JP2007009251A - 窒化処理に適したマトリックスハイス鋼 - Google Patents

窒化処理に適したマトリックスハイス鋼 Download PDF

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【課題】 本発明は、窒化処理により表面硬化させて使用する金型で、従来よりも硬化層(窒化層)の耐割れ感受性が低く、き裂進展速度が遅くなるように母材側の合金成分を最適化した窒化処理に適したマトリックスハイス鋼を提供する。
【解決手段】 C:0.4〜0.7%、Mn:0.1〜0.6%、Cr:3.3〜5.0%、Mo:3.0〜4.6%、Al:0.01〜0.10%、N:0.030%以下、O:0.0030%以下、Si/Mo:0.005〜0.100、V/Mo:0.05〜1.00、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、1080℃以上で焼入れ、500℃以上で焼戻し後、400〜600℃で窒化した時の母材硬さが55HRC以上、かつ結晶粒度番号3以上であることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
【選択図】 なし

Description

本発明は、窒化処理により表面硬化させて使用する金型で、従来よりも硬化層(窒化層)の耐割れ感受性が低く、き裂進展速度が遅くなるように母材側の合金成分を最適化した窒化処理に適したマトリックスハイス鋼に関するものである。
従来、マトリックス鋼は高速工具鋼に含まれる高価な合金元素を減らし、強靱性を兼ね備えた材料として幅広い温度域の成形加工に用いられており、従来の熱間工具鋼よりも金型の高寿命化が可能である。しかし、窒化した場合、高寿命が得られる反面、突発的な早期割れ対策が重要な課題となっている。窒化後使用する金型では、母材が55HRC以上の硬度と靱性を兼ね備え、かつ窒化層も十分な靱性を有することが必要である。
そこで、高速度工具鋼に含まれる高価な合金元素を減らし、靱性を向上させるマトリックスハイス鋼がいくつか提案されている。例えば特開昭60−190550号公報(特許文献1)に開示されているように、Cr−Mo−V−Nbを基本成分とし、59〜61HRCで高靱性が得られることが特徴である。また、特開平2−8347号公報(特許文献2)に開示されているように、Coを必須元素として、Moを重要な元素とし、Mo当量としてWによる代替も可能としている。さらに、特開2004−285444号公報(特許文献3)に開示されているように、特性のバラツキが小さく、高靱性が得られるマトリックスハイス鋼として成分および炭化物が規制されている。
特開昭60−190550号公報 特開平2−8347号公報 特開2004−285444号公報
しかしながら、上述した特許文献1については、窒化を施す場合については何ら配慮されていない。窒化層の特性向上を図るには、金型に成形加工後、窒化が金型表面に付加されることを考慮した母材の成分設計が必要である。また、特許文献2についても、特許文献1と同様に、窒化を施す場合については何ら配慮されていない。さらに、特許文献3についても、特許文献1および特許文献2と同様に、窒化を施す場合については何ら配慮されていない。窒化層の特性向上には、窒素の添加により生成する窒化物を制御する必要がある。
金型の多くの場合、表面処理が施されて使用される。特に温間、熱間金型では窒化処理後に使用される場合が大半であり、表面層は耐高温軟化、耐摩耗性の観点から硬化させ、母材は強靱性を備えていることが必要である。特にマトリックスハイス鋼は、冷間、温間および熱間の幅広い温度域の成形加工に用いられ、高硬度かつ靱性を兼ね備えた金型材として最近多く用いられるようになっており、靱性改善を図ったマトリックスハイス鋼もまた多く提案されている。
しかし、金型では被加工材と接触する金型表面の特性が重要であるにも拘わらず、硬化層(窒化層)の特性については何ら配慮されておらず、高寿命が得られる反面、早期割れによる低寿命対策が重要な課題になっている。そのため、窒化層の損傷を起因とした早期割れを解決する手段の一つとして、窒化処理により局所的に窒化が付加されることを前提とした母材の合金設計が必要になっている。
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、窒化層の靱性低下の原因となる窒化物(Fe2`3 N,Fe4 N,CrNなど)の過剰析出、Nの拡散によって押し込まれたC濃縮相(C量が局所的に多くなった脆化相)の形成を抑制するため、抑制に効果のあるMo−N原子対(形態は不明、化合物ではなくMoの周辺にNが偏析した状態になっていると推察される)が生成し易い成分バランスを見出した。かつ結晶粒度、硬化深さの面から、C濃縮相に起因した窒化層の靱性低下の軽減を図った窒化処理に適したマトリックスハイス鋼を提供する。
その発明の要旨とするところは、
(1)質量%で、C:0.4〜0.7%、Mn:0.1〜0.6%、Cr:3.3〜5.0%、Mo:3.0〜4.6%、Al:0.01〜0.10%、N:0.030%以下、O:0.0030%以下、Si/Mo:0.005〜0.100、V/Mo:0.05〜1.00、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、1080℃以上で焼入れ、500℃以上で焼戻し後、400〜600℃で窒化した時の母材硬さが55HRC以上、かつ結晶粒度番号3以上であることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
(2)前記(1)に記載の鋼において、窒化層におけるC濃縮相のC濃度(C1 %)と母材のC濃度(C0 %)の比(C1 /C0 )が1.4以下であることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
(3)前記(1)または(2)に記載の鋼に加えて、質量%で、Nb:0.1〜0.5%、Co:0.5〜2.0%、のいずれか1種または2種からなることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
(4)前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の鋼において、窒化層による硬化深さが50〜400μmであることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼にある。
以上述べたように、本発明により、金型の突発的な早期割れが著しく減少し、安定した金型寿命が得られることにより生産性向上、トータルコスト低減を図ることが出来る極めて優れた効果を奏するものである。
以下、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
C:0.4〜0.7%
Cは、母材硬さを得るために必要な元素であるが、0.4%未満ではその効果が十分に得られず、0.7%を超えると、窒化時にC濃縮相を形成し、窒化層の靱性低下を引き起こすために、その上限を0.7%とした。好ましくは、0.5〜0.6%とする。
Mn:0.1〜0.6%
Mnは、母材の焼入れ性を得るために必要な元素である。しかし、0.1%未満ではその効果が十分に得られず、0.6%を超えると焼鈍硬さが高くなり、切削加工性が悪くなることから、その上限を0.6%とした。
Cr:3.3〜5.0%
Crは、母材の焼入れ性を得るために必要な元素である。しかし、3.3%未満ではその効果が十分に得られず、5.0%を超えると窒化時にCrNを過剰に形成し、窒化層の靱性低下を引き起こすために、その上限を5.0%とした。好ましくは、3.8〜4.5%とする。
Mo:3.0〜4.6%
Moは、窒化時にMo−N原子対を形成し、硬化層の耐割れ感受性およびき裂進展速度を高める化合物(Fe2`3 N,Fe4 N,CrN)、C濃縮相の生成を極力抑える役目をする元素である。しかし、3.0%未満ではその効果が十分に得られず、4.6%を超えると製造上の熱間加工性を著しく低下させる。従って、その範囲を3.0〜4.6%とした。好ましくは、3.5〜4.2%とする。
Si/Mo:0.005〜0.100
Si/Moは、窒化時にNの拡散、Mo−N原子対形成を促進する働きをする。しかし、0.005未満ではその効果が十分に得られず、0.100を超えると窒化時にC濃縮相が形成され易くなることから、その範囲を0.005〜0.100とした。好ましくは、0.010〜0.050とする。
V/Mo:0.05〜1.00
V/Moは、窒化時に微細なVNを形成し、窒化層の硬さを得るため必要である。しかし、0.05未満ではその効果が十分に得られず、1.00を超えると窒化時にVNを過剰に形成し、窒化層の靱性を低下を引き起こす。従って、その範囲を0.05〜1.00とする。好ましくは、0.10〜0.50とする。
Al:0.01〜0.10%
Alは、製造時に脱酸剤として使用する。また、AlNを生成し、MoがMo窒化物として消費されることを抑制する。しかし、0.01%未満ではその効果が十分に得られず、0.10%を超えると粗大なAl酸化物を生成し、靱性を低下させる。従って、その範囲を0.01〜0.10%とする。
N:0.030%以下
Nは、製造時に不可避的に固溶し、本発明で最も重要な元素である鋼中のMoがMo窒化物として消費されることから、その生成を抑制する働きをする元素である。その上限として、0.030%を設けた。好ましくは、0.025%以下とする。
O:0.0030%以下
Oは、Al、Siなどが酸化物として消費させることを抑制する。従って、その上限を0.0030%とした。好ましくは、0.0025%以下とする。
Nb:0.1〜0.5%
Nbは、窒化層の硬さに寄与する元素である。しかし、0.1%未満ではその効果が十分に得られず、また、0.5%を超えると窒化層の靱性を低下させる。従って、その範囲を0.1〜0.5%とする。
Co:0.5〜2.0%
Coは、窒化層の靱性向上に寄与する元素である。しかし、0.5%未満ではその効果が十分に得られず、また、2.0%を超えるとその効果が飽和することから、その範囲を0.5〜2.0%とする。
1080℃以上で焼入れ、500℃以上で焼戻し後、400〜600℃で窒化した時の母材硬さが55HRC以上、かつ結晶粒度番号3以上としたのは、母材強度を得るために必要な条件である。また、結晶粒度番号3以上としたのは、窒化時に母材粒界へC濃縮相が局所的に生成し、割れの起点となることを防ぐためである。
窒化層におけるC濃縮相のC濃度(C1 %)と母材のC濃度(C0 %)の比(C1 /C0 )が1.4以下としたのは、窒化層の靱性低下を防ぐためである。なお、望ましくは1.2以下とした。
窒化層による硬化深さが50〜400μmとした理由は、Nの侵入により表面近傍のCは内部へ拡散し脆性のC濃縮相が生成する。このC濃縮相の位置は硬化深さとほぼ一致し、浅過ぎると割れの原因となることから、50μm以上とした。しかし、400μmを超える窒化をすると、表面近傍のN量が過剰となり、Nによって押し込まれたCが粒界にC濃縮相として生成し、き裂伝播を容易とすることから、その上限を400μmとした。好ましくは、80〜250μmとする。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表1に示す合金成分組成の本発明鋼および比較鋼とを100kg真空溶解炉で溶解し、インゴットに鋳造し、1200℃に加熱後φ60mmに鍛伸した材料を試験片とした。その試験片を表1に示す焼入れ温度、焼戻し温度、窒化処理温度にて処理した結果を表2に示す。表2に示す耐割れ性評価としては、厚さ7mm、幅10mm、長さ55mmの抗折試験片を作製し、2000N負荷した時の窒化相の割れ発生状況で評価した。また、耐熱衝撃評価としては、一辺が20mmの立方体の抗折試験片を作製し、700℃加熱し、水冷した時の窒化層の割れ発生状況で評価した。その他、硬さ(HRC)、結晶粒度、窒化深さ(μm)および窒化表面硬さ(HV)を示す。
Figure 2007009251
Figure 2007009251
表2に示すように、No.1〜12は本発明例であり、No.13〜22は比較例である。比較例No.13はAl含有量が少なく、O含有量が多く、かつ焼入温度が低いために、硬さ(HRC)が低く、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での大割れが発生した。比較例No.14はAl含有量が少なく、焼戻温度が低いために、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での大割れが発生した。比較例No.15はMo含有量が少なく、N含有量が高いために、抗折試験での割れ平均深さが深く、かつ割れ本数が多く、また、熱衝撃試験での割れ平均深さが深く、かつ割れ本数が多く発生した。
比較例No.16は窒化温度が低いために、窒化深さが浅く、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での割れ平均深さが深い。比較例No.17はN含有量が高いために、結晶粒度番号が小さく、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での大割れが発生した。比較例No.18はAl含有量が高いために、結晶粒度番号が小さく、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での大割れが発生した。比較例No.19はOおよびN含有量が高く、かつ窒化温度が高いために、窒化深さが深く、抗折試験での折損があり、また、熱衝撃試験での大割れが発生した。
比較例No.20はAl含有量が低く、Si/Mn比が高いために、抗折試験での割れ平均深さが深く、かつ割れ本数が多く、また、熱衝撃試験での割れ平均深さが深い。比較例No.21はV/Mo比が大きいために、抗折試験での割れ平均深さが深く、また、熱衝撃試験での割れ平均深さが深く、かつ割れ本数が多く発生した。比較例No.22はAl含有量が多く、かつSi/Mn比が低く、V/Mo比が低いために、抗折試験での割れ本数が多く、また、熱衝撃試験での割れ本数が多く発生した。
これに対し、本発明例であるNo.1〜12のいずれの特性も比較例に比べて優れていることが分かる。
このように、窒化による硬化層において、Mo−N原子対を多く生成させることにより、硬化層の耐割れ感受性およびき裂進展速度を高める化合物、C濃縮相の生成を極力抑えることで金型の突発的な早期割れを著しく減少させ、安定した金型寿命が得られることにより生産性向上、トータルコスト低減を図ることができる等工業的に極めて優れた効果を奏するものである。


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (4)

  1. 質量%で、
    C:0.4〜0.7%、
    Mn:0.1〜0.6%、
    Cr:3.3〜5.0%、
    Mo:3.0〜4.6%、
    Al:0.01〜0.10%、
    N:0.030%以下、
    O:0.0030%以下、
    Si/Mo:0.005〜0.100、
    V/Mo:0.05〜1.00、
    残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、1080℃以上で焼入れ、500℃以上で焼戻し後、400〜600℃で窒化した時の母材硬さが55HRC以上、かつ結晶粒度番号3以上であることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
  2. 請求項1に記載の鋼において、窒化層におけるC濃縮相のC濃度(C1 %)と母材のC濃度(C0 %)の比(C1 /C0 )が1.4以下であることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
  3. 請求項1または2に記載の鋼に加えて、質量%で、
    Nb:0.1〜0.5%、
    Co:0.5〜2.0%、
    のいずれか1種または2種からなることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋼において、窒化層による硬化深さが50〜400μmであることを特徴とする窒化処理に適したマトリックスハイス鋼。
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