下あるいは耐食性の低下を招くので、上限を０．００５質量％とする。
【００４６】
（１６）０．２質量％以下のＰｂまたは／および０．２質量％以下のＢｉ：
鋼中に分散して、被削性をさらに高める効果を発揮する。顕著な効果を得るためにはそれぞれの少なくとも１種を０．０１質量％以上添加するのがよい。ただし、過剰な添加は熱間加工性の低下を招くので、それぞれ上限を上記のように定める。また、Ｐｂについては、環境への配慮から、含有させても上記のように少量に留めるべきである。
【００４７】
（１７）０．０１質量％以下のＢ：
Ｂは焼入れ性の向上に寄与する。顕著な効果を得るためには０．００１５質量％以上添加するのがよい。他方、過剰な添加は熱間加工性や靭性の低下を招くので、上限を上記のように定める。なお、最も望ましくは、焼入れ性の向上効果が最も大きい０．００２５質量％程度の添加がよい。
【００４８】
（１８）０．５質量％以下の希土類元素：
希土類元素はＯやＰ等の不純物を固定し、基地の清浄度を高め、靭性を向上させる効果を発揮する。顕著な効果を得るためには０．１質量％以上添加するのがよい。他方、過剰な添加は地疵の発生を招くので、上限を上記のように定める。なお、希土類元素は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選ばれる１種または２種以上の元素である。
【００４９】
上記Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物などの快削性付与化合物相は、工具鋼Ａの組織中に分散形成させることができる。とくに、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を工具鋼Ａの組織中に微細に分散させることにより、工具鋼の被削性をさらに高めることができる。この被削性効果を高める観点においては、快削性付与化合物相の前記寸法の平均値は１〜５μｍ程度であるのがよい。
【００５０】
本発明の工具鋼Ａは、その鍛伸材から、ＪＩＳ：Ｚ２２０２に規定された３号試験片として、ノッチ方向は鍛伸方向と平行になるＴ方向試験片と、同じく垂直になるＬ方向試験片とを作製し、それら試験片を用いてＪＩＳ：Ｚ２２４２に規定されたシャルピー衝撃試験を行ったときに、前記Ｔ方向試験片について得られるシャルピー衝撃値をＩ_Ｔ、前記Ｌ方向試験片について得られるシャルピー衝撃値をＩ_Ｌとしたとき、Ｉ_Ｔ／Ｉ_Ｌが０．３以上とすることができる。
【００５１】
工具鋼Ａは、組織中に上記した快削性付与化合物相が形成されているので、その工具鋼を圧延・鍛伸して得られる鍛伸材において、鍛伸方向（Ｌ方向）と、鍛伸方向と垂直な方向（Ｔ方向）との靭性の方向依存性が抑制されることになる。具体的には、工具鋼Ａを圧延・鍛伸して得られる鍛伸材においては、鍛伸方向であるＬ方向に対して、Ｔ方向の靭性値の劣化が抑えられる。さらに具体的には、上記のように規定した、Ｔ方向およびＬ方向の衝撃値、Ｉ_Ｔ，Ｉ_Ｌの比Ｉ_Ｔ／Ｉ_Ｌの値が、被削性向上元素が添加されていなかったり、あるいは、上記快削性付与化合物相が形成されていないようなベース工具鋼と同等な０．３以上となっている。なお、Ｉ_Ｔ／Ｉ_Ｌの値は０．５以上となっているのがより好ましい。
【００５２】
本発明の工具鋼Ａは、プラスチックの成形用金型素材として好適に使用できる。プラスチックの成形用の金型においては、近年、とくに商品開発のスピードが高まりつつあり、出荷前に熱処理を施す場合が多い。そのため、金型としての製品形状に切削加工するに際して被削性が問題となっていた。そのため、プラスチック成形用の金型に本発明の工具鋼Ａを採用することにより、金型としての製品形状に加工するに際に、切削加工が容易に行われることとなり、生産性が向上することになる。
【００５３】
具体的には、本発明の工具鋼Ａは、プラスチック成型金型（日用雑貨品、電化製品外装・内装・部品、携帯電話、自動車内装部品やライトのカバー類など）、光学レンズ用成形金型、医療機器用成形金型、化粧容器成形用金型、精密成形品（受板、ペットボトル成形母型、ゴム成形用型類）、ＩＣ封止型、光ディスク成形用金型、導光板あるいは反射板の構成材料自体もしくはその成形用金型材料などに好適に使用可能である。
【００５４】
なお、本発明の工具鋼Ａを製造する場合、原料の１次溶解を高周波誘導溶解炉などにより、例えば大気中溶解で行うことができるが、真空溶解炉を用いるとＯおよびＮの溶解が抑制されるので望ましい。また、ＯおよびＮの放出を促進し、介在物を微細化して円換算直径寸法を５０μｍ以下とするために、周知の真空アーク溶解法（Ｖａｃｕｕｍ　Ａｒｃ　Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ：ＶＡＲ）あるいはエレクトロスラグ溶解法（ＥｌｅｃｔｒｏＳｌａｇ　Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ：ＥＳＲ）により２次溶解を実施するとさらによい。
【００５５】
次に、工具鋼Ｂについて説明する。
工具鋼Ｂは、工具鋼Ａの説明で詳述したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を主体とする快削性付与化合物相を鋼中に形成させることは工具鋼Ａの場合と同じである。
しかしながら、後述するように、Ｈ，Ａｓ，Ｓｎの含有量を規制することにより、被削性を更に高め、同時に耐食性を高めた点で工具鋼Ａと異なっている。そして、Ｈ，Ａｓ，Ｓｎの含有に伴い、また上記した作用効果を発現させるために、添加元素の種類や含有量が工具鋼Ａの場合と異なっている。
【００５６】
工具鋼Ｂにおいてもその被削性を規定する快削性付与化合物相の形成に関しては、前記したＸ値、Ｙ値が、１≦Ｘ／Ｙ≦４の関係を満たすように、Ｔｉまたは／およびＺｒ、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量を設定する。この関係が満たされていない場合は、被削性の向上効果が低下する。
そして、０．０３質量％≦Ｘ≦１．２質量％、０．０１質量％≦Ｙ≦０．４質量％、１．５≦Ｘ／Ｙ≦３．５、０．１≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦３．５の関係が満足するように各元素の含有量を設定することが好ましい。
【００５７】
上記した関係が満たされていることを前提として、Ｘ値、Ｙ値、Ｗ_Ｃ値を適宜増減させることにより、工具鋼の断面を研磨したときに、その研磨表面における快削性付与化合物相の面積率を変化させることができる。その場合、当該面積率が０．０３〜５％の範囲内の値となるように、上記したＴｉ相当元素やＳ相当元素の含有量を調整することが好ましい。被削性の向上効果、鏡面研磨性の向上効果が発揮されるようになるからである。
【００５８】
また、Ｘ／Ｙ値を調節することにより、鋼中に、ＴｉＣのようなＴｉ系炭化物や、ＴｉＳのようなＴｉ系硫化物を形成することができる。
そして、これらのうち、Ｔｉ系硫化物は工具鋼Ｂの被削性の向上に寄与し、またＴｉ系炭化物は工具鋼Ｂの耐食性や鏡面研磨性の向上に寄与する。したがって、工具鋼Ｂに対する要求特性との関係で、上記したＴｉ系硫化物やＴｉ系炭化物が形成されるように、各元素の含有量を調整してもよい。
【００５９】
その場合、Ｘ／Ｙ値が１．５〜３の範囲内にあるときには、Ｔｉ系硫化物が形成され、またＸ／Ｙ値が３〜５の範囲内にあるときには、Ｔｉ系炭化物が形成されやすい。
しかしながら、これらＴｉ系硫化物やＴｉ系炭化物の形成量が多くなりすぎると、被削性を規定する快削性付与化合物相の形成量が少なくなって被削性の低下が引き起こされるので、Ｘ／Ｙ値は１〜４の範囲内に設定することが必要であり、更には１．５〜３．５の範囲内に設定することが好ましい。
【００６０】
以下、工具鋼Ｂに含有される元素の含有範囲の限定理由について説明する。
まず最初に、工具鋼Ａとの関係で工具鋼Ｂの特徴元素であるＨ，Ａｓ，Ｓｎについて説明する。
（１）Ｓｎ：０．００５〜０．５質量％
Ｓｎは工具鋼Ｂの耐食性の向上に寄与する。またＳｎは、Ｐｂの場合のように、工具保護膜を形成して工具鋼Ｂの被削性向上効果にも資する。
【００６１】
上記した効果は、Ｓｎ含有量が０．００５質量％以上のときに発揮される。しかしながら、含有量を０．５質量％より多くしても微量添加時以上の効果は得られず、また、Ｓｎ単独で多量の場合や、Ｃｕなどの元素と共存している場合は工具鋼Ｂの熱間加工性の低下を招く。このようなことから、Ｓｎ含有量は、０．００５〜０．５質量％に設定される。
【００６２】
（２）Ａｓ：０．００５〜０．５質量％
Ａｓは、微量添加により被削性向上効果に寄与する。しかしながら、他方では結晶粒界の脆化を引き起こすという問題も引き起こす。
そして過剰に添加すると、工具鋼Ｂの熱間加工性は劣化し、赤熱脆性が発現したり、また工具鋼Ｂの衝撃値などの特性が劣化する。このようなことから、Ａｓの含有量は０．００５〜０．５質量％に設定される。
【００６３】
（３）Ｈ：０．００５〜０．０３質量％
Ｈは、鋼中に不可避に含まれる元素であり、微量のときは被削性の向上に資するが、しかし、これは結晶粒界で濃化して結晶粒界の脆化を引き起こす。そのため、Ｈ含有量が微量である場合は、工具鋼Ｂの被削性を向上させることができるが、含有量が多くなると、靭性の低下や遅れ破壊などの特性劣化が引き起こされる。このようなことから、Ｈの含有量は０．００５〜０．０３質量％に設定される。
【００６４】
（４）Ｃ：０．００１〜０．６質量％
Ｃは工具鋼としての硬さを確保するための必須元素であり、同時に、前記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を形成するための必須元素である。
これらの効果を発揮させるために、Ｃの含有量は０．００１質量％以上であることが必要である。しかしながら、あまり過剰に含有させると、工具鋼Ｂの靭性低下の外に、Ｃｒ系炭化物が形成されて耐食性の低下も引き起こされてくる。このようなことから、Ｃの含有量は０．００１〜０．６質量％に設定される。
【００６５】
（５）Ｎｉ：６質量％以下
ＮｉはＭｎと同様にオーステナイト系元素であり、含有量が０．０１質量％以上である場合には耐食性の向上効果に寄与する。また、Ａｌが共存していると（Ｎｉ，Ａｌ）系化合物を形成し、熱処理により時効硬化して工具鋼Ｂの硬さを高める。しかしながら、過剰に添加されていると、工具鋼Ｂの熱間加工性は低下する。このようなことから、Ｎｉの含有量は６質量％以下に規制される。上記した効果を勘案すると、その含有量は０．０１〜６質量％であることが好ましい。
【００６６】
（６）Ｃｕ：５質量％以下
Ｃｕは、Ｎｉ，Ａｌの場合と同様に、その含有量が０．０１質量％以上であると、時効硬化により工具鋼Ｂの硬さを高めることに寄与する。しかしながら、過剰に添加されていると、工具鋼Ｂの熱間加工性が低下する。このようなことから、Ｃｕの含有量は５質量％以下に規制される。硬さを高める効果を勘案すると、０．０１〜５質量％であることが好ましい。
【００６７】
（７）Ａｌ：３質量％以下
Ａｌは脱酸剤として添加される。また、その含有量が０．０１質量％以上であると、Ｎｉ，Ｃｕの場合と同様に、時効硬化により硬さを高めることに寄与する。しかしながら、過剰に添加されていると、工具鋼Ｂの靭性低下を招き、また鋼中に窒化物や酸化物などの介在物を形成し、工具鋼Ｂの鏡面性を阻害する。このようなことから、Ａｌの含有量は３質量％以下に規制される。硬さを高める効果を勘案すると、０．０１〜３質量％であることが好ましい。
【００６８】
（８）Ｓｉ：２質量％以下
Ｓｉは脱酸剤として機能する。しかしながら、含有量が多すぎると、工具鋼Ｂの靭性低下が引き起こされ、またＣｒやＭｏなどの偏析を助長するようになるので、その含有量は２質量％以下に設定される。なお、０．３質量％以上添加すると、被削性を向上させることもできる。
【００６９】
（９）Ｍｎ：３質量％以下
Ｍｎは焼入れ性を向上させ、更には硬さを高めることに寄与するが、他方では、Ｓ（Ｓ相当元素）と結合してＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物を形成して、工具鋼Ｂの被削性の向上効果を阻害する。また、工具鋼Ｂにおける鏡面性を阻害する。
【００７０】
このようなことから、Ｍｎの含有量は、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の必要な形成量を阻害しない量に設定される。具体的には３質量％以下に設定される。
そして、硬さ向上の効果を勘案すると、Ｍｎの含有量は０．０１〜３質量％であることが好ましい。より好ましくは０．０１〜０．７質量％である。
（１０）Ｔｉまたは／およびＺｒ：前記したＸ値が０．０３〜３．５質量％となる含有量
ＴｉとＺｒとは、本発明の工具鋼Ｂにおいて、被削性向上効果を達成するための中心的な役割を果たすＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物（快削性付与化合物相）を形成するために必須の構成元素である。
【００７１】
Ｘ値が０．０３質量％未満と計算されるようなＴｉまたは／およびＺｒの含有量である場合には、快削性付与化合物相の形成量が不充分となり、充分な被削性向上効果を期待することはできない。他方、Ｘ値が３．５質量％より大きい値と計算されるようなＴｉまたは／およびＺｒの含有量である場合には、Ｔｉまたは／およびＺｒが他の元素と化合物を形成し、逆に被削性や鏡面研磨性の低下を招くことがある。このようなことから、Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量は、Ｘ値が０．０３〜３．５質量％となるような含有量に設定される。好ましくは、Ｘ値が０．０３〜１．２質量％となるようにする。
【００７２】
（１１）Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種：前記したＹ値が０．０１〜１質量％となる含有量
Ｓ，ＳｅおよびＴｅは、鋼の被削性を向上させるために有効な元素である。これらを含有させることによりＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物が鋼中に形成される。その効果が発現するＹ値の下限は０．０１質量％である。したがって、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量は、Ｙ値が０．０１質量％以上となる量をもって下限とする。
【００７３】
また過剰に添加されていると、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成に関与しない余分なＳ相当元素が増量する結果として工具鋼Ｂの熱間加工性は低下し、鏡面性の低下や耐食性の低下も引き起こされる。このようなことから、これらＳ相当元素の含有量は、Ｙ値が１質量％以下となる量をもって上限とする。
（１２）１≦Ｘ／Ｙ≦４
Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物中のＴｉ換算含有量（Ｘ）とＳ換算含有量（Ｙ）の重量比は、化学量論比的には、３：１である。したがって、両元素を過不足なく添加する場合は、Ｘ／Ｙ＝３であることが望ましく、そのとき、目的のＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を鋼中に形成することが可能である。ただし、実質的には、Ｘ／Ｙが１〜４の場合でも、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物の形成は充分に抑えられる。
【００７４】
このようなことから、１≦Ｘ／Ｙ≦４となるように、Ｔｉ相当元素とＳ相当元素の含有量が設定される。Ｘ／Ｙの好ましい値は１．５〜３．５である。
次に、本発明の工具鋼Ｂにとっての付加可能な要件について説明する。
（１３）Ｃｒ：２２質量％以下
Ｃｒは炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させ、また、焼入れ性を向上させる効果を発揮する。耐食性の向上の目的でその効果を得るためには、１０質量％以上の添加が望ましい。ただし、過剰な添加は基地を硬くしすぎて被削性を低下させるので、上限を２２質量％とする。
【００７５】
（１４）Ｍｏまたは／およびＷ：それぞれの含有量をＷ_Ｍｏ（質量％）、Ｗ_Ｗ（質量％）と表示したときに、Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗに基づく計算値が４質量％以下となる含有量
Ｍｏ，Ｗはいずれも炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性の向上に寄与し、また焼入れ性の向上にも寄与する。上記式の計算値が０．１質量％以上となる量を添加することが、上記効果との関係で好ましいが、過剰に添加すると、靭性低下が引き起こされるので、含有量の上限は上記式の計算値で４質量％とすることが好ましい。なお、Ｍｏは耐食性向上のために添加される場合もある。
【００７６】
（１５）Ｃｏ：２質量％以下、Ｎｂ：１質量％以下、Ｖ：１質量％以下
Ｃｏ，Ｎｂ，Ｖは、いずれも鋼中に微細に分散して靭性の向上に資する。しかしながら、過剰に含有させると、炭化物を形成して工具鋼Ｂの被削性の向上を阻害する。このようなことから、Ｃｏは２質量％以下、Ｎｂは１質量％以下、Ｖは１質量％以下にすることが好ましい。
【００７７】
（１６）Ｎ：０．０４質量％以下、Ｏ：０．０３質量％以下
ＮおよびＯは、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の構成元素であるＴｉ，Ｚｒや他の元素Ａｌなどと結合して窒化物や酸化物を形成する。とくに、Ｔｉとの結合力が強く、目的とするＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成を阻害する。その上、これらの窒化物、酸化物は、硬質であり、窒素量や酸素量が高くなるにつれ、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物が形成されてきて、その面積率が増大する。
【００７８】
また、個々の介在物の大きさは、Ｎ，Ｏの含有量が多くなるにつれて大きくなることがあり、工具鋼Ｂの鏡面性を阻害し、被削性と靭性も低下させる。
このようなことから、Ｎは０．０４質量％以下、Ｏは０．０３質量％以下にすることが好ましい。より好ましくは、Ｎは０．０１質量％以下、Ｏは０．００５質量％以下である。
【００７９】
（１７）Ｃａ：０．００５質量％以下
Ｃａは熱間加工性の向上に寄与し、また硫化物や酸化物を形成して被削性の向上にも寄与する。しかし、あまり多量に含有させても、その効果は飽和に達するので、その含有量は０．００５質量％以下にする。
（１８）Ｐｂ：０．２質量％以下、Ｂｉ：０．２質量％以下
Ｐｂ，Ｂｉはいずれも鋼中に分散して被削性の向上に寄与する。しかし、あまり多量に含有させると、工具鋼Ｂの熱間加工性が低下するので、その含有量は０．２質量％を上限とする。
【００８０】
（１９）Ｔａ：０．０５質量％以下
Ｔａは微細な炭化物を形成して結晶粒の微細化を実現することにより、工具鋼Ｂの靭性向上に寄与する。しかし、あまり多量に含有させてもその効果は飽和に達するので、含有量は０．０５質量％を上限とする。
（２０）Ｂ：０．０１質量％以下
Ｂは焼入れ性の向上に寄与し、また結晶粒の粗大化を抑制することに寄与する。しかし、多く含有させてもその効果は飽和に達するので、含有量は０．０１質量％を上限とする。
【００８１】
（２１）希土類元素：０．５質量％以下
Ｏ，Ｐなどの不純物を固定し、基地の清浄度を高め、また靭性の向上に寄与する。しかし、多量に含有させると、工具鋼Ｂには地疵が発生するようになるので、その含有量は０．５質量％以下にすることが好ましい。
この工具鋼Ｂは、被削性が優れているだけではなく耐食性、耐錆性や鏡面性も優れている。したがって、この工具鋼Ｂは、とくに、耐食性や耐錆性が要求されるプラスチック成形用金型、塩ビ成形用金型、ハロゲン系ガス環境で使用される、金型、あるいは高い鏡面研磨性が要求される金型、微細な加工部品を成型する金型などの材料として好適である。
【００８２】
次に、本発明の工具鋼Ｃについて詳細に説明する。
この工具鋼Ｃは硬さ（ＨＲＣ）が２８〜４３に調整されたプレハードン鋼である。一般に、このようなプレハードン状態では難加工性であるが、工具鋼Ｃは、前記した快削性付与化合物相を含んでいるので被削性に優れ、また鏡面性と耐食性にも優れている。更には、所定の熱処理の結果、ＨＲＣが４３〜５５と高硬度になった場合でも充分な被削性を備えている。
【００８３】
まず、この工具鋼Ｃにおいては、工具鋼Ａおよび工具鋼Ｂの場合と同様に、鋼中に、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を主体とする快削性付与化合物相が形成されている。
その場合、Ｘ値、Ｙ値は、工具鋼Ａの場合と同様の理由で、それぞれ、０．０３〜１．２質量％、０．０１〜０．４質量％に設定され、Ｔｉまたは／およびＺｒ、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量は上記Ｘ値、上記Ｙ値を満足する含有量に設定されている。
【００８４】
そして、Ｘ値、Ｙ値、Ｗ_Ｃ値の場合では、１．５≦Ｘ／Ｙ≦５、０．２≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦３．５の関係が成立している。
また、工具鋼Ｃの断面研磨を行ったときに、その研磨表面における快削性付与化合物相の面積率は０．０３〜５％になっている。
この工具鋼Ｃに含有される元素の含有範囲の限定理由について説明する。
【００８５】
（１）Ｃ：０．００１〜０．５質量％
Ｃは工具鋼としての硬さを確保するための必須元素であり、同時に、前記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を形成するための必須元素である。
これらの効果を発揮させるために、Ｃの含有量は０．００１質量％以上であることが必要である。しかしながら、あまり過剰に含有させると、工具鋼Ｂの靭性低下の外に、Ｃｒ系炭化物が形成されて耐食性の低下も引き起こされてくる。このようなことから、Ｃの含有量は０．００１〜０．５質量％に設定される。
【００８６】
その場合、Ｃの含有量を０．０１〜０．３質量％（またはＷ_Ｃ／Ｘを０．２〜２．５）と少なくすると、焼入れ焼戻しによって得られる硬さは低下するが、被削性は向上する。Ｃ含有量が少ない場合は、被削性の向上を保証するＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物が主体となって形成され、被削性に悪影響を及ぼす例えばＴｉ炭化物の形成が抑制されるからである。したがって、上記した範囲内において、Ｃ含有量を少なくすると、得られた工具鋼Ｃの被削性を非常に高くすることが可能となる。
【００８７】
他方、Ｃの含有量を０．３〜０．５質量％（またはＷ_Ｃ／Ｘを１．５〜３．５）と多くすると、焼入れ焼戻し後の最高硬さでＨＲＣ４８〜６０とすることができる。また、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の外にＴｉ炭化物も形成されるようになり、これら介在物の平均的サイズも小さくなる。
更には、工具鋼Ｃそれ自体の硬度も増したので、鏡面研磨を行った場合でも、研磨表面への研磨砥粒の喰い込みも少なくなり、上記介在物の脱落も起こりにくくなる。また、Ｓを含むＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の場合よりも、Ｓを含まないＴｉ炭化物の方が介在物それ自体としての耐食性も良好である。
【００８８】
このようなことから、硬さ、耐食性、鏡面性のことを考慮した場合には、Ｃ含有量を０．３〜０．５質量％に設定することが好ましい。なお、この場合でも、良好な被削性は保証されている。
（２）Ｓｉ：０．０１〜２質量％
Ｓｉは脱酸剤として機能し、その含有量は０．０１質量％以上であることが必要である。しかしながら、含有量が多すぎると、工具鋼Ｃの靭性低下が引き起こされ、またＣｒやＭｏなどの偏析を助長するようになるので、その含有量は１．５質量％以下に設定される。なお、０．３質量％以上添加すると、被削性を向上させることもできる。
【００８９】
（３）Ｍｎ：０．０１〜０．８質量％
Ｍｎは焼入れ性を向上させ、更には硬さを高めることに寄与するが、他方では、Ｓ（Ｓ相当元素）と結合してＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物を形成して粗大な介在物が形成されるため、工具鋼Ｃの鏡面性が劣化する。このようなことから、Ｍｎの含有量は少ない方がよいが、上記した硬さを高める効果も考慮して具体的には０．０１〜０．８質量％に設定される。
【００９０】
（４）Ｃｕ：０．０１〜５質量％
Ｃｕは、Ｎｉ，Ａｌの場合と同様に、その含有量が０．０１質量％以上であると、時効硬化により工具鋼Ｂの硬さを高めることに寄与する。しかしながら、過剰に添加されていると、工具鋼Ｂの熱間加工性が低下する。このようなことから、Ｃｕの含有量は０．０１〜５質量％に設定される。
【００９１】
（５）Ｎｉ：０．０１〜５質量％
ＮｉはＭｎと同様にオーステナイト化元素であり、含有量が０．０１質量％以上であると耐食性の向上効果に寄与する。しかしながら、過剰に添加されていると、工具鋼Ｃの熱間加工性は低下する。このようなことから、Ｎｉの含有量は０．０１〜５質量％以下に規制される。
【００９２】
（６）Ｃｒ：８〜１７質量％
Ｃｒは工具鋼Ｃの耐食性を向上させる。また、基地の強化や耐摩耗性の向上に資する。含有量が８質量％より少ない場合は上記した効果は得られず、しかし多すぎると被削性の低下が起こるので１７質量％を上限とする。好ましくは１１〜１７質量％である。
【００９３】
（７）Ｍｏ：０．０１〜５質量％
Ｍｏが０．０１質量％含有されていると、工具鋼Ｃの酸に対する耐食性は向上し、また基地は強化され、硬さも高くなる。しかし、過剰に含有されていると、炭化物の形成が進んで工具鋼Ｃの耐食性は低下するので、５質量％を上限とする。
【００９４】
（８）Ｘ／Ｙ：１．５〜５
Ｘ／Ｙ値を調節することにより、鋼中に、ＴｉＣのようなＴｉ系炭化物や、ＴｉＳのようなＴｉ系硫化物を形成することができる。
そして、これらのうち、Ｔｉ系硫化物は工具鋼Ｃの被削性の向上に寄与し、またＴｉ系炭化物は工具鋼Ｃの耐食性や鏡面性の向上に寄与する。したがって、工具鋼Ｃに対する要求特性との関係で、上記したＴｉ系硫化物やＴｉ系炭化物が形成されるように、各元素の含有量を調整してもよい。
【００９５】
その場合、Ｘ／Ｙ値が１．５〜３の範囲内にあるときには、Ｔｉ系硫化物が形成され、またＸ／Ｙ値が３〜５の範囲内にあるときには、Ｔｉ系炭化物が形成されやすい。
しかしながら、これらＴｉ系硫化物やＴｉ系炭化物の形成量が多くなりすぎると、被削性を規定する快削性付与化合物相の形成量が少なくなって被削性の低下が引き起こされるので、Ｘ／Ｙ値は１．５〜５の範囲内に設定される。
【００９６】
次に、本発明の工具鋼Ｃにおける付加可能な要件を説明する。
（９）Ｗ：５質量％以下、Ｖ：３質量％以下、Ｃｏ：３質量％以下、Ｎｂ：１質量％以下
これらの元素は、いずれも、鋼中に微細に分散して靭性の向上に資する。しかし、あまり多く含まれていると、炭化物の形成によって被削性が低下するので、Ｗは５質量％以下、Ｖは３質量％以下、Ｃｏは３質量％以下、Ｎｂは１質量％以下にすることが好ましい。
【００９７】
（１０）Ａｌ：３質量％以下
Ａｌは脱酸剤であり、Ｎｉと同時添加されると、時効硬化して工具鋼Ｃの硬さが高くなる。しかし、あまり多く含まれていると、靭性低下や鏡面性の低下および放電加工性の低下が引き起こされるので、その含有量は３質量％以下にすることが好ましい。
【００９８】
（１１）Ｃａ：０．０１質量％以下
Ｃａは熱間加工性の向上に寄与し、また硫化物や酸化物を形成して被削性の向上にも寄与する。しかし、あまり多量に含有させても、その効果は飽和に達するので、その含有量は０．０１質量％以下にする。
（１２）Ｐｂ：０．２質量％以下、Ｐ：０．１質量％以下、Ｂｉ：０．２質量％以下、Ｓｎ：０．５質量％以下、Ａｓ：０．５質量％以下
これら元素はいずれも鋼中に分散して工具鋼Ｃの被削性を高めるので、工具鋼Ｃの被削性を高めようとする場合に添加される。しかし、あまり多く含まれていると、熱間加工性が低下するので、Ｐｂは０．２質量％以下、Ｐは０．１質量％以下、Ｂｉは０．２質量％以下、Ｓｎは０．５質量％以下、Ａｓは０．５質量％以下にする。
【００９９】
（１３）Ｔａ：０．０５質量％以下
Ｔａは微細な炭化物を形成して結晶粒の微細化を実現することにより、工具鋼Ｃの靭性向上に寄与する。しかし、あまり多量に含有させてもその効果は飽和に達するので、含有量は０．０５質量％以下とする。
（１４）Ｂ：０．０１質量％以下
Ｂは焼入れ性の向上に寄与するが、あまり多く含有させると工具鋼Ｃの熱間加工性や靭性が低下するので、その含有量は０．０１質量％以下にする。
【０１００】
（１５）希土類元素：０．５質量％以下
Ｏ，Ｐなどの不純物を固定し、基地の清浄度を高め、また靭性の向上に寄与する。しかし、多量に含有させると、工具鋼Ｃには地疵が発生するようになるので、その含有量は０．５質量％以下にすることが好ましい。
（１６）Ｈ：０．０３質量％以下、Ｎ：０．０２質量％以下、Ｏ：０．０２質量％以下
Ｈは、鋼中に不可避に含まれる元素であり、微量のときは被削性の向上に資するが、しかし、これは結晶粒界で濃化して結晶粒界の脆化を引き起こす。そのため、Ｈ含有量が微量である場合は、工具鋼Ｃの被削性を向上させることができるが、含有量が多くなると、靭性の低下や遅れ破壊などの特性劣化が引き起こされる。このようなことから、Ｈの含有量は０．０３質量％以下に設定される。
【０１０１】
また、ＮおよびＯは、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の構成元素であるＴｉ，Ｚｒや他の元素Ａｌなどと結合して窒化物や酸化物を形成する。とくに、Ｔｉとの結合力が強く、目的とするＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の形成を阻害する。その上、これらの窒化物、酸化物は、硬質であり、窒素量や酸素量が高くなるにつれ、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物が形成されて、その面積率が増大する。
【０１０２】
また、個々の介在物の大きさは、Ｎ，Ｏの含有量が多くなるにつれて大きくなることがあり、工具鋼Ｃの鏡面性を阻害し、被削性と靭性も低下させる。
このようなことから、Ｎは０．０２質量％以下、好ましくは０．０１質量％以下、Ｏは０．０２質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下にする
【０１０３】
【実施例】
実施例鋼１〜１７、比較例鋼１〜１１
表１〜４に示す組成の実施例鋼および比較例鋼、従来鋼の１５０ｋｇ鋼塊を、以下にような方法で溶製した；
実施例鋼１〜８：大気誘導炉による１次溶解のみ
実施例鋼９，１０：大気誘導炉による１次溶解、ついでＶＡＲで２次溶解
実施例鋼１１，１２：大機誘導炉による１次溶解、ついでＥＳＲで２次溶解
実施例鋼１３〜１７：真空誘導炉による１次溶解のみ
比較例鋼１〜６：大気誘導炉による１次溶解、ついでＶＡＲで２次溶解
比較例鋼７〜１１：大気誘導炉による１次溶解。
【０１０４】
得られた各鋼塊を１２００℃に加熱保持したのち、熱間鍛造により断面が１２０ｍｍ×８０ｍｍの角棒に加工した。これを８５０〜９３０℃で３０分間加熱したのち、油冷もしくはガス冷却して溶体化処理し、その後、４８０〜５４５℃で５時間加熱し、ガス冷却することにより時効析出処理を行った。
【０１０５】
【表１】

【０１０６】
【表２】

【０１０７】
【表３】

【０１０８】
【表４】

【０１０９】
次に、各角棒の表面を研磨し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により組織観察するとともに、観察された非金属介在物の種別（Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物とそれ以外のもの）を電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）により特定し、さらにそれぞれの面積率と、それら非金属介在物の円換算直径の最大値を画像解析により求めた。
次に、上記の各角棒を個別の試験片に加工し、以下の評価試験を行った。
【０１１０】
１．被削性評価
試験片形状は５５ｍｍ×５５ｍｍ×２００ｍｍの角棒状とした。
被削性の評価は、被切削加工時に工具摩耗量により評価する。
切削工具は、超硬エンドミル（工具直径３２ｍｍ）を使用し、ＵＴｉ２０Ｔを用い、スローアウェー、ダンカットで深さ４ｍｍの側面加工を、切り込み幅１ｍｍ、切削速度３００ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０４ｍｍ／刃、乾式の条件で切削長３００００ｍｍ時におけるエンドミル工具横逃げ面の平均摩耗幅（Ｖｂａｖｅ（ｍｍ））を測定した。
【０１１１】
また被削材は、いずれの鋼でも熱処理をし、ＨＲＣ硬さで、４０±３以内に調整されたものを使用した。摩耗量は、被削性向上元素が添加されておらず、快削性付与化合物相の形成もされていない比較例鋼１を基準とした相対値（％）で求めた。
２．靭性評価
靭性の評価は、シャルピー衝撃試験（ＪＩＳ：Ｚ２２４２）により実施した。
【０１１２】
試験片は、角棒のＴ方向とＬ方向からいわゆる２ｍｍＵノッチ試験片（ＪＩＳ：Ｚ２２０２の３号試験片）として作製した。そして、シャルピー衝撃試験片を用い、ＪＩＳ；Ｚ２２４２に規定されたシャルピー衝撃試験を行うとともに、ノッチ方向が鍛伸方向と平行となるＴ方向試験片と、同じく垂直となるＬ方向試験片との双方について試験を行ったときに、Ｔ方向試験片について得られるシャルピー衝撃値をＩ_Ｔ、Ｌ方向試験片について得られるシャルピー衝撃値をＩ_Ｌとして、Ｉ_Ｔ／Ｉ_Ｌ（Ｔ／Ｌ）を求めた。試験片は、その硬さが熱処理によりＨＲＣ４０±３以内に調整したものを使用した。
【０１１３】
３．鏡面研磨性評価
ダイヤモンド回転砥石による機械研磨により、砥石番手を＃１５０→＃４００→＃８００→＃１５００→＃３０００と順に細かくして鏡面研磨を行い、ＪＩＳ：Ｂ０６０１（１９９４）に規定された方法により、研磨表面上に任意に選んだ５箇所において基準長１５ｍｍで表面粗さ測定を行い、算術平均粗さＲａを前記５箇所の平均値として求めた。
【０１１４】
以上の結果を表５〜６に示す。
なお、表中には、各鋼につき、表１〜４のデータに基づくＸ値、Ｙ値、Ｘ／Ｙ値、Ｗ_Ｃ／Ｘ値の計算結果も示した。
【０１１５】
【表５】

【０１１６】
【表６】

【０１１７】
表１〜６から明らかなように、Ｘ値、Ｙ値、Ｘ／Ｙ値、Ｗ_Ｃ／Ｘ値が本発明で規定した値になっているいずれの実施例鋼も、被削性と鏡面研磨性のいずれにも優れ、かつ靭性の異方性も小さく、快削工具鋼として良好な性能を充足していることがわかる。とくに、２次溶解を行って介在物の円換算直径の最大値（表中では「最大の大きさ」と表示している）を５０μｍ以下に留めたものは、鏡面研磨性が極めて良好になっている。
【０１１８】
実施例鋼１８〜５１、比較例鋼１２〜２７
表７〜１４で示した組成の鋼塊を、大気誘導炉または真空誘導炉を用いて製造した。なお、一部の実施例鋼については、上記鋼塊を更にＶＡＲ，ＥＳＲで２次溶解してインゴットにした。
実施例鋼２０，２６，４１，４５：大気誘導炉による１次溶解→ＶＡＲによる２次溶解
実施例鋼２１，３１，３５，４８：大気誘導炉による１次溶解→ＥＳＲによる２次溶解
実施例鋼１８，２９，３７，４３：真空誘導炉による１次溶解
なお、表中には、各鋼に関するＸ値、Ｙ値、Ｘ／Ｙ値、ＷＣ／Ｘ値も示した。
【０１１９】
また、表には、Ｔｉ相当元素とＳ相当元素を含まない鋼を従来鋼として示した。
【０１２０】
【表７】

【０１２１】
【表８】

【０１２２】
【表９】

【０１２３】
【表１０】

【０１２４】
【表１１】

【０１２５】
【表１２】

【０１２６】
【表１３】

【０１２７】
【表１４】

【０１２８】
各インゴットを温度１２００℃で加熱保持したのち、熱間鍛造で断面が１５０ｍｍ×９０ｍｍの角棒にした。
この角棒を用い、以下のようにしてＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の面積率を測定した。
（１）Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の面積率
各角棒の表面を研磨し、その研磨表面をＳＥＭで組織観察してＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を電子プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）で特定し、その面積率（％）を求めた。
【０１２９】
ついで、角棒から、実施例鋼１〜１７の場合と同様にして、２ｍｍＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を靭性評価用の試験片として、また５０ｍｍ×４５ｍｍ×２５０ｍｍ試験片を被削性評価用の試験片として粗加工した。そして、これらの試験片に次のような熱処理を施した。
すなわち、温度８００〜９００℃で３０分保持したのち徐冷し、更に温度６００℃以下のガス冷却を行う球状化焼きなまし処理、温度６００〜８５０℃で３時間保持したのちガス冷却する低温焼きなまし処理、温度７５０〜１１００℃で１５〜６０分間保持したのち水冷却またはガス冷却を行う焼入れまたは溶体化処理、温度２００〜６８０℃で３０分〜６時間保持したのちガス冷却または空冷を行う焼戻しまたは時効処理を順次行った。
【０１３０】
熱処理後の試験片を精密加工したのち、下記の評価試験を行った。
（２）靭性評価
実施例鋼１〜１７と同様にして、Ｉ_Ｔ，Ｉ_Ｌを測定した。
なお、評価試験に先立ち、各試験片に、焼きなまし後、焼入れ焼戻しまたは溶体化・時効処理をそれぞれ行い、そのときの硬さを測定した。
【０１３１】
（３）被削性評価
超硬エンドミル（直径３２ｍｍ）：ＵＴｉ２０Ｔを用い、スローアウェー、ダウンカットで、深さ５ｍｍの側面加工を、切り込み幅１．５ｍｍ、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０３ｍｍ／刃、乾式の条件で切削長３００００ｍｍ時における工具摩耗量を測定。
【０１３２】
なお、評価試験に先立ち、各試験片には、球状化焼きなまし、または、溶体化−時効処理、または焼入れ焼戻しを行い、そのときの硬さを測定した。
従来鋼の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で摩耗量を表示した。
具体的にいうと、比較例鋼１２〜１５，実施例鋼１８〜２５に関しては、従来鋼５の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で、比較例鋼１６〜１９，実施例鋼２６〜３３に関しては、従来鋼６の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で、比較例鋼２０〜２３，実施例鋼３４〜４１に関しては、従来鋼７の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で、比較例鋼２４〜２７，実施例鋼４２〜５１に関しては、従来鋼８の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で示した。
【０１３３】
以上の結果を一括して表１５，１６に示した。
【０１３４】
【表１５】

【０１３５】
【表１６】

【０１３６】
実施例鋼５２〜７５、比較例鋼２８〜３５
表１７〜２１で示した組成の鋼塊を、大気誘導炉または真空誘導炉を用いて製造した。なお、一部の実施例鋼については、上記鋼塊を更にＶＡＲ，ＥＳＲで２次溶解してインゴットにした。
実施例鋼５４，７２：大気誘導炉による１次溶解→ＶＡＲによる２次溶解
実施例鋼５９，７３：大気誘導炉による１次溶解→ＥＳＲによる２次溶解
実施例鋼６２，６７：真空誘導炉による１次溶解
【０１３７】
【表１７】

【０１３８】
【表１８】

【０１３９】
【表１９】

【０１４０】
【表２０】

【０１４１】
【表２１】

【０１４２】
各インゴットを温度１２００℃で加熱保持したのち、熱間鍛造で断面が１３０ｍｍ×７０ｍｍの角棒にした。
（１）Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の面積率
各角棒の表面を研磨し、その研磨表面をＳＥＭで組織観察して介在物の大きさを測定して７０μｍ以下の介在物の有無を観察した。同時にＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を電子プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）で特定し、その面積率（％）を求めた。
【０１４３】
ついで、角棒から、実施例鋼１〜１７の場合と同様にして、２ｍｍＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を靭性評価用の試験片として、また５５ｍｍ×５５ｍｍ×２００ｍｍ試験片を被削性評価用の試験片として粗加工した。
また、６０ｍｍ×５５ｍｍ×１５ｍｍ試験片を鏡面性評価用試験片として、５０ｍｍ×２０ｍｍ×８ｍｍ試験片を耐食性評価用試験片としてそれぞれ作製した。
【０１４４】
これらの試験に対し、次のような熱処理を行った。
すなわち、温度８５０〜９００℃で３０分保持し、６００℃まで徐冷したのち空冷する球状化焼きなまし処理、温度６００〜８５０℃で３時間保持したのちガス冷却する低温焼きなまし処理、温度９５０〜１０８０℃で２０分〜２時間保持したのち油冷却またはガス冷却を行う焼入れまたは溶体化処理、温度２００〜６８０℃で３０分〜３時間保持したのちガス冷却または空冷を行う焼戻しまたは時効処理を順次行った。
【０１４５】
熱処理後の試験片に精密加工を行った後、次のような評価試験を行った。
（２）靭性評価
実施例鋼１〜１７と同様にして、Ｔ方向とＬ方向のシャルピー衝撃値を測定した。
なお、試験は常温で行い、各試験片の硬さはプレハードン状態とした。
【０１４６】
（３）被削性評価
切削速度が１５０ｍ／ｍｉｎ、切削長が２００００ｍｍであったことを除いては、実施例鋼１〜１７の場合と同様の条件で被削試験を行い、従来鋼の摩耗量を１００とする相対値（％）で評価。
具体的には、比較例鋼２８〜３１，実施例鋼５２〜６７，従来鋼１０に関しては、従来鋼９の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で、比較例鋼３２〜３５，実施例鋼６８〜７５に関しては、従来鋼１１の摩耗量を１００としたときの相対値（％）で示した。
【０１４７】
（３）鏡面性評価
実施例鋼１〜１７の場合と同じ方法で評価。
（４）耐食性評価
鏡面性の評価試験を行った試験片に、ＪＩＳ　Ｚ２３７１で規定する塩水噴霧試験を４８時間実施し、目視観察した。
【０１４８】
Ａ：錆なし、Ｂ：面積率２０％未満で錆あり、Ｃ：面積率２０〜６０％で錆あり、Ｄ：ほぼ全面に錆あり、と評価した。
以上の結果を表２２，２３に示す。
【０１４９】
【表２２】

【０１５０】
【表２３】

【０１５１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の工具鋼は、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を主体とする快削性付与化合物相を適切な面積率で組織中に分散形成しているので、優れた被削性を備えると同時に研磨表面においては良好は鏡面性を備えている。また、その特性発揮が阻害されないことを前提として、他の成分組成を設計することにより優れた耐食性を備えている。
【０１５２】
したがって、この工具鋼は、プラスチック成形用の金型、とりわけ耐食性、耐錆性が要求される金型の材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】工具鋼Ａにおいて、Ｘ／Ｙ値とＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物以外の介在物面積率との関係を示すグラフである。
【図２】工具鋼Ａにおいて、Ｗ_Ｃ／Ｘ値とＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物の介在物面積率との関係を示すグラフである。
【図３】工具鋼Ａにおいて、Ｍｎ含有量とＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を含む介在物の面積率との関係を示すグラフである。
【図４】工具鋼Ａにおいて、Ｎ含有量とＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物を含む介在物の面積率との関係を示すグラフである。
【図５】工具鋼Ａにおいて、Ｎ含有量と介在物寸法との関係を示すグラフである。

Claims (15)

1. Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．００１〜０．４質量％、Ｓｉの含有量が０．０２〜２質量％、Ｎｉの含有量が０．１〜６質量％、Ｃｒの含有量が０．１〜１０質量％、Ａｌの含有量が０．１〜３質量％、Ｍｎの含有量が０．７質量％以下であり、
   Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量であり、
   Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量であり、かつ、
   Ｃの含有量をＷ_Ｃと表示したときに、前記Ｘ値と前記Ｙ値と前記Ｗ_Ｃ値の間では、２．２５≦Ｘ／Ｙ≦３．７、０．１≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦０．６５の関係が成立しており、かつ、
   Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていて、研磨表面で観察される前記快削性付与化合物相の面積率が０．０５〜５％であることを特徴とする快削性工具鋼。
2. Ｎの含有量が０．０１５質量％以下、Ｏの含有量が０．０１質量％以下に規制される請求項１の快削性工具鋼。
3. 研磨表面を観察したときに、前記快削性付与化合物相を含めた非金属介在物の大きさの円換算直径寸法の最大値が５０μｍ以下である請求項１または２の快削性工具鋼。
4. Ｃｕの含有量が０．１〜５質量％である請求項１〜３のいずれかの快削性工具鋼。
5. Ｍｏまたは／およびＷのそれぞれの含有量をＷ_Ｍｏ（質量％）、Ｗ_Ｗ（質量％）と表示したときに、次式：Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗに基づく計算値が４質量％以下となる含有量のＭｏまたは／およびＷと、含有量が１質量％以下であるＶと、含有量が１質量％以下であるＣｏと、含有量が１質量％以下であるＮｂとの群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項１〜４のいずれかの快削性工具鋼。
6. 含有量が０．００５質量％以下であるＣａと、含有量が０．２質量％以下であるＰｂと、含有量が０．２質量％以下であるＢｉと、含有量が０．０５質量％以下であるＴａと、含有量が０．０１質量％以下であるＢと、含有量が０．５質量％以下である希土類元素との群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項１〜５のいずれかの快削性工具鋼。
7. 焼入れ焼戻し処理で、ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）が３３〜４８に調整されている請求項１〜６のいずれかの快削性工具鋼。
8. Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．００１〜０．６質量％、Ｎｉの含有量が６質量％以下、Ｃｕの含有量が５質量％以下、Ａｌの含有量が３質量％以下、Ｓｉの含有量が２質量％以下、Ｍｎの含有量が３質量％以下であり、
   Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜３．５質量％となる含有量であり、
   Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜１質量％となる含有量であり、
   前記Ｘ値と前記Ｙ値の間では、次式：１≦Ｘ／Ｙ≦４の関係が成立しており、含有量が０．００５〜０．５質量％であるＳｎと、含有量が０．００５〜０．５質量％であるＡｓと、含有量が０．００５〜０．０３質量％であるＨとの群から選ばれる少なくとも１種が含有されており、かつ、
   Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていることを特徴とする快削性工具鋼。
9. Ｍｏまたは／およびＷのそれぞれの含有量をＷ_Ｍｏ（質量％）、Ｗ_Ｗ（質量％）と表示したときに、次式：Ｗ_Ｍｏ＋０．５Ｗ_Ｗに基づく計算値が４質量％以下となる含有量のＭｏまたは／およびＷと、含有量が２２質量％以下であるＣｒと、含有量が２質量％以下であるＣｏと、含有量が１質量％以下であるＮｂと、含有量が１質量％以下であるＶと、含有量が０．００５質量％以下であるＣａと、含有量が０．２質量％以下であるＰｂと、含有量が０．２質量％以下であるＢｉと、含有量が０．０５質量％以下であるＴａと、含有量が０．０１質量％以下であるＢと、含有量が０．５質量％以下である希土類元素（含有量が０．０４質量％以下であるＮと、含有量が０．０３質量％以下であるＯ）との群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項８の快削性工具鋼。
10. 研磨表面で観察される前記快削性付与化合物相の面積率が０．０３〜５％であり、かつ、Ｃの含有量をＷ_Ｃと表示したときに、Ｗ_Ｃと前記Ｘ値と前記Ｙ値との間では、０．０３質量％≦Ｘ≦１．２質量％、０．０１質量％≦Ｙ≦０．４質量％、１．５≦Ｘ／Ｙ≦３．５、０．１≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦３．５の関係が成立している請求項８または９の快削性工具鋼。
11. Ｆｅを主成分とし、Ｃの含有量が０．０１〜０．５質量％、Ｓｉの含有量が０．０１〜２質量％、Ｍｎの含有量が０．０１〜０．８質量％、Ｃｕの含有量が０．０１〜５質量％、Ｎｉの含有量が０．０１〜５質量％、Ｃｒの含有量が８〜１７質量％、Ｍｏの含有量が０．０１〜５質量％であり、
    Ｔｉまたは／およびＺｒの含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｔｉ（質量％）、Ｗ_Ｚｒ（質量％）と表示したときに、次式：Ｘ＝Ｗ_Ｔｉ＋０．５２Ｗ_Ｚｒに基づく計算値が０．０３〜１．２質量％となる含有量であり、
    Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種の含有量が、それぞれの含有量をＷ_Ｓ（質量％）、Ｗ_Ｓｅ（質量％）、Ｗ_Ｔｅ（質量％）と表示したときに、次式：Ｙ＝Ｗ_Ｓ＋０．４Ｗ_Ｓｅ＋０．２５Ｗ_Ｔｅに基づく計算値が０．０１〜０．４質量％となる含有量であり、かつ、
    Ｃの含有量をＷ_Ｃと表示したときに、前記Ｘ値と前記Ｙ値と前記Ｗ_Ｃ値の間では、１．５≦Ｘ／Ｙ≦５、０．２≦Ｗ_Ｃ／Ｘ≦３．５の関係が成立しており、かつ、
    Ｔｉまたは／およびＺｒを金属元素成分の主成分とし、Ｃを必須成分とし、Ｓ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種を含む快削性付与化合物相が組織の中に分散して形成されていて、研磨表面で観察される前記快削性付与化合物相の面積率が０．０３〜５％であり、
    ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）が２８〜４３に調整されているプレハードン鋼であることを特徴とする快削性工具鋼。
12. 含有量が５質量％以下であるＷと、含有量が３質量％以下であるＶと、含有量が３質量％以下であるＣｏと、含有量が１質量％以下であるＮｂと、含有量が３質量％以下であるＡｌと、含有量が０．０１質量％以下であるＣａと、含有量が０．２質量％以下であるＰｂと、含有量が０．１質量％以下であるＰと、含有量が０．２質量％以下であるＢｉと、含有量が０．０５質量％以下であるＴａと、含有量が０．０１質量％以下であるＢと、含有量が０．５質量％以下であるＳｎと、含有量が０．５質量％以下であるＡｓと、含有量が０．０３質量％以下であるＨと、含有量が０．５質量％以下である希土類元素との群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項１１の快削性工具鋼。
13. 含有量が０．００２０質量％以下のＮと含有量が０．００２０質量％以下のＯを含有する請求項１１または１２の快削性工具鋼。
14. 研磨表面を観察したときに、前記快削性付与化合物相を含めた非金属介在物の大きさの円換算直径寸法の最大値が７０μｍ以下である請求項１１〜１３のいずれかの快削性工具鋼。
15. 前記快削性付与化合物相が、次式：
    Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２
    （ただし、ＭはＴｉまたは／およびＺｒのＴｉ相当元素を表し、ＱはＳ，ＳｅおよびＴｅの群から選ばれる少なくとも１種のＳ相当元素を表す）
    で示される組成の化合物相を主体とする請求項１，８または１１の快削性工具鋼。

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