JPS6366385B2

JPS6366385B2 -

Info

Publication number: JPS6366385B2
Application number: JP14819780A
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: JPS5773170A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はH_RC40〜47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に使用される快削性を有する
工具鋼に関するものである。さらに詳しくは快削成分のＳ、Te、Seおよび
希土類元素の複合添加により、従来公知の快削合
金工具鋼より、その被削性を大巾に向上させると
ともに、希土類元素の投入によつて、上記快削成
分により形成される非金属介在物の形状を粒状化
させて耐衝撃性を改善した快削性工具鋼である。なお本発明鋼の用途は、機械加工後熱処理をお
こなう通常の冷間工具鋼としてはもとより、中硬
度に熱処理をした後複雑な機械加工をおこなうこ
とができる快削性プレハードン鋼としてきわめて
好適である。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て初期破壊
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、耐摩耗性が必然
的に悪くなる欠点があつた。本発明者等は種々研究の結果、公知快削成分の
Ｓ、Te、Seに希土類元素を微量添加することに
より、他の特性を損なうことなく被削性や靭性が
著しく向上することを知見し本発明に到つた。また、それとともに本発明の鋼は、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た特
性を有することが明らかとなつた。また、従来公知鋼のプレハードン材として使用
する場合、被削性の関係からH_RC40前後のかたさ
しか得られなかつたが、本発鋼はH_RC40〜47の中
硬度に上げることができ、しかも工具寿命を著し
く延長することができる。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、
Te0.03〜0.3％、Se0.01〜0.4％の１種または２種
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からなり、必要によりNi0.3
〜4.0％を含み、または／および、V0.05〜3.0％、
Al0.3〜1.5％、Nb0.1〜3.0％、Zr0.05〜3.0％、
Ti0.05〜3.0％、B0.001〜0.050％の内、少なくと
も２種以上の元素を含み、この２種以上の合計量
が0.1〜6.0％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、靭性が著しく劣化す
る。また、大形介在物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2.0％を超
えると熱伝導性の劣化による金型温度の上昇や被
削性の低下が生じるので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。なお一般的溶解法では脱酸剤として添加され
る。 Mn：0.4〜2.0％ 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
2.0％をこえて添加するとマルテンサイト変態点
が約80℃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、加工
硬化能が高いので被削性も劣化させるので2.0％
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
少させると共に靭性をも劣化させる。これはM₇C₃型の巨大炭化物を形成させるため
である。この炭化物は一般的製造方法では角ばつ
た形状となるため、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か
3.0％を超えるとその効果がほぼ一定となるので
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著しい効果がある。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0.3％以下に限定した。
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：0.05〜0.3％、Te：0.03〜0.3％、Se：0.01〜
0.4％、希土類元素：0.005〜0.60％Ｓ、Te、Seと希土類元素は快削性付与成分と
して重要な元素で必ずＳとTeまたは／およびSe
と希土類元素の３元素以上を複合状態で添加する
ことが必要である。希土類元素はＳと結合しやすく高融点の希土類
硫化物を形成し、球状粒子となつて鋼中に分散
し、圧延に際して点線状に延伸される。一方Te
またはSeはMnやＳと結合してマンガン−サルフ
オテレナイド、固溶体Mn（Ｓ、Te）またはマン
ガン−サルフオセレナイド固溶体Mn（Ｓ、Se）
を形成するが、このMn（Ｓ、Te）やMn（Ｓ、
Se）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、橢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
期破壊原因となる欠陥をもつている。これに対して、Ｓ、Te、Seと希土類元素を複
合添加した場合には、希土類硫化物やMn（Ｓ、
Te）等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、しかも鍛造時の熱間加工性を考慮し
て、S0.05〜0.3％、Te0.03〜0.3％Se0.01〜0.4％
の１種または２種以上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％を
こえると残留オーステナイト量が急激に増加し、
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。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
固溶しいくいMC型炭化物を生成し、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。 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1.5％以下に限定
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、鍛造あるいは圧延、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。 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
系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）やMn（Ｓ、Se）の分散に
は十分効果が発揮できず、また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の局部的減少を防
害し、オーステナイトの生成を防止するのに効果
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
％をこえた多量の含有は、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。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、鍛造性が著し
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％をこえた多量の添加では結晶粒
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.１〜11は本発明鋼であり、No.12〜13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、Te、Se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。第１図は鋼中の硫化物系介在物を比較した結果
である。第２図は本発明鋼及び公知鋼の穿孔試験の結果
であり、熱処理によりほゞ同一硬さ（H_RC43.1〜
45.5）にした供試材をSKH9製５mmφストレート
シヤンクドリルを用いて深さ５mmの穴加工をし
た。なお、この際の切削条件は、回転数1480rpm送
り0.067mm／revである。本発明鋼は従来鋼と比較
して高硬度での穿孔試験結果が2.8〜4.4倍も優れ
ていることが明瞭であり、冷間並びに温間用金型
材として機械加工する場合、非常に容易に金型製
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、Te、Se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.12）、ｂは本発明鋼（No.10）である。第２
図は、本発明鋼と比較鋼の穿孔試験結果を示す図
である。

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Te0.03〜0.3％、
Se0.01〜0.4％の１種または２種以上と、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
不可避的不純物からなる工具鋼。２ 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％と快削成分としてS0.04〜0.4％と
Te0.03〜0.3％、Se0.01〜0.4％の１種または２種
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
および不可避的不純物からなる工具鋼。３ 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
V0.05〜3.0％、Al0.3〜1.5％、Nb0.1〜3.0％、
Zr0.05〜3.0％、Ti0.05〜3.0％、B0.001〜0.050％
の内少なくとも２種以上の元素を含み、その合計
量が0.1〜6.0％で、快削成分としてS0.04〜0.4％
とTe0.03〜0.3％、Se0.01〜0.4％の１種または２
種と、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、V0.05〜3.0％、Al0.3〜1.5％、
Nb0.1〜3.0％、Zr0.05〜3.0％、Ti0.05〜3.0％、
B0.001〜0.050％の内、少なくとも２種以上の元
素を含み、その合計量が0.1〜6.0％で、快削成分
としてS0.04〜0.4％と、Te0.03〜0.3％、Se0.01〜
0.4％の１種または２種と、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。