JP2021139041A

JP2021139041A - 熱間工具鋼および熱間工具

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Publication number: JP2021139041A
Application number: JP2021017386A
Authority: JP
Inventors: 洋佑中野; Yosuke Nakano; 志保福元; Shiho Fukumoto; 公太片岡; Kimita Kataoka
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2021-09-16

Abstract

【課題】靭性および耐焼割れ性に優れた熱間工具鋼と、熱間工具とを提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３５〜０．３９％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．６５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｒ：５．２０〜５．５０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％、Ｖ：０．７０〜０．８５％、残部Ｆｅおよび不純物で、下記の式１および式２で算出されるＡ値：６．４０〜７．００およびＢ値：０．９０〜１．００を満たす熱間工具鋼または熱間工具である。式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］、式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］【選択図】図２

Description

本発明は、プレス金型や鍛造金型、ダイカスト金型、押出工具といった多種の熱間工具に最適な熱間工具鋼と、その熱間工具に関するものである。

熱間工具は、高温の被加工材や硬質な被加工材と接触しながら使用されるため、衝撃に耐え得る靭性を備えている必要がある。そして、従来、熱間工具鋼には、例えばＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ６１系の合金工具鋼が用いられていた。また、最近の更なる靱性向上の要求に応えて、前記ＳＫＤ６１系の合金工具鋼の成分組成を改良した合金工具鋼が提案されている（特許文献１〜６）。

熱間工具鋼は、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を行って製造される。そして、この製造された熱間工具鋼は、通常、硬さの低い焼鈍状態で、熱間工具の作製メーカー側に供給されて、熱間工具の形状に機械加工された後、焼入れ焼戻しによって所定の使用硬さに調整される。また、この使用硬さに調整された後に、仕上げ加工を行うことが一般的である。そして、熱間工具鋼の靭性は、この焼入れ焼戻しされた状態（つまり、熱間工具に相当する状態）で評価される。

特開２００６−１０４５１９号公報欧州特許出願公開第２１９４１５５号明細書特開平６−３２２４８３号公報特開昭６３−２０３７４４号公報特開平１１−９０６１１号公報特開２０１８−１３１６５４号公報

ところで、熱間工具鋼に焼入れ焼戻しを行なう際、機械加工された熱間工具鋼の工具形状が複雑であると、焼入れ冷却中に、その凹部等を起点とした“焼割れ”が生じることが問題となる。そして、焼割れが顕著であると、その後の仕上げ加工でもこの“割れ”を除去し難く、熱間工具の不良の要因となる。この点において、特許文献１、２には、優れた靭性および耐焼割れ性を達成する上で、検討の余地があった。
本発明の目的は、靭性および耐焼割れ性に優れた熱間工具鋼および熱間工具を提供することである。

以上の課題に鑑みて、本発明者が鋭意研究を行ったところ、焼入れ冷却中の変態挙動を精細に解析することで、熱間工具鋼には、焼割れの発生を抑えながら、高い靭性を得ることができる好適な成分範囲があることをつきとめた。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．３９％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．６５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｒ：５．２０〜５．５０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％、Ｖ：０．７０〜０．８５％、残部Ｆｅおよび不純物でなり、下記の式１および式２で算出される各元素の含有量の関係が、Ａ値：６．４０〜７．００およびＢ値：０．９０〜１．００を満たす熱間工具鋼である。式１、２の［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。
式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］
式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］

そして、本発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．３９％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．６５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｒ：５．２０〜５．５０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％、Ｖ：０．７０〜０．８５％、残部Ｆｅおよび不純物でなり、下記の式１および式２で算出される各元素の含有量の関係が、Ａ値：６．４０〜７．００およびＢ値：０．９０〜１．００を満たす熱間工具である。式１、２の［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。
式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］
式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］

本発明の熱間工具鋼または熱間工具は、上記の不純物のうち、質量％で、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下であることが好ましい。
また、本発明の熱間工具鋼または熱間工具は、上記の不純物のうち、質量％で、Ｏ：０．００３％以下、Ｎ：０．０３％以下であることが好ましい。

本発明によれば、焼入れ時の焼割れを抑制でき、焼入れ焼戻し後の靭性に優れた熱間工具鋼と、その熱間工具とを提供することができる。

実施例の焼割れ試験で用いた試験片の形状を示す図である。実施例の焼割れ試験を行った後の、本発明例の試験片の溝底のコーナーを示す図面代用写真である。実施例の焼割れ試験を行った後の、比較例の試験片の溝底のコーナーを示す図面代用写真である。

本発明の特徴は、熱間工具鋼（または熱間工具）の成分組成について、それを構成する各元素の含有量を最適かつ限定された範囲に調整したことで、靭性および耐焼割れ性に優れた熱間工具鋼を達成できたところにある。つまり、熱間工具鋼を上記の成分組成とすることで、その熱間工具鋼の製造方法は従来のままとし、焼入れ焼戻し条件も従来のままとしても、焼入れ冷却中の焼割れを抑制できて、かつ、焼入れ焼戻し後の高い靭性を付与できる。

焼入れとは、熱間工具鋼をオーステナイト温度域にまで加熱し、これを冷却（急冷）することで、組織をマルテンサイトやベイナイトに変態させる工程である。そして、熱間工具鋼に焼入れを行うと、その表面に比べて、内部での変態が起きるタイミングが遅く、このことによって、熱間工具鋼の各位置で膨張差が生じる。そして、各種金型の形状面といったように、熱間工具鋼の工具形状が複雑であると、その凹部（コーナー部）に応力が集中して、焼割れが発生しやすい。

そして、熱間工具鋼では、焼入れ焼戻し後の優れた靭性を付与するために、焼入れ性を向上させるＣｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ等の元素が添加され得るところ、そうすると、焼入れ冷却中の変態時の膨張量が増加して、焼割れが更に顕著になる要因となる。
そこで、本発明では、上記の焼入れ冷却中の変態挙動を精細に解析することで、熱間工具鋼には、焼割れの発生を抑えながら、高い靭性を得ることができる好適な成分範囲が存在することを見いだした。以下、本発明の熱間工具鋼（または熱間工具）の成分組成の詳細を述べる。

・Ｃ：０．３５〜０．３９質量％（以下、単に「％」と表記）
Ｃは、一部が基地中に固溶して強度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、熱間工具鋼の基本元素である。但し、Ｃの過度の添加は、熱間強度の低下に作用する。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。よって、Ｃは、０．３５〜０．３９％とする。好ましくは０．３６％以上である。また、好ましくは０．３８％以下である。

・Ｓｉ：０．２５〜０．３５％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるとともに被削性を高める元素である。しかし、Ｓｉが多過ぎると、焼入れ焼戻し組織中に針状のベイナイトが生成して工具の靭性が低下する。また、焼入れ冷却時のベイナイト組織中において、セメンタイト系の炭化物の析出を抑制することで、間接的に焼戻し時の合金炭化物の析出・凝集・粗大化を促進して、高温強度を低下させる。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。よって、Ｓｉは、０．２５〜０．３５％とする。好ましくは０．２７％以上である。より好ましくは０．２９％以上である。また、好ましくは０．３３％以下である。より好ましくは０．３１％以下である。

・Ｍｎ：０．５５〜０．６５％
Ｍｎは、焼入性を高めてフェライトの生成を抑制し、焼入れ焼戻し後の靭性の向上に寄与する元素である。また、適度の焼入れ焼戻し硬さを得るのに効果的な元素である。さらに、非金属介在物のＭｎＳとして組織中に存在すれば、被削性の向上に大きな効果を示す元素である。しかし、Ｍｎが多過ぎると、基地の粘さを上げて被削性を低下させる。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。よって、Ｍｎは、０．５５〜０．６５％とする。好ましくは０．５７％以上である。より好ましくは０．５９％以上である。さらに好ましくは０．６０％以上である。また、好ましくは０．６３％以下である。

・Ｎｉ：０〜０．１５％
Ｎｉは、フェライトの生成を抑制する元素である。また、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗなどとともに熱間工具鋼に優れた焼入性を付与し、緩やかな焼入冷却速度の場合にも、マルテンサイト主体の組織を形成させ、靭性の低下を防ぐのに効果的な元素である。また、基地の本質的な靭性改善効果を与える元素でもある。
但し、Ｎｉが多過ぎると、熱間工具の高温強度が低下する。また、基地の粘さを上げて被削性が低下する。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。したがって、本発明においては、熱間工具鋼の耐焼割れ性を確保するために、Ｎｉの上限を厳しく管理することが重要である。そして、後述の式１、２によるＡ値およびＢ値を満たすことで、Ｎｉは含有しなくても、熱間工具に優れた靭性を付与することが可能である。よって、Ｎｉは、０．１５％以下に規制する。好ましくは０．１４％以下である。より好ましくは０．１２％以下である。さらに好ましくは０．１０％未満である。そして、Ｎｉが不純物であるときは、その下限を０％とすることができる。

・Ｃｒ：５．２０〜５．５０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めて、靭性の向上に効果的な元素である。また、組織中に炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させる効果を有し、焼戻し軟化抵抗や高温強度の向上にも寄与する、熱間工具鋼の基本元素である。しかし、Ｃｒの過度の添加は、高温強度の低下の要因になる。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。よって、Ｃｒは、５．２０〜５．５０％とする。好ましくは５．２５％以上である。より好ましくは５．３０％以上である。また、好ましくは５．４５％以下である。より好ましくは５．４０％未満である。

・ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％
ＭｏおよびＷは、焼入性を高めて靭性を向上させるとともに、焼戻しにより微細炭化物を析出させて強度を付与し、軟化抵抗を向上させるために単独または複合で添加できる元素である。ＷはＭｏの約２倍の原子量であることから（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で規定することができる（当然、いずれか一方のみの添加としてもよいし、両方を添加することもできる）。但し、ＭｏやＷが多過ぎると、被削性が低下する。そして、焼入れ冷却中の焼割れを助長する。よって、ＭｏおよびＷは、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）のＭｏ当量の関係式で１．２５〜１．５０％とする。好ましくは１．３０％以上である。より好ましくは１．３５％以上である。また、好ましくは１．４５％以下である。より好ましくは１．４３％以下である。さらに好ましくは１．４１％以下である。
なお、本発明の場合、Ｗは高価な元素であることから、Ｗの全てをＭｏに替えることができる。このとき、Ｍｏ：１．２５〜１．５０％となる（好ましい範囲についても同じである）。但し、Ｗは不純物として含まれ得る。

上記したＣｒまたはＭｏ当量の範囲において、特に、耐焼割れ性のさらなる向上を重視する場合は、ＣｒまたはＭｏ当量を、低値側に調整することが好ましい。ＣｒまたはＭｏ当量を低値側に調整することで、好ましくはＣｒおよびＭｏ当量の両値を低値側に調整することで、後述する式２で算出されるＢ値を低めることに作用する。

・Ｖ：０．７０〜０．８５％
Ｖは、炭化物を形成して、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、結晶粒の粗大化を抑制して、靭性の向上に寄与する。そして、焼入れ冷却中の焼割れの抑制に効果的な元素である。しかし、Ｖが多過ぎると、被削性の低下を招く。よって、Ｖは、０．７０〜０．８５％とする。好ましくは０．７２％以上である。また、好ましくは０．８０％以下である。より好ましくは０．７８％以下である。

本発明の熱間工具鋼（または熱間工具）には、不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎが含まれ得る。
・Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不可避的に含まれ得る元素である。そして、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化し、熱間工具の靭性を劣化させる元素である。したがって、熱間工具の靭性を維持するために、０．０５％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０３％以下である。さらに好ましくは０．０１５％以下である。よりさらに好ましくは０．０１％以下である。
一方、本発明の場合、熱間工具鋼の成分組成が上記を満たして、特に、後述の式１、２の関係を満たしていることで、優れた靭性が確保されている。よって、ある程度のＰ含有量を許容できる。例えば、０．００６％以上（好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．００８％以上）であっても、優れた特性を維持することができる。

・Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、不可避的に含まれ得る元素である。そして、熱間加工前の素材時において熱間加工性を劣化させ、熱間加工中の素材に割れを生じさせる元素である。したがって、上記の熱間加工性を向上するために、０．０１％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．００５％以下である。さらに好ましくは０．００２％以下である。よりさらに好ましくは０．００１％以下である。

・Ｏ：０．００３％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として鋼中に残留し得る元素である。Ｏは、粗大な介在物を形成するなどして、熱間工具の靭性を劣化させることから、一般的には低い方が好ましいとされる。したがって、熱間工具の靭性を維持するために、０．００３％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．００２５％以下、さらに好ましくは０．００２％以下、よりさらに好ましくは０．００１５％以下である。特に好ましくは０．００１％以下である。
一方、本発明の場合、熱間工具鋼の成分組成が上記を満たして、特に、後述の式１、２の関係を満たしていることで、優れた特性が確保されている。よって、ある程度のＯ含有量を許容できる。例えば、０．０００３％以上（好ましくは０．０００４％以上、より好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．０００７％以上）であっても、優れた特性を維持することができる。

・Ｎ：０．０３％以下
Ｎ（窒素）もまた、不純物として鋼中に残留し得る元素であり、熱間工具の諸特性を劣化させることから、一般的には低い方が好ましいとされる。したがって、熱間工具の諸特性を維持するために、０．０３％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２％以下、よりさらに好ましくは０．０１５％以下である。
一方、本発明の場合、熱間工具鋼の成分組成が上記を満たして、特に、後述の式１、２の関係を満たしていることで、優れた諸特性が確保されている。よって、ある程度のＮ含有量を許容できる。例えば、０．００５％以上（好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．００８％以上、さらに好ましくは０．０１％以上、よりさらに好ましくは０．０１２％以上）であっても、優れた諸特性を維持することができる。

上記のＯ、Ｎ含有量を許容できるということは、素材の溶製工程で、真空溶解を省略できて、大気溶解による溶製を可能にするものであることから、製造効率の向上に効果的である。そして、この結果、鋼塊を大型化できて、大型の熱間工具（鋼）にも対応することができる。

その他、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉも、不純物として鋼中に残留し得る元素である。そして、本発明において、これら元素は低い方が好ましい。なお、この場合、Ｃｏ：１％以下、Ｃｕ：０．２５％以下（好ましくは０．１５％以下）、Ｔｉ：０．０５％以下（好ましくは０．０１％以下）の範囲であれば十分に許容でき、本発明の好ましい規制上限である（０％である場合を含む）。

・式１で算出されるＡ値：６．４０〜７．００
式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］（［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。）

そして、本発明では、上述した熱間工具鋼（または熱間工具）の成分組成において、上記の式１で算出されるＡ値を「６．４０以上」に管理することが重要となる。つまり、式１は、熱間工具鋼の専ら“靭性”に及ぼす、各元素の影響度を数値化したものである。そして、この式１で求められた「Ａ値」が、ある成分組成の熱間工具鋼が有する“靭性”の程度を示す指標値である。
本発明の熱間工具鋼の場合、焼入れ焼戻し後の靭性に影響を及ぼす元素種として、「Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ」を挙げることができる。そして、これら元素種のうち、Ｓｉは靭性の低下に作用し、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖは靭性の向上に作用することを、本発明者は知見した。そして、本発明者は、靭性の向上に作用するＭｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖに「プラス」の係数を付し、靭性の低下に作用するＳｉに「マイナス」の係数を付したとともに、それぞれの係数について、靭性の向上または低下に作用する程度に応じて、係数の値（絶対値）を定めたことで、相互的に変化する各元素の含有量と靭性とのバランスを熱間工具鋼の成分組成で評価できる上記の式を完成させた。

以上の係数の取り決めによって、上記の式１で算出されるＡ値を“大きくする”ということは、下記の耐焼割れ性を含めて、熱間工具鋼に求められるその他の特性への影響を少なく抑えて、熱間工具鋼の靭性を向上させるということである。そして、本発明においては、上記のＡ値を「６．４０以上」とする。これによって、焼入れ冷却時に係る焼入れ性が向上する等して、焼入れ焼戻し後の靭性を高いレベルで維持することができる。好ましくは「６．４５以上」である。より好ましくは「６．５０以上」である。さらに好ましくは「６．５５以上」である。
なお、熱間工具鋼の靭性を向上させることを考えれば、このＡ値の上限は、式１を構成するＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの元素が、その個々の成分範囲を満たしている限りにおいて、特に要しない。しかし、Ａ値が大きいと、特にＣｒ、Ｍｏ、Ｗの含有量が多くなることが影響して、熱間工具鋼の耐焼割れ性が劣化する。よって、Ａ値は、後述のＢ値との関係等にも応じて、「７．００以下」とする。好ましくは「６．９０以下」である。より好ましくは「６．８０以下」である。さらに好ましくは「６．７０以下」である。

・式２で算出されるＢ値：０．９０〜１．００
式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］（［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。）

そして、本発明では、上述した熱間工具鋼（または熱間工具）の成分組成において、上記の式２で算出されるＢ値を「１．００以下」に管理することが重要となる。つまり、式２は、熱間工具鋼の専ら“耐焼割れ性”に及ぼす、各元素の影響度を数値化したものである。そして、この式２で求められた「Ｂ値」が、ある成分組成の熱間工具鋼が有する“耐焼割れ性”の程度を示す指標値である。
本発明の熱間工具鋼の場合、焼入れ冷却中の焼割れに影響を及ぼす元素種として、「Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ」を挙げることができる。そして、これら元素種のうち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗは耐焼割れ性の低下に作用し、Ｖは耐焼割れ性の向上に作用することを、本発明者は知見した。そして、本発明者は、耐焼割れ性の向上に作用するＶに「マイナス」の係数を付し、耐焼割れ性の低下に作用するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗに「プラス」の係数を付したとともに、それぞれの係数について、耐焼割れ性の向上または低下に作用する程度に応じて、係数の値（絶対値）を定めたことで、相互的に変化する各元素の含有量と耐焼割れ性とのバランスを熱間工具鋼の成分組成で評価できる上記の式を完成させた。

以上の係数の取り決めによって、上記の式２で算出されるＢ値を“小さくする”ということは、上記の靭性を含めて、熱間工具鋼に求められるその他の特性への影響を少なく抑えて、熱間工具鋼の耐焼割れ性を向上させるということである。そして、本発明においては、上記のＢ値を「１．００以下」とする。特に、このＢ値は、厳格に管理する必要がある。これによって、焼入れ冷却中の熱間工具鋼に生じる膨張差に対応できて、焼入れ冷却中の焼割れを抑制することができる。
なお、熱間工具鋼の耐焼割れ性を向上させることを考えれば、このＢ値の下限は、式２を構成するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの元素が、その個々の成分範囲を満たしている限りにおいて、特に要しない。しかし、Ｂ値が小さいと、特にＣｒ、Ｍｏ、Ｗの含有量が少なくなることが影響して、熱間工具鋼の靭性が劣化する。よって、Ｂ値は、上述のＡ値との関係等にも応じて、「０．９０以上」とする。好ましくは「０．９２以上」である。より好ましくは「０．９５以上」である。

本発明の「焼入れ冷却中の焼割れ抑制」および「焼入れ焼戻し後の靭性向上」の効果に係る、上記の焼入れおよび焼戻しの温度は、素材の成分組成や狙い硬さ等によって異なるが、焼入れ温度は概ね１０００〜１１００℃程度、焼戻し温度は概ね５００〜６５０℃程度であることが好ましい。
そして、焼入れ焼戻し硬さは５０ＨＲＣ以下とすることが好ましい。好ましくは４０〜５０ＨＲＣである。そして、より好ましくは４１ＨＲＣ以上である。さらに好ましくは４２ＨＲＣ以上である。また、より好ましくは４８ＨＲＣ以下である。さらに好ましくは４６ＨＲＣ以下である。

１０ｔアーク溶解炉を用いて、表１の成分組成を有する鋼塊（大きさ約１．３ｍ^３）を溶製した。この鋼塊に１２００℃以上の温度に保持する均熱処理（ソーキング）を行った後、１０００〜１２５０℃の間で熱間鍛造を行って、寸法が凡そ厚さ３００ｍｍ×幅４００ｍｍを超える鋼材に仕上げた。そして、この鋼材に８５０〜９００℃の焼鈍処理を行って、試料１〜５（本発明例）および１１、１２、１３（比較例）の熱間工具鋼を作製した。表１には、本発明に係る式１および式２によって求めたＡ値およびＢ値も示す。なお、このＡ値およびＢ値は、小数第３位を四捨五入した値である。そして、本発明のＡ値およびＢ値の効果は、この小数第３位を四捨五入した値で評価することができる。

＜焼割れ試験＞
試料から縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×高さ３００ｍｍのブロックを採取し、その一面に幅５０ｍｍ、深さ１００ｍｍの溝を加工して、凹形状の試験片を作成した（図１）。凹部（溝底）のコーナー形状は２．０Ｒの曲率半径に仕上げてある。なお、試料１〜５については、より焼割れの発生しやすい条件として、上記の曲率半径が１．５Ｒのものを準備した。この試験片に、焼入れ温度が１０２０〜１０３０℃の焼入れを行った。焼入れ冷却は油冷にて行い、試験片の中心部の温度が２００〜２５０℃に到達する時間で油から引き上げた。そして、そのまま焼戻し温度（５００〜６５０℃）への加熱に移行し、狙い硬さを４３ＨＲＣとする焼戻しを行った後に、その熱間工具に相当する試験片の表面に浸透探傷試験（カラーチェック）を行って、溝底のコーナーにおける焼割れの発生の有無を確認した。

＜シャルピー衝撃試験＞
試料からシャルピー衝撃試験片（Ｓ−Ｔ方向、２ｍｍＵノッチ）を採取して、これに焼入れ焼戻しを行った。焼入れは、焼入れ温度を１０３０℃とし、焼入れ冷却は加圧ガスにて行った。このとき、サイズが大きい実際の熱間工具鋼の中心部を想定して、焼入れ温度（１０３０℃）から、［焼入温度＋室温（２０℃）］／２までの温度（５２５℃）に冷却するのに要する時間（半冷時間と言う。）が９０分程度の遅い冷却速度で冷却した。そして、焼入れの後に、５００〜６５０℃のうちの種々の温度で焼戻しを行って、熱間工具に相当する４３ＨＲＣの狙い硬さに調整し、仕上げ加工を行ってから、シャルピー衝撃試験を実施した。

＜耐焼割れ性および靭性の評価＞
焼割れ試験およびシャルピー衝撃試験の結果を、表２に示す。本発明例の試料１〜５では、３０Ｊ／ｃｍ^２以上のシャルピー衝撃値が得られた。また、本発明例の試料１〜５では、その溝底のコーナーに焼割れが確認されなかった（図２）。そして、凹部の曲率半径が１．５Ｒの試験片でも、焼割れが確認されなかった。
これに対して、比較例の試料１１は、Ａ値が小さく、３０Ｊ／ｃｍ^２以上のシャルピー衝撃値を達成しなかった。また、比較例の試料１３は、Ｂ値が大きく、溝底のコーナーに焼割れが発生した。これについては、比較例の試料１２も同様である。試料１２は、試料１３からＳｉおよびＭｏの含有量を減じて、Ｖの含有量を増やして、かつ、凹部の曲率半径が２．０Ｒであったにも関わらず、溝底のコーナーに焼割れが発生した（図３；筋状のものが浸透液である）。

１０ｔアーク溶解炉を用いて、表３の成分組成を有する鋼塊（大きさ約１．３ｍ^３）を溶製した。この鋼塊に１２００℃以上の温度に保持する均熱処理（ソーキング）を行った後、１０００〜１２５０℃の間で熱間鍛造を行って、寸法が凡そ厚さ３００ｍｍ×幅４００ｍｍを超える鋼材に仕上げた。そして、この鋼材に８５０〜９００℃の焼鈍処理を行って、試料６、７（本発明例）の熱間工具鋼を作製した。表３には、本発明に係る式１および式２によって求めたＡ値およびＢ値も示す。なお、このＡ値およびＢ値は、小数第３位を四捨五入した値である。そして、本発明のＡ値およびＢ値の効果は、この小数第３位を四捨五入した値で評価することができる。

＜靭性の評価＞
シャルピー衝撃試験の結果を、表４に示す。本発明例の試料６、７では、３０Ｊ／ｃｍ^２以上のシャルピー衝撃値が得られた。

そして、本発明例の試料６、７は、Ｂ値が１．００以下に管理されていることから、本発明例の試料１〜５と同様の優れた耐焼割れ性が期待できる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３５〜０．３９％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．６５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｒ：５．２０〜５．５０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％、Ｖ：０．７０〜０．８５％、残部Ｆｅおよび不純物でなり、
下記の式１および式２で算出される各元素の含有量の関係が、Ａ値：６．４０〜７．００およびＢ値：０．９０〜１．００を満たすことを特徴とする熱間工具鋼。
式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］
式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。
前記不純物のうち、質量％で、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱間工具鋼。
前記不純物のうち、質量％で、Ｏ：０．００３％以下、Ｎ：０．０３％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間工具鋼。
質量％で、Ｃ：０．３５〜０．３９％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．６５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｒ：５．２０〜５．５０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．２５〜１．５０％、Ｖ：０．７０〜０．８５％、残部Ｆｅおよび不純物でなり、
下記の式１および式２で算出される各元素の含有量の関係が、Ａ値：６．４０〜７．００およびＢ値：０．９０〜１．００を満たすことを特徴とする熱間工具。
式１：Ａ値＝−０．７［％Ｓｉ］＋１．５［％Ｍｎ］＋１．３［％Ｎｉ］＋０．９［％Ｃｒ］＋０．６［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］＋０．３［％Ｖ］
式２：Ｂ値＝１．９［％Ｃ］＋０．０４３［％Ｓｉ］＋０．１２［％Ｍｎ］＋０．０９［％Ｎｉ］＋０．０４２［％Ｃｒ］＋０．０３［％（Ｍｏ＋１／２Ｗ）］−０．１２［％Ｖ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。
前記不純物のうち、質量％で、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下であることを特徴とする請求項４に記載の熱間工具。
前記不純物のうち、質量％で、Ｏ：０．００３％以下、Ｎ：０．０３％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の熱間工具。