JP2009242819A - Steel, steel for die and die using the same - Google Patents

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JP2009242819A JP2008087705A JP2008087705A JP2009242819A JP 2009242819 A JP2009242819 A JP 2009242819A JP 2008087705 A JP2008087705 A JP 2008087705A JP 2008087705 A JP2008087705 A JP 2008087705A JP 2009242819 A JP2009242819 A JP 2009242819A
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Masamichi Kono
正道 河野
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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 a steel capable of improving hardenability and securing annealability, a steel for a die and a die using the same. <P>SOLUTION: The steel comprises, by mass, 0.02-2.50% Si, 0.20-4.00% Mo, 0.15-0.55% C, V, Cr, Mn, Ni, Cu and the balance being Fe and unavoidable impurities, provided that the amounts of C, V, Cr, Mn, Ni and Cu satisfy the relation (1): 0.729-1.01C≤V≤1.718-1.65C [%] and relation (2): 7.382-2.79X≤Cr≤10.395-3.69X [%] (wherein X=Mn+0.38(Ni+Cu) [%]; and 0.30≤X≤2.10 [%]). The steel for a die and the die using the same are also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型に関し、更に詳しくは、プラスチックやゴムの射出成形、ダイカスト、熱間鍛造等の金型や成型用部材に用いられる鋼の焼入性の向上と焼鈍性の確保を図る技術に関する。   The present invention relates to steel, mold steel and a mold using the same, and more specifically, quenching of steel used for molds and molding members such as injection molding, die casting and hot forging of plastics and rubber. The technology relates to the improvement of heat resistance and ensuring annealing.

プラスチックやゴムの射出成形、ダイカスト、熱間鍛造等において、金型や成型用部材は、不可欠の存在である。そして、これらの例として、鍛造用の金型やパンチ、ダイカスト用の金型やピンや入子、低圧鋳造用の金型やピンや入子、射出成形(樹脂やガラスを主体とした混合物の射出)用の金型やピンや入子、及び、鍛造・ダイカスト・低圧鋳造・射出成形に用いられるプレートやスリーブ等の工具(以下、これらを単に「金型」ともいう)が挙げられる。特許文献1には、これらの金型に用いて好適な鋼の一例が開示されている。   Molds and molding members are indispensable in plastic and rubber injection molding, die casting, hot forging, and the like. Examples of these include forging dies and punches, die casting dies and pins and inserts, low pressure casting dies and pins and inserts, and injection molding (of resin and glass-based mixtures) Injection) molds, pins and inserts, and tools such as plates and sleeves used for forging, die casting, low pressure casting, and injection molding (hereinafter, these are also simply referred to as “molds”). Patent Document 1 discloses an example of steel suitable for use in these molds.

金型の製造工程は、一般的に、「溶解−精錬−鋳造−均質化熱処理−熱間加工−焼鈍−粗加工−焼入れ・焼戻し−仕上げ加工−(表面処理)−完成」という工程からなる。従って、金型製造では、溶解に始まり完成に至るまで、非常に長い時間と多くのエネルギーや資源を要する。   The mold manufacturing process generally includes the steps of “melting-smelting-casting-homogenizing heat treatment-hot working-annealing-roughing-quenching / tempering-finishing- (surface treatment) -finishing”. Therefore, in the mold manufacturing, it takes a very long time and a lot of energy and resources from melting to completion.

金型(ダイカスト・プラスチックやゴムの射出成形・熱間鍛造等)を使用又は製造する製造業において、原価低減・省資源・環境負荷軽減は、常時課題とされる。
これらの解決策として、
(1)型寿命延長、
(2)仕上げ加工工数の削減、及び、
(3)被削性の確保が挙げられ、
これらの具体的手法として、
(a)鋼材の高衝撃値化、
(b)焼鈍材の軟質化、及び、
(c)焼入れ時の反り軽減が挙げられる(表1参照)。
In the manufacturing industry that uses or manufactures dies (die casting, plastic and rubber injection molding, hot forging, etc.), cost reduction, resource saving, and environmental load reduction are always issues.
As these solutions,
(1) Extension of mold life,
(2) Reduction of finishing man-hours and
(3) Ensuring machinability,
As these concrete methods,
(A) High impact value of steel material,
(B) softening of the annealed material, and
(C) Warpage reduction during quenching can be mentioned (see Table 1).

上記(1)の型寿命延長により、原価低減・省資源・環境負荷軽減が可能であるが、原価低減が可能なのは、金型1つあたりで製造される製品個数が増え、製品単価が減少するとともに、金型交換に要する製造中断時間が短くなり、1時間あたりの製造個数が増加するからである。また、省資源が可能なのは、金型交換回数が減るため、金型作製数が減り、希少元素の使用量が減るからである。更に、環境負荷軽減が可能なのは、金型交換回数が減るため、金型作製数が減り、溶解工程や熱処理工程が減少し、温室効果ガスの排出量が減るためである。
そして、型寿命延長には、上記(a)の鋼材の高衝撃値化が有効である(表1参照)。金型寿命は、一般的に、衝撃値と良い相関を持つ場合が多く、衝撃値の高い金型は寿命が長い傾向にあるからである。ちなみに、金型の発注や受入れに際して金型自体や金型用鋼の衝撃値を規定するメーカーも存在するほどである。
Costs can be reduced, resources can be saved, and the environmental burden can be reduced by extending the mold life as described in (1) above. However, the cost can be reduced because the number of products manufactured per mold increases and the product unit price decreases. At the same time, the production interruption time required for mold replacement is shortened, and the number of products produced per hour increases. Resource saving is possible because the number of mold exchanges is reduced, the number of molds produced is reduced, and the amount of rare elements used is reduced. Furthermore, the environmental load can be reduced because the number of mold exchanges is reduced, the number of molds produced is reduced, the melting process and the heat treatment process are reduced, and the amount of greenhouse gas emissions is reduced.
In order to extend the mold life, it is effective to increase the impact value of the steel material (a) (see Table 1). This is because the mold life generally has a good correlation with the impact value, and a mold with a high impact value tends to have a long life. By the way, there are so many manufacturers that specify the impact value of the mold itself and the mold steel when ordering and receiving the mold.

上記(2)の被削性の確保により、原価低減が可能なのは、被削性を確保すれば、粗加工(金型としての概形が付与される焼入れ前の切削加工)が容易となり、生産効率が向上し、高価な切削工具の交換が少なくなるため、金型の製造コストや製品コストが下がるためである。そして、被削性の確保には、上記(b)の焼鈍材の軟質化が有効である(表1参照)。多くの場合、粗加工を受ける鋼材は、焼鈍状態(すなわち、オーステナイト相と残留炭化物の混合組織をゆっくりと冷却し、その過程で炭化物を肥大化させると同時に母相をフェライト相に変態させ、冷却後の組織を軟質化する処理(焼鈍)した状態)だからである。焼鈍後の硬さは被削性と密接な関係があり、やわらかいほど被削性は高くなる傾向がある。従って、被削性の観点からは、焼鈍後は軟質となる鋼材が望まれる。   The cost can be reduced by securing the machinability of (2) above. If machinability is ensured, rough machining (cutting before quenching with a rough shape as a mold) becomes easy and production is possible. This is because efficiency is improved and replacement of expensive cutting tools is reduced, so that the manufacturing cost and product cost of the mold are reduced. In order to ensure machinability, it is effective to soften the annealed material (b) (see Table 1). In many cases, the steel subjected to roughing is annealed (that is, the mixed structure of the austenite phase and residual carbides is slowly cooled, the carbides are enlarged in the process, and at the same time, the matrix phase is transformed into the ferrite phase, cooling This is because the subsequent tissue is softened (annealed). The hardness after annealing is closely related to the machinability, and the softer the tendency is, the higher the machinability is. Therefore, from the viewpoint of machinability, a steel material that becomes soft after annealing is desired.

上記(3)の仕上げ加工工数の削減により、原価低減が可能なのは、仕上げ加工工数(金型としての最終形状を付与する焼入れ後の切削加工)が少なくて済めば、それだけコスト削減となるからである。そして、仕上げ加工工数の削減には、上記(c)の焼入れ時の反り軽減が有効である(表1参照)。仕上げ加工は、焼入れ後の切削加工であるから、焼入れによって生じる「反り」を小さくできれば、仕上げ加工シロも小さくでき、仕上げ加工工数の削減によるコスト減が達成されるからである。ちなみに、図1に示すように、反りが大きくなると、仕上げ加工シロ(余肉)が小さい場合、焼入れ肌を完全に除去できなくなり、ダイカスト品の鋳肌を荒らすため、焼入れ肌の残った金型はダイカストに使えない。そこで、反りが大きくなりそうな金型では、仕上げ加工シロを充分に大きくしておく必要があるが、仕上げ加工工数の増加によるコスト増を招く。同図では、単純形状のプレートを例示したが、複雑形状の金型では部位によって反る方向が異なるため、最終形状の確保は更に難しい。   Cost reduction can be achieved by reducing the number of finishing processes in (3) above, because the cost can be reduced if the number of finishing processes (cutting after quenching to give the final shape as a mold) is small. is there. And the reduction of the curvature at the time of hardening of the above-mentioned (c) is effective for reduction of the number of finishing processes (refer to Table 1). This is because the finishing process is a cutting process after quenching, so that if the “warpage” caused by quenching can be reduced, the finishing process can also be reduced, and cost reduction can be achieved by reducing the number of finishing processes. By the way, as shown in Fig. 1, when the warp is large, if the finish finish is small, the hardened skin cannot be completely removed, and the die-cast product's cast skin will be roughened. Cannot be used for die casting. Therefore, in a mold that is likely to be warped, it is necessary to make the finishing process sufficiently large, but this causes an increase in cost due to an increase in the number of finishing processes. In the same figure, a simple plate is illustrated, but in a complex-shaped mold, the warping direction differs depending on the part, and thus it is more difficult to ensure the final shape.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

そして、上記(a)の鋼材の高衝撃値化には、「急速な焼入れ(焼入とは、高温のオーステナイト相を室温まで冷却する過程で、マルテンサイトを主体とした組織に相変態させる処理をいう)」が有効である。「急速な焼入れ」により、低温で相変態させることができ、焼入れ材は低温で相変態した組織ほどこれが微細となり、微細な組織ほど衝撃値が高くなるからである。
一方、上記(c)の焼入れ時の反り軽減には、「ゆっくりとした焼入れ」が有効である。「ゆっくりとした焼入れ」により、金型の表面と内部の温度差を小さくでき、焼入れ時に発生する応力も小さくなる結果、反りが小さくなるからである。通常、金型の焼入れに使う冷媒は100℃程度の油であるが、これを室温の空気にすることで、焼入れ速度を小さくでき、「ゆっくりとした焼入れ」になる。
従って、「鋼材の高衝撃値化」と「焼入れ時の反り軽減」を図るための具体的手法は、各々、「急速な焼入れ」と「ゆっくりとした焼入れ」であるため、背反し、同時に採用することができない。
In order to increase the impact value of the steel material (a), “rapid quenching (quenching is a process of transforming a high-temperature austenite phase into a structure mainly composed of martensite in the process of cooling to a room temperature. Is effective). This is because the phase can be transformed at a low temperature by "rapid quenching", and the quenching material becomes finer as the structure transformed at a lower temperature, and the impact value becomes higher as the microstructure becomes finer.
On the other hand, “slow quenching” is effective in reducing the warpage during quenching (c). This is because “slow quenching” can reduce the temperature difference between the surface and the inside of the mold, reduce the stress generated during quenching, and reduce warpage. Usually, the coolant used for quenching the mold is oil of about 100 ° C, but by using this at room temperature air, the quenching speed can be reduced, resulting in “slow quenching”.
Therefore, the specific methods to achieve “high impact value of steel” and “reducing warpage during quenching” are “rapid quenching” and “slow quenching”, respectively. Can not do it.

特開2006−104519JP 2006-104519 A

近年、ダイカストをはじめとする金型業界においては、金型の「大型化対応」に起因するコスト低減を目的とした「部品数の削減」や「工程の簡略化」が加速しており、その結果、個々の部品は一体化・大型化する傾向にあり、従って、金型もまた大型化している。金型が大きいほど、その表面・内部の温度差をできるだけ少なくして焼入れしようとすると、焼入れ時の冷却速度が遅くなり、ゆっくりとした焼入れとなる。その結果、鋼材は高温で相変態することになり、組織が粗大となり、鋼材の衝撃値が小さくなる。従って、大断面金型は、特に、寿命が短くなりやすいという問題があり、大断面金型であっても、高衝撃値化による型寿命延長が可能な鋼材が産業界から要望されている。   In recent years, in the mold industry, including die casting, “reducing the number of parts” and “simplifying processes” for the purpose of cost reduction due to “responding to larger size” of molds are accelerating. As a result, the individual parts tend to be integrated and enlarged, and therefore the mold is also enlarged. The larger the mold is, the lower the temperature difference between the surface and the interior of the mold becomes as small as possible, and the cooling rate during quenching becomes slower, resulting in slower quenching. As a result, the steel material undergoes phase transformation at a high temperature, the structure becomes coarse, and the impact value of the steel material becomes small. Therefore, the metal mold having a large cross section has a problem that the life is particularly likely to be shortened, and a steel material capable of extending the mold life by increasing the impact value is demanded by the industry even for a metal having a large cross section.

しかしながら、大断面金型の場合、急速な焼入れによって高衝撃値化を図ろうとすると、焼入れ時の反りが大きくなる。金型サイズが大きくなるほど作用する応力が大きくなるため、焼入れ後の反りも大きくなるからである。従って、大断面金型では、仕上げ加工シロを大きくせざるを得ず(図1参照)、仕上げ加工工数の増加によるコスト増が問題となりやすい。従って、大断面金型は、特に、反りが大きくなりやすいという問題があり、大断面金型であっても、焼入れ後の反り軽減による仕上げ加工工数の削減が可能な鋼材が産業界から要望されている。   However, in the case of a large cross-section mold, if an attempt is made to achieve a high impact value by rapid quenching, warpage during quenching increases. This is because the larger the mold size, the greater the stress that acts, and the greater the warpage after quenching. Therefore, in the case of a large-section mold, it is necessary to enlarge the finishing process (see FIG. 1), and the cost increase due to an increase in the number of finishing processes tends to be a problem. Therefore, there is a problem that warpage tends to increase particularly with large cross-section molds, and even with large cross-section molds, there is a demand from the industry for steel materials that can reduce the number of finishing processes by reducing warpage after quenching. ing.

そこで、焼入れ時の反りを軽減しつつ、鋼材の高衝撃値化を図るための具体的手法として「焼入性の向上」を図ることが挙げられる(表1参照)。焼入性が良ければ、ゆっくりとした焼入れをおこなっても、微細なマルテンサイト組織が得られて衝撃値が高くなるからである。
そして、「焼入性の向上」を図るには、鋼材成分をより適正化することが有効であり、Cr・Mn・Ni・Cuを積極添加すればよいといえる。
Thus, as a specific method for increasing the impact value of the steel material while reducing warpage during quenching, “improving hardenability” can be mentioned (see Table 1). This is because if the hardenability is good, a fine martensite structure can be obtained even when slow quenching is performed, and the impact value becomes high.
In order to improve “hardenability”, it is effective to make steel components more appropriate, and it can be said that Cr, Mn, Ni, and Cu should be positively added.

また、上記(b)の焼鈍材の軟質化には、「焼鈍性の確保」、すなわち、工業的な条件の焼鈍で十分に軟質化する(球状化焼鈍し状態となる)ことが必要である。しかしながら、上記のCr・Mn・Ni・Cuは、積極添加することにより焼入性を向上させても、焼鈍性を劣化させる。
従って、「焼入性の向上」と「焼鈍性の確保」とを両立させることは困難であり、特許文献1に開示された鋼をはじめとして、これらを両立させた鋼は、従来知られていない。特に、金型の「大型化対応」に適応する大断面金型において、「焼入性の向上」と「焼鈍性の確保」を図ることが産業界で要求されている。
Further, in order to soften the annealed material (b), it is necessary to “ensure annealing properties”, that is, to sufficiently soften (become spheroidized annealed) by annealing under industrial conditions. . However, even if Cr, Mn, Ni, and Cu are added positively to improve the hardenability, the annealability is deteriorated.
Therefore, it is difficult to achieve both “improving hardenability” and “ensuring annealability”, and steels that achieve both of these, including the steel disclosed in Patent Document 1, have been conventionally known. Absent. In particular, it is required in the industry to “improve hardenability” and “ensure annealing” in a large-section die adapted to “enlargement correspondence” of the die.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、焼入性の向上と焼鈍性の確保が可能な鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型を提供することにある。特に、大断面金型に適用しうる鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型を提供することにある。本発明は、これらを通じて、金型の長寿命化を図り、原価低減・環境負荷軽減・省資源を同時に実現しようとするものである。   This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to provide the steel which can improve hardenability and an annealing property, steel for metal mold | die, and a metal mold using the same. is there. In particular, the object is to provide steel that can be applied to a large-section mold, steel for mold, and a mold using the same. Through these, the present invention aims to extend the life of the mold and simultaneously realize cost reduction, environmental load reduction, and resource saving.

本発明に係る鋼は、必須構成元素として、
質量%で、
(1)Si:0.02〜2.50%、
(2)Mo:0.20〜4.00%、及び、
(3)C:0.15〜0.55%を含有し、更に、
質量%で、次式(1)〜次式(2)を満たすC,V,Cr,Mn,Ni,Cuを含有する残部がFe及び不可避の不純物からなることを要旨とする。
(4)0.729−1.01C≦V≦1.718−1.65C[%] …式(1)、
(5)1.382−2.79X≦Cr≦10.395−3.69X[%](但し、X=Mn+0.38(Ni+Cu)[%]、0.30≦X≦2.10[%])…式(2)。
Steel according to the present invention is an essential constituent element,
% By mass
(1) Si: 0.02 to 2.50%,
(2) Mo: 0.20 to 4.00% and
(3) C: contains 0.15-0.55%, and
The gist is that the balance containing C, V, Cr, Mn, Ni, and Cu satisfying the following formula (1) to the following formula (2) in mass% is composed of Fe and inevitable impurities.
(4) 0.729-1.01C ≦ V ≦ 1.718-1.65C [%] ... Formula (1),
(5) 1.382−2.79X ≦ Cr ≦ 10.395−3.69X [%] (where X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) [%], 0.30 ≦ X ≦ 2.10 [%])) Formula (2).

本発明に係る鋼は、選択添加元素として、
更に、質量%で、
(6)W:0.01〜4.00%、
(7)Co:0.01〜2.00%、
(8)Nb:0.002〜0.500%、
Ta:0.002〜0.500%、
Ti:0.002〜0.500%、及び、
Zr:0.002〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上、
(9)Al:0.005〜1.500%、及び、
N:0.005〜0.300%からなる群から選ばれる1種又は2種以上、
(10)B:0.0002〜0.0200%、並びに、
(11)S:0.005〜2.000%、
Ca:0.0005〜0.5000%、
Se:0.005〜0.500%、
Te:0.005〜0.500%、
Bi:0.005〜0.500%、及び、
Pb:0.005〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上、
のうち少なくともいずれかを含有することが望ましい。
The steel according to the present invention is a selective additive element,
Furthermore, in mass%,
(6) W: 0.01 to 4.00%,
(7) Co: 0.01-2.00%
(8) Nb: 0.002 to 0.500%,
Ta: 0.002 to 0.500%,
Ti: 0.002 to 0.500% and
Zr: one or more selected from the group consisting of 0.002 to 0.500%,
(9) Al: 0.005 to 1.500%, and
N: One or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.300%,
(10) B: 0.0002 to 0.0200%, and
(11) S: 0.005 to 2.000%,
Ca: 0.0005 to 0.5000%,
Se: 0.005-0.500%,
Te: 0.005-0.500%,
Bi: 0.005-0.500%, and
Pb: one or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.500%,
It is desirable to contain at least one of them.

本発明に係る鋼は、金型用鋼として用いるとよい。そのため、本発明に係る金型用鋼は、本発明に係る鋼からなる。本発明に係る金型用鋼の具体的な用途として、鍛造用の金型やパンチ、ダイカスト用の金型やピンや入子、低圧鋳造用の金型やピンや入子、射出成形用の金型やピンや入子、及び鍛造・ダイカスト・低圧鋳造・射出成形に用いられるプレートやスリーブ等の工具が挙げられる。
上記のような、本発明に係る金型は、その重量が100kg以上であってもよく、更に、その表面に母材とは成分や硬さの異なる層を備えるものであってもよい。
The steel according to the present invention may be used as mold steel. Therefore, the mold steel according to the present invention is made of the steel according to the present invention. Specific applications of the steel for molds according to the present invention include forging molds and punches, die casting molds and pins and inserts, low pressure casting molds and pins and inserts, and injection molding. Tools such as molds, pins and inserts, and plates and sleeves used for forging, die casting, low pressure casting, and injection molding.
The mold according to the present invention as described above may have a weight of 100 kg or more, and may further include a layer having a component or hardness different from that of the base material on the surface thereof.

本発明に係る鋼は、質量%で、Si:0.02〜2.50%、Mo:0.20〜4.00%、及び、C:0.15〜0.55%を含有し、更に、質量%で、式(1)〜式(2)を満たすC,V,Cr,Mn,Ni,Cuを含有する残部がFe及び不可避の不純物からなるものであるから、焼入性の向上と焼鈍性の確保が可能であるという効果がある。   The steel according to the present invention contains, in mass%, Si: 0.02 to 2.50%, Mo: 0.20 to 4.00%, and C: 0.15 to 0.55%, and further, in mass%, the formulas (1) to ( 2) Since the balance containing C, V, Cr, Mn, Ni, and Cu satisfying 2) is made of Fe and inevitable impurities, it is possible to improve hardenability and secure annealing. .

特に、式(1)を満たすため、粗大なVCを低減させて微細なVCを増加させることができ、高衝撃値化が可能であるという効果がある。   In particular, since the expression (1) is satisfied, the coarse VC can be reduced and the fine VC can be increased, and the impact value can be increased.

また、式(2)を満たすため、焼入性の向上と焼鈍性の確保が可能であるという効果がある。通常は、焼入れ性の向上によって焼鈍性が悪くなるため、高い焼入れ性を持つ鋼材の焼鈍状態は硬くなる。このため被削性が劣化し、金型に加工するための生産性は低くなる。しかしながら、本発明に係る鋼は、上記構成を備えたため、焼入れ性と球状化焼鈍性という背反する要因をバランスさせることができ、焼入性を向上させたにもかかわらず、従来鋼と同等の焼鈍性を確保しているため、焼鈍状態の硬さも従来鋼レベルとなり、金型に加工するための生産性も下がらない。   Moreover, since Formula (2) is satisfy | filled, there exists an effect that a hardenability improvement and securing of annealing property are possible. Usually, since the annealability is deteriorated by improving the hardenability, the annealed state of the steel material having high hardenability is hardened. For this reason, machinability deteriorates and the productivity for processing into a metal mold | die becomes low. However, since the steel according to the present invention has the above-described configuration, it is possible to balance the contradicting factors of hardenability and spheroidizing annealing property, and despite improving the hardenability, the steel is equivalent to the conventional steel. Since the annealing property is secured, the hardness in the annealed state is the same as that of the conventional steel, and the productivity for processing into a mold does not decrease.

従って、本発明に係る鋼を金型に適用すれば、高靭化による寿命延長、低歪化による加工工数の削減が達成できる。この結果、原価低減・省資源・環境負荷軽減が実現されるという効果がある。
本発明に係る金型用鋼は、本発明に係る鋼からなるものであるから、これと同様の効果がある。
更に、本発明に係る金型は、本発明に係る金型用鋼からなるものであるから、これと同様の効果がある。
更にまた、本発明に係る金型は、
(1)大断面で重量が大きい金型(厚さで言えば150mm以上、重量では100kg以上)の場合や、
(2)冷却能の低い設備で焼入れた金型の場合であっても、
高い衝撃値と十分に長い金型寿命を備える。本発明に係る金型用鋼が高い焼入れ性を備えるため、ゆっくりとした焼入れ速度であってもマルテンサイトが主体の微細な組織が得られるからである。
また、本発明に係る金型は、焼入れにおいては従来鋼ほどの急冷を要しないため、金型の歪が軽減され、仕上げ加工工数の削減による原価低減や単納期化が達成されるという効果がある。
Therefore, if the steel according to the present invention is applied to a mold, it is possible to achieve a life extension by high toughness and a reduction in processing man-hour by low strain. As a result, there is an effect that cost reduction, resource saving, and environmental load reduction are realized.
Since the steel for molds according to the present invention is made of the steel according to the present invention, it has the same effect.
Furthermore, since the metal mold | die which concerns on this invention consists of the steel for metal mold | die concerning this invention, there exists an effect similar to this.
Furthermore, the mold according to the present invention is:
(1) In the case of a mold having a large cross section and a large weight (150 mm or more in terms of thickness, 100 kg or more in weight),
(2) Even in the case of molds quenched with equipment with low cooling capacity,
With high impact value and long enough mold life. This is because the mold steel according to the present invention has high hardenability, so that a fine structure mainly composed of martensite can be obtained even at a slow quenching speed.
In addition, since the mold according to the present invention does not require quenching as hard as conventional steel in quenching, the distortion of the mold is reduced, and the effect of reducing cost and achieving a single delivery time by reducing the number of finishing processes is achieved. is there.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る鋼の成分組成及びその限定理由について説明する。尚、以下の説明において「%」は特に説明がない限り、「質量%」を意味する。
(1)Si:0.02〜2.50%。
Siは鋼中で炭化物を形成せず、母相中に固溶する必須構成元素である。Siは鋼の被削性を大きく向上させるため、機械加工コスト低減の観点からは含有量は多いほうが望ましい。一方、過度に添加すれば、熱間加工時に割れやすくなる。被削性と熱間加工性のバランスから、Si量は、質量%で0.02〜2.50%とした。特に好適なSi量の範囲は、被削性が確保され、かつ熱間加工時にも割れにくい、0.20〜1.50%である。
Hereinafter, with reference to drawings, the component composition of the steel which concerns on one Embodiment of this invention, and its reason for limitation are demonstrated. In the following description, “%” means “mass%” unless otherwise specified.
(1) Si: 0.02 to 2.50%.
Si is an essential constituent element that does not form carbides in steel and dissolves in the matrix. Since Si greatly improves the machinability of steel, it is desirable that the content is large from the viewpoint of reducing machining costs. On the other hand, if added excessively, it becomes easy to crack during hot working. From the balance between machinability and hot workability, the Si content was 0.02 to 2.50% by mass. A particularly suitable Si content range is 0.20 to 1.50%, which ensures machinability and is difficult to crack even during hot working.

(2)Mo:0.20〜4.00%。
Moは焼入れ性を向上させるだけでなく、炭化物を形成し分散強化によって鋼を高強度化する元素として有用な必須構成元素である。しかも、軟化抵抗を高める効果が非常に大きい。一方、過度の添加は衝撃値を低下させる。軟化抵抗と衝撃値のバランスから、Mo量は、質量%で0.20〜4.00%とした。特に好適なMo量は、軟化抵抗が高く、かつ衝撃値の低下も少ない0.40〜3.50%である。
(2) Mo: 0.20 to 4.00%.
Mo is an essential constituent element useful not only for improving hardenability but also for forming carbides and increasing the strength of steel by dispersion strengthening. Moreover, the effect of increasing the softening resistance is very large. On the other hand, excessive addition reduces the impact value. From the balance between the softening resistance and the impact value, the Mo amount was 0.20 to 4.00% in mass%. A particularly preferable amount of Mo is 0.40 to 3.50%, which has high softening resistance and little reduction in impact value.

(3)C:0.15〜0.55%。
Cは鋼の強度調整に不可欠な必須構成元素である。Cが過少であると、型材に必要な強度が得られない。一方、焼入れによってマルテンサイトとなった鋼の硬さは、Cが0.55%超では飽和の傾向を示す。ダイカスト・低圧鋳造・熱間鍛造・射出成形などに用いられる型材としての特性を確保するため、C量は、質量%で0.15〜0.55%とした。
(3) C: 0.15-0.55%.
C is an essential constituent element indispensable for adjusting the strength of steel. If C is too small, the strength required for the mold material cannot be obtained. On the other hand, the hardness of steel that has become martensite by quenching tends to saturate when C exceeds 0.55%. In order to ensure the characteristics as a die material used for die casting, low pressure casting, hot forging, injection molding, etc., the C content was 0.15 to 0.55% by mass.

(4)0.729−1.01C≦V≦1.718−1.65C[%] …式(1)。
Vもまた必須構成元素であるが、適切なV量は式(1)を満たす量であり、C量によって変化する。以下、V量を式(1)を満たす範囲とした理由について説明する。
ゆっくりとした焼入れ速度の場合にも高い衝撃値が得られる鋼を提供するために、考慮すべき衝撃値への影響因子として、
(1)粗大な介在物の量(金型用鋼では、VとCを主体とする炭化物である場合が多い)、
(2)結晶粒径(焼入れ時、1020〜1040℃に加熱した時のオーステナイト結晶粒の大きさ)、及び、
(3)焼入れ速度、
の3項目がある。
そして、衝撃値を高くするには、(1)が少なく、(2)が小さく、(3)が速いほうがよい。本発明の狙いは、(3)が遅くても高い衝撃値を得ることであるが、(1)と(2)が適正化されていなければ、高い衝撃値は期待できない。そこで、(3)への対応に先立って、(1)と(2)の適正化について説明する。
(4) 0.729-1.01C ≦ V ≦ 1.718-1.65C [%] Formula (1).
V is also an essential constituent element, but an appropriate amount of V is an amount that satisfies the formula (1) and varies depending on the amount of C. Hereinafter, the reason why the V amount is in a range satisfying the expression (1) will be described.
In order to provide a steel with a high impact value even at slow quenching speeds,
(1) The amount of coarse inclusions (in mold steel, it is often carbide mainly composed of V and C),
(2) crystal grain size (size of austenite crystal grains when quenched to 1020 to 140 ° C.), and
(3) quenching speed,
There are three items.
In order to increase the impact value, it is better that (1) is smaller, (2) is smaller, and (3) is faster. The aim of the present invention is to obtain a high impact value even if (3) is slow, but a high impact value cannot be expected unless (1) and (2) are optimized. Therefore, prior to the response to (3), the optimization of (1) and (2) will be described.

通常、鋼と介在物の境界面には結晶構造の連続性が無いため、外力が作用すると初期亀裂を生じやすい。粗大な(真円換算時の直径≧10μm)介在物が介在物として存在すると衝撃値が低下する理由は、母材となる鋼との境界面に大きな(長さ≧10μm)初期亀裂が簡単に発生し、それが長い亀裂へと成長し、鋼材内を伝播するためである(図2参照)。従って、粗大な介在物は皆無であることが望ましい。金型用鋼で問題となる粗大な介在物は、VとCを主体とする炭化物である場合が多い。以下では、介在物をVC(バナジウムカーバイド)と表記して説明する。   Usually, the interface between steel and inclusions has no continuity of crystal structure, so that an initial crack is likely to occur when an external force is applied. The reason why the impact value decreases if coarse inclusions (diameter ≧ 10 μm in terms of a perfect circle) exist as inclusions is that large initial cracks (length ≧ 10 μm) are easily created at the interface with the base steel. This is because it occurs and grows into a long crack and propagates through the steel (see FIG. 2). Therefore, it is desirable that there are no coarse inclusions. Coarse inclusions that are problematic in mold steel are often carbides mainly composed of V and C. Hereinafter, the inclusion is described as VC (vanadium carbide).

介在物となる粗大なVCは、鋳造時(鋼が凝固するとき)に析出する。その析出量が多くない場合は、均質化熱処理の工程で固溶し、無害化される。しかし、あまりに数が多く、またサイズも大きい場合には、均質化熱処理による完全固溶は難しく、かなりの割合で残存する。これが、破壊の起点となって衝撃値を低下させる。
鋳造時に析出するVCは、V量が多いほど、数が多くサイズは大きくなる。従って、介在物の観点からは、V量は少ないほうが望ましい。
Coarse VCs that become inclusions precipitate during casting (when the steel solidifies). When the amount of precipitation is not large, it is dissolved and rendered harmless in the homogenization heat treatment step. However, when the number is too large and the size is large, complete solid solution by the homogenization heat treatment is difficult and remains in a considerable proportion. This becomes a starting point of destruction and lowers the impact value.
The VC that precipitates during casting increases in number and size as the amount of V increases. Therefore, from the viewpoint of inclusions, it is desirable that the V amount be small.

また、焼入れ時のオーステナイト結晶粒径が大きいほど衝撃値が低下する理由は、大きな亀裂がマルテンサイトの結晶粒界に発生しやすくなるためである。亀裂の大きさはマルテンサイト結晶粒径と密接に関係しており、結晶粒径が大きいと1回の負荷で大きな亀裂ができやすくなり(図3参照)、それらの伝播による鋼材内の貫通も容易となってしまう。
そして、マルテンサイトの結晶粒径はオーステナイトの結晶粒径と正の相関を持っている(図4参照)。1つのオーステナイト結晶粒内に複数のマルテンサイト結晶粒が生成するため、オーステナイト結晶粒径が大きくなるとマルテンサイトの結晶粒径も大きくなる。この結果、大きな亀裂を生じやすくなる(図3参照)。従って、衝撃値の観点からは、オーステナイト結晶粒径は小さいほうが望ましい。
The reason why the impact value decreases as the austenite crystal grain size at the time of quenching increases is that large cracks are likely to occur at the grain boundaries of martensite. The size of the crack is closely related to the martensite crystal grain size. If the crystal grain size is large, a large crack is likely to be formed with a single load (see Fig. 3), and penetration of the steel material due to their propagation is also likely. It will be easy.
The crystal grain size of martensite has a positive correlation with the crystal grain size of austenite (see FIG. 4). Since a plurality of martensite crystal grains are generated in one austenite crystal grain, the crystal grain diameter of martensite increases as the austenite crystal grain diameter increases. As a result, it becomes easy to produce a big crack (refer FIG. 3). Therefore, from the viewpoint of impact value, it is desirable that the austenite crystal grain size is small.

焼入れ時のオーステナイト結晶粒径を決める要因は、微細な(真円換算時の直径≦1μm)VCの量である。この理由は、微細なVCにはオーステナイト結晶粒の成長を抑制する作用があり、その効果は微細なVCの量が多いほど大きくなるからである。
結晶粒の成長には必ず粒界の移動をともなうが、粒界がVCなどの微細な分散粒子1個を越えて移動するには、かなりのエネルギーを要する。従って、より多くのVCが粒界に存在するほど結晶粒の成長に要するエネルギーも大きくなるので、粒界の移動は困難となり、結果として結晶粒が小さく維持される(図5参照)。
結晶粒界の移動を抑制する微細なVCの量は、V量が多いほど増加する。すなわち、オーステナイト結晶粒径を小さく維持する観点からは、V量は多いほうが望ましい。
The factor that determines the austenite crystal grain size during quenching is the amount of fine VC (diameter in a circle) ≦ 1 μm. This is because fine VC has an action of suppressing the growth of austenite crystal grains, and the effect becomes greater as the amount of fine VC increases.
Grain growth always involves the movement of grain boundaries, but considerable energy is required for grain boundaries to move beyond one fine dispersed particle such as VC. Therefore, as more VC is present at the grain boundary, the energy required for the growth of the crystal grain becomes larger, so that the movement of the grain boundary becomes difficult, and as a result, the crystal grain is kept small (see FIG. 5).
The amount of fine VC that suppresses the movement of grain boundaries increases as the amount of V increases. That is, from the viewpoint of keeping the austenite crystal grain size small, it is desirable that the V amount be large.

以上から、高い衝撃値を確保するには、(1)介在物となる粗大なVCの量を低減し、(2)結晶粒界の移動を抑制する微細なVCの量を増やせばよい。換言すれば、(1’)介在物の観点からはV量を少なく、(2’)オーステナイト結晶粒径の観点からはV量を多くすればよい。従って、Vが過少でも過多でも高い衝撃値は確保できず、そのバランス取りが重要であることがわかる。
そこで、粗大なVC量の低減と微細なVCの増量が同時に達成される条件について説明する。
From the above, in order to ensure a high impact value, it is only necessary to (1) reduce the amount of coarse VC that becomes inclusions, and (2) increase the amount of fine VC that suppresses the movement of crystal grain boundaries. In other words, (1 ′) the amount of V is small from the viewpoint of inclusions, and (2 ′) the amount of V is increased from the viewpoint of the austenite crystal grain size. Therefore, it can be seen that a high impact value cannot be secured even if V is too small or too large, and that balancing is important.
Therefore, the conditions for simultaneously reducing the coarse VC amount and increasing the fine VC amount will be described.

まず、粗大なVC量の低減について説明する。実験には、表2に示す18鋼種を用いた。ダイカスト金型に用いられる鋼のSi量は0.3〜1.2%、Mn量は0.3〜0.9%、Cr量は5.0〜5.5%、Mo量は0.8〜1.5%であることが多いため、これに準じて、Si量は0.60%程度、Mn量は0.45%程度、Cr量は5.2%程度、Mo量は1.0%程度で統一した。PやSなどは不純物レベルの含有量であった。   First, a rough reduction in VC amount will be described. In the experiment, 18 steel types shown in Table 2 were used. The amount of Si used in die casting molds is 0.3-1.2%, Mn is 0.3-0.9%, Cr is 5.0-5.5%, and Mo is 0.8-1.5%. The amount of Si was unified at about 0.60%, the amount of Mn was about 0.45%, the amount of Cr was about 5.2%, and the amount of Mo was unified at about 1.0%. P and S etc. were the contents of the impurity level.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

表2の通り、C量を0.18〜0.55%、V量を0.69〜1.45%で変化させた18鋼種を6tonのインゴットに鋳込み、1250℃での均質化熱処理後に熱間加工(鍛造と圧延)を施し、最終的に直径60mmの丸棒とした。この丸棒から試験片を作製し、1030℃で30min均熱した後に20℃/minの速度で焼入れ、これを45HRCへ調質して衝撃値を調査した。試験後の破面を観察し、粗大(真円換算時の直径≧10μm)なVCの有無を調査した。   As shown in Table 2, 18 steel grades with C content varied from 0.18 to 0.55% and V content from 0.69 to 1.45% were cast into a 6-ton ingot and hot-worked (forging and rolling) after homogenization heat treatment at 1250 ° C. To give a round bar with a diameter of 60 mm. A test piece was prepared from this round bar, soaked at 1030 ° C. for 30 min, quenched at a rate of 20 ° C./min, tempered to 45 HRC, and the impact value was investigated. The fracture surface after the test was observed, and the presence or absence of coarse VC (diameter when converted to a perfect circle ≧ 10 μm) was investigated.

図6に調査結果を示す。粗大なVCが観察されなかった鋼は「○(合格)」、粗大なVCが確認できた鋼は「×(不合格)」とした。尚、粗大なVCが認められた鋼種の衝撃値は25J/cm2以下であった。予想通り、CとVの増加は粗大なVCの生成を助長している。一方、粗大なVCが生成しにくい領域は、次式(1A)によって近似できることがわかった。
V≦1.718−1.65C[%] …式(1A)。
FIG. 6 shows the survey results. The steel in which coarse VC was not observed was “◯ (passed)”, and the steel in which coarse VC could be confirmed was “× (failed)”. The impact value of the steel type in which coarse VC was recognized was 25 J / cm 2 or less. As expected, the increase in C and V encourages the creation of coarse VCs. On the other hand, it was found that the region where coarse VC is difficult to generate can be approximated by the following equation (1A).
V <= 1.718-1.65C [%] ... Formula (1A).

次に、微細なVCの増量によるオーステナイト結晶粒の微細化について説明する。実験には、表3に示す20鋼種を用いた。ダイカスト金型に用いられる鋼のSi量は0.3〜1.2%、Mn量は0.3〜0.9%、Cr量は5.0〜5.5%、Mo量は0.8〜1.5%であることが多いため、これに準じて、Si量は0.60%程度、Mn量は0.45%程度、Cr量は5.2%程度、Mo量は1.0%程度で統一した。PやSなどは不純物レベルの含有量であった。   Next, miniaturization of austenite crystal grains by increasing the amount of fine VC will be described. In the experiment, 20 steel types shown in Table 3 were used. The amount of Si used in die casting molds is 0.3-1.2%, Mn is 0.3-0.9%, Cr is 5.0-5.5%, and Mo is 0.8-1.5%. The amount of Si was unified at about 0.60%, the amount of Mn was about 0.45%, the amount of Cr was about 5.2%, and the amount of Mo was unified at about 1.0%. P and S etc. were the contents of the impurity level.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

表3の通り、C量を0.15〜0.54%、V量を0.16〜0.61%で変化させた20鋼種を6tonのインゴットに鋳込み、1250℃での均質化熱処理後に熱間加工(鍛造と圧延)を施し、最終的に直径60mmの丸棒とした。この丸棒から試験片を作製し、1030℃で30min均熱した後に20℃/minの速度で焼入れ、これを腐食して金属組織を現出し、マルテンサイト変態前のオーステナイト結晶粒径を評価した。
一般には、オーステナイト結晶粒径が真円換算時の直径で100μmを超えると(結晶粒度で言うと、およそ4未満になると)、衝撃値の低下が顕著になる。そこで、粒径が真円換算時の直径で100μm以下の鋼は「○(合格)」、粒径が真円換算時の直径で100μmを超えていた鋼は「×(不合格)」として結果を図7に示す。結晶粒が微細な鋼ほど、直径が0.1〜1μmの微細なVCは多い傾向が認められた。
As shown in Table 3, 20 steel grades with varying C content of 0.15-0.54% and V content of 0.16-0.61% were cast into a 6-ton ingot and hot-worked (forging and rolling) after homogenization heat treatment at 1250 ° C. To give a round bar with a diameter of 60 mm. A test piece was prepared from this round bar, soaked at 1030 ° C for 30 minutes and then quenched at a rate of 20 ° C / min. This was corroded to reveal a metal structure, and the austenite grain size before martensitic transformation was evaluated. .
In general, when the austenite crystal grain size exceeds 100 μm in terms of a perfect circle (when it is less than about 4 in terms of crystal grain size), the impact value decreases significantly. Therefore, a steel with a particle diameter of 100 μm or less when converted into a perfect circle is “O” (passed), and a steel with a particle diameter exceeding 100 μm when converted into a perfect circle is “× (failed)”. Is shown in FIG. It was observed that steel with finer crystal grains tended to have more VCs with a diameter of 0.1 to 1 μm.

このことから、CとVの減少は結晶粒の粗大化を助長していることがわかる。理由は、上記の通り、直径が0.1〜1μmの微細なVCが減少するためである。一方、オーステナイト結晶粒径が真円換算時の直径で100μm以下となる領域は、次式(1B)によって近似できることがわかった.
0.729−1.01C≦V[%] …式(1B)。
From this, it can be seen that the decrease in C and V promotes the coarsening of crystal grains. The reason is that as described above, fine VCs having a diameter of 0.1 to 1 μm are reduced. On the other hand, it was found that the region in which the austenite crystal grain size is 100 μm or less in terms of a perfect circle can be approximated by the following equation (1B).
0.729-1.01C <= V [%] ... Formula (1B).

以上の調査結果から、本実施形態においては、粗大なVC量の低減と、オーステナイト結晶粒の微細化(微細なVCの増量と同意)が同時に達成されるC量及びV量の成分範囲は、
C:0.15〜0.55%、
0.729−1.01C≦V≦1.718−1.65C[%] …式(1)
を満たす範囲とした。
From the above investigation results, in the present embodiment, the component range of the C amount and the V amount in which the reduction of the coarse VC amount and the austenite crystal grain refinement (agreement with the increase of the fine VC) are simultaneously achieved are as follows:
C: 0.15-0.55%
0.729−1.01C ≦ V ≦ 1.718−1.65C [%] (1)
It was set as the range which satisfy | fills.

本実施形態の規定範囲をJIS鋼と比較すれば図8の通りである。従来鋼の規格では、粗大なVC量が過多の領域、あるいは微細なVC量が過少な領域をその規格範囲に含んでしまう。従って、鋼材の特性を安定化させることが難しい。本実施形態では、真に必要なV量の範囲をC量に応じて定めたので鋼材の特性を安定化させることができる。   A comparison of the specified range of this embodiment with JIS steel is shown in FIG. In the standard of conventional steel, a region where the coarse VC amount is excessive or a region where the fine VC amount is excessive is included in the standard range. Therefore, it is difficult to stabilize the characteristics of the steel material. In the present embodiment, since the range of the truly necessary V amount is determined according to the C amount, the characteristics of the steel material can be stabilized.

更に、特性を安定化させる観点からVの好適な範囲を示せば、質量%で0.35〜1.0%である。0.35%未満では、焼入れ時のオーステナイト組織が混粒となる危険性が増すからである。混粒とは、粗大な結晶粒と微細な結晶粒が混在する組織を指し、衝撃値の観点からは望ましくない。混粒組織は、結晶粒界の移動を抑制する微細なVC(図5参照)が、適正量よりもやや少なめの場合に生じやすい。これは、VCの分布にムラができ、VCが少ない領域では結晶粒の成長が起こるからである。
一方、V量が1.0%を超えると、大きなインゴットで鋳造した場合に粗大なVC(図2参照)が生じやすくなる。この理由は、インゴットが大きいほど凝固速度が低下し、凝固速度が遅い(元素が拡散して介在物を粗大化させるに十分な時間的余裕がある)ほどVCのサイズが大きくなるためである。10ton以上の大きなインゴットで鋳造することも考えると、好適なV量の上限は1.0%となる。
Furthermore, if the suitable range of V is shown from a viewpoint of stabilizing a characteristic, it is 0.35-1.0% by mass%. If it is less than 0.35%, there is an increased risk that the austenite structure at the time of quenching becomes mixed grains. The mixed grain refers to a structure in which coarse crystal grains and fine crystal grains are mixed, and is not desirable from the viewpoint of impact value. The mixed grain structure is likely to occur when the fine VC (see FIG. 5) that suppresses the movement of the crystal grain boundary is slightly less than the appropriate amount. This is because VC distribution is uneven and crystal grains grow in a region where VC is small.
On the other hand, if the amount of V exceeds 1.0%, coarse VC (see FIG. 2) tends to occur when cast with a large ingot. The reason for this is that the larger the ingot, the lower the solidification rate, and the slower the solidification rate (there is enough time to allow the elements to diffuse and coarsen inclusions), the larger the VC size. Considering casting with a large ingot of 10 tons or more, the preferable upper limit of V amount is 1.0%.

以上、衝撃値を高くするために考慮すべき3項目のうち、(1)粗大な介在物の量、及び、(2)結晶粒径について説明した。
そこで、次に、(3)焼入れ速度、並びに、焼鈍性について、Cr量を式(2)を満たす範囲とした理由と併せて説明する。
As described above, (1) the amount of coarse inclusions and (2) the crystal grain size have been described among the three items to be considered in order to increase the impact value.
Then, next, (3) Quenching speed and annealing properties will be described together with the reason why the Cr content is in a range satisfying the formula (2).

(5)1.382−2.79X≦Cr≦10.395−3.69X[%](但し、X=Mn+0.38(Ni+Cu)[%]、0.30≦X≦2.10[%])…式(2)。
焼入れ速度が遅くても高い衝撃値を得るには、焼入れ性の向上が必須である。そこで、焼入れ性を改善する元素に着目した。Cr,Mn,Ni,Cuは焼入れ性の向上元素として必須である。一方で、焼鈍性を劣化させる元素でもある。焼入れ性と焼鈍性のバランス最適化を図る本発明においては、Cr,Mn,Ni,Cuの範囲を適正化する重要性が特に高い。
そこで、まず、これらの成分元素の範囲について説明する。
(5) 1.382−2.79X ≦ Cr ≦ 10.395−3.69X [%] (where X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) [%], 0.30 ≦ X ≦ 2.10 [%])) Formula (2).
In order to obtain a high impact value even if the quenching speed is low, it is essential to improve the hardenability. Therefore, attention was focused on elements that improve hardenability. Cr, Mn, Ni, and Cu are essential as elements for improving hardenability. On the other hand, it is also an element that degrades annealing. In the present invention for optimizing the balance between hardenability and annealability, the importance of optimizing the range of Cr, Mn, Ni, and Cu is particularly high.
First, the range of these component elements will be described.

図9は、JIS SKD61のCCT(連続冷却変態)線図である。この図は、1030℃のオーステナイト相を冷却した時、何度でベイナイトやマルテンサイトに相変態するかを示している。冷却速度が30℃/minと大きい場合にはマルテンサイト組織となるが、冷却速度が3℃/minではベイナイト主体の組織になり、12℃/minを境として組織は大きく変わることがわかる。
このように、マルテンサイトとベイナイトの境界となる焼入れ速度を「臨界冷却速度」と呼ぶ。すなわち、JIS SKD61の臨界冷却速度は12℃/minとなる。また、臨界冷却速度以上の速度で冷却する(つまりマルテンサイトにする)ことを、一般に「焼きを入れる」と表現する。
鋼材の組織は、相変態の温度と密接な関係を持っている。一般に、低温で相変態した組織ほど微細となる。JIS SKD61の場合も同様に、400℃付近で得られるベイナイトは粗大な組織だが、300℃付近で得られるマルテンサイトは非常に微細な組織である。また、組織は衝撃値とも強い相関を持つことが知られている。
FIG. 9 is a CCT (continuous cooling transformation) diagram of JIS SKD61. This figure shows how many times the austenite phase at 1030 ° C. is transformed into bainite and martensite when cooled. When the cooling rate is as high as 30 ° C / min, a martensite structure is formed. However, when the cooling rate is 3 ° C / min, the structure is mainly bainite, and the structure changes greatly at 12 ° C / min.
Thus, the quenching speed that becomes the boundary between martensite and bainite is called “critical cooling speed”. That is, the critical cooling rate of JIS SKD61 is 12 ° C / min. Further, cooling at a rate higher than the critical cooling rate (that is, martensite) is generally expressed as “burning”.
The structure of steel has a close relationship with the temperature of phase transformation. In general, the finer the structure that has undergone phase transformation at a low temperature. Similarly, in the case of JIS SKD61, bainite obtained at around 400 ° C is a coarse structure, but martensite obtained at around 300 ° C has a very fine structure. It is also known that the tissue has a strong correlation with the impact value.

図10は、JIS SKD61の衝撃値に及ぼす焼入れ速度の影響を示す。試験片の硬さは45HRCである。焼入れ速度が12℃/minより小さくなると衝撃値は急減するが、これは図9の相変態挙動と密接に関連している。すなわち、臨界冷却速度(この場合は12℃/min)以上の冷却では「焼き」が入って微細なマルテンサイトになるが、これより遅い冷却では粗大なベイナイトになる。図9と図10からわかる通り、臨界冷却速度は、組織と衝撃値が大きく変わる境界条件である。
臨界冷却速度は鋼種によって異なるが、この値を境にして組織と衝撃値が大きく変わる点はほぼ全ての鋼種に共通の特徴である。例えば、臨界冷却速度が6℃/minの鋼種であれば、6℃/minを境にして衝撃値と組織は大きく変化する。
FIG. 10 shows the effect of quenching speed on the impact value of JIS SKD61. The hardness of the specimen is 45 HRC. When the quenching speed is less than 12 ° C./min, the impact value decreases rapidly, which is closely related to the phase transformation behavior of FIG. That is, when the cooling rate is higher than the critical cooling rate (in this case, 12 ° C./min), “baking” occurs and fine martensite is formed, but when cooling is slower than this, coarse bainite is formed. As can be seen from FIGS. 9 and 10, the critical cooling rate is a boundary condition in which the structure and the impact value change greatly.
Although the critical cooling rate varies depending on the steel type, the fact that the structure and impact value change greatly with this value as a boundary is a feature common to almost all steel types. For example, if the steel type has a critical cooling rate of 6 ° C / min, the impact value and the structure greatly change at 6 ° C / min.

ここで、ダイカストに使われるJIS SKD61の金型を焼入れたときの冷却速度を図11に示す。金型の厚さが大きくなると重量も増して冷えにくくなる。このため、金型の厚さと焼入れ速度には負の相関が認められる。
一般に「大断面型」と扱われるのは、高い衝撃値を得る事が非常に難しいサイズの金型である。通常は、厚さが150mmを超える金型、重量的には100kgを超える金型を指すことが多い。
図11において、JIS SKD61の臨界冷却速度である12℃/minに注目すると、これに該当する金型の厚さは110mm程度である。図9及び図10が示す通り、これより焼入れ速度が小さくなると、JIS SKD61では「焼き」が入らなくなって衝撃値は急減する。すなわち、厚さが110mmを超えるJIS SKD61の金型では、衝撃値の低下が懸念される。
高い衝撃値が得られないことから、厚さが150mmを超える金型は「大断面型」と扱われるが、これはJIS SKD61の臨界冷却速度からも妥当な判断といえる。また、「大断面型」とは「焼きが入らないサイズの型」と見ることも可能である。
Here, FIG. 11 shows the cooling rate when a JIS SKD61 mold used for die casting is quenched. As the mold thickness increases, the weight increases and it becomes difficult to cool. For this reason, a negative correlation is recognized between the mold thickness and the quenching speed.
In general, what is treated as a “large-section type” is a mold having a size that makes it very difficult to obtain a high impact value. Usually, it often refers to a mold having a thickness exceeding 150 mm, and a mold having a weight exceeding 100 kg.
In FIG. 11, paying attention to the critical cooling rate of 12 ° C./min of JIS SKD61, the thickness of the mold corresponding to this is about 110 mm. As shown in FIGS. 9 and 10, when the quenching speed becomes smaller than this, in JIS SKD61, “hardening” does not occur and the impact value decreases rapidly. That is, in the JIS SKD61 mold having a thickness exceeding 110 mm, there is a concern that the impact value may decrease.
Since a high impact value cannot be obtained, a mold with a thickness of more than 150 mm is treated as a “large cross-section type”, which can be said to be a reasonable judgment from the critical cooling rate of JIS SKD61. Further, the “large cross-sectional mold” can also be regarded as “a mold having a size that does not cause burning”.

ここで、「大断面型」と扱われる厚さ150mm以上に注目すると、このように大きな金型の焼入れ速度は6℃/min以下となっている。図9と図10から考えれば、臨界冷却速度が6℃/min以下の鋼種を開発すれば、厚さが150mmを超える金型でも高い衝撃値が期待できる。特に、近年は大断面型が増えており、高い衝撃値が得られる鋼種へのニーズは高まっている。
そこで、大断面型でも高い衝撃値を得るため、鋼種開発の目標値を「臨界冷却速度が6℃/min以下」と定めた。臨界冷却速度が小さい鋼は、より小さな焼入れ速度でもマルテンサイトが得られる、つまり、より小さな焼入れ速度でも「焼き」が入り、「焼入れ性が良い鋼」といえるからである。
ここで、これまでの説明で用いてきた「衝撃値」について補足する。衝撃値の調査には、JIS 3号の試験片を用い、室温で評価を行っている。衝撃値は吸収エネルギーを断面積で除した値であり、この数値が大きいほど割れにくい材料であることを示す。尚、現在のJISには衝撃値の規格は無い。以前の改定によって項目が無くなったのである。しかし、重要な特性値として現在でも工業的には使われており、衝撃値を金型の受け入れ規格にしているメーカーが存在することは、上記の通りである。そこで、本実施形態においても、このような工業的慣例に従って、衝撃値を評価の尺度としている。以下についても、衝撃値の評価方法と扱いは同じである。
Here, paying attention to a thickness of 150 mm or more, which is treated as a “large-section type”, the quenching speed of such a large mold is 6 ° C./min or less. Considering FIGS. 9 and 10, if a steel type having a critical cooling rate of 6 ° C./min or less is developed, a high impact value can be expected even for a mold having a thickness exceeding 150 mm. In particular, in recent years, the number of large cross-section types has increased, and the need for a steel type that can obtain a high impact value is increasing.
Therefore, in order to obtain a high impact value even with a large cross-section type, the target value for the development of steel grade was set as “critical cooling rate is 6 ° C / min or less”. This is because a steel with a low critical cooling rate can obtain martensite even at a lower quenching speed, that is, it can be said to be “steel with good hardenability” because “quenching” occurs even at a lower quenching speed.
Here, it supplements about the "impact value" used by the description so far. In order to investigate the impact value, JIS 3 test pieces were used and evaluated at room temperature. The impact value is a value obtained by dividing the absorbed energy by the cross-sectional area. A larger value indicates that the material is more difficult to break. The current JIS does not have a shock value standard. The item has disappeared due to the previous revision. However, it is still used industrially as an important characteristic value at present, and as described above, there are manufacturers that use the impact value as an acceptance standard for molds. Therefore, also in this embodiment, the impact value is used as a scale for evaluation in accordance with such industrial practice. The following is the same as the impact value evaluation method and handling.

ところで、「焼入れ性が良い」とは「ベイナイト変態が抑制される」と同義である。より小さな焼入れ速度でもベイナイト変態が起こらず、マルテンサイトになる(焼きが入る)ためには、オーステナイト相の安定度を高めると同時に、オーステナイト中に固溶した炭素の拡散を抑制する方策が有効である。
この理由は、
(1)オーステナイト相が不安定になるとベイナイト変態が起きやすくなり、
(2)ベイナイト変態には炭素の拡散を伴うからである。
オーステナイト相の安定度を高める元素としては、Mn・Ni・Cuが良く知られている。一方、オーステナイト中に固溶した炭素の拡散を抑制する元素としてはCrが良く知られている。このように、Mn・Ni・CuとCrでは、焼入れ性を高めるメカニズムが異なる。
そこで、Mn・Ni・CuとCrの2グループに分けて、焼入れ性の改善を検討した。
By the way, “good hardenability” is synonymous with “inhibition of bainite transformation”. In order for bainite transformation not to occur at a lower quenching speed and to become martensite (quenching), it is effective to increase the stability of the austenite phase and suppress the diffusion of carbon dissolved in the austenite. is there.
The reason is
(1) When the austenite phase becomes unstable, bainite transformation is likely to occur,
(2) This is because the bainite transformation involves carbon diffusion.
Mn, Ni, and Cu are well known as elements that increase the stability of the austenite phase. On the other hand, Cr is well known as an element that suppresses the diffusion of carbon dissolved in austenite. Thus, the mechanism for improving the hardenability is different between Mn, Ni, Cu and Cr.
Therefore, improvement of hardenability was examined by dividing into two groups of Mn, Ni, Cu and Cr.

焼入れ性は、焼入れ材の硬化層深さによって評価が可能である。例えば、水焼入れした丸棒の硬さ分布を調査した時、硬化層が深いほど、つまり丸棒の内部まで硬くなっている鋼材ほど、焼入れ性が良好と判断できる。
また、オーステナイト相の安定化には安価なMnが多用されるため、NiとCuの効果をMnに換算して評価することにした。
以上の方針をもって、Mn・Ni・Cuを変化させた鋼材の焼入れ硬化層深さから焼入れ性の改善効果を定量化し、Mnに換算して表現する実験を行った。
The hardenability can be evaluated by the depth of the hardened layer of the hardened material. For example, when examining the hardness distribution of a water-quenched round bar, the deeper the hardened layer, that is, the steel material that is hardened to the inside of the round bar, it can be judged that the hardenability is better.
In addition, since inexpensive Mn is frequently used to stabilize the austenite phase, it was decided to evaluate the effect of Ni and Cu in terms of Mn.
Based on the above policy, an experiment was performed in which the effect of improving hardenability was quantified based on the depth of the hardened hardened layer of steel with Mn / Ni / Cu changed, and expressed in terms of Mn.

実験に用いた鋼材の化学成分を表4に示す。Mn・Ni・Cuの影響を評価するため、それ以外の成分は共通とした。これら10鋼種からなる直径100mmの丸棒を攪拌水中に投入して急冷し、切断した横断面の硬さ分布を測定、焼きが入って硬化した領域の深さを「焼入れ深さ」と定義した。表4には、焼入れ深さも併記した。焼入れ深さが大きいほど、焼入れ性は良好と判断できる。以下では、Mn・Ni・Cuに対して評価した結果によりオーステナイト相の安定化による焼入れ性の改善効果を説明する。   Table 4 shows chemical components of the steel materials used in the experiment. In order to evaluate the influence of Mn / Ni / Cu, the other components were made common. A round bar with a diameter of 100 mm made of these 10 steel types was poured into stirring water and quenched, the hardness distribution of the cut cross section was measured, and the depth of the hardened and hardened region was defined as the “quenching depth” . Table 4 also shows the quenching depth. It can be judged that the hardenability is better as the quenching depth is larger. Below, the effect of improving the hardenability by stabilizing the austenite phase will be described based on the evaluation results for Mn / Ni / Cu.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

まず、NiとCuがほとんど入っていない2鋼種を比較する。鋼1と鋼5を比較すると、Mnの1%あたり焼入れ深さは6.0mm大きくなる比率である。Mnの範囲は0.3〜0.9%である。
次に、Mnが0.3%でMn+Ni+Cuが0.9%以下の鋼種を鋼1と比較することによって、NiとCuの効果を算出する。鋼1と鋼2を比較すると(ともに0.3%Mn)、Niの約0.3%増加で焼入れ深さが0.5mm大きくなっている。これは、Mnに換算すると「0.5÷6.0」で0.08%となる。すなわち、Ni添加の効果はMnに対して「0.08÷0.3」の0.27倍と算定できる。
更に、鋼1と鋼3を比較すると(ともに0.3%Mn)、Cuの約0.3%増加で焼入れ深さが0.6mm大きくなっている。これは、Mnに換算すると「0.6÷6.0」で0.10%となる。すなわち、Cu添加の効果はMnに対して「0.10÷0.3」の0.33倍と算定できる。
以上より、NiとCuの効果はMnの約0.30倍(0.27〜0.33倍)であることがわかった。最後に、NiとCuの複合添加においてそれぞれの効果が加算できるか確認するため、鋼4の実績を検証する。
First, two steel types that contain almost no Ni and Cu are compared. Comparing Steel 1 and Steel 5, the quenching depth per 1% of Mn is a ratio that increases by 6.0 mm. The range of Mn is 0.3-0.9%.
Next, the effect of Ni and Cu is calculated by comparing the steel type with Mn of 0.3% and Mn + Ni + Cu of 0.9% or less with Steel 1. When Steel 1 and Steel 2 are compared (both 0.3% Mn), the quenching depth is increased by 0.5 mm with an increase of about 0.3% of Ni. This is 0.08% when converted to Mn, which is “0.5 ÷ 6.0”. That is, the effect of adding Ni can be calculated as 0.27 times “0.08 ÷ 0.3” with respect to Mn.
Furthermore, when steel 1 and steel 3 are compared (both 0.3% Mn), the quenching depth is increased by 0.6 mm with an increase of about 0.3% of Cu. In terms of Mn, this is “0.6 ÷ 6.0” or 0.10%. That is, the effect of Cu addition can be calculated as 0.33 times “0.10 ÷ 0.3” with respect to Mn.
From the above, it was found that the effect of Ni and Cu is about 0.30 times (0.27 to 0.33 times) of Mn. Finally, in order to confirm whether each effect can be added in the combined addition of Ni and Cu, the results of Steel 4 are verified.

鋼4は、鋼1に対してNiとCuがそれぞれ0.3%添加されている。0.3%の添加はMnに換算して「0.3×0.30」の0.09%と見積もられる。焼入れ深さの増大効果が加算されるとすれば、NiとCuの添加は「0.3+0.09+0.09」で0.48%Mnに相当する。すなわち、鋼1のMnを0.18%増したに等しい。
Mnの範囲が0.3〜0.9%においては、Mnの1%あたり、焼入れ深さは6.0mm大きくなる比率であった。すなわち、Mnを0.18%増すと焼入れ深さは「0.18×6.0」で1.08mm大きくなるといえる。鋼1の焼入れ深さに1.08mmを足すと「23.1+1.08」で24.18mmとなり、鋼4の実績である24.3mmとほぼ一致する。
以上によって、NiとCuの効果がMnの0.3倍であることを確認した。Mnの範囲は0.3〜0.9%である。引き続き、Mn・Ni・Cuの添加量が多い場合を検証する。
Steel 4 has 0.3% of Ni and Cu added to steel 1. The addition of 0.3% is estimated to be 0.09% of “0.3 × 0.30” in terms of Mn. If the effect of increasing the quenching depth is added, the addition of Ni and Cu is “0.3 + 0.09 + 0.09”, which corresponds to 0.48% Mn. That is, it is equivalent to increasing Mn of steel 1 by 0.18%.
When the Mn range was 0.3 to 0.9%, the quenching depth was increased by 6.0 mm per 1% of Mn. That is, when Mn is increased by 0.18%, the quenching depth is “0.18 × 6.0”, which is 1.08 mm larger. If 1.08mm is added to the quenching depth of Steel 1, it will be 24.18mm with "23.1 + 1.08", which is almost the same as 24.3mm, which is the actual result of Steel 4.
From the above, it was confirmed that the effect of Ni and Cu was 0.3 times that of Mn. The range of Mn is 0.3-0.9%. Next, the case where the amount of Mn / Ni / Cu added is large will be verified.

まず、NiとCuがほとんど入っていない2鋼種を比較する。鋼6と鋼10を比較すると、Mnの1%あたり焼入れ深さは3.9mm大きくなる比率である。Mnの範囲は0.7〜2.1%である。
次に、Mnが0.7%でMn+Ni+Cuが2.1%以下の鋼種を鋼6と比較することによって、NiとCuの効果を算出する.鋼6と鋼7を比較すると(ともに0.7%Mn)、Niの約0.7%増加で焼入れ深さが1.2mm大きくなっている。これは、Mnに換算すると「1.2÷3.9」で0.31%となる。すなわち、Ni添加の効果はMnに対して「0.31÷0.7」の0.44倍と算定できる。
鋼6と鋼8を比較すると(ともに0.7%Mn)、Cuの約0.7%増加で焼入れ深さが1.3mm大きくなっている。これは、Mnに換算すると「1.3÷3.9」で0.33%となる。すなわち、Cu添加の効果はMnに対して「0.33÷0.7」の0.47倍と算定できる。
以上より、NiとCuの効果はMnの約0.46倍(0.44〜0.47倍)であることがわかった。最後に、NiとCuの複合添加において、それぞれの効果が加算できるか確認するため、鋼9の実績を検証する。
First, two steel types that contain almost no Ni and Cu are compared. When steel 6 and steel 10 are compared, the quenching depth per 1% of Mn is increased by 3.9 mm. The range of Mn is 0.7 to 2.1%.
Next, the effect of Ni and Cu is calculated by comparing steel grades with Mn 0.7% and Mn + Ni + Cu 2.1% or less with steel 6. Comparing Steel 6 and Steel 7 (both 0.7% Mn), the quenching depth is increased by 1.2mm with an increase of about 0.7% of Ni. In terms of Mn, this is “1.2 ÷ 3.9” or 0.31%. That is, the effect of adding Ni can be calculated as 0.44 times “0.31 ÷ 0.7” with respect to Mn.
Comparing Steel 6 and Steel 8 (both 0.7% Mn), the quenching depth is 1.3mm larger with about 0.7% increase in Cu. In terms of Mn, this is “1.3 ÷ 3.9” or 0.33%. That is, the effect of Cu addition can be calculated as 0.47 times “0.33 ÷ 0.7” with respect to Mn.
From the above, it was found that the effect of Ni and Cu is about 0.46 times (0.44 to 0.47 times) of Mn. Finally, in order to confirm whether each effect can be added in the combined addition of Ni and Cu, the results of Steel 9 are verified.

鋼9は、鋼6に対してNiとCuがそれぞれ0.7%添加されている。0.7%の添加はMnに換算して「0.7×0.46」の0.32%と見積もられる。焼入れ深さの増大効果が加算されるとすれば、NiとCuの添加は「0.7+0.32+0.32」で1.34%Mnに相当する。すなわち、鋼6のMnを0.64%増したに等しい。
Mnの範囲が0.7〜2.1%においては、Mnの1%あたり焼入れ深さは3.9mm大きくなる比率であった。すなわち、Mnを0.64%増すと焼入れ深さは「0.64×3.9」で2.50mm大きくなるといえる。鋼6の焼入れ深さに2.50mmを足すと「25.8+2.50」で28.30mmとなり、鋼9の実績である28.2mmとほぼ一致する。
以上によって、NiとCuの効果がMnの0.46倍であることを確認した。Mnの範囲は0.7〜2.1%である。まとめると、NiとCuの効果は0.3〜0.9%Mnの範囲ではMnの0.30倍、0.7〜2.1%Mnの範囲ではMnの0.46倍である。
上記の知見を平均的に考えると、0.3〜2.1%Mnの範囲において、NiとCuの効果はMnの0.38倍と結論付けられる。
Steel 9 has 0.7% of Ni and Cu added to steel 6. The addition of 0.7% is estimated to be 0.32% of “0.7 × 0.46” in terms of Mn. If the effect of increasing the quenching depth is added, the addition of Ni and Cu is “0.7 + 0.32 + 0.32,” which corresponds to 1.34% Mn. That is, it is equivalent to increasing Mn of steel 6 by 0.64%.
When the range of Mn was 0.7 to 2.1%, the quenching depth per 1% of Mn was a ratio that increased by 3.9 mm. That is, when Mn is increased by 0.64%, the quenching depth is “0.64 × 3.9”, which is 2.50 mm larger. When 2.50 mm is added to the quenching depth of steel 6, “25.8 + 2.50” is 28.30 mm, which is almost the same as 28.2 mm, the actual result of steel 9.
From the above, it was confirmed that the effect of Ni and Cu was 0.46 times that of Mn. The range of Mn is 0.7 to 2.1%. In summary, the effect of Ni and Cu is 0.30 times that of Mn in the range of 0.3 to 0.9% Mn, and 0.46 times that of Mn in the range of 0.7 to 2.1% Mn.
Considering the above findings on average, it can be concluded that the effect of Ni and Cu is 0.38 times that of Mn in the range of 0.3 to 2.1% Mn.

ここで、焼入れ深さをMn+Ni+Cuに対して示すと(図12参照)、正の相関は認められるがバラツキが大きく、NiとCuの効果を正確に評価できていないことがわかる。一方、焼入れ深さをMn+0.38(Ni+Cu)に対して示すとバラツキが小さく、非常に明瞭な正の相関が確認できる(図13参照)。すなわち、NiとCuの効果が正確に評価されている。
以上によって、焼入れ性の向上に対するNiとCuの効果がMnの0.38倍であることの妥当性を確認した。検討に用いた鋼材のMn+0.38(Ni+Cu)は0.31〜2.11であり、実用鋼の範囲ともほぼ合致する。
そこで、本実施形態に係る鋼においては、X=Mn+0.38(Ni+Cu)とし、パラメータXの範囲を0.30〜2.10とした。
Here, when the quenching depth is shown with respect to Mn + Ni + Cu (see FIG. 12), a positive correlation is recognized, but the variation is large, and it can be seen that the effects of Ni and Cu cannot be accurately evaluated. On the other hand, when the quenching depth is shown with respect to Mn + 0.38 (Ni + Cu), the variation is small and a very clear positive correlation can be confirmed (see FIG. 13). That is, the effects of Ni and Cu are accurately evaluated.
From the above, the validity of the effect of Ni and Cu for improving hardenability was confirmed to be 0.38 times that of Mn. The Mn + 0.38 (Ni + Cu) of the steel used for the study is 0.31 to 2.11, which almost matches the range of practical steel.
Therefore, in the steel according to the present embodiment, X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) and the range of the parameter X is 0.30 to 2.10.

このようにして求めたパラメータを使って、焼入れ性の良い鋼の成分系を検討した。表5は評価に用いた鋼材の成分を示す。ダイカスト金型に用いられる鋼のC量は0.3〜0.5%、Si量は0.3〜1.2%、Mo量は0.8〜1.5%、V量は0.3〜1.2%であることが多いため、これに準じて、C量は0.40%程度、Si量は0.60%程度、Mo量は1.2%程度、V量は0.6%程度で統一した。ダイカスト金型に用いられる鋼を参考に、パラメータX=0.31〜2.00%、Cr=1.50〜8.03%を選定した。PやSなどは不純物レベルの含有量であった。   Using the parameters determined in this way, a steel component system with good hardenability was studied. Table 5 shows the components of the steel materials used for the evaluation. Steel used in die casting molds has a C content of 0.3-0.5%, a Si content of 0.3-1.2%, a Mo content of 0.8-1.5%, and a V content of 0.3-1.2%. , C amount is about 0.40%, Si amount is about 0.60%, Mo amount is about 1.2%, V amount is about 0.6%. The parameters X = 0.31 to 2.00% and Cr = 1.50 to 8.03% were selected with reference to the steel used for the die casting mold. P and S etc. were the contents of the impurity level.

これら19鋼種に対してCCT(連続冷却変態)線図を作成し、臨界冷却速度を調査した結果を図14に示す。臨界冷却速度が6℃/min以下の鋼は「○(合格)」、臨界冷却速度が6℃/minを超える鋼は「×(不合格)」とした。CrとパラメータXの増加によって焼入れ性は向上し、臨界冷却速度が6℃/min以下となる領域は、式(2A)によって近似できることがわかった。
7.382−2.79X[%]≦Cr …式(2A)
CCT (continuous cooling transformation) diagrams were created for these 19 steel types, and the results of investigating the critical cooling rate are shown in FIG. Steels with a critical cooling rate of 6 ° C / min or less were rated as “◯ (passed)”, and steels with a critical cooling rate exceeding 6 ° C / min were rated as “x (failed)”. It was found that the hardenability was improved by increasing Cr and parameter X, and the region where the critical cooling rate was 6 ° C./min or less could be approximated by equation (2A).
7.382−2.79X [%] ≦ Cr (2A)

Figure 2009242819
Figure 2009242819

上記の通り、焼入れ性の良い鋼を製造するには、Cr・Mn・Ni・Cuを積極添加すればよい。一方で、焼鈍性はCr・Mn・Ni・Cuの積極添加によって劣化する。従って、焼入れ性と焼鈍性の両立は容易でなく、このような実用鋼は存在しない。
そこで、今度は焼鈍性の観点から成分系を検討した。
As described above, Cr, Mn, Ni, and Cu may be positively added to produce a steel with good hardenability. On the other hand, the annealability deteriorates due to the positive addition of Cr, Mn, Ni, and Cu. Therefore, it is not easy to achieve both hardenability and annealability, and there is no such practical steel.
This time, the component system was examined from the viewpoint of annealing.

焼鈍は、オーステナイト相と残留炭化物の混合組織をゆっくりと冷却し、その過程で炭化物を肥大化させると同時に母相をフェライト相に変態させ、冷却後の組織を軟質化する処理である。炭化物が大きく成長した焼鈍組織ほど軟らかく、金型の機械加工の観点から好ましい。
焼鈍の一般的な条件は、
・加熱温度=800〜950℃
・冷却速度=15℃/Hr
・焼鈍の終了温度=600℃
・終了後の冷却=空冷
である。焼鈍後の硬さは91HRB以下が望ましい。これを超える硬さでは、金型の機械加工が困難になるためである。
Annealing is a treatment in which the mixed structure of the austenite phase and residual carbide is slowly cooled, and the carbide is enlarged in the process, and at the same time, the matrix phase is transformed into a ferrite phase, and the structure after cooling is softened. An annealed structure in which carbides have grown greatly is softer, which is preferable from the viewpoint of mold machining.
The general conditions for annealing are:
・ Heating temperature = 800-950 ° C
・ Cooling rate = 15 ℃ / Hr
・ End temperature of annealing = 600 ℃
-Cooling after completion = air cooling. The hardness after annealing is preferably 91HRB or less. This is because if the hardness exceeds this, it is difficult to machine the mold.

先述の通り、焼入れ性が良い鋼の特徴は、オーステナイト中に固溶した炭素の拡散が起こりにくいことであった。この特徴は、焼鈍においては好ましいものではない。焼鈍中に起こる炭化物の肥大化には炭素の拡散が必須であり、これが抑制された鋼は炭化物が小さく、軟化が不十分になるからである。
また、焼入れ性が良い鋼には、オーステナイト相の安定度が高いという特徴もあった。これも、焼鈍においては好ましいものではない。焼鈍中のオーステナイト相からフェライト相への変態が抑制され、焼鈍の終了温度(通常は600℃)に到達した時点でオーステナイト相が残留する結果、以降の室温への空冷中にベイナイト変態が起こり、焼鈍材の硬さを著しく高めるためである。
このような組織変化のメカニズムから考えると、焼鈍性の評価においても、焼入れ性と同様にパラメータX=Mn+0.38(Ni+Cu)を適用できるといえる。
As described above, the characteristic of steel with good hardenability is that the diffusion of carbon dissolved in austenite hardly occurs. This feature is not desirable in annealing. This is because carbon diffusion is indispensable for the enlargement of carbides that occurs during annealing, and steel in which this is suppressed has small carbides and insufficient softening.
In addition, steel with good hardenability was also characterized by high austenite phase stability. This is also not preferable in annealing. The transformation from the austenite phase to the ferrite phase during annealing is suppressed, and as a result of the austenite phase remaining at the end of the annealing temperature (usually 600 ° C), bainite transformation occurs during the subsequent air cooling to room temperature, This is to significantly increase the hardness of the annealed material.
Considering the mechanism of such a structure change, it can be said that the parameter X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) can be applied in the evaluation of the annealability as well as the hardenability.

以上の経緯から、CrとパラメータXによる焼鈍性の評価を試みた。表6は調査に用いた鋼材の成分を示す。ダイカスト金型に用いられる鋼のC量は0.3〜0.5%、Si量は0.3〜1.2%、Mo量は0.8〜1.5%、V量は0.3〜1.2%であることが多いため、これに準じて、C量は0.40%程度、Si量は0.60%程度、Mo量は1.2%程度、V量は0.6%程度で統一した。ダイカスト金型に用いられる鋼を参考に、パラメータX=0.32〜2.02%、Cr=3.52〜10.96%、を選定した。PやSなどは不純物レベルの含有量であった。   Based on the above circumstances, an attempt was made to evaluate the annealing properties using Cr and parameter X. Table 6 shows the components of the steel materials used in the investigation. Steel used in die casting molds has a C content of 0.3-0.5%, a Si content of 0.3-1.2%, a Mo content of 0.8-1.5%, and a V content of 0.3-1.2%. , C amount is about 0.40%, Si amount is about 0.60%, Mo amount is about 1.2%, V amount is about 0.6%. The parameters X = 0.32 to 2.02% and Cr = 3.52 to 10.96% were selected with reference to the steel used for the die casting mold. P and S etc. were the contents of the impurity level.

これら23鋼種に対して15℃/Hrの焼鈍をおこない(900℃→15℃/Hr→600℃→放冷)、硬さを調査した結果を図15に示す。HRB硬さが91以下の鋼は「○(合格)」、HRB硬さがHRB91を超える鋼は「×(不合格)」とした。全体的な傾向として、CrとパラメータXの増加によって焼鈍性は劣化することがわかる。焼入れ性を改善する元素が焼鈍性を劣化させる結果は従来通りであるが、焼入れ性の指標となるパラメータXを用いる妥当性を確認することができた。
CrとパラメータXの減少によって焼鈍性は向上し、焼鈍性が良好(HRB91以下)な領域は、式(2B)によって近似できることがわかった。
Cr≦10.395−3.69X[%] …式(2B)
These 23 steel types were annealed at 15 ° C./Hr (900 ° C. → 15 ° C./Hr→600° C. → cooling), and the results of examining the hardness are shown in FIG. Steel with an HRB hardness of 91 or less was rated as “◯ (passed)”, and steel with an HRB hardness exceeding HRB91 was rated as “x (failed)”. As a general trend, it can be seen that annealing increases with increasing Cr and parameter X. Although the results of the elements that improve the hardenability deteriorate the annealability are the same as before, the validity of using the parameter X as an index of hardenability was confirmed.
It was found that the annealing property was improved by the reduction of Cr and parameter X, and the region where the annealing property was good (HRB 91 or less) can be approximated by the equation (2B).
Cr ≦ 10.395-3.69X [%] ... Formula (2B)

Figure 2009242819
Figure 2009242819

以上の調査結果から、本実施形態においては、焼入れ性と焼鈍性のバランスに優れた成分範囲は、
7.382−2.79X≦Cr≦10.395−3.69X[%](但し、X=0.30〜2.10[%]、X=Mn+0.38(Ni+Cu)[%]) …式(2)
を満たす範囲とした。
From the above investigation results, in this embodiment, the component range excellent in the balance between hardenability and annealability is:
7.382−2.79X ≦ Cr ≦ 10.395−3.69X [%] (X = 0.30-2.10 [%], X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) [%]) (2)
It was set as the range which satisfy | fills.

ここで、Mnの好適な範囲を示せば、質量%で0.4〜1.3%である。Mn量が0.4%未満であれば、NiやCuやCrといった高価な希少元素を多量に添加して焼入れ性を確保しなければならず、素材のコストが大幅に上昇するからである。素材費と焼入れ性の観点からは、安価なMnを積極的に利用することが望ましい。一方、Mnが1.3%を超えると、高温焼戻し脆性の危険性が高まる。高温焼戻し脆性とは、500〜600℃で焼戻した鋼材の衝撃値が低くなる現象であり、金型寿命の観点からは望ましくない。精錬時に、高温焼戻し脆性を顕在化させるP(リン)の含有量を低減する措置は採られるが、使用する原材料によっては低P化が困難な場合もある。従って、Mnの上限としては1.3%が望ましい。もちろん、Pの含有量を低減できるのであれば、パラメータXの上限である2.1%までMn量を高めても何ら問題は無い。   Here, if the suitable range of Mn is shown, it is 0.4 to 1.3% by mass%. If the amount of Mn is less than 0.4%, a large amount of expensive rare elements such as Ni, Cu, and Cr must be added to ensure hardenability, which greatly increases the cost of the material. From the viewpoint of material cost and hardenability, it is desirable to actively use inexpensive Mn. On the other hand, if Mn exceeds 1.3%, the risk of high temperature temper embrittlement increases. High temperature temper embrittlement is a phenomenon in which the impact value of a steel material tempered at 500 to 600 ° C. is lowered, which is not desirable from the viewpoint of mold life. At the time of refining, measures are taken to reduce the content of P (phosphorus) that reveals high-temperature temper brittleness, but depending on the raw materials used, it may be difficult to reduce P. Therefore, 1.3% is desirable as the upper limit of Mn. Of course, if the P content can be reduced, there is no problem even if the Mn content is increased to 2.1% which is the upper limit of the parameter X.

Niの好適な範囲は、素材コストを重視するなら質量%で0.3%以下、鋼材の延性を重視するなら質量%で0.3〜1.2%である。焼戻し条件を変化させて硬さを調整した鋼材の延性は、通常、硬さの低下に対して単調増加である。ところが、特定成分系の鋼材では、硬さに対して延性が極小値を示すことがある。鋼材の疲労強度は延性と正の相関を示す場合もあるため、延性の低下は避けることが望ましい。延性低下の回避には、Niの適量添加(0.3〜1.2%)が有効である。添加量が1.2%を超えると、延性確保の効果が飽和傾向を示し実益に乏しい。尚、焼入れ性向上の観点からも0.3〜1.2%が望ましいが、先述の通り、このような目的には安価なMnを積極的に利用するとよい。   A suitable range of Ni is 0.3% or less in terms of mass% if importance is placed on the material cost, and 0.3 to 1.2% in terms of mass% if importance is attached to the ductility of the steel material. The ductility of a steel material whose hardness is adjusted by changing the tempering condition is usually monotonously increased with respect to the decrease in hardness. However, in steel materials of a specific component system, the ductility may show a minimum value with respect to the hardness. Since the fatigue strength of steel may show a positive correlation with ductility, it is desirable to avoid a decrease in ductility. Appropriate addition of Ni (0.3 to 1.2%) is effective for avoiding the decrease in ductility. When the added amount exceeds 1.2%, the effect of ensuring ductility tends to saturate and the profit is poor. In addition, 0.3 to 1.2% is desirable from the viewpoint of improving hardenability, but as described above, inexpensive Mn may be positively used for such purposes.

Cuの好適な範囲は、素材コストと熱間加工性を重視するなら質量%で0.3%以下、鋼材の硬化特性と変寸特性を重視するなら質量%で0.3〜1.0%である。素材コストに関してはNiと同様である。Cuは高温加熱時にオーステナイト結晶粒界に濃化する性質がある。また、Cuは融点が約1080℃と低い。このため、1100℃以上のオーステナイト域で鍛造や圧延などの熱間加工を施すと、Cu含有鋼は溶融状態にあるオーステナイト粒界から割れやすい。熱間加工を1050℃以下に下げると、Cuの粒界濃化に起因する割れは改善されるが、素材の変形抵抗が増すため成形が困難となり、加工工程が長時間化して生産効率は低下する(素材コスト増加)。
一方、Cuは焼戻し時に析出して鋼材を高強度化する。このため、所定の硬度を得る場合、Cu含有鋼はCu非含有鋼よりもC量を減らせる。結果として、炭化物が減るため焼鈍材の硬さが低下し、被削性が改善される。また、焼戻しを受けたCu非含有鋼の金型は、残留オーステナイトの分解や炭化物の析出によって硬さを確保する反面、その際の組織変化によって寸法が変化する。このため、図1に示したと同様の理由によって、金型の最終形状を確保できなくなる場合がある。Cu含有鋼では、このような問題が起こりにくく、仕上げ加工シロを小さくして加工コストを削減することができる。従って、焼鈍材の被削性、焼戻し硬さ、仕上げ加工シロの観点からはCu添加が有効であり、その好ましい範囲は質量%で0.3〜1.0%である。添加量が1.0%を超えると、上記の効果が飽和傾向を示し実益に乏しい。尚、焼入れ性向上の観点からも0.3〜1.0%は望ましいが、先述の通り、このような目的には安価なMnを積極利用すべきである。
A suitable range of Cu is 0.3% or less by mass% if importance is attached to the material cost and hot workability, and 0.3 to 1.0% by mass% if importance is given to the hardening characteristics and sizing characteristics of the steel material. The material cost is the same as Ni. Cu has the property of concentrating on the austenite grain boundaries when heated at high temperatures. Cu has a low melting point of about 1080 ° C. For this reason, when hot working such as forging or rolling is performed in the austenite region at 1100 ° C. or higher, the Cu-containing steel is easily cracked from the austenite grain boundary in the molten state. When hot working is reduced to 1050 ° C or lower, cracking due to Cu grain boundary enrichment is improved, but the deformation resistance of the material increases, making it difficult to form, reducing the production efficiency by lengthening the machining process. Yes (increased material costs).
On the other hand, Cu precipitates during tempering to increase the strength of the steel material. For this reason, when obtaining predetermined | prescribed hardness, Cu containing steel can reduce C amount rather than Cu non-containing steel. As a result, since the carbide is reduced, the hardness of the annealed material is reduced, and the machinability is improved. The tempered Cu-free steel mold secures hardness by decomposition of retained austenite and precipitation of carbides, but the dimensions change due to structural changes at that time. For this reason, the final shape of the mold may not be secured for the same reason as shown in FIG. In Cu-containing steel, such problems are unlikely to occur, and the finishing cost can be reduced to reduce the processing cost. Therefore, Cu addition is effective from the viewpoint of machinability, tempering hardness, and finish machining of the annealed material, and its preferred range is 0.3 to 1.0% by mass. When the added amount exceeds 1.0%, the above effect tends to saturate and the profit is poor. From the viewpoint of improving hardenability, 0.3 to 1.0% is desirable, but as described above, inexpensive Mn should be actively used for such purposes.

本実施形態に係る鋼と既存鋼とを比較すれば、図16に示す通りである。JIS SKD4、JIS SKD7、JIS SKD6、JIS SKD61、JIS SMn443、JIS SKH51は、本実施形態に係る鋼と大きく離れている。すなわち、大断面型への適用が非常に難しい事を証明している。
一方、鋼A、鋼B、鋼C、鋼Dは鋼材メーカーが「焼入れ性の良い鋼」として市販しているブランド鋼である。鋼Aと鋼Cは、本実施形態に係る鋼に近いが、依然として焼入れ性が不足している。また、焼入れ性が良すぎるため、実生産では焼鈍性の問題を頻発している鋼Dも、その実績通りの位置付けとなっている。
本実施形態に係る鋼は非常に狭い範囲内であるが、特定の成分を選択することによって、焼入れ性と焼鈍性を高い次元でバランスさせている。
If the steel which concerns on this embodiment is compared with the existing steel, it will be as shown in FIG. JIS SKD4, JIS SKD7, JIS SKD6, JIS SKD61, JIS SMn443, and JIS SKH51 are greatly separated from the steel according to this embodiment. That is, it is proved that it is very difficult to apply to a large section type.
On the other hand, Steel A, Steel B, Steel C, and Steel D are brand steels marketed by steel manufacturers as “steel with good hardenability”. Steel A and steel C are close to the steel according to this embodiment, but still have a hardenability. In addition, steel D, which frequently suffers from the problem of annealing in actual production due to its too good hardenability, is positioned as it has been.
The steel according to the present embodiment is in a very narrow range, but by selecting specific components, the hardenability and the annealability are balanced at a high level.

(6)W:0.01〜4.00%。
選択添加元素としてのWは、炭化物を形成し分散強化によって鋼を高強度化する。MoやVと同様に、凝集しにくい炭化物を形成するため、軟化抵抗を高める効果も大きい。但し、過度の添加は特性の飽和と素材コストの上昇を招き、実益に乏しい。軟化抵抗と製造コストのバランスから、W量は、質量%で0.01〜4.00%とした。
(6) W: 0.01 to 4.00%.
W as a selective additive element forms carbides and strengthens the steel by dispersion strengthening. Like Mo and V, it forms carbides that are difficult to agglomerate, so it has a great effect of increasing softening resistance. However, excessive addition leads to saturation of characteristics and an increase in material cost, and is not profitable. From the balance between the softening resistance and the manufacturing cost, the W amount is set to 0.01 to 4.00% in mass%.

(7)Co:0.01〜2.00%。
選択添加元素としてのCoは地鉄中に固溶し、高温強度を高める。一方、過度の添加では高温強度の飽和と生産コストの増大を招くのみである。高温強度と製造コストのバランスから、Co量は、質量%で0.01〜2.00%とした。
(7) Co: 0.01 to 2.00%.
Co as a selective additive element dissolves in the ground iron and increases the high-temperature strength. On the other hand, excessive addition only causes saturation of high temperature strength and an increase in production cost. From the balance between high-temperature strength and production cost, the Co content was 0.01% to 2.00% by mass.

(8)Nb:0.002〜0.500%、
Ta:0.002〜0.500%、
Ti:0.002〜0.500%、及び、
Zr:0.002〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上。
選択添加元素としてのNbは、NbCやNbNなどを形成して、焼入れ時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する。但し、過度の添加は特性の飽和と素材コストの増大を招く。また、比較的に粗大に晶出したNbCやNbNは、本実施形態に係る鋼が金型となった場合の疲労強度や衝撃値を低下させる。結晶粒の粗大化を防止する効果、製造コスト、疲労強度や衝撃値のバランスから、Nb量は、質量%で0.002〜0.500%とした。
選択添加元素としてのTaは、Nbと同様の効果を有する。Nbの場合と同様の理由から、Ta量は、質量%で0.002〜0.500%とした。
選択添加元素としてのTiは、Nbと同様の効果を有する。Nbの場合と同様の理由から、Ti量は、質量%で0.002〜0.500%とした。
選択添加元素としてのZrは、Nbと同様の効果を有する。Nbの場合と同様の理由から、Zr量は、質量%で0.002〜0.500%とした。
(8) Nb: 0.002 to 0.500%,
Ta: 0.002 to 0.500%,
Ti: 0.002 to 0.500% and
Zr: One or more selected from the group consisting of 0.002 to 0.500%.
Nb as a selective additive element forms NbC, NbN, or the like, and prevents coarsening of austenite crystal grains during quenching. However, excessive addition causes saturation of characteristics and an increase in material cost. Moreover, NbC and NbN crystallized relatively coarsely reduce the fatigue strength and impact value when the steel according to the present embodiment is a mold. From the balance between the effect of preventing the coarsening of crystal grains, the manufacturing cost, the fatigue strength, and the impact value, the Nb content is set to 0.002 to 0.500% by mass%.
Ta as a selective additive element has the same effect as Nb. For the same reason as in the case of Nb, the amount of Ta is set to 0.002 to 0.500% in mass%.
Ti as a selective additive element has the same effect as Nb. For the same reason as in the case of Nb, the Ti amount is set to 0.002 to 0.500% in mass%.
Zr as a selective additive element has the same effect as Nb. For the same reason as in the case of Nb, the amount of Zr is set to 0.002 to 0.500% by mass.

(9)Al:0.005〜1.500%、及び、
N:0.005〜0.300%からなる群から選ばれる1種又は2種以上。
AlはAlNを形成して、焼入れにおける結晶粒の粗大化を防止する元素である。但し、過度の添加は特性の飽和と製造コストの増大を招くだけでなく、介在物であるアルミナを増すことになり、本実施形態に係る鋼が工具や金型となった場合の衝撃値を大きく低下させる。結晶粒の粗大化を防止する効果と衝撃値のバランスから、Al量は、質量%で0.005〜1.500%とした。Al量の好ましい範囲は、0.010〜0.800%である。
NはAlNを形成して、焼入れにおける結晶粒の粗大化を防止する元素である。また、母相中に固溶して鋼の強度を高める。結晶粒径と強度の観点からは、Nは多いほうが望ましい。但し、著しい高窒素化には特殊な溶解工程が要求され、素材コストを高める。更に、過度の添加は特性の飽和を招くのみで実益に乏しい。結晶粒の粗大化を防止する効果と製造コストのバランスから、N量は、質量%で0.005〜0.300%とした。N量の好ましい範囲は、0.010〜0.200%である。
(9) Al: 0.005 to 1.500%, and
N: One or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.300%.
Al is an element that forms AlN and prevents coarsening of crystal grains during quenching. However, excessive addition not only leads to saturation of characteristics and an increase in manufacturing cost, but also increases alumina as an inclusion, and the impact value when the steel according to the present embodiment becomes a tool or a die. Decrease greatly. From the balance between the effect of preventing the coarsening of the crystal grains and the impact value, the Al amount is set to 0.005 to 1.500% in mass%. A preferable range of the Al amount is 0.010 to 0.800%.
N is an element that forms AlN and prevents coarsening of crystal grains during quenching. Moreover, it dissolves in the matrix and increases the strength of the steel. From the viewpoint of crystal grain size and strength, it is desirable that N is large. However, a special melting process is required for remarkably high nitrogen, which increases the material cost. Furthermore, excessive addition only causes saturation of characteristics, and is not profitable. From the balance between the effect of preventing the coarsening of crystal grains and the manufacturing cost, the N amount is set to 0.005 to 0.300% by mass%. A preferable range of the N amount is 0.010 to 0.200%.

(10)B:0.0002〜0.0200%。
選択添加元素としてのBは、オーステナイト結晶粒界に偏析してフェライト相の析出を抑制する元素であり、鋼の焼入れ性を著しく高める。但し、過度の添加は特性の飽和を招き実益に乏しい。実用において十分な焼入れ性向上効果が得られる範囲として、B量は、質量%で0.0002〜0.0200%とした。
(10) B: 0.0002 to 0.0200%.
B as a selective additive element is an element that segregates at the austenite grain boundaries and suppresses precipitation of the ferrite phase, and remarkably increases the hardenability of the steel. However, excessive addition leads to saturation of characteristics and is not profitable. As a range in which a sufficient hardenability improving effect can be obtained in practical use, the B amount is set to 0.0002 to 0.0200% by mass%.

(11)S:0.005〜2.000%、
Ca:0.0005〜0.5000%、
Se:0.005〜0.500%、
Te:0.005〜0.500%、
Bi:0.005〜0.500%、及び、
Pb:0.005〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上。
選択添加元素としてのSは、MnSを形成して、鋼の被削性を向上させる元素である。但し、過度の添加は特性の飽和と製造コストの増大を招く。また、比較的に粗大に晶出するMnSは、本実施形態に係る鋼が工具や金型となった場合の衝撃値を大きく低下させる。被削性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、S量は、質量%で0.005〜2.000%とした。
選択添加元素としてのCaは被削性を向上させる元素である。また、鋼中の非金属介在物の形態を変化させて鋼の熱間加工性を向上させる元素でもある。但し、過度の添加は特性の飽和と製造コストの増大を招く。被削性や熱間加工性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、Ca量は、質量%で0.0005〜0.5000%とした。
選択添加元素としてのSeは被削性を向上させる元素である。但し、過度の添加は多量のSe化合物を生じさせることになり、鋼の熱間加工性や衝撃値を低下させる。被削性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、Se量は、質量%で0.005〜0.500%とした。
選択添加元素としてのTeは被削性を向上させる元素である。但し、過度の添加は多量のTe化合物を生じさせることになり、鋼の熱間加工性や衝撃値を低下させる。被削性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、Te量は、質量%で0.005〜0.500%とした。
選択添加元素としてのBiは被削性を向上させる元素である。但し、過度の添加は鋼中に分散するBi粒子を増すことになり、鋼の熱間加工性や衝撃値を低下させる。被削性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、Bi量は、質量%で0.005〜0.500%とした。
選択添加元素としてのPbは被削性を向上させる元素である。但し、過度の添加は鋼中に分散するPb粒子を増すことになり、鋼の熱間加工性や衝撃値を低下させる。被削性を向上させる効果・製造コスト・材質などのバランスから、Pb量は、質量%で0.005〜0.500%とした。
(11) S: 0.005 to 2.000%,
Ca: 0.0005 to 0.5000%,
Se: 0.005-0.500%,
Te: 0.005-0.500%,
Bi: 0.005-0.500%, and
Pb: One or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.500%.
S as a selective additive element is an element that forms MnS and improves the machinability of steel. However, excessive addition leads to saturation of characteristics and an increase in manufacturing cost. Further, MnS crystallized relatively coarsely greatly reduces the impact value when the steel according to the present embodiment becomes a tool or a mold. From the balance of the effect of improving machinability, manufacturing cost, material, etc., the S amount is set to 0.005 to 2.000% by mass%.
Ca as a selective additive element is an element that improves machinability. It is also an element that improves the hot workability of steel by changing the form of non-metallic inclusions in the steel. However, excessive addition leads to saturation of characteristics and an increase in manufacturing cost. From the balance of the effect of improving machinability and hot workability, manufacturing cost, material, etc., the Ca content is 0.0005 to 0.5000% in mass%.
Se as a selective additive element is an element that improves machinability. However, excessive addition results in a large amount of Se compound, which decreases the hot workability and impact value of steel. From the balance of the effect of improving machinability, manufacturing cost, material, etc., the Se amount was 0.005 to 0.500% in mass%.
Te as a selective additive element is an element that improves machinability. However, excessive addition results in a large amount of Te compound, which decreases the hot workability and impact value of steel. From the balance of the effect of improving machinability, manufacturing cost, material, etc., the amount of Te was set to 0.005 to 0.500% in mass%.
Bi as a selective additive element is an element that improves machinability. However, excessive addition will increase Bi particles dispersed in the steel, reducing the hot workability and impact value of the steel. From the balance of the effect of improving machinability, manufacturing cost, material, etc., the Bi amount was set to 0.005 to 0.500% by mass.
Pb as a selective additive element is an element that improves machinability. However, excessive addition increases the amount of Pb particles dispersed in the steel, reducing the hot workability and impact value of the steel. From the balance of the effect of improving machinability, manufacturing cost, material, etc., the Pb amount is set to 0.005 to 0.500% in mass%.

発明鋼及び比較鋼を作製し、反り・衝撃値・焼鈍性・金型寿命について評価したのでこれについて説明する。
(鋼の成分組成)
表7及び表8(表8は表7の続き)に評価に用いた鋼材の成分組成並びに式(1)及び式(2)の上限値・下限値を示す。尚、比較鋼13はJIS SKD61、比較鋼14はJIS SKD4、比較鋼15はJIS SKD7である。
Invention steels and comparative steels were produced and evaluated for warpage, impact value, annealing, and mold life.
(Component composition of steel)
Table 7 and Table 8 (Table 8 is a continuation of Table 7) show the component composition of the steel materials used for the evaluation, and the upper limit value and the lower limit value of Formula (1) and Formula (2). The comparative steel 13 is JIS SKD61, the comparative steel 14 is JIS SKD4, and the comparative steel 15 is JIS SKD7.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

Figure 2009242819
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表中の「・・・」は、積極的には添加しておらず、不純物レベルであったことを示す。発明鋼1〜3は、Cの影響を評価するための水準である。発明鋼11〜13は、発明鋼2と併せてSiの影響を評価するための水準である。発明鋼21〜24は、発明鋼2と併せてパラメータX(式(2)参照)(Mn,Ni,Cu)の影響を評価するための水準である。発明鋼31と32は、発明鋼2と併せてCrの影響を評価するための水準である。発明鋼41〜44は、発明鋼2と併せてMoの影響を評価するための水準である。発明鋼51と52は、発明鋼2と併せてVの影響を評価するための水準である。
更に、発明鋼61〜63は、発明鋼2と併せてWの影響を評価するための水準である。発明鋼71〜73は、発明鋼2と併せてCoの影響を評価するための水準である。発明鋼81〜86は、発明鋼2と併せてNbなどの影響を評価するための水準である。発明鋼91〜93は、発明鋼2と併せてAlとNの影響を評価するための水準である。発明鋼A1〜A3は、発明鋼2と併せてBの影響を評価するための水準である。発明鋼B1〜B6は、発明鋼2と併せてSやBiの影響を評価するための水準である。
一方、比較鋼1〜12は、発明鋼の規格に対して特定元素の量が過多・過少になっている。また、比較鋼13〜15は、ダイカストに使われる汎用のJIS鋼である。
"..." in the table indicates that it was not actively added but was at an impurity level. Inventive steels 1 to 3 are levels for evaluating the influence of C. Invention steels 11 to 13 are levels for evaluating the influence of Si in combination with invention steel 2. Invention steels 21 to 24 are levels for evaluating the influence of parameter X (see formula (2)) (Mn, Ni, Cu) in combination with invention steel 2. Inventive steels 31 and 32 are levels for evaluating the influence of Cr together with inventive steel 2. Inventive steels 41 to 44 are levels for evaluating the influence of Mo together with inventive steel 2. Invention steels 51 and 52 are levels for evaluating the influence of V in combination with invention steel 2.
Further, the inventive steels 61 to 63 are at a level for evaluating the influence of W together with the inventive steel 2. Inventive steels 71 to 73 are levels for evaluating the influence of Co together with inventive steel 2. Invention steels 81 to 86 are levels for evaluating the influence of Nb and the like in combination with invention steel 2. Inventive steels 91 to 93 are levels for evaluating the influence of Al and N in combination with Inventive steel 2. Inventive steels A1 to A3 are levels for evaluating the influence of B together with inventive steel 2. Invention steels B1 to B6 are levels for evaluating the influence of S and Bi together with invention steel 2.
On the other hand, in Comparative Steels 1 to 12, the amount of the specific element is excessive or insufficient with respect to the standard of the invention steel. Comparative steels 13 to 15 are general-purpose JIS steels used for die casting.

(素材コスト)
これらの57鋼種に対して合金元素のコストを算出し、JIS SKD61と同等かそれ以下であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、素材コストを評価した。表9に評価結果を示す。
(Material cost)
The alloy element costs were calculated for these 57 steel grades, and if it was equal to or less than JIS SKD61, it was judged as acceptable (◯), otherwise it was judged as unacceptable (x), and the material cost was evaluated. Table 9 shows the evaluation results.

(熱間加工性)
表7(及び表8)の57鋼種をそれぞれ10tonのインゴットに鋳込み、1250〜1300℃での均質化熱処理後に熱間鍛造を施し、高さ300mm×幅700mmの角材とした。熱間鍛造中に、割れが発生しやすかった水準は、不合格(×)、そうでなければ合格(○)と判定し、熱間加工性を評価した。表9に評価結果を示す。
(Hot workability)
The 57 steel types shown in Table 7 (and Table 8) were each cast into a 10-ton ingot and subjected to hot forging after homogenization heat treatment at 1250 to 1300 ° C. to obtain a square material having a height of 300 mm and a width of 700 mm. During hot forging, the level at which cracking was likely to occur was determined to be unacceptable (x), otherwise it was determined to be acceptable (O), and hot workability was evaluated. Table 9 shows the evaluation results.

(焼鈍性)
熱間鍛造後の角材に対して、870℃への加熱後に15℃/Hrで冷却する焼鈍を施した。この時点で、硬さが91HRB以下であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、焼鈍性を評価した。表9に評価結果を示す。
(Annealing)
The square bar after hot forging was annealed to 15 ° C / Hr after heating to 870 ° C. At this time, if the hardness was 91HRB or less, it was determined to be acceptable (O), otherwise it was determined to be unacceptable (x), and the annealing property was evaluated. Table 9 shows the evaluation results.

(微細なオーステナイト結晶粒径の維持)
ここで、角材の中心部から試験片を切出し、1030℃における60minの均熱後に焼入れて、変態前のオーステナイト結晶粒径を調査した。合計で4mm2以上となるように組織観察の倍率と視野数を選び、オーステナイト結晶粒を真円に換算した場合の直径の平均値(オーステナイト結晶粒径と扱う)が100μm以下であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、微細なVCによる結晶粒の粗大化抑制効果を評価した。表9に評価結果を示す。
(Maintaining fine austenite grain size)
Here, a test piece was cut out from the center part of the square bar, quenched after soaking at 1030 ° C. for 60 minutes, and the austenite grain size before transformation was investigated. Select the magnification and number of field of view of the structure so that the total is 4 mm 2 or more. If the average value of the austenite crystal grains converted to a perfect circle (handled as austenite crystal grain size) is 100 μm or less, it passes ( ○), otherwise, it was judged as rejected (x), and the effect of suppressing coarsening of crystal grains due to fine VC was evaluated. Table 9 shows the evaluation results.

(粗大なVCの有無)
加えて、上記の試験片に直径が10μm以上の粗大なVCがなければ合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、介在物の界面を基点とした亀裂の発生しにくさを評価した。表9に評価結果を示す。
(With or without coarse VC)
In addition, if the above test piece does not have a coarse VC with a diameter of 10 μm or more, it will be judged as pass (○), otherwise it will be judged as fail (×), and cracks based on the inclusion interface will occur. Evaluation was made. Table 9 shows the evaluation results.

(焼入れ性)
また、角材の中心部から試験片を切出し、1030℃における60minの均熱後に様々な速度で冷却して相変態挙動を調査し、マルテンサイト臨界冷速を評価した。マルテンサイト臨界冷速が6℃/min以下であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、焼入れ性を評価した。表9に評価結果を示す。
(Hardenability)
In addition, a specimen was cut out from the center of the square bar, cooled at various rates after soaking at 1030 ° C. for 60 min, and phase transformation behavior was investigated to evaluate the martensitic critical cooling rate. When the martensite critical cooling rate was 6 ° C./min or less, it was judged as pass (◯), otherwise it was judged as fail (×), and the hardenability was evaluated. Table 9 shows the evaluation results.

(金型として使える強度の有無)
更に、焼入れた上記の試験片を550℃×2Hrの条件で焼戻し、HRC硬さが43以上であれば合格(○)、そうでなければ不合格(×)と判定し、金型として使える硬さを具備するか否かを評価した。表9に評価結果を示す。
(With or without strength that can be used as a mold)
Furthermore, tempering the above-mentioned quenched specimen under the condition of 550 ° C x 2Hr. If the HRC hardness is 43 or more, it is judged as pass (○), otherwise it is judged as fail (x), and it can be used as a mold. It was evaluated whether it was equipped. Table 9 shows the evaluation results.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

(考察−鋼)
表9に示したように、発明鋼は全項目で「○」となっており、基礎特性上、全く問題の無い健全な材料であることがわかった。
但し、発明鋼2(V:0.61)と発明鋼51(V:0.37)と発明鋼52(V:0.98)を比較した場合、粗大なVCの有無や微細なオーステナイト結晶粒径の維持において、発明鋼2(V:0.61)の優位性が確認できた。粗大(10μm≦直径)なVCこそ存在しないが、Vの多い発明鋼52は、発明鋼の02と51に対してVCが大きめの傾向であった。実用上の問題は無いが、インゴットが10tonと大きいため、凝固速度が小さくなったことが原因と考えられる。また、オーステナイト結晶粒径は100μm以下であるが、Vの少ない発明鋼51は、発明鋼の02と52に対してオーステナイト結晶粒径が大きめの傾向であった。但し、混粒組織ではない。実用上の問題は無いが、微細なVCの少ないことが原因と考えられる。
(Discussion-Steel)
As shown in Table 9, the invention steel was “◯” in all items, and it was found that the basic steel was a sound material with no problems at all.
However, when Inventive Steel 2 (V: 0.61), Inventive Steel 51 (V: 0.37) and Inventive Steel 52 (V: 0.98) were compared, it was found that the presence or absence of coarse VC and the maintenance of fine austenite grain size The superiority of Steel 2 (V: 0.61) was confirmed. Although there is no coarse (10 μm ≦ diameter) VC, the inventive steel 52 with a lot of V tended to have a larger VC than the inventive steels 02 and 51. Although there is no practical problem, it is considered that the solidification rate was reduced because the ingot was as large as 10 tons. In addition, although the austenite crystal grain size is 100 μm or less, the inventive steel 51 with less V tends to have a larger austenite crystal grain size than the inventive steels 02 and 52. However, it is not a mixed grain structure. There is no practical problem, but it is thought to be caused by a small amount of fine VC.

一方、比較鋼は少なくとも1項目に「×」があり、何らかの課題を抱えていることがわかる。特に、発明鋼51と発明鋼52との関連で言えば、V量が発明鋼の下限を外れた比較鋼11(V:0.26)と、V量が発明鋼の上限を外れた比較鋼12(V:1.26)では、それぞれ粗大なVCとオーステナイト結晶粒径において問題を生じていることがわかる。
以上から鋼材の基礎性能を確認した。
On the other hand, the comparative steel has “x” in at least one item, which indicates that it has some problems. In particular, in relation to the invention steel 51 and the invention steel 52, the comparative steel 11 (V: 0.26) in which the V amount deviated from the lower limit of the invented steel and the comparative steel 12 in which the V amount deviated from the upper limit of the invented steel ( V: 1.26) shows that there are problems with coarse VC and austenite grain sizes, respectively.
From the above, the basic performance of the steel material was confirmed.

次に、実型検証を行ったのでこれについて説明する。
(角材から金型の作製)
基礎性能の調査に続いて、焼鈍後の角材(高さ300mm×幅700mm)から金型を作製した。但し、表9において問題のあった鋼材は、実用化の可能性が低いとして除外した。具体的には、43HRCが得られない比較鋼1、素材コストが高い比較鋼3・比較鋼10・比較鋼14、熱間加工性が悪い比較鋼4の5鋼種を除外した。
金型としては、重量が30kg、100kg、450kg、と異なる3種類を選定した。これらの金型を、1030℃における60minの均熱後に焼入れた。焼入れ方法は、(1)放冷と衝風冷の組合せ、(2)150℃油冷の2種類である。引き続き、焼き戻しによって43HRCへ調質した後に、金型の反りを評価した。
Next, actual type verification will be described.
(Manufacture of mold from square bar)
Following the investigation of the basic performance, a mold was produced from the annealed squares (height 300 mm x width 700 mm). However, the steel materials having problems in Table 9 were excluded because the possibility of practical use was low. Specifically, five steel types were excluded: comparative steel 1 that could not achieve 43HRC, comparative steel 3, comparative steel 10 and comparative steel 14 with high material costs, and comparative steel 4 with poor hot workability.
Three types of molds with different weights of 30 kg, 100 kg, and 450 kg were selected. These molds were quenched after soaking at 1030 ° C. for 60 min. There are two quenching methods: (1) a combination of cooling and blast cooling, and (2) 150 ° C. oil cooling. Subsequently, after tempering to 43HRC by tempering, the warpage of the mold was evaluated.

(金型の反り)
反りの評価方法は、図17及び次式(3)に示したように、金型背面の「でっぱり」が長さに対して何%に相当するかに基づく。この値は小さい方がよい。通常、反りが0.2%以上になると、図1に示したような焼入れ肌の残るトラブルが発生しやすくなる。従って、反りを0.1%程度に抑制できれば、仕上げ加工の余肉を小さくできるため、低コスト化や単納期化において有利となる。
反り=100d÷L …式(3)
尚、発明鋼の鋼は、焼入れ速度が小さい場合に大きな効果を発揮するため、急冷となる150℃油冷は未実施とした。
表10に30kgの金型についての評価結果を、表11に100kgの金型についての評価結果を、表12に450kgの金型についての評価結果をそれぞれ示す。
(Mold warpage)
As shown in FIG. 17 and the following equation (3), the warpage evaluation method is based on the percentage of “drip” on the back of the mold corresponding to the length. This value should be small. Usually, when the warpage is 0.2% or more, the trouble that the hardened skin remains as shown in FIG. 1 is likely to occur. Accordingly, if the warpage can be suppressed to about 0.1%, the surplus of finishing can be reduced, which is advantageous for cost reduction and single delivery.
Warpage = 100d ÷ L ... Formula (3)
In addition, since the steel of the invention steel exerts a great effect when the quenching speed is low, 150 ° C. oil cooling, which is a rapid cooling, was not performed.
Table 10 shows the evaluation results for the 30 kg mold, Table 11 shows the evaluation results for the 100 kg mold, and Table 12 shows the evaluation results for the 450 kg mold.

(金型の完成)
また、反りの評価後、仕上げ加工を施して金型を完成させた。
(Completion of mold)
In addition, after the evaluation of the warp, finishing was performed to complete the mold.

(金型を用いた鋳造)
これらの金型をダイカストマシンに組み付け、実際に鋳造を行った。湯材はADC12で、湯温(溶解保持炉内)は680℃、1サイクルの時間は約60秒である。金型に大きな割れが発見された時点(ショット数)を金型寿命と判定した。そして、寿命後の金型中心部から素材を切出し、寿命と対応付けるため、衝撃値を調査した。
表10に30kgの金型についての評価結果を、表11に100kgの金型についての評価結果を、表12に450kgの金型についての評価結果をそれぞれ示す。
(Casting using mold)
These molds were assembled in a die casting machine and actually cast. The hot water material is ADC12, the hot water temperature (in the melting and holding furnace) is 680 ° C., and the cycle time is about 60 seconds. The time (number of shots) when a large crack was found in the mold was determined as the mold life. Then, a material was cut out from the center of the mold after the service life, and the impact value was investigated in order to associate with the service life.
Table 10 shows the evaluation results for the 30 kg mold, Table 11 shows the evaluation results for the 100 kg mold, and Table 12 shows the evaluation results for the 450 kg mold.

Figure 2009242819
Figure 2009242819

Figure 2009242819
Figure 2009242819

Figure 2009242819
Figure 2009242819

(考察−実型検証)
表10に示す30kgの金型の場合、金型が小さいことから、急冷が可能であり、断面内温度差もつきにくい。このため、表10の結果によれば、全体的な傾向としては、反りが小さく衝撃値は高くなっている。発明鋼を見ると、衝撃値が40J/cm2を超え、およそ80000ショットの寿命を確保している。
従って、発明鋼が小さな金型にも好適であることがわかる。
(Discussion-actual type verification)
In the case of the 30 kg mold shown in Table 10, since the mold is small, rapid cooling is possible and the temperature difference in the cross section is not easily attached. For this reason, according to the results of Table 10, the overall tendency is that the warp is small and the impact value is high. Looking at the invented steel, the impact value exceeds 40 J / cm 2 and a life of approximately 80,000 shots is secured.
Therefore, it can be seen that the inventive steel is also suitable for a small mold.

放冷と衝風冷の組合せで焼入れた比較鋼については、80000ショットの寿命確保が、一部を除いて困難である。80000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)である。
特に寿命が短い水準は比較鋼12と比較鋼11であり、表9を参照すれば、粗大なVCが多い鋼材と結晶粒が粗大な鋼材であることがわかる。その他の比較鋼は、およそ18000ショットの寿命となっており、およそ80000ショットの寿命を確保した発明鋼の約1/4である。
With comparative steels that are quenched by a combination of natural cooling and blast cooling, it is difficult to ensure a life of 80,000 shots, except for some. With reference to Table 9, the level that could secure 80,000 shots is steel with good hardenability (Comparative Steel 6 and Comparative Steel 8) having a problem in annealing.
Particularly, the shortest life is the comparative steel 12 and the comparative steel 11, and referring to Table 9, it can be seen that the steel material has a large amount of coarse VC and the steel material has a coarse crystal grain. The other comparative steels have a life of about 18000 shots, which is about 1/4 of the invented steel with a life of about 80,000 shots.

また、150℃の油で焼入れた比較鋼についても、放冷と衝風冷の組合せで焼入れた場合と同様の傾向である。焼入れ速度が大きくなるため、全体的に衝撃値が高く寿命は長くなるが、80000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)のみである。しかし、表10に示したように、急冷のため反りが大きく、0.2%以下ではあるが望ましいレベルではない。   In addition, the comparative steel quenched with 150 ° C. oil has the same tendency as the case of quenching with a combination of natural cooling and blast cooling. As the quenching speed is increased, the impact value is high and the life is extended as a whole, but the level that can secure 80,000 shots is as follows. 6. Comparative steel 8) only. However, as shown in Table 10, warpage is large due to rapid cooling, which is not desirable level although it is 0.2% or less.

以上より、ゆっくりと焼入れた発明鋼は、急冷した比較鋼より金型寿命が長く、反りも小さいことが、小さな金型において確認できた。金型寿命は衝撃値と対応している。表9を参照すれば、発明鋼の衝撃値が高い理由は、10μmを超える粗大なVCが少なく、1μm以下の微細なVCが多く、焼入れ性が高いためと判断できる。加えて、発明鋼では焼鈍性も確保されている。   From the above, it was confirmed that the invention steel that was quenched slowly has a longer mold life and less warpage than the quenched comparative steel in a small mold. The mold life corresponds to the impact value. If Table 9 is referred, it can be judged that the reason why the impact value of the inventive steel is high is that there are few coarse VCs exceeding 10 μm, many fine VCs of 1 μm or less, and high hardenability. In addition, the invented steel also has an annealing property.

表11に示す100kgの金型の場合、大断面型の中では小さい部類であっても、急冷はかなり難しくなる。また、大きな断面内温度差がつきやすくなるため、反りも大きくなる。従って、表11の結果によれば、30kgの金型の場合と比較して、反りが大きく、衝撃値は低くなっている。発明鋼を見ると、衝撃値が35J/cm2以上であり、およそ40000ショットの寿命を確保している。
従って、発明鋼が比較的大きな金型にも好適であることがわかる。
In the case of the 100 kg mold shown in Table 11, rapid cooling is considerably difficult even if it is a small class in the large section mold. Moreover, since a large cross-sectional temperature difference is likely to occur, warpage also increases. Therefore, according to the results in Table 11, the warpage is large and the impact value is low compared to the case of the 30 kg mold. Looking at the invented steel, the impact value is 35 J / cm 2 or more, and a life of about 40,000 shots is secured.
Therefore, it can be seen that the inventive steel is also suitable for relatively large molds.

放冷と衝風冷の組合せで焼入れた比較鋼については、40000ショットの寿命確保が、一部を除いて困難である。40000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)である。
特に寿命が短い水準は比較鋼12と比較鋼11であり、表9を参照すれば、粗大なVCが多い鋼材と結晶粒が粗大な鋼材であることがわかる。その他の比較鋼は、およそ9000ショットの寿命となっており、およそ40000ショットの寿命を確保した発明鋼の約1/4である。
For comparative steels hardened by a combination of natural cooling and blast cooling, it is difficult to ensure a life of 40,000 shots, except for some. The level that could secure 40,000 shots is steel with good hardenability (Comparative Steel 6 and Comparative Steel 8) that has a problem in annealing, as shown in Table 9.
Particularly, the shortest life is the comparative steel 12 and the comparative steel 11, and referring to Table 9, it can be seen that the steel material has a large amount of coarse VC and the steel material has a coarse crystal grain. The other comparative steels have a life of about 9000 shots, which is about 1/4 of the invented steel with a life of about 40,000 shots.

また、150℃の油で焼入れた比較鋼についても、放冷と衝風冷の組合せで焼入れた場合と同様の傾向である。焼入れ速度が大きくなるため、全体的に衝撃値が高く寿命は長くなるが、40000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)のみである。しかも、表11に示したように、急冷のため反りが大きく、0.2%を超えている。   In addition, the comparative steel quenched with 150 ° C. oil has the same tendency as the case of quenching with a combination of natural cooling and blast cooling. As the quenching speed increases, the impact value is generally high and the life is prolonged, but the level that can secure 40,000 shots is as follows. 6. Comparative steel 8) only. Moreover, as shown in Table 11, the warpage is large due to rapid cooling, exceeding 0.2%.

以上より、ゆっくりと焼入れた発明鋼は、急冷した比較鋼より金型寿命が長く、反りも小さいことが、比較的に大きな金型において確認できた。金型寿命は衝撃値と対応している。表9を参照すれば、発明鋼の衝撃値が高い理由は、10μmを超える粗大なVCが少なく、1μm以下の微細なVCが多く、焼入れ性が高いためと判断できる。加えて、発明鋼では焼鈍性も確保されている。   From the above, it was confirmed that the invention steel that was quenched slowly has a longer mold life and less warpage than the quenched comparative steel in a relatively large mold. The mold life corresponds to the impact value. Referring to Table 9, it can be judged that the reason why the impact value of the inventive steel is high is that there are few coarse VCs exceeding 10 μm, many fine VCs of 1 μm or less, and high hardenability. In addition, the invented steel also has an annealing property.

表12に示す450kgの金型の場合、典型的な大断面型であり、急冷は非常に難しい。また、大きな断面内温度差が付くため、反りも大きくなる。表12の結果によれば、100kgの金型の場合と比較して、反りが大きく、衝撃値は低くなっている。発明鋼を見ると、衝撃値が30J/cm2程度であり、およそ20000ショットの寿命を確保している。
従って、発明鋼が大断面型にも好適であることがわかる。
In the case of the 450 kg mold shown in Table 12, it is a typical large cross-sectional mold, and rapid cooling is very difficult. Further, since a large temperature difference in the cross section is added, warpage is also increased. According to the results in Table 12, the warpage is large and the impact value is low as compared with the case of the 100 kg mold. Looking at the invented steel, the impact value is about 30 J / cm 2 and the life of about 20000 shots is secured.
Therefore, it can be seen that the inventive steel is also suitable for the large section type.

放冷と衝風冷の組合せで焼入れた比較鋼については、20000ショットの寿命確保が、一部を除いて困難である。40000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)である。
特に寿命が短い水準は比較鋼12と比較鋼11であり、表9を参照すれば、粗大なVCが多い鋼材と結晶粒が粗大な鋼材であることがわかる。その他の比較鋼は、およそ6000ショットの寿命となっており、およそ20000ショットの寿命を確保した発明鋼の約1/3である。
With comparative steels quenched by a combination of natural cooling and blast cooling, it is difficult to ensure a life of 20000 shots, except for some. The level that could secure 40,000 shots is steel with good hardenability (Comparative Steel 6 and Comparative Steel 8) that has a problem in annealing, as shown in Table 9.
Particularly, the shortest life is the comparative steel 12 and the comparative steel 11, and referring to Table 9, it can be seen that the steel material has a large amount of coarse VC and the steel material has a coarse crystal grain. The other comparative steels have a life of about 6000 shots, which is about 1/3 of the invented steel with a life of about 20000 shots.

また、150℃の油で焼入れた比較鋼についても、放冷と衝風冷の組合せで焼入れた場合と同様の傾向である。焼入れ速度が大きくなるため、全体的に衝撃値が高く寿命は長くなるが、20000ショットを確保できた水準は、表9を参照すれば、焼鈍性に問題のある焼入れ性の良い鋼(比較鋼6、比較鋼8)のみである。しかも、表12に示したように、急冷のため反りが非常に大きく、0.25%程度となっている。   In addition, the comparative steel quenched with 150 ° C. oil has the same tendency as the case of quenching with a combination of natural cooling and blast cooling. As the quenching speed increases, the impact value is high and the life is extended as a whole. However, the level at which 20000 shots could be secured is as follows. 6. Comparative steel 8) only. Moreover, as shown in Table 12, the warpage is very large due to rapid cooling, which is about 0.25%.

以上より、ゆっくりと焼入れた発明鋼は、急冷した比較鋼より金型寿命が長く、反りも小さいことが、大断面金型において確認できた。金型寿命は衝撃値と対応している。表9を参照すれば、発明鋼の衝撃値が高い理由は、10μmを超える粗大なVCが少なく、1μm以下の微細なVCが多く、焼入れ性が高いためと判断できる。加えて、発明鋼では焼鈍性も確保されている。   From the above, it was confirmed in the large-section mold that the invention steel that was quenched slowly has a longer mold life and less warpage than the quenched comparative steel. The mold life corresponds to the impact value. If Table 9 is referred, it can be judged that the reason why the impact value of the inventive steel is high is that there are few coarse VCs exceeding 10 μm, many fine VCs of 1 μm or less, and high hardenability. In addition, the invented steel also has an annealing property.

以上から、比較鋼は、急速焼入れでも金型寿命の確保が困難であり、反りを大きくするデメリットに見合うメリットが得られない。また、焼鈍性が悪い(すなわち、焼入れ性が良い)比較鋼は、ゆっくりとした焼入れでも金型寿命を確保できるが、焼鈍材の被削性が悪化するため、金型製造コストが高くなる。また、焼鈍性が良い(すなわち、焼入れ性が悪い)比較鋼は、ゆっくりと焼入れると、反りこそ小さいが、金型寿命は著しく短くなる。
これに対し、発明鋼は、ゆっくりと焼入れても金型寿命を確保でき、反りの軽減も同時に達成される。また、焼鈍性を確保しているため、焼鈍材の被削性も劣化せず、金型製造コストの上昇もない。
From the above, it is difficult for the comparative steel to secure the mold life even by rapid quenching, and it is not possible to obtain a merit corresponding to the disadvantage of increasing the warpage. In addition, comparative steels with poor annealing (that is, with good hardenability) can ensure the mold life even with slow quenching, but the machinability of the annealed material deteriorates, so that the mold manufacturing cost increases. In addition, comparative steels with good annealing properties (i.e., poor hardenability properties), when slowly quenched, have a small warpage, but the mold life is significantly shortened.
On the other hand, the invention steel can secure the mold life even if it is slowly quenched, and the reduction of warpage can be achieved at the same time. Moreover, since the annealing property is ensured, the machinability of the annealed material is not deteriorated, and the die manufacturing cost is not increased.

以上説明したように、発明鋼は、
(a)Vを主体とする、直径が10μm以上の粗大な介在物が少ない、
(b)直径が1μm以下の微細なVCが多い、
(c)焼入れ性が高い、
(d)焼鈍性が確保されている、
という特徴を備える。
そのため、本発明鋼は金型の反り軽減と長寿命化に有効である。
As explained above, the inventive steel is
(A) There are few coarse inclusions mainly composed of V and having a diameter of 10 μm or more.
(B) Many fine VCs with a diameter of 1 μm or less,
(C) High hardenability,
(D) Annealing property is ensured,
It has the feature.
Therefore, the steel of the present invention is effective in reducing the warpage of the mold and extending the life.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変や応用が可能である。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified and applied without departing from the spirit of the present invention.

本発明に係る鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型は、プラスチックやゴムの射出成形、ダイカスト、熱間鍛造等の金型や成型用部材、特に、大断面で重量の大きい金型や成形用部材への適用が可能である。本発明に係る鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型は、高衝撃値化・被削性の確保・仕上げ加工工数の軽減が図られており、金型や成形用部材を使用又は製造する製造業において、原価低減・省資源・環境負荷軽減を実現でき、産業上極めて有益である。   Steel according to the present invention, steel for molds and molds using the same are molds and molding members for plastic and rubber injection molding, die casting, hot forging, etc., in particular, large molds and heavy molds And can be applied to molding members. The steel according to the present invention, the mold steel and the mold using the same are designed to have a high impact value, ensure machinability and reduce the number of finishing processes, and use a mold or a molding member. In the manufacturing industry, it is possible to realize cost reduction, resource saving and environmental load reduction, which is extremely beneficial to the industry.

金型の反りと加工シロとの関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the curvature of a metal mold | die, and processing white. 粗大なVCを起点とした亀裂の発生と進展を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the generation | occurrence | production and progress of a crack which started from coarse VC. 亀裂の発生と進展に及ぼすマルテンサイト結晶粒径の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the martensite crystal grain diameter which has on generation | occurrence | production and progress of a crack. マルテンサイト結晶粒径とオーステナイト結晶粒径の相関を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the correlation of a martensite crystal grain size and an austenite crystal grain size. オーステナイト結晶粒径と微細なVC量との相関を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the correlation with an austenite crystal grain diameter and fine VC amount. 粗大なVCの存在境界を示すグラフである。It is a graph which shows the existence boundary of coarse VC. オーステナイト結晶粒径100μmの存在境界を示すC量とV量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between C amount and V amount which show the existing boundary of an austenite crystal grain diameter of 100 micrometers. C量とV量の最適化を図るためのグラフである。It is a graph for aiming at optimization of C amount and V amount. JIS SKD61のCCT線図である。It is a CCT diagram of JIS SKD61. JIS SKD61の衝撃値に及ぼす焼入れ速度の影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the quenching speed on the impact value of JIS SKD61. 焼入れ速度と金型サイズの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between quenching speed and die size. 焼入れ深さと元素(Mn・Ni・Cu)量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a quenching depth and the element (Mn * Ni * Cu) amount. 焼入れ深さと元素(Mn+0.38(Ni+Cu))量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a quenching depth and the amount of elements (Mn + 0.38 (Ni + Cu)). 臨界冷速が6℃となる境界を示す、Cr量と元素(Mn+0.38(Ni+Cu))量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of Cr and the amount of elements (Mn + 0.38 (Ni + Cu)) which shows the boundary where a critical cooling rate becomes 6 degreeC. 15℃/Hrの焼鈍で91HRBとなる境界を示す、Cr量と元素(Mn+0.38(Ni+Cu))量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of Cr and the amount of elements (Mn + 0.38 (Ni + Cu)) which shows the boundary which becomes 91HRB by annealing of 15 degreeC / Hr. Cr量とパラメータX(X=Mn+0.38(Ni+Cu))の範囲の最適化を示す、Cr量と元素(Mn+0.38(Ni+Cu))量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of Cr and the amount of elements (Mn + 0.38 (Ni + Cu)) which shows the optimization of the range of Cr amount and parameter X (X = Mn + 0.38 (Ni + Cu)). 反りの評価方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the evaluation method of curvature.

Claims (9)

質量%で、
Si:0.02〜2.50%、
Mo:0.20〜4.00%、及び、
C:0.15〜0.55%を含有し、更に、
質量%で、次式(1)〜次式(2)を満たすC,V,Cr,Mn,Ni,Cuを含有する残部がFe及び不可避の不純物からなることを特徴とする鋼。
0.729−1.01C≦V≦1.718−1.65C[%] …式(1)、
7.382−2.79X≦Cr≦10.395−3.69X[%](但し、X=Mn+0.38(Ni+Cu)[%]、0.30≦X≦2.10[%])…式(2)。
% By mass
Si: 0.02 to 2.50%,
Mo: 0.20 to 4.00% and
C: contains 0.15-0.55%, and
A steel characterized in that the balance containing C, V, Cr, Mn, Ni, and Cu satisfying the following formulas (1) to (2) in mass% is composed of Fe and inevitable impurities.
0.729−1.01C ≦ V ≦ 1.718−1.65C [%] ... Formula (1),
7.382−2.79X ≦ Cr ≦ 10.395−3.69X [%] (where X = Mn + 0.38 (Ni + Cu) [%], 0.30 ≦ X ≦ 2.10 [%]) (2).
更に、質量%で、
W:0.01〜4.00%を含有することを特徴とする請求項1に記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
The steel according to claim 1, containing W: 0.01 to 4.00%.
更に、質量%で、
Co:0.01〜2.00%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
Co: 0.01 to 2.00% of steel, The steel of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
更に、質量%で、
Nb:0.002〜0.500%、
Ta:0.002〜0.500%、
Ti:0.002〜0.500%、及び、
Zr:0.002〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
Nb: 0.002 to 0.500%,
Ta: 0.002 to 0.500%,
Ti: 0.002 to 0.500% and
The steel according to any one of claims 1 to 3, comprising one or more selected from the group consisting of Zr: 0.002 to 0.500%.
更に、質量%で、
Al:0.005〜1.500%、及び、
N:0.005〜0.300%からなる群から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
Al: 0.005 to 1.500% and
N: The steel according to any one of claims 1 to 4, comprising one or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.300%.
更に、質量%で、
B:0.0002〜0.0200%を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
B: The steel according to any one of claims 1 to 5, containing 0.0002 to 0.0200%.
更に、質量%で、
S:0.005〜2.000%、
Ca:0.0005〜0.5000%、
Se:0.005〜0.500%、
Te:0.005〜0.500%、
Bi:0.005〜0.500%、及び、
Pb:0.005〜0.500%からなる群から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の鋼。
Furthermore, in mass%,
S: 0.005 to 2.000%,
Ca: 0.0005 to 0.5000%,
Se: 0.005-0.500%,
Te: 0.005-0.500%,
Bi: 0.005-0.500%, and
The steel according to any one of claims 1 to 6, comprising one or more selected from the group consisting of Pb: 0.005 to 0.500%.
請求項1〜7のいずれかに記載の鋼からなる金型用鋼。   Mold steel comprising the steel according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載の金型用鋼からなる金型。   A mold made of the mold steel according to claim 8.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015007278A (en) * 2013-06-26 2015-01-15 新日鐵住金株式会社 Method for producing die steel for plastic molding and die for plastic molding
JP2015168859A (en) * 2014-03-07 2015-09-28 大同特殊鋼株式会社 Steel for mold
WO2017038879A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-09 大同特殊鋼株式会社 Steel for molds and molding tool
JP2017053023A (en) * 2015-09-11 2017-03-16 大同特殊鋼株式会社 Steel for mold and molding tool
WO2017043446A1 (en) * 2015-09-11 2017-03-16 大同特殊鋼株式会社 Steel for molds and molding tool
CN115279932A (en) * 2020-03-16 2022-11-01 日立金属株式会社 Steel for hot working die, and method for producing same
JP7305483B2 (en) 2019-08-19 2023-07-10 山陽特殊製鋼株式会社 Hot work tool steel with excellent toughness

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015007278A (en) * 2013-06-26 2015-01-15 新日鐵住金株式会社 Method for producing die steel for plastic molding and die for plastic molding
JP2015168859A (en) * 2014-03-07 2015-09-28 大同特殊鋼株式会社 Steel for mold
WO2017038879A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-09 大同特殊鋼株式会社 Steel for molds and molding tool
JP2018024931A (en) * 2015-09-02 2018-02-15 大同特殊鋼株式会社 Steel for mold and molding tool
JP2017053023A (en) * 2015-09-11 2017-03-16 大同特殊鋼株式会社 Steel for mold and molding tool
WO2017043446A1 (en) * 2015-09-11 2017-03-16 大同特殊鋼株式会社 Steel for molds and molding tool
CN107949651A (en) * 2015-09-11 2018-04-20 大同特殊钢株式会社 Die steel and forming tool
US11141778B2 (en) 2015-09-11 2021-10-12 Daido Steel Co., Ltd. Steel for molds and molding tool
JP7305483B2 (en) 2019-08-19 2023-07-10 山陽特殊製鋼株式会社 Hot work tool steel with excellent toughness
CN115279932A (en) * 2020-03-16 2022-11-01 日立金属株式会社 Steel for hot working die, and method for producing same
CN115279932B (en) * 2020-03-16 2023-12-29 株式会社博迈立铖 Steel for hot working die, and method for producing same

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