JP4984321B2 - Pre-hardened steel excellent in machinability and toughness and method for producing the same - Google Patents

Description

本発明は、極めて優れた被削性を有し、さらに靭性と硬さを兼ね備えた新しいプリハードンタイプの、主としてプラスチック成形に使用される金型用鋼およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a new pre-hardened type mold steel having mainly excellent machinability and having both toughness and hardness and mainly used for plastic molding and a method for producing the same.

主として、プラスチック成形用金型として使用されるプリハードン鋼は、金型等の製作期間の短縮と使用寿命の向上の観点から、被削性と同時に、強度、耐摩耗性に優れ適度の靭性が必要とされるものである。しかし、これらの要求特性は相反する性質であり、どの特性も十分に満足のいく鋼は得られているとは言えない。   Pre-hardened steel used mainly as a mold for plastic molding requires excellent strength and wear resistance as well as machinability, as well as appropriate toughness from the viewpoint of shortening the production period of molds and improving the service life. It is supposed to be. However, these required properties are contradictory properties, and it cannot be said that a steel satisfying all the properties has been obtained.

上記の要求に対しては、例えば、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｍｏ（Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金に対して、結晶粒度を粒度番号４〜６の範囲とすることによって被削性および靭性を兼ね備えるという提案がなされている（特許文献１を参照）。この鋼の組織は、主にＣを低く規定することによって均一な上部ベイナイト組織に調整されており、この上部ベイナイト組織により被削性を確保するものである。一方で、本願出願人は、主にＭｎ量を適正化し、均一な下部ベイナイト組織に調整することによって、被削性および靭性を兼ね備えた低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｍｏ（Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系合金を提案している（特許文献２を参照）。
特開平０５−０７０８８７号公報 特開平０７−２７８７３７号公報 For the above requirements, for example, for low C—Mn—Ni—Mo (W) —Cu—Al alloys, the machinability and toughness are adjusted by setting the grain size within the range of grain size numbers 4-6. Has been proposed (see Patent Document 1). The structure of this steel is adjusted to a uniform upper bainite structure mainly by prescribing C low, and the machinability is ensured by this upper bainite structure. On the other hand, the applicant of the present application mainly uses a low C—Mn—Ni—Mo (W) —high Cu— having both machinability and toughness by optimizing the amount of Mn and adjusting it to a uniform lower bainite structure. An Al-based alloy has been proposed (see Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 05-070887 JP 07-278737 A

上述した提案はそれぞれ、プラスチック成形用プリハードン鋼の性能向上に貢献する一つの手段を提供しているものである。しかし、特許文献１の上部ベイナイト組織は被削性には優れているものの、靭性が十分であるとは言えない。一方、特許文献２の下部ベイナイト組織は靭性には優れているものの、被削性が若干劣っており、やはり十分とは言えない。この通り、従来の金型用鋼材では、金型制作期間の短縮および使用寿命の向上の要求を十分満足することにおいては、特性の改善に余地のあるものであった。本発明の目的は、上述した要求に鑑み、金型の制作期間の短縮および使用寿命の向上を共に達成できることで、特にはプラスチック成形用金型に供して最適な、プリハードン鋼およびその製造方法を提供することである。   Each of the above proposals provides a means for contributing to the improvement of the performance of pre-hardened steel for plastic molding. However, although the upper bainite structure of Patent Document 1 is excellent in machinability, it cannot be said that the toughness is sufficient. On the other hand, although the lower bainite structure of Patent Document 2 is excellent in toughness, the machinability is slightly inferior, and it cannot be said that it is sufficient. As described above, the conventional steel for molds has room for improvement in characteristics in sufficiently satisfying the requirements for shortening the mold production period and improving the service life. An object of the present invention is to provide a pre-hardened steel and a method for manufacturing the same that are optimal for use in a plastic molding die, in particular, in view of the above-described requirements. Is to provide.

本発明者は、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金や、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系合金の組成および組織と被削性および靭性との関係を詳細に検討したところ、被削性を向上するために必須の組織と考えられていた上部ベイナイト組織や下部ベイナイト組織ではなく、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織に調製することによって、さらに被削性を向上させ、優れた被削性と靭性を兼ね備えたプリハードン鋼を見出した。   The inventor has found that the composition and structure of the low C—Mn—Ni— (Mo, W) —Cu—Al alloy and the low C—Mn—Ni— (Mo, W) —high Cu—Al alloy A detailed study of the relationship between machinability and toughness revealed that the upper bainite and lower bainite structures were mixed, rather than the upper bainite structure and lower bainite structure, which were considered essential for improving machinability. By doing so, the machinability was further improved, and a pre-hardened steel having both excellent machinability and toughness was found.

すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：２．０％以下、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．８％を含む工具鋼であり、組織が上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織であることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。 That is, the present invention is, by mass%, C: 0.05 to 0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5 to 2.0%, Ni: 2.5 to 3.5%, Cr: 2.0% or less, one or two of W and Mo (1/2 W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5 to 1.5%, Cu: 0.7 to 1.8 Is a pre-hardened steel excellent in machinability and toughness, characterized in that the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite.

好ましくは、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：０．３〜０．８％、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：１．２〜１．８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる組成を有し、組織が上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織であることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。   Preferably, in mass%, C: 0.05 to 0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5 to 2.0%, Ni: 2.5 to 3.5%, Cr: 0.3-0.8%, 1 type or 2 types of W and Mo (1/2 W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5-1.5%, Cu: 1.2-1. It is a prehardened steel excellent in machinability and toughness, characterized in that it has a composition consisting of 8%, the remainder Fe and inevitable impurities, and the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite.

また、本発明の他の発明は、上記鋼のいずれかを基本組成としてＦｅの一部をＳ：０．３％以下で置換し、組織を上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織としたことを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。   Further, another invention of the present invention is characterized in that any one of the above steels is used as a basic composition and part of Fe is replaced with S: 0.3% or less, and the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite. It is a pre-hardened steel excellent in machinability and toughness.

本発明の上記鋼に好ましくは、その上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、面積％にて、下部ベイナイトが２０〜８０％であることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。あるいはさらに、硬さが３４〜４５ＨＲＣであることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。   Preferably, in the steel according to the present invention, the mixed structure of the upper bainite and the lower bainite is a prehardened steel excellent in machinability and toughness, characterized in that the lower bainite is 20 to 80% in area%. is there. Alternatively, it is a prehardened steel excellent in machinability and toughness characterized by having a hardness of 34 to 45 HRC.

そして、本発明の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：２．０％以下、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．８％を含む工具鋼を、オーステナイト領域まで加熱した後、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合領域へ冷却する上部・下部混合ベイナイト生成熱処理を行うことを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼の製造方法である。Ｆｅの一部をＳ：０．３％以下で置換してもよい。上部・下部混合ベイナイト生成熱処理を行った後には、３４〜４５ＨＲＣの硬さに焼戻すことが望ましい。 And the manufacturing method of this invention is the mass%, C: 0.05-0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5-2.0%, Ni: 2.5-3 0.5%, Cr: 2.0% or less, one or two of W and Mo (1 / 2W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5 to 1.5%, Cu: 0.7 It is excellent in machinability and toughness, characterized by performing upper and lower mixed bainite heat treatment that heats the tool steel containing ~ 1.8 % to the austenite region and then cools it to the mixed region of upper bainite and lower bainite. This is a method for producing pre-hardened steel. A part of Fe may be substituted with S: 0.3% or less. It is desirable to temper to a hardness of 34 to 45 HRC after performing the upper / lower mixed bainite heat treatment.

本発明鋼は、従来のプリハードン鋼にはない高いレベルで、優れた被削性および靭性を兼備することを達成している。したがって、他の特性を大きく劣化させず、例えばプラスチック成形用の工具寿命の延長化が達成でき極めて有効である。また本発明鋼は靭性が高いため、金型などの加工に伴う熱応力によっても割れが発生しにくく、より精密な金型加工を行うのに特に適したものとなる。   The steel of the present invention achieves excellent machinability and toughness at a high level not found in conventional pre-hardened steel. Therefore, other characteristics are not greatly deteriorated, and, for example, extension of the tool life for plastic molding can be achieved, which is extremely effective. In addition, since the steel of the present invention has high toughness, it is less likely to crack due to thermal stress accompanying processing of a mold or the like, and is particularly suitable for performing more precise mold processing.

本発明の根幹をなす特徴の一つは、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系や低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系のプリハードン鋼において、組織を上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織としたことである。   One of the features that form the basis of the present invention is a low C—Mn—Ni— (Mo, W) —Cu—Al system and a low C—Mn—Ni— (Mo, W) —high Cu—Al system pre-hardened. In steel, the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite.

上述したように、従来の低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金や低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系をプリハードン鋼として使用する場合には、その被削性を確保するために、上部ベイナイト組織や下部ベイナイト組織の単相組織を狙って調製されていた。しかし、上部ベイナイト組織は、被削性の優れた組織ではあるが、反面靭性の低い組織であり、また、下部ベイナイト組織は、逆に靭性の優れた組織ではあるが、被削性が若干劣る組織であった。   As described above, a conventional low C—Mn—Ni— (Mo, W) —Cu—Al alloy or a low C—Mn—Ni— (Mo, W) —high Cu—Al system is used as the prehardened steel. In some cases, in order to ensure the machinability, it was prepared aiming at a single phase structure of an upper bainite structure or a lower bainite structure. However, although the upper bainite structure is a structure with excellent machinability, it is a structure with low toughness, and the lower bainite structure is a structure with excellent toughness, but the machinability is slightly inferior. It was an organization.

そこで、本発明者は、従来の上部ベイナイト組織や下部ベイナイト組織でなる単相組織を、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織に変えることによって、さらにはその最適な混合バランスに調整することによって、上部ベイナイト組織よりも優れた被削性を得ると共に、下部ベイナイト組織と同等の靭性を得ることができ、金型の製作期間の短縮と使用寿命の向上を共に達成できることを見出したものである。   Therefore, the present inventor changed the conventional single-phase structure composed of the upper bainite structure and the lower bainite structure to a mixed structure of the upper bainite and the lower bainite, and further adjusted to the optimum mixing balance, thereby changing the upper structure. It has been found that a machinability superior to that of a bainite structure can be obtained, and a toughness equivalent to that of a lower bainite structure can be obtained, so that both the shortening of the mold production period and the improvement of the service life can be achieved.

さらに、本発明で規定する上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、鋼組成を決めるだけで得られるものではなく、焼入れ時の冷却速度によっても大きく左右されるものである。しかしながら、本発明鋼は、特にＣｕ、Ｃｒの両元素量を最適化することによって十分調整されているため、狙いである上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を達成するための熱処理工程は、その管理は困難なものではない。例えば、オーステナイト領域まで加熱した後、熱処理歪の少ない空冷を行うことによっても、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得ることができる。さらに、熱間加工後の冷却速度が空冷以上の直接焼入れであっても、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得ることは可能である。   Furthermore, the mixed structure of the upper bainite and the lower bainite specified in the present invention is not only obtained by determining the steel composition, but also greatly depends on the cooling rate during quenching. However, since the steel of the present invention is sufficiently adjusted by optimizing the amounts of both Cu and Cr in particular, the heat treatment process for achieving the target mixed structure of upper bainite and lower bainite is controlled by the steel. Is not difficult. For example, a mixed structure of upper bainite and lower bainite can also be obtained by heating to the austenite region and then performing air cooling with less heat treatment strain. Furthermore, even if the cooling rate after hot working is direct quenching with air cooling or higher, it is possible to obtain a mixed structure of upper bainite and lower bainite.

なお一般的に、鋼組織におけるベイナイトとは、オーステナイトを冷却した時に生ずる変態生成物の一つであり、パーライト生成温度とマルテンサイト生成温度との中間の温度範囲で生ずるものを言う。そして、顕微鏡的には、パーライト変態温度近くで生じたものは羽毛状（塊状）、マルテンサイト生成温度近くで生じたものは針状を示し、前者を上部ベイナイト、後者を下部ベイナイトと言っている。本発明で規定する上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、具体的に示すと、例えば図１に示す組織（上部ベイナイト３０面積％、下部ベイナイト７０面積％）や、図２に示す組織（上部ベイナイト４０面積％、下部ベイナイト６０面積％）である。そして、比較のために、従来鋼の上部ベイナイト組織（図３）、および下部ベイナイト組織（図４）を示しておく。   In general, bainite in a steel structure is one of transformation products generated when austenite is cooled, and it is generated in a temperature range between the pearlite generation temperature and the martensite generation temperature. And microscopically, those occurring near the pearlite transformation temperature are feather-like (lumpy), those occurring near the martensite formation temperature are needle-like, and the former is called upper bainite and the latter is called lower bainite. . Specifically, the mixed structure of the upper bainite and the lower bainite specified in the present invention is, for example, the structure shown in FIG. 1 (upper bainite 30 area%, lower bainite 70 area%) or the structure shown in FIG. 2 (upper bainite). 40 area%, lower bainite 60 area%). For comparison, an upper bainite structure (FIG. 3) and a lower bainite structure (FIG. 4) of conventional steel are shown.

このような本発明鋼の上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、好ましくは、面積％（以下、単に％で表記）にて、下部ベイナイトが２０〜８０％であることを特徴としている。被削性に優れた上部ベイナイト組織に、異なった組織である下部ベイナイトを２０〜８０％混合し、切削時に適度に脆化させることによって、均一な上部ベイナイト組織よりも優れた被削性を得ることができる。しかし、下部ベイナイトが２０％未満であると靭性が不十分であり、８０％を超えると被削性が若干劣るため、２０〜８０％とした。なお、上部ベイナイトが主体であると靭性が若干劣るため、より好ましくは下部ベイナイトを６０％以上とする。一方で、より好ましい下部ベイナイトの上限は７０％である。   Such a mixed structure of the upper bainite and lower bainite of the steel of the present invention is preferably characterized in that the lower bainite is 20 to 80% in area% (hereinafter simply expressed as%). By mixing 20 to 80% of the lower bainite, which is a different structure, with the upper bainite structure having excellent machinability, and appropriately embrittlement during cutting, machinability superior to the uniform upper bainite structure is obtained. be able to. However, if the lower bainite is less than 20%, the toughness is insufficient, and if it exceeds 80%, the machinability is slightly inferior, so the content was set to 20-80%. In addition, since the toughness is slightly inferior when the upper bainite is mainly, the lower bainite is more preferably 60% or more. On the other hand, the upper limit of a more preferable lower bainite is 70%.

また、本発明鋼の望ましい組成の特徴は、Ｃｕ，Ｃｒ量の適正化により、適度にベイナイト組織を微細化させ、組織を望ましい上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織に調整できるところにある。つまり、硬さと被削性を兼備させた低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系や低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系のプリハードン鋼においては、焼入れの熱処理工程時に管理が比較的容易な冷却速度範囲でも、極めて優れた被削性と靭性を兼備させることができる。   Further, the desirable composition of the steel of the present invention is that the bainite structure can be appropriately refined by optimizing the amounts of Cu and Cr, and the structure can be adjusted to a desired mixed structure of upper bainite and lower bainite. In other words, low C—Mn—Ni— (Mo, W) —Cu—Al system and low C—Mn—Ni— (Mo, W) —high Cu—Al system pre-hardened steel having both hardness and machinability. Can provide both excellent machinability and toughness even in a cooling rate range that is relatively easy to manage during the heat treatment process of quenching.

以下、本発明で規定する鋼組成の規定理由について述べる。
Ｃは、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｍｏ（Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系や、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系のプリハードン鋼の焼入れ組織をベイナイト組織に保ち、かつ焼戻しにおけるＣｕ−Ｆｅ固溶体、Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物やＭｏ、Ｗ炭化物の析出に基づく析出硬化をもたらすための基質を与えるための基本的添加元素である。多すぎると基地をマルテンサイト組織化して被削性を減じ、また過度の炭化物を形成して被削性を低下させる。そのため本発明においては０．０５〜０．１７質量％に規定した（以下、単に％で表記）。好ましくは０．０８％以上とする。最も好ましくは０．１０％以上および／または０．１４％以下である。 Hereinafter, the reasons for defining the steel composition defined in the present invention will be described.
C keeps the quenching structure of low C—Mn—Ni—Mo (W) —Cu—Al and low C—Mn—Ni— (Mo, W) —high Cu—Al based hardened steel in a bainite structure. , And a basic additive element for providing a substrate for causing precipitation hardening based on precipitation of Cu—Fe solid solution, Ni—Al intermetallic compound, Mo, and W carbide in tempering. If the amount is too large, the base is martensite-organized to reduce machinability, and excessive carbide is formed to reduce machinability. Therefore, in the present invention, it is defined as 0.05 to 0.17% by mass (hereinafter simply expressed as%). Preferably it is 0.08% or more. Most preferably, it is 0.10% or more and / or 0.14% or less.

Ｓｉは、鋼製品として使用時の雰囲気に対する耐食性を高める元素である。多すぎるとフェライトの生成をまねき、また被削性を低下させるので０．６％以下とする。Ｓｉを低減すると異方性が低減され、また縞状偏析が低減され、優れた鏡面加工性が得られるため、好ましくは０．４％以下である。好ましい下限は０．１％である。   Si is an element that enhances the corrosion resistance to the atmosphere during use as a steel product. If the amount is too large, ferrite is generated and machinability is lowered. When Si is reduced, anisotropy is reduced, stripe segregation is reduced, and excellent mirror surface workability is obtained. Therefore, the Si content is preferably 0.4% or less. A preferred lower limit is 0.1%.

Ｍｎは、本発明の、靭性の高い混合組織、好ましくは下部ベイナイト組織を２０〜８０％含む基地とした混合組織のプリハードン鋼にとって、最も重要な元素のうちの一つである。Ｍｎは基本的には基地の靭性を高める元素であり、０．５％以上必要である。またＭｎはベイナイト焼入れ性を高め、本発明の望ましい組織の特徴である２０〜８０％の下部ベイナイト組織を得やすくする元素である。そのため好ましくは１．０％以上、さらに望ましくは１．２５％以上添加する。またＭｎはフェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し（時効）硬さを与えるという効果もある。しかしながら、Ｍｎは多すぎると靭性が高くなりすぎ、優れた被削性を保つことができなくなるため、２．０％以下に規定する。好ましくは１．６％以下である。   Mn is one of the most important elements for the prehardened steel of the present invention having a mixed structure with a high toughness, preferably a base structure containing 20 to 80% of the lower bainite structure. Mn is basically an element that increases the toughness of the matrix, and 0.5% or more is necessary. Further, Mn is an element that enhances the bainite hardenability and facilitates obtaining a lower bainite structure of 20 to 80%, which is a desirable structure characteristic of the present invention. Therefore, it is preferably added at 1.0% or more, more preferably 1.25% or more. Mn also has the effect of suppressing the formation of ferrite and imparting appropriate quenching and tempering (aging) hardness. However, if Mn is too much, the toughness becomes too high and excellent machinability cannot be maintained. Preferably it is 1.6% or less.

Ｎｉは、ベイナイト焼入性を高め、またフェライトの生成を抑制し、さらに焼戻し（時効）の際、Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物を析出させ、所要の硬さを得るとともに延性を適度に低下させ、被削性の向上を得るために添加される。多すぎるとベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト組織を過度に微細化させ、さらにマルテンサイト変態化に働き、また基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．５％以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので２．５％以上とする。好ましくは２．６％以上である。最も好ましくは２．８％以上および／または３．２％以下である。   Ni enhances the bainite hardenability, suppresses the formation of ferrite, further precipitates a Ni-Al intermetallic compound during tempering (aging), obtains the required hardness and moderately reduces ductility, Added to improve machinability. If the amount is too large, the bainite transformation temperature is lowered, the bainite structure is excessively refined, and further the martensitic transformation is performed, and the machinability is lowered by increasing the base viscosity, so the content is 3.5% or less. If it is too much, the effect of the above addition cannot be obtained, so 2.5% or more. Preferably it is 2.6% or more. Most preferably, it is 2.8% or more and / or 3.2% or less.

Ｃｒは、本発明の混合組織、さらにはその望ましい上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合比率を得るために最も重要な元素のうちの一つであり、焼入れの熱処理工程時における管理が比較的容易な冷却速度範囲であっても、適度にベイナイト組織を微細化させる効果がある。また、耐食性を高め、窒化する場合の硬さを高め、さらに研磨加工時あるいは製品保管時の発錆を抑制する効果もある。しかし、多すぎるとベイナイト組織を過度に微細化し、さらにマルテンサイト変態化にも働いて被削性を劣化するため、２．０％以下とする必要がある。好ましくは、１．０％以下であり、さらに好ましくは、０．３％以上および／または０．８％以下である。これは、特に被削性が要求されるプラスチック成形用の金型鋼として有効である。   Cr is one of the most important elements for obtaining the mixed structure of the present invention, and also its desirable mixing ratio of upper bainite and lower bainite, and is a cooling that is relatively easy to manage during the heat treatment process of quenching. Even within the speed range, there is an effect of appropriately miniaturizing the bainite structure. It also has the effect of enhancing corrosion resistance, increasing the hardness when nitriding, and suppressing rusting during polishing or product storage. However, if the amount is too large, the bainite structure is excessively refined, and further, the machinite transformation is performed and the machinability is deteriorated. Preferably, it is 1.0% or less, more preferably 0.3% or more and / or 0.8% or less. This is particularly effective as mold steel for plastic molding that requires machinability.

Ｗ、Ｍｏは、本発明鋼の焼戻し（時効）処理、特には５００℃を越える高温焼戻し（時効）処理において、微細炭化物を析出し、析出（時効）硬化をもたらし、また製品使用時の雰囲気に対する耐食性を高める作用を有する元素である。本発明の場合、多量の添加は必要なく、多すぎると被削性の低下をまねくので、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で０．７％以下とする。上記添加の効果を特に得ようとする場合には、好ましくは（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で０．１％以上とする。最も好ましくは０．２％以上および／または０．４％以下である。なお、上記の効果においてＷおよびＭｏは同等に扱えるものの、ＷはＭｏに比べて拡散速度が遅いことから、Ｗを多く添加した場合は熱間加工時や焼入れ時に未固溶炭化物が残留する可能性が高くなる。よって、この点においては、本発明はＭｏのみを採用することが好ましい。   W and Mo precipitate fine carbides in the tempering (aging) treatment of the steel of the present invention, particularly high-temperature tempering (aging) treatment exceeding 500 ° C., thereby causing precipitation (aging) hardening, and also against the atmosphere during product use. It is an element that has the effect of enhancing corrosion resistance. In the case of the present invention, it is not necessary to add a large amount, and if it is too much, machinability is lowered. Therefore, one or two of W and Mo are set to 0.7% or less in terms of (1 / 2W + Mo). When it is particularly desired to obtain the effect of the above addition, preferably (1/2 W + Mo) is made 0.1% or more. Most preferably, it is 0.2% or more and / or 0.4% or less. Although W and Mo can be treated equally in the above effects, W has a slower diffusion rate than Mo. Therefore, when a large amount of W is added, undissolved carbide may remain during hot working or quenching. Increases nature. Therefore, in this respect, the present invention preferably employs only Mo.

Ａｌは、焼戻し（時効）処理においてＮｉ−Ａｌ金属間化合物の微細析出による析出（時効）硬化をもたらし、本発明の優れた被削性を形成させる重要な元素の一つである。またＡｌは、所要硬さを得るための添加元素でもあり、窒化を行うとなればその時の窒化硬さを上昇させる効果をもたらすものである。多すぎるとアルミナ系介在物の生成量が増加し、鏡面仕上性を低下させ、また耐孔食性を低下させ、さらに延性の過度の低下をまねくので１．５％以下とし、低すぎると被削性が低下するため０．５％以上とする。好ましくは、特に２０〜８０％の下部ベイナイト組織としたときの被削性をより高めるため０．８％以上とする。最も好ましくは０．９５％以上および／または１．２％以下である。   Al is one of the important elements that brings about precipitation (aging) hardening by fine precipitation of Ni—Al intermetallic compounds in the tempering (aging) treatment and forms the excellent machinability of the present invention. Al is also an additive element for obtaining the required hardness. If nitriding is performed, the effect of increasing the nitriding hardness at that time is brought about. If the amount is too large, the amount of alumina inclusions increases, the specular finish is lowered, the pitting corrosion resistance is lowered, and the ductility is excessively lowered. The property is lowered, so 0.5% or more. Preferably, it is 0.8% or more in order to further improve the machinability particularly when the lower bainite structure is 20 to 80%. Most preferably, it is 0.95% or more and / or 1.2% or less.

Ｃｕは、上記Ｃｒと同様に、本発明の混合組織、さらにはその望ましい上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合比率を得るために最も重要な元素のうちの一つであり、焼入れの熱処理工程時における管理が比較的容易な冷却速度範囲であっても、適度にベイナイトを微細化させる効果がある。また、焼戻し（時効）処理において、Ｆｅ−Ｃｕ固溶体の微細析出による析出（時効）硬化をもたらし、本発明鋼の基本的な被削性を付与するための、また所要の硬さを得るための元素であり、さらに、優れた耐食性をもたらすものである。しかし、多すぎると熱間加工性を低下させ、またベイナイトを過度に微細化させ、さらにマルテンサイト変態化にも働いて、かえって被削性を低下させるので１．８％以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので０．７％以上とする。好ましくは１．２％以上である。 Cu, like Cr, is one of the most important elements for obtaining the mixed structure of the present invention, and the desirable mixing ratio of upper bainite and lower bainite, and is controlled during the heat treatment process of quenching. Even if it is a comparatively easy cooling rate range, there exists an effect which refines | miniaturizes a bainite moderately. Moreover, in the tempering (aging) treatment, precipitation (aging) hardening by fine precipitation of the Fe—Cu solid solution is brought about, and the basic machinability of the steel of the present invention is imparted and the required hardness is obtained. It is an element and also provides excellent corrosion resistance. However, if too much lowers the hot workability, also bainite excessively by refining, further work in the martensitic transformation of, rather then a 1.8% or less since lowering machinability, too low Since the effect of the addition cannot be obtained, the content is made 0.7% or more. Preferably on a 1.2% or.

また、本発明において特に被削性を高めるためには、０．３％以下のＳを添加してもよい。好ましくは０．００２％以上である。Ｓの添加は被削性の向上には極めて有効であるが、添加によって鏡面加工性が劣化するため、鏡面性が特に要求される場合は、その利用を０．００５％以下に低減することが望ましい。   In the present invention, in order to improve the machinability, 0.3% or less of S may be added. Preferably it is 0.002% or more. Although the addition of S is extremely effective for improving machinability, the mirror surface workability deteriorates due to the addition. Therefore, when the mirror surface property is particularly required, its use can be reduced to 0.005% or less. desirable.

その他、４Ａ、５Ａ族の元素であるＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆより選ばれる少なくとも１種の元素は、結晶粒を微細化し、靭性を高めるという点で同様の作用を有する元素である。多量の添加は、溶体化硬さおよび時効硬さを必要以上に高めて、被削性や靭性を低下することになるため、不純物として管理する時に加えて、添加する場合であっても、それぞれ０．５％以下にすることが望ましい。なお、Ｖにおいては、焼戻し軟化抵抗を高める効果もある反面、硬質のＶ炭化物が形成されると、これは特に鏡面加工性に悪影響を及ぼすことから、４Ａ、５Ａ族の元素の中では個別かつ特別に管理することが好ましい。鏡面加工性を重視すれば、Ｖは０．１％以下に規制することが望ましい。より望ましくは０．０３％未満、更には望ましくは０．０２％未満である。   In addition, at least one element selected from V, Nb, Ta, Ti, Zr, and Hf, which are Group 4A and 5A elements, is an element having the same function in terms of making crystal grains finer and improving toughness. is there. Addition of a large amount will increase the solution hardness and aging hardness more than necessary, and will reduce machinability and toughness. It is desirable to make it 0.5% or less. V has the effect of increasing the temper softening resistance. On the other hand, when a hard V carbide is formed, this particularly has an adverse effect on the specular workability. Special management is preferred. If mirror surface workability is important, it is desirable to regulate V to 0.1% or less. More desirably, it is less than 0.03%, and further desirably less than 0.02%.

ＢｅおよびＢから選ばれる少なくとも１種の元素は、大型の製品の場合における焼入れ性を改善する元素として同様の作用を有する元素である。これらの元素は、多量に添加しても効果は少なく、返って加工性を劣化させるため、不純物として管理する時に加え、添加する場合であっても、Ｂｅ：０．５％以下およびＢ：０．０１％以下とすることが望ましい。また、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅから選ばれる少なくとも１種の元素は、被削性を改善する元素として同様の作用を有する。しかし、これらの元素の多量の添加は靭性を劣化するため、やはり不純物として管理する時に加えては、添加する場合であっても、総量で０．５％以下とすることが好ましい。   At least one element selected from Be and B is an element having the same action as an element for improving the hardenability in the case of a large product. Even if these elements are added in a large amount, the effect is small and the workability is deteriorated. Therefore, even when added as an impurity, Be: 0.5% or less and B: 0 .01% or less is desirable. Further, at least one element selected from Pb, Bi, Se, and Te has the same function as an element that improves machinability. However, since addition of a large amount of these elements deteriorates toughness, it is preferable that the total amount be 0.5% or less even when added as an impurity.

本発明鋼は、例えば３４〜４５ＨＲＣの硬さのプリハードン状態で供給され、そのまま製品形状に加工、金型であれば型彫加工の後、研磨加工、さらに高度な鏡面仕上げやシボ加工等を施して使用されるものである。３４ＨＲＣ未満であると使用時（金型としての成形時）に摩耗等の損傷の問題が起こり、また、４５ＨＲＣを超えると被削性に悪影響を及ぼすため、望ましい硬さは３４〜４５ＨＲＣとした。   The steel of the present invention is supplied in a pre-hardened state with a hardness of 34 to 45 HRC, for example, and processed into a product shape as it is. If it is a die, it is engraved and then subjected to polishing, advanced mirror finishing and embossing, etc. Used. When it is less than 34 HRC, problems such as wear occur during use (during molding as a mold), and when it exceeds 45 HRC, the machinability is adversely affected. Therefore, the desired hardness is set to 34 to 45 HRC.

そして、本発明のプリハードン鋼に求められる靱性は、割れおよび折れを防止するために必要な特性である。そのための靱性値としては、ＪＩＳ−Ｚ−２２４２（２００５）の金属材料シャルピー衝撃試験方法に準じた２ｍｍＵノッチ試験片による衝撃値で、より具体的には後述の実施例の条件で評価して、望ましくは２４Ｊ／ｃｍ^２以上、さらに望ましくは２５Ｊ／ｃｍ^２以上である。本発明の優れた靱性は、鋼の成分組成を基本にした上でのベイナイト組織の制御により達成することができるが、望ましくは上記の硬さ値とのバランスをも考慮することが、優れた被削性との相互達成を可能にする。 And the toughness calculated | required by the prehardened steel of this invention is a characteristic required in order to prevent a crack and a bend. As a toughness value therefor, an impact value by a 2 mmU notch test piece according to the metal material Charpy impact test method of JIS-Z-2242 (2005), more specifically, evaluated under the conditions of the examples described later, Desirably, it is 24 J / cm ² or more, and more desirably 25 J / cm ² or more. The excellent toughness of the present invention can be achieved by controlling the bainite structure on the basis of the composition of steel, but it is preferable to consider the balance with the above hardness values. Enables mutual achievement with machinability.

プリハードン鋼の供給形態は、通常、既に所定の硬さに調質された中間素材が素材メーカより出荷され、その中間素材を加工メーカが必要寸法に切断および６面を切削加工仕上げし、更に必要に応じて研削加工仕上げして、それがエンドユーザである金型メーカに卸される流通経路である。そして、特に最近においては、エンドユーザ側での加工効率を高めるために、中間の加工メーカは、エンドユーザの求めに応じた予め高精度の仕上げ寸法に調整されたプリハードン鋼を「プレート」として供給する傾向にある。プレート形状で供給されるプリハードン鋼には、特に正面フライス加工性、すなわち正面フライス切削において切削チップの摩耗が少なく高効率な切削緒元で加工が出来て、なおかつその切削肌は平滑な面粗さが得られることが求められる。そこで、ベイナイト組織制御による本発明のプリハードン鋼であれば、特に正面フライス加工性に優れるので、このようなプレートに適用してこそ、最大の作用効果を発揮するものである。   As for the pre-hardened steel supply form, an intermediate material that has already been tempered to a predetermined hardness is usually shipped from the material manufacturer, the intermediate material is cut to the required dimensions by the processing manufacturer, and 6 sides are cut and finished. It is a distribution channel that is finished by grinding according to, and is wholesaled to the die maker who is the end user. And especially recently, in order to increase the processing efficiency on the end user side, intermediate processing manufacturers supply pre-hardened steel that has been adjusted to high-precision finish dimensions according to the end user's requirements as a “plate”. Tend to. Pre-hardened steel supplied in plate form is particularly face millable, that is, it can be machined with high cutting efficiency with less cutting tip wear in face milling, and the cut skin has a smooth surface roughness. Is required to be obtained. Therefore, the pre-hardened steel of the present invention by controlling the bainite structure is particularly excellent in face milling workability. Therefore, the maximum effect can be achieved by applying to such a plate.

表１に示す化学成分の残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる試料１を熱間圧延した後、８８０℃のオーステナイト領域まで加熱し、半冷５分、半冷１５分、半冷３０分、半冷７０分の冷却条件によりベイナイト生成熱処理（ベイナイト焼入れ）を施し、５００〜５５０℃の温度範囲で焼戻しを行い、硬さを３８〜４０ＨＲＣに調製した。組織は、上記冷却条件により、それぞれ下部ベイナイト組織、上部ベイナイト２０％と下部ベイナイト８０％の混合組織、上部ベイナイト４０％と下部ベイナイト６０％の混合組織、上部ベイナイト組織に調製されている。なお、半冷（時間）とは、焼入れ温度から、（焼入れ温度＋室温）／２の温度まで冷却するのに要する時間である。   After hot-rolling sample 1 consisting of the remainder of chemical components Fe and unavoidable impurities shown in Table 1, it was heated to an austenite region at 880 ° C., semi-cooled 5 minutes, semi-cooled 15 minutes, semi-cooled 30 minutes, semi-cooled A bainite generation heat treatment (bainite quenching) was performed under a cooling condition of 70 minutes, tempered in a temperature range of 500 to 550 ° C., and a hardness was adjusted to 38 to 40 HRC. Under the above cooling conditions, the structures are prepared as a lower bainite structure, a mixed structure of 20% upper bainite and 80% lower bainite, a mixed structure of 40% upper bainite and 60% lower bainite, and an upper bainite structure, respectively. Semi-cooled (time) is the time required for cooling from the quenching temperature to a temperature of (quenching temperature + room temperature) / 2.

被削性の評価は、Φ８０ｍｍのフェースミル加工を実施した。すなわち、サーメット製の切削チップを用い、切削速度が１１６ｍ／ｍｉｎ、送りが０．０９ｍｍ／刃、切り込みが１ｍｍの加工条件において、工具摩耗量を測定し、０．２ｍｍの摩耗が進行するまでの切削距離として評価した。   The machinability was evaluated by face milling with a diameter of 80 mm. That is, using a cermet cutting tip, the amount of tool wear was measured under a cutting condition of a cutting speed of 116 m / min, a feed of 0.09 mm / blade, and a cutting depth of 1 mm until the wear of 0.2 mm progressed. The cutting distance was evaluated.

靭性の評価は、ＪＩＳ−Ｚ−２２４２（２００５）にある金属材料シャルピー衝撃試験方法に準じて、２ｍｍＵノッチ試験片を用いてシャルピー試験を実施し、室温でのシャルピー衝撃値を測定した。試験片は、その長さが試料の圧延方向（Ｌ方向）となる位置で３本を採取し、これら各試験片の結果値を平均したものを衝撃値として評価した。以上の結果を表２に示す。   Evaluation of toughness was carried out by conducting a Charpy test using a 2 mm U notch test piece in accordance with the metal material Charpy impact test method in JIS-Z-2242 (2005), and measuring the Charpy impact value at room temperature. Three test pieces were sampled at a position where the length was in the rolling direction (L direction) of the sample, and an average of the result values of each test piece was evaluated as an impact value. The results are shown in Table 2.

表２に示すように、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織に調製した本発明鋼は、上部ベイナイト組織や下部ベイナイト組織の単相組織に調製した比較鋼に比べて被削性が大幅に優れることが分かる。さらに、上部ベイナイト４０％と下部ベイナイト６０％の混合組織においては、より大幅に優れることが分かる。また、靭性についても、下部ベイナイト組織１００％よりは若干劣るものの、上部ベイナイト組織１００％よりは明らかに優れていることが分かる。   As shown in Table 2, the steel of the present invention prepared in a mixed structure of upper bainite and lower bainite has significantly better machinability than a comparative steel prepared in a single-phase structure of the upper bainite structure or the lower bainite structure. I understand. Furthermore, it can be seen that the mixed structure of 40% upper bainite and 60% lower bainite is much more excellent. In addition, the toughness is slightly inferior to the lower bainite structure 100%, but is clearly superior to the upper bainite structure 100%.

表３に示す化学成分の残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる試料２〜６を熱間圧延した後、８８０℃のオーステナイト領域まで加熱後、空冷を行い、５００〜５９０℃の温度範囲で焼戻しを行った供試材を用い、被削性および靭性の評価を行った。ただし、試料２〜５の空冷は半冷３０分、試料６の空冷は半冷１０分の冷却条件に相当する。   After hot-rolling samples 2 to 6 consisting of the remainder of the chemical components shown in Table 3 and unavoidable impurities and heating to the austenite region at 880 ° C., air cooling is performed, and tempering is performed at a temperature range of 500 to 590 ° C. The machinability and toughness were evaluated using the test materials. However, the air cooling of samples 2 to 5 corresponds to a cooling condition of half cooling 30 minutes, and the cooling of sample 6 corresponds to a cooling condition of half cooling 10 minutes.

被削性の評価は、ドリル加工、Φ１２５ｍｍの正面フライス加工を実施した。ドリル加工の評価は、高速度鋼製のΦ２ｍｍドリルで、切削速度が１５ｍ／ｍｉｎ、送り速度が１２０ｍｍ／ｍｉｎ、加工深さが２０ｍｍの加工条件において、５０個の孔を加工した後での、工具摩耗量を測定した。正面フライス加工の評価は、サーメット製の切削チップを用い、切削速度が１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１３ｍｍ／刃、切りこみが２（深さ）×１００（幅）ｍｍ、切刃数が１枚の加工条件において、４９．７分間切削した時の工具摩耗量を測定した。靭性の評価は実施例１と同様に行った。以上の結果を表４に示す。   The machinability was evaluated by drilling and face milling with a diameter of 125 mm. Evaluation of drilling was performed after machining 50 holes with a Φ2 mm drill made of high-speed steel under a machining condition of a cutting speed of 15 m / min, a feed rate of 120 mm / min, and a machining depth of 20 mm. The amount of tool wear was measured. The face milling was evaluated using a cermet cutting tip with a cutting speed of 150 m / min, a feed rate of 0.13 mm / tooth, a notch of 2 (depth) x 100 (width) mm, and a number of cutting edges of 1. The amount of tool wear when cutting for 49.7 minutes under the processing conditions of the sheet was measured. The toughness was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4.

表４より、試料２〜５のどの組成においても、本発明である、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織（下部ベイナイトが２０％〜８０％）に調製することで、優れた被削性と靭性を兼備できることが分かる（試料２については、Ｃｕが１％と若干少ないため、靭性が低くなっているが、実施例１より、上部ベイナイト組織１００％よりは、明らかに優れている）。また、試料６においては、若干マルテンサイトになっている組織であり、靭性は優れているが、被削性は若干劣ることが分かる。   From Table 4, in any composition of Samples 2 to 5, excellent machinability and toughness are prepared by preparing a mixed structure of upper bainite and lower bainite (lower bainite is 20% to 80%), which is the present invention. (The sample 2 has a slightly low Cu content of 1%, so the toughness is low, but it is clearly superior to the upper bainite structure of 100% from Example 1). Sample 6 has a slightly martensite structure and is excellent in toughness but slightly inferior in machinability.

表５に示す化学成分の残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる試料７〜９を熱間圧延した後、８８０℃のオーステナイト領域まで加熱し、半冷４０分相当の空冷で冷却し、５３０〜５９０℃の温度範囲で焼戻しを行い、硬さを３６〜３８ＨＲＣに調製した。組織は、上記冷却条件により、上部ベイナイト３０％と下部ベイナイト７０％の混合組織に調製されている。   After hot-rolling samples 7 to 9 consisting of the remainder of chemical components Fe and unavoidable impurities shown in Table 5, it was heated to an austenite region of 880 ° C., cooled by air cooling corresponding to a semi-cooling of 40 minutes, and 530 to 590 ° C. Was tempered at a temperature range of 36 to 38 HRC. The structure is prepared in a mixed structure of 30% upper bainite and 70% lower bainite under the above cooling conditions.

被削性の評価は、Φ１６０ｍｍの正面フライス加工を実施した。すなわち、サーメット製の切削チップを用い、切削速度が１１５ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１２ｍｍ／刃、切り込みが２（厚み）×９０（幅）ｍｍ、切刃数が１枚の加工条件において、６０分間切削した時の工具摩耗量を測定したものである。結果を表６に示す。   Machinability was evaluated by face milling with a diameter of 160 mm. That is, using a cutting tip made of cermet, the cutting speed is 115 m / min, the feed speed is 0.12 mm / blade, the cutting is 2 (thickness) × 90 (width) mm, and the number of cutting edges is one, The amount of tool wear when cutting for 60 minutes was measured. The results are shown in Table 6.

表６より、Ｓを添加していない試料７と微量添加している試料８，９を比較すると、Ｓは微量でも被削性を向上させるのに有効であることが分かる。Ｓは組織におけるＭｎＳの形成等により鏡面性に悪影響を及ぼすため、鏡面性を重視する場合は、微量添加が好ましい。   From Table 6, it can be seen that comparing sample 7 to which S is not added and samples 8 and 9 to which trace amounts are added, S is effective in improving the machinability even with a small amount. Since S adversely affects the specularity due to the formation of MnS or the like in the tissue, addition of a small amount is preferable when emphasizing the specularity.

被削性および靭性に優れた本発明のプリハードン鋼は、例えばプラスチック成形に使用される金型用鋼に最適である他には、射出成形機スクリュー等硬さが必要で切削性も重視される機械部品等にも適用が可能である。   The pre-hardened steel of the present invention, which is excellent in machinability and toughness, is optimal for, for example, mold steel used in plastic molding. It can also be applied to machine parts.

本発明の金属ミクロ組織（×４００倍）の一例を示す写真である。It is a photograph which shows an example of the metal microstructure (* 400 times) of this invention. 本発明の金属ミクロ組織（×４００倍）の一例を示す写真である。It is a photograph which shows an example of the metal microstructure (* 400 times) of this invention. 比較例の金属ミクロ組織（×４００倍）の一例を示す写真である。It is a photograph which shows an example of the metal microstructure (* 400 times) of a comparative example. 比較例の金属ミクロ組織（×４００倍）の一例を示す写真である。It is a photograph which shows an example of the metal microstructure (* 400 times) of a comparative example.

Claims (8)

質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：２．０％以下、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．８％を含む工具鋼であり、組織が上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織であることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。 In mass%, C: 0.05 to 0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5 to 2.0%, Ni: 2.5 to 3.5%, Cr: 2.0 %, 1 or 2 of W and Mo (1/2 W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5 to 1.5%, Cu: 0.7 to 1.8 % Pre-hardened steel with excellent machinability and toughness, characterized in that the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：０．３〜０．８％、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：１．２〜１．８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる組成を有し、組織が上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織であることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。 In mass%, C: 0.05 to 0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5 to 2.0%, Ni: 2.5 to 3.5%, Cr: 0.3 -0.8%, one or two of W and Mo (1/2 W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5-1.5%, Cu: 1.2-1.8%, A pre-hardened steel excellent in machinability and toughness, characterized in that it has a composition comprising the balance Fe and inevitable impurities, and the structure is a mixed structure of upper bainite and lower bainite. 質量％で、Ｆｅの一部を、Ｓ：０．３％以下で置換したことを特徴とする請求項１または２に記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。 The pre-hardened steel excellent in machinability and toughness according to claim 1 or 2, wherein a part of Fe is substituted by S: 0.3% or less in mass%. 上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、面積％にて、下部ベイナイトが２０〜８０％であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。 The pre-hardened steel excellent in machinability and toughness according to any one of claims 1 to 3, wherein the mixed structure of the upper bainite and the lower bainite is 20% to 80% of the lower bainite in area%. . 硬さが３４〜４５ＨＲＣであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。 The prehardened steel excellent in machinability and toughness according to any one of claims 1 to 4, wherein the hardness is 34 to 45 HRC. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：２．０％以下、ＷおよびＭｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．７％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．８％を含む工具鋼を、オーステナイト領域まで加熱した後、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合領域へ冷却する上部・下部混合ベイナイト生成熱処理を行うことを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼の製造方法。 In mass%, C: 0.05 to 0.17%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.5 to 2.0%, Ni: 2.5 to 3.5%, Cr: 2.0 %, 1 or 2 of W and Mo (1/2 W + Mo): 0.7% or less, Al: 0.5 to 1.5%, Cu: 0.7 to 1.8 % A pre-hardened steel having excellent machinability and toughness, characterized in that after the steel is heated to the austenite region, the upper and lower mixed bainite forming heat treatment is performed to cool to the mixed region of upper bainite and lower bainite. 質量％で、Ｆｅの一部を、Ｓ：０．３％以下で置換したことを特徴とする請求項６に記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼の製造方法。 The method for producing pre-hardened steel excellent in machinability and toughness according to claim 6, wherein a part of Fe is replaced by S: 0.3% or less by mass%. 上部・下部混合ベイナイト生成熱処理を行った後、３４〜４５ＨＲＣの硬さに焼戻すことを特徴とする請求項６または７に記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼の製造方法。 The method for producing pre-hardened steel excellent in machinability and toughness according to claim 6 or 7, wherein the upper and lower mixed bainite generation heat treatment is performed, and then tempered to a hardness of 34 to 45 HRC.