JP7750044B2 - Die steel and molds - Google Patents
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Description
本発明は、金型用鋼および金型に関し、さらに詳しくは、ダイカスト用金型等の金型を構成するのに用いることができる金型用鋼、およびそのような金型に関する。 The present invention relates to mold steel and molds, and more specifically to mold steel that can be used to construct molds such as die-casting molds, and to such molds.
金型には、高温に加熱された材料と接触した状態での成形に繰り返し使用されることで、熱衝撃を受けるものも多い。金型が熱衝撃を繰り返して受けると、ヒートチェック等の損傷の発生につながり、金型の寿命を低下させるものとなる。特に、ダイカスト工法に用いられる金型においては、溶湯の射出による加熱と、離型剤散布による冷却を繰り返して受けることで、熱応力が発生し、意匠面に熱疲労によるヒートチェックが生じやすい。ヒートチェックが成長すると、大きな亀裂となり、製品に転写されて、製品の品質に影響を与える場合がある。このように製品への転写が問題となる亀裂が金型に生じた場合には、金型に対して、溶接補修や再研磨による補修を行うことになる。あるいは、それらの手段で補修できないほどの損傷が金型に生じている場合には、金型を新しいものに交換せざるをえない。金型の補修や交換に大きな労力やコストが必要となる。 Many molds are subjected to thermal shock due to repeated use during molding while in contact with materials heated to high temperatures. Repeated thermal shock can lead to damage such as heat checking, shortening the mold's lifespan. In particular, molds used in die-casting processes are subject to repeated heating from the injection of molten metal and cooling from the spraying of mold release agents, which generates thermal stress and makes the design surface prone to heat checking due to thermal fatigue. As the heat check grows, it can become a large crack that can transfer to the product and affect its quality. When a crack occurs in a mold that could transfer to the product, the mold must be repaired by welding or re-polishing. Alternatively, if the damage to the mold is too severe to repair by these methods, the mold must be replaced with a new one. Repairing or replacing a mold requires significant effort and cost.
熱衝撃に起因する損傷による金型の補修や交換の頻度を下げ、長期に亘って金型を使用できるようにする観点から、金型を構成する金型用鋼として、高い衝撃値(耐衝撃性、靭性)を有するものが求められる。特許文献1~4はそれぞれ、金型用鋼(熱間工具鋼)において、衝撃値を高める観点から、合金の成分組成を規定している。 To reduce the frequency of mold repairs and replacements due to damage caused by thermal shock and enable molds to be used for a long period of time, mold steels that make up molds are required to have high impact values (impact resistance, toughness). Patent documents 1 to 4 each specify the alloy composition of mold steels (hot work tool steels) with the aim of increasing the impact value.
一般に、鋼材の硬さを高めると、衝撃値が低くなる傾向がある。よって、金型用鋼において、高硬度と高衝撃値を両立することは難しく、上記特許文献1~4でも、金型用鋼の硬度は、50HRC以下に留まっている。しかし、熱衝撃による金型の破損を効果的に抑制するためには、金型用鋼が、高衝撃値に加え、高強度を有することが望まれる。例えば、ダイカスト用金型において、焼戻し後の状態で、55HRC以上の硬度を有することが、ヒートチェックの抑制のために望ましい。 In general, increasing the hardness of steel tends to lower its impact value. Therefore, it is difficult to achieve both high hardness and high impact value in die steel, and even in the above-mentioned Patent Documents 1 to 4, the hardness of the die steel remains at 50 HRC or less. However, in order to effectively prevent damage to the die due to thermal shock, it is desirable for the die steel to have high strength in addition to a high impact value. For example, in the case of die-casting dies, it is desirable for the hardness to be 55 HRC or more after tempering in order to prevent heat checking.
本発明が解決しようとする課題は、高硬度と高衝撃値を両立し、熱衝撃に対して高い耐性を示す金型用鋼、および金型を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide a mold steel and mold that combine high hardness and high impact value and exhibits high resistance to thermal shock.
上記課題を解決するため、本発明にかかる金型用鋼は、質量%で、0.35%≦C≦0.55%、0.05%≦Si≦0.40%、1.50%≦Mn≦2.50%、7.5%≦Cr≦9.0%、0.90%≦Mo≦2.5%、0.40%≦V≦0.80%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる。 In order to solve the above problems, the mold steel of the present invention contains, by mass%, 0.35%≦C≦0.55%, 0.05%≦Si≦0.40%, 1.50%≦Mn≦2.50%, 7.5%≦Cr≦9.0%, 0.90%≦Mo≦2.5%, 0.40%≦V≦0.80%, with the balance consisting of Fe and unavoidable impurities.
ここで、前記金型用鋼は、さらに、質量%で、Ni≦1.1%を含有するとよい。 Here, the mold steel may further contain, by mass%, Ni≦1.1%.
また、下記の式(1)によって求められるAの値が、A≧22.0であるとよい。
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
ただし、式(1)において、各元素記号は、質量%を単位とした各元素の含有量を示す。
Furthermore, it is preferable that the value of A obtained by the following formula (1) is A≧22.0.
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
In formula (1), each element symbol indicates the content of each element in units of mass %.
前記金型用鋼は、510℃未満の焼戻しを経た状態で、硬さが55HRC以上、シャルピー衝撃値が20J・cm-2以上であるとよい。また、焼入れを経た状態で、残留γ量が15%以上20%以下であるとよい。さらに、残留γ相の分解温度が510℃以上であるとよい。前記金型用鋼は、マルテンサイト変態開始点が190℃以上220℃以下であるとよい。前記金型用鋼は、510℃未満の焼戻しを経た状態で、ショットピーニング処理により、表層の硬度が50HV以上向上するとよい。 The die steel preferably has a hardness of 55 HRC or more and a Charpy impact value of 20 J cm -2 or more after tempering at less than 510°C. Furthermore, the amount of residual γ after quenching is preferably 15% or more and 20% or less. Furthermore, the decomposition temperature of the residual γ phase is preferably 510°C or more. The die steel preferably has a martensitic transformation start point of 190°C or more and 220°C or less. The die steel preferably has a surface hardness of 50 HV or more after tempering at less than 510°C by shot peening.
本発明にかかる金型は、上記の金型用鋼よりなる。ここで、前記金型は、ダイカスト用金型であるとよい。 The mold according to the present invention is made from the above-mentioned mold steel. Here, the mold is preferably a die-casting mold.
本発明にかかる金型用鋼は、上記成分組成を有することにより、高い硬度と、高い衝撃値の両方が得られる。金型用鋼において、焼入れ後の残留γ量がある程度多くなることで、衝撃値向上の効果が得られる反面、残留γ量が多すぎると、硬度が低下してしまうが、上記の成分組成を有することで、残留γ量が適切な範囲に制御されるからである。金型用鋼が高硬度と高衝撃値を両立することで、ヒートチェック等、熱衝撃に由来する損傷が抑制され、金型の耐久性の向上に資するものとなる。 The mold steel of the present invention, having the above-mentioned chemical composition, achieves both high hardness and a high impact value. In mold steel, a certain amount of residual γ after quenching has the effect of improving the impact value, but if the amount of residual γ is too high, the hardness decreases. However, by having the above-mentioned chemical composition, the amount of residual γ can be controlled within an appropriate range. When mold steel achieves both high hardness and a high impact value, damage caused by thermal shock, such as heat checking, is suppressed, contributing to improved mold durability.
ここで、金型用鋼が、さらに、質量%で、Ni≦1.1%を含有する場合には、高硬度を確保しながら、金型用鋼の焼入れ性を向上させることができる。 Here, if the mold steel further contains Ni≦1.1% by mass, the hardenability of the mold steel can be improved while maintaining high hardness.
また、上記の式(1)によって求められるAの値が、A≧22.0である場合には、残留γ相の分解温度が510℃以上となる。すると、金型用鋼において、加熱を伴う金型の使用を経ても残留γ量が適切な範囲に保持され、高硬度と高衝撃値を両立する状態が維持される。 Furthermore, when the value of A calculated by the above formula (1) is A≧22.0, the decomposition temperature of the residual γ phase is 510°C or higher. This means that the amount of residual γ in the mold steel is maintained within an appropriate range even after use of the mold, which involves heating, and a state in which both high hardness and high impact value are achieved is maintained.
金型用鋼において、510℃未満の焼戻しを経た状態で、硬さが55HRC以上、シャルピー衝撃値が20J・cm-2以上となる場合には、金型用鋼が、十分に高い硬度と高い衝撃値をともに備えることで、ヒートチェック等、熱衝撃に由来する損傷の発生を、効果的に抑制することができる。 In the case where a die steel has a hardness of 55 HRC or more and a Charpy impact value of 20 J cm or more after being tempered at a temperature of less than 510°C, the die steel has both a sufficiently high hardness and a high impact value, and therefore can effectively suppress the occurrence of damage caused by thermal shock, such as heat checking.
また、焼入れを経た状態で、残留γ量が15%以上20%以下である場合には、残留γ相が金型用鋼に十分に含まれることによる衝撃値の向上と、残留γ量の過度の増大による硬度低下の抑制とを、高度に両立することができる。 Furthermore, if the amount of residual γ is 15% or more and 20% or less after quenching, it is possible to achieve a high degree of both an improvement in impact value due to the sufficient amount of residual γ phase contained in the mold steel and suppression of a decrease in hardness due to an excessive increase in the amount of residual γ.
さらに、残留γ相の分解温度が510℃以上である場合には、一般的なダイカスト用金型の使用環境において、残留γ相の分解を抑制し、金型の使用を経ても、高硬度と高衝撃値を両立する状態を維持しやすくなる。 Furthermore, if the decomposition temperature of the residual gamma phase is 510°C or higher, the decomposition of the residual gamma phase is suppressed in the general die-casting mold usage environment, making it easier to maintain a state in which both high hardness and high impact value are achieved even after the mold has been used.
金型用鋼のマルテンサイト変態開始点が190℃以上220℃以下である場合には、焼入れ後の残留γ量が、15%以上20%以下の範囲に収まりやすく、金型用鋼が、高硬度と高衝撃値を両立するものとなりやすい。 When the martensitic transformation start point of the mold steel is between 190°C and 220°C, the amount of residual γ after quenching tends to fall within the range of 15% to 20%, making it easier for the mold steel to achieve both high hardness and high impact resistance.
金型用鋼が、510℃未満の焼戻しを経た状態で、ショットピーニング処理により、表層の硬度が50HV以上向上するものである場合には、ショットピーニングによる応力誘起マルテンサイト変態で、金型用鋼の表面の硬度を、効率的に向上させることができる。本発明の金型用鋼は、成分の調整によって、比較的残留γ量が多いものであり、応力誘起マルテンサイト変態による硬度の向上が起こりやすい。 When mold steel is tempered at less than 510°C and the surface hardness is increased by 50 HV or more by shot peening, the surface hardness of the mold steel can be efficiently improved by stress-induced martensitic transformation caused by shot peening. The mold steel of the present invention has a relatively high amount of retained γ due to the adjustment of its composition, making it more likely to undergo hardness improvement through stress-induced martensitic transformation.
本発明にかかる金型は、上記の金型用鋼よりなることで、高い強度と高い衝撃値の両方を兼ね備えたものとなる。その結果、熱衝撃を繰り返し受けても、ヒートチェック等の損傷の発生が抑えられ、長期にわたって使用できる金型となる。金型の耐久性が高くなることで、金型の補修や交換に要する労力およびコストを抑制することができる。 The mold of the present invention is made from the above-mentioned mold steel, and therefore has both high strength and a high impact value. As a result, even when subjected to repeated thermal shocks, the occurrence of damage such as heat checking is suppressed, making it possible to use the mold for a long period of time. The increased durability of the mold also reduces the labor and costs required for mold repair and replacement.
ここで、金型が、ダイカスト用金型である場合には、高温の溶湯との接触および離型剤による冷却を繰り返し受ける状況で使用されるものではあるが、熱疲労によるヒートチェックの発生や、ヒートチェックの成長による大きな亀裂の形成が起こりにくい、耐久性の高い金型となる。 Here, if the mold is a die-casting mold, it will be used in conditions where it will be repeatedly exposed to contact with high-temperature molten metal and cooling by mold release agents, but it will be a highly durable mold that is less likely to experience heat checks due to thermal fatigue or large cracks due to the growth of heat checks.
以下に、本発明の実施形態にかかる金型用鋼および金型について詳細に説明する。本発明の実施形態にかかる金型用鋼より、本発明の実施形態にかかる金型を構成することができる。金型の種類は特に限定されるものではないが、金型用鋼が高硬度と高衝撃値を備えることから、加熱された材料との接触を伴う金型、特にダイカスト用金型とすることが好適である。 The die steel and die according to an embodiment of the present invention are described in detail below. The die according to an embodiment of the present invention can be constructed using the die steel according to an embodiment of the present invention. The type of die is not particularly limited, but because the die steel has high hardness and a high impact value, it is suitable for use as a die that comes into contact with heated materials, particularly a die casting die.
[成分組成]
まず、本発明の一実施形態にかかる金型用鋼の成分組成について説明する。本発明の一実施形態にかかる金型用鋼は、以下のような元素を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる。添加元素の種類、成分比、および限定理由などは、以下のとおりである。成分比の単位は、質量%である。
[Component composition]
First, the chemical composition of a die steel according to one embodiment of the present invention will be described. The die steel according to one embodiment of the present invention contains the following elements, with the balance being Fe and unavoidable impurities. The types of added elements, their component ratios, and the reasons for their limitations are as follows. The unit of the component ratios is mass %.
・0.35%≦C≦0.55%
Cは、金型用鋼において、焼入れ時や焼戻し時の硬さに大きく影響する。Cは、焼入れ時に母相中に固溶し、マルテンサイト組織化することによって、金型用鋼の硬度を向上させる。また、Cは、Cr、Mo、V等とともに、炭化物を形成することでも、金型用鋼の硬度を向上させる。
0.35%≦C≦0.55%
C has a significant effect on the hardness of die steel during quenching and tempering. C dissolves in the matrix during quenching and forms a martensite structure, thereby improving the hardness of the die steel. C also improves the hardness of die steel by forming carbides together with Cr, Mo, V, etc.
Cの含有量を、0.35%≦Cとすることで、Cの固溶量および炭化物の生成量が確保され、高硬度が獲得される。本実施形態にかかる金型用鋼においては、十分な耐ヒートチェック性を得る観点から、焼戻し硬さで、55HRC以上の硬度を有することが望ましいが、0.35%≦Cとすることで、焼戻し硬さで55HRC以上の高硬度が達成されやすくなる。好ましくは、0.37%≦Cであるとよい。さらに好ましくは、0.40%≦Cであるとよい。 By setting the C content to 0.35% or less, the amount of dissolved C and the amount of carbide formed are ensured, resulting in high hardness. In the mold steel according to this embodiment, it is desirable for the tempered hardness to be 55 HRC or higher in order to obtain sufficient heat check resistance. However, by setting the C content to 0.35% or less, it becomes easier to achieve a high tempered hardness of 55 HRC or higher. Preferably, the C content is 0.37% or less. Even more preferably, the C content is 0.40% or less.
一方、Cの含有量が過剰になると、炭化物の生成量が多くなることで、金型用鋼の被削性の低下を招く。また、マルテンサイト変態開始温度(Ms)が低くなり、残留γ量が増大することで、金型用鋼の硬さがかえって低下する。C≦0.55%とすることで、被削性の低下を抑制するとともに、残留γ量を20%以下の範囲に抑えやすい。好ましくは、C≦0.50%であるとよい。さらに好ましくは、C≦0.45%であるとよい。 On the other hand, if the C content is excessive, the amount of carbides formed increases, resulting in a decrease in the machinability of the mold steel. Furthermore, the martensitic transformation start temperature (Ms) decreases, and the amount of residual γ increases, which actually reduces the hardness of the mold steel. By limiting C to 0.55%, it is possible to suppress the decrease in machinability and to easily keep the amount of residual γ to 20% or less. Preferably, C is 0.50% or less. Even more preferably, C is 0.45% or less.
・0.05%≦Si≦0.40%
Siは、脱酸剤としての効果、また金型製造時の被削性を向上させる効果を有する。また、Siは、少量の添加で、金型用鋼の硬さを高めるものとなる。0.05%≦Siとすることで、それらの効果を、十分に得ることができる。好ましくは、0.25%≦Siであるとよい。さらに好ましくは、0.30%≦Siであるとよい。
0.05%≦Si≦0.40%
Silicon has the effect of acting as a deoxidizer and of improving machinability during mold manufacturing. Furthermore, even a small amount of silicon added increases the hardness of mold steel. By setting the Si content at 0.05% or less, these effects can be fully achieved. Preferably, the Si content is 0.25% or less. More preferably, the Si content is 0.30% or less.
一方、Siの含有量が過剰になると、金型用鋼の熱伝導率が低下する。また、粗大な晶出炭化物の量が増大し、衝撃値の低下が起こりうる。そこで、高熱伝導率を確保するとともに、粗大な晶出炭化物の生成を抑制する観点から、Si≦0.40%とする。好ましくは、Si≦0.35%であるとよい。さらに好ましくはSi≦0.32%であるとよい。 On the other hand, if the Si content is excessive, the thermal conductivity of the mold steel will decrease. Furthermore, the amount of coarse crystallized carbides will increase, which may result in a decrease in impact value. Therefore, from the perspective of ensuring high thermal conductivity and suppressing the formation of coarse crystallized carbides, the Si content is set to 0.40% or less. Preferably, Si 0.35% or less. Even more preferably, Si 0.32% or less.
・1.50%≦Mn≦2.50%
Mnは金型用鋼の焼入れ性を高める効果、つまり炭化物析出を遅らせる効果を有する。また、Mnは、金型用鋼において、Ms点を低下させ、残留γ量を増大させるものとなり、衝撃値を高める効果を有する。高い焼入れ性と十分に大きな残留γ量を得る観点から、Mnの含有量は、1.50%≦Mnとする。好ましくは、1.90%≦Mnであるとよい。さらに好ましくは、2.00%≦Mnであるとよい。
1.50%≦Mn≦2.50%
Mn has the effect of increasing the hardenability of die steel, that is, the effect of delaying carbide precipitation. Furthermore, Mn lowers the Ms point and increases the amount of residual γ in die steel, thereby increasing the impact value. From the viewpoint of obtaining high hardenability and a sufficiently large amount of residual γ, the Mn content is set to 1.50%≦Mn. Preferably, it is 1.90%≦Mn. More preferably, it is 2.00%≦Mn.
一方、Mnは、金型用鋼において、MnSを生成させる。MnSは金型用鋼の衝撃値を低下させるものとなる。そこで、高い衝撃値を確保する観点から、Mn≦2.50%とする。好ましくは、Mn≦2.30%であるとよい。さらに好ましくは、Mn≦2.10%であるとよい。1.50%≦Mn≦2.50%であれば、金型用鋼が、残留γ量と衝撃値のバランスに優れたものとなり、15~20%の残留γ量と20J/cm2以上の衝撃値(シャルピー衝撃値)を両立しやすくなる。 On the other hand, Mn generates MnS in mold steel. MnS reduces the impact value of the mold steel. Therefore, from the viewpoint of ensuring a high impact value, Mn≦2.50% is set. Preferably, Mn≦2.30%. More preferably, Mn≦2.10%. If 1.50%≦Mn≦2.50%, the mold steel will have an excellent balance between the amount of retained γ and the impact value, and it will be easier to achieve both a residual γ amount of 15 to 20% and an impact value (Charpy impact value) of 20 J/cm2 or more.
・7.5%≦Cr≦9.0%
Crは、Mnと同様に、金型用鋼の焼入れ性を高める効果を有する。また、Crは、400~500℃程度の温度で焼戻しを行う際に、二次硬化に寄与する。さらに、Crは、Ms点を低下させ、残留γ量を増大させるものとなり、残留γ相を安定化する。金型用鋼において、510℃未満での焼戻しで高い硬度を得るとともに、十分な残留γ量を確保して衝撃値を高める観点から、Crの含有量は、7.5%≦Crとする。好ましくは、7.9%≦Crであるとよい。さらに好ましくは、8.0%≦Crであるとよい。
7.5%≦Cr≦9.0%
Like Mn, Cr has the effect of improving the hardenability of mold steel. Cr also contributes to secondary hardening when tempering is performed at temperatures of approximately 400 to 500°C. Cr also lowers the Ms point, increases the amount of residual γ, and stabilizes the residual γ phase. From the viewpoint of obtaining high hardness in mold steel by tempering at temperatures below 510°C and ensuring a sufficient amount of residual γ to increase the impact value, the Cr content is set to 7.5%≦Cr. Preferably, it is 7.9%≦Cr. More preferably, it is 8.0%≦Cr.
一方、Crが金型用鋼に過剰に含まれると、晶出炭化物量が増大し、衝撃値が低下する。そこで、衝撃値を高く保つ観点から、Cr≦9.0%とする。好ましくは、Cr≦8.5%であるとよい。さらに好ましくは、Cr≦8.1%であるとよい。7.5%≦Cr≦9.0%であれば、金型用鋼が、残留γ量と衝撃値のバランスに優れたものとなり、15~20%の残留γ量と20J/cm2以上の衝撃値を両立しやすくなる。 On the other hand, if Cr is contained in excess in the mold steel, the amount of crystallized carbides increases and the impact value decreases. Therefore, from the viewpoint of maintaining a high impact value, Cr is set to 9.0% or less. Preferably, Cr is set to 8.5% or less. More preferably, Cr is set to 8.1% or less. If 7.5% or less Cr is set to 9.0%, the mold steel will have an excellent balance between the amount of retained γ and the impact value, and it will be easier to achieve both a retained γ amount of 15 to 20% and an impact value of 20 J/cm2 or more .
・0.90%≦Mo≦2.5%
Moは、金型用鋼の焼入れ性を高める効果を有する。また、Moは、500~600℃程度の温度で焼戻しを行う際に、二次硬化に寄与する。さらに、Moも、Crと同様に、Ms点を低下させ、残留γ量を増大させるものとなり、残留γ相を安定化する。金型用鋼において、500℃前後での焼戻しで高い硬度を得るとともに、十分な残留γ量を確保して衝撃値を高める観点から、Moの含有量は、0.90%≦Moとされる。好ましくは、1.00%≦Moであるとよい。さらに好ましくは、1.20%≦Moであるとよい。
0.90%≦Mo≦2.5%
Mo has the effect of improving the hardenability of mold steel. Furthermore, Mo contributes to secondary hardening when tempering is performed at temperatures of about 500 to 600°C. Furthermore, Mo, like Cr, lowers the Ms point, increases the amount of residual γ, and stabilizes the residual γ phase. From the viewpoint of obtaining high hardness in mold steel by tempering at about 500°C and ensuring a sufficient amount of residual γ to increase the impact value, the Mo content is set to 0.90%≦Mo. Preferably, it is 1.00%≦Mo. More preferably, it is 1.20%≦Mo.
一方、Moが金型用鋼に過剰に含まれると、晶出炭化物量が増大し、衝撃値が低下する。そこで、衝撃値を高く保つ観点から、Moの含有量は、Mo≦2.5%とされる。好ましくは、Mo≦2.0%であるとよい。さらに好ましくは、Mo≦1.5%であるとよい。0.90%≦Mo≦2.5%であれば、金型用鋼が、残留γ量と衝撃値のバランスに優れたものとなり、15~20%の残留γ量と20J/cm2以上の衝撃値を両立しやすくなる。 On the other hand, if Mo is contained in excess in the mold steel, the amount of crystallized carbides increases and the impact value decreases. Therefore, from the viewpoint of maintaining a high impact value, the Mo content is set to Mo≦2.5%. Preferably, Mo≦2.0%. More preferably, Mo≦1.5%. If the Mo content is 0.90%≦Mo≦2.5%, the mold steel will have an excellent balance between the amount of retained γ and the impact value, and it will be easier to achieve both a retained γ amount of 15 to 20% and an impact value of 20 J/cm2 or more .
・0.40%≦V≦0.80%
Vは焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制するピン止め粒子を生成する。結晶粒の粗大化が抑制される結果、金型用鋼の衝撃値の低下が抑制される。0.40%≦Vとすることで、焼入れ時の結晶粒の粗大化が効果的に抑制され、衝撃値が高められる。好ましくは、0.45%≦Vであるとよい。さらに好ましくは、0.50%≦Vであるとよい。
0.40%≦V≦0.80%
V generates pinning particles that suppress the coarsening of crystal grains during quenching. As a result of suppressing the coarsening of crystal grains, a decrease in the impact value of the mold steel is suppressed. By setting the V content to 0.40% or less, the coarsening of crystal grains during quenching is effectively suppressed, and the impact value is increased. Preferably, the V content is 0.45% or less. More preferably, the V content is 0.50% or less.
一方、Vの含有量が多くなりすぎると、粗大な晶出炭化物が多く生成する。粗大な晶出炭化物は、金型用鋼の衝撃値を低下させるものとなる。そこで、粗大な晶出炭化物の生成を抑制し、衝撃値を高く保つ観点から、V≦0.80%とされる。好ましくは、V≦0.70%であるとよい。さらに好ましくは、V≦0.60%であるとよい。0.40%≦V≦0.80%であれば、20J/cm2以上の衝撃値を達成しやすくなる。 On the other hand, if the V content is too high, a large amount of coarse crystallized carbides will be generated. The coarse crystallized carbides will reduce the impact value of the mold steel. Therefore, from the viewpoint of suppressing the generation of coarse crystallized carbides and maintaining a high impact value, V≦0.80% is set. Preferably, V≦0.70%. More preferably, V≦0.60%. If the V content is 0.40%≦V≦0.80%, it becomes easier to achieve an impact value of 20 J/cm2 or more .
本実施形態にかかる金型用鋼は、上述した必須元素に加えて、さらにNiを任意に含有していてもよい。Niの含有量および限定理由は、次のとおりである。 The mold steel according to this embodiment may optionally contain Ni in addition to the essential elements described above. The Ni content and the reasons for limiting it are as follows:
・Ni≦1.1%
Niは、金型用鋼中でγ相の安定化、およびパーライトの生成の遅延により、焼入れ性を向上させる効果を有する。Niの添加をごく少量としても、その他の元素で十分な焼入れ性を確保できるため、Niの含有量に特に下限は設けられない。ただし、Ni添加による効果を顕著に得るためには、0.10%≦Niとしておけばよい。
Ni≦1.1%
Ni has the effect of improving hardenability by stabilizing the γ phase in mold steel and delaying the formation of pearlite. Even if only a small amount of Ni is added, sufficient hardenability can be ensured by other elements, so there is no particular lower limit for the Ni content. However, in order to obtain a significant effect of Ni addition, it is sufficient to keep the Ni content at 0.10% or less.
一方、Niを多量に添加しすぎると、焼入れ時の残留γ量が過剰となり、焼戻し硬さの低下が起こる。また、残留γ相の安定化によって焼戻し後の残留γ量が過剰となり、焼戻し硬さが低くなる。それらの現象を抑制する観点から、Niの含有量は、Ni≦1.1%に抑えられる。好ましくは、Ni≦0.50%であるとよい。さらに好ましくは、Ni≦0.20%であるとよい。 On the other hand, adding too much Ni results in an excessive amount of residual γ at the time of quenching, resulting in a decrease in tempered hardness. Furthermore, stabilization of the residual γ phase results in an excessive amount of residual γ after tempering, resulting in a decrease in tempered hardness. To prevent these phenomena, the Ni content should be limited to Ni≦1.1%. Preferably, Ni≦0.50%. Even more preferably, Ni≦0.20%.
本実施形態にかかる金型用鋼は、上記所定量のC、Si、Mn、Cr、Mo、Vと、任意にNiを含有し、残部は、Feと不可避的不純物よりなる。ここで、不可避的不純物としては、以下のような元素が想定される。つまり、Cu≦0.25%、Al≦0.030%、N≦0.0250%、O≦0.0030%、P≦0.030%、S≦0.020%等が想定される。 The mold steel according to this embodiment contains the above-mentioned predetermined amounts of C, Si, Mn, Cr, Mo, V, and optionally Ni, with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities. Here, the following elements are assumed as unavoidable impurities: Cu≦0.25%, Al≦0.030%, N≦0.0250%, O≦0.0030%, P≦0.030%, S≦0.020%, etc.
上記の不可避的不純物のうち、NおよびOについては、工業的に金型用鋼を製造する際に、大気中からFeに固溶するため、混入は不可避である。しかし、混入量が多くなりすぎると、組織中にボイドを生じやすくなる。また、合金中で酸化物や窒化物を形成するようになる。特に粗大な酸化物や窒化物は、金型のアブレシブ摩耗の促進や衝撃値の低下を招く。それらの現象を抑制するために、NおよびOの含有量は、上記の上限以下に抑えることが好ましい。 Of the above unavoidable impurities, N and O are unavoidable when industrially producing mold steel, as they dissolve in Fe from the air. However, if the amount of these elements mixed in is too high, voids are more likely to form in the structure. They also form oxides and nitrides in the alloy. Coarse oxides and nitrides in particular can accelerate abrasive wear of molds and reduce impact values. To prevent these phenomena, it is preferable to keep the N and O content below the upper limits mentioned above.
本実施形態にかかる金型用鋼においては、必須元素であるC、Si、Mn、Cr、Mo、Vのそれぞれの含有量が、上記所定の範囲を満たすことに加え、それらの元素の含有量から下記の式(1)によって規定されるA値が、十分に大きくなっていることが好ましい。
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
式(1)において、各元素記号は、質量%を単位とした各元素の含有量を示す。
In the mold steel according to this embodiment, it is preferable that the contents of the essential elements C, Si, Mn, Cr, Mo, and V each satisfy the above-mentioned predetermined range, and in addition, the A value defined by the following formula (1) based on the contents of these elements is sufficiently large.
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
In formula (1), each element symbol indicates the content of each element in units of mass %.
具体的には、A≧22.0であることが好ましい。後の実施例に示すように、発明者の知見によると、A値は、残留γ分解温度(残留γ相の分解温度)との間に高い相関を有し、A値が大きいほど、残留γ分解温度が高くなる傾向がある(図4参照)。残留γ相の分解温度が高くなると、金型の使用中に金型用鋼が高温の材料との接触によって加熱されることがあっても、残留γ相の分解が起こりにくくなり、所定の残留γ量を維持しやすい。A≧22.0であれば、残留γ分解温度を510℃以上に高めやすい。さらに好ましくは、A≧23.0、またA≧25.0であるとよい。 Specifically, it is preferable that A≧22.0. As will be shown in the Examples below, according to the inventor's findings, the A value has a high correlation with the residual gamma decomposition temperature (the decomposition temperature of the residual gamma phase), and the larger the A value, the higher the residual gamma decomposition temperature tends to be (see Figure 4). When the decomposition temperature of the residual gamma phase is higher, even if the mold steel is heated by contact with high-temperature materials during mold use, decomposition of the residual gamma phase is less likely to occur, making it easier to maintain a specified amount of residual gamma. If A≧22.0, it is easy to raise the residual gamma decomposition temperature to 510°C or higher. It is even more preferable that A≧23.0, or A≧25.0.
[金型用鋼の特性]
以下、本実施形態にかかる金型用鋼の特性について説明する。本明細書において、特記しないかぎり、各種特性は、室温(おおむね25℃)にて評価される値とする。また、本明細書において、焼戻しを経た状態について規定される特性については、焼入れ後に、510℃未満の焼戻しを経た際の硬さおよび衝撃値を指すものとする。例えば、焼入れとしては、1030℃での均熱後、油焼入れ相当のガス冷却を行う形態を採用すればよい。また、焼戻しとしては、その後500℃での焼戻しを行う形態を採用すればよい。
[Characteristics of mold steel]
The properties of the mold steel according to this embodiment will be described below. In this specification, unless otherwise specified, the various properties are values evaluated at room temperature (approximately 25°C). In addition, in this specification, properties specified for a tempered state refer to hardness and impact value when tempered at less than 510°C after quenching. For example, quenching may be performed by soaking at 1030°C followed by gas cooling equivalent to oil quenching. In addition, tempering may be performed by subsequently tempering at 500°C.
本実施形態にかかる金型用鋼は、上記の成分組成を有することにより、高い硬度と高い衝撃値(高い耐衝撃性、靭性)をともに備えるものとなる。金型用鋼の衝撃値が高くなると、熱衝撃に対する耐性が高くなり、金型が加熱と冷却を繰り返して受けても、損傷を起こしにくくなる。特に、ダイカスト用金型においては、溶湯の射出による加熱と離型剤の散布による冷却を繰り返して受けることで、熱応力を生じ、意匠面に熱疲労によるヒートチェックが生じやすいが、金型用鋼が高い衝撃値を有することで、ヒートチェックの発生を抑えることができる。さらに、金型用鋼が高硬度を有することで、ヒートチェックの成長による大きな亀裂の発生等、熱衝撃の印加による金型用鋼の損傷を効果的に抑制することができる。つまり、金型用鋼が高硬度と高衝撃値をともに備えることで、金型用鋼において、ヒートチェック等の熱衝撃に由来する損傷の発生を、強力に抑制できる。 The mold steel according to this embodiment, having the above-described chemical composition, has both high hardness and a high impact value (high impact resistance and toughness). A high impact value of the mold steel increases its resistance to thermal shock, making it less susceptible to damage even when the mold is repeatedly heated and cooled. In particular, in die-casting molds, repeated heating due to the injection of molten metal and cooling due to the spraying of a mold release agent generates thermal stress, making the design surface prone to heat checking due to thermal fatigue. However, the mold steel's high impact value can suppress the occurrence of heat checking. Furthermore, the mold steel's high hardness can effectively suppress damage to the mold steel due to the application of thermal shock, such as the development of large cracks due to the growth of heat checking. In other words, the mold steel's high hardness and high impact value can strongly suppress the occurrence of damage to the mold steel due to thermal shock, such as heat checking.
多くの金型用鋼において、硬度が増すと、衝撃値が低下する傾向があり、高硬度と高衝撃値を両立することは難しい。しかし、本実施形態にかかる金型用鋼は、上記成分組成を有することにより、高硬度と高衝撃値を両立するものとなり、金型において、ヒートチェックや亀裂等、熱衝撃に由来する損傷を抑制し、金型の耐久性を高めるものとなる。加熱と冷却を繰り返しても金型に損傷が生じにくくなることで、金型の補修や交換を行うことなく、金型を長期にわたって使用することができ、金型の補修や交換に要する労力と費用を削減できる。 In many mold steels, as hardness increases, the impact value tends to decrease, making it difficult to achieve both high hardness and high impact value. However, the mold steel of this embodiment, having the above-mentioned composition, achieves both high hardness and high impact value, suppressing damage to the mold caused by thermal shock, such as heat checking and cracking, and increasing the durability of the mold. Because the mold is less likely to be damaged even when repeatedly heated and cooled, the mold can be used for a long period of time without repairing or replacing it, reducing the labor and cost required for mold repair and replacement.
本実施形態にかかる金型用鋼は、上記の成分組成を有することで、510℃未満の焼戻しを経た状態で、55HRC以上の硬度と、20J/cm2以上の衝撃値(シャルピー衝撃値)を両立するものとなる。より好ましくは、硬度は56HRC以上、衝撃値は30J/cm2以上であるとよい。金型用鋼の硬度および衝撃値の上限は特に設けられないが、硬度と衝撃値のバランス等の観点から、おおむね、硬度を60HRC以下、衝撃値を40J/cm2以下としておくとよい。 The die steel according to this embodiment has the above-described chemical composition, and thus after tempering at a temperature of less than 510°C, achieves both a hardness of 55 HRC or more and an impact value (Charpy impact value) of 20 J/ cm2 or more. More preferably, the hardness is 56 HRC or more and the impact value is 30 J/ cm2 or more. Although there are no particular upper limits set for the hardness and impact value of the die steel, it is generally preferable to set the hardness to 60 HRC or less and the impact value to 40 J/ cm2 or less from the viewpoint of the balance between hardness and impact value, etc.
本実施形態にかかる金型用鋼が高硬度と高衝撃値を両立することは、残留γ量が適度な範囲に制御されていることにより、説明される。残留γ量が多くなれば、金型用鋼の衝撃値が向上する一方、残留γ量が過剰となると、焼戻し硬さが著しく低下する。そこで、残留γ量を、適度な大きさを有する範囲に制御することで、高硬度と高衝撃値を両立することができる。本実施形態にかかる金型用鋼においては、上記の成分組成を有することに対応して、残留γ量が、15%以上20%以下の範囲に収まる。残留γ量がその範囲にあることと対応して、55HRC以上の焼戻し硬さと、20J/cm2以上の衝撃値を両立できる。残留γ量は、16%以上、また19%以下であると、さらに好ましい。なお、本明細書において、残留γ量は、焼入れを経た状態(焼入れまま)の金型用鋼において、残留γ相が占める容積割合として評価されるものとする。 The fact that the die steel according to this embodiment achieves both high hardness and high impact strength can be explained by the fact that the amount of residual γ is controlled within an appropriate range. While a large amount of residual γ improves the impact strength of the die steel, an excessive amount of residual γ significantly reduces the tempered hardness. Therefore, by controlling the amount of residual γ within an appropriate range, both high hardness and high impact strength can be achieved. In the die steel according to this embodiment, the amount of residual γ falls within the range of 15% to 20% in accordance with the above-described composition. The amount of residual γ falling within this range enables both a tempered hardness of 55 HRC or more and an impact strength of 20 J/ cm2 or more to be achieved. It is more preferable that the amount of residual γ be 16% or more and 19% or less. In this specification, the amount of residual γ is evaluated as the volume fraction of the residual γ phase in the die steel after quenching (as quenched).
残留γ量は、マルテンサイト変態開始点(Ms点)との間に相関性を有しており、Ms点が高いほど、残留γ量が少なくなる(図2参照)。Ms点は、金型用鋼の成分組成と相関を有しており、添加元素を多くするほど低くなる傾向がある。本実施形態にかかる金型用鋼は、上記の組成を有することと対応して、190℃以上220℃のMs点を示す。Ms点がその範囲にあることと対応して、残留γ量が、上記のように高硬度と高衝撃値を与える15%以上20%以下の範囲となる。Ms点は、200℃以上、また210℃以下であると、さらに好ましい。なお、Ms点は、以下の式(2)によって成分組成から見積もることができる。
Ms[K]=812-423C-7.5Si-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo (2)
式(2)において、各元素記号は、質量%を単位とした各元素の含有量を示す。
上記式(2)は、Andrewsの式(K.W.Andrews,J. Iron Steel Inst.,203(1965),721)にSiの項を追加したものである。
The amount of retained γ correlates with the martensitic transformation start point (Ms point), and the higher the Ms point, the lower the amount of retained γ (see FIG. 2). The Ms point also correlates with the component composition of the mold steel, and tends to decrease as the amount of added elements increases. The mold steel according to this embodiment has an Ms point of 190°C to 220°C, corresponding to the above-described composition. Corresponding to the Ms point being within this range, the amount of retained γ falls within the range of 15% to 20%, which provides high hardness and high impact value, as described above. It is more preferable that the Ms point be 200°C or higher and 210°C or lower. The Ms point can be estimated from the component composition using the following formula (2).
Ms[K]=812-423C-7.5Si-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo (2)
In formula (2), each element symbol indicates the content of each element in units of mass %.
The above formula (2) is obtained by adding a term for Si to the Andrews formula (K.W. Andrews, J. Iron Steel Inst., 203 (1965), 721).
さらに、本実施形態にかかる金型用鋼は、残留γ分解温度(残留γ相が分解を起こす温度)が510℃以上であることが好ましい。残留γ分解温度が十分に高くなっていると、金型の使用中に、成形対象の高温の材料と接触することで金型用鋼が加熱を受けても、残留γ相が分解されにくくなり、残留γ量が、高硬度と高衝撃値を両立できる好適な範囲に維持されやすくなる。典型的なダイカスト工法において、金型の最高到達温度は500℃程度であり、残留γ分解温度が510℃以上であれば、ダイカスト金型において、残留γ相の分解を十分に抑制することができる。上記のように、残留γ量は、成分組成に基づいて式(1)で規定されるA値と高い相関性を示し、A≧22.0であれば、残留γ分解温度を510℃以上とすることができる。残留γ分解温度は、515℃以上であると、さらに好ましい。残留γ分解温度に特に上限は設けられないが、現実的な金型用鋼において、残留γ分解温度は、おおむね560℃以下である。なお、残留γ分解温度は、焼入れ後に焼戻しを行った際に、残留γ量が焼入れ品の90%以下となる焼戻し温度として評価すればよい。 Furthermore, the mold steel according to this embodiment preferably has a residual gamma decomposition temperature (the temperature at which the residual gamma phase decomposes) of 510°C or higher. A sufficiently high residual gamma decomposition temperature reduces the decomposition of the residual gamma phase even when the mold steel is heated by contact with the high-temperature material being molded during mold use, making it easier to maintain the residual gamma content within a suitable range that achieves both high hardness and high impact strength. In typical die casting processes, the maximum temperature reached by the mold is approximately 500°C. A residual gamma decomposition temperature of 510°C or higher can sufficiently suppress the decomposition of the residual gamma phase in the die casting mold. As described above, the residual gamma content exhibits a high correlation with the A value defined by formula (1) based on the component composition. If A is ≥ 22.0, the residual gamma decomposition temperature can be set to 510°C or higher. A residual gamma decomposition temperature of 515°C or higher is even more preferable. While there is no specific upper limit to the residual gamma decomposition temperature, in practical mold steels, the residual gamma decomposition temperature is generally 560°C or lower. The residual γ decomposition temperature can be evaluated as the tempering temperature at which the amount of residual γ becomes 90% or less of the quenched product when tempered after quenching.
以上のように、本実施形態にかかる金型用鋼は、成分組成の効果により、適度な範囲のMs点および残留γ量を有し、それに対応して、高硬度と高衝撃値を両立するものとなる。例えば55HRC以上の硬度と20J/cm2以上の衝撃値を得られるように、焼入れや焼戻しの条件を設定すればよい。好適な条件として、溶製、鋳造後、適宜鍛造および焼ならし、焼なましを行った鋼材に対して、1000~1050℃で30分程度の均熱を行った後、油入れ相当の冷却等、20℃/分以上の冷却速度で40℃以下となるまでの冷却による焼入れを行い、さらに490~510℃での焼戻しを行う形態を、例示することができる。さらに、熱処理後の金型用鋼に対して、ショットピーニングを行い、表面硬度を向上させることが好ましい。 As described above, the die steel according to this embodiment has an appropriate range of Ms point and residual γ content due to the effect of its chemical composition, and accordingly, achieves both high hardness and high impact strength. For example, the quenching and tempering conditions can be set so as to obtain a hardness of 55 HRC or higher and an impact strength of 20 J/ cm² or higher. A suitable example of the conditions is to melt, cast, appropriately forge, normalize, and anneal the steel, soak it at 1000 to 1050°C for approximately 30 minutes, then quench it by cooling it to 40°C or lower at a cooling rate of 20°C/min or higher, such as cooling in an oil bath, and then temper it at 490 to 510°C. Furthermore, it is preferable to perform shot peening on the heat-treated die steel to improve its surface hardness.
本実施形態にかかる金型用鋼は、成分組成の効果によって、高硬度を有するものであるが、ショットピーニングによって、表層の硬度をさらに高めることができる。ショットピーニングによって歪みを付与することで、γ相の応力誘起マルテンサイト変態を起こし、金型用鋼の硬度を高めることができるが、本実施形態にかかる金型用鋼は、成分組成の効果により、残留γ量が比較的多くなっており、ショットピーニングによる硬度の向上が効果的に起こる。例えば、510℃未満での焼戻しを経た金型用鋼において、ショットピーニングによる表層の硬化量が、50HV以上であるとよい。つまり、ショットピーニング処理により、表層の硬度が50HV以上向上するものであるとよい。ショットピーニングによる表層の硬化量は、70HV以上、さらには80HV以上であると、より好ましい。例えば、1030℃での均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行い、さらに500℃での焼戻しを行っておけばよい。そして、金型用鋼の表層から20μmの深さ位置におけるビッカース硬さを表層の硬さとし、ショットピーニングを経た際のその上昇量を、硬化量とすればよい。ショットピーニングの条件としては、下の表1に示した実施例と同様の条件を、好適に採用することができる。 The mold steel according to this embodiment has high hardness due to its chemical composition, but shot peening can further increase the hardness of the surface layer. By imparting strain through shot peening, stress-induced martensitic transformation of the gamma phase occurs, increasing the hardness of the mold steel. However, the mold steel according to this embodiment has a relatively high amount of retained gamma due to the chemical composition, which effectively improves hardness through shot peening. For example, in mold steel tempered at temperatures below 510°C, the hardening of the surface layer due to shot peening should be 50 HV or more. In other words, the shot peening treatment should increase the hardness of the surface layer by 50 HV or more. The hardening of the surface layer due to shot peening is preferably 70 HV or more, and even more preferably 80 HV or more. For example, after soaking at 1030°C, the steel may be quenched by gas cooling equivalent to oil quenching, followed by tempering at 500°C. The Vickers hardness at a depth of 20 μm from the surface of the mold steel is taken as the hardness of the surface layer, and the increase in hardness after shot peening is taken as the amount of hardening. The shot peening conditions can be suitably the same as those in the examples shown in Table 1 below.
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be explained in more detail below using examples.
[試料の作製]
種々の成分組成(単位:質量%)を有する金型用鋼をそれぞれ準備した。具体的には、所定の組成比を有する鋼を真空誘導炉で溶製した後、インゴットを鋳造した。得られたインゴットを1250℃で10時間加熱した後、熱間鍛造を行い、φ80mmとした。鍛造後は、焼ならしとして、1020℃に加熱後冷却し、680℃で6時間焼戻しを行った。さらに、焼なましとして、900℃で2時間加熱し、冷却速度15℃/hで660℃になるまで冷却して、焼なまし材を作製した。
[Sample preparation]
Die steels having various component compositions (unit: mass%) were prepared. Specifically, steels having predetermined composition ratios were melted in a vacuum induction furnace, and then ingots were cast. The obtained ingots were heated at 1250°C for 10 hours, and then hot forged to a diameter of 80 mm. After forging, the ingots were normalized by heating to 1020°C, cooling, and tempering at 680°C for 6 hours. Further, the ingots were annealed by heating at 900°C for 2 hours and cooling to 660°C at a cooling rate of 15°C/h to produce annealed materials.
[試験方法]
以下に示す方法で、各試料の特性を評価した。特記しない限り、各評価は、室温、大気中にて行っている。
[Test Method]
The properties of each sample were evaluated by the following methods. Unless otherwise specified, the evaluations were carried out at room temperature in the atmosphere.
<残留γ量>
上記で作製した焼なまし材から12B×20mmの試験片を切り出し、熱処理を行った。熱処理としては、真空炉を用いて1030℃で1時間均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行った。焼入れ品の残留γ測定面を粒度#1000まで研磨し、X線応力測定装置で、残留γ量を測定した。
<Residual γ amount>
Test pieces measuring 12B x 20 mm were cut from the annealed material prepared above and subjected to heat treatment. The heat treatment consisted of soaking at 1,030°C for 1 hour in a vacuum furnace, followed by quenching with gas cooling equivalent to oil quenching. The surface of the quenched specimen to measure the residual γ was polished to a grain size of #1,000, and the amount of residual γ was measured using an X-ray stress measurement device.
<残留γ分解温度>
上記で作製した焼なまし材から12B×20mmの試験片を切り出し、熱処理を行った。熱処理としては、真空炉を用いて1030℃で1時間均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行った。その後、焼戻しを、460℃から570℃まで10℃刻みで実施し、1試料ごとに12個の焼入れ焼戻し品を作製した。焼入れ焼戻し品の残留γ測定面を粒度#1000まで研磨し、X線応力測定装置で残留γ量を測定した。残留γ量が、焼入れ品を基準として90%となった時の焼戻し温度を、残留γ分解温度とした。なお、この残留γ分解温度の見積もりに際しては、10℃刻みの焼戻し温度に対して、補間を実施した。
<Residual γ decomposition temperature>
Test pieces measuring 12B x 20 mm were cut from the annealed material prepared above and subjected to heat treatment. The heat treatment entailed soaking at 1,030°C for 1 hour in a vacuum furnace, followed by quenching with gas cooling equivalent to oil quenching. Tempering was then performed at 460°C to 570°C in 10°C increments, producing 12 quenched and tempered specimens for each sample. The surfaces of the quenched and tempered specimens for measuring residual γ were polished to a grain size of #1000, and the amount of residual γ was measured using an X-ray stress measurement device. The tempering temperature at which the amount of residual γ was 90% of the quenched specimen was taken as the residual γ decomposition temperature. To estimate this residual γ decomposition temperature, interpolation was performed for tempering temperatures in 10°C increments.
<焼戻し硬さ>
上記で作製した焼なまし材から12B×20mmの試験片を切り出し、熱処理を行った。熱処理としては、真空炉を用いて1030℃で1時間均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行った。そして、残留γ分解温度以下の温度である500℃で、1時間の焼戻しを2回行った。焼戻し品の測定面と接地面を粒度#400まで研磨し、ロックウェルCスケールによって硬さを測定した。
<Tempered hardness>
Test pieces measuring 12B x 20 mm were cut from the annealed material prepared above and subjected to heat treatment. The heat treatment involved soaking at 1,030°C for one hour in a vacuum furnace, followed by quenching with gas cooling equivalent to oil quenching. The test pieces were then tempered twice for one hour at 500°C, a temperature below the residual γ decomposition temperature. The test surface and the ground surface of the tempered pieces were polished to a grain size of #400, and their hardness was measured using the Rockwell C scale.
<衝撃値>
上記で作製した焼なまし材から10mm×10mm×55mmの試験片を切り出し、熱処理を行った。熱処理としては、真空炉を用いて1030℃で1時間均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行った。そして、残留γ分解温度以下の温度である500℃で、1時間の焼戻しを2回行った。その後、JIS 3号衝撃試験片(2mmUノッチ)を採取し、JIS Z 2242に従って、シャルピー衝撃試験を行った。これにより、シャルピー衝撃値を取得した。
<Impact Value>
Test pieces measuring 10 mm x 10 mm x 55 mm were cut out from the annealed material prepared above and subjected to heat treatment. The heat treatment involved soaking at 1030°C for 1 hour in a vacuum furnace, followed by quenching with gas cooling equivalent to oil quenching. Then, tempering was performed twice for 1 hour at 500°C, a temperature below the residual γ decomposition temperature. Subsequently, JIS No. 3 impact test pieces (2 mm U-notch) were taken and subjected to a Charpy impact test in accordance with JIS Z 2242. The Charpy impact values were obtained from these.
<ショットピーニングによる硬化量>
上記で作製した焼なまし材から30B×20mmの試料片を切り出し、熱処理を行った。熱処理としては、真空炉を用いて1030℃で1時間均熱後、油焼入れ相当のガス冷却で焼入れを行った。そして、残留γ分解温度以下の温度である500℃で、1時間の焼戻しを2回行った。その後、試料片に対し、ショットピーニング(SP)を行った。ショットピーニングの条件は下の表1のとおりとした。ショットピーニングは、試料片の30Bの面の半分をマスキングして実施し、ショットピーニングの有無によって断面の硬さを比較できるようにした。ショットピーニング後に、表層から20μmの深さ位置におけるビッカース硬さを測定した。ショットピーニングを受けることで硬さは上昇しており、ショットピーニングの有無による硬さの差を、ショットピーニングによる硬化量とした。
<Amount of hardening by shot peening>
A 30B x 20 mm sample was cut from the annealed material prepared above and subjected to heat treatment. The heat treatment entailed soaking at 1,030°C for one hour in a vacuum furnace, followed by quenching with gas cooling equivalent to oil quenching. The sample was then tempered twice for one hour at 500°C, a temperature below the residual γ decomposition temperature. The sample was then subjected to shot peening (SP). The shot peening conditions were as shown in Table 1 below. Shot peening was performed by masking half of the 30B surface of the sample, allowing for comparison of cross-sectional hardness with and without shot peening. After shot peening, the Vickers hardness was measured at a depth of 20 μm from the surface. Shot peening increased hardness, and the difference in hardness between the two conditions was taken as the amount of hardening due to shot peening.
[試験結果]
<試験1>焼戻し硬さ、残留γ量、Ms点の関係
まず、焼戻し硬さ、残留γ量、Ms点の相互の関係について調査した結果を示す。
[Test Results]
<Test 1> Relationship between tempered hardness, amount of retained γ, and Ms point First, the results of investigating the relationship between tempered hardness, amount of retained γ, and Ms point are shown.
図1に、複数の成分組成を有する金型用鋼について、上記のように評価した残留γ量と焼戻し硬さの関係を示す。図によると、残留γ量が多くなるに従って、焼戻し硬さが低くなる傾向が見られる。 Figure 1 shows the relationship between the amount of retained γ and tempered hardness evaluated as described above for mold steels with multiple component compositions. The figure shows a tendency for tempered hardness to decrease as the amount of retained γ increases.
さらに、図2に、複数の成分組成を有する金型用鋼について、Ms点と残留γ量の関係を示す。ここで、Ms点は、成分組成に基づいて上記式(2)にて見積もったものである。図によると、ばらつきは大きいものの、Ms点が上昇するに従って、残留γ量が減少する傾向が見られている。 Furthermore, Figure 2 shows the relationship between the Ms point and the amount of residual γ for mold steels with multiple chemical compositions. Here, the Ms point is estimated using the above formula (2) based on the chemical composition. The figure shows that, although there is a large variance, the amount of residual γ tends to decrease as the Ms point increases.
以上の結果から、焼戻し硬さ、残留γ量、Ms点の間には相関性があり、Ms点が低くなるほど残留γ量が多くなり、残留γ量が多くなると焼戻し硬さが低くなる傾向があることが分かる。Ms点は、式(2)のように成分組成から見積もることができる量であり、所望の残留γ量および焼戻し硬さに対応するMs点が得られるように、金型用鋼の成分組成を調整すればよい。図2に、データ点を近似した近似曲線も合わせて載せるが、15%以上20%以下の残留γ量に対応するMs点は、おおむね190℃以上220℃以下の範囲となっている。 These results show that there is a correlation between tempered hardness, residual gamma content, and Ms point; the lower the Ms point, the greater the residual gamma content, and the greater the residual gamma content, the lower the tempered hardness tends to be. The Ms point is a quantity that can be estimated from the chemical composition as shown in formula (2), and the chemical composition of the mold steel can be adjusted to obtain an Ms point corresponding to the desired residual gamma content and tempered hardness. Figure 2 also shows an approximate curve that approximates the data points, and the Ms point corresponding to a residual gamma content of 15% to 20% is generally in the range of 190°C to 220°C.
<試験2>成分組成と残留γ分解温度
次に、成分組成と残留γ分解温度の関係について調査した結果を示す。
<Test 2> Component Composition and Residual γ Decomposition Temperature Next, the results of an investigation into the relationship between component composition and residual γ decomposition temperature are shown.
図3に、焼戻し温度と残留γ量の関係を示す。これは、上記で説明した残留γ分解温度の評価において、焼戻し温度を変えながら残留γ量を測定した結果を示すものである。図中の#1~#5は、成分組成の異なる試料の測定結果を示している。図によると、試料によって、データ点が分布している焼戻し温度の領域に大きな幅があるが、いずれの試料においても、残留γ量が20%程度の水準から、焼戻し温度の上昇に伴って、急激に0%に近い水準まで下降する傾向が見られている。この残留γ量の減少は、残留γ相の分解によるものである。この残留γ量が減少する挙動において、残留γ量が、焼入れ品(焼戻し前)の90%以下(ここでは残留γ量18%程度の水準(♯3のみ6%程度))にまで下降した段階の焼戻し温度を、残留γ分解温度と定義した。 Figure 3 shows the relationship between tempering temperature and residual gamma content. This shows the results of measuring the residual gamma content while varying the tempering temperature in the evaluation of the residual gamma decomposition temperature described above. #1 to #5 in the figure represent the measurement results for samples with different chemical compositions. As can be seen from the figure, the tempering temperature range in which the data points are distributed varies widely depending on the sample. However, in all samples, the residual gamma content tends to rapidly decrease from approximately 20% to nearly 0% as the tempering temperature increases. This decrease in the residual gamma content is due to the decomposition of the residual gamma phase. The tempering temperature at which the residual gamma content drops to 90% or less of the quenched sample (before tempering) (here, the residual gamma content is approximately 18% (only #3 is approximately 6%)) was defined as the residual gamma decomposition temperature.
そのようにして得られた残留γ分解温度を、図4に示す。ここでは、成分組成に基づいて式(1)によって見積もられたA値(Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V)を横軸にとって、残留γ分解温度を表示している。図中の#1~#5の番号が、図3の試験に用いた試料の番号と対応している。図によると、A値と残留γ分解温度の間には、良い相関が見られ、A値が大きくなるに従って、残留γ分解温度が高くなっている。このことから、成分組成に基づいて計算されるA値が、残留γ分解温度を予測する良い指標となると言える。例えば、金型の使用条件等から所望される残留γ分解温度が得られるように、A値を指標として成分組成を設定すればよい。図3の近似曲線によると、残留γ分解温度を510℃以上とするためには、A値を22以上とすればよい。 The residual gamma decomposition temperature obtained in this manner is shown in Figure 4. Here, the horizontal axis represents the A value (Si + Mn + 2Cr + 3Mo + 3.5V) estimated using formula (1) based on the component composition, and the residual gamma decomposition temperature is plotted against the A value. The numbers #1 to #5 in the figure correspond to the sample numbers used in the test in Figure 3. The figure shows a good correlation between the A value and the residual gamma decomposition temperature, with the larger the A value, the higher the residual gamma decomposition temperature. This suggests that the A value calculated based on the component composition is a good indicator for predicting the residual gamma decomposition temperature. For example, the component composition can be set using the A value as an indicator to obtain the desired residual gamma decomposition temperature based on the mold usage conditions, etc. According to the approximation curve in Figure 3, an A value of 22 or higher is required to achieve a residual gamma decomposition temperature of 510°C or higher.
<試験3>成分組成と各種特性
次に、上記試験1,2で得られた知見を参考に、種々の成分組成を有する金型用鋼を準備し、各種特性を評価した。表2に、実施例1~11および比較例1~9について、成分組成と特性評価の結果を示す。
<Test 3> Elemental Composition and Various Properties Next, die steels having various elemental compositions were prepared and various properties were evaluated based on the findings obtained in Tests 1 and 2. Table 2 shows the elemental compositions and the results of property evaluation for Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 9.
表2によると、実施例1~11にかかる金型用鋼は、いずれも、上記で説明した本発明に規定される範囲の成分組成を有するものとなっている。そして、実施例1~11では、Ms点が190℃以上220℃以下となっていることと対応して、残留γ量が、15%以上20%以下の範囲にある。これは、上記試験1で得られた知見と同様の結果となっている。さらに、実施例1~11では、55HRC以上の高い焼戻し硬さと、20J・cm-2以上の高い衝撃値がともに得られている。これらの焼戻し硬さと衝撃値は、残留γ量が上記の範囲にあることに対応付けることができる。 According to Table 2, the die steels of Examples 1 to 11 all have chemical compositions within the ranges specified in the present invention as described above. In Examples 1 to 11, the Ms points are 190°C or higher and 220°C or lower, and correspondingly, the amount of retained γ is in the range of 15% or higher and 20% or lower. This is similar to the findings obtained in Test 1 above. Furthermore, Examples 1 to 11 achieve both a high tempered hardness of 55 HRC or higher and a high impact value of 20 J cm -2 or higher. These tempered hardnesses and impact values can be correlated with the amount of retained γ being within the above ranges.
さらに、実施例1~11ではいずれも、A値が22.0以上となっている。そして、残留γ分解温度が510℃以上となっている。これは、上記試験2で得られた知見と同様の結果となっている。 Furthermore, in all of Examples 1 to 11, the A value was 22.0 or higher. The residual gamma decomposition temperature was 510°C or higher. These results are similar to those obtained in Test 2 above.
加えて、実施例1~11ではいずれも、ショットピーニングによる硬化量が、50HV以上となっている。つまり、ショットピーニングを経ることで表層の硬さが50HV以上向上している。これは、残留γ量が15%以上と多くなっていることと、対応づけることができる。 In addition, in all of Examples 1 to 11, the amount of hardening due to shot peening was 50 HV or more. In other words, shot peening increased the hardness of the surface layer by 50 HV or more. This corresponds to the high amount of residual gamma, at 15% or more.
一方で、比較例1~9では、上記で説明した本発明に規定される成分組成を有していない。それら比較例1~9はいずれも、55HRC以上の焼戻し硬さと、20J・cm-2以上の衝撃値を両立するものとはなっていない。比較例1~6では、主に、Mn,Cr,Moの少なくとも1種の含有量が少なすぎることに対応して、Ms点が220℃を超えるとともに、残留γ量が15%よりも少なくなっている。これらのことが、高硬度と衝撃値を両立できない一因となっていると考えられる。一方、比較例7~9では、主に、Mn,Cr,Moの少なくとも1種の含有量が多すぎることに対応して、残留γ量は十分多い、あるいは過多であるにも拘らず、衝撃値が20J・cm-2に及んでいない。 On the other hand, Comparative Examples 1 to 9 do not have the component compositions defined in the present invention as described above. None of Comparative Examples 1 to 9 achieves both a tempered hardness of 55 HRC or more and an impact value of 20 J·cm −2 or more. In Comparative Examples 1 to 6, the Ms point exceeds 220°C and the amount of residual γ is less than 15%, mainly due to the content of at least one of Mn, Cr, and Mo being too low. These factors are thought to be one of the reasons why high hardness and impact value cannot be achieved simultaneously. On the other hand, in Comparative Examples 7 to 9, the content of at least one of Mn, Cr, and Mo is too high, mainly due to the content being too high, and although the amount of residual γ is sufficiently high or excessive, the impact value does not reach 20 J·cm −2 .
以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。 The above describes embodiments and examples of the present invention. The present invention is not particularly limited to these embodiments and examples, and various modifications are possible.
Claims (9)
0.35%≦C≦0.55%、
0.05%≦Si≦0.40%、
1.50%≦Mn≦2.50%、
7.5%≦Cr≦9.0%、
0.90%≦Mo≦2.5%、
0.40%≦V≦0.80%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
下記の式(1)によって求められるAの値が、22.0≦A≦27.5である、金型用鋼。
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
ただし、式(1)において、各元素記号は、質量%を単位とした各元素の含有量を示す。 In mass%,
0.35%≦C≦0.55%,
0.05%≦Si≦0.40%,
1.50%≦Mn≦2.50%,
7.5%≦Cr≦9.0%,
0.90%≦Mo≦2.5%,
0.40%≦V≦0.80%
and the balance being Fe and unavoidable impurities,
A mold steel , wherein the value of A calculated by the following formula (1) is 22.0≦A≦27.5 .
A=Si+Mn+2Cr+3Mo+3.5V (1)
In formula (1), each element symbol indicates the content of each element in units of mass %.
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