JP5744300B1 - 熱間工具鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な焼入性を保持しながら、熱伝導率を向上させることができ、これによりサイクルタイムを短縮することができ、熱処理後の硬さを向上させることができて耐磨耗性を向上させることができると共に、高硬度でも靭性が優れており、耐食性が優れており、被削性の劣化も少ない熱間工具鋼を提供する。【解決手段】熱間工具鋼は、Ｃ：０．４５〜０．５７質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．３０質量％、Ｍｎ：０．４５〜１．００質量％、Ｃｒ：４．５〜５．２質量％、Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．０〜２．０質量％、Ｖ：０．３０〜０．８０質量％、Ｎ：０．００８〜０．０２５質量％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、円相当径が１μｍ以下の炭化物の面積率が２０％以上である。【選択図】なし

Description

本発明は、温熱間プレス、ダイカスト、又は温熱間鍛造等に使用される金型の素材として有用な熱間工具鋼に関する。

ダイカスト、熱間鍛造、温熱間鍛造に使用される金型素材として、被削性に優れたＪＩＳ ＳＫＤ６１が汎用的に使用されている。しかし、このＪＩＳ ＳＫＤ６１は、熱伝導率が低いため、焼付き及びヒートチェックが頻発し、金型寿命が短いという問題点がある。

そこで、従来、Ｓｉ含有量を高めて、被削性の劣化を防止しつつ熱伝導率を高めながら、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＶ含有量を調整することにより、汎用金型鋼よりも高い熱伝導率を維持しつつ、汎用金型鋼よりも衝撃値を高めた熱間工具鋼が提案されている（特許文献１）。この特許文献１の請求項１に開示された熱間工具鋼は、Ｃ：０．２０〜０．４２質量％、Ｓｉ：０．４０〜０．７５質量％、Ｍｎ：０．６５〜１．５０質量％、Ｃｒ：５．２４〜９．００質量％、Ｍｏ：１．０８〜２．５０質量％、Ｖ：０．３０〜０．７０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。なお、特許文献１の請求項４には、Ｎ：０．００４〜０．０２４質量％を含有することが記載されており、請求項２には、Ｗ：０．３０〜４．００質量％を含有することが記載されている。

また、プラスチック及びゴムの射出成形品、ダイカスト品、低圧鋳造品、及び鍛造品等の製品コスト低減の要求が高まっている。このため、これらの製品の製造効率の向上及び不良率の低減が要望されている。

そこで、従来、金型の熱伝導率を高くして金型の急速冷却を可能とし、これにより、製品製造のハイサイクル化を可能にして製造効率の向上を図り、更に、不良率の低減を図ることを目的として、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの添加量を規定した金型用鋼が提案されている（特許文献２）。この特許文献２の請求項１に開示された熱間工具鋼の組成は、Ｃ：０．３５〜０．５０質量％、Ｓｉ：０．０１〜０．１９質量％、Ｍｎ：１．５０〜１．７８質量％、Ｃｒ：２．００〜３．０５質量％、Ｍｏ：０．５１〜１．２５質量％、Ｖ：０．３０〜０．８０質量％、Ｎ：０．００４〜０．０４０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。なお、特許文献２の請求項２には、Ｗ：０．３０〜４．００質量％を含有することが記載されている。

特許第５５１５４４２号公報 特許第５４０２５２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱間工具鋼は、熱伝導率が２６〜２８（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度と低く、製造サイクルを短くすることができないという問題点がある。また、この熱間工具鋼は、硬さが不足することから、耐摩耗性が劣ると考えられる。

一方、特許文献２に開示された熱間工具鋼は、Ｃｒの含有量が少ないため、焼入性が悪く、大きな金型ではベイナイトが生成して、靭性が劣化するため、実用的ではない。また、この熱間工具鋼は、ダイカスト等の金型では、金型冷却のために水冷孔をあけて、金型を冷却水により冷却するが、Ｃｒ含有量が低いため、錆びが発生しやすく、割れが発生しやすいという問題点がある。更に、特許文献２に記載の熱間工具鋼は、硬さが不足することから、耐摩耗性が劣り、Ｓｉ含有量が少ないことから、被削性が劣る。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、十分な焼入性を保持しながら、熱伝導率を向上させることができ、これによりサイクルタイムを短縮することができ、熱処理後の硬さを向上させることができて耐磨耗性を向上させることができると共に、高硬度でも靭性が優れており、耐食性が優れており、被削性の劣化も少ない熱間工具鋼を提供することを目的とする。

本発明に係る熱間工具鋼は、
Ｃ：０．４５〜０．５７質量％、
Ｓｉ：０．０５〜０．３０質量％、
Ｍｎ：０．４５〜１．００質量％、
Ｃｒ：４．５〜５．２質量％、
Ｎｉ：０．５質量％以下、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．０〜２．０質量％、
Ｖ：０．３０〜０．８０質量％、
Ｎ：０．００８〜０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
円相当径が１μｍ以下の炭化物の面積率が２０％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導率が高く、製造サイクルを短くして、製造効率を向上させることができると共に、加熱冷却に伴う熱応力を低減できるために、ヒートチェックを抑制することができる熱間工具鋼を得ることができる。また、本発明によれば、焼入性が優れていて、靭性の低下を抑制することができ、大型の金型も製造することができると共に、耐摩耗性が優れていて金型の寿命を延長することができる熱間工具鋼を得ることができる。

以下、本発明について、詳細に説明する。先ず、本発明の熱間工具鋼の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

「Ｃ：０．４５〜０．５７質量％」
Ｃは、熱間工具鋼の基地に固溶し、熱間工具鋼の硬度を高める元素であり、また、炭化物を形成する重要な元素である。Ｃが０．４５質量％未満では、鋼の硬さが低くなり、必要な耐摩耗性を確保することができない。また、Ｃが０．５７質量％を超えると、鋼の靱性が低下する。よって、Ｃの含有量は、０．４５〜０．５７質量％とする。

「Ｓｉ：０．０５〜０．３０質量％」
Ｓｉは、鋼の熱伝導率を高める重要な元素である。Ｓｉが０．０５質量％未満では、鋼の被削性の低下が著しく、Ｓｉを０．３質量％を超えて含有させると、鋼の熱伝導率の低下が著しいことから、Ｓｉの含有量は、０．０５〜０．３０質量％とする。

「Ｍｎ：０．４５〜１．００質量％」
Ｍｎも熱伝導率を高める重要な元素である。０．４５ｗｔ％未満では焼入性の低下が著しく、１．００ｗｔ％を超えて含有させると熱伝導率の低下が著しいことから０．４５〜１．００ｗｔ％とする。

「Ｃｒ：４．５〜５．２質量％」
Ｃｒも、鋼の熱伝導率を高める重要な添加元素である。Ｃｒが４．５質量％未満では、鋼の焼入性の低下が著しく、また、Ｃｒを５．２質量％を超えて含有させると、熱伝導率の低下が著しいことから、Ｃｒの含有量は、４．５〜５．２質量％とする。

「Ｎｉ：０．５質量％以下」
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、鋼の焼入性を向上させるために有効な元素であるが、Ｎｉが０．５質量％を超えると、製造コストが増大して不利であり、また鋼の被削性も低下する。よって、Ｎｉの含有量は、０．５質量％以下とする。

「Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．０〜２．０質量％」
ＭｏとＷは、いずれも、Ｃｒと同様に焼入性を向上させるために有効な元素である。Ｍｏ含有量と、Ｗ含有量の１／２の量の合計（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、１．０質量％未満であると、焼入性の向上効果が得られない。一方、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、２．０質量％を超えると、鋼の熱伝導率の低下が発生し、製造コストが上昇する。このため、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）は、１．０〜２．０質量％とする。但し、ＷはＭｏの約２倍の原子量を有しており、原子数が同等である場合に、焼入性及び熱伝導率が同等であり、効果の程度において相互に置き換え可能な特性を有するので、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）を指標として、Ｍｏ及びＷの含有量範囲を決定する。なお、Ｍｏ及びＷは、単独で添加してもよい。

「Ｖ：０．３０〜０．８０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。この効果を得るためには、Ｖは０．３０質量％以上含有することが必要である。しかし、Ｖが０．８０質量％を超えると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、鋼の靱性を低下させると共に、Ｖの過剰な添加は、製造コストを上昇させてしまう。このため、Ｖの含有量は、０．３０〜０．８０質量％とする。

「Ｎ：０．００８〜０．０２５質量％」
Ｎは、微細な炭化物を形成し、鋼の焼入時の結晶粒粗大化防止及び被削性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｎは０．００８質量％以上であることが必要である。Ｎが０．０２５質量％を超えると、粗大な炭化物を形成し、鋼の靭性を劣化させるので、Ｎの含有量は０．０２５％以下とする。

このように、本発明の目的を達成するために、各成分組成を、所定の組成範囲内にすることが必要であるが、特に、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＣｒの量を上記範囲にすることが重要である。

「円相当径が１μｍ以下の微細な炭化物の面積率：２０％以上」
通常、Ｓｉの含有量を低減すると、鋼の熱伝導率が向上するが、鋼の被削性が劣化してしまうという不具合がある。本発明では、Ｓｉの含有量を低減しているが、このＳｉ含有量の低減に伴う被削性の低下を、円相当径が１μｍ以下の微細な炭化物の面積率を２０％以上とすることにより、補い、これにより、Ｓｉ含有量が高い場合と同程度の被削性を有する熱間工具鋼を得る。Ｓｉ含有量を低減すると、切削温度が上昇することと、工具への切屑凝着が顕著になり、切削加工中に凝着物が剥離するときに、工具も欠損する。これにより、被削性が劣化する。本発明においては、円相当径で１μｍ以下の微細な炭化物を多量（面積率で２０％以上）に含むようにすることにより、Ｓｉ含有量を低減しても、工具への切り屑の凝着が生じることを低減できると共に、微細な炭化物がなるために、鋼材のマトリックスが脆くなることにより、従来の熱間工具鋼と同等の被削性を得ることができる。

次に、上記本発明の熱間工具鋼の製造方法について説明する。上記組成の鋼材を溶解し、鋳造する。そして、得られた鋳塊を、１２００〜１２８０℃の温度に４時間以上加熱して鍛造し、所定の寸法に加工する。その後、鍛造材を、８２０〜８７０℃の温度に加熱して４時間以上保持した後、４００〜５００℃の温度まで、１５〜３５℃／時の冷却速度で冷却を行うことにより、鋼材を焼なまし処理する。これにより、上記微細な炭化物を所定量含有する熱間工具鋼を製造することができる。

次に、本発明の請求項１を満たす実施例の熱間工具鋼の特性を、本発明の範囲から外れる比較例の熱間工具鋼の特性と対比して、本発明の効果について説明する。下記表１に示す組成の実施例及び比較例の鋼材を高周波誘導炉にて溶解し、２０ｋｇのインゴットを得た。このインゴットを、１２００〜１２８０℃の温度に４時間以上加熱した後、鍛造し、その後、８２０〜８７０℃の温度に４時間以上加熱保持し、４００〜５００℃の温度まで１５〜３５℃／時の冷却速度で冷却を行う焼なましを実施した。この鋼材から、熱処理硬さ試験片、熱伝導率試験片、摩耗試験片、及びシャルピー衝撃試験片を採取した。

熱処理硬さは、２５×２５ｍｍ角の試験片を１０３０℃で焼入れし、５００℃から５℃毎に６２０℃まで焼戻しを実施した。各試験片の最高硬さを，下記表２の「硬さ」欄に示した。「熱伝導率」は、直径が１０ｍｍ、厚さが３ｍｍの試験片を熱処理し、各試験片の鋼種の最高硬さにしてから、レーザーフラッシュ法によって室温の熱伝導率値（Ｗ／ｍ・Ｋ）を測定した。「耐摩耗性」は、大越式摩耗試験で実施した。試験片は１０３０℃で熱処理した後、焼戻しし、仕上げ加工を実施したものである。そして、相手材を５９０ＭＰａハイテン材、摩擦速度を２．３７（ｍ／秒）、最終荷重を６．３ｋｇｆ、摩擦距離を１００ｍとして、常温で試験を行い、比摩耗量（１０^４ｍｍ^３／ｋｇｆｍ）を評価した。「焼入性」試験は、フォーマスタ試験によりＣＣＴ曲線を作成し、ベイナイトが発生する臨界冷却時間（分）を求めることにより行った。「靭性」試験は、１０×１０×５５ｍｍのＪＩＳ３号試験片を切り出し１０３０℃で熱処理し、５０ＨＲＣの硬さに揃えた後、衝撃値を測定した。ＪＩＳ ＳＫＤ６１鋼を基準として、衝撃値がこのＳＫＤ６１と同等か又は良好な場合は○、やや劣る場合は△、劣る場合は×として衝撃値を評価した。「耐食性」は、直径が１８ｍｍ、厚さが１５ｍｍの試験片を切り出し、１０３０℃で熱処理し、５０ＨＲＣの硬さに揃えた後、ＪＩＳ ２３７１の塩水噴霧試験方法に従い、試験を実施し、ＪＩＳ ＳＫＤ６１鋼の場合を基準として、錆がＳＫＤ６１と同等か又は良好な場合は○、やや劣る場合は△、劣る場合は×として、耐食性を評価した。「被削性」は、直径が６ｍｍのハイスドリルにより、穴深さが４２ｍｍの穴をあけ、折損又はキー音が発生したときを寿命とし、ＪＩＳ ＳＫＤ６１の寿命を１００としたときの比率で、実施例・比較例の被削性を評価した。「炭化物面積率」は、寸法が１５ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの試験片を研磨した後、ピクリン酸で腐食し、５０００倍の倍率で写真撮影し、画像解析することにより、その面積率（％）を測定した。

この表１及び表２に示すように、比較例１５乃至２６は、その成分組成及び／又は炭化物面積率が本発明の範囲から外れるため、熱伝導率、耐摩耗性、焼入れ性、靭性、耐食性、及び被削性のいずれかが劣るものであった。これに対し、本発明の実施例１乃至１４は、その成分組成及び炭化物面積率が本発明の範囲を満たすため、熱伝導率、耐摩耗性、焼入れ性、靭性、耐食性、及び被削性の全てにおいて、所望の特性を有するものとなった。

Claims (1)

1. Ｃ：０．４５〜０．５７質量％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．３０質量％、
   Ｍｎ：０．４５〜１．００質量％、
   Ｃｒ：４．５〜５．２質量％、
   Ｎｉ：０．５質量％以下、
   Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．０〜２．０質量％、
   Ｖ：０．３０〜０．８０質量％、
   Ｎ：０．００８〜０．０２５質量％、
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
   円相当径が１μｍ以下の炭化物の面積率が２０％以上であることを特徴とする熱間工具鋼。