JP2006104519A - 高靭性熱間工具鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
熱間加工用の金型の製造材料とする熱間工具鋼において、大型の金型素材としても、高い硬さをもたせることにより長い金型寿命を享受するとともに、高い靭延性を確保して、金型使用中に割れが発生する危険を低減した高靭性熱間工具鋼を提供する。
【解決手段】
凝固時の固相線温度から液相線温度までの平均冷却速度が0.025℃/秒以上の条件で熱間工具鋼を造塊し、1240〜1360℃の温度範囲に加熱して、晶出した炭化物および炭窒化物の固溶化処理を施すことによって、鋼中に晶出した炭化物および炭窒化物、ならびに酸化物系の介在物を合わせた存在密度が、鋼の断面積1mm2あたり、1)円相当径が50μmを超える大型のものは0.01個以下であり、かつ、2)円相当径1〜50μmの小型のものは100個以下であるものを得る。
【選択図】 なし
Description
2)大型の金型を製造する素材は大断面の製品でなければならず、大断面の素材を製造するためには大型の鋼塊に鋳造する必要があり、鋼塊サイズの大型化にともない凝固時の冷却速度が低下すること。冷却速度が低下すると、炭化物、とくにバナジウムの炭化物VCや、炭窒化物、とくにバナジウムの炭窒化物V(C,N)の粗大なものが晶出したり、Mn,Si,Alなどの酸化物またはこれらの複合酸化物なども粗大化したりして、撃値が大きく低下する。晶出が問題になる炭化物および炭窒化物は、主としてバナジウムのそれらであるから、以下の記述においては、それぞれ「VC」および「V(C,N)」をもって代表させる。
Cは、金型性能として重要な硬さ、耐摩耗性を確保するために必要な元素である。熱間工具鋼として十分な硬さ、耐摩耗性を確保するためには、0.3%以上のCの存在が必要である。0.5%を超えて過度に添加した場合は、焼入時に固溶しない炭化物が増加することが原因となって、衝撃値の低下を招く。
Siは、製鋼時に脱酸元素として必要であり、また、その含有量を高めると、被削性および焼戻し軟化抵抗性が向上するという利益もあるから、少なくとも0.05%のSiを添加する。ただし、添加量が多くなると靭性が低下するから、1.5%を上限とする。
Mnは焼入性および硬さの確保のために必要な成分であり、この目的で、添加量を0.3%以上とした。過剰に添加すると焼入れ性が高くなりすぎて、焼入れ時に残留γ相が多量に生成し、衝撃値が低下したり、焼きなまししても硬さが低下しなくなったりすることがあるため、その上限を2%とした。
Pは衝撃値を低下させるため、一般には低減することが好ましい元素であるが、不可避的に存在する。0.05%が許容限度であり、好ましくは0.015%以下である。
SはMnSを形成して衝撃値を低下させるため、やはり低減することが好ましいが、鋼中には不可避的に入ってくる。含有する場合も、0.015%以下に低減することが好ましい。
Crは炭化物および炭窒化物を形成して、基地を強化するとともに、耐摩耗性を向上させる。焼入性を確保するためにも、Crは必要である。このような効果を得るため、3%以上の添加が必要である。ただし、Cr含有量の増加は焼戻し軟化抵抗を弱めて、金型性能を低下させる。このため、Cr量の上限を6%とした。
MoもWも、炭化物および炭窒化物を形成して基地を強化し、耐摩耗性を向上させる。焼入性確保のためにも、必要な成分である。添加は、どちらか一方単独でもよいし、複合してもよい。MoとWとは同等の効果を有し、Wの原子量ははMoの約2倍であることから、よく知られているように、両者の添加量をMo当量(Mo+1/2W)で規定する。上記の効果を得るためには、Mo当量にして0.5%以上の添加が必要である。過剰に添加してもその効果は飽和し、経済的に不利となるため、上限値として3.5%を定めた。
Vは、焼戻し時に炭化物および炭窒化物を形成して析出することにより、基地の強化や耐摩耗性の向上に役立つ元素である。それに加えて、焼入れ加熱時には微細な炭化物および炭窒化物を形成することにより、結晶粒の粗大化を抑制して、衝撃値の低下を抑制する効果を有する。このような効果を得るためには0.5%以上のVを添加することが必要である。一方、上限の1.5%を超える過剰量を添加すると、再三述べたように、凝固時に炭化物や炭窒化物として粗大な晶出物を生成し、前述した(晶出炭化物・炭窒化物+酸化物系介在物)の存在密度に関する限定条件を満たすことができず、靭性を低下させる。
Alは製鋼時に脱酸元素として作用するほか、鋼中のNと結合し窒化物となって微細に分散し、焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を抑制するはたらきがある。このような効果を得るためには、少なくとも0.001%のAlの添加が必要である。多量に添加してもその効果が飽和するため、上限を0.025%とした。
Nは鋼中のAlやVと結合して窒化物を形成し、それが微細に分散することにより焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を抑制し、衝撃値低下を防止するのに効果のある元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上の添加が必要である。多量に加えてもその効果が飽和するので、0.025%の上限値以内の添加に止める。
Oは酸化物系介在物を形成し、衝撃値を低下させる。前述した(晶出炭化物・炭窒化物+酸化物系介在物)の存在密度の条件を満たして衝撃低の低下を抑制するためには、O含有量を0.0025%以下にする必要がある。
NiもCuも、焼入れ性を高めるとともに基地の強靭化にとって有効であり、必要に応じて添加することができる。過度に添加しても、効果が飽和するとともに経済的に不利となるため、それぞれの上限を2%と1%とした。
固溶強化により強度を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。過度に添加してもその効果が飽和し、経済的に不利になるため、上限値5%を設けた。
これらの成分はいずれも、TiC,ZrCおよびNbCのような炭化物、ならびに、Ti(C,N),Zr(C,N)およびNb(C,N)のような炭窒化物、さらにはそれらの複合炭化物ないし炭窒化物を形成して微細に析出し、焼入れ加熱時の結晶粒粗大化を防止する。したがって、結晶粒を微細化して靭性を確保するという効果を高く得たい場合には、添加するとよい。ただし、過剰に添加すると凝固時に粗大な炭化物や炭窒化物として晶出し、前記した(晶出炭化物・炭窒化物+酸化物系介在物)の存在密度の限定条件を守ることができなくなり、かえって衝撃値を低下させるため、その上限をそれぞれ0.2%とした。2成分以上を複合して添加する場合には、合計量が0.5%を超えないようにすることが好ましい。
0≦{2×10-14×exp(0.019×T)×t0.54}−{117×exp(−35×v)}
・・・(1)
1−11鋼:V含有量が多すぎる。
1−12鋼:O含有量が多すぎる。
1−13鋼:Ti含有量が多すぎる。
1−14鋼:Zr含有量が多すぎる。
1−15鋼:Nb含有量が多すぎる。
比較例2−11の条件:凝固時の平均冷却速度が遅かったので、高温で長時間炭化物の固溶化処理を施しても所定の炭化物・炭窒化物の分布を得ることができなかった。
比較例2−12の条件:固溶化処理の保持温度が低すぎたため、所定の炭化物・炭窒化物の分布を得ることができなかった。
比較例2−13,14の条件:固溶化処理の保持時間が短すぎたため、所定の炭化物・炭窒化物の分布を得ることができなかった。
Claims (6)
- 鋼中に晶出した炭化物および炭窒化物、ならびに酸化物系の介在物を合わせたものの存在密度が、鋼の断面積1mm2あたり、1)円相当径が50μmを超える大型のものは0.01個以下であり、かつ、2)円相当径が1〜50μmの小型のものは100個以下であることを特徴とする高靭性熱間工具鋼。
- 重量基準で、C:0.3〜0.5%、Si:0.05〜1.5%、Mn:0.3〜2%、Cr:3〜6%、Mo+0.5W:0.5〜3.5%、V:0.5〜1.5%、Al:0.001〜0.025%およびN:0.005〜0.025%を含有し、P:0.05%以下、S:0.015%以下、O:0.0025%以下であって、残部Feおよび不純物からなる合金組成を有する請求項1の高靭性熱間工具鋼。
- 請求項2に規定の合金成分に加えて、Ni:2%以下、Co:5%以下、Cu:1%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.2%以下およびNb:0.2%以下の1種または2種以上を含有する請求項1の高靭性熱間工具鋼。
- 請求項1〜3の高靭性熱間工具鋼を製造する方法であって、造塊に当たって、凝固時の固相線温度から液相線温度までの平均冷却速度が0.025℃/秒以上であり、造塊後に、鋼塊のまま、または分塊鍛造後、1240〜1360℃の温度範囲に加熱することにより、晶出した炭化物および炭窒化物の固溶化処理を施すことを特徴とする製造方法。
- 凝固時の固相線温度から液相線温度までの平均冷却速度v(℃/秒)と、晶出した炭化物および炭窒化物の固溶化処理の温度T(絶対温度K)および時間t(秒)との関係が、下式の条件を満たすように実施する請求項4の製造方法。
0≦{2×10-14×exp(0.019×T)×t0.54}−{117×exp(−35×v)} - ESRまたはVARによる二次溶解を行なって造塊する工程を含む請求項4または5の製造方法。
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