(57)【要約】  Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程と、熱間加工工程終了後、工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、熱間加工冷却工程の後、加熱炉に工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程と、第１の加熱・保持工程に次いで、工具鋼素材を加熱して、工具鋼素材温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、この温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程と、第２の加熱・保持工程の後に冷却を行って、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とした工具鋼中間素材とする工程と、その後に、前記工具鋼中間素材に焼入れ・焼戻しを行う工程を含む工具鋼の製造方法。
2008081517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程と、
前記熱間加工工程終了後、前記工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、
前記熱間加工冷却工程の後、加熱炉に前記工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程と、
前記第１の加熱・保持工程に次いで、前記工具鋼素材を加熱して、工具鋼素材温度をパーライトノーズと該パーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、前記パーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程と、
前記第２の加熱・保持工程の後に冷却を行って、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織を有する工具鋼中間素材とする工程と、
前記工具鋼中間素材に焼入れ・焼戻しを行う工程とを含む、工具鋼の製造方法。
【請求項２】
前記工具鋼素材は、質量％でＳｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０〜１５．０％、Ｍｏ：１０．０％以下を含有し、更にＮｉ：４．０％以下、Ｖ：４．０％以下、Ｗ：２０．０％以下、Ｃｏ：１０．０％以下、の何れか１種以上を含有して残部は実質的にＦｅおよび不可避不純物である請求項１に記載の工具鋼の製造方法。
【請求項３】
前記工具鋼中間素材の金属組織を１００００倍で観察した時、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が３００個以上形成されている炭化物が密な領域と、前記炭化物が密な領域に対して、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が１００個以上少ない炭化物が疎な領域とが混在する金属組織でなる請求項１または２に記載の工具鋼の製造方法。
【請求項４】
前記工具鋼中間素材を、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上行って平均結晶粒度番号で６番より細粒にする請求項１乃至３の何れかに記載の工具鋼の製造方法。
【請求項５】
Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程と、
前記熱間加工工程終了後、前記工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、
前記熱間加工冷却工程の後、加熱炉に前記工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程と、
前記第１の加熱・保持工程に次いで、前記工具鋼素材を加熱して、工具鋼素材温度をパーライトノーズと該パーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、前記パーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程と、
前記第２の加熱・保持工程の後に冷却を行って、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織を有する工具鋼中間素材とする工程とを含む、工具鋼中間素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具鋼の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工具鋼への焼鈍、焼入れ、焼戻しを行う熱処理方法は多くの提案がなされている。一般的に変態を繰り返すことで結晶粒径の微細化が図られている。熱間加工後にマルテンサイト、ベイナイト変態域まで冷却し、その後Ａｃ３点以上で完全にオーステナイト変態させ、焼鈍を行った後、焼入れ、焼戻しするといった熱処理方法がその例である。
また、焼鈍状態での金属組織は、炭化物をなるべく均一に分散させた金属組織であるほうが好ましいとされる。例えば、Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼は、金型をはじめとして多くの工具に用いることができる鋼である。そのため、工具鋼には最適な熱処理条件にて熱処理を行って金属組織や機械的特性を調整する必要がある。
そして、より経済的に効率よく所望の金属組織や機械的特性を得るために、熱間鍛造に代表される熱間加工の冷却途中で次工程の熱処理に移行する提案もなされている。
例えば、Ｃを０．２５〜０．５５％含有した中炭素鋼を製造する方法として、特開２０００−２０４４１４号（特許文献１参照）がある。この提案は、鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域でパーライト変態させ、更にＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すことで強度、靱性ともに優れた中炭素鋼を製造することが開示されている。【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０４４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に示された熱処理方法を用いて結晶粒を微細化するには、焼準処理まで行えば、結晶粒を微細にできる効果を得ることができる。
特許文献１の方法では、鍛錬からの冷却途中でパーライト化処理を行うため、被熱処理材料の結晶粒界にネット状の炭化物が析出する。結晶粒界に析出したネット状の炭化物は、その後の焼入れ焼戻しでも残存し続けて靱性を阻害するといった問題点を生じる。そのため、特許文献１の方法では、ネット状炭化物の解消と変態による結晶粒微細化を図る目的で、焼準処理を必須としていた。
本発明の目的は、焼準処理を必要とせずに結晶粒を微細にすることができる、工具鋼中間素材の製造方法と、これにより得られた工具鋼中間素材を用いた工具鋼の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものである。
本発明者らは、熱間加工後の冷却条件について鋭意検討した結果、冷却過程で以下の２つの重要なポイントがあることを見出した。
重要なポイント１：９００℃付近の強制冷却、
重要なポイント２：パーライトノーズよりも低い温度域で等温保持。
上記重要なポイント１及び２の効果としては、
重要なポイント１の９００℃付近の強制冷却は、熱間加工時に固溶していた炭素がその冷却過程において結晶粒界にネット状の炭化物として析出するのを抑制することができる。９００℃付近の強制冷却によって、ネット状炭化物を解消するための焼準処理が必要なくなるという効果がある。
重要なポイント２のパーライトノーズよりも低い温度域では、過冷効果により炭化物の核生成密度が高く、炭素の拡散が遅いため、炭化物を微細に析出することが可能である。また、長時間保持によりオーステナイトを完全に拡散変態させフェライトと炭化物析出組織とすることができる。フェライトと炭化物析出組織のままで焼入れ焼戻しを行うことで結晶粒を微細にするという効果がある。
上述の重要なポイント１と重要なポイント２の知見を組合わせることで、結晶粒を微細とするに最適な焼入れ焼戻し前の工具鋼中間素材とすることが可能となる。そして、前記の工具鋼中間素材を用いて焼入れ・焼戻しを行うことで工具鋼の結晶粒径を微細にできることを見出し、本発明に到達した。【０００６】
すなわち本発明は、Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程と、該熱間加工工程終了後、工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却する熱間加工冷却工程と、該熱間加工冷却工程の後、加熱炉に工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程と、該第１の加熱・保持工程に次いで、工具鋼素材を加熱して、工具鋼素材温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、この温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程と、該第２の加熱・保持工程の後に冷却を行って、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とした工具鋼中間素材とする工程と、その後に、前記工具鋼中間素材に焼入れ・焼戻しを行う焼入れ・焼戻しを行う工程とを含む工具鋼の製造方法である。
好ましい工具鋼素材の化学組成は、質量％でＳｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０〜１５．０％、Ｍｏ：１０．０％以下を含有し、更にＮｉ：４．０％以下、Ｖ：４．０％以下、Ｗ：２０．０％以下、Ｃｏ：１０．０％以下、の何れか１種以上を含有して残部は実質的にＦｅおよび不可避不純物である組成である。
また本発明は、上述の工具鋼中間素材の金属組織を１００００倍で観察した時、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が３００個以上形成されている炭化物が密な領域と、該炭化物が密な領域に対して、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が１００個以上少ない炭化物が疎な領域とが混在する金属組織でなる工具鋼の製造方法である。
また本発明は、上記の工具鋼中間素材を用いて、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上行って平均結晶粒度番号で６番より細粒にする工具鋼の製造方法である。
さらに、本発明の他の観点によれば、Ｃ：０．１０〜２．０％を含有する工具鋼素材を１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程と、前記熱間加工工程終了後、工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、前記熱間加工冷却工程の後、加熱炉に工具鋼素材を入材して４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程と、前記第１の加熱・保持工程に次いで、工具鋼素材を加熱して、工具鋼素材温度をパーライトノーズと該パーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、前記パーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程と、前記第２の加熱・保持工程の後に冷却を行って、炭化物の析出したフェライト組織の金属組織を有する工具鋼中間素材とする工程とを含む、工具鋼中間素材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、平均結晶粒度番号で６番より細粒にし、優れた強度・靭性を有する工具鋼を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明で規定した理由を図３に示したヒートパターンを用いて詳しく説明する。
先ず、本発明ではＣ：０．１０〜２．００％を含有する工具鋼素材を本発明の対象とする。
Ｃ含有量を０．１０％〜２．００％とした理由は、Ｃ量が０．１０％未満では、Ｃ量が少なすぎてＣが結晶粒内まで拡散せずに結晶粒内に炭化物が析出しない。一方、２．００％以上では炭化物が過剰となり、靱性を低下させる。好ましくはＣ：０．２０〜０．６０％である。
そして、Ｃ：０．１０〜２．００％を含有した工具鋼素材を、１０５０〜１２５０℃に加熱して熱間加工を行う熱間加工工程を行う（図３には図示なし）。加熱温度は、工具鋼素材の塑性加工性を考慮し、完全にオーステナイト組織とするため１０５０℃以上とした。また、１２５０℃以上では工具鋼素材が部分的溶融する可能性があるため、１０５０〜１２５０℃の範囲とした。好ましくは１０７０〜１１７０℃の範囲内である。なお、熱間加工工程中に、工具鋼素材を加熱・保持を行う場合、加熱・保持の時間が長時間となるにしたがって、オーステナイト結晶粒が粗大に成長する。そのため、加熱・保持の時間は、オーステナイト結晶粒の成長を考慮して適宜決定すればよく、３〜１０時間程度であれば十分である。
なお、工具鋼素材の熱間加工では、例えば、自由鍛造、型打鍛造といった熱間鍛造を適用するとよい。熱間鍛造の条件としては、熱間加工終了温度は工具鋼素材の表面温度が９５０〜１０５０℃の範囲であれば良く、鍛造比は熱間加工においてより歪を蓄積させるため５より大きいことが好ましい。【０００９】
そして、上記の熱間加工工程終了後、工具鋼素材の表面温度が５００〜７００℃となるまで空冷以上の冷却速度で冷却を行う（図３中の（１））。炭化物析出温度を図３に線Ａで示している。
熱間加工終了後の工具鋼素材温度は結晶粒界に炭化物が析出可能な温度にある。熱間加工終了後の結晶粒界に、過剰に炭化物が析出した場合、焼入れ焼戻しを行った後も炭化物が結晶粒界に残存し、靱性を阻害するという問題がある。そのため、結晶粒界に炭化物が析出し難い７００℃以下の温度域まで冷却を急ぐ必要がある。
この時の冷却は、連続冷却した時に結晶粒界に炭化物が析出する領域にかからない程度の速さで冷却することとする。冷却速度は、おおよそ２５℃／ｍｉｎの速さであれば良い。例えば、工具鋼素材の断面寸法がおおよそ３００ｍｍ（ｔ）×３００ｍｍ（ｗ）よりも小さいものは空冷でも十分である。断面寸法がおおよそ３００ｍｍ（ｔ）×３００ｍｍ（ｗ）よりも大きいものは、例えば大型扇風機を用いて強制冷却すると良い。
そして、上記の冷却により結晶粒界に炭化物が析出し難い７００℃以下の温度域まで冷却を行うが、過度に低い温度まで冷却するとオーステナイトがベイナイトに変態する可能性がある。金属組織がベイナイトに変態してしまうと、その後の等温保持にて炭化物の析出を制御できないという問題や、焼入れ加熱時に結晶粒が粗大化し易いといった問題がある。これを抑制するために、工具鋼素材の表面温度の下限を５００℃とする。【００１０】
上述の冷却工程の後に、加熱炉に工具鋼の素材を入材し、４００〜７００℃の温度に加熱・保持を行う第１の加熱・保持工程を施す（図３中の（２））。この処理は、工具鋼の素材の中心部までパーライトノーズ以下の温度に均熱化をする目的で行う。
第１の加熱・保持の温度を４００〜７００℃に限定した理由は、７００℃より高い温度になると、先述したように結晶粒界に炭化物が析出する。また、４００℃より低い温度であると、金属組織がベイナイトに変態する可能性があるためである。
なお、加熱・保持の時間を過度に長時間とすると、加熱・保持の最中にベイナイトに変態する可能性がある。そのため、工具鋼の素材の中心部までパーライトノーズ以下の温度に均熱化しつつ、金属組織をベイナイトに変態させない時間を適宜決定すればよい。例えば、加熱・保持の時間としては、０．５〜５時間程度であれば十分である。【００１１】
第１の加熱・保持工程に続いて、工具鋼素材を加熱し（図３中の（３））、工具鋼素材温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に高め、この温度域にて加熱・保持を行う第２の加熱・保持工程を施し（図３中の（４））、第２の加熱・保持工程の後に工具鋼素材を冷却（図３中の（５））して工具鋼中間素材とする。
第２の加熱・保持工程の温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域とした理由は、この温度範囲内では図１ＡおよびＢに示すような旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織が得られるためである。旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織とすることで、焼鈍後に行う焼入れ焼戻しによって結晶粒微細化の達成が可能となる。
第２の加熱・保持工程の温度が、パーライトノーズより高温側では炭化物がほぼ均一に分散したパーライト組織となる。一方、パーライトノーズよりも１００℃低い温度よりも低温では、パーライト変態が終了するまでの時間が長くなり、旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織を得がたいという問題がある。そのため、本発明ではパーライトノーズとパーライトノーよりも１００℃低い温度との間の温度域とした。
また、加熱・保持の時間はパーライト変態開始後、パーライト変態終了まで保持するといったことを考慮して適宜決定すればよく、１０〜５０時間程度であれば十分である。なお、本発明では、鍛造終了後の強制冷却からパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域に加熱・保持後の冷却までを焼鈍と呼ぶ。【００１２】
この本発明方法を適用すれば、旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織を持つ工具鋼中間素材が得られる。そして、旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織のまま焼入れを行うと、これらの炭化物を核として結晶粒界、粒内を問わず新たなオーステナイトが生成される。これにより焼入れ加熱時に、結晶粒が粗大に成長することを抑制でき、結晶粒の微細化が達成できる。焼入れ後に行う焼戻しを行った後も細粒を維持することができる。
結晶粒微細化のメカニズムとしては、炭化物を核とした新オーステナイト粒の生成、及び、隣接するフェライト粒の結晶方位が異なることによるオーステナイト粒の粗大成長を抑制、の２つが関係しているものと考えている。
具体的には、本発明では、金属組織をフェライト組織としている。フェライト組織は、結晶粒の向きがランダムとなっていることから、焼入れ加熱時に、それぞれの結晶粒が、互いに成長を抑制し合って、オーステナイト結晶粒の微細化がはかれると考えている。また、結晶粒微細化のメカニズムのもう一つは、炭化物を核として新たなオーステナイト粒が生成される。それらの結晶粒が互いに粒の成長を抑制しあうことで結晶粒が細粒化できる。炭化物を核とする結晶粒微細化のメカニズムは、後に詳しく説明する。【００１３】
本発明方法を適用して得られた工具鋼中間素材の硬さは３００ＨＢＷ以下とすることができる。そのため、被熱処理材料の硬さが低いため、被熱処理材料の加工性も良い。
なお、この工具鋼中間素材での金属組織はフェライト組織に炭化物を析出させた金属組織に調整されている。フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とは、図１ＡおよびＢに示すように旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織であり、このような状態のものをフェライト組織に炭化物を析出させた金属組織と言う。これを確かめるには、金属組織観察用の試験片を切り出し、観察面を鏡面研磨の後、腐食し、顕微鏡にて直接観察するといった方法で確認できる。【００１４】
旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織とは、例えば、金属組織を電子顕微鏡で１００００倍で観察すると、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が３００個以上形成されている炭化物が密な領域（旧オーステナイト粒界近傍）と、該炭化物が密な領域に対して、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が１００個以上少ない炭化物が疎な領域（旧オーステナイト粒内部）とが混在するものである。
上述した炭化物の分布状況は、炭化物が密な領域と、炭化物が疎な領域の観察は、観察面をランダムに選んだ１０視野以上の視野にて観察すればよいが、ランダムに観察する視野には、旧オーステナイト粒界かその近傍の個所と、旧オーステナイト粒内の２つの視野は必須で観察する。
なお、炭化物が密な領域としては、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物が３００個以上の範囲で多く含まれるほど、焼入れ加熱時のオーステナイト生成の核となり、より焼入れ焼戻しによる結晶粒微細化が望める。炭化物が密な領域の炭化物個数の上限は例えば含有するＣ量や、炭化物形成元素量によって変化するため、上限を設定するのは難しいが、経験的には、実質的に１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物が６００個程度形成されるのが限界である。
炭化物が疎な領域の炭化物個数の下限については、２００個未満となると結晶粒微細化効果が得にくくなることから、領域Ｂの１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数の下限は２００個程度である。【００１５】
炭化物を核とする結晶粒微細化のメカニズムは、炭化物が密な領域は、０．１〜０．５μｍと微細な炭化物が数多く存在し、炭化物が疎な領域は炭化物が密な領域に対し炭化物の個数が１００個以上少ないため、焼き入れ加熱することにより、炭化物が基地（マトリックス）に固溶して、基地内で炭素濃度に差が生じる。炭化物濃度は、炭化物が密な領域が炭化物が疎な領域より高くなるため、炭化物が密な領域の変態点は、炭化物が疎な領域の変態点より低くなる。そのため、炭化物が密な領域から優先的にオーステナイトへ変態する。
炭化物が密な領域のオーステナイトは粒成長しようとするが、微細な炭化物が多数析出しているため、焼き入れ加熱により生成するオーステナイトの核生成サイトも多く、お互いの結晶粒が粒成長を抑制しあう。次いで炭化物が疎な領域もオーステナイトへ変態し、オーステナイトの成長を抑制するものと考えられる。
なお、炭化物微細化機構が得られるに必要な炭素濃度と、部分的な炭素濃度の差をより確実に実現するには、炭化物が密な領域及び炭化物が疎な領域ともに、固溶し易い大きさの炭化物が主体となっているのが良く、１００００倍で観察した時に確認できる炭化物総個数の８０％以上（好ましくは９０％以上、更に好ましくは９５％以上）が０．１〜０．５μｍの大きさであるのが良い。
以上のように、炭化物微細化機構が得られるに必要な炭素濃度と、部分的な炭素濃度の差と共に、固溶し易い大きさの炭化物個数が特定個数以上の差をもって存在することが望まれることから、本発明では、旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した金属組織とするのである。【００１６】
次に本発明の工具鋼素材の好ましい組成について説明する。なお、含有量は質量％で表している。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは工具鋼において溶解時の脱酸剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、本発明では２．０％以下とした。好ましくは０．１５〜１．２０％である。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは工具鋼において溶解時の脱酸および脱硫剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、本発明では２．０％以下とした。好ましくは０．３０〜１．００％である。【００１７】
Ｃｒ：１．０〜１５．０％
Ｃｒは工具鋼において焼入れ性を向上させ、引張り強さや靱性を改善するという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では１．０〜１５．０％とした。好ましくは１．０〜１３．０％である。
Ｍｏ：１０．０％以下
Ｍｏは工具鋼において焼入れ性を向上させる。また、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、高温引張り強さを増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では１０．００％以下とした。好ましくは０．２０〜５．００％である。【００１８】
Ｎｉ：４．００％以下
Ｎｉは工具鋼において焼入れ性を向上させ、靱性を改善するという目的で添加される。しかし、多量に添加すると変態点を下げ、高温強度が低下する。そのため本発明では４．００％以下とした。好ましくは２．０％以下である。
Ｖ：４．００％以下
Ｖは工具鋼において結晶粒を細かくし靱性を向上させる。また、焼戻しにより高硬度の炭窒化物を形成し、引張強度を増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では４．００％以下とした。好ましくは０．１０〜１．１０％である。【００１９】
Ｗ：２０．００％以下
Ｗは工具鋼において焼入れ性を向上させる。また、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、高温引張り強さを増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では４．００％以下とした。好ましくは０．１０〜１．１０％である。
Ｃｏ：１０．００％以下
Ｃｏは工具鋼において赤熱硬性を増し、高温引張強度を増大させるという目的で添加される。本発明では１０．００％以下とした。
残部は実質的にＦｅ
本発明ではこれら規定する元素以外は実質的にＦｅとしているが、不可避的に含有する不純物も当然含まれる。また、例えばＮｂ、Ｔｉは、結晶粒を微細化するのに有効な元素であるため、靱性が劣化させない程度の０．２０％以下の範囲で含有させても良い。また、Ａｌは炭素の拡散を早くする元素であり、パーライト変態で炭化物の析出を促進させる効果があるため、０．２０％以下の範囲で含有させても良い。【００２０】
次に上述の本発明方法により得られた工具鋼中間素材を用いて、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上行うことで図２ＡおよびＢに示すような平均結晶粒度番号で６番より細粒の工具鋼とすることができる。
Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れするとしたのは、Ａｃ３点以上に加熱を行わないと完全にオーステナイトに変態せず、正常な焼入れ組織が得られないためである。なお、焼入れ時の保持時間は工具鋼中間素材の内部まで所定温度に達し、完全にオーステナイトに変態し、かつ、オーステナイト粒が粗大に成長しないと言ったことを考慮して適宜決定すればよく、０．５〜３時間程度であれば十分である。
焼入れした中間素材は、１回以上の焼戻しを行う。焼戻しの回数はオーステナイトが残留することなく焼戻しマルテンサイト組織得ることを考慮して１回以上行うとよい。また、加熱・保持の時間は要求される硬さ、強度を得ると言ったことを考慮して適宜決定すればよく、５４０〜６５０℃の温度範囲内で、１〜１０時間程度であれば十分である。
この焼入れ、焼戻し熱処理を行うことで平均結晶粒度番号で６番より細粒にすることができる。平均結晶粒度番号で６番以上の細粒が得られると、靱性が改善させるという効果がある。好ましい平均結晶粒度は８番より細粒である。
【実施例】
【００２１】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
（実施例１）
まず工具鋼を溶解し、１０Ｔｏｎの鋼塊を得た。組成を表１に示す。
そして、この鋼塊を３分割し、本発明方法を適用する工具鋼素材と、比較例用の工具鋼素材とした。【００２２】
【表１】
2008081517.tif 000003
【００２３】
この工具鋼素材を１１００℃に加熱し、８時間保持を行った。そして、熱間鍛造（熱間プレス）にて熱間加工を行った。この時の加工率は１８％（鍛造比５.５）とし、３５０ｍｍ（ｔ）×３５０ｍｍ（ｗ）×１５００ｍｍ（ｌ）に仕上げた。熱間加工終了温度は表面温度が９５０℃であった。
そして、冷却工程として、工具鋼素材の表面温度が５５０℃となるまで大型扇風機を用いて強制冷却を行い（図３中の（１））、熱間加工時に固溶していた炭素がその冷却過程において結晶粒界にネット状の炭化物として析出することを抑制するために、９００℃付近も大型扇風機を用いた強制冷却とした。なお、表面温度は放射温度計を用いて測定した。
その後、第１の加熱・保持工程として、４５０℃の加熱炉に工具鋼素材を入材し、４５０℃の温度で３時間保持を行い（図３中の（２））、次いで第２の加熱・保持工程として、前記４５０℃の温度に加熱・保持した素材の素材温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域内の７００℃（本発明方法１）、７２５℃（本発明方法２）、パーライトノーズよりも高い温度域の８００℃（比較方法）の温度に素材温度を高める加熱を行い（図３中の（３））、２０時間保持を行った後（図３中の（４））、炉冷し（図３中の（５））て工具鋼中間素材とした。なお、表１に示す工具鋼のパーライトノーズの温度は７７５℃であった。【００２４】
この本発明の工具鋼中間素材及び比較例の工具鋼中間素材から硬さ測定用の試験片を切り出して、ブリネル硬度試験にて硬さ測定を行った。硬さ試験結果を表２に示す。
また、金属組織観察用の試験片を切り出して、金属組織観察を行ったところ、本発明法を適用した金属組織は、図１ＡおよびＢに示すような旧オーステナイト粒界近傍は炭化物が密に、旧オーステナイト粒内部は炭化物が疎に析出した、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織であることが確認された。なお、比較例工具鋼中間素材の金属組織は炭化物がほぼ均一に分散したパーライト組織であった。【００２５】
【表２】
2008081517.tif 000004
【００２６】
次に、本発明の製造方法にて得られた工具鋼中間素材及び比較例工具鋼中間素材を用いて、Ａｃ３点以上の温度の１０３０℃に加熱して焼入れし、その後、６００℃にて焼戻しを１回行った工具鋼とした。なお、加熱保持時間は焼入れ時が２時間、焼戻し時は７時間とした。
本発明の工具鋼及び比較例の工具鋼から金属組織観察用の試験片、硬さ測定用の試験片を切り出し、平均結晶粒度、硬さを測定した。また、シャルピー衝撃試験用の試験を切り出し、シャルピー衝撃を測定した。これら試験結果を表３に、金属組織写真を図２Ａ〜Ｂに示す。【００２７】
【表３】
2008081517.tif 000005
【００２８】
以上説明したように、本願発明の熱処理方法によれば、熱間加工からの冷却過程で、ファンにて強制冷却を行い、次いでパーライトノーズからマイナス１００℃の温度域内にてパーライト変態させ、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とし、さらにＡｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上行うので、平均結晶粒度番号で８番より細粒となり、靱性が大幅に向上する効果がある。【００２９】
（実施例２）
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
まず表１に示す組成の工具鋼を溶解し、１０Ｔｏｎの鋼塊を得た。この鋼塊を２分割し、本発明の製造方法を適用した。【００３０】
【表４】
2008081517.tif 000006
【００３１】
この工具鋼素材を１１００℃に加熱し、８時間保持を行った。そして、熱間鍛造（熱間プレス）にて熱間加工を行った。この時の加工率は１８％（鍛造比５．５）とし、３５０ｍｍ（ｔ）×３５０ｍｍ（ｗ）×１５００ｍｍ（ｌ）に仕上げた。熱間加工終了温度は表面温度が９５０℃であった。
そして、冷却工程として、工具鋼素材の表面温度が５５０℃となるまで大型扇風機を用いて強制冷却を行い（図３中の（１））、熱間加工時に固溶していた炭素がその冷却過程において結晶粒界にネット状の炭化物として析出することを防止するために、９００℃付近も大型扇風機を用いた強制冷却とした。なお、表面温度は放射温度計を用いて測定した。
その後、第１の加熱・保持工程として、４５０℃の加熱炉に工具鋼素材を入材し、４５０℃の温度で３時間保持を行い（図３中の（２））、次いで第２の加熱・保持工程として、前記４５０℃の温度に加熱・保持した素材の素材温度をパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域内の７００℃（本発明方法１）、７２５℃（本発明方法２）、パーライトノーズよりも高い温度域の８００℃（比較方法）の温度に素材温度を高める加熱を行い（図３中の（３））、２０時間保持を行った後（図３中の（４））、炉冷し（図３中の（５））て工具鋼中間素材とした。なお、表１に示す工具鋼のパーライトノーズの温度は７７５℃であった。【００３２】
この工具鋼中間素材から金属組織観察用の試験片を切り出して、金属組織観察を行った。４％ナイタール腐食後、査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１００００倍で金属組織を１０視野観察し、その画像を三谷商事株式会社製画像解析ソフト「ＷｉｎＲＯＯＦ(R)」にて解析することで１００μｍ２中に存在する炭化物個数及び炭化物サイズを確認した。
本発明にて得られた金属組織を図４ＡおよびＢに示す。図４Ａは１００倍の電子顕微鏡写真であり、図４Ｂは図４Ａ中に白枠で囲った部分の拡大写真（×４００）である。図４およびＢで白く見える個所は炭化物が密な領域であり、黒色の個所が炭化物が疎な領域である。
炭化物が密な領域は、旧オーステナイト粒界とその近傍に見られるのが分かる。なお、炭化物が密な領域を図５に、炭化物が疎な領域を図６に示す。図５及び図６は１００００倍の電子顕微鏡写真である。
本発明の工具鋼中間素材について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１００００倍で観察した時、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物の個数の結果については表５に示す。
なお、本発明の工具鋼中間素材からエックス線回折用試験片を採取し、広角エックス線回折装置（ターゲットＣｏ、電圧４０ＫＶ、電流２００ｍＡ）を用いて残留オーステナイトの有無を確認したが、残留オーステナイトは確認できなかった（残留オーステナイト量は０％だった）。【００３３】
【表５】
2008081517.tif 000007
【００３４】
表５に示すように、金属組織を１００００倍で観察すると、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が３００個以上形成されている炭化物が密な領域（旧オーステナイト粒界近傍）と、該炭化物が密な領域に対して、１００μｍ２中に円相当径０．１〜０．５μｍの炭化物個数が１００個以上少ない炭化物が疎な領域（旧オーステナイト粒内部）とが混在することを確認した。【００３５】
次に本発明の製造方法にて得られた工具鋼中間素材を用いて、Ａｃ３点以上の温度の１０３０℃に加熱して焼入れし、その後、６００℃にて焼戻しを１回行った。なお、加熱保持時間は焼入れ時が２時間、焼戻し時は７時間とした。
本発明の工具鋼及び比較例の工具鋼から金属組織観察用の試験片を切り出し、平均結晶粒度を測定した結果、ＡＳＴＭ結晶粒度番号で９．０であった。【００３６】
本願発明の熱処理方法によれば、熱間加工からの冷却過程で、大型扇風機を用いて強制冷却をおこない、次いでパーライトノーズとパーライトノーズよりも１００℃低い温度との間の温度域内にてパーライト変態させ、フェライト組織に炭化物を析出させた金属組織とし、さらにＡｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上行うので、平均結晶粒度番号で８番より細粒となり、靱性が大幅に向上する効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本願発明の熱処理方法によれば、焼入れ、焼戻し後の結晶粒が微細になることから工具鋼の靱性が要求される用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】本発明方法１にて得られた焼鈍後の顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】本発明方法２にて得られた焼鈍後の顕微鏡写真である。
【図１Ｃ】比較方法１にて得られた焼鈍後の顕微鏡写真である。
【図２Ａ】本発明方法１にて得られた焼入れ・焼戻し後の顕微鏡写真である。
【図２Ｂ】本発明方法２にて得られた焼入れ・焼戻し後の顕微鏡写真である。
【図２Ｃ】比較方法１にて得られた焼入れ・焼戻し後の顕微鏡写真である。
【図３】本発明のヒートパターンを示す模式図である。
【図４Ａ】工具鋼中間素材の金属組織の電子顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】図４Ａ中の白枠で囲った部分の拡大写真である。
【図５】炭化物が密な領域の金属組織の１００００倍の電子顕微鏡写真である。
【図６】炭化物が疎な領域の金属組織の１００００倍の電子顕微鏡写真である。
【図１Ａ】
2008081517.tif 000008
【図１Ｂ】
2008081517.tif 000009
【図１Ｃ】
2008081517.tif 000010
【図２Ａ】
2008081517.tif 000011
【図２Ｂ】
2008081517.tif 000012
【図２Ｃ】
2008081517.tif 000013
【図３】
2008081517.tif 000014
【図４Ａ】
2008081517.tif 000015
【図４Ｂ】
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【図５】
2008081517.tif 000017
【図６】
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【国際調査報告】
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