JP2602903B2

JP2602903B2 - 温間および熱間加工用工具鋼

Info

Publication number: JP2602903B2
Application number: JP63156479A
Authority: JP
Inventors: 利夫奥野; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JPH028347A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は常温強度、耐摩耗性が良好で、かつ十分な焼
入性を備えており、特に高温強度、靫性が優れているこ
とを特徴とする温間および熱間加工用工具鋼に関するも
のである。

〔従来の技術〕

温間鍛造、熱間精密プレス鍛造用の金型など鍛造製品
の寸法精度が特に優れていることが要求される用途の金
型に対しては、従来高温強度の特に高い熱間工具鋼SKD8
や常温〜高温強度の高い高速度工具鋼系型材（例えばSK
H51）が使用されている。

しかし、SKD8の場合、低〜中Ｃ量のため高い常温強度
（初期硬度）が得難いため、加工温度が低い場合、へた
り、摩耗を早期に生ずる場合があり、また加工温度が高
い場合でも、表面層を支える内層の強度が十分でない場
合があった。

一方在来の高速度工具鋼（例えばSKH51）を本分野の
金型に適用した場合、靫性不足による大割れが生じやす
い、高温下での軟化抵抗が十分でないため、ヒートクラ
ックが発生し易いなどの問題点より必ずしも十分な型寿
命が得られていない。

また、従来鋼は炭化物形成元素を多量に含むため鋼材
に熱間加工方向に沿う炭化物の紐状分布を生じ、上記の
大割れ、ヒートクラックの発生を助長していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来鋼SKD8、SKH51の問題点の改善について
特公昭55−2466号、特公昭57−26342号、特開昭62−112
761号、特公昭55−49148号、特公昭58−17250号等、種
々提案がなされ、一定の改善効果が得られているもの
の、未だ、型寿命に対する要求を十分満たしたものでは
なかった。それぞれの問題点は実施例の項にて述べる。

本発明鋼は従来鋼の問題点である高温強度、靫性を改
善し、かつ炭化物の紐状分布を抑え、高温でのへたりに
強く、かつクラックの熱間加工方向への進展しにくい型
材を開発し、問題点を解決しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明鋼の化学組成は炭化物形成元素の量、バランス
について系統的な検討を行ない、高温強度、靫性の両面
からの最適化をはかり、かつ素材の炭化物の紐状分布の
形成傾向を減じ、適量の炭化物を分散分布させたもので
ある。

併せて、Nb添加さらにはＮ添加による結晶粒の微細化
に特徴を有する。すなわち、特に型材の昇温温度が高い
場合、軟化抵抗を高めるために焼入温度を高くすること
が常套手段であるが、結晶粒の粗大化により靫性が低下
する。これを抑えるためにはNbの添加が特に効果的であ
る。この効果は、Niを含有せしめることにより更に顕著
となる。すなわち、Ni添加による基地の本質的な靫性改
善とあいまって、特に優れた靫性付与を可能とするので
ある。

また温、熱間での耐摩耗性付与のためにCoを添加し、
使用時の昇温により型表面に緻密で固着性の大きい酸化
皮膜を形成させ、これによる潤滑作用および断熱効果に
より母材の強度、適量の炭化物分布とあいまって、温間
および熱間での耐摩耗性、耐肌荒れ性を大幅に改善した
ものである。

すなわち本発明は、重量％でC 0.45〜0.7％、Si 0.1
以上0.60％以下、Mn 1.50％以下、Cr 3.00〜5.50％、Ｗ
およびMoの１種または２種が1/2W＋Moで2.00〜3.50％、
V 0.80〜1.60％、Co 0.30〜5.00％、Nb 0.20％以下、お
よび場合によっては、Ni 1.8％以下、N 0.10％以下を適
宜含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記
不可避的不純物のうちのＳは0.005％以下であることを
特徴とする温間および熱間加工用工具鋼である。

〔作用〕

次に本発明鋼の成分範囲の限定理由について述べる。

Ｃは、本発明の優れた焼入性、焼もどし硬さ、および
高温硬さを与えるために添加するものである。多すぎる
と靫性を低下させ、また紐状の炭化物分布を生じさせる
ので0.70％以下とし、少なすぎると上記添加の効果が得
られないので、含有量を0.45％以上とする。

Siは、使用中の昇温による保護性酸化皮膜を形成させ
にくくし、また、靫性、熱伝導性を低下させるので0.10
％以上0.60％以下とする。更に望ましくは0.10％以上0.
30％以下である。

Mnは、焼入性を向上させるが、多すぎるとA₁変態点を
過度に低下させ、焼なまし硬さを過度に高くし、被切削
性を低下させるので1.50％以下とする。

Niは、Ｃ、Cr、Mn、Mo、Ｗなどとともに本発明に優れ
た焼入性を付与し、緩やかな焼入冷却速度の場合にも、
マルテンサイト主体の組織を形成し、靫性の低下を防ぐ
ための重要な添加元素である。また基地の本質的な靫性
改善を与える。

Niは上記効果を得るために添加されるが、多すぎると
A₁変態点を過度に低下させ、耐へたり寿命の低下をまね
き、焼なまし硬さを過度に高くして機械加工性を低下さ
せるので、含有せしめる場合には1.80％以下とする。

Crは、適正な添加量の設定により焼もどし軟化抵抗お
よび高温強度の向上、Ｃと結合して炭化物を形成するこ
とによる耐摩耗性の向上、焼入性の向上および迅速窒化
性付与の効果を有するものである。低すぎると耐酸化性
が不足し、使用時肌荒れを生じやすく、上記の添加効果
とともに本発明鋼の特徴である優れた靫性を得るために
3.00％以上添加する。高すぎると昇温時凝集し易い炭化
物を形成し、軟化抵抗、高温強度を低下させるので5.50
％以下とする。

Ｗ、Moは単独または複合で添加することができ、焼入
加熱時、基地に固溶しにくい炭化物を形成して耐摩耗性
向上に効果をもたらすものであり、また焼もどし時微細
な炭化物を析出して軟化抵抗、高温強度を増加させる効
果を有するものである。

Ｗ、Moは上記の効果を得るために添加されるものであ
るが、多すぎるとＣ量との関係において炭化物量が過度
に大となり、これが熱間加工方向に紐状に整列し、熱間
加工方向へのクラックが伸展しやすくなり、また焼もど
し時析出する微細炭化物量が過度に大となり靫性を低下
させるため、ＷおよびMoの１種または２種を1/2W＋Moで
3.50％以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られな
いので、2.00％以上とする。

Ｗ添加はMo添加の場合よりも高温強度、耐摩耗性を高
める効果が大きく、一方靫性面ではMoの方が有利であ
る。

Ｖは炭化物を形成して耐摩耗性および耐焼付性に向上
効果を有するものであり、焼入加熱時基地に固溶して焼
もどし時微細な凝集しにくい炭化物を析出し、高い温度
域における軟化抵抗を大とし、大きな高温耐力を与える
ための重要な元素である。

また結晶粒を微細化して靫性を向上させるとともに、
A₁変態点を上げ、優れた高温耐力とあいまって、耐ヒー
トクラック性を向上させる効果をもたらすものである。

本発明鋼の特徴である優れた靫性と高温強度の兼備の
ためにＶ量の設定は非常に重要である。

多すぎると巨大な炭化物を生成し、熱間加工方向に沿
う紐状炭化物の分布傾向を増大させ、熱間加工方向に沿
うクラックの進展を助長するため、1.60％以下とし、低
すぎると型表面部の早期軟化をまねくなど上記添加の効
果が得られないので0.80％以上とする。

Coは、使用中の昇温時、極めて緻密で密着性の良い保
護酸化皮膜を形成し、これにより相手材との間の金属接
触を除き、金属表面の温度上昇を防ぐとともに優れた耐
摩耗性をもたらすものである。

また、この酸化皮膜形成による断熱効果、保護作用に
よる耐ヒートクラック性の向上、クラック発生の起点の
生成の抑制などの効果が得られるものである。

Coは上記効果を付与するために添加するが、多すぎる
と靫性を低下させるので5.00％以下とし、低すぎると上
記添加の効果が得られないので0.30％以上とする。

Nbは、軟化抵抗、高温強度を高めるために、高目の温
度で焼入する時の結晶粒粗大化を抑制する効果を有し、
本発明鋼の特徴である優れた高温強度と靫性の兼備をも
たらすための重要な元素である。

多すぎると、固溶しにくい炭化物を形成し、靫性を低
下させるため0.20％以下とする。

Ｓは硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて分布し、
熱間加工方向の靫性を低下させる。これに及ぼすＳの影
響は、0.005％以下でその効果が大きくなり、さらにS
0.003％以下でその効果が際立って大きくなることを見
出したものでＳの上限を0.005％とし、いっそう望まし
い範囲を0.003％以下とする。

Ｎは結晶粒の微細化効果をもたらし、本発明鋼の靫性
向上をもたらすもので、この目的のために添加を行な
う。

多量の添加は必要なく、溶製、造塊時の製造性を考慮
して0.10％以下とする。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

第１表に本発明鋼、比較鋼および従来鋼の化学組成を
示す。第２表は本発明鋼および従来鋼の標準的な熱処理
条件における高温強度とＴ方向（熱間加工に直角）の靫
性を示す。

高温強度は120mmφ鋼材からＬ方向（熱間加工に平
行）に採取した試料による700℃における引張強さで示
し、Ｔ方向の靫性は120mmφ鋼材からＴ方向に採取した
試料による10mmRシャルピー衝撃試験の結果で示す。

本発明鋼は従来鋼に対しＴ方向の靫性が明らかに優れ
ている点に大きな特徴がある。

これは本発明鋼は基地の靫性が高いのに加え、残留炭
化物の紐状分布の形成傾向や縞状編析の傾向が小さいた
めである。従来鋼を用いた工具では紐状に分布した炭化
物に沿った大割れが早期に起ったり、熱応力により発生
したヒートクラックが紐状に分布した炭化物に沿って伸
展し易く工具表面の損傷が早く、十分な工具寿命が必ず
しも得られていなかったが、本発明鋼を用いることによ
り、大割れの発生が無くなり、また工具表面の損傷によ
る工具寿命も向上した。また高温強度についても従来鋼
の場合と同等以上の強さを備えている。

次に、本発明鋼と従来鋼の特性を比較し、それぞれの
問題点を指摘しておく。

従来鋼Ｓ（特公昭55−2466号）は、Ｔ方向の靫性が低
い。これはＶ量に対しＣ量が高すぎ、VC炭化物が熱間加
工方向に紐状に分布しているためである。

従来鋼Ｔ（特公昭57−26342号）も、同様にＴ方向の
靫性が低い。Ｖ、Ｃ量が高すぎ、VC炭化物の熱間加工方
向への紐状分布傾向が強いのに加え、Ｗ、Mo量が多す
ぎ、焼もどし時の析出炭化物量が多すぎるためである。

従来鋼Ｕ（特開昭62−112761号）は、残留炭化物の紐
状分布は無いものの、Ｗ、Mo量が多すぎ、本発明鋼より
靫性が下回ることと、高温強度に寄与するＶ量が低す
ぎ、この面でも本発明鋼より下回っている。

従来鋼Ｖ（特公昭55−49148号）は靫性が低い。これ
は含有Si量が高すぎるためである。

従来鋼Ｗ（特公昭58−17250号）は、高温強度が低
い。これは高温下の加熱で炭化物の凝集を促進するCrを
多量に含むためである。

第３表は本発明鋼Ａおよび比較鋼Ｐの焼入温度と焼入
組織のオーステナイト結晶粒度、高温強度および靫性
（Ｌ方向10mmRシャルピー衝撃値）の関係を示したもの
である。

第３表から本発明鋼Ａおよび比較鋼Ｐともに焼入温度
が高いほど高温強度が増すことが明らかであるが、比較
鋼Ｐは焼入温度の上昇とともに靫性が低下する。これは
焼入温度の上昇とともに焼入組織のオーステナイト結晶
粒が粗大化し、組織が粗くなるためである。これに対
し、Nbを添加した本発明鋼Ａは焼入温度が上昇して靫性
が低下しない。これはNbがオーステナイト結晶粒の粗大
成長を防ぐためであり、特に高温強度、軟化抵抗が重要
な用途に対してはNbの重要性が認識される。

第４表は本発明鋼の高温焼付試験における焼付臨界荷
重（比）を示す。この試験は、試料は円柱状試料で、熱
処理、研磨仕上後あらかじめ550℃における空気酸化処
理を行なったのち、700℃に加熱した鋼材（相手材）に
高速で回転しながら、端面を押しつけた場合の焼付が起
らない最大荷重（臨界荷重）を求め、従来鋼（SKH51）
の焼付臨界荷重を100として指数で示したものである。

本発明鋼は従来鋼より明らかに焼付臨界荷重が高いこ
とがわかる。

これは、高温強度、炭化物分布などによる耐摩耗性付
与に加えて上記酸化処理により本発明鋼の試料表面に形
成された緻密で剥離しにくい酸化皮膜による保護作用な
らびに潤滑作用によるものであり、本発明鋼の大きな特
色の一つである。

〔発明の効果〕以上説明したように本願発明鋼は、高強度材における
問題点であった、鋼材の熱間加工方向の靫性が大きく改
善され、優れた高温響度と酸化皮膜特性を備え、温間お
よび熱間加工用工具として使用し、へたり、ヒートクラ
ック、大割れ、摩耗を生じにくく優れた工具寿命をもた
らすものであり、その効果は非常に大きい。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−59053（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−112761（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−67152（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC 0.45〜0.7％、Si 0.10％以上0.
60％以下、Mn 1.50％以下、Cr 3.00〜5.50％、Ｗおよび
Moの１種または２種が1/2W＋Moで2.00〜3.50％、V 0.80
〜1.60％、Co 0.30〜5.00％、Nb 0.20％以下、残部Feお
よび不可避的不純物からなり、鋼のＬ方向から採取した
試料につき、1120℃〜1160℃で焼入れした後にHRC55以
上に焼戻しした時の10mmRシャルピー衝撃値が10kgm/cm²
以上、かつ700℃における引張強さが55kg/mm²以上であ
り、前記不可避的不純物のうちのＳは0.005％以下であ
ることを特徴とする温間および熱間加工用工具鋼。
【請求項２】重量％でC 0.45〜0.7％、Si 0.10％以上0.
60％以下、Mn 1.50％以下、Cr 3.00〜5.50％、Ｗおよび
Moの１種または２種が1/2W＋Moで2.00〜3.50％、V 0.80
〜1.60％、Ni 1.8％以下、Co 0.30〜5.00％、Nb 0.20％
以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、鋼のＬ方
向から採取した試料につき、1120℃〜1160℃で焼入れし
た後にHRC55以上に焼戻しした時の10mmRシャルピー衝撃
値が10kgm/cm²以上、かつ700℃における引張強さが55kg
/mm²以上であり、前記不可避的不純物のうちのＳは0.00
5％以下であることを特徴とする温間および熱間加工用
工具鋼。
【請求項３】重量％C 0.45〜0.7％、Si 0.10％以上0.60
％以下、Mn 1.50％以下、Cr 3.00〜5.50％、ＷおよびMo
の１種または２種が1/2W＋Moで2.00〜3.50％、V 0.80〜
1.60％、Co 0.30〜5.00％、Nb 0.20％以下、N 0.10％以
下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、鋼のＬ方向
から採取した試料につき、1120℃〜1160℃で焼入れした
後にHRC55以上に焼戻しした時の10mmRシャルピー衝撃値
が10kgm/cm²以上、かつ700℃における引張強さが55kg/m
m²以上であり、前記不可避的不純物のうちのＳは0.005
％以下であることを特徴とする温間および熱間加工用工
具鋼。
【請求項４】重量％でC 0.45〜0.7％、Si 0.10％以上0.
60％以下、Mn 1.50％以下、Cr 3.00〜5.50％、Ｗおよび
Moの１種または２種が1/2W＋Moで2.00〜3.50％、V 0.80
〜1.60％、Ni 1.8％以下、Co 0.30〜5.00％、Nb 0.20％
以下、N 0.10％以下、残部Feおよび不可避的不純物から
なり、鋼のＬ方向から採取した試料につき、1120℃〜11
60℃で焼入れした後にHRC55以上に焼戻しした時の10mmR
シャルピー衝撃値が10kgm/cm²以上、かつ700℃における
引張強さが55kg/mm²以上であり、前記不可避的不純物の
うちのＳは0.005％以下であることを特徴とする温間お
よび熱間加工用工具鋼。