JP3616204B2

JP3616204B2 - 表面処理に適した冷間工具鋼及びその金型並びに工具

Info

Publication number: JP3616204B2
Application number: JP22203696A
Authority: JP
Inventors: 大円横井; 信博辻井
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: JPH09316601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化、ＰＶＤ、ＴＤ処理およびＣＶＤなどに代表される処理温度が４００℃以上である表面硬化処理に適した冷間工具鋼及びその金型並びに工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷間加工用工具には、ＪＩＳ−ＳＫＳ３やＳＫＤ１１およびＳＫＨ５１が広く使用されている。特に、工具の耐摩耗性向上を目的とした窒化、ＰＶＤ、ＴＤ処理およびＣＶＤなどの表面硬化処理用母材としては、ＳＫＤ１１やＳＫＨ５１が適用されている。これは上記表面処理温度が、一般に４００℃以上の高温であるために、ＳＫＳ３等の二次硬化を生じない鋼では、母材硬さが著しく低下してしまうため、工具自体の強度不足から変形が生じたり、表面処理層の剥離が容易に生じるためである。
【０００３】
しかしながら、塑性加工技術の進歩や被加工材の高強度化に伴い、使用される工具への応力負荷が大きくなり、５００℃焼戻で６０ＨＲＣの硬さが得られるＳＫＤ１１でさも表面処理層の剥離が生じる場合が増えて来ている。また、高速度工具鋼であるＳＫＨ５１においては、６４ＨＲＣ以上の母材硬さを確保できるものの、その素材単価が高い上に、適正焼入温度は１２００℃程度と非常に高く、熱処理作業性やそのコストの点で制限が多い。さらに、ＳＫＨ５１は硬質のＭＣ炭化物を多量に含むために、機械加工性や研削性もあまり良くない。
【０００４】
このような問題に対して、例えば特公昭６１−１１３１０号公報、特公平３−３６８９７号公報、特公昭６４−５１００号公報および特開平５−１５６４９７号公報等の発明が提案されている。この特公昭６１−１１３１０号公報は冷間圧延用ワークロールに関するものであり、Ｍｏを０．４％〜３．０％含有させ、しかも表面硬度を７２０〜８００ＨＶ（６１〜６４ＨＲＣ）の高硬さに規定しているものの焼戻し温度は全て１５０℃程度の低温であり、本開発目標である高温焼戻用材としては適用できない。
【０００５】
また、特公平３−３６８９７号公報はＳＫＤ１１を改善し５２０℃程度の高温戻しで、高硬度と高靱性を達成し、炭化物被覆処理に適した冷間工具鋼に関するものである。この発明鋼においても、Ｍｏが０．７５〜１．９５％と低く、また、Ｖを０．５〜１．０％含有し、しかも得られる硬さは６２ＨＲＣ水準であり、安定して６４ＨＲＣ以上の高硬さは達成できない。またこれに類似した発明として特公昭６４−５１００号公報があるが、いずれも本開発目標は十分に達成できない。
【０００６】
一方、上記特公平３−３６８９７号公報および特公昭６４−５１００号公報の発明をさらに改善したのが、特開平５−１５６４９７号公報である。この特許はＶとＮｂの１種または２種を含み、しかも高温焼戻後の硬さが６４ＨＲＣ以上得られる高性能転造ダイス用鋼およびその製造方法に関するものである。しかしながら、目標の達成には、単に合金組成の規制だけでなく、その製造工程での特殊溶解法、高温拡散処理の適用や、製品の一次炭化物の組成およびその粒径や析出量を限定する必要があり、かなり複雑なものとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年の塑性加工技術の進歩や被加工材の高強度化に伴い、工具の耐摩耗性向上を目的に、硬質の表面処理の適用が進んでいる。このような用途に適する素材として、母材硬さができるだけ高く、かつ靱性に富む工具鋼が必要とされる。本発明は、処理温度が４００℃以上である表面硬化処理に適した安価で熱処理および加工における取扱いが容易な経済的な冷間工具鋼およびその金型並びに工具を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、冷間工具鋼において、その必須成分として一般に常識とされているＶを無添加とすることにより、５００℃以上の高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが容易に得られることを特徴とする。その発明の要旨とするところは、
（１）重量で、
Ｃ：０．８６〜０．９４％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：５．０〜１１．０％
ＭｏまたはＷのいずれか１種又は２種をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で３．０％超〜５．０％とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなり、５００℃以上の高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが得られることを特徴とする表面処理に適した冷間工具鋼。
【０００９】
（２）重量で、
Ｃ：０．８６〜０．９４％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：５．０〜１１．０％
ＭｏまたはＷのいずれか１種又は２種をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で３．０％超〜５．０％とし、さらに、
Ｃｏ：０．５〜４．０％
Ｓ：０．０１〜０．３０％
Ｎ：６０ｐｐｍ以下
のいずれか１種又は２種以上とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなり、５００℃以上の高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが得られることを特徴とする表面処理に適した冷間工具鋼。
（３）前記（１）又は（２）記載の冷間工具鋼に４００℃以上での高温表面硬化処理を施したことを特徴とする金型又は工具にある。
【００１０】
以下に、本発明鋼の各化学成分の作用およびその限定理由を説明する。
Ｃは、焼入焼戻により十分なマトリックス硬さを与えると共に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂなどと結合して炭化物を形成し、高温強度、耐摩耗性を与える元素である。しかしながら、本発明の場合、Ｖを無添加とし、Ｍｏ炭化物による二次硬化を基本にするため、Ｃを過剰に添加する必要がない上、添加量が多すぎると凝固時に粗大炭化物が過剰に析出し靱性を阻害することから、Ｃの上限を０．９４％とした。一方、０．８６％未満では十分な二次硬化硬さが得られないので、その下限を０．８６％とした。
【００１１】
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加されると共に、耐酸化性、焼入れ性に有利な元素であると共に焼戻過程において炭化物の凝集を抑え二次硬化を促進する元素である。しかし２．０％を超えて添加すると靱性を低下させるので、その上限を２．０％とした。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加し、鋼の清浄度を高めると共に焼入性を高める元素である。しかしながら、１．５％を超えて添加すると、熱間加工性を阻害する上に靱性を低下させるので、その上限を１．５％とした。
【００１２】
Ｃｒは、焼入性を高めると共に、焼戻軟化抵抗を高める有効な元素である。この効果を満足するためには、少なくとも５．０％以上必要である。従って、その下限を５．０％とした。一方、Ｃｒは凝固時にＣと結合して巨大一次炭化物を形成し易く、過剰な添加は靱性を低下させることから、その上限を１１．０％とした。
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与する重要な元素であると共に、耐軟化抵抗性を改善する元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果はＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で表すことができる。本発明成分径において、５００℃以上の高温戻しで６３〜６６ＨＲＣの高硬さを得るためには、Ｍｏ当量で少なくとも３．０％超が必要である。逆に、Ｍｏ当量の過剰増加は靱性を低下を招くため、その上限を５．０％とした。
【００１３】
Ｖは、固溶しにくい炭化物を形成し、耐摩耗性および耐軟化抵抗性を高める有効な元素であるが、本発明のように、硬質表面処理を前提とした素材には工具に必要な耐摩耗性は、この表面処理層で確保できることから必ずしも必要ではない。また、Ｖは縞状ミクロ偏析を助長する元素でもあり、靱性や熱処理歪みの観点からも好ましくない元素である。さらに、Ｖを無添加とすることにより、本来ＶＣとして捕われていたＣを有効に活用することができ、靱性に有効な合金組成である低Ｃ化や二次硬化に有効なＭｏまたはＷ炭化物量の増加が計られるなどのメリットが非常に大きい。従って、本発明ではＶを添加しないことを大きな特徴としている。
【００１４】
さらに、本発明鋼には上記した元素に加えて、Ｃｏ，Ｓ，Ｎを選択的に添加又は規制する。すなわち、
Ｃｏは上記成分範囲に対し、より高い硬度を必要とする場合であり、Ｃｏを添加することにより、基地に固溶し、焼入温度において溶質元素の固溶を促進するとともに、高温焼戻しにおける炭化物の凝集を抑制するため、二次硬化の促進に有効な元素である。これにより６５ＨＲＣ以上の硬さが安定して得られる。この効果を満足するためには、少なくとも０．５％以上必要である。しかし、過剰な添加は靱性を低下させることから、その上限を４．０％とした。
【００１５】
Ｓは、その添加量の増加にともない、鋼の被削性改善効果が増すため、快削性を確保するためには必要な元素である。この効果を満足するためには、少なくとも０．０１％以上が必要である。しかし、０．３０％以上含有すると、強靱性、熱間加工性が劣化するので、その上限を０．３０％とした。
Ｎは、靱性を重視する場合に必要である。しかし、Ｎが６０ｐｐｍを越えると靱性を大きく低下させるため、本発明鋼では６０ｐｐｍ以下とした。
【００１６】
【実施例】
本発明鋼の供試材（Ａ）〜（Ｄ）および比較鋼の供試材（Ｅ）および（Ｆ）を各鋼２００ｋｇを真空誘導溶解炉にて出鋼した。出鋼した９ヒートの鋼の化学成分を表１に示す。合計９ヒートの鋼の２００ｋｇ鋼塊（平均径２５０ｍｍ）を鍛伸して角４５ｍｍとし、角３５ｍｍ×長さ５０ｍｍの試験片を機械加工により作製した。この試験片を１０５０℃に３０分保持後、空冷して焼入れし、５２５℃で６０分保持後空冷処理を２回行った後、表面処理を施した。表面処理は、プラズマＣＶＤにより実施し、処理温度５００℃で３μｍ厚さのＴｉＣＮ層をコーティングした。この表面処理済み試験片の中心から、縦４×横８×長さ４０ｍｍの抗折試験片を加工し、常温でロックウエルＣスケールで硬さを測定した後、抗折力およびたわみ量を測定した。表２に示すように、本発明鋼（Ａ）〜（Ｄ）は、いずれも６３ＨＲＣ以上の硬さを維持している上、従来の冷間工具鋼（Ｅ）および（Ｆ）よりもはるかに優れた強度を有していることが判る。特にＮを６０ｐｐｍ以下とした本発明鋼（Ｃ）〜（Ｄ）は、従来鋼（Ｅ）および（Ｆ）に比べ、より高い硬さを維持している上、ＳＫＤ１１である従来鋼（Ｅ）よりも優れた靱性（たわみ量）を有していることが判る。また、Ｃｏを添加した本発明鋼（Ｂ）は、より高い硬さが得られ、安定した特性を得られることが判る。
【００１７】
さらに、表１に示した本発明鋼および比較鋼を出鋼し、鍛伸後焼きなましを施し、切削試験を行った。切削試験は、ＮＣフライスでφ１２のエンドミルを用いて、軸１５ｍｍ×半径１．２ｍｍの切込みをし、回転速度９００ｒｐｍ、送り速度３４ｍ／分にて５ｍ加工後のエンドミル摩耗量を測定した。
表２に示すように、Ｓを含まない本発明鋼（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、従来鋼（Ｅ）および（Ｆ）と同程度のエンドミル摩耗を示したが、Ｓを添加した本発明鋼（Ｃ）および（Ｄ）は、強度および靱性を殆ど低下させずに、被削性の改善が図られていることが判る。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明鋼は冷間工具鋼においてＶ無添加の成分系でＣおよびＭｏ当量を最適にバランスさせることにより、特に高温表面処理後も高い硬さと靱性を有しており、冷間で使用する金型用工具鋼として従来のものに比べて経済的で極めて優れたものとなっている。

Claims

重量で、
Ｃ：０．８６〜０．９４％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：５．０〜１１．０％
ＭｏまたはＷのいずれか１種又は２種をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で３．０％超〜５．０％とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなり、５００℃以上の高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが得られることを特徴とする表面処理に適した冷間工具鋼。
重量で、
Ｃ：０．８６〜０．９４％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：５．０〜１１．０％
ＭｏまたはＷのいずれか１種又は２種をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で３．０％超〜５．０％とし、さらに、
Ｃｏ：０．５〜４．０％
Ｓ：０．０１〜０．３０％
Ｎ：６０ｐｐｍ以下
のいずれか１種又は２種以上とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなり、５００℃以上の高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが得られることを特徴とする表面処理に適した冷間工具鋼。
請求項１又は２記載の冷間工具鋼に４００℃以上での高温表面硬化処理を施したことを特徴とする金型又は工具。