(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼塊表面を一旦パーライト変態させ、再度オーステナイト化することにより細かいオーステナイト結晶粒を生成させる高Ｃ高Ｃｒ系冷間工具鋼の製造方法を提供する。【解決手段】溶鋼を鋳型へ鋳込み後、鋳込みの直後から鋼塊の表面温度が６００℃以上８００℃以下の任意の温度に達するまでを０．００５℃／ｓｅｃ以上１℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却し、６００℃以上８００℃以下の任意の温度で１時間以上２０時間以下保持し、鋼塊表面を一旦パーライト変態させた後、Ａｃ１変態温度以上１２２０℃以下の任意の温度に再加熱し、鍛伸あるいは圧延などの熱間加工により成形することを特徴とする冷間工具鋼の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼を鋳型へ鋳込み後、鋳込みの直後から鋼塊の表面温度が６００℃以上８００℃以下の任意の温度に達するまでを０．００５℃／ｓｅｃ以上１℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却し、６００℃以上８００℃以下の任意の温度で１時間以上２０時間以下保持し、鋼塊表面を一旦パーライト変態させた後、Ａｃ1 変態温度以上１２２０℃以下の任意の温度に再加熱し、鍛伸あるいは圧延などの熱間加工により成形することを特徴とする冷間工具鋼の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の化学成分として、質量％で、Ｃ：０．５〜２．３％、Ｃｒ：４．０〜２０．０％を含有する冷間工具鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高Ｃ高Ｃｒ系冷間工具鋼の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高炭素合金工具鋼の熱間加工においては、例えばＳＫＤ１１鋼のような高炭素工具鋼は、高Ｃかつ高Ｃｒの合金組織のため、Ｍ7 Ｃ3 型の一次炭化物が粒界に析出しており、これが圧延などの熱間加工を困難なものにし、加熱温度が高過ぎるとオーバーヒートを生じ内部欠陥の原因となり、熱間加工中の温度が低くなると変形能が不足して表面割れを生じるという問題がある。したがって、冷間工具鋼は熱間加工できる温度範囲が狭く、エッジ部、端部などは直ぐに温度が低下し再加熱が必要になるため、表面割れの抑制が課題となっている。
【０００３】
上記対策として、例えば特開昭６３−５７７４３号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｚｒを添加し、Ｐ、Ｓ、Ｏを規制することにより熱間加工性を改善する方法が提案されている。また、特開平１−２８４４４７号公報（特許文献２）に開示されているように、工具鋼の鍛造方法として、複数方向からの圧下により内部欠陥を発生させることなく鍛伸時の再加熱を減らすことが提案されている。
【特許文献１】特開昭６３−５７７４３号公報
【特許文献２】特開平１−２８４４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したように、（１）加熱温度が高すぎると加工発熱によりオーバーヒートを生じ、内部欠陥の原因になること。（２）熱間加工中の温度が低くなると変形能が不足し、加工効率が悪くなる等の理由で冷間工具鋼は熱間加工できる温度範囲がより狭く、特に、冷え易いコーナー部では割れが発生するため、加熱と熱間加工を繰返し行う必要があるなどの問題があるが、この改善策として上記した特許文献では充分ではない。
【０００５】
また、現実にオーバーヒートにより内部欠陥が発生したかどうかは熱間加工時には分からず、後工程の超音波検査で発見されることが大半であるため、実際の操業では安全サイドに加熱温度を低めに設定することが多く、そのために一般的な熱間加工方法（上下２方向から金敷きで圧下する鍛造法もしくはロールで圧下する圧延法）では、割れが生じないように加熱と熱間加工を繰返し行いながら成形するため、熱効率、生産性が悪いなどの問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、鋳込み後は凝固過程に起因した方向性をもった凝固組織になっていること、一方、表面近傍は脱炭にともない再加熱時にオーステナイト粒が異常成長し易いこと、などから熱間加工時に温度が低下し変形能が低下すると凝固組織単位あるいはオーステナイト粒界に沿って表面割れが生じ始まることから、本発明では、凝固組織（柱状晶など）内に細かいオーステナイト結晶粒を生成させると熱間加工時の割れ発生が抑制されることを見出し、その手段として、鋼塊表面を一旦パーライト変態させ、再度オーステナイト化することにより細かいオーステナイト結晶粒を生成させる方法を見出したものである。
【０００７】
その発明の要旨とするとこらは、
（１）溶鋼を鋳型へ鋳込み後、鋳込みの直後から鋼塊の表面温度が６００℃以上８００℃以下の任意の温度に達するまでを０．００５℃／ｓｅｃ以上１℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却し、６００℃以上８００℃以下の任意の温度で１時間以上２０時間以下保持し、鋼塊表面を一旦パーライト変態させた後、Ａｃ1 変態温度以上１２２０℃以下の任意の温度に再加熱し、鍛伸あるいは圧延などの熱間加工により成形することを特徴とする冷間工具鋼の製造方法。
（２）前記（１）に記載の化学成分として、質量％で、Ｃ：０．５〜２．３％、Ｃｒ：４．０〜２０．０％を含有する冷間工具鋼の製造方法にある。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように、本発明による鋼塊表面を一旦パーライト変態させ、再オーステナイト化時に凝固組織内に細かいオーステナイト結晶粒を生成させ再オーステナイト化で熱間加工中の再結晶を生じやすくすることにより割れの発生を抑制するものである。すなわち、従来法では、表面近傍の脱炭した箇所では熱間加工にともなう再結晶はほとんど生じないことにより、熱間加工時の温度低下を抑制しても時々割れが多発するなどの課題があったが、本発明の方法では上記効果に加え熱間加工にともなう再結晶も生じやすくなることから、従来よりも低い温度まで加工が可能になり、かつ割れが生じる頻度も大幅に低減させることを可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明において鋳込みの直後から鋼塊の表面温度が６００℃以上８００℃以下の任意の温度に達するまでを０．００５℃／ｓｅｃ以上１℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却する理由は、鋳込み後の冷却速度が遅いほど鋼材内部の靭性は低下するため冷却速度は０．００５℃／ｓｅｃ以上とする。Ｃ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖなどの合金元素を多く含有する冷間工具鋼では液相から固相−液相の２相域を経て凝固状態（固相）に至るが冷却速度が遅いと鋼塊内部は固相−液相の２相状態に長時間保持され、晶出炭化物は粗大化する。一方、粗大化した炭化物は鋼材中心の靭性を低下させるため、固相−液相の２相域は速やかに冷却した方が良いことが分かった。しかし、鋳込み後の冷却速度が速いと鋼塊内側と外側の収縮率の差が大きくなり鋼塊表面に割れが生じるため冷却速度は１℃／ｓｅｃ以下とした。
【００１０】
また、表面温度に着目する理由は、熱間加工時に生じる割れなどの諸問題には鋼塊表面近傍の性状の影響が大きいことから、表面温度を制御する必要がある。さらに、６００℃と８００℃に限定する理由は、鋼塊表面で一旦パーライト変態を速やかに生じさせるためには、６００℃以上８００℃以下の温度範囲まで冷却する必要がある。６００℃未満あるいは８００℃を超える温度ではオーステナイトが安定化し易いため、後で６００℃以上８００℃以下の任意の温度に保持してもパーライト変態が開始するまでに時間を要する。
【００１１】
また、６００℃以上８００℃以下の任意の温度で１時間以上２０時間以下保持する理由は、６００℃〜８００℃はパーライト変態する温度域であり、鋼塊表面を一旦パーライト変態させるには少なくとも１時間以上の保持時間が必要となる。しかし、保持温度が長いほどパーライト変態は進むが熱間加工性の改善効果は２０時間を超えると飽和するため、保持時間は２０時間以下とする。
【００１２】
Ａｃ1 変態温度以上１２２０℃以下に再加熱する理由は、鋼塊表面を一旦パーライト変態させた後、再度加熱してオーステナイト変態させることにより凝固組織（柱状晶など）内に細かいオーステナイト結晶粒を生成させると熱間加工時の割れ発生が抑制されることから、再加熱温度はオーステナイト化するＡｃ1 変態温度以上とする。また、加熱温度が高すぎると熱間加工時にオーバーヒートを生じ、内部欠陥の原因になることから、上限を１２２０℃とする。
【００１３】
次に、成分組成としては、Ｃ：０．５〜２．３、Ｃｒ：４．０〜２０．０を含む高Ｃ高Ｃｒ系冷間工具鋼とした理由は、Ｃ，Ｃｒが少ない場合はＣｒ炭化物の晶出が比較的少なく熱間加工性は比較的良好であるが、Ｃが０．５％以上、あるいはＣｒが４．０％以上になると熱間加工性は低下し、本発明を適用すると著しい効果が得られることから、Ｃの下限を０．５％、Ｃｒの下限を４．０％とした。Ｃ，Ｃｒ量が一定レベルよりも高くなると、効果が小さくなり、本発明を適用しない場合と大きな差は無くなることから、Ｃの上限を２．３％、Ｃｒの上限を２０．０％とした。
【００１４】
その他の成分組成としては、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０６０％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３５０ｐｐｍ以下、必要に応じて、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：１．０〜２．０％、Ｎｂ：０．０１〜１．００％、Ｗ：０．０２〜６．０％、の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものとする。
【００１５】
Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加し、耐酸化性、焼入性に有効である。０．１％未満では、製鋼上脱酸効果が得られず、１．５％を超えて添加すると靱性の劣化を生じることによる工具寿命の短縮をもたらすことから上限を１．５％とした。
Ｍｎ：１．０％以下
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ともに焼入性を向上させる元素である。しかし、１．０％を超えて添加すると靱性を低下させるので、その上限を１．０％とした。
【００１６】
Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０６０％以下、Ｎ：３５０ｐｐｍ以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下
Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏは、いずれも靱性を劣化させ、それぞれの範囲の上限を超えると従来の熱間工具鋼よりもすぐれた靱性を得ることが困難になるので、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０６０％以下、Ｎ：３５０ｐｐｍ以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下とした。
【００１７】
Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：１．０〜２．０％、Ｗ：０．０２〜６．０％、Ｎｂ：０．０１〜１．００％
Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、ＮｂはＣと結合して炭化物を形成し、焼もどし時の二次硬化によって高温強度を向上させるとともに、必要な耐摩耗性を確保するための元素である。したがって、最低でもＭｏ、Ｖは１．０％、Ｗは０．０２％、Ｎｂは０．０１％を必要とする。しかし、過剰な添加は靱性を劣化させるため、その上限を、それぞれＭｏは、５．０％、Ｖは２．０％、Ｗは６．０％、Ｎｂは１．００％とする。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学成分組成の鋼を６０ｔ電気炉で溶解し成分調整後、溶鋼を鋳型へ鋳込み鋼塊を得た。鋳型の〔高さ／幅〕比は１〜５、鋼塊重量は０．５ｔ〜２０ｔとした。この鋼塊を０．００５℃／ｓｅｃ以上１℃／ｓｅｃ以下の速度で６００℃以上８００℃以下までの任意の温度へ冷却後、バッチ式炉６００℃以上８００℃以下にて１時間以上２時間以下保持、Ａｃ1 変態温度以上１２２０℃以下に加熱し、熱間加工を行った。その結果、内部欠陥の有無は、熱間加工後に超音波検査を行い、その波形、波高から判定した。
【００１９】
また、表面品質は、再加熱を１回行い、殻２５０ｍｍ〜４００ｍｍに鍛伸した後の割れの個数から判定した。さらに、中心部衝撃値の評価は、最終的にφ６０まで熱間加工した鋼材を用い、所定の硬さが得られるように、１０００〜１１５０℃から焼入れ、５００〜６００℃で２回以上焼戻しを行い、１０Ｒ−Ｃノッチ衝撃試験片形状に仕上げ加工を行った後、室温にてシャルピー衝撃試験を行った。また、硬さはロックウェル硬さ試験機Ｃスケールにて測定した。各評価結果は表２にまとめた。
【００２０】
【表１】
2010007167.tif 000002
【００２１】
【表２】
2010007167.tif 000003
表２に示すように、Ｎｏ．１、４、８、１１〜１２、１４、１６は本発明であり、Ｎｏ．２〜３、５〜７、９〜１０、１３、１５、１７〜２１は比較例である。
【００２２】
比較例２は保持時間が無いために表面品質としての疵が多く発生した。比較例３は保持時間が長いために中心部衝撃値が低い。比較例５は再加熱温度が高いために内部欠陥が発生し、かつ中心部衝撃値が低い。比較例６は保持時間が短いために表面品質としての疵が多く発生し、かつ中心部衝撃値が低い。比較例７は保持温度が低いために表面品質としての疵が多く発生し、かつ中心部衝撃値が低い。比較例９は６００以上８００℃以下までの冷却速度が速いために表面割れが大きく発生した。
【００２３】
比較例１０は保持温度が高いために表面品質としての疵が多く発生した。比較例１３は再加熱温度が低いために内部欠陥が発生し、かつ表面割れが大きく発生した。比較例１５は６００℃以上８００℃以下までの冷却速度が遅いために中心部衝撃値が低い。また、比較例１７〜２１はいずれも、鋼の成分組成として本発明の条件を満たしていない鋼の実施であって、鋼種ＩはＣ含有量が低く、鋼種ＪはＣｒ含有量が低く、鋼種ＫはＣ含有量が高く、鋼種ＬはＣｒ含有量が高く、鋼種ＭはＣ含有量が低く、かつＣｒ含有量が高い成分組成をもつ鋼種である。しかも、比較例１７〜１８は６００℃以上８００℃以下までの保持温度、保持温度がないために中心部衝撃値が高すぎる値を示している。その他比較例１９〜２１はいずれも表面品質としての疵が多く発生し、特に、比較例１９〜２０は中心部衝撃値が低い。
【００２４】
これに対し、本発明であるＮｏ．Ｎｏ．１、４、８、１１〜１２、１４、１６はいずれも、鋼種の成分組成は本発明の条件を満たしており、かつ熱処理条件についての条件を満たしていることから、内部欠陥、表面品質である疵の発生も少なく、かつ中心部衝撃値も高い値を示し靱性を有するものであることが分かる。
【００２５】
以上ように、鋼塊表面を一旦パーライト変態させるため、鋼塊冷却速度、保持温度、保持時間、再加熱温度を限定し、かつ特にＣ、Ｃｒ範囲を限定した成分組織とすることで、再オーステナイト化時に凝固組織内に細かいオーステナイト結晶粒を生成させ再オーステナイト化で熱間加工中の再結晶を生じやすくすることにより割れの発生を抑制するものである。すなわち、本発明の方法では上記効果に加え熱間加工にともなう再結晶も生じやすくなることから、従来よりも低い温度まで加工が可能になり、かつ割れが生じる頻度も大幅に低減させることを可能とした工程時間の短縮、熱効率の改善を図ることができる極めて優れた効果を奏するものである。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊