JPS63203744A

JPS63203744A - 熱間加工用工具

Info

Publication number: JPS63203744A
Application number: JP3417387A
Authority: JP
Inventors: Toshio Okuno; 奥野　利夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-02-17
Filing date: 1987-02-17
Publication date: 1988-08-23
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JP2809622B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱間鍛造用型、アルミダイカスト型、アルミ
押出ダイスなど各種熱間金型用途に使用して、過酷な熱
的、機械的応力の作用に対して、割れを生ぜず、長寿命
を得ることができ、また割れが生じにくいため、硬さを
上げて使用することができ、この結果として優れた耐摩
耗寿命を得ることを可能にする靭性、延性のレベルが高
く、かつ方向性の少ない等方性を備えた熱間加工用工具
鋼鋼材に関するものである。

〔従来の技術〕

近年の型の形状複雑化、大型化、成形効率をあげるため
の型面からの冷却の過酷化、鍛造精度をあげるための型
隅角部の鋭角化は型の早期大割れの問題を提起し、また
鍛造精度の高度化は型面の僅かなダレ、摩耗の段階で製
品寸法、形状が不良となり、金型が早期に寿命に達する
事例が増加してきた。この場合、早期へたり、摩耗を防
止するため硬さを上げることが検討されたが早期大割れ
をまねく結果となっている。

従来の熱間加工用工具鋼鋼材の場合、素材の熱間加工時
のファイバーに沿ってクラックが発生したり、進展、破
壊する場合の靭性値即ち鍛伸方向と直角方向の靭性値（
Ｔ方向靭性値）が、ファイバーに対し直角方向にクラッ
クが進展、破壊する場合の靭性値即ち鍛伸方向の靭性値
（Ｌ方向靭性値）に対して低く（例えばＴ方向靭性値／
Ｌ方向靭性値＝０．６など）、従ってファイバ一方向に
沿って破壊が進行しやすく、素材のＴ方向の靭性、延性
改善が寿命向上のための最重要課題であり、またＬ、Ｔ
方向の靭性値の一層の向上が重要な課題であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の鋼材の場合、鍛伸方向に平行な方向の靭性値（Ｌ
方向靭性値）に対し、直角方向の試片による靭性（Ｔ方
向靭性値）のレベルは上記のようにたとえば平行方向試
片の場合の６０％と明らかに低いのが通例であり、金型
の耐割れ寿命は、この靭。

延性の低い直角方向の靭、延性の水準によって左右され
る場合が多かった。その差の原因としては。

鍛伸方向に長く伸びた非金属介在物や密集した介在物の
部分に剥離状破壊を生じやすく、このためファイバ一方
向に沿ってクラックが発生、進展しやすくなること、ま
た鍛伸方向に伸びた縞状偏析の成分偏析濃度が高く、ま
た縞幅が広く、ファイバ一方向に強い方向性を持って配
列している場合、縞状偏析に沿ってクラックが直線的に
進みやすく。

これが直角方向の靭性を低下させている主因であった・〔問題点を解決するための手段〕本発明ではとくに鍛伸方向にのびやすい硫化物系介在物
の量と大きさを極限まで減じ、また珪酸塩系、酸化物系
介在物とも極少量に減らした極清浄鋼を効率よく得て、
さらに微量不純物元素の含有量を極限に近い低水準に抑
え、鍛伸方向および直角方向の靭性の水準をともに高く
し、かつ直角方向の靭性値を平行方向のそれと同等ない
しこれに準する水準（等方性）まで高めようとするもの
である。

すなわち本発明は、熱間加工用工具鋼として必要な元素
を含有し、重量比でＳｉ０．２０％以下、ＰＱ、０２Ｑ
％以下、Ｓ　０．００４％以下、　Ｏ０．００３０％以
下に抑え、さらにミクロ縞状偏析の傾向を増大させるＡ
ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉ等の微量元素の
含有量を極少量に規制し、残部が実質的にＦｅからなる
組成であることを特徴とする熱間加工用工具鋼である。

またミクロ縞状偏析部の成分濃度が平均成分濃度に対し
て１．３倍以下であること、さらに鋼中に存在する非金
属介在物の清浄度がＪＩＳ　　ｄＡ０．０１０以下、　
ｄ　（Ｂ　＋　Ｃ）　０．０２０％以下で鍛伸方向の靭
性値（Ｌ方向靭性値）とその直角方向の靭性値（Ｔ方向
靭性値）の比であるＴ方向靭性値／Ｌ方向靭性値が０．
７５を越える等方性を有していること、望ましくはｄ　
Ａ　０．００５ぶ以下、　ｄ　（Ｂ　＋　Ｃ）　０．０
２０％以下で、Ｔ方向靭性値／Ｌ方向靭性値の比が０．
８５以上である。

次に本発明の特徴であるｓｉ、ｐ、ｓ、ｏおよびＡｓ、
Ｓｎ等の低減理由について説明する。

ＳＬは、本発明鋼の特徴を形成させるために極少量に規
制するもので、これにより基地の靭性。

延性が大幅に増大し、また縞状偏析部の偏析度を減じ、
またこの部分での炭化物反応を他の部分と同様に均一に
生じさせ、Ｔ方向の靭性を大きく改善する効果をもたら
す、多すぎると本発明鋼の大きな特徴である特に優れた
靭性に不利な影響を与え、また熱伝導性の低下をまねく
こと、金型としての使用時の昇温の際の保護性の酸化被
膜の形成を生じに＜＜シ、耐摩耗性向上に不利な影響を
与えることなどの結果をまねくので１本発明鋼の特徴を
保持する限界量として０．２０％以下とする。

Ｐは、ｌｌｌ待時粒界偏析し、熱間加工後の縞状部の偏
析度を高めたＴ方向の靭性を低下させ、また熱処理時オ
ーステナイト結晶粒界に偏析したり。

また基地に存在して靭性の水準を低下させる。

本発明鋼の特徴である優れたＴ方向の靭性を維持させる
ための限界として、基本元素としてＰはｏ、ｏｚｏ％以
下、さらに望ましい限界として０．０１５％以下とする
。

ＳはＭｎＳ等の硫化物を形成し、熱間加工方向に伸びて
分布し、Ｔ方向の靭性の低下をまねく。

本発明鋼の特徴である優れたＴ方向の靭性を維持させる
ための限界としてＳは０．００４％以下とする。

０は酸化物を形成し、熱間加工方向に方向性を持って分
散分布し、Ｔ方向の靭性の低下をまねく。

本発明鋼の特徴である優れたＴ方向の靭性を維持させる
ための限界として０は０．００３０％以下とする。

Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｂｉは、凝固時粒界部に
濃縮し、熱間加工後の縞状の偏析度を高めてＴ方向の靭
性の低下させ、また熱処理時オーステナイト粒界に偏析
したり、基地に存在して靭性の水準を低下させる。また
、ｐｂは熱間加工方向に伸びて分布し、Ｔ方向の靭性を
低下させる。

本発明鋼の特徴は、低ＳＬと特に低いｐ、ｓ。

０を基本とする靭性の水準が高く、方向性の小さい錆を
ベースに、さらにＡｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｂｉ、
Ｐｂ等の微量不純物元素の含有量を特に低く抑えること
により、縞状偏析部の偏析度を特に低く抑え、あるいは
また、旧オーステナイト結晶粒界への偏析や基地への固
溶低減により、上記靭性低減効果を大幅に深く抑え、Ｌ
、Ｔ方向の靭性水準をともに高めるとともに、特にＴ方
向の靭性を従来鋼より高めるものである。

上記理由により、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、
Ｂｉは特に低く限定するものであるが、本発明者の検討
によると、これらの合計が０．１３％以下である場合に
本発明の目的が達成されることを知見した。上記各成分
について本願発明鋼の特徴を維持する望ましい限界量と
しては、　Ａｓ　０．００５％以下、Ｓｎ　０．００３
％以下、ｓｂ　ｏ、ｏｏｉｓｇ以下、　ＣｕＯ００８％
以下、Ｂ　０．０００錦以下、Ｐｂ　０．０００２％以
下、Ｂｉ　０．０００１％以下である。

上述したＳｉ、Ｐ、Ｓ、０およびＡｓ等の含有量を抑え
、更に適正なミクロ偏析度、鋼中に存在する非金属介在
物の清浄度ｄＡ、ｄ（Ｂ＋Ｃ）およびＴ方向靭性値／Ｌ
方向靭性値の比で表わされる等方性の特性として適正な
値を有する熱間加工用工具鋼として必＝要な元素として
は、重量比でＣ０．１０〜０．７０％、Ｍｎ　１．５０
％以下、Ｎｉ　４．００１ｔｇ以下、Ｃｒ　　１．００
”８．００％、Ｍｏ　０．１０−５．００％、Ｗ　　０
．０５〜５．００％、Ｖ　０．０５〜３．００％、　Ｃ
ｏ　０．１０＝５．００５Ｇ、Ｎ　０．２０％以下が掲
げられ１本発明においてはこれらの元素が適宜含有せし
められる。

以下９本発明の熱間加工用工具鋼として必要な各種元素
の役割を述べる。

Ｃは焼入れ加熱時に基地に固溶して必要な焼入れ硬さを
与え、また焼もどし時特殊炭化物形成元素との間に特殊
炭化物を形成、析出し、焼もどしにおける軟化抵抗と高
温強度を与え、また残留炭化物を形成して高温での耐摩
耗性を付与し、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防ぐ作
用を有し、不可欠の重要な元素である。多すぎると炭化
物量が過度に増加し、熱間工具としての必要な靭性が保
持できず、また高温強度の低下もまねくので０．７０％
以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので
０．１０％以上とする。

Ｍｎは基地に固溶して焼入れ性を高める効果が大きい。

Ｍｎは上記添加効果を得るために目的、用途により添加
量を調整する。多すぎると焼なまし硬さを過度に高くし
、被切削性を低下させ、またＡ、変態点を過度に低くす
るので１．５０％以下とする。

Ｃｒは工具として必要とされる焼入れ性を与えるための
最も重要な元素である。また、耐酸化性やＡ１変態点の
上昇、また残留炭化物を形成して焼入れ加熱時の結晶粒
の粗大化を抑制し、また耐摩耗性を高め、焼もどし時特
殊炭化物を析出して昇温時の軟化抵抗を改善し、高温強
度を高めるなどの効果を与えるために添加される。多す
ぎるとＣｒ炭化物を過度に形成しかえって高温強度の低
下をもたらすので８．００％以下とし、低すぎると上記
の添加効果が得られないので１．００％以上とする。

ＷおよびＭｏは特殊炭化物を形成するもので、残留炭化
物形成により焼入れ加熱時の組織粗大化を防止し、また
焼もどし時微細な特殊炭化物を析出し、焼もどし軟化抵
抗と高温強度を高めるための最も重要な添加元素である
。またＡ、変態点を高める効果を有する。Ｗはとくに高
温１強度、耐摩耗性を高める効果が大きく、一方Ｍｅは
靭性の点でＷの場合より有利である。多すぎると粗大な
炭化物を形成し靭性の過度の低下をまねくのでＭ。

は５．００％以下とし、低すぎると上記添加の効果が得
られないので０．１０％以上とする。同様にＷは０．０
５％以上５．００％以下とする。

■は強力な炭化物形成元素であり、残留炭化物を形成し
て結晶粒微細化の効果が大きく、また高温での耐摩耗性
向上を与える。

また焼もどし時、微細な炭化物を基地中に析出し、Ｗ、
Ｍｏとの共同添加により６００〜６５０℃以上の高温域
での強度を高める効果が大きく、またＡｉ変態点を高め
る効果を与える。■は上記効果を得るために添加される
が、多すぎると粗大な炭化物を形成し、靭性の低下をま
ねくので３．００％以下とし、低すぎると上記添加の効
果が得られないので０．０５％以上とする。

Ｎ１は基地に固溶して靭性を高め、また焼入性を高める
ために目的、用途により添加される。多すぎると焼なま
し硬さを過度に高くシ、被切削性を低下させ、またＡ、
変態点の過度の低下をまねくので４．００％以下とする
。

Ｇｏは基地に固溶して高温強度を高める作用を有する。

また焼入加熱時のオーステナイト中への炭化物の固溶限
を高め、焼もどし時の特殊炭化物の析出量を増加させ、
また昇温時の析出炭化物の凝集抵抗を高め、この面から
も高温強度特性を改善する効果を与える。また工具の使
用時の昇温により表面に緻密な密着性の酸化被膜を形成
させ。

高温での耐摩耗性、耐焼付性を高める効果を与える。

Ｃｏは上記目的のために目的、用途により添加されるが
、多すぎると靭性を低下させるので５．００２以下とし
、低すぎると上記添加の効果が得られないので０．１０
％以上とする。

Ｎは基地や炭化物中に固溶して結晶粒を微細化し、靭性
を高めるために、またオーステナイトフォーマ−として
低Ｃの場合にも焼入加熱時のフェライト残存を防ぎ靭性
にすぐれた合金組成の組合せを可能とするものである。

Ｎは上記効果を得るために目的、用途により添加される
が、Ｃｒなど熱間工具鋼の合金組成の範囲内で添加可能
な限界量が存在するため０．２０％以下とする。

〔実施例〕

第１表に本発明鋼および比較鋼の化学組成を示す。

第２表に本発明鋼および比較鋼の平均非金属介在物清浄
度（％）および縞状偏析部の偏析度（縞状部の成分濃度
／平均成分濃度）を示す、試料は弧光式電気炉で溶製し
、鍛錬成形比６以上に熱間成形後続なまし処理した直径
２６０■の鋼材である。

なお、清浄度は倍率４００で１８０視野隣接部５ケ所に
ついて測定し、平均値として求めた値であり。

また縞状偏析部の偏析度は最大濃度の成分についてのも
のである。

本発明鋼は低Ｓ、低Ｏ〔酸素〕のためにＡ系および（Ｂ
＋Ｃ）系の介在物の面積率が、従来のＪＩＳ−殻成分の
比較鋼に対比して明らかに低く、また縞状部での最大成
分偏析度が比較鋼のそれより明らかに小さい、なお１本
発明ｍＡ、Ｂの対比かられかるようにＰ、Ｓの低減によ
る改善効果は無論あるが、ｐ、ｓ、ｏと同時にＡｓ他一
連の微量元素を同時に低減することによる偏析度の改善
効果が大きいことがｂかる。

第２表本発明鋼Ｂと比較鋼Ｍとの対比にみられるように、低Ｓ
ｉ化による縞状部偏析度の低減効果がみられる。

以上の事項により、本願発明の大きなポイントは、ｓｉ
、ｐ、ｓ、ｏとともにＡｓ、　Ｓｎ、　Ｓｂ。

Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂ１等の他の微量元素を同時に低減し
、縞状偏析度や基地や粒界の偏析、また硫化物系、酸化
物系非金属介在物を低減し、靭性の水準を高め、またＴ
方向（熱間加工方向に対し直角な方向）の靭性を大幅に
改善した点にあることが明確に把握できる。

第３表に本発明鋼の熱処理後のり、Ｔ両方向の破壊靭性
値ＫＩＣを示す０本発明鋼は、従来のＪＩＳ一般鋼に対
してＫＩＣの水準が高く、特にＴ方向の値が高＜、Ｔ／
Ｌ　ＫＩＣの比が０．８９を越え、ＪＩＳ一般鋼に対し
明らかに高い、また本発明鋼Ｂと比較鋼Ｍとの対比にみ
られるように、低Ｓｉ化による靭性の明らかな向上効果
がみられる。

第３表第３表に示される結果からも、本発明鋼の優れた靭性は
Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、０などの低減による硫化物系、酸化物系
非金属介在物の低減に加え、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、
Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉ等の微量不純物元素の低減による縞状偏
析の低減や基地の靭性向上効果によるものであることが
明らかである。

第１図に本発明鋼（Ｂ）のＴ方向に採取したＶノツチシ
ャルピー試験片による衝撃遷移特性を示す。

本願発明鋼は、常温の衝撃値が比較鋼（Ｌ）ＪＩＳ　　
５ＫＤ６１に対比して格段に高く、また昇温によるその
向上効果も極めて大きいことがわかる。

〔発明の効果〕

以上に記述するように１本発明鋼はＳｌおよびＰ、Ｓ、
０の低減に加え、さらにＡｓ、Ｓｎ％Ｓｂ。

Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉ等の微量不純物元素を低減させる
ことにより、靭性水準を向上させ、また、従来材の問題
点であるＴ方向の靭性水準を大幅に向上させたことを特
徴とする熱間工具鋼に関するもので、靭性向上による割
れ寿命向上は勿論、硬さを上げて使用することができる
点より、ヒートクラックやへたり、摩耗寿命を大幅に向
上させることが可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は５本発明鋼、比較鋼のＴ方向に採取したＶノツ
チシャルピー試験片による衝撃遷移特性を示すグラフで
ある。

Claims

【特許請求の範囲】１　熱間加工用工具鋼として必要な元素を含有し、重量
比でＳｉ０．２０％以下、Ｐ０．０２０％以下、Ｓ０．
００４％以下、Ｏ０．００３０％以下であって、かつＡ
ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｂ、Ｐｂ、Ｂｉの合計量が０．
１３％以下、残部実質的にＦｅよりなることを特徴とす
る熱間加工用工具鋼。２　ミクロ縞状偏析部の成分濃度／平均成分濃度で定義
されるミクロ偏析度が１．３０以下である特許請求の範
囲第１項記載の熱間加工用工具鋼。３　非金属介在物清浄度が、ＪＩＳｄＡ０．０１０％以
下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）０．０２０％以下で、鍛伸方向の靭性
値（Ｌ方向靭性値）とその直角方向の靭性値（Ｔ方向靭
性値）の比であるＴ方向靭性値／Ｌ方向靭性値が０．７
５を越える等方性を備えた特許請求の範囲第１項または
第２項記載の熱間加工用工具鋼。４　非金属介在物清浄度が、ＪＩＳｄＡ０．００５％以
下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）０．０２０％以下で、Ｔ方向靭性値／
Ｌ方向靭性値の比が０．８５を越える等方性を備えた特
許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の熱
間加工用工具鋼。５　重量比でＡｓ０．００５％以下、Ｓｎ０．００３％
以下、Ｓｂ０．００１５％以下、Ｃｕ０．０８％以下、
Ｂ０．０００５％以下、Ｐｂ０．０００２％以下、Ｂｉ
０．０００１％以下である特許請求の範囲第１項ないし
第４項のいずれかに記載の熱間加工用工具鋼。６　熱間加工用工具鋼として必要な元素として、重量比
でＣ０．１０〜０．７０％、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ
１．００〜８．００％、Ｍｏ０．１０〜５．００％およ
びＷ０．０５〜５．００％の１種または２種、Ｖ０．０
５〜３．００％が含有される特許請求の範囲第１項ない
し第５項のいずれかに記載の熱間加工用工具鋼。７　熱間加工用工具鋼として必要な元素として、重量比
でＣ０．１０〜０．７０％、Ｍｎ１．５０％以下、Ｃｒ
１．００〜８．００％、Ｍｏ０．１０〜５．００％およ
びＷ０．０５〜５．００％の１種または２種、Ｖ０．０
５〜３．００％、Ｃｏ０．１０〜５．００％が含有され
る特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載
の熱間加工用工具鋼。８　熱間加工用工具鋼として必要な元素として、重量比
でＣ０．１０〜０．７％、Ｍｎ１．５０％以下、Ｎｉ４
．００π以下、Ｍｏ０．１０〜５．００％およびＷ０．
０５〜５．００％の１種または２種が含有される特許請
求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の熱間加
工用工具鋼。９　熱間加工用工具鋼として必要な元素として、重量比
でＣ０．１０〜０．７０％、Ｍｎ１．５０％以下、Ｎｉ
４．００％以下、Ｃｒ１．００〜８．００％、Ｍｏ０．
１０〜５．００％およびＷ０．０５〜５．００％の１種
または２種、Ｖ０．０５〜３．００％、Ｃｏ０．１０〜
５．００％、Ｎ０．２０％以下を含有する特許請求の範
囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の熱間加工用工
具鋼。