JP2021147653A

JP2021147653A - 金型用工具鋼の製造方法

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Publication number: JP2021147653A
Application number: JP2020047502A
Authority: JP
Inventors: 健太黒木; Kenta Kuroki; 航新明; Wataru Shimmei; 泰史大石; Yasushi Oishi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP6795112B1

Abstract

【課題】従来法による場合と同等以上に優れた耐衝撃性を有する工具鋼を製造することができる製造方法の提供。【解決手段】Ｃ：０．２５〜０．４５質量％を含有する工具鋼用素材を、表面温度が１３００〜１０５０℃となるように加熱した後、熱間加工を行い、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を得る熱間加工工程と、６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で前記熱間加工素材を水中に浸漬する水冷をして、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を得る水冷工程と、を備える、金型用工具鋼の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は金型用工具鋼の製造方法に関する。

金型用工具鋼は応力割れ感受性が高く、鍛造後の冷却管理を怠ると割れが発生してしまう場合がある。従来、鍛造後に徐冷することでその抑制を図っていたが、その徐冷により組織中へネット状炭化物（粒界炭化物）が生成してしまう。この炭化物は、主に耐衝撃性といった材料特性に悪影響を及ぼす。

高強度の工具鋼を得る方法として、従来、いくつかの方法が提案されている。例えば特許文献１には、Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行い、該熱間加工終了後、工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却した後、加熱炉に工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行い、次いで前記４００〜７００℃の温度に加熱・保持した工具鋼素材の素材温度を高める加熱を行なって工具鋼素材温度をパーライトノーズからマイナス１００℃の温度域に高め、該パーライトノーズからマイナス１００℃の温度域にて加熱・保持後に冷却を行って、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とすることを特徴とする工具鋼中間素材の製造方法が記載されている。そして、このような製造方法によれば、平均結晶粒度番号で６番より細粒にし、優れた強度・靭性を有する工具鋼を得ることができると記載されている。

特開２００７−１６２８４号公報

しかしながら、従来法により同等以上に優れた耐衝撃性を有する工具鋼が製造できることが好ましい。

本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明の目的は、従来よりネット状炭化物を低減することにより同等以上に優れた耐衝撃性を有する工具鋼を製造することができる製造方法を提供することである。

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、Ｃ：０．２５〜０．４５質量％を含有する工具鋼用素材を、表面温度が１３００〜１０５０℃となるように加熱した後、熱間加工を行い、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を得る熱間加工工程と、
６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で前記熱間加工素材を水中に浸漬する水冷をして、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を得る水冷工程と、
を備える、金型用工具鋼の製造方法である。

本発明によれば、従来よりネット状炭化物を低減することにより同等以上に優れた耐衝撃性を有する工具鋼を製造することができる製造方法を提供することができる。

実施例および比較例によって得られた金型用工具鋼の拡大写真である。

本発明について説明する。
本発明は、Ｃ：０．２５〜０．４５質量％を含有する工具鋼用素材を、表面温度が１３００〜１０５０℃となるように加熱した後、熱間加工を行い、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を得る熱間加工工程と、６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で前記熱間加工素材を水中に浸漬する水冷をして、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を得る水冷工程と、を備える金型用工具鋼の製造方法である。
なお、本発明は、好ましくは熱間工具鋼に適用でき、さらに好ましくは、熱間ダイス鋼に適用できる。
このような金型用工具鋼の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。

本発明の製造方法は、さらに、前記水冷工程の後、前記水冷素材を空冷して、表面温度が２５０〜１００℃にまで下がった空冷素材を得る空冷工程と、前記空冷素材を１０００〜８００℃にて１０〜３ｈ保持した後、炉冷し、空冷する球状化焼なまし工程と、を備えることが好ましい。

＜熱間加工工程＞
本発明の製造方法において、熱間加工工程では、初めに、Ｃ含有率が０．２５〜０．４５質量％である工具鋼用素材を用意する。具体的な素材としては、ＳＫＤ６１が挙げられる。

工具鋼用素材の大きさや形状は特に限定されない。例えば厚さが１５０〜７５０ｍｍ程度の板状のものであってよい。また、例えば断面直径が１５０〜７５０ｍｍ程度の丸棒であってもよい。

熱間加工工程では、上記のような工具鋼用素材について、その表面温度が１３００〜１０５０℃となるように加熱する。
ここで工具鋼用素材は、その表面だけではなく、その内部（部材の中心部分等）についても同程度の温度となるように加熱することが好ましい。

加熱方法は特に限定されない。例えば内部を１３００〜１０５０℃に調整した加熱炉内に工具用素材を載置して一定時間放置することで、表面温度が１３００〜１０５０℃である工具鋼用素材を得ることができる。

なお、本発明において、工具鋼用素材ならびに後述する熱間加工素材、水冷素材および空冷素材を含む各種素材等の表面温度は、従来公知の放射温度計を用いて測定して得た値を意味するものとする。

次に、加熱された工具鋼用素材を熱間加工する。
熱間加工には熱間鍛造、熱間圧延（熱延）が含まれる。
熱間鍛造として、具体的にはプレス機での据込みや鍛伸という加工が例示される。

熱間加工を施した後の工具鋼用素材の表面温度は１１００〜６００℃であり、１１００〜８００℃であることが好ましい。

このような熱間加工工程によって、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を得ることができる。
熱間加工素材の表面温度は７００℃以上であることが好ましい。
なお、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材の内部（部材の中心部分等）の温度は１２００〜８００℃程度であると推定される。

＜水冷工程＞
次に、本発明の製造方法における水冷工程について説明する。
水冷工程では、前述の熱間加工工程によって得られた表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を、６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で水冷する。

水冷方法は熱間加工素材を６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却するために、熱間加工素材を水中へ浸漬して水冷する。

冷却速度は、３０℃／ｍｉｎ以下であってよく、２０℃／ｍｉｎ以下であってよい。

冷却時間は、３〜１２０ｍｉｎである。適正な時間に対して冷却時間が短い場合、中心部で必要な冷却速度が得られないため、粒界炭化物が析出する。一方で、冷却時間が長い場合、焼割れが発生する。そのため、冷却時間は処理品の大きさによって変化させる必要がある。

このような水冷によって、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を得ることができる。水冷素材の表面温度は２５０〜１５０℃であることが好ましい。
なお、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材の内部（部材の中心部分等）の温度は３００〜８００℃程度であると推定される。
なお、水冷工程と空冷工程の間に、例えば、焼ならし等の中間熱処理工程を含んでも良い。

＜空冷工程＞
本発明の製造方法は、上記の熱間加工工程および水冷工程の次に、さらに空冷工程を備えることが好ましい。
次に、本発明の製造方法が備えることが好ましい空冷工程について説明する。
空冷工程では、前述の水冷工程によって得られた表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を空冷する。

空冷方法は特に限定されず、例えば従来公知の方法であってよい。例えば常温の室内に一定時間放置することで、水冷素材を空冷することができる。
水冷素材の空冷を始めると、当初、その表面温度は例えば２５０〜６００℃程度まで上昇するが、その後、下降して行く。

このような空冷によって、表面温度が２５０〜１００℃にまで下がった空冷素材を得ることができる。空冷素材の表面温度は２５０〜１５０℃であることが好ましい。
なお、表面温度が２５０〜１００℃である空冷素材の内部（部材の中心部分等）の温度は、表面温度と同程度であると推定される。

＜球状化焼なまし工程＞
本発明の製造方法は、上記の熱間加工工程、水冷工程および空冷工程の次に、さらに球状化焼なまし工程を備えることが好ましい。
次に、本発明の製造方法が備えることが好ましい球状化焼なまし工程について説明する。
球状化焼なまし工程では、前述の空冷工程によって得られた、表面温度が２５０〜１００℃である空冷素材に、球状化焼なまし処理を施す。
ここで球状化焼なまし処理は、空冷素材を１０００〜８００℃（好ましくは８５０〜９３０℃）にて１０〜３ｈ保持した後、炉冷し、空冷する処理であればよい。

ここで炉冷および空冷は、従来公知の球状化焼なまし処理における炉冷および空冷と同様の処理であってよい。
例えば炉冷は≦４５℃／ｈという処理であってよい。
例えば空冷は単純放冷という処理であってよい。

本発明の製造方法では、ネット状炭化物が生じ難い。これは、本発明の製造方法における水冷工程で、熱間加工素材を水中に浸漬することで６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で水冷することが主要因と考えられる。このような冷却速度で熱間素材を冷却すると、ネット状炭化物（粒界炭化物）が析出し難いと考えられ、その結果、耐衝撃性に優れる金型用工具鋼が得られると考えられる。
したがって、本発明の製造方法は、従来法による場合と同等以上に優れた耐衝撃性を有する工具鋼を製造することができるといえる。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において様々な変形が可能である。

＜実施例１＞
溶鋼を１０００ｋｇのインゴットに鋳込み、工具鋼用素材を得た。

また、この工具鋼用素材の組成は、表１の通りである。

このような工具鋼用素材を加熱炉内に裁置し、その表面温度が１２００℃なるように加熱した。そして、熱間鍛造（据込み）を行った。
その後、得られた熱間加工素材の表面温度を測定したところ、７５０℃であった。
なお、本実施例において素材等の表面温度は、放射温度計を用いて測定した。

次に、表面温度が７５０℃である熱間加工素材を水中へ浸漬して水冷した。ここで冷却速度は６℃／ｍｉｎとした。
そして、水中から取り出して得られた水冷素材の表面温度を測定したところ、２００℃であった。

次に、表面温度が２００℃である水冷素材を室内に放置することで空冷した。空冷中において、水冷素材の温度は上昇した後、下降していき、その後、表面温度は２５０〜１００℃となった。このような２５０〜１００℃となった表面温度となった素材を空冷素材とする。

次に、空冷素材を球状化焼なましに供した。具体的には８８０℃に調整した炉内に５ｈ裁置した後、炉冷し、空冷した。
このような処理によって、実施例１に係る金型用工具鋼を得た。別途、５種類の実施例２〜６について、実施例１と同様の試験を実施した。それらの合金組成を表１に示す。

＜比較例１＞
実施例１では熱間加工素材を水冷するときの冷却速度を６℃／ｍｉｎとしたが、比較例１では冷却速度を１℃／ｍｉｎとした。そして、それ以外は全て実施例１と同じ処理を施した。
このような処理によって、比較例１に係る金型用工具鋼を得た。

上記の実施例１に係る金型用工具鋼および比較例１に係る金型用工具鋼の各々について、表面に垂直に切断した。そして、腐食液（ナイタール）を用いてエッチングした後、光学顕微鏡を用いて断面を観察した。
また、シャルピー衝撃試験用の試験片を切り出し、シャルピー衝撃値を測定した。これらの試験結果を表１に示す。
光学顕微鏡を用いて得た断面写真を図１に例示する。図１（ａ）は実施例１に係る金型用工具鋼の拡大写真であり、図１（ｂ）は比較例１に係る金型用工具鋼の拡大写真である。

図１（ｂ）から明らかなように、比較例１に係る金型用工具鋼の場合、粒界析出が発生した。そして、その結果として、比較例１に係る金型用工具鋼のシャルピー衝撃値は１９Ｊ／ｃｍ²と低くなったと考えられる。
これに対して図１（ａ）から明らかなように、実施例１に係る金型用工具鋼の場合、粒界析出が発生しなかった。そして、その結果として、実施例１に係る金型用工具鋼のシャルピー衝撃値は４５Ｊ／ｃｍ²と高くなったと考えられる。
実施例２〜６に係る金型用工具鋼の場合のシャルピー衝撃値も、３６〜５５Ｊ／ｃｍ²と高くなった。

Claims

Ｃ：０．２５〜０．４５質量％を含有する工具鋼用素材を、表面温度が１３００〜１０５０℃となるように加熱した後、熱間加工を行い、表面温度が１１００〜６００℃である熱間加工素材を得る熱間加工工程と、
６℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で前記熱間加工素材を水中に浸漬する水冷をして、表面温度が４００〜１００℃である水冷素材を得る水冷工程と、
を備える、金型用工具鋼の製造方法。
さらに、前記水冷工程の後、
前記水冷素材を空冷して、表面温度が２５０〜１００℃にまで下がった空冷素材を得る空冷工程と、
前記空冷素材を１０００〜８００℃にて１０〜３ｈ保持した後、炉冷し、空冷する球状化焼なまし工程と、
を備える、請求項１に記載の金型用工具鋼の製造方法。