JPH0739607B2 - 鏡面仕上加工性に優れた工具鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、高硬度でかつ耐食性に優れた工具鋼の製造
方法に関するものであり、特にプラスチック成形用金型
や軸受などのように、巨大炭化物の残存が性能に大きな
影響を及ぼす用途に利用すると好適な高硬度でかつ耐食
性に優れかつまた鏡面仕上加工性にも優れた工具鋼の製
造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、レンズ，オーディオ・ビデオカセットケースおよ
びリール，ダストカバー等の高鏡面が要求されるプラス
チック製品を成形する金型には、JIS SUS420J2,SKD61等
が使用されていた。一方、金型に耐食性が要求される場
合には17−4PH系のステンレス鋼が、また、金型に高寿
命が要求される場合には高い硬度が得られるSKD11がそ
れぞれ汎用鋼として使用されていた。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、最近のプラスチック成形においては、プラス
チック製品の需要増大に伴って製品の加工数が増すとと
もに、その製品の精度および仕上度に対する要求がきび
しくなってきている。さらに、各種の難燃性樹脂が開発
され、種々の用途に向けて盛んに製品化が図られてい
る。このように、プラスチック製品を成形する金型にあ
っては、益々過酷な条件を強いられ、その素材となる工
具鋼に対する要求も複雑化している。従って、従来の工
具鋼では上記諸要求に対処しきれない現状にある。

すなわち、SKD61では耐食性，耐摩耗性に劣り、SUS420J
2,17−4PH系ステンレス鋼では耐食性に優れているが耐
摩耗性に劣り、SKD11では高硬度を得ることができる
が、その反面、耐食性および鏡面性に劣っているという
問題点を有していた。そして、このような従来鋼にあっ
ては、特にプラスチック成形用金型のように高硬度、高
鏡面性，耐食性を同時に要求される過酷な条件に対して
は対応できないのが現状である。

そこで、上記した各鋼のうち、耐食性には優れているが
耐摩耗性に劣るSUS420J2鋼において、耐摩耗性を向上さ
せるためにそのＣ含有量を高めることも考えられるが、
Ｃ含有量を高めた場合には巨大炭化物が現われるように
なり、鏡面性が著しく低下してしまうという問題点があ
った。

（発明の目的） この発明は、上述した従来の問題点にかんがみてなされ
たもので、耐食性には優れているが耐摩耗性に劣るSUS4
20J2鋼において、その耐摩耗性を向上させるためにＣ含
有量を増加させたときでも、製造工程に独特の工夫を凝
らすことによって、巨大炭化物が現われるのを防止し、
耐食性および耐摩耗性のみならず鏡面性にも著しく優れ
た工具鋼を得ることができ、とくに高鏡面性が要求され
るプラスチック成形用金型などの金型や軸受のほか各種
用途の工具としても好適な高硬度高耐食高鏡面工具鋼を
得ることができる鏡面仕上加工性に優れた工具鋼の製造
方法を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明による高硬度でかつ耐食性および鏡面性等に優
れた工具鋼の製造方法は、重量％で、C:0.35〜0.55％、
Si:0.5〜３％、Mn:2％以下、Cr:6〜14％を基本成分とし
て含有し、必要に応じてMo:0.2〜４％、同じく必要に応
じてCu:0.1〜３％、同じく必要に応じてREM（希土類元
素）:0.001〜0.5％,Y:0.001〜1.0％のうちの１種以上な
どを含有する工具鋼鋼材に対し、必要に応じてあらかじ
め歪を付与する加工を行ったのち、溶融相が現出せずか
つ炭化物を固溶しうる温度で高温ソーキングを施すこと
により巨大炭化物を固溶させるとともにボイドを発生さ
せ、次いで前記ボイドを圧着しうる加工率で塑性加工を
行うようにしたことを特徴とするものである。

この発明が適用される工具鋼鋼材は、前述のように、重
量比でC:0.35〜0.55％、Si:0.5〜３％、Mn:2％以下、C
r:6〜14％を基本成分として含有し、その他必要に応じ
てMo,Cu,REM,Y等々を含むものであるが、以下にそれら
の成分範囲の限定理由（重量％）について説明する。

C:0.35〜0.55％ Ｃはマルテンサイトの硬さを高める一方、高温焼もどし
で特殊炭化物を形成し、２次硬化に寄与する元素であ
る。そして、このＣ量は、後述するようにCr量との相関
関係で制約を受けるが、0.35％未満では焼入れ焼もどし
硬さが低く、0.55％を超えると、耐食性が低下するとと
もに巨大炭化物を形成して鏡面性を低下させるので、Ｃ
量は0.35〜0.55％の範囲に限定した。

Si:0.5〜３％ Siは、脱酸剤として添加されるが、高温焼もどし硬さを
高めるとともに耐食性を高める元素である。しかし、0.
5％未満では、脱酸が不十分となり、非金属介在物が多
くなるので好ましくなく、３％を超えると、熱間加工性
および靱性を低下させるので、Si量は0.5〜３％の範囲
に限定した。

Mn:2％以下 Mnは、脱酸および脱硫剤として作用し、鋼の清浄度を向
上させるとともに、焼入性の向上に寄与する元素であ
る。しかし、多すぎると加工性を害するので、Mn量は２
％以下に限定した。

Cr:6〜14％ Crは、酸化皮膜を形成して不働態化することにより耐食
性を向上させるとともに、焼入れ時にフェライト基地に
固溶して焼入性を高める元素である。しかし、Cr量が６
％未満では耐食性の向上および焼入れ性を高める効果が
少なく、一方、14％を超えると、硬さを低下させるとと
もに靱性を劣化させるので、Cr量は６〜14％の範囲に限
定した。

Mo:0.2〜４％ Moは、耐食性を向上させるとともに、焼入れ性および焼
もどし抵抗性を高め、また靱性を高める元素である。し
かし、0.2％未満では、その効果が少ない一方、４％を
超えると、逆に靱性を低下させ、さらに熱間加工性をも
低下させるので、添加する場合のMo量は0.2〜４％の範
囲とするのがよい。

Cu:0.1〜３％ Cuは、耐食性の向上に有効であり、かつ高温焼もどし硬
さを高めるのにも有効な元素である。しかし、0.1％未
満ではその効果が少ない一方、３％を超えると、熱間加
工性および靱性を低下させるので、添加する場合のCu量
は0.1〜３％、より望ましくは0.6〜1.2％の範囲とする
のがよい。

REM:0.001〜0.5％ REMは、焼入性，耐食性，靱性を向上させるとともに熱
間加工性を向上させるのに有効な元素である。しかし、
0.001％未満では、その効果が少なく、0.5％を超える
と、かえって熱間加工性を低下させるので、添加する場
合のREM量は0.001〜0.5％の範囲とするのがよい。

Y:0.001〜1.0％ Ｙは、耐食性を向上させる元素である。しかし、0.001
％未満ではその効果が少なく、一方1.0％を超えると、
かえって靱性，熱間加工性を低下させるので、添加する
場合のＹ量は0.001〜1.0の範囲とするのがよい。

なお、従来のプラスチック型用鋼において、Ni,Co,Vを
添加する方法が検討されているが、Niは工具鋼を焼入れ
する時に残留オーステナイトが生ずるため硬さを低下さ
せ、それに伴って鏡面性も劣化し、Coは工具鋼の焼入性
を低下させるため高硬度が得られず、その結果、鏡面性
に有害であり、さらにＶは生成炭化物が表面から脱落し
やすいため、鏡面性を低下させる。

この発明による工具鋼の製造方法においては、上記の成
分をもつ工具鋼鋼材に対して、前記のように、必要に応
じてあらかじめ歪を付与する加工を行ったのち、溶融相
が現出せずかつ炭化物を固溶しうる温度で高温ソーキン
グを施すことにより巨大炭化物を固溶させるとともにボ
イドを発生させ、次いで前記ボイドを圧着しうる加工率
で塑性加工を行うことを特徴とするものである。

ここで、前記工具鋼鋼材に対し、高温ソーキング前に、
必要に応じてあらかじめ歪を付与する加工を行うのは、
この後の高温ソーキングにおいて炭化物の固溶を促進さ
せ、ソーキング効果を高めるようにするためであり、一
実施態様においてはこの加工として、すえ込み鍛造を採
用することができる。

そして、工具鋼鋼材に対しては、溶融層が現出せずかつ
炭化物を固溶しうる温度で高温ソーキングを施すことに
より炭化物を固溶させるとともにボイドを発生させる
が、この場合、ソーキング温度が高すぎると、一部溶融
相が現われるようになるので、より望ましくは1240℃以
下とするのがよい。また、反対にソーキング温度が低す
ぎると、ソーキング効果が不十分となり、炭化物を固溶
させることができないと同時に、ボイドを発生させるこ
とができなくなるので、より望ましくは1200℃以上とす
るのがよい。

このようにして、高温ソーキングにより炭化物を固溶さ
せるとともにボイドを発生させ、次いで塑性加工を行う
ことにより前記ボイドを圧着させる。したがって、この
塑性加工では、前記ボイドを圧着させうる加工率で行う
が、必要に応じて複数回に分けて行うようにすることが
できる。

このようにして製造された工具鋼は、硬さを増大して耐
摩耗性を向上させるためにＣ含有量を比較的多くしたに
もかかわらず、巨大炭化物が残存しないものとなってお
り、高硬度で耐摩耗性に優れているとともに耐食性に優
れ、さらには鏡面性にも優れたものとなっている。

（実施例） 真空誘導溶解炉および真空アーク炉によって第１表に示
す化学成分の工具鋼鋼材をそれぞれ溶製したのち造塊
し、鋼塊の中心部より直径55mm,長さ30mmの試験片を採
取した。次いで、試験片の一部に対して1230℃ですえ込
比1/2Uのすえ込み鍛造を行って、高温ソーキング前にあ
らかじめ歪を付与する加工を行ったのち、前記試験片の
すえ込み鍛造しない他の一部とともに第２表に示す温度
で30時間の高温ソーキングを行った。

ついで、高温ソーキング材に対して鍛練比1.4S,3Sの鍛
造を行ったのち、鍛伸材の炭化物分布（巨大炭化物量）
およびボイド消滅状況（ボイド数）を観察した。この結
果を同じく第２表に示す。

第２表に示すように、この発明の条件を満足する工具鋼
では、鍛造後に巨大炭化物がほとんどなく、また高温ソ
ーキングにより発生したボイドは適正鍛造により消滅し
ているものであった。また、表面の硬さが大きく耐摩耗
性に優れていると共に、耐食性にも優れたものであり、
耐摩耗性および耐食性ならびに高鏡面性が要求されるプ
ラスチック成形用金型，軸受およびその他各種用途の工
具素材に適しているものであることが確かめられた。

これに対し、ソーキング温度が低すぎる場合には炭化物
の固溶が不十分であって、鍛造後に巨大炭化物が残存し
たものとなり、反対にソーキング温度が高すぎる場合に
は一部溶融を生じて好ましくないことが確認された。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明による工具鋼の製造
方法は、重量％で、C:0.35〜0.55％、Si:0.5〜３％、M
n:2％以下、Cr:6〜14％を基本成分として含有し、その
他必要に応じてMo,Cu,REM,Y等々を含有する工具鋼鋼材
に対し、必要に応じてあらかじめ歪を付与する加工を行
ったのち、溶融相が現出せずかつ炭化物を固溶しうる温
度で高温ソーキングを施すことにより炭化物を固溶させ
るとともにボイドを発生させ、次いで前記ボイドを圧着
しうる加工率で塑性加工を行うようにしたから、従来の
例えばSUS420J2よりもＣ含有量を増加させて硬さを増大
させ、耐摩耗性を向上できるようにしたときでも、巨大
炭化物が残存しない工具鋼を製造することが可能とな
り、高硬度，高耐食性および高鏡面性が要求される例え
ばプラスチック成形用金型や、軸受およびその他の工具
素材として好適な工具鋼を提供することが可能であると
いう非常に優れた効果がもたらされる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、C:0.35〜0.55％、Si:0.5〜３
   ％、Mn:2％以下、Cr:6〜14％を基本成分として含有する
   工具鋼鋼材に対し、溶融相が現出せずかつ炭化物を固溶
   しうる温度で高温ソーキングを施すことにより巨大炭化
   物を固溶させるとともにボイドを発生させ、次いで前記
   ボイドを圧着しうる加工率で塑性加工を行うことを特徴
   とする鏡面仕上加工性に優れた工具鋼の製造方法。
2. 【請求項２】高温ソーキングの温度が1200〜1240℃であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の鏡
   面仕上加工性に優れた工具鋼の製造方法。
3. 【請求項３】重量％で、C:0.35〜0.55％、Si:0.5〜３
   ％、Mn:2％以下、Cr:6〜14％を基本成分として含有する
   工具鋼鋼材に対し、あらかじめ歪を付与する加工を行っ
   たのち、溶融相が現出せずかつ炭化物を固溶しうる温度
   で高温ソーキングを施すことにより巨大炭化物を固溶さ
   せるとともにボイドを発生させ、次いで前記ボイドを圧
   着しうる加工率で塑性加工を行うことを特徴とする鏡面
   仕上加工性に優れた工具鋼の製造方法。
4. 【請求項４】あらかじめ歪を付与する加工がすえ込み鍛
   造であることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記
   載の鏡面仕上加工性に優れた工具鋼の製造方法。
5. 【請求項５】高温ソーキングの温度が1200〜1240℃であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項または第
   （４）項記載の鏡面仕上加工性に優れた工具鋼の製造方
   法。