JP3507879B2 - 冷間工具鋼 - Google Patents

冷間工具鋼

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理変寸、耐摩
耗性及び被削性に優れた冷間工具鋼として利用可能な工
具鋼に関し、特にJIS G4404に規定されるSK
D11、SKD12及びSKD1が使用され得るダイ
ス、ゲージ、シャー刃、プレス型、パンチ、れんが型、
粉末成形型、金型刃物及びロール等に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の冷間工具鋼は、耐摩耗性や被削
性、靭性改善を実施している。しかし、近年金型の費用
削減および短納期化と精密な寸法を要する冷間金型に対
応するため、焼入れあるいは焼戻しに伴う寸法変化(変
寸)を最小限にすることは特に重要である。このような
熱処理をする際には材料の方向により変寸率が熱処理
後、違うため、金型を切り出す方向も重要である。ま
た、その他に、たわみやねじりのような変形が生じがち
であるが、熱処理方法によって避けることができる。し
かし焼入焼戻し時の変寸は物理的あるいは冶金的に絶対
に避けることのできないものである。すなわち、この変
寸は熱応力と変態応力によって起こり、その変寸量は冷
却速度、弾性限、熱伝導率、残留オーステナイト量、炭
化物、形状によって左右される。
【0003】特開平4−116122号公報では、被削
性、靭性や耐割れ性には一次炭化物を中心に組織の均一
性が重要であるとの観点から、炭素量や炭化物形成元素
の制御だけではなく熱間加工温度を1150〜900℃
の範囲に、圧下比を3以上に限定することにより一次炭
化物を分散させ、組織を均一化することに成功し、実際
に被削性が大きく向上すると開示している。また、特開
平8−120333号公報では、耐摩耗性を保持しつつ
被削性が改善された冷間工具鋼についての製造方法、即
ち冷間ダイス鋼等に用いて有効な耐摩耗性と被削性並び
に靭性が同時に改善できる工具鋼及びその製造方法を開
示している。更にまた、特開昭56−169751号公
報では、従来焼入性や熱処理歪へ大きな影響を与えない
と考えられていた鋼中のアルミニウムと窒素の量が、こ
れらの特性へきわめて重要な要因となることを見出し、
鋼中のアルミニウムと窒素の量を適正範囲にコントロー
ルすることにより、従来の鋼と同一の焼入性を持ち、し
かも熱処理歪みが低減、安定した鋼を提供すると開示し
ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、いずれの従来
の技術も、耐摩耗性、被削性、及び靭性改善を行ってい
るが、金型の費用削減及び短納期化と精密な寸法を要す
る冷間金型に対応するために、焼入れ又は焼戻しに伴う
寸法変化(変寸)を最小限にすることができないという
不都合があった。本発明は、上記の不都合を解消し、更
に変寸を極力少なくするための成分系を発明し、耐摩耗
性や被削性改善のため成分の最適化を実施し、また焼入
焼戻し処理後の熱処理変寸を最小にする成分を回帰分析
を実施し限定した冷間工具鋼を提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明請求項1の冷間工具鋼は、重量%で、C:
1.10〜1.25、Cr:9.50〜11.00、S
i:0.18〜0.28、V:0.30、Mo:1.3
5、S:0.05〜0.15、Mn:0.20〜0.3
5、および重量比で、Cr/C:7.6〜10.0を含
有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする。
【0006】また、本発明請求項2の冷間工具鋼は、重
量%で、C:1.10〜1.25、Cr:9.50〜1
1.00、Si:0.20〜0.25、V:0.30、
Mo:1.35、S:0.07〜0.1、Mn:0.2
0〜0.29、および重量比で、Cr/C:7.6〜1
0.0を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物から
なることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】 図1に示すようにCが重量%で
1.00以下であると耐摩耗性が著しく低下する。ま
た、図2に示すようにCが重量%で1.10未満および
1.35を越えると被削性が低下する。また、実施例に
おけるテストピースの試験結果を含めて考察すると、
摩耗性と被削性を同時に確保するためには、Cは冷間工
具鋼中1.10〜1.25重量%する。
【0008】また、Crは図3に示すように重量%で
9.00未満および12.00を越えると、耐摩耗性が
低下し、被削性は図4に示すようにCrが多いほど低下
する。実施例におけるテストピースの試験結果を含めて
考察すると、Crは冷間工具鋼中9.50〜11.00
重量%とする。
【0009】また、図5および図6に示すように、Si
が少ないほど被削性と熱処理による変寸異方性が改善さ
れる。具体的には、被削性が大きく改善するためSi≦
0.30とする必要がある。また、Siは脱酸剤として
添加、および焼入性を向上させるため0.10未満では
あまり効果がない。実施例における試験結果を含めて考
察すると、Siは冷間工具鋼中0.18〜0.28重量
%とする。特に0.20〜0.25重量%とするのが好
ましい。
【0010】また、図7に示すように、Moが1.35
重量%を超えると熱処理の時に最大変寸量が多くなるた
め好ましくない。Moは、焼入時に基地中に固溶し焼入
性および焼戻し抵抗性を高めるとともに、炭化物を形成
することにより耐摩耗性を向上させるために、1.00
重量%以上を添加する必要がある。実施例におけるテス
トピースの試験結果を含めて考察すると、Moは冷間工
具鋼中1.35重量%とする。
【0011】また、図9に示すように、Vが0.45を
超えると熱処理の時に最大変寸率が大きくなるため好ま
しくない。Vは、結晶粒を微細化し、耐摩耗性を向上さ
せる。そのために必要な下限量は、0.20重量%以上
である。実施例におけるテストピースの試験結果を含め
て考察すると、Vは冷間工具鋼中0.30重量%とす
る。
【0012】また、Cr/Cは、熱処理の変寸異方性に
おいて、10.0重量%を越えると悪くなり(図10参
照)、最大変寸率においても10.0重量%を越えると
悪くなる(図11参照)。また、図12に示すように1
0.0重量%を越えると被削性も著しく悪くなり、図1
3に示すように6.0重量%未満であると耐摩耗性が低
下する。実施例におけるテストピースの試験結果を含め
て考察すると、Cr/Cは、7.6〜10.0重量%の
範囲とする。
【0013】さらに、Sは、図14に示すように0.0
4重量%未満および0.17重量%を越えると、被削性
が低下する。実施例におけるテストピースの試験結果を
含めて考察すると、Sは冷間工具鋼中0.05〜0.1
5重量%とする。特に0.07〜0.1重量%とするの
が好ましい。
【0014】Mnは、実施例におけるテストピースの試
験結果から考察すると、冷間工具鋼中0.20〜0.3
5重量%とする。特に0.20〜0.29重量%とする
のが好ましい。
【0015】
〔テストピースの準備〕
表1に示す組成(重量%)及び組成比で、被削性試験、
摩耗試験及び熱処理変寸の異方性の試験用テストピース
1〜18まで作製し、各試験に供した。
【0016】〔基準試料の準備〕 JIS G 4404に規定されているSKD11及び
SKS93を準備し、各試験の基準試料とした。
【0017】上記のようにして準備した試料を用いて、
以下の方法で、被削性試験、摩耗性試験及び熱処理変寸
の異方性の試験を実施した。
【0018】〔被削性試験〕 焼鈍し材(HRB85〜98)をハイスエンドミルで側
面切削(径方向切り込み0.5mm×軸方向15mm)
を実施し、SKS93を切削した工具刃先の摩耗が40
0μmまでの工具寿命を100として、各テストピース
の摩耗を比較した。
【0019】〔摩耗試験〕 大越式摩耗試験機を使用し、SUJ2を相手材とし、
0.3m/秒で最終荷重6.3kgfで400mm摩耗
させ、その時のSKD11の摩耗量を10として、各テ
ストピースの摩耗量を測定した。
【0020】〔熱処理変寸の異方性の試験〕 150×120×20テストピースを940〜1030
℃にて真空焼入し、200〜550℃で焼戻を実施し
て、マイクロメーターにて最も変寸した量を元の大きさ
で割ったものを最大変寸量(%)とし、また、長さ、幅
及び厚みでの変寸量(%)の幅を熱処理変寸の異方性と
した。
【0021】表1に、テストピース及び基準試料の被削
性試験、摩耗試験及び熱処理変寸の異方性の試験結果を
示す。また、図1から図14に、構成元素または構成元
素比と各試験結果を図示する。
【0022】
【表1】
【0023】表1の結果より、被削性は、SKS93を
100としたとき、試験17は120、試験16は11
0、で優れており、試験11、試験15、試験18は1
00でSKS93と同等であり、他の試験片はSKS9
3より劣っていた。耐摩耗性は、SKD11を10とし
たとき、試験8、試験11、試験15、試験16、試験
17、試験18は10でSKD11と同等であり、他の
試験片はSKD11より劣っていた。
【0024】図1から図14には、各元素についてその
含有率と被削性、あるいは耐摩耗性との関係を示した
が、本発明品の試験15、試験16、試験17、試験1
8の元素割合または構成が妥当であることがわかる。
【0025】この結果より、試験15、試験16、試験
17、試験18は被削性、耐摩耗性ともに優れており、
また熱処理の最大変寸、熱処理変寸の異方性も良好であ
った。この中で試験16、試験17は特に優れていた。
【0026】
【発明の効果】以上の通り本発明の冷間工具鋼は、重量
%で、C:1.10〜1.25、Cr:9.50〜1
1.00、Si:0.18〜0.28、S:0.05〜
0.15、および重量比で、Cr/C:7.6〜10.
0を含有させているので、被削性が改善される。
【0027】また、重量%で、C:1.10〜1.2
5、Cr:9.50〜11.00、V:0.30、およ
び重量比で、Cr/C:7.6〜10.0を含有するの
で、耐摩耗性が改善される。
【0028】さらに、重量%で、V:0.30、Mo:
1.35、および重量比で、Cr/C:7.6〜10.
0を含有するので、熱処理最大変寸が改善され、また、
重量%で、Si:0.18〜0.28、Mo:1.3
5、および重量比で、Cr/C:7.6〜10.0を含
有するので熱処理変寸の異方性も改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】C含有率(重量%)と耐摩耗性との関係を示す
グラフ図である。
【図2】C含有率(重量%)と被削性との関係を示すグ
ラフ図である。
【図3】Cr含有率(重量%)と耐摩耗性との関係を示
すグラフ図である。
【図4】Cr含有率(重量%)と被削性との関係を示す
グラフ図である。
【図5】Si含有率(重量%)と被削性との関係を示す
グラフ図である。
【図6】Si含有率(重量%)と変寸異方性との関係を
示すグラフ図である。
【図7】Mo含有率(重量%)と最大熱処理変寸率との
関係を示すグラフ図である。
【図8】Mo含有率(重量%)と熱処理による変寸異方
性との関係を示すグラフ図である。
【図9】V含有率(重量%)と最大熱処理変寸率との関
係を示すグラフ図である。
【図10】Cr/Cの重量比(%)と熱処理による変寸
異方性との関係を示すグラフ図である。
【図11】Cr/Cの重量比(%)と最大熱処理変寸率
との関係を示すグラフ図である。
【図12】Cr/Cの重量比(%)と被削性との関係を
示すグラフ図である。
【図13】Cr/Cの重量比(%)と耐摩耗性との関係
を示すグラフ図である。
【図14】S含有率(重量%)と被削性との関係を示す
グラフ図である。
フロントページの続き (72)発明者 林 田 敬 一 富山県新湊市八幡町3−10−15 日本高 周波鋼業株式会社 富山製造所内 (56)参考文献 特開 昭62−243740(JP,A) 特開 昭64−31951(JP,A) 特開 平9−125204(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:1.10〜1.25、C
    r:9.50〜11.00、Si:0.18〜0.2
    8、V:0.30、Mo:1.35、S:0.05〜
    0.15、Mn:0.20〜0.35、および重量比
    で、Cr/C:7.6〜10.0を含有し、残部がFe
    および不可避的不純物からなることを特徴とする冷間工
    具鋼。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:1.10〜1.25、C
    r:9.50〜11.00、Si:0.20〜0.2
    5、V:0.30、Mo:1.35、S:0.07〜
    0.1、Mn:0.20〜0.29、および重量比で、
    Cr/C:7.6〜10.0を含有し、残部がFeおよ
    び不可避的不純物からなることを特徴とする冷間工具
    鋼。
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