JP4266384B2 - 冷間金型用鋼の製造方法 - Google Patents
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(1)[Cr]×[C]≦3.00、
(2)[Cu]/[Ni]:0.5〜2.2、
(3)[Mo]+0.5×[W]:0.5〜3.0%
(4)[Cu]/[C]:4.0〜15
下式(5)を満足する条件で溶体化処理および時効処理を行う工程と、
TA−10≦T2≦TA+10 ・・・(5)
式中、
TA=0.29×T1−2.63×[Cu]/[C]+225で表され、
T1は溶体化温度(℃)、
T2は時効温度(℃)をそれぞれ、意味する、
を包含するところに要旨が存在する。
Ms点
=550−361×[C]−39×[Mn]−35×[V]−20×[Cr]
−17×[Ni]−10×[Cu]−5×([Mo]+[W])
+15×[Co]+30×[Al]
{式中、[ ]は、各元素の含有量(%)を表す。}
は170℃以上である。
0.29×T1−2.63×[Cu]/[C]+225
で表される数値をTAとしたとき、T2が下式(5)
TA−10≦T2≦TA+10 ・・・(5)
を満足する範囲内(すなわち、TA±10℃)で溶体化処理および時効処理を行えば、熱処理後の平均変寸率および最大変寸率(詳細は後述する。)の両方が本発明の範囲を満足する変寸抑制性に極めて優れた鋼が得られることが判明した(実施例の表2を参照)。
Cは、硬さおよび耐摩耗性を確保し、HAZ軟化幅の抑制にも寄与する元素である。また、金型母材の表面にVCやTiCなどの炭化物皮膜をCVD法で生成する場合、C濃度が低いと皮膜の厚さが薄くなるなどの問題もある。これらを勘案し、上記作用を有効に発揮させるためにC量の下限を0.20%とした。C量は0.22%以上であることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、残留オーステナイトが増加し、高温の時効処理を行わないと所望の硬さが得られないほか、時効処理後に膨張するなどし、変寸が大きくなるため、上限を0.60%とした。C量は0.50%以下であることが好ましく、0.45%以下であることが好ましい。
Siは、製鋼時の脱酸元素として有用であり、硬さの向上と被削性確保に寄与する元素である。また、Siは、マトリックスのマルテンサイトの焼戻し軟化を抑え、HAZ軟化幅の抑制に有用である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量の下限を0.5%とした。ただし、過剰に添加すると、偏析が大きくなり、熱処理後の変寸が大きくなるほか、靭性も低下するようになるため、上限を2.00%とした。Si量の下限は、1%であることが好ましく、1.2%がより好ましく、一方、Si量の上限は1.85%であることが好ましい。
Mnは、焼入性確保に有用な元素であるが、過剰に添加すると、Ms点が顕著に低下し、残留オーステナイトが増加するため、高温の時効処理を行わないと所望の硬さが得られない。これらを勘案して、Mnの含有量を上記範囲に定めた。Mn量の下限は0.15%であることが好ましく、一方、Mn量の上限は1%であることが好ましく、0.5%がより好ましく、0.35%が更に好ましい。
Crは、所定の硬さを確保するために有用な元素である。Cr量が3.00%未満では、焼入性が不足してベイナイトが一部生成するため、硬さが低下し、耐摩耗性を確保することができない。Cr量は、3.5%以上あることが好ましく、4.0%以上であることがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大なCr系炭化物が多量に生成し、熱処理後に収縮し、皮膜の耐久性が低下するため、上限を9.00%とした。Cr量は、7.0%以下であることが好ましく、6.5%以下であることがより好ましく、6.0%以下であることが更に好ましい。
Alは、Ni3AlなどのAl−Ni系金属間化合物の析出強化による硬さ向上を図るために必要な元素であり、HAZ軟化幅の抑制にも寄与している。また、Alは、脱酸剤としても有用である。これらを勘案して、Alの下限を0.3%とした。ただし、過剰に添加すると、偏析が大きくなり、熱処理後の寸法変化(特に、変寸率の差)が大きくなるほか、靭性の低下を招くため、その上限を2.0%とした。Al量は、0.50%以上1.8%以下であることが好ましく、0.7%以上1.6%以下であることがより好ましい。
Cuは、ε−Cuの析出強化による硬さ向上を図るために必要な元素であり、HAZ軟化幅の抑制にも寄与している。ただし、過剰に添加すると、鍛造割れが発生しやすくなるため、上限を5%とした。Cu量は、2.0%以上4.0%以下であることが好ましい。
Niは、Ni3AlなどのAl−Ni系金属間化合物の析出強化による硬さ向上を図るために必要な元素であり、HAZ軟化幅の抑制にも寄与している。また、Niは、Cuと併用することにより、Cuの過剰添加による熱間脆性を抑制し、鍛造時の割れを防止することもできる。ただし、過剰に添加すると、残留オーステナイトが増加して高温で時効しないと所定の硬さを確保できないほか、熱処理後に膨張してしまう。Ni量は、1.5%以上4.0%以下であることが好ましい。
MoおよびWは、いずれも、M6C型炭化物を形成するほか、Ni3Mo系金属間化合物などを形成し、析出強化に寄与する元素である。ただし、MoやWを過剰に添加すると、上記の炭化物などが過剰に生成し、靭性の低下を招くほか、熱処理後の変寸(特に、変寸率の差)が大きくなるため、上記範囲を設定した。本発明では、Moを必須成分とし、Wは選択元素とするが、両方を併用しても構わない。Moは、0.5%以上3%以下であることが好ましく、0.7%以上2.5%以下であることがより好ましい。また、Wは、2%以下であることが好ましく、1.5%以下であることがより好ましい。
Sは、被削性確保に有用な元素であるが、過剰に添加すると溶接割れが生じるため、上限を0.10%とした。S量は、0.07%以下であることが好ましく、0.05%以下であることがより好ましく、0.025%以下であることが更に好ましい。
上記(1)は、粗大なCr系炭化物の生成抑制を目的として設定されたものであり、[Cr]と[C]との積が3.00を超えると、熱処理後の変寸が大きくなり、表面皮膜の耐久性が低下する。[Cr]と[C]との積は、1.80以下であることが好ましく、1.70以下であることがより好ましい。なお、その下限は、熱処理後の変寸抑制などの観点からは小さい方が良いが、CrやCの添加による上記作用を有効に発揮させることなども勘案すると、おおむね、0.8であることが好ましい。
上記(2)は、主に、ε−Cuの析出強化を利用し、HAZ軟化幅を抑制するためのパラメータとして設定されたものである(後記する実施例を参照)。このような作用を有効に発揮させるため、[Ni]に対する[Cu]の比を0.5とした。ただし、上記比が大きくなると、鍛造割れが発生するため、その上限を2.2とした。上記比は、0.7以上1.5以下であることが好ましく、0.85以上1.2以下であることがより好ましい。
上記(3)を構成するMoやWは、前述したように、析出強化に寄与する元素であり、上記(3)は、主に、これらの析出強化による硬さ向上を確保するためのパラメータとして設定されたものであり、HAZ軟化幅の抑制にも有効である。上記(3)中、[W]の係数(0.5)は、Moの原子量はWの約1/2であることを考慮して定めた。これらの作用を有効に発揮させるため、上記(4)の下限を0.5%とした。ただし、MoやWの量を過剰に添加すると、上記炭化物が過剰に添加し、靭性の低下を招くほか、熱処理後の変寸(特に、変寸率の差)が大きくなるため、上記(3)の上限を3.0%とした。上記(3)の下限は1.0%であることが好ましく、1.2%がより好ましく、一方、その上限は2.8%であることが好ましい。
上記(4)は、主に、熱処理後(時効処理後)の硬さのピークをより低温側にシフトさせるためのパラメータとして位置づけられ、これにより、熱処理後の変寸抑制性を図っている。一般に時効処理(焼戻し)後の膨張変寸は、溶体化処理(焼入れ)時の残留オーステナイトの開放(分解)によって発生するといわれている(例えば、後記する図2を参照)が、上記(4)のように、時効後の硬さのピークを低温側にシフトさせる作用を有するCuと、残留オーステナイトと密接な相関関係を有するCとの質量比([Cu]/[C]の比)を適切に制御すれば、熱処理後の変寸を著しく抑制できることが分かった。
Vは、VCなどの炭化物を形成して硬さ向上に寄与し、HAZ軟化幅の抑制に有効な元素である。また、母材表面にガス窒化、塩浴窒化、プラズマ窒化などの窒化処理を施して拡散硬化層を形成する場合に、表面硬さの向上や硬化層深さの上昇に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるためには、V量は、おおむね、0.05%以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加すると、固溶C量が低下し、母相であるマルテンサイト組織の硬さ低下を招くため、その上限を0.5%とすることが好ましい。V量は、0.4%以下であることがより好ましく、0.30%以下であることが更に好ましい。
これらの元素は、いずれも、窒化物形成元素であり、当該窒化物およびAlNの微細分散化および結晶粒微細化による靭性向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、おおむね、Tiを0.01%以上、Zrを0.02%以上、Hfを0.04%以上、Taを0.04%以上、Nbを0.02%以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加すると、固溶C量が低下してマルテンサイトの硬さ低下を招くため、上記元素の合計量を0.5%とすることが好ましい。上記元素の合計量は、0.4%以下であることが好ましく、0.30%以下であることがより好ましい。なお、上記の元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても構わない。
Coは、Ms点を高め、残留オーステナイトの低減化に有効な元素であり、これにより、硬さが向上する。上記作用を有効に発揮させるため、Co量は、おおむね、1%以上であることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、コストなどの上昇を招くため、上限を10%とすることが好ましい。Co量の上限は5.5%であることが好ましい。
Ms点
=550−361×[C]−39×[Mn]−35×[V]−20×[Cr]
−17×[Ni]−10×[Cu]−5×([Mo]+[W])
+15×[Co]+30×[Al]
{式中、[ ]は、各元素の含有量(%)を表す。}
本発明において、Ms点は、主に、硬さや熱処理後の変寸抑制の指標となるものであり、Ms点が170℃未満では、残留オーステナイトが増大し、高温で時効しないと所望の硬さが得られないほか、熱処理後の膨張を招く。Ms点は高いほど良く、おおむね、230℃以上であることがより好ましいく、235℃以上であることが更に好ましく、250℃以上が更に一層好ましい。なお、その上限は、上記作用の観点からは特に限定されないが、Ms点を構成する上記元素の添加による作用効果などを勘案すると、おおむね、350℃であることが好ましく、320℃であることがより好ましい。
TA−10≦T2≦TA+10 ・・・(5)
式中、
TA=0.29×T1−2.63×[Cu]/[C]+225で表され、
T1は溶体化温度(℃)、
T2は時効温度(℃)をそれぞれ、意味する。
上記の焼鈍材から、おおむね、20mmT×20mmW×15mmLサイズの試験片を切出して硬さ測定用試験片とし、これに、表2に記載の条件で溶体化処理→空冷→時効処理を行なった後、放冷した。なお、いずれにおいても、溶体化処理時間は約120分間、時効処理時間は約3時間とした。
上記の焼鈍材から、おおむね、40mmT×70mmW×100mmLの試験片を切出して変寸測定用試験片とした後、表2に条件で溶体化処理→ファン空冷→時効処理を行なった後、放冷した。次に、以下のようにして「変寸率の平均値」および「変寸率の最大値」を測定し、下記基準に従い、これらの評価がすべて○のものを、熱処理後の変寸抑制性に優れる(合格)とした。
上記の変寸測定用試験片(焼鈍後溶体化処理前)および時効後の試験片について、厚さ、幅、長さの3方向をそれぞれ測定し、熱処理前後の厚さの差、幅の差、および長さの差を求め、これらの平均値(百分率)を「変寸率の平均値」とした。本実施例では、「変寸率の平均値」が±0.03%以内のものを合格(○)、±0.03%を超えるものを不合格(×)とした。
上記の変寸測定用試験片(焼鈍後溶体化処理前)および時効後の試験片について、厚さ、幅、長さの3方向をそれぞれ測定し、熱処理前後の厚さの差、幅の差、および長さの差を求め、これらの最大値の絶対値(百分率)を「変寸率の最大値」とした。変寸率の最大値が0.05%以下のものを合格(○)とし、0.05%を超えるものを不合格(×)とした。
参考のため、先の出願に記載の「変寸率の差」も測定した。具体的には、上記の変寸測定用試験片(焼鈍後溶体化処理前)および時効後の試験片について、厚さ、幅、長さの3方向をそれぞれ測定し、熱処理前後の厚さの差、幅の差、および長さの差を求めた。これらのうち、最大値と最小値の差(百分率)を「変寸率の差」とした。変寸率の差が0.08%以下のものを合格(○)とし、0.08%を超えるものを不合格(×)とした。
Claims (4)
- C :0.20〜0.60%(質量%の意味、以下、同じ。)、
Si:0.5〜2.00%、
Mn:0.1〜2%、
Cr:3.00〜9.00%、
Al:0.3〜2.0%、
Cu:1.00〜5%、
Ni:1.00〜5%、
Mo:0.5〜3%及び/又はW:2%以下(0%を含む)、
S :0.10%以下(0%を含まない)、
下記(1)〜(4){[ ]は、各元素の含有量(%)を意味する。以下、同じ。}
(1)[Cr]×[C]≦3.00、
(2)[Cu]/[Ni]:0.5〜2.2、
(3)[Mo]+0.5×[W]:0.5〜3.0%、
(4)[Cu]/[C]:4.0〜15、
の要件を満足する鋼を用意する工程と、
下式(5)を満足する条件で溶体化処理および時効処理を行う工程と、
TA−10≦T2≦TA+10 ・・・(5)
式中、
TA=0.29×T1−2.63×[Cu]/[C]+225で表され、
T1は溶体化温度(℃)、
T2は時効温度(℃)をそれぞれ、意味する、
を包含することを特徴とする冷間金型用鋼の製造方法。 - 前記鋼は、V:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の製造方法。
- 前記鋼は、Co:10%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の製造方法。
- 下式で表されるマルテンサイト変態点(Ms点):
Ms点
=550−361×[C]−39×[Mn]−35×[V]−20×[Cr]
−17×[Ni]−10×[Cu]−5×([Mo]+[W])
+15×[Co]+30×[Al]
は170℃以上である請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
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