JP2009120886A - 冷間金型用鋼および金型 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.5〜0.7%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.1〜2.0%、Cr:5〜7%、Al:0.01〜1.0%、N:0.003〜0.025%、Cu:0.25〜1%、Ni:0.25〜1%、Mo:0.5〜3%およびW:2%以下(0%を含む)、並びにS:0.1%以下(0%を含まない)を含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、次の(1)〜(3):(1)[Cr]×[C]≦4、(2)[Al]/[N]:1〜30、(3)[Mo]+0.5×[W]:0.5〜3.00%{[ ]は、各元素の含有量(%)を意味する。}の要件を満足する冷間金型用鋼である。
【選択図】なし
Description
C :0.5〜0.7%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.5〜2.0%、
Mn:0.1〜2.0%、
Cr:5〜7%、
Al:0.01〜1.0%、
N :0.003〜0.025%、
Cu:0.25〜1%、
Ni:0.25〜1%、
Mo:0.5〜3%およびW:2%以下(0%を含む)、並びに
S :0.1%以下(0%を含まない)
を含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
下記(1)〜(3){[ ]は、各元素の含有量(%)を意味する。}
(1)[Cr]×[C]≦4、
(2)[Al]/[N]:1〜30、
(3)[Mo]+0.5×[W]:0.5〜3.00%
の要件を満足するところに要旨が存在する。
Cは、硬さおよび耐摩耗性を確保し、HAZ軟化の抑制にも寄与する元素である。また、金型母材の表面にTD法やCVD法でVCやTiCなどの炭化物皮膜を形成する場合、C量が低いと皮膜の厚さが薄くなるなどの問題もある。これらを勘案し、上記作用を有効に発揮させるためにC量の下限を0.5%とした。C量は0.55%以上であることが好ましい。但しその量が過剰であると、粗大なCr系炭化物が生成して、PVD処理で形成されるTiN皮膜が剥離し易くなる。またC量が過剰であると、残留オーステナイトが増加し、高温の時効処理を行わないと所望の硬さが得られないほか、時効処理後に膨張するなどして変寸が大きくなる。さらにC量が過剰であると靱性に悪影響を及ぼす。よってC量の上限を0.7%とした。C量は0.65%以下であることが好ましい。
Siは、製鋼時の脱酸元素として有用であり、硬さの向上と被削性確保に寄与する元素である。またSiは、マトリックスのマルテンサイトの焼戻し軟化を抑え、HAZ軟化の抑制に有用である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量の下限を0.5%とした。但しその量が過剰であると靱性が低下する。また、偏析が大きくなり、熱処理後の変寸が大きくなる。よってSi量の上限を2.0%とした。Si量は、好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.2%以上であり、好ましくは1.85%以下である。
Mnは、焼入性確保に有用な元素である。しかしその量が過剰であると、残留オーステナイトが増加するため、高温の時効処理を行わないと所望の硬さが得られなくなるほか、靱性も低下する。これらを勘案して、Mn量を上記範囲に定めた。Mn量は、好ましくは0.15%以上であり、好ましくは1%以下、より好ましくは0.5%以下、更に好ましくは0.35%以下である。
Crは、所定の硬さを確保するために有用な元素である。詳しくはCr量が少なすぎると、焼入性が不足してベイナイトが一部生成するため、硬さが低下し、耐摩耗性を確保することができない。さらにCrは、金型の耐食性を確保するためにも有用な元素である。そこでCr量の下限を5%とした。Cr量は、好ましくは5.5%以上である。但しその量が過剰であると、粗大なCr系炭化物が多量に生成し、PVD処理によって形成されるTiN皮膜が剥離しやすくなる。またCr量が過剰であると、熱処理後の収縮によって硬質皮膜の耐久性が低下する。さらにCr量が過剰であると靱性に悪影響を及ぼす。そこでCr量の上限を7%とした。Cr量は、好ましくは6.5%以下である。
Alは、脱酸剤としても有用であることに加えて、Ni3AlなどのAl−Ni系金属間化合物の析出強化による硬さ向上、およびHAZ軟化の抑制にも寄与する元素である。さらにAlは、Nと共にAlN析出物を形成して、焼入れ時の結晶粒粗大化を防止して、優れた靱性を達成するために重要な元素である。これらを勘案して、Alの下限を0.01%とした。Al量は、好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。
Nは、Alと共にAlN析出物を形成して、焼入れ時の結晶粒粗大化を防止して、優れた靱性を達成するために重要な元素である。優れた靱性を達成するためにN量の下限を0.003%とした。しかしその量が過剰であると、かえって靱性が低下する。そこでN量の上限を0.025%とした。N量は、0.004%以上、0.020%以下であることが好ましい。
Cuは、ε−Cuの析出強化による硬さ向上を図るために必要な元素であり、HAZ軟化の抑制にも寄与する。但しその量が過剰であると、靱性が低下し、また鍛造割れが発生しやすくなる。そこでCu量の上限を1%とした。Cu量は、0.30%以上、0.8%以下であることが好ましい。
Niは、Ni3AlなどのAl−Ni系金属間化合物の析出強化による硬さ向上を図るために必要な元素であり、HAZ軟化の抑制にも寄与する。またNiは、Cuと併用することにより、Cuの過剰添加による熱間脆性を抑制し、鍛造時の割れを防止することもできる。但しその量が過剰であると、残留オーステナイトが増加して高温で時効しないと所定の硬さを確保できないほか、熱処理後に膨張してしまう。またNi量が過剰であると、靱性も低下する。これらを勘案して、Ni量を上記範囲に定めた。Ni量は、0.30%以上、0.8%以下であることが好ましい。
MoおよびWは、いずれも、M6C型炭化物を形成するほか、Ni3Mo系金属間化合物などを形成し、析出強化に寄与する元素である。但しこれらの量が過剰であると、上記の炭化物などが過剰に生成し、靱性の低下を招くほか、熱処理後の変寸が大きくなる。そこでMo量およびW量として上記範囲を設定した。本発明では、Moを必須成分とし、Wは選択元素とするが、両方を併用しても構わない。W量の好ましい下限は0.02%である。Mo量は、0.7%以上、2.5%以下であることが好ましい。W量は、0.05%以上、1.5%以下であることがより好ましい。
Sは、被削性確保に有用な元素である。被削性確保の観点からはSを、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上の量で含有させることが推奨される。しかしその量が過剰であると溶接割れが生じる。そこでS量の上限を0.1%とした。S量は、好ましくは0.07%以下、より好ましくは0.05%以下、更に好ましくは0.025%以下である。
上記(1)は、粗大なCr系炭化物の生成抑制を目的として設定されたものである。[Cr]×[C]が4を超えると、粗大なCr系炭化物が生成してTiN皮膜が剥離し易くなる。またこの積が4を超えると、硬質皮膜の耐久性が低下するほか、熱処理後の変寸が大きくなる。[Cr]×[C]は、3.8以下であることが好ましく、3.7以下であることがより好ましい。なお、この下限は、粗大なCr系炭化物の生成抑制や、更には熱処理後の変寸抑制などの観点からは小さい方が良いが、CrやCの添加による上記作用を有効に発揮させることなども勘案すると、おおむね、0.8であることが好ましい。
上記(2)は、微細なAlNを形成させて、焼入れ後の靱性を確保するために設定されたものである。[Al]/[N]が小さすぎても、大きすぎても、微細なAlN析出物が得られにくくなり、優れた靱性が確保できない。よって、これらのバランスを精緻に制御することが重要である。[Al]/[N]は、2以上、20以下であることが好ましい。
MoやWは、前述したように、析出強化に寄与する元素であり、上記(3)は、主に、これらの析出強化による硬さ向上を確保するためのパラメータとして設定されたものである。またこのパラメータを制御することによって、HAZ軟化を良好に抑制できる。これらの作用を有効に発揮させるため、上記(3)の下限を0.5%とした。但しMo量やW量が過剰であると、炭化物が過剰に添加し、靱性の低下を招くほか、熱処理後の変寸が大きくなる。そこで上記(3)の上限を3.00%とした。上記(3)の下限は、好ましくは1.0%、より好ましくは1.2%であり、その上限は好ましくは2.8%である。なお上記(3)中、[W]の係数(0.5)は、Moの原子量はWの約1/2であることを考慮して定めた。
Vは、VCなどの炭化物を形成して硬さ向上に寄与するほか、HAZ軟化の抑制に有効な元素である。また母材表面に、ガス窒化、塩浴窒化、プラズマ窒化などの窒化処理を施して拡散硬化層を形成する場合に、表面硬さの向上や硬化層深さの上昇に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるためには、V量は、おおむね、0.05%以上添加することが好ましい。但しその量が過剰であると、固溶C量が低下し、母相であるマルテンサイト組織の硬さ低下を招くほか、靱性が低下する。そこでVを含有させる場合、その量の上限を0.5%とした。V量は、より好ましくは0.4%以下、更に好ましくは0.3%以下である。
これらの元素は、いずれも窒化物形成元素であり、当該窒化物およびAlNの微細分散化に寄与し、その結果、結晶粒粗大化を防止して靱性向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、おおむね、Tiを0.01%以上、Zrを0.02%以上、Hfを0.04%以上、Taを0.04%以上、Nbを0.02%以上の量で含有させることが好ましい。但しこれらの量が過剰であると、固溶C量が低下してマルテンサイトの硬さ低下を招く。そこで上記元素の合計量を0.5%とすることが好ましい。上記元素の合計量は、より好ましくは0.4%以下、更に好ましくは0.3%以下である。上記の元素は、単独で含有させても良く、2種以上を併用しても良い。
Coは、Ms点を高め、残留オーステナイトの低減化に有効な元素であり、これにより、硬さが向上する。上記作用を有効に発揮させるため、Co量は、おおむね、1%以上であることが好ましい。但しその量が過剰であると、コストなどの上昇を招くため、上限を10%とすることが好ましい。Co量は、より好ましくは5.5%以下である。
上記の焼鈍材から、おおむね、20mmT×20mmW×15mmLサイズの試験片を切出して硬さ測定用試験片とし、これに、以下の熱処理を施した。
上記のように、焼戻温度を約400〜560℃の範囲内で変化させたときの硬さをビッカース硬度計(AKASHI社製の規格AVK、荷重5kg)で測定し、最大硬さ(HV)を調べた。本実施例では、最大硬さが650HV以上のものを合格とした。結果を表2に示す。
上記の焼鈍材に対し、以下の熱処理を施した。
次に、図2に示すように、10mmRのVノッチ部を有する試験片を切出して靱性測定用試験片(シャルピー衝撃試験片)とした。この試験片を用いてシャルピー衝撃試験を実施し、室温での吸収エネルギー(シャルピー衝撃値)を測定した。シャルピー衝撃試験片は3本ずつ採取し、これらの平均値をシャルピー衝撃値とした。本実施例では、シャルピー衝撃値が20J以上のものを「靱性に優れる」と評価した。結果を表2に示す。
(3−1)硬質皮膜の形成
上記の焼鈍材から、おおむね、4mmt×φ50mmサイズの試験片を切出し、靱性試験と同様の熱処理を行って、硬質皮膜の特性評価用の試験片とした。この試験片に対して、一般的な条件でTD処理、CVD処理およびPVD処理を行って、表面に別々に、VC皮膜、TiC皮膜およびTiN皮膜を形成させた。
上記のようにして形成した各硬質皮膜(VC、TiCおよびTiN皮膜)の2000倍の写真を、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影し、任意の5箇所で膜厚を測定した。5箇所の測定値の平均値を、各硬質皮膜の膜厚(μm)とした。本実施例では、VC皮膜およびTiC皮膜の膜厚が7.0μm以上のものを合格とした。結果を表2に示す。
各硬質皮膜(VC、TiCおよびTiN)の剥離限界荷重を、ピンオンディスク試験にて測定した。詳しくは、先端のR半径200μmのダイヤモンド圧子を、荷重増加速度:100N/minおよび圧子移動速度:10mm/minの条件で、硬質皮膜に押込み−移動させ、最初に皮膜剥離が生じた箇所の荷重(N)を剥離限界荷重として求めた。本実施例では、各硬質皮膜の剥離限界荷重が20N以上のものを合格とした。結果を表2に示す。
Claims (5)
- C :0.5〜0.7%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.5〜2.0%、
Mn:0.1〜2.0%、
Cr:5〜7%、
Al:0.01〜1.0%、
N :0.003〜0.025%、
Cu:0.25〜1%、
Ni:0.25〜1%、
Mo:0.5〜3%およびW:2%以下(0%を含む)、並びに
S :0.1%以下(0%を含まない)
を含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
下記(1)〜(3){[ ]は、各元素の含有量(%)を意味する。}
(1)[Cr]×[C]≦4、
(2)[Al]/[N]:1〜30、
(3)[Mo]+0.5×[W]:0.5〜3.00%
の要件を満足することを特徴とする冷間金型用鋼。 - 更に、V:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の冷間金型用鋼。
- 更に、Ti、Zr、Hf、TaおよびNbよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を合計で0.5%以下(0%を含まない)含有する請求項1または2に記載の冷間金型用鋼。
- 更に、Co:10%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の冷間金型用鋼。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の冷間金型用鋼を用いて得られる金型。
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