JPS6366384B2

JPS6366384B2 -

Info

Publication number: JPS6366384B2
Application number: JP14819680A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Fukui; Yoshuki Niiyama; Naoyuki Yamauchi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1980-10-24
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1988-12-20
Also published as: JPS5773171A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は加工性を付与した工具鋼に関するもの
で、そろ特徴はHRC40〜47程度の中硬度で使用
されるダイプレート、絞り型、抜き型、ダイカス
ト金型およびその他の工具として使用するために
快削成分Ｓおよび希土類元素を複合添加して、従
来公知の快削合金工具鋼より、その被削性を大幅
に向上させ、それとともに希土類元素の投入によ
り上記快削成分によつて形成される非金属介在物
の形状を粒状化させ得るため、耐衝撃性を改善し
たものである。なお、本発明鋼は中硬度にプレハ
ードン化した後容易に複雑加工が可能なため、加
工後の熱処理で生ずる変形等の問題発生を未然に
防止出来るので非常に広範囲にわたり利用できる
快削冷間工具鋼である。従来の快削成分を含有している鋼の場合、塑性
加工によつてＡ系介在物が線状に変形し、この介
在物の鋭角コーナー部に応力が集中し初期破壊を
生じる。このため靭性も著しく低下し耐酸化性や
耐ヒートチエツク性が劣化し、耐摩耗性も必的に
悪くなる欠点があつた。そこで、介在物の粒状化
を促進し、しかも被削性や靭性に優れた合金工具
鋼を開発するために、公知快削成分に希土類元素
を添加することにより、他の特性を損なうことな
く被削性や靭性が非常に向上することを見いだし
た。その結果として本発明鋼は耐酸化性、耐ヒー
トチエツク性に富み、耐摩耗性を向上させるため
に施行される各種表面硬化処理性に優れる特性を
有する。なお、本発明鋼をプレハードン化して使
用すれば、従来公知鋼においては被削性の関係か
らHCR40前後にしか上げられなかつたが、本発
明鋼はHRC40〜47の中硬度に高めることができ、
著しく工具寿命も延長し得る。すなわち、本発明の要旨とするところは下記の
とおりである。 C0.2〜2.5％、Si0.1〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、Mo0.1〜3.0％、N0.01〜0.3％を
基本成分とし快削成分としてS0.04〜0.4％とさら
に希土類元素の１種または２種以上を合計量で
0.005〜0.60％含有し、残余が実質的にFeおよび
不可避不純物元素からなり、必要によりNi0.3〜
4.0％を含有しまたは／およびAl0.3〜1.5％、
Zr0.05〜3.0％、Ti0.05〜3.0％の１種以上と、
V0.05〜3.0％、Nb0.1〜3.0％、B0.001〜0.050％
の内少なくとも１種以上の元素を含み、Al、Zr、
Ti、Ｖ、Nb、Ｂの合計量が0.1〜6.0％以内であ
る工具鋼。なお、本発明における希土類元素とは、La、
Ce、Nd、Sc、Ｙ、Smおよびその他の希土類元
素のことを言う。次に本発明鋼の化学成分組成範囲限定理由を以
下に述べる。Ｃ：0.2〜2.5％Ｃは、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Nbなどの炭化物
形成元素と結合して、硬い複合炭化物を生成し
工具として必要な耐摩耗性の向上に著しい効果
があり、また基地中に固溶して所要の硬さを付
与せしめるために必要な成分元素である。しか
し、0.2％未満の含有では前述特性を十分に発
揮できず焼もどしにより必要な硬さが得られな
い。他方、2.5％を超える過剰の含有量では、
焼もどし軟化抵抗性を減少させると共に、靭性
や耐衝撃特性が著しく劣化する。また、グラフ
アイトの現出による鏡面仕上性の劣化が生じる
ので2.5％以下に限定した。 Si：0.1〜2.0％ Siは基地中に固溶して降状点を高め、疲労限
を向上させるのに大きな影響を有する非常に有
効な成分元素である。また200〜300℃の温度領
域で軟化抵抗性を高める効果がある。しかし
1.5％を超えると熱伝導性の劣化による作業中
における工具温度の上昇や切削加工中の被削性
低下が生じるので2.0％以下に限定した。また、
0.1％未満ではこれらの特性を得ることが出来
ない。 Mn：0.4〜3.0％ Siと同様に脱酸剤として添加されると共に、
MnはＳと反応しMnSを形成し被削性の向上に
大いに寄与している。0.4％未満の含有では
MnSの形成が完全に行なわれず余剰のＳがFe
と反応し低融点のFeSを形成するので最低量で
も0.4％が必要である。また、Mnはオーステナ
イトを安定化し、マルテンサイト変態点を著し
く降下させる。このため3.0％を超えて多量に
添加するとマルテンサイト変態点が約80℃以上
低下して残留オーステナイト量が増加し、経年
変化等の寸法変形が生ずる。また、Mnは加工
硬化能が高いので被削性も劣化させるので3.0
％以下に限定した。 Cr：1.0〜20.0％Ｃと結合して複合炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に大いに寄与する元素である。また基地
中にも多量に固溶して焼入性を向上させると共
に耐酸化性の向上にも大きく寄与するのに必須
の成分元素であるが、1.0％未満ではその効果
が達成されず、しかも必要な焼もどし硬さが得
られない。一方、20.0％を超えて多量に含有す
るとオーステナイト領域を閉鎖し、熱処理を困
難にするだけではなく加熱中にシグマ相の析出
が生じ鋼を劣化させる。また、炭化物反応を低
温度側に移行させ、焼もどし軟化抵抗性を減少
させる。この際に形成される炭化物はM₇C₃型
の巨大炭化物でありこのため靭性が低下する。この炭化物は一般的製造方法では角ばつた形
となるため、使用中の外応力が負荷された場合
にこの炭化物のコーナー部に応力集中が生じそ
の部分より割れが生じるためである。このよう
な理由からCr含有量は1.0〜20.0％の範囲に限
定した。 Mo：0.1〜3.0％ MoはＣと結合して微細なM₂C型あるいは
M₆C型複合炭化物を生成させ、かつ基地中に
も固溶してこれを強化するので耐摩耗性や高温
硬さを高めると共に焼もどし軟化抵抗性の向上
や耐ヒートチエツク性を改善させるのに大いに
寄与する元素である。Cr含有量が2.0％以上の
場合には、Mo添加量0.1％以上で焼もどし軟化
抵抗性が向上するが3.0％を超えるとその効果
がほぼ一定となるだけでなく、靭性の低下が生
じるのでMo成分範囲は0.1〜3.0％に限定した。Ｎ：0.01〜0.3％ＮはＣと同様に、Cr、Mo、Ｖ、Nbなどの
元素と反応し、窒化物を形成し耐摩耗性の向
上、結晶粒の粗大化防止に効果がある。この特
性は0.01％未満では大部分炭窒化物の型とな
り、上述の効果は期待できないし、0.3％をこ
えると炭窒化物が結晶粒界のトリプルポイント
で巨大成長し、靭性を劣化させるので0.01〜
0.3％に限定した。なお0.02％以上のＮを添加
すれば、特に細粒が得られるので0.02〜0.3％
の範囲が好ましい。Ｓ：0.04％、希土類元素：0.005〜0.60％Ｓと希土類元素は快削性付与成分として重要
な役割を果すので必ず２元素を複合状態で添加
することが必要である。希土類はＳと結合しやすく高融点の希土類硫
化物を形成し、微細な球状となつて鋼中に分散
し、塑性加工時にして点線状に延伸される。一
方MnはＳと結合してMnSを形成するが、この
MnSの介在物は希土類硫化物より融点が低く
しかも硫化物生成エネルギーが大きいために、
希土類硫化物を核として成長する結果、基地中
に均一分布し被削性を向上させる。この複合介
在物はMnS型よりも硬いので母材の塑性加工
中でも変形しにくく、惰円形あるいは卵形にな
るのみで、従来公知の線状非金属介在物とはな
らない。公知のＳを主体とした快削鋼では、軟
らかなMnS介在物が主であるため塑性加工時
に糸状に長く伸び、その先端が鋭いエツジ状を
呈し、外応力の負荷、除去の繰り返しによりノ
ツチ作用が生じ早期破壊因となる欠陥をもつて
いる。これに対して、Ｓと希土類を複合添加した場
合には、希土類硫化物やMnSが球状に近い形
となるため鋭いエツジが生成されず、クラツク
発生の起点となりにくい。したがつて、この複
合介在物を起点としたクラツクの発生が少ない
ため靭性が著しく改善できることになる。ま
た、被削性に対してもこの形状はMnSのよう
な糸状に延びたものよりはるかに好結果が得ら
れる。このように容易に卵状の複合介在物を得
ることができ、しかも鍜造時の熱間加工性を考
慮して、S0.04〜0.4％とさらに希土類元素の１
種または２種以上を合計量で0.005〜0.60％含
有する成分範囲内の組合せ添加が必要である。 Ni：0.3〜4.0％ Niは、焼入性の向上や結晶粒微細化による
靭性向上に大きく寄与する元素であるが、その
効果は0.30％未満の含有では得られず、他方
4.0％以上になると残留オーステナイト量が急
激に増加し常温まで安定したオーステナイトに
なるため熱処理が不能となる。また炭化物反応
が遅滞して被削性を劣化させるのでNiの含有
量は0.3％〜4.0％の範囲に限定した。 Al、Zr、Tiはいずれも他の元素と化合物を
形成して耐摩耗性に寄与する元素であり、各々
の組成範囲の限性理由は、以下のとおりであ
る。 Al：0.3％〜1.5％ AlはＮと結合してAl−Ｎ固溶体を作り、硬
さを高めるとともに、金型キヤビテイー部表層
で加熱されることによりAl₂O₃を形成し、これ
が表層部をおおい耐酸化性を著しく向上させ
る。0.3％未満ではAl−Ｎ化合物の量が少なく
耐摩耗性の向上が望めず1.5％をこえると溶鋼
中での酸化反応が生じ鋼の清浄度を低下させ
る。またAlの偏析が生じ硬さむらを起すので
0.3〜1.5％以下に限定した。 Zr：0.05％〜3.0％ Zrは溶鋼中の酸素と結合して微細な酸化物
を形成する。これは、希土類元素と同様に、硫
化物の介在物の析出時に核的働きをし、硫化物
系介在物の微粒分散に効果的な添加元素であ
る。しかし0.05％未満では有用添加して形成さ
れた希土類硫化物やMn（Ｓ、Te）の分散には
十分効果が発揮できず、3.0％をこえると鋼中
の窒素と反応し、大形の角ばつた窒化物を形成
する。これが塑性加工により連鎖状になり早期
割れを引き起こすので添加範囲を0.05〜3.0％
に限定した。 Ti：0.05〜3.0％ Tiは溶湯での強脱酸効果があり、しかもＣ
がTiCとして固定され非常に硬い炭化物を形成
し、耐摩耗性を向上させる。さらに長時間加熱
によるCrの局部的減少を妨害し、オーステナ
イトの生成を阻止するのに効果的に働く。しか
し0.05％未満ではこの特性を著しく発揮させる
ことが出来ず、Ｃとの関係から3.0％をこえる
含有は析出硬化が生じ靭性を劣化させるので添
加範囲を0.05〜3.0％に限定した。次にＶ、Nb、Ｂはいづれも靭性の向上を目的
として添加する元素であり、各々の組成範囲の限
定理由は以下のとおりであるＶ：0.05〜3.0％Ｖは鋼中のＣ、Ｎと結合して非常に硬くしか
も固溶しにくいMC型炭化物（HV2500〜3000）
を生成し、耐摩耗性の向上に大きく寄与し、か
つ結晶粒を微細化させる結果、靭性を向上させ
る効果がある。しかしながらＶは有効なＣを固
着するために硬さ低下を生じ、しかもNb、Zr、
Tiとの関係から3.0％をこえて含有すると巨大
なMC型炭化物を生成し被削性や硬さの低下を
生じる。他方、0.05％未満では、耐軟化抵抗性
が劣化するので添加範囲を0.05〜3.0％に限定
した。 Nb：0.1〜3.0％ Nbは非常に高融点の微細な特殊炭化物を形
成するために、鍜造あるいは圧延、焼入れの
際、加熱温度の上昇にともなう結晶粒の粗大化
を阻止させる。この結果、高温加熱に対する結
晶粒成長の感受性を著しく鈍化させる効果があ
る。この作用を最も有効ならしめるためには、
最少量0.1％以上を必要とし炭素量とのかねあ
いからすると上限は3.0％までである。Ｂ：0.001〜0.050％Ｂは極微量の添加で焼入性や強さを著しく向
上させる元素であり、焼入冷却過程において、
オーステナイト結晶粒界への初析炭化物の析出
を抑制して靭性の劣化を防止する効果がある。
上記効果を有効に発揮させるためには、少なく
とも0.001％以上含有する必要がある。ただし、
多量に含有するとほう化物が多量に形成され、
鍜造性が著しく劣化するので0.050％以下に限
定した。これらNb、Zr、Ti、Ｂは結晶粒の調整に有効
に作用し、結晶粒微細化をはかることができるの
で靭性向上に著しく寄与する。また、鋼中のＮと
反応して窒化物を生成しＮによる各種の脆化を防
止する。しかし、これらの元素中２種以上の添加
で0.1％未満ではその効果が期待できず、6.0％を
こえる添加では結晶粒界への優先析出が生じるた
めに靭性低下が生じる。従つてこれら４元素の添
加範囲は２種以上の添加合計で0.1〜6.0％と限定
した。次に本発明鋼の特徴を実施例により詳細に説明
する。実施例第１表は本発明鋼と公知鋼の化学組成を示す。
この内No.１〜８は本発明鋼であり、No.10〜11は従
来から用いられている快削合金工具鋼である。

【表】

【表】第２表はシヤルピー衝撃試験結果を示す。本発
明鋼は公知鋼に比べていずれも優れた衝撃特性を
示している。すなわち、快削成分Ｓおよび希土類
元素の複合添加により形成される非金属介在物特
に硫化物系介在物の形状を粒状化させるため衝撃
特性の低下は認められないものと考えられる。ま
た、Ni、Ｖ、Al、Nb、Nr、Ti、Ｂを添加した
鋼は、特に高い衝撃値を示している。

【表】第１図は鋼中の硫化物系介在物を比較した顕微
鏡組織写真である。第２図は熱処理により同一硬
さ（HRC43.1〜45.5）にした被削材を超硬P20製
15mmψストレート溝ツイストドリルで穴加工し、
深さ30mmの穴をあけたときドリルのフランク摩耗
幅が0.3mmとなるときの切削長さを調べた工具寿
命試験結果である。（なお、この際の送りは0.21
mm／revで切削油は使用せず。）本発明鋼は従来鋼
と比較して高硬度での工具寿命試験結果が1.6〜
10倍も優れていることが明瞭であり、冷間並びに
温間金型材として機械加工する場合、非常に容易
に合型製作が出きるため経済性に富む型材である
ことが判る。なお、本願の実施例に示した以外の希土類元素
についても同様の優れた効果の得られることを確
認している。以上のごとく本発明鋼は、Ｓおよび希土類元素
を適当にバランスさせた快削冷間工具鋼であつ
て、従来の快削合金工具鋼に比べて靭性および被
削性に優れており、冷間用金型材として好適であ
ることが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と比較鋼の介在物形態を示す
顕微鏡組織写真（倍率400倍）であり、ａは公知
鋼（No.10）、ｂは本発明鋼（No.８）である。第２図は、本発明鋼と比較鋼の工具寿命試験結
果を示す図であり、図中の数値は試料No.を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１ C0.2〜2.5％、Si0.1〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、Mo0.1〜3.0％、N0.01〜0.3％と、
快削成分としてS0.04〜0.4％と希土類類元素の１
種または２種以上を合計量で0.005〜0.60％含有
し、残余が実質的にFeおよび不可避的不純物か
らなる工具鋼。２ C0.02〜2.5％、Si0.1〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、Mo0.1〜3.0％、N0.01〜0.3％、
Ni0.3〜4.0％と、快削成分としてS0.04〜0.4％と
希土類元素の１種または２種以上を合計量で
0.005〜0.60％含有し、残余が実質的にFeおよび
不可避的不純物からなる工具鋼。３ C0.02〜2.5％、Si0.1〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、Mo0.1〜3.0％、N0.01〜0.3％と、
Al0.3〜1.5％、Zr0.05〜3.0％、Ti0.05〜3.0％の１
種以上と、V0.05〜3.0％、Nb0.1〜3.0％、B0.001
〜0.050％の１種以上とを含有し、Al、Zr、Ti、
Ｖ、Nb、Ｂの合計量が0.1〜6.0％であり、快削成
分としてS0.04〜0.4％と希土類元素の１種または
２種以上を合計量で0.005〜0.60％含有し、残部
が実質的にFeおよび不可避的不純物からなる工
具鋼。４ C0.2〜2.5％、Si0.1〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、Mo0.1〜3.0％、N0.01〜0.3％、
Ni0.3〜4.0％と、Al0.3〜1.5％、Zr0.05〜3.0％、
Ti0.05〜3.0％の１種以上と、V0.05〜3.0％、
Nb0.1〜3.0％、B0.001〜0.050％の１種以上とを
含有し、Al、Zr、Ti、Ｖ、Nb、Ｂの合計量が
0.1〜6.0％であり、快削成分としてS0.04〜0.4％
と希土類元素の１種または２種以上を合計量で
0.005〜0.60％含有し、残余が実質的にFeおよび
不可避的不純物からなる工具鋼。