JPH10121195A - 窒化特性に優れた熱間工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 繰返し窒化処理を行った場合に表面硬度が高
く、硬化深さの深い窒化層が得られる熱間工具鋼を提供
すること。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓ
ｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃ
ｒ：１．０〜６．０％、ＭｏとＷを１種または２種で１
／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜５．０％、Ａｌ：０．０５％以
下およびＶ：０．０５〜１．５０％、Ｎｂ：０．０１〜
０．３０％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窒化特性に優
れた熱間工具鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミ押出しダイ
ス、アルミダイカスト金型等の繰返し窒化処理を行う熱
間工具鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミ押出しダイス、アルミダイ
カスト金型等の熱間工具には、ＳＫＤ６１系の合金工具
鋼が使用されている。これらの熱間加工用金型は、被加
工材との摩擦作用による損耗や、繰返し熱応力を受ける
ことによるヒートチェックが発生しやすい。そのため、
一般にはこれらの金型に窒化処理を施し、耐摩耗性や高
温強度を向上させている。しかし、１回の窒化処理で
は、使用中に窒化層の剥離等で目的の特性が得られなく
なるため、通常金型使用途中に何度か繰返し窒化処理を
施すことが多い。一方、窒化特性を改良した鋼について
は、特開平５−５９４８７号公報が開示されているが、
これは、窒化層の拡散を困難にし、窒化層の深さが大き
くなることを抑制した金型用鋼が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、上記
加工技術の進歩に伴い、金型にかかる負荷が増大してい
るのが実状である。そのため、従来使用されているＳＫ
Ｄ６１等の合金工具鋼を窒化処理した金型では、十分な
表面硬度と硬化深さが得られず、早期に寿命となってい
るケースが増えてきた。本発明の目的は、繰返し窒化処
理を行った場合に表面硬度が高く、硬化深さの深い窒化
層が得られる熱間工具鋼を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱間工具
鋼に窒化処理を行った場合の窒化表面の硬さと硬化深さ
について鋭意研究した結果、Ｓｉ、Ａｌの含有量の影響
が大きいことを見出した。なお、この傾向は、繰返し窒
化することでより顕著に現れる。また、金型に窒化処理
を行うと、金型表面から窒素が拡散し、硬い窒化物を形
成するため、金型表面には、硬い窒化層が得られる。本
発明は、熱間工具鋼に窒化処理を行った場合、Ｓｉの低
減が金型表面からの窒素の拡散を容易にすることで、窒
化表面の硬さを上昇させるとともに硬化深さを増大する
ことに基づくものである。また、Ａｌの低減についても
硬化深さの増大に有効である。

【０００５】即ち、第１の発明に係る熱間工具鋼は、重
量％で、Ｃ ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜０．
５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜６．０
％、ＭｏとＷを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．
２〜５．０％、Ａｌ：０．０５％以下およびＶ ：０．
０５〜１．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、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窒化特性に優れた熱間工具
鋼。

【０００６】また、第２の発明に係る熱間工具鋼は、重
量％で、Ｃ ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜０．
５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜６．０
％、ＭｏとＷを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．
２〜５．０％、Ａｌ：０．０５％以下およびＶ ：０．
０５〜１．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３０％の１種
または２種さらに加えてＮｉ：０．２〜２．５％、Ｃ
ｏ：０．２〜３．０％、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
窒化特性に優れた熱間工具鋼にある。

【０００７】ここで、本発明の特徴について詳細に説明
する。鋼中に含まれるＳｉは、そのほとんどが基地中に
固溶した状態で存在している。従来、アルミ押し出しダ
イスやアルミダイカスト金型に適用されるＳＫＤ６１系
熱間工具鋼にはＳｉが１％前後含まれている。このよう
な鋼種からなる金型に窒化処理を施した場合、鋼中には
多量にＳｉが固溶しているため、窒素の拡散が阻害さ
れ、深い窒化層を得ることは困難であり、表面硬さが低
く、硬化深さの浅い窒化層となる。

【０００８】これに対し、本発明鋼は、Ｓｉ量を低めに
制限することにより、鋼中へのＳｉの固溶量を減少さ
せ、窒素の内部への拡散を促進する。このため、金型表
面とその内部深くまで多量の窒素が存在することにな
る。つまり、硬化に寄与する窒化物の量が金型表面とそ
の内部深くで多量に存在することで、表面硬さが高く、
硬化深さの深い窒化層が得られるわけである。さらに、
Ａｌの低減もＳｉの低減と同様に深い窒化層を得るため
には硬化がある。Ａｌは窒素との親和力の非常に強い元
素であり、多量にＡｌが含まれている鋼に窒化処理を施
すと、窒素は表面でＡｌと結合してしまい、表面で滞留
してしまうため、内部へ拡散、固溶する窒素量が減少
し、その結果、窒化深さが浅くなってしまう。このた
め、本発明鋼では、Ａｌ含有量についても制限してい
る。以上のことから、Ｓｉ、Ａｌの添加量を制限するこ
とで窒化処理を行った場合に表面硬度が高く、硬化深さ
の深い窒化層を得て、熱間加工時における窒化層の剥
離、摩耗、ヒートチェックを抑制することが出来る熱間
工具鋼の提供が可能となった。

【０００９】次に本成分の限定理由について述べる。 Ｃ：０．２〜０．６％ Ｃは、焼入焼戻しにより、十分なマトリックス硬さを与
えると共に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ等の元素と結合
して複炭化物を形成して高温強度、耐摩耗性を与える元
素である。０．２％未満では、十分な硬さが得られず、
０．６％を超えると靱性が劣化してしまうため、Ｃは、
０．２〜０．６％とした。

【００１０】Ｓｉ：０．１〜０．５％ Ｓｉは主に脱酸材として添加し、耐酸化性、焼入れ性に
有効であるため、少なくとも０．１％は必要である。し
かし、多量に添加すると、基地中に固溶したＳｉ量が多
くなり、窒化処理時において、窒素の拡散が困難とな
り、表面硬度の低下、硬化深さの減少をまねく。このこ
とを明らかにするため、窒化処理した熱間工具鋼の表面
硬さおよび硬化深さにおよぼすＳｉ含有量の影響につい
て調査し、結果を図１および図２に示す。これらの図か
ら、Ｓｉを０．５％以下とすることで、表面硬度が高
く、硬化深さの深い窒化層が得られ、繰り返し窒化処理
することでさらに顕著となることが判る。また、Ｓｉの
多量な添加は、靱性にも悪影響を及ぼすため、Ｓｉは
０．１〜０．５％とした。

【００１１】Ｍｎ：０．１〜２．０％ ＭｎはＳｉと同様に脱酸材として添加し、鋼の清浄度を
高めるとともに焼入れ性を向上させる元素で、少なくと
も０．１％添加する必要がある。しかし、２．０％を超
えて添加すると靱性を低下させるとともに被削性を低下
させるので上限を２．０％とした。 Ｃｒ：１．０〜６．０％ Ｃｒは、Ｃと結合して硬質の複炭化物を形成して耐摩耗
性を高めるとともに、焼入れ性を高める元素であり、
１．０％以上必要である。しかし、６．０％を超えて添
加するとＣｒ炭化物の凝集粗大化をまねき、耐軟化抵抗
性を阻害するため、Ｃｒは、１．０〜６．０％とした。

【００１２】１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜５．０％ ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、
高温強度高温軟化抵抗性を向上させる元素である。ただ
し、この効果を得るためのＷ量はＭｏ量の２倍必要であ
る。よってこれらの効果を得るためには、Ｍｏ当量（１
／２Ｗ＋Ｍｏ）で０．２以上必要である。また、多量に
添加すると巨大炭化物および偏析を生成し、靱性および
ヒートチェック性を劣化させることから上限をＭｏ当量
（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で５．０％とした。

【００１３】Ａｌ：０．０５％以下 Ａｌは脱酸剤として常用され、Ａｌ脱酸鋼では通常０．
０２％程度含まれている。しかし、多量に添加すると、
窒化処理において表面硬度の上昇は期待できるものの本
発明の特徴である硬化深さの深い窒化層が得られなくな
るとともに靱性を劣化させてしまう。このことを明らか
にするため、窒化処理した熱間工具鋼の硬化深さにおよ
ぼすＡｌ含有量の影響について調査し、結果を図３に示
す。この図から、Ａｌを０．０５％以下とすることで、
硬化深さの深い窒化層が得られ、繰り返し窒化処理する
ことでさらに顕著となることが判る。以上のことから、
Ａｌは０．０５％以下とした。

【００１４】Ｖ：０．０５〜１．５０％ Ｖは、固溶しにくい微細な炭化物を形成し、耐摩耗性お
よび耐軟化抵抗性を高めるとともに結晶粒を微細化して
靱性を向上させる元素であり、少なくとも０．０５％以
上の添加が必要である。しかし、１．５％を超えて添加
すると、靱性が劣化し、被削性の低下をまねくのでＶは
０．１〜１．５％とした。 Ｎｂ：０．０１〜０．３０％ Ｎｂは、Ｖ炭化物よりも固溶しにくい安定な炭化物を形
成し、結晶粒微細効果が大きく靱性を向上させるととも
に耐摩耗性および耐軟化抵抗性も向上させる元素であ
り、少なくとも０．０１％以上の添加が必要である。し
かし、０．３０％を超えて添加すると過剰に炭化物を形
成し、靱性を低下させるため、Ｎｂは０．０１〜０．３
０％とした。

【００１５】Ｎｉ：０．２〜２．５％ Ｎｉは焼入性および靱性を高めるのに有効な元素であ
り、０．２％以上の添加により、その効果が現れる。し
かし、２．５％を超えると高温強度、被削性を低下させ
ることから、Ｎｉは０．２〜２．５％とした。 Ｃｏ：０．２〜３．０％ Ｃｏは、高温での炭化物の凝集粗大化を抑制し、耐軟化
抵抗性の向上に寄与する元素であり、これらの効果を得
るためには、０．２％以上の添加が必要であり、３．０
％を超えると靱性やヒートチェック性を劣化させるの
で、Ｃｏは０．２〜３．０％とした。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例により、説明する。表
１に示した１〜９の９ヒートを１００ｋｇ真空誘導溶解
炉にて出鋼し、平均径１９０ｍｍの鋼塊に鋳込み、これ
を角３０ｍｍに鍛伸して供試材とした。各供試材から角
３０ｍｍ×３０ｍｍの試験片を作製し、焼入焼戻しによ
って４８ＨＲＣに調整した。各試験片に１回、３回、６
回のタフトライド処理（５７０℃×５ｈ）を行い、各試
験片の窒化後の表面硬度およびビッカース硬さ６００Ｈ
Ｖを示す深さを測定し、結果を表２に示す。表２におい
て、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は本発明鋼であり、ＳＫＤ６１
相当鋼である従来鋼Ｎｏ．９に比べ、表面硬度が高く、
硬化深さも深くなっている。この傾向は、窒化処理回数
の増加とともに顕著になっている。

【００１７】さらに、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．９からな
る押出しダイスを作製し、焼入焼戻しによって４８ＨＲ
Ｃに調整した後、タフトライド処理（５７０℃×５ｈ）
を行い、１８００ｔプレス装置にて４５０〜４６０℃の
加工温度でアルミの押出し加工を行った。なお、本押出
し加工テストでは、何度か再窒化処理を行っており、い
ずれのダイスも寿命に至るまで合計１０回の繰り返し窒
化処理を行った。テストの結果を表２に示す。本発明鋼
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８からなるダイスの寿命は、表２のご
とく、従来鋼Ｎｏ．９からなるそれに比べ、いずれの本
発明鋼においてもおよそ２倍向上した。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明鋼は、窒化処理
性が良好であり、表面硬度が高く、硬化深さの深い窒化
層が得られる。そのため、熱間加工時の早期における窒
化層の剥離、摩耗、ヒートチェックを抑制することが出
来、従来の金型に比べ長寿命が期待できる。また、本発
明鋼の良好な窒化処理性は繰返し窒化処理にてより顕著
に現れ、繰返し窒化処理を行う金型に特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化処理した熱間工具鋼の表面硬さにおよぼす
Ｓｉ含有量の影響を示す図である。

【図２】窒化処理した熱間工具鋼の硬化深さにおよぼす
Ｓｉ含有量の影響を示す図である。

【図３】窒化処理した熱間工具鋼の硬化深さにおよぼす
Ａｌ含有量の影響を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾内 浩明 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 中村 秀樹 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 山陽特殊製鋼株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．２〜０．６％、 Ｓｉ：０．１〜０．５％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｃｒ：１．０〜６．０％、 ＭｏとＷを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜
   ５．０％、 Ａｌ：０．０５％以下 および Ｖ ：０．０５〜１．５０％、 Ｎｂ：０．０１〜０．３０％、 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窒化特性に優れた熱間工
   具鋼。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ：０．２〜０．６％、 Ｓｉ：０．１〜０．５％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｃｒ：１．０〜６．０％、 ＭｏとＷを１種または２種で１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜
   ５．０％、 Ａｌ：０．０５％以下 および Ｖ ：０．０５〜１．５０％、 Ｎｂ：０．０１〜０．３０％の１種または２種 さらに加えて Ｎｉ：０．２〜２．５％、 Ｃｏ：０．２〜３．０％、 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窒化特性に優れた熱間工
   具鋼。