JP6260749B1 - 冷間工具材料および冷間工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られる冷間工具材料と、それを用いた冷間工具の製造方法を提供する。質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下を含み、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる鋼の成分組成を有し、断面の組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０５個／ｍｍ２以上、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．５×１０５個／ｍｍ２以上の冷間工具材料である。そして、上記の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行う冷間工具の製造方法である。

Description

本発明は、プレス金型や鍛造金型、転造ダイス、金属刃物といった多種の冷間工具に最適な冷間工具材料と、それを用いた冷間工具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硬度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）。また、更なる硬度向上の要求に応えて、上記の合金工具鋼の成分組成を改良した合金工具鋼が提案されている（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。そして、この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。また、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、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、冷間工具材料を（または、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。

ところで、冷間工具の硬度は、焼入れ時のマルテンサイト組織を適当に操作しておくことで、向上できることが知られている。例えば、焼入れ時の基地（マトリックス）中の残留オーステナイト量を適度に調整する手法（特許文献２）や、焼入れ時の基地中に固溶しているＣｒ量やＭｏ量を適度に調整する手法（特許文献３、４）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２〜４の冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行うことで、冷間工具の硬度を向上することができる。しかし、焼戻し温度を変更すると硬度が低下して、広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られない場合があった。焼戻し温度は、冷間工具の硬度以外に、熱処理変寸や残留オーステナイト量の調整の点からも決定される。よって、冷間工具材料にとって、広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られることは、焼戻し温度の選択範囲を拡張できる点で有効である。

本発明の目的は、広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られる冷間工具材料と、それを用いた冷間工具の製造方法を提供することである。

本発明は、質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下を含み、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる鋼の成分組成を有し、
断面の組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０^５個／ｍｍ^２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．５×１０^５個／ｍｍ^２以上である冷間工具材料である。
好ましくは、上記した鋼の成分組成が、質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下、Ｓｉ：２．００％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜１．５０％を含み、残部がＦｅおよび不純物である冷間工具材料である。
また、好ましくは、上記した縦９０μｍ横９０μｍの領域において、炭化物Ａの個数に占める、炭化物Ｂの個数の割合が、６５．０％以上である冷間工具材料である。

そして、本発明は、上記した本発明の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行う冷間工具の製造方法である。

本発明によれば、広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られる冷間工具材料を提供することができる。

本発明の冷間工具材料の断面組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の冷間工具材料の断面組織の一例において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）で分析したときのＣ（炭素）の元素マッピング画像を示す図である。 図２を、炭化物を形成しているＣ量に基づいて二値化処理した画像を示す図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料の断面組織の一例において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域の炭化物分布を、炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）で纏めた炭化物の個数（縦軸）で示したグラフ図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料を焼入れ後、低温（１００〜３００℃）で焼戻して作製した冷間工具の一例について、その焼戻し温度毎の硬度を示すグラフ図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料を焼入れ後、高温（４５０〜５４０℃）で焼戻して作製した冷間工具の一例について、その焼戻し温度毎の硬度を示すグラフ図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料の断面組織の一例において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域の炭化物分布を、炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）で纏めた炭化物の個数（縦軸）で示したグラフ図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料を焼入れ後、低温（１００〜３００℃）で焼戻して作製した冷間工具の一例について、その焼戻し温度毎の硬度を示すグラフ図である。 本発明例および比較例の冷間工具材料を焼入れ後、高温（４５０〜５６０℃）で焼戻して作製した冷間工具の一例について、その焼戻し温度毎の硬度を示すグラフ図である。

本発明者は、焼入れ焼戻し時の硬度に影響を及ぼす、冷間工具材料の組織中の因子を調査した。その結果、組織中に存在する炭化物の中で、次の焼入れ時に基地中に固溶する“固溶炭化物”の分布状態が、焼入れ焼戻し時の硬度に大きく影響を及ぼしていることを知見した。そして、上記の固溶炭化物の分布状態を調整することで、特定の焼戻し温度によらず、広範囲の焼戻し温度で高硬度を維持できることを見いだし、本発明に到達した。以下に、本発明の各構成要件について説明する。

（１）本発明の冷間工具材料は、炭化物を含む組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用されるものである。
本発明の冷間工具材料は、焼入れ焼戻しを行った際に、広範囲の焼戻し温度で高硬度を維持するために、その組織が炭化物を有している。そして、この組織とは、例えば、焼鈍組織のことである。焼鈍組織とは、焼鈍処理（例えば、７５０〜９００℃の焼鈍処理）によって得られる組織のことであり、好ましくは、硬さが、例えば、ブリネル硬さで１５０〜２５５ＨＢＷ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、この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。また、冷間工具材料の場合、通常、この焼鈍組織には、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等とが結合してなる炭化物が含まれている。そして、これら炭化物には、次工程の焼入れで基地中に固溶しない“未固溶炭化物”と、次工程の焼入れで基地中に固溶する“固溶炭化物”とがある。

（２）本発明の冷間工具材料は、質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下を含み、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる鋼の成分組成を有するものである。
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施して、ブロック形状に仕上げられる。そして、従来、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。このような冷間工具材料の素材として、例えば各種の冷間工具鋼が代表的である。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、これら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代表的に適用できる。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“広範囲の焼戻し温度で高硬度が得られる”という効果（以下、「硬度の安定性効果」と言う）は、冷間工具材料の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、この組織が後述する（３）の要件を満たすことで、好ましくは、これに（４）の要件も満たすことで、達成が可能である。そして、本発明の硬度の安定性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鋼の成分組成のうちで、冷間工具の硬度の「絶対値」の向上に寄与するＣおよびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの炭化物形成元素の含有量に加えて、更には、Ｎ（窒素）の含有量を決めておくことが効果的である。具体的には、質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下を含む鋼の成分組成である。
冷間工具の硬度の絶対値を上げておくことで、これに本発明の硬度の安定性効果が相乗的に作用して、「高硬度」と「安定した硬度」という二つの面で機械的特性に優れた冷間工具を得ることができる。本発明の冷間工具材料の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：０．６５〜２．４０質量％（以下、単に「％」と表記）
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、冷間工具材料の基本元素である。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、０．６５〜２．４０％とする。好ましくは、０．８０％以上である。より好ましくは、１．００％以上である。さらに好ましくは、１．３０％以上である。また、好ましくは、２．１０％以下である。より好ましくは、１．８０％以下である。さらに好ましくは、１．６０％以下である。

・Ｃｒ：５．０〜１５．０％
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、冷間工具材料の基本元素である。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、５．０〜１５．０％とする。好ましくは、１４．０％以下である。より好ましくは、１３．０％以下である。また、好ましくは、７．０％以上である。より好ましくは、９．０％以上である。さらに好ましくは、１０．０％以上である。

・ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％
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、上記した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４．００％以下とする。好ましくは、３．００％以下である。より好ましくは、２．００％以下である。さらに好ましくは、１．５０％以下である。特に好ましくは、１．００％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。そして、組織中に分布したＶ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。より好ましくは、０．４０％以上である。そして、本発明の場合、後述する固溶炭化物としても寄与させるべく、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。より好ましくは、０．９０％以下である。

・Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下
Ｎは、Ｃｒ、ＶなどのＮと親和性の大きい置換型原子と共に添加した場合に、微細な炭化物あるいは炭窒化物を析出させて、耐摩耗性や耐焼付き性を高める元素である。但し、過度の添加は、粗大な窒化物あるいは炭窒化物の増加による靭性の低下を招く。よって、０．０３００％を超えて０．０８００％以下とする。好ましくは、０．０３１０％以上である。より好ましくは、０．０３２０％以上である。さらに好ましくは、０．０３３０％以上である。特に好ましくは、０．０３４０％以上である。また、好ましくは、０．０７００％以下である。より好ましくは、０．０６００％以下である。さらに好ましくは、０．０５００％以下である。特に好ましくは、０．０４００％以下である。

本発明の冷間工具材料の成分組成は、上記した元素種を含んだ鋼の成分組成とすることができる。また、上記した元素種を含み、残部をＦｅおよび不純物とした成分組成とすることができる。そして、上記した元素種の他には、下記の元素種の１つまたは２つ以上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、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、工具組織中に固溶して、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％以上の含有が好ましい。より好ましくは、０．３０％以上である。

・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％以上の含有が好ましい。より好ましくは、０．２０％以上である。

・Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、通常、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料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、Ｐの含有量を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、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料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、素材時における熱間加工性を向上するために、Ｓの含有量を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。さらに好ましくは、０．０１００％未満である。
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は、Ｓの含有量は０．０３００％を超えてもよい。

・Ｎｉ：０〜１．００％
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、０．８０％以下である。さらに好ましくは、０．５０％未満である。特に好ましくは、０．３０％未満である。この０．３０％未満のＮｉは、本発明の冷間工具材料の成分組成がＮｉを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある（Ｎｉの含有量が「０％」であるときを含む）。
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。これらの効果を得たい場合、Ｎｉの含有量は、上記した１．００％を上限として、０．１０％以上の含有量が好ましい。より好ましくは、０．３０％以上である。

・Ｎｂ：０〜１．５０％
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。より好ましくは、１．００％以下である。さらに好ましくは、０．９０％以下である。特に好ましくは、０．３０％未満である。この０．３０％未満のＮｂは、本発明の冷間工具材料の成分組成がＮｂを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある（Ｎｂの含有量が「０％」であるときを含む）。
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。これらの効果を得たい場合、Ｎｂの含有量は、上記した１．５０％を上限として、０．１０％以上の含有量が好ましい。より好ましくは、０．３０％以上である。

Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ（酸素）は、不可避的不純物として鋼中に残留する可能性のある元素である。本発明の冷間工具材料の成分組成において、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、これら元素は、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％、Ｔｉ≦０．０３００％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％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。

Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として有用な元素である。しかし、Ｎが共存する冷間工具材料において、Ａｌが多過ぎると、冷間工具材料中に粗大でかつ多量のアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）系介在物が残留する場合がある。冷間工具材料が冷間工具の形状に加工されるとき、冷間工具材料の表面は「放電加工」されることが考えられる。そして、ＡｌＮ系介在物は、電気を通し難い物質である。よって、冷間工具材料中に粗大でかつ多量のＡｌＮ系介在物が存在していると、放電加工中に、これらＡｌＮ系介在物が存在する部分で異常放電等が発生して、放電加工肌を著しく低下させ、放電加工性の劣化原因となる場合がある。また、ＮがＡｌＮ系介在物として固定されることで、本来得られるべき本発明のＮの効果が低下する場合もある。よって、Ａｌの含有量は、より好ましくは、０．０１％未満とする。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。さらに好ましくは、０．００６％以下とする。特に好ましくは、０．００４％以下とする。なお、下限について、好ましくは、０．０００５％以上とする。より好ましくは、０．０００８％以上とする。さらに好ましくは、０．００１％以上とする。

（３）本発明の冷間工具材料は、その断面の組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０^５個／ｍｍ^２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．５×１０^５個／ｍｍ^２以上のものである。
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施して、ブロック形状に仕上げられる。このとき、上記の鋼塊は、一般的に、所定の成分組成に調整された溶鋼を鋳造して得られる。よって、鋼塊の鋳造組織中には、凝固開始時期の差異等に起因して（デンドライトの成長挙動に起因して）、大きな炭化物が集合した部位と、それに比して小さな炭化物が集合した部位（いわゆる、「負偏析」の部位）とが存在する。
このような鋼塊を熱間加工することで、上記の炭化物の集合は、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に延ばされて、かつ、その垂直方向（つまり、材料の厚さ方向）に圧縮される。そして、この熱間加工後の鋼材を焼鈍処理して得られた冷間工具材料の組織において、上記の炭化物の分布様態は、大きな炭化物の集合でなる層と、小さな炭化物の集合でなる層とでなる、略縞状の様態となる（図１を参照）。図１において、濃色の基地中に確認される、専ら筋状に延びた“淡色の分散物”が炭化物である。

そして、上記の組織において、大きな炭化物は、専ら“未固溶炭化物”として機能し、焼入れ時の基地中に固溶せず、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。しかし、小さな炭化物は、“固溶炭化物”として機能し、焼入れ時の基地中に固溶しやすい。そして、基地中に固溶した炭化物は、焼入れ焼戻し後の基地中の固溶炭素量を増やして、冷間工具の硬度を向上させる。そこで、本発明では、冷間工具材料の断面の組織において、便宜上、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を未固溶炭化物として扱うことで、円相当径が５．０μｍ以下の固溶炭化物のみで構成される「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域に注目した（例えば、図１中に示した実線による囲み部）。つまり、この「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域が、上記の「小さな炭化物の集合でなる層」の領域に相当する。そして、この領域の炭化物分布が、本発明の「硬度の安定性効果」の確認に利用できることを見いだした。

本発明者は、焼入れ焼戻し後の冷間工具の硬度に及ぼす、円相当径が５．０μｍ以下の炭化物の影響を調べた。その結果、これら炭化物の中でも、円相当径が更に小さい「２．０μｍ以下」の炭化物（以下、炭化物Ａと表記する）は、より固溶しやすいことを知見した。そして、円相当径が「０．４μｍ以下」の極めて微細な炭化物（以下、炭化物Ｂと表記する）は、特に固溶しやすいことを知見した。そして、このような小さな炭化物は、上記の鋼塊を作製するときの鋳造工程等を操作することで、組織中に均一に分布させやすいことを見いだした。焼入れ焼戻し前の組織において、固溶しやすい炭化物が、しかも均一に分布していれば、焼入れ焼戻し後の冷間工具において、その組織中の固溶炭素量も、偏りなく、全体的に増やすことができる。その結果、硬さの絶対値を底上げすることができ、焼戻し温度を変更しても、高硬度を維持できる。

してみると、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域において、この領域に含まれる円相当径が２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数を増やし、さらには、この炭化物Ａのうちでも、円相当径が０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数を増やすことこそが、本発明の「硬度の安定性効果」の達成に効果的である。そして、本発明の場合、縦９０μｍ横９０μｍの上記の領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０^５個／ｍｍ^２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．５×１０^５個／ｍｍ^２以上である組織とすることで、本発明の「硬度の安定性効果」を達成することができる。なお、炭化物Ａ、Ｂの大きさについて、その円相当径の下限値を０．１μｍとしたのは、０．１μｍ以下の炭化物の特定が、計測上、正確性に欠け得るからである。
なお、炭化物Ａの個数密度について、より好ましくは、９．５×１０^５個／ｍｍ^２以上である。さらに好ましくは、１０．０×１０^５個／ｍｍ^２以上である。特に好ましくは、１１．０×１０^５個／ｍｍ^２以上である。また、炭化物Ｂの個数密度について、より好ましくは、８．０×１０^５個／ｍｍ^２以上である。さらに好ましくは、８．５×１０^５個／ｍｍ^２以上である。特に好ましくは、９．０×１０^５個／ｍｍ^２以上である。このとき、炭化物Ｂの個数密度が、炭化物Ａの個数密度を超えることはない。そして、炭化物ＡおよびＢの個数密度について、上限は特に要しない。但し、炭化物Ａの個数密度の上限は２０．０×１０^５個／ｍｍ^２程度が現実的であり、炭化物Ｂの個数密度の上限は１９．０×１０^５個／ｍｍ^２程度が現実的である。そして、後述する炭化物Ａの個数に占める、炭化物Ｂの個数の割合が、９５．０％以下となる関係が現実的である。

（４）好ましくは、本発明の冷間工具材料は、縦９０μｍ横９０μｍの上記した領域において、炭化物Ａの個数に占める、炭化物Ｂの個数の割合が、６０．０％を超えるものである。
前述の（３）において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域に分布させた微細な炭化物ＡおよびＢは、これら炭化物のうちでも、より円相当径の小さい（つまり、より固溶しやすい）炭化物Ｂの個数が多いほど本発明の「硬度の安定性効果」の達成により有利である。そして、本発明の場合、炭化物Ａの個数に占める、炭化物Ｂの個数の割合を、６０．０％を超える値とすることが効果的である。そして、好ましくは、６５．０％以上である。より好ましくは、７０．０％以上である。さらに好ましくは、８０．０％以上である。また、この割合について、上限は特に要しないが、９５．０％以下が現実的である。

炭化物ＡおよびＢの円相当径および個数（個数密度）の測定手法の一例について説明しておく。
まず、冷間工具材料の断面組織を、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、冷間工具を構成することとなる冷間工具材料の中心部とすることができる。そして、観察する断面は、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行な断面であり、一具体的には、この平行な断面のうちで、ＴＤ方向（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；延伸直角方向）に垂直な断面（いわゆる、ＴＤ断面）である。このとき、冷間工具材料の形状が「円柱状」であるなら、上記のＴＤ断面は、その円柱の軸心に対して平行な断面で定義される。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とコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した断面とすることができる。図１（実施例で評価した本発明例の「冷間工具材料１」である。）は、本発明の冷間工具材料の一例について、上述の要領で得た断面組織の倍率２００倍での光学顕微鏡写真である（視野面積０．５８ｍｍ^２）。
そして、上記の断面組織から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を抽出する。このとき、円相当径が５．０μｍを超えるような大きな炭化物は、光学顕微鏡の視野から容易に確認することができる（図１を参照）。そして、この確認した炭化物の円相当径は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。

次に、上記にて抽出した縦９０μｍ横９０μｍの領域（図１中に示した実線による囲み部）を、走査型電子顕微鏡（倍率３０００倍）で観察し、この観察した視野をＥＰＭＡで分析して、Ｃ（炭素）の元素マッピング画像を得る。そして、このＣの元素マッピング画像による分析結果に、炭化物を形成しているＣ量に基づいて、５０カウント（ｃｐｓ）以上のＣの検出強度を閾（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。
図２は、図１中に示した実線による囲み部の領域内について、上述の要領で得た、Ｃの元素マッピング画像である（視野面積３０μｍ×３０μｍ）。そして、図３は、図２を二値化処理して得た、上記の領域の炭化物分布を示す図である。図２、３において、Ｃおよび炭化物は、淡色の分布で示されている。

そして、「円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない」図３の炭化物分布から、各円相当径の炭化物を抽出して、上述した炭化物Ａの個数や、炭化物Ｂの個数、そして、これら炭化物ＡおよびＢの存在割合を求めればよい。炭化物の円相当径や個数は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。

本発明の冷間工具材料の場合、上述した縦９０μｍ横９０μｍの「小さな炭化物の集合でなる層」の領域において、円相当径が２．０μｍ以下のような小さな炭化物は、略均一の個数密度で分布している（図３を参照）。よって、本発明の「硬度の安定性効果」を確認するにおいて、上述した縦９０μｍ横９０μｍの領域から採取する元素マッピング画像は、一画像であり、かつ、３０μｍ×３０μｍの面積があれば十分である（画素数：５３０×５３０）。そして、この元素マッピング画像の採取位置は、上述した領域から任意に選択すればよい。そして、このような一連の測定作業を、上述した「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域とは別の、少なくとも２つの「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域でも行って（計３領域）、以上の３領域のそれぞれから採取された「３０μｍ×３０μｍ」の面積の元素マッピング画像による上記の数値の結果を合計すれば、本発明の「硬度の安定性効果」を確認するのに十分である。

本発明の冷間工具材料の組織は、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。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℃前後までの温度範囲内で管理することで、鋳型内の各位置における凝固開始時期の差異による溶鋼の局部的な濃化を軽減して、デンドライトの成長に起因する炭化物の粗大化を抑えることができる。そして、例えば、上記の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分以内の冷却時間とすることで、晶出した炭化物の粗大化を抑えることができる。

そして、好ましくは、上記の凝固工程に続いて、その凝固が完了した後の鋼塊の冷却工程を制御することで、本発明の冷間工具材料における微細な炭化物の個数を、更に増やすことができる。これら微細な炭化物は、前述した負偏析の領域、すなわち凝固が完了した後の鋼塊のデンドライト内に析出する。よって、この凝固が完了した後の析出温度域の冷却速度を大きくすることで、この析出に係る核生成数が増加して、微細な炭化物の増量を達成できる。本発明の冷間工具材料において、この析出温度域は、炭化物が安定して析出する「溶鋼の凝固完了温度（通常、上述の「融点」より低い温度である。）から、概ね８００℃までの温度域」である。そこで、例えば、溶鋼の凝固完了温度から８００℃までの温度域を７０分以内の冷却時間とすることで、微細な炭化物の個数を更に増やすのに効果的である。

（５）本発明の冷間工具の製造方法は、上述した本発明の冷間工具材料に焼入れおよび焼戻しを行うものである。
上述した本発明の冷間工具材料は、焼入れおよび焼戻しによって所定の硬さを有したマルテンサイト組織に調整されて、冷間工具の製品に整えられる。そして、冷間工具材料は、切削や穿孔、そして放電加工といった各種の機械加工等によって、冷間工具の形状に整えられる。この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（例えば、焼鈍状態）で行うことが好ましい。さらに、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鋼の状態で、上記した仕上げの機械加工も合わせて、冷間工具の形状に機械加工してもよい。

この焼入れおよび焼戻しの温度は、素材の成分組成や狙い硬さ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、冷間工具鋼の代表鋼種である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。焼入れ焼戻し硬さは５８ＨＲＣ以上とすることが好ましい。より好ましくは６０ＨＲＣ以上である。なお、この焼入れ焼戻し硬さについて、上限は特に要しないが、６６ＨＲＣ以下が現実的である。

所定の成分組成に調整した溶鋼（融点：約１４００℃、凝固完了温度：約１２００℃）を鋳造して、表１の成分組成を有する素材１〜３を準備した。このとき、鋳型への注湯前において、素材１〜３の溶鋼の温度は１５００℃に調整した。そして、素材１〜３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、２：２８分、素材３：１６８分とした。さらに、凝固が完了した後の鋼塊（素材）について、その凝固完了温度から８００℃までの温度域の冷却時間を、素材１、２：５３分、素材３：２６７分とした。
なお、素材１〜３は、ＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種である冷間工具鋼ＳＫＤ１０である。そして、素材１〜３において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ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％、Ｔｉ≦０．０３００％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％であった。そして、素材１〜３のＡｌの含有量は、０．００２％であった。

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、素材１〜３の順に対応した、表２に示す寸法の鋼材１〜３を得た（表２の各鋼材において、その長さ方向が、熱間加工の延伸方向である）。そして、これらの鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、鋼材１〜３の順に対応した、冷間工具材料１〜３を作製した（硬さ２４０ＨＢＷ）。

冷間工具材料１〜３の中心部の、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行なＴＤ断面（冷間工具材料２については、その周面から中心軸に向かって直径／４だけ入った位置のＴＤ断面）より、断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取し、この切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した。次に、この研磨した切断面の組織から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を、それぞれ３領域抽出した。図１に、冷間工具材料１の、上記の領域の一例を示しておく（実線による囲み部）。
そして、上記した個々の領域について、前述の要領に従って、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数、および、炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合を求めた。炭化物の円相当径や個数を求めるため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。図２に、冷間工具材料１の、上記した領域内におけるＣの元素マッピング画像を示しておく。図２の視野面積は３０μｍ×３０μｍである。そして、その視野は、上記の縦９０μｍ横９０μｍの領域を縦横３等分にして、９つの区画に分割したときの、その真ん中の区画のものである。そして、図３に、図２の元素マッピング画像を、５０カウント（ｃｐｓ）のＣの検出強度の閾値で二値化処理した画像を、示しておく。

そして、個々の領域における上記の３０μｍ×３０μｍの区画で求めた炭化物Ａ、Ｂの個数を、抽出した３領域で合計して、冷間工具材料１〜３の炭化物Ａ、Ｂの個数とし、これらの値から炭化物Ａ、Ｂの個数密度、および、炭化物Ａ、Ｂの個数割合を求めた。結果を表３に示す。また、図４には、抽出した３領域で合計して求めた上記の冷間工具材料１〜３の炭化物の個数（縦軸）を、その炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）に纏めてプロットした図を示す。冷間工具材料１〜３で抽出した上記の領域には、「円相当径が５．０μｍを超える炭化物」は含まれていなかった。

断面組織を観察した後の冷間工具材料１〜３に、１０２０℃からの焼入れと、１００〜５４０℃の焼戻しを行って、冷間工具材料１〜３の順に対応した、マルテンサイト組織を有した冷間工具１〜３を得た。焼戻し温度は、１００℃、２００℃、３００℃の低温焼戻し条件と、４５０℃、４８０℃、４９０℃、５００℃、５１０℃、５２０℃、５４０℃の高温焼戻し条件の、計１０条件とした。そして、冷間工具１〜３のそれぞれについて、焼戻し温度毎に、そのＴＤ断面のロックウェル硬さ試験（Ｃスケール）を実施した。硬度は、各試料につき５点測定し、その平均値を求めた。そして、得られた硬度と、この硬度の焼戻し温度への依存性（硬度の安定性）を評価した。結果を、図５（低温焼戻し条件）、図６（高温焼戻し条件）に示す。

図５、６より、低温焼戻し（１００〜３００℃）および高温焼戻し（４５０〜５４０℃）のいずれを実施した場合においても、本発明例による冷間工具１、２は、比較例の冷間工具３に比べて、広い温度範囲で硬度が高かった。特に、高温焼戻しにおいては、冷間工具に求められている６０ＨＲＣ以上もの高硬度を、比較例の冷間工具３では、適用したどの焼戻し温度でも達成できていなかったのに対して、本発明例の冷間工具１、２では、４９０〜５００℃の付近の焼戻し温度の範囲で確実に達成できていた。そして、冷間工具１では、４５０〜５１０℃の広い焼戻し温度の範囲で６０ＨＲＣ以上を達成し、維持できていた。そして、本発明例の冷間工具１、２は、冷間工具鋼ＳＫＤ１０の標準的な焼戻し温度である２００℃および５００℃の２条件について、６０ＨＲＣ以上の高硬度を達成していた。

所定の成分組成に調整した溶鋼（融点：約１４２０℃、凝固完了温度：約１２００℃）を鋳造して、表４の成分組成を有する素材４、５を準備した。このとき、鋳型への注湯前において、素材４、５の溶鋼の温度は１５２０℃に調整した。そして、素材４、５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４：２２分、素材５：１８３分とした。さらに、凝固が完了した後の鋼塊（素材）について、その凝固完了温度から８００℃までの温度域の冷却時間を、素材４：５３分、素材５：２６７分とした。
なお、素材４、５において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ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％、Ｔｉ≦０．０３００％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％であった。そして、素材４、５のＡｌの含有量は、０．００２％であった。

次に、これらの素材を１１００℃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、素材４、５の順に対応した、表５に示す寸法の鋼材４、５を得た（表５の各鋼材において、その長さ方向が、熱間加工の延伸方向である）。そして、これらの鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、鋼材４、５の順に対応した、冷間工具材料４、５を作製した（硬さ２４８ＨＢＷ）。

冷間工具材料４、５について、その周面から中心軸に向かって直径／４だけ入った位置における、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行なＴＤ断面より、断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取し、この切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した。次に、この研磨した切断面の組織から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を、それぞれ３領域抽出した。
そして、上記した個々の領域について、実施例１のときと同じ要領で、その３０μｍ×３０μｍの区画で求めた炭化物Ａ、Ｂの個数を、抽出した３領域で合計して、冷間工具材料４、５の炭化物Ａ、Ｂの個数とし、これらの値から炭化物Ａ、Ｂの個数密度、および、炭化物Ａ、Ｂの個数割合を求めた。結果を表６に示す。また、図７には、抽出した３領域で合計して求めた上記の冷間工具材料４、５の炭化物の個数（縦軸）を、その炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）に纏めてプロットした図を示す。冷間工具材料４、５で抽出した上記の領域には、「円相当径が５．０μｍを超える炭化物」は含まれていなかった。

断面組織を観察した後の冷間工具材料４、５に、１０７０℃からの焼入れと、１００〜５４０℃の焼戻しを行って、冷間工具材料４、５の順に対応した、マルテンサイト組織を有した冷間工具４、５を得た。焼戻し温度は、１００℃、２００℃、３００℃の低温焼戻し条件と、４５０℃、５００℃、５２０℃、５３０℃、５４０℃、５５０℃、５６０℃の高温焼戻し条件の、計１０条件とした。そして、冷間工具４、５のそれぞれについて、焼戻し温度毎に、そのＴＤ断面のロックウェル硬さ試験（Ｃスケール）を実施した。硬度は、各試料につき５点測定し、その平均値を求めた。そして、得られた硬度と、この硬度の焼戻し温度への依存性（硬度の安定性）を評価した。結果を、図８（低温焼戻し条件）、図９（高温焼戻し条件）に示す。

図８、９より、低温焼戻し（１００〜３００℃）および高温焼戻し（４５０〜５６０℃）のいずれを実施した場合においても、本発明例による冷間工具４は、比較例の冷間工具５に比べて、広い温度範囲で硬度が高かった。特に、高温焼戻しにおいては、冷間工具に求められている６０ＨＲＣ以上もの高硬度を、冷間工具４では、５００℃以上の焼戻し温度の範囲で確実に達成し、維持できていた。そして、本発明例の冷間工具４は、５４０℃の焼戻し温度で、６５ＨＲＣもの高硬度を達成していた。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．６５〜２．４０％、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜４．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０３００％を超えて０．０８００％以下、Ｓｉ：２．００％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜１．５０％を含み、残部がＦｅおよび不純物である成分組成を有し、
   断面の組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０^５個／ｍｍ^２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．５×１０^５個／ｍｍ^２以上であることを特徴とする冷間工具材料。
2. 前記領域において、前記炭化物Ａの個数に占める、前記炭化物Ｂの個数の割合が、６５．０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷間工具材料。
3. 請求項１または請求項２に記載の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行うことを特徴とする冷間工具の製造方法。

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