JP2008202078A - 熱間ダイス鋼 - Google Patents

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Hideto Morikawa
秀人 森川
Hiroshi Maekawa
博 前川
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Daido Steel Co Ltd
大同特殊鋼株式会社
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【課題】靱性に優れた熱間ダイス鋼を提供する。
【解決手段】熱間ダイス鋼は、焼きならし処理、焼戻し処理及び焼鈍処理が順次施されている。前記焼きならし処理の温度は1050℃以上である。
【選択図】図1

Description

本発明は、熱間ダイス鋼に関する。
熱間ダイス鋼は、例えば自動車用金属部品を成形するための金型の材料に用いられる。熱間ダイス鋼の製造方法は、概略的には、溶解工程、再溶解工程、熱間加工工程、熱処理工程、機械加工工程及び検査工程からなり、検査工程を経た熱間ダイス鋼は、金型製造メーカ等に出荷される。
より詳しくは、上記熱処理工程は、焼きならし処理、焼戻し処理及び球状化焼鈍処理からなり、焼ならし処理では、例えば熱間鍛造された鋼塊が約1020℃の温度で加熱される。熱間鍛造工程では結晶粒の不均一な粗大化や炭化物の粗大化が発生するが、焼ならし処理により結晶粒の均一な微細化及び炭化物の固溶が図られる。
近年、金型の長寿命化が求められており、そのために、金型の材料である熱間ダイス鋼の靱性を向上することが望まれている。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、靱性に優れた熱間ダイス鋼を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明者らは種々の検討を重ねる中で、1020℃の温度の焼ならし処理では、巨大な炭化物を十分に固溶させることができず、炭化物がクラックの起点になることを見出し、本発明に想到した。
本発明によれば、焼きならし処理、焼戻し処理及び焼鈍処理が順次施された熱間ダイス鋼において、前記焼きならし処理の温度は1050℃以上であることを特徴とする熱間ダイス鋼が提供される(請求項1)。
本発明の請求項1の熱間ダイス鋼では、1050℃以上の温度での焼ならし処理により巨大な炭化物が固溶し、靱性が向上する。この結果として、この熱間ダイス鋼を材料に用いた金型の寿命は長くなる。
以下、本発明の実施形態に係わる熱間ダイス鋼について説明する。
熱間ダイス鋼は、例えば、150mm×440mm×1100mmの直方体形状をなし、ダイカスト型、鍛造型、熱押出型等の金型の材料として用いられる。すなわち、熱間ダイス鋼は、粗加工、熱処理(焼入れ焼戻し)及び仕上げ加工を経てこれらの金型になる。
熱間ダイス鋼の組成は、JISに規定されたSKD61,SKD62,SKD7及びSKT4等の合金組成のうちから選択することができる。また、熱間ダイス鋼の組成は、これらの合金組成に類似の組成や析出効果型合金の組成から選択してもよい。
具体的には、熱間ダイス鋼は、主成分としてのFeと、0.30%以上0.55%以下のCと、4.5%以上5.5%以下のCrと、1.00%以上1.50%以下のMoと、0.70%以上1.20%以下のVとを必須元素として含む。熱間ダイス鋼は、3.5%以上4.5%以下のCo及び1.0%以上1.5%以下のWのうち一方又は両方を選択元素として更に含んでいてもよい。また、熱間ダイス鋼は、2.0%以下のSi、2.0%以下のMn、0.030%以下のP、0.030%以下のS及び2.0%以下のNiのうち1種以上を更に含んでいてもよく、他にも微量の不可避的不純物を含んでいてもよい。
なお本明細書中に示された濃度は、特に断らない限り、いずれも質量濃度である。
各元素の濃度の限定理由は以下の通りである。
C:0.30%以上0.55%以下
C濃度の下限を0.30%にしたのは、熱間ダイス鋼に硬さを付与するためである。一方、C濃度の上限を0.55%にしたのは、熱間ダイス鋼の溶接割れ感受性が高くなるのを防止するためと、熱間ダイス鋼が硬くなりすぎて被削性が低下するのを防止するためである。
Cr:4.5%以上5.5%以下
Cr濃度の下限を4.5%にしたのは、鋼塊溶製時における脱酸と、熱間ダイス鋼の焼入性を高くするためである。一方、Cr濃度の上限を5.5%にしたのは、Cr濃度が5.5%を超えると、粒界酸化が顕著となって粒界が脆化し易くなり、熱間ダイス鋼の靭性が低下するからである。また、Cr濃度が5.5%を超えると、鋼塊の熱間加工性が低下するとともに、熱間ダイス鋼の600℃以上での軟化抵抗性が低下し、高温強度の低下が顕著になり、被削性、溶接性及び熱伝導率も低下し、そして、原料コストも高くなるからである。
Mo:1.00%以上1.50%以下
Mo濃度の下限を1.00%にしたのは、鋼材の焼入性を高くするとともに熱間ダイス鋼における600℃以上での焼戻し軟化抵抗性を確保するためである。一方、Mo濃度の上限を1.50%にしたのは、Mo濃度が1.50%を超えると熱間ダイス鋼の被削性及び熱伝導率が低下するとともに原料コストが高くなるからである。
V:0.70%以上1.20%以下
V濃度の下限を0.70%にしたのは、熱間ダイス鋼における焼戻し軟化抵抗性を確保するとともに結晶粒を微細化するためである。一方、V濃度の上限を1.20%にしたのは、V濃度が1.20%を超えると熱間ダイス鋼の被削性、靭性及び熱伝導率が低下するとともに原料コストが高くなるからである。
Co:3.5%以上4.5%以下
Co濃度の下限を3.5%にしたのは、3.5%以上添加するとマルテンサイト地を強化して耐摩耗性、高温強度を向上させるためである。一方、Co濃度の上限を4.5%にしたのは、4.5%を超えて添加すると鋼が脆化するためである。
W:1.0%以上1.5%以下
W濃度の下限を1.0%にしたのは、高温硬さを向上させ、また焼戻し抵抗の増大を図るためである。一方、W濃度の上限を1.5%にしたのは、1.5%を超えて添加しても効果は変わらず、コストアップの要因となるためである。
Si:2.0%以下
Si濃度の上限を2.0%にしたのは、Si濃度が2.0%を超えるとになると粒界酸化が顕著となって粒界が脆化し易くなり、熱間ダイス鋼の靭性が低下するからである。
Mn:2.0%以下
Mn濃度の上限を2.0%にしたのは、Mn濃度が2.0%を超えると粒界酸化が激しくなって粒界が脆化し易くなり、熱間ダイス鋼の靭性が低下するからである。
P:0.030%以下
P濃度の上限を0.030%にしたのは、P濃度が0.030%以下であれば、Pが熱間ダイス鋼の靭性に与える影響が少ないからである。
S:0.030%以下
Sは硫化物を生成し、この硫化物がクラックの起点となるとともにクラックの伸展を助長して熱間ダイス鋼の靭性を低下させるので、S濃度の上限は0.030%にする。
Ni:2.0%以下
Ni濃度の上限を2.0%にしたのは、2.0%を超えて添加すると鋼が脆化するためである。
上述した組成の熱間ダイス鋼は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、上記した組成となるように原材料を電気炉で溶解した後、ESR(エレクトロスラグ再溶解)のための円柱状の電極を造塊する。次いで、この電極にESRを適用して円柱状の鋼塊を造塊する。鋼塊の質量は、例えば2.2t以上6.5t以下の範囲にある。
このESRによって得られた鋼塊に対し、熱間加工として鍛造処理を施して、扁平な直方体形状の鍛造片を得る。なお、鍛造加熱温度は例えば1050℃以上1250℃以下の範囲内にあり、断面積でみた鍛錬成形比は例えば5を超えている。
鍛造片には、熱処理工程として、焼ならし処理、焼戻し処理及び球状化焼鈍処理が順次施される。なお、焼戻し処理は省略してもよい。
より詳しくは、焼ならし処理では、鍛造片は1050℃以上1150℃以下の範囲の温度(焼ならし温度)まで加熱され、この焼ならし温度にて、鍛造片の大きさ(直径)によって異なるけれども、直径1inch当たり15分以上30分以下の範囲の時間だけ保持される。この後、鍛造片は、常温まで空冷にて冷却される。
なお、好ましい焼ならし温度の範囲は、1080℃以上1120℃以下である。
焼戻し処理では、鍛造片は500℃以上650℃以下の範囲の温度(焼戻し温度)まで加熱され、この後、常温まで空冷により冷却される。
球状化焼鈍処理では、鍛造片は850℃以上900℃以下の範囲の温度(オーステナイト化温度)まで加熱され、このオーステナイト化温度にて、直径1inch当たり15分以上30分以下の範囲の時間だけ保持される。この後、鍛造片は、650℃までは炉内にて30℃/hr以下の降温速度にて冷却(炉冷)され、それから、常温まで空冷により冷却される。
上記熱処理された鍛造片は、表面研削等の機械加工によって直方体形状の熱間ダイス鋼(例えば、高さ150mm×幅440mm×長さ11000mm)にされる。
上述した熱間ダイス鋼では、焼きならし温度が1050℃以上であるため、焼ならし温度が1020℃の場合に比べて、焼ならし処理により巨大な炭化物が固溶する。一方、上述した熱間ダイス鋼では、焼きならし温度が1050℃以上であるため、焼ならし温度が1020℃の場合に比べて、焼ならし処理により結晶粒が粗大化する。
ここで、炭化物の固溶は靭性の向上に寄与する一方、結晶粒の粗大化は靭性の低下を招く。この熱間ダイス鋼では、炭化物の固溶によるプラス効果の方が、結晶粒の粗大化によるマイナス効果よりも大きいため、靭性が向上する。この結果として、この熱間ダイス鋼を材料に用いた金型の寿命は長くなる。
なお、焼ならし温度が1150℃を超えると、結晶粒の粗大化による靭性低下が顕著になることから、焼ならし温度の上限は1150℃に設定される。
実施例1〜9、比較例1〜6
1.試験片の作製
得られる試験片の組成が表1に示した組成の一つになるように原材料を電気炉で溶解した後、ESR(エレクトロスラグ再溶解)のための円柱状の電極(直径640mm×長さ2800mm)を造塊した。次いで、得られた各電極にESRを適用して円柱状の鋼塊(直径690mm×長さ2200mm)を造塊した。
ESRによって得られた各鋼塊に対し、熱間鍛造処理を施して、扁平な直方体形状の鍛造片(高さ165mm×幅453mm×長さ11000mm)を得た。なお、鍛造温度は1100℃であり、断面積でみた鍛錬成形比は5を若干超えている。
得られた各鍛造片に対し、熱処理として、焼ならし処理、焼戻し処理及び球状化焼鈍処理を順次施した。
より詳しくは、焼ならし処理では、各鍛造片は表1に示した焼ならし温度まで加熱され、この焼ならし温度にて120分間だけ保持された。この後、鍛造片は、常温まで空冷により冷却された。
焼戻し処理では、各鍛造片は670℃の焼戻し温度まで加熱され、この焼戻し温度にて120分間だけ保持された。この後、鍛造片は、常温まで空冷により冷却された。
球状化焼鈍処理では、各鍛造片は870℃のオーステナイト化温度まで加熱され、このオーステナイト化温度にて240分間だけ保持された。この後、鍛造片は、650℃の温度まで炉内にて30℃/hrの降温速度にて冷却され、それから、常温まで空冷により冷却された。
上記熱処理された実施例1〜9及び比較例1〜6の各鍛造片について、側面から113mm、上面から41mm、そして端面から165mmの領域からシャルピー衝撃試験用のJIS3号試験片を採取した。
また、上記熱処理された実施例1及び比較例1の各鍛造片について、シャルピー衝撃試験用の試験片を採取した領域の近傍から金属組織観察用の試験片を採取した。
この後、シャルピー衝撃試験用及び金属組織観察用の各試験片に対し焼入れ及び焼戻し処理を順次施した。
具体的には、各試験片は、焼入れ処理として、1030℃の焼入れ温度まで加熱され、この焼入れ温度にて60分間だけ保持された。この後、各試験片は、常温まで空冷により冷却された。
また、各試験片は、焼戻し処理として、250℃の焼戻し温度まで加熱され、この焼戻し温度にて60分間だけ保持された。この後、各試験片は、常温まで空冷により冷却された。
2.シャルピー衝撃試験
焼入れ焼戻しされたシャルピー衝撃試験用の各試験片を30J(ジュール)のシャルピー衝撃試験機にて試験した。この結果を表1に示す。
3.組織観察
焼入れ焼戻しされた金属組織観察用の各試験片を研磨して、400倍の倍率にて観察した。この結果を図1及び図2に示す。
表1から、実施例1〜9は、比較例1〜6に比べて衝撃値が大きく、靭性に優れていることがわかる。
また、図1及び図2から、実施例1では、比較例1に比べて炭化物の析出が抑制されていることがわかる。
本発明は上述の一実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能である。
例えば、熱間ダイス鋼の製造方法においては、熱処理工程が、焼きならし処理の前に、焼なまし処理を更に含んでいてもよい。焼きなまし処理では、鍛造片が、例えば750℃以上800℃以下の範囲の温度(焼きなまし温度)にまで加熱され、この焼なまし温度にて60分以上180分以下の範囲の時間だけ保持される。この後、鍛造片は、500℃以上700℃以下の範囲の温度まで、例えば徐冷によって20℃/分以上40℃/分以下の範囲の降温速度にて冷却される。そして、焼きなまし処理された鍛造片は、焼ならし処理、焼戻し処理及び球状化焼鈍処理に供される。
実施例1の組織観察写真である。 比較例1の組織観察写真である。

Claims (1)

  1. 焼きならし処理、焼戻し処理及び焼鈍処理が順次施された熱間ダイス鋼において、
    前記焼きならし処理の温度は1050℃以上であることを特徴とする熱間ダイス鋼。
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