JPH0978199A

JPH0978199A - 高硬度、高靭性冷間工具鋼

Info

Publication number: JPH0978199A
Application number: JP23415895A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Murakawa; 義行村川; Kunichika Kubota; 邦親久保田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1997-03-25

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性と靭性を兼備し、かつ通常の
焼入れ温度からの焼入れ、焼戻しにより63HRC以上の高
硬度を有する冷間工具鋼を提供する。【解決手段】重量%でＣ 0.7〜1.5%、Ｓi 1.6%以下、
Ｍｎ 1.0%以下、Ｃr 6.0〜13.0%、ＭｏとＷの１種また
は２種を（Ｍｏ＋1/2Ｗ）で0.7〜3.0%、Ｖ 0.15〜1.5
%、Ｎ 0.025〜0.15%を含み、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高硬度、高靭性冷間工具
鋼てせあり、このうちＣが0.9%を越える場合には、Ｖ当
量の範囲内で0.15〜1.5%添加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧延ダイス、打抜
型、パンチ、冷間鍛造型、剪断刃物など、冷間加工の用
途に用いられる工具鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷間用途の工具鋼では、耐摩耗性の観点
から高Ｃ−高Ｃｒ鋼であるＳＫＤ１１が広く用いられて
いる。ＳＫＤ１１はＣｒ主体のＭ₇Ｃ₃型１次炭化物を面
積率で8〜15%含み、これにより耐摩耗性を確保してい
る。さらに耐摩耗性が要求される場合には、ＳＫＤ１の
ようなＳＫＤ１１よりもさらに高Ｃで炭化物の面積率の
多い材料が使用されたり、逆により靭性が重視される場
合には、例えば0.7〜1.0%を含有する8Ｃｒ鋼や5Ｃｒ鋼
など低Ｃ,低Ｃｒの材料で１次炭化物を低減したものが
使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、冷間工具鋼の分
野においても、使用条件の過酷化に伴い、突発的な欠損
を生じないといった高い信頼性や工具寿命の向上が求め
られている。特に高硬度を有する被加工材の増加によ
り、パンチや剪断刃あるいは転造ダイス等には、より高
性能、すなわち一層高硬度で耐摩耗性が優れ、かつ高靭
性の材質が求められている。

【０００４】冷間工具鋼は、この相矛盾する両特性を満
足させるため、耐摩耗性を得る主要因である硬い基地と
ともに硬質の炭化物を含ませると同時に、靭性を向上さ
せるためには、残留炭化物の種類およびそれらの大きさ
や量、分布形態を注意深く制御する必要があり、例えば
特開平１−２０１４４２号に示されるような材質が提案
されたり、また特公平１−５１００号や特開平１−２０
１４４２号等に残留炭化物量を減じ、靭性向上を図った
材料が開示されている。しかしながら、これらの材料の
硬さレベルは、せいぜい60〜62HRCの前後であり、より
高硬度および耐摩耗性が要求される分野に対しては十分
ではない。また、特開平３−１３４１３６号は64HRC以
上の高硬度を有する工具鋼として発明された材料である
が、焼入れ温度が1060℃あるいは1080℃以上の高温焼入
れを必要とするためやや汎用性に欠けるという欠点があ
る。

【０００５】本発明の目的は、成分バランスを適正にす
ることにより、優れた耐摩耗性と靭性を兼備し、かつ通
常の焼入れ温度からの焼入れ、焼戻しにより63HRC以上
の高硬度を有する冷間工具鋼を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記のように冷間で使用
する鋼の耐摩耗性と靭性は、ほとんどが残留炭化物、特
に共晶１次炭化物の大きさや分布量などの分散形態によ
るところが大きい。そこで本発明者は、まず共晶炭化物
量を主に決定するＣ，Ｃｒ量の上限を適正に定めること
により、必要な耐摩耗性を確保するとともに、過度の靭
性低下を制限した。また、従来鋼においては、焼戻し硬
さを高めるために、通常の焼入温度より高い温度から焼
入れを行ない、Ｍｏ，Ｗ，Ｖ系炭化物形成元素を基地中
に固溶させたうえで、焼戻しを施して２次硬化をより高
める工夫がなされていた。

【０００７】一方発明者は、特定の組成に一定量の窒素
（Ｎ）を添加すると、Ｎを含有する共晶炭窒化物が形成
され、この共晶炭窒化物が比較的低温の焼入れ温度でも
基地中に固溶し易くなることを新たに見出した。このよ
うに発明鋼は、通常の焼入れ温度でも、粗大な共晶１次
炭窒化物や熱間加工中に生成した炭窒化物が多く固溶し
て、２次硬化能を高める特徴を有する。

【０００８】すなわち、本発明のちの第１発明は、重量
%でＣ 0.7〜1.5%、Ｓi 1.6%以下、Ｍｎ 1.0%以下、Ｃr
6.0〜13.0%、ＭｏとＷの１種または２種を（Ｍｏ＋1/2
Ｗ）で0.7〜3.0%、Ｖ 0.15〜1.5%、Ｎ 0.025〜0.15%を
含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを特
徴とする高硬度、高靭性冷間工具鋼であり、第２発明は
重量%でＣ 0.9%を越え1.5%、Ｓi 1.6%以下、Ｍｎ 1.0%
以下、Ｃr 6.0〜13.0%、ＭｏとＷの１種または２種を
（Ｍｏ＋1/2Ｗ）で0.7〜3.0%、ＶとＮｂの１種または２
種を（Ｖ＋1/2Ｎｂ）で0.15〜1.5%、Ｎ 0.025〜0.15%を
含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを特
徴とする高硬度、高靭性冷間工具鋼である。前記の鋼組
成のうち、Ｍｎが0.25%以下であることが望ましく、さ
らに前記鋼組成にＮｉ 3.0%以下、Ｃｏ 3.0%以下の１種
または２種を含むことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の化学成分範囲の限
定理由について述べる。Ｃは、焼入れにより固溶し基地
の硬さを高めると同時に、Ｍｏ，ＷやＣｒ，Ｖ，Ｎｂな
ど炭窒化物生成元素との間に炭化物を生成し、工具鋼の
強度、耐摩耗性に寄与する元素である。さらに基地中の
Ｃは、焼戻しにおいて、Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ等の２次硬
化元素と結び付き炭窒化物として析出することにより硬
さを増加させる。本発明の狙いとする高硬度を得るため
には、Ｃは少なくとも0.7%が必要である。一方、Ｃが1.
5%を越えると過度の一次炭窒化物を形成し、靭性を低下
させる。したがってＣ量は0.7%を越え1.5%以下に限定す
る。望ましいＣの範囲は0.9%を越え1.3%以下である。Ｓ
ｉは通常脱酸剤として含有されるが、添加元素として焼
戻し軟化抵抗を高める効果も有する。しかし、1.5%を越
えると熱間加工性を害するため1.5%を上限とした。

【００１０】ＭｎはＳｉと同様、脱酸剤として含有され
る。また、添加元素として焼入性を改善するにも有効な
元素であるが、反面熱間の加工性を害したり、残留オー
ステナイト量を増加し、硬さを低下させる欠点も有す
る。したがって、本発明においては、1.0%以上の添加は
有効でなく、むしろ後述するＮの作用との絡みで残留オ
ーステナイトの生成を阻止するため、0.25%以下にする
ことが望ましい。Ｃｒは、Ｍ₇Ｃ₃型一次炭化物を形成
し、耐摩耗性に寄与すると共に焼入性を向上させる重要
な元素である。前述のように炭化物量を制御するため
に、ＣｒはＣ含有量とのバランスにおいて規定される必
要がある。すなわち、耐摩耗性および焼入性確保のため
にＣｒは6.0%以上必要である。しかし、Ｃｒが13.0%を
越えると過度の一次炭窒化物を形成し靭性を低下させ
る。したがって、Ｃｒは6.0〜13.0%に限定する。Ｃｒの
望ましい範囲は6.5%を越え11.0%である。

【００１１】Ｍｏ，Ｗは、Ｃｒ炭化物に固溶して耐摩耗
性を高めると共に、焼入性を向上させ、また焼戻しにお
いて、Ｍ₆Ｃ型炭化物として析出し、強い２次硬化を示
す。また、凝固時にＭ₇Ｃ₃型炭化物に比較して小さなＭ
₆Ｃ型炭化物として晶出し、耐摩耗性に寄与する。Ｗも
Ｍｏと同様の作用をするが、原子量はＭｏの約２倍であ
ることから、Ｍｏ，Ｗの１種または２種でＭｏ当量（Ｍ
ｏ＋1/2Ｗ)として規定した。Ｍｏ当量が0.7%未満では、
目的とする硬さが得られず、またＭ₆Ｃ型炭化物を生成
するのに不十分であるため0.7%を下限とする。また、3.
0%を越えるとＭ₆Ｃ型炭化物の生成が多く、かつ連鎖状
分布となり易くなり、靭性を低下させるためこれを上限
とする。Ｍｏ当量の望ましい範囲は、1.0%以上2.5%未満
である。

【００１２】Ｖ，Ｎｂはともに凝固時にＭＣ型炭化物と
して晶出するものであり、硬質の炭窒化物として耐摩耗
性に重要な役割を担うとともに結晶粒微細化の効果が靭
性の向上に有効である。また、２次硬化元素であるた
め、高温焼戻しによる硬さ増加に有効である。また、Ｃ
が0.9%を越える場合には、ＶとＮｂの１種または２種添
加することができる。Ｎｂは原子量がＶの約２倍である
ことから、Ｎｂを添加する場合はＶ，Ｎｂの１種または
２種でＶ当量として（Ｖ＋1/2Ｎｂ）として規定した。
Ｖ当量 0.15%未満では、前述の組織改善効果が得難いた
め、これを下限とする。一方、Ｖ当量が1.5%を越えると
過度のＭＣ型炭化物を形成し、研削性を悪くするのでこ
れを上限とする。

【００１３】Ｎは通常不純物として微量含まれるが、本
発明鋼ではＮを積極的に添加することにより、凝固時や
その後の熱間加工時に形成される炭窒化物を通常の焼入
温度でより多く基地中に固溶させ、その後に施される焼
戻し熱処理により、炭窒化物の析出による２次硬化を狙
うものであり、その効果はＮ量 0.025%以上より認めら
れる。また、Ｎを0.15%を越えて添加すると、それなり
の効果は認められるものの、製鋼時にＮを固溶させるた
めには加圧溶解など特別の装置、配慮を必要とし、実用
上問題となるため上限は0.15%とする。望ましいＮの含
有量は0.03%を越え0.12%である。Ｎｉ，Ｃｏは、本発明
において、必ずしも添加する必要はないが、両元素は共
に基地に固溶し、Ｎｉは靭性の向上や焼入性の向上に効
果を有し、またＣｏは耐熱性を高め耐焼付性に寄与する
ので、必要に応じて１種または２種添加することができ
る。両元素とも多量の添加は、熱処理硬さを低下させる
ため、それぞれ上限をＮｉ，Ｃｏの合計で3.0%とする。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。供
試材として表１に示す組成の本発明鋼（Ｎｏ．１〜１
３）、比較鋼（Ｎｏ．１４〜２４）、従来鋼としてＳＫ
Ｄ１１（Ｎｏ．２５）を溶製し、鍛造加工後、焼入れ焼
戻しを行なって試料を作製した。焼入れ加熱温度は、表
２に示すように1020〜1030℃とし、冷却は空冷とした。
また、焼戻し温度は500℃以上の高温焼戻しとした。靭
性試験は、φ5mm×70mmlの試験片を用い、支点間距離50
mm、中央１点荷重の曲げ試験を行ない、破断時の抗折力
を求めた。耐摩耗性試験は、大越式摩耗試験機を用い、
相手材ＳＣＭ４１５(185HB)、摩耗速度 1.4m/sec、荷重
6.8kg、摩擦距離 400mの条件で行ない、比摩耗量でＳ
ＫＤ１１の場合を100とした指数で表示し、これらの結
果を表２に示した。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】表２からわかるように、本発明鋼（Ｎｏ．
１〜１３）は、いずれも63HRC以上の硬さを有し、かつ
同等の耐摩耗性を維持したまま靭性値(抗折力)において
も高い値を示すことがわかる。

【００１８】

【発明の効果】上述したように本発明鋼は、通常の焼入
温度からの焼入れ、焼戻しにより63HRC以上の高硬度を
有し、優れた耐摩耗性と、高い靭性を有するものであ
り、特に過酷な条件で使用されるパンチ、圧造用工具な
どにおいて長寿命が得られるものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量%でＣ 0.7〜1.5%、Ｓi 1.6%以下、
Ｍｎ 1.0%以下、Ｃr6.0〜13.0%、ＭｏとＷの１種または
２種を（Ｍｏ＋1/2Ｗ）で0.7〜3.0%、Ｖ 0.15〜1.5%、
Ｎ 0.025〜0.15%を含み、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高硬度、高靭性冷間工具鋼。
【請求項２】重量%でＣ 0.9%を越え1.5%、Ｓi 1.6%以
下、Ｍｎ 1.0%以下、Ｃr 6.0〜13.0%、ＭｏとＷの１種
または２種を（Ｍｏ＋1/2Ｗ）で0.7〜3.0%、ＶとＮｂの
１種または２種を（Ｖ＋1/2Ｎｂ）で0.15〜1.5%、Ｎ 0.
025〜0.15%を含み、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高硬度、高靭性冷間工具鋼。
【請求項３】Ｍｎが0.25%以下である請求項１または
２に記載の高硬度、高靭性冷間工具鋼。
【請求項４】Ｎｉ 3.0%以下、Ｃｏ 3.0%以下の１種ま
たは２種を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の高
硬度、高靭性冷間工具鋼。