JPH04358040A

JPH04358040A - 熱間工具鋼

Info

Publication number: JPH04358040A
Application number: JP13104591A
Authority: JP
Inventors: Isao Tamura; 庸田村; Toshio Okuno; 奥野　利夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1992-12-11

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ハンマ金型、プレス金
型等比較的大寸法の熱間加工用金型に好適の熱間工具鋼
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から上記の比較的大寸法の熱間加工
金型用の用途には、靭性の優れるＳＫＴ４に代表される
ＳＫＴ系の熱間工具鋼を、予め焼入れ焼もどし硬さをＨ
ＲＣ４０前後とした後、型彫り加工を行なった金型が使
用されてきた。近年の鍛造技術の進歩に対応した型材の
高性能化に関する提案が、特開昭５０−１４５２６号、
特開昭５３−８０３１８号等に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記用途の
型材の耐久性能の高度化というより、むしろ鍛造業者の
型材の使い勝手を主要課題として、従来鋼ＳＫＴ系の熱
間工具鋼の問題点を解決することを目的とするものであ
る。すなわち、（１）　　型材の被切削性を高め、金型
の加工能率向上による金型費の低減、金型納期の短縮を
実現すること、（２）　　型材の耐割れ性の安定度を高
め、金型の突発的破損を防止して、鍛造機械の自動化に
よる無人化や、安定した生産計画が組めるようにするこ
と、を主目的としたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】まず、前記（１）の問題
を解決するために、ＳＫＴ系の熱間工具鋼の被切削性に
及ぼす組成要因、組織要因を詳細に検討した。その結果
、ＳＫＴ系の鋼種は、大寸法の型材についても優れた靭
性を付与する目的で、焼入性を重視して、使用硬さ（Ｈ
ＲＣ４０前後）に見合うＣ量に対し過剰のＣが含有され
ていること、この結果、基地中に分布する炭化物が多過
ぎ、被切削性に不利な組織であることが判明した。そこ
で本発明は、炭化物量を適度に調整するためにＣ量を低
めとし、これによる焼入性低下を他の元素で補うことと
した。次に、前記（２）の問題を解決するために、熱間
鍛造型の型打時に割れを生じた状況とその原因について
克明に調査した。その結果、割れは応力集中をともなう
コーナＲ部を起点とする場合がほぼ全数を占め、特に、
早期割れを生じた型の破面を詳細に観察したところ、起
点に帯状の光沢模様が認められる場合の割合が大きいこ
とが判明した。この原因を確認するために以下に述べる
実験を行なった。本発明が対象としている大寸法の鍛造
用型材は大型鋼塊より製造されるが、大型鋼塊の場合、
鋼塊の特定の部位に逆Ｖ偏析と呼ばれる組成的に正偏析
となる偏析帯が生ずる。この偏析帯は、熱間加工された
型材を、マクロ試験を行なうことにより確認することが
できる。前記熱処理状態で、この逆Ｖ偏析帯がノッチ底部に位置
するように衝撃試験片を採取し、他の位置から採取した
試料の衝撃値と比較したところ、前者は後者に比し１／
２以下の低値であった。さらに、この試験片の破面を確
認したところ、前記早期割れの型の破面と同一形状の帯
状の光沢模様が認められた。

【０００５】このように、大型鋼塊により製造された型
材には、局部的に、Ｃ，Ｍｏ，Ｖ等の合金元素が富化し
た耐割れ感受性の高い部分が存在し、これが、偶然、型
のコーナＲ部のような応力集中を伴う箇所に合致すると
、金型は早期割れを生ずることを見出した。一方、従来
から逆Ｖ偏析低減に関する提案、検討は数多くなされて
いる（代表例としては拝田他：鉄と鋼６７（１９８１）
Ｎｏ．７　Ｐ１１４）が、本発明者らはＳＫＴ系の鋼種
の場合、従来の知見とは異なり、Ｎｉを１．３％未満に
制限することにより、この偏析の低減が可能であり、か
つこの低減は大幅であることを見出し、本願で低Ｎｉ化
を提案するものである。以上のように本発明は、型材の
被切削性と、耐割れ感受性の低減と安定性を高めるため
、ＳＫＴ系の熱間工具鋼のＣ量を低めに、かつ、Ｎｉ量
を１．３％未満に設定することを基本とし、これによる
焼入性の低下を補うために、ＷおよびＭｏ量を適正値と
しつつ、Ｃｒ量を増量するもので、さらには必要により
ＮｂやＢを添加して結晶粒微細化効果を与え、衝撃遷移
温度を低下させて耐割れ性を高め、また、Ｃｏ添加によ
り、金型表面に酸化被膜を形成して、主に耐ヒートクラ
ック性を向上するものである。すなわち本発明は、重量
％で、Ｃ　０．４５％を越え０．５０％未満、Ｓｉ　１
．５％以下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ　０．５％以上１．３
０％未満、Ｃｒ　１．２％を越え２．５０％未満、Ｗ，
Ｍｏの一種または二種を１／２Ｗ＋Ｍｏで０．２５〜２
．５％、Ｖ　０．２０％未満、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼、ならびに
重量％で、Ｃ　０．２５％以上０．５０％未満、Ｓｉ　
１．５％以下、Ｍｎ　２％以下、Ｎｉ　０．５％以上１
．３０％未満、Ｃｒ　１．２％を越え２．５０％未満、
Ｗ，Ｍｏの一種または二種を１／２Ｗ＋Ｍｏで０．２５
〜２．５％、Ｖ　０．２０％未満、さらにＮｂ　０．０
１〜０．２０％、およびＢ　０．０００１〜０．０２０
％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼、または前
記のＮｂとＢに換えて、もしくは複合してＣｏを０．５
〜５．０％添加したものである。プレス型は、一般に大
形となる場合が多く、Ｃ量は焼入れ性の点からあまり低
下できず、本願の第１発明鋼が推奨される。これに対し
、比較的小形のハンマ型では、焼入性からの制限は相対
的に低く、耐ヒートチェック性、耐摩耗性等他の特性に
重点を置いて、第１〜第４発明鋼から選定する。

【０００６】

【作用】次に本発明鋼の各添加元素の成分範囲の限定理
由について述べる。Ｃは、焼入性を付与するために添加
される。また、焼もどし硬さ、および高温硬さを維持し
、またＷ，Ｍｏ，ＶおよびＣｒなどの炭化物形成元素と
結合して炭化物を形成し、結晶粒の微細化、耐摩耗性、
焼もどし軟化抵抗、高温硬さを与えるために添加するも
のである。多すぎると、過度の炭化物が基地中に分布す
るため被切削性を低下させるので、０．５０％未満とす
る。このとき、焼入性や靭性を向上させる他の元素の添加量
とのバランスで０．２５％以上、または型が大形で焼入
れ性が問題となるプレス型等では０．４５％を越えてそ
れぞれ添加する。Ｓｉは、用途に応じた耐酸化性を付与
するため添加される。多すぎると熱伝導率を低下させる
ので１．５％以下とする。Ｍｎは、焼入れ性を向上させ
るが、多すぎるとＡ１変態点を過度に低下させ、焼なま
し硬さを過度に高くし、被切削性を低下させるので２．
０％以下とする。Ｎｉは、Ｃ，Ｃｒとともに優れた焼入性を付与し、緩や
かな焼入れ冷却速度の場合にも、マルテンサイト主体の
組織を形成し、靭性の低下を防止するための重要な添加
元素である。また基地に本質的な靭性改善作用を与える
。Ｎｉは上記効果を得るために０．５％以上添加されるが
、逆Ｖ偏析を生成させやすくなる。１．３％未満の添加
量で明らかな逆Ｖ偏析低減効果が認められたため、添加
量を１．３％未満とする。

【０００７】Ｃｒは、適正な添加量の設定により、焼も
どし軟化抵抗および高温強度の向上、Ｃと結合して炭化
物を形成することによる耐摩耗性の向上および迅速窒化
性付与の効果を有するものである。さらにＣｒはＣ，Ｎ
ｉとともに優れた焼入れ性を付与する。一方、ＣやＮｉ
のように被切削性や、偏析品位を低下させないので、Ｃ
，Ｎｉを低めに抑えた場合に焼入れ性を補うために１．
２％を越え２．５０％以下の範囲で従来のＳＫＴ系より
高く添加する。Ｗ，Ｍｏは、焼入れ加熱時、基地に固溶
しにくい炭化物を形成して耐摩耗性向上に効果をもたら
すものであり、また焼もどし時微細な炭化物を析出して
軟化抵抗、高温強度を増加させる効果を有するものであ
る。Ｗ，Ｍｏは上記の効果を得るために添加されるもの
であるが、多すぎるとＣ量との関係において炭化物量が
過度に大となりこれが熱間加工方向に紐状に整列し、熱
間加工方向へのクラックが伸展しやすくなり、また焼も
どし時に析出する微細炭化物量が過度に大となり靭性を
低下させるため、１／２Ｗ＋Ｍｏで２．５％以下とし、
低すぎると上記添加の効果が得られないので０．２５％
以上とする。Ｖは結晶粒を微細化して靭性を向上させる
。多すぎると巨大な炭化物を生成し、熱間加工方向に沿
う紐状炭化物の分布傾向を増大させ、同方向に沿うクラ
ックの伸展を助長するため、０．２０％未満とする。

【０００８】Ｎｂは後述のＢと同様に結晶粒の微細化効
果をもたらし、本発明鋼の靭性の向上をもたらすもので
、この目的のために０．０１％以上の添加を行なう。多
量の添加は必要なく、溶製、造塊時の製造性を考慮して
０．２０％以下とする。ＢはＮと結びつき、組織中に微
細に析出する。この析出物は焼入れ加熱時に固溶せず、
熱処理組織のオーステナイト結晶粒の微細化効果をもた
らし、本発明鋼の靭性向上に寄与するもので、この目的
のために添加を行なう。多量の添加は必要なく、上記の
目的のために０．０００１％以上０．０２０％以下添加
する。ＮｂとＢはそれぞれ単独または複合して添加する
。Ｃｏは使用中の昇温時、極めて緻密で密着性の良い保
護酸化皮膜を形成し、これにより相手材との間の金属接
触を防ぎ、金属表面の温度上昇を防ぐとともに優れた耐
摩耗性をもたらすものである。また、この酸化皮膜形成
による断熱効果、保護作用による耐ヒートクラック性の
向上、クラック発生の起点の生成の抑制などの効果が得
られるものである。Ｃｏは上記効果を付与するために添
加するが、多すぎると靭性を低下させるので５．００％
以下とし、低すぎると上記の添加の効果が得られないの
で０．５０％以上とする。Ｐ，Ｓは不純物であり、それ
ぞれ０．０２０％以下、０．００５％以下でその影響が
大きくなるから、これ以下に制限するのがよい。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。表
１に本発明鋼、従来鋼（ＪＩＳ　ＳＫＴ４）、比較鋼の
各供試材の化学成分を示す。以下の各表の試料Ｎｏは表
１のそれとそれぞれ対応する。各試料とも所定の同一サ
イズの鋼塊から熱間加工により、３５０ｍ角の鋼材を得
、これを８７０℃でオーステナイト化のち油冷焼入れし
、６００℃で焼もどしを行なって、中心部の硬さを測定
したところ、いずれの試料もＨＲＣ４０以上の硬さが得
られた。以下に述べる試料は、焼もどし硬さを約ＨＲＣ
４０とするごとく焼もどしして、試験に供した。

【００１０】

【表１】

【００１１】

【表２】

【００１２】

【表３】

【００１３】

【表４】

【００１４】表２に、被切削性試験結果を示す。試験は
、高速度工具鋼製エンドミルにて、切削速度　１１．６
ｍ／ｍｉｎ、送り　０．０４ｍｍ／刃、切込み　２ｍｍ
×１０ｍｍで湿式切削を１ｍ行なった後のエンドミルの
刃先摩耗量で比較を行なった。本発明鋼は、いずれも１
ｍ切削時点でのエンドミルの摩耗量が、従来鋼の０．３
５ｍｍに対し０．２１〜０．２６ｍｍと少なく、工具寿
命を伸ばすこと、または、切削速度、送りまたは切込み
を大きくして、従来鋼より高能率の切削加工作業を行な
うことができることがわかる。これは主にＣを低減する
と共に、その焼入性低下をＣｒを増量して補ったことに
よる効果である。図１および図２に従来鋼の３５０ｍｍ
角の鋼材をマクロ試験を行なって現出させた逆Ｖ偏析の
分布状態のスケッチ図（図１は平面図、図２は図１の１
−１′断面図）である。図２中のａは、逆Ｖ偏析の腐食
班点部分が、ノッチ底に位置するように、衝撃試験片を
採取した様子を示すものである。図３に本発明鋼１のマ
クロ試験結果（平面図）を示す。若干の逆Ｖ偏析が認め
られるが、粒状に発生した径が小さく、また発生位置の
分布域が小さくなっていることがわかる。

【００１５】表３に逆Ｖ偏析位置の衝撃値ａ（従来鋼に
ついては前述、比較鋼２については従来鋼と同様、本発
明鋼および比較鋼１については、逆Ｖ偏析の腐食班の最
も密集した部分がノッチ底位置となるごとく試片を採取
）と鋼材の外周部の衝撃値ｂと同部分の結晶粒度ｂおよ
び中心部の衝撃値ｃを示す。本表から、Ｎｉ含有量が高
い従来鋼および比較鋼２の逆Ｖ偏析位置の衝撃値が外周
部位置と比べ著しく低値であること、本発明鋼では、い
ずれも上記逆Ｖ偏析位置での衝撃値の外周部位置に対す
る低下は、ほとんど見られないことがわかる。これはＮ
ｉを１．３％未満に制限し、偏析を低下させたことによ
るものである。また、本発明鋼３〜６および８，９の衝
撃値ｂが高いのは、該部分でのオーステナイト結晶粒が
、該表に結晶粒度ｂとして示すように、いずれも同じ焼
入温度（８７０℃）で本発明鋼１，２，７および従来鋼
，比較鋼１，２のＪＩＳ粒度Ｎｏが６．０〜７．０であ
ったのに対し、ＮｂまたはＢを添加した本発明鋼３〜６
および８，９はすべて８以上と小さいためである。表３
には上記のように、中心部の衝撃値（衝撃値ｃ）も併せ
て示した。中心部の焼入冷却速度は、表面部に比べ緩やかとなるが
、衝撃値の低下は、従来鋼と同様の傾向で著しいもので
なく、靭性面に関する焼入性も十分備えていることがわ
かる。これは主に、Ｃｒを１．２％を越えて増量した効
果によるものである。これに対し、比較鋼１は焼入性不
足により低衝撃値となっている。

【００１６】表４に、本発明鋼、従来鋼および比較鋼の
高温焼付試験における焼付臨界荷重（比）を示す。試料
は円筒状試料で、全表面は研磨仕上後、５５０℃におけ
る空気酸化処理を行なった。これを７００℃に加熱した
ＳＣＭ４１５鋼材に、高速で回転しながら端面を押し付
けた場合に焼付が起らない最大荷重（臨界荷重）を、従
来鋼（ＳＫＴ４）の焼付臨界荷重を１００として指数で
示したものである。本発明鋼のうち１〜４，６，９は、
基地中に分布する炭化物の量を減らしているが、Ｎｉを
低く抑えＡ１変態点が高めであることから、従来鋼に比
べ若干焼付臨界荷重が大きいが、Ｃｏを添加した本発明
鋼５，７，８は酸化皮膜特性の改善効果により、明らか
に従来鋼より耐焼付性が優れている。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明鋼は、従
来のＳＫＴ系の型材より被切削性に優れ、かつ局所的に
靭性値の低いことがないので、型加工のコスト低減と型
寿命の安定化をもたらす。しかもＳＫＴ系の型材の特徴
である高靭性、高焼入性を損なうことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較鋼のマクロ試験によって現出した逆Ｖ偏析
の発生状況を示す平面スケッチ図である。

【図２】図１の１−１′断面のスケッチ図で、併せ衝撃
試験片ｂの採取の様子を示す図である。

【図３】本発明鋼１のマクロ試験による偏析の発生状況
を示す平面スケッチ図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％で、Ｃ　０．４５％を越え０．
５０％未満、Ｓｉ　１．５％以下、Ｍｎ　２％以下、Ｎ
ｉ　０．５％以上１．３０％未満、Ｃｒ　１．２％を越
え２．５０％未満、Ｗ，Ｍｏの一種または二種を１／２
Ｗ＋Ｍｏで０．２５〜２．５％、Ｖ　０．２０％未満、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とす
る熱間工具鋼。
【請求項２】　　重量％で、Ｃ　０．２５％以上０．５
０％未満、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ　２％以下、Ｎｉ　
０．５％以上１．３０％未満、Ｃｒ　１．２％を越え２
．５０％未満、Ｗ，Ｍｏの一種または二種を１／２Ｗ＋
Ｍｏで０．２５〜２．５％、Ｖ　０．２０％未満、さら
にＮｂ　０．０１〜０．２０％、およびＢ　０．０００
１〜０．０２０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅ
および不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工
具鋼。
【請求項３】　　重量％で、Ｃ　０．２５％以上０．５
０％未満、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ　２％以下、Ｎｉ　
０．５％以上１．３０％未満、Ｃｒ　１．２％を越え２
．５０％未満、Ｗ，Ｍｏの一種または二種を１／２Ｗ＋
Ｍｏで０．２５〜２．５％、Ｖ　０．２０％未満、Ｃｏ
　０．５〜５．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物か
らなることを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項４】　　重量％で、Ｃ　０．２５％以上０．５
０％未満、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ　２％以下、Ｎｉ　
０．５％以上１．３０％未満、Ｃｒ　１．２％を越え２
．５０％未満、Ｗ，Ｍｏの一種または二種を１／２Ｗ＋
Ｍｏで０．２５〜２．５％、Ｖ　０．２０％未満、さら
にＮｂ　０．０１〜０．２０％とＢ０．０００１〜０．
０２０％の１種または２種およびＣｏ　０．５〜５．０
％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする熱間工具鋼。