JP2012251189A - 冷間工具鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:1.10〜2.00%、Cr:10.5〜12.5%、Si:0.6〜1.0%、Mn:0.4〜1.0%、Mo:0.5〜4.0%、W:0.5〜4.0%、Co:0.25〜4.0%、Ni:0.25〜4.0%を含有し、さらに、V、NbおよびTiの一種以上を原子%で合計1.2〜8.0%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、断面において存在するMC型炭化物粒子の平均粒径が等価円直径で0.2〜1.5μmの範囲である冷間工具鋼とする。
【選択図】図7
Description
しかし、表面処理をしたものは、皮膜の不均一性や母材との熱膨張差により使用中に剥離したりして、局部的な摩耗により加速的な損傷を受け、しばしば短期間で使用不能になる事が多い。他方、SKD11などのダイス鋼は耐食性が劣るため使用に耐えなく、17−4PH、SUS420ステンレス鋼は耐食性は優れるものの硬さが十分ではなく、強度及び耐摩耗性で問題がある。そこで、プラスチック成形品の生産性を高めるために、腐食されにくく、しかもプラスチック成形に伴う摩耗による損傷の少ない冷間工具鋼の開発が求められている。
一方、特許文献2では、MC型炭化物に注目しており、その最大粒子の直径を4μm以上15μm以下に限定している。本発明者らは、プラスチック成形用の機械部材などの寿命を延ばす目的で、冷間工具鋼について鋭意研究を重ねた結果、合金組成及び合金鋼中のMC型炭化物の平均粒径を限定することによって、従来の合金鋼よりも優れた耐摩耗性に加えて良好な耐食性が得られることを見出した。
C:1.10〜2.00%
Cは、焼入れ焼戻しによるマルテンサイト鋼の必要な硬さを得るため、また合金炭化物の析出強化による必要な強度及び硬さを得るために所定量以上を含有させることが必要である。一方、Cの含有量の増加に伴い、マルテンサイト鋼としての過飽和固溶量が過剰となって靭性を低下させてしまうため、冷間工具鋼として必要とされる靭性を確保する観点からCの含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Cは1.10〜2.00%の範囲内とした。なお、同様の理由で下限を1.2%、上限を1.8%とするのが望ましい。
Crは、焼入れ性、耐食性及び破壊靭性を向上させる元素であり、冷間工具鋼として必要とされる焼入れ性及び耐摩耗性を確保する観点から、所定量以上を含有することが必要である。一方、過剰に含有すると、高温強度を極端に低下させてしまうことから、含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Crは10.5〜12.5%の範囲内とした。なお、同様の理由で下限を11%、上限を12%とするのが望ましい。
Siは、鋼の溶製時において脱酸作用を有し、健全な鋼を得るために所定量以上を含有することが必要である。一方、過剰に含有すると、強度、靭性及び熱伝導率を低下させてしまう。そこで、冷間工具鋼として必要とされる強度、靭性及び熱伝導率を確保する観点からSiの含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Siは0.6〜1.0%の範囲内とした。なお、同様の理由で下限を0.8%とするのが望ましい。
Mnは、焼入れ性を向上させる元素であり、冷間工具鋼として必要とされる焼入れ性を確保する観点から、所定量以上を含有することが必要である。一方、過剰に含有すると、軟化抵抗を低下させてしまう。更に、球状化焼なましに時間を要するため、製造性を低下させてしまう。そこで、冷間工具鋼の製造工程において許容出来得る軟化抵抗性及び製造性を確保する観点から、Mnの含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Mnは0.4〜1.0%の範囲内とした。なお、同様の理由で上限を0.8%とするのが望ましい。
Moは、高温強度及び耐食性を向上させる元素であり、冷間工具鋼として必要とされる高温強度及び耐食性を確保する観点から、所定量以上を含有させることが必要である。一方、過剰に含有すると、高温強度に対する変化はほとんどないものの、破壊靭性を低下させてしまうことから、冷間工具鋼としての破壊掛性を確保する観点から、含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Moは0.5〜4.0%の範囲内とした。なお、同様の理由で下限を0.7%、上限を2.0%とするのが望ましい。さらに上限を1.5%とするのが一層望ましい。
Wは、高温強度を向上させる元素であり、冷間工具鋼として必要とされる高温強度を確保する観点から、所定量以上を含有させることが必要である。一方、過剰に添加すると、高温強度に対する変化はほとんどないものの、破壊靭性を低下させてしまうことから、冷間工具鋼としての破壊靭性を確保する観点から、含有量の上限を求めた。故に、質量%で、Wは0.5〜5.0%の範囲内とした。なお、同様の理由で上限を2.0%とするのが望ましい。さらに上限を1.0%とするのが一層望ましい。
Niは、焼入れ性及び耐衝撃性を向上させる一方で、多量に含有すると焼なましに時間を要し、製造性を低下させてしまう。故に、質量%で、Niは0.25〜4.0%の範囲内とした。なお、同様の理由で下限を0.3%、上限を2.0%とするのが望ましい。さらに上限を0.8%とするのが一層望ましい。
Coは、基地を強化して強度及び耐衝撃性を向上させるために含有する。多量に含有すると脆化させてしまうことから、質量%で、Coは0.25〜4.0%で添加する。なお、同様の理由で下限を1.0%、上限を3.0%とするのが望ましい。さらに下限を1.5%、上限を2.5%とするのが一層望ましい。
Sは、疲労破壊の起点となる介在物を多量に生成するため、より少ない方が好ましい。故に、許容し得る上限値は、質量%で、0.015%以下である。
Al、O及びNは、過剰に含有すると焼入れ硬さ及び靱性を低下させるため、より少ない方が好ましい。故に、許容し得る上限値は、質量%で、Alは0.1%以下、0は0.005%以下、及び、Nは0.025%以下である。
W、V、Nb、TiなどはMC型炭化物を形成する。この炭化物の平均粒径が等価円直径で0.2μm未満、または1.5μmを越えると十分な耐摩耗性が得られない。したがって、MC型炭化物の平均粒径を等価円直径で0.2〜1.5μmの範囲内とする。
なお、等価円直径は、SEMを用いて観察した任意の断面におけるMC型炭化物の面積を画像解析ソフトにより測定し、同一の面積となる円の直径を算出することにより、求めることができる。
なお、本発明としては、MC型炭化物粒径は、平均で上記範囲内にあればよく、炭化物粒径自体の上限を定めるものではないが、大きすぎると摩耗時に炭化物が脱落しやすくなり、耐摩耗性に寄与しなくなることから、上限を3.5μmに定めるのが望ましい。
また、本発明の冷間工具鋼は、プラスチック成形機部品として使用する際に、過酷な成形条件下で高温における耐食性、耐摩耗性、靭性を有し、従来の冷間工具鋼の部品では達成できない長寿命の部品を提供することができる。
質量%で、C:1.20〜2.00%、Cr:10.5〜12.5%、Si:0.6〜1.0%、Mn:0.4〜1.0%、Mo:0.5〜4.0%、W:0.5〜4.0%、Co:0.25〜4.0%、Ni:0.25〜4.0%を含有し、さらに、V、NbおよびTiの一種以上を原子%で合計1.2〜8.0%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有する粉末を常法により用意する。本発明としては、該粉末の製造方法が特に限定されるものではない。該粉末としては例えば20メッシュ以下の大きさとする。
上記粉末を、Arなどの不活性ガス中で、例えば900〜1200℃、50〜200MPaの条件でHIP(熱間静水圧プレス)をする。なお、本発明としては、HIPによることなく、例えば、エレクトロスラグ再溶解法等の製造法を用いることができる。なお、製造に際しては、酸素混入を防止するために不活性ガス雰囲気や真空雰囲気で焼結、溶解などを行うことが可能である。
要は、冷間工具鋼として最終的に上記MC型炭化物の粒径を有していればよい。
プラスチック成形機部品としては、スクリュ、スクリュヘッド、逆流防止リングなどが例示される。但し、本発明の冷間工具鋼の用途がこれらに限定されるものではない。
また、この冷間工具鋼には、成形材と接触する表面に、PVDなどの手法を用いてチタンなどを含有した硬質膜を施工し、より耐食性、耐摩耗性が向上した射出成形機用スクリュおよび組立部品としてもよい。
表1に示す各成分組成を有する合金(残部Feとその他の不可避不純物)のそれぞれについてHIPにて焼結して3kgのインゴットを得た。その後、これに1150℃で3時間の溶体化処理を施した後に、525℃で4時間と500℃で6時間の2回の焼戻し処理を施して供試材を得た。
なお、砂摩耗試験機は、ゴム1を被覆した車輪2に、てこ3でおもり4の応力を付加した試験片5を押圧し、回転する車輪2と試験片5との間にホッパ6に収容した砂7を供給して摩耗量を測定するものである。
また、表3に示したように、本発明鋼のMC型炭化物の等価円直径の最大値は0.75〜3.35μmであった。すなわち、特許文献2で制限しているMC型炭化物のサイズよりも、小さい範囲で良好な耐摩耗性が得られることを見出した。
試験片No.10及び13では、このCr系の炭化物が晶析出することで基地中のCr固溶量が減少し、そのため耐食性が本発明鋼より劣っている。また試験片No.11は、Cが他の鋼種に比べ多量に添加されていることから、MC型炭化物以外にも、Cr系のM23C6型炭化物もNo.10と同様に生成しているため、基地中のCr固溶量が減少したことで耐食性が低下している。試験片No.12は、MC型炭化物生成元素の添加量が少ないことから、MC型炭化物の生成量が少なく、それによりCr系のM23C6型炭化物が比較的多く生成したことで耐食性が低下している。それに対し本発明鋼は、試験片No.2〜7、9では、MC型炭化物が十分に生成したことでCr系のM23C6型炭化物の生成が抑制され、それに伴い基地中のCr固溶量が高くなったため耐食性が向上している。
5 試験片
7 砂
Claims (5)
- 質量%で、C:1.10〜2.00%、Cr:10.5〜12.5%、Si:0.6〜1.0%、Mn:0.4〜1.0%、Mo:0.5〜4.0%、W:0.5〜4.0%、Co:0.25〜4.0%、Ni:0.25〜4.0%を含有し、さらに、V、NbおよびTiの一種以上を原子%で合計1.2〜8.0%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、断面において存在するMC型炭化物粒子の平均粒径が等価円直径で0.2〜1.5μmの範囲であることを特徴とする冷間工具鋼。
- プラスチック成形機部品の材料として用いられることを特徴とする請求項1記載の冷間工具鋼。
- 質量%で、C:1.10〜2.00%、Cr:10.5〜12.5%、Si:0.6〜1.0%、Mn:0.4〜1.0%、Mo:0.5〜4.0%、W:0.5〜4.0%、Co:0.25〜4.0%、Ni:0.25〜4.0%を含有し、さらに、V、NbおよびTiの一種以上を原子%で合計1.2〜8.0%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成の粉末を圧密化した後、焼入れ、焼戻し処理を行って、断面において存在するMC型炭化物粒子の平均粒径を等価円直径で0.2〜1.5μmの範囲とすることを特徴とする冷間工具鋼の製造方法。
- 1000℃〜1200℃の温度でγ化することを特徴とする請求項3記載の冷間工具鋼製造方法。
- 熱間静水圧プレスにより前記圧密化をした後、前記焼入れ前に、熱間加工および機械加工を施すことを特徴とする請求項3または4記載の冷間工具鋼の製造方法。
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