JPH0353384B2

JPH0353384B2 -

Info

Publication number: JPH0353384B2
Application number: JP58165163A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Fukui; Kenji Isogawa; Yoshitomo Hitachi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1991-08-14
Also published as: JPS6059052A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、靭性が良好であつて耐ヒートチエ
ツク性および耐衝撃性に代表される機械的特性に
優れた熱間工具鋼に関するものである。近年、プレス加工や鍛造加工において加工屑の
発生がないチツプレス加工を目的としたバリなし
の密閉鍛造が普及しつつあるが、このような密閉
鍛造にあつては、加工用金型が摩耗したりあるい
は割れやチツピングを生じたりして早期に使用不
可能となる場合が多く、その改善が強く望まれて
いる。一方、従来のバリありのプレス加工や鍛造
加工においても高精度でかつ高速鍛造化の傾向が
著しく、これに伴なつて金型の摩耗や割れ、チツ
ピング等で金型寿命も著しく低下するため、その
改善が強く要望されているが、従来の熱間工具鋼
では耐摩耗性と耐割れ性、チツピング性という相
反する特性を十分に満たすことができず、このよ
うな要望に対処することができなかつた。本発明者らは、このような従来の問題点に着目
して種種の検討を加え、割れやチツピングの防止
に対してはもちろんのこと、摩耗の低減に対して
も熱衝撃によるヒートチエツクの発生とその伝播
に関する抵抗性を向上することが有効であること
を先に見出した。そして、熱衝撃によるヒートチ
エツクの発生とその伝播に関する抵抗性を向上さ
せ、耐摩耗性と耐割れ性、耐チツピング性という
相反する特性を同時に改善するためには、Siを著
しく下げると同時にCa、Mg、Al、Ｂ、REMの
うちの１種以上を添加することが有効であること
を見出して、この発明を完成するに至つた。すなわち、この発明は、最近のプレス加工や鍛
造加工において新たに発生した問題点に着目して
なされたもので、特に熱衝撃によるヒートチエツ
クの発生とその伝播に関する抵抗性を著しく高
め、実用金型の耐摩耗性と耐割れ性、耐チツピン
グ性とを同時に向上させた熱間工具鋼を提供する
ことを目的とするものである。この発明による熱間工具鋼は、重量％で、Ｃ：0.15％以上0.80％以下、 Si：0.10％未満、 Mn：3.0％以下、およびNi：4.0％以下、Cr：10.0％以下、Cu：
3.0％以下のうちの１種または２種以上、さらにMo：5.0％以下、Ｗ：5.0％以下、Ｖ：
3.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、
Zr：1.0％以下、Co：5.0％以下のうちの１種また
は２種以上、さらにCa：0.0005％以上0.010％以下、Mg：
0.001％以上0.50％以下、Al：0.001％以上0.10％
以下、Ｂ：0.0005％以上0.010％以下、REM（希土
類元素の１種または２種以上）：0.0005％以上
0.40％以下のうちの１種または２種以上、さらに必要に応じて、Ｓ：0.03％以上0.20％以
下、Se：0.03％以上0.20％以下、Te：0.01％以上
0.15％以下、Bi：0.02％以上0.15％以下、Pb：
0.03％以上0.20％以下のうちの１種または２種以
上、残部Feおよび不純物よりなり、耐ヒートチエ
ツク性および耐衝撃性に優れていることを特徴と
している。ところで、上述したこの発明の目的にしたがつ
て、まず、従来の熱間工具鋼のうちJIS SKT4、
SKD61、3Ni：3Mo鋼を選んでこれらの鋼中に含
まれるSiの熱衝撃によるヒートチエツクの発生と
その伝播に関する抵抗性を、前者に関しては主と
して耐ヒートチエツク試験により、また後者に関
しては主として耐衝撃試験によりそれぞれ評価し
た。これらの試験に際しては、上記各供試鋼を50Kg
ｆ高周波誘導炉で溶製したのち直径20mmの棒材に
鍛伸し、耐ヒートチエツク性および耐衝撃性試験
に供した。これらのうち、耐ヒートチエツク性に及ぼすSi
の影響は、直径15mm、厚さ５mmの試験片を使用
し、室温状態から高周波誘導加熱により750℃ま
で昇温し、次に水冷によつて室温まで冷却すると
いう昇降温を1500回繰り返すことによつて各試験
片に生ずる最大ヒートチエツク深さを調べること
により求めた。この結果は第１図に示すとおりで
あつた。また、耐衝撃性に及ぼすSiの影響は、JIS3号衝
撃試験片を使用し、試験温度を室温として各供試
鋼の衝撃値を求めた。この結果は第２図に示すと
おりであつた。第１図および第２図に示すとおり、Si含有量約
0.10重量％を境として最大ヒートチエツク深さが
小さくなると共に衝撃値が向上し、熱間工具鋼中
に含まれるSi含有量を0.10重量％未満とすること
によつて従来の熱間工具鋼における耐ヒートチエ
ツク性および耐衝撃性に代表される機械的特性を
かなり向上させることができ、熱間工具鋼の熱衝
撃によるヒートチエツクの発生とその伝播に関す
る抵抗性を著しく向上させ、耐摩耗性と耐割れ
性、耐チツピング性という相反する特性を改善す
ることができることがわかつた。そして、引続いて上述した低Si熱間工具鋼の靭
性に及ぼす添加元素の影響をさらに調べ、特に
Ca、Mg、Al、Ｂ、REM（希土類元素）の影響を
調べることとした。そこで、この調査に際しては、熱間工具鋼とし
てJIS SKD61を選び、この鋼を50Kgｆ真空誘導
炉で溶製してこの鋼中のSi含有量を変えると共
に、各々の鋼中にCa、Mg、Al、Ｂ、REMのう
ちから選ばれた１種以上の元素を第１表に示す値
で含有させ、その後造塊して直径20mmの棒材に鍛
伸し、次に各棒材からJIS3号試験片に準じた衝撃
試験片を作製して室温において衝撃試験を行つ
た。この結果を第３図に示す。

【表】第１表および第３図に示すように、低Si熱間工
具鋼中にCa、Mg、Al、Ｂ、REMのうちの１種
以上を適量含有させた場合には、低Si熱間工具鋼
の耐衝撃性をさらに向上できることを新規に見い
出した。次に、この発明による熱間工具鋼の成分範囲
（重量％）の限定理由について説明する。Ｃ：0.15％以上0.80％以下Ｃは熱間工具鋼として必要な硬さおよび耐摩耗
性を確保するのに有効な元素であつて、このよう
な効果を得るためには0.15％以上含有させること
が必要である。しかし、多すぎると靭性および加
工性が低下するので0.80％以下とした。 Si：0.10％未満 Siは従来のSKD61等の熱間工具鋼では溶製時
の脱酸効果を得るほか、熱間強度および耐ヒート
チエツク性を向上させるためにむしろ積極的に添
加していたが、本発明者らはこのような既成概念
にとらわれることなく前述したとおりこのSi含有
量を規制する種々の実験を行つた結果、これによ
つて縞状偏析をなくすことにより熱間工具鋼の熱
衝撃によるヒートチエツクの発生とその伝播に関
する抵抗性を著しく向上させることができ、耐摩
耗性と耐割れ性、耐チツピング性という相反する
特性を同時に満足させることができることが確か
められたので、Si含有量を0.10％未満に規制し
た。 Mn：3.0％以下 Mnは鋼の溶製時において脱酸および脱硫作用
を有する元素であると共に焼入性の向上にも寄与
する元素であるので、溶製手段等に応じて適宜添
加するのもよい。しかし、多すぎると靭性や加工
性を劣化するので3.0％以下とする必要がある。 Ni：4.0％以下、Cr：10.0％以下、Cu：3.0％以下
のうちの１種または２種以上 Ni、Cr、Cuはいずれも基地を強化して熱間工
具鋼の強度とくに高温強度、耐衝撃性、耐ヒート
チエツク性を高め、従来よりも低Siとしたときで
も優れた熱間強度を確保するのに有効な元素であ
つて、このような効果を得るためにこれらの１種
または２種以上を添加する。また、Ni、Crは焼
入性の向上にも寄与すると共に、Crは炭化物の
形成によつてまたCuは析出硬化によつてそれぞ
れ耐摩耗性の向上にも寄与する元素である。しか
しながら、多量に添加すると靭性や加工性を低下
するので、Niについては4.0％以下、Crについて
は10.0％以下、Cuについては3.0％以下とする必
要がある。 Mo：5.0％以下、Ｗ：5.0％以下、Ｖ：3.0％以
下、Ti：1.0％以下、Nb（一部Taに置換される場
合も含む）：1.0％以下、Zr：1.0％以下、Co：5.0
％以下のうちの１種または２種以上 Mo、Ｗ、Ｖ、Ti、Nb、Zr、Coはいずれも炭
化物を形成し、熱処理硬さを増大して、耐摩耗性
を向上させるのに有効な元素であり、またNb、
Ti、Zrは上記のほか結晶粒を微細化して靭性を
確保し、耐衝撃性を向上させるのに有効な元素で
あり、低Siとしたときでも優れた熱間強度を確保
するのに有効な元素群であるのでこれらの１種ま
たは２種以上を必須元素として添加する。しかし
ながら、多量に添加すると、製造性が悪化すると
共に靭性が低下し、また地疵も多くなるので、
Moについては5.0％以下、Ｗについては5.0％以
下、Ｖについては3.0％以下、Tiについては1.0以
下、Nbについては1.0％以下、Zrについては1.0
％以下、Coについては5.0％以下とする必要があ
る。Ca：0.0005％以上0.010％以下、Mg：0.001
％以上0.50％以下、Al：0.001％以上0.10％以下、
Ｂ：0.0005％以上0.010％以下、REM：0.0005％
以上0.40％以下のうちの１種または２種以上 Ca、Mg、Al、Ｂ、REM（希土類元素の１種ま
たは２種以上）は前述したように低Si熱間工具鋼
の靭性をさらに高め、特に耐衝撃性をかなり向上
させるのに有効な元素であるのでこれらの１種ま
たは２種以上を添加する。この場合、Ca、Mg、
REMは特に脱酸および鋼中介在物の形態制御に
よつて鋼の靭性を高め、Al、Ｂは鋼中のＮを
AlN、BNの形で固定してＮの悪影響をなくすと
共に、Alは脱酸強化および結晶粒粗大化防止に
も寄与することによつて鋼の靭性を高める効果が
あり、従来の熱間工具鋼において得ていたSiによ
る脱酸効果を本発明熱間工具鋼において低Siとし
たことによりこれらの元素群で肩代りさせる効果
がある。そして、このような効果を得るために
は、Caは0.0005％以上、Mgは0.001％以上、Alは
0.001％以上、Ｂは0.0005％以上、REMは0.0005
％以上含有させることが必要である。しかし、多
量に含有すると鋼の靭性や加工性を劣化させるの
で、Caについては0.010％以下、Mgについては
0.50％以下、Alについては0.10％以下、Ｂについ
ては0.010％以下、REMについては0.40％以下と
する必要がある。Ｓ：0.03％以上0.20％以下、Se：0.03％以上
0.20％以下、Te：0.01％以上0.15％以下、Bi：
0.02％以上0.15％以下、Pb：0.03％以上0.20％以
下のうちの１種または２種以上Ｓ、Se、Te、Bi、Pbはいずれも鋼の被削性を
向上させるのに有効な元素であり、所定の工具、
金型等の形状に加工する際の切削性を高めるため
に必要に応じてこれらの１種または２種以上を添
加するのが良いが、この場合、上述した効果を得
るためには、Ｓは0.03％以上、Seは0.03％以上、
Teは0.01％以上、Biは0.02％以上、Pbは0.03％以
上添加する必要がある。しかし、多量に添加する
と靭性を害したり加工性を低下させたりするの
で、Ｓについては0.20％以下、Seについては0.20
％以下、Teについては0.15％以下、Biについて
は0.15％以下、Pbについては0.20％以下とする必
要がある。以下、この発明の実施例を比較例とともに説明
する。まず、第２表に示す化学成分の鋼（No.１〜24の
うち奇数番号は比較鋼、偶数番号は本発明鋼、No.
２′，１４′，１８′，２４′は従来鋼）を溶製した
のち造塊した。なお、第２表において、供試鋼No.
１，２およびNo.１７，１８は基本成分をJIS
SKT4に対応させ且つ低Siとしたものであり、No.
３，４、No.１１，１２およびNo.２３，２４は基本
成分をSKD61に対応させ且つ低Siとしたもので
あり、No.５，６およびNo.１３，１４は基本成分を
SKD8に対応させ且つ低Siとしたものであり、No.
７，８、No.１５，１６およびNo.１９，２０は基本
成分を3Ni−3Mo系鋼に対応させ且つ低Siとした
ものであり、No.９，１０およびNo.２１，２２は基
本成分を高強度熱間工具鋼として使用されている
セミハイス系鋼に対応させ且つ低Siとしたもので
ある。また、No.２′，１４′，１８′，２４′は各々
No.２，１４，１８，２４の鋼に対応させかつSi含
有量を脱酸に有効な量とした従来鋼である。

【表】

【表】次に、上記により得られた各鋼塊に対し、鍛錬
比６〜７程度に鍛造したのち、焼入れ焼もどし熱
処理を行つて各供試鋼の耐衝撃性とその異方性な
らびに耐ヒートチエツク性について調べた。この
とき、焼入れ焼もどし熱処理は、第３表に示す焼
入れ（Ｈで示す）および焼もどし（Ｔで示す）条
件で行い、同じく第３表に示す硬さの試験片を用
いて行つた。そして、耐衝撃性試験はJIS3号試験
片とし、試験温度は室温として行つた。この結果
を同じく第３表に示す。一方、耐ヒートチエツク
性試験は、直径15mm、厚さ５mmの試験片とし、室
温で高周波誘導加熱により750℃まで加熱し、そ
の後室温まで水冷する昇温冷却の繰返しを1500回
行つて最大ヒートチエツク深さを測定することに
より行つた。この結果を同じく第３表に示す。

【表】

【表】第３表に示すように、各々同一系の鋼種におい
て、Si含有量を0.10重量％未満に低減させた本発
明鋼は、Si含有量が脱酸に有効な量である従来鋼
よりも衝撃値が高くなつており、かつまたCa、
Al、Ｂ、REMの１種以上を適宜添加した本発明
鋼はいずれもこれらを含有しない比較鋼よりもさ
らに衝撃値が高くなつており、また鍛造方向によ
る衝撃値の異方性についてもよりすぐれた結果が
得られていることが明らかである。さらに耐ヒー
トチエツク性についても本発明鋼は同一系の鋼種
においていずれも従来鋼に比べて最大ヒートチエ
ツク深さが小さくなつており、かつまた比較鋼に
比べても最大ヒートチエツク深さが小さくなつて
いることが明らかである。このように、本発明鋼は、従来の熱間工具鋼に
おいて脱酸、熱間強度および耐ヒートチエツク性
向上のためにSiをむしろ積極的に添加していたと
いう既成概念をくつがえしてこの種の熱間工具鋼
におけるSi含有量を少なく規制すると同時に低Si
としたことによる脱酸性の低下を他の合金元素
（Ca、Mg、REM、Al等）を添加することにより
補い、かつまた低Siとしたことによる熱間強度の
低下を他の合金元素（Mo、Ｗ、Co等）を添加す
ることによつて補うことによりバランスさせるよ
うにしたものであるから、従来および比較例の熱
間工具鋼よりもさらに耐衝撃性および耐ヒートチ
エツク性に代表される機械的特性に優れたもので
あり、熱間工具鋼の熱衝撃によるヒートチエツク
の発生とその伝播に関する抵抗性を向上させるこ
とができ、耐摩耗性と耐割れ性、耐チツピング性
という相反する特性を同時に改善することがで
き、従来の場合よりも工具や金型等の寿命を大幅
に増大させることができ、あるいはより厳しい条
件の加工を行う工具や金型の素材として使用する
ことができるものである。次に、第２表に示す鋼の中から供試鋼No.１〜10
を選んでこれらを素材として第４表に示す型打部
品の鍛造用金型を製作することにより型打鍛造を
行い、各金型の耐久性について調べた。これらの
結果を同じく第４表に示す。なお、第４表におい
て、金型の耐久性は、各々比較鋼を素材とする金
型を１とし、これを基準に本発明鋼を素材とする
金型の耐久性を表わしている。

【表】第４表に示すように、本発明鋼を素材とする金
型はいずれも比較鋼を素材とする金型よりも耐久
性に優れていることが明らかであつた。以上説明してきたように、この発明による熱間
工具鋼は、重量％で、Ｃ：0.15％以上0.80％以上、 Si：0.10％未満、 Mn：3.0％以下、およびNi：4.0％以下、Cr：10.0％以下、Cu：
3.0％以下のうちの１種または２種以上、さらにMo：5.0％以下、Ｗ：5.0％以下、Ｖ：
3.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、
Zr：1.0％以下、Co：5.0％以下のうちの１種また
は２種以上、さらにCa：0.0005％以上0.010％以下、Mg：
0.001％以上0.50％以下、Al：0.001％以上0.10％
以下、Ｂ：0.0005％以上0.010％以下、REM（希土
類元素の１種または２種以上）：0.0005％以上、
0.40％以下のうちの１種または２種以上、さらに必要に応じて、Ｓ：0.03％以上0.20％以
下、Se：0.03％以上0.20％以下、Te：0.01％以上
0.15％以下、Bi：0.02％以上0.15％以下、Pb：
0.03％以上0.20％以下のうちの１種または２種以
上、残部Feおよび不純物よりなり、低Siと他の合
金元素添加とのバランスをはかるようにしたもの
であるから、従来の熱間工具鋼に比較して靭性と
くに耐衝撃性および耐ヒートチエツク性に代表さ
れる機械的特性に著しく優れたものであり、熱衝
撃によるヒートチエツクの発生とその伝播に関す
る抵抗性を著しく向上させることができ、耐摩耗
性と耐割れ性、耐チツピング性という相反する特
性を同時に改善することが可能であり、近年増々
要求されるプレス加工や鍛造加工等の際の加工度
の増大に十分対処することが可能であつてこれら
の加工に用いられる工具および金型等の素材とし
て好適であり、工具および金型寿命の延長ならび
にこれに基づく工具および金型コストの低減をは
かることが可能であり、基本成分に対して被削性
向上元素を添加することによつて工具および金型
寸法精度の向上ならびにこれに基づく工具および
金型コストの低減をはかることが可能であるとい
う非常に優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は熱間工具鋼におけるSiの
各々耐ヒートチエツク性および耐衝撃性に及ぼす
影響を調べた結果の一例を示すグラフ、第３図は
低Si熱間工具鋼にCa、Mg、Al、Ｂ、REMのう
ちの１種以上の元素を添加した場合の耐衝撃性に
及ぼす影響を調べた結果の一例を示すグラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で、Ｃ：0.15％以上0.80％以下、 Si：0.10％未満、 Mn：3.0％以下、およびNi：4.0％以下、Cr：10.0％以下、Cu：
3.0％以下のうちの１種または２種以上、さらにMo：5.0％以下、Ｗ：5.0％以下、Ｖ：
3.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、
Zr：1.0％以下、Co：5.0％以下のうちの１種また
は２種以上、さらにCa：0.0005％以上0.010％以下、Mg：
0.001％以上0.50％以下、Al：0.001％以上0.10％
以下、Ｂ：0.0005％以上0.010％以下、REM：
0.0005％以上0.40％以下のうちの１種または２種
以上、残部Feおよび不純物よりなることを特徴とす
る耐ヒートチエツク性および耐衝撃性に優れた熱
間工具鋼。２重量％で、Ｃ：0.15％以上0.80％以下、 Si：0.10％未満、 Mn：3.0％以下、およびNi：4.0％以下、Cr：10.0％以下、Cu：
3.0％以下のうちの１種または２種以上、さらにMo：5.0％以下、Ｗ：5.0％以下、Ｖ：
3.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、
Zr：1.0％以下、Co：5.0％以下のうちの１種また
は２種以上、さらにCa：0.0005％以上0.010％以下、Mg：
0.001％以上0.50％以下、Al：0.001％以上0.10％
以下、Ｂ：0.0005％以上0.010％以下、REM：
0.0005％以上0.40％以下のうちの１種または２種
以上、さらにＳ：0.03％以上0.20％以下、Se：0.03％
以上0.20％以下、Te：0.01％以上0.15％以下、
Bi：0.02％以上0.15％以下、Pb：0.03％以上0.20
％以下のうちの１種または２種以上、残部Feおよび不純物よりなることを特徴とす
る耐ヒートチエツク性および耐衝撃性に優れた熱
間工具鋼。