JP3946684B2 - 熱間工具鋼 - Google Patents
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Description
Cは熱膨張率を小さくする効果がある炭化物を含む偏析部を形成する主要成分である。また、Cは、焼入れ(熱処理)時に基地に固溶して必要な焼入れ硬さを付与し、また焼き戻し時においては特殊炭化物を形成して析出して軟化抵抗及び高温強度を付与すると共に、残留炭化物を形成して高温における耐摩耗性を付与する。更に、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防ぐ作用も有する。但し、C含有量が0.30質量%未満の場合、上述の添加効果は得られない。一方、C含有量が0.45質量%を超えると、炭化物の量が必要以上に増加して、熱間工具鋼として必要な靱性が保持できず、また高温強度の低下も招く。よって、C含有量は0.30乃至0.45質量%とする。
Siは一般に、脱酸元素として使用されており、その含有量が0.05質量%未満ではその効果が得られない。また、Siは、耐酸化性又は500乃至600℃における焼き戻し軟化抵抗を高め、またA1変態点を上げる効果があり、その添加量は、目的及び用途により調整することができる。一方、Siは、偏析を助長する元素であるが、熱膨張率を抑制する効果はなく、Si含有量が0.25質量%を超えると、靱性の低下を招くと共に、熱伝導性が過度に低下する。よって、Si含有量は0.05乃至0.25質量%とする。
Mnは、基地に固溶して焼入れ性を高める効果が大きいが、その含有量が0.50質量%未満ではその効果が得られない。一方、Mn含有量が少ない程、熱膨張率は小さくなる。特に、Mn含有量が0.70質量%を超えると、偏析し、熱膨張率を高くすると共に、焼き鈍し硬さが過度に高くなり、被切削性が低下する。また、Mn含有量が0.70質量%を超えると、A1変態点が過度に低下する。よって、Mn含有量は0.5乃至0.7質量%とする。
Crは熱膨張率を抑制するために必要不可欠な偏析を構成すると共に、応力軟化を抑制する効果がある。また、工具として必要とされる焼入れ性を付与する最も重要な元素である。更に、耐酸化性、耐摩耗性及び高温強度の向上、A1変態点の上昇、残留炭化物を形成することによる焼入れ加熱時の結晶粒粗大化の抑制、焼き戻し時に特殊炭化物を析出することによる昇温時における軟化抵抗の改善等の効果もある。但し、Cr含有量が5.30質量%未満では、耐錆び性が劣化して、冷却水等により金型が錆びやすくなる。一方、Cr含有量が5.75質量%を超えると、Cr炭化物を過度に形成するため、高温強度が低下する。よって、Cr含有量は5.30乃至5.75質量%とする。
Moは応力軟化を抑制する効果がある。また、特殊炭化物を形成する元素であり、残留炭化物を形成して、加熱時の組織粗大化を防止する効果もある。更に、焼き戻し時に微細な特殊炭化物を析出するため、焼き戻し軟化抵抗及び高温強度を向上させる最も重要な添加元素である。更にまた、A1変態点を高める効果もある。但し、Mo含有量が3.00質量%未満では、前述の効果が得られず、Mo含有量が3.50質量%を超えると、粗大な炭化物を形成するため、靱性の過度の低下を招く。よって、Mo含有量は3.00乃至3.50質量%とする。
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を粒微細化する効果が大きく、高温における耐摩耗性を向上させる効果もある。また、Vは、偏析を助長する元素ではあるが、熱膨張率を低くする効果はない。V含有量が0.65質量%未満では、耐高温軟化性が低下し、ダイカスト等の高温金属に接触した際に、金型が軟化してしまう。一方、V含有量が0.95質量%を超えると、VC等の炭化物が多量に生成するため靱性が低下する。よって、V含有量は0.65乃至0.95質量%とする。
Niは基地に固溶して靱性を高める効果がある。また、焼入れ性を高めるために目的及び用途により添加される。Niも前述のVと同様に、偏析を助長する元素ではあるが、熱膨張率を低くする効果はない。Ni含有量が0.45質量%未満では、耐錆び性が低下して、金型内の冷却孔が冷却水等により錆びやすくなるとなり、Ni含有量が0.75質量%を超えると、焼き鈍し硬さを過度に高くし、被切削性が低下すると共に、A1変態点が過度に低下する。よって、Ni含有量は0.45乃至0.75質量%とする。
Coは基地に固溶して高温強度を高める作用がある。また、Coを添加することにより、焼入れ加熱時におけるオーステナイト中への炭化物の固溶限の向上、焼き戻し時における特殊炭化物の析出量の増加、昇温時における析出炭化物の凝集抵抗の向上等の効果が得られ、高温強度特性を改善することができる。更に、昇温時に、表面に緻密な酸化皮膜を形成するため、高温でも耐摩耗性及び耐焼付き性が向上する。なお、Coは、偏析を助長する元素であるが、熱膨張率を低下させる効果はない。Co含有量が0.45質量%未満では、前述のNiと同様に、耐錆び性が低下して金型内の冷却孔が錆びやすくなるとなる。一方、Co含有量が0.75質量%を超えると、靱性が低下する。よって、Co含有量は0.45乃至0.75質量%とする。
S及びPは、偏析を助長する元素であるが、偏析部が熱膨張率を低下させる効果はない。また、SはMnと化合して熱膨張率に異方性を生じさせるMnSを生成するため、S含有量は0.005質量%以下に規制する。なお、Sは含有していないことがより好ましい。更に、Pは靱性を低下させるため、P含有量は0.010%以下に規制する。
Wは熱膨張率を大きくすると共に偏析の発生を助長する。しかしながら、Wは原料に微量に含まれているため、不純物として添加されてしまう。そこで、本発明の熱間工具鋼においては、W含有量を0.0050質量%以下に規制する。なお、Wは含有していないことがより好ましい。
一般に、炭化物及び非金属介在物の含有量が増すと、機械的特性が劣化する。しかしながら、その大きさ及び形状を制御することにより、熱膨張率を低下させる効果が得られる。例えば、Al2O3、SiO2及びMnO等の非金属介在物、並びにMo2C、VC及びNbC等の炭化物のように、熱膨張係数が低い化合物を積極的に添加することにより、熱膨張率を低下させることができる。但し、焼入れした場合は、炭化物を形成している元素が固溶した状態で固化するため、炭化物量は変化する。一方、焼き鈍しした場合には、一旦固溶した元素が再度炭化物を形成するため、1μm以上の炭化物量は変化せず、1μm以下の炭化物量が半分程度に減少する。そこで、本発明においては、焼き鈍ししたときに、粒径が1μmを超える炭化物及び非金属介在物の総面積率を0.004%以下とし、粒径が1μm以下の炭化物及び非金属介在物の総面積率を15.0%以上とする。焼き鈍し材において、粒径が1μmを超える粗大な炭化物及び非金属介在物の総面積率が0.004%を超えると、靱性が著しく低下する。一方、粒径が1μm以下の炭化物及び非金属介在物であれば、靱性は低下しない。但し、粒径が1μm以下の炭化物及び非金属介在物の総面積率が15.0%未満であると、熱膨張率を低下させる効果が得られない。なお、焼き入れ材においては、粒径が1μm以下の炭化物及び非金属介在物の総面積率が10.0%以上であることが好ましい。
Claims (3)
- C:0.30乃至0.45質量%、Si:0.05乃至0.25質量%、Mn:0.50乃至0.70質量%、Cr:5.30乃至5.75質量%、Mo:3.00乃至3.50質量%、V:0.65乃至0.95質量%、Ni:0.45乃至0.75質量%、Co:0.45乃至0.75質量%を含有し、Sを0.005質量%以下、Pを0.0010質量%以下、W:0.0050質量%以下に規制し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、JISG0555に規定されている非金属介在物の清浄度がdA60×400で0.005%以下、dB60×400で0.005%以下であると共に、830℃で焼き鈍ししたときに、粒径が1μmを超える炭化物及び非金属介在物の総面積率が0.004%以下であり、粒径が1μm以下の炭化物及び非金属介在物の総面積率が15.0%以上であり、前記炭化物及び非金属介在物のアスペクト比が1.0乃至1.3であることを特徴とする熱間工具鋼。
- C及びCrの夫々偏析部における濃度と非偏析部における濃度との比(偏析部の濃度/比偏析部の濃度)が1.4乃至1.9であり、W及びMnの夫々偏析部における濃度と非偏析部における濃度との比が1.2以下であり、偏析部のアスペクト比が1.0乃至1.3であり、偏析部と非偏析部の面積比(偏析部の面積/非偏析部の面積)が1.3以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱間工具鋼。
- 鍛伸方向の熱膨張係率(L方向の熱膨張率)と、前記鍛伸方向に対して垂直な方向における熱膨張係率(W方向の熱膨張率)との比(L方向の熱膨張率/W方向の熱膨張率)が、1.000乃至1.015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。
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