JP2005336553A - Hot tool steel - Google Patents

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JP2005336553A JP2004157270A JP2004157270A JP2005336553A JP 2005336553 A JP2005336553 A JP 2005336553A JP 2004157270 A JP2004157270 A JP 2004157270A JP 2004157270 A JP2004157270 A JP 2004157270A JP 2005336553 A JP2005336553 A JP 2005336553A
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hot
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Koichiro Inoue
幸一郎 井上
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide hot tool steel having a low dependency of impact value on cooling rate and also having excellent toughness, hardness, machinability and heat check resistance. <P>SOLUTION: The hot tool steel has a composition consisting of, by weight, 0.3 to 0.5% C, 0.2 to 1.0% Si, 0.5 to 2.5% Mn, 0.001 to 0.05% P, 0.01 to 0.06% S, 3.0 to 6.0% Cr, 0.5 to 3.0% (Mo+1/2W), 0.3 to 1.5% V, 0.001 to 0.02% Al, 0.005 to 0.025% N, 0.001 to 0.01% O, 0.0001 to 0.01% Ca and the balance Fe with impurities and is refined to 38 to 52 HRC after quench-and-temper treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、熱間工具鋼に関し、さらに詳しくは、焼入れ焼戻し処理によって硬さを調節した後、切削加工により、熱間鍛造型、熱間プレス型、ダイカスト型、熱間押し出し型等の各種工具形状に仕上げるための熱間工具鋼に関する。   The present invention relates to a hot tool steel, and more specifically, various tools such as a hot forging die, a hot press die, a die cast die, a hot extrusion die, etc., after adjusting the hardness by quenching and tempering treatment. The present invention relates to hot work tool steel for finishing into a shape.

従来、熱間鍛造型、熱間プレス型、ダイカスト型、熱間押し出し型等の用途には、JIS−SKD6、SKD61、SKD62などの5%Cr系の熱間工具鋼が使用されてきた。従来、これらの熱間工具鋼は、焼きなまし材を粗加工した後、焼入れ焼戻しにより目的とする硬さに調整し、さらに仕上げの加工により所定の金型形状とするのが一般的である。   Conventionally, 5% Cr-based hot tool steels such as JIS-SKD6, SKD61, and SKD62 have been used for applications such as hot forging dies, hot pressing dies, die casting dies, and hot extrusion dies. Conventionally, these hot work tool steels are generally processed by roughing an annealed material, adjusted to a desired hardness by quenching and tempering, and further processed into a predetermined mold shape by finishing.

しかしながら、このような工程では、金型完成までに非常に長い時間を要するという問題があった。そこで、近年では、金型の製造期間の短縮、納期の短縮、及び、製造コストの軽減を目的に、事前に焼入れ焼戻しされた素材(プレハードン材)を直接、金型に加工する工法が用いられてきている。   However, such a process has a problem that it takes a very long time to complete the mold. Therefore, in recent years, for the purpose of shortening the mold production period, shortening the delivery time, and reducing the production cost, a method of directly processing a pre-hardened material (pre-hardened material) into a mold is used. It is coming.

プレハードン材は、焼ならし材に比べて非常に硬く、被削性が悪い。そのため、従来の材料からなるプレハードン材に対して切削加工を行うと、工具寿命が短くなるという問題がある。この問題を解決する手段としては、例えば、JIS−SKD6、SKD61、SKD62等の熱間工具鋼に微量の硫黄を添加し、被削性を改善する方法が知られている。   Pre-hardened materials are very hard and poor in machinability compared to normalized materials. Therefore, there is a problem that the tool life is shortened when cutting is performed on a pre-hardened material made of a conventional material. As means for solving this problem, for example, a method is known in which a small amount of sulfur is added to hot tool steel such as JIS-SKD6, SKD61, and SKD62 to improve machinability.

また、特許文献1には、所定の組成を有し、かつ、マルテンサイトのパケットサイズをオーステナイト結晶粒度番号で評価した8番と同等かそれより大きく調整した高強度プレハードン鋼材が開示されている。同文献には、マルテンサイトのパケットサイズを相対的に大きくすることによって、強度及び延性のバランスを維持したまま、被削性を向上できる点が記載されている。   Further, Patent Document 1 discloses a high-strength pre-hardened steel material having a predetermined composition and having the martensite packet size adjusted to be equal to or larger than No. 8 evaluated by the austenite grain size number. This document describes that the machinability can be improved while maintaining the balance between strength and ductility by relatively increasing the martensite packet size.

さらに、特許文献2には、所定の組成を有し、かつ、熱処理後のマルテンサイト組織の方向性が17〜33%である熱間工具鋼が開示されている。同文献には、マルテンサイト組織を等方的にすることにより、切削時の切削抵抗及びその変動量を軽減でき、工具寿命が向上する点、及び、微細な介在物及び炭化物を均一に分散させることによりマルテンサイト析出サイトが多数形成され、マルテンサイト組織の無方向化が実現できる点が記載されている。   Furthermore, Patent Document 2 discloses a hot tool steel having a predetermined composition and having a martensite structure having a direction after heat treatment of 17 to 33%. In this document, by making the martensite structure isotropic, the cutting resistance and its fluctuation amount during cutting can be reduced, the tool life is improved, and fine inclusions and carbides are uniformly dispersed. This describes that a large number of martensite precipitation sites are formed, and the non-directional martensite structure can be realized.

特開2000−054068号公報JP 2000-054068 A 特開2003−268486号公報JP 2003-268486 A

一般に、熱間工具鋼は、焼入れ時の冷却速度が遅いほど、衝撃値などの型性能を代表する特性値が低下する。焼きなまし後に粗加工し、焼入れ焼戻しを行う従来の方法では、金型として使用する面(キャビティ面)は、直接、焼入れ時の冷媒に触れるため、冷却速度が速く、大型金型でも高い衝撃値を得ることができた。   In general, as the tool steel for hot working has a slower cooling rate at the time of quenching, the characteristic value representing the mold performance such as the impact value decreases. In the conventional method in which roughing is performed after annealing and quenching and tempering are performed, the surface used as a mold (cavity surface) directly touches the refrigerant during quenching, so the cooling rate is fast, and even large molds have high impact values. I was able to get it.

しかしながら、プレハードン材では、事前に焼入れ焼戻しを行うため、切削加工後のキャビティ面は、焼入れ時の冷却速度の遅い内部を使用することになる。そのため、プレハードン材を切削加工して得られる金型は、従来の方法で作製した金型に比べて、キャビティ面の衝撃値が低く、早期に大割れが生じることがあり、金型寿命が短いという問題があった。   However, since the pre-hardened material is quenched and tempered in advance, the cavity surface after the cutting process uses the inside having a low cooling rate during quenching. Therefore, the mold obtained by cutting the pre-hardened material has a lower impact value on the cavity surface and may cause large cracks at an early stage compared to a mold manufactured by the conventional method, and the mold life is short. There was a problem.

さらに、熱間で使用される金型は、使用中に熱サイクルを受けるので、プレハードン材には、硬度、靱性、被削性に加えて、耐ヒートチェック性も要求される。しかしながら、これらの条件を同時に満たす熱間工具鋼が提案された例は、従来にはない。   Furthermore, since the mold used in the hot state undergoes a thermal cycle during use, the pre-hardened material is required to have heat check resistance in addition to hardness, toughness and machinability. However, there has never been proposed an example of a hot work tool steel that satisfies these conditions simultaneously.

本発明が解決しようとする課題は、衝撃値の冷却速度依存性が小さく、素材内部でも高い靱性が得られる熱間工具鋼を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、高い靱性に加えて、硬度、被削性、及び、耐ヒートチェック性に優れた熱間工具鋼を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a hot work tool steel in which the dependence of the impact value on the cooling rate is small and high toughness can be obtained even inside the material. Another object of the present invention is to provide a hot work tool steel that is excellent in hardness, machinability and heat check resistance in addition to high toughness.

上記課題を解決するために本発明に係る熱間工具鋼は、
C :0.3〜0.5wt%、
Si:0.2〜1.0wt%、
Mn:0.5〜2.5wt%、
P :0.001〜0.05wt%、
S :0.01〜0.06wt%、
Cr:3.0〜6.0wt%、
Mo+1/2W:0.5〜3.0wt%、
V :0.3〜1.5wt%、
Al:0.001〜0.02wt%、
N :0.005〜0.025wt%、
O :0.001〜0.01wt%、
Ca:0.0001〜0.01wt%、
残部Fe及び不純物からなり、
焼入れ焼戻し後38〜52HRCに調質されていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the hot work tool steel according to the present invention is:
C: 0.3 to 0.5 wt%,
Si: 0.2 to 1.0 wt%
Mn: 0.5 to 2.5 wt%,
P: 0.001 to 0.05 wt%,
S: 0.01-0.06 wt%,
Cr: 3.0 to 6.0 wt%,
Mo + 1 / 2W: 0.5-3.0 wt%,
V: 0.3 to 1.5 wt%,
Al: 0.001 to 0.02 wt%,
N: 0.005-0.025 wt%
O: 0.001 to 0.01 wt%
Ca: 0.0001 to 0.01 wt%,
The balance consists of Fe and impurities,
It is summarized that it has been tempered to 38 to 52 HRC after quenching and tempering.

本発明に係る熱間工具鋼は、従来のJIS鋼に比べてMn量を増加させているので、衝撃値の冷却速度依存性が小さくなる。また、従来のJIS鋼に比べてSi量を減少させているので、Mn含有量増加により低下する耐ヒートチェック性を改善することができる。さらに、快削元素であるS及びCaの含有量を最適化しているので、衝撃値、耐ヒートチェック性を低下させることなく、被削性を向上させることができる。   Since the hot work tool steel according to the present invention increases the amount of Mn as compared with the conventional JIS steel, the impact value is less dependent on the cooling rate. Moreover, since the Si content is reduced as compared with the conventional JIS steel, it is possible to improve the heat check resistance which is lowered by the Mn content increase. Furthermore, since the contents of S and Ca, which are free-cutting elements, are optimized, the machinability can be improved without reducing the impact value and heat check resistance.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る冷間工具鋼は、以下のような元素を含み、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及びその限定理由は、以下の通りである。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The cold tool steel according to the present invention contains the following elements, with the balance being substantially composed of Fe and inevitable impurities. The kind of additive element, its component range, and the reason for limitation are as follows.

(1)C :0.3〜0.5wt%。
Cは、金型性能として重要な硬さ、耐摩耗性を確保するために必要な元素である。熱間工具鋼として十分な硬さ、耐摩耗性を確保するためには、Cは、0.3wt%以上の添加が必要である。
一方、Cを過剰に添加した場合には、溶製時に粗大な共晶炭化物が生成し、焼入れ時に固溶しない炭化物が増加するために、靱性や耐ヒートチェック性の低下を招く。従って、C量は、0.5wt%以下が好ましい。
(1) C: 0.3 to 0.5 wt%.
C is an element necessary for securing hardness and wear resistance important for mold performance. In order to ensure sufficient hardness and wear resistance as a hot tool steel, C needs to be added in an amount of 0.3 wt% or more.
On the other hand, when C is added excessively, coarse eutectic carbides are produced during melting, and carbides that do not dissolve at the time of quenching increase, leading to a decrease in toughness and heat check resistance. Therefore, the amount of C is preferably 0.5 wt% or less.

(2)Si:0.2〜1.0wt%。
Siは、製鋼時に脱酸元素として必要な元素である。また、その含有量を高めることにより被削性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させる。良好な被削性を得るためには、Si量は、0.2wt%以上が好ましい。
但し、Si量が多すぎる場合は、靱性や耐ヒートチェック性が低下する。また、本発明では、焼入れ性をMn含有量増加で確保しているが、Mn含有量の増加に伴い耐ヒートチェック性が低下する。従って、Mn量増加に伴う耐ヒートチェック性の低下を補うために、Si量は、通常のJIS−SKD6、SKD61、SKD62の組成範囲より低めに設定するのが好ましい。Si量は、具体的には、1.0wt%以下が好ましい。
(2) Si: 0.2 to 1.0 wt%.
Si is an element necessary as a deoxidizing element during steelmaking. Further, the machinability and temper softening resistance are improved by increasing the content thereof. In order to obtain good machinability, the Si amount is preferably 0.2 wt% or more.
However, when there is too much Si amount, toughness and heat check resistance will fall. Moreover, in this invention, although hardenability is ensured by Mn content increase, heat check resistance falls with the increase in Mn content. Therefore, in order to compensate for the decrease in heat check resistance accompanying an increase in the amount of Mn, the Si amount is preferably set lower than the composition range of normal JIS-SKD6, SKD61, and SKD62. Specifically, the Si amount is preferably 1.0 wt% or less.

(3)Mn:0.5〜2.5wt%。
Mnは、焼入れ性及び硬さの確保のために必要な成分であり、素材の焼入れ焼戻し時に中心部まで靱性の高い組織を得るためには、通常のJIS−SKD6、SKD61、SKD62の組成範囲より多く添加する必要がある。Mn量は、具体的には、0.5wt%以上が好ましい。
また、Mnを過剰に添加すると、耐ヒートチェック性が低下したり、あるいは、焼入れ性が高くなりすぎて、焼入れ時に残留γが多量に生成する。残留γが多量に生成すると、焼戻しの際に生ずる変態によって衝撃値が低下したり、あるいは、焼きなまししても硬さが低下しなくなることがある。従って、Mn量は、2.5wt%以下が好ましい。
(3) Mn: 0.5 to 2.5 wt%.
Mn is a component necessary for ensuring hardenability and hardness, and in order to obtain a structure having high toughness to the center during quenching and tempering of the material, the composition range of normal JIS-SKD6, SKD61, and SKD62 It is necessary to add a lot. Specifically, the amount of Mn is preferably 0.5 wt% or more.
Moreover, when Mn is added excessively, the heat check resistance is lowered, or the hardenability becomes too high, and a large amount of residual γ is generated during quenching. When a large amount of residual γ is generated, the impact value may be lowered due to transformation that occurs during tempering, or the hardness may not be lowered even by annealing. Therefore, the amount of Mn is preferably 2.5 wt% or less.

(4)P :0.001〜0.05wt%。
Pは、靱性や耐ヒートチェック性を低下させるため、低減することが好ましい元素である。不可避的に含まれる場合、P量は、0.05wt%以下に低減することが好ましい。
(4) P: 0.001 to 0.05 wt%.
P is an element that is preferably reduced because it lowers toughness and heat check resistance. When contained unavoidably, it is preferable to reduce the amount of P to 0.05 wt% or less.

(5)S :0.01〜0.06wt%。
Sは、耐ヒートチェック性や靱性を低下させるため、通常、その添加量をきわめて低く抑えるのが一般的である。しかしながら、Sは、被削性改善には有効な元素である。良好な被削性を得るためには、S量は、0.01wt%以上が好ましい。
但し、S量が過剰になると、耐ヒートチェック性や靱性を大きく劣化させる。従って、S量は、0.06wt%以下が好ましい。
(5) S: 0.01 to 0.06 wt%.
In general, S decreases the heat check resistance and toughness, and therefore the amount of S is generally kept extremely low. However, S is an element effective for improving machinability. In order to obtain good machinability, the amount of S is preferably 0.01 wt% or more.
However, when the amount of S is excessive, heat check resistance and toughness are greatly deteriorated. Therefore, the amount of S is preferably 0.06 wt% or less.

(6)Cr:3.0〜6.0wt%。
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るために、また、焼入れ性確保のために必要である。このような効果を得るためには、Crは、0.5wt%以上の添加が必要である。Mnと同様に、Cr含有量を増加させれば、焼入れ性が改善されて、焼入れ焼戻し時に素材内部の靱性を向上させることができる。
但し、Cr量の増加は、焼戻し軟化抵抗を低下させ、金型性能を低下させる。従って、Cr量は、6.0wt%以下が好ましい。
(6) Cr: 3.0 to 6.0 wt%.
Cr is necessary for forming carbides to improve the strengthening and wear resistance of the base and for ensuring hardenability. In order to obtain such an effect, Cr needs to be added at 0.5 wt% or more. Similarly to Mn, if the Cr content is increased, the hardenability is improved, and the toughness inside the material can be improved during quenching and tempering.
However, an increase in the Cr content lowers the temper softening resistance and lowers the mold performance. Therefore, the Cr amount is preferably 6.0 wt% or less.

(7)Mo+1/2W:0.5〜3.0wt%。
Mo及びWは、いずれも、炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させるために、また、焼入れ性確保のために必要である。このような効果を得るためには、Mo+1/2Wは、0.5wt%以上の添加が必要である。
但し、Mo及び/又はWを過剰に添加しても、その効果は飽和し、経済的に不利となる。従って、Mo+1/2W量は、3.0wt%以下が好ましい。
なお、MoとWは、同様の効果をもたらし、Wは、Moの約2倍の原子量であることから、Mo当量で規定する。Mo及びWは、それぞれ、単独で添加しても良く、あるいは、同時に添加しても良い。
(7) Mo + 1 / 2W: 0.5-3.0 wt%.
Both Mo and W are necessary for forming carbides and improving the strengthening and wear resistance of the base, and for ensuring hardenability. In order to obtain such an effect, it is necessary to add 0.5% by weight or more of Mo + 1 / 2W.
However, even if Mo and / or W is added excessively, the effect is saturated and economically disadvantageous. Therefore, the Mo + 1 / 2W amount is preferably 3.0 wt% or less.
Mo and W bring about the same effect. Since W has an atomic weight approximately twice that of Mo, it is defined by the Mo equivalent. Mo and W may be added alone or simultaneously.

(8)V :0.3〜1.5wt%。
Vは、焼戻し時に炭化物を形成して析出することにより基地の強化や耐摩耗性を向上させる元素である。また、焼入れ加熱時には、微細な炭化物の形成により、結晶粒の粗大化を抑制し、靱性の低下を抑制する効果を有する。このような効果を得るためには、Vは、0.3wt%以上の添加が必要である。
一方、Vを過剰に添加すると、凝固時に炭窒化物として粗大な晶出物を生成し、靱性を低下させる。従って、V量は、1.5wt%以下が好ましい。
(8) V: 0.3 to 1.5 wt%.
V is an element that improves the strengthening and wear resistance of the base by forming and precipitating carbides during tempering. Moreover, at the time of quenching heating, the formation of fine carbides has the effect of suppressing the coarsening of crystal grains and suppressing the decrease in toughness. In order to obtain such an effect, V needs to be added at 0.3 wt% or more.
On the other hand, when V is added excessively, coarse crystals are generated as carbonitride during solidification, and toughness is reduced. Therefore, the V amount is preferably 1.5 wt% or less.

(9)Al:0.001〜0.02wt%。
Alは、製鋼時に脱酸元素として作用する他、鋼中のNと結びつき、窒化物として微細分散し、焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を抑制する元素である。このような効果を得るためには、Alは、0.001wt%以上の添加が必要である。
但し、Alを過剰に添加しても、その効果は飽和する。従って、Al量は、0.02wt%以下が好ましい。
(9) Al: 0.001 to 0.02 wt%.
In addition to acting as a deoxidizing element during steelmaking, Al is an element that binds to N in the steel, finely disperses as nitride, and suppresses crystal grain coarsening during quenching heating. In order to obtain such an effect, Al needs to be added in an amount of 0.001 wt% or more.
However, even if Al is added excessively, the effect is saturated. Accordingly, the Al content is preferably 0.02 wt% or less.

(10)N:0.005〜0.025wt%。
Nは、鋼中のAlやVと結合して窒化物を形成し、微細に分散することにより、焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を抑制し、靱性低下を防止するのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Nは、0.005wt%以上の添加が必要である。
但し、Nを過剰に添加しても、その効果は飽和する。従って、N量は、0.025wt%以下が好ましい。
(10) N: 0.005 to 0.025 wt%.
N is an element that is effective for preventing coarsening and preventing toughness reduction by bonding with Al and V in steel to form nitrides and finely dispersing them to suppress coarsening of crystal grains during quenching heating. . In order to obtain such an effect, N needs to be added in an amount of 0.005 wt% or more.
However, even if N is added excessively, the effect is saturated. Therefore, the N amount is preferably 0.025 wt% or less.

(11)O:0.001〜0.01wt%。
通常、Oは、酸化物として介在物を形成し、靱性や耐ヒートチェック性を低下させるために、低減することが好ましい元素である。しかしながら、本発明では、切削加工時に切削工具表面にベラーグと呼ばれる保護被膜を形成するために、酸素を適量添加する。「ベラーグ」とは、CaとSとを同時に添加することにより得られる快削性の介在物(カルシウムオキシサルファイド)である。このような効果を得るためには、Oは、0.001wt%以上の添加が必要である。
但し、Oを過剰に添加してもその効果が飽和する。また、Oの過剰の添加は、靱性や耐ヒートチェック性を低下させる介在物を生成させる原因となる。従って、O量は、0.01wt%以下が好ましい。
(11) O: 0.001 to 0.01 wt%.
Usually, O is an element that is preferably reduced in order to form inclusions as oxides and reduce toughness and heat check resistance. However, in the present invention, an appropriate amount of oxygen is added in order to form a protective film called belag on the surface of the cutting tool during cutting. “Bellag” is a free-cutting inclusion (calcium oxysulfide) obtained by simultaneously adding Ca and S. In order to obtain such an effect, it is necessary to add 0.001 wt% or more of O.
However, the effect is saturated even if O is added excessively. In addition, excessive addition of O causes inclusions that reduce toughness and heat check resistance. Therefore, the amount of O is preferably 0.01 wt% or less.

(12)Ca:0.0001〜0.01wt%。
Caは、S及びOとともに快削性を改善する介在物を形成するために必要な元素である。Caを適量添加すると、切削加工中に工具表面に保護被膜(ベラーグ)が形成され、工具摩耗を抑制する効果がある。このような効果を得るためには、Caは、0.0001wt%以上の添加が必要である。
一方、Caを過剰に添加しても、その効果は飽和する。従って、Ca量は、0.01wt%以下が好ましい。
(12) Ca: 0.0001 to 0.01 wt%.
Ca, together with S and O, is an element necessary for forming inclusions that improve free-cutting properties. When an appropriate amount of Ca is added, a protective coating (berag) is formed on the tool surface during cutting, and the effect of suppressing tool wear is obtained. In order to obtain such an effect, Ca needs to be added in an amount of 0.0001 wt% or more.
On the other hand, even if Ca is added excessively, the effect is saturated. Therefore, the Ca content is preferably 0.01 wt% or less.

また、本発明に係る熱間工具鋼は、上述した元素に加えて、以下のような1種又は2種以上の元素をさらに含んでいても良い。各元素の成分範囲及び限定理由は、以下の通りである。   Moreover, in addition to the element mentioned above, the hot tool steel which concerns on this invention may further contain the following 1 type, or 2 or more types of elements. The component ranges of each element and the reasons for limitation are as follows.

(13)Ni:2.0wt%以下。
(14)Cu:1.0wt%以下。
Ni及びCuは、いずれも焼入れ性を高め、かつ基地の強靱化に有効であり、必要に応じて添加できる。但し、過剰に添加してもその効果は飽和し、経済的にも不利になる。従って、Ni量は2.0wt%以下、Cu量は1.0wt%以下が好ましい。
(13) Ni: 2.0 wt% or less.
(14) Cu: 1.0 wt% or less.
Ni and Cu are both effective in enhancing hardenability and strengthening the base, and can be added as necessary. However, even if it is added excessively, the effect is saturated and it becomes economically disadvantageous. Therefore, the Ni amount is preferably 2.0 wt% or less, and the Cu amount is preferably 1.0 wt% or less.

(15)Co:5.0wt%以下。
Coは、固溶強化により強度を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加してもその効果は飽和し、経済的にも不利になる。従って、Co量は、5.0wt%以下が好ましい。
(15) Co: 5.0 wt% or less.
Co is an element that improves the strength by solid solution strengthening, and can be added as necessary. However, even if it adds excessively, the effect will be saturated and it will become economically disadvantageous. Therefore, the amount of Co is preferably 5.0 wt% or less.

(16)Ti:0.2wt%以下。
(17)Zr:0.2wt%以下。
(18)Nb:0.2wt%以下。
Ti、Zr、Nbは、いずれも炭窒化物を形成して微細に析出し、焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を防止する元素であり、結晶粒を微細化して靱性を確保したい場合には必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると、凝固時に粗大な炭窒化物として晶出し、かえって靱性を低下させる。従って、これらの元素の含有量は、いずれも0.2wt%以下が好ましい。
(16) Ti: 0.2 wt% or less.
(17) Zr: 0.2 wt% or less.
(18) Nb: 0.2 wt% or less.
Ti, Zr, and Nb are all elements that form carbonitrides and finely precipitate and prevent crystal grain coarsening during quenching heating. Necessary when it is desired to refine crystal grains and ensure toughness. It can be added depending on. However, if added in excess, it will crystallize out as coarse carbonitride during solidification, which in turn reduces toughness. Accordingly, the content of these elements is preferably 0.2 wt% or less.

本発明に係る熱間工具鋼は、上述のような組成を有する鋼材に対して焼入れ焼戻しを行い、38〜52HRCに調質された状態で使用される。焼入れ条件及び焼戻し条件は、特に限定されるものではなく、目的とする硬度、靱性、被削性等が得られるように、その組成に応じて最適な条件を選択する。   The hot work tool steel according to the present invention is used in a state of being tempered to 38 to 52 HRC by quenching and tempering the steel material having the above composition. Quenching conditions and tempering conditions are not particularly limited, and optimum conditions are selected according to the composition so that the desired hardness, toughness, machinability and the like can be obtained.

次に、本発明に係る熱間工具鋼の作用について説明する。従来の熱間工具鋼は、焼入れ時の冷却速度が遅くなるほど、衝撃値などの型性能を代表する特性値が低下する。これは、焼入れ性が低いために、焼入れ時の冷却速度が遅くなるほど、冷却時にラス状マルテンサイトが粗大化し、あるいは、冷却時にベイナイト変態が生ずるためである。そのため、従来の熱間工具鋼に対し、プレハードン材から金型を直接加工する方法を適用すると、キャビティ面に衝撃値の低い面が露出し、金型寿命が低下する。   Next, the operation of the hot tool steel according to the present invention will be described. In the conventional hot work tool steel, the characteristic value representing the mold performance such as the impact value decreases as the cooling rate during quenching becomes slower. This is because, since the hardenability is low, the lower the cooling rate during quenching, the coarser the lath martensite during cooling, or the bainite transformation occurs during cooling. Therefore, when a method of directly processing a mold from a pre-hardened material is applied to a conventional hot tool steel, a surface having a low impact value is exposed on the cavity surface, and the mold life is shortened.

これに対し、従来の熱間工具鋼に比べてMn量を増加させると、焼入れ性が向上し、衝撃値の冷却速度依存性が小さくなる。その結果、素材の中心部であっても高い衝撃値が得られる。これは、Mn量の増加によって、Ms点が低下し、かつ、ベイナイト変態が長時間側に移動するためである。そのため、プレハードン材から直接金型に加工する方法を用いても、キャビティ面の衝撃値を高く維持することができる。   On the other hand, when the amount of Mn is increased as compared with the conventional hot work tool steel, the hardenability is improved and the dependence of the impact value on the cooling rate is reduced. As a result, a high impact value can be obtained even at the center of the material. This is because as the amount of Mn increases, the Ms point decreases and the bainite transformation moves to the long time side. For this reason, even if a method of directly processing a pre-hardened material into a mold is used, the impact value of the cavity surface can be kept high.

また、Siは、被削性を向上させる元素であるが、過剰に添加すると、耐ヒートチェック性を低下させる。一方、Mn量を増加させると焼入れ性は向上するが、耐ヒートチェック性は低下する。本発明においては、被削性を大幅に低下させない程度に、Si量を従来の熱間工具鋼より低減しているので、Mn含有量の増加による耐ヒートチェック性の低下を抑制することができる。さらに、適量のS及びCaが含まれているので、衝撃値、耐ヒートチェック性を低下させることなく、被削性を向上させることができる。   Si is an element that improves machinability, but if added excessively, heat check resistance is lowered. On the other hand, when the amount of Mn is increased, the hardenability is improved, but the heat check resistance is lowered. In the present invention, since the Si content is reduced from the conventional hot tool steel to such an extent that the machinability is not significantly reduced, it is possible to suppress a decrease in heat check resistance due to an increase in the Mn content. . Furthermore, since appropriate amounts of S and Ca are contained, the machinability can be improved without lowering the impact value and heat check resistance.

表1に示す組成の鋼(実施例1〜10、比較例a〜q、従来材)を真空高周波誘導炉で溶解した後、150kgの鋼塊に鋳造した。鋼塊は、1230℃で10hのソーキングを実施した後、加熱温度1200℃で60mm×60mmの角材に鍛造した。鍛造後、870℃で3時間保持した後に徐冷する焼きなましを施した。このようにして得られた角材から被削性試験片、シャルピー試験片、ヒートチェック試験片の各種試料片を粗加工した。   Steels having compositions shown in Table 1 (Examples 1 to 10, Comparative Examples a to q, conventional materials) were melted in a vacuum high-frequency induction furnace, and then cast into a 150 kg steel ingot. The steel ingot was soaked at 1230 ° C. for 10 hours, and then forged into a 60 mm × 60 mm square at a heating temperature of 1200 ° C. After forging, annealing was performed by holding at 870 ° C. for 3 hours and then gradually cooling. Various sample pieces such as a machinability test piece, a Charpy test piece, and a heat check test piece were roughly processed from the obtained square material.

Figure 2005336553
Figure 2005336553

粗加工後に各鋼材を焼入れし、(600℃〜650℃×1h→空冷)×2回の焼戻し処理を行った。なお、焼入れ条件は、1030℃×30min→油焼入れと、1030℃×30min→空冷の2種類とした。空冷材は、プレハードン材のキャビティ面を想定し、冷却速度を遅くした状態を模したものである。
調質された角材より各種試験片を機械加工後、試験に供した。油焼入れ材は、すべての試験に供し、空冷材は、硬さ測定及び衝撃試験のみ実施した。各種試験条件の詳細は、以下の通りである。また、表2に、試験結果を示す。
After roughing, each steel material was quenched and subjected to tempering twice (600 ° C. to 650 ° C. × 1 h → air cooling) × 2. The quenching conditions were 1030 ° C. × 30 min → oil quenching and 1030 ° C. × 30 min → air cooling. The air-cooled material simulates the state where the cooling rate is slowed assuming the cavity surface of the pre-hardened material.
Various test pieces were machined from the tempered square bar and then subjected to the test. The oil-quenched material was subjected to all tests, and the air-cooled material was only subjected to hardness measurement and impact test. Details of various test conditions are as follows. Table 2 shows the test results.

(1)シャルピー試験
鍛造した鋼材の幅方向(T方向、鍛流線に対して垂直方向)から試験片を採取し、”JIS Z 2242”に従い、シャルピー衝撃値を評価した。
(2)ヒートチェック試験
まず、鍛造した鋼材から円板状試料を切り出した。次いで、高周波加熱、水冷式のヒートチェック試験機を用いて、表層部の700℃加熱及び水冷を1000回繰り返した。試験終了後、円板状試料を上下面に対して平行に切断し、試料表面(円板状試料の側面)に発生したクラックの深さ、本数を測定し、クラック平均長さを算出した。
(3)被削性試験
以下の条件でエンドミル切削試験を実施した。なお、逃げ面摩耗が0.2mmになった切削距離を工具寿命とし、被削性は、JIS−SKD61(従来材)の工具寿命を100としたときの相対値で表した。
工具:φ10mm超硬エンドミル(TiAlNコーティング、4枚刃)
切削速度:150m/min
送り:0.1mm/刃
軸方向切り込み:10mm
径方向切り込み:0.5mm
クーラント:なし、エアブロー
(1) Charpy test A specimen was taken from the width direction (T direction, perpendicular to the forging line) of the forged steel material, and the Charpy impact value was evaluated according to "JIS Z 2242".
(2) Heat check test First, a disk-shaped sample was cut out from the forged steel material. Next, using a high-frequency heating and water-cooled heat check tester, 700 ° C. heating and water cooling of the surface layer portion were repeated 1000 times. After completion of the test, the disk-shaped sample was cut parallel to the upper and lower surfaces, the depth and number of cracks generated on the sample surface (side surface of the disk-shaped sample) were measured, and the average crack length was calculated.
(3) Machinability test An end mill cutting test was performed under the following conditions. The cutting distance at which the flank wear became 0.2 mm was defined as the tool life, and the machinability was expressed as a relative value when the tool life of JIS-SKD61 (conventional material) was 100.
Tool: φ10mm carbide end mill (TiAlN coating, 4 blades)
Cutting speed: 150 m / min
Feed: 0.1 mm / blade Axial cut: 10 mm
Radial notch: 0.5mm
Coolant: None, air blow

Figure 2005336553
Figure 2005336553

比較例aは、C含有量が低いため、焼入れ焼戻し後に必要な硬さが得られない。一方、比較例bは、C含有量が高いために、衝撃値が低い。
比較例cは、Si含有量が低すぎるために、被削性が悪い。一方、比較例dは、Si含有量が高すぎるために、耐ヒートチェック性が悪い。
比較例eはMn含有量が高すぎるために、衝撃値が低い。同様に、比較例fは、P含有量が高すぎるために、衝撃値が低い。
比較例gは、S含有量が低すぎるために、被削性が悪い。一方、比較例hは、S含有量が高すぎるために、衝撃値が低い。
比較例iは、Cr含有量が低すぎるために、空冷材で衝撃値が低くなる。一方、比較例jは、Cr含有量が高すぎるために、焼戻し軟化抵抗が低下し、耐ヒートチェック性が低い。
比較例kは、Mo含有量が低すぎるために、耐ヒートチェック性が低い。
比較例lは、V含有量が低すぎるために、焼入れ加熱時に結晶粒が粗大化し、耐ヒートチェック性が低下した。一方、比較例mは、V含有量が高すぎるために、VC晶出物が多量に存在し、衝撃値が低い。
比較例nは、Alが無添加のため、焼入れ加熱時に結晶粒が粗大化し、衝撃値が低下した。同様に、比較例oは、N含有量が低すぎるために、焼入れ加熱時に結晶粒が粗大化し、衝撃値が低下した。
さらに、比較例pは、O含有量が低すぎるために、被削性を改善するCaとSの複合酸化物が生成せず、被削性が悪い。同様に、比較例qは、Caが無添加のため、被削性を改善するCaとSの複合酸化物が生成せず、被削性が悪い。
Since Comparative Example a has a low C content, the required hardness after quenching and tempering cannot be obtained. On the other hand, since the comparative example b has a high C content, the impact value is low.
In Comparative Example c, the machinability is poor because the Si content is too low. On the other hand, Comparative Example d has poor heat check resistance because the Si content is too high.
Comparative Example e has a low impact value because the Mn content is too high. Similarly, Comparative Example f has a low impact value because the P content is too high.
Comparative Example g has poor machinability because the S content is too low. On the other hand, Comparative Example h has a low impact value because the S content is too high.
In Comparative Example i, since the Cr content is too low, the impact value is low with the air-cooled material. On the other hand, in Comparative Example j, since the Cr content is too high, the temper softening resistance is lowered and the heat check resistance is low.
Since comparative example k has too low Mo content, heat check resistance is low.
In Comparative Example 1, since the V content was too low, the crystal grains became coarse during quenching heating, and the heat check resistance was lowered. On the other hand, in Comparative Example m, since the V content is too high, a large amount of VC crystallized matter is present and the impact value is low.
In Comparative Example n, since Al was not added, the crystal grains became coarse during quenching heating, and the impact value decreased. Similarly, in Comparative Example o, since the N content was too low, the crystal grains became coarse during quenching heating, and the impact value decreased.
Furthermore, in Comparative Example p, since the O content is too low, a composite oxide of Ca and S that improves machinability is not generated, and machinability is poor. Similarly, in Comparative Example q, since Ca is not added, a composite oxide of Ca and S that improves machinability is not generated, and machinability is poor.

これに対し、実施例1〜10は、油焼入れ材及び空冷材の双方とも、焼入れ焼戻しにより45HRC±1に調質することができた。また、実施例1〜10の油焼入れ材は、SKD61(従来材)と同等以上の衝撃値と耐ヒートチェック性を有し、さらにSKD61よりも優れた被削性を有していた。さらに、プレハードン材の中心部を模擬した空冷材では、SKD61のようにに油焼入れ材に比べて衝撃値が低下することなく、油焼入れ材と同等程度の衝撃値を維持することが可能であった。   In contrast, in Examples 1 to 10, both the oil-quenched material and the air-cooled material could be tempered to 45 HRC ± 1 by quenching and tempering. Moreover, the oil-quenched materials of Examples 1 to 10 had impact values and heat check resistance equivalent to or higher than those of SKD61 (conventional material), and further had machinability superior to that of SKD61. Furthermore, the air-cooled material that simulates the center of the pre-hardened material can maintain an impact value comparable to that of the oil-quenched material without reducing the impact value as compared with the oil-quenched material as in the case of SKD61. It was.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る熱間工具鋼は、各種熱間加工金型、各種熱間加工工具として使用することができる。
The hot tool steel according to the present invention can be used as various hot working dies and various hot working tools.

Claims (3)

C :0.3〜0.5wt%、
Si:0.2〜1.0wt%、
Mn:0.5〜2.5wt%、
P :0.001〜0.05wt%、
S :0.01〜0.06wt%、
Cr:3.0〜6.0wt%、
Mo+1/2W:0.5〜3.0wt%、
V :0.3〜1.5wt%、
Al:0.001〜0.02wt%、
N :0.005〜0.025wt%、
O :0.001〜0.01wt%、
Ca:0.0001〜0.01wt%、
残部Fe及び不純物からなり、
焼入れ焼戻し後38〜52HRCに調質された熱間工具鋼。
C: 0.3 to 0.5 wt%,
Si: 0.2 to 1.0 wt%
Mn: 0.5 to 2.5 wt%,
P: 0.001 to 0.05 wt%,
S: 0.01-0.06 wt%,
Cr: 3.0 to 6.0 wt%,
Mo + 1 / 2W: 0.5-3.0 wt%,
V: 0.3 to 1.5 wt%,
Al: 0.001 to 0.02 wt%,
N: 0.005-0.025 wt%
O: 0.001 to 0.01 wt%
Ca: 0.0001 to 0.01 wt%,
The balance consists of Fe and impurities,
Hot tool steel tempered to 38-52 HRC after quenching and tempering.
Ni:2.0wt%以下、
Co:5.0wt%以下、及び、
Cu:1.0wt%以下、
から選ばれる1種又は2種以上の元素をさらに含む請求項1に記載の熱間工具鋼。
Ni: 2.0 wt% or less,
Co: 5.0 wt% or less, and
Cu: 1.0 wt% or less,
The hot tool steel according to claim 1, further comprising one or more elements selected from the group consisting of:
Ti:0.2wt%以下、
Zr:0.2wt%以下、及び、
Nb:0.2wt%以下、
から選ばれる1種又は2種以上の元素をさらに含む請求項1又は2に記載の熱間工具鋼。
Ti: 0.2 wt% or less,
Zr: 0.2 wt% or less, and
Nb: 0.2 wt% or less,
The hot work tool steel according to claim 1 or 2, further comprising one or more elements selected from the group consisting of:
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