JPH03134136A

JPH03134136A - 高硬度、高靭性冷間工具鋼

Info

Publication number: JPH03134136A
Application number: JP27091989A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Oono; 丈博大野; Toshio Okuno; 奥野　利夫; Atsusuke Nakao; 中尾　敦輔; Yoshihiro Kada; 加田　善裕
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1991-06-07

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〕本発明は、圧造ダイス、打抜型、パンチ、冷間鍛造型、
せん断力など、冷間用途に用いられる工具鋼に関するも
のである。

〔従来の技術〕

冷間用途の工具鋼では、耐摩耗性の観点から高Ｃ−高Ｃ
ｒ鋼である５ＫＤＩＩが広く用いられている。５ＫＤＩ
ＩはＣｒ主体のＭ、Ｃ３型１次炭化物を、面積率で８〜
１５％含み、これにより耐摩耗性を確保している。さら
に耐摩耗性が要求される場合には、５ＫＤＩのような５
ＫＤＩＩよりもさらに高Ｃの材料が使用されている。こ
れらの工具鋼は、９５０〜１０５０℃から焼入れ後、１
５０〜２００’Ｃで焼もどしを行ない、硬さＨＲＣ５８
〜６１で使用される。−方、特開昭５９−１７９７６２
号に見られるような、靭性を重視し、またワイヤーカッ
トや、放電加工に適したような材質も提案されている。

これはＭｏや■のような２次硬化元素を２％前後添加す
ることにより、５２０〜５４０℃の高温焼もどしにおい
て、ＨＲＣ６１〜６３の硬さが得られるものであり、ま
た、化学組成の面から５ＫＤＩＩに比較してＭ　、　Ｃ
、型の１次炭化物の低減を行ない、靭性の向上を狙った
ものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年、他の工具材料と同様に、冷間工具鋼の分野におい
ても、使用条件の過酷化にともない、突発的な欠損を生
じないといった高い信頼性や、工具寿命の向上が求めら
れている・。特に、高硬度を有する被加工材の増加によ
り、パンチやせん断力、あるいは転造ダイス等にはより
高゛性能、すなわち−層高硬度で耐摩耗性が優れ、かつ
高靭性の材質が求められている。

冷間工具鋼は、その重要な要求特性の一つである耐摩耗
性を得るために硬い基地とともに硬質の炭化物を含んで
いるが、靭性を向上させるためには、残留炭化物の種類
およびそれらの大きさや量を注意深く制御する必要があ
ることが、例えば転造ダイスの廃却材の調査より明らか
になってきた。

すなわち、５ＫＤＩＩに代表される従来の材料では凝固
時にＭ、　Ｃ，型の巨大炭化物が晶出し、これらは熱間
加工によって分断はされるが固溶することはなく、連鎖
状に配列しクラック進展の経路となっていた。

この点に着目し、例えば特公平１−５１００号や特開平
１−２０１４４２号等に残留炭化物量を減じ、靭性向上
を図った材料が示されている。しかしながら、これらの
材料の硬さレベルは、ＨＲＣ６１〜６３前後であり、よ
り高硬度および耐摩耗性が要求される分野に対しては、
十分ではない。

本発明の目的は、成分バランス、不純物量および炭化物
量を適正にすることにより、優れた耐摩耗性と靭性を兼
備し、かつＨＲＣ６４以上の高硬度を有する工具鋼を提
供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は詳細な検討の結果、優れた靭性を得るために
、粒径２μｍ以上の残留炭化物の面積率をＭ７Ｃ３型炭
化物について、８％以下、ＭＣ型炭化物とＭ、Ｃ型炭化
物の１種または２種の合計の面積率を３％以下とし、さ
らに不純物元素であるＰ、Ｓ。

０、Ｎの含有量を低い値に規制することが有効であるこ
と、および優れた耐摩耗性とＨＲＣ６４以上の高い硬さ
を得るために添加合金元素量は非常に狭い範囲内に限定
する必要があることを見出し、本発明を完成するに至っ
たものである。

すなわち、本発明のうちの第１発明は重量％でＣ０．９
０を越え１．２０％以下、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ１．
５％以下、Ｃｒ　５．５〜９．０％、ＭｏとＷの１種ま
たは２種を（Ｍ　ｏ　＋１　／　２　Ｗ　）で２．５〜
５．０％、■とＮｂの１種または２種を（Ｖ＋１／２Ｎ
ｂ）で０．３５〜１．５％を含み残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなる組成を有し、不可避的不純物のうちＰ
は０．０２％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｏは３０ｐ
ｐｍ以下、Ｎは３００ｐｐｍ以下であり、さらに焼入焼
もどし組織において、粒径２μｍ以上のＭ、Ｃ３型残留
炭化物の面積率が８％以下、粒径２μｍ以上のＭＣ型残
留炭化物およびＭ、Ｃ型残留炭化物の１種または２種の
合計の面積率が３％以下であることを特徴とする高硬度
、高靭性冷間工具鋼であり、第２の発明はＮｉ　０．２
−２％、Ｃｏ　０．２−４％の１種または２種を含む第
１ｙＡ明記載の高硬度、高靭性冷間工具鋼である。

〔作用〕

以主に本発明の化学成分および炭化物量の限定理由につ
いて述べる。

Ｃは、Ｍｏ、Ｗや（：：ｒ、Ｖ、Ｎｂなど炭化物生成元
素との間に炭化物を形成し、工具鋼の強度、耐摩耗性に
寄与する元素である。さらに高温焼もどしにおいて、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等の２次硬化元素と結び付き炭化物と
して析出することにより硬さを増加させる。本発明の狙
いとするＨＲＣ６４前後の硬さを得るためには少なくと
も０．９％を越える必要がある。

一方、１．２％を越えると過度の１次炭化物を形成し、
靭性を低下させる。従ってＣ量は０．９％を越え１．２
％以下に限定した。

ＳＬは、通常脱酸剤として添加されるが、１．５％を越
えると加工性や靭性を低下させるため、これを上限とし
た。

Ｍｎは、Ｓｉ同様脱酸剤として通常１％以下含有される
が、添加元素として焼入性を改善するにも有効な元素で
ある。しかし、１．５％を越えると熱間における加工性
を害するため、これを上限とした。

Ｃｒは、Ｍ７Ｃ３型炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与す
ると共に焼入性を向上させる重要な元素である。前述の
ように炭化物量を制御するために、Ｃｒ量は厳密に制御
される必要がある。すなわち、耐摩耗性および焼入性確
保のためにＣｒ量は５．５％以上必要である。しかし、
９．０％を赳えると過度の１次炭化物を形成し靭性を低
下させる。したがってＣｒ量は５．５〜９．０％に限定
した。

Ｍ　ｏ　、　Ｗは、Ｃｒ炭化物に固溶して耐摩耗性を高
めると共に、焼入性を向上させ、また焼もどしにおいて
、Ｍ、Ｃ型炭化物として析出し、強い２次硬化を示す元
素である。また、凝固時にＭ７Ｃ３型炭化物に比較して
小さなＭ、Ｃ型炭化物として晶出し、耐摩耗性に寄与す
る。Ｗの原子量は、Ｍ。

の約２倍であることから、Ｍｏ、Ｗの１種または２種で
Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）として規定した。Ｍｏ当量
が２．５％未満ではＨＲＣ６４以上の２次硬化が得られ
ず、またＭ、Ｃ型炭化物を生成するのに不十分であるた
め、これを下限とした。また、５．０％を越えると、Ｍ
、Ｃ型炭化物の生成が多く、かつ連鎖状分布となりやす
くなり、靭性を低下させるためこれを上限とした。

Ｖ、Ｎｂはともに凝固時にＭＣ型炭化物として晶出する
ものであり、硬質の炭化物として耐摩耗性に重要な役割
を担うとともに結晶粒微細化の効果があり靭性の向上に
有効である。また２次硬化元素であるため高温焼もどし
による硬さ増加に有効である。Ｎｂの原子量は■の約２
倍であることから、Ｖ、Ｎｂの１種または２種で■当量
として（Ｖ＋１／２Ｎｂ）として規定した。■当量０．
３５％未満では、前述の組織改善効果が得難いため、こ
れを下限とした。一方、■当量が１．５％を越えると過
度のＭＣ型炭化物を形成し、研削性を悪くするのでこれ
を上限とした。

Ｎｉ、Ｃｏは、ともに基地に固溶する元素である。

Ｎｉは靭性の向上や、焼入性の向上に効果があるが、０
．２％未満ではその効果が少ない。またＣＯは耐熱性を
高め、耐焼付性に有効であるが、同様に０．２％未満で
は、この効果は望めない。また、両元素とも多量の添加
は、熱処理硬さを低下させるため、それぞれ上限をＮｉ
２％、Ｃｏ４％とした。

Ｐ、Ｓ、０．’　Ｎは通常不純物元素として微量含有さ
れる。Ｐは結晶粒界に偏析（ミクロ偏析）し、粒界強度
を低下させるだけでなく、凝固時の基地偏析（マクロ偏
析）を助長し、材質の方向性の原因となる。Ｓや○は主
に非金属介在物として鋼中に存在し、疲労強度等に悪影
響を及ぼす。Ｎは凝固時における１次炭化物の晶出形態
に影響を及ぼしこれを３００ｐｐｍ以下とすることによ
り、ＭＣ型炭化物やＭ　、　Ｃ、型炭化物が微細化され
靭性向上に役立つので３００ｐｐｍ以下に限定した。こ
れらの不純物元素を低減することにより、特に靭性面で
の改善効果が大きい。しかし、高硬度で使用される本発
明鋼の場合には、１元素単独の低減では、効果が少ない
ため４元素を同時に規定し、それぞれ２０００２％以下
、Ｓ　０．００５％以下、０　、３０ｐｐｍ以下、ＮＮ
３００ｐｐ以下とすることにより、改善効果が得られた
のでこれを上限とした。

次に、以上の組成を有する鋼において、高い靭性を発揮
させるためにには、焼入れ焼もどし後における粒径２μ
ｍ以上のＭ７Ｃ３型炭化物の面積率を８％以下にする必
要がある。また、ＭＣ型炭化物およびＭ、Ｃ型炭化物に
ついては過度に含むと研削性が悪くなるので、粒径２μ
ｍ以上のＭＣ型炭化物とＭ、Ｃ型炭化物の１種または２
種の合計の面積率を３％以下に限定した。

なお、Ｍ７Ｃ３型炭化物およびＭＣ型炭化物とＭ、Ｃ型
炭化物の１種または２種の合計の面積率を粒径２μＦ以
上のもので規定したのは、２μｍ以上の炭化物が凝固時
に生成した１次炭化物であり、これが靭性を阻害するた
めである。

なお、上記粒径２μｍ以上の炭化物のほとんどは１次炭
化物であり、この量を調整する手段として高温拡散処理
があげられ、本発明鋼を”製造するにあたってこれを適
用するのが望まれる。

高温拡散処理における加熱は、１１５０〜１２５０℃の
温度範囲で行なうのが良い。１１５０℃未満では十分な
元素の拡散、均質化が行なわれず、一方１２５０℃を越
えると一部炭化物が溶融し、機械的強度を下げるためで
ある。加熱保持時間は、概ね１０時間〜２０時間とすれ
ばよい。

〔実施例〕

以下、本発明鋼を実施例に基づき説明する。

供試材として、第１表に示す組成の本発明鋼（Ｎｏ、１
〜８）および比較＃１（Ｎｏ、９〜１１）、従来鋼とし
てＳ　ＫＤ　１１　（Ｎｏ、１２）、Ｓ　Ｋ　Ｄ　１　
（Ｎｏ、１３）さらに、特開昭５９−１７９７６２号で
示されたような８％Ｃｒ系工具ｍ（Ｎｏ、ｔ４）を溶製
し、鍛造圧延後焼入焼もどしを行なって試料を作製した
。ここで比較鋼として示したＮＯ６９〜１１は、Ｐ、Ｓ
、０．Ｎ以外の成分元素は本発明の範囲内にあるもので
ある。

本発明鋼であるＮｏ、１〜Ｎｏ、８は、焼入れ、焼もど
し後の１次炭化物の炭化物量と粒度の最適化を狙い、鋼
塊および熱間加工の段階でミクロ組織（特に１次炭化物
）をできるだけ均一に分散させるため１２００’ＣＸ２
０時間の条件で拡散処理を実施した。靭性試験は、φ５
ｍｍＸ７０＋ｎｍＱの試験片を用い、支点間距離５０ｍ
ｍ、中央１点荷重の抗折試験を行ない、破断時の抗折応
力を求めた。

耐摩耗性試験は、大越式摩耗試験機を用い、相手材Ｓ　
０Ｍ４１５　（１１Ｂ１８８）、摩擦速度１．４　ｍ　
／ｓｅｃ、摩擦距離４００ｍ、荷重６．８ｋｇの条件で
行ない、５ＫＤＩＩの摩耗量を１００として表わした。

また、炭化物面積率は、各試料ともに２゜２ｍｍ”の視
野で求めた。これらの試験結果および熱処理硬さ、残留
炭化物の面積率を第２表に示した。

第２表かられかるように、本発明鋼（Ｎｏ、１−Ｎｏ。

８）は、いずれも１ＩＲｃ６４以上の硬さを有し、また
従来の冷間工具鋼よりはるかに優れた靭性を有している
。さらに本発明鋼の抗折力のＬ／Ｔの比は従来鋼より小
さく１本発明鋼の靭性値の縦横の差異が小さいことがわ
かる。比較鋼Ｎｏ６９〜１０は、主成分は本発明鋼と同
じであるが、Ｐ、Ｓ、○、Ｎ量が本発明鋼より多いため
、本発明鋼より抗折力が小さくまたＬ／Ｔ比も大きい。

本発明の耐摩耗性はいずれも５ＫＤ１１より優れている
。これは本発明鋼が適量の炭化物を有し、かつ高い硬度
を有しているからである。

〔発明の効果〕

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．９０を越え１．２０％以下、Ｓｉ１
．５％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ５．５〜９．０％
、ＭｏとＷの１種または２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で２
．５〜５．０％、ＶとＮｂの１種または２種を（Ｖ＋１
／２Ｎｂ）で０．３５〜１．５％を含み残部Ｆｅおよび
不可避的不純物からなる組成を有し、不可避的不純物の
うちＰは０．０２％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｏは
３０ｐｐｍ以下、Ｎは３００ｐｐｍ以下であり、さらに
焼入焼もどし組織において、粒径２μｍ以上のＭ＿７Ｃ
＿３型残留炭化物の面積率が８％以下、粒径２μｍ以上
のＭＣ型残留炭化物およびＭ＿■Ｃ型残留炭化物の１種
または２種の合計の面積率が３％以下であることを特徴
とする高硬度、高靭性冷間工具綱。２　Ｎｉ０．２〜２％、Ｃｏ０．２〜４％の１種または
２種を含む第１請求項記載の高硬度、高靭性冷間工具綱
。