JPH08176740A - 冷間ホビング性、彫刻性、靱性に優れた冷間金型用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量比にしてC:0.50〜0.80% 、Si:1.50%以
下、Mn:1.50%以下、Cr:0.75 〜2.00% 、Ni:1.00 〜3.50
% 、Mo:0.50 〜2.00% 、V:0.10% 以下、P:0.020%以下、
S:0.005%以下を含有し、残部がFeおよび不純物元素から
なることを特徴とする冷間ホビング性に優れた冷間金型
用鋼。 【効果】 靱性、焼入性に優れ、かつ冷間ホビングや彫
刻による方法によって模様を形成することが従来鋼に比
べ容易なため、模様を有するメダル、コイン等の製造に
際し、従来鋼より優れた冷間金型用材料の提供が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コイン、メダル等に模
様を形成するための金型用材料として最適な冷間ホビン
グ性、彫刻性、靱性に優れた冷間金型用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】模様を有するコイン、メダル等を製造す
るためには、模様の形成された金型を準備する必要があ
る。金型に模様を形成する方法としては、冷間ホビング
による方法と、彫刻による方法の二つが一般に行われて
いる。冷間ホビング法は、熱処理によりHRC60 前後の硬
さに調整した母型を作製し、これを焼なまし状態で軟ら
かい金型用材料に冷間で押しつけて模様を転写する方法
である。また、彫刻はノミで模様を刻み込む方法であ
る。冷間ホビング法は彫刻法に比べ生産性に優れている
が、彫刻法の方が細かい模様を作ることができるので、
製造する模様に応じて適した方法により製造されてい
る。

【０００３】冷間ホビング法又は彫刻法により製造され
た金型は、熱処理して硬くする必要があるが、水や油に
よる焼入では、冷却時の冷却速度の不均一に伴う焼入歪
が発生する。また、大気中で焼入した場合には、表面に
スケールが生成して型の表面性状が劣化し、模様を製造
する金型としての性能が低下する。スケールにより表面
性状が低下しても、型面の凸部は熱処理後に研摩によっ
て修正できるが、凹部は研摩できないため、製品の凸部
の光沢が問題となり、好ましくない。従って、模様を形
成するための冷間金型用鋼は、N₂等のガス中での加熱及
び冷却で焼入が可能な材料であることが必要である。

【０００４】従来の冷間ホビング成形用の JIS鋼として
は、ガス冷却による焼入の可能なSKD11 が用いられてい
た。しかしながら、この鋼は焼入性には優れているが、
冷間ホビング性が著しく劣り、深いホビングを行った場
合、割れが発生するために、１回のホビング量を少なく
し、何回かに分けて所定の量のホビングを行うという方
法が行われていた。しかし、このような方法では作業が
煩雑であるとともに、母型の使用回数が増加して寿命が
短くなるという問題があった。通常コイン、メダル等の
母型の製造には数カ月〜半年程度の時間を必要としてお
り、母型の寿命を改善する必要があった。また、靱性の
点でも大きく劣るものであった。

【０００５】この問題を解決するために従来から研究が
行われており、例えば特開昭58-174548 号公報（以下公
報１と記す。）に記載の鋼が開示されている。この鋼
は、SKD11 に比べCr量を低くして炭化物量の生成を抑え
るとともに、V 、W 、さらに必要に応じてNb、Ti、Zrを
含有させ、炭化物を微細化させることによって冷間ホビ
ング性、彫刻性を向上させたものである。一方大気中に
放置するだけで熱処理が可能な冷間工具鋼としては、特
開昭53-106321 号公報（以下公報２と記す。）に記載の
鋼が既に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来鋼であるSKD11 で
は、冷間ホビング性、彫刻性ともに悪く、ホビングは所
定のホビング量を複数回に分けて行うことが必要であっ
たが、公報１記載の発明により、冷間ホビングについて
は、１回のホビングで可能な場合が増加し、１回で行え
ない場合でもその必要な回数を減らすことができ、彫刻
性についてもSKD11 に比べ改善することができた。その
結果、SKD11 を用いた場合に比べ、効率的な金型の製造
が可能となった。

【０００７】しかしながら、ユーザーからの品質改善要
求は昭和50年代に比べ一層厳しくなり、非常に細かい模
様を彫刻で作製したり、もっと少ないホビング回数での
製造を可能とする材料が強く要求され、SKD11 に比べ冷
間ホビング性、彫刻性の改善された前記公報記載の鋼よ
りもさらに優れた金型用材料が要求されるようになって
きた。また、靱性についても公報１記載の鋼はSKD11 に
比べ若干優れているものの、依然として十分な靱性を有
していなかった。

【０００８】さらに、公報２記載の鋼は、焼入性が良
く、冷間ホビング性についてもSKD11に比べ優れた特性
を有しているが、靱性の点で若干劣るとともに、焼なま
し時に生成する硬いV 炭化物の影響で十分な彫刻性を確
保するまでには到っていなかった。

【０００９】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたもので、冷間ホビング性、彫刻性、靱性に関し
て、SKD11 より優れることは勿論の事、SKD11 を改善し
た前記公報記載の鋼と比べてもさらに冷間ホビング性、
彫刻性の優れた新しい冷間金型用鋼の提供を可能とする
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記公報に記載の発明で
は、V は炭化物を微細化して靱性を向上する効果がある
として少量添加しており、さらに公報１に記載の発明で
は炭化物の微細化が冷間ホビング性向上にも効果がある
として、0.45% 以下の範囲で積極的に添加していた。し
かし、さらに詳細に調査した結果、確かに0.45% 以下の
添加で冷間ホビング性には効果があるが、微細な炭化物
であっても、炭化物自体は非常に硬いために彫刻性には
かえって悪影響を及ぼし、要求を満足するレベルの彫刻
性に改善するには、V の添加が逆効果となることがわか
った。そこで、本発明では、前記公報の発明とは異な
り、V は0.10% 以下の極めて少量に抑え、硬いV 炭化物
の減少によって彫刻性の向上を図った。

【００１１】しかしながら、前記公報にも記載されてい
るようにV は結晶粒や炭化物を微細化して靱性を向上さ
せる働きがあるため、V の低減は十分な靱性を有してい
るとはいえない前記公報記載の鋼の靱性をさらに低下さ
せることとなる。

【００１２】本発明者等は、鋭意研究を進めた結果、公
報１記載の鋼に比べC を若干低めにするとともに、Niを
多量に添加してマルテンサイトの強靱化を図り、かつCr
量の上限を2%に抑え、炭化物の粗大化を防止することに
よって、靱性を大幅に向上できることを見出したもので
ある。さらに、前記した靱性向上のためのC 、Ni、Cr量
の最適化を行った結果として、前記公報に記載の鋼に比
べても冷間ホビング性を向上できることを確認し、本発
明を完成したものである。

【００１３】以上説明した検討の結果得られた本発明
は、重量比にしてC:0.50〜0.80% 、Si:1.50%以下、Mn:
1.50%以下、Cr:0.75 〜2.00% 、Ni:1.00 〜3.50% 、Mo:
0.50 〜2.00% 、V:0.10% 以下、P:0.020%以下、S:0.005
%以下を含有し、残部がFeおよび不純物元素からなるこ
とを特徴とする冷間ホビング性、彫刻性、靱性に優れた
冷間金型用鋼である。

【００１４】次に、本発明鋼における化学成分組成の限
定理由について以下に説明する。 C:0.50〜0.80% 本発明は、冷間ホビングか彫刻によって模様を形成した
後、金型としての使用に問題のない硬さを得るために熱
処理を行う。C 量が少ないと所定の硬さを得ることが困
難となるため、最低でも0.50% 以上、好ましくは0.55%
以上の含有が必要である。しかしながら、添加すればす
るほど焼なまし硬さが上昇し、冷間ホビング性、彫刻性
が低下するとともに優れた靱性を得ることが困難となる
ため、上限を0.80% とした。好ましくは上限を0.75% 、
より好ましくは上限を0.70% とするのが良い。

【００１５】Si:1.50%以下、Mn:1.50%以下 Si、Mnは脱酸のために必要であり、またMnは焼入性向上
に効果のある元素であるが、マトリックス中に固溶し、
焼鈍硬さが上昇して冷間ホビング性を害する元素である
ため、Si、Mnともに上限を1.50% とした。好ましくはS
i、Mnともに上限を1.25% 、より好ましくは上限を1.00%
とするのが良い。

【００１６】Cr:0.75 〜2.00% Crはガス冷却で焼入可能な優れた焼入性を確保するとと
もに、必要な耐摩耗性を得るのに必要な必須元素であ
り、最低でも0.75% 以上の含有が必要である。しかしな
がら、多量に添加すると炭化物が粗大化し、冷間ホビン
グ性が劣化するので、冷間ホビング性を重要視する本発
明では公報１に比べ上限を低めに規制しており、2.00%
以下で含有させることとした。また、冷間ホビング性を
より重視する場合には、1.75% 以下とするのが好まし
く、より好ましくは1.50% 以下とするのが良い。

【００１７】Ni:1.00 〜3.50% 前記したように、本発明では彫刻性を改善するためにV
を低減しているため、靱性を改善するための合金の添加
が必要となる。Niは靱性を向上させる効果を有するとと
もに焼入性を向上させる効果があるので、1.00% 以上、
好ましくは1.25% 以上の含有が必要である。しかしなが
ら、多量の添加は焼なまし硬さを高くして冷間ホビング
性を害し、かつ焼入硬さの低下につながるとともに、コ
スト高となるため、上限を3.50% とした。好ましくは上
限を2.50% とするのが良い。

【００１８】Mo:0.50 〜2.00% Moは必要な焼入性を確保するための必須元素であり、0.
50% 以上の含有が必要である。しかし、Moは炭化物形成
元素であり、多量の添加は炭化物を増加させて冷間ホビ
ング性、彫刻性を低下させるため、上限を2.00% とし
た。好ましくは上限を1.75% 、より好ましくは上限を1.
50% とするのが良い。

【００１９】V:0.10% 以下 V は硬い炭化物を形成し、少量の添加で彫刻性、冷間ホ
ビング性を低下させるとともに、マトリックス中のC 含
有率を下げて焼入性を低下させるため、本発明では0.10
% 以下という不純物量に近い極めて少量の添加に抑える
こととした。

【００２０】P:0.020%以下、S:0.005%以下 P 、S は不純物として鋼中に不可避的に含有し、冷間ホ
ビング性を低下する元素である。S は従来から良く知ら
れているように被削性を改善するため、彫刻性のみを重
視すれば添加した方が良いが、本発明では冷間ホビング
性、彫刻性ともにバランス良く優れた特性を得ることを
狙いとしているため、極力低減することが必要であり、
上限をP は0.020%、S は0.005%とした。なお、より好ま
しくはPは0.015%以下、S は0.002%以下とするのが良
い。

【００２１】以上説明した成分組成を有する鋼の性能を
より高めるためには適切な条件で焼鈍を実施し、硬さを
十分に下げることが必要である。優れた性能を得るため
には、焼鈍温度を750 〜800 ℃、温度保持時間を３〜６
hr、その後 500℃まで徐冷という条件で施し、硬さをHR
B94 以下、好ましくは92以下とするのが良い。

【００２２】

【作用】本発明の冷間ホビング性、靱性に優れた冷間金
型用鋼は、硬い炭化物の増加を防止するためにV 添加量
を不純物量に近い量に抑え、かつNiを多量添加して、マ
ルテンサイトの強靱化と焼入性の向上を図っている。ま
た、従来開示されている鋼に比べC 含有率を若干低めに
抑え、Cr含有率の上限を炭化物の粗大化による冷間ホビ
ング性低下を防止するために適切な値に設定している。
本発明はこのような新しい構成とした結果として、公報
１記載の鋼に比べ冷間ホビング性、彫刻性、靱性の全て
について優れた特性を得ることができる。

【００２３】

【実施例】次に本発明鋼の特徴を、比較鋼、従来鋼と比
較して、実施例でもって明らかにする。表１に実施例で
使用した供試材の化学成分を示す。表１において、１〜
６鋼は本発明鋼である。また、７〜11鋼は一部の元素が
本発明の成分範囲外である比較鋼であり、12〜14鋼は本
願出願前に公知の従来鋼である。従来鋼のうち、12鋼は
前記した公報１記載の条件を満足する鋼、13鋼は公報２
記載の条件を満足する鋼であり、14鋼はJIS のSKD11 で
ある。

【００２４】

【表１】

【００２５】まず、30kgVIM 溶解炉にて表１に示す成分
を有する鋼塊を溶製し、1050〜1150℃に加熱し、後述す
る試験をするに都合の良い寸法に鍛伸した後、 775℃×
6hr加熱後15℃/hr の速度で500 ℃まで冷却し空冷とい
う条件で焼鈍処理を施した。その後、各種試験片形状に
機械加工して試験材とした。なお、焼鈍処理による硬さ
低下の程度を把握するため、全ての試験材について硬さ
を測定した。

【００２６】彫刻性は、直径5mm で先端が鉛筆状にとが
ったカッター（鋼種SKH51)を用い、切り込み深さ0.1mm
とし、カッターを回転させながら被試験材を一定速度で
連続的に移動させた時、カッター刃先が摩耗して寿命に
なるまでの移動距離で評価した。なお、表２には従来鋼
SKD11 の移動距離をを100 とした場合の整数値で結果を
示した。

【００２７】冷間ホビング性は、焼入焼もどし処理を施
して、硬さをHRC60 とした 5×20mm断面の母型（材質SK
D11)を準備し、この母型を前記した方法で準備した本発
明鋼の焼なまし材に圧入し、圧入深さと割れの有無を３
水準の圧入荷重(25,30,40ton) について調査したもので
ある。なお、この試験方法は公報１に記載された試験と
同一であるが、本発明は公報１に比べ優れた冷間ホビン
グ性を得ることを目的としているため、圧入荷重を公報
１の25ton に比べ、最大40ton とかなり厳しい条件に設
定して試験を行った。なお、圧入深さの結果は、従来鋼
SKD11 の深さを100 として、整数値で示した。

【００２８】焼入性の評価は、実際の型の大きさを考慮
して、直径35mm、長さ70mmの円筒型試験片を準備し、真
空熱処理炉にて 900℃に30分間加熱後N₂素ガスを用いた
焼入処理を行い、中心部の硬さを測定するという方法で
行ったものである。

【００２９】靱性の評価は、前記した供試材（直径8mm,
長さ70mm）を 900℃にて焼入後、硬さがHRC60 となるよ
うな条件で焼もどし処理を施したものを試験材とした。
そして、この試験材をスパン50mmで３点曲げ試験を行
い、曲げ抗折力を求めることによって評価した。なお、
表２に示した曲げ抗折力は、試験中において試験片全体
が弾性変形の範囲内と仮定した場合の曲げモーメントと
表面の引張応力との間の関係式に破断時の曲げモーメン
トを代入して求めたものである。以上説明した試験方法
にて評価した結果を表２に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２から明らかなように、比較鋼である７
鋼は、C 含有率が高いため、彫刻性、冷間ホビング性、
靱性が劣るものであり、８鋼はSi含有率が高いため、焼
鈍硬さが上昇して冷間ホビング時の圧入深さが若干浅く
なるとともに、圧入荷重40ton にて割れが発生したもの
であり、９鋼はMo含有率が高いため、炭化物の増加によ
って冷間ホビング性が著しく低下したものであり、10鋼
はNi含有率が低いため、靱性、焼入性が若干劣るもので
あり、11鋼はV 含有率が高いため、炭化物が増加して彫
刻性、冷間ホビング性、焼入性が低下したものである。
また、公報１、２記載の鋼である12、13鋼は彫刻性、冷
間ホビング性、靱性が劣るものであり、SKD11 である14
鋼は、それぞれの特性が11、12鋼よりもさらに大きく劣
るものである。

【００３２】これに対して本発明鋼である１〜６鋼は、
5×20mm断面の母型で40ton まで圧入荷重を増加しても
割れが発生することのない優れた冷間ホビング性を有
し、かつ彫刻性、靱性についても従来鋼であるSKD11 に
比べれば勿論の事、SKD11 を改善した前記公報に開示さ
れた鋼と比べても優れており、かつ必要な焼入性が得ら
れることが確認できた。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷間ホビ
ング性、彫刻性、靱性に優れた冷間金型用材料は、炭化
物の生成を抑えるために、V 添加を極めて少量に抑え、
Niの添加によって靱性、焼入性の向上を図っているの
で、優れた彫刻性と必要な焼入性を確保できた。また、
C 、Cr量についても最適の範囲に調整した結果、従来開
示されている鋼に比べ高荷重による冷間ホビングが可能
となった。この結果、模様を有するメダル、コイン等を
製造する金型の製造が従来鋼に比べ容易になり、金型の
製造コストを低減できる新しい材料の提供が可能とな
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にしてC:0.50〜0.80% 、Si:1.50%
   以下、Mn:1.50%以下、Cr:0.75 〜2.00% 、Ni:1.00 〜3.
   50% 、Mo:0.50 〜2.00% 、V:0.10% 以下、P:0.020%以
   下、S:0.005%以下を含有し、残部がFeおよび不純物元素
   からなることを特徴とする冷間ホビング性、彫刻性、靱
   性に優れた冷間金型用鋼。