JP2709880B2 - 過冷処理で硬化する鋼材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、アルミ、鋼板
等の金属製薄板材等をプレス加工する際に用いられる例
えばプレス金型やトリミング金型等のように、機械加工
性と機械加工後の硬さとが必要とされる製品の製造に利
用される鋼材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、大型の冷間プレス金型の材料には
鋳鉄材が主に用いられており、また、トリミング金型も
同様に鋳鉄製であるが、この鋳鉄材では薄鋼板を切断す
るには硬さが不足している。そこで、これらの鋳鉄製金
型における刃物となる部分にＨＲＣ４５以上となる硬化
肉盛溶接を行い、刃物部分を削りだすとか、または、焼
き入れした合金鋼製の刃物や焼き入れ可能な合金鋼製の
刃物を金型の刃物の位置にボルトなどで取り付けた後、
焼き入れしてＨＲＣ４５以上の硬さの刃物部分を形成し
ている。

【０００３】しかしながら、前者の硬化肉盛溶接法の場
合には、肉盛された溶接材が溶接のままで既に硬く、刃
物への切削加工が困難で、切削工具の損傷が生じるため
に切削工賃、工数がかかり、さらに前記のように切削工
具が損傷するために自動切削ができない、という問題が
ある。また、後者の合金鋼製で作った刃物部分を焼き入
れする方法では、数百度の高温に加熱した後、水、油等
で冷却する必要がある。しかも、この数百度に加熱する
操作により、材料の酸化、歪等が生じるため焼き入れ前
に仕上げ代を残して置かなければならず、粗加工の状態
で焼き入れを行い、焼き入れ後に砥石による研削、放電
加工等で最終仕上げを行う必要があるため、この方法で
も加工時間が非常に長くかかり、またコストもかかる。
更に、粗加工の状態で形状的不連続があれば割れが発生
する場合もある。また、刃物部分を焼き入れ前に基材に
取り付け、その後火炎などにより焼き入れする方法もあ
るが、前記同様に高温加熱するためやはり同様な問題が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来に
おいては、冷間プレス金型やトリミング金型等における
刃物部分のようにＨＲＣ４５以上の硬さが必要な場合に
は、機械加工性、あるいは高温加熱や冷却といった熱処
理による歪の発生、加工工程の煩雑さ、さらに、硬化肉
盛溶接方法で母材が鋳鉄の場合には母材に含まれる炭素
の影響による溶接割れの発生、靱性の低下等の多くの問
題があった。本発明は上記の点に鑑み、良好な機械加工
性を有し、かつ簡単な処理でしかも歪等の発生もなく硬
さがＨＲＣ５以上上昇しうる鋼材を提供せんとするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明に係る鋼材は、成分組成が、Ｃ ０．３０〜
１．５０％、Ｍｎ ０．３０〜６．００％、Ｃｒ ０．
３０〜１０．００％、Ｃｏ ０．３０〜１０．００％、
Ａｌ、残部がＦｅであり、かつ、各成分組成が、下式に
より算出したマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が１
５０〜−５０℃の範囲内となる範囲である過冷処理で硬
化する鋼材である。更に、圧延または鋳造等による焼き
入れまたは焼き入れ、焼きもどし熱処理後によってＡ３
変態点以上の温度から急冷したときの硬さがＨＲＣ４５
以上で、かつその後０℃以下の過冷処理で硬さがＨＲＣ
５以上上昇する鋼材である。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ（％）−４０×Ｍｎ
（％）−２０×Ｃｒ（％）＋１５×Ｃｏ（％）＋３０×
Ａｌ（％）

【０００６】前記の成分組成に、更にＶ、Ｎｉ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｃｕから選んだ１種または２種以上を含むもので、
かつ、各成分組成範囲が、下式により算出したマルテン
サイト変態開始温度（Ｍｓ）が１５０〜−５０℃の範囲
内となる範囲である鋼材、並びに、圧延または鋳造等に
よる焼き入れまたは焼き入れ、焼きもどし熱処理により
Ａ３変態点以上の温度から急冷したときの硬さがＨＲＣ
４５以上で、かつその後０℃以下の過冷処理で硬さがＨ
ＲＣ５以上上昇する鋼材である。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ（％）−４０×Ｍｎ
（％）−３５×Ｖ（％）−２０×Ｃｒ（％）−１７×Ｎ
ｉ（％）−１０×Ｍｏ（％）−５×Ｗ（％）＋１５×Ｃ
ｏ（％）＋３０×Ａｌ（％）−１０×Ｃｕ（％）

【０００７】なお、マルテンサイト変態終了温度（以下
「Ｍｆ温度」という。）という場合は、下式により計算
した値をいう。 Ｍｆ（℃）＝Ｍｓ−２３０

【０００８】前記の場合に鋼材の基本成分組成中の各成
分の含有量の範囲が限定される理由は以下のとおりであ
る。

【０００９】先ず、ＣはＭｓ温度、Ｍｆ温度の決定と、
他の元素成分と炭化物を作る最も有効な元素であって、
このＣ量が０．３０％未満ではＭｓ温度、Ｍｆ温度を調
整するために他の元素を多量に添加する必要が生じて不
経済であり、また炭化物量が不足して鋼材の耐摩耗性が
得られない。一方、このＣ量が１．５０％を超えるとＭ
ｓ温度、Ｍｆ温度が低下しすぎて他の元素を添加でき
ず、そのために靱性のない鋼材となる。

【００１０】Ｍｎ量の下限を０．３０％とした理由は、
Ｍｎ量がこれ未満では鋼材の靱性が不足する。また、Ｍ
ｎは比較的安価な元素で、脱酸元素として、あるいは靱
性の向上、更には、Ｍｆ温度、Ｍｆ温度を下げる効果と
して有効であるが、６．００％を越えた場合は、脱酸効
果、靱性向上効果の有効性が薄く不経済である。

【００１１】ＣｒはＣとの親和力が強く、硬さの高い炭
化物を形成して鋼材の耐摩耗性を向上させる効果があ
る。しかし、このＣｒ量が０．３０％未満では前記の効
果がなく、また、１０．００％を越えると硬さが高くな
りすぎて鋼材の靱性、加工性が低下する。

【００１２】Ｃｏは炭化物の析出を遅らせ、鋼材の過冷
処理前の硬さの上昇を抑制する効果があるが、このＣｏ
量が０．３％未満ではそのような効果が得られず、ま
た、１０．００％を越えるとＭｓ温度、Ｍｆ温度が高く
なりすぎ、所要の硬さが得られないばかりか、Ｃｏは高
価なため不経済でもある。

【００１３】なお、上記以外の元素の含有量としては、
前記の式により計算したＭｓ温度が＋１５０℃〜−５０
℃の範囲内であれば良い。例えば、この他の元素として
は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒといったものがある。前記
のうちで、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等はＭｓ温度やＭｆ温度に
は直接関係しないが、脱酸、靱性の改善といった効果が
あり、これらの金属元素を添加することもできる。

【００１４】更に、上記以外の元素であっても、前式に
より計算したＭｓ温度が＋１５０℃〜−５０℃の範囲内
であれば、例えば、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ等も、Ｍ
ｓ温度やＭｆ温度の調整のために、これらの金属元素を
添加することもできる。

【００１５】

【作用】上記の本発明に係る鋼材を圧延または鋳造によ
り製作すると、Ｍｓ温度が１５０℃〜−５０℃で、Ｍｆ
温度が常温以下のために、圧延、鋳造等の焼き入れまた
は焼き入れ、焼きもどし処理でＡ３変態点以上の温度か
ら急冷しても完全にマルテンサイト変態が終了せず、未
変態のオーステナイトとなり硬さがＨＲＣ４５以下とな
る。硬さがＨＲＣ４５以下であれば機械加工が容易とな
る。そして、機械加工後、ドライアイス、液体窒素、あ
るいは冷凍庫等で０℃以下に過冷することで、マルテン
サイト変態が開始し始め、未変態のオーステナイトがマ
ルテンサイトに変態し、硬さがＨＲＣ５以上上昇して耐
摩耗性が得られる。

【００１６】このように、本発明に係る鋼材は、過冷却
により硬度を上昇させるものであるから、従来の焼き入
れする場合のように、金属が酸化したり、あるいは高温
加熱と冷却といった熱処理に伴う歪が発生するといった
こともなく、また、特別な加工機械を必要とせず、容易
に加工でき仕上げ加工後に硬化させることが可能であ
る。

【００１７】

【実施例】

（実験１）図１は、表１に示す如くＣｏの添加量を変化
させてＭｓ温度が１１０〜１２０℃となるように合金組
成を調整した鋼材を鋳造により制作し、この鋼材の鋳造
による焼き入れ後の硬さ、および、その後の過冷処理後
の硬さを測定することにより、Ｃｏの効果を調べた結果
である。

【００１８】

【表１】

【００１９】上記の結果より、Ｃｏを添加しない場合
は、Ｍｓ温度が＋１５０〜−５０℃の範囲内であっても
焼き入れたままでの硬さが高く機械加工性が悪く、Ｃｏ
の添加量が多くなるにつれ、焼き入れ後の硬さが低くな
るとともに、過冷処理により硬さが高くなることが判っ
た。しかし、Ｃｏが１０％を越えると過冷処理前の焼き
入れ後の硬さがＨＲＣ４５以上となり機械加工性が低下
する。

【００２０】（実験２）表２は、鋼材中の各成分の比率
を変化させて鋳造により製作した鋼材の成分組成と、そ
れぞれのＭｓ温度、Ｍｆ温度を示したものである。表３
に、表２に示した鋼材をドライアイスにより過冷処理し
た後の加工の難易、硬さおよび硬化後の摩耗減量を調べ
た結果を示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】また、前式により求めたＭｓ温度と過冷処
理後の硬さの関係を図２に示した。なお、摩耗減量につ
いては、図３に示すように２枚の試験片により10kg/cm2
の圧力で超硬板を挟み込み、試験片を１分間に２０往復
する速度で５万回摺動した時の試験前と試験後の重量差
を測定した。

【００２４】上記の実験結果より、鋼材のＭｓ温度が＋
１５０℃より高くなれば、圧延、鋳造等の焼き入れまた
は焼き入れ、焼きもどし熱処理後のＡ３変態点以上の温
度からの急冷で残留オーステナイトの量が減少し、硬さ
がＨＲＣ４５以上となる。また、鋼材のＭｓ温度が−５
０℃よりも低くなれば、硬さは低くなるが過冷処理して
も硬さが低く耐摩耗性が得られない。これに対し、鋼材
のＭｓ温度が＋１５０℃〜−５０℃で、かつ成分組成が
上記した本発明の範囲内であれば、圧延、鋳造等におけ
るＡ３変態点以上の温度からの急冷で硬さがＨＲＣ４５
以下で、かつ過冷処理後の硬さがＨＲＣ５以上上昇する
ことがわかる。

【００２５】また、供試材のＮｏ．１３、１４は、組成
成分中にＭｓ温度およびＭｆ温度を調整する他の元素を
添加し、またはＣｒ、Ｍｎと置換した鋼材であるが、硬
さ、耐摩耗性ともに前記と同様の結果であることがわか
る。

【００２６】

【発明の効果】以上の結果から明かなように、本発明に
係る鋼材は圧延、鋳造等における焼き入れ、焼きもどし
熱処理によってＡ３変態点以上の温度から急冷した後の
硬さが低いことから、切削加工が容易にでき、この鋼材
を用いてプレス金型やトリミング金型の刃物または金型
構成部品を製作すれば、加工時の切削工具の欠損が生じ
ないために、工具費の削減が可能であるとともに、工具
を取り替える必要がなくＮＣフライス等による無人自動
切削加工も可能となる。更には、前記の加工後において
はドライアイス、液体窒素、あるいは冷凍庫等を用いて
過冷処理するだけの簡単な処理で硬さを上げることがで
き、従来の焼き入れ処理のように高温加熱と冷却による
歪、酸化、割れ等の発生もなく、また、特別な加工方法
や工程を必要としないために、工程数の削減、コストの
低減、工具の短縮化をも可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 成分組成中のＣｏ量を変化させた鋼材の焼き
入れ後と過冷処理後の硬さを示すグラフ。

【図２】 各種成分組成の鋼材のＭｓ温度と焼き入れ
後、過冷処理後の硬さとの関係を示すグラフ。

【図３】 摩耗減量の測定方法を示す概略図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大野 茂 大阪府交野市私部８丁目17の10 (72)発明者 田中 敬三 埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホ ンダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 西川 昇 埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホ ンダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 河瀬 剛毅 神奈川県横浜市戸塚区東俣野町1186番16 号

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成分組成が、Ｃ ０．３０〜１．５０
   ％、Ｍｎ ０．３０〜６．００％、Ｃｒ ０．３０〜１
   ０．００％、Ｃｏ ０．３０〜１０．００％、Ａｌ、残
   部がＦｅであり、かつ、各成分組成範囲が、下式により
   算出したマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が１５０
   〜−５０℃の範囲内となる範囲である過冷処理で硬化す
   る鋼材。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ（％）−４０×Ｍｎ
   （％）−２０×Ｃｒ（％）＋１５×Ｃｏ（％）＋３０×
   Ａｌ（％）
2. 【請求項２】 成分組成が、請求項１記載の鋼材の成分
   組成にさらにＶ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕから選んだ１種
   または２種以上を含むものであり、かつ、各成分組成範
   囲が、下式により算出したマルテンサイト変態開始温度
   （Ｍｓ）が１５０〜−５０℃の範囲内となる範囲である
   過冷処理で硬化する鋼材。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ（％）−４０×Ｍｎ
   （％）−３５×Ｖ（％）−２０×Ｃｒ（％）−１７×Ｎ
   ｉ（％）−１０×Ｍｏ（％）−５×Ｗ（％）＋１５×Ｃ
   ｏ（％）＋３０×Ａｌ（％）−１０×Ｃｕ（％）
3. 【請求項３】 圧延または鋳造等により製造され、焼き
   入れまたは焼き入れ、焼きもどし熱処理後の硬さがＨＲ
   Ｃ４５以上で、かつその後０℃以下の過冷処理で硬さが
   ＨＲＣ５以上上昇する請求項１または請求項２記載の鋼
   材。