JP4322239B2

JP4322239B2 - 冷間工具鋼及びその製造方法

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Publication number: JP4322239B2
Application number: JP2005266090A
Authority: JP
Inventors: 剛志殿村
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2025-09-13
Also published as: JP2007077442A

Description

本発明は、プレス型、曲げ型、抜き型、絞り型、ダイ、パンチ、及び治工具等に使用する冷間工具鋼に関する。

従来、冷間加工用金型材には、高い硬度及び耐摩耗性が要求されるため、炭化物を多く含むＪＩＳのＳＫＤ１１など、高Ｃ−高Ｃｒ系の冷間工具鋼が使用されている。

しかし、ＳＫＤ１１材は、粗大な１次炭化物が多く含まれており、そのために焼きなまし状態でも被削性が悪く、切削加工による金型の加工に多くの時間を要するという問題点がある。

このため、被削性を改善する技術として、以下に示す公知技術が開示されている。先ず、特許文献１には、被削性が優れ、熱処理変寸が小さい工具鋼及びその製造方法を得ることを目的として、断面組織中に占める面積２０μｍ^２以上の炭化物の面積率を３％以下とし、円相当径０．３μｍ以上の炭化物の個数をｌｍｍ^２あたり４００００個以上、かつ、１６０００μｍ^２の断面組織範囲×１０カ所での標準偏差／平均が０．３以下と規定することにより、被削性を良好とし、また熱処理変寸を小さくした工具鋼が開示されている。

また、特許文献２には、被削性に優れた冷間工具鋼及びその製造方法を得ることを目的として、１次炭化物の面積率を１〜８％、平均粒径を１０μｍ以下とすることにより、耐摩耗性を高く維持しつつ、被削性及び靭性を良好とした冷間工具鋼が開示されている。

更に、特許文献３には、被削性に優れた冷間工具鋼を得ることを目的として、５μｍ以下の微細炭化物の平均粒径を０．８〜２．０μｍとすることにより被削性を向上させた冷間工具鋼が開示されている。

更にまた、特許文献４には耐摩耗性及び被削性の向上を目的とした冷間工具鋼及びその製造方法が開示されている。この特許文献４には、ＳＫＤ１１など多量の１次炭化物を含む鋼種は多量のＳを添加しても被削性の改善ができないといわれていたが、１次炭化物をネットを組まないようにして、ＭｎＳ層をサンドイッチのように１次炭化物を挟み込むことにより、ＭｎＳ層がクッションの動作をして炭化物が工具に直接当たることを防ぐことによって、被削性を改善することが記載されている。

特開２００１−２９４９７４（請求項１）特開２００４−３１５８４０特開２００２−３９８８特開平８−１２０３３３

しかしながら、特許文献１に記載の工具鋼は、被削性及び靭性を向上させるために、Ｃ含有量を０．５５〜０．７５％と少なくし、１次炭化物の面積率を減少させており、また、ソーキング処理により粗大な１次炭化物を固溶させ小さくしているが、そうすると、粗大な１次炭化物が少なくなり、冷間工具鋼で最も重要な耐摩耗性が低くなるという欠点がある。

また、特許文献２に記載の工具鋼は、１次炭化物の径を小さくしているため、１０μｍ以下の小さな１次炭化物しかないため、冷間工具鋼で最も重要な耐摩耗性が低くなるという欠点がある。

更に、特許文献３に記載の冷間工具鋼は、５μｍ以下の炭化物の平均粒径を小さくしているため、耐摩耗性に重要な炭化物怪が小さくなり、耐摩耗性が悪化する。

更にまた、特許文献４に記載の工具鋼は、Ｓ添加によりＭｎＳによる被削性の改善効果を得たものであるが、２次炭化物の形態については考慮されていないため、被削性の改善が十分でない。また、特許文献４に記載の技術は、耐かじり性について考慮されていない。プレス金型を作製する通常の工程では、粗加工、仕上加工、焼入れ焼戻し、組み付け、仕打ち、修正、及び表面処理の順番で各工程を経て完成品が製造される。本来であれば、能率を向上させ、仕打ち後の修正を容易に行いたいため、下記工程のように焼き鈍し材で仕打ちを実施したい。即ち、粗加工、仕上加工、組み付け、仕打ち、修正、焼入れ焼戻し、及び表面処理の順番でプレス金型を作成したい。しかし、焼き鈍し材で仕打ちを実施すると、かじりが発生し、金型が早期に破損するという不具合が発生する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、化学成分組成の調整と炭化物の制御により、従来品の優れた特性である高い耐摩耗性を維持し、欠点であった被削性及び耐かじり性を大幅に向上させた冷間工具鋼とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る冷間工具鋼は、Ｃ：０．９〜１．４質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｓ：０．０１〜０．１２質量％、Ｃｒ：９〜１２質量％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．４〜１．５質量％、Ｎｉ：１．５質量％以下、及びＶ：０．１〜１．０質量％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、炭化物の最大長さをＭＬ、面積をＡとしたとき、円相当径２μｍ以下の２次炭化物中の面積率で１５％以上のものが、｛（ＭＬ）^２×π／（４×Ａ）｝×１００が３００以上となる細長い形状を有していることを特徴とする。

本発明においては、円相当径が２μｍ以下の２次炭化物のうち、面積率で１５％以上のものが、微細な細長い状態の炭化物（超微細層状炭化物）であり、図１に示すように、多くの２次炭化物が球状化していない。これに対し、従来の冷間工具鋼は、図２に示すように、２次炭化物は球状化しているものが多い。これにより、耐摩耗性を損なうことなく、焼き鈍し状態での耐かじり性及び被削性が大幅に向上する。なお、Ｘ＝｛（ＭＬ）^２×π／（４×Ａ）｝×１００は、炭化物形状を示す数値であり、炭化物形状が円の場合には、最大長ＭＬはその円の直径Ｄとなるから、炭化物の面積Ａは、Ａ＝π・Ｄ^２／４＝π・（ＭＬ）^２／４となり、Ｘ＝１００となる。そして、炭化物形状が細長い場合は、π・（ＭＬ）^２／４はその最大長ＭＬを直径とする円の面積であるから、それを実際の面積Ａで除したＸは、炭化物形状が細長くなるほど大きくなる。従って、本発明においては、円相当径が２μｍ以下の微細な炭化粒粒子の中で、面積率で１５％以上を占める炭化物の形状が、Ｘが３００以上となるように、細長い形状を有している。

このため、本発明においては、特許文献１に記載された冷間工具鋼に対し、１次炭化物の大きさは従来材と同等で耐摩耗性は従来材と同等でありながら、被削性が良好になるという優位性がある。また、本発明は、特許文献２に開示された冷間工具鋼に対し、１次炭化物の大きさは従来材と同等でも、被削性が良好になるという効果がある。更に、本発明は、特許文献３に記載された冷間工具鋼に対し、耐摩耗性に影響のない円相当径２μｍ以下の炭化物について、その形状を細長くしたものであるので、耐摩耗性を損なうことなく、被削性を向上できる。更にまた、本発明は、特許文献４に記載された冷間工具鋼に対し、２次炭化物の形態を制御することによって、更に一層被削性の向上を図ることができると共に、耐かじり性が格段に向上する。

本発明に係る冷間工具鋼の製造方法は、Ｃ：０．９〜１．４質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｓ：０．０１〜０．１２質量％、Ｃｒ：９〜１２質量％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．４〜１．５質量％、Ｎｉ：１．５質量％以下、及びＶ：０．１〜１．０質量％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する鋼材を溶解し、鋳造する工程と、得られた鋳塊を１１４０〜１１７０℃の温度に４時間以上加熱して、所定の寸法に鍛造する工程と、その後、７８０〜８１０℃の温度に３時間以上加熱して保持した後、４００〜５００℃の温度まで２０〜４５℃／時の冷却速度で冷却を行う焼きなまし工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ＪＩＳＳＫＤ１１と比較して同等の耐摩耗性を確保することができ、被削性が優れた冷間工具鋼を得ることができる。これにより、切削加工による金型の加工時間を大幅に低減し、加工コストを低減することができる。また、焼きなまし材での耐かじり性が向上しているため、焼きなまし材での仕打ちが可能となり、金型修正が容易となり、能率が大幅に向上する。

次に、本発明の実施の形態について具体的に説明する。先ず、本発明の冷間工具鋼の成分組成を限定した理由について説明する。

「Ｃ：０．９〜１．４質量％」
Ｃは、基地に固溶して硬度を高めると共に、炭化物を生成する元素である。Ｃが０．９質量％未満では、炭化物量が少なくなり必要な耐摩耗性を確保することができず、またＣが１．４質量％を超えると靭性を低下するので、Ｃの含有量を０．９〜１．４質量％とする。

「Ｓｉ：０．１〜１．０質量％」
Ｓｉは、脱酸材として有用であり、また焼入れ性を向上させるために添加する元素であるが、Ｓｉが１．０質量％を超えて含有させると、マトリックスの成分偏析が激しくなり、また、靭性が低下することから、Ｓｉ含有量は０．１〜１．０質量％とする。

「Ｍｎ：０．１〜１．０質量％」
Ｍｎは焼入れ性を向上させるため、また硫化物を形成させるために添加する元素であり、Ｍｎが０．１質量％未満では焼入れ性が悪く、また必要量の硫化物が得られない。Ｍｎが１．０質量％を超えると、被削性を低下するので、Ｍｎの含有量は０．１〜１．０質量％とする。

「Ｓ：０．０１〜０．１５質量％」
Ｓは、被削性を向上させるために添加する元素であり、０．０１質量％以上の添加が必要である。しかし、Ｓが０．１５質量％を超えると、靭性の低下が著しいので、Ｓの含有量は０．０１〜０．１５質量％とする。

「Ｃｒ：９〜１２質量％」
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を生成し、また基地に固溶して焼入性を向上させるために有効な元素であり、Ｃｒが０．９質量％未満では、炭化物量が少なくなり、必要な耐摩耗性を確保することができない。また、Ｃｒが１２質量％を超えると、炭化物の増加による靭性及び被削性低下の原因となり、またコスト面においても不利である。従って、Ｃｒの含有量は９〜１２質量％とする。

「（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．４〜１．５質量％」
ＭｏとＷは、いずれもＣｒと同様に焼入れ性を向上させるために有効な元素であり、夫々同等の効果をもたらす。従って、Ｍｏ及びＷは、夫々単独で添加してもよく、又は複合添加してもよい。但し、Ｗの原子量はＭｏの原子量の約２倍であり、ＷがＭｏと同様の効果を得るためには、Ｍｏの２倍の量が必要である。そこで、Ｎｏ＋１／２Ｗの値により、Ｍｏ及びＷの量を規定する。従って、Ｍｏ単独添加の場合は、Ｍｏの含有量は０．４〜１．５質量％となるが、Ｗ単独の添加の場合は、Ｗの含有量は、０．８〜３．０質量％になる。焼入れ性向上のためには、Ｍｏ＋１／２Ｗの量は、０．４質量％以上必要であるが、これが１．５質量％を超えると、熱処理変寸が大きくなると共に、コスト面において不利となる。このため、Ｍｏ＋１／２Ｗの含有量は０．２〜１．５質量％とする。

「Ｎｉ：１．５質量％以下」
Ｎｉは、Ｃｒと同様に焼入れ性を向上させるために有効な元素であり、必須添加元素であるが、Ｎｉが１．５質量％を超えると、コスト面において不利であり、また被削性も低下するので、その含有量を１．５質量％以下とする。

「Ｖ：０．１〜１．０質量％」
Ｖは炭化物を形成し、焼入時の結晶粒の粗大化防止及び耐摩耗性の向上に、有効な元素であるが、Ｖが１．０質量％を超えると、粗大な炭化物を形成し、被削性及び靭性を悪化させると共に、コストが上昇するので、Ｖの含有量は０．１〜１．０質量％とする。

次に、本発明において炭化物形状を規定した理由について説明する。本発明の特徴は、円相当径で２μｍ以下の２次炭化物を超微細な層状炭化物にすることにあり、これにより、被削性と耐かじり性が下記の理由により向上する。

「被削性」
一般にＳＫＤ１１系材料の焼きなまし状態の組織は、粗大な１次炭化物と微細な球状化２次炭化物とフェライトとからなる。炭化物は硬いため、工具摩耗及び欠損の原因となり、被削性を劣化させる。また、フェライトは粘く、工具に凝着し、構成刃先が発生し、加工中に構成刃先が剥離するときに、工具も欠損するため、被削性を劣化させる。なお、構成刃先とは、切削時に工具のすくい面上に切りくずの一部が付着し、切削の進行にともなって切りくずが層状に堆積し凝着したもののことをいい、極めて硬い組織になっている。この堆積物が二次刃先になって切れ刃の代わりに切削を行うことがあり、このため、これが構成刃先といわれている。

被削性を向上させるには、粗大な１次炭化物の径を小さくしたり、１次炭化物量を減らす方法があるが、これでは耐摩耗性が悪くなってしまうという不具合が生じる。また、フェライトの面積率を減少させるためには、炭化物を多く析出させればよいが、これではかえって被削性を悪化させてしまう。

円相当径で２μｍ以下の２次炭化物を超微細な層状炭化物にすることによって、フェライトと炭化物がサンドイッチ状態になり、フェライトの幅が細くなることにより、工具がフェライトを削ってもすぐに炭化物を削るため、工具へのフェライトの凝着が防げる。また、炭化物も細長く脆いため、工具摩耗への影響が少なくなり、工具寿命が大幅に向上する。本発明は、このような新規の知見により、２次炭化物の形状を規定している。

「耐かじり性」
焼きなまし材の組織は炭化物と極めてやわらかいフェライト組織とからなる。焼きなまし材で仕打ちを実施した場合、金型のやわらかいフェライトの部分が原因となり、局所的に焼き付きが起こり、素材のむしれが発生し、かじりとなる。これを防止するため、炭化物形状を、円相当径で２μｍ以下の２次炭化物を超微細な層状炭化物にすることによって、フェライトと炭化物がサンドイッチ状態になり、工具がフェライト部を摺動した後、直ちに炭化物部を摺動するため、局所的な焼き付きを防止でき、耐かじり性が向上する。本発明は、前述と同様に、このような新規の知見により、２次炭化物の形状を規定するものである。

また、一次炭化物が面積率で３％未満及び平均粒径が１０μｍ以下になると、耐摩耗性が悪化し、金型寿命が悪くなるため、耐摩耗性を維持し、かつ耐かじり性と被削性を向上させるためには、面積率が３〜７％の範囲であり、平均粒径を１１μｍ以上とすることが好ましい。

次に、本発明の効果を実証する実施例について、詳細に説明する。

下記表１に示した成分組成の本発明の実施例及び比較例の鋼を高周波誘導炉にて溶解し、１０ｋｇのインゴットを得、そのインゴットを１１４０〜１１７０℃で鍛造加熱した後、４５×６５ｍｍの角断面に鍛造し、焼きなましを実施した。この鋼からミクロ組織観察用試験片、被削性試験片、耐かじり性試験及び大越式摩耗試験片を切取り、採取した。

炭化物の測定は、寸法が１５×２０×１０ｍｍの試験片を研磨した後、ピクリン酸で腐食し、１次炭化物は２００倍、２次炭化物は８０００倍の倍率で写真撮影し、この写真をコンピュータに取り込み、画像解析を実施した。

被削性試験は厚さ４０ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ２００ｍｍの試験片を直径が１０ｍｍのハイスのエンドミルを使用して、潤滑油を使用せずにドライ加工した。切削速度は１６ｍ／分、送り量は０．０７ｍｍ／刃、切り込み量は１５ｍｍ×１ｍｍである。この切削条件で加工を実施し、６ｍ加工したときの工具摩耗量を測定した。

耐かじり性は下記条件でハット形状の絞り型で成形を実施し、ワーク材よりかじりの有無を確認した。
被加工材：ＳＰＣＣ厚さ１．２ｍｍ
潤滑油：水溶性プレス加工油
金型表面粗さ：Ｒｙ：０．５〜０．７μｍ
成型数：２０枚
大越式摩耗試験片は１０３０℃で熱処理した後、焼戻しを行い、６０ＨＲＣの硬さを得、仕上げ加工を実施した後、下記条件により常温で試験を行い、比摩耗量を評価した。
相手材：ＳＵＪ２（４５ＨＲＣ）
摩擦速度：１．９５／秒
最終荷重：６．３ｋｇｆ
摩擦距離：４００ｍ
その結果を下記表２に示す。

表２の結果において、比較例１１、１６、１８及び従来材２０は、ＣとＣｒの双方か又はいずれか１方の含有量が、本発明のＣ：０．９％以上、Ｃｒ：９％以上より低く、１次炭化物の面積率が３％未満と少ないため、比摩耗量の値が大きくなっている。また、かじりが発生している。

比較例１２、１３、１４、１５は組成が本発明鋼の限定範囲内であるが、超微細層状炭化物の面積率が本発明の規定範囲外であるため、工具摩耗量が多く、被削性が劣る。またかじりが発生している。

比較例１７はＣ量及びＣｒ量が本発明の上限値よりも高いため、工具摩耗量が多く、被削性が劣る。

これらに対して、本発明の実施例の冷間工具鋼は、いずれも工具摩耗量が少なく、被削性が優れており、かじりも発生していない。

本発明の冷間工具鋼の２次炭化物組織を示す顕微鏡写真である。従来の冷間工具鋼の２次炭化物組織を示す顕微鏡写真である。

Claims

Ｃ：０．９〜１．４質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｓ：０．０１〜０．１２質量％、Ｃｒ：９〜１２質量％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．４〜１．５質量％、Ｎｉ：１．５質量％以下、及びＶ：０．１〜１．０質量％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、炭化物の最大長さをＭＬ、面積をＡとしたとき、円相当径２μｍ以下の２次炭化物中の面積率で１５％以上のものが、｛（ＭＬ）^２×π／（４×Ａ）｝×１００が３００以上となる細長い形状を有していることを特徴とする被削性及び耐かじり性が優れた冷間工具鋼。
Ｃ：０．９〜１．４質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜１．０質量％、Ｓ：０．０１〜０．１２質量％、Ｃｒ：９〜１２質量％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．４〜１．５質量％、Ｎｉ：１．５質量％以下、及びＶ：０．１〜１．０質量％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する鋼材を溶解し、鋳造する工程と、得られた鋳塊を１１４０〜１１７０℃の温度に４時間以上加熱して、所定の寸法に鍛造する工程と、その後、７８０〜８１０℃の温度に３時間以上加熱して保持した後、４００〜５００℃の温度まで２０〜４５℃／時の冷却速度で冷却を行う焼きなまし工程とを有することを特徴とする冷間工具鋼の製造方法。