JP2022182485A - 耐食性に優れた工具鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐食性、耐摩耗性及び靱性に優れた工具鋼の提供。【解決手段】工具鋼は、Ｃ：２．０質量％以上３．０質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：１５．０質量％以上３０．０質量％以下、Ｍｏ：２．０質量％以下、Ｗ：４．０質量％以下、Ｖ：３．０質量％以上８．０質量％以下、Ｎｂ：３．０質量％以下、Ｃｕ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下Ｎ：０以上０．１００質量％以下、並びにＰ及び／又はＳ：合計で０質量％以上０．１００質量％以下を含有する。この工具鋼は、下記数式を満たす。この工具鋼における、残留オーステナイト相の体積率Ｐγは、３０％以下である。【選択図】なし
Description
本発明は、耐食性、耐摩耗性及び高靱性が要求される用途に適した、工具鋼に関する。
金型に、工具鋼が用いられている。工具鋼は、耐摩耗性及び靱性に優れる。しかし、一般的な工具鋼は、耐食性に劣る。耐食性が要求される用途には、工具鋼に代えて、マルテンサイト系ステンレス鋼が採用されることがある。
特開平９－２９１３４６号公報にはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂを含有する工具鋼が開示されている。この合金は、耐摩耗性及び靱性に優れる。この合金はさらに、耐食性にも優れる。
特開平９－２９１３４６号公報に開示された工具鋼が、弱酸が存在する環境下で使用されると、腐食が発生する。この工具鋼の耐食性には、改善の余地がある。
本発明の目的は、耐食性、耐摩耗性及び靱性に優れた工具鋼の提供にある。
本発明に係る工具鋼は、
Ｃ：２．０質量％以上３．０質量％以下、
Ｓｉ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｃｒ：１５．０質量％以上３０．０質量％以下、
Ｍｏ：２．０質量％以下、
Ｗ：４．０質量％以下、
Ｖ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｃｕ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下、
Ｎ：０質量％以上０．１００質量％以下、
並びに
Ｐ及び／又はＳ：合計で０質量％以上０．１００以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この工具鋼は、下記数式（１）、（２）及び（３）を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ ２．０ （１）
３．０ ≦ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％ ≦ ８．０ （２）
Ｐγ ≦ ３０ （３）
これらの数式において、Ｍｏ％はＭｏの質量含有率を表し、Ｗ％はＷの質量含有率を表し、Ｖ％はＶの質量含有率を表し、Ｎｂ％はＮｂの質量含有率を表し、Ｐγは焼入れ及び焼戻しの後の残留オーステナイト相の体積率（体積％）を表す。
Ｃ：２．０質量％以上３．０質量％以下、
Ｓｉ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
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を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この工具鋼は、下記数式（１）、（２）及び（３）を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ ２．０ （１）
３．０ ≦ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％ ≦ ８．０ （２）
Ｐγ ≦ ３０ （３）
これらの数式において、Ｍｏ％はＭｏの質量含有率を表し、Ｗ％はＷの質量含有率を表し、Ｖ％はＶの質量含有率を表し、Ｎｂ％はＮｂの質量含有率を表し、Ｐγは焼入れ及び焼戻しの後の残留オーステナイト相の体積率（体積％）を表す。
好ましくは、工具鋼は、下記数式（４）を満たす。
２０ ≦ Ｐγ ／ Ｃｕ％ ≦ １０００ （４）
この数式において、Ｃｕ％はＣｕの質量含有率を表す。
２０ ≦ Ｐγ ／ Ｃｕ％ ≦ １０００ （４）
この数式において、Ｃｕ％はＣｕの質量含有率を表す。
好ましくは、Ｎの含有率は、０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である。好ましくは、Ｐ及びＳの合計の含有率は、０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である。
本発明に係る工具鋼は、耐食性、耐摩耗性及び高靱性が要求される用途に適している。
本発明に係る工具鋼は、溶製法、粉末冶金法等によって得られうる。典型的には、この工具鋼は、粉末の焼結によって得られる。換言すれば、この合金は、焼結体である。粉末は、典型的にはアトマイズによって得られる。この工具鋼は、熱処理を経て得られる。典型的な熱処理は、焼入れ及び焼戻しである。この工具鋼は、所定量の添加元素を含む。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避不純物である。以下、この工具鋼における各元素の役割が詳説される。
［炭素（Ｃ）］
Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶する。Ｃは、焼戻しによってマトリックスから析出する。さらにＣは、他の元素と結合して炭化物を形成する。従ってＣは、工具鋼の耐摩耗性及び強度に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．１質量％以上がより好ましく、２．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。過剰のＣはさらに、工具鋼の耐食性を阻害する。靱性及び耐食性の観点から、Ｃの含有率は３．０質量％以下が好ましく、２．８質量％以下がより好ましく、２．６質量％以下が特に好ましい。
Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶する。Ｃは、焼戻しによってマトリックスから析出する。さらにＣは、他の元素と結合して炭化物を形成する。従ってＣは、工具鋼の耐摩耗性及び強度に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．１質量％以上がより好ましく、２．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。過剰のＣはさらに、工具鋼の耐食性を阻害する。靱性及び耐食性の観点から、Ｃの含有率は３．０質量％以下が好ましく、２．８質量％以下がより好ましく、２．６質量％以下が特に好ましい。
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉはさらに、工具鋼の固溶強化にも寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、工具鋼の加工性を阻害する。加工性の観点から、Ｓｉの含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がより好ましく、１．０質量％以下が特に好ましい。
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉはさらに、工具鋼の固溶強化にも寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、工具鋼の加工性を阻害する。加工性の観点から、Ｓｉの含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がより好ましく、１．０質量％以下が特に好ましい。
［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎはさらに、工具鋼の熱処理特性を高める。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上がより好ましく、０．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がより好ましく、１．０質量％以下が特に好ましい。
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎはさらに、工具鋼の熱処理特性を高める。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上がより好ましく、０．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がより好ましく、１．０質量％以下が特に好ましい。
［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、炭化物を形成する。この炭化物は、工具鋼の耐摩耗性に寄与する。さらにＣｒは、工具鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は１５．０質量％以上が好ましく、１６．０質量％以上がより好ましく、１７．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｒの含有率は３０．０質量％以下が好ましく、２５．０質量％以下がより好ましく、２０．０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｒは、炭化物を形成する。この炭化物は、工具鋼の耐摩耗性に寄与する。さらにＣｒは、工具鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は１５．０質量％以上が好ましく、１６．０質量％以上がより好ましく、１７．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｒの含有率は３０．０質量％以下が好ましく、２５．０質量％以下がより好ましく、２０．０質量％以下が特に好ましい。
［モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）］
Ｍｏ及びＷは、工具鋼において、微細な炭化物Ｍ６Ｃ（ＭはＭｏ及び又はＷ）を形成する。この炭化物は、工具鋼の強度及び耐摩耗性に寄与する。強度及び耐摩耗性に関するＷの効果は、Ｍｏのそれと比べて約半分である。従って本発明では、下記数式によって、Ｍｏ及びＷの含有率の当量Ｅ１が算出される。
Ｅ１ ＝ Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％
この数式において、Ｍｏ％はＭｏの質量含有率を表し、Ｗ％はＷの質量含有率を表す。強度及び耐摩耗性の観点から、当量Ｅ１は０．２質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏ及びＷは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。この観点から、当量Ｅ１は２．０質量％以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（１）を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ ２．０ （１）
この当量Ｅ１は、１．５質量％以下がより好ましい。換言すれば、より好ましくは、工具鋼は下記の数式を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ １．５
この当量Ｅ１は、１．０質量％以下が特に好ましい。換言すれば、特に好ましくは、工具鋼は下記の数式を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ １．０
上記数式（１）を満たす観点から、Ｍｏの含有率は２．０質量％以下が好ましく、そして、Ｗの含有率は４．０質量％以下が好ましい。
Ｍｏ及びＷは、工具鋼において、微細な炭化物Ｍ６Ｃ（ＭはＭｏ及び又はＷ）を形成する。この炭化物は、工具鋼の強度及び耐摩耗性に寄与する。強度及び耐摩耗性に関するＷの効果は、Ｍｏのそれと比べて約半分である。従って本発明では、下記数式によって、Ｍｏ及びＷの含有率の当量Ｅ１が算出される。
Ｅ１ ＝ Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％
この数式において、Ｍｏ％はＭｏの質量含有率を表し、Ｗ％はＷの質量含有率を表す。強度及び耐摩耗性の観点から、当量Ｅ１は０．２質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏ及びＷは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。この観点から、当量Ｅ１は２．０質量％以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（１）を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ ２．０ （１）
この当量Ｅ１は、１．５質量％以下がより好ましい。換言すれば、より好ましくは、工具鋼は下記の数式を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ １．５
この当量Ｅ１は、１．０質量％以下が特に好ましい。換言すれば、特に好ましくは、工具鋼は下記の数式を満たす。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ １．０
上記数式（１）を満たす観点から、Ｍｏの含有率は２．０質量％以下が好ましく、そして、Ｗの含有率は４．０質量％以下が好ましい。
［バナジウム（Ｖ）］
Ｖは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＶは、工具鋼において微細な炭化物ＶＣとして存在する。この炭化物は、工具鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は３．０質量％以上が好ましく、３．５質量％以上がより好ましく、４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｖの含有率は８．０質量％以下が好ましく、７．０質量％以下がより好ましく、６．０質量％以下が特に好ましい。
Ｖは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＶは、工具鋼において微細な炭化物ＶＣとして存在する。この炭化物は、工具鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は３．０質量％以上が好ましく、３．５質量％以上がより好ましく、４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは過大な炭化物の析出を招来し、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｖの含有率は８．０質量％以下が好ましく、７．０質量％以下がより好ましく、６．０質量％以下が特に好ましい。
［ニオブ（Ｎｂ）］
Ｎｂは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＮｂは、工具鋼において微細な炭化物ＮｂＣとして存在する。この炭化物は、工具鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。過剰のＮｂは過大な炭化物ＮｂＣの析出を招来する。工具鋼において、炭化物ＮｂＣは炭化物ＶＣよりも粗大になる傾向がある。この炭化物ＮｂＣは、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｂの含有率は３．０質量％以下が好ましい。
Ｎｂは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＮｂは、工具鋼において微細な炭化物ＮｂＣとして存在する。この炭化物は、工具鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。過剰のＮｂは過大な炭化物ＮｂＣの析出を招来する。工具鋼において、炭化物ＮｂＣは炭化物ＶＣよりも粗大になる傾向がある。この炭化物ＮｂＣは、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｂの含有率は３．０質量％以下が好ましい。
［Ｖ及びＮｂ］
前述の通り、Ｎｂ及びＶは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。一方、過剰のＶ及び過剰のＮｂは、工具鋼の靱性を阻害する。粗大化抑制及び靱性に関するＮｂの効果は、Ｖのそれと比べて約半分である。従って本発明では、下記数式によって、Ｖ及びＮｂの含有率の当量Ｅ２が算出される。
Ｅ２ ＝ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％
この数式において、Ｖ％はＶの質量含有率を表し、Ｎｂ％はＮｂの質量含有率を表す。結晶粒の粗大化の抑制の観点から、当量Ｅ２は３．０質量％以上が好ましい。靱性の観点から、当量Ｅ２は８．０質量％以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（２）を満たす。
３．０ ≦ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％ ≦ ８．０ （２）
この当量Ｅ２は、３．５質量％以上がより好ましく、４．０質量％以上が特に好ましい。この当量Ｅ２は、７．０質量％以下がより好ましく、６．０質量％以下が特に好ましい。
前述の通り、Ｎｂ及びＶは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。一方、過剰のＶ及び過剰のＮｂは、工具鋼の靱性を阻害する。粗大化抑制及び靱性に関するＮｂの効果は、Ｖのそれと比べて約半分である。従って本発明では、下記数式によって、Ｖ及びＮｂの含有率の当量Ｅ２が算出される。
Ｅ２ ＝ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％
この数式において、Ｖ％はＶの質量含有率を表し、Ｎｂ％はＮｂの質量含有率を表す。結晶粒の粗大化の抑制の観点から、当量Ｅ２は３．０質量％以上が好ましい。靱性の観点から、当量Ｅ２は８．０質量％以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（２）を満たす。
３．０ ≦ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％ ≦ ８．０ （２）
この当量Ｅ２は、３．５質量％以上がより好ましく、４．０質量％以上が特に好ましい。この当量Ｅ２は、７．０質量％以下がより好ましく、６．０質量％以下が特に好ましい。
［銅（Ｃｕ）］
本発明に係る工具鋼においてＣｕは、極めて重要な添加元素である。本発明者が得た知見によれば、Ｃｕは、リン酸等の弱酸が存在する環境における、工具鋼の耐食性に寄与しうる。耐食性の観点から、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０２質量％以上がより好ましく、０．０３質量％以上が特に好ましい。Ｃｕは、オーステナイト安定元素である。この工具鋼における過剰のＣｕは、焼入れ及び焼戻しの後のオーステナイト相の、過剰の残留を招来する。過剰の残留オーステナイト相は、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｕの含有率は０．１５質量％以下が好ましく、０．１０質量％以下がより好ましく、０．０７質量％以下が特に好ましい。
本発明に係る工具鋼においてＣｕは、極めて重要な添加元素である。本発明者が得た知見によれば、Ｃｕは、リン酸等の弱酸が存在する環境における、工具鋼の耐食性に寄与しうる。耐食性の観点から、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０２質量％以上がより好ましく、０．０３質量％以上が特に好ましい。Ｃｕは、オーステナイト安定元素である。この工具鋼における過剰のＣｕは、焼入れ及び焼戻しの後のオーステナイト相の、過剰の残留を招来する。過剰の残留オーステナイト相は、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｕの含有率は０．１５質量％以下が好ましく、０．１０質量％以下がより好ましく、０．０７質量％以下が特に好ましい。
［鉄（Ｆｅ）］
工具鋼の主成分は、Ｆｅである。従ってこの合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は６０質量％以上が好ましく、６５質量％以上がより好ましく、７０質量％以上が特に好ましい。
工具鋼の主成分は、Ｆｅである。従ってこの合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は６０質量％以上が好ましく、６５質量％以上がより好ましく、７０質量％以上が特に好ましい。
［窒素（Ｎ）］
Ｎは、炭化物及び窒化物の粗大化を招く。粗大な炭化物及び窒化物は、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量は０．１００質量％以下が好ましく、ゼロであることが特に好ましい。なお、不可避的不純物としてのＮの含有は、許容されうる。一方でＮは、Ｃｕとの相乗効果で、弱酸が存在する環境下での耐食性に寄与する。耐食性の観点からは、Ｎの含有率は０．００５質量％以上が好ましく、０．０１０質量％以上がより好ましく、０．０１５質量％以上が特に好ましい。
Ｎは、炭化物及び窒化物の粗大化を招く。粗大な炭化物及び窒化物は、工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量は０．１００質量％以下が好ましく、ゼロであることが特に好ましい。なお、不可避的不純物としてのＮの含有は、許容されうる。一方でＮは、Ｃｕとの相乗効果で、弱酸が存在する環境下での耐食性に寄与する。耐食性の観点からは、Ｎの含有率は０．００５質量％以上が好ましく、０．０１０質量％以上がより好ましく、０．０１５質量％以上が特に好ましい。
［硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）］
Ｓ及びＰは、工具鋼の強度を阻害する。強度の観点から、Ｓ及びＰの合計含有率は０．１００質量％以下が好ましく、ゼロであることが特に好ましい。なお、不可避的不純物としてのＳ及びＰの含有は、許容されうる。一方でＳ及びＰは、Ｃｕとの相乗効果で、弱酸が存在する環境下での耐食性に寄与する。耐食性の観点からは、Ｓ及びＰの合計含有率は０．００５質量％以上が好ましく、０．０１０質量％以上がより好ましく、０．０１５質量％以上が特に好ましい。工具鋼が、Ｓのみを含有してもよく、Ｐのみを含有してもよく、Ｓ及びＰの両方を含有してもよい。
Ｓ及びＰは、工具鋼の強度を阻害する。強度の観点から、Ｓ及びＰの合計含有率は０．１００質量％以下が好ましく、ゼロであることが特に好ましい。なお、不可避的不純物としてのＳ及びＰの含有は、許容されうる。一方でＳ及びＰは、Ｃｕとの相乗効果で、弱酸が存在する環境下での耐食性に寄与する。耐食性の観点からは、Ｓ及びＰの合計含有率は０．００５質量％以上が好ましく、０．０１０質量％以上がより好ましく、０．０１５質量％以上が特に好ましい。工具鋼が、Ｓのみを含有してもよく、Ｐのみを含有してもよく、Ｓ及びＰの両方を含有してもよい。
［金属組織］
この工具鋼の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含んでいる。マトリックスの主要元素は、Ｆｅである。マトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。金属炭化物は、Ｃと、Ｆｅ又は他の元素との化合物である。金属炭化物として、Ｆｅ３Ｃ、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃ及びＭＣが例示される。ここでＭは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂから選択された１種又は２種以上の元素を表す。
この工具鋼の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含んでいる。マトリックスの主要元素は、Ｆｅである。マトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。金属炭化物は、Ｃと、Ｆｅ又は他の元素との化合物である。金属炭化物として、Ｆｅ３Ｃ、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃ及びＭＣが例示される。ここでＭは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂから選択された１種又は２種以上の元素を表す。
［残留オーステナイト相］
前述の通り、工具鋼は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。焼入れにおいて高温下に保持された状態にある合金では、組織はオーステナイトである。焼入れの冷却により、オーステナイトの多くはマルテンサイトに変態する。一部のオーステナイトは、冷却後も残留する。残留オーステナイトは、焼戻しによってマルテンサイトに変態する。この変態によって、二次硬化が生じる。本発明に係る工具鋼は、オーステナイト安定元素であるＣｕを含むので、焼戻し後もオーステナイトが残留しうる。残留オーステナイトは、一般的には、靱性に寄与しうる。本発明では、過剰の残留オーステナイトは、かえって工具鋼の靱性を阻害する。残留オーステナイト相の適切な体積率が得られうる熱処理条件が選定されることが、靱性の観点から好ましい。焼戻し後の残留オーステナイト相の率Ｐγは３０体積％以下が好ましい。換言すれば、工具鋼が下記数式（３）を満たすことが好ましい。
Ｐγ ≦ ３０ （３）
この率Ｐγは２７体積％以下がより好ましく、２５体積％以下が特に好ましい。
前述の通り、工具鋼は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。焼入れにおいて高温下に保持された状態にある合金では、組織はオーステナイトである。焼入れの冷却により、オーステナイトの多くはマルテンサイトに変態する。一部のオーステナイトは、冷却後も残留する。残留オーステナイトは、焼戻しによってマルテンサイトに変態する。この変態によって、二次硬化が生じる。本発明に係る工具鋼は、オーステナイト安定元素であるＣｕを含むので、焼戻し後もオーステナイトが残留しうる。残留オーステナイトは、一般的には、靱性に寄与しうる。本発明では、過剰の残留オーステナイトは、かえって工具鋼の靱性を阻害する。残留オーステナイト相の適切な体積率が得られうる熱処理条件が選定されることが、靱性の観点から好ましい。焼戻し後の残留オーステナイト相の率Ｐγは３０体積％以下が好ましい。換言すれば、工具鋼が下記数式（３）を満たすことが好ましい。
Ｐγ ≦ ３０ （３）
この率Ｐγは２７体積％以下がより好ましく、２５体積％以下が特に好ましい。
残留オーステナイト相の率Ｐγは、Ｘ線回折によって測定される。測定のための典型的な装置は、株式会社リガクのＸ線応力測定装置「ＰＳＰＣ－ＭＳＦ－３Ｍ」である。
本発明では、下記の数式により、比Ｒ１が算出される。
Ｒ１ ＝ Ｐγ ／ Ｃｕ％
この数式において、Ｐγは焼入れ及び焼戻しの後の残留オーステナイト相の体積率（体積％）を表し、Ｃｕ％はＣｕの質量含有率を表す。比Ｒ１は、２０以上１０００以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（４）を満たす。
２０ ≦ Ｐγ ／ Ｃｕ％ ≦ １０００ （４）
本発明者が得た知見によれば、この比Ｒ１が２０以上１０００以下である工具鋼は、耐食性と靱性とのバランスに優れる。この観点から、この比Ｒ１は５０以上８００以下がより好ましく、１００以上５００以下が特に好ましい。
Ｒ１ ＝ Ｐγ ／ Ｃｕ％
この数式において、Ｐγは焼入れ及び焼戻しの後の残留オーステナイト相の体積率（体積％）を表し、Ｃｕ％はＣｕの質量含有率を表す。比Ｒ１は、２０以上１０００以下が好ましい。換言すれば、好ましい工具鋼は、下記の数式（４）を満たす。
２０ ≦ Ｐγ ／ Ｃｕ％ ≦ １０００ （４）
本発明者が得た知見によれば、この比Ｒ１が２０以上１０００以下である工具鋼は、耐食性と靱性とのバランスに優れる。この観点から、この比Ｒ１は５０以上８００以下がより好ましく、１００以上５００以下が特に好ましい。
合金の組成の調整により、好ましい比Ｒ１が達成されうる。適正な熱処理条件により、好ましい比Ｒ１が達成されうる。例えば、焼入れ温度、焼入れ時間、焼戻し温度、焼戻し時間、焼戻し回数等の調整により、好ましい比Ｒ１が達成されうる。
［粉末冶金法］
本発明に係る工具鋼は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この金属粉末が密閉容器に充填され、高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる。熱間等方加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから２００ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。この成形体に、熱間加工が施される。さらにこの成形体に熱処理が施され、工具鋼が得られる。典型的な熱処理は、「焼なまし－焼入れ－焼戻し」である。これらの熱処理により、好ましい金属炭化物が析出する。これらの熱処理により、好ましい比率Ｐγが達成されうる。
本発明に係る工具鋼は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この金属粉末が密閉容器に充填され、高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる。熱間等方加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから２００ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。この成形体に、熱間加工が施される。さらにこの成形体に熱処理が施され、工具鋼が得られる。典型的な熱処理は、「焼なまし－焼入れ－焼戻し」である。これらの熱処理により、好ましい金属炭化物が析出する。これらの熱処理により、好ましい比率Ｐγが達成されうる。
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
［実施例１］
溶湯にアトマイズを施して、金属粉末を得た。この金属粉末を、円筒状のスチール缶に充填した。このスチール缶を密閉し、さらにこのスチール缶に真空脱気を施した。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が２００ＭＰａであり温度が９５０℃である条件で、熱間等方加圧を行って、成形体を得た。この成形体に鍛造、圧延、熱間押出及び焼なましを施して、直径が７０ｍｍである丸棒を得た。この丸棒から、摩耗試験用試験片、浸漬試験片及び衝撃試験用試験片を切り出した。これらの試験片に約１１５０℃の焼入れを施し、さらに３時間の焼戻しを１回施した。なお、工具鋼において６２ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下の硬度が達成されうるように、焼戻し温度を調整した（焼戻し温度の範囲は５００－６００℃であった）。この工具鋼の組成が、下記の表１に示されている。この工具鋼は、表１に示された元素以外に、不可避的不純物を含んでいる。
溶湯にアトマイズを施して、金属粉末を得た。この金属粉末を、円筒状のスチール缶に充填した。このスチール缶を密閉し、さらにこのスチール缶に真空脱気を施した。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が２００ＭＰａであり温度が９５０℃である条件で、熱間等方加圧を行って、成形体を得た。この成形体に鍛造、圧延、熱間押出及び焼なましを施して、直径が７０ｍｍである丸棒を得た。この丸棒から、摩耗試験用試験片、浸漬試験片及び衝撃試験用試験片を切り出した。これらの試験片に約１１５０℃の焼入れを施し、さらに３時間の焼戻しを１回施した。なお、工具鋼において６２ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下の硬度が達成されうるように、焼戻し温度を調整した（焼戻し温度の範囲は５００－６００℃であった）。この工具鋼の組成が、下記の表１に示されている。この工具鋼は、表１に示された元素以外に、不可避的不純物を含んでいる。
［実施例２－１７及び比較例１－８］
下記の表１及び２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－１７及び比較例１－８の工具鋼を得た。
下記の表１及び２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－１７及び比較例１－８の工具鋼を得た。
［摩耗試験］
直径が３０ｍｍであり、厚さが１０ｍｍである試験片を、西原式摩耗試験機にセットした。下記の条件で、水道水を含む環境下での摩耗量を測定した。
相手材：ＳＵＪ２（直径：３０ｍｍ、厚さ：６ｍｍ）
荷重：８８２Ｎ
回転速度：８６０ｒｐｍ
潤滑：滴下水道水（１０ｃｍ３／ｍｉｎ）
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
直径が３０ｍｍであり、厚さが１０ｍｍである試験片を、西原式摩耗試験機にセットした。下記の条件で、水道水を含む環境下での摩耗量を測定した。
相手材：ＳＵＪ２（直径：３０ｍｍ、厚さ：６ｍｍ）
荷重：８８２Ｎ
回転速度：８６０ｒｐｍ
潤滑：滴下水道水（１０ｃｍ３／ｍｉｎ）
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［浸漬試験］
縦、横及び高さがそれぞれ２０ｍｍである試験片を、リン酸水溶液に浸漬し、腐食減量を測定した。条件は、以下の通りである。
リン酸水溶液の濃度：０．０３３ｍｏｌ／Ｌ（計算上の水素イオン濃度：０．１ｍｏｌ／Ｌ）
ｐＨ：１．５
温度：２５℃
時間：１時間
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
縦、横及び高さがそれぞれ２０ｍｍである試験片を、リン酸水溶液に浸漬し、腐食減量を測定した。条件は、以下の通りである。
リン酸水溶液の濃度：０．０３３ｍｏｌ／Ｌ（計算上の水素イオン濃度：０．１ｍｏｌ／Ｌ）
ｐＨ：１．５
温度：２５℃
時間：１時間
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［衝撃試験］
縦が１０ｍｍであり、横が１０ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を用意した。この試験片は、ノッチを有する。ノッチのサイズは「１０Ｒ、２ｍｍＣ」である。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５」の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を施し、衝撃値を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
縦が１０ｍｍであり、横が１０ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を用意した。この試験片は、ノッチを有する。ノッチのサイズは「１０Ｒ、２ｍｍＣ」である。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５」の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を施し、衝撃値を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［総合評価］
下記の基準に基づいて、各工具鋼を格付けした。
Ａ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が１ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｂ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が１ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｃ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｄ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１４Ｊ／ｃｍ２より大
Ｆ：合金が、下記の（１）から（３）のうちの少なくとも１つを満たさない。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満であること、
（２）腐食減量が１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満であること
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
下記の基準に基づいて、各工具鋼を格付けした。
Ａ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が１ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｂ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が１ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｃ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
Ｄ：合金が、下記の（１）から（３）を満たす。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満
（２）腐食減量が５ｇ／（ｍ２・ｈｒ）以上１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満
（３）衝撃値が１４Ｊ／ｃｍ２より大
Ｆ：合金が、下記の（１）から（３）のうちの少なくとも１つを満たさない。
（１）摩耗量が３０ｍｇ未満であること、
（２）腐食減量が１０ｇ／（ｍ２・ｈｒ）未満であること
（３）衝撃値が１６Ｊ／ｃｍ２より大
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
表３及び４における評価項目の単位は、以下の通りである。
摩擦量：ｍｇ
腐食減量：ｇ／（ｍ２・ｈｒ）
衝撃値：Ｊ／ｃｍ２
摩擦量：ｍｇ
腐食減量：ｇ／（ｍ２・ｈｒ）
衝撃値：Ｊ／ｃｍ２
表３及び４に示されるように、各実施例の工具鋼は、全ての評価項目において優れている。以上の評価結果から、本発明の優位性は明らかである。
本発明に係る工具鋼は、金型、射出成形機、口金、パンチ、手工具、機械工具、刃物等の、種々の用途に用いられうる。
Claims (4)
- Ｃ：２．０質量％以上３．０質量％以下、
Ｓｉ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、
Ｃｒ：１５．０質量％以上３０．０質量％以下、
Ｍｏ：２．０質量％以下、
Ｗ：４．０質量％以下、
Ｖ：３．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｎｂ：３．０質量％以下、
Ｃｕ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下、
Ｎ：０質量％以上０．１００質量％以下、
並びに
Ｐ及び／又はＳ：合計で０質量％以上０．１００以下
を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
下記数式（１）、（２）及び（３）を満たす工具鋼。
Ｍｏ％ ＋ ０．５ ＊ Ｗ％ ≦ ２．０ （１）
３．０ ≦ Ｖ％ ＋ ０．５ ＊ Ｎｂ％ ≦ ８．０ （２）
Ｐγ ≦ ３０ （３）
（これらの数式において、Ｍｏ％はＭｏの質量含有率を表し、Ｗ％はＷの質量含有率を表し、Ｖ％はＶの質量含有率を表し、Ｎｂ％はＮｂの質量含有率を表し、Ｐγは焼入れ及び焼戻しの後の残留オーステナイト相の体積率（体積％）を表す。） - 下記数式（４）を満たす請求項１に記載の工具鋼。
２０ ≦ Ｐγ ／ Ｃｕ％ ≦ １０００ （４）
（この数式において、Ｃｕ％はＣｕの質量含有率を表す。） - Ｎの含有率が０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である請求項１又は２に記載の工具鋼。
- Ｐ及びＳの合計の含有率が０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である請求項１から３のいずれかに記載の工具鋼。
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| JP2021090071A JP2022182485A (ja) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 耐食性に優れた工具鋼 |
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