JPH0468377B2

JPH0468377B2 -

Info

Publication number: JPH0468377B2
Application number: JP1269043A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ito; Yoshitomo Hitachi; Noryoshi Shibata; Takeshi Kato
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1992-11-02
Also published as: JPH02138439A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

本発明は、成形用工具を製造するための工具鋼
の改良に関する。

【従来の技術】

工具鋼の用途を大別すると、(イ)作業用治工具
（ゲージ、ペンチ、スパナなど）、(ロ)切削用工具
（バイト、エンドミルなど）および(ハ)成形用工具
（金型、パワチなど）の３種になる。一般に工具
鋼は、高い靭性と耐摩耗性をもつべきことはいう
までもないが、とくに上記(ハ)の成形用工具は、製
品の寸法が大であり、かつ使用中の応力と熱負荷
が大きく、その加わり方も複雑であつて材料の物
性の限界に近い苛酷な条件下に使用されるため、
材料に対する強靭さと均質性の要求はきびしく、
(イ)とは比較にならないレベルである。この靭性に
関しては、異方性が小さいことが望ましい。さら
に、型用鋼、たとえば型打鍛造の金型の材料にす
るものは、被削性もすぐれていることが必要であ
る。従来、鋼の被削性を向上させるために、Ｓ、
Se、Te、あるいはBi、Caなどの元素を添加する
ことが行なわれている。これらは、靭性にとつて
はマイナスにはたらくので、その含有量は適切に
えらばなければならない。Ｓは最も代表的な被削
性改善元素であつて、主としてMnS系の介在物
を形成してこの目的をはたす。しかし、この硫化
物系介在物はその形態が問題であつて、加工によ
り一定方向に延伸された形で存在すると、材料の
機械的性質の異方性を高くし、好ましくない。

【発明が解決しようとする課題】

本発明の目的は、上記のような事情にかんが
み、被削性改善元素としてＳを含有する工具鋼に
おいて、すぐれた被削性を達成しながらも靭性を
中心とする機械的特性の異方性が低く、かつ表面
硬さが高く耐摩耗性のすぐれた材料、とくに成形
用工具のための工具鋼を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

このような要望をみたす本発明の成形用工具の
ための工具鋼は、後記するような工具鋼として必
要な合金元素とともに、Ｓ：0.035〜0.40％およ
びZr：0.001〜0.5％を含有し、残余が実質的にFe
からなる組成を有し、鋼中に存在在する長径2μ
以上の硫化物系介在物のうち、少なくとも80％が
長短径比10以下であつて、Zr（Ｃ、Ｎ）の占める
面積率が0.4％以下であり、硬さがHRC18以上で
あることを特徴とする。工具鋼として必要な合金元素とその添加量につ
いて記せば、代表的にはつぎのようなグループが
挙げられる。 (1) Ｃ：0.15〜0.65％、Si：0.10〜1.5％、Mn：
0.10〜1.5％、Ni：0.2〜3.0％、Cr：0.5〜4.0％、
Mo：0.1〜1.5％およびＶ：0.01〜1.2％この合金成分を含有する鋼は、SKT4および
Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼である。 (2) Ｃ：0.15〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.10〜1.50％、Cr：3.5〜6.0％、Mo：0.3〜5.5
％およびＶ：0.05〜2.0％このグループには、SKD61が含まれる。 (3) 上記(2)のグループの合金元素に加える、
Ni：2.0％以下、Cu2.0％以下、 Co：5.0％以下およびＷ：3.0％以下のいずれか
１種または２種以上このグループに入る鋼は、SKD61に類似の
ものである。 (4) Ｃ：0.20〜0.40％、Si：0.10〜1.5％、Mn：
0.10〜2.0％、Cr：0.5〜3.5％、Ｗ：4.0〜12％お
よびＶ：0.1〜1.0％ SKD5が、このグループに属する。 (5) Ｃ：0.30〜0.50％、Si：0.10〜1.5％、Mn：
0.10〜1.5％、Cr：3.0〜5.0％、Mo：0.2〜2.0
％、Ｗ：3.0％超〜5.0％、Co：1.5〜5.0％ Cr−Mo−Ｗ−Ｖ鋼がこれを該当する。 (6) Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.10〜2.0％、Cr：3.0〜5.0％、Mo：3.5〜5.5
％、Ｗ：1.5〜6.5％およびＶ：0.5〜2.0％このグループには、ある種の高速度工具鋼が
分類される。

【作用】

一般に被削性と靭性とは両立し難い特性であ
り、両方ともすぐれた工具鋼をつくることは、こ
れまで困難とされていた。発明者らは、適量の被
削性改善元素Ｓに加えて特定量のZrを併用する
ことによつて、硫化物系介在物の形態を調節する
ことを企てて研究した結果、Zrの存在にともな
つて必然的に生成するZr（Ｃ、Ｎ）が被削性を大
いに損なうことを知り、その量を規制することに
よつて、被削性と靭性の両方ともすぐれた工具鋼
を実現することができた。Ｓの含有量0.005〜0.40％は、主として所期の
被削性改善効果が得られる限度と、鋼の清浄度と
の調和により決定されるが、Zr量との関連もあ
る。 Zrの添加量0.001〜0.5％の下限は、前述の硫化
物系介在物の形態調節の作用が認められる最少限
度であり、上限は、Zr（Ｃ、Ｎ）の多量の生成に
もとづく被削性および熱間加工性の低下を避ける
見地からの値である。どちらも、前記のＳ量との
関連において決定された。硫化物系介在物の形態についていえば、これが
鋼の機械的性質の異方性に大いに影響することは
知られているが、工具鋼とくに型用鋼の実用特性
とくに靭性との関係は未知であつたので、発明者
らは多数の実験により詳細に調査した。その結
果、硫化物系介在物のうち長径2μ以上の大型の
ものが強度異方性を左右すること、大型であつて
も長短径比が10以内で極端に展伸されていないな
らば実質上悪影響はないこと、そしてこのような
大型であまり長くない硫化物系介在物が全硫化物
系介在物中の個数にして80％以上の大勢を占めて
いれば、実用上望ましい等方性が実現することを
見出したわけである。鋼中の硫化物系介在物（主としてMnS）が、
加工により展伸されてひも状になりやすいことは
すでに知られているが、Zrを含有する鋼におい
ては、ZrがMnS中に固溶し、その結果、硫化物
系介在物は比較的よく球形に保たれることを発明
者らは見出した。上記したような硫化物系介在物
の形態は、Ｓ：0.005〜0.4％とZr：0.001〜0.5％
の範囲内の、両者の適切な添加量の組み合わせに
よつて実現する。適切な量比は、実験により容易
に決定できる。 Zr（Ｃ、Ｎ）すなわちZrの炭化物および窒化物
は、きわめて硬いものであるから切削バイトの刃
先を著しく摩耗させ、上述のとおり被削性を損
う。実用上許容できる限度は、鋼材の切断面にお
けるその面積率にして0.40％であることが、発明
者らの研究により明らかになつた。 Zrを添加して利用した上でZr（Ｃ、Ｎ）の面積
率を低く抑えるには、鋼の溶製に当つてこれら炭
窒化物の生成を避けるよう配慮すべきである。
Zrは活性の強い金属であつて、Ｎ、Ｃ、Ｏとく
にＮと結合しやすいから、添加時に大気中のN₂
と反応しないよう、ArをキヤリアガスとするZr
粉末のランスインジエクシヨンのような添加手段
をとることが推奨される。そのほか、工具鋼として必要な添加元素が本発
明の成形用工具鋼において果たすそれぞれの役割
は、従来の工具鋼に関して知られているところと
基本的に異なるものではないが、本発明の特徴と
の関連において、以下に、まず前記各グループの
鋼において共通な点を説明し、次に各グループに
つき個別に説明する。Ｃ：工具鋼とくに型用鋼としての硬さおよび耐摩
耗性を確保するため、使用目的に応じて含有量
をえらぶ。過大な存在は靭性を低下させる。 Si：溶製時の脱酸効果に加えて、基地の強化に役
立つので、本発明の鋼には比較的多量に含有さ
せる。ただし、多すぎれば靭性と高温での軟化
抵抗性を低下させ、地疵を多くする。また、被
削性にとつても好ましくない。 Mn：溶接時の脱酸・脱硫効果のほか、焼入性の
向上に有効であり、これも本発明では比較的多
量に使用する。限界を与えるものは、被削性の
低下と、結晶性の粗大化に起因する靭性の低下
である。 Ni：基地の強靭化と焼入性の確保に効果的であ
り、鋼の用途に応じて必要量添加する。しか
し、被削性の点からは限度がある。 Cr：基地を強化し、焼入性、耐摩耗性、耐酸化
性の確保に役立つから、これも使用目的により
積極的に加える。靭性と被削性の両方への悪影
響が、実用上の限度を画する。 Co：やはり基地の強化、高温での軟化抵抗性を
与える上で有効である。もつとも、あまり多く
添加すると靭性が低くなり、また経済的にも不
利になる。 Mo：ＷおよびＶ：これらはいずれも強力な炭化
物形成元素であつて、耐摩耗性、熱処理硬さお
よび高温での焼もどし軟化抵抗性を得るのに有
用である。これも多量の添加は、靭性を低下さ
せるとともに製造を困難にし、被削性の点から
も実用性を失なわせる。前記した(1)〜(6)のグループに属する各鋼の合金
組成の限定理由は、それぞれつぎのとおりであ
る。（グループ１）このグループの鋼は、主として
熱間鍛造用の金型材料として使用するので、合金
成分の選択と組成範囲は、この用途にかんがみて
定めた。Ｃは、0.15％未満では所要の硬さが得られず、
耐摩耗性に劣る。一方、0.7％を超えては、靭性
が損われる。 Siが0.10％未満では、前記した脱酸および基地
強化の効果が乏しく、1.5％を超えると靭性およ
び被削性が低下する。 Mnは0.10％未満では脱酸および焼入性向上の
効果が微弱であり、1.5％を超えると被削性の低
下と結晶粒の粗大化を招く。 Niは0.20％未満では焼入性向上と基地強化に役
立たず、2.0％を超えると被削性が悪くなる。 Crは0.50％未満では焼入性向上と基地強化の目
的を果せないし、一方で4.0％を超えると、凝固
時に巨大炭化物が析出する（これを消失させるに
は、長時間のソーキングが必要である）。 MoおよびＶがそれぞれの下限値（Moは0.1％、
Ｖは0.01％）に足らない量では、耐摩耗性向上と
高温での焼戻し抵抗性を与えるという意義が乏し
く、上限（Moは1.5％、Ｖは1.2％）を超える過
大な添加は、靭性と被削性を低下させる。（グループ２）このグループの鋼は、鍛造用の
型のほか、より高い高温強度と耐摩耗性を要求さ
れる熱間押出型やダイキヤスト用型にも使用でき
る。Ｃ量の上下限の限定理由は、グループ１の鋼の
それと同じであるが、他の合金成分との関係で添
加量の増大に伴う靭性低下がいつそう深刻なの
で、上限を0.60％に下げた。 SiおよびMnの量の限定理由は、グループ１の
鋼におけるそれらと同じである。 Crの添加は、炭化物を析出させて耐摩耗性を
高めるという狙いから、3.5％と高い下限を採用
した。このほかの作用である焼入性向上や基地強
化を含めて、添加量を増しても効果がそれほど増
大せず靭性や被削性が低下するので、上限は6.0
％に止めた。 MoおよびＶの量の限定理由は、グループ１の
鋼のそれらと同じであるが、高温強度と耐摩耗性
を高く得るため、添加量の範囲は高い側へシフト
している。（グループ３）グループ２の鋼において、いつ
そう高い特性を実現するため、用途に応じて下記
の元素を１種または２種以上添加する。 Niは、焼入性強化と基地強化のため、2.0％以
下を添加する。これを超える添加が靭性を低下さ
せることは、グループ１の鋼に関して記したとこ
ろと同じである。 Cuは、焼戻しによる析出硬化により耐摩耗性
を高める目的で、2.0％以下を添加する。上限を
超える過大な添加は靭性を損う。 Coは、基地の強化と高温における軟化抵抗性
を高めるため5.0％以下の量を添加する。多量に
加えると、靭性を低くするばかりでなく、経済的
にも不利になる。Ｗは、強力な炭化物形成作用を利用して耐摩耗
性を高め、また熱処理硬さと焼戻し軟化抵抗性を
得る目的で加える。３％を超える添加は、鋼の製
造を困難にする。（グループ４）このグループの鋼も、グループ
２および３の鋼と同様な用途に向けることができ
る。Ｃ、SiおよびMnの組成範囲の限定理由は、グ
ループ２の鋼に関して述べたところと同じであ
る。Ｖの組成の限定理由は、グループ１の鋼につい
て記したとおりである。この鋼においては、Cr量を低くし、Ｗ量を多
くした。これは、Ｗの炭化物による耐摩耗性を期
待したからにほかならない。Cr量の限定理由は、
グループ１の鋼のそれと原理的に同じである。Ｗ
量の下限は、炭化物量を確保するという観点から
定めたものであり、上限は製造上の都合、すなわ
ち析出した巨大炭化物を消失させる目的で行なう
ソーキングの時間が、不相当に長くかかることを
避けるという観点から定めた。（グループ５）このグループの鋼は、熱間プレ
ス型が主な用途である。Ｃ、SiおよびMnの組成範囲の限定理由は、グ
ループ２の鋼について記したところと同じであ
り、Cr量の限定理由も、グループ２と同様であ
る。 MoおよびＶの添加量の限定理由は、グループ
１の鋼に関してすでに説明した。 Co量の上限（５％）の限定理由も、グループ
３の鋼のところで説明した。そこでは下限を定め
ていないが、この鋼においては、靭性を高くし、
基地を強化するというCoの作用を十分に得るた
め、1.5％を下限として置いた。（グループ６）このグループの鋼が有用な用途
は、高速度工具と温間鍛造型である。各合金元素の作用と組成範囲の限定理由は、上
記したところ、とくにグループ１の鋼に関する記
述を参照すれば理解されるであろう。この鋼の組
成の特徴は、高速度工具鋼としては比較的低炭素
量でCoを含有しない組成にあるが、グループ１
〜５の鋼との比較においては高炭素量であり、か
つ各種の合金元素を比較的多量含有したものであ
る。本発明の鋼は、上記の各組成においてすでに被
削性のよいことが利点であるが、さらに高度の被
削性を望む場合には、所定量のＳに加えて、
Pb：0.30％以下、Se：0.30％以下、Bi：0.30％以
下、Te：0.15％以下およびCa：0.01％以下の１
種または２種以上を含有させることができる。ま
た、結晶粒を微細化し、靭性を高める目的で、適
量のTiがNbを添加することもできる。

【実施例】

第１表に掲げる合金組成の鋼を溶製した。これ
は、既存の工具鋼と、それを基本組成としＳ量お
よびZr量を調整した本発明の鋼とからなる。各鋼に対し10程度の鍛練比を与えるような鍛造
を行なつてから、一部（No.101〜207）は所要の熱
処理を施し、残りはそのままで、硬さを測定する
とともに、硫化物系介在物とZr（Ｃ、Ｎ）につい
てしらべ、また衝撃試験を行なつた。この衝撃試
験は材料の靭性の異方性をみるためのものであつ
て、試験片は鍛伸方向と直角方向および鍛伸方向
の２種を用意して行ない。衝撃値の縦横比をもつ
て異方性の尺度とした。以上の結果を、第２表にまとめて示す。次に、鋼材に鍛造および熱処理を施して、型彫
加工をした。ただし一部（No.301〜605）は、熱処
理を加工後に行なつた。熱処理の条件は、第３表
に示すとおりである。各鋼について加工性を記録するとともに、でき
あがつた型を使つて実際の型打鍛造を行なつて、
金型の耐久性を評価し、損傷の原因をしらべた。その結果を、型打鍛造の対象製品とともに、第
２表にあわせて示す。型彫加工性は、実用金型への機械加工に際して
の加工しやすさ（工具寿命、切粉の形状など）と
加工所要時間（切削している時間＋工具交換や切
粉処理の時間）をあわせて評価した結果であり、
従来材を基準にとり、数字が小さいほどすぐれて
いることを示す。供試材No.205〜314（実施例）は、No.501および
602（ともに比較例）よりも、型彫加工性と金型耐
久性においてすぐれた結果が得られた。これは、
被削性の硬さがHRC40程度の高硬度においては、
SiおよびＶの量をわずかに低くすることで、被削
性が著しく向上することを示すものである。ま
た、SiおよびＶの量を少なくすることにより、耐
ヒートチエツク性がよくなり、金型耐久性の向上
が実現したことを示すものでもある。このような
理由から、Siは0.10〜0.90％、Ｖは0.05〜0.80％
が、それぞれ好ましい範囲ということになる。

【表】

【表】り展伸されていないものが占める個数の
割合

【表】

【発明の効果】

本発明の成形用工具のための工具鋼は、硫化物
系介在物の形態を規制することによつて、靭性を
中心とする機械的性質の異方性を低くするととも
に、Zr（Ｃ、Ｎ）の面積率を一定限度以下に抑え
ることによつて、被削性をはじめとする加工性を
向上させることができた。従つてこの鋼は、冷間および熱間の型打鍛造用
の金型をはじめとして、打抜き、曲げ、絞り、シ
ヤリング、押出し、転造、さらには圧延など、
種々の成形工程に使用する工具の材料として広い
用途を有する。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.15〜0.65％、Si：0.10〜1.5％、Mn：
0.10〜1.5％、Ni：0.2〜3.0％、Cr：0.5〜4.0％、
Mo：0.1〜1.5％およびＶ：0.01〜1.2％とともに、
Ｓ：0.035〜0.40％およびZr：0.001〜0.5％を含有
し、残余が実質的にFeからなる組成を有し、鋼
中に存在する長径2μ以上の硫化物系介在物のう
ち少なくとも80％が長短径比10以下であつて、
Zr（Ｃ、Ｎ）の占める面積率が0.4％以下であり、
硬さがHRC18以上であることを特徴とする成形
用工具のための工具鋼。２Ｃ：0.15〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.10〜1.50％、Cr：3.5％超〜6.0％、Mo：0.3〜
4.0％およびＶ：0.05〜2.0％とともに、Ｓ：0.035
〜0.40％およびZr：0.001〜0.5％を含有し、残余
が実質的にFeからなる組成を有し、鋼中に存在
する長径2μ以上の硫化物系介在物のうち少なく
とも80％が長短径比10以下であつて、Zr（Ｃ、
Ｎ）の占める面積率が0.4％以下であり、硬さが
HRC18以上であることを特徴とする成形用工具
のための工具鋼。３Ｃ：0.15〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.10〜1.50％、Cr：3.5％超〜6.0％、Mo：0.3〜
4.0％およびＶ：0.05〜2.0％に加えて、Ni：2.0％
以下、Cu：2.0％以下、Co：5.0％以下およびＷ：
3.0％以下のいずれか１種または２種以上ととも
に、Ｓ：0.035〜0.40％およびZr：0.001〜0.5％を
含有し、残余が実質的にFeからなる組成を有し、
鋼中に存在する長径2μ以上の硫化物系介在物の
うち少なくとも80％が長短径比10以下であつて、
Zr（Ｃ、Ｎ）の占める面積率が0.4％以下であり、
硬さがHRC18以上であることを特徴とする成形
用工具のための工具鋼。４Ｃ：0.20〜0.40％、Si：0.10〜1.5％、Mn：
0.10〜2.0％、Cr：1.5〜3.5％、Ｗ：4.0〜12.0％お
よびＶ：0.10〜1.0％とともに、Ｓ：0.035〜0.40
％およびZr：0.001〜0.5％を含有し、残余が実質
的にFeからなる組成を有し、鋼中に存在する長
径2μ以上の硫化物系介在物のうち少なくとも80
％が長短径比10以下であつて、Zr（Ｃ、Ｎ）の占
める面積率が0.4％以下であり、硬さがHRC18以
上であることを特徴とする成形用工具のための工
具鋼。５Ｃ：0.30〜0.50％以下、Si：0.10〜1.5％、
Mn：0.10〜1.5％、Cr：3.0〜5.0％、Mo：0.2〜
2.0％、Ｗ：3.0％超〜5.0％、Ｖ：0.50〜2.50％お
よびCo：1.5〜5.0％とともに、Ｓ：0.035〜0.40％
およびZr：0.001〜0.5％を含有し、残余が実質的
にFeからなる組成を有し、鋼中に存在する長径
2μ以上の硫化物系介在物のうち少なくとも80％
が長短径比10以下であつて、Zr（Ｃ、Ｎ）の占め
る面積率が0.4％以下であり、硬さがHRC18以上
であることを特徴とする成形用工具のための工具
鋼。６Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.10〜2.0％、Cr：3.0〜5.0％、Mo：3.5〜5.5％、
Ｗ：1.5〜6.5％およびＶ：0.5〜2.0％とともに、
Ｓ：0.035〜0.40％およびZr：0.001〜0.5％を含有
し、残余が実質的にFeからなる組成を有し、鋼
中に存在する長径2μ以上の硫化物系介在物のう
ち少なくとも80％が長短径比10以下であつて、
Zr（Ｃ、Ｎ）の占める面積率が0.4％以下であり、
硬さがHRC18以上であることを特徴とする成形
用工具のための工具鋼。