JP3535112B2 - 耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼および該熱間工具鋼からなる高温用部材 - Google Patents
耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼および該熱間工具鋼からなる高温用部材Info
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
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- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的高温状態
（好適には３００℃以上）で使用される熱間工具鋼、お
よびその熱間工具鋼からなる鋳造機用構造部材、射出成
形機用構造部材、熱間鍛造機用部材などの高温用部材に
関するものである。
（好適には３００℃以上）で使用される熱間工具鋼、お
よびその熱間工具鋼からなる鋳造機用構造部材、射出成
形機用構造部材、熱間鍛造機用部材などの高温用部材に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりアルミニウムやマグネシウム及
びそれらを主成分とする合金などを鋳造法により製造す
る際に、高温に晒される鋳造機用構造部材として、５％
Ｃｒ系のＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼のような熱間工具鋼が採
用されてきた。また、最近それらの軽金属や低融点金属
などの射出成形機構造部材としても同様にＪＩＳ−ＳＫ
Ｄ６１鋼が採用されている。
びそれらを主成分とする合金などを鋳造法により製造す
る際に、高温に晒される鋳造機用構造部材として、５％
Ｃｒ系のＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼のような熱間工具鋼が採
用されてきた。また、最近それらの軽金属や低融点金属
などの射出成形機構造部材としても同様にＪＩＳ−ＳＫ
Ｄ６１鋼が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような用途にＪＩ
Ｓ−ＳＫＤ６１鋼を用いた場合には種々の要因により寿
命に至るが、その一つとして高温で応力が付加される環
境で長時間使用時のクリープ破断延性の不足、クリープ
ひずみの増大が挙げられる。これはＪＩＳ−ＳＫＤ６１
鋼は焼戻しマルテンサイト中に微細に炭化物を析出させ
て強化を図っているが、高温で長時間使用すると転位の
回復や炭化物の凝集・粗大化などが生じるために、当初
の材料特性を維持することはできずに徐々に軟化してし
まうからである。さらには高温加熱される射出機などで
は固体合金に剪断力を与えて溶融する迄の過程で摩耗傷
がつき折損しやすくなるなどの危険性も出てくる。
Ｓ−ＳＫＤ６１鋼を用いた場合には種々の要因により寿
命に至るが、その一つとして高温で応力が付加される環
境で長時間使用時のクリープ破断延性の不足、クリープ
ひずみの増大が挙げられる。これはＪＩＳ−ＳＫＤ６１
鋼は焼戻しマルテンサイト中に微細に炭化物を析出させ
て強化を図っているが、高温で長時間使用すると転位の
回復や炭化物の凝集・粗大化などが生じるために、当初
の材料特性を維持することはできずに徐々に軟化してし
まうからである。さらには高温加熱される射出機などで
は固体合金に剪断力を与えて溶融する迄の過程で摩耗傷
がつき折損しやすくなるなどの危険性も出てくる。
【０００４】一方、高温強度に優れた材料としてインコ
ネル（商標名、以下同じ）７１８などのＮｉ基耐熱合金
が知られている。しかし、この材料は溶融したアルミニ
ウムやマグネシウム及びそれらを主成分とする合金によ
る溶損が著しいという問題がある。さらにアルミニウム
やマグネシウム及びそれらを主成分とする合金を溶融さ
せるために構造部材をヒータ等により加熱したとき、イ
ンコネル７１８のようなＮｉ基耐熱合金は熱伝導性が悪
く、高温での延靭性が低いため、部材の内外面の温度差
に起因した熱応力が発生し、素材の劣化、構造部材とし
ての信頼性が低下する問題があった。また、一般に工具
材料や弁材料として用いられるステライト（商標名、以
下同じ）や、その他のコバルト基合金は、高温強度に優
れた材料であり、溶損が少ないことも判っているが、靭
性がやや劣るのと、高価であるため構造部材としては使
用しづらいという問題がある。
ネル（商標名、以下同じ）７１８などのＮｉ基耐熱合金
が知られている。しかし、この材料は溶融したアルミニ
ウムやマグネシウム及びそれらを主成分とする合金によ
る溶損が著しいという問題がある。さらにアルミニウム
やマグネシウム及びそれらを主成分とする合金を溶融さ
せるために構造部材をヒータ等により加熱したとき、イ
ンコネル７１８のようなＮｉ基耐熱合金は熱伝導性が悪
く、高温での延靭性が低いため、部材の内外面の温度差
に起因した熱応力が発生し、素材の劣化、構造部材とし
ての信頼性が低下する問題があった。また、一般に工具
材料や弁材料として用いられるステライト（商標名、以
下同じ）や、その他のコバルト基合金は、高温強度に優
れた材料であり、溶損が少ないことも判っているが、靭
性がやや劣るのと、高価であるため構造部材としては使
用しづらいという問題がある。
【０００５】本発明は、上記課題を解決して従来のＪＩ
Ｓ−ＳＫＤ６１鋼に比べて高い高温クリープ強度と同等
の短時間引張強度を有し、溶融したアルミニウムやマグ
ネシウム及びそれらを主成分とする合金に対する耐溶損
特性に優れ、良好な熱伝導性を有することによる部材の
温度差に起因した熱応力の発生を抑制する信頼性の高い
熱間工具鋼およびその熱間工具鋼からなる高温用部材を
提供することを目的としている。
Ｓ−ＳＫＤ６１鋼に比べて高い高温クリープ強度と同等
の短時間引張強度を有し、溶融したアルミニウムやマグ
ネシウム及びそれらを主成分とする合金に対する耐溶損
特性に優れ、良好な熱伝導性を有することによる部材の
温度差に起因した熱応力の発生を抑制する信頼性の高い
熱間工具鋼およびその熱間工具鋼からなる高温用部材を
提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼のうち
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．
１５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．３０％以
下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：５．０〜１３．０％、
Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０〜８．０％、Ｃｏ：
１．０〜１０．０％、Ｂ：０．００３〜０．０２０％、
Ｎ：０．００５〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及
び不可避的不純物からなることを特徴とする。
本発明の耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼のうち
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．
１５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．３０％以
下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：５．０〜１３．０％、
Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０〜８．０％、Ｃｏ：
１．０〜１０．０％、Ｂ：０．００３〜０．０２０％、
Ｎ：０．００５〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及
び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００７】請求項２記載の耐溶損性・高温強度に優れ
た熱間工具鋼の発明は、請求項１記載の発明において、
組成成分としてさらに、質量％で、Ｖ：０．０１〜１．
０％を含有することを特徴とする。
た熱間工具鋼の発明は、請求項１記載の発明において、
組成成分としてさらに、質量％で、Ｖ：０．０１〜１．
０％を含有することを特徴とする。
【０００８】請求項３記載の耐溶損性・高温強度に優れ
た熱間工具鋼の発明は、請求項１または２の発明におい
て、組成成分としてさらに、質量％で、Ｎｂ、Ｔａの１
種又は２種：０．０１〜１．０％を含有することを特徴
とする。
た熱間工具鋼の発明は、請求項１または２の発明におい
て、組成成分としてさらに、質量％で、Ｎｂ、Ｔａの１
種又は２種：０．０１〜１．０％を含有することを特徴
とする。
【０００９】請求項４記載の耐溶損性・高温強度に優れ
た熱間工具鋼の発明は、請求項１〜３記載の発明におい
て、Ｃｏ＋Ｗ含有量が質量％で５．０％以上であること
を特徴とする。
た熱間工具鋼の発明は、請求項１〜３記載の発明におい
て、Ｃｏ＋Ｗ含有量が質量％で５．０％以上であること
を特徴とする。
【００１０】請求項５記載の耐溶損性・高温強度に優れ
た熱間工具鋼の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載
の発明において、次式で示されるＣｒ当量の値が７．０
以下であることを特徴とする。 Ｃｒ当量＝［Ｃｒ％］＋６［Ｓｉ％］＋４［Ｍｏ％］＋
１．５［Ｗ％］＋１１［Ｖ％］＋５［Ｎｂ％］−４０
［Ｃ％］−２［Ｍｎ％］−４［Ｎｉ％］−３０［Ｎ％］
−２［Ｃｏ％］。
た熱間工具鋼の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載
の発明において、次式で示されるＣｒ当量の値が７．０
以下であることを特徴とする。 Ｃｒ当量＝［Ｃｒ％］＋６［Ｓｉ％］＋４［Ｍｏ％］＋
１．５［Ｗ％］＋１１［Ｖ％］＋５［Ｎｂ％］−４０
［Ｃ％］−２［Ｍｎ％］−４［Ｎｉ％］−３０［Ｎ％］
−２［Ｃｏ％］。
【００１１】請求項６記載の熱間工具鋼からなる高温用
部材の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の熱間工
具鋼からなり、鋳造機用構造部材、射出成形機用構造部
材、熱間鍛造機用部材のいずれかを構成することを特徴
とする。
部材の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の熱間工
具鋼からなり、鋳造機用構造部材、射出成形機用構造部
材、熱間鍛造機用部材のいずれかを構成することを特徴
とする。
【００１２】請求項７記載の熱間工具鋼からなる高温用
部材の発明は、請求項６記載の発明において、一部また
は全部に表面硬化処理が施されていることを特徴とす
る。
部材の発明は、請求項６記載の発明において、一部また
は全部に表面硬化処理が施されていることを特徴とす
る。
【００１３】請求項８記載の熱間工具鋼からなる高温用
部材の発明は、請求項７記載の発明において、表面硬化
処理が窒化、炭化、イオン注入法のいずれかであること
を特徴とする。
部材の発明は、請求項７記載の発明において、表面硬化
処理が窒化、炭化、イオン注入法のいずれかであること
を特徴とする。
【００１４】すなわち本発明の熱間工具鋼によれば、上
記組成により、高い短時間引張強度、高温クリープ強度
を有し、溶融したアルミニウム合金等に対する優れた耐
溶損特性を示し、さらに、良好な熱伝導性を有する。本
発明の熱間工具鋼を用いた高温用部材は、上記特性によ
り、高温状態での使用に際し優れた耐久性を有し、さら
に高い信頼性をもたらす。
記組成により、高い短時間引張強度、高温クリープ強度
を有し、溶融したアルミニウム合金等に対する優れた耐
溶損特性を示し、さらに、良好な熱伝導性を有する。本
発明の熱間工具鋼を用いた高温用部材は、上記特性によ
り、高温状態での使用に際し優れた耐久性を有し、さら
に高い信頼性をもたらす。
【００１５】以下に本発明で規定する成分の限定理由お
よびその作用について説明する。なお、以下の含有量は
いずれも質量％で示されている。
よびその作用について説明する。なお、以下の含有量は
いずれも質量％で示されている。
【００１６】Ｃ：０．０５〜０．１５％
Ｃはマトリックス中に固溶してマルテンサイト変態を促
進する元素であり、焼入れ性確保のためには不可欠な元
素である。同時にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂなど
と結合して炭化物を形成して、高温強度を高めるために
も不可欠の元素である。すなわち、高温用部材として最
低限必要である強度、硬さ、耐摩耗性などを保証するた
めには必須の元素である。その効果を発揮するためには
最低０．０５％以上の含有量が必要である。しかしなが
ら多すぎる含有は炭化物の過度の粗大化を招きやすく、
高温強度の低下をもたらすため、上限を０．１５％とす
る。なお、同様の理由で下限を０．０７％とするのが望
ましい。
進する元素であり、焼入れ性確保のためには不可欠な元
素である。同時にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂなど
と結合して炭化物を形成して、高温強度を高めるために
も不可欠の元素である。すなわち、高温用部材として最
低限必要である強度、硬さ、耐摩耗性などを保証するた
めには必須の元素である。その効果を発揮するためには
最低０．０５％以上の含有量が必要である。しかしなが
ら多すぎる含有は炭化物の過度の粗大化を招きやすく、
高温強度の低下をもたらすため、上限を０．１５％とす
る。なお、同様の理由で下限を０．０７％とするのが望
ましい。
【００１７】Ｓｉ：０．３０％以下
Ｓｉは鋼の溶解・精錬を行う際に脱酸元素として使用さ
れ、その結果、鋼は不純物としてＳｉを不可避的に含有
することになる。しかしＳｉは炭化物の粗大化を促進し
たり、ラーベス相と呼ばれる金属間化合物を形成して鋼
の靭性を低下させる。したがって極力低下することが望
ましく、Ｓｉの含有量を０．３０％以下に限定する。な
お、同様の理由で０．２０％以下に規制するのが望まし
い。
れ、その結果、鋼は不純物としてＳｉを不可避的に含有
することになる。しかしＳｉは炭化物の粗大化を促進し
たり、ラーベス相と呼ばれる金属間化合物を形成して鋼
の靭性を低下させる。したがって極力低下することが望
ましく、Ｓｉの含有量を０．３０％以下に限定する。な
お、同様の理由で０．２０％以下に規制するのが望まし
い。
【００１８】Ｍｎ：０．３０％以下
ＭｎはＳｉと同様に脱酸元素として有益な元素であり、
焼入れ性の向上にも寄与する。しかしながら多すぎる添
加は靭性の劣化を招いたり、高温強度を低下させる。し
たがってその含有量は０．３０％以下に限定する。な
お、同様の理由で０．２０％以下に規制するのが望まし
い。
焼入れ性の向上にも寄与する。しかしながら多すぎる添
加は靭性の劣化を招いたり、高温強度を低下させる。し
たがってその含有量は０．３０％以下に限定する。な
お、同様の理由で０．２０％以下に規制するのが望まし
い。
【００１９】Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは靭性を向上させたり、焼入れ性を高めたり、δフ
ェライト生成を抑制するためには有効な元素であり、所
望により積極的に含有させる。しかしながら多すぎる含
有は耐溶損性を低下させる。したがってその含有量は
１．０％以下に限定する。Ｎｉは不可避不純物として含
まれる場合もあるが、積極的に含有させる場合には、上
記作用を充分に得るために０．２％以上含有させるのが
望ましい。
ェライト生成を抑制するためには有効な元素であり、所
望により積極的に含有させる。しかしながら多すぎる含
有は耐溶損性を低下させる。したがってその含有量は
１．０％以下に限定する。Ｎｉは不可避不純物として含
まれる場合もあるが、積極的に含有させる場合には、上
記作用を充分に得るために０．２％以上含有させるのが
望ましい。
【００２０】Ｃｒ：５．０〜１３．０％
Ｃｒは耐酸化性や高温での耐食性を確保するとともに、
Ｃと結合して炭化物を形成することにより合金の強度を
高めるために、高温用部材としては必要不可欠の添加元
素である。さらに溶融金属に対する安定性が高いため
に、合金の耐溶損特性を向上させる。その効果を発揮す
るために最低５．０％以上の含有が必要である。しかし
ながら多すぎる含有はδフェライトの生成を促進して、
靭性の低下や高温強度の低下を招く。従ってその含有量
を５．０〜１３．０％の範囲に限定する。なお、同様の
理由で下限を８．０％、上限を１１．０％とするのが望
ましい。
Ｃと結合して炭化物を形成することにより合金の強度を
高めるために、高温用部材としては必要不可欠の添加元
素である。さらに溶融金属に対する安定性が高いため
に、合金の耐溶損特性を向上させる。その効果を発揮す
るために最低５．０％以上の含有が必要である。しかし
ながら多すぎる含有はδフェライトの生成を促進して、
靭性の低下や高温強度の低下を招く。従ってその含有量
を５．０〜１３．０％の範囲に限定する。なお、同様の
理由で下限を８．０％、上限を１１．０％とするのが望
ましい。
【００２１】Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏはマトリックス中に固溶して高温強度を向上させる
とともに、炭化物の微細析出を促進し、かつその凝集を
防止する効果があり、また溶融金属に対する安定性が高
いために合金の耐溶損性を向上させるので所望により含
有させる。しかしながら多すぎる含有はδフェライトの
生成を促進して、靭性の劣化や高温強度の低下を招く。
従ってその含有量は１．０％以下に限定する。さらに、
上記作用を充分に得るためには、０．２％以上含有させ
るのが望ましい。
とともに、炭化物の微細析出を促進し、かつその凝集を
防止する効果があり、また溶融金属に対する安定性が高
いために合金の耐溶損性を向上させるので所望により含
有させる。しかしながら多すぎる含有はδフェライトの
生成を促進して、靭性の劣化や高温強度の低下を招く。
従ってその含有量は１．０％以下に限定する。さらに、
上記作用を充分に得るためには、０．２％以上含有させ
るのが望ましい。
【００２２】Ｗ：１．０〜８．０％
Ｗはマトリックス中に固溶して高温強度を向上させると
ともに、炭化物の凝集を防止する効果があり、また溶融
金属に対する安定性が高いために合金の耐溶損性を向上
させる。しかもその効果はＭｏよりも大きいために必ず
含有させることが必要である。その効果を発揮するため
には、最低１．０％以上含有させることが必要である。
しかしながら多すぎる含有はδフェライトやラーベス相
の生成を促進するために靭性の低下や高温強度の低下を
招く。したがってその含有量は１．０〜８．０％の範囲
に限定する。なお、同様の理由により下限を３．０％、
上限を６．０％とするのが望ましい。
ともに、炭化物の凝集を防止する効果があり、また溶融
金属に対する安定性が高いために合金の耐溶損性を向上
させる。しかもその効果はＭｏよりも大きいために必ず
含有させることが必要である。その効果を発揮するため
には、最低１．０％以上含有させることが必要である。
しかしながら多すぎる含有はδフェライトやラーベス相
の生成を促進するために靭性の低下や高温強度の低下を
招く。したがってその含有量は１．０〜８．０％の範囲
に限定する。なお、同様の理由により下限を３．０％、
上限を６．０％とするのが望ましい。
【００２３】Ｖ：０．０１〜１．０％
ＶはＣと結合して炭化物を形成し、高温強度や耐摩耗性
の向上に寄与するので所望により含有させる。その効果
を発揮させるためには最低０．０１％以上の含有が必要
である。しかしながら多すぎる含有は炭化物の過度の粗
大化を招きやすくなり、逆に高温強度の低下をもたらす
ため、その含有量は０．０１〜１．０％の範囲に限定す
る。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．
４０％とするのが望ましい。
の向上に寄与するので所望により含有させる。その効果
を発揮させるためには最低０．０１％以上の含有が必要
である。しかしながら多すぎる含有は炭化物の過度の粗
大化を招きやすくなり、逆に高温強度の低下をもたらす
ため、その含有量は０．０１〜１．０％の範囲に限定す
る。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．
４０％とするのが望ましい。
【００２４】Ｎｂ＋Ｔａ：０．０１〜１．０％
ＮｂおよびＴａはＣと結合して微細な炭化物を形成し、
高温強度の向上や結晶粒の微細化に寄与するので、所望
により一方又は両方を含有させる。その効果を発揮させ
るためには合計量で最低０．０１％以上の含有が必要で
ある。しかしながら多すぎる含有は炭化物の過度の粗大
化を招きやすくなり、逆に高温強度の低下や靭性の低下
をもたらすため、その含有量は合計で０．０１〜１．０
％の範囲に限定する。なお、同様の理由で合計量の下限
を０．０２％、上限を０．１５％とするのが望ましい。
高温強度の向上や結晶粒の微細化に寄与するので、所望
により一方又は両方を含有させる。その効果を発揮させ
るためには合計量で最低０．０１％以上の含有が必要で
ある。しかしながら多すぎる含有は炭化物の過度の粗大
化を招きやすくなり、逆に高温強度の低下や靭性の低下
をもたらすため、その含有量は合計で０．０１〜１．０
％の範囲に限定する。なお、同様の理由で合計量の下限
を０．０２％、上限を０．１５％とするのが望ましい。
【００２５】Ｃｏ：１．０〜１０．０％
Ｃｏはマトリックス中に固溶して高温強度や耐衝撃特性
を向上させる。またδフェライトの析出を抑制し、高温
での強度や靭性の低下を防止する。したがってＣｏは必
ず添加することが必要であり、その効果を発揮するため
には、最低１．０％以上含有させることが必要である。
しかしながらＣｏは非常に高価な元素であるために過度
の添加は合金のコストを著しく高くしてしまう。したが
ってその添加量は１．０〜１０．０％の範囲に限定す
る。なお、同様の理由で下限を３．０％、上限を６．０
％とするのが望ましい。
を向上させる。またδフェライトの析出を抑制し、高温
での強度や靭性の低下を防止する。したがってＣｏは必
ず添加することが必要であり、その効果を発揮するため
には、最低１．０％以上含有させることが必要である。
しかしながらＣｏは非常に高価な元素であるために過度
の添加は合金のコストを著しく高くしてしまう。したが
ってその添加量は１．０〜１０．０％の範囲に限定す
る。なお、同様の理由で下限を３．０％、上限を６．０
％とするのが望ましい。
【００２６】Ｃｏ＋Ｗ：５．０％以上
上記のようにＣｏは高温での強度や靭性、耐溶損性に好
影響を与えることから、これらの特性をさらに向上させ
るためには前記限定範囲内で含有量をさらに増加させる
ことが望ましい。ただし同様の効果を有するＷとＣｏの
間にはある程度の相補関係があり、高価な合金元素であ
るＣｏの一部をＷにより代替させることが可能である。
従ってＣｏ含有量とＷ含有量の合計を５．０％以上にす
ることが望ましい。
影響を与えることから、これらの特性をさらに向上させ
るためには前記限定範囲内で含有量をさらに増加させる
ことが望ましい。ただし同様の効果を有するＷとＣｏの
間にはある程度の相補関係があり、高価な合金元素であ
るＣｏの一部をＷにより代替させることが可能である。
従ってＣｏ含有量とＷ含有量の合計を５．０％以上にす
ることが望ましい。
【００２７】Ｂ：０．００３〜０．０２０％
Ｂは微量な添加でも主に粒界に偏析することにより粒界
を安定させる作用をもつ。この作用により、高温での組
織的な経時変化を抑制して高温強度を長時間維持した
り、クラックの発生や伝播を抑制する。その効果を発揮
させるためには、最低０．００３％以上の含有が必要で
ある。しかしながら多すぎる含有は延性や靭性の低下を
招く。したがってその含有量は０．００３〜０．０２％
の範囲に限定する。なお、同様の理由で下限を０．００
５％、上限を０．０１２％とするのが望ましい。
を安定させる作用をもつ。この作用により、高温での組
織的な経時変化を抑制して高温強度を長時間維持した
り、クラックの発生や伝播を抑制する。その効果を発揮
させるためには、最低０．００３％以上の含有が必要で
ある。しかしながら多すぎる含有は延性や靭性の低下を
招く。したがってその含有量は０．００３〜０．０２％
の範囲に限定する。なお、同様の理由で下限を０．００
５％、上限を０．０１２％とするのが望ましい。
【００２８】Ｎ：０．００５〜０．０５０％
Ｎは合金中のＣｒ、Ｖ、Ｎｂなどと結合して窒化物ある
いは炭窒化物を形成して高温強度を高めるとともに、マ
トリックスを強化する。さらに高温での耐食性や強度を
向上させる。その効果を発揮させるためには最低０．０
０５％以上の含有量が必要である。しかしながら多すぎ
る含有は溶損特性の劣化を生じる。したがってその含有
量は０．００５〜０．０５％の範囲に限定する。なお、
同様の理由で下限を０．０１％、上限を０．０３％とす
るのが望ましい。
いは炭窒化物を形成して高温強度を高めるとともに、マ
トリックスを強化する。さらに高温での耐食性や強度を
向上させる。その効果を発揮させるためには最低０．０
０５％以上の含有量が必要である。しかしながら多すぎ
る含有は溶損特性の劣化を生じる。したがってその含有
量は０．００５〜０．０５％の範囲に限定する。なお、
同様の理由で下限を０．０１％、上限を０．０３％とす
るのが望ましい。
【００２９】Ｃｒ当量：７．０以下
またδフェライトの生成傾向は次式で示されるＣｒ当量
の増加により高まるため、靭性や高温強度の低下を招
く。従ってこのＣｒ当量を７．０以下に限定することが
望ましい。 Ｃｒ当量＝［Ｃｒ％］＋６［Ｓｉ％］＋４［Ｍｏ％］＋
１．５［Ｗ％］＋１１［Ｖ％］＋５［Ｎｂ％］−４０
［Ｃ％］−２［Ｍｎ％］−４［Ｎｉ％］−３０［Ｎ％］
−２［Ｃｏ％］
の増加により高まるため、靭性や高温強度の低下を招
く。従ってこのＣｒ当量を７．０以下に限定することが
望ましい。 Ｃｒ当量＝［Ｃｒ％］＋６［Ｓｉ％］＋４［Ｍｏ％］＋
１．５［Ｗ％］＋１１［Ｖ％］＋５［Ｎｂ％］−４０
［Ｃ％］−２［Ｍｎ％］−４［Ｎｉ％］−３０［Ｎ％］
−２［Ｃｏ％］
【００３０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態を説明
する。本発明の熱間工具鋼は、規定された組成となるよ
うに各成分を調整して常法により溶製することができ
る。本発明としてはその溶製方法が特に限定されるもの
ではない。上記により得られた熱間工具鋼は、上記に示
す組成を有し、短時間引張強度、高温クリープ強度、耐
溶損特性に優れ、さらに良好な熱伝導性を有する。熱間
工具鋼は、適宜の加工がなされ、高温用部材として提供
される。なお、本発明としては、熱間工具鋼から高温用
部材に至るまでの製造工程は特に限定されるものではな
く、圧延、鍛造、曲げ加工、研削等の機械加工を適宜行
うことができる。該高温用部材の好適な用途は、例えば
３００℃以上となる高温状態で使用され、上記特性が要
求される用途であり、例えば鋳造機用構造部材、射出成
形機用構造部材、熱間鍛造機用部材などが代表的な用途
として挙げられる。
する。本発明の熱間工具鋼は、規定された組成となるよ
うに各成分を調整して常法により溶製することができ
る。本発明としてはその溶製方法が特に限定されるもの
ではない。上記により得られた熱間工具鋼は、上記に示
す組成を有し、短時間引張強度、高温クリープ強度、耐
溶損特性に優れ、さらに良好な熱伝導性を有する。熱間
工具鋼は、適宜の加工がなされ、高温用部材として提供
される。なお、本発明としては、熱間工具鋼から高温用
部材に至るまでの製造工程は特に限定されるものではな
く、圧延、鍛造、曲げ加工、研削等の機械加工を適宜行
うことができる。該高温用部材の好適な用途は、例えば
３００℃以上となる高温状態で使用され、上記特性が要
求される用途であり、例えば鋳造機用構造部材、射出成
形機用構造部材、熱間鍛造機用部材などが代表的な用途
として挙げられる。
【００３１】図１は、高温状態で使用される射出成形機
１の一部を示す断面図であり、シリンダ２およびシリン
ダヘッド３は高温用部材として本発明の熱間工具鋼が使
用されている。また、シリンダ２の先端側外周部には、
シリンダ２の先端部およびシリンダヘッド３を加熱する
ヒータ４が配置されている。該射出成形機１の作動時に
は、前記シリンダ２およびシリンダヘッド３は高温状態
になり、低融点金属を射出成形する場合には内部を高温
の低融点金属が接触しながら移動する。また、シリンダ
２の先端部およびシリンダヘッド３は、外周側からヒー
タ４によって加熱される。
１の一部を示す断面図であり、シリンダ２およびシリン
ダヘッド３は高温用部材として本発明の熱間工具鋼が使
用されている。また、シリンダ２の先端側外周部には、
シリンダ２の先端部およびシリンダヘッド３を加熱する
ヒータ４が配置されている。該射出成形機１の作動時に
は、前記シリンダ２およびシリンダヘッド３は高温状態
になり、低融点金属を射出成形する場合には内部を高温
の低融点金属が接触しながら移動する。また、シリンダ
２の先端部およびシリンダヘッド３は、外周側からヒー
タ４によって加熱される。
【００３２】上記動作において、熱間工具鋼で構成され
たシリンダ２およびシリンダヘッド３は、高温特性、耐
溶損特性に優れており、上記高温状態においても優れた
耐久性を示す。また熱伝導性にも優れており、ヒータ加
熱による熱応力の発生が小さくて機器として高い信頼性
を得ることができる。
たシリンダ２およびシリンダヘッド３は、高温特性、耐
溶損特性に優れており、上記高温状態においても優れた
耐久性を示す。また熱伝導性にも優れており、ヒータ加
熱による熱応力の発生が小さくて機器として高い信頼性
を得ることができる。
【００３３】なお、この実施形態では施工しなかった
が、本発明の高温用部材では、その表面の一部または全
部に表面硬化処理を施すことができる。該表面硬化処理
により、高温部材の耐摩耗性、耐溶損性等を向上させる
ことができる。この表面硬化処理の方法は、本発明とし
ては特に限定されるものではなく、例えば窒化処理、炭
化処理、炭素、窒素イオン等のイオン注入法が挙げられ
る。
が、本発明の高温用部材では、その表面の一部または全
部に表面硬化処理を施すことができる。該表面硬化処理
により、高温部材の耐摩耗性、耐溶損性等を向上させる
ことができる。この表面硬化処理の方法は、本発明とし
ては特に限定されるものではなく、例えば窒化処理、炭
化処理、炭素、窒素イオン等のイオン注入法が挙げられ
る。
【００３４】
【実施例】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。表
１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により５
０ｋｇ鋼塊に溶製した。なお、表中には上記供試材のＣ
ｏ含有量とＷ含有量との合計（Ｃｏ＋Ｗ）、Ｃｒ当量を
併せて示す。溶製した各鋼塊は、拡散均質処理を施した
後に熱間鍛造により厚さ３０ｍｍ×幅１２０ｍｍの板材
とした。この板材から採取した試験片に、焼入れ処理と
して、１１００℃で３時間の熱処理を施した後に空冷
し、焼戻し処理として６７０℃で２０時間の熱処理を施
した後に炉冷した。
１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により５
０ｋｇ鋼塊に溶製した。なお、表中には上記供試材のＣ
ｏ含有量とＷ含有量との合計（Ｃｏ＋Ｗ）、Ｃｒ当量を
併せて示す。溶製した各鋼塊は、拡散均質処理を施した
後に熱間鍛造により厚さ３０ｍｍ×幅１２０ｍｍの板材
とした。この板材から採取した試験片に、焼入れ処理と
して、１１００℃で３時間の熱処理を施した後に空冷
し、焼戻し処理として６７０℃で２０時間の熱処理を施
した後に炉冷した。
【００３５】
【表１】
【００３６】まず各試験材の高温でのクリープ強度を評
価するために焼入れ、焼戻し後の試験片を温度６５０
℃、応力１５７ＭＰａの条件でのクリープ破断試験を実
施し、従来材ＳＫＤ６１鋼に対するクリープ破断寿命の
比を相対クリープ破断寿命と定義した。図２に各試験材
毎の相対クリープ破断寿命を示すが、発明材は従来材で
あるＳＫＤ６１鋼（Ｎｏ．１２）および比較材（Ｎｏ．
１０、１１）よりもクリープ破断強度に優れていること
は明らかである。また発明材でも（Ｃｏ＋Ｗ）量が５．
０％以上の範囲にあるもの（Ｎｏ．１〜７）は、よりク
リープ破断強度が高いことを示している。
価するために焼入れ、焼戻し後の試験片を温度６５０
℃、応力１５７ＭＰａの条件でのクリープ破断試験を実
施し、従来材ＳＫＤ６１鋼に対するクリープ破断寿命の
比を相対クリープ破断寿命と定義した。図２に各試験材
毎の相対クリープ破断寿命を示すが、発明材は従来材で
あるＳＫＤ６１鋼（Ｎｏ．１２）および比較材（Ｎｏ．
１０、１１）よりもクリープ破断強度に優れていること
は明らかである。また発明材でも（Ｃｏ＋Ｗ）量が５．
０％以上の範囲にあるもの（Ｎｏ．１〜７）は、よりク
リープ破断強度が高いことを示している。
【００３７】さらに各試験材の耐溶損特性を評価するた
めに、自作試験機による溶損試験を実施した。溶融状態
のＡｌ−Ｍｇ合金中で、試験材を回転させながら６５０
℃で最長１００時間あたりの溶損量、溶損速度定数を求
めた。従来材であるＳＫＤ６１鋼（Ｎｏ．１２）に対す
る各試験材の溶損速度定数を相対溶損速度係数と定義し
た。即ち、相対溶損速度係数が小さいほど耐溶損性に優
れていることを示している。図３に各試験材の相対溶損
速度係数を示すが、発明材はいずれの従来材、比較材よ
りも耐溶損特性に優れていることは明らかである。特に
インコネル７１８の従来材（Ｎｏ．１３）は極端な溶損
性の低下が認められる。
めに、自作試験機による溶損試験を実施した。溶融状態
のＡｌ−Ｍｇ合金中で、試験材を回転させながら６５０
℃で最長１００時間あたりの溶損量、溶損速度定数を求
めた。従来材であるＳＫＤ６１鋼（Ｎｏ．１２）に対す
る各試験材の溶損速度定数を相対溶損速度係数と定義し
た。即ち、相対溶損速度係数が小さいほど耐溶損性に優
れていることを示している。図３に各試験材の相対溶損
速度係数を示すが、発明材はいずれの従来材、比較材よ
りも耐溶損特性に優れていることは明らかである。特に
インコネル７１８の従来材（Ｎｏ．１３）は極端な溶損
性の低下が認められる。
【００３８】また各試験材を５００℃前後の高温窒素雰
囲気炉中に長時間保持し、表面を窒化処理した後の表面
の硬度をビッカース硬度試験機で測定したところ、ＭＨ
Ｖ４５０〜７００という著しい硬度上昇が認められ、射
出成形機や押出機のシリンダーとスクリューのような摺
動部で耐摩耗性の確保、より一層の耐溶損性の向上が期
待できる。
囲気炉中に長時間保持し、表面を窒化処理した後の表面
の硬度をビッカース硬度試験機で測定したところ、ＭＨ
Ｖ４５０〜７００という著しい硬度上昇が認められ、射
出成形機や押出機のシリンダーとスクリューのような摺
動部で耐摩耗性の確保、より一層の耐溶損性の向上が期
待できる。
【００３９】さらに、発明材の一部（Ｎｏ．１）と比較
材および従来材の一部（Ｎｏ．１１、１２、１３）につ
いて、高温（６５０℃）での短時間引張強度と熱伝導度
を測定し、従来材Ｎｏ．１２に対する相対値として図
４、５に示した。図から明らかなように、本発明材は、
従来材と同等の高温での短時間引張特性を有し、さら
に、高温での熱伝導度に優れている（従来材Ｎｏ．１３
に対し）。
材および従来材の一部（Ｎｏ．１１、１２、１３）につ
いて、高温（６５０℃）での短時間引張強度と熱伝導度
を測定し、従来材Ｎｏ．１２に対する相対値として図
４、５に示した。図から明らかなように、本発明材は、
従来材と同等の高温での短時間引張特性を有し、さら
に、高温での熱伝導度に優れている（従来材Ｎｏ．１３
に対し）。
【００４０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、インコネ
ル７１８のようなＮｉ基超合金よりも耐溶損性に優れ、
ＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼と同等の短時間引張特性を有し、
かつ該鋼よりも高温でのクリープ特性に優れ、熱伝導性
が良好なことによる熱応力の発生を抑制できる熱間工具
鋼を提供できる。従って鋳造機用構造部材、射出成形機
用構造部材、熱間鍛造機用部材として使用した場合に
は、著しく寿命を延長できるために産業上極めて有用で
ある。
ル７１８のようなＮｉ基超合金よりも耐溶損性に優れ、
ＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼と同等の短時間引張特性を有し、
かつ該鋼よりも高温でのクリープ特性に優れ、熱伝導性
が良好なことによる熱応力の発生を抑制できる熱間工具
鋼を提供できる。従って鋳造機用構造部材、射出成形機
用構造部材、熱間鍛造機用部材として使用した場合に
は、著しく寿命を延長できるために産業上極めて有用で
ある。
【図１】 本発明の一実施形態の射出成形機をを示す断
面図である。
面図である。
【図２】 クリープ破断試験から求めた、各試験材のク
リープ破断寿命を示すグラフである。
リープ破断寿命を示すグラフである。
【図３】 溶損試験結果から求めた、各試験材の相対
溶損速度係数（ＳＫＤ６１鋼溶損速度定数に対する各試
験材の溶損速度定数）を示すグラフである。
溶損速度係数（ＳＫＤ６１鋼溶損速度定数に対する各試
験材の溶損速度定数）を示すグラフである。
【図４】 試験材の一部における高温での短時間引張強
度を示すグラフである。
度を示すグラフである。
【図５】 試験材の一部における高温での熱伝導度を示
すグラフである。
すグラフである。
【符号の説明】
１ 射出成形機
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ ヒータ
Claims (8)
- 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．３０％以下、Ｎｉ：
１．０％以下、Ｃｒ：５．０〜１３．０％、Ｍｏ：１．
０％以下、Ｗ：１．０〜８．０％、Ｃｏ：１．０〜１
０．０％、Ｂ：０．００３〜０．０２０％、Ｎ：０．０
０５〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的
不純物からなることを特徴とする耐溶損性・高温強度に
優れた熱間工具鋼。 - 【請求項２】 組成成分としてさらに、質量％で、Ｖ：
０．０１〜１．０％を含有することを特徴とする請求項
１記載の耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼。 - 【請求項３】 組成成分としてさらに、質量％で、Ｎ
ｂ、Ｔａの１種又は２種：０．０１〜１．０％を含有す
ることを特徴とする請求項１または２に記載の耐溶損性
・高温強度に優れた熱間工具鋼。 - 【請求項４】 Ｃｏ＋Ｗ含有量が質量％で５．０％以上
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼。 - 【請求項５】 次式で示されるＣｒ当量の値が７．０以
下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の耐溶損性・高温強度に優れた熱間工具鋼 Ｃｒ当量＝［Ｃｒ％］＋６［Ｓｉ％］＋４［Ｍｏ％］＋
１．５［Ｗ％］＋１１［Ｖ％］＋５［Ｎｂ％］−４０
［Ｃ％］−２［Ｍｎ％］−４［Ｎｉ％］−３０［Ｎ％］
−２［Ｃｏ％］。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の熱間工
具鋼からなり、鋳造機用構造部材、射出成形機用構造部
材または熱間鍛造機用部材を構成することを特徴とする
熱間工具鋼からなる高温用部材 - 【請求項７】 一部または全部に表面硬化処理が施され
ていることを特徴とする請求項６記載の熱間工具鋼から
なる高温用部材 - 【請求項８】 表面硬化処理が窒化、炭化、イオン注入
法のいずれかであることを特徴とする請求項７記載の熱
間工具鋼からなる高温用部材。
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| CN104178694A (zh) * | 2014-08-13 | 2014-12-03 | 上海恺虹实业有限公司 | 一种高寿命热作模具钢 |
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| CN106048413B (zh) * | 2016-06-30 | 2018-06-15 | 四川六合锻造股份有限公司 | 一种降低高性能耐热不锈钢材料链状碳化物的方法 |
| CN109112391B (zh) * | 2017-06-26 | 2020-05-29 | 鞍钢股份有限公司 | 一种热作模具钢及其制备方法 |
| CN107177789A (zh) * | 2017-07-20 | 2017-09-19 | 苏州市天星山精密模具有限公司 | 一种高强度高韧性的模具 |
| CN109735777B (zh) * | 2019-03-06 | 2020-10-13 | 北京科技大学 | 一种抗氧化热作模具钢及其制备方法 |
| CN110306108A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-08 | 天津钢研海德科技有限公司 | 一种高韧性高抗裂性热作模具钢及其制造方法 |
| CN111945080A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-11-17 | 靖江市钜顺精密轻合金成型科技有限公司 | 一种高寿命压铸模具钢及制造铝镁压铸模的工艺方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| US6379475B1 (en) * | 1998-01-28 | 2002-04-30 | Northwestern University Business & Finance Office | Case hardened dies for improved die life |
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