JP2755301B2

JP2755301B2 - 熱間加工用工具鋼

Info

Publication number: JP2755301B2
Application number: JP61310615A
Authority: JP
Inventors: 利夫奥野; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1986-12-25
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JPS63162840A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱間鍛造加工、特に型面からの強水冷のも
とに行なわれる熱間高速精密鍛造加工に用いられる工具
鋼に関するものである。〔従来の技術〕鍛造加工の分野では、鍛造成形後の仕上加工工数の削
減を目的として型面からの強水冷のもとに行なわれる高
速精密鍛造が発展してきたが、この用途の金型には、鍛
造した製品の寸法精度を厳しく要求されるため、従来高
温強度の特に高い熱間工具鋼SKD7やSKD8が使用されてい
る。〔発明が解決しようとする問題点〕しかしながら、最近実際に使用された熱間高速精密鍛
造加工工具の損耗形態の観察を行なってみると、SKD7系
の材料を材質とする加工工具は、肌荒れ、割れにより寿
命に至っており、肌荒れは初期硬度、高温強度の不足に
よるとヒートクラックの発生、加工面直下が昇温し軟化
した部分が塑性流動することによる肉流れの二つが主要
因であり、割れは、焼入性、靭性の不足によりクラック
が進展し易いことに起因している。一方、SKD8は高温強度は特に高いが、巨大炭化物が熱
間加工方向に沿って紐状に分布した組織を持つため、ク
ラックの発生、進展の感受性が高く、使用時の割れ事故
が頻発している。本発明者らは、SKD8の初期硬度や高温
強度を維持しつつ、靭性面を大幅に改良した温間および
熱間加工工具（特願昭60−253200）を先に出願している
が、本分野の加工工具に適用するについては、初期硬度
が高すぎ靭性が不足するので、これより初期硬度のやや
低いレベルの工具材料の開発が必要である。似たような思想の下に先願されている例（特願昭6051
−48849）があるが、成分的に初期硬度、高温強度の面
が不足しており、また工具使用時の昇温による軟化及び
耐焼付性に問題点があった。本発明の目的は、従来鋼SKD7、SKD8の以上に述べた問
題点を改善し、熱間高速精密鍛造加工用の工具として最
適な熱間加工用工具鋼を提供するものである。〔問題点を解決するための手段〕本発明鋼の化学組成はかかる問題点を解決すべく、低
〜中Ｃ−中Cr量のSKD7をベースとし、Ｃ量を上げること
により初期硬さを高め、Cr量を下げることおよびMoにＷ
を併用することによって高温強度を著しく改善した中Ｃ
−低〜中Cr−中Ｗ−中Mo−中Ｖ量を基本成分としてい
る。併せて、Niを添加することにより、焼入冷却速度の
低下に伴うベイナイト組織の形態や量を制限して優れた
焼入性、靭性を付与している。また熱間での耐摩耗性付与のためにＹ、Ceの少なくと
も１種、またはさらにMgとCoの少なくとも１種の添加に
より、使用時の昇温により工具表面に緻密で固着性の大
きい酸化被膜を形成させ、これによる潤滑作用、断熱効
果により母材の強度とあいまって、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 0.35〜0.47％、Si
1.00％以下、Mn 1.00％以下、Ni 0.20〜0.95％、Cr 2.2
0〜4.00％、1/2W＋Mo 2.20〜4.00％、V 0.50〜1.00％、
Ｙ、Ceの１種もしくは２種の合計で0.30％以下、場合に
よってはさらに、Co 0.50〜4.00％と、Mgを、該Mgと前
記Ｙ、Ceの１種もしくは２種の合計との総和が0.30％を
超えない範囲で適宜含有し、残部Fe及び不可避的不純物
からなり、焼入れ後、525℃以上の温度で焼戻ししたこ
とを特徴とする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、本発明鋼の高い焼入焼もどし硬さおよび高温強
度を維持し、またＷ、Mo、Ｖ、Crなどの炭化物形成元素
と結合して、炭化物を形成し、結晶粒の微細化、耐摩耗
性、焼もどし軟化抵抗、高温強度を与えるために添加す
るものである。多すぎると、本分野の加工工具に適用する初期硬さの
レベルを越えてしまうため、0.47％以下とし、低すぎる
と上記添加の効果が得られないので0.35％以上とする。 Si添加は、使用中の昇温による酸化被膜の生成量を減
少させ、また熱伝導性を小さくするので、用途、昇温
度、使用雰囲気等を考慮しつつ、1.00％以下添加する。 Mnは、酸化被膜の生成量を増加させる効果があり、焼
入れ性を向上させる。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1.00％以下とする。 Niは、焼入冷却速度の低下に伴うベイナイト組織の形
態や量を制御することにより、本発明鋼に優れた焼入
性、靭性を付与するものであるが、本分野で使用される
加工工具はさほど大きい焼入冷却速度で焼入れされるこ
とはなく、またNi量が多すぎると、高温加熱時に炭化物
の凝集が早い時期に起こり、高温強度が大きくならない
こと、及びA₁変態点を下げ、昇温による軟化が起こり易
くなり、塑性流動に対する抵抗性が小さくなること、耐
焼付性が低下すること、焼なまし硬さが高くなり機械加
工性を低下することから、0.95％を上限とし、低すぎる
と上記添加の効果が得られないので0.20％とする。 Crは、適切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、また適度の酸化被膜特性の付与、
A₁変態点の向上、焼入性の向上および窒化特性の向上の
効果を有するものであるが、高すぎると炭化物の析出凝
集を促進し、高温強度の低下をまねくため、上限を4.00
％とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので下
限を2.20％とする。Ｗは、焼入時基地に固溶し、焼入温度を高める効果を
持ち、焼もどし時には微細な炭化物を分散析出して高温
耐力を高める効果を持っている。これらの効果が、本発
明鋼に優れた初期硬さ、高温強度を付与している。 Moは、Ｗと同様特殊炭化物を形成し、初期硬さ、高温
強度を付与するものである。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、多すぎると焼入温度、初期硬さを過度に高くし、
また靭性を低下させるため、1/2W＋Moで4.00％以下と
し、低すぎると本発明鋼の特徴である優れた初期硬さ、
高温強度が得られなくなるため2.20％以上とする。Ｗ添加はMo添加の場合よりも、高温強度を高める効果
が大きいが、SKD7ではＷは添加されていない。そこで、
W 1.00〜1.40％、Mo 1.80〜2.20％が望ましい添加量で
ある。Ｖは、Ｗ、Moと同様、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、大きな高
温耐力を与える効果を持つ。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
温強度とあいまって、耐ヒートクラック性を向上させる
効果をもたらす。多すぎると、固溶しにくい巨大炭化物を形成し、これ
が熱間加工方向に沿って紐状に分布し、この方向の靭性
を著しく損なうので、1.00％以下とし、低すぎると上記
添加の効果が得られないので0.50％以上とする。 Co添加により使用中の昇温時、極めて緻密な密着性の
良い保護酸化被膜を形成し、これにより被加工材との金
属接触が減じ、金属表面の温度上昇を防ぐ断熱効果、保
護作用があり、耐ヒートクラック性の向上、クラック起
点発生の抑制に効果を持つ。 Coは、本発明鋼に上記の効果をもたらすため、0.5％
以上添加するが、多すぎると靭性を低下させるので4.00
％以下とする。Ｙ、Ceは昇温時の酸化被膜の固着性を高め、耐ヒート
クラック性を改善するために添加を行ない、発明におい
てCoとほぼ同様の添加効果を与える。多量の添加は必要
なく、介在物の増加、造塊時のマクロ偏析の助長をまね
くので、Ｙ、Ceの１種もしくは２種の合計で0.30％以下
とする。MgはＹ、Ceと同様の添加効果を有し、Mgを添加
する場合は、Ｙ、Ceの１種もしくは２種の合計含有量と
Mg含有量との総和が0.30％以下となるようにする。本発明鋼は、焼入れ焼戻し熱処理された熱間工具鋼で
あり、この熱処理後の残留オーステナイト量は、焼入れ
が半冷時間10分程度で、かつ525℃程度で焼戻しされた
とき、体積率で3.5％程度となると思われ、焼入れ冷却
速度がこれより早くなる程、焼戻し温度がこれより高温
となる程、残留オーステナイト量は減少する。したがっ
て、本発明鋼では残留オーステナイト量は体積率で3.5
％以下とした。〔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、参考例および比較鋼の化学組成例
を示す。第２表は、本発明鋼、参考例および比較鋼の焼入温度
と焼入ミクロ組織の結晶粒度との関係を示すもので、同
時に各鋼の標準焼入温度を示したものであり、本発明鋼
と参考例は比較鋼に比べ、焼入温度を高めに設定するこ
とができることがわかる。これは、本発明鋼と参考例が優れた初期硬さと高温強
度を有することの一つの要因である。第３表は、本発明鋼、参考例および比較鋼を第２表で
示した標準焼入温度によって焼入した後、525℃、625℃
で焼もどししたときの試料の硬さを示したもので、本発
明鋼と参考例は比較鋼に比べ明らかに初期硬度をもたせ
ることができ、また高温加熱された時の硬度が高い。第４表は、本発明鋼、参考例および比較鋼の高温強度
を比較するために、高温引張試験を行なった結果を示し
たもので、本発明鋼は明らかに優れた高温強度を備えて
いる。第５表は本発明鋼、参考例および比較鋼の高温焼付試
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、端面を押付けた場合の焼付
が起らない最大荷重（臨界荷重）を求め、比較鋼（SKD
7）の焼付臨界荷重を100として指数で示したものであ
る。本発明鋼と参考例は、比較鋼より明らかに焼付臨界荷
重が高いこと、またCo、Mg、Ｙ、Ceを添加したＤ〜Ｊが
優れていること、さらに特に比較鋼Ｌの焼付臨界荷重が
低いことがわかる。これは、高温強度、炭化物分布などによる耐焼付性の
向上に加え、上記酸化処理により本発明鋼と参考例の試
料表面に形成された緻密で剥離しにくい酸化被膜の保護
作用ならびに潤滑作用によるものであり、またNiの過剰
な添加は、耐焼付性を低下させることを示している。第６表は、本発明鋼、参考例および比較鋼をそれぞれ
の標準焼入温度で、油冷焼入および半冷10分焼入した
後、焼もどしによって硬さH_RC50に調整して、2mmUノッ
チシャルピー衝撃試験を行なった結果を示す。本発明鋼と参考例は比較鋼SKD7に比べ、焼入冷却速度
の大きいときは、靭性が若干低いが、焼入冷却速度の小
さいときは、シャルピー衝撃値が逆転した。本発明と参考例は、優れた焼入性により、工具に必要
な靭性を充分補うものである。第７表に本発明鋼、参考例および比較鋼の耐ヒートク
ラック性試験結果を示す。試験方法としては、15mmφ×25mmの試験片の表面を
650℃に急熱し、水中で20℃に急冷する操作を1000回繰
返した結果である。本発明鋼と参考例は、比較鋼SKD7より明らかに耐ヒー
トクラック性が優れていることがわかる。〔発明の効果〕以上説明したように本発明鋼は、優れた初期硬度、高
温強度を備え、これが酸化被膜特性とあいまって熱間加
工型として使用してヒートクラックを生じにくく、また
十分な靭性、焼入性をもち割れに対する抵抗性も大き
く、優れた型寿命をもたらすものでその効果は非常に大
きい。

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．重量％で、C 0.35〜0.47％、Si 1.00％以下、Mn 1.
00％以下、Ni 0.20〜0.95％、Cr 2.20〜4.00％、1/2W＋
Mo 2.20〜4.00％、V 0.50〜1.00％、Ｙ、Ceの１種もし
くは２種の合計で0.30％以下、残部Fe及び不可避的不純
物からなり、焼入れ後525℃以上の温度で焼戻ししたこ
とを特徴とする熱間加工用工具鋼。２．重量％で、C 0.35〜0.47％、Si 1.00％以下、Mn 1.
00％以下、Ni 0.20〜0.95％、Cr 2.20〜4.00％、1/2W＋
Mo 2.20〜4.00％、V 0.50〜1.00％、Ｙ、Ceの１種もし
くは２種の合計で0.30％以下、Mg:0.30％から前記Ｙ、C
eの１種もしくは２種の合計の含有量を減じた値以下、
残部Fe及び不可避的不純物からなり、焼入れ後525℃以
上の温度で焼戻ししたことを特徴とする熱間加工用工具
鋼。３．重量％で、C 0.35〜0.47％、Si 1.00％以下、Mn 1.
00％以下、Ni 0.20〜0.95％、Cr 2.20〜4.00％、1/2W＋
Mo 2.20〜4.00％、V 0.50〜1.00％、Ｙ、Ceの１種もし
くは２種の合計で0.30％以下、Co0.50〜4.00％、残部Fe
及び不可避的不純物からなり、焼入れ後525℃以上の温
度で焼戻ししたことを特徴とする熱間加工用工具鋼。４．重量％で、C 0.35〜0.47％、Si 1.00％以下、Mn 1.
00％以下、Ni 0.20〜0.95％、Cr 2.20〜4.00％、1/2W＋
Mo 2.20〜4.00％、V 0.50〜1.00％、Ｙ、Ceの１種もし
くは２種の合計で0.30％以下、Mg:0.30％から前記Ｙ、C
eの１種もしくは２種の合計の含有量を減じた値以下、C
o 0.50〜4.00％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、
焼入れ後525℃以上の温度で焼戻ししたことを特徴とす
る熱間加工用工具鋼。