JP6177694B2

JP6177694B2 - 冷間プレス金型用鋼

Info

Publication number: JP6177694B2
Application number: JP2014000580A
Authority: JP
Inventors: 祐樹垣木
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2034-01-06
Also published as: JP2015129322A

Description

この発明は冷間プレスなどの成形用金型などに用いる冷間工具鋼に関する。

従来、冷間プレスなどの成型用金型には、ＪＩＳに記載されたＳＫＤ１１あるいはＡＩＳＩで規格化されているＤ２などの冷間金型用工具鋼が多用されている。これらの冷間金型用工具鋼は、鋼中に１．５％前後のＣと１２％前後のＣｒを添加することにより、粗大なＭ₇Ｃ₃一次炭化物を形成し、優れた耐摩耗性を発揮する鋼材となっている。一方、これらの鋼材は一次炭化物を多量に含むことが原因で、靭性及び加工性が悪い。

そこで、鋼材の靱性及び加工性が悪化することを阻止する対策として、この鋼の組成を低Ｃ、低Ｃｒ化することにより、一次炭化物の形成量を減少して、靭性の向上を図った冷間工具鋼が開発され、この鋼からなる鋼材が広く適用されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に係る発明の冷間工具鋼では、硬さ、靭性、熱処理変寸といった基本特性を備えた上に、切削仕上げ面粗さや切削工具寿命といった面でも問題のない冷間工具鋼である。

しかし、この特許文献１の冷間工具鋼は、焼戻しにより析出する炭化物を利用して硬度を得ることを目的として、Ｎｉを０．２５〜１．００％（実施例では最小０．２８％）、Ｍｏ当量としてＭｏ＋１／２Ｗを０．５〜３．０％（実施例では最小０．９７％）、Ｖを０．５％以下（実施例では最小０％）およびＣｏを１０％以下（実施例では最小０％）含有しており、この冷間工具鋼は硬さ、靭性、熱処理変寸といった基本特性を備えた上に、切削仕上げ面粗さや切削工具寿命といった面でも問題はないが、しかしながら、この冷間工具鋼は希少元素であるＮｉ、Ｍｏ、Ｗ、ＶおよびＣｏを比較的多く添加しているため、鋼材費用が高くなる問題がある。

さらに、従来技術として、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が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この冷間工具鋼は希少元素であるＮｉ、Ｍｏ、Ｗ及びＶを比較的多く添加しているため，鋼材費用が高くなる問題がある。

特開２００９−１６７４３５号公報特開２００７−０７７４４２号公報

工業製品には、一般的に大量生産品と少量多品種生産品が混在している。しかしながら、製品デザインの短期化および多様化が求められることから、現在のニーズとして、少量多品種生産品が求められている。各種製造業はその傾向に追従する結果、製造コストの低減目的として、従来は長寿命が得られる金型材料が求められてきたが、近年では必要最低限の特性を有した低価格な金型材料の要望が拡大している。そこで、冷間プレス用の金型材料である冷間工具鋼においては、前記要望に応えるために、金型製造費用と工期の削減を目的として、被削性の改善や焼入焼戻し後の変形の低減や寸法変化の低減を狙った開発も進められてきた。しかし、それらの多くは、冷間プレス用途としての特性、特に耐摩耗性や、耐焼付き性を維持および向上させるために、高価な希少元素を多く含有している場合が多く、結果として十分な金型費用の削減に貢献できるものになっていない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷間プレス金型として必要な硬度、靭性、耐摩耗性などの必要最低限の特性を確保した上で、金型材料の費用を増大させる高価な元素の使用量を極力削減することで、安価な冷間プレス金型鋼を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．７５〜０．９０％、Ｓｉ：０．３０〜０．９０％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｃｒ：６．５０〜８．５０％、Ｍｏ：０．２０〜０．５０％を含有し、化学組成が、式（１）の１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする冷間プレス金型用鋼である。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量であり、質量％を示す。

第２の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、化学組成が、式（１）の１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする冷間プレス金型用鋼である。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量であり、質量％を示す。

第３の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ≦０．１０％を含有し、化学組成が、式（１）の１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする冷間プレス金型用鋼である。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量であり、質量％を示す。

第４の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、さらにＶ≦０．１０％を含有し、化学組成が、式（１）の１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする冷間プレス金型用鋼である。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量であり、質量％を示す。

ここで、本願の第１の手段および第２の手段に係る発明である冷間工具鋼の化学成分の限定理由を以下に記載する。なお、化学成分の％は質量％によるものである。

Ｃ：０．７５〜０．９０％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物を形成させることで、硬さや耐摩耗性を得るための元素である。Ｃが０．７５％未満であると十分な硬さや耐摩耗性が得られない。Ｃが０．９０％より多いと、炭化物の粗大化および凝固偏析を助長し、靱性を阻害する。そこで、Ｃは０．７５〜０．９０％とする。望ましくは、Ｃ：０．７５〜０．８５％である。

Ｓｉ：０．３０〜０．９０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果および鋼の焼入性を確保するための元素である。Ｓｉが０．３０％未満では、これらの効果が得られない。Ｓｉが０．９０％より多すぎると、靱性を低下する。そこで、Ｓｉは０．３０〜０．９０％とする。

Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは、Ｓｉ同様に脱酸材として添加をし、焼入性の確保にも必要な元素である。Ｍｎが０．２０％未満では、焼入性の確保に不十分である。Ｍｎが０．６０％より多すぎると、加工性を低下する。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．６０％とする。望ましくは、Ｍｎ：０．４５〜０．５５％である。

Ｃｒ：６．５０〜８．５０％
Ｃｒは、焼入性を改善する元素で、炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する元素である。Ｃｒが６．５０％未満では、特に焼入性が低下することで、熱処理設備能力（炉内の均熱帯容積、冷却能など）や熱処理技術が劣る場合は適正な組織や硬さを担保できない。Ｃｒが８．５０％より多すぎると、凝固時に粗大な一次炭化物が過剰に形成され、靱性および熱処理後の寸法変化特性を低下させる。また、焼戻し時に析出する炭化物組成はＣｒとＭｏの添加量バランスで変化するため、たとえ、Ｃｒが６．５０〜８．５０％であっても、式（１）を満足する必要がある。

Ｍｏ：０．２０〜０．５０％
Ｍｏは、焼入性と二次硬化や耐摩耗性に寄与する元素である。Ｍｏが０．２０％より少ないと、焼入性と二次硬化や耐摩耗の効果が得られない。Ｍｏが０．５０％より過剰に添加しても、効果が飽和するばかりか、偏析を助長し、炭化物が粗大凝集することによって靭性を低下させる。さらにコストが嵩む。そこで、Ｍｏは０．２０〜０．５０％とする。

Ｓ：０．１２０％以下
Ｓは鋼材の被削性を改善する元素である。Ｓは製鋼の過程でＭｎと結合してＭｎＳを形成する。このＭｎＳが切削加工の際に破壊の起点になることで、鋼材の被削性を高め、切削加工費用の削減に寄与する。ただし、同時に、鋼材の靭性を低下させる要因にもなることから、過剰な添加は金型としての機能を大幅に損なうことになるので、上限を０．１２０％として添加しても良い。

Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、炭化物を形成して硬度と耐摩耗性の向上に寄与するが、稀少元素の一つであるためコスト高になる。本発明においては、積極添加は不要であるが、スクラップなどの原材料中に含まれている場合もある。原材料を特別管理すると、かえってコスト高になることから、無添加であり不純物として０．１０％以下の含有は許容する。

次いで、本願請求項の化学組成であるＣｒおよびＭｏ添加量に対するＣ添加量の限定式である式（１）のＣ／Ｃ_eq値をＲ値とするとき、本発明に係る請求項１において１．５０≦Ｒ値≦１．８０を満足する。そこで、この１．５０≦Ｒ値≦１．８０の限定理由について以下に説明する。

この１．５０≦Ｒ値≦１．８０は、本願発明に係る化学成分とＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を１０３０℃から焼入れ後４９０〜５１０℃で焼戻しをした場合において、いずれかの焼戻しで５８ＨＲＣ以上を確保しつつ、靭性２５Ｊ／ｃｍ²以上の鋼材とするために必要な値である。ところで、焼戻し時には、炭化物が析出する。しかし、この炭化物の種類は焼入焼戻し硬さに多大の影響をおよぼし、特にＭｏは焼入焼戻し時に二次炭化物を析出し硬さの向上に有効である。そこで、Ｍｏ主体の炭化物を効果的に析出させるためには、本発明の範囲内においては、Ｍｏの添加量に加えてＭｏとＣｒとの添加量の関係を制御する必要がある。さらに、同時に靭性も確保するためには、ＭｏとＣｒとの添加量に対するＣ量を制御する必要がある。さらには、ＣｒとＭｏの添加量に対するＣの添加量バランスに配慮することで、高価なＭｏの添加量を最小限に抑えることができる。そこで、本請求成分範囲で式（１）の値である１．５０≦Ｒ値≦１．８０とする。望ましくは、１．５０≦Ｒ値≦１．７５とする。

本発明は、ＣｒとＭｏの添加量に対するＣの添加量バランスに配慮することで、高価なＭｏの添加量を最小限に抑え、同様に高価な元素であるＶについては積極的な添加を必要とすることなく、冷間プレス金型などの冷間成形用工具として必要な特性を有する冷間金型用鋼を、比較的に低価格で製造できる。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。表１に記載する本発明鋼の９種の組成の鋼と比較鋼の１５種の組成の鋼のそれぞれ１トンを、真空溶解炉を用いて溶製してインゴットに造塊した。当該インゴットを１１２５℃に加熱して、熱間鍛造により鍛練成形比が凡そ６Ｓとなる１０５ｍｍの厚さで幅が２１５ｍｍで長さが８００ｍｍの平角材を製造した。

焼入焼戻し硬さの評価としては、上記作製の１０５ｍｍの厚さで幅が２１５ｍｍで長さ８００ｍｍの各平角材を１０３０℃の焼入および２回の焼戻しを行った後、中央部を厚さ２５ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍに切断して得た切断面を測定面とし、これらの測定面の熱影響層と、その反対面の表面にあるスケール層を平面研磨機にて除去して平行精度を高めた後、ロックウェル硬度計にて上記切断面の硬さを測定した値である。なお、焼入焼戻し硬さの測定値（ＨＲＣで示す。）はそれぞれの鋼材で得られた最高の硬さを示しており、その時の焼戻しの温度を焼戻温度（℃）として示している。

耐摩耗性の評価としては、大越式迅速摩耗試験による比摩耗量（ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ）を評価した。これは、上記作製の１０５ｍｍの厚さで幅が２１５ｍｍで長さ８００ｍｍの各平角材の中周部から、幅１０ｍｍ、厚さ２８ｍｍ、長さ６０ｍｍの試験片鋼材を、幅１０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの面が鋼材の鍛伸方向と垂直方向になるように採取し、この採取した素材を１０３０℃で３０分均熱した後に、空冷による焼入れを施し、４９０〜５１０℃の焼戻温度にて、最高硬さに調質した。その後、該素材を幅７ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、長さ５０ｍｍに仕上げ加工し、厚さ２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの面を試験面とする試験片とした。一方、硬さが８６ＨＲＢであるＪＩＳ規格のクロムモリブデン鋼のＳＣＭ４２０からなるリング材を試験片の相手材とし、この相手材であるリング材を、最終荷重６１．８Ｎ、すべり速度２．４ｍ／ｓ、摩擦係数２００ｍの条件で、試験片と摩擦させ、試験後の比摩耗量を評価の指標とした。

靱性の評価としては、シャルピー衝撃試験により破壊に要したエネルギーで評価した。この試験では、１０５ｍｍの厚さで幅が２１５ｍｍで長さ８００ｍｍの各平角材の中心部から、鍛伸方向に対して、垂直方向が試験片の長さ方向になるように、１辺が１２ｍｍ四方で長さが６０ｍｍの試験片素材を採取した。これらの試験片素材を１０３０℃で３０分間の均熱を行った後、空冷により焼入れを施すことで、ＨＲＣ５８〜６０に調質した。さらにその後、これらの素材を１辺が１０ｍｍ四方で長さが５５ｍｍの角柱に仕上げ加工し、鍛伸方向に垂直となる面にノッチ半径１０ｍｍ、深さ２ｍｍのＣノッチを加工して試験片としたものを用いてシャルピー衝撃試験を行った。衝撃試験値は破壊に要した衝撃エネルギーを試験片断面積で除した値であり、単位をＪ／ｃｍ²で示している。

加工性の評価としては、熱間での圧縮試験により評価した。これは１０５ｍｍの厚さで幅が２１５ｍｍで長さ８００ｍｍの各平角材の焼なまし材の中心部より、直径が６ｍｍで長さが９ｍｍの円柱試験片を割出し、１１７５℃に加熱した状態で、１００ｍｍ／ｓの加工速度により加工率７０％の圧縮を行った時の、試験片の割れ発生有無により目視にて評価した。○は割れ発生がないものであり、×は割れを生じたものである。

次いで、本願発明の実施の形態について、表を参照して以下に記載する。本発明鋼をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨおよびＩの９種の例とし、そのＦｅおよび不可避的不純物を除く合金組成とを質量％で示し、表１としている。また、本発明鋼の比較鋼をａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２、e１、e２、f１、f２、ｇ１、ｈ１、ｈ２の１５種の例とし、そのＦｅおよび不可避的不純物を除く合金組成とを質量％で示している。

表１において、注１として、本発明鋼は、合金組成の元素以外にＦｅと不可避的不純物を含有する。なお、表１の合金組成（質量％）の欄のハイフンは含有する元素が含まれないことを示し、ハイフン以外の数値は各元素の質量％で示す量である。
さらに表１において、注２として、Ｒ値の欄の各数値は合金元素であるＣｒおよびＭｏに対するＣの限定式である、式（１）の値を示している。

表２において、注３として、焼入焼戻硬さ、耐摩耗性、靭性および加工性の特性にて、下線を付して、十分な特性が得られない項目である。

比較鋼ａ１はＣｒ含有量が高く、高温焼戻し時に硬さを付与する有効な炭化物の析出が少なくなり、５８ＨＲＣ以上の硬度が得られず、耐摩耗性が低い。比較鋼a２はＣｒ含有量が低く、形成される炭化物総量が不十分となり、耐摩耗性が低くなる。

比較鋼ｂ１およびｂ２は合金元素の添加量は本願発明範囲であるが、Ｒ値の条件を満たしていないため、高温焼戻し時の析出炭化物組成のバランスが悪く、２５Ｊ／ｃｍ²以上の靭性が得られない。

比較鋼ｃ１はＭｏ含有量が少ないことで、炭化物量が不足をし、必要な硬度と耐摩耗性が得られない。比較鋼ｃ２はＭｏ含有量が多いため、炭化物の粗大凝縮が生じて靭性が低下する。

比較鋼ｄ１はＳｉ含有量が少ないため、鋼材基地に強度が得られず、硬さ及び耐摩耗性が低くなる。また、焼入性が低くなることから、靭性も低下する。比較鋼ｄ２はＳｉ含有量が多すぎるため、基地組織の延性が低下をし、靭性が劣る。

比較鋼ｅ１はＭｎ含有量が少なすぎるため、焼入性が不足することで、靭性が低下する。比較鋼ｅ２はＭｎ含有量が多すぎるため、熱間加工性が悪化する。

比較鋼ｆ１はＣ含有量が多すぎるため、偏析を助長し靭性が低下させ、熱間加工性も低下する。比較鋼ｆ２はＣ含有量が少なすぎるため、５８ＨＲＣ以上の硬度が得られない。耐摩耗性も不十分である。

比較鋼ｇ１はＳ含有量が過剰であり、靭性に悪影響を及ぼす。また、熱間加工性も低下させる。

比較鋼ｈ１およびｈ２は合金元素の添加量は本願発明範囲であるが、Ｒ値の条件を満たしていないため、高温焼戻し時の析出炭化物組成のバランスが悪く、５８ＨＲＣ以上の硬度が得られない。また、耐摩耗性も不十分である。

以上のように、表２において、本発明鋼の記号のＡ〜Ｉの９種は、いずれも焼入焼戻し硬さはＨＲＣ５８．５以上、耐摩耗性は比摩耗量が３．０×１０^-7ｍ³／Ｎ・ｍｍ以下、靱性は１０Ｒ−Ｃ衝撃値が２６．２Ｊ／ｃｍ²以上であり、したがって、これらは十分な焼入焼戻硬さ、靭性を有し、かつ耐摩耗性を兼備している。これらの本発明鋼の記号のＡ〜Ｉの９種は、ＣｒとＭｏの添加量バランスに配慮することで、高価なＭｏの添加量を最小限に抑え、同様に高価な元素であるＶについては積極的な添加を必要とせずとも、これらの鋼は、冷間プレス金型などの冷間成形用工具として必要な表２に示す特性を満たすことにより、比較的に安価な冷間工具鋼を需要企業に提供することが可能となった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．７５〜０．９０％、Ｓｉ：０．３０〜０．９０％、Ｍｎ：０．２０〜０６０％、Ｃｒ：６．５０〜８．５０％、Ｍｏ：０．２０〜０．５０％を含有し、化学組成が、式（１）の１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間プレス金型用鋼。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量で、質量％を示す。
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、化学組成が、１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間プレス金型用鋼。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量で、質量％を示す。
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ≦０．１０％を含有し、化学組成が、１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間プレス金型用鋼。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量で、質量％を示す。
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、さらにＶ≦０．１０％を含有し、化学組成が、１．５０≦［％Ｃ］／Ｃ_eq≦１．８０、ただし、Ｃ_eq＝０．０６×［％Ｃｒ］＋０．０９３×［％Ｍｏ］であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間プレス金型用鋼。
ただし、上記の［％元素］は合金元素量で、質量％を示す。