JP2022143564A

JP2022143564A - 軟化抵抗性と焼入性に優れた熱間工具鋼

Info

Publication number: JP2022143564A
Application number: JP2021044125A
Authority: JP
Inventors: 剛士難波; Takeshi Namba
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-10-03

Abstract

【課題】高い軟化抵抗性、焼入性、靭性を兼ね備えた熱間工具鋼の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３２～０．５０、Ｓｉ：０．２～１．２、Ｍｎ：０．３～１．０、Ｃｒ：３．８～５．５、Ｍｏ：１．３～２．３、Ｗ：０．５～２．３、Ｖ：０．１～０．８、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、かつ式Ａ（２．１６－１．５６Ｃ－０．０２Ｓｉ－０．４０Ｍｎ－０．２８Ｃｒ＋０．０２Ｍｏ－０．０２Ｗ＋０．２６Ｖ）の値が０．３６以下である鋼であって、さらに、焼入焼戻しされた状態で式Ｂ（３９．５６－１１．５４ＭＣ－５．１３Ｍ6Ｃ－２．６１Ｍ23Ｃ6）の値が１６．５以下である熱間工具鋼。【選択図】なし

Description

本発明は、熱間押出、熱間鍛造、鋳造、ダイカストなどの高温環境下で使用される金型用鋼に関する。

近年、自動車の軽量化を目的としたアルミ部品の高強度化により、金型への機械的及び熱的負荷が増大している。その結果、金型には摩耗・大割れなどの問題が生じやすくなっている。これらの問題に対応するため、金型材料には、軟化抵抗性・靭性に優れる材料が求められている。また、金型表面から中心まで十分な特性を得るために、優れた焼入性も求められる。

上述の問題に着目して、これまでにも金型用材料が提案されてきた。たとえば、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｎ：０．１～１．０％、Ｃｒ：４．５～５．４％、Ｍｏ：１．４～２．４％、Ｗ：１．０％以下、かつＭｏ＋Ｗ／２：１．７～２．４％、Ｖ：０．３０～０．７０％を含有し、さらに、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼が提案されている（特許文献１参照。）。この提案は、炭化物種、面積率の制御により軟化抵抗性を得ようとするものであって、高温でより安定な炭化物であるＭ₂Ｃについては、その全炭化物中におけるＭ₂Ｃの割合を面積率で１．０％以上としている点に特徴がある。

また、０．２５＜Ｃ＜０．４５、０．２９＜Ｓｉ＜０．４０、０．５２＜Ｍｎ＜０．９、５．９５＜Ｃｒ＜６．７９、１．２３＜Ｍｏ＜１．５１、０．４０＜Ｖ＜０．６０、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する熱間工具鋼が提案されている（特許文献２参照。）。この提案は、Ｃｒ量が過剰に添加されていることから、Ｃｒの過剰添加によって靭性、軟化抵抗性が低下する。

特開２０１７－１５５３０６号公報特開２０１４－０２５１０３号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い軟化抵抗性、焼入性、靭性を兼ね備えており、熱間鍛造、熱間押出、鋳造、ダイカストなどの高温環境下で使用される金型に適用可能な熱間工具鋼を提供することである。

発明者らは鋭意開発を進めた結果、請求項に示す合金成分、炭化物状態とすることで、高い軟化抵抗性、焼入性、靭性を兼備した熱間工具鋼が得られることを見出した。

すなわち、課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．３２～０．５０、Ｓｉ：０．２～１．２、Ｍｎ：０．３～１．０、Ｃｒ：３．８～５．５、Ｍｏ：１．３～２．３、Ｗ：０．５～２．３、Ｖ：０．１～０．８、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、かつ式Ａの値Ａが０．３６以下である鋼であって、さらに、焼入焼戻しされた状態で式Ｂの値Ｂが１６．５以下である、高軟化抵抗性・高焼入性・高靭性の熱間工具鋼である。
なお、式Ａ：Ａ＝２．１６－１．５６Ｃ－０．０２Ｓｉ－０．４０Ｍｎ－０．２８Ｃｒ＋０．０２Ｍｏ－０．０２Ｗ＋０．２６Ｖ、式Ｂ：Ｂ＝３９．５６－１１．５４ＭＣ－５．１３Ｍ₆Ｃ－２．６１Ｍ₂₃Ｃ₆である。式Ａ中の元素記号には当該成分の質量％の値を代入する。式Ｂ中の炭化物の記号ＭＣ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂₃Ｃ₆には、焼戻し後の観察面積あたりの当該炭化物の面積率の値（％）を代入する。

本発明の手段の熱間工具鋼は、焼入焼戻し後に６００℃で１００ｈ保持後の初期硬さからの低下量が１５．０ＨＲＣ以下となる高い軟化抵抗性を示し、上部臨界冷却速度が０．４℃／ｓ以下の優れた鋼焼入性を呈し、焼入焼戻し後の室温でのシャルピー衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ²以上となる高い靭性を示すものが得られる。

先ず、本願にかかる発明の実施の形態の記載に先立って、本発明の手段の熱間工具鋼に添加する化学成分を規定する理由、式Ａおよび式Ｂを規定する理由について説明する。なお、化学成分における％は質量％を示す。

Ｃ：０．３２～０．５０％
Ｃは、焼入性、焼もどし硬さ、および高温硬さを維持し、またＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖなどの炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、結晶粒の微細化効果、耐摩耗性、軟化抵抗を与える成分である。Ｃが０．３２％未満であると、十分な上記の特性が得られない。他方、Ｃが０．５０％を超えると、偏析を助長し、粗大な炭窒化物の晶出が生じやすくなり、靭性低下を招く。そこで、Ｃは０．３２～０．５０％とする。好ましくは、Ｃは０．３４～０．４７％である。

Ｓｉ０．２～１．２％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入性確保に必要な成分である。Ｓｉが０．２％未満であると十分な効果を発揮しない。Ｓｉが１．２％より多いと熱間加工性、靭性の低下を招く。そこでＳｉは０．２～１．２％とする。好ましくは、Ｓｉは０．３～１．０％である。

Ｍｎ：０．３～１．０％
Ｍｎは製鋼での脱酸効果、焼入れ性の確保に必要な成分である。Ｍｎが０．３％未満であると十分な効果を発揮しない。Ｍｎが１．０％より多いと靭性、被削性の低下を招く。そこで、Ｍｎは０．３～１．０％とする。好ましくは、Ｍｎは０．４～０．８％である。

Ｃｒ：３．８～５．５％
Ｃｒは焼入性、耐摩耗性の向上に必要な成分である。Ｃｒが３．８％未満では十分な焼入性が得られない。他方、Ｃｒを５．５％より多く添加すると、過度の添加により、Ｃｒ系の炭化物が過多に生じ、靭性、軟化抵抗性の低下を招く。そこで、Ｃｒは３．８～５．５％とする。好ましくは、Ｃｒは３．８～５．０％である。

Ｍｏ：１．３～２．３％
Ｍｏは二次硬化、耐摩耗性に寄与する析出炭化物を得るために有用な成分である。また、焼入れ時に未固溶となった微細な炭化物が結晶粒の粗大化を抑制する。Ｍｏが１．３％未満であると十分な効果が得られない。Ｍｏが２．３％より多いと、過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、炭化物が粗大凝集することにより靭性を低下させる。また、コスト高になる。そこで、Ｍｏは１．３～２．３％とする。好ましくは、Ｍｏは１．４～２．２％である。

Ｗ：０．５～２．３％
Ｗは二次硬化、耐摩耗性に寄与する析出炭化物を得るために有用な成分である。また、焼入れ時に未固溶となった微細な炭化物が結晶粒の粗大化を抑制する。Ｗが０．５％よりも少ないと十分な効果が得られない。Ｗが２．３％より多いと、過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、炭化物が粗大凝集することにより靭性を低下させる。また、コスト高になる。そこで、Ｗは０．５～２．３％である。好ましくは、Ｗは０．７～２．１％である。

Ｖ：０．１～０．８％
Ｖは焼戻時に微細で硬質な炭化物、炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する成分である。また、Ｖは焼入れ時には微細な炭化物・炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する成分である。Ｖが０．１％より少ないとこれらの効果が十分には得られない。Ｖが０．８％より多いと、凝固時に粗大な晶出物を生成し、靭性を阻害する。そこでＶは０．１～０．８％である。好ましくは、Ｖは０．１５～０．７５％である。

式Ａ：Ａ＝２．１６－１．５６Ｃ－０．０２Ｓｉ－０．４０Ｍｎ－０．２８Ｃｒ＋０．０２Ｍｏ－０．０２Ｗ＋０．２６Ｖ
Ａ：０．３６以下
式Ａは、焼入れ性の観点に基づいてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの成分に基づく焼入れ性の指標である。なお、式Ａ中の元素記号は当該成分の質量％の値を代入する。式Ａの値が０．３６以下であることが焼入れ性の確保には必要であり、０．３６を超えると、必要な焼入性を確保できないこととなる。

式Ｂ：Ｂ＝３９．５６－１１．５４ＭＣ－５．１３Ｍ₆Ｃ－２．６１Ｍ₂₃Ｃ₆
Ｂ：１６．５以下
この式Ｂは軟化抵抗性の指標となる。軟化抵抗性を得るには、式Ｂの値が１６．５以下であることが必要であって、１６．５を超えると、必要な軟化抵抗性を確保できないこととなる。なお、式Ｂ中のＭＣ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂₃Ｃ₆は、焼戻し時の二次炭化物の面積率のことであるから、観察面積あたりの該当する各炭化物の面積率の値（％）を代入する。

（実施例）
まず、表１の発明鋼１～１４及び比較鋼１５～３０に記載の化学成分と残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、１００ｋｇの鋼塊を得た後、これらを幅６５ｍｍ、高さ３０ｍｍのブロックに熱間鍛伸した。

なお、表１の化学成分の残部はＦｅと不可避的不純物である。また、表１のＶの比較鋼Ｎｏ．２７の「－」は、不可避不純物として０．０１％未満含有するにすぎないことを意味する。また表１の化学成分に示された下線は、本発明の規定する範囲外であることを意味する。

次に、これらの鍛伸材を８７０℃で焼なまし後、表面と中心の中間位置から直径２０ｍｍ、長さ１６０ｍｍの丸棒を採取した。この丸棒を１０３０℃に保持した後、空冷によって焼入れを行ない、５７０～６７０℃で２回焼戻しを行った後、析出炭化物種の同定、靭性、軟化抵抗性の調査を実施した。焼入性の評価は鍛伸材の残りの箇所から直径４ｍｍ×１０ｍｍの変態点測定用試験片を作製し、調査を実施した。

（炭化物の面積率について）
炭化物観察用の試験片は、焼入焼戻し後の試料の鍛伸方向に平行な面を研磨し、抽出レプリカ法により作成した。この試験片を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の明視野像を用いて、総面積５００μｍ²の領域において観察した。ＭＣ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂₃Ｃ₆などの炭化物種は、電子線回折の結果と炭化物の形状から判断した。撮影した写真を画像解析し、観察面積あたりの各種炭化物の面積率を百分率で算出した。各種炭化物の面積率は表１に％で示した。

（靭性について、シャルピー衝撃値：１５Ｊ／ｃｍ²以上）
靭性は、室温でのシャルピー衝撃試験により評価を実施した。試験片は、焼入焼戻し後の試料から作製した。試験片形状は２ｍｍＵノッチシャルピー試験片であり、ノッチ方向は鍛伸方向に対して垂直な方向とした。表１には、衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ²以上であれば靭性が良好として〇で示し、１５Ｊ／ｃｍ²未満であれば靭性に劣るものとして×で示した。

（軟化抵抗性について、ロックウェル硬さ：初期と焼入焼戻し後との硬さの差が１５ＨＲＣ以下）
軟化抵抗性は、焼入焼戻し後の試料を６００℃で１００時間保持、空冷した後、室温での硬さをロックウェル硬さ試験機で測定することで評価した。初期の調質硬さと試験後の硬さの差が１５ＨＲＣ以下であれば、表１に軟化抵抗性に優れるものとして〇で示し、１５ＨＲＣ以上の差が生じた場合は軟化抵抗性に劣るものとして×で示した。

（焼入性）
焼入性は、１０３０℃からの冷却速度を変化させた実験後の組織観察結果から臨界冷却速（Ｂｓ）を測定することで評価した。臨界冷却速度が０．４℃／ｓ以下であれば焼入性に優れるものとして〇で示した。臨界冷却速度が０．４℃／ｓを超える場合は焼入性に劣るものとして×で示した。

本発明鋼Ｎｏ．１～１４は、表１に示すように、いずれも化学成分の規定範囲を満たし、式Ａの値及び式Ｂの値を満足するものであって、靭性、焼入性、軟化抵抗性のいずれの項目も○で、優れた評価となるなど、高い軟化抵抗性、焼入性、靭性を兼備した熱間工具鋼が得られた。

比較鋼Ｎｏ．１５は、Ｃ量が過少であり、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．１６は、Ｃ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．１７は、Ｓｉ量が過少であり、式Ａの値が超過していたため、十分な焼入性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．１８は、Ｓｉ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．１９は、Ｍｎ量が過少であり、式Ａの値が超過していたため、十分な焼入性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２０は、Ｍｎ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．２１は、Ｃｒ量が過少であり、式Ａの値が超過していたため、十分な焼入性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２２は、Ｃｒ量が過剰であり、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２３は、Ｍｏ量が過少であり、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２４は、Ｍｏ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．２５は、Ｗ量が過少であり、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２６は、Ｗ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．２７は、Ｖ量が過少であり、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．２８は、Ｖ量が過剰であり、靭性が低下した。
比較鋼Ｎｏ．２９は、成分組成は本発明の範囲を満たしているものの、式Ａの値が超過していたため、十分な焼入性が得られなかった。
比較鋼Ｎｏ．３０は、成分組成は本発明の範囲を満たしているものの、式Ｂの値が超過していたため、十分な軟化抵抗性が得られなかった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３２～０．５０、Ｓｉ：０．２～１．２、Ｍｎ：０．３～１．０、Ｃｒ：３．８～５．５、Ｍｏ：１．３～２．３、Ｗ：０．５～２．３、Ｖ：０．１～０．８、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、かつ式Ａの値Ａが０．３６以下である鋼であって、さらに、焼入焼戻しされた状態で式Ｂの値Ｂが１６．５以下である、高軟化抵抗性・高焼入性・高靭性の熱間工具鋼。
なお、式Ａ：Ａ＝２．１６－１．５６Ｃ－０．０２Ｓｉ－０．４０Ｍｎ－０．２８Ｃｒ＋０．０２Ｍｏ－０．０２Ｗ＋０．２６Ｖ、式Ｂ：Ｂ＝３９．５６－１１．５４ＭＣ－５．１３Ｍ₆Ｃ－２．６１Ｍ₂₃Ｃ₆である。また、式Ａ中の元素記号には当該成分の質量％の値を代入する。また、式Ｂ中の炭化物の記号ＭＣ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂₃Ｃ₆には、焼戻し後の観察面積あたりの当該炭化物の面積率の値（％）を代入する。