JP3183447B2 - 火焔焼入型用快削鋳鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、家庭電化製
品、農機具等に使用される鋼板の打抜、曲げ、トリミン
グ用の金型で火焔焼入して使用される火焔焼入型用鋳鋼
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金型メーカーや自動車メーカー等では金
型の製造コスト低減のため、プレスで製造される製品の
製作工程の短縮や金型製作数の削減、加工方法や工具の
開発、改善等、種々のコスト低減施策を実施してきた。
また、鋼板の打抜、曲げ、トリミング等に使用される金
型で、三次元的に変化している被打抜品の形状を成形す
る金型では、鋼材に比べて加工代が少ない鋳鋼品をＣＡ
Ｄデータや倣い方式等を利用して機械加工を実施してい
るが、ＣＡＤ化等で無人による加工化等も採用されだし
た。一方、鋳造技術においては、最近の技術進歩により
特に少量生産では木型や金型を必要としない消失模型鋳
造法を用いて鋳鋼品を製造することも可能となってきた
が、このような状況のもと、最近では更に金型加工費の
低減、工期の短縮がより追求され、鋳鋼品の被削性改善
ニーズが強くなってきた。

【０００３】従来、このような金型材にはＡＩＳＩ０−
７，０−２のごとく低Ｃｒ−Ｍｏ含有の高炭素鋳鋼
（１．２≦Ｃ≦１．８％）や１．０％Ｃ−３．５％Ｃｒ
系冷間工具鋼、低Ｃ−低Ｃｒ−Ｍｏ系工具鋼（０．６≦
Ｃ≦０．９５％、１．０≦Ｃｒ≦２．７％、０．１０≦
Ｍｏ≦０．８％）が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、低Ｃｒ−Ｍｏ
含有の高炭素鋳鋼では溶接補修が困難であり、１．０％
Ｃ−３．５％Ｃｒ系の冷間工具鋼では耐摩耗性には優れ
ているが、高価である。一方特公昭５６−３１８６９号
公報記載のごとき低Ｃ−低Ｃｒ−Ｍｏ系の工具鋼も開発
されているが、火焔焼入は容易であるが被削性に劣るこ
とが問題である。更に、画一的な形状の工具鋼で三次元
的に変化した被打抜品の形状を機械加工で切削し形状出
しすることは、加工代が多く加工に長時間を要して原価
高となる問題がある。

【０００５】また、消失模型鋳造法を用いて鋳鋼品を製
造すると、消失模型が溶湯で消失置換された時に分解未
燃焼カーボンが金属組織中に浸炭し炭化物を生じるた
め、被削性を悪化させる問題がある。

【０００６】このように、従来材には各々一長一短があ
る。更に、工具鋼にＳを添加させて被削性を改善させる
方法も考えられるが、この場合は製作工程の途中で圧延
作業が実施されるため、組織中に生じた硫化物系介在物
が圧延方向に延伸され細長く延ばされた形状の介在物と
なる。そのため、圧延方向の材質の機械的性質に比べて
圧延方向に直角方向の機械的性質が劣る問題がある。鋭
意研究の結果、本発明はこの機械的性質を低下せず、火
焔焼入が容易で耐摩耗性に優れ、更に被削性の良好な金
型材をしかも加工量の少ない鋳鋼で提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ため、本発明者達は誠意研究の結果、Ｓを添加すること
により硫化物系介在物を基地組織中に粒状に分散させる
とともに、上述した浸炭現象が起こり易い製造法、つま
り、消失模型鋳造法によって鋳鋼を製造する場合にはＳ
を僅かに添加することにより、溶湯金属とカーボンとの
濡れ性が抑制されることを見出し、被削性の改善に要求
される基本条件を見直すことにより、成分にＳを添加し
て被削性を改善しても、硫化物系介在物を延伸した形状
にせず方向性の無い均質な機械的性質を得ることがで
き、更に、消失模型鋳造法を用いても被削性を害しない
本発明の鋳鋼に想達した。

【０００８】まず本発明による金型材は、重量比で０．
６０≦Ｃ≦０．９５％、０．２５≦Ｓｉ≦１．５０％、
１．００≦Ｍｎ≦１．８５％、１．００≦Ｃｒ≦５．０
０％、Ｍｏ，Ｗの１種または２種を０．１０≦（Ｍｏ＋
１／２Ｗ）≦０．８０％含み、更に０．１０≦Ｓ＜０．
４０％、残部Ｆｅおよび不純物よりなる成分とする。Ｗ
の原子量はＭｏの約２倍であるため、Ｍｏ１％の含有量
はＷ２％の含有量と等しい効果を有し、（Ｍｏ＋１／２
Ｗ）量でその効果を表すことができる。そのため、Ｍｏ
はＷに置き換え使用してもよい。つまり、Ｍｏの全含有
量を２倍のＷ含有量で置き換え使用してもよく、Ｍｏの
一部をそれに相当するＷ量に置き換え使用してもよい。

【０００９】そして、硫化物系介在物が基地組織中に粒
状に分散したことを特徴とする火焔焼入型用快削鋳鋼で
ある。粒状の形は機械的性質に影響を及ぼす片状のごと
き細長い形状でなければ塊状でもよく、粒自体の形状を
詳細に限定するものではない。

【００１０】また、消失模型を用いて鋳造し、重量比で
０．６０≦Ｃ≦０．９５％、０．２５≦Ｓｉ≦１．５０
％、１．００≦Ｍｎ≦１．８５％、１．００≦Ｃｒ≦
５．００％、Ｍｏ，Ｗの１種または２種を０．１０≦
（Ｍｏ＋１／２Ｗ）≦０．８０％含み、更に０．１０≦
Ｓ＜０．４０％、残部Ｆｅおよび不純物よりなる成分と
する。この時もＭｏはＷに置き換え使用してもよく、Ｍ
ｏの全含有量を２倍のＷ含有量で置き換え使用してもよ
く、Ｍｏの一部をそれに相当するＷ量に置き換え使用し
てもよい。

【００１１】更に、消失模型を用いて鋳造し、硫化物系
介在物が基地組織中に粒状に分散した鋳鋼とする。この
場合も、粒状の形は細長い形状でなければ塊状でもよ
い。

【００１２】

【作用】本発明の金型材は、Ｓを添加することにより、
硫化物系介在物を基地組織中に粒状に分散させた火焔焼
入型用鋼を鋳鋼で製作するとともに、消失模型鋳造法に
おいて溶湯金属とカーボンとの濡れ性が抑制され、浸炭
による炭化物の生成を防止することである。即ち、Ｓ添
加により、浸炭が抑制され被削性が改善される。また、
鋳鋼で製作するので要求される最終製品形状に近い形状
で素材を鋳造可能であり、圧延鋼材に比べて加工代が僅
かで済む。更に、鋼材に比べて圧延作業が不要であり、
基地組織中に分散した硫化物系介在物は粒状のままで凝
固を完了する。粒状であるが故に基地組織には方向性が
ない。つまり圧延された鋼材の延伸された硫化物系介在
物と異なり、機械的性質には方向性がなくいずれの方向
も安定して均一である。また、硫化物系介在物が粒状で
あるため、鋼材のＳ添加量に比べて、鋳鋼では機械的性
質を低下させない限度いっぱいまでＳを添加させて被削
性を改善することができる。

【００１３】次ぎに本発明の成分限定理由について述べ
る。

【００１４】１）Ｃ Ｃは材料に強度と靭性を持たせるために、ある程度必要
である。０．６０％未満では焼入硬さが不足し、十分な
強度を確保できない。０．９５％を越えると焼入温度の
高い領域で焼入後に体積収縮を起こしたり、巨大炭化物
の生成原因となるので、０．６０≦Ｃ≦０．９５％とし
た。 ２）Ｓｉ Ｓｉは脱酸剤と鋳造性改善の目的で添加するが、効果を
得るためには少なくとも０．２５％以上が必要である。
また、１．５０％を越えると被削性が阻害される。この
ためＳｉの添加量は０．２５≦Ｓｉ≦１．５０％とし
た。 ３）Ｍｎ Ｍｎは焼入性向上のために添加するが、１．００％未満
では焼入硬さを安定して得るためには不十分である。一
方、多すぎると残留オーステナイトが多量に発生し、焼
入硬さが飽和状態となったり、逆に焼入硬さが低下する
原因となる。また、Ｓとの化合物（硫化物系介在物）を
形成させ、被削性を改善させるためにも必要であり、
１．００≦Ｍｎ≦１．８５％とした。 ４）Ｃｒ ＣｒはＣと結合して炭化物を生成し耐摩耗性を向上する
と共に、焼入性を増す効果がある。しかし、少なすぎる
とＭｎと同様にその効果が不足する。また、多すぎると
マルテンサイト変態点が低下し、高い焼入温度で残留オ
ーステナイトの量が増加し、焼入硬さが低下するので、
１．００≦Ｃｒ≦５．００％とした。経済性を考慮する
と上限を約２．７０％にすることが望ましい。 ５）Ｍｏ，Ｗ ＭｏおよびＷは焼入性を向上し、炭化物に固溶して炭化
物の硬さを高め耐摩耗性を向上させる。Ｗの原子量はＭ
ｏの約２倍であるため、Ｍｏ１％の含有量はＷ２％の含
有量と等しい効果を有し、本発明ではＭｏ，Ｗの１種ま
たは２種を含有させることができ、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）
量でその効果を表すことが可能である。（Ｍｏ＋１／２
Ｗ）量でどちらの成分を優先して使うかは経済性を考慮
して判断すればよい。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が０．１０％
未満では効果が不十分である。一方、ＭｏやＷはＣｒや
Ｍｎ、Ｓｉに比べて高価であるので（Ｍｏ＋１／２Ｗ）
の上限を０．８０％とした。 ６）Ｓ ＳはＭｎＳ等の硫化物系介在物となって材料の被削性を
向上させるとともに、消失模型鋳造法における浸炭によ
る炭化物の生成を防止して被削性が悪化するのを改善す
る。これらの効果はＳ添加量が０．１０％で効果が認め
られる。しかし、０．４０％を越えると機械的性質が低
下するので、０．１０≦Ｓ≦０．４０％とした。作業性
を考慮すると上限を０．２５〜０．３０％程度にするこ
とが望ましい。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の実施例を詳細に説明するが、
本発明はこれらの実施例により何等限定されるものでは
ない。

【００１６】表１は本発明の火焔焼入型用快削鋳鋼の化
学成分の一実施例である。

【００１７】

【表１】 化 学 成 分 （重量％） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｓ Ｃｒ Ｍｏ Ｗ 発明材１ 0.64 0.98 1.00 0.10 1.17 0.15 − 発明材２ 0.60 0.91 1.25 0.16 1.14 0.10 − 発明材３ 0.63 1.00 1.28 0.14 1.33 0.22 − 発明材４ 0.66 0.95 1.12 0.19 1.18 0.15 − 発明材５ 0.64 1.01 1.25 0.28 1.16 0.16 − 発明材６ 0.61 0.98 1.41 0.39 1.20 0.15 − 発明材７ 0.65 0.94 1.32 0.21 1.19 − 0.32 発明材８ 0.63 0.96 1.47 0.23 1.25 0.10 0.12 比較材１ 0.70 1.01 1.07 0.01 1.18 0.11 − 比較材２ 0.68 0.97 0.95 0.05 1.17 0.15 − 比較材３ 0.68 0.95 0.98 0.01 1.13 0.10 − 比較材４ 0.67 0.98 1.06 0.01 1.15 0.10 −

【００１８】まず、１ｔｏｎ高周波炉を使用して材料を
溶解した。つぎに、取鍋を使用して溶湯を鋳型（フラン
砂型）へ１５６０℃で注湯した。更に鋳型内で凝固冷却
後、試験片を鋳型から取り出し、砂落し後押し湯と湯道
を切断除去した。試験片の大きさは１０５ｍｍ×２０５
ｍｍ×１０５ｍｍＨの板状試験片である。熱処理はバッ
チタイプ焼鈍炉を使用して７８０℃で４時間保持の焼鈍
を実施した。熱処理完了後の試験片は常温でショットブ
ラストにてスケール落しを実施した。

【００１９】図１は発明材４の顕微鏡による倍率３００
０の組織写真である。非金属介在物が基地組織中に粒状
に生成しているのが認められた。図２は、図１に生成し
た粒状の非金属介在物をＦＥ−ＳＥＭ（電界放射型走査
電子顕微鏡）により分析した結果である。ＳとＭｎの含
有量が多く、ＭｎＳの形で硫化物系介在物を形成してい
るのが明らかである。

【００２０】次に、発明材１と３及び比較材１と２の試
験片を鋳放し面除去のためフライス盤で加工し、１００
ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍＨの大きさとし、エンド
ミル被削性試験に供した。表２はこの被削性試験に採用
した切削条件である。

【００２１】

【表２】 エンドミル ハイス直径１０二枚刃 回転数(rpm) ８００ オーバーハング ３５mm 送り(mm/min) １００ 切削方向 アップカット 切込み(mm) １.５W×１０H

【００２２】図３は、表２の切削条件で加工したエンド
ミル被削性試験の結果を切削距離と工具の摩耗量で示し
たものである。発明材１（Ｓ０．１０％）及び発明材３
（Ｓ０．１４％）では比較材１（Ｓ０．０１％）と比較
材２（Ｓ０．０５％）に比べて被削性が大幅に改善され
ていることが認められた。また、Ｓ含有量が０．１０％
を越えるとその効果が顕著である。

【００２３】また、発明材２と４及び比較材３を１００
ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍＨの大きさに加工した後
で、フライス被削性試験を実施した。表３はこの被削性
試験に採用した切削条件である。

【００２４】

【表３】 チップ スローアウエイ式 回転数(rpm) ２６６ 超硬チップ チップ数 一枚刃／ボデイ 切削速度(m/min) １０８ 切削方向 ダウンカット 送り(mm/min) ３４ 切削油 なし（乾式） 切込み(mm/rev) ２

【００２５】図４は、表３の切削条件で加工したフライ
ス被削性試験の結果を切削距離と工具の摩耗量で示した
ものである。発明材２（Ｓ０．１６％）と発明材４（Ｓ
０．１９％）では比較材３（Ｓ０．０１％）に比べて被
削性が大幅に改善されていることが認められた。特に、
Ｓ含有量が０．１９％である発明材４では比較材３に比
べてその効果が顕著である。図３、図４の結果からも明
確なように、被削性を向上させるためにはＳを少なくと
も０．１０％以上、望ましくは０．２０％以上含有させ
ることが望ましい。

【００２６】表４は、本発明材４（Ｓ０．１９％）、５
（Ｓ０．２８％）、６（Ｓ０．３９％）、および８（Ｓ
０．２３％）と比較材４（Ｓ０．０１％）の機械的性質
である。引張試験はＪＩＳ４号試験片（直径１０ｍｍ）
を用い、５０ｔｏｎアムスラー万能試験機にてクロスヘ
ッド速度１０ｍ／ｍｉｎで実施した。本発明材の耐力と
引張強さ、曲げ応力、シャルピー衝撃値共にＳ含有量の
増加に従い僅かに低下傾向にある。また、本発明材を比
較材と比べた場合、耐力と引張強さと曲げ応力は十分で
ているがシャルピー衝撃値が若干低下傾向にあるので、
本快削鋳鋼の機械的諸性質を考慮するとＳ含有量は０.
４０％以下が望ましい。

【００２７】曲げ試験は直径５ｍｍ、長さ７０ｍｍ、ス
パン５０ｍｍの試験片を用いて、５０ｔｏｎアムスラー
万能試験機にてクロスヘッド速度５ｍ／ｍｉｎで実施し
た。Ｓ含有量の増加に従い曲げ応力が僅かに低下傾向に
ある。

【００２８】シャルピー衝撃試験の試験片は、１０ｍｍ
×１０ｍｍ×５５ｍｍ長さで、中央部に２ｍｍ深さで半
径１０ｍｍの円弧状ノッチを付けた形状とし、容量１０
９Ｊのシャルピー衝撃試験機にて実施した。Ｓ含有量の
増加に伴いシャルピー値も低下する。

【００２９】

【表４】 耐力 引張強さ 曲げ応力 シャルピー N/mm2 Ｎ／mm2 Ｎ／mm2 衝撃値 Ｊ／cm2 発明材４ 398 811 1854 33.9 408 794 1833 36.8 発明材５ 397 799 1813 30.9 395 797 1833 26.3 発明材６ 387 762 1650 28.9 371 732 1599 23.3 発明材８ 403 796 1840 31.6 396 802 1831 32.8 比較材４ 368 691 1507 33.6 377 705 1529 32.9

【００３０】（実施例２）表５は本発明の化学成分の他
の実施例である。表５の材料を使用して、消失模型を用
いて鋳造した場合の溶湯と黒鉛の濡れ性に付いて評価試
験を行った。

【００３１】

【表５】

【００３２】木型や金型を用いない消失模型鋳造法で鋳
造を実施した。まず、１ｔｏｎ高周波炉を使用して材料
を溶解し、消失模型が埋め込まれた鋳型（フラン砂型）
へ溶湯を１５６０℃で注湯した。更に鋳型内で凝固冷却
後、試験片を鋳型から取り出し、砂落し後押し湯と湯道
を切断除去した。試験片の大きさは１０５ｍｍ×２０５
ｍｍ×１０５ｍｍＨの板状試験片である。熱処理はバッ
チタイプ焼鈍炉を使用して７８０℃で４時間保持の焼鈍
を実施した。熱処理完了後の試験片は常温でショットブ
ラストにてスケール落しを実施した。

【００３３】次に、帯鋸盤を用いて試験片の底面中央部
で、かつ鋳放し面の近傍から５ｍｍ角の立方体形状の試
料を切りだした。該試料をアセトンに浸し、超音波洗浄
機で十分脱脂した後、乾燥した。更に、該試料を内径１
５ｍｍの黒鉛坩堝に入れ、不活性ガス雰囲気中で１４０
０℃から１５００℃の温度で約３０秒間保持し、溶融さ
せた。溶融完了後直ちに冷却し、黒鉛坩堝内に凝固した
ボタン状の試料の直径と盛り上がり高さを測定した。

【００３４】図５は溶湯と黒鉛の濡れ性評価試験方法の
模式図である。黒鉛坩堝内に凝固したボタン状の試料の
直径をＤとし、盛り上がり高さをＨとし、Ｈ／Ｄを測定
比較することにより黒鉛の面上の溶湯の濡れ性を評価し
た。

【００３５】表６は溶湯と黒鉛の濡れ性測定結果であ
る。Ｈ／Ｄの値が大きいほど濡れ性が抑制され、これに
より溶湯への黒鉛侵入が阻止され易いことが判断でき
る。

【００３６】

【表６】

【００３７】更に、炭化物生成におよぼすＳの影響を調
査するために、表５の化学成分で発明材３と比較材５の
試験片を木型や金型を用いない消失模型鋳造法で鋳造し
た。まず、１ｔｏｎ高周波炉を使用して材料を溶解し、
消失模型が埋め込まれた鋳型（フラン砂型）へ溶湯を１
５６０℃で注湯した。更に鋳型内で凝固冷却後、試験片
を鋳型から取り出し、砂落し後押し湯と湯道を切断除去
した。試験片の大きさは直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍ
の円柱形状の試験片である。熱処理はバッチタイプ焼鈍
炉を使用して７８０℃で４時間保持の焼鈍を実施した。
熱処理完了後の試験片は常温でショットブラストにてス
ケール落しを実施した。

【００３８】本発明では消失模型鋳造法で懸念されてい
る浸炭現象が生じず、炭化物の生成も認められなかっ
た。比較材では鋳放しの表面近傍で浸炭により生成した
炭化物が認められた。

【００３９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、基地組織中に硫
化物系介在物が粒状に分散され、機械的性質の低下が少
なく、更に被削性に優れた火焔焼入用金型に適した鋳鋼
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明材４の顕微鏡による倍率３０００の組織写
真。

【図２】ＦＥ−ＳＥＭによる粒状の非金属介在物の分析
結果。

【図３】エンドミル加工による被削性試験の結果。

【図４】フライス加工による被削性試験の結果。

【図５】溶湯と黒鉛の濡れ性評価試験方法の模式図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−281854（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−125483（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−140700（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−280942（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C22C 38/60

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で０．６０≦Ｃ≦０．９５％、
   ０．２５≦Ｓｉ≦１．５０％、１．００≦Ｍｎ≦１．８
   ５％、１．００≦Ｃｒ≦５．００％、Ｍｏ，Ｗの１種ま
   たは２種を０．１０≦（Ｍｏ＋１／２Ｗ）≦０．８０％
   含み、更に０．１０≦Ｓ＜０．４０％、残部Ｆｅおよび
   不純物よりなり、硫化物系介在物が基地組織中に粒状に
   分散したことを特徴とする火焔焼入型用快削鋳鋼。
2. 【請求項２】 消失模型を用いて鋳造し、重量比で０．
   ６０≦Ｃ≦０．９５％、０．２５≦Ｓｉ≦１．５０％、
   １．００≦Ｍｎ≦１．８５％、１．００≦Ｃｒ≦５．０
   ０％、Ｍｏ，Ｗの１種または２種を０．１０≦（Ｍｏ＋
   １／２Ｗ）≦０．８０％含み、更に０．１０≦Ｓ＜０．
   ４０％、残部Ｆｅおよび不純物よりなり、硫化物系介在
   物が基地組織中に粒状に分散したことを特徴とする火焔
   焼入型用快削鋳鋼。