JP3252969B2

JP3252969B2 - 熱間工具鋼

Info

Publication number: JP3252969B2
Application number: JP22279891A
Authority: JP
Inventors: 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 2002-02-04
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JPH0559487A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度が特に優れ、
かつ十分な焼入性、靭性を備えていることを特徴とする
熱間工具鋼に関するものである。さらに詳しくは、近年
の金型の使用上の傾向として、アルミダイカスト技術に
おいて鋳造合金の溶湯温度の上昇または層流充填および
充填後の溶湯の加圧による型表層部の温度上昇の苛酷化
や、熱間鍛造技術において寸法精度向上のため、金型の
薄肉化による型薄肉部の温度上昇の苛酷化、あるいは多
段式高速熱間鍛造機のような成形速度の上昇にともなう
型の強水冷など、金型の作業環境のうち、特に型表層部
の温度上昇が従来より著しく高く、さらに熱応力が過大
となるような用途に用いられ、高温域の強度が優れ、型
の軟化に伴うヒートクラックの生成、成長が進みにくい
金型として使用される熱間加工用工具鋼に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、アルミダイカスト型の分野では、
耐摩耗部品の製造のために、含有Ｓi量の高いアルミ合
金の適用が一部で行なわれている。この場合、高Ｓiア
ルミ合金の適用が一部で行なわれている。この場合、高
Ｓiアルミ合金の融点が高いため、従来よりも50℃から1
00℃程度溶湯温度を高くして成形を行なうため、型表層
部の昇温温度が高くなっている。また、高強度部品の製
造のために、ダイカスト後熱処理を行なうダイカスト製
品の成形が行なわれてきており、この場合、熱処理を行
なうため、ダイカスト鋳物の健全性、すなわち鋳造欠陥
のないことを確保するために、金型キャビティ内に溶湯
を層流充填し、さらに溶湯に機械的加圧を行なうダイカ
ストマシンの適用が進んだ。この場合、溶湯と金型表面
の接触時間が従来より長く、かつ金型に機械的な応力が
重畳され、型表層部の昇温温度が高いだけでなく、過大
な熱応力が作用する。

【０００３】一方、熱間鍛造の分野では、製品の寸法精
度の向上のため、金型形状が薄肉化し薄肉部の温度上昇
は従来に比べ著しく高くなり、さらに多段式高速熱間鍛
造機のように、成形サイクルが速いので、金型を強水冷
する場合には、型表層部に負荷される熱サイクルが過大
となってきた。これらの分野は従来はＪＩＳ鋼のＳＫＤ
６１，ＳＫＤ７およびＳＫＤ８やこれ等を改善した種々
の提案がなされ、一定の効果が得られているものの、未
だ型寿命を十分満たしたものではなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これら熱間加工技術の
高度化に対応する型材の高性能化は高温強度と靭性の向
上が必要である。ＪＩＳ鋼の問題点の改善について、特
開昭５４−６８０７号（特公昭５６−５４３７９号）、
特開昭５４−５０４２１号、特開昭５５−２４９３１号
（特公昭６１−５４８６４号）、特開昭５５−１６４０
５９号（特公昭５７−１９７４３号）、特開昭６２−１
１２７６１号、特開昭６２−１４９８５２号、および特
開平２−４３３４６号公報に開示されており、さらには
本願と同一の出願人による特願平３−９９４２９号も提
案されている。上記の金型材料を適用した上記用途の廃
却金型を破壊調査した結果、共通して観察された現象
は、型表層部の比較的深い範囲例えば3mm前後までは型
材の軟化が局部的に生じており、この部分ではヒートク
ラックの発生と進展や、型表層部の塑性流動が起こって
いるということであった。

【０００５】さらに、型寿命向上のために、窒化処理し
て用いられた金型では、型材によっては使用中に窒化層
が拡散して窒化深さが深くなり、窒化層と母材の境界か
ら、剥離が生じやすくなり、型面の損傷が進みやすく、
窒化処理による型寿命の向上効果が、十分でないことも
判明した。本発明の目的は、特に高い温度域での強度が
優れ、かつ比較的大寸法の金型に適用しても大割れの問
題がなく、十分な焼入れ性、靭性を備え、かつ窒化処理
による型寿命向上の効果を得るための十分な窒化性を備
えた型材を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明鋼は、高温強度を
付与する焼もどし時に析出する特殊炭化物の種類と量に
与えるＣr，Ｗ，Ｍo量とＶ量のバランスが重要であるこ
とに着目し、高温強度、靭性の両面から化学組成の最適
化を図ったものである。特に、Ｃr量の設定は、高温強
度と焼入性のバランス、さらには窒化性の面から重要で
あることを見出した結果によるものである。さらに、熱
間での耐摩耗性付与のためにＣoを添加し、使用時の昇
温により型表面に緻密で固着性の大きい酸化皮膜を形成
させ、これによる潤滑作用および断熱効果により、型表
層部でのヒートクラックの生成と成長に対する抵抗性を
大幅に改善したものである。

【０００７】すなわち本発明は、熱間加工されてなる熱
間工具鋼であって、重量％でＣ 0.36〜0.45%、Ｓi 0.
5%以下、Ｍn 1.0%以下、Ｎi 0.1〜1.0%、Ｃr 4.0%を
越え4.35%未満、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍo
で1.9〜3.5%、Ｖ 0.5〜1.6%、および場合によってはＣ
o 0.5〜5.0%を含有し、残部Ｆeおよび不可避的不純物
からなり、不純物であるＮを0.013%以下に規制したこと
を特徴とする熱間工具鋼である。

【０００８】

【作用】次に本発明鋼の成分範囲の限定理由について述
べる。Ｃは、本発明鋼のすぐれた焼入性、焼もどし硬
さ、および高温硬さを維持し、またＷ、Ｍo、Ｖ、Ｎbお
よびＣrなどの炭化物形成元素と結合して炭化物を形成
し、結晶粒の微細化、耐摩耗性、焼もどし軟化抵抗、高
温硬さを与えるために添加するものである。多すぎると
過度の炭化物の析出をまねき靭性を低下させるので0.45
%以下とし、上記目的のために含有量を0.36%以上とす
る。

【０００９】Ｓiは、型材製造時の熱間加工または熱処
理の加熱温度域における耐酸化性付与のために添加する
が、0.5%以上の添加は焼入焼もどし時の靭性値を低下さ
せるので0.5%以下とする。Ｍnは、焼入性を向上させる
が、多すぎるとＡ₁変態点を過度に低下させ、焼なまし
硬さを過度に高くし、被切削性を低下させるので1.0%以
下とする。

【００１０】Ｎiは焼入性を向上させるために添加す
る。工具鋼の焼入れの場合、焼入冷却速度が、緩やかに
なると上部ベイナイトが生成し、焼入焼もどし時の靭性
値を低下させるが、Ｎiの添加により上部ベイナイトの
生成が抑えられる。この効果のため0.1%以上添加する
が、過度の添加は、高温強度を低下させるので1.0%以下
とする。

【００１１】Ｃrは、適正な添加量の設定により焼もど
し軟化抵抗および高温強度の向上、Ｃと結合して炭化物
を形成することによる耐摩耗性の向上、焼入性の向上お
よび窒化性向上の効果を有するものであり、本発明にお
いて最も成分の限定範囲の重要な元素である。Ｃrは、
添加量の増大とともに、高温強度の低下をまねくが、一
方でＮiと同様の作用を持ち、焼入冷却速度が遅い場合
の焼入焼もどし時の靭性値低下を抑える効果を持つ。さ
らに、窒化処理において、窒素との結合力が大きく、窒
化層の使用中の加熱による軟化と拡散を進みにくくさせ
る窒化性の向上効果を持つ。以上の３点から、最も適当
なＣrの範囲は、4.0%を越え4.35%未満であることを見出
した。詳しくは実施例の欄にも記述する。

【００１２】Ｗ，Ｍo量の設定は本発明鋼の用途に必要
とされる高温強度、軟化抵抗を保つ上で重要である。
Ｗ，Ｍo，Ｖは、時効処理時に微細な特殊炭化物を析出
して、軟化抵抗、高温強度を高める。ただし過度の添加
は過度の炭化物の析出をまねき靭性を低下させるので、
金型、工具の使用条件に応じた強度、高温強度に基づい
て、１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.9〜3.5%添加す
る。

【００１３】Ｖは、固溶しにくい炭化物を形成して耐摩
耗性および耐焼付性に対する抵抗を大きくし、大きな高
温耐力を与えるための重要な元素である。また、結晶粒
を微細化して靭性を向上させるとともに、Ａ₁変態点を
上げ、優れた高温耐力とあいまって、耐ヒートクラック
性を向上させる効果をもたらすものである。本発明鋼の
特徴である優れた靭性と高温強度の兼備のためにＶ量の
設定は非常に重要である。多すぎると巨大な炭化物を生
成し、熱間加工方向に沿う紐状炭化物の分布傾向を増大
させ、その方向に沿ったクラックの発生と進展を助長す
るため、3.50%以下とし、低すぎると型表面部の早期軟
化をまねくなど、上記添加の効果が得られないので1.90
%以上とする。

【００１４】Ｃoは、使用中の昇温時、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なくし、金型表面の温度上昇を防ぐ
とともに優れた耐摩耗性をもたらすものである。ただ
し、この酸化皮膜は厚くなりすぎると金型表面の肌あれ
をまねき逆効果となるが、Ｃoは酸化皮膜の形成速度や
厚みを抑える効果を持つ。本発明鋼のようにＳi量の少
ない鋼の場合酸化皮膜が厚くなり過ぎるため、Ｃoの添
加は、保護酸化皮膜特性の向上に特に有効である。Ｃo
は上記効果を付与するために添加するが、多すぎると靭
性を低下させるので5.00%以下とし、低すぎると上記添
加の効果が得られないので0.50%以上とする。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を実施例と図面に基づき詳細に
説明する。表１に高温引張試験、衝撃試験および窒化特
性試験に供した本発明鋼１〜９および比較鋼１１〜１８
の化学組成を示す。本発明鋼１〜９は比較鋼１１〜１８
との差を明確にするため、不純物として混入したＮを分
析して表示してある。表１において、比較鋼１１〜１８
はそれぞれ、前述した従来技術のうち、特開昭５５−２
４９３１号（特公昭６１−５４８６４号）、特開昭５５
−１６４０５９号（特公昭５７−１９７４３号）、特開
昭６２−１１２７６１号、特開昭６２−１４９８５２
号、および特開平２−４３３４６号公報に開示され、特
願平３−９９４２９号に提案した実施例のうちから吹製
したものである。

【００１６】図１には、表１の本発明鋼と比較鋼を1070
℃に加熱後、半冷時間 15minで焼入した後、HRC50の硬
さとなるように焼もどしを行なった場合の高温強度を各
試料の含有Ｃr量で整理して示す。高温強度は、700℃で
10分間試験片を加熱保持した後、直ちに引張試験を行な
って、引張強さで評価した。図１において白丸で示した
本発明鋼と×印で示した比較鋼は、すべて含有Ｖ量が0.
8〜0.95%の範囲にあるが、Ｃr量の増加とともに、高温
強度が低下する一定の傾向が認められる。黒丸で示した
Ｖ含有量が1%以上の本発明鋼は、破線で示した高温強度
とＣr量の関係より、高い高温強度レベルに位置してい
る。

【００１７】

【表１】

【００１８】図２は、表１に示した本発明鋼と比較鋼を
上述と同じ熱処理を行ない、シャルピー衝撃試験による
衝撃値を各試料の含有Ｃr量で整理して示したものであ
る。焼入冷却速度を半冷15minとした理由は、本発明鋼
が対象とする金型寸法は、丸棒の直径に換算して、100m
m以上となるため、一般の熱処理方法において、中心部
の冷却速度が、半冷時間が15min前後となるからであ
る。含有Ｃr量に対する衝撃値の挙動は、高温強度とは
逆の傾向にあり、Ｃr量の増加とともに、衝撃値が増大
する。黒丸で示したＶ含有量が1%以上の発明鋼は、破線
で示したＶ含有量が0.8〜0.95%の試料に比べると若干低
値である。比較鋼１１の衝撃値は他と比べて格段に低
い。これは、比較鋼１１のみＮiを含まないため、焼入
時の上部ベイナイトの生成が他試料に比べ進んだためで
ある。

【００１９】図３は、表１の本発明鋼と比較鋼を上述と
同じ熱処理を行なったのち、塩浴窒化 570℃×90minで
窒化処理を行ない、さらに700℃×20min、加熱保持後、
空冷してから、窒化深さを測定して試料のＣr量で整理
した結果である。この実験は、最近の熱間鍛造型では金
型の窒化処理の適用が普及したが、初期の窒化層が使用
中の型面の温度上昇により内部に拡散して深くなると、
窒化層内を進展したヒートクラックが合流し、窒化層と
基地との境界から剥離するため、所期の型寿命向上の効
果が得られないことがあるので窒化層が深くなり易い
と、クラックが深く進みやすく剥離が生じやすいため、
型面の昇温温度とサイクル数の積算と考えられる700℃
×20min前後の加熱条件で窒化層が深くなりにくいこと
が、型材の窒化特性として重要な要因であるために行な
った実験である。窒化処理直後の窒化層深さは、0.05〜
0.08mmであった。

【００２０】図３より、全ての試料が含有Ｃr量の影響
が大きいことがわかる。さらに4%以上のＣrを含有させ
ることにより、上記に説明した窒化特性向上の効果が大
きいこと、それ以上のＣrの添加は、窒化特性を向上さ
せる効果は持つが、その改善効果は、小さくなってしま
うことがわかり、窒化特性の向上については、Ｃr量は4
〜4.35%の範囲の含有Ｃr量で十分であることがわかる。
目的とする金型材料の満たす材料特性としては、高温強
度としては高温強度は、700℃引張強さが40kgf/mm²以
上、衝撃値は2kgf/cm²以上であり、窒化処理の適用で型
寿命向上効果の得られる窒化性を持つことであり、本発
明鋼は以上の３つの条件を満たしている。

【００２１】次に表２に上述と同様の熱処理を行なった
表１に示す本発明鋼と比較鋼１３，１４および１５のＬ
方向（鍛伸平行方向）とＴ方向（同直角方向）の衝撃値
を比較して示す。特開昭６２−１４９８５２号に回示さ
れた比較鋼１３〜１５は、組織微細化のためにＮが添加
されている。Ｌ方向の衝撃値は、本発明鋼と同等以上で
あるが、Ｔ方向の衝撃値が低めで、特にＶ含有量の大き
い比較鋼１５について、この傾向が顕著であった。

【００２２】

【表２】

【００２３】ＶとＮは、ＶとＣよりもさらに、結合しや
すい性質を持つが、凝固時に生成したＶＮがＶＣの凝固
核となるため、ＶＣを生成し易くして、これが鍛伸時に
紐状に鍛伸方向に整列し易くなるため、鍛伸方向へのク
ラックが進みやすくなる。型材のＶ量が本発明鋼のよう
に高めである場合、Ｎの添加は、上記の理由でＴ方向の
シャルピー試験が示すように鍛伸方向と平行にクラック
や割れが進む場合、クラックや割れを助長することがわ
かる。本発明鋼は、以上のことからＮを無添加としたの
である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明鋼は、高温
強度のレベルがＪＩＳＳＫＤ６１やＳＫＤ７等のＪＩＳ
鋼よりも高く、比較的大寸法の金型に適用しても十分な
靭性を付与する焼入性を有し、また窒化層の軟化や拡散
が小さいので、熱間加工用の金型に適用しても大割れや
ヒートクラック、金型表面の剥離等が生じないので、金
型の寿命を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】700℃引張強さで表わす高温強度に及ぼすＶ含
有量とＣr含有量の影響を示す図である。

【図２】シャルピー衝撃値に及ぼすＶ含有量とＣr含有
量の影響を示す図である。

【図３】570℃×90分の塩浴窒化を行なった後、700℃×
20分の拡散処理を施した窒化深さと、Ｃr含有量の関係
を示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間加工されてなる熱間工具鋼であっ
て、重量％でＣ 0.36〜0.45%、Ｓi 0.5%以下、Ｍn
1.0%以下、Ｎi 0.1〜1.0%、Ｃr 4.0%を越え4.35%未
満、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.9〜3.5
%、Ｖ 0.5〜1.6%を含有し、残部Ｆeおよび不可避的不
純物からなり、不純物であるＮを0.013%以下に規制した
ことを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項２】熱間加工されてなる熱間工具鋼であっ
て、重量％でＣ 0.36〜0.45%、Ｓi 0.5%以下、Ｍn
1.0%以下、Ｎi 0.1〜1.0%、Ｃr 4.0%を越え4.35%未
満、ＷとＭoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで1.9〜3.5
%、Ｖ 0.5〜1.6%、Ｃo 0.5〜5.0%を含有し、残部Ｆe
および不可避的不純物からなり、不純物であるＮを0.01
3%以下に規制したことを特徴とする熱間工具鋼。