JP5029942B2

JP5029942B2 - 靭性に優れた熱間工具鋼

Info

Publication number: JP5029942B2
Application number: JP2007017265A
Authority: JP
Inventors: 公太片岡
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: JP2007224418A

Description

本発明は、プレス金型や鍛造金型、ダイカスト金型、押出工具といった多種の熱間工具に供して最適な、靭性を向上させた熱間工具鋼に関するものである。

熱間工具は、高温の被加工材や硬質な被加工材と接触しながら使用されるため、熱疲労や衝撃に耐えうる強度と靭性を兼ね備えている必要がある。そのため、従来熱間工具の分野には、例えばＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ６１系の合金工具鋼が用いられていた。

さらに、合金工具鋼の靭性を改善することを目的として、熱処理を制御することが提案されている。たとえば、熱間加工後の冷却を制御することによって炭化物を均一分散させる（特許文献１参照）ことや、熱間加工温度および熱処理を制御することによって結晶粒径を微細にする（特許文献２参照）ことにより靭性を改善する手法が提案されている。また、靱性に優れた熱間工具鋼としては、その従来からの構成元素の添加量を見直すことに加えて、多種の不純物を規制管理する手法が、提案されている（特許文献３参照）。
特開２００１−２９４９３５号公報特開２００５−１６３１２３号公報特開２００３−１５５５４０号公報

しかし、上述の特許文献１の方法は、熱間加工後の断面が大きな鋼材の場合には内部まで速い冷却速度を得ることが困難であったり、表面と内部の温度差が大きくなるため目標とする温度域に鋼材全体を制御することが難しい。また、上述の特許文献２の方法も、低い温度で温間加工することは鋼材の変形抵抗が高いために困難であったり、少しずつ加工しなければならないので非常に時間を要して大量生産に向かない。そして、汎用鋼としての供給が求められる本発明分野の熱間工具鋼は、その製造コストの低減もが課題であるところ、特許文献３の方法は、多種の不純物元素に特別な管理を要する。

本発明の目的は、より簡便な方法によって優れた靭性を有する熱間工具鋼を提供することである。

本発明者は、レアメタルのように高価で特殊な元素ではなく、すでに広く利用されており、かつ鉄鋼材料の分野では合金として積極的に添加されてこなかった元素について鋭意調査を行った結果、Ｚｎを所定の含有量の範囲に添加することによって、靭性を大きく改善できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．３〜０．５５％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、Ｃｒ：３．００〜５．６５％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、Ｖ：０．５〜１．５％を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００１〜０．０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする靭性に優れた熱間工具鋼である。好ましくは、Ｚｎ：０．００２５〜０．０１％である。

一具体的には、質量％で、Ｃ：０．３〜０．５５％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、Ｃｒ：３．００〜５．６５％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、Ｖ：０．５〜１．５％、Ｚｎ：０．００１〜０．０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる靭性に優れた熱間工具鋼である。好ましくは、Ｚｎ：０．００２５〜０．０１％である。

本発明によれば熱間工具鋼の靭性を飛躍的に改善することができ、多種熱間の用途・環境に適用が可能な熱間工具鋼の実用化にとって有効な技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴はＺｎを所定の含有量の範囲に添加することにある。すなわち、製造方法はほぼ従来のままで、Ｚｎを合金元素として利用するだけで靭性の大幅な改善につながる。さらに、ＺｎはあえてＺｎ純金属やＺｎ合金を用いずとも、自動車などに大量に使用されているＺｎメッキされた鋼のスクラップを添加原料として利用すればよく、スクラップのリサイクルにも好適である。
以下、本発明鋼の成分限定の理由について述べる。

Ｃは、一部が基地中に固溶して強度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、熱間工具鋼には重要な必須元素である。また、固溶した侵入型原子であるＣは、ＣｒなどのＣと親和性の大きい置換型原子と共添加した場合、Ｉ（侵入型原子）−Ｓ（置換型原子）効果；溶質原子の引きずり抵抗として作用し高強度化する作用も期待される。ただし、含有量が０．３質量％未満では工具部材として十分な硬さ、耐摩耗性を確保できなくなる。他方、過度の添加は靭性や熱間強度の低下を招くため上限を０．５５質量％未満とする。

Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるとともに被削性を高める元素である。これらの効果を得るためには０．２質量％以上の添加が好ましいが、多過ぎるとフェライトの生成をまねくので１．５質量％以下とする。

Ｍｎは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し硬さを得る効果がある。また、非金属介在物ＭｎＳとして存在し、被削性の向上に大きな効果がある。これの効果を得るためには０．１質量％以上の添加が好ましいが、多過ぎると基地の粘さを上げて被削性を低下させるので１．５質量％以下とする。

Ｃｒは焼入れ性を高めて、また、炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させる効果を有する元素であり、焼戻し軟化抵抗および高温強度の向上にも寄与する、本発明の熱間工具鋼には必須の元素である。これらの効果を得るため３．００質量％以上添加する必要がある。ただし、過度の添加は焼入れ性や高温強度の低下を招くため、上限を５．６５質量％とする。

Ｚｎは、本発明にとっての最重要な添加元素であり、基地へ固溶させることによって靭性を顕著に向上させる。本効果を得るためには、０．００１質量％以上の添加が必要であるが、好ましくは０．００２５質量％以上、さらに好ましくは０．００３質量％以上である。一方、多く添加してもその効果は頭打ちとなり、基地への固溶が不十分となれば、かえって靱性を劣化させる要因ともなる。また、添加技術も煩雑になるので上限を０．０１５質量％とした。好ましくは、０．０１質量％以下である。

そして、本発明の工具鋼の対象を熱間工具鋼に限定した理由は、上記した本発明の最大の特徴である、Ｚｎ添加による靱性向上効果を最大限に生かすためである。つまり、冷間工具鋼の場合、硬さや耐磨耗性が特に重要な要求特性であり、その成分設計は使用環境に応じての炭化物が多く分布するものとなっていることから、組織中に分布する多くの炭化物が、本発明のＺｎ添加による作用効果を大きく阻害する。本発明においては、対象を熱間工具鋼に限定してこそ、Ｚｎ添加による作用効果を発揮するものである。

以下の元素は、熱間工具鋼として成立させるためには好ましい元素であり、使用環境に応じて添加することができる。
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細炭化物を析出・凝集させて強度を付与し、軟化抵抗を向上させるために単独または複合で添加できる。ＷはＭｏの約２倍の原子量であることからＭｏ＋１／２Ｗで規定する（当然、いずれか一方のみの添加としても良いし、双方を共添加することもできる）。そして、前記した効果を得るためには（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で１．０質量％以上の添加が好ましい。本発明鋼では１．０質量％以上とする。多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で３．５質量％以下とする。

Ｖは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性向上の効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに結晶粒の粗大化を抑制し、靭性向上に寄与する。この効果を得るためには０．５質量％以上を添加しても良い。本発明鋼では０．５質量％以上とする。多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので１．５質量％以下とする。

Ｎｉは、フェライトの生成を抑制する元素である。また、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗなどとともに本発明鋼に優れた焼入性を付与し、緩やかな焼入冷却速度の場合にも、マルテンサイト主体の組織を形成させ、靭性の低下を防ぐために重要な添加元素であり、さらに基地の本質的な靭性改善効果を与える。多過ぎると基地の粘さを上げて被削性を低下させるので、添加する場合であっても１．５質量％以下とする。さらに好ましくは、０．１〜１．５質量％である。

なお、本発明の熱間工具鋼においては、その他、従来に従った上記以外の元素種であっても、添加が可能である。例えば、Ｎｂは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性向上の効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに結晶粒の粗大化を抑制し、靭性向上に寄与する。この効果を得るためには０．０５質量％以上が好ましいが、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので０．３質量％以下とする。

また、Ｃｏは、工具使用中の昇温時に、きわめて緻密で密着性の良い保護酸化皮膜を形成し、これにより相手材との間の金属接触を防ぎ、金型表面の温度上昇を防ぐとともに優れた耐磨耗性をもたらすため必要に応じて添加する。この効果を付与するためには０．３質量％以上が好ましいが、多すぎると靭性を低下させるので５．０質量％以下とする。

表１に本発明鋼および比較鋼の化学成分を示す。本発明鋼は熱間工具鋼として一般的に使用されているＪＩＳ−ＳＫＤ６１にＺｎを本発明の範囲内で添加したものであり、比較鋼はＪＩＳ−ＳＫＤ６１である。

これらの本発明鋼１および比較鋼１は、真空誘導溶解炉にて１０ｋｇずつ溶製し、１２５０℃で５時間の均質化熱処理を施した後、１１５０℃で熱間鍛造することによって３０ｍｍ厚さ×６０ｍｍ幅×およそ７００ｍｍ長さの鋼材を作製した。その後、８６０℃で焼なまし処理したのち、下記の評価に用いる試験片サイズで１０２０℃から油焼入れ処理し、種々の温度で焼戻し処理して、それぞれの硬さの評価試料とした。

上記のようにして作製した表１の本発明鋼１および比較鋼１を、室温で２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験した結果を図１に示す。Ｚｎを添加していない比較鋼１と比べて、本発明鋼１はシャルピー衝撃値が優れている。中でも、通常は靭性が低下してくる高硬度の領域でも本発明鋼１はきわめて高い靭性を維持している。

同様にして作製した表１の本発明鋼１および比較鋼１を、４５ＨＲＣに調質した試料を、室温から２５０℃の間で２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験した結果を図２に示す。Ｚｎを添加していない比較鋼１と比べて、本発明鋼１はいずれの温度域でもシャルピー衝撃値が優れていることが分かる。

次に表２は、量産工程で作製した実用鋼塊の化学成分を示す。すなわち、５０トンのアーク溶解炉で溶解して造塊した２．６トンの鋼塊に、１２００℃以上の所定の温度で１０時間の均質化熱処理を施した後、熱間鍛造と焼なまし処理を繰り返しながら断面がおよそ直径１００ｍｍの円柱形状の鋼材を作製した。その後、下記の評価に用いる試験片サイズで１０２０℃から油焼入れ処理し、種々の温度で焼戻し処理して、それぞれの硬さの評価試料とした。表２の本発明鋼もＪＩＳ−ＳＫＤ６１にＺｎを本発明の範囲内で添加したものであり、比較鋼はＪＩＳ−ＳＫＤ６１である。

上記のようにして作製した表２の本発明鋼２〜６および比較鋼２を、室温で２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験した結果を図３に示す。大型の実用鋼塊においても、Ｚｎを添加していない比較鋼２と比べて、本発明鋼２〜６はシャルピー衝撃値が優れていることが分かる。

本発明を適用して熱間工具鋼の靭性を向上させることによって、プレス金型や鍛造金型、ダイカスト金型、押出工具といった多種の熱間工具への適用はもちろんのこと、さらに使用負荷が大きい金型等の熱間工具部材にも適用できる。

種々の硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を試験片の硬さに対してプロットした図である。４５ＨＲＣの硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温から２５０℃の間での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃値を試験温度に対してプロットした図である。実用鋼塊から作製した本発明鋼および比較鋼の室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を試験片の硬さに対してプロットした図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３〜０．５５％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、Ｃｒ：３．００〜５．６５％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、Ｖ：０．５〜１．５％を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００１〜０．０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、Ｚｎ：０．００２５〜０．０１％であることを特徴とする請求項１に記載の靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、Ｃ：０．３〜０．５５％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、Ｃｒ：３．００〜５．６５％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜３．５％、Ｖ：０．５〜１．５％、Ｚｎ：０．００１〜０．０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、Ｚｎ：０．００２５〜０．０１％であることを特徴とする請求項３に記載の靭性に優れた熱間工具鋼。