JP6137428B2 - 冷間工具およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス金型や鍛造金型、転造ダイス、金属切断用の刃物といった多種の冷間工具、および、その製造方法に関するものである。

冷間工具は、硬質の被加工材と接触しながら使用されるため、その接触に耐え得る耐摩耗性を備えている必要がある。そして、従来、冷間工具材料には、例えば、ＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種であるＳＫＤ１０やＳＫＤ１１系の合金工具鋼が用いられていた（非特許文献１）。

冷間工具材料は、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を行って、例えばブロック形状に仕上げられる。そして、冷間工具材料は、通常、硬度の低い焼鈍状態で、冷間工具の作製メーカーに供給される。作製メーカーに供給された冷間工具材料は、冷間工具の形状に機械加工された後に、焼入れ焼戻しによって所定の使用硬度に調整される。また、使用硬度に調整された後に、仕上げの機械加工を行うことが一般的である。場合によっては、焼鈍状態の冷間工具材料に、先に焼入れ焼戻しを行ってから、上記の仕上げの機械加工も合わせて、一括して冷間工具の形状に機械加工されることもある。

焼入れとは、焼鈍状態の冷間工具材料を（または、この冷間工具材料が機械加工された後の冷間工具材料を）オーステナイト温度域にまで加熱し、これを急冷することで、組織をマルテンサイト変態させる作業である。よって、冷間工具材料の成分組成は、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できるものとなっている。そして、焼入れ焼戻し後の冷間工具は、マルテンサイト組織を有している。なお、このとき、冷間工具の組織には、マルテンサイト組織以外の、ベイナイト組織や残留オーステナイト組織等が含まれている場合もある。

そして、冷間工具の耐摩耗性は、焼入れ焼戻し後の組織の基地（マトリックス）の硬度を上げることや、この基地中に未固溶炭化物を付与することで、向上できることが知られている。基地とは、冷間工具の組織から、炭化物を除いた組織の部分である。未固溶炭化物とは、焼入れ工程で基地中に固溶しなかった、大きな炭化物である。これについては、最大粒径が２０μｍ以下の未固溶炭化物を、焼入れ焼戻し後の組織中に均一に分布させた冷間工具が提案されている（特許文献１）。また、焼入れ焼戻し後の組織中の残留オーステナイト量を適度に調整したり（特許文献２）、基地中に固溶しているＣｒ量やＭｏ量を適度に調整したりして（特許文献３、４）、冷間工具の硬度を向上させる手法が提案されている。

特開平０５−１５６４０７号公報 特開２０００−７３１４２号公報 特開２００５−３２５４０７号公報 特開２０１４−１４５１００号公報

「ＪＩＳ−Ｇ−４４０４（２００６）合金工具鋼鋼材」、ＪＩＳハンドブック（１）鉄鋼Ｉ，一般財団法人日本規格協会，２０１３年１月２３日，ｐ．１６５２−１６６３

特許文献１〜４の冷間工具は、耐摩耗性に優れたものである。しかし、このような冷間工具であっても、十分な硬度を有し、かつ、焼入れ焼戻し後の組織中に十分な量の未固溶炭化物が存在しているにも関わらず、期待する耐摩耗性が得られない場合があった。
本発明の目的は、耐摩耗性に優れた冷間工具およびその製造方法を提供することである。

本発明は、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、マルテンサイト組織を有する冷間工具において、
この冷間工具の硬度が５８ＨＲＣ以上であり、
この冷間工具の断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率が、４．０面積％以上であり、
この冷間工具の全体が含有する炭素量の質量比に占める、冷間工具の組織に固溶する炭素量の質量比の比率で表される炭素固溶率が、７５．０％以上の冷間工具である。
好ましくは、上記の炭素固溶率が、８０．０％以上である。

また、本発明は、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、温度がこの成分組成における（融点＋９０℃）から（融点＋１１０℃）までの温度範囲内にある溶鋼を、鋳型に注湯し、この鋳型に注湯した溶鋼を、固相−液相共存域の冷却時間が６０分以内となる冷却時間で冷却して素材を得る鋳造工程と、
上記の素材を熱間加工し、この熱間加工を終えた素材をマルテンサイト変態が生じる温度にまで冷却して、素材の組織をマルテンサイト化させた鋼材を得る熱間加工工程と、
上記の鋼材を焼鈍処理して冷間工具材料を得る焼鈍工程と、
上記の冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行って、マルテンサイト組織を有する、硬度が５８ＨＲＣ以上の冷間工具を得る焼入れ焼戻し工程と、
を有する冷間工具の製造方法である。

本発明によれば、冷間工具の耐摩耗性を向上させることができる。

本発明例の冷間工具の断面組織を示す光学顕微鏡写真であり、断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。 比較例の冷間工具の断面組織を示す光学顕微鏡写真であり、断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。 実施例で行った耐摩耗試験の様態を示す模式図である。 本発明例および比較例の冷間工具の耐摩耗性を説明するグラフ図である。 本発明例の冷間工具の断面組織を示す光学顕微鏡写真であり、断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。 比較例の冷間工具の断面組織を示す光学顕微鏡写真であり、断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。 本発明例および比較例の冷間工具の耐摩耗性を説明するグラフ図である。

本発明者は、冷間工具の耐摩耗性に影響を及ぼす因子を調査した。その結果、冷間工具の耐摩耗性には、焼入れ焼戻し後の組織に固溶している炭素量が大きく影響を及ぼしていることを知見した。そして、冷間工具の硬度と、その組織中の未固溶炭化物の分布状態とを最適に調整した上で、さらに、組織に固溶している炭素量をも最適に調整した冷間工具は、同じ成分組成を有する冷間工具の中でも、耐摩耗性に優れることを見いだした。以下に、本発明の各構成要件について説明する。

（１）本発明の冷間工具は、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、マルテンサイト組織を有するものである。
通常、冷間工具は、焼鈍組織を有した冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行って作製される。焼鈍組織とは、焼鈍処理によって得られる組織のことであり、例えば、ブリネル硬さで１５０〜２３０ＨＢＷ程度に軟化された組織である。そして、一般的には、フェライト相や、フェライト相にパーライトやセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）が混合した組織である。そして、通常、冷間工具材料の焼鈍組織には、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等とが結合してなる炭化物が存在する。
従来、このような冷間工具材料に、焼入れ焼戻しによってマルテンサイト組織を発現する素材が用いられていることは、上述の通りである。マルテンサイト組織は、各種の冷間工具の絶対的な機械的特性を基礎付ける上で必要な組織である。そして、焼入れ焼戻し後の冷間工具は、マルテンサイト組織を有している。なお、このとき、冷間工具の組織には、マルテンサイト組織以外の、ベイナイト組織や残留オーステナイト組織等が含まれている場合もあることは、上述の通りである。

このような冷間工具（冷間工具材料）には、例えば、各種の冷間工具鋼が用いられている。冷間工具鋼は、その表面温度が概ね２００℃以下までの環境下で使用されるものである。そして、このような冷間工具鋼の成分組成には、例えば、ＪＩＳ−Ｇ−４４０４の「合金工具鋼鋼材」にある規格鋼種や、その他提案されているものを適用できる。また、上記の冷間工具鋼に規定される以外の元素種も、必要に応じて添加が可能である。そして、本発明の「耐摩耗性の向上効果」は、焼鈍組織が焼入れ焼戻しされてマルテンサイト組織を発現する素材であるならば、あとは、この素材を用いて作製された冷間工具の硬度や、その焼入れ焼戻しされた組織が、後述する（２）〜（４）の要件を満たすことで、達成が可能である。

なお、本発明の「耐摩耗性の向上効果」を高いレベルで得るためには、マルテンサイト組織を発現する成分組成のうちで、後述する冷間工具の硬度や、冷間工具の組織中の炭化物、そして、この組織に固溶する炭素量の調整に寄与するＣ、および、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの炭化物形成元素の含有量を決めておくことが好ましい。具体的には、質量％で、Ｃ：１．３０〜２．４０％、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含む成分組成である。そして、本発明の冷間工具の成分組成は、上記の元素種を含んだ鋼の成分組成とすることができる。また、本発明の冷間工具の成分組成は、上記の元素種を含み、残部をＦｅおよび不純物とすることができる。本発明の冷間工具の好ましい成分組成を構成する各種元素について、以下の通りである。

・Ｃ：１．３０〜２．４０質量％（以下、単に「％」と表記する。）
Ｃは、一部が基地中に固溶して基地に硬度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、冷間工具の基本元素である。また、侵入型原子として固溶したＣは、ＣｒなどのＣと親和性の大きい置換型原子と共に添加した場合に、Ｉ（侵入型原子）−Ｓ（置換型原子）効果（溶質原子の引きずり抵抗として作用し、冷間工具を高強度化する作用）も期待される。但し、過度の添加は、未固溶炭化物の過度の増加による靭性の低下を招く。よって、Ｃの含有量は１．３０〜２．４０％とする。好ましくは１．４０％以上である。また、好ましくは１．８０％以下である。

・Ｃｒ：８．０〜１５．０％
Ｃｒは、焼入性を高める元素である。また、炭化物を形成して、耐摩耗性の向上に効果を有する元素である。そして、焼戻し軟化抵抗の向上にも寄与する、冷間工具の基本元素である。但し、過度の添加は、粗大な未固溶炭化物を形成して靱性の低下を招く。よって、Ｃｒの含有量は８．０〜１５．０％とする。好ましくは１４．０％以下である。また、好ましくは９．０％以上である。より好ましくは１１．０％以上である。

・ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細炭化物を析出または凝集させて、冷間工具に強度を付与する元素である。ＭｏおよびＷは、単独または複合で添加できる。そして、この際の添加量は、ＷがＭｏの約２倍の原子量であることから、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の式で定義されるＭｏ当量で一緒に規定できる（当然、いずれか一方のみの添加としても良いし、双方を共に添加することもできる）。そして、上記の効果を得るためには、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で０．５０％以上の添加とする。好ましくは０．６０％以上である。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で３．００％以下とする。好ましくは２．００％以下である。より好ましくは１．５０％以下である。

・Ｖ：０．１０〜１．５０％
Ｖは、炭化物を形成して、基地の強化や耐摩耗性、焼戻し軟化抵抗を向上する効果を有する元素である。そして、焼鈍組織中に分布した上記の炭化物は、焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する“ピン止め粒子”として働き、靭性の向上にも寄与する。これらの効果を得るために、Ｖは０．１０％以上とする。好ましくは０．２０％以上である。また、Ｖは、焼鈍組織中に固溶炭化物を形成させるのに有効な元素である。固溶炭化物とは、焼入れ工程で基地中に固溶する、小さな炭化物である。そして、本発明の場合、この固溶炭化物が基地中に固溶することで、後述する、冷間工具の組織に固溶する炭素量を増加させることができる。よって、このために、本発明の冷間工具は、０．６０％以上のＶを添加することもできる。但し、多過ぎると、被削性や、炭化物自身の増加による靭性の低下を招くので、１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下である。

そして、本発明の冷間工具の成分組成は、上記の元素種の他に、下記の元素種の含有も可能である。
・Ｓｉ：２．００％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるが、多過ぎると焼入性が低下する。また、焼入れ焼戻し後の冷間工具の靱性が低下する。よって、Ｓｉの含有量は、２．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは１．５０％以下である。さらに好ましくは０．８０％以下である。一方、Ｓｉには、工具の組織に固溶して、冷間工具の硬度を高める効果がある。この効果を得るためには、０．１０％以上の添加が好ましい。

・Ｍｎ：１．５０％以下
Ｍｎは、多過ぎると基地の粘さを上げて、材料の被削性を低下させる。よって、１．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは１．００％以下である。さらに好ましくは０．７０％以下である。一方、Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、焼入性を高める効果を有する。また、非金属介在物のＭｎＳとして存在することで、被削性の向上に大きな効果がある。これらの効果を得るためには、０．１０％以上の添加が好ましい。より好ましくは０．２０％以上である。

・Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、通常、添加しなくても、各種の冷間工具に不可避的に含まれ得る元素である。そして、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して、粒界を脆化させる元素である。したがって、冷間工具の靭性を向上するためには、添加する場合も含めて、０．０５０％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０３０％以下である。

・Ｓ：０．０５００％以下
Ｓは、通常、添加しなくても、各種の冷間工具に不可避的に含まれ得る元素である。そして、熱間加工前の素材時において熱間加工性を劣化させ、熱間加工中に割れを生じさせる元素である。したがって、この熱間加工性を向上するために、０．０５００％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０３００％以下である。一方、Ｓには、上記のＭｎと結合して、非金属介在物のＭｎＳとして存在することで、被削性を向上する効果がある。この効果を得るために、０．０３００％を超える添加を行ってもよい。

・Ｎｉ：０％以上１．００％以下
Ｎｉは、基地の粘さを上げて被削性を低下させる元素である。よって、Ｎｉの含有量は１．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．５０％未満、さらに好ましくは０．３０％未満である。一方、Ｎｉは、工具組織中のフェライトの生成を抑制する元素である。また、冷間工具材料に優れた焼入性を付与し、焼入れ時の冷却速度が緩やかな場合でもマルテンサイト主体の組織を形成して、靭性の低下を防ぐことのできる効果的元素である。さらに、基地の本質的な靭性も改善するので、本発明では必要に応じて添加してもよい。添加する場合、０．１０％以上の添加が好ましい。

・Ｎｂ：０％以上１．５０％以下
Ｎｂは、被削性の低下を招くので、１．５０％以下とすることが好ましい。一方、Ｎｂは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、Ｖと同様、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する効果を有する。よって、Ｎｂは、必要に応じて添加してもよい。添加する場合、０．１０％以上の添加が好ましい。

本発明の冷間工具の成分組成において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）は、例えば、不純物として鋼中に残留する可能性がある元素である。本発明において、これら元素はできるだけ低い方が好ましい。しかし一方で、介在物の形態制御や、その他の機械的特性、そして製造効率の向上といった付加的な作用効果を得るために、少量を含有してもよい。この場合、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．２５％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％、Ｎ≦０．０５００％の範囲であれば十分に許容でき、本発明の好ましい規制上限である。Ｎについて、より好ましい規制上限は、０．０３００％である。

（２）本発明の冷間工具は、硬度が５８ＨＲＣ以上である。
冷間工具の硬度は、冷間工具の絶対的な耐摩耗性を基礎付ける要件である。そして、本発明の冷間工具の場合、硬度は５８ＨＲＣ以上とする。好ましくは６０ＨＲＣ以上である。なお、硬度の上限については、特に規定を設ける必要はない。但し、現実的に達成の可能な硬度は、６６ＨＲＣ程度である。より現実的には、６３ＨＲＣ程度である。
冷間工具の硬度は、組織中の様々な要件が総合的に作用して発現されるものである。そして、上記の「様々な要件」とは、例えば、組織中に存在する各種の炭化物や介在物の分布状況であり、また、基地における各種構成元素の固溶量や成分偏析の程度である。よって、同じ成分組成を有し、同じ硬度を有する冷間工具であっても、上記の「様々な要件」の程度が異なれば、それら冷間工具の有する耐摩耗性は異なる。そして、本発明の場合、上記の「様々な要件」の中でも、後述する（３）の「冷間工具の断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率」の要件と、（４）の「冷間工具の全体が含有する炭素量の質量比に占める、冷間工具の組織に固溶する炭素量の質量比の比率で表される炭素固溶率」の要件とを最適に調整すれば、５８ＨＲＣ以上の硬度を有する冷間工具の耐摩耗性を、さらに高いレベルで発揮できることを突きとめた。

（３）本発明の冷間工具は、その断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率が、４．０面積％以上のものである。
通常、冷間工具材料の焼鈍組織には、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等とが結合してなる炭化物が存在する。この炭化物には、次の焼入れ工程で基地中に固溶しない、大きな「未固溶炭化物」と、次の焼入れ工程で基地中に固溶する、小さな「固溶炭化物」とがある。そして、未固溶炭化物は、焼入れ焼戻し後の組織中に残って、冷間工具の耐摩耗性の向上に寄与する。
そして、本発明の冷間工具の場合、上記の焼入れ焼戻し後の断面組織において、円相当径が「５μｍ以上」の炭化物が、特に、耐摩耗性の向上に対する寄与度が大きい。そして、この円相当径が５μｍ以上の炭化物の、冷間工具の断面組織に占める面積率を、４．０面積％以上とすることで、５８ＨＲＣ以上の硬度を有する冷間工具の耐摩耗性を、さらに高めることができる。好ましくは５．０面積％以上である。より好ましくは６．０面積％以上である。さらに好ましくは７．０面積％以上である。
但し、この炭化物の面積率が大きすぎると、冷間工具の靱性が低下する。よって、好ましくは、この炭化物の面積率の上限を２０．０面積％とする。より好ましくは、１５．０面積％を上限とする。

なお、本発明において、上記の「断面組織」とは、マルテンサイト組織に限った部分の断面組織という意味ではない。つまり、冷間工具の断面組織が、マルテンサイト組織以外に、ベイナイト組織や残留オーステナイト組織等の別の組織も含んでいるのであれば、その別の組織も含めた“全体としての”断面組織という意味である。

冷間工具の断面組織における、炭化物の円相当径および面積率の測定手法について説明しておく。
まず、冷間工具の断面組織を、例えば倍率２００倍の光学顕微鏡で観察する。このとき、観察する断面は、冷間工具の作業面（金型の場合、型彫面）近辺を構成する部分とすることができる。そして、この断面において、例えば断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面をダイヤモンドスラリーを用いて鏡面に研磨する。この鏡面に研磨した断面は、観察を行う前に、未固溶炭化物と基地との境界が明瞭になるように、種々の方法を用いて腐食しておくことが好ましい。

次に、上記の観察で得た光学顕微鏡写真を画像処理して、炭化物と基地との境界（例えば、上記の腐食による着色部と未着色部との境界）を閾（しきい）値とした二値化処理を行い、断面組織の基地中に分布する炭化物を示した二値化画像を得る。このような二値化処理は、既知の画像解析ソフト等によって行うことができる。
そして、上記で得た二値化画像を、さらに画像処理することで、断面組織中に観察される炭化物の円相当径を求めることができる。そして、本発明では、円相当径が５μｍ以上の炭化物を抽出して、観察した視野の面積に占める、これら炭化物の面積率を求めればよい。なお、本発明の効果を確認するにおいて、光学顕微鏡で観察する視野面積は、１視野あたり８７７μｍ×６６１μｍ（＝０．５８ｍｍ^２）もあれば十分である。そして、この１視野による観察を、上記した断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面のうちの１０視野で行って、それぞれの視野で求めた面積率を平均すれば十分である。

（４）本発明の冷間工具は、その全体が含有する炭素量の質量比に占める、冷間工具の組織に固溶する炭素量の質量比の比率で表される炭素固溶率が、７５．０％以上のものである。
固溶炭化物は、焼入れ時の基地中に固溶して、焼入れ焼戻し後の組織に固溶する炭素量を増加させる。そして、焼入れ焼戻し後において、結果的には、同じ硬度を有した冷間工具のうちでも、その全体の炭素含有量に占める、組織に固溶する炭素量の比率が多い冷間工具は、その耐摩耗性がさらに向上する。つまり、上述した「円相当径が５μｍ以上」の未固溶炭化物自体は、冷間工具の耐摩耗性を向上させるのに効果的である。しかし、このような大きな炭化物は、冷間工具の組織中に均一に分布させることが容易ではなく、一般的には、冷間工具の断面組織において、筋状に分布している（図１参照）。

そこで、本発明では、冷間工具の組織に固溶する炭素量の比率を増やすことで、この組織の基地自体を強化することができる。この結果、上述の未固溶炭化物の比較的少ない領域においても、耐摩耗性を高めることができる。そして、本発明の冷間工具の場合、その“全体としての”炭素量（質量％）に対して、その“組織に固溶する“炭素量（質量％）が占める比率で表される「炭素固溶率」を７５．０％以上とすることで、５８ＨＲＣ以上の硬度を有する冷間工具の耐摩耗性を、さらに高めることができる。好ましくは８０．０％以上である。より好ましくは８５．０％以上である。なお、上記の炭素固溶率が大きすぎると、炭化物を形成できる炭素が減って、上述の「円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率」と、この「組織に固溶する炭素量」との最適なバランスが崩れやすくなる。また、冷間工具の「５８ＨＲＣ以上」の硬度自体を維持でき難くなる。したがって、上記の炭素固溶率は、好ましくは９５．０％以下とする。より好ましくは９３．０％以下とする。さらに好ましくは９０．０％以下とする。

なお、本発明において、炭素が固溶する上記の「冷間工具の組織」とは、マルテンサイト組織に限った部分の組織という意味ではない。つまり、冷間工具の組織が、マルテンサイト組織以外に、ベイナイト組織や残留オーステナイト組織等の別の組織も含んでいるのであれば、その別の組織も含めた“全体としての”組織という意味である。

冷間工具の組織における、「組織に固溶する炭素量」の測定手法について説明しておく。
まず、冷間工具の作業面（金型の場合、型彫面）近辺から試料を採取する。このとき、作業面に表面処理や被覆処理がされていたり、酸化スケールや脱炭等が生じているようであれば、それら影響部分を除いて、試料を採取する。そして、この採取した試料を切削加工や粉砕法等によって微粉状にし、これより０．５ｇの分析用試料を採取する。そして、この分析用試料を、硫リン酸水溶液で加熱せずに溶解して、冷間工具の組織全体における「基地のみ」の部分を溶解する。

次に、分析用試料を溶解した上記の水溶液を、孔径０．３μｍのガラスフィルターでろ過する。そして、このガラスフィルター上に残った「溶解残さ」を、ガラスフィルターごと燃焼−赤外線吸収法を用いて分析して、溶解残さ中の炭素量を測定すれば、これが、冷間工具の組織中で「炭化物を構成している炭素量」である。そして、この溶解残さ中の炭素量を、上記の０．５ｇの分析用試料に占める質量比（質量％）で表して、この値を、冷間工具全体の炭素含有量の質量比（質量％）から減じれば、その値が冷間工具の組織に固溶する炭素量の質量比（質量％）である。なお、この組織に固溶する炭素量には、上記のろ過においてガラスフィルターの孔径を通過した「極微細な炭化物を構成している炭素量」も含まれ得る。しかし、このことが、本発明の効果に影響を及ぼさないことを確認済みである。
そして、この「質量％」どうしで表された、上記の組織に固溶する炭素量と、冷間工具全体の炭素含有量とから、［（組織に固溶する炭素量／冷間工具全体の炭素含有量）×１００（％）］の関係式によって、本発明に係る、上記の「炭素固溶率」を求めることができる。

本発明の冷間工具の組織を得るためには、その焼入れ焼戻し前の、冷間工具材料の焼鈍組織を調整しておくことが有効である。つまり、冷間工具材料の焼鈍組織中に、大きな未固溶炭化物を付与しておく一方で、小さな固溶炭化物を多く付与しておくことである。例えば、冷間工具材料の断面組織において、円相当径が０．４μｍ以下の微細な炭化物は、焼入れ時に固溶しやすく、冷間工具の組織に固溶する炭素量を増やすのに有効である。
そして、このような冷間工具材料は、出発材料となる鋼塊の作製段階において、その凝固工程の進行具合を適切に管理することで、達成が可能である。例えば、鋳型に注ぐ直前の「溶鋼の温度」の調整が大切である。鋳型に注ぐときの溶鋼の温度を低めに管理することで、例えば、冷間工具材料の融点＋１００℃前後まで（例えば、融点＋９０℃から融点＋１１０℃まで）の温度範囲内で管理することで、炭化物の粗大化を抑えることができる。そして、例えば、鋳型に注がれた溶鋼を、その固相−液相の共存域を速く通過するように冷却することで、例えば、６０分以内の冷却時間で冷却することで、晶出した炭化物の粗大化を抑えることができる。

そして、本発明の冷間工具の組織は、上記の冷間工具材料を得る工程において、その焼鈍処理を行う前の段階である、材料形状への熱間加工を終えた際の冷却過程で、「冷やし込み（ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｏｌｉｎｇ）」を行うことで、達成が可能である。冷やし込みとは、熱間加工を終えた素材（鋼材）を、その素材の温度が高い状態のままで次の焼鈍処理のための加熱工程に移るのではなくて、マルテンサイト変態が生じる温度にまで“十分に”冷却して、その組織をマルテンサイト化させる作業である。この冷やし込みによって、熱間加工中の組織に固溶した炭化物形成元素が、マルテンサイト変態時に微細な炭化物として析出する。この結果、焼鈍処理後の冷間工具材料の組織中において、上記した「小さな固溶炭化物」を、さらに微細にすることができる。そして、この微細な固溶炭化物は、焼入れ時に実に固溶しやすく、冷間工具の組織に固溶する炭素量を増やすことができる。
上記の冷やし込み温度は、理論的に言えば、「マルテンサイト変態点」以下の温度である。しかし、熱間加工後の素材の組織がマルテンサイト変態する温度であればよい。現実的には、例えば、上述したＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種であるＳＫＤ１０やＳＫＤ１１も含めて、上記の（１）で述べた成分組成を有する素材において、概ね３００℃以下である。好ましくは、２００℃以下である。

また、本発明の冷間工具は、焼鈍状態の冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行って作製される。このとき、焼入れ焼戻しの温度は、素材の成分組成や狙いとする硬度等によって異なるが、焼入れ温度は概ね９５０〜１１００℃程度、焼戻し温度は概ね１５０〜６００℃程度であることが好ましい。例えば、上述したＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種であるＳＫＤ１０やＳＫＤ１１の場合、焼入れ温度は１０００〜１０５０℃程度、焼戻し温度は１８０〜５４０℃程度である。なお、焼入れ温度を低くすることは、エネルギーコストの低減に効果がある。この点において、好ましい焼入れ温度の上限は１０４０℃である。より好ましい上限は１０３０℃である。

本発明の冷間工具は、冷間工具材料に切削や穿孔といった各種の機械加工等を行うことで、その形状に整えられる。このとき、機械加工のタイミングは、焼入れ焼戻し前の、材料の硬さが低い状態（つまり、焼鈍状態）で行うことが好ましい。この場合、焼入れ焼戻し後に仕上げの機械加工を行ってもよい。また、場合によっては、焼入れ焼戻しを行った後のプリハードン材料の状態で、上記の仕上げの機械加工も合わせて、一括して機械加工を行って冷間工具の形状に仕上げてもよい。

所定の成分組成に調整した溶鋼（融点：約１４００℃）を鋳造して、表１の素材１、２を準備した。素材１、２はＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種である冷間工具鋼ＳＫＤ１０である。なお、素材１、２において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ、Ｎは無添加であり（但し、Ａｌは溶解工程における脱酸剤として添加した場合を含む。）、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．２５％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％、Ｎ≦０．０５００％であった。鋳型への注湯前において、溶鋼の温度は１５００℃に調整した。そして、素材１、２のそれぞれで鋳型の寸法を変更したことで、鋳型への注湯後において、固相−液相の共存域の冷却時間を、素材１で４５分、素材２で１６８分とした。

次に、これらの素材を１１６０℃に加熱して熱間加工を行い、熱間加工を行った後に放冷して、厚さ２５ｍｍ×幅５００ｍｍ×長さ１０００ｍｍの鋼材を得た。なお、熱間加工を行った後の冷却において、素材１は１７０℃まで冷却する冷やし込みを行った。素材２は３００℃に達するまでに、次の焼鈍処理のための加熱工程に移行した。そして、この鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、冷間工具材料１、２を作製した（硬さ約１９０ＨＢＷ）。そして、これら冷間工具材料１、２に焼入れ焼戻しを行って、マルテンサイト組織を有する冷間工具１、２を作製した。焼入れ温度は、１０３０℃とした。また、焼戻し温度は、硬度が６０ＨＲＣになるように、４８０〜５４０℃の範囲から選択した。

まず、冷間工具１、２の断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率を測定した。測定面は、実際の冷間工具の作業面が、この鋼材の内部に位置することを想定して、表面から幅方向に１／４内部に入った位置であり、かつ、表面から厚さ方向に１／２内部に入った位置の、切断面とした。なお、この切断面は、鋼材の長さ方向、つまり、熱間加工の延伸方向（炭化物の延伸方向）に対して平行なＴＤ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）面とした。
上記の切断面より、断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取して、この切断面をダイヤモンドスラリーを用いて鏡面に研磨した。次に、この研磨した切断面の焼鈍組織を、炭化物と基地との境界が明瞭になるように、電解研磨によって腐食した。そして、この腐食後の切断面を倍率２００倍の光学顕微鏡で観察した。図１、２は、冷間工具１、２のそれぞれの焼入れ焼戻し後のミクロ組織の一例を、順番に示したものである（炭化物は、淡色の分布で示されている）。そして、１視野あたりの視野面積が８７７μｍ×６６１μｍ（＝０．５８ｍｍ^２）である被験面を、１０視野分撮影した。

そして、撮影した光学顕微鏡写真を画像処理して、炭化物と基地との境界である、上記の腐食による着色部と未着色部との境界を閾（しきい）値とした二値化処理を行い、断面組織の基地中に分布する炭化物を示した二値化画像を得た。そして、さらに画像処理することで、円相当径が５μｍ以上の炭化物を抽出して、この炭化物の１０視野の平均による面積率を求めた。結果を、表２に示す。なお、これら一連の画像処理および解析には、アメリカ国立衛生研究所（ＮＩＨ）が提供しているオープンソース画像処理ソフトウェアＩｍａｇｅＪ（ｈｔｔｐ:／／ｉｍａｇｅＪ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊ／）を用いた。

次に、冷間工具１、２の「炭素固溶率」を求めた。試料の採取位置は、上記の炭化物の測定位置と同様、表面から幅方向に１／４内部に入った位置であり、かつ、表面から厚さ方向に１／２内部に入った位置とした。まず、この測定位置に切削加工を行って、微粉状の０．５ｇの分析用試料を採取した。そして、この分析用試料を硫リン酸水溶液で加熱せずに溶解した後、溶解後の水溶液を、孔径０．３μｍのガラスフィルターでろ過した。そして、ガラスフィルター上に残った「溶解残さ」を、ガラスフィルターごと燃焼−赤外線吸収法を用いて分析し、溶解残さ中の炭素量を測定した。そして、この溶解残さ中の炭素量の質量比（質量％）を、表１に示す冷間工具全体の炭素含有量の質量比（質量％）から減じて、組織に固溶する炭素量の質量比（質量％）を求めた。そして、これらの値から、上記の炭素固溶率を求めた。表２に、冷間工具１、２の組織に固溶する炭素量の質量比（質量％）と、上記の炭素固溶率（％）とを示す。

冷間工具１、２の耐摩耗性を評価した。冷間工具１、２のそれぞれから直径８ｍｍ×長さ５ｍｍのピンを３本作製し、耐摩耗試験に供した。試験方法は、ＡＳＴＭ Ｇ９９−０５に準拠した、摩擦摩耗試験機（Ａ＆Ｄ社製ＥＦＭ−ＩＩＩ−１０２０）によるピンオンディスク試験とした。試験の様態は、図３の通り、作製したピン（冷間工具）１を、ディスク（相手材）２に荷重４６０Ｎで押しつけながら、相対速度０．４２ｍ／ｓでディスク２を回転させたものである。試験環境は、室温、乾式とした。ディスク２は、アルミナ砥石（アランダム砥粒＃４６、樹脂結合材）とした。
そして、ピン１が回転するディスク２上の同一軌道を摺動して、その摺動距離が３７７ｍに到達したときに、このピン１の減体積を測定して、比摩耗量［＝減体積／（荷重×摺動距離）］を求めた。そして、同様の耐摩耗試験を３回行って求めた比摩耗量を平均して、各冷間工具の比摩耗量とした。結果を図４に示す。

図４より、同じ硬度を有した冷間工具であっても、本発明の冷間工具は、比摩耗量が少なく、耐摩耗性が向上した。
冷間工具１は、その断面組織において、十分量の「円相当径が５μｍ以上の炭化物」を有していた。そして、組織に固溶する炭素量も多く、炭素固溶率が高まって、組織の全体で評価される耐摩耗性が向上した。
冷間工具２も、その断面組織には、十分量の「円相当径が５μｍ以上の炭化物」を有していた。しかし、組織に固溶する炭素量が少なく、炭素固溶率が冷間工具１のそれに比べて低く、組織の全体で評価される耐摩耗性が、冷間工具１のそれよりも低かった。

所定の成分組成に調整した溶鋼（融点：約１４００℃）を鋳造して、表３の素材３、４を準備した。素材３、４はＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種である冷間工具鋼ＳＫＤ１１である。なお、素材３、４において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ、Ｎは無添加であり（但し、Ａｌは溶解工程における脱酸剤として添加した場合を含む。）、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．２５％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％、Ｎ≦０．０５００％であった。鋳型への注湯前において、溶鋼の温度は１５００℃に調整した。そして、素材３、４のそれぞれで鋳型の寸法を変更したことで、鋳型への注湯後において、固相−液相の共存域の冷却時間を、素材３で４５分、素材４で１６８分とした。

次に、これらの素材を１１６０℃に加熱して熱間加工を行い、熱間加工を行った後に放冷して、厚さ７９ｍｍ×幅５６０ｍｍ×長さ１５００ｍｍの鋼材を得た。なお、熱間加工を行った後の冷却において、素材３は１７０℃まで冷却する冷やし込みを行った。素材４は３００℃に達するまでに、次の焼鈍処理のための加熱工程に移行した。そして、この鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、冷間工具材料３、４を作製した（硬さ約１９０ＨＢＷ）。そして、これら冷間工具材料３、４に焼入れ焼戻しを行って、マルテンサイト組織を有する冷間工具３、４を作製した。焼入れ温度は、１０３０℃とした。また、焼戻し温度は、硬度が６０ＨＲＣになるように、４８０〜５４０℃の範囲から選択した。

まず、冷間工具３、４の断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率を測定した。このときの測定要領は、実施例１と同じとした。図５、６は、冷間工具３、４のそれぞれの焼入れ焼戻し後のミクロ組織の一例を、順番に示したものである（炭化物は、淡色の分布で示されている）。そして、これらミクロ組織について、実施例１と同様の画像処理を行い、円相当径が５μｍ以上の炭化物を抽出して、この炭化物の１０視野の平均による面積率を求めた結果を、表４に示す。

次に、冷間工具３、４の「炭素固溶率」を求めた。試料の採取位置は、上記の炭化物の測定位置と同様の位置とした。そして、実施例１と同じ要領で、この位置における上記の「溶解残さ中の炭素量」を測定して、この溶解残さ中の炭素量の質量比（質量％）を、表３に示す冷間工具全体の炭素含有量の質量比（質量％）から減じて、組織に固溶する炭素量の質量比（％）を求めた。そして、これらの値から、上記の炭素固溶率を求めた。表４に、冷間工具３、４の組織に固溶する炭素量の質量比（質量％）と、上記の炭素固溶率（％）とを示す。

冷間工具３、４の耐摩耗性を評価した。冷間工具３、４のそれぞれから直径８ｍｍ×長さ５ｍｍのピンを３本作製し、耐摩耗試験に供した。試験方法および様態等は、実施例１と同様とした（図３参照）。そして、上記の耐摩耗試験を３回行って求めた比摩耗量［＝減重量／（荷重×摺動距離）］を平均して、各冷間工具の比摩耗量とした。結果を図７に示す。

図７より、同じ硬度を有した冷間工具であっても、本発明の冷間工具は、比摩耗量が少なく、耐摩耗性が向上した。冷間工具３は、その断面組織において、十分量の「円相当径が５μｍ以上の炭化物」を有していた。そして、組織に固溶する炭素量も多く、炭素固溶率が高まって、組織の全体で評価される耐摩耗性が向上した。冷間工具４も、その断面組織には、十分量の「円相当径が５μｍ以上の炭化物」を有していた。しかし、組織に固溶する炭素量が少なく、炭素固溶率が冷間工具３のそれに比べて低く、組織の全体で評価される耐摩耗性が、冷間工具３のそれよりも低かった。

１ ピン（冷間工具）
２ ディスク（相手材）

Claims (3)

1. 焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、マルテンサイト組織を有する冷間工具において、
   前記冷間工具の硬度が５８ＨＲＣ以上であり、
   前記冷間工具の断面組織に占める、円相当径が５μｍ以上の炭化物の面積率が、４．０面積％以上であり、
   前記冷間工具の全体が含有する炭素量の質量比に占める、前記冷間工具の組織に固溶する炭素量の質量比の比率で表される炭素固溶率が、７５．０％以上であることを特徴とする冷間工具。
2. 前記炭素固溶率が、８０．０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷間工具。
3. 焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、温度が前記成分組成における（融点＋９０℃）から（融点＋１１０℃）までの温度範囲内にある溶鋼を、鋳型に注湯し、この鋳型に注湯した溶鋼を、固相−液相共存域の冷却時間が６０分以内となる冷却時間で冷却して素材を得る鋳造工程と、
   前記素材を熱間加工し、この熱間加工を終えた素材をマルテンサイト変態が生じる温度にまで冷却して、該素材の組織をマルテンサイト化させた鋼材を得る熱間加工工程と、
   前記鋼材を焼鈍処理して冷間工具材料を得る焼鈍工程と、
   前記冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行って、マルテンサイト組織を有する、硬度が５８ＨＲＣ以上の冷間工具を得る焼入れ焼戻し工程と、
   を有することを特徴とする冷間工具の製造方法。
   
   

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