JPH11293381A

JPH11293381A - 溶接性に優れた熱処理用鋳鋼

Info

Publication number: JPH11293381A
Application number: JP9736598A
Authority: JP
Inventors: Seiji Okazaki; 清治岡崎; Yoshiharu Wada; 義治和田; Kunichika Kubota; 邦親久保田; Miki Yamaoka; 美樹山岡
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な機械的性質、特に硬さと靭性を確保す
ることができ、溶接性に優れ、鋳物としても鋳造性のよ
い熱処理用鋳鋼を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．３〜０．６５％、Ｓ
ｉ：０．１〜２．１％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃ
ｒ：４．５〜１２．０％、Ｍｏ：０．３５〜３．３％、
Ｖ：０．０５〜１．４％を含有し、残部がＦｅおよび不
可避の不純物で形成する。更に、Ｚ＝８＊（Ｃ％）＋
０．６＊（Ｃｒ％）の式で示される共晶値の値Ｚを１
０．８以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、家庭電化製
品、農機具等に使用される鋼板の打抜、曲げ、絞りある
いはトリミング用の金型等で熱処理して使用される溶接
性に優れた熱処理用鋳鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車メーカー等では価格競争に打ち勝
ち収益を確保するために、これまであらゆる分野でのコ
スト低減を実施してきた。その分野は金型の製造分野ま
でにもおよび、コスト低減のため、プレスで成形される
製品の製作工程の短縮や金型製作数の削減、更には加工
方法や工具の開発等種々の低減施策を実施してきた。ま
た、鋼板の打抜、曲げ、絞りあるいはトリミング等に使
用される金型では、三次元的に変化している被打抜品の
形状を成形する金型において、鋼材に比べて加工代を減
少できるメリットを生かし鋳鋼品も採用されてきた。こ
の点に着目し、最近では更に鋳鋼品の品質改善ニーズが
強くなってきた。

【０００３】従来このような金型材で、特に冷間加工用
としては耐摩耗性付与のため炭化物を多量に含み、更
に、焼入れ性に優れかつ靭性を確保するためＣｒ含有量
が多い材料が求められていた。例えばその一例としてＪ
ＩＳ・Ｇ・４４０４規定の合金工具鋼鋼材であるＳＫＤ
１１等の高Ｃ−高Ｃｒ系鋼が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年の傾向と
しては、金型を構成する部品数の削減や一体成形、形状
の複雑化等でＳＫＤ１１のごとき鋼材からの加工による
形状出しでは耐摩耗性には優れているが加工すべき体積
が膨大となり、製造コスト増加の原因となっている。一
方、ＳＫＤ１１に相当する材質の成分で鋳造化して加工
代を減少する試みも成されてきたが炭化物を多量に含む
ため、靭性、溶接性等に問題があり、適切な合金設計で
の実用化までには至っていないのが現状である。

【０００５】また、このような金型材に要求される基本
特性は焼入れ性、耐摩耗性、靭性、溶接性等が挙げられ
るが、近年、耐摩耗性付与としては表面処理の技術が発
達してきたため、耐摩耗性確保のために必ずしも硬質脆
性な炭化物を多量に含有しなくても良くなってきた。ま
た、最近の動向を見てみると金型加工工程の立ち上げが
短期化してきたための設計変更による形状修正や、金型
使用中の過酷な条件等による破損や割れが生じても救済
により再使用ができるための溶接性が重要となってき
た。

【０００６】このように、従来材には各々一長一短があ
る。そこで鋭意研究の結果、本発明は機械的性質を低下
させず、焼入れ性に優れ、更に溶接性に優れた金型材を
しかも加工量の少ない鋳鋼で提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者達は溶接性の改善
に要求される基本条件を見直すことにより、基本成分で
あるＣ含有量を減少しても良好な機械的性質、特に硬さ
及び靭性を得ることができ、更に、鋳物としても溶接性
を損なわず、鋳造性の良い本発明の鋳鋼に想到した。

【０００８】まず本発明による熱処理用鋳鋼は、重量％
でＣ：０．３〜０．６５％、Ｓｉ：０．１〜２．１％、
Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：４．５〜１２．０％、
Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３５〜３．３％、Ｖ：０．０５〜
１．４％を含有するとともに、残部がＦｅおよび不可避
の不純物からなる化学成分とする。

【０００９】つぎに、共晶値Ｚが１０．８以下とする。
共晶値Ｚとは、鋳鋼の溶湯が凝固する過程において固液
共存温度幅が大きくなると鋳造欠陥が発生し易くなるた
めの危険値であり、Ｚ＝８＊（Ｃ％）＋０．６＊（Ｃｒ
％）と定義する。なお、この式での（Ｃ％）と（Ｃｒ
％）とは添加元素の重量％である。共晶値Ｚが１０．８
を超えると凝固完了後の鋳造欠陥が発生しやすいので好
ましくない。

【００１０】更に、消失模型を用いて鋳造する。鋳造用
模型は一般の生砂型あるいは自硬性砂型等に使用される
木型等を使用しても良いが、金型のごとき鋳鋼材は模型
１点当りの鋳造数が極めて僅かであるため、手作りによ
る消失模型を使用した方が模型製作費が安価となる。

【００１１】また、溶接前の予熱温度が少なくとも２５
０℃で溶接可能とする。一般に金型のごとき鋳鍛鋼品は
その製造途中または使用中の状況により形状変更や補修
のために溶接が実施されるが、合金鋼は溶接時の割れを
防止するために高温に予熱した状態で実施される。特
に、Ｃｒ等を含む場合は４５０〜５５０℃以上に予熱後
実施するのが一般的であるが、化学成分の各含有量を厳
選すれば少なくとも２５０℃に予熱後溶接をしても割れ
は発生しない。予熱温度が低めであるため経済的で、作
業もやり易い。

【００１２】次に、溶接後の後熱が４５０℃で１時間保
持後、常温までの冷却時間が少なくとも３時間で冷却可
能とする。従来の冷却方法である４５０〜５５０℃から
１５〜１６時間をかけて冷却していた作業に比べて作業
時間の短縮が可能、かつ経済的でもある。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の熱処理用鋳鋼の主目的
は、Ｃの含有量を抑えて溶接性に優れた鋳鋼を製作する
ことにある。金型材に使用すれば溶接性に優れているた
め、使用中の破損や割れ、摩耗が生じても補修して再使
用が可能である。また、鋳鋼で製作するので要求される
最終製品形状に近い形状で素材を鋳造可能であり、ＳＫ
Ｄ１１のごとき圧延鋼材に比べて加工代が僅かで済む。
更に、鋼材に比べて圧延作業が不要であり、鋳造後の基
地組織は圧延鋼材のような方向性を持たず凝固完了す
る。つまり圧延された鋼材では圧延された方向に組織が
延伸されるため、圧延方向とその直角方向とでは機械的
性質に差が生じ易い。また、熱処理を実施した場合には
圧延方向とその直角方向とでは寸法的にも変化の度合が
異なる。鋳鋼の場合には機械的性質及び熱処理後の寸法
変化の点でも組織に方向性がないため、いずれの方向に
も安定した性質が得られるという特性を有している。

【００１４】加えて、本発明による熱処理用鋳鋼は、必
ずしも熱処理炉による焼入れ／焼戻しを実施しなくても
よい。金型材に使用した場合等は、その機能上で必要な
部位のみに火焔焼入れ等を実施しても良く、製作工数あ
るいは必要特性を考慮して硬さを得るための熱処理方法
を選択すればよい。

【００１５】次ぎに本発明の成分限定理由について述べ
る。１）ＣＣは焼入れ性を向上し、熱処理後の硬さを維持するため
に必要である。熱処理後の硬さをＨＲＣ５５以上に確保
するためには添加量、固溶量共に０．３％以上が必要で
ある。０．３％未満では焼入硬さが不足し十分な強度を
確保できない。また、ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｖと結合して炭
化物を形成し、耐摩耗性や焼戻し軟化抵抗を向上させ
る。添加量が過多になると靭性を低下させ、０．６５％
を越えると溶接性を劣化させる。更に、固液共存温度幅
が大きくなり鋳造欠陥発生の危険、つまり共晶値Ｚが増
す原因となる。よってＣの添加量は０．３〜０．６５％
とした。２）ＳｉＳｉは脱酸剤と鋳造性改善の目的で添加するが、効果を
得るためには少なくとも０．１％以上が必要である。一
方、過多の添加は被削性と溶接性を阻害する原因とな
り、また、マトリックスの成分偏析も激しくなる。この
ためＳｉの添加量は０．１〜２．１％とした。３）ＭｎＭｎは焼入性向上のために添加するが、０．１％未満で
は焼入硬さを安定して得るためには不十分である。一
方、多すぎると溶接性を劣化させる原因となり、更にＳ
ｉと同様マトリックスの成分偏析も激しくなるので０．
１〜１．２％とした。ただし、Ｍｎは高価なＣｒやＭｏ
等が置換できる経済的な元素であるが、ＣｒやＭｏ等の
効果が十分発揮される場合にはＭｎは無添加としても良
い。４）ＣｒＣｒはＣと結合して炭化物を生成し耐摩耗性を向上する
と共に、焼入性を増す効果がある。しかし、添加量が少
なすぎるとその効果が不足する。また、多すぎるとＣｒ
炭化物の増加による靭性の低下をきたす。更に、Ｃの添
加と同様に固液共存温度幅が大きくなり鋳造欠陥発生の
危険（共晶値Ｚ）が増す原因となる。よってＣｒの添加
量は４．５〜１２．０％とした。５）Ｍｏ，ＷＭｏおよびＷは焼入性を向上する。また、Ｃと結合して
硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。Ｗの原子
量はＭｏの約２倍であるため、Ｍｏ１％の含有量はＷ２
％の含有量と等しい効果を有し、本発明ではＭｏ，Ｗの
１種または２種を含有させることができ、（Ｍｏ＋１／
２Ｗ）量でその効果を表すことが可能である。（Ｍｏ＋
１／２Ｗ）量でどちらの成分を優先して使うかは経済性
を考慮して判断すればよい。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の添加
量が０．３５％未満では効果が不十分である。一方、過
多の添加量では靭性を低下させる層状の共晶炭化物が発
生するので０．３５〜３．３％とした。６）ＶＶは焼入れ時の残留オーステナイトの成長を抑制し靭性
を確保するのに有効であり、この効果を発揮するために
は０．０５％以上の添加が必要である。逆に、過多の添
加は凝固時に巨大なＶ系炭化物を晶出し、靭性を低下さ
せる原因となるので０．０５〜１．４％とした。

【００１６】次に、本発明の実施例について詳細に説明
するが、本発明はこれらの実施例により何等限定される
ものではない。

【００１７】（実施例１）表１に本発明の溶接性に優れ
た熱処理用鋳鋼とその比較材の化学成分の一実施例を示
す。

【００１８】

【表１】化学成分（重量％）備考ＣＳｉＭｎＣｒＭｏＷＶＺ値発明材１ 0.35 1.24 0.20 11.22 0.35 2.51 0.31 9.5 〃２ 0.36 0.38 0.44 5.35 3.30 − 0.55 6.1 〃３ 0.45 1.00 0.40 8.50 1.51 − 0.20 8.7 〃４ 0.46 2.10 0.33 5.68 0.85 − 0.49 7.1 〃５ 0.49 0.71 0.10 7.10 0.99 − 0.75 8.2 〃６ 0.47 0.39 0.33 6.82 1.59 − 1.40 7.9 〃７ 0.58 0.23 0.61 5.51 2.75 − 1.22 8.0 〃８ 0.49 0.16 0.51 8.00 1.77 − 0.41 8.7 比較材１ 1.48 0.25 0.46 12.11 0.99 − 0.38 19.1 SKD11圧延鋼材〃２ 1.49 0.40 0.48 12.25 0.96 − 0.35 19.3 SKD11相当鋳造材〃３ 0.66 1.20 0.57 7.48 1.85 − 0.76 9.8 Ｃ高め〃４ 0.76 0.10 0.29 9.63 1.43 − 0.57 11.9 Ｚ値高め〃５ 0.58 0.82 0.35 11.81 1.48 − 0.38 11.7 Ｚ値〃〃６ 0.53 0.55 0.38 12.50 0.58 − 0.26 11.7 Ｃｒ〃〃７ 0.35 0.70 0.36 4.01 2.31 − 0.11 5.2 Ｃｒ低め〃８ 0.28 1.10 0.12 6.35 2.01 − 0.71 6.1 Ｃ〃〃９ 0.44 0.92 1.75 8.23 0.75 − 0.25 8.5 Ｍｎ高め〃１０ 0.45 0.43 0.81 4.68 2.27 3.10 0.42 6.4 (Ｍｏ+1/2Ｗ) 高め〃１１ 0.39 0.56 0.75 9.58 2.58 − 0.01 8.9 Ｖ低め

【００１９】まず、１ｔｏｎ高周波炉を使用して材料を
溶解した。つぎに、取鍋を使用して溶湯を鋳型（フラン
砂型）へ１５６０℃で注湯した。更に鋳型内で凝固冷却
後、試験片素材を鋳型から取り出した。引続き、鋳造組
織の改善及び鋳造応力の除去を目的として、バッチ式熱
処理炉を使用し８５０℃で４時間保持の焼鈍を実施し
た。しかる後、ショットブラストにてスケール落し後、
押湯と湯道を切断除去した。なお、試験片素材の形状は
Ｔ字型で、フランジ部の寸法を幅２００ｍｍ、長さ１０
０ｍｍ、厚さ４０ｍｍ、ウエブ部の寸法を高さ４０ｍ
ｍ、厚さ１５ｍｍとした。

【００２０】次に、試験片素材の鋳肌面を機械加工によ
り除去し、所定形状に仕上げた。その後、真空加熱炉を
用いて１０２５℃に加熱保持後、不活性ガスでガス冷却
焼入れを実施した。更に続けて各試験片の目標硬さがＨ
ＲＣ５５以上となるように、５００〜５５０℃で焼戻し
を実施した。このようにして製作した試験片を表２に示
す条件で溶接性の評価を実施した。

【００２１】

【表２】項目内容予熱方法：所定温度に加熱保持した電気炉に装入後、１時間保持溶接方法：アーク溶接溶接棒：被覆アーク溶接棒 JIS Z3251 DF3B相当、棒直径４ｍｍ溶接電流：１１０Ａ溶接後の後熱方法：予熱と同一要領で、４５０℃で１時間保持冷却時間：７時間溶接割れ判定方法：染色浸透探傷検査及び内部切断面の顕微鏡観察

【００２２】焼入れ、焼戻し熱処理結果の硬さと溶接性
（溶接後の割れの有無）判定結果の一例を表３に示す。
発明材にはいずれの場合も溶接割れが発生しなかった
が、比較材では予熱温度が３５０、４５０℃で割れを生
じた。

【００２３】

【表３】硬さ（ＨＲＣ）予熱温度（℃）溶接性（割れ）発明材１５９．０３５０無し〃２５８．０３５０〃〃３５８．７３５０〃〃４６０．０３５０〃〃７５９．９４５０〃〃８６０．１４５０〃比較材１６０．３３５０割れ〃２５９．８４５０〃〃３６０．０４５０〃

【００２４】更に、試験片素材から引張試験用にＪＩＳ
４号試験片（直径１４ｍｍ）を、シャルピー衝撃試験用
に１０ｍｍ角、長さ５５ｍｍ、中央部切り欠き深さ２ｍ
ｍ、半径１０ｍｍの試験片を切り出し、機械的性質の調
査に供した。熱処理は真空加熱炉で１０２５℃に加熱後
不活性ガスでガス冷却焼入れを実施し、更に目標硬さが
ＨＲＣ５５以上となるように５００〜５５０℃で焼戻し
を実施した。この結果の一例を表４に示す。比較材１は
ＳＫＤ１１圧延鋼材であり、圧延方向と直角方向の機械
的性質である。また、比較材２は化学的成分がＳＫＤ１
１相当の鋳造材である。

【００２５】

【表４】硬さ引張強さシャルピー衝撃値抗折応力（ＨＲＣ）（Ｎ／ｍｍ²）（Ｊ／ｃｍ²）（Ｎ／ｍｍ²）発明材３５９．０１３８８５．７２５４７〃８６０．５１４０３５．５２６２２比較材１６０．１１２１３４．８２０５８〃２６０．８６０５４．７１３３０

【００２６】次に、共晶値Ｚと鋳造欠陥の発生状況につ
いて調査した結果の一例を表５に示す。発明材にはいず
れも微小引け巣が認められなかった。

【００２７】

【表５】化学成分（重量％）共晶値Ｚ鋳造欠陥備考ＣＣｒ微小引け巣発明材１ 0.35 11.22 9.5 無し〃２ 0.36 5.35 6.1 〃〃４ 0.46 5.68 7.1 〃〃５ 0.49 7.10 8.2 〃〃８ 0.59 8.00 9.5 〃比較材４ 0.76 9.63 11.9 有りＺ値高め〃５ 0.58 11.81 11.7 〃Ｚ値高め

【００２８】（実施例２）試験片素材用の模型に消失模
型を使用し、実施例１と同様にして試験片を鋳造した。
試験片素材の形状、大きさはＴ字状で実施例１と同様で
ある。引続き、バッチ式熱処理炉を使用し８５０℃で４
時間保持の焼鈍を実施した。その後、ショットブラスト
でスケールを落し、押湯と湯道を切断除去した。次に、
試験片素材の鋳肌面を機械加工により除去し、真空加熱
炉で１０２５℃に加熱保持後、不活性ガスで焼入れを実
施した。焼戻し後の目標硬さはＨＲＣ５５以上である。
溶接条件は実施例１と同様としたが、溶接前の予熱温度
は２５０℃、３５０℃、４５０℃の三水準とし、溶接後
の後熱は４５０℃で１時間保持後、７時間をかけて常温
までの冷却とした。

【００２９】表６は本発明の熱処理用鋳鋼と比較材の溶
接性の一実施例である。発明材１〜６では予熱温度が２
５０℃または３５０℃であればいずれの場合も溶接割れ
は発生しなかった。一方、比較材１、６及び１１は予熱
温度を４５０℃で、比較材５は３５０℃で実施したが全
てに溶接割れが発生した。

【００３０】

【表６】硬さ（ＨＲＣ）予熱温度（℃）溶接性（割れ）発明材１５９．２２５０無し〃２５８．３２５０〃〃４６０．０３５０〃〃６５８．２３５０〃比較材１５９．９４５０割れ SKD11圧延鋼材〃５５９．０３５０〃Ｚ値高め〃６５８．５４５０〃Ｃｒ高め〃１１５８．４４５０〃Ｖ低め

【００３１】（実施例３）次に溶接前の予熱温度と溶接
後の冷却時間が溶接性に及ぼす影響を調査した。この結
果の一実施例を表７に示す。溶接後の後熱は４５０℃で
１時間保持後、３時間または７時間をかけて常温まで冷
却した。発明材では冷却時間が３時間の場合でも割れが
発生しなかったが、比較材では７時間で割れを生じた。

【００３２】

【表７】硬さ（ＨＲＣ）予熱温度（℃）冷却時間（Ｈｒ）溶接性（割れ）発明材１５９．２２５０３無し〃２５８．３２５０３〃〃３５８．７３５０３〃〃４６０．０３５０３〃〃５５９．７３５０３〃〃６５８．２３５０３〃比較材１５９．９４５０７割れ SKD11圧延材〃９５９．０４５０７〃Ｍｎ高め〃１０５８．５４５０７〃Ｍｏ高め

【００３３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、ＳＫＤ１１圧延
鋼材と比較して、基本成分であるＣ含有量を減少しても
良好な機械的性質、特に硬さ、靭性を確保することがで
き、溶接性に優れ、更に鋳物としても鋳造性の良い鋳鋼
を提供することができる。更に溶接時の予熱温度を低め
に設定でき、冷却時間を短縮しても割れが発生し難く作
業性にも優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山岡美樹島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ：０．３〜０．６５％、Ｓｉ：０．１〜２．１％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：４．５〜１２．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３５〜３．３％、Ｖ：０．０５〜１．４％、を含有するとともに、残部がＦｅおよび不可避の不純物
からなり、下記式に示す共晶値Ｚが１０．８以下である
ことを特徴とする溶接性に優れた熱処理用鋳鋼。共晶値Ｚ＝８×（Ｃ％）＋０．６（Ｃｒ％）
【請求項２】消失模型を用いて鋳造してなることを特
徴とする請求項１に記載の溶接性に優れた熱処理用鋳
鋼。
【請求項３】溶接前の予熱温度が少なくとも２５０℃
で溶接可能としてなることを特徴とする請求項１又は請
求項２のいずれかに記載の溶接性に優れた熱処理用鋳
鋼。
【請求項４】溶接後の後熱が４５０℃で１時間保持
後、常温までの冷却時間が少なくとも３時間で冷却可能
としてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
に記載の溶接性に優れた熱処理用鋳鋼。