JPS6366386B2

JPS6366386B2 -

Info

Publication number: JPS6366386B2
Application number: JP14819880A
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: JPS5773172A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は冷間、温間、熱間加工用金型およびそ
の他の工具に用いられる加工性に優れた工具用鋼
に関するものである。従来HRC45〜63程度の硬さで使用される前記
工具鋼材としては、高速度工具鋼のJISSKH9、
55、57あるいはこれらを低合金鋼化した鋼や、冷
間工具鋼のSKD11、SKS4および熱間工具鋼の
SKD61、SKT4などが使用されているが、高合金
鋼では焼なまし硬さが高くなると被削性が劣加し
機械加工が著しく困難となる。このような鋼には
一般に被削性を向上させる目的で主にＳが含有さ
れるが、これによつて形成されるMnS介在物が
塑性加工方向に連なつた糸状硫化物介在物が生成
される。このような硫化物介在物が鋼中に存在す
ると、この介在物の鋭角コーナー部で応力集中に
よる早期破壊が生じ、これを防止することは困難
である。また、この糸状硫化物介在物は、被労強
度や耐ヒートチエツク性も著しく劣化させる。そ
こで従来公知鋼では冷間、温間および熱間加工用
工具に関して、これらの問題を解決する手段とし
て、快削成分のＳを添加させると同時にSe、Te、
Bi、Tiの内少なくとも１種または２種以上を複
合添加することにより、前記の特性劣化を防止
し、さらに被削性を向上させる努力がなされてい
た。しかしながら、本発明者等は、今回新に希土類
元素を投入することにより形成される非金属介在
物の形状を大巾に粒状化させ得ることを見い出し
本発明に到つた。本発明鋼は、非金属介在物の形
状が粒状であるため、従来鋼よりも被削性が一段
と向上したばかりでなく、耐衝撃性が著しく優れ
ている。即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％、Si0.4〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、MoとＷの少なくとも１種を2Mo
＋Ｗが0.5〜20.0％となるように含有し、さらに
V0.05〜5.0％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％添加し、必要により更にNb0.05〜5.0％、
Ni0.3〜4.0％、B0.001〜0.050％の１種または２種
または／およびCo0.1〜20.0％を添加し、残余が
実質的にFeからなる工具鋼。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。鍛造用あるいはプ
レス用金型として必要な硬さや耐摩耗性を確保す
るためには、少なくとも0.20％以上含有する必要
がある。しかしながら、Ｃを2.5％を超えて含有
させると靭性や耐熱衝撃特性が著しく劣化し金型
の早期破壊の原因となる。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：0.4〜2.0％ Siは主に脱酸剤として添加するが、0.4％以上
添加すれば炭化物や基地中に固溶して焼入性の向
上や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が生じ高Ｃの場合にグラフ
アイトの生成を誘発するなど金型寿命の劣化を引
き起こし、さらに被削性の低下が生じるので2.0
％以下に限定した。 Mn：0.4〜3.0％ Siと同様に脱酸剤として添加されるが、快削鋼
の場合MnはＳと反応してMnSを形成し被削性向
上に大いに寄与している。0.4％以下の含有では
Ｓ添加量の関係から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％以
上添加すると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
高いので被削性を劣化させるので3.0％以下に限
定した。 Cr：1.0〜20.0％ Crは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シグマ相の
析出を誘発し靭性をも劣化させる。さらにオース
テナイト域を挟め熱処理を困難にする。また、形
成される巨大炭化物は角ばつた形状となるので使
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
が生じる結果となる。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。 2Mo＋Ｗ：0.5〜20.0％ MoおよびＷは、Ｃと結合して微細なM₂C型あ
るいはM₆C型の複合炭化物を生成させ、かつ基
地中にも固溶して熱間での強度を向上させ、さら
に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。鋳造用あるい
はプレス用金型などは質量が大きいために被削性
や焼入性に優れていることが必要条件となる。こ
のような条件を満たすMoとＷの量はSi、Mn、
Ｓ、Ni、Cr、Ｂ、希土類元素の効果を考慮する
と、2Mo＋Ｗは0.5〜20.0％の範囲が好ましいこ
とが確かめられた。すなわち2Mo＋Ｗが0.5％未
満では、焼入性および高温硬さ等が不充分とな
り、また20.0％を超えて多量に含有すると炭化物
の量および大きさが過大となり、靭性および熱衝
撃特性が大きく劣化するため2Mo＋Ｗは0.5〜
20.0％に限定した。Ｖ：0.05〜5.0％Ｖは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、靭性を向上させるのに効果がある。しかしな
がらＶは有効なＣを固着するためにそれに適合し
たＣ量の増加が必要である。硬さの高いMC型炭
化物が多くなると研削性が劣化するが、Mn、
Ｓ、希土類元素との複合効果を考慮するとＶは
0.05〜5.0％の範囲が好ましいことが確かめられ
た。すなわち、Ｖが0.05未満では耐摩耗性や耐軟
化抵抗性が付与されず、5.0％を超えて多量に含
有すると、巨大なMC型炭化物を生成するので靭
性が極度に減少すると共に研削性あるいは鏡面仕
上性を劣化させ金型として使用した場合に型離れ
性が低下するのでＶの添加量を0.05〜5.0％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0.01〜0.3％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：0.04〜0.4％、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
な元素で必ず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
鋼中に分散し非金属介在物形成の核を生成する。
他方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
分布するので、被削性を一段と向上させる。この
複合介在物はMnS型よりも硬いので母材の塑性
加工中でも変化しにくく橢円形あいは卵形になる
のみである。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
を起点とした応力集中によるクラツクの発生がな
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。このように容易に粒状の複合介在物を得るこ
とができる。しかも鍛造時の熱間加工性を考慮し
てS0.04〜0.4％、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％、Nb：0.05〜5.0％、Ｂ：0.001〜
0.050％ Ni、Nb、Ｂはいづれも靭性の向上に寄与する
元素である。このうち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が、そ
の効果は0.3％未満の含有では得られない。一方
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、焼もどし軟化抵抗
性および靭性の低下をきたすと同時に金型加工時
の被削性が悪くなるという難点があるためNiの
含有量は4.0％以下の範囲に限定した。また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低0.05％以上を必要とす
る。一方、5.0％を超えて多量に含有するとＶと
同様に巨大なMC型炭化物を生成し、焼もどし軟
化抵抗性の劣化や研削性、鏡面仕上性を減じ、金
型として使用した場合に型離れ性が低下するので
Nbの添加量を5.0％以下に限定した。またＢは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。 Co：0.1〜20.0％ Coは基地中に固溶し基地を強化し、炭化物の
析出および凝集をおくらせ、高温における硬さや
耐力を著しく向上させる元素である。また金型使
用時の昇温に際して、緻密で滑らかな酸化被膜を
表面に形成し、前記表面が酸化するのを保護す
る。さらに耐ヒートチエツク性を向上させる効果
がある。しかしながら0.1％未満の含有では、こ
れらの効果が期待できず、また多量に含有すると
固溶による内部歪が大となり靭性が低下し、残留
オーステナイトが高温まで安定化する結果、早期
破損の原因となる。したがつてCoは0.1〜20.0％
に限定した。以上に説明したとおり本発明鋼は、高い被削性
と高靭性を有し、冷間並びに温間加工用金型材等
の工具材料としてきわめて優れたものである。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表は本発明鋼と比較鋼の化学組成を示す。第２表はシヤルピー衝撃試験結果を示す。本発明鋼は比較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用られないものと考えられ
る。第３表は、熱処理により同一硬さ（HB210〜
247）にした被削材を超硬工具を用いた旋削寿命
試験結果であり、第４表はその際の旋削条件を示
す。本発明鋼は比較鋼に比べて、２〜４倍被削性が
優れていることが明瞭であり、冷間、温間並びに
熱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金型材で
あることが判る。

【表】

【表】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加工性に優れた工具鋼で
あつて、従来鋼に比べて靭性および被削性に優れ
ており、特に冷間、温間並びに熱間用金型材とし
て最適である。

Claims

【特許請求の範囲】１ C0.2〜2.5％、Si0.4〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、MoとＷの少なくとも１種を2Mo
＋Ｗが0.5〜20.0％となるように含有し、さらに
V0.05〜5.0％、N0.01〜0.3％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からなる工具鋼。２ C0.2〜2.5％、Si0.4〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、MoとＷの少なくとも１種を2Mo
＋Ｗが0.5〜20.0％となるように含有し、さらに
V0.05〜5.0％、N0.01〜0.3％、Co0.1〜20.0％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からなる工具鋼。３ C0.2〜2.5％、Si0.4〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、MoとＷの少なくとも１種を2Mo
＋Ｗが0.5〜20.0％となるように含有し、さらに
V0.05〜5.0％、N0.01〜0.3％と、Nb0.05〜5.0％、
Ni0.3〜4.0％、B0.001〜0.050％の１種または２種
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からなる工具鋼。４ C0.2〜2.5％、Si0.4〜2.0％、Mn0.4〜3.0％、
Cr1.0〜20.0％、MoとＷの少なくとも１種を2Mo
＋Ｗが0.5〜20.0％となるように含有し、さらに
V0.05〜5.0％、N0.01〜0.3％と、Co0.1〜20.0％
と、Nb0.05〜5.0％、Ni0.3〜4.0％、B0.001〜
0.050％の１種または２種と、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からなる工具鋼。