JP4347033B2

JP4347033B2 - プリハードン金型用鋼の製造方法

Info

Publication number: JP4347033B2
Application number: JP2003411691A
Authority: JP
Inventors: 大円横井
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005171305A

Description

本発明は、プリハードン状態で金型に加工される金型用鋼の製造方法に関するものである。

従来、熱間で使用される金型において、耐ヒートチェック性、耐割れ性は重要な特性であり、これらの特性を高めるためには、靱性の向上が必須である。一方で、最近、金型コスト低減および製作期間短縮の観点から被削性の向上が求められているが、靱性と被削性は、一般的に相反する特性であり、両者を兼備する熱間工具鋼の開発が望まれてきた。そこで、例えば、特開昭５３−１６３１５号公報（特許文献１）のように、ＳとＺｒを複合添加することにより、Ｓ単独添加による効果を上回る被削性の向上、硫化物の延伸の抑制を図ることが開示されている。また、特開平１０−６０５８５号公報（特許文献２）のように、ＳとＴｅおよびＣａを適量添加することにより、硫化物系介在物が微細化かつ球状化し、耐ヒートチェック性の低下抑制を図ると言う技術が開示されている。

特開昭５３−１６３１５号公報特開平１０−６０５８５号公報

上述した特許文献１の場合は、確かにＳ単独添加による効果を上回る被削性の向上、硫化物の延伸の抑制を図っているが、しかし、割れ感受性の点で課題が残る。また、特許文献２の場合も、特許文献１の場合と同様に、耐ヒートチェック性の低下抑制を図っているが、しかし、割れ感受性の点で問題が残る。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｓ添加量を制御することにより、硫化物の応力集中効果による被削性の向上を図るとともに、鍛錬比および冷却速度制御の相乗効果（凝固組織の破壊、結晶粒内組織の微細化）により、割れ感受性の低減を図り、金型寿命と加工性を両立した金型寿命の安定化を図ることが出来るプリハードンでの金型加工性が良好な金型用鋼の製造方法を提案するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：１．０〜６．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．２％、Ｓ：０．００７〜０．０６％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜２．５％、および、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．１〜２．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、鍛錬比（ｓ）：４〜１０で熱間加工した後焼入に際し、焼入温度から焼入温度より５００℃低い温度までの範囲での冷却速度を３℃／ｍｉｎ以上で冷却してなるプリハードン金型用鋼の製造方法。
（２）前記（１）に記載の成分組成に加えて、Ｃａ：０．０００３〜０．１％、Ｍｇ：０．０００３〜０．１％の１種または２種を添加することを特徴とするプリハードン金型用鋼の製造方法にある。

以上述べたように、本発明による硫化物の応力集中効果による被削性の向上を図ると共に、鍛錬比および冷却速度制御の相乗効果により、割れ感受性の低減を図ることにより硬さ、耐ヒートチェック性などの諸特性を低下させることなく、プリハードン加工性に優れた割れ感受性の低減を図ることが出来る金型鋼の製造方法を提供することが出来る極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明に係る化学成分の限定理由について述べる。
Ｃ：０．１〜０．６％
Ｃは、硬さと耐摩耗性を与える基本元素である。焼入焼戻時の硬さを確保するためには、０．１％必要である。しかし、０．６％を超える添加は靱性が低下することから、その範囲を０．１〜０．６％とした。望ましくは０．２〜０．４％とする。

Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、脱酸剤、耐酸化性、被削性を確保するための元素である。しかし、０．１％未満ではその効果が得られず、また、１．５％を超えると加工性および靱性が低下することから、その範囲を０．１〜１．５％とする。望ましくは０．３〜１．０％とする。
Ｍｎ：０．１〜０．７％
Ｍｎは、脱酸剤、焼入性に必要な元素である。しかし、０．１％未満ではその効果が得られず、また、０．７％を超えると硫化物形成（ＭｎＳ）による靱性が低下することから、その範囲を０．１〜０．７％とする。

Ｃｒ：１．０〜６．０％
Ｃｒは、焼入性、硬質炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる元素であるが、しかし、１．０％未満ではその効果が得られず、また、６．０％を超える添加はＣｒ炭化物の凝集を招き高温軟化抵抗性を低下させると共に、靱性を低下させることから、その範囲を１．０〜６．０％とする。望ましくは３．０〜５．０％とする。

Ｎｉ：０．０５〜１．２％
Ｎｉは、靱性を向上させる元素である。しかし、０．０５％未満ではその効果が得られず、また、１．２％を超えると被削性が低下する。従って、その範囲を０．０５〜１．２％とする。望ましくは０．１〜０．８％とする。
Ｓ：０．００７〜０．０６％
Ｓは、硫化物を形成し、被削性を向上させる元素である。しかし、０．００７％未満ではその効果が得られず、また、０．０６％を超える添加は、靱性が低下する。従って、その範囲を０．００７〜０．０６％とする。望ましくは０．０１〜０．０４％とする。

Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜２．５
Ｍｏ、Ｗは、硬質炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させると共に、焼入性、高温軟化抵抗性および高温強度を向上させる元素である。しかし、Ｍｏ当量が０．５未満ではその効果が得られず、また、２．５を超えると靱性が低下することから、その範囲を０．５〜２．５とする。望ましくは１．０〜２．０とする。

Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．１〜２．０
Ｖ、Ｎｂは、Ｍｏ、Ｗと同様の効果を有し、硬質炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させると共に、結晶粒微細化の役目を持つ元素である。しかし、Ｖ／Ｎｂ当量が０．１未満ではその効果が得られず、また、２．０を超えると靱性の低下、および熱処理歪みが大きくなることから、その範囲を０．１〜２．０とする。望ましくは０．３〜１．５とする。

Ｃａ：０．０００３〜０．１％
Ｃａは、硫化物の球状化を高める。しかし、０．０００３％未満ではその効果は得られず、また、０．１％を超えると靱性を低下させることから、その範囲を０．０００３〜０．１％とする。
Ｍｇ：０．０００３〜０．１％
Ｍｇは、Ｃａと同様に、硫化物の球状化を高める。しかし、０．０００３％未満ではその効果は得られず、また、０．１％を超えると靱性を低下させることから、その範囲を０．０００３〜０．１％とする。

鍛錬比（ｓ）：４〜１０
鍛錬比を定めて熱間加工し、凝固組織の破壊による靱性の向上を図る。しかし、鍛錬比（ｓ）４未満では、凝固組織の破壊が不十分であることから、その下限を４とした。また、１０を超えると過度に硫化物が微細化されることから、その上限を１０とした。
図１は、鍛錬比と衝撃値および焼入後の冷却速度との関係を示す図である。この図１に示すように、本発明に係る鍛錬比（ｓ）の範囲内でも焼入後の冷却速度が３℃／ｍｉｎ未満の場合は衝撃値が悪いことを示している。また、図２は、鍛錬比と被削性との関係を示す図である。この図２に示すように、鍛錬比が１０よりも大きくなった場合は被削性が劣ることが判る。

焼入後の冷却速度：３℃／ｍｉｎ以上
焼入温度から焼入温度より５００℃低い温度までの範囲の焼入後の冷却速度を定めたのは、結晶粒内組織の微細化を図るためである。しかし、中心部での冷却速度が３℃／ｍｉｎ未満では、その効果が得られないことから、その下限を中心部で３℃／ｍｉｎとした。望ましくは中心部で１０℃／ｍｉｎとする。なお、本発明に係る冷却速度は冷却対象とする鋼中の中心部での冷却速度として定めたものである。また、本発明に係る焼入温度としては、９５０〜１１５０℃、焼戻温度は５５０〜６７０℃とする。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す成分組成の鋼を１ｔ真空誘導溶解炉にて溶解しインゴットに鋳造した。１２００℃に加熱後、５０ｍｍ×５０〜１００ｍｍ×２００ｍｍ角に鍛伸し、焼鈍し、試験片粗加工した後、焼入焼戻し（焼入温度：１０３０℃、焼戻温度：５５０〜６５０℃）、試験片仕上げ加工した。その結果を表２に示す。被削性試験結果は、切削条件としてＳＫＨ５１製φ８ドリル、深さ１０ｍｍ穿孔するのに要する時間で評価した。また、割れ感受性評価方法としてのシャルピー衝撃試験の評価としては、試験片をＬ方向（鍛伸方向）、Ｔ方向（Ｌ方向の垂直方向）、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ、１０Ｒ２ｍｍＵノッチ試験片を用い、常温で試験を実施した。また、ヒートチェック試験としては、試験片φ４０×１００ｍｍ、６００℃まで加熱し室温の加熱冷却を２０００回繰返し、試験片表面に生じたクラックの平均長さで評価した。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、Ｎｏ．７〜１０は比較例である。比較例Ｎｏ．７は鍛錬比（ｓ）が低いために、衝撃値でのＬ方向の鍛伸が悪く、また、Ｔ方向（Ｌ方向の垂直方向）衝撃値も悪い。比較例Ｎｏ．８は焼入後の冷却速度が低いために、衝撃値でのＬ方向の鍛伸が悪く、また、Ｔ方向（Ｌ方向の垂直方向）衝撃値も悪い。また、耐ヒートチェック性も劣る。比較例Ｎｏ．９はＣ含有量が高く、かつＳ添加量が低いために、被削性が悪い。比較例Ｎｏ．１０はＮｉ含有量が高く、かつＳ添加量が高いために、衝撃値でのＬ方向の鍛伸が悪く、また、Ｔ方向（Ｌ方向の垂直方向）衝撃値も悪く、かつ耐ヒートチェック性も劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜６はいずれの性能についても優れていることが判る。

鍛錬比と衝撃値および焼入後の冷却速度との関係を示す図である。鍛錬比と被削性との関係を示す図である。特許出願人山陽特殊製鋼株式会社代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１〜０．６％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜０．７％、
Ｃｒ：１．０〜６．０％、
Ｎｉ：０．０５〜１．２％、
Ｓ：０．００７〜０．０６％、
Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜２．５％、および、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．１〜２．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、鍛錬比（ｓ）：４〜１０で熱間加工した後焼入に際し、焼入温度から焼入温度より５００℃低い温度までの範囲での冷却速度を３℃／ｍｉｎ以上で冷却してなるプリハードン金型用鋼の製造方法。
請求項１に記載の成分組成に加えて、Ｃａ：０．０００３〜０．１％、Ｍｇ：０．０００３〜０．１％の１種または２種を添加することを特徴とするプリハードン金型用鋼の製造方法。