JP6894166B2

JP6894166B2 - 被削性に優れたプリハードン熱間工具鋼

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Publication number: JP6894166B2
Application number: JP2017141198A
Authority: JP
Inventors: 前田　雅人; 雅人前田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: JP2019019397A

Description

本発明は、特に熱間で使用されるハンマー型鍛造用の金型において、プリハードン後の被削性に優れた高靭性の熱間工具鋼に関する。

熱間で使用されるハンマー型鍛造用などの金型には、衝撃に耐えうる靭性が必要とされている。そこで、このための熱間工具鋼としては、これまでＪＩＳ鋼種のＳＫＴ３やＳＫＴ４などの高靭性のプリハードン鋼が用いられている。ところで、これらの鋼種を使用する場合、３６〜４２ＨＲＣ程度の硬度に調質されているので、金型ユーザーは熱処理することなく加工して使用することができ、鋼材をそのままで所望の金型形状に削り出して使用するのが一般的である。しかし、これらの鋼種は、高硬度であるので、金型形状に削り出す被削性が十分に良好であるとはいえなかった。

そこで、熱間工具鋼の合金の化学成分を、式を用いて規定することで当該合金の化学成分の量を最適化し、鋼中における炭化物などの偏析を低減させることによって、被削性を向上させようとする熱間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。もっとも、この特許文献１の熱間工具鋼では、析出している炭化物の量や形態については考慮されていないので、被削性が悪く急に削れなくなることが生じてしまい、被削性を制御しきれていない場面があった。

さらに、断面積が３μｍ²以上の炭化物量と炭化物の総量とを一定範囲に抑制して介在物を制御することで、被削性を著しく改善した低合金工具鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この低合金工具鋼は、介在物の量を一定の範囲に規定して有しているため、靭性が低くならざるを得ないものとなってしまう。また、炭化物の量がこの文献に規定の範囲を満足している場合であっても、被削性が良好でない場合があった。

特開２０１６−１６６３７９号公報特許第３５５８６００号公報

上述したように、熱間で使用されるハンマー型鍛造用などの金型には、衝撃に耐えうる高い靭性が必要とされることから、これらの熱間工具鋼の鋼種として、従前はＪＩＳ鋼種のＳＫＴ３やＳＫＴ４などの高靭性のプリハードン鋼が用いられている。しかし、これらの鋼種は、３６〜４２ＨＲＣ程度の高硬度に調質された鋼であるので、鋼材そのままの状態で金型の形状に削り出して使用するには、被削性が十分良いとはいえなかった。そこで、本願の発明が解決しようとする課題は、高硬度に調質された状態でも容易に切削できることで熱間で使用されるハンマー型鍛造用などの金型の製造コストをより低減し得るような、高靭性でかつ被削性の良好なプリハードンの熱間工具鋼を提供することである。

本発明の課題を解決するため、発明者は、高靱性な熱間工具鋼を所望の形状に削りだす際に、切削工具の切削性を悪化させてしまう原因を解明すべく鋭意研究を進めた結果、これまでと異なる原因を見出した。すなわち、従前の理解としては、切削工具の切削性が悪化するのは、被削対象物の鋼材中に析出している硬質の炭化物が工具の表面を傷付けることで切削工具自体が摩耗することによると考えられていた。しかし、発明者は、切削工具の切削性が悪化する主な原因は、被削対象物の鋼材中の、特定の形状をした炭化物を切断しながら切削していくときに断続切削が起こりやすいことに起因しており、このために切削工具に微細な欠けが発生したり、欠けが促進される結果、切削工具の切削性が悪化してしまうことを見出した。そしてさらに、本願発明の構成要件である合金成分範囲および、特定の炭化物の形状と量を調整することにより、Ｓなどの快削成分を添加しなくても良好に切削される、高靱性でかつ被削性の良好なプリハードンの熱間工具鋼が得られることを見出した。

すなわち、本発明の課題を解決するための手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：≦０．３％、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｎｉ：０．７〜１．６％、Ｃｒ：１．６〜２．２％、Ｍｏ＋Ｗ／２：０．４〜１．８％、Ｖ＋Ｎｂ／２：≦０．３％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。この鋼はプリハードン状態であり、そのプリハードン状態における鋼の１００μｍ²中に観測される、断面積が０．０１μｍ²以上の炭化物の数が１２０個以下であり、かつ炭化物の面積率が３０％以下であることを特徴とする被削性に優れたプリハードンの熱間工具鋼である。

第２の手段では、炭化物は、縦横比が３以上である炭化物の占める割合が７０％以下であることを特徴とする第１の手段に記載の被削性に優れたプリハードンの熱間工具鋼である。

上記の手段とすることで、第１の手段に係る発明は、熱間で使用されるハンマー型鍛造用の金型における、プリハードン状態における熱間工具鋼の１００μｍ²中に観測される、断面積が０．０１μｍ²以上の炭化物の数が１２０個以下でかつ炭化物の面積率が３０％以下であり、粗大な炭化物がない、被削性が良好な高靱性のプリハードン熱間工具鋼となっている。さらに、第２の手段に係る発明は、第１の手段に係る発明の効果に加えて、プリハードン状態における熱間工具鋼の１００μｍ²中に観測される、縦横比が３以上の炭化物の割合が７０％以下であるので、切削工具の微細な刃の欠けや摩耗を生じることのない、被削性が良好な高靱性のプリハードン熱間工具鋼となっている。

本願発明の実施の形態を説明するに先立って、本願の手段の工具鋼における化学成分、およびプリハードン状態にある熱間工具鋼（以下「プリハードン鋼」という。）における炭化物の特性などの限定理由について説明する。なお、以下の化学成分は質量％である。

Ｃ：０．３５〜０．６０％、望ましくは、０．３５〜０．５０％
Ｃは、硬質炭化物を形成し、硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める元素である。これらの効果を得るためには、Ｃは０．３５％以上が必要である。しかし、Ｃは０．６０％を超えて含有されると、鋼中に粗大な炭化物を形成して、靭性および被削性が悪化する。そこで、Ｃは０．３５〜０．６０％、望ましくは、０．３５〜０．５０％とする。

Ｓｉ：≦０．３％
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、基地の硬さを得るために必要であり、かつ鋼材の切削時に工具表面に付着して酸化皮膜を形成し、工具の焼付きを抑制する効果を有する元素である。しかし、Ｓｉは０．３％より多く含有されると、固溶強化が進む結果、靭性が悪化する。そこで、Ｓｉは０．３％以下とする。

Ｍｎ：０．６〜１．２％
Ｍｎは、脱酸剤および焼入性を得るために必要な元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｎは０．６％以上が必要である。しかし、Ｍｎは１．２％を超えて含有されるとマトリックスを脆化させて靱性が悪化する。そこで、Ｍｎは０．６〜１．２％とする。

Ｎｉ：０．７〜１．６％
Ｎｉは、焼入性および靭性を得るために必要な元素である。これらの効果を得るためには、Ｎｉは０．７％以上が必要である。しかし、Ｎｉは１．６％を超えて含有されると焼なましがされ難くなり、焼なまし時にミクロ組織が部分的にフェライトと球状炭化物からなる組織とベイナイトとの混晶組織になることで、合金元素の分布が不均一となり、被削性が低下する。そこで、Ｎｉは０．７〜１．６％とする。

Ｃｒ：１．６〜２．２％
Ｃｒは、硬質炭化物を形成し、硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｒは１．６％以上が必要である。しかし、Ｃｒは２．２％を超えて含有されると、粗大な炭化物が形成され、靭性および被削性が悪化する。そこで、Ｃｒは１．６〜２．２％とする。

（Ｍｏ＋Ｗ／２）：０．４〜１．８％
（Ｍｏ＋Ｗ／２）は、硬質炭化物を形成して、硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性および焼戻し軟化抵抗性を高める元素成分である。これらの効果を得るためには、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は０．４％以上が必要である。しかし、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は１．８％を超えて含有されると、粗大な炭化物が形成されて、靭性および被削性が悪化する。そこで、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は０．４〜１．８％とする。

（Ｖ＋Ｎｂ／２）：≦０．３％、望ましくは、０．１〜０．２％
（Ｖ＋Ｎｂ／２）は、硬質炭化物を形成して、硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制して靭性を向上させる元素成分である。これらの効果を得るためには、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は０．３％以下とする必要がある。しかし、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は、０．３％を超えて含有されると、粗大な炭窒化物が形成されて、靭性および被削性が悪化する。そこで、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は０．３％以下、望ましくは、０．１〜０．２％とする。

プリハードン鋼の１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の数：≦１２０個、同炭化物の面積率：≦３０％
炭化物は硬質であるため切削工具の摩耗が起きやすい。そこで、プリハードン鋼の１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の数は１２０個以下、同炭化物の面積率は３０％以下と限定する。

プリハードン鋼の炭化物のうち、縦横比３以上である炭化物が占める割合：≦７０％
プリハードン鋼の炭化物のうち、縦横比３以上の炭化物が占める割合が７０％を超えると、切削中に断続切削が起こりやすくなって、切削工具の摩耗が促進される。そこで、プリハードン鋼の炭化物のうち、縦横比３以上である炭化物が占める割合は７０％以下とする。

ここで、本願発明の実施の形態を以下に説明する。まず、表１に示す本願の発明例であるＮｏ．１〜１６の発明鋼とそれらの比較例であるＮｏ．１７〜２９の比較鋼について、各Ｎｏ．の化学元素の成分量とその残部のＦｅおよび不可避不純物からなる、各鋼の１００ｋｇを真空誘導溶解炉にて溶製して鋼とし、得られた各鋼を縦６０ｍｍ、横６０ｍｍに鍛伸して角材とした。これらの縦横６０ｍｍの角材を８７０℃に３０分加熱した後、油冷にて焼入れを行った。その後、これらの角材を５００〜６５０℃の温度範囲で１時間加熱して空冷する、焼戻し処理を２回繰り返して硬さ３８ＨＲＣに調質し、プリハードン状態とし、以下に記載の評価をそれぞれ行った。

以下、各供試材である発明鋼およびその比較鋼のＦｅおよび不可避不純物を除く化学成分、ならびに１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の個数および面積率、ならびに鋼中の炭化物の中で縦横比３以上である炭化物の割合の計算結果を、それぞれ表１に示す。この場合、表１において、比較鋼に見られるように、１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の数が１２０個を超えるものにはその個数に下線を付し、同じく１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の面積率が３０％を超えるものにはその面積率に下線を付し、また、炭化物のうち縦横比３以上である炭化物の占める割合が７０％を超えるものにはその割合の箇所に下線を付して表示した。

上記で調質した角材の中心部から、縦横各１０ｍｍで長さ５５ｍｍのシャルピー衝撃試験片を鍛伸方向（以下、「Ｌ方向」と示す。）より割出し、２ｍｍＵノッチの試験片に加工して、常温でシャルピー衝撃値を測定して、靱性を評価した。一般に熱間鍛造に使用される工具鋼のＪＩＳ鋼種であるＳＫＴ４は、硬さ３８ＨＲＣで５０Ｊ／ｃｍ²の衝撃値が得られる。このことから、シャルピー衝撃値が６０Ｊ／ｃｍ²以上であれば、表２において、良いと評価して○と表示した。シャルピー衝撃値が６０Ｊ／ｃｍ²未満であれば、悪いと評価して×と表示した。

被削性試験の評価は、上記で調質した角材の表面をフライス加工し、刃の欠けや摩耗量（ｍｍ）で評価した。すなわち、フライス加工は、φ１００ｍｍの５枚刃のカッターを用意し、チップはＡＣＰ２００とした。フライス加工は、回転数を２００ｒｐｍ、送りを２５０ｍｍ／ｍｉｎ、切込を１．３ｍｍ、切込幅を６４ｍｍとし、切削油を使用することなく、エアブローのみの条件で行った。切削距離は３０ｍとした。切削後に発生している刃の逃げ面の欠けや摩耗の幅の測定を５枚のチップの全てで行って、一番大きい幅で被削性を評価した。ＪＩＳ鋼種のＳＫＴ４で試験を行った際に、０．４ｍｍの刃の欠けや摩耗量が生じていた。このことから、刃の欠けや摩耗量が０．２ｍｍ以下であれば、表２において、被削性が良いと評価して○と表示した。一方、刃の欠けや摩耗量が０．３ｍｍ以上であれば、同じく表２において、被削性が悪いと評価して×と表示した。

表２に見られるように、本願のプリハードン状態の発明鋼のＮｏ．１〜１６のシャルピー衝撃値は、Ｎｏ．１２の６０Ｊ／ｃｍ²以上であるので、いずれもシャルピー衝撃値は良いと評価して○と表示した。さらに、本願のプリハードン状態の発明鋼のＮｏ．１〜１６の工具の刃の欠けや摩耗量は０．２ｍｍ以下であるので、いずれも被削性は良いと評価して○と表示した。

一方、プリハードン状態の比較鋼のＮｏ．１７〜２９については以下に順次説明する。

比較鋼のＮｏ．１７は、表１に示すように、プリハードン状態の鋼の１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物面積率が３０％より高い３９％であり、表２に示すように、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．４ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．１８は、表１に示すように、プリハードン状態の鋼の１００μｍ²中に観測される断面積０．０１μｍ²以上の大きさの炭化物の数は１２０個より多い１２２個であり、表２に示すように、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．１９は、表１に示すように、炭化物のうち縦横比３以上の炭化物が占める割合が７０％より多く、表２に示すように、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２０は、表１に示すように、Ｓｉの含有量が１．０％と本願発明の最低値の０．３％よりも高Ｓｉであるため、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２１は、表１に示すように、Ｃの含有量が０．８０％と本願発明の最高値の０．６０％よりも高Ｃであるため、粗大炭化物が増えて炭化物面積率が４８％と本願発明の３０％よりも多く、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示し、さらに、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が悪いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２２は、表１に示すように、Ｍｎの含有量が１．７％と本願発明の最高値の１．２％よりも高Ｍｎであるため、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が４２Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２３は、表１に示すように、Ｎｉの含有量が０．４％と本願発明の最低値の０．７％よりも低Ｎｉであるため、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が５５Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２４は、表１に示すように、Ｎｉの含有量が２．０％と本願発明の最高値の１．６％よりも高Ｎｉであるため、不均一な合金成分となって、表２に示すように、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２５は、表１に示すように、Ｃｒの含有量が４．０％と、本願発明の最高値の２．２％よりも高Ｃｒであるため、粗大炭化物が増えて炭化物面積率が３６％と本願発明の３０％よりも多くなり、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が４４Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示し、さらに、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２６は、表１に示すように、Ｍｏの含有量が２．５％で本願発明の最高値の１．８％よりも高Ｍｏのため、粗大炭化物が増えて炭化物面積率が３８％と本願発明の３０％よりも多くなり、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が３４Ｊ／ｃｍ²であり、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示し、さらに、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．４ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２７は、表１に示すように、Ｖの含有量が１．０％と本願発明の最高値の０．３％よりも高Ｖのため、粗大炭化物が増えて炭化物面積率が３５％と本願発明の３０％よりも多くなり、靭性が低く、表２に示すように、シャルピー衝撃値が３７Ｊ／ｃｍ²であるので、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示し、さらに、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２８は、表１に示すように、Ｓｉが未添加であるため、表２に示すように、工具の刃の欠けや摩耗量が本願発明の０．２ｍｍよりも大きい０．３ｍｍであるので、被削性が低いと評価して×と表示した。

比較鋼のＮｏ．２９は、表１に示すように、Ｖが未添加であり、さらに表２に示すように、シャルピー衝撃値が４１Ｊ／ｃｍ²であるので、本願発明のシャルピー衝撃値の最低値の６０Ｊ／ｃｍ²よりも低いと評価して×と表示した。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：≦０．３％、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｎｉ：０．７〜１．６％、Ｃｒ：１．６〜２．２％、Ｍｏ＋Ｗ／２：０．４〜１．８％、Ｖ＋Ｎｂ／２：≦０．３％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、プリハードン状態の鋼の１００μｍ²中に観測される、断面積が０．０１μｍ²以上の炭化物の数が１２０個以下で、かつ断面積が０．０１μｍ ² 以上の炭化物の面積率が３０％以下であって、さらには、縦横比が３以上である炭化物の占める割合が全炭化物中の７０％以下であることを特徴とする被削性に優れたプリハードン熱間工具鋼。