JP2746919B2 - 温間および熱間加工用工具鋼 - Google Patents

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、靭性が優れているこ
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。

一方従来の高速度工具鋼（例えばSKH51）を本分野の
金型に適用した場合、靭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十分な型寿命が必ず
しも得られていない。

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。前記提案の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、靭性を改
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、靭性の両面
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。

また温、熱間での耐摩耗性付与と耐肌荒れ性の改善の
ためにCoを添加する。Coは金型の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することに
寄与し、この酸化皮膜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する
ことができる。

併せて、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有効である
が、液晶粒粗大化により靭性が低下する。これを抑える
ために本発明ではＮを添加せしめる。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靭性改善とあいまって、特に
優れた靭性付与を可能とするのである。

すなわち本発明は、重量％でC0.50％を越え0.61％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、およ
び場合によってはNi1.8％以下、N0.10％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
と靭性を低下させ、また紐状の炭化物分布を生じさせる
ので0.61％未満とし、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0.5％を越えるものとする。

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、また靭性、熱伝導性を低下させるので0.60％
以下とする。更に望ましくは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、靭性の低下を防ぐ
ための重要な添加元素である。また基地の本質的な靭性
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靭性を得るために
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靭性を低下
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、一方靭性面では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靭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靭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、熱間方向に沿う紐
状炭化物の分布傾向を増大させ、熱間方向に沿うクラッ
クの伸展を助長するため、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
触が防止できるので耐肌荒れ性の向上、金属表面の温度
上昇の防止および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と保護作用に
より、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
と靭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。

Ｓは主にMnと硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて
分布し、熱間加工方向の靭性を低下させる。したがっ
て、靭性を向上させるためにはＳ量は低い方がよい。Ｓ
量は0.005％以下で靭性向上の効果が大きくなり、さら
にS0.003％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、一層望ましい
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、本発明鋼の一層
の靭性向上をもたらすもので、この目的のために添加を
行なってもよい。

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（鍛伸方向に直角方向）
の靭性を示す。

高温強度は120mmφ鋼材からＬ方向（鍛伸平行方向）
に採取した試料による700℃における引張強さで示し、
Ｔ方向の靭性は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。

本発明鋼は従来鋼および比較鋼H,Iに対しＴ方向の靭
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靭性が高いのに加え、残留炭
化物の紐状分布の形成傾向や縞状偏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Ｌ（特公昭55−2466号）は、Ｔ方向の靭性が低
い。これはＶ量に対しＣ量が高すぎ、VC炭化物が鍛伸方
向に紐状に分布しているためである。

従来鋼Ｍ（特公昭57−26342号）も、同様にＴ方向の
靭性が低い。Ｖ、Ｃ量が高すぎ、VC炭化物の鍛伸方向へ
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Ｎ（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
靭性が下回ることと、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Ｏ（特公昭55−49148号）は靭性が低い。これ
は含有Si量が高すぎるためである。

従来鋼Ｐ（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表は本発明鋼の高温焼付試験における焼付臨界荷
重（比）を示す。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Ｔ方向の靭性が大きく改善さ
れ、優れた高温強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。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でC0.50％を越え0.61％未満、Si0.6
   0％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ことを特徴とする温間および熱
   間加工用工具鋼。
2. 【請求項２】重量％でC0.50％を越え0.61％未満、Si0.6
   0％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％、Ni1.8％以下、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ことを特徴と
   する温間および熱間加工用工具鋼。
3. 【請求項３】重量％でC0.50％を越え0.61％未満、Si0.6
   0％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、N0.10％以
   下、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴と
   する温間および熱間加工用工具鋼。
4. 【請求項４】重量％でC0.50％を越え0.61％未満、Si0.6
   0％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％、Ni1.8％以下、Co0.30〜5.00％、S0.005％以
   下、N0.10％以下、残部Feおよび不可避的不純物からな
   ることを特徴とする温間および熱間加工用工具鋼。