JP3883788B2

JP3883788B2 - 靱性および耐摩耗性に優れた金型用冷間工具鋼

Info

Publication number: JP3883788B2
Application number: JP2000195566A
Authority: JP
Inventors: 敬介清水; 大円横井; 信博辻井
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP2002012952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型寿命に優れた金型用冷間工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷間加工用工具には、ＪＩＳ−ＳＫＤ１１が広く使用されている。しかし、近年、塑性加工技術の進歩や被加工材の高強度化にともない、使用される冷間加工用工具への負荷応力が大きくなっている。そのため、ＪＩＳ−ＳＫＤ１１では硬度や靱性の不足により、対応できない場合が多くなっている。一方で、ＳＫＤ１１を改良した種々の冷間工具鋼が提案されており、最近では、炭化物の量、サイズを規定した冷間工具鋼も提案され、型寿命の向上が図られて、例えば特開平１−２０１４４２号公報、特開平２−２４７３５７号公報、特開平５−１５６４０７号公報、特開昭５９−１７９７６２号公報、および特開平１１−３１０８２０号公報の発明が提案されている。
【０００３】
この特開平１−２０１４４２号公報は、重量％で、Ｃ：０．９０〜１．３５％、Ｓｉ：０．７０〜１．４０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓ：０．００４％以下、Ｃｒ：８．０〜１０．０、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋Ｗ／２で１．５〜２．５％、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋Ｎｂ／２で０．１５〜２．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、さらに焼入れ焼もどし組織において、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物の面積率を２％以上９％以下、ＭＣ炭化物の面積率を２．５％以下とした転造ダイス用鋼にある。確かに、この発明には、炭化物についての面積率、および粒径を規制しているが、しかし、主に靱性の向上、炭化物の連鎖状分布を経路とした亀裂伝播の抑制を目的としたものである。これに対し、本発明は金型寿命のばらつき、極度な低寿命をもたらす因子である炭化物の凝集に着目し、炭化物凝集サイズを規定することにより、金型寿命のばらつき、および極度な低寿命金型を低減し、金型の平均寿命の向上をはかると言うものである。
【０００４】
また、特開平２−２４７３５７号公報は、上述の特開平１−２０１４４２号公報に、さらに、不純物であるＡｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｂ，Ｐｂ，Ｂｉの合計量が０．１３％以下からなる転造ダイス用鋼にある。さらに、特開平５−１５６４０７号公報は、焼入焼もどし組織において、粒径２μｍ以上のＭＣ型残留炭化物とＭ₆Ｃ型残留炭化物の１種または２種の合計の面積率が３％以下、粒径２μｍ以上のＭ₇Ｃ₃型残留炭化物の面積率が１％以下と規制したものである。いずれも、特開平１−２０１４４２号公報と同様に、主に靱性の向上、炭化物の連鎖状分布を経路とした亀裂伝播の抑制を目的としたものである。これに対し、本発明は、前述のように、炭化物の凝集に着目し、炭化物凝集サイズを規定することにより、金型寿命のばらつき、および極度な低寿命金型を低減し、金型の平均寿命の向上をはかると言うものである。
【０００５】
さらに、特開昭５９−１７９７６２号公報は、Ｃ：０．７５〜１．７５％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：５．０〜１１．０％、Ｍｏ：１．３〜５．０％、Ｖ：０．１〜５．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、４５０℃以上の温度で焼もどしされてなる冷間工具鋼であり、また、特開平５−１５６４０７号公報は、主に靱性の向上、炭化物の連鎖状分布を経路とした亀裂伝播の抑制を目的としたものである。これに対し、本発明は前述同様に、炭化物の凝集に着目し、炭化物凝集サイズを規定することにより、金型寿命のばらつき、および極度な低寿命金型を低減し、金型の平均寿命の向上をはかることにある。また、特開平１１−３１０８２０号公報は残留オーステナイト組織の経年変化を示したもので、本発明の目的とは全く異なるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術は、靱性また強度の点から炭化物サイズを規制したものである。この理由は、一次炭化物の欠落による微少欠損を生じたり、クラックの進展経路となることを防ぐためである。これに対し、近年の塑性加工技術の進歩や被加工材の高強度化に伴い、工具の耐摩耗性向上を目的に、さらに耐疲労性を兼ね供えた金型に適した工具鋼が必要とされることから、本発明は、最適な化学成分に限定し、炭化物、炭化物凝集サイズを規制した鋼材のマルテンサイト組織に体積％で５〜２０％の残留オーステナイト組織を残存させることにより、十分な疲労性を確保し、耐摩耗性が劣化しない程度の炭化物を含有した強度の優れた高寿命が得られる冷間工具鋼を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．６５〜１．３％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：５．０〜１３．０％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜５．０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜２．５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼の炭化物のサイズが５〜１５μｍとし、かつ炭化物凝集部（炭化物間距離のｂ／ａ≦０．５の部分）の凝集サイズが１００μｍ以下であり、該鋼のマルテンサイト組織に体積％で５〜２０％の残留オーステナイト組織を残留させたことを特徴とする靱性および耐摩耗性に優れた金型用冷間工具鋼。
ただし、ａ：個々の炭化物の重心間距離
ｂ：最短炭化物間距離
（２）前記（１）記載の鋼に、Ｓ：０．０１〜０．１０％添加することを特徴とする靱性および耐摩耗性に優れた金型用冷間工具鋼にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明鋼の各化学成分の作用およびその限定理由を説明する。
Ｃ：０．６５〜１．３％
Ｃは、焼入焼戻により、十分なマトリックス硬さを与えると共に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂなどと結合して炭化物を形成し、硬さおよび耐摩耗性を与える元素である。しかし、添加量が多過ぎると、凝固時に粗大炭化物が過剰に析出し、靱性、耐疲労特性を劣化させることから、Ｃの上限を１．３％とした。一方、０．６５％未満では、十分な二次硬化硬さが得られないので、その下限を０．６５％としたが、強度と靱性の最適バランスを得るためには、０．７５〜０．９５％の範囲が望ましい。
【０００９】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加されると共に、耐酸化性および焼入性に有効な元素であると共に、焼戻過程において炭化物の凝集を抑え二次硬化を促進する元素である。しかし、２．０％を越えて添加すると、靱性を低下させるので、その上限を２．０％とした。
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加し鋼の清浄度を高めると共に焼入れ性を高める元素である。しかしながら、２．０％を越えて添加すると、熱間加工性を阻害するうえに靱性を劣化させるので、その上限を２．０％とした。
【００１０】
Ｃｒ：５．０〜１３．０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めると共に、焼戻軟化抵抗を高める有効な元素である。この効果を満足するためには、少なくとも５．０％以上必要である。従って、その下限を５．０％とした。一方、Ｃｒは、凝固時にＣと結合して巨大一次炭化物を形成し易く、過剰な添加は、靱性および耐疲労特性を劣化させるため、その上限を１３．０％、とした。好ましくは、７．５〜８．５％とした。
【００１１】
ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜５．０％、
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与する重要な元素であると共に、耐軟化抵抗性を改善する元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で表すことができる。本発明成分系においては、Ｍｏ当量で少なくとも０．５％以上が必要である。逆に、Ｍｏ当量の過剰添加は、靱性の低下を招くので、その上限を５．０％とした。好ましくは１．５〜３．５％とした。
【００１２】
ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜２．５％
Ｖ、Ｎｂは、共に微細な炭化物を形成し二次硬化に寄与し、耐軟化抵抗性を改善する重要な元素であると共に、結晶粒微細化し、耐摩耗性を向上させる元素である。ただし、その効果はＶの方がＮｂよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＮｂはＶの２倍必要である。この両元素の効果はＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で表すことができる。本発明成分系においては、高温焼戻し硬度を得るためには、Ｖ当量で少なくとも０．１％以上が必要である。過剰な添加は靱性を低下させ、硬質表面層との密着性を阻害するため、その上限を２．５％とした。
Ｓ：０．０１〜０．１０％
Ｓは快削性を確保するために必要な元素である。しかし、過剰な添加は靱性を低下させ、熱間加工性を劣化させるため、０．０１〜０．１０％とした。
【００１３】
また、マルテンサイト組織に、体積％で５〜２０％の残留オーステナイト組織を残留させたことにより、残留オーステナイトが炭化物の応力集中を抑制し、さらに亀裂発生を低減される。これらの相乗効果により金型寿命のばらつきや早期破損を改善し高寿命を可能とするものである。しかし、５％未満ではその効果が得られず、２０％を超える場合は硬さが低下するため、５〜２０％とした。
【００１４】
次に、金型用冷間工具鋼において、凝固時に晶出する共晶炭化物であるが、従来は靱性、または強度の点から炭化物のサイズを規定していたものである。その理由は、一次炭化物の欠落による微小欠損を生じたり、クラックの進展経路となることを防ぐために規制したものである。しかし、この点を詳しく究明した結果、本発明の最大の特徴は、特に冷間工具鋼としての金型ダイス等の工具寿命を左右する要因としての炭化物の亀裂発生および亀裂伝播を抑制する必要から、炭化物の凝集サイズを１００μｍ以下とすることにより、炭化物における亀裂発生および亀裂伝播が抑制される。
【００１５】
図１は炭化物凝集サイズ距離関係を示す図である。図１に示すように、炭化物の規定方法としては、測定面を引張−圧縮または引張−引張疲労破面とし、個々の炭化物の重心間距離をａ、最短炭化物間距離をｂとしたとき、ｂ／ａ≦０．５となる箇所を炭化物凝集部とした。また、炭化物凝集サイズは、画像処理装置により、個々の炭化物の面積の和から算出した円相当径とした。図１（ａ）および図１（ｂ）はｂ／ａ≦０．５の場合であり、、図１（ｃ）はｂ／ａ＞０．５の状態を示している。疲労特性に悪影響を及ぼすのは近接または隣接した炭化物の凝集部であり、面積的に同じであっても炭化物間距離が離れていれば、疲労に悪影響を及ぼさないものであることが判った。従って、炭化物間距離を表すｂ／ａによって定め、ｂ／ａ≦０．５であることを条件とした。
【００１６】
また、炭化物サイズが１５μｍを超えると引張圧縮疲労試験による破断繰返し数が著しく減少し、一方、大越式摩耗試験の結果によると、５μｍ未満で著しく耐摩耗性の減少が現れることが判った。その結果、金型寿命の大きな要因とする引張圧縮疲労と耐摩耗性から炭化物サイズを５〜１５μｍとした。このように、炭化物サイズ、および炭化物凝集サイズの規制により、耐摩耗性を保持しつつ、炭化物の欠落による微小欠陥や亀裂進展を抑制し靱性を改善する。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
表１に示す組成の鋼６００ｋｇを電気溶解炉にて溶製し、角５０ｍｍへ鍛伸後焼なましを行い供試材とした。各試験片は１０３０〜１０８０℃に３０分保持後、空冷し、１５０〜５８０℃で６０分保持後空冷処理を２回施した。また、被削性については、鍛伸後焼なまし後ＮＣフライス、φ１３エンドミル、軸方向１０ｍｍ×１．２ｍｍ切り込み、回転数１１００ｒｐｍ、切削速度３５ｍ／分、５ｍ加工後のエンドミル摩耗量を測定、比較鋼Ｈの摩耗量を１として表２に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
硬さ測定は、焼入焼戻後、常温、ロックウエルＣスケールで測定した。また、抗折試験は、焼入焼戻しを施した縦５×横９×長さ６０ｍｍの試験片を用い、抗折力、たわみ量測定した。さらに、大越式摩耗試験は、ＳＣＭ４２０（８６ＨＲＢ）を相手材とし、摩耗距離２００ｍ、最終荷重６２Ｎの条件下で試験を行った。試験結果は比較鋼Ｈの摩耗量を１００として表した。さらに、引張圧縮疲労試験は、焼入焼戻しを施した平行部：径５×１５の試験片を用い、油圧サーボ試験機にて試験を行った。試験条件は、応力振幅１５００ＭＰａ、応力比Ｒ＝−１、室温にて行った。また、実機での金型試験は、径５０×１００ｍｍの鍛造用金型を作製し、ＳＣＭ４２０を被加工材として試験を行った。金型の寿命要因は、鋼種Ａ〜Ｇは本発明であり、鋼種Ｈ〜Ｍは比較例でる。
【００２０】
その結果を表２に示す。表２に示すように、本発明鋼Ａ〜Ｇはいずれも残留オーステナイト量が５〜２０％の範囲内であり、炭化物凝集サイズが１００μｍ以下であり、その場合の硬さ（ＨＲＣ）は、いずれも５９ＨＲＣ以上の硬さを維持した上で、引張圧縮疲労強度、金型寿命延長を図ることが出来た。これに対し、比較例であるＨ〜Ｍは成分組成ないし残留オーステナイト量の範囲、炭化物凝集サイズ、炭化物サイズの条件が外れているために、引張圧縮疲労強度、金型寿命は本発明より劣ることが判る。
【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明鋼は、金型用冷間工具鋼としての残留オーステナイト量を規制すると共に炭化物凝集サイズおよび炭化物サイズを規定することにより、極めて優れた型寿命を確保することが可能となり、金型用工具鋼として従来のものに比べて経済的で極めて有利なものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭化物凝集サイズ距離関係を示す図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．６５〜１．３％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｃｒ：５．０〜１３．０％、
ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜５．０％、
ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜２．５％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼の炭化物のサイズが５〜１５μｍとし、かつ炭化物凝集部（炭化物間距離のｂ／ａ≦０．５の部分）の凝集サイズが１００μｍ以下であり、該鋼のマルテンサイト組織に体積％で５〜２０％の残留オーステナイト組織を残留させたことを特徴とする靱性および耐摩耗性に優れた金型用冷間工具鋼。
ただし、ａ：個々の炭化物の重心間距離
ｂ：最短炭化物間距離
請求項１記載の鋼に、Ｓ：０．０１〜０．１０％添加することを特徴とする靱性および耐摩耗性に優れた金型用冷間工具鋼。