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【発明の名称】 |
冷間工具鋼 |
| 【発明者】 |
【氏名】松田 幸紀 |
【課題】より高い靱性と耐摩耗性とを兼ね備えた冷間工具鋼を提供する。
【解決手段】本発明の冷間工具鋼は、重量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：１．０〜２．３％を含有し、かつ、ＶとＣｒに関しては、０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足せしめ、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：１．０〜２．３％を含有し、かつ、ＶとＣｒに関しては、０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足せしめ、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】 更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上またはＣａ：０．００１〜０．０３０％を含有する請求項１の冷間工具鋼。
【請求項３】 重量％で、Ｐ：０．０２０％以下、かつＳ：０．００３％以下に規制した請求項１の冷間工具鋼。
【請求項４】 更に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔａ：２．０％以下のいずれかを含有する請求項１の冷間工具鋼。
【請求項５】 更に、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．３％を含有し、かつ、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％のうちの１種以上を含有する請求項１の冷間工具鋼。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、靭性が優れ、また耐摩耗性に優れた冷間工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ１１をはじめとして高Ｃ高Ｃｒ系ダイス鋼は、耐摩耗性や靭性に優れた鋼種であって、冷間加工用の工具材料として汎用されている。このＳＫＤ１１は、まず、凝固時に、主にＣｒ系の硬質一次炭化物Ｍ7Ｃ3が多量に晶出し、これにより耐摩耗性が高められる。尚、ＭはＦｅ，Ｃｒ，Ｖなどの炭化物を形成する金属元素を表す。その後、１０００〜１０５０℃から焼入後、１５０〜２００℃で焼戻しすることにより、ＨＲＣ６０以上の高硬度が付与される。
【０００３】また、昨今は、Ｃｒ量を減らしたＣ−Ｃｒ系鋼も実用化されている。このＣ−Ｃｒ系鋼は、Ｃｒ量を減らすことによりＣｒ系の硬質一次炭化物Ｍ7Ｃ3を少なくし、靭性を向上させた鋼種である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の冷間加工においては、より高硬度の被加工材を加工したり、その加工量が増大するなどして、冷間加工の条件が過酷化している。そのため、冷間工具鋼に関しては、耐摩耗性と靭性とを高位水準で兼ね備えている鋼種が強く要望されている。
【０００５】前記ＳＫＤ１１の場合、得られた工具は高い耐摩耗性を有するものの、硬質炭化物が多く形成されているので靱性の点で充分ではないという問題がある。また、一般に鋳造材は凝固時の歪みが焼入後にも残存するため、焼戻しはできる限り高温で行うことが望ましいが、当該ＳＫＤ１１は高温焼戻しで硬さが低下してしまうという問題がある。
【０００６】また、前記Ｃ−Ｃｒ系鋼は、靭性には優れるが、硬質炭化物の晶出量が少ないので、耐摩耗性が不足するという問題がある。このように、ＳＫＤ１１あるいはＣ−Ｃｒ系鋼から成る工具の場合、耐摩耗性または靭性の一方の性能は優れているが、他方の性能が不足しているので、上記したような過酷な条件に充分対応できない場合がある。
【０００７】このため、冷間工具鋼に対しては、近年の冷間加工の条件の過酷化に充分対応できるように、強度、靭性および耐摩耗性を更に向上させることへの要求が強くなっている。本発明は、従来の冷間工具鋼における上記した性能を改善し、鋳造により冷間工具を製造した際に、より高い靱性と耐摩耗性とを兼ね備えた冷間工具を得ることができる冷間工具鋼の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、後述するような組成から成り、かつ、Ｖの含有量とＣｒの含有量とを適切なバランスに保持した鋼種は、その溶鋼の凝固時にＶ系の硬質一次炭化物を微細に晶出させることができ、靭性と耐摩耗性とをともに向上させることができるという事実を見出し、この知見に基づいて本発明の冷間工具鋼を開発するに至った。
【０００９】すなわち、本発明の冷間工具鋼は、重量％で、Ｃ：０．９０〜１．３０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ｍｏ：１．８〜４．０％、Ｖ：１．０〜２．３％を含有し、かつ、ＶとＣｒに関しては、０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足せしめ、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１０】また、本発明においては、前記した鋼種に、更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上またはＣａ：０．００１〜０．０３０％を含有せしめることにより、晶出するＶＣを一層微細化し、もって、より一層靭性に優れた冷間工具鋼が提供される。また、本発明においては、重量％で、Ｐ：０．０２０％以下、かつＳ：０．００３％以下に規制することにより、更に靭性に優れた冷間工具鋼が提供される。
【００１１】また、本発明の冷間工具鋼においては、更に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔａ：２．０％以下のいずれかを含有する構成にすることにより靭性向上効果が補填される。また、本発明においては、更に、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．３％を含有し、かつ、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％のうちの１種以上を含有する構成にすることにより、靭性の低下を引き起こすことなく、被削性が向上した冷間工具鋼が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の冷間工具鋼において、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどの炭化物形成元素と結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に資する元素である。その含有量は０．９０〜１．３０重量％に設定される。Ｃ含有量が０．９０重量％より少ない場合は、ＨＲＣ６０以上の焼戻し硬さを得ることができなくなるとともに、上記特性を得られず、また、１．３０重量％より多くなると過剰な炭化物の晶出、析出をまねくとともに、焼入残留オーステナイト量を増大させ、靭性を低下させてしまうからである。また、Ｃは、優れた焼入性、焼戻し硬さ、靭性を維持し、結晶粒の微細化硬化、耐摩耗性、焼戻し軟化抵抗の向上にも寄与する。
【００１３】Ｓｉは、高温焼戻し硬さの増大に有効な元素であり、その含有量は、０．５〜１．０重量％に設定される。Ｓｉ含有量が０．５重量％より少ない場合は、上記した効果が発揮されず、また、１．０重量％より多くなると、ＨＲＣ６０以上で高い靭性を得ることができなくなるからである。Ｍｎは、焼入性を向上させる元素であり、その含有量は、０．１〜１．０重量％に設定される。Ｍｎ含有量が０．１重量％より少ない場合は、上記した効果が発揮されず、また、１．０重量％より多くなると、焼きなまし硬さを著しく高くし被削性を低下させるからである。
【００１４】Ｍｏは、焼入性、高温焼戻し硬さを増大させる元素であり、その含有量は、１．８〜４．０重量％に設定される。Ｍｏ含有量が１．８重量％より少ない場合は、上記した効果が発揮されず、また、４．０重量％より多くなると晶出炭化物が多くなり靭性の劣化をきたすからである。ところで、冷間工具鋼においては、溶製する際の凝固時に、Ｍ3Ｃ、Ｍ7Ｃ3、ＭＣなどの硬質の一次炭化物（ただし、ＭはＦｅ，Ｃｒ，Ｖなどの炭化物を形成する金属元素を表す）が晶出し、これらの炭化物により基地の耐摩耗性が高められる。
【００１５】ここで、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系の冷間工具鋼においては、主にＣｒ系の共晶炭化物Ｍ7Ｃ3が晶出し、ここに、ＭＣやＭ3Ｃが共存する形態をとる。このとき、これら晶出炭化物の種類、割合、大きさにより、靭性および耐摩耗性は変化する。例えば、Ｍ3Ｃ＜Ｍ7Ｃ3＜ＭＣの順に硬度は高くなる。このため、比較的硬度が低い炭化物Ｍ3Ｃが多く存在している場合は、靭性は向上するが、耐摩耗性は低くなる。一方、硬度が高い炭化物ＭＣが多く存在している場合は、耐摩耗性は向上するが靭性は阻害される。特に、ＭＣが粗大化している場合は、靭性の低下が著しい。このことから、前記晶出炭化物の種類、割合およびその大きさを制御することにより靭性と耐摩耗性とを両立させることが考えられる。
【００１６】本発明者は、特に、硬度が高いＶ系のＭＣ（一次炭化物）を靭性を損なわせない形態、すなわち、微細な晶出形態で積極的に晶出させることにより、高い靭性と高い耐摩耗性とを兼ね備えた冷間工具鋼を得ることを企図し、鋭意研究を行った。その結果、Ｖ含有量とＣｒ含有量との間で適切なバランスをとると、Ｍ3Ｃ、Ｍ7Ｃ3、ＭＣなどの炭化物の晶出形態を制御できる事実を見出し、この知見に基づいて、微細なＶＣが得られるＶとＣｒとの関係を検討した。
【００１７】ここで、炭化物の晶出形態とＶ含有量とＣｒ含有量との関係を図１に示す。この図１は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏをそれぞれ、Ｃ：０．９０〜１．３０重量％、Ｓｉ：０．５〜１．０重量％、Ｍｎ：０．１〜１．０重量％、Ｍｏ：１．８〜４．０重量％の範囲で含有する所定組成の鋼種においてＶ含有量とＣｒ含有量とをそれぞれ変化させて鋼を溶製し、その組織を観察し、晶出した炭化物の種類と、その炭化物のうちＶＣの平均炭化物粒径を測定することにより得た。
【００１８】尚、前記粒径とは、公知の手段により求めた円相当径である。また、本発明においては、平均炭化物粒径１０μｍ以下を微細な粒子とし、それよりも大きいものを粗大な粒子とした。以下、図１を基にして、微細なＶＣが得られる範囲について説明する。図１より、Ｖ／Ｃｒが０．１５より小さい場合、すなわち、ａ線より下の範囲では、Ｍ7Ｃ3とＭ3Ｃが晶出し、硬質のＶ系炭化物（ＶＣ）の晶出はほとんどない。このため、ＶＣにより耐摩耗性を向上させることはできない。
【００１９】また、Ｖ／Ｃｒが０．３５より大きい場合、すなわち、ｂ線より上の範囲では、ＶＣは晶出するが粗大化しているので、靭性を確保することは困難である。Ｖ／Ｃｒが０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の範囲の場合、すなわち、ａ線とｂ線の間の領域では、晶出炭化物Ｍ7Ｃ3とともに、硬質のＶ系炭化物（ＶＣ）が微細に晶出する。
【００２０】このように、本発明においては、ＶとＣｒの関係が０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５であれば、硬質のＶ系炭化物（ＶＣ）を微細に晶出させることができるとの新たな知見を得た。本発明においては、上記知見を基に、微細なＶＣを積極的に活用できるＣｒとＶの含有量の範囲を規定した。以下にＣｒとＶの含有量の限定理由を示す。
【００２１】すなわち、Ｃｒ含有量は、６．０〜９．０重量％に設定される。Ｃｒ含有量が６．０重量％より少なくなるとＭ7Ｃ3系硬質炭化物の量が少なくなり耐摩耗性が低下し、逆に９．０重量％より多くなるとＭ7Ｃ3系硬質炭化物の量が多くなり靭性が阻害されるからである。また、Ｖ含有量は、１．０〜２．３重量％に設定される。Ｖ含有量が１．０重量％より少ない場合は、所望の耐摩耗性が得られず、また、２．３重量％より多くなると粒子径が大きいＶＣが支配的に晶出し、耐摩耗性と靭性の両立が困難になってくるからである。
【００２２】尚、Ｃｒは、焼入性、高温焼戻し硬さの向上にも寄与する元素である。また、Ｖは、二次硬化元素として高温焼入で効果を発揮し、更に、基地のオーステナイト系結晶粒の粗大化を防止する効果もある。以上のように、本発明の冷間工具鋼においては、微細なＶＣを積極的に活用し、耐摩耗性と靭性とを高位水準で両立させるため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖを上記した組成範囲に設定し、かつ、ＶとＣｒに関しては０．３５＞Ｖ／Ｃｒ＞０．１５の関係を満足していることを必須要件とする。
【００２３】また、本発明においては、上記必須要件に、更に、重量％で、Ｎ：０．０１５％以上またはＣａ：０．００１〜０．０３０％を含有させた冷間工具鋼が提供される。これらの元素は、一次炭化物すなわちＶＣの晶出形態をより微細にする働きがあり、靭性の向上に寄与する。ただし、当該元素の含有量が前記範囲から外れると上記した効果は発揮されない。
【００２４】また、本発明においては、重量％で、Ｐ：０．０２０％以下、かつＳ：０．００３％以下に規制することにより靭性に優れた冷間工具鋼が提供される。これらの元素は、その上限を上記のように規制すると、ＶＣの微細化を促進させることができ、靭性を向上させることができる。また、本発明においては、上記必須要件に、更に、重量％で、Ｎｂ：２．０％以下、Ｔａ：２．０％以下のいずれかを含有させた冷間工具鋼が提供される。
【００２５】これらの元素は、基地の結晶粒の微細化に有効であり、靭性向上に寄与する。ただし、当該元素の含有量が前記範囲から外れると上記した効果は発揮されない。また、本発明においては、上記必須要件に、更に、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．３％を含有し、かつ、Ｔｅ：０．２％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％のうちの１種以上を含有した冷間工具鋼が提供される。
【００２６】ここで、Ｓは、被削性を向上させるために添加されるが、あまり多く添加されると靭性を阻害するので、靭性を低下させないためにＣａ、Ｔｅがあわせて添加される。つまり、これらの元素は、靭性を損なうことなく被削性を改善するために添加される。ただし、当該元素の含有量が前記範囲から外れると上記した効果は発揮されない。
【００２７】本発明の冷間工具鋼は次のようにして製造される。まず、例えば、溶解炉で上記した必須要件を満足する成分組成の鋼種あるいは、当該鋼種に更に性能を向上させるための元素を追加した鋼種を溶解する。ついで、その溶鋼を鋳造して所定形状の鋼塊とする。このとき、一次炭化物として、Ｃｒ系のＭ7Ｃ3とともに微細なＶＣが多く晶出する。その後、当該鋼塊は焼きなましされたのち、１０３０〜１１２０℃に加熱保持され、焼入が行われる。そして、しかる後に４８０℃〜６００℃で高温焼戻しが施され、所望の冷間工具鋼が得られる。
【００２８】尚、本発明の冷間工具鋼は、焼戻し軟化を抑制する元素、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏを所定量添加して、焼戻し特性を改善しているので、４８０〜６００℃の高温で焼戻しされたときに優れた焼戻し効果を発揮する。このため本発明における鋼種は、かかる高温焼戻しにより、焼入時の残留応力が除去されて安定組織となる。
【００２９】従って、この鋼種を用い、上記したように製造された冷間工具は、靭性と耐摩耗性とを高位水準で兼ね備えており、その使用寿命が大幅に改善される。
【００３０】
【実施例】
実施例１〜８、比較例１〜５表１に示す成分組成の本発明鋼及び比較鋼を溶製したのち、鋳造法により下記の試験片を夫々作製し、夫々の試験片につき、８６０℃で焼きなまし処理を行ったのち、焼入、焼戻しを行った。得られた試験片につき、硬さ（ＨＲＣ）、抗折力、シャルピー衝撃値、比摩耗量、被削性指数を求め、夫々の結果を表２に示した。尚、表１中には、上記各鋼種の焼入温度及び焼戻し温度を夫々併記した。
【００３１】ここで、硬さ（ＨＲＣ）、抗折力、シャルピー衝撃値、比摩耗量、被削性指数は、以下のようにして求めた。
硬さ硬さは、ロックウェル硬さ試験器のＣスケールを用いて測定した。
抗折力抗折力は、厚さ３ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験片につき、支点間距離２０ｍｍ、中央１点荷重とし試験片が破断する際の破断荷重を測定し、この破断荷重から抗折力を求めた。
シャルピー衝撃値シャルピー衝撃値は、１０ＲノッチＣ型試験片につきシャルピー衝撃試験を行い測定した。シャルピー衝撃値が高いほど靭性に優れていることを示す。
比摩耗量大越式摩耗試験機を使用し、相手材をリング形状とし、最終荷重を６．３kgf、リング外周が３ｍ／ｓｅｃになるように回転させ、摩耗痕の幅を測定後、摩耗体積を算定し求めた。
【００３２】尚、相手材がＳＣＲ４２０（ＨＢ８１）の場合の測定結果を比摩耗量（１）、相手材がＳＵＳ３０４（ＨＢ８２）の場合の測定結果を比摩耗量（２）として表２に示した。この比摩耗量が少ないほど耐摩耗性に優れていることを示す。
被削性指数ハイスエンドミルにより、みぞ切削を行い、エンドミルの摩耗量が０．４ｍｍに達した時の切削体積を求めた。そして、比較例１の切削体積の値を１００とした場合の比較値を被削性指数として表２に示した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】表２から明らかなように、本発明鋼は何れもＨＲＣ６３．９以上の硬さを有し、抗折力，シャルピー衝撃値が高いとともに、比摩耗量が少ない。すなわち、本発明鋼は、強度，靭性が高いとともに、耐摩耗性に優れていることを示しており、靭性と耐摩耗性を高位水準で兼ね備えている。それに対し、比較鋼は何れもＨＲＣ５９．８以上の硬さを有しているが、比較例１〜３は、抗折力、シャルピー衝撃値が高いものの、比摩耗量が多く、比較例５は、比摩耗量が少ないが、抗折力、シャルピー衝撃値は低い。また、比較例４は、抗折力、シャルピー衝撃値が低く、比摩耗量も多い。このように、比較鋼においては、靭性と耐摩耗性がともに優れている鋼種はなく、靭性または耐摩耗性のどちらか或いはその両方が劣化している。
【００３６】また、本発明鋼の被削性指数は、比較鋼の被削性指数と同等以上の値を示しており、被削性が劣化していないことがわかる。特に、実施例６は、被削性指数が１４５であり被削性が向上している。これは、実施例６においては、被削性改善元素が所定量、すなわち、Ｓ：０．０３３重量％、Ｔｅ：０．０１１重量％、Ｃａ：０．００１５重量％含有されているからである。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の冷間工具鋼は、Ｖ含有量とＣｒ含有量との間でバランスをとることにより、一次の晶出炭化物の形態を制御し、微細なＶＣを多く晶出させているので、靱性と耐摩耗性とを高位水準で両立することができ、過酷な冷間加工条件に充分に耐えることができる。
【００３８】本発明鋼は、例えば、転造ダイス、冷間鍛造型材、冷間打ち抜き型材、冷間成形ロール材としてその工業的価値は大である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３７１３
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
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| 【出願日】 |
平成８年（１９９６）７月９日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】長門 侃二
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| 【公開番号】 |
特開平１０−２５５４５ |
| 【公開日】 |
平成１０年（１９９８）１月２７日 |
| 【出願番号】 |
特願平８−１７９１５１ |
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