JP2023122766A - 金型用鋼および金型 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性と耐熱衝撃性に優れた金型用鋼、および金型を提供する。【解決手段】質量％で、０．５５％≦Ｃ≦０．７０％、０．３０％≦Ｓｉ≦０．６０％、０．５５％≦Ｍｎ≦１．２％、５．７％≦Ｃｒ≦６．９％、１．２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．６％、０．５５％≦Ｖ≦０．７９％、および０．００５％≦Ｎ≦０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、不可避的不純物としてのＡｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕの含有量が、質量％で、Ａｌ≦０．０２０％、Ｎｉ≦０．２０％、Ｓ≦０．００１５％、およびＣｕ≦０．１０％であり、下記の式（１）によって求められるＰ１の値が、Ｐ１≧２４であり、下記の式（２）によって求められるＰ２の値が、４．９≦Ｐ２≦７．３である、金型用鋼とする。Ｐ１＝４５－１３．６Ｓｉ－７．０（Ｍｏ＋１／２Ｗ）－１２．９Ｎｉ （１）Ｐ２＝７．４Ｖ＋１５．８Ｎ＋３８．６Ａｌ （２）【選択図】図１

Description

本発明は、金型用鋼および金型に関し、さらに詳しくは、ホットスタンプ用金型をはじめとする金型を構成するのに用いられる金型用鋼、およびそのような金型に関する。

鋼材をプレス成形等により加工するための金型を構成する金型用鋼においては、金型の耐摩耗性および耐熱衝撃性を向上させる観点から、高い硬度および靭性を有することが望まれる。温間成形やホットスタンピング、温間トリム加工・ピアス加工等、高温になる条件で使用される金型においては、耐摩耗性および耐熱衝撃性の向上が特に重要である。例えば、特許文献１には、重量％で、Ｃ ０．３５％を越え０．４５％未満、Ｓｉ １．００％以下、Ｍｎ ０．１～１．５％、Ｎｉ ０．１～１．５％、Ｃｒ ４．３５～５．６５％、ＷとＭｏを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ １．５～３．５％、Ｖ ０．５～１．５％で、かつＳｉ，Ｃｒ量がＳｉ＜（１８．７／Ｃｒ）－３．３の関係式を満たし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる熱間工具鋼が開示されている。この熱間工具鋼は、高硬度範囲で高靭性を有するとされている。また、特許文献２には、重量％でＣ０．４５％以上０．６５％未満、Ｓｉ０．６０％以下、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ３．００～５．５０％、ＷおよびＭｏの１種または２種が１／２Ｗ＋Ｍｏで２．００～３．５０％、Ｖ０．８０～１．６０％、Ｃｏ０．３０～５．００％、Ｓ０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる温間および熱間加工用工具鋼が開示されている。この工具鋼は、高温強度および靭性に優れるとされている。

特開平４－３０８０５９号公報 特開平２－１１７３６号公報

特許文献１に開示された熱間工具鋼においては、硬さが、最高でも５４ＨＲＣとなっている。その硬度では、金型用鋼として十分に高い耐摩耗性を確保するのが難しい場合がある。特許文献１の熱間工具鋼は、ＣおよびＣｒの含有量が比較的少ないことにより、高硬度を得るのが難しいと考えられる。Ｃの含有量を多くすると、金型用鋼の硬度を向上させることはできるが、高硬度化に伴い、晶出炭化物等の粗大な炭化物が発生しやすくなり、高硬度が得られても、靭性が低くなりやすい。また、熱衝撃性の向上には、金型用鋼の靭性の向上に加えて、熱伝導率を向上させることで、金型の表面に対する局所的な加熱による大きな衝撃の印加を起こりにくくすることも、効果を有すると考えられるが、特許文献１、２では、熱伝導率の向上については、考慮されていない。

本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性と耐熱衝撃性に優れた金型用鋼、および金型を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明にかかる金型用鋼は、質量％で、０．５５％≦Ｃ≦０．７０％、０．３０％≦Ｓｉ≦０．６０％、０．５５％≦Ｍｎ≦１．２％、５．７％≦Ｃｒ≦６．９％、１．２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．６％、０．５５％≦Ｖ≦０．７９％、および０．００５％≦Ｎ≦０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、前記不可避的不純物としてのＡｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕの含有量が、質量％で、Ａｌ≦０．０２０％、Ｎｉ≦０．２０％、Ｓ≦０．００１５％、およびＣｕ≦０．１０％であり、下記の式（１）によって求められるＰ１の値が、Ｐ１≧２４であり、下記の式（２）によって求められるＰ２の値が、４．９≦Ｐ２≦７．３である。
Ｐ１＝４５－１３．６Ｓｉ－７．０（Ｍｏ＋１／２Ｗ）－１２．９Ｎｉ （１）
Ｐ２＝７．４Ｖ＋１５．８Ｎ＋３８．６Ａｌ （２）
前記式（１）、（２）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

ここで、前記金型用鋼は、焼入れ・焼戻しを経た状態で、室温における硬さが５８ＨＲＣ以上、６１ＨＲＣ以下であり、室温における熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるとよい。

前記金型用鋼は、さらに、質量％で、０．０１％≦Ｎｂ≦０．５％、０．０１％≦Ｚｒ≦０．５％、および０．０１％≦Ｔａ≦０．５％から選択される少なくとも１種を含有してもよい。前記金型用鋼は、さらに、質量％で、０．１０％≦Ｃｏ≦１．０％を含有してもよい。

前記金型用鋼は、焼入れを経た状態で、結晶粒度が、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定される粒度番号で５番以上であるとよい。また、前記金型用鋼は、焼入れ・焼戻しを経た状態で、晶出炭化物の粒径が、２５μｍ未満であるとよい。

本発明にかかる金型は、前記金型用鋼よりなる。

ここで、前記金型は、ホットスタンプ用金型であるとよい。

本発明にかかる金型用鋼は、上記成分組成を有することにより、高硬度と、高熱伝導率を兼ね備え、かつ粗大炭化物の生成および結晶粒の粗大化が抑制されたものとなる。その結果として、金型用鋼は、高い耐摩耗性と高い耐熱衝撃性を高度に両立するものとなる。特に、Ｐ１≧２４であることで、高い熱伝導性向上効果が得られる。また、４．９≦Ｐ２≦７．３であることで、結晶粒の微細化による靭性向上に高い効果が得られる。それらの結果として、耐熱衝撃性に特に優れた金型用鋼となる。Ａｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕの含有量が所定の上限以下に抑えられていることも、耐熱衝撃性の向上に寄与する。さらに、上記成分組成を採用することで、添加合金元素の含有量を比較的少なく抑えながら、また粉末成形のような製造コストの高い工程を排除して、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れた金型を提供することができる。

ここで、上記金型用鋼において、焼入れ・焼戻しを経た状態で、室温における硬さが５８ＨＲＣ以上、６１ＨＲＣ以下であり、室温における熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である場合には、耐摩耗性の向上に十分な高硬度を達成できるとともに、過度な高硬度を与える成分組成の適用による、粗大な晶出炭化物の生成や結晶粒の粗大化、およびそれに伴う靭性の低下を抑制し、高い耐熱衝撃性を確保することができる。また、金型用鋼が十分に高い熱伝導率を有するものであることで、金型表面温度の上昇を抑え、表面への熱の集中を緩和し、それによって、耐熱衝撃性を高めることができる。

上記金型用鋼が、さらに、上記特定量のＮｂ、Ｚｒ、Ｔａから選択される少なくとも１種を含有する場合には、金型用鋼の靱性を特に高めることができる。

上記金型用鋼が、上記特定量のＣｏを含有する場合には、金型用鋼の高温強度が向上する。

上記金型用鋼において、焼入れを経た状態で、結晶粒度が、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定される粒度番号で５番以上である場合、また、上記金型用鋼において、焼入れ・焼戻しを経た状態で、晶出炭化物の粒径が、２５μｍ未満である場合には、粗大な晶出炭化物生成の抑制により、金型用鋼の耐熱衝撃性を、特に高めやすくなる。

本発明にかかる金型は、上記のような金型用鋼よりなることにより、耐摩耗性と耐熱衝撃性に優れたものとなる。金型がそれらの特性を有することで、特に、ホットスタンプ用金型として好適に用いることができる。

耐摩耗性評価のためのハット曲げ試験を説明する模式的な断面図である。 Ｐ１の値と熱伝導率の関係を示すグラフである。 Ｐ２の値と結晶粒度の関係を示すグラフである。 ＳおよびＣｕの濃度に対して、耐熱衝撃性試験の結果を示すグラフである。

以下に、本発明の一実施形態にかかる金型用鋼および金型について詳細に説明する。

本発明の一実施形態にかかる金型用鋼は、以下のような元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。添加元素の種類、成分比、および限定理由などは、以下のとおりである。なお、成分比の単位は、質量％である。以下、特記しないかぎり、各特性は、室温（おおむね２５℃）にて評価される値とする。また、熱処理を経た状態に対して評価される特性については、焼入れ温度（例えば１０３０±２０℃）から２００℃までの冷却速度を９～１００℃／分とした焼入れ、および５００～６００℃での焼戻しを行ったうえで、評価するものとする。

［各成分元素の含有量］
・０．５５％≦Ｃ≦０．７０％
Ｃは、焼入れ時に母相中に固溶し、マルテンサイト組織化することによって、金型用鋼の硬度を向上させる。また、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等とともに、炭化物を形成することでも、金型用鋼の硬度を向上させる。

Ｃの含有量を、０．５５％≦Ｃとすることで、Ｃの固溶量および炭化物の生成量を確保することができ、高硬度が獲得される。金型用鋼においては、十分な耐摩耗性を得る観点から、焼入れ・焼戻しを経て、５８ＨＲＣ以上の硬度を有することが望ましいが、０．５５％≦Ｃとすることで、５８ＨＲＣ以上の高硬度が達成されやすくなる。好ましくは、０．５７％≦Ｃであるとよい。

一方、Ｃの含有量が過剰になると、粗大な炭化物が増加しやすくなり、金型用鋼の靭性が低下しやすい。また、熱伝導率も低くなりやすい。すると、金型用鋼において、高い耐熱衝撃性が得られにくくなる。Ｃ≦０．７０％とすることで、粗大炭化物の生成抑制と、高熱伝導率の確保により、高い熱衝撃性が得られる。過度に高硬度を与える合金組成においては、粗大な炭化物の生成や熱伝導率の低下が起こりやすいため、金型用鋼においては、焼入れ・焼戻しを経て、硬度が６１ＨＲＣ以下に抑えられていることが好ましいが、Ｃ≦０．７０％とすることで、硬度を６１ＨＲＣ以下に抑え、高い耐熱衝撃性を確保しやすい。好ましくは、Ｃ≦０．６５％であるとよい。さらに好ましくは、Ｃ≦０．６４％であるとよい。

・０．３０％≦Ｓｉ≦０．６０％
Ｓｉは、金型用鋼の硬さを高めるものとなり、０．３０％≦Ｓｉとすることで、硬さ向上の効果を、十分に得ることができる。Ｓｉは、脱酸剤としての効果、また金型製造時の被削性を向上させる効果も有する。好ましくは、０．４０％≦Ｓｉであるとよい。さらに好ましくは、０．４２％≦Ｓｉであるとよい。

一方、Ｓｉの含有量が過剰になると、金型用鋼の熱伝導率が低下する。また、粗大な晶出炭化物が生成しやすくなる。そこで、高熱伝導率を確保するとともに、粗大な晶出炭化物の生成を抑制する観点から、Ｓｉ≦０．６０％とする。好ましくは、Ｓｉ≦０．５５％であるとよい。

・０．５５％≦Ｍｎ≦１．２％
Ｍｎは金型用鋼の焼入れ性を高める効果を有する。また、金型用鋼の靱性を高めるのにも効果を有する。高い焼入れ性と靱性を得る観点から、Ｍｎの含有量は、０．５５％≦Ｍｎとする。好ましくは、０．７０％≦Ｍｎであるとよい。さらに好ましくは、０．７５％≦Ｍｎであるとよい。

一方、Ｍｎは、金型用鋼の熱伝導率を低下させる元素である。そこで、高い熱伝導率を確保する観点から、Ｍｎ≦１．２％とする。好ましくは、Ｍｎ≦１．１％であるとよい。

・５．７％≦Ｃｒ≦６．９％
Ｃｒは、金型用鋼の硬さを高める効果を有する。また、Ｃｒは、Ｍｎと同様に、金型用鋼の焼入れ性および靱性を高める効果を有する。高い硬度、および焼入れ性と靱性を得る観点から、Ｃｒの含有量は、５．７％≦Ｃｒとする。好ましくは、５．９％≦Ｃｒであるとよい。

一方、Ｃｒも、Ｍｎと同様に、金型用鋼の熱伝導率を低下させてしまう。そこで、高い熱伝導率を確保する観点から、Ｃｒ≦６．９％とする。好ましくは、Ｃｒ≦６．７％であるとよい。さらに好ましくは、Ｃｒ≦６．５％であるとよい。

・１．２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．６％
ＭｏおよびＷは、二次析出炭化物を形成することで、金型用鋼の硬度を高めるのに寄与する。金型用鋼に望まれる高硬度を確保する観点から、ＭｏおよびＷの含有量は、Ｍｏの含有量とＷの含有量の半量の合計（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で、１．２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗとされる。すると、５８ＨＲＣ以上の高硬度が達成されやすくなる。好ましくは、１．３％≦Ｍｏ＋１／２Ｗであるとよい。さらに好ましくは、１．３２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗであるとよい）。

一方、ＭｏおよびＷは、金型用鋼の熱伝導率を低下させる元素となる。また、ＭｏおよびＷは高価な元素であり、金型用鋼に多量に含有させると、材料コストが高くなってしまう。高熱伝導率の確保と、材料コスト抑制の観点から、ＭｏおよびＷの含有量は、Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．６％とされる。好ましくは、Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．５５％であるとよい。

・０．５５％≦Ｖ≦０．７９％
Ｖは焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制するピン止め粒子を生成する。結晶粒の粗大化が抑制される結果、金型用鋼の靱性が向上される。０．５５％≦Ｖとすることで、焼入れ時の結晶粒の粗大化が効果的に抑制され、靱性が高められる。好ましくは、０．５７％≦Ｖであるとよい。

一方、Ｖの含有量が多くなりすぎると、粗大な炭化物が多く析出する。粗大な炭化物は、硬さの向上に寄与しない。また、粗大な炭化物がき裂の起点となることで、かえって金型用鋼の靱性が低下する。そこで、粗大な炭化物の生成を抑制する観点から、Ｖ≦０．７９％とされる。好ましくは、Ｖ≦０．７５％であるとよい。さらに好ましくは、Ｖ≦０．７２％であるとよい。

・０．００５％≦Ｎ≦０．１％
Ｎは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制するピン止め効果を有する、窒化物を生成する。焼入れ時に結晶粒の粗大化が抑制されることで、金型用鋼の靱性が向上される。また、窒化物は、晶出炭化物の核としても作用するが、その核が微細に分散されて生成することで、晶出炭化物を微細化する効果を有する。それらの効果を十分に得る観点から、０．００５％≦Ｎとされる。好ましくは、０．０１％≦Ｎであるとよい。

一方、Ｎの含有量が多くなりすぎると、窒化物が凝集してしまい、ピン止め粒子が大きくなってしまう。すると、結晶粒が粗大になってしまう。また、晶出炭化物の核としての窒化物が凝集され、晶出炭化物が大きくなってしまう。結晶粒の粗大化、および粗大な晶出炭化物の生成を避ける観点から、Ｎ≦０．１％とされる。好ましくは、Ｎ≦０．０５％であるとよい。さらに好ましくは、Ｎ≦０．０３％であるとよい。

本実施形態にかかる金型用鋼は、上記所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏとＷの少なくとも一方、Ｖ、Ｎを含有し、残部は、Ｆｅと不可避的不純物よりなる。ここで、不可避的不純物として、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕが含有されうるが、それらの含有量は、以下の範囲に抑えられる。

・Ａｌ≦０．０２０％
Ａｌは、金型用鋼において、粗大な介在物を形成しやすく、耐熱衝撃性を低下させるものとなる。介在物の生成を抑制し、高い耐熱衝撃性を確保する観点から、金型用鋼にＡｌは添加されず、不可避的不純物として含有されるもののみとし、その含有量は、０．０２０％以下に抑えられる。好ましくは、０．０１５％以下であるとよい。さらに好ましくは、０．０１０％以下であるとよい。

・Ｎｉ≦０．２０％
Ｎｉは、金型用鋼の熱伝導率を低下させるものとなる。高い熱伝導率を確保する観点から、金型用鋼にＮｉは添加されず、不可避的不純物として含有されるもののみとし、その含有量は、０．２０％以下に抑えられる。好ましくは、０．１６％以下であるとよい。さらに好ましくは、０．１３％以下であるとよい。

・Ｓ≦０．００１５％
Ｓも、Ａｌと同様に、金型用鋼において、粗大な介在物を形成しやすく、耐熱衝撃性を低下させるものとなる。介在物の生成を抑制し、高い耐熱衝撃性を確保する観点から、金型用鋼にＳは添加されず、不可避的不純物として含有されるもののみとし、その含有量は、０．００１５％以下に抑えられる。好ましくは、０．００１２％以下であるとよい。さらに好ましくは、０．００１０％以下であるとよい。

・Ｃｕ≦０．１０％
Ｃｕも、Ｎｉと同様に、金型用鋼の熱伝導率を低下させるものとなる。高い熱伝導率を確保する観点から、金型用鋼にＣｕは添加されず、不可避的不純物として含有されるもののみとし、その含有量は、０．１０％以下に抑えられる。好ましくは、０．０８％以下であるとよい。さらに好ましくは、０．０６％以下であるとよい。

本実施形態にかかる金型用鋼に含有されうるＡｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕ以外の不可避的不純物としては、Ｐ＜０．０５％、Ｏ＜０．０１％、Ｃｏ＜０．１０％、Ｎｂ＜０．０１％、Ｔａ＜０．０１％、Ｔｉ＜０．０１％、Ｚｒ＜０．０１％、Ｂ＜０．００１％、Ｃａ＜０．００１％、Ｓｅ＜０．０３％、Ｔｅ＜０．０１％、Ｂｉ＜０．０１％、Ｐｂ＜０．０３％、Ｍｇ＜０．０２％、ＲＥＭ＜０．１０％等が想定される。

本実施形態にかかる金型用鋼は、上述した必須元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含有していてもよい。各元素の成分比、限定理由などは、次のとおりである。

・０．０１％≦Ｎｂ≦０．５％、０．０１％≦Ｚｒ≦０．５％、０．０１％≦Ｔａ≦０．５％
Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制するピン止め粒子として作用する析出物を生成する。焼入れ時に結晶粒の粗大化が抑制され、微細粒となることで、金型用鋼の靱性が向上される。各元素の含有量の下限値は、ピン止め効果を発揮できるだけの量の析出物が得られる含有量として規定されている。上限値は、析出物が凝集し、ピン止め粒子として効果的に機能しなくなるのを抑制する観点から規定されている。

・０．１０％≦Ｃｏ≦１．０％
Ｃｏは、金型用鋼の強度、特に高温強度の向上に効果を有する。含有量の下限値は、高温強度向上に効果を有する含有量として規定されている。上限値は、熱伝導率の低下の抑制と、材料コスト抑制の観点から規定されている。

［成分元素の含有量の関係］
次に、成分元素の含有量の関係について説明する。以下、成分元素の含有量の関係について規定する数式においては、各元素記号が、質量％を単位とした各元素の含有量を示すものとする。また、必須含有元素ではない元素について、金型用鋼中に含有されない場合には、式中の含有量をゼロとする。

・Ｐ１≧２４
Ｐ１は、下の式（１）によって求められる。
Ｐ１＝４５－１３．６Ｓｉ－７．０（Ｍｏ＋１／２Ｗ）－１２．９Ｎｉ （１）

式（１）に含まれるＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉはいずれも、金型用鋼において、固溶によって熱伝導率を低下させるものとなる。それらの元素の含有量を少なく抑え、Ｐ１の値が大きくなるようにしておくことで、高い熱伝導率が得られる。後の実施例にも、Ｐ１が大きくなるほど、熱伝導率が高くなる傾向が確認されている（図２参照）。Ｐ１≧２４であれば、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率が達成されやすくなる。好ましくは、Ｐ１≧２５である。さらに好ましくは、Ｐ１≧２６である。金型用鋼において、熱伝導率が高いほど好ましいため、ＳｉおよびＭｏ＋１／２Ｗ、Ｎｉがそれぞれ、上記した個別の下限値を下回らない限りにおいて、Ｐ１の値に特に上限は設けられない。

・４．９≦Ｐ２≦７．３
Ｐ２は、下の式（２）によって求められる。
Ｐ２＝７．４Ｖ＋１５．８Ｎ＋３８．６Ａｌ （２）

式（２）に含まれるＶ、Ｎ、Ａｌはいずれも、炭窒化物や窒化物等、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制するピン止め粒子の生成に寄与する。結晶粒の粗大化が抑制される結果、金型用鋼の靱性が向上される。４．９≦Ｐ２とすることで、焼入れ時の結晶粒の粗大化が効果的に抑制され、靱性が高められる。好ましくは、５．０≦Ｐ２である。さらに好ましくは、５．２≦Ｐ２である。

一方、Ｖ、Ｎ、Ａｌの含有量が多くなりすぎると、粗大な析出物が多く析出する。粗大な析出物は、ピン止め粒子として寄与しにくく、粗大な結晶粒の生成を効果的に抑制できなくなる。また、粗大な晶出炭化物や介在物が生成しやすくなる。すると、金型用鋼の靱性が低下する。そこで、それらの現象を抑制する観点から、Ｐ２≦７．３とする。好ましくは、Ｐ２≦７．０である。さらに好ましくは、Ｐ２≦６．５である。後の実施例にも示されるように（図３参照）、Ｐ２は、小さすぎても、大きすぎても、ピン止め粒子の生成による粗大結晶粒の生成抑制に有効に寄与しなくなるが、４．９≦Ｐ２≦７．３としておけば、焼入れを経た状態で、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定される粒度番号で（以下、粒度番号について同様）、５番以上の結晶粒度が得られる、結晶粒の微細化を達成しやすい。

［金型用鋼の特性］
本実施形態にかかる金型用鋼は、上記の成分組成を有することにより、高い耐摩耗性と耐熱衝撃性を兼ね備えるものとなる。具体的には、金型用鋼が、熱処理を経て、高い硬度を示すことで、高い耐摩耗性が得られる。同時に、金型用鋼が、高い靭性を有するとともに、高い熱伝導率を有するものとなる。金型用鋼が高い熱伝導率を有することで、金型の表面に対する局所的な加熱による大きな衝撃の印加が起こりにくくなる。このように、高靭性と高熱伝導率を有することにより、高い耐熱衝撃性が得られる。

例えば、金型用鋼が、焼入れ・焼戻しを経て、５８ＨＲＣ以上、さらには５９ＨＲＣ以上の高硬度を有していれば、金型として、特にホットスタンプ用の金型として、十分に高い耐摩耗性を示すものとなり、金型の損傷を抑制することができる。ホットスタンプ用の金型においては、加工対象の鋼板が、表面に酸化物を多く有する場合や、めっき処理が行われている場合には、摩耗が特に発生しやすいが、金型が上記のような高い硬度を有することで、それらの場合にも、金型摩耗を効果的に抑制することができる。

一方、金型用鋼の組成が、Ｃを多量に含有する等、過度に高い硬度を与えるものである場合には、粗大な晶出炭化物の生成により、金型の靭性が低くなりやすい。また、熱伝導率が低くなりやすい。靭性の低下および熱伝導率の低下は、金型の耐熱衝撃性の低下を招く。そこで、靭性および熱伝導率を向上させることで、耐熱衝撃性を確保する観点から、金型用鋼の硬度は、焼入れ・焼戻しを経た状態で、６１ＨＲＣ以下に抑えられていることが好ましい。すると、例えば、焼入れ・焼戻しを経た状態で、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のように、高い熱伝導率が得られ、靭性向上と熱伝導率の向上の両方の効果によって、金型用鋼において、優れた耐熱衝撃性が得られる。ホットスタンプ等、加熱を伴う条件で金型による成形を行う場合には、成形時に金型表面の温度が瞬間的に高くなり、金型表面に熱的な負荷（熱衝撃）がかかりやすいが、金型が高い耐熱衝撃性を有していれば、熱衝撃によって金型に割れが発生するのを、抑制することができる。よって、ホットスタンプ用金型等、力学的負荷および熱的負荷が大きくなる金型は、成形中の損傷を避ける観点から、耐摩耗性に加え、耐熱衝撃性に優れた材料より構成されることが好ましい。

このように、硬度が高くなりすぎないように、金型用鋼の成分組成を設定することは、靭性向上および熱伝導率の向上の両方の点から、耐熱衝撃性を向上させるのに、良い指標となる。さらに、上記式（１）および式（２）によって定まるＰ１およびＰ２が所定の範囲の値をとるように成分組成を設定することで、金型用鋼の耐熱衝撃性を効果的に向上させることができる。つまり、Ｐ１≧２４とすることで、熱伝導率の向上に高い効果が得られる。また、４．９≦Ｐ２≦７．３とすることで、粗大結晶粒の生成抑制による靭性の向上に高い効果が得られる。それらの効果が複合されることで、優れた耐熱衝撃性が得られる。さらに、金型用鋼において、不可避的不純物として含有されるＮｉおよびＣｕの含有量が上記所定の上限以下に抑えられていることも、高熱伝導性の確保により、耐熱衝撃性の向上に寄与する。また、不可避的不純物として含有されるＡｌおよびＳの含有量が上記所定の上限以下に抑えられていることも、粗大な介在物の生成の抑制により、耐熱衝撃性の向上に寄与する。

本実施形態にかかる金型用鋼は、靭性向上の観点から、焼入れを経た状態で、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定される５番以上の結晶粒度を有することが好ましく、さらには、７番以上、また９番以上の結晶粒度を有することが好ましい。なお、結晶粒度の評価は、例えば、焼入れを行った金型用鋼の断面に対して、研磨および腐食を行い、結晶粒の平均粒径を計測することで、行えばよい。また、金型用鋼においては、焼入れ・焼戻しを経た状態で、晶出炭化物の粒径が、２５μｍ未満であるとよい。すると、粗大な晶出炭化物の生成の抑制による靭性向上の効果が、高く得られる。晶出炭化物の粒径は、２０μｍ未満であると、さらに好ましい。晶出炭化物の粒径は、焼入れ・焼戻しを経た金型用鋼の断面を適宜腐食させたうえで、断面に生じている晶出炭化物の径の最大値として評価すればよい。さらに、金型用鋼は、焼入れ・焼戻しを経た状態で、上記のように、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することが好ましく、２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有すると、さらに好ましい。

以上のように、本実施形態にかかる金型用鋼は、所定の成分組成を有することで、高い耐摩耗性と高い熱衝撃性を両立するものとなる。これらの特性が、Ｍｏ、Ｗをはじめとする高価な添加合金元素の含有量を少なく抑えながら達成されることで、金型用鋼の材料コストを抑制することができる。また、金型の製造において、粉末成形等、製造コストの高い製法を用いる必要もない。

本実施形態にかかる金型用鋼は、上記のような高硬度および高熱伝導率、また粗大結晶粒および粗大晶出炭化物の生成抑制を達成する観点から望ましい熱処理条件として、溶製、鋳造後、適宜鍛造を行った鋼材に対して、１０３０℃±２０℃で４５分±１５分の均熱後、９～１００℃／分の冷却速度での冷却による焼入れを行い、さらに５００～６００℃での焼戻しを行う形態を、例示することができる。さらに、晶出炭化物の生成を低減する観点から、鍛造前に、１１５０℃以上でのソーキング処理を行っておくことが好ましい。不可避的不純物としてのＡｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕの含有量は、例えば精錬時の攪拌時間によって調整することができる。溶湯内に含有されるそれらの不純物元素を溶湯上部に逃がすことで、含有量の低減が達成される。

本実施形態にかかる金型用鋼は、高い耐摩耗性と耐熱衝撃性を示すものであるため、温間成形やホットスタンピング、温間トリム加工・ピアス加工等、高温になる条件で大きな力学的負荷を受ける用途の金型に、好適に適用することができる。特に、ホットスタンプ用の金型に適用することが好適である。しかし、これらに限られず、樹脂やゴム材料の成形等、種々の用途の金型を構成するのに用いることができる。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。

［試料の作製］
表１、２に示す成分組成を有する金型用鋼をそれぞれ準備した。具体的には、各組成比を有する鋼を真空誘導炉で溶製した後、インゴットを鋳造した。得られたインゴットを熱間鍛造し、その後、１１５０℃でのソーキング処理を行って、各試験に供した。

［試験方法］
以下、各試験方法について説明する。特記しない限り、各評価は、室温、大気中にて行っている。

＜硬さ測定＞
各試料の合金に対して、１０３０℃で６０分間均熱後に、９℃／分の速度で冷却して、焼入れを行った。その後、５００～６００℃で１時間均熱後に空冷する焼戻しを２回実施した。そして、１０×１２ｍｍの試験片を採取した。その試験片の断面を切断後に、切断面を平面研磨し、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）によって硬さを室温にて測定した。５００～６００℃の焼戻し温度の範囲内で、最も高い値を示した硬さを記録した。硬さが５８ＨＲＣ以上６１ＨＲＣ以下であれば、好適な範囲の硬さを有すると評価することができる。

＜晶出炭化物の粒径評価＞
硬さ測定を行った後の試験片を用いて、晶出炭化物の粒径を評価した。評価に際しては、試料の断面を腐食液にて腐食させたうえで、顕微鏡観察を行った。倍率２００倍にて１０視野の観察を行い、合計１５ｍｍ^２の観察視野内で、晶出炭化物の粒径を計測した。粒径の見積もりに際しては、観察像中で白色に観察される晶出炭化物を、二値化によって強調したうえで、その晶出炭化物の粒径を、円相当径として評価した。そして、観察像中の晶出炭化物の粒径の最大値を記録した。得られた粒径の最大値が２５μｍ未満であれば、粗大な晶出炭化物の生成が十分に抑制されているとみなすことができる。

＜熱伝導率測定＞
上記硬さ測定の残材から、φ１０ｍｍ×２ｍｍの領域を切り出し、熱伝導率測定用の試験片とした。この試験片に対し、熱伝導率を、レーザーフラッシュ法によって測定した。熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、十分に高い熱伝導率を有していると評価することができる。

＜結晶粒度評価＞
各試験片に対して、１０５０℃で５時間均熱後に、３０℃／分の速度で冷却して、焼入れを行った。その試験片の断面を切断し、研磨、腐食を行い、４５０ｍｍ^２の面積の領域を顕微鏡にて観察した。その領域における平均粒径を、ＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法」に規定されている粒度番号で評価し、焼入れによる結晶粒の粗大化の有無を評価した。得られた結晶粒度が、粒度番号で５番以上であれば、粗大な結晶粒の生成が十分に抑制されていると評価することができる。

＜耐摩耗性評価＞
金型用鋼の耐摩耗性を評価するために、各試料の金型用鋼を用いて、金型を模擬した部材として、３０ｍｍ×６０ｍｍ×５０ｍｍのブロック状のパンチを作成した。このパンチに対して、上記硬さ測定試験において最も高い硬度が得られた条件で、焼入れ・焼戻しを行った。図１に示すように、焼入れ・焼戻しを経て得られたパンチ１と、ダイ２を用いて、加熱した鋼板３に対して、ハット曲げを行った。パンチ１とダイ２の間のクリアランスを－１５％とした加速試験にて、パンチ１の耐摩耗性を評価した。加工する鋼板３としては、板厚１．２ｍｍのホットスタンプ鋼板を９８０℃に加熱したものを用いた。鋼板３の表面には、酸化物が形成されていた。鋼板３にめっき処理は行っていない。鋼板３を交換しながら複数回の加工を行い、９０ショット以内の加工で、パンチ１に、プレス加工に支障が生じる程度の摩耗が生じたものを、耐摩耗性が低い「×」と評価した。一方、パンチ１に摩耗が生じたが、プレス加工に支障が生じない程度であったものを、耐摩耗性が高い「〇」と評価した。さらに、目視にて確認できる摩耗がパンチ１にほとんど生じていなかったものを、耐摩耗性が特に高い「◎」と評価した。

＜耐熱衝撃性評価＞
各試験片をφ１５．５ｍｍ×１５．５ｍｍに切り出し、上記耐摩耗性評価の際と同じ条件で、焼入れ・焼戻し処理を行い、試験片を作製した。得られた試験片に対して、高周波加熱にて表面を加熱し、その後に水冷を行う工程を１サイクルとして、熱負荷の印加を繰り返すことで、耐熱衝撃性を評価した。２００サイクルまでに大きな割れが発生したものを、耐熱衝撃性が低い「×」と評価した。一方、軽微なき裂しか発生しなかったものを、熱衝撃性が高い「〇」と評価した。さらに、き裂が発生しなかったものを、耐熱衝撃性が特に高い「◎」と評価した。

［試験結果］
表１、２に、各実施例および比較例にかかる金型用鋼の成分組成、および成分組成から計算されるＰ１およびＰ２の値、また上記各試験の結果を示す。

＜各成分元素の含有量と金型用鋼の特性＞
表１に示した各実施例にかかる金型用鋼は、上記で説明した本発明に規定される成分組成を有している。Ｐ１およびＰ２の値も、所定の範囲に存在する。それら各実施例にかかる金型用鋼はいずれも、５８ＨＲＣ以上６１ＨＲＣ以下の硬さと、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率、粒度番号で５番以上の粒度番号を有している。また、最大晶出炭化物の粒径が２５μｍ未満に抑えられている。さらに、それらの特性を有することに対応して、耐摩耗性試験および耐熱衝撃性試験で、高い評価結果が得られている。

各実施例を比較すると、硬さと耐摩耗性の間には高い相関性があり、硬さが６０．５ＨＲＣを超えている各実施例においては、特に高い耐摩耗性（◎）が得られている。おおむね、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等、硬度向上に効果を示す元素の含有量が多い実施例において、高い硬度を示す傾向が確認される。一方、おおむね熱伝導率が２８Ｗ／（ｍ・Ｋ）となっている各試料において、特に高い耐熱衝撃性（◎）が得られている。後に図２を用いて詳細に説明するように、Ｐ１と熱伝導率の間には高い相関があり、Ｐ１の値が大きい領域で、高い熱伝導率が得られている傾向がある。

一方、表２に示した各比較例にかかる金型用鋼は、上記で説明した本発明に規定される成分組成を有していない。そのことと対応して、高い耐摩耗性と高い耐熱衝撃性を両立するものとはなっていない。各比較例の中で、比較例１～１６は、各必須含有元素の個別の含有量が、所定の範囲を外れている。それらのうち、主なものを例に、各元素の含有量と特性の関係について説明する。

比較例１では、Ｃの含有量が少なすぎる。そのことと対応して、硬さが５８ＨＲＣに達しておらず、耐摩耗性も低くなっている。一方、比較例に２においては、Ｃの含有量が多すぎる。そのことと対応して、硬さが６１ＨＲＣを超えるとともに、粒径２５μｍ以上の晶出炭化物が生成しており、耐熱衝撃性も低くなっている。

比較例３では、Ｓｉの含有量が少なすぎる。そのことと対応して、硬さが５８ＨＲＣに達しておらず、耐摩耗性も低くなっている。一方、比較例４では、Ｓｉの含有量が多すぎる。そのことと対応して、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に達しておらず、耐熱衝撃性も低くなっている。

比較例５、６、７では、それぞれ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ＋１／２Ｗの含有量が少なすぎる。そのことと対応して、それらいずれの試料においても、硬さが５８ＨＲＣに達しておらず、耐摩耗性も低くなっている。一方、比較例８では、Ｍｏ＋Ｗの含有量が多すぎる。そのことと対応して、粒径２５μｍ以上の晶出炭化物が生成し、熱伝導率も２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に達していない。それらの結果として、耐熱衝撃性が低くなっている。

比較例９では、Ｎの含有量が少なすぎる。そのことと対応して、結晶粒度が５未満となっており、耐熱衝撃性も低くなっている。一方、比較例１０では、Ｎの含有量が多すぎる。この場合にも、かえって、結晶粒度が５未満となっている。粒径２５μｍ以上の晶出炭化物の生成も起こっている。それらの結果として、耐熱衝撃性も低くなっている。

比較例１２では、Ｖの含有量が少なすぎる。そのことと対応して、結晶粒度が５を下回っており、耐熱衝撃性も低くなっている。一方、比較例１３では、Ｖの含有量が多すぎる。そのことと対応して、粒径２５μｍ以上の粗大な析出炭化物が生成しており、結晶粒度も５未満となっている。耐熱衝撃性も低くなっている。

＜Ｐ１と熱伝導性の関係＞
ここで、Ｐ１と熱伝導性の関係について検討する。図２に、各実施例に加え、一部の比較例について、Ｐ１と熱伝導率の関係をプロットしている。ここで、図２に掲載している比較例としては、式（１）のＰ１の定義に含まれる元素であるＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉのいずれか少なくとも１つの含有量、および／またはＰ１の値自体が、所定の範囲を外れている比較例を選択している。つまり、図２には、各実施例に加え、比較例３、４、７～１３、２７、２８を示している。

図２によると、Ｐ１の値と熱伝導性の間には相関があり、ばらつきはあるものの、Ｐ１が大きいほど熱伝導率が高くなる傾向が見られる。これは、熱伝導率の低下を引き起こすＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉの含有量が、式（１）で定義されるＰ１に、負符号で寄与していることと対応している。図２に破線で表示したように、Ｐ１が２４以上であれば、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率が得られることが分かる。

＜Ｐ２と結晶粒度の関係＞
次に、Ｐ２と結晶粒度の関係について検討する。図３に、各実施例に加え、一部の比較例について、Ｐ２と結晶粒度の関係をプロットしている。ここで、図３に掲載している比較例としては、式（２）のＰ２の定義に含まれる元素であるＶ、Ｎ、Ａｌのいずれか少なくとも１つの含有量、および／またはＰ２の値自体が、所定の範囲を外れている比較例を選択している。つまり、図３には、各実施例に加え、比較例４、７～１６、２７、２９を示している。

図３によると、Ｐ２の値と結晶粒度の間には相関があり、Ｐ２が小さい領域および大きい領域では結晶粒度が低い一方、Ｐ２が中ほどの値を有する領域で、結晶粒度が高くなっている。これは、ピン止め粒子の生成に寄与するＶ、Ｎ、Ａｌの含有量が、式（２）で定義されるＰ２に含まれることに対応している。それらの元素の含有量が少なすぎると、結晶粒の粗大化抑制に寄与するピン止め粒子が十分に生成せず、逆に含有量が多すぎても、粗大な結晶粒の生成が進行するため、Ｐ２が小さすぎず、かつ大きすぎない領域で、結晶粒度が高くなり、結晶粒の微細化が促進される。図２に破線で表示したように、Ｐ２が４．９以上７．３以下の範囲であれば、結晶粒度が５以上となることが分かる。

＜ＳおよびＣｕの含有量と耐熱衝撃性の関係＞
最後に、不可避的不純物として含有されるＳおよびＣｕと耐熱衝撃性の関係について検討する。図４に、各実施例、およびＳおよび／またはＣｕの含有量が所定の上限を上回っていることのみで比較例となっている各比較例（比較例１７～２６）について、ＳおよびＣｕの含有量と、耐熱衝撃性の評価結果の関係を示している。Ｓの含有量を横軸に、Ｃｕの含有量を縦軸にとり、対応する座標位置に、評価結果（◎、〇、×）を符号にて表示している。

図４によると、Ｓ≦０．００１５％かつＣｕ≦０．１０％である左下側の領域に、〇および◎で表示される高い耐熱衝撃性を有する点が集中している。ＳおよびＣｕのいずれか少なくとも一方の含有量がそれらの範囲を超えている領域には、×が分布しており、耐熱衝撃性が低くなっている。これらのことから、ＳおよびＣｕの含有量が多くなると、金型用鋼の耐熱衝撃性が低くなるが、不可避的不純物としてのＳおよびＣｕの含有量をＳ≦０．００１５％およびＣｕ≦０．１０％の範囲に抑えておけば、高い耐熱衝撃性が確保される。

以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。

１ パンチ
２ ダイ
３ 鋼板

Claims (8)

1. 質量％で、
   ０．５５％≦Ｃ≦０．７０％、
   ０．３０％≦Ｓｉ≦０．６０％、
   ０．５５％≦Ｍｎ≦１．２％、
   ５．７％≦Ｃｒ≦６．９％、
   １．２％≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦１．６％、
   ０．５５％≦Ｖ≦０．７９％、および
   ０．００５％≦Ｎ≦０．１％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、
   前記不可避的不純物としてのＡｌ、Ｎｉ、Ｓ、Ｃｕの含有量が、質量％で、
   Ａｌ≦０．０２０％、
   Ｎｉ≦０．２０％、
   Ｓ≦０．００１５％、および
   Ｃｕ≦０．１０％であり、
   下記の式（１）によって求められるＰ１の値が、Ｐ１≧２４であり、
   下記の式（２）によって求められるＰ２の値が、４．９≦Ｐ２≦７．３である、金型用鋼。
   Ｐ１＝４５－１３．６Ｓｉ－７．０（Ｍｏ＋１／２Ｗ）－１２．９Ｎｉ （１）
   Ｐ２＝７．４Ｖ＋１５．８Ｎ＋３８．６Ａｌ （２）
   前記式（１）、（２）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。
2. 焼入れ・焼戻しを経た状態で、室温における硬さが５８ＨＲＣ以上、６１ＨＲＣ以下であり、
   室温における熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１に記載の金型用鋼。
3. さらに、質量％で、
   ０．０１％≦Ｎｂ≦０．５％、
   ０．０１％≦Ｚｒ≦０．５％、および
   ０．０１％≦Ｔａ≦０．５％
   から選択される少なくとも１種を含有する、請求項１または請求項２に記載の金型用鋼。
4. さらに、質量％で、０．１０％≦Ｃｏ≦１．０％を含有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金型用鋼。
5. 焼入れを経た状態で、結晶粒度が、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定される粒度番号で５番以上である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金型用鋼。
6. 焼入れ・焼戻しを経た状態で、晶出炭化物の粒径が、２５μｍ未満である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金型用鋼。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の金型用鋼よりなる、金型。
8. ホットスタンプ用金型である、請求項７に記載の金型。

Images