JP4186340B2

JP4186340B2 - 耐摩耗性に優れた熱間工具鋼

Info

Publication number: JP4186340B2
Application number: JP26866499A
Authority: JP
Inventors: 知暁瀬羅; 正英海野; 康孝岡田; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001089826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間鍛造用金型、押し出し型、ダイカスト金型等に使用される被削性と工具寿命に優れた熱間工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間での鍛造、押し出し、ダイカスト等の金型に使用される工具鋼は、金型の寿命を向上させるために高温強度や靱性の改善以外に、金型作製時における加工時間の短縮や切削工具寿命の延命等を図るための被削性の向上も必要となる。
【０００３】
合金工具鋼鋼材としては、ＪＩＳＧ４４０４に多種類のものが規定されているが、中でも５ＣｒーＭｏーＶ系のＳＫＤ６１やＳＫＤ６２等、３Ｃｒー３Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＤ７、及び、ＮｉーＣｒーＭｏーＶ系のＳＫＴ３やＳＫＴ４等、が熱間工具用として多用されている。しかしながら、これらの合金工具鋼鋼材では、前記した熱間工具鋼に要求される特性を満足することは不可能である。
【０００４】
このような状況に対して、快削元素を添加して被削性を高めようとする技術がいくつか提案されている。
例えば特開平９ー２１７１４７号では、Ｓ、Ｔｅを非金属介在物として鋼中に介在させることによって、切削加工時に応力集中源として作用させ、切削抵抗の低下並びに切削屑の破砕性を高めることにより、被削性を向上させるものが提案されている。また、特開平４ー３５８０４０号では、被削性の低下の原因となる炭化物量を低減させるものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９ー２１７１４７号で提案された熱間工具鋼では、ある程度の被削性の向上は認められるものの、Ｓ、Ｔｅの非金属介在物が靱性や高温強度の低下を招くという欠点がある。また、特開平４ー３５８０４０号で提案された熱間工具鋼では、炭化物量の低下に伴って高温強度が低下し、工具寿命を低下させるという欠点がある。
すなわち、現状の技術においては、被削性と靱性、高温強度を全て満足する熱間工具鋼を得ることは非常に困難であった。
【０００６】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、被削性に優れ、工具寿命の延命を可能とする熱間工具鋼を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る耐摩耗性に優れた熱間工具鋼では、
重量％で、
Ｃ：０．４０〜０．６０％、
Ｓｉ：０．２０を超え、１．２０％以下、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｎｉ：１．００〜２．００％、
Ｃｒ：１．００〜２．７０％、
Ｍｏ：０．３０〜２．００％、
Ｖ：０．１０％を超え、０．８０％未満、
Ａｌ：０．００５％以上、０．１０％未満、
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物で、この不可避的不純物中のＰは０．０１５％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｎは０．０１５％以下であり、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトであって、かつ、前記組織におけるベイナイト量が５〜８０％であることとしている。そして、このようにすることで、被削性を維持し、高温強度と靱性の相反する特性を兼ね備えさせることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記した目的を達成するために、本発明者らは、熱間工具鋼の特性に及ぼす合金元素について種々の検討を行い、以下の事柄を知見した。
【０００９】
▲１▼靱性
靱性に及ぼすＳｉ含有量と焼入組織の影響を図１に示す。
図１は後述する実施例における鋼種Ｎｏ．１〜１８を用いて、靱性（破壊靱性値）に及ぼすＳｉ含有量並びに焼入組織の影響を示した図であるが、この図１より、明らかなように、焼入時の組織がマルテンサイトの場合（図１中の●印）の靱性は、一般に報告されているように、Ｓｉ含有量の低減により改善され、Ｓｉ含有量が１．２重量％でも熱間工具鋼として必要な２５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の靱性値が得られることが判る。
【００１０】
また、マルテンサイト＋ベイナイトの場合（図１中の■印）の靱性は、マルテンサイト単独の場合と比較して低くなるものの、Ｓｉ含有量の依存性はマルテンサイト単独の場合よりも弱くなっている。そして、全てがベイナイトの場合（図１中の▲印）には、熱間工具鋼として必要な靱性値は、Ｓｉ含有量に係わらず必要な値よりも低いものの、Ｓｉ含有量の依存性が全くなくなることを、本発明者らは今回の検討で初めて見出した。
【００１１】
▲２▼高温強度
高温強度に及ぼすＳｉ含有量と焼入時の組織の影響を図２に示す。
図２は後述する実施例における鋼種Ｎｏ．１〜１８を用いて、高温強度（６００℃の０．２％耐力）に及ぼすＳｉ含有量並びに焼入組織の影響を示した図であるが、この図２より、高温強度も靱性と同様にＳｉ含有量の増加に伴って低下し、焼入時の組織は、マルテンサイト単独の場合（図２中の●印）と比較してマルテンサイト＋ベイナイトの場合（図２中の■印）に、さらに、ベイナイト単独の場合（図２中の▲印）に高温強度に優れることを、本発明者らは今回の検討で初めて見出した。
【００１２】
▲３▼被削性
被削性に及ぼすＳｉ含有量と焼入時の組織の影響を図３に示す。
図３は後述する実施例における鋼種Ｎｏ．１〜１８を用いて、被削性（切削工具の寿命に至るまでの切削長）に及ぼすＳｉ含有量並びに焼入組織の影響を示した図であるが、この図３より、被削性の向上にはＳｉ含有量が０．２重量％以上でないと効果が得られないことが判る。さらに、焼入時における組織（図３中の●印：マルテンサイト単独の場合、■印：マルテンサイト＋ベイナイトの場合、▲印：ベイナイト単独の場合）の依存性が無いことも判る。また、硬さの依存性もないことが判っていることから、被削性の向上には、Ｓｉ含有量の増加が最も有効であることが判明した。
【００１３】
上記した▲１▼〜▲３▼の知見より、Ｓｉ含有量を増加させることは被削性の向上に最も有効である反面、靱性の低下を招くだけでなく高温強度も低下させること、及び、Ｓｉ含有量を増加させてもベイナイト組織を有するようにすることで、高温強度の低下を抑えることができるようになることが判る。
【００１４】
また、上記した▲１▼▲２▼の知見、すなわち、ベイナイト率の増加に伴って靱性が低下し、高温強度が上昇する理由は、ベイナイトとマルテンサイトから析出する炭化物の形態に依存していることによると考えられる。つまり、焼き戻し後のベイナイトは、マルテンサイトと比較すると、粗大な炭化物が析出するために靱性が低下し、また、Ｍｏ₂ Ｃが微細析出するために高温強度が上昇するからと考えられる。
【００１６】
本発明に係る耐摩耗性に優れた熱間工具鋼は、上記した本発明者らの知見に基づき、高温強度と靱性の相反する特性を兼ね備えさせると共に、上記した知見に加え、被削性を維持し高温強度、靱性の全てに優れる成分系を調査した結果に基づいて成されたものであり、重量％で、Ｃ：０．４０〜０．６０％、Ｓｉ：０．２０を超え、１．２０％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：１．００〜２．００％、Ｃｒ：１．００〜２．７０％、Ｍｏ：０．３０〜２．００％、Ｖ：０．１０％を超え、０．８０％未満、Ａｌ：０．００５％以上、０．１０％未満、を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物で、この不可避的不純物中のＰは０．０１５％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｎは０．０１５％以下であり、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトであって、かつ、前記組織におけるベイナイト量が５〜８０％であることを要旨とする耐摩耗性に優れた熱間工具鋼である。
【００１７】
以下に、本発明に係る耐摩耗性に優れた熱間工具鋼における化学成分を限定する理由について説明する。
Ｃ：Ｃは鋼の焼入性を高め、靱性を向上させ、焼き戻し時に炭窒化物として二次析出して高温強度を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．４０％未満では添加効果が乏しく、０．６０％を超えて含有させると、被削性の低下を引き起こすため、本発明では望ましくはその含有量を０．４０〜０．６０％とした。
【００１８】
Ｓｉ：Ｓｉは鋼の被削性を向上する作用を有する（図１参照）。しかし、その含有量が０．２０％以下では添加効果に乏しく、１．２０％を超えると靱性（図２参照）及び高温強度（図３参照）を低下させ、熱間工具寿命の低下を引き起こす。そこで、本発明では望ましくはその含有量を０．２０％を超え、１．２０％以下とした。
【００１９】
Ｍｎ：Ｍｎは鋼の焼入性を向上させて靱性を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．２０％未満では添加効果が得られず、１．５０％を超えると偏析が生じて靱性、強度の低下を招くようになるので、本発明では望ましくはその含有量を０．２０〜１．５０％とした。
【００２０】
Ｎｉ：ＮｉもＭｎと同様に焼入性を向上させて靱性を改善するのに有効な元素であるが、その含有量が１．００％未満ではその効果が乏しく、２．００％を超えると変態点を下げて高温強度の低下を招く。従って、本発明では望ましくはその含有量を１．００〜２．００％とした。
【００２１】
Ｃｒ：Ｃｒは靱性、耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、その含有量が１．００％未満では十分な効果が得られず、２．７０％を超えると高温強度の低下を招くようになるので、本発明では望ましくはその含有量を１．００〜２．７０％とした。
【００２２】
Ｍｏ：Ｍｏは鋼の焼入性と焼き戻し軟化抵抗を向上させて、靱性と高温強度を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．３０％未満では添加効果が得られない。一方、２．００％を超えると被削性、靱性が低下する。従って、本発明では望ましくはその含有量を０．３０〜２．００％とした。
【００２３】
Ｖ：Ｖは高温強度を高めるのに必要な元素である。Ｖの含有量が０．１０％以下であるとその効果が乏しく、０．８％以上では被削性と靱性を悪化させる。そこで、本発明では望ましくはその含有量を０．１０％を超え、０．８０％未満とした。
【００２４】
Ａｌ：Ａｌは鋼の脱酸の安定化及び均質化を図るのに有効な元素であり、その含有量が０．００５％未満ではその効果を得ることができない。また、０．１０％以上では被削性の低下や鋼中の地きずの原因となる。そのため、本発明では望ましくはその含有量を０．００５％以上、０．１０％未満とした。
【００２５】
本発明に係る熱間工具鋼では、不純物元素としてのＰ，Ｓ及びＮの含有量を、それぞれ下記の通り規制する。
Ｐ：Ｐは含有量が多いと偏析が大きくなり、靱性の低下や熱亀裂の発生を助長するので、その含有量は可能な限り少ないことが望ましい。そこで、本発明ではその含有量を０．０１５％以下に限定した。
【００２６】
Ｓ：Ｓは硫化物を形成し、被削性を向上させるが、靱性を低下させるので、含有量は可能な限り少ないことが望ましい。そこで、本発明ではその含有量を０．００５％以下に限定した。
【００２７】
Ｎ：ＮはＶと窒化物を形成して焼入加熱時の固溶Ｖ量を減少させる。固溶Ｖ量が少ないと焼き戻し時に二次析出するＶ炭窒化物の量が減少し、高温強度が低下する。そこで、本発明ではその含有量を０．０１５％以下に限定した。
【００２８】
焼入組織：焼入組織のベイナイト率は、厚さ１０ｍｍの素材を焼入れした際に、水冷した場合の素材の硬さをＨ１、室温まで２０時間かけて冷却した場合の素材の硬さをＨ２とし、実際に熱処理をしたときの素材の硬さをＨとしたとき、次式により算出される。なお、硬さはビッカース硬さで表示する。
ベイナイト率（％）＝１００−｛（Ｈ−Ｈ２）／（Ｈ１−Ｈ２）｝×１００
【００２９】
本発明者らの実験によれば、ベイナイト率が０（１００％マルテンサイト）〜４％の場合には、高温強度の向上には不十分であり、ベイナイト率が８０％を超える場合は靱性が低下する。そこで、本発明ではベイナイト率を５〜８０％のマルテンサイト＋ベイナイト混合組織に限定した。
【００３０】
【実施例】
本発明に係る熱間工具鋼の効果を実施例に基づいて説明する。
下記表１に示す化学組成を有する本発明鋼（Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１２）、及び＊印を付した部分が本発明で規定するベイナイト率或いは成分範囲から外れた比較鋼（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６及びＮｏ．１３〜Ｎｏ．３８）を、電気炉で溶製して得た鋼塊を分塊し、鍛錬比５以上で鍛造した後、８００〜８５０℃で焼鈍をした。
【００３１】
焼入組織を変化させるために、厚さを１０〜８００ｍｍにし、９００〜１０５０℃から水冷、油冷、炉冷により焼入を実施した。そして、引き続き、焼き戻しを５５０〜６４０℃で行い、硬さＨＳ５５〜６０に調整して金型を製造し、そして下記の各種試験を実施した。
【００３２】
被削性試験は、フライス加工( 工具材質：ＰＶＤコーテッド超硬（Ｋ２０）、切削条件：Ｖ＝５０ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０．１８ｍｍ／刃、ｄ＝３．０ｍｍ）により切削工具寿命までの切削長を測定した。
【００３３】
高温強度試験は、ＪＩＳ１４Ａ号試験片（直径Ｄ＝６ｍｍ）にてＪＩＳＧ
０５６７に準拠し、６００℃の試験温度で行い、０．２％耐力を測定した。
破壊靱性試験はＡＳＴＭＥ３９９−８３に準じて測定した。
【００３４】
経験的に切削長が１ｍ以上で被削性に優れ、破壊靱性値が２５０ｋｇｆ／ｍｍ^3/2 以上、かつ、６００℃の０．２％耐力が５５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上のとき工具寿命が優れることが判っている。
【００３５】
下記表１に示される本発明鋼は、下記表２に示すように、切削長、破壊靱性値、６００℃の０．２％耐力の全てが所定値を満足し、比較鋼と比較して優れていることが判る。
被削性向上にはＳｉ含有量の増加が最も有効であるが、これまではＳｉ含有量の増加により、高温強度の低下を伴っていたものが、本発明鋼では、焼入組織をベイナイト率が５〜８０％のマルテンサイト＋ベイナイト混合組織にすることにより、Ｓｉによる高温強度低下分を補うことができた。また、その他成分により靱性の低下も抑えることができた。本発明鋼を熱間鍛造金型として評価した例を下記表３に示しているが、いずれも比較鋼よりも寿命が長いことが判る。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱間工具鋼は従来技術では成しえなかった被削性、靱性、高温強度の全てを完備し、熱間鍛造、押し出し、ダイカストに用いられる金型やマンドレル等に使用した場合には、その製造費の削減、並びに、工具寿命を延ばすことが可能で、産業上の効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】靱性（破壊靱性値）に及ぼすＳｉ含有量ならびに焼入組織の影響を示す図である。
【図２】高温強度（６００℃の０．２％耐力）に及ぼすＳｉ含有量ならびに焼入組織の影響を示す図である。
【図３】被削性（切削工具の寿命に至るまでの切削長）に及ぼすＳｉ含有量ならびに焼入組織の影響を示す図である。

Claims

重量％で、
Ｃ：０．４０〜０．６０％、
Ｓｉ：０．２０を超え、１．２０％以下、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｎｉ：１．００〜２．００％、
Ｃｒ：１．００〜２．７０％、
Ｍｏ：０．３０〜２．００％、
Ｖ：０．１０％を超え、０．８０％未満、
Ａｌ：０．００５％以上、０．１０％未満、
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物で、この不可避的不純物中のＰは０．０１５％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｎは０．０１５％以下であり、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトであって、かつ、前記組織におけるベイナイト量が５〜８０％であることを特徴とする耐摩耗性に優れた熱間工具鋼。