JPH0257632A - 熱疲労特性の優れた型用鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、熱間鍛造型、プラスチック型等に用いられる
金型用極厚鋼板の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 金型用鋼としては、従来からＪＩＳの５ＫＤ６１　　（
０．４Ｃ−１，０口Ｓｌ　　　−０．４Ｍｎ　　−５Ｃ
ｒ　　−１，３Ｍｏ　−１，ＯＶ系）やＳ　Ｋ　Ｔ　４
　（０．５５Ｃ−０．２５Ｓ１　−０．７５Ｍｎ　　−
１，７Ｎ１　−０．９　　Ｃｒ　　−０．４Ｍ。

系）が用いられている。

これらの鋼材は元来高価であることから、金型としての
コスト低減が必要とされている。

この低コスト化のためには特開昭６３−３８５５７号公
報にあるように時効硬化を用い合金添加量を少なくした
鋼材もあるが、利用分野がプラスチック金型用鋼でも比
較的硬さが低いものに限られかつ、熱疲労特性が良くな
いので、熱間鍛造型には適用できず金型のトータルコス
トの点からは、必ずしもコスト低減にはならない 一方、水焼入れにより、合金添加量を抑える方法がある
が、特公昭ｅｉ　−３４１６２号公報に述べられている
ように、薄手の高Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼は通常の水焼入れを
行なうと、鋼材表層部の硬化が著しく、焼割れが発生す
る。このため、合金添加量を抑えかつ一層の熱疲労の長
寿命化が必要とされ、これを達成できる鋼材開発が望ま
れている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、熱疲労特性の優れた型用鋼の製造方法の提供
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明はこのように金型の長寿命化のための鋼材開発と
いう課題を有利に解決するためになされたものであり、
その要旨とするところは、重量比でＣ：　０．１５〜０
．５０％、Ｓｌ：０．０５〜０．７５％、Ｍｏ　：　０
．２５〜２．００％、Ｎｌ　　：０．２５超〜４．００
％、Ｃｒ：１．００超〜４．００％、Ｍｏ　：　０．１
５〜３．００％、ｓｏｌ、　ＡＮ　：　０．００５〜１
．５０％、Ｎ　：　０．００２０〜０．０５００％を基
本成分とし、さらに必要によりＴ１　二０．００２〜０
．２００％、Ｂ　：　０．０００３〜０．０１００％、
Ｚｒ：０．００５〜０゜２００％、Ｖ　：　０．００３
〜０．５００　％のうち１種又は２種以上を含有し、残
部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を熱間加工し、Ａ
　ｃ　３＋ｂら水又は油に近い水溶性焼入液を用いてミ
クロ組織均一化処理を施すことを特徴とする熱疲労特性
の優れた型用鋼の製造方法に関するものである。

さらに本発明は熱間加工後、Ａ　ｃ　３＋ｂＡ　ｃ　ａ
　＋　２００℃に再加熱したのち、該温度から水又は油
に近い水溶性焼入液を用いてベイナイト化熱処理を施す
ことを特徴とする熱疲労特性の良好な型用鋼の製造方法
である。

［作　　用］ 発明者らはＪＩＳの５ＫＤ６１や５ＫＴ４を使用する金
型の長寿命化のためには、材料の熱疲労特性の向上が必
要であるとの認識のもとに種々詳細な研究を行なった。

その結果、本発明の成分と熱処理方法の組み合わせによ
って熱疲労特性が向上できることを知見したものである
。

即ち本発明は、Ｎ１添加により上部ベイナイトの形成を
抑制しおよびＮ　ｉ　Ａｌｌの金属間化合物の形成によ
り、高温硬度を向上することかり能であり、又同時に金
属間化合物は炭化物に比べ応力集中源になりに＜（、熱
疲労特性を向上すること、又、ミクロ組織均一化処理は
、熱応力集中源となる炭化物を、微細に均一分散させ、
かつベイナイトラスも小さく母材靭性を向上することを
知見したのであり、本発明の成分とミクロ組織均一化熱
処理によって、表層硬化部がなく焼割れが発生せず、こ
れらの特性向上を通じて、熱疲労特性（発生および伝播
特性）の良い金型用鋼材開発に成功したものである。さ
らに本発明はミクロ組織均一化熱処理により表面付近に
硬いマルテンサイトか生成しないので焼割れは発生しな
い。

又、ベイナイト化熱処理によりベイナイト化ラスを細か
くすることにより母材靭性がそこなわれない。即ち本発
明の成分とベイナイト化熱処理によって、これらの特性
向上を通じてより一層熱疲労特性の良い金型用鋼材開発
に成功したものである。

次に本発明における成分系限定理由は以下の通りである
。

Ｃは、マルテンサイト中に固溶し、又は炭化物として析
出し鋼の硬さを上昇させる効果がある。

本効果を発揮させるには、０．１５％以上の含有が必要
であるが、０．５０９６を超えると金型の補修溶接性を
そこなうため含有量を０．１５〜０．５０％に限定した
。

Ｓｌは、安価に鋼の硬さを向上させる効果があるが、０
．０５％以上でないと本効果は発揮されず、又０．７５
％を超えると靭性を低−ドするため含有量を０．０５〜
０．７５％に限定した。

Ｍｎは、安価に鋼の硬さと靭性を向上させる効果があり
、母鋼板の硬さおよび靭性を確保する土で不可欠であり
、このためには０．２５％以上の含有が必要である。一
方２．００％を超えて含１−ＴするとＭｎＳの形成によ
り、鏡面性および熱疲労特性か低下する。このため金白
゛瓜を０．２５〜２．００％に限定した。

Ｎｌは、焼入性を向上しかつ、交差すべりの導入により
靭性を高める効果があるが、０．２５％超でないと本効
果は発揮されない。多すぎると高価となりすぎるため上
限を４．００％とする。このため含有量を０．２５超〜
４．００９６に限定した。

Ｃｒは、焼入性を向上させ、又析出物として鋼の硬さを
向上させる効果があるが、１．００％超でないと本効果
は発揮されず、又４，００％を超えると経済的でない。

このため含有量を１．００超〜４．００％に限定した。

Ｍｏは、焼入性を向上させ、又、Ｈ７出物として鋼の硬
さを向上させる効果があるが、０．ｌ５９６以上でない
と本効果は発揮されず、又３．Ｏｏ％を超えると経済的
でない。このため含有量を０．１５〜３．００９６に限
定した。

ｓｏＪ、Ａｉ）は、母鋼板の製造時に脱酸元素として必
要であり、その効果を安定なものとするためには、ｓｏ
ｊ、Ａ、７７で０．００５％以上必要である。一方１．
５％を超える含有では鋼板加工時の熱間加り性が著しく
低下する。このためｓｏＪ、Ａｊｌ）含有量を０．０１
〜１．５０％に限定する。

Ｎは、母鋼板の製造時にＡ、９Ｎとして析出し、γ粒の
粗大化を防止し、その効果を得るためには０．００２０
％以上必要である。又０．０５００９６を超える含有で
は巨大ＡｇＮが析出し、靭性が低−ドする。このためＮ
は含有量を０．００２０〜０．０５００％に限定した。

次に第２発明において添加するＴｉ　、Ｂ、Ｚｒ。

■について述べる。

これらの成分は鋼の靭性を向上させるという均等的作用
をもつので添加されるが、前記作用に所望の効果を確保
するためにはそれぞれの含有下限量を、Ｔｉ　　：０．
００２％、Ｂ　＋　０．０００３％、Ｚｒ：０．００５
％、Ｖ　：　０．００３％必要である。

しかし、それぞれＴｉ　　：ｏ、２ｏｏ％、Ｂ　：　０
．０２００％、Ｚｒ：０．２００％、Ｖ　：　０．５０
０９６の含有上限量を超えて含ｒイさせても、その作用
効果が飽和したり、逆にその効果を低下したりするため
、それぞれの含ａｉｉを以上の通りに定めた。

次に熱間加工は、圧延又は鍛造により所定の・ｊ“法に
加工するもので一回当りの加工度は大きい程好ましい。

次に、ミクロ組織均一化熱処理について述べる。

本発明のミクロ組織均一化熱処理は、Ａ　ｃ　ａ　＋３
０℃以上の高温から水又は油に近い水溶性焼入液を用い
て３００℃以下まで冷却する焼入処理と、焼入後Ａ　ｃ
　１以下の温度で焼戻す、焼入れ焼戻し処理を基本とし
、焼入処理後に残留オーステナイトが存在する場合は、
焼戻し後にサブゼロ処理を加えることを含むものである
。

焼入処理に際し−では、Ａｃ　　＋３０℃〜Ａ　ｃ　ｓ
　＋２００℃にてオーステナイト化後、急冷を開始し、
表面温度がＭＳ点直下に達した時点で急冷を中断し、中
心部がＡ　ｒ　ａ　＋　５０℃以上でかつ表面が４００
℃以上に３分間〜４５分間復熱後、再疫、水又は油に近
い水溶性焼入液を用いて３００℃以下に冷却して焼入れ
する。

しかしてこの焼入処理は、冷却を一時中断して復熱させ
ることにより、表面部で若干生成したマルテンサイトを
自動的に焼戻して、表面部を焼灰しマルテンサイトとし
ておく。

一方板厚中心部はＡ　ｒ　ａ以上であるためオーステナ
イト中にＣおよび合金元素が十分固溶しており、焼入性
は十分であり、この状態で焼入冷却することになり、板
厚方向のミクロ組織の不均一性を小さくなしうる。

オーステナイト化温度をＡ　ｃ　ａ　＋　３０℃以上と
したのは、工業的な炉の精度を考慮したためであり、上
限をＡ　ｃ　ｓ＋２００℃としたのは、γ粒の著しい粗
大化を防ぐためである。

焼入れ終了温度を３００℃以下としたのは、板厚中心部
においてもマルテンサイトを形成させるためである。

次にベイナイト化熱処理について述べる。

本発明のベイナイト化熱処理は、ＡＣ３＋３０℃以上の
高温から水又は油に近い水溶性焼入液又は、油を用いて
３００℃以下まで冷却する焼入処理と、焼入後Ａｃ、以
下の温度で焼戻す、焼入れ焼戻し処理を基本とし、焼入
処理後に残留オーステナイトが存在する場合は、焼戻し
後にサブゼロ処理を加えることを含むものである。

焼入処理に際しては、次のいずれかを採用することがで
きる。

１）Ａｃ　　＋３０℃〜ＡＣａ＋２００℃にてオーステ
ナイト化後、空冷にて中心部がＡ　ｒ　ａ　＋　３０℃
以上でかつ表面部がＢｓ　　（ベイナイト変態開始温度
）点景下となった時点で、水又は油に近い水溶性焼入液
を用いて急冷を開始し、３００℃以下まで冷却して焼入
れする。

１ｉ）Ａｃ　　＋３０℃〜ＡＣ３＋２００℃にてオース
テナイト化後、直ちに２００℃以上、４５０℃以下の恒
温浴（例えばソルトバス）中に浸漬し、表面部がＢｓ点
以下かつ中心部がＡ　ｒ　３＋３０℃以上の温度で浴中
より引上げ表面部が４５０℃以上に復熱後、水又は油に
近い水溶性焼入液を用いて３００℃以下まで冷却して焼
入れする。

焼入処理後に残留オーステナイトが存在する場合には、
焼入れ後直ちにサブゼロ処理を加えることを含む。

しかしてｌ）の場合には、表面部はベイナイト食態が促
進されかつ未変態部も低温であるので合金元素の固溶量
が減り、焼入性は低下するが、板厚中心部はオーステナ
イトのままであり焼入性は十分であり、この状態で焼入
冷却することとなり板厚方向の硬さ分布は小さくなしつ
る。

ｉｆ）の場合には、恒温槽に浸漬した後、板１１ノ方向
が均一の温度分布に到達するには時間を要する。

したがって表面部はベイナイトとなるが、マルテンサイ
トは生成せず、焼入性が低い状態で焼戻され、焼戻しベ
イナイトとなる。

又復熱中に未変態オーステナイト部がベイナイトとなる
ため、表面部の焼入性はさらに下がる。

一方、板厚中心部はＡｒ３より高いのでオーステナイト
のみであり、合金元素の固溶量が多く焼入性が高い。こ
の状態で焼入冷却することになり、焼入れ後の板厚方向
の硬さの差は小さくなる。

いずれの場合でも、焼入れ時にベイナイト主体のミクロ
組織となり、常に焼入れ焼戻しだ場合よりも組織の不均
一性を一層小さくすることができ、極厚鋼板においても
板厚方向の特性が均一で、疲労特性の一層優れたものに
なる。

オーステナイト化温度をＡ　ｃ　３＋　３０℃以上とし
たのは、工業的な炉の精度を考慮したためであり、上限
をＡ　ｃ　ａ　＋２００℃としたのは、γ粒の著しい粗
大化を防ぐためである。

焼入れ終了温度を３００℃以下としたのは、板厚中心部
においてもマルテンサイトを形成させるためである。

ここに、本発明で使用する油に近い水溶性焼入液とは、
例えば米国ユニオンカーバイド社製商品名ニーコン・ク
エンチヤントＥ等の利用が好適である。

次に焼戻しは、炭化物の球状化と焼入れ組織の焼戻しに
よる靭性向上、および焼入れ歪の解放の効果がある。こ
のためには、Ａ　ｃ　１以下の温度で２回以上焼戻しを
行なうのが好ましい。１回で焼戻しを行なう場合には、
Ａ　ｃ　１以下の温度で焼戻し温度を２水準以上設定し
、加熱過程で順次任意の時間保定すればよい。

サブゼロ処理は、焼入処理後残留オーステナイトが存在
する場合、残留オーステナイトを完全にマルテンサイト
化することによって、型加工時や型使用中での型変形の
発生を防ぐ働きがある。この効果を十分に発揮させるに
は、焼入れ後、焼戻し前にドライアイスや液体窒素を用
いて、マルテンサイト変態終了点（Ｍｆ’点）以下まで
冷却すればよい。

［実　施　例］ 実施例　１ 本発明実施例および比較例の成分を第１表に示し、製品
板厚、ミクロ組織均一化熱処理条件を併せて第１表に示
す。

尚、鋼の溶製は転炉で行なった。溶製後宮法によりスラ
ブとなし各スラブを１２５０℃に加熱して厚板圧延を実
施した。

又焼戻しは、各鋼板について４５０〜６５０℃で１ない
し２回焼戻し処理を実施した。

得られた極厚鋼板の機械試験値を第２表に示し、第１図
および第２図にそれぞれ本発明実施例１のＮｏ、２、比
較例Ｎα１６に関する硬さ分布と熱疲労試験結果を示す
。

尚、第３図は熱疲労試験片の形状を示し、図中の数字は
寸法（単位ａ＋／ｍ）を示す。

しかして、第２表および図面から明らかに本発明による
ものは、硬さバラツキが小さくかつ靭性レベルが高いと
ともに、熱疲労特性は良好なレベルを示している。これ
に対して比較例のものは、これらの特性が全て良くない
。

実施例　２ 本発明実施例２および比較例の成分を第３表に示し、製
品板厚、ミクロ組織均一化熱処理条件を併せて第３表に
示す。

尚、鋼の溶製は転炉で行ない、溶製後席法によりスラブ
となし各スラブを１２５０℃に加熱してＩｋｉ板圧延を
行なった。

又焼戻しは、各鋼板について４５０〜６５０℃で１ない
し２回焼戻し処理を実施した。

得られた極厚鋼板の機械試験値を第４表に示し、第４図
および第５図にそれぞれ本発明実施例Ｎｏ、２および比
較例ＮαｌＢについて硬さ分布と疲労寿命実績値を示す
。熱疲労試験片は第３図によった。

しかして、第４表および図面から、明らかに本発明によ
るものは、硬さバラツキが小さくかつ靭性レベルが高い
とともに熱疲労寿命が高い良好なレベルを示している。

これに対して比較例のものは、熱疲労寿命が短いことの
ほか硬さバラツキが大きくかつ靭性レベルも低い。

［発明の効果］ 以上詳細に述べた通り水又は油に近い水溶性焼入液にて
、Ａ　ｃ　ａ　＋３０℃〜Ａｃ３＋２００℃からミクロ
組織均一化熱処理を行なうため、従来鋼に比べて、板厚
各位置で熱疲労特性がいずれも良好な極厚鋼板が得られ
る。

さらにＡ　ｃ　ａ　＋　３０℃〜Ａ　ｃ　ａ　＋２００
℃からベイナイト化熱処理を施すと、板厚方向硬さ分布
が均一で靭性値も高く同−硬さレベルでも熱疲労特性の
良好な材質が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例１の魔２と比較例Ｎへ１６の硬さ
分布を示すグラフ、第２図は本発明実施例１のＮｏ、２
と比較例Ｎ０．ｌＢの熱疲労寿命を示すグラフ、第３図
は熱疲労試験に用いた試験片形状を示す説明図、第４図
は本発明実施例２のＮＯ１２と比較例Ｎα１６の硬さ分
布を示すグラフ、第５図は本発明実施例２のＮα２と比
較例Ｎα１Ｇの板厚方向熱疲労寿命を示すグラフである
。 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫第 図 １−７７−ｑ ゑ面Ｏ・うの距離（ｙｎｙｎ） 第２図 ゑ！ｄりの距離（広ｍ） 装面がワの距離（ｍｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比で Ｃ：０．１５〜０．５０％　Ｓｉ：０．０５〜０．７５
   ％Ｍｎ：０．２５〜２．００％　Ｎｉ：０．２５超〜４
   ．００％Ｃｒ：１．００超〜４．００％　Ｍｏ：０．１
   ５〜３．００％ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜１．５０％
   　Ｎ：０．００２０〜０．０５００％残部Ｆｅおよび不
   可避不純物からなる鋼を熱間加工し、Ａｃ＿３＋３０℃
   〜Ａｃ＿３＋２００℃に再加熱したのち、該温度から水
   又は油に近い水溶性焼入液を用いてミクロ組織均一化熱
   処理を施すことを特徴とする熱疲労特性の優れた型用鋼
   の製造方法。 ２、重量比で Ｃ：０．１５〜０．５０％　Ｓｉ：０．０５〜０．７５
   ％Ｍｎ：０．２５〜２．００％　Ｎｉ：０．２５超〜４
   ．００％Ｃｒ：１．００超〜４．００％　Ｍｏ：０．１
   ５〜３．００％ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜１．５０％
   　Ｎ：０．００２０〜０．０５００％を基本成分とし、
   さらに、 Ｔｉ：０．００２〜０．２００％　Ｂ：０．０００３〜
   ０．０１００％Ｚｒ：０．００５〜０．２００％　Ｖ：
   ０．００３〜０．５００％のうち１種又は２種以上 残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いる請求項
   １記載の熱疲労特性の優れた型用鋼の製造方法。 ３、請求項１又は２に記載する鋼を用いて、熱間加工後
   、Ａｃ＿３＋３０℃〜Ａｃ＿３＋２００℃に再加熱した
   のち、該温度から水又は油に近い水溶性焼入液を用いて
   ベイナイト化熱処理を施すことを特徴とする熱疲労特性
   の良好な型用鋼の製造方法。