JP2023127721A - 熱間加工用合金工具鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】靱性及び軟化抵抗性の両方に優れた熱間加工用合金工具鋼の提供。【解決手段】熱間加工用合金工具鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ及びＮを含有する。残部は、Ｆｅ及び不純物である。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織は、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含む。この合金工具鋼の下記数式で算出される焼入時固溶元素パラメータＱは、１．１２以上である。Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)この数式において、（Ｃｒ１＋Ｍｏ１＋Ｖ１＋Ｎｂ１）は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの合計量を表し、（Ｃｒ２＋Ｍｏ２＋Ｖ２＋Ｎｂ２）は８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの合計量を表す。【選択図】なし
Description
本明細書は、熱間鍛造等の熱間塑性加工に使用される工具に適した、合金鋼を開示する。
熱間金型用合金鋼として、ＪＩＳに規格されたＳＫＤ６１が使用されている。ＳＫＤ６１は、高温強度に優れている。熱間鍛造用の型に、ＪＩＳに規格されたＳＫＴ４も使用されている。ＳＫＴ４は、靱性に優れている。
特開２０１１－１９５９１７公報には、組成が改良された熱間工具鋼が開示されている。この工具鋼では、高温強度と靱性との両立が、意図されている。
特開２００６－３２２０７１公報には、改良された金属組織を有する合金鋼が開示されている。この合金鋼の硬度は、大きい。
従来の熱間鍛造型用の合金は、軟化抵抗性に劣る。この合金は、高温環境下での継続的な使用には、適していない。
本出願人の意図するところは、靱性及び軟化抵抗性の両方に優れた熱間加工用合金工具鋼の提供にある。
本実施形態に係る熱間加工用合金工具鋼は、
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不純物である。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織は、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含む。この合金工具鋼の、下記数式で算出される焼入時固溶元素パラメータＱは、１．１２以上である。
Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)
この数式において、
Ｃｒ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表し、
Ｃｒ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表す。
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不純物である。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織は、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含む。この合金工具鋼の、下記数式で算出される焼入時固溶元素パラメータＱは、１．１２以上である。
Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)
この数式において、
Ｃｒ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表し、
Ｃｒ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表す。
この熱間加工用合金工具鋼は、靱性及び軟化抵抗性に優れている。その材質がこの工具鋼である型は、高温環境下での継続的な使用に、適している。
本実施形態に係る熱間加工用合金工具鋼は、後に詳説される焼入れ及び焼戻しを経て得られる。この合金工具鋼は、
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有している。これらの元素の残部は、Ｆｅ及び不純物（不可避的不純物）である。
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有している。これらの元素の残部は、Ｆｅ及び不純物（不可避的不純物）である。
この合金工具鋼では、合金元素の量は比較的少ない。従ってこの合金工具鋼は、靱性に優れている。後に詳説されるように、この合金工具鋼では、金属組織が適正であり、かつ焼入時固溶元素パラメータＱが適正である。従ってこの合金工具鋼は、合金元素の量が多くないにもかかわらず、軟化抵抗性に優れている。以下、それぞれの元素が、詳説される。
［炭素（Ｃ）］
Ｃは、合金工具鋼の焼入れ性、硬さ及び強さに寄与する。この観点から、Ｃの含有率は０．４０質量％以上が好ましく、０．４５質量％以上がより好ましく、０．４９質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃの含有率は０．６０質量％以下が好ましく、０．５７質量％以下がより好ましく、０．５５質量％以下が特に好ましい。
Ｃは、合金工具鋼の焼入れ性、硬さ及び強さに寄与する。この観点から、Ｃの含有率は０．４０質量％以上が好ましく、０．４５質量％以上がより好ましく、０．４９質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃの含有率は０．６０質量％以下が好ましく、０．５７質量％以下がより好ましく、０．５５質量％以下が特に好ましい。
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、合金工具鋼の焼入れ性及び硬さに寄与する。Ｓｉはさらに、合金の溶製時の脱酸に寄与しうる。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１０質量％以上が好ましく、０．１４質量％以上がより好ましく、０．１５質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｓｉの含有率は０．５０質量％以下が好ましく、０．４０質量％以下がより好ましく、０．３４質量％以下が特に好ましい。
Ｓｉは、合金工具鋼の焼入れ性及び硬さに寄与する。Ｓｉはさらに、合金の溶製時の脱酸に寄与しうる。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１０質量％以上が好ましく、０．１４質量％以上がより好ましく、０．１５質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｓｉの含有率は０．５０質量％以下が好ましく、０．４０質量％以下がより好ましく、０．３４質量％以下が特に好ましい。
［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、合金工具鋼の焼入れ性及び硬さに寄与する。Ｍｎはさらに、焼入れ時にマトリクスに固溶し、焼戻し時に炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．２０質量％以上が好ましく、０．３０質量％以上がより好ましく、０．５０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は１．１０質量％以下が好ましく、１．０５質量％以下がより好ましく、１．００質量％以下が特に好ましい。
Ｍｎは、合金工具鋼の焼入れ性及び硬さに寄与する。Ｍｎはさらに、焼入れ時にマトリクスに固溶し、焼戻し時に炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．２０質量％以上が好ましく、０．３０質量％以上がより好ましく、０．５０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は１．１０質量％以下が好ましく、１．０５質量％以下がより好ましく、１．００質量％以下が特に好ましい。
［ニッケル（Ｎｉ）］
Ｎｉは、焼入れの加熱時にマトリクスに置換固溶し、合金工具鋼の焼入れ性に寄与する。Ｎｉはさらに、合金工具鋼の靱性に寄与する。これらの観点から、Ｎｉの含有率は０．２０質量％以上が好ましく、０．５９質量％以上がより好ましく、１．００質量％以上が特に好ましい。過剰のＮｉは、Ｍｓ点の過度の低下に起因する双晶を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｉの含有率は２．１０質量％以下が好ましく、１．９４質量％以下がより好ましく、１．６１質量％以下が特に好ましい。
Ｎｉは、焼入れの加熱時にマトリクスに置換固溶し、合金工具鋼の焼入れ性に寄与する。Ｎｉはさらに、合金工具鋼の靱性に寄与する。これらの観点から、Ｎｉの含有率は０．２０質量％以上が好ましく、０．５９質量％以上がより好ましく、１．００質量％以上が特に好ましい。過剰のＮｉは、Ｍｓ点の過度の低下に起因する双晶を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｉの含有率は２．１０質量％以下が好ましく、１．９４質量％以下がより好ましく、１．６１質量％以下が特に好ましい。
［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、合金工具鋼の焼き入れ性に寄与する。Ｃｒはさらに、遷移金属Ｍの二次炭化物（Ｍ２Ｃ、ＭＣ等）に固溶し、これら二次炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｃｒの含有率は０．５０質量％以上が好ましく、１．１０質量％以上がより好ましく、１．５０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｒの含有率は２．００質量％以下が好ましく、１．９５質量％以下がより好ましく、１．９０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｒは、合金工具鋼の焼き入れ性に寄与する。Ｃｒはさらに、遷移金属Ｍの二次炭化物（Ｍ２Ｃ、ＭＣ等）に固溶し、これら二次炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｃｒの含有率は０．５０質量％以上が好ましく、１．１０質量％以上がより好ましく、１．５０質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｃｒの含有率は２．００質量％以下が好ましく、１．９５質量％以下がより好ましく、１．９０質量％以下が特に好ましい。
［モリブデン（Ｍｏ）］
Ｍｏは、合金工具鋼の焼き入れ性に寄与する。Ｍｏはさらに、遷移金属Ｍの二次炭化物（Ｍ２Ｃ、ＭＣ等）に固溶し、これら二次炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｍｏの含有率は０．１０質量％以上が好ましく、０．１７質量％以上がより好ましく、０．３３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｏの含有率は０．６０質量％以下が好ましく、０．５５質量％以下がより好ましく、０．５０質量％以下が特に好ましい。
Ｍｏは、合金工具鋼の焼き入れ性に寄与する。Ｍｏはさらに、遷移金属Ｍの二次炭化物（Ｍ２Ｃ、ＭＣ等）に固溶し、これら二次炭化物の析出を促す。これらの観点から、Ｍｏの含有率は０．１０質量％以上が好ましく、０．１７質量％以上がより好ましく、０．３３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｏの含有率は０．６０質量％以下が好ましく、０．５５質量％以下がより好ましく、０．５０質量％以下が特に好ましい。
［バナジウム（Ｖ）］
Ｖは、炭化物を析出させうる。Ｖは特に、焼戻し時に二次炭化物ＶＣとして析出する。この観点から、Ｖの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｖの含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．２５質量％以下がより好ましく、０．２０質量％以下が特に好ましい。本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。この合金工具鋼において、Ｖは必須の元素ではない。従って、Ｖの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｖの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
Ｖは、炭化物を析出させうる。Ｖは特に、焼戻し時に二次炭化物ＶＣとして析出する。この観点から、Ｖの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｖの含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．２５質量％以下がより好ましく、０．２０質量％以下が特に好ましい。本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。この合金工具鋼において、Ｖは必須の元素ではない。従って、Ｖの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｖの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
［ニオブ（Ｎｂ）］
Ｎｂは、炭化物を析出させうる。Ｎｂは特に、焼戻し時に二次炭化物ＮｂＣとして析出する。この観点から、Ｎｂ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。過剰のＮｂは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｂの含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．１５質量％以下がより好ましく、０．０８質量％以下が特に好ましい。前述の通り、本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。この合金工具鋼において、Ｎｂは必須の元素ではない。従って、Ｎｂの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｎｂの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
Ｎｂは、炭化物を析出させうる。Ｎｂは特に、焼戻し時に二次炭化物ＮｂＣとして析出する。この観点から、Ｎｂ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。過剰のＮｂは、焼入れ後の未固溶炭化物を招来し、合金工具鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎｂの含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．１５質量％以下がより好ましく、０．０８質量％以下が特に好ましい。前述の通り、本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。この合金工具鋼において、Ｎｂは必須の元素ではない。従って、Ｎｂの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｎｂの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
［Ｖ、Ｎｂ］
前述の通り、本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。二次炭化物の析出の観点から、Ｖ及びＮｂの合計含有率は０．０５質量％以上が好ましく、０．１０質量％以上がより好ましく、０．１２質量％以上が特に好ましい。靱性の観点から、この合計含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．２７質量％以下がより好ましく、０．２４質量％以下が特に好ましい。
前述の通り、本実施形態の合金工具鋼は、Ｖ及びＮｂのいずれか一方又は両方を含む。二次炭化物の析出の観点から、Ｖ及びＮｂの合計含有率は０．０５質量％以上が好ましく、０．１０質量％以上がより好ましく、０．１２質量％以上が特に好ましい。靱性の観点から、この合計含有率は０．３０質量％以下が好ましく、０．２７質量％以下がより好ましく、０．２４質量％以下が特に好ましい。
［窒素（Ｎ）］
Ｎは、Ｖ又はＮｂと結合し、窒化物又は炭窒化物を析出させうる。この窒化物及び炭窒化物は、合金工具鋼の靱性に寄与しうる。これらの観点から、Ｎの含有率は０．００１質量％以上が好ましく、０．００２質量％以上がより好ましく、０．００３質量％以上が特に好ましい。窒化物及び炭窒化物は、焼入れ時にマトリクスに固溶せず、残存しやすい。窒化物及び炭窒化物が過剰である合金工具鋼では、後述される固溶元素パラメータＱが小さい。この合金工具鋼では、焼戻し後の二次炭化物の量が、不十分である。この合金工具鋼は、軟化抵抗性に劣る。軟化抵抗性の観点から、Ｎの含有率は０．０２０質量％以下が好ましく、０．０１５質量％以下がより好ましく、０．０１０質量％以下が特に好ましい。この合金工具鋼において、Ｎは必須の元素ではない。従って、Ｎの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｎの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
Ｎは、Ｖ又はＮｂと結合し、窒化物又は炭窒化物を析出させうる。この窒化物及び炭窒化物は、合金工具鋼の靱性に寄与しうる。これらの観点から、Ｎの含有率は０．００１質量％以上が好ましく、０．００２質量％以上がより好ましく、０．００３質量％以上が特に好ましい。窒化物及び炭窒化物は、焼入れ時にマトリクスに固溶せず、残存しやすい。窒化物及び炭窒化物が過剰である合金工具鋼では、後述される固溶元素パラメータＱが小さい。この合金工具鋼では、焼戻し後の二次炭化物の量が、不十分である。この合金工具鋼は、軟化抵抗性に劣る。軟化抵抗性の観点から、Ｎの含有率は０．０２０質量％以下が好ましく、０．０１５質量％以下がより好ましく、０．０１０質量％以下が特に好ましい。この合金工具鋼において、Ｎは必須の元素ではない。従って、Ｎの含有率が実質的にゼロであってもよい。換言すれば、Ｎの含有率が、検出限界値未満であってもよい。
［焼入時固溶元素パラメータＱ］
本明細書では、下記の数式により、焼入時固溶元素パラメータＱが算出される。
Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)
Ｃｒ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）
Ｍｏ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）
Ｖ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）
Ｎｂ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）
Ｃｒ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）
Ｍｏ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）
Ｖ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）
Ｎｂ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）
本明細書では、下記の数式により、焼入時固溶元素パラメータＱが算出される。
Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)
Ｃｒ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）
Ｍｏ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）
Ｖ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）
Ｎｂ１：焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）
Ｃｒ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）
Ｍｏ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）
Ｖ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）
Ｎｂ２：８００℃においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）
上記数式において（Ｃｒ１＋Ｍｏ１＋Ｖ１＋Ｎｂ１）は、この合金工具鋼に施された焼入れ温度においてオーステナイト（ＦＣＣ＿Ａ１）に固溶するＣｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの合計量（質量％）を、表す。上記数式において（Ｃｒ２＋Ｍｏ２＋Ｖ２＋Ｎｂ２）は、８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの合計量（質量％）を、表す。Ｎｂの含有率が０．０１質量％に満たない合金工具鋼における、固溶元素パラメータＱの算出においては、上記数式中のＮｂ１及びＮｂ２に、ゼロが代入される。
この固溶元素パラメータＱは、データベース「ＴＣＦＥ１０」が用いられ、ソフトウェア「Ｔｈｅｒｍｏ－ｃａｌｃ」によって算出される。Ｔｈｅｒｍｏ－ｃａｌｃは、Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢ社が提供する、統合型熱力学計算ソフトウェアである。このソフトウェアにより、熱力学平衡計算がなされる。計算の条件は、以下の通りである。
モード：グラフィカル
圧力：１×１０５Ｐａ
トータルサイズ：１ｍｏｌ
元素を選択した場合に自動的に選択される全ての相が考慮されて、計算がなされる。
モード：グラフィカル
圧力：１×１０５Ｐａ
トータルサイズ：１ｍｏｌ
元素を選択した場合に自動的に選択される全ての相が考慮されて、計算がなされる。
合金工具鋼の固溶元素パラメータＱは、１．１２以上が好ましい。固溶元素パラメータＱが１．１２以上である合金工具鋼では、焼戻し後の二次炭化物の量が多い。この二次炭化物は、合金工具鋼が高温環境で使用されたときの、転位の回復を抑制する。この合金工具は、軟化抵抗性に優れる。軟化抵抗性の観点から、このパラメータＱは１．１３以上がより好ましく、１．１４以上が特に好ましい。軟化抵抗性の観点からは、このパラメータＱは、大きいほど好ましい。現実の合金工具鋼において達成されうるパラメータＱは、１．７０以下である。
固溶元素パラメータＱが１．１２以上である合金工具鋼を得る手段として、
（１）Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ又はＮｂを、比較的多く添加すること、
（２）Ｎの含有率を、比較的少なくすること、
及び
（３）焼入れ温度を、比較的高くすること
が、例示される。
（１）Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ又はＮｂを、比較的多く添加すること、
（２）Ｎの含有率を、比較的少なくすること、
及び
（３）焼入れ温度を、比較的高くすること
が、例示される。
前述の通り、この合金工具鋼は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織を有する合金工具鋼は、靱性及び軟化抵抗性に優れる。例えば焼鈍で得られるフェライト組織を有する合金鋼に比べると、本発明に係る合金工具鋼では、靱性及び軟化抵抗性がより高い次元で両立されうる。後述されるブロックの径が大きく、従ってより軟化抵抗性に優れるとの観点から、金属組織がベイナイトである合金工具鋼が好ましい。
マルテンサイト及びベイナイトは、旧オーステナイト粒内に、下部組織として、パケット、ブロック及びラスを有する。パケットは、同じ晶癖面を有するラスの集団である。このパケットにおける方位差は、１５°以上である。ブロックは、パケットを分断する組織であり、同じ結晶方位を有するラスの集団である。このブロックの方位差は、１５°以上である。ラスは、マルテンサイトの最も小さな下部組織と考えられている。ラス同士の方位差、は２°程度である。
本発明者は、ブロックの径が大きい合金工具鋼において転位の回復が抑制されることを、見出した。この合金工具鋼は、軟化抵抗性に優れる。軟化抵抗性の観点から、ブロックの径は２．０μｍ以上が好ましく、２．２μｍ以上がより好ましく、２．４μｍ以上が特に好ましい。靱性の観点から、ブロックの径は６．０μｍ以下が好ましく、５．７μｍ以下がより好ましく、５．５μｍ以下が特に好ましい。
ブロックの径は、ＦＥＳＥＭ－ＥＢＳＰ法により得られるαＦｅの方位マップから、測定される。測定条件は、以下の通りである。
視野：５０μｍ×５０μｍ
ピッチ：０．０５μｍ
ソフトウェア：ＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＳＬソリューションズ）
隣接する結晶との方位差が１５°以上で囲まれる領域をブロックの一つとして扱い、求めたブロックの面積から円相当径を求めた。求めた円相当径の面積荷重平均した値が、ブロック径と定義される。
視野：５０μｍ×５０μｍ
ピッチ：０．０５μｍ
ソフトウェア：ＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＳＬソリューションズ）
隣接する結晶との方位差が１５°以上で囲まれる領域をブロックの一つとして扱い、求めたブロックの面積から円相当径を求めた。求めた円相当径の面積荷重平均した値が、ブロック径と定義される。
ブロックの径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下である合金工具鋼を得る手段として、
（１）焼入れ温度を、比較的高くすること、
（２）焼入れ時の保持時間を、比較的長くすること、
及び
（３）Ｖ及びＮｂの添加量を適正とすること
が、例示される。
（１）焼入れ温度を、比較的高くすること、
（２）焼入れ時の保持時間を、比較的長くすること、
及び
（３）Ｖ及びＮｂの添加量を適正とすること
が、例示される。
［製造方法］
以下、この合金工具鋼の製造方法の一例が説明される。この製造方法では、まず、前述の組成を有する母材が溶製によって得られる。この母材に塑性加工が施され、中間体が得られる。この中間体が、焼入れに供される。焼入れの温度は、通常は、８５０℃以上１０５０℃以下である。焼入れでは、中間体が急冷される。急冷により、中間体で変態が生じる。この中間体に、焼戻しが施される。焼戻しの温度は、通常は、５５０℃以上７００℃以下である。この焼戻しにより、その材質が合金工具鋼である製品が得られる。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。
以下、この合金工具鋼の製造方法の一例が説明される。この製造方法では、まず、前述の組成を有する母材が溶製によって得られる。この母材に塑性加工が施され、中間体が得られる。この中間体が、焼入れに供される。焼入れの温度は、通常は、８５０℃以上１０５０℃以下である。焼入れでは、中間体が急冷される。急冷により、中間体で変態が生じる。この中間体に、焼戻しが施される。焼戻しの温度は、通常は、５５０℃以上７００℃以下である。この焼戻しにより、その材質が合金工具鋼である製品が得られる。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。
［合金工具鋼の用途］
この合金工具鋼の典型的な用途は、熱間塑性加工に使用される工具である。特に、熱間鍛造用の型に、この合金工具鋼は適している。熱間鍛造用の型として、ハンマー型及びプレス型が例示される。
この合金工具鋼の典型的な用途は、熱間塑性加工に使用される工具である。特に、熱間鍛造用の型に、この合金工具鋼は適している。熱間鍛造用の型として、ハンマー型及びプレス型が例示される。
［熱間鍛造用型］
前述の通り、本明細書は、熱間鍛造用型にも向けられる。この熱間鍛造用型の材質は、合金工具鋼である。この合金工具鋼は、
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不純物である。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織は、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含む。この合金工具鋼の、焼入時固溶元素パラメータＱは、１．１２以上である。この熱間鍛造用型は、靱性及び軟化抵抗性に優れる。この熱間鍛造用型は、長寿命である。
前述の通り、本明細書は、熱間鍛造用型にも向けられる。この熱間鍛造用型の材質は、合金工具鋼である。この合金工具鋼は、
Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不純物である。この合金工具鋼の金属組織は、マルテンサイト又はベイナイトである。この金属組織は、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含む。この合金工具鋼の、焼入時固溶元素パラメータＱは、１．１２以上である。この熱間鍛造用型は、靱性及び軟化抵抗性に優れる。この熱間鍛造用型は、長寿命である。
以下、実施例に係る熱間加工用合金工具鋼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明細書で開示された範囲が限定的に解釈されるべきではない。
［実施例１］
原料を真空溶解炉に投入して溶融し、直径が１９０ｍｍである鋳型に鋳込み、インゴット得た。このインゴットを１１００℃に加熱し、鍛伸を施して、サイズが１５ｍｍ×１５ｍｍである角材を得た。この角材を、９００℃の温度下に３０分間保持した後、油冷による焼入れを施した。この角材を所定温度まで加熱し、空冷による焼戻しを施して、実施例１に係る熱間加工用合金工具鋼を得た。焼戻し後の角材の硬さが３９ＨＲＣから４１ＨＲＣとなるように、焼戻し温度を調整した。この合金工具鋼の組成が、下記の表１に示されている。
原料を真空溶解炉に投入して溶融し、直径が１９０ｍｍである鋳型に鋳込み、インゴット得た。このインゴットを１１００℃に加熱し、鍛伸を施して、サイズが１５ｍｍ×１５ｍｍである角材を得た。この角材を、９００℃の温度下に３０分間保持した後、油冷による焼入れを施した。この角材を所定温度まで加熱し、空冷による焼戻しを施して、実施例１に係る熱間加工用合金工具鋼を得た。焼戻し後の角材の硬さが３９ＨＲＣから４１ＨＲＣとなるように、焼戻し温度を調整した。この合金工具鋼の組成が、下記の表１に示されている。
［実施例２－６及び比較例１－１０］
組成を表１に示される通りとし、焼入れ温度を８００℃以上１２５０℃の範囲内で調整した他は実施例１と同様にして、実施例２－６及び比較例１－１０の熱間加工用合金工具鋼を得た。
組成を表１に示される通りとし、焼入れ温度を８００℃以上１２５０℃の範囲内で調整した他は実施例１と同様にして、実施例２－６及び比較例１－１０の熱間加工用合金工具鋼を得た。
［軟化抵抗試験］
前述の角材（焼戻し後）を、６２０℃の温度下に１００時間保持した。この角材を、空冷した。この角材の硬さを測定し、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：硬さが２６ＨＲＣ以上である。
Ｂ：硬さが２６ＨＲＣ未満である。
この結果が、下記の表２に示されている。
前述の角材（焼戻し後）を、６２０℃の温度下に１００時間保持した。この角材を、空冷した。この角材の硬さを測定し、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：硬さが２６ＨＲＣ以上である。
Ｂ：硬さが２６ＨＲＣ未満である。
この結果が、下記の表２に示されている。
［転位密度］
前述の軟化抵抗試験の後の角材に、下記の条件にて、Ｘ線回折測定を実施した。
Ｘ線源：Ｃｕ－Ｋα線
計数時間：２秒
ステップサイズ：０．０２°
測定範囲２θ：３５°から１４０°
得られたマルテンサイトからの回折ピークを用いて、Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ／Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法による転位密度の定量を実施した。装置起因のピーク広がりは、ＬａＢ６を用いて補正した。この転位密度を、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：転位密度が１．０×１０１４以上である。
Ｂ：転位密度が１．０×１０１４未満である。
この結果が、下記の表２に示されている。
前述の軟化抵抗試験の後の角材に、下記の条件にて、Ｘ線回折測定を実施した。
Ｘ線源：Ｃｕ－Ｋα線
計数時間：２秒
ステップサイズ：０．０２°
測定範囲２θ：３５°から１４０°
得られたマルテンサイトからの回折ピークを用いて、Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ／Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法による転位密度の定量を実施した。装置起因のピーク広がりは、ＬａＢ６を用いて補正した。この転位密度を、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：転位密度が１．０×１０１４以上である。
Ｂ：転位密度が１．０×１０１４未満である。
この結果が、下記の表２に示されている。
［靱性］
前述の角材（焼戻し後）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。条件は、下記の通りである。
試験片：ＪＩＳ－３号 縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
ノッチ：Ｕノッチ
温度：常温
この衝撃値を、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ２以上である。
Ｂ：衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ２以下である。
この結果が、下記の表２に示されている。
前述の角材（焼戻し後）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。条件は、下記の通りである。
試験片：ＪＩＳ－３号 縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
ノッチ：Ｕノッチ
温度：常温
この衝撃値を、下記の基準に従って格付けした。
Ａ：衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ２以上である。
Ｂ：衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ２以下である。
この結果が、下記の表２に示されている。
表１に示されたそれぞれの合金の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
表２に示される通り、各実施例に係る熱間加工用合金工具鋼は、靱性及び軟化抵抗性に優れている。これらの評価結果から、この合金工具鋼の優位性は明らかである。
以上説明された熱間加工用合金工具鋼は、高温環境下にて使用される種々の金属製品に、適している。
Claims (1)
- Ｃ：０．４０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｓｉ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｎｉ：０．２０質量％以上２．１０質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上２．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．６０質量％以下、
Ｖ及び／又はＮｂ：合計で０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
並びに
Ｎ：０．０２０質量％以下
を含有しており、
残部がＦｅ及び不純物であり、
その金属組織がマルテンサイト又はベイナイトであり、
上記金属組織が、その径が２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるブロックを含んでおり、
下記数式で算出される焼入時固溶元素パラメータＱが１．１２以上である、熱間加工用合金工具鋼。
Q = (Cr1 + Mo1 + V1 + Nb1) / (Cr2 + Mo2 + V2 + Nb2)
（この数式において、
Ｃｒ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ１は焼入れ温度においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表し、
Ｃｒ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＣｒの量（質量％）を表し、
Ｍｏ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＭｏの量（質量％）を表し、
Ｖ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＶの量（質量％）を表し、
Ｎｂ２は８００℃においてオーステナイトに固溶するＮｂの量（質量％）を表す。）
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