JP3602102B2 - 熱間工具鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明鋼は、熱間鍛造用金型、押し出し型及びダイカスト金型等に使用される熱間工具鋼に関し、特に、炭化物及び非金属介在物を制御して、被削性、ヒートチェック性及び溶損性を向上させた熱間工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非金属介在物の清浄度を上げることにより熱間工具鋼の靭性を改善する技術が開示されている（特許第２８０９６２２号、特開平１１−６１３３１号公報）。また、この介在物の個数を増加させて、介在物の形態を球状にすることにより、被削性を改善する技術が提案されている（電気製鋼６４巻３号第１９１〜２０１頁の図２と図４、特開平１１−６１３３１号公報、特開平１０−６０５８５号公報）。しかし、上述の従来技術においては、ＪＩＳＧＯ５５５又はＡＳＴＭ Ｅ４５−７６等に準拠して介在物を評価しているため、介在物の種類と量を規定したものであり、介在物の大きさまでは定量評価できていない。
【０００３】
組成の調整により被削性を改善する技術も提案されている（特開平１０−６０５８５号公報、特開平９−２１７１４７号公報、特開平４−３５８０４０号公報、特開平１１−２６９６０３号公報）。また、組織を改善することにより、被削性を向上させることも提案されている（熱処理３９巻５号第２２５〜２２６頁、特許第２８０９６２２号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公知技術は、炭化物及び非金属介在物の大きさが考慮されておらず、このため、他の特性を犠牲にして被削性だけを改善しているものである。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、炭化物及び非金属介在物の大きさを適切に規定することにより、耐ヒートチェック性及び耐溶損性が改善されると共に、著しく被削性が向上した熱間工具鋼を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱間工具鋼は、Ｃ：０．１０乃至０．７０質量％、Ｓｉ：０．１０乃至０．８０質量％、Ｍｎ：０．３０乃至１．００質量％、Ｐ：０．００７乃至０．０２０質量％、Ｃｒ：３．００乃至７．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．２０乃至１２．００質量％、Ｖ：０．１０乃至３．００質量％、Ｎｉ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｓ：０．１５０質量％以下を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなり、非金属介在物の清浄度（ＪＩＳＧ０５５）がｄＡ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＣ６０×４００で０．０２０％以下であり、ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）で０．０４５％以下であると共に、焼き鈍ししたときに、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることを特徴とする。なお、Ｃｏ：６．５０質量％以下を更に含有しても良い。
【０００７】
この熱間工具鋼において、焼き鈍ししたときに、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が１０．５％以上であることが好ましい。
【０００８】
また、この熱間工具鋼において、焼入れ焼戻ししたときに、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることが好ましい。
【０００９】
更に、この熱間工具鋼において、焼入れ焼戻ししたときに、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が０．０３８％以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る熱間工具鋼は、前記化学成分が、Ｃ：０．３５乃至０．４０質量％、Ｓｉ：０．５５乃至０．６５質量％、Ｍｎ：０．３５乃至０．４５質量％、Ｐ：０．００７至０．０１０％、Ｃｒ：４．６０乃至５．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：１．６０乃至１．８０質量％、Ｖ：０．４０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：０．０８乃至０．１５質量％、Ｓ：０．００５質量％以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明は、炭化物及び非金属介在物の大きさを適切に規定することにより、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を改善し、被削性を向上させるものである。しかし、鋼材組成によって著しく被削性が悪化するため、ヒートチェック性及び耐溶損性と、被削性との双方の性質を改善するために、本発明は、介在物を軽減した鋼において、被削性及びヒートチェック性と、溶損性を同時に改善する炭化物及び介在物の大きさについて規定したものである。即ち、熱間工具鋼としての主要成分を変更することなく、不純物の清浄度を規定することにより介在物の形態を制御し、前熱処理によって炭化物形状と量の形態を制御することにより、被削性と、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を同時に向上させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。介在物を少なくするとヒートチェック性が改善される。しかし、鋼材成分によって改善効果が違う上に、著しく被削性が悪化する。このため、耐ヒートチェック性と被削性とは両立させることが難しいとされていたが、本発明者等は、炭化物及び非金属介在物の粒径を制御すると、ヒートチェック性と被削性との両立が可能なことを見出した。
【００１３】
工具寿命を延長する方法として、従来、介在物量が多いほど被削性が良いということが周知である。しかし、本発明者等は、硬度が４５ＨＲＣを超える調質鋼では、介在物量によらず被削性が良い場合と悪い場合があることを見いだした。そして、本発明者等は、清浄度が良い状態では、炭化物及び非金属介在物の粒径と量を制御して適正化することにより、他の特性を損なわずに被削性を改善できることを知見した。
【００１４】
炭化物及び非金属介在物粒径が大きいものは、被削性を悪化させ、微細な１．０μｍ以下のものが多いほど改善効果がある。
【００１５】
また、これらは共晶炭化物より基地中に析出する炭化物の改善効果が大きい。非金属介在物としては、Ａｌ２Ｏ３より、Ｂ系窒化物及びＢ系酸化物、ＭｎＳ、ＡｌＮ等のように、微細でアスペクト比が１．３以下のものが、切削工具寿命の延長効果と、切削工具寿命のバラツキ改善効果と、耐溶損性及び耐ヒートチェック性の改善効果がある。そして、粗大な非金属介在物と炭化物は、耐溶損性と耐ヒートチェック性を著しく悪化させる。
【００１６】
被削性の改善及びバラツキの軽減、耐溶損性、耐ヒートチェック性、耐疲労特性をすべて満足した熱間工具鋼にするには、炭化物及び非金属介在物の大きさを微細にし、炭化物及び非金属介在物の分布が均一になるようにすることが重要であり、公知文献に記載されている介在物の量以外に、介在物の大きさを制御することにより、被削性のバラツキを軽減し、耐溶損性、耐ヒートチェック性を改善できる。
【００１７】
耐溶損性及び耐ヒートチェック性については、初期ヒートクラック発生に影響を与えない炭化物及び非金属介在物の粒径範囲があり、耐溶損性及び耐ヒートチェック性に影響を与えるのは、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物である。そこで、本発明においては、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の量を少なくし、被削性の改善効果が大きい粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物を多くする。
【００１８】
炭化物及び非金属介在物の形態と量の制御は、焼なまし処理を実施する前に、１０５０〜１１９０℃で１分〜２０時間加熱して溶体化処理した後、炉冷、空冷、油冷等の冷却条件を制御することにより、可能である。
【００１９】
以下、本発明の熱間工具鋼の組成限定理由について説明する。
熱間工具鋼の組成
Ｃ：０．１０乃至０．７０質量％、好ましくは、０．３５乃至０．４０質量％
Ｃは焼入れ加熱時に基地に固溶して必要な焼入れ硬さを与え、また焼もどし時に特殊炭化物形成元素との問に特殊炭化物を形成し、この特殊炭化物が析出することにより、焼もどしにおける軟化抵抗と高温強度を与える。また、Ｃは残留炭化物を形成して高温での耐摩耗性を付与し、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防止する作用を有する。Ｃが多すぎると炭化物量が過度に増加し、熱間工具としての必要な靭性を保持できず、また高温強度の低下も招くので０．７０質量％以下とし、低すぎると上記添加効果が得られないので０．１０質量％以上とする。好ましくは、Ｃは０．３５乃至０．４０質量％である。
【００２０】
Ｓｉ：０．１０乃至０．８０質量％、好ましくは０．５５乃至０．６５質量％
Ｓｉは０．１０質量％未満となると、ミクロ偏析が発生せず、被削性が悪化する。また、Ｓｉが０．８０質量％を超えると、縞状偏析が激しく、切削工具の刃先がチッピングし、靭性が低下するため、０．１０乃至０．８０質量％にする。好ましくは、Ｓｉは０．５５乃至０．６５質量％である。
【００２１】
Ｍｎ：０．３０乃至１．００質量％、好ましくは０．３５乃至０．４５質量％
Ｍｎは基地に固溶して焼入れ性を高める効果が大きい。この添加効果を得るためには、Ｍｎは０．３０質量％以上添加する必要がある。また、Ｍｎの添加量が１．００質量％を超えて多すぎると、焼なまし硬さを過度に高くし、被切削性を低下させ、またＡ１変態点を過度に低くする。このため、Ｍｎの添加量は、０．３０乃至１．００質量％、好ましくは０．３５乃至０．４５質量とする。
【００２２】
Ｐ：０．００７乃至０．０２０質量％、好ましくは０．００７乃至０．０１０質量％
Ｐは凝固時粒界に偏析し、熱間加工後の縞状部の偏析度を高めるために必要不可欠である。本発明の特徴である被削性に優れた性能を維持するための基本元素として、Ｐは０．００７質量％以上必要である。しかし、Ｐを過剰に添加すると、靭性が低下するため、この靭性の低下を抑制するため、Ｐの上限値を０．０２０質量％とする。好ましくは、Ｐは０．００７乃至０．０１０質量％である。
【００２３】
Ｃｒ：３．００乃至７．００質量％、好ましくは４．６０乃至５．００質量％
Ｃｒは工具として必要とされる焼入れ性を与えるために最も重要な元素である。また、Ｃｒは耐酸化性及びＡｌ変態点を上昇させ、また残留炭化物を形成して焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を抑制し、また耐摩耗性を高め、焼戻し時に特殊炭化物を析出して昇温時の軟化抵抗を改善し、高温強度を高める等の効果を有するために、３．００質量％以上添加される。Ｃｒが多すぎると、Ｃｒ炭化物を過度に形成し、かえって高温強度の低下をもたらすので、Ｃｒ量は７．００質量％以下とする。好ましくは、Ｃｒは４．６０乃至５．００質量％である。
【００２４】
Ｗ及びＭｏ：０．２０質量％≦（１／２Ｗ＋Ｍｏ）≦１２．００質量％、好ましくは、１．６０質量％≦（１／２Ｗ＋Ｍｏ）≦１．８０質量％
Ｗ及びＭｏは持殊炭化物を形成するもので、残留炭化物形成により焼入れ加熱時の組織粗大化を防止し、また焼もどし時微細な特殊炭化物を析出し、焼もどし軟化抵抗と高温強度を高めるために、最も重要な添加元素である。また、Ｗ及びＭｏはＡ１変態点を高める効果を有する。Ｗはとくに高温強度及び耐摩耗性を高める効果が大きく、一方Ｍｏは靭性の点でＷの場合より有利である。Ｍｏ及びＷは、多すぎると粗大な炭化物を形成し、靭性の過度の低下をまねくので、Ｗ及びＭｏの単独又は複合添加で、（１／２Ｗ＋Ｍｏ）が０．２０質量％以上、１２．００質量％以下となるように添加する。
【００２５】
Ｖ：０．１０乃至３．００質量％、好ましくは０．４０乃至０．６０質量％
Ｖは強力な炭化物形成元素であり、残留炭化物を形成して結晶粒微細化の効果が大きく、また高温での耐摩耗性を向上させる。また、焼もどし時、微細な炭化物を基地中に析出し、Ｗ及びＭｏとの共同添加により、６００乃至６５０℃以上の高温域での強度を高める効果が大きく、またＡ１変態点を高める効果を有する。Ｖは添加量が多すぎると、粗大な炭化物を形成し、靭性の低下をまねくので、上限値を３．００％以下とする。Ｖの添加効果を得るためには、Ｖを０．１０質量％以上含有する必要がある。好ましくは、Ｖは０．４０乃至０．６０質量％である。
【００２６】
Ｎｉ：０．０５乃至０．８０質量％、好ましくは０．０８乃至０．１５質量％
Ｎｉは基地に固溶して靭性を高め、また焼入性を高めるために、０．０５質量％以上添加する。Ｎｉが多すぎると焼なまし硬さを過度に高くし、被切削性を低下させ、またＡ１変態点の過度の低下をまねき、偏析を著しく悪化させるので、Ｎｉの上限値は０．８０質量％とする。好ましくは、Ｎｉは０．０８乃至０．１５質量％である。
【００２７】
Ｃｏ：６．５０質量％以下
Ｃｏは基地に固溶して高温強度を高める作用を有するため、必要に応じて含有する。また、Ｃｏは焼入加熱時のオーステナイト中への炭化物の固溶限を高め、焼もどし時の特殊炭化物の析出量を増加させ、また昇温時の析出炭化物の凝集抵抗を高め、この面からも高温強度特性を改善する効果を与える。また、Ｃｏは工具の使用時の昇温により、表面に緻密な密着性の酸化被膜を形成し、高温での耐摩耗性及び耐焼付性を高める効果を有する。Ｃｏが多すぎると、靭性を低下させるので、Ｃｏを含有する場合は、６．５０質量％以下とする。
【００２８】
Ｓ：０．１５０質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下
ＳはＭｎＳ等の硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて分布し、Ｔ方向の靭性の低下をまねく。そこで、Ｔ方向の靭性を維持するために、Ｓの上限値は０．１５０質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下とする。
【００２９】
Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｂｉは、凝固時粒界部に濃縮し、熱間加工後の縞状の偏析度を高めてＴ方向の靭性の低下させ、また熱処理時オーステナイト粒界に偏析したり、基地に存在して靭性の水準を低下させる。また、Ｐｂは熱間加工方向に伸びて分布し、Ｔ方向の靭性を低下させる。
【００３０】
上記理由により、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉは特に低く限定するものであるが、本発明者の研究によると、これらの合計が０．１３％以下であれば、不純物としてこれらの元素が含有されていても、本発明の目的が達成されることを知見した。各成分について、望ましい限界量としては、Ａｓ０．００５％以下、Ｓｎ０．００３％以下、Ｓｂ０．００１５％以下、Ｃｕ０．０８％以下、Ｂ０．０００５％以下、Ｐｂ０．０００２％以下、Ｂｉ０．０００１％以下である．
【００３１】
その他の不純物としては、Ｔｉ，Ａｌ，Ｎ等がある。この中で、Ｎｂ及びＴｉは強力な炭化物形成元素で、結晶粒の微細化により、また焼もどし時の凝集抵抗が大きい微細炭化物の析出により、６５℃以上の高温域における軟化抵抗及び高温強度を高める効果がある。しかし、Ｎｂ及びＴｉが多すぎると、粗大な固溶しにくい炭化物を形成し、靭性の低下をまねくので、夫々０．５％以下とする必要がある。
【００３２】
また、Ｎは基地及び炭化物中に固溶して結晶粒を微細化し、靭性を高めるために添加する。また、Ｎはオーステナイトフォーマーとして低Ｃの場合にも焼入加熱時のフェライト残存を防ぎ、靭性に優れた合金組成の組合せを可能とするものである。しかし、Ｎは、Ｃｒなど熱間工具綱の合金組成の範囲内で含有可能な限界量が存在するため、Ｎは０．２０質量％以下とする必要がある。
【００３３】
介在物
ＪＩＳＧ０５５５に定める清浄度で、Ａ系介在物は粘性変形介在物であり、ＭｎＳ及びケイ酸塩等である。これらのＡ系介在物は、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を著しく悪化させるために、Ａ系介在物は０．０２０％以下にする必要があり、望ましくは０％である。Ｂ系介在物は加工方向に集団をなして不連続的に粒状介在物として並んだものであり、アルミナ及び炭窒化物等である。また、Ｃ系介在物は、粘性変形をしないで不規則に分散するものであり、粒状酸化物及び炭窒化物が該当する。これらのＢ系介在物及びＣ系介在物は、被削性を悪化させるために、夫々０．０２０％以下にする必要があり、望ましくは０％である。また、これらの介在物の和ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）も０．０４５％以下にする必要がある。
【００３４】
そこで、本発明においては、ｄＡ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）＝０．０４５％以下とする。
【００３５】
炭化物及び非金属介在物
非金属介在物が少ない状態で、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が、焼なまし状態で０．００４％以下であると、焼なまし状態での被削性が改善する。更に、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が焼なまし状態で１０．５％以上であると、この被削性が更に一層向上する。
【００３６】
同様に、非金属介在物が少ない状態で、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が焼入れ焼戻し状態で０．００４％以下であると、耐溶損性、耐ヒートチェック性及び被削性を同時に向上させることができる。更に、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が焼入焼戻し状態で０．０３８％以上であると、この耐溶損性、耐ヒートチェック性及び被削性がより一層向上する。
【００３７】
このように、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であると、切削工具寿命のバラツキを軽減できる。このような大きなサイズの炭化物及び非金属介在物は、切削工具に衝突すると工具の刃先が欠けるため、寿命のバラツキが発生する。
【００３８】
このように、被削性には、非金属介在物の大きさが問題となるが、従来のＪＩＳＧ０５５５又はＡＳＴＭ Ｅ４５−７６による介在物評価では、種類及び個数を評価するものであり、このような基準による評価が良好であっても、介在物が微細であることを示すものでない。
【００３９】
粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物が、偏析帯に多く存在するほど、工具寿命が延長する。炭化物及び非金属介在物の面積率が焼なまし状態で１０．５％以上あり、焼入焼戻し状態で０．０３８％以上あるものは、被削性が良好である。
【００４０】
粒径が１．０μｍ以下の微細な炭化物による効果は、炭化物でなく、非金属介在物でも同様である。粒径が１．０μｍ以下の微細な介在物を生成させるためには、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｏ及びＮの１種以上を夫々０．００１０乃至０．０００１質量％添加し、Ａｌ２Ｏ３より、Ｂ系窒化物又はＢ系酸化物、ＭｎＳ、及びＡｌＮ等の微細でアスペクト比が１．３以下の非金属介在物を生成させることが好ましい。
【００４１】
また、非金属介在物の清浄度を、ＪＩＳＧ０５５５に定める清浄度で、ｄＡ６０×４００＝０％、ｄＢ６０×４００＝０％、ｄＣ６０×４００＝０％とすることにより、ヒ−トチェック性を著しく改善することができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００４３】
下記表１及び２に示す組成の熱間工具鋼を、１０ｋｇ真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製し、得られた鋳塊を鍛造装置により４０×８０×２５０ｍｍの大きさに鍛造し、その後、８３０℃で焼き鈍し焼鈍した。炭化物及び非金属介在物の形態と量の制御は、１０１５乃至１２４０℃に１分乃至２０時間加熱し、その後炉冷、空冷、又は油冷等を行うことにより、実施した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
また、全ての溶製材は、非金属介在物の清浄度がＪＩＳ ｄＡ０．００５％以下で、ｄ（Ｂ＋Ｃ）０．０２０％以下であり、炭化物及び非金属介在物のアスペクト比が１．３〜１．０である。
【００４７】
素材の評価は、９８０℃〜１０８０℃に３０分加熱して溶体化した後、焼き入れし、５００〜６７０℃に２時間加熱して焼戻しし、この焼戻し工程を２回繰り返した。これにより、硬さを４３±１ＨＲＣに調整し、ＳＫＤ６１の素材の性能を５０として指数化し、これにより、性能を比較した。
【００４８】
１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の測定は、焼なまし材は、研磨後の試料をピク燐酸＋３％硝酸溶液に浸漬して、金属組織を現出し、焼入れ焼戻し材は、研磨後の試料をシュウ酸で腐食して、金属組織を現出することにより、行った。この金属組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により４０００倍で写真撮影し、画像解析にて面積率及び平均粒径を測定した。また、分散度は、非偏析部の面積率より３０％以上炭化物及び非金属介在物が密集した場所の距離にて評価した。
【００４９】
１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の測定は、シュウ酸で腐食をした後、１０００倍の写真撮影で、１ｍｍ２の視野内の画像解析を実施して行った。この炭化物及び非金属介在物の測定結果を下記表３及び表４と、表４及び表５に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
【表４】
【００５２】
【表５】
【００５３】
【表６】
【００５４】
焼きなまし材の被削性評価は、直径が１０ｍｍのハイス製のエンドミルにより、回転速度が５２０ｒｐｍ、送り速度が７４ｍｍ／分、切削加工時の切り込み量が１０×１ｍｍで切り込んで実施し、折損までの寿命を求め、これを従来例のＳＫＤ▲１▼の寿命を１００として指数表示した。なお、１０×１ｍｍとは、試験材とエンドミルとが、エンドミルの長さ方向に１０ｍｍ接触し、エンドミルの軸方向に１ｍｍ接触して、試験材の断面で１０×１ｍｍの領域を切り込み、切削加工したことを示しており、従って、試験材の側面に幅１ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部が形成されたものである。
【００５５】
また、焼入れ焼戻し材の被削性評価は、鋼材を４８ＨＲＣに調質し、直径が１０ｍｍの粉末刃高速度鋼にＴｉＡｌＮコーティングした２枚刃のエンドミル（ＭＭＣコベルコ社製ＶＡ−２ＳＳ直径６ｍｍ）により、回転速度が１０６２ｒｐｍ、送り速度が２１２ｍｍ／分、切削加工時の切り込み量が９×０．６ｍｍの条件で前記鋼材を切り込んで、前記エンドミルが溶損するまでの寿命を求めた。そして、これを従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５６】
ヒートチェック試験は、直径が３０ｍｍ、長さが５０ｍｍの試験材を高周波誘導加熱にて加熱し、表面温度が６５０℃に達した時に水をかけ、５０℃まで冷却することを、１０００回繰り返し、クラック平均長さ（μｍ）を測定した。その後、従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５７】
溶損性の評価は、ダイキャストで一般的に使用されるアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）を使用した。このＪＩＳ ＡＤＣ１２は、自動車（トランスミッション類）及び家電部品のダイキャスト用製品として使用されているアルミニウム合金であり、組成は、Ａｌ−０．４３％Ｚｎ−０．２０％Ｍｎ−１０．８５％Ｓｉ−２．００％Ｃｕ−１．０１％Ｆｅ−０．２４％Ｍｇである。このアルミニウム合金を容器内で６５０℃に加熱して溶融させ、この溶湯内で、直径が５ｍｍ、長さが３０ｍｍの実施例及び比較例の試験片を５００ｒｐｍで回転して、ＡＤＣ１２溶湯を攪拌し、この状態に２０分間保持し、その後に前記試験片を取出し、苛性ソーダにより試験片に付着したアルミニウム合金を除去し、その後、試験片の使用前と使用後の重量差から試験片の損耗量（ｇ）を測定した。これを従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５８】
これらの被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性の評価結果を下記表７及び表８に示す。
【００５９】
【表７】
【００６０】
【表８】
【００６１】
従来例のＳＫＤ▲１▼〜▲６▼は、溶製時の原料配合であるスクラップ配合率を改善して清浄度を向上させても耐ヒートチェック性、耐溶損性及び被削性の改善は得られない。また、比較例１乃至６のように、成分組成が本発明の特許請求の範囲に規定する範囲に入っていても、焼き鈍し材の粒径が１．０μｍを超える炭化物と介在物を０．００４％以下にしなければ、耐ヒートチェック性、耐溶損性及び被削性の改善が得られない。
【００６２】
これに対し、実施例７乃至１７のように、本発明の請求項１を満足する場合は、焼き鈍し材と焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して１．８倍以上に優れたものとなる。
【００６３】
また、実施例１１乃至１７に示すように、本発明の請求項２を満足すると、焼き鈍し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して２．０倍以上に優れたものとなる。但し、焼入れ焼戻し材の被削性及び耐ヒートチェック性には改善効果が得られない。
【００６４】
更に、本発明の請求項３，４を満足すると、実施例１２乃至１７に示すように、焼き鈍し材と焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して２．０倍以上に優れたものとなる。
更にまた、介在物を０％とすると、実施例１５乃至１７に示すように、焼き鈍し材及び焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及びヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して３．２倍以上に優れたものとなる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱間工具鋼の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性を著しく向上させることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明鋼は、熱間鍛造用金型、押し出し型及びダイカスト金型等に使用される熱間工具鋼に関し、特に、炭化物及び非金属介在物を制御して、被削性、ヒートチェック性及び溶損性を向上させた熱間工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非金属介在物の清浄度を上げることにより熱間工具鋼の靭性を改善する技術が開示されている（特許第２８０９６２２号、特開平１１−６１３３１号公報）。また、この介在物の個数を増加させて、介在物の形態を球状にすることにより、被削性を改善する技術が提案されている（電気製鋼６４巻３号第１９１〜２０１頁の図２と図４、特開平１１−６１３３１号公報、特開平１０−６０５８５号公報）。しかし、上述の従来技術においては、ＪＩＳＧＯ５５５又はＡＳＴＭ Ｅ４５−７６等に準拠して介在物を評価しているため、介在物の種類と量を規定したものであり、介在物の大きさまでは定量評価できていない。
【０００３】
組成の調整により被削性を改善する技術も提案されている（特開平１０−６０５８５号公報、特開平９−２１７１４７号公報、特開平４−３５８０４０号公報、特開平１１−２６９６０３号公報）。また、組織を改善することにより、被削性を向上させることも提案されている（熱処理３９巻５号第２２５〜２２６頁、特許第２８０９６２２号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公知技術は、炭化物及び非金属介在物の大きさが考慮されておらず、このため、他の特性を犠牲にして被削性だけを改善しているものである。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、炭化物及び非金属介在物の大きさを適切に規定することにより、耐ヒートチェック性及び耐溶損性が改善されると共に、著しく被削性が向上した熱間工具鋼を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱間工具鋼は、Ｃ：０．１０乃至０．７０質量％、Ｓｉ：０．１０乃至０．８０質量％、Ｍｎ：０．３０乃至１．００質量％、Ｐ：０．００７乃至０．０２０質量％、Ｃｒ：３．００乃至７．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．２０乃至１２．００質量％、Ｖ：０．１０乃至３．００質量％、Ｎｉ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｓ：０．１５０質量％以下を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなり、非金属介在物の清浄度（ＪＩＳＧ０５５）がｄＡ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＣ６０×４００で０．０２０％以下であり、ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）で０．０４５％以下であると共に、焼き鈍ししたときに、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることを特徴とする。なお、Ｃｏ：６．５０質量％以下を更に含有しても良い。
【０００７】
この熱間工具鋼において、焼き鈍ししたときに、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が１０．５％以上であることが好ましい。
【０００８】
また、この熱間工具鋼において、焼入れ焼戻ししたときに、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることが好ましい。
【０００９】
更に、この熱間工具鋼において、焼入れ焼戻ししたときに、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が０．０３８％以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る熱間工具鋼は、前記化学成分が、Ｃ：０．３５乃至０．４０質量％、Ｓｉ：０．５５乃至０．６５質量％、Ｍｎ：０．３５乃至０．４５質量％、Ｐ：０．００７至０．０１０％、Ｃｒ：４．６０乃至５．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：１．６０乃至１．８０質量％、Ｖ：０．４０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：０．０８乃至０．１５質量％、Ｓ：０．００５質量％以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明は、炭化物及び非金属介在物の大きさを適切に規定することにより、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を改善し、被削性を向上させるものである。しかし、鋼材組成によって著しく被削性が悪化するため、ヒートチェック性及び耐溶損性と、被削性との双方の性質を改善するために、本発明は、介在物を軽減した鋼において、被削性及びヒートチェック性と、溶損性を同時に改善する炭化物及び介在物の大きさについて規定したものである。即ち、熱間工具鋼としての主要成分を変更することなく、不純物の清浄度を規定することにより介在物の形態を制御し、前熱処理によって炭化物形状と量の形態を制御することにより、被削性と、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を同時に向上させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。介在物を少なくするとヒートチェック性が改善される。しかし、鋼材成分によって改善効果が違う上に、著しく被削性が悪化する。このため、耐ヒートチェック性と被削性とは両立させることが難しいとされていたが、本発明者等は、炭化物及び非金属介在物の粒径を制御すると、ヒートチェック性と被削性との両立が可能なことを見出した。
【００１３】
工具寿命を延長する方法として、従来、介在物量が多いほど被削性が良いということが周知である。しかし、本発明者等は、硬度が４５ＨＲＣを超える調質鋼では、介在物量によらず被削性が良い場合と悪い場合があることを見いだした。そして、本発明者等は、清浄度が良い状態では、炭化物及び非金属介在物の粒径と量を制御して適正化することにより、他の特性を損なわずに被削性を改善できることを知見した。
【００１４】
炭化物及び非金属介在物粒径が大きいものは、被削性を悪化させ、微細な１．０μｍ以下のものが多いほど改善効果がある。
【００１５】
また、これらは共晶炭化物より基地中に析出する炭化物の改善効果が大きい。非金属介在物としては、Ａｌ２Ｏ３より、Ｂ系窒化物及びＢ系酸化物、ＭｎＳ、ＡｌＮ等のように、微細でアスペクト比が１．３以下のものが、切削工具寿命の延長効果と、切削工具寿命のバラツキ改善効果と、耐溶損性及び耐ヒートチェック性の改善効果がある。そして、粗大な非金属介在物と炭化物は、耐溶損性と耐ヒートチェック性を著しく悪化させる。
【００１６】
被削性の改善及びバラツキの軽減、耐溶損性、耐ヒートチェック性、耐疲労特性をすべて満足した熱間工具鋼にするには、炭化物及び非金属介在物の大きさを微細にし、炭化物及び非金属介在物の分布が均一になるようにすることが重要であり、公知文献に記載されている介在物の量以外に、介在物の大きさを制御することにより、被削性のバラツキを軽減し、耐溶損性、耐ヒートチェック性を改善できる。
【００１７】
耐溶損性及び耐ヒートチェック性については、初期ヒートクラック発生に影響を与えない炭化物及び非金属介在物の粒径範囲があり、耐溶損性及び耐ヒートチェック性に影響を与えるのは、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物である。そこで、本発明においては、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の量を少なくし、被削性の改善効果が大きい粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物を多くする。
【００１８】
炭化物及び非金属介在物の形態と量の制御は、焼なまし処理を実施する前に、１０５０〜１１９０℃で１分〜２０時間加熱して溶体化処理した後、炉冷、空冷、油冷等の冷却条件を制御することにより、可能である。
【００１９】
以下、本発明の熱間工具鋼の組成限定理由について説明する。
熱間工具鋼の組成
Ｃ：０．１０乃至０．７０質量％、好ましくは、０．３５乃至０．４０質量％
Ｃは焼入れ加熱時に基地に固溶して必要な焼入れ硬さを与え、また焼もどし時に特殊炭化物形成元素との問に特殊炭化物を形成し、この特殊炭化物が析出することにより、焼もどしにおける軟化抵抗と高温強度を与える。また、Ｃは残留炭化物を形成して高温での耐摩耗性を付与し、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防止する作用を有する。Ｃが多すぎると炭化物量が過度に増加し、熱間工具としての必要な靭性を保持できず、また高温強度の低下も招くので０．７０質量％以下とし、低すぎると上記添加効果が得られないので０．１０質量％以上とする。好ましくは、Ｃは０．３５乃至０．４０質量％である。
【００２０】
Ｓｉ：０．１０乃至０．８０質量％、好ましくは０．５５乃至０．６５質量％
Ｓｉは０．１０質量％未満となると、ミクロ偏析が発生せず、被削性が悪化する。また、Ｓｉが０．８０質量％を超えると、縞状偏析が激しく、切削工具の刃先がチッピングし、靭性が低下するため、０．１０乃至０．８０質量％にする。好ましくは、Ｓｉは０．５５乃至０．６５質量％である。
【００２１】
Ｍｎ：０．３０乃至１．００質量％、好ましくは０．３５乃至０．４５質量％
Ｍｎは基地に固溶して焼入れ性を高める効果が大きい。この添加効果を得るためには、Ｍｎは０．３０質量％以上添加する必要がある。また、Ｍｎの添加量が１．００質量％を超えて多すぎると、焼なまし硬さを過度に高くし、被切削性を低下させ、またＡ１変態点を過度に低くする。このため、Ｍｎの添加量は、０．３０乃至１．００質量％、好ましくは０．３５乃至０．４５質量とする。
【００２２】
Ｐ：０．００７乃至０．０２０質量％、好ましくは０．００７乃至０．０１０質量％
Ｐは凝固時粒界に偏析し、熱間加工後の縞状部の偏析度を高めるために必要不可欠である。本発明の特徴である被削性に優れた性能を維持するための基本元素として、Ｐは０．００７質量％以上必要である。しかし、Ｐを過剰に添加すると、靭性が低下するため、この靭性の低下を抑制するため、Ｐの上限値を０．０２０質量％とする。好ましくは、Ｐは０．００７乃至０．０１０質量％である。
【００２３】
Ｃｒ：３．００乃至７．００質量％、好ましくは４．６０乃至５．００質量％
Ｃｒは工具として必要とされる焼入れ性を与えるために最も重要な元素である。また、Ｃｒは耐酸化性及びＡｌ変態点を上昇させ、また残留炭化物を形成して焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を抑制し、また耐摩耗性を高め、焼戻し時に特殊炭化物を析出して昇温時の軟化抵抗を改善し、高温強度を高める等の効果を有するために、３．００質量％以上添加される。Ｃｒが多すぎると、Ｃｒ炭化物を過度に形成し、かえって高温強度の低下をもたらすので、Ｃｒ量は７．００質量％以下とする。好ましくは、Ｃｒは４．６０乃至５．００質量％である。
【００２４】
Ｗ及びＭｏ：０．２０質量％≦（１／２Ｗ＋Ｍｏ）≦１２．００質量％、好ましくは、１．６０質量％≦（１／２Ｗ＋Ｍｏ）≦１．８０質量％
Ｗ及びＭｏは持殊炭化物を形成するもので、残留炭化物形成により焼入れ加熱時の組織粗大化を防止し、また焼もどし時微細な特殊炭化物を析出し、焼もどし軟化抵抗と高温強度を高めるために、最も重要な添加元素である。また、Ｗ及びＭｏはＡ１変態点を高める効果を有する。Ｗはとくに高温強度及び耐摩耗性を高める効果が大きく、一方Ｍｏは靭性の点でＷの場合より有利である。Ｍｏ及びＷは、多すぎると粗大な炭化物を形成し、靭性の過度の低下をまねくので、Ｗ及びＭｏの単独又は複合添加で、（１／２Ｗ＋Ｍｏ）が０．２０質量％以上、１２．００質量％以下となるように添加する。
【００２５】
Ｖ：０．１０乃至３．００質量％、好ましくは０．４０乃至０．６０質量％
Ｖは強力な炭化物形成元素であり、残留炭化物を形成して結晶粒微細化の効果が大きく、また高温での耐摩耗性を向上させる。また、焼もどし時、微細な炭化物を基地中に析出し、Ｗ及びＭｏとの共同添加により、６００乃至６５０℃以上の高温域での強度を高める効果が大きく、またＡ１変態点を高める効果を有する。Ｖは添加量が多すぎると、粗大な炭化物を形成し、靭性の低下をまねくので、上限値を３．００％以下とする。Ｖの添加効果を得るためには、Ｖを０．１０質量％以上含有する必要がある。好ましくは、Ｖは０．４０乃至０．６０質量％である。
【００２６】
Ｎｉ：０．０５乃至０．８０質量％、好ましくは０．０８乃至０．１５質量％
Ｎｉは基地に固溶して靭性を高め、また焼入性を高めるために、０．０５質量％以上添加する。Ｎｉが多すぎると焼なまし硬さを過度に高くし、被切削性を低下させ、またＡ１変態点の過度の低下をまねき、偏析を著しく悪化させるので、Ｎｉの上限値は０．８０質量％とする。好ましくは、Ｎｉは０．０８乃至０．１５質量％である。
【００２７】
Ｃｏ：６．５０質量％以下
Ｃｏは基地に固溶して高温強度を高める作用を有するため、必要に応じて含有する。また、Ｃｏは焼入加熱時のオーステナイト中への炭化物の固溶限を高め、焼もどし時の特殊炭化物の析出量を増加させ、また昇温時の析出炭化物の凝集抵抗を高め、この面からも高温強度特性を改善する効果を与える。また、Ｃｏは工具の使用時の昇温により、表面に緻密な密着性の酸化被膜を形成し、高温での耐摩耗性及び耐焼付性を高める効果を有する。Ｃｏが多すぎると、靭性を低下させるので、Ｃｏを含有する場合は、６．５０質量％以下とする。
【００２８】
Ｓ：０．１５０質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下
ＳはＭｎＳ等の硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて分布し、Ｔ方向の靭性の低下をまねく。そこで、Ｔ方向の靭性を維持するために、Ｓの上限値は０．１５０質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下とする。
【００２９】
Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｂｉは、凝固時粒界部に濃縮し、熱間加工後の縞状の偏析度を高めてＴ方向の靭性の低下させ、また熱処理時オーステナイト粒界に偏析したり、基地に存在して靭性の水準を低下させる。また、Ｐｂは熱間加工方向に伸びて分布し、Ｔ方向の靭性を低下させる。
【００３０】
上記理由により、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉは特に低く限定するものであるが、本発明者の研究によると、これらの合計が０．１３％以下であれば、不純物としてこれらの元素が含有されていても、本発明の目的が達成されることを知見した。各成分について、望ましい限界量としては、Ａｓ０．００５％以下、Ｓｎ０．００３％以下、Ｓｂ０．００１５％以下、Ｃｕ０．０８％以下、Ｂ０．０００５％以下、Ｐｂ０．０００２％以下、Ｂｉ０．０００１％以下である．
【００３１】
その他の不純物としては、Ｔｉ，Ａｌ，Ｎ等がある。この中で、Ｎｂ及びＴｉは強力な炭化物形成元素で、結晶粒の微細化により、また焼もどし時の凝集抵抗が大きい微細炭化物の析出により、６５℃以上の高温域における軟化抵抗及び高温強度を高める効果がある。しかし、Ｎｂ及びＴｉが多すぎると、粗大な固溶しにくい炭化物を形成し、靭性の低下をまねくので、夫々０．５％以下とする必要がある。
【００３２】
また、Ｎは基地及び炭化物中に固溶して結晶粒を微細化し、靭性を高めるために添加する。また、Ｎはオーステナイトフォーマーとして低Ｃの場合にも焼入加熱時のフェライト残存を防ぎ、靭性に優れた合金組成の組合せを可能とするものである。しかし、Ｎは、Ｃｒなど熱間工具綱の合金組成の範囲内で含有可能な限界量が存在するため、Ｎは０．２０質量％以下とする必要がある。
【００３３】
介在物
ＪＩＳＧ０５５５に定める清浄度で、Ａ系介在物は粘性変形介在物であり、ＭｎＳ及びケイ酸塩等である。これらのＡ系介在物は、耐ヒートチェック性及び耐溶損性を著しく悪化させるために、Ａ系介在物は０．０２０％以下にする必要があり、望ましくは０％である。Ｂ系介在物は加工方向に集団をなして不連続的に粒状介在物として並んだものであり、アルミナ及び炭窒化物等である。また、Ｃ系介在物は、粘性変形をしないで不規則に分散するものであり、粒状酸化物及び炭窒化物が該当する。これらのＢ系介在物及びＣ系介在物は、被削性を悪化させるために、夫々０．０２０％以下にする必要があり、望ましくは０％である。また、これらの介在物の和ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）も０．０４５％以下にする必要がある。
【００３４】
そこで、本発明においては、ｄＡ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００＝０．０２０％以下、ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）＝０．０４５％以下とする。
【００３５】
炭化物及び非金属介在物
非金属介在物が少ない状態で、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が、焼なまし状態で０．００４％以下であると、焼なまし状態での被削性が改善する。更に、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が焼なまし状態で１０．５％以上であると、この被削性が更に一層向上する。
【００３６】
同様に、非金属介在物が少ない状態で、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が焼入れ焼戻し状態で０．００４％以下であると、耐溶損性、耐ヒートチェック性及び被削性を同時に向上させることができる。更に、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が焼入焼戻し状態で０．０３８％以上であると、この耐溶損性、耐ヒートチェック性及び被削性がより一層向上する。
【００３７】
このように、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であると、切削工具寿命のバラツキを軽減できる。このような大きなサイズの炭化物及び非金属介在物は、切削工具に衝突すると工具の刃先が欠けるため、寿命のバラツキが発生する。
【００３８】
このように、被削性には、非金属介在物の大きさが問題となるが、従来のＪＩＳＧ０５５５又はＡＳＴＭ Ｅ４５−７６による介在物評価では、種類及び個数を評価するものであり、このような基準による評価が良好であっても、介在物が微細であることを示すものでない。
【００３９】
粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物が、偏析帯に多く存在するほど、工具寿命が延長する。炭化物及び非金属介在物の面積率が焼なまし状態で１０．５％以上あり、焼入焼戻し状態で０．０３８％以上あるものは、被削性が良好である。
【００４０】
粒径が１．０μｍ以下の微細な炭化物による効果は、炭化物でなく、非金属介在物でも同様である。粒径が１．０μｍ以下の微細な介在物を生成させるためには、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｏ及びＮの１種以上を夫々０．００１０乃至０．０００１質量％添加し、Ａｌ２Ｏ３より、Ｂ系窒化物又はＢ系酸化物、ＭｎＳ、及びＡｌＮ等の微細でアスペクト比が１．３以下の非金属介在物を生成させることが好ましい。
【００４１】
また、非金属介在物の清浄度を、ＪＩＳＧ０５５５に定める清浄度で、ｄＡ６０×４００＝０％、ｄＢ６０×４００＝０％、ｄＣ６０×４００＝０％とすることにより、ヒ−トチェック性を著しく改善することができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００４３】
下記表１及び２に示す組成の熱間工具鋼を、１０ｋｇ真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製し、得られた鋳塊を鍛造装置により４０×８０×２５０ｍｍの大きさに鍛造し、その後、８３０℃で焼き鈍し焼鈍した。炭化物及び非金属介在物の形態と量の制御は、１０１５乃至１２４０℃に１分乃至２０時間加熱し、その後炉冷、空冷、又は油冷等を行うことにより、実施した。
【００４４】
【表１】
【表２】
また、全ての溶製材は、非金属介在物の清浄度がＪＩＳ ｄＡ０．００５％以下で、ｄ（Ｂ＋Ｃ）０．０２０％以下であり、炭化物及び非金属介在物のアスペクト比が１．３〜１．０である。
【００４７】
素材の評価は、９８０℃〜１０８０℃に３０分加熱して溶体化した後、焼き入れし、５００〜６７０℃に２時間加熱して焼戻しし、この焼戻し工程を２回繰り返した。これにより、硬さを４３±１ＨＲＣに調整し、ＳＫＤ６１の素材の性能を５０として指数化し、これにより、性能を比較した。
【００４８】
１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の測定は、焼なまし材は、研磨後の試料をピク燐酸＋３％硝酸溶液に浸漬して、金属組織を現出し、焼入れ焼戻し材は、研磨後の試料をシュウ酸で腐食して、金属組織を現出することにより、行った。この金属組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により４０００倍で写真撮影し、画像解析にて面積率及び平均粒径を測定した。また、分散度は、非偏析部の面積率より３０％以上炭化物及び非金属介在物が密集した場所の距離にて評価した。
【００４９】
１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の測定は、シュウ酸で腐食をした後、１０００倍の写真撮影で、１ｍｍ２の視野内の画像解析を実施して行った。この炭化物及び非金属介在物の測定結果を下記表３及び表４と、表４及び表５に示す。
【００５０】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
焼きなまし材の被削性評価は、直径が１０ｍｍのハイス製のエンドミルにより、回転速度が５２０ｒｐｍ、送り速度が７４ｍｍ／分、切削加工時の切り込み量が１０×１ｍｍで切り込んで実施し、折損までの寿命を求め、これを従来例のＳＫＤ▲１▼の寿命を１００として指数表示した。なお、１０×１ｍｍとは、試験材とエンドミルとが、エンドミルの長さ方向に１０ｍｍ接触し、エンドミルの軸方向に１ｍｍ接触して、試験材の断面で１０×１ｍｍの領域を切り込み、切削加工したことを示しており、従って、試験材の側面に幅１ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部が形成されたものである。
【００５５】
また、焼入れ焼戻し材の被削性評価は、鋼材を４８ＨＲＣに調質し、直径が１０ｍｍの粉末刃高速度鋼にＴｉＡｌＮコーティングした２枚刃のエンドミル（ＭＭＣコベルコ社製ＶＡ−２ＳＳ直径６ｍｍ）により、回転速度が１０６２ｒｐｍ、送り速度が２１２ｍｍ／分、切削加工時の切り込み量が９×０．６ｍｍの条件で前記鋼材を切り込んで、前記エンドミルが溶損するまでの寿命を求めた。そして、これを従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５６】
ヒートチェック試験は、直径が３０ｍｍ、長さが５０ｍｍの試験材を高周波誘導加熱にて加熱し、表面温度が６５０℃に達した時に水をかけ、５０℃まで冷却することを、１０００回繰り返し、クラック平均長さ（μｍ）を測定した。その後、従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５７】
溶損性の評価は、ダイキャストで一般的に使用されるアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ１２）を使用した。このＪＩＳ ＡＤＣ１２は、自動車（トランスミッション類）及び家電部品のダイキャスト用製品として使用されているアルミニウム合金であり、組成は、Ａｌ−０．４３％Ｚｎ−０．２０％Ｍｎ−１０．８５％Ｓｉ−２．００％Ｃｕ−１．０１％Ｆｅ−０．２４％Ｍｇである。このアルミニウム合金を容器内で６５０℃に加熱して溶融させ、この溶湯内で、直径が５ｍｍ、長さが３０ｍｍの実施例及び比較例の試験片を５００ｒｐｍで回転して、ＡＤＣ１２溶湯を攪拌し、この状態に２０分間保持し、その後に前記試験片を取出し、苛性ソーダにより試験片に付着したアルミニウム合金を除去し、その後、試験片の使用前と使用後の重量差から試験片の損耗量（ｇ）を測定した。これを従来例のＳＫＤ６１▲１▼の寿命を１００として指数化した。
【００５８】
これらの被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性の評価結果を下記表７及び表８に示す。
【００５９】
【表７】
【表８】
従来例のＳＫＤ▲１▼〜▲６▼は、溶製時の原料配合であるスクラップ配合率を改善して清浄度を向上させても耐ヒートチェック性、耐溶損性及び被削性の改善は得られない。また、比較例１乃至６のように、成分組成が本発明の特許請求の範囲に規定する範囲に入っていても、焼き鈍し材の粒径が１．０μｍを超える炭化物と介在物を０．００４％以下にしなければ、耐ヒートチェック性、耐溶損性及び被削性の改善が得られない。
【００６２】
これに対し、実施例７乃至１７のように、本発明の請求項１を満足する場合は、焼き鈍し材と焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して１．８倍以上に優れたものとなる。
【００６３】
また、実施例１１乃至１７に示すように、本発明の請求項２を満足すると、焼き鈍し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して２．０倍以上に優れたものとなる。但し、焼入れ焼戻し材の被削性及び耐ヒートチェック性には改善効果が得られない。
【００６４】
更に、本発明の請求項３，４を満足すると、実施例１２乃至１７に示すように、焼き鈍し材と焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して２．０倍以上に優れたものとなる。
更にまた、介在物を０％とすると、実施例１５乃至１７に示すように、焼き鈍し材及び焼入れ焼戻し材の被削性、耐溶損性及びヒートチェック性が、介在物を保有するＳＫＤ６１▲１▼に比して３．２倍以上に優れたものとなる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱間工具鋼の被削性、耐溶損性及び耐ヒートチェック性を著しく向上させることができる。
Claims (6)
- Ｃ：０．１０乃至０．７０質量％、Ｓｉ：０．１０乃至０．８０質量％、Ｍｎ：０．３０乃至１．００質量％、Ｐ：０．００７乃至０．０２０質量％、Ｃｒ：３．００乃至７．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．２０乃至１２．００質量％、Ｖ：０．１０乃至３．００質量％、Ｎｉ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｓ：０．１５０質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、非金属介在物の清浄度（ＪＩＳＧ０５５５）がｄＡ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＢ６０×４００で０．０２０％以下、ｄＣ６０×４００で０．０２０％以下であり、ｄ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）で０．０４５％以下であると共に、粒径が１．０μｍを超える炭化物及び非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることを特徴とする熱間工具鋼。
- 更に、Ｃｏ：６．５０質量％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間工具鋼。
- 粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が１０．５％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間工具鋼。
- 焼入れ焼戻し材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
- 焼入れ焼戻し材であって、粒径が１．０μｍ以下の炭化物及び非金属介在物の面積率が０．０３８％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間工具鋼。
- 前記化学成分は、Ｃ：０．３５乃至０．４０質量％、Ｓｉ：０．５５乃至０．６５質量％、Ｍｎ：０．３５乃至０．４５質量％、Ｐ：０．００７至０．０１０％、Ｃｒ：４．６０乃至５．００質量％、Ｗ及びＭｏは単独又は複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：１．６０乃至１．８０質量％、Ｖ：０．４０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：０．０８乃至０．１５質量％、Ｓ：０．００５質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
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