JPH11269603A

JPH11269603A - 被削性および工具寿命に優れた熱間工具鋼

Info

Publication number: JPH11269603A
Application number: JP7434698A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Sera; 知暁瀬羅; Masahide Unno; 正英海野; Do Yamaguchi; 働山口; Yasutaka Okada; 康孝岡田; Kunio Kondo; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05
Anticipated expiration: 2018-03-23
Also published as: JP3780690B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被削性を具備し、工具寿命を改善するに充分な
高温強度と靭性を有する熱間工具鋼を提供する。【解決手段】Ｃ：0.25〜0.40％、Si：0.50％を超え1.00
％未満、Mn：0.30〜1.50％、Ni：0.50〜2.00％、Cr：2.
70〜5.50％、Mo：1.00〜2.00％、Ｖ：0.50％を超え0.80
％未満、Al：0.005〜0.10％未満を含有し、残部はＦｅ
および不可避不純物からなり、不純物中のＰは0.015％
以下、Ｓは0.005％以下、Ｎは0.015％以下であり、さら
に焼入時の組織がマルテンサイトおよびベイナイトの混
合組織である熱間工具鋼。上記熱間工具鋼では、ASTM
E399に準じた破壊靱性試験で破壊靱性値が250kgf/mm^3/2
以上であり、かつ JIS G O567に準拠した高温強度試験
で試験温度700℃におけるの0.2％耐力が20kgf/mm²以上
であるのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱間工具鋼に関し、
さらに詳しくは熱間鍛造用金型、押し出し型やダイカス
ト金型などに使用される被削性および工具寿命に優れた
熱間工具鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱間鍛造、熱間押出しやダイカストなど
に用いられる金型に使用される工具鋼には、金型作製に
おける加工時間の短縮、切削工具の長寿命化等の被削性
が要求される。

【０００３】合金工具鋼鋼材で JIS G 4404に規格化さ
れている鋼のうち熱間工具用としては、５Cr−Mo−Ｖ系
のＳＫＤ６１やＳＫＤ６２など、３Cr−３Mo−Ｖ系のＳ
ＫＤ７およびNi−Cr−Mo−Ｖ系の低合金鋼であるＳＫＴ
３やＳＫＴ４などが多用されている。しかし、このよう
にJISに規定されている合金工具鋼鋼材では、前記した
熱間工具に要求される被削特性を満足することは困難で
ある。

【０００４】上記の状況に対応して、快削元素を添加し
熱間工具の快削性を高めようとする技術がいくつか提案
されている。例えば、特開平９−217147号公報には、鋼
の靱性、耐ヒートチェック性を高めた低Si含有鋼にＳ、
Teを添加させ、これらを鋼中に非金属介在物として介在
せしめ、切削加工時に応力集中源として作用させ、切削
抵抗の低下とともに切削屑の破砕性を高めることによっ
て、鋼の被削性を向上させる技術が提案されている。し
かし、提案の工具鋼では、ある程度の被削性の向上が望
まれるが、鋼中に介在する非金属介在物によって、靱性
の低下および高温強度の低下が避け難く、工具寿命が十
分でないという問題がある。

【０００５】また、特開平４−358040号公報では、ＳＴ
Ｋ系の工具鋼にＣを低めに、かつNiを1.3％未満に設定
することを基本として、さらにＷおよびMoを適正量に規
制した上でCrを増量することによって耐割れ感受性の低
減と安定性を向上させる技術が開示されている。しか
し、開示された工具鋼の耐割れ感受性の安定化は、鋼の
被削性の低下の原因となる炭化物量の低減によるもので
あるから、熱間工具鋼としての使用にともない、高温強
度の低下要因となって工具寿命を低下させるという問題
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、従来技術
においては、熱間工具に対し金型製作の際の被削性と同
時に、勒性および高温強度の特性で示される工具寿命を
要求することが困難な状況にある。加えて近年、熱間加
工に対する要求がますます厳しくなっており、熱間鍛造
サイクルの高速化や複雑な製品形状が一層要求されるよ
うになっている。そのため、熱間工具の使用条件も一層
過酷なものとなって、被削性のみならず、充分な工具寿
命を実現し得る熱間工具鋼の開発要請が強くなってい
る。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点お
よび近年の開発要請に鑑みてなされたものであり、金型
製作に際し、被削性のみならず、熱間工具の寿命を改善
するのに充分な靱性と高温強度とを有する熱間工具鋼を
提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため、JIS G 4404に規定する５Cr−Mo−Ｖ
系のＳＫＤ６１を基本組成とする熱間工具鋼の特性に及
ぼす各種元素の影響について検討を重ねた結果、まず、
上記成分系の熱間工具鋼の靭性改善にはMnおよびNiの含
有量を増やすことが非常に効果的であるが、これらの元
素の増量は高温強度の低下を招くことが明らかになっ
た。そのため、MnとNiの増量がもたらす靭性改善の効果
を維持しつつ高温強度を向上させるためには、Ｎが大き
く影響していることを見出して、Ｎ含有量を著しく低減
させることとした。

【０００９】さらに、本発明者らは、上記の改善にかか
る熱間工具鋼の特性に及ぼすSiの影響に着目して、さら
なる検討を加えた結果、Si含有量と被削性、靱性および
高温強度に関し、次の(1)〜(4)の知見を得ることができ
た。

【００１０】(1)Si含有量と鋼の被削性について図１は、4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の被削性に及ぼすS
i含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したもの
である。同図では、被削性として、後述する実施例で示
すように、PVDコーテッド超硬工具（K20）を用いて、所
定の切削条件でフライス加工を行った際の切削工具寿命
までの切削長さ（m）で示している。

【００１１】図１から明らかなように、鋼の被削性向上
にはSi含有量が0.5％を超えることが必須であり、それ
以上にSi含有量を増加させることによって、被削性が逐
次向上している。このとき、焼入時の組織をマルテンサ
イト、マルテンサイトおよびベイナイト混合（単に「マ
ルテンサイト＋ベイナイト」と表示する場合もある。）
およびベイナイトと変化させたが、鋼の被削性には焼入
時の組織は影響を及ぼさないことが分かる。また、同様
の調査によって、鋼の硬さも被削性には影響を及ぼさな
いことを確認している。

【００１２】(2)Si含有量と鋼の靱性について図２は、4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の靱性に及ぼすSi
含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したもので
ある。同図では、鋼の靱性として、後述する実施例で示
すように、ASTM E399に準じた破壊靱性試験によって測
定される破壊靱性値を用いている。通常、鋼の靱性はSi
含有量の低減によって改善されることが知られている
が、このとき焼入組織の影響を大きく受けることにな
る。

【００１３】焼入時の組織がマルテンサイトである場合
には、鋼の靭性はSi含有量の増加にともなって低下する
が、Si含有量が1.5％であっても破壊靱性値は250kgf/mm
^3/2以上を確保することができる。焼入時の組織がマル
テンサイト＋40〜60％ベイナイトである場合には、マル
テンサイト組織の場合に比べて、鋼の靱性は劣化傾向を
示す。すなわち、鋼の靭性はSi含有量の増加にともなっ
て低下し、Si含有量が1.0％において破壊靱性値は250kg
f/mm^3/2以上程度となる。

【００１４】一方、焼入時の組織が全てベイナイトであ
る場合には、Si含有量に拘わらず、破壊靱性値は250kgf
/mm^3/2以上を確保することができず、鋼の靱性にはSi含
有量が全く影響を及ぼさないことが明らかになった。

【００１５】(3)Si含有量と鋼の高温強度について図３は、4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の高温強度に及ぼ
すSi含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したも
のである。同図では、鋼の高温強度として、後述する実
施例で示すように、JIS G O567に準拠した高温強度試験
の試験温度700℃で測定される0.2％耐力を用いている。
通常、鋼の高温強度も靱性の挙動と同様に、Si含有量の
低減によって改善されるとともに、焼入組織の影響を大
きく受けることになる。しかし、焼入組織の影響は、鋼
の靱性に及ぼすものと大きく異なるものである。

【００１６】図３から明らかなように、焼入時の組織が
マルテンサイト、マルテンサイト＋40〜60％ベイナイ
ト、またはベイナイトのいずれの場合でも、鋼の高温強
度はSi含有量の増加にともなって低下する。この傾向は
焼入時の組織の影響を強く受け、マルテンサイト組織に
比較してマルテンサイト＋40〜60％ベイナイト組織が高
温強度に優れ、さらにマルテンサイト＋40〜60％ベイナ
イト組織よりもベイナイト組織が高温強度に優れる。こ
のため、焼入時の組織がマルテンサイト＋40〜60％ベイ
ナイトまたはベイナイトである場合には、Si含有量を1.
00％未満にすることによって、0.2％耐力を20kgf/mm²以
上で確保できる。

【００１７】(4)Si含有量、焼入時の組織および鋼の各
特性について上述の通り、熱間工具鋼の被削性の向上には、Si含有量
の増加が有効な手段であるが、同時に鋼の靱性を低下を
招くだけでなく、高温強度も低下させることになる。し
かし、Si含有量を増加させた場合であっても、焼入時の
マルテンサイト組織にベイナイト組織を混合させること
によって、靱性の低下が現れるが、高温強度の大幅な低
下を抑えることができる。このように焼入組織へのベイ
ナイトの混合比率を増加させることによって、マルテン
サイト組織に比べ靱性が低下するものの高温強度を上昇
させることができるのは、ベイナイトとマルテンサイト
から析出する炭化物の形態に起因している。具体的に
は、焼き戻し後のベイナイトは、マルテンサイトと比較
すると、粗大な炭化物が析出するので靱性が低下するこ
とになるが、Mo₂Cが微細析出するので高温強度が上昇す
ることになるからである。

【００１８】本発明は、上述の熱間工具鋼の靭性改善に
関するMn、NiおよびＮに関する知見、さらに上記(1)〜
(4)のSiに関する知見に基づいて完成されたものであ
り、下記の熱間工具鋼を要旨としている。

【００１９】すなわち、重量％で、Ｃ：0.25〜0.40％、
Si：0.50％を超え1.00％未満、Mn：0.30〜1.50％、Ni：
0.50〜2.00％、Cr：2.70〜5.50％、Mo：1.00〜2.00％、
Ｖ：0.50％を超え0.80％未満、Al：0.005〜0.10％未満
を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、不
純物中のＰは0.015％以下、Ｓは0.005％以下、Ｎは0.01
5％以下であり、さらに焼入時の組織がマルテンサイト
およびベイナイトの混合組織であることを特徴とする被
削性および工具寿命に優れた熱間工具鋼である。

【００２０】上記熱間工具鋼では、ASTM E399に準じた
破壊靱性試験で破壊靱性値が250kgf/mm^3/2以上であり、
かつ JIS G O567に準拠した高温強度試験で試験温度700
℃におけるの0.2％耐力が20kgf/mm²以上であるのが望ま
しい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明における鋼の化学
組成を上記のように限定する理由について説明する。な
お、「％」は「重量％」を意味する。

【００２２】Ｃ：Ｃは鋼の焼入性を高めるとともに、靱
性を向上させる。さらに焼き戻し時に炭窒化物（なかで
もＶ炭窒化物）として２次析出して、高温強度を向上さ
せる作用を有する。しかし、その含有量が0.25％未満で
は添加効果が乏しく、0.40％を超えて含有させると、被
削性の低下を引き起こすことになる。そのため、Ｃの含
有量は0.25〜0.40％とした。

【００２３】Si：Siは、前記図１に示すように、鋼の被
削性を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が
0.50％以下では添加効果に乏しく、一方、図２、図３に
示すように、1.00％以上であると鋼の靱性および高温強
度を低下させ、熱間工具の寿命低下の要因となる。そこ
で、Siの含有量を0.50％を超え、1.00％未満とした。特
に望ましい含有量は、0.50％を超え、0.80％未満であ
る。

【００２４】Mn：Mnは鋼の焼入性を向上させて靭性を高
めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.30
％未満では所望の効果が得られず、1.50％を超えると偏
析が生じて靭性と強度の低下を招くようになるので、Mn
の含有量を0.30〜1.50％とした。

【００２５】Ni：NiもMnと同様に鋼の焼入性を向上させ
て靭性を改善するのに有効な元素である。しかし、その
含有量が0.50％未満では添加効果に乏しく、一方、2.00
％を超えると変態点を下げて高温強度の低下を招く。し
たがって、Niの含有量を0.50〜2.00％とした。

【００２６】Cr：Crは靭性および耐摩耗性の向上に有効
な元素である。しかし、その含有量が2.70％未満では充
分な効果が得られず、5.50％を超えると高温強度の低下
を招くようになるので、Ｃｒの含有量を2.70〜5.50％と
した。特に望ましい含有量は、3.50〜4.50％である。

【００２７】Mo：Moは鋼の焼入性と焼戻し軟化抵抗を向
上させて、靭性と高温強度を高める作用を有する。しか
し、その含有量が1.00％未満では所望の添加効果が得ら
れず、一方、2.00％を超えると被削性および靭性の低下
をきたす。したがって、Moの含有量を1.00〜2.00％とし
た。

【００２８】Ｖ：Ｖは焼戻し時に炭窒化物を形成して、
熱間工具の高温強度を高めるのに最も寄与する元素であ
る。しかし、Ｖの含有量が0.50％以下であるとその効果
が得難く、0.8％を超えて含有させると、鋼の被削性と
靭性を悪化させる。したがって、Ｖの含有量を0.50％を
超え、0.80％未満とした。

【００２９】Al：Alは鋼の脱酸の安定化およぴ均質化を
図るのに有効な元素であるが、その含有量が0.005％未
満では所望の効果を得ることができない。一方、含有量
が0.10％以上では被削性の低下や鋼中の地きずの原因と
なる。そのためAl含有量を0.005％〜0.10％未満とし
た。

【００３０】本発明においては、不純物元素としての
Ｐ、ＳおよびＮの含有量をそれぞれ下記の通りに規制す
る。

【００３１】Ｐ：Ｐは含有量が多いと偏析が大きくなり
靱性の劣化をきたす。さらに、熱亀裂の発生を助長する
ので、その含有量は可能な限り低いことが望ましい。そ
こで、不純物としてのＰの含有量を0.015％以下に限定
した。

【００３２】Ｓ：Ｓは硫化物を形成し、被削性を向上さ
せるが、靱性を低下させるので、含有量は可能な限り低
いことが望ましい。そこで、不純物としてのＳの許容上
限を0.005％に限定した．Ｎ：ＮはＶと窒化物を形成して焼入れ加熱時の固溶Ｖ量
を減少させる。固溶Ｖ量が少ないと焼戻し時に２次析出
するＶ炭窒化物の量も必然的に減少し、高温強度が低下
する。そこで、不純物としてのＮの含有量を0.015％以
下に限定した。

【００３３】焼入組織：本発明が対象とする焼入時の組
織は、図２、図３に示すように、マルテンサイトおよび
ベイナイトの混合組織に限定される。このときの混合組
織のベイナイトの混合比率を示すベイナイト率は、簡易
に求めることができる。すなわち、厚さ10mmの試材を焼
入する際に、水冷した試料の硬さをＨ₁とし、室温まで2
0時間かけて冷却した試料の硬さをＨ₂とした場合に、実
際に焼入を実施して測定対象となる試料の硬さをＨとし
すると、下記の式から算出される。ただし、硬さはビ
ッカース硬さ（HV）で表示する。

【００３４】ベイナイト率（％）＝100−（Ｈ−Ｈ₂）／（Ｈ_l−Ｈ₂）×100 ・・・本発明において、式で算出されるベイナイト率が０％
（すなわち、100％マルテンサイト）〜４％の場合に
は、鋼の高温強度を向上させるには不十分であり、ベイ
ナイト率が80％を超え、100％の場合には鋼の靭性が低
下する。このため、焼入時のマルテンサイトおよびベイ
ナイトの混合組織は、ベイナイト率を５〜80％にするの
が望ましい。

【００３５】

【実施例】本発明の熱間工具鋼の効果を、実施例に基づ
いて具体的に説明する。

【００３６】表１および表２に示す化学組成を有する発
明鋼および比較鋼の38種の鋼種を電気炉で溶製して、得
られた鋼塊を分塊し、さらに鍛錬比５以上で鍛造をし
た。比較鋼のうち鋼種No37はJIS SKT4、鋼種No38はJIS
SKD61をベースにする従来鋼である。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】これらの発明鋼および比較鋼は、厚さ10〜
800mm×幅20〜1500mmの角材に熱間鍛造の後、800〜850
℃で焼鈍した。次いで鍛造された鋼種の焼入組織を変化
させるために、900〜1050℃に加熱してから水冷、油冷
および炉冷によって焼入を実施し、引き続き焼戻を550
〜640℃で行い、各鋼種とも硬さHS55〜60になるように
調整した。

【００４０】被削性試験は、PVDコーテッド超硬工具（K
20）を用いて、所定の切削条件でフライス加工（V＝50m
/min、f＝0.18mm/刃、d＝3.Omm）を行った際の切削工具
寿命までの切削長さを測定した。ただし、工具寿命の判
断は、最大工具摩耗量が0.25mmを超えたときとした。こ
れらの結果を表３に示す。

【００４１】高温強度試験は、上記焼戻を実施した角材
から JIS 14A 号試験片（直径D＝6mm）を切り出して、J
IS G O567に準拠し、試験温度を700℃として0.2％耐力
を測定した。また、破壊靱性試験は、ASTM E399に準じ
て長さ方向から試験片を採取して行った。これらの試験
結果も表３に併せて示す。

【００４２】

【表３】

【００４３】通常、工具鋼の被削性に関し、切削長さ２
ｍが目安とされ、これを超える切削長さの場合に被削性
に優れると評価される。また、工具寿命に関しては、破
壊靱性値が250kgf/mm²以上で、かつ700℃の0.2％耐力が
20kgf/mm²以上のときに工具寿命が優れると評価され
る。表３から明らかなように、発明鋼No６〜８は、焼入
時の組織がマルテンサイト＋40〜60％ベイナイトである
場合には、切削長さ、破壊靱性値および0.2％耐力のい
ずれもが目安値を満足して、切削性とともに工具寿命に
も優れることが分かる。すなわち、発明鋼においては、
被削性向上にSi含有量の増加が有効であり、しかもSi含
有量の増加による高温強度が低下を、焼入組織をマルテ
ンサイトおよびベイナイトの混合組織にすることによっ
て、抑制している。

【００４４】表４は、鋼種No11〜No38について、焼入時
の組織をマルテンサイト＋５〜80％ベイナイトとして、
切削長さ、破壊靭性値および700℃での0.2％耐力を測定
した結果を示している。同表から、比較鋼では切削長
さ、破壊靭性値および0.2％耐力のうちいずれかが、上
記の目安値を達成していないのに対し、発明鋼ではいず
れもが目安値を満足して、切削性および工具寿命に優れ
れることが分かる。

【００４５】各鋼種から金型を製造し、これらを用いて
工具寿命の比較試験を実施した。得られた金型を、6,50
0ｔ熱間プレスにて実際の型鍛造に供し、寿命を測定し
た。なお熱間鍛造金型の寿命は、型彫り面の欠損やへた
り摩耗により金型が著しく損傷して型鍛造の継続が不能
になるまでの型打ち数で評価した。この結果を表５に示
す。

【００４６】金型寿命に関しては、鋼種No７、13、26の
発明鋼を用いて作製した熱間鍛造金型では、いずれも使
用回数が大幅に増加しており、比較鋼を用いて作製した
金型の寿命が5,200〜7,000回に留まるのに対し、12,300
回以上と長寿命化が図れる。

【００４７】

【表４】

【００４８】

【表５】

【００４９】

【発明の効果】本発明の熱間工具鋼によれば、Mn、Niお
よびＮによる靭性改善が図れるとともに、Siの増量が切
削性に有効であり、しかもSiの増量による高温強度が低
下を、焼入組織をマルテンサイトおよびベイナイトの混
合組織にすることによって抑制できる。したがって、本
発明の熱間工具鋼を用いれば、熱間鍛造、熱間押出しや
ダイカストなどに用いられる金型の製作に際し、加工時
間の短縮や工具寿命の延長を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の被削性に及ぼすS
i含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したもの
である。

【図２】4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の靱性に及ぼすSi
含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したもので
ある。

【図３】4Cr−Mo−Ｖ系の熱間工具鋼の高温強度に及ぼ
すSi含有量の影響を、焼入時の組織との関係で示したも
のである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口働大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品事業所内 (72)発明者岡田康孝大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者近藤邦夫大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.25〜0.40％、Si：0.50％
を超え1.00％未満、Mn：0.30〜1.50％、Ni：0.50〜2.00
％、Cr：2.70〜5.50％、Mo：1.00〜2.00％、Ｖ：0.50％
を超え0.80％未満、Al：0.005〜0.10％未満を含有し、
残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは
0.015％以下、Ｓは0.005％以下、Ｎは0.015％以下であ
り、さらに焼入時の組織がマルテンサイトおよびベイナ
イトの混合組織であることを特徴とする被削性および工
具寿命に優れた熱間工具鋼。
【請求項２】ASTM E399に準じた破壊靱性試験で破壊靱
性値が250kgf/mm^3/2以上であり、かつ JIS G O567に準
拠した高温強度試験で試験温度700℃におけるの0.2％耐
力が20kgf/mm²以上であることを特徴とする請求項１記
載の被削性および工具寿命に優れた熱間工具鋼。