(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：１．１０を超え１．３５未満、Ｓｉ：０．２０〜０．３０、Ｍｎ：０．３〜０．４２、Ｃｒ：９．０〜１１．０、Ｍｏ：１．１０〜１．３５、Ｖ：０．２０〜０．４５、Ｓ：０．０４〜０．１７を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ焼戻し実施後のロックウェル硬さが５５〜６０ＨＲＣに選択されて成り、２５３２９−０．３２５×（ロックウェル硬さ）３＋２７．０５×（ロックウェル硬さ）２＋１５．９×（残留オーステナイト％）２−３２９．９×（残留オーステナイト％）により定義される耐摩耗被削性指数が、１８００を超え、被削性を優れしめたことを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】
焼入れ後の焼戻し処理温度を５０５℃以上とし、２回以上繰り返し処理を実施し、ロックウェル硬さを５５〜６０ＨＲＣにしたことを特徴とする請求項１記載の冷間工具鋼。
【請求項３】
前記焼戻し処理温度が５１０℃以上であり、ロックウェル硬さが５６〜５９ＨＲＣであることを特徴する請求項２記載の冷間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理変寸、耐摩耗性および被削性に優れた冷間工具鋼として利用可能な工具鋼に関し、特にＪＩＳ Ｇ４４０４に規定されるＳＫＤ１１が使用され得るダイス、ゲージ、シャー刃、プレス型、パンチ、れんが型、粉末成形型、金型刃物およびロール等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から焼入れ焼戻しを施した鋼としては、特公昭５２−１３７２号公報に開示されているように、事前に熱処理を施して硬化させた鋼を直接切削加工などを行い、主にプラスチック用金型の材料として使用するものが知られていた。
焼入れ焼戻しされた調質鋼は焼なまし状態で粗加工を施しているため、その後に熱処理による変形やスケールの発生を心配する必要がなく、金型製造納期や経済性の面でも有利といったメリットがあった。
【０００３】
しかしながら、このような従来のプレハードン鋼は、硬度が１０〜４５ＨＲＣ前後であり比較的硬度が低く、耐摩耗性が必要とされるＪＩＳ規格のＳＫＤ１１が使用されるプレス金型やパンチなどに使用されることはなかった。この原因は、このようなプレハードン鋼は５５ＨＲＣ以上の硬度を出した状態では著しく被削性が悪く、仮に硬度を下げて被削性を改善しても、製品として使用した時の耐摩耗性が悪いので、実用化はされていなかった。
【０００４】
本発明者等は、このような問題点を解決するため、特開平８−１２０３３３号公報に記載の如く、焼なまし状態での被削性や熱処理による変寸率を改善した冷間工具鋼を提案した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような先願発明の冷間工具鋼は、ＪＩＳ規格のＳＫＤ１１に比べ、熱処理後の耐摩耗性や焼なまし状態の被削性は良好であるが、焼入れ焼戻し後の被削性が悪いという問題点があった。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、構成成分範囲を先願発明、特に後者の成分範囲よりさらに限定することにより、焼なまし状態での被削性の著しい改善と同時に熱処理変寸を最小化でき、さらに熱処理後の靭性や耐摩耗性がＪＩＳ規格のＳＫＤ１１と同等であり、その上焼入れ焼戻し処理方法を組み合わせることにより、５５〜６０ＨＲＣの硬さを発見し、ＳＫＤ１１よりも著しく被削性を改善した冷間工具鋼を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意検討を重ね、下記の知見を得て本発明を完成するに至った。
焼なまし材の被削性を改善する成分は、１．１０％＜Ｃ＜１．３５％、Ｓｉ＜０．３０％、９．０％＜Ｃｒ＜１１．０％、６．０％＜Ｃｒ／Ｃ＜１０．０％、Ｍｏ＜１．３５％、Ｖ＜０．４５％を含有し、一層被削性を改善するには０．０４％≦Ｓ≦０．１７％を添加する必要がある。高硬度でかつ焼なまし材で被削性を改善するためには、成分範囲をさらに限定し、１．１０％＜Ｃ＜１．３５％、０．１７５％＜Ｓｉ＜０．３００％、９．０％＜Ｃｒ＜１１．０％、１．１０％＜Ｍｏ、０．２５％＜Ｖ＜１．２０％にする必要がある。
【０００７】
耐摩耗性を改善する成分は、１．２０％＜Ｃ＜１．３５％、０．２０％＜Ｓｉ＜０．３５％、９．０％＜Ｃｒ＜１１．５％、１．１０％＜Ｍｏ、０．２０％＜Ｖを含有する必要がある。
さらに高硬度での被削性と耐摩耗性を著しく改善するには、熱処理の限定が必要である。焼入れ後の焼戻し処理を５００℃以上とし、２回以上繰り返し、熱処理後の硬さをロックウェル硬度で５４．８〜６０ＨＲＣの範囲内にすることが重要である。さらに著しい改善には、目標硬度を５７．５ＨＲＣとし、５５．９〜５９ＨＲＣに制御する必要がある。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、質量％で、Ｃ：１．１０を超え１．３５未満、Ｓｉ：０．２０〜０．３０、Ｍｎ：０．３〜０．４２、Ｃｒ：９．０〜１１．０、Ｍｏ：１．１０〜１．３５、Ｖ：０．２０〜０．４５、Ｓ：０．０４〜０．１７を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ焼戻し実施後のロックウェル硬さが５５〜６０ＨＲＣに選択されて成り、２５３２９−０．３２５×（ロックウェル硬さ）３＋２７．０５×（ロックウェル硬さ）２＋１５．９×（残留オーステナイト％）２−３２９．９×（残留オーステナイト％）により定義される耐摩耗被削性指数が、１８００を超え、被削性を優れしめたことを特徴とする冷間工具鋼であり、請求項２に記載の発明は、焼入れ後の焼戻し処理温度を５０５℃以上とし、２回以上繰り返し処理を実施し、ロックウェル硬さを５５〜６０ＨＲＣにしたことを特徴とする請求項１記載の冷間工具鋼であり、請求項３に記載の発明は、前記焼戻し処理温度が５１０℃以上であり、ロックウェル硬さが５６〜５９ＨＲＣであることを特徴する請求項２記載の冷間工具鋼である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者等の前記の先願発明は、熱処理変寸を最小にし、耐摩耗性を従来のＳＫＤ１１と同等にしながら、焼なまし材の被削性を著しく改善したものである。本発明は、先願発明の成分範囲をさらに限定することで、ＪＩＳ規格のＳＫＤ１１の焼入れ焼戻し後の切削加工を可能としたものである。先願発明のように焼入れ後の切削加工が可能となっただけでは、従来のように粗加工−熱処理−仕上げ加工と長い工程を必要とする。本発明に係る鋼は、なされた焼入れ焼戻し後に切削加工が可能なため、工程の短縮が可能となり、さらに金型のコストダウンが可能となる。また、熱処理による変形や変寸などによる金型寸法の狂いが焼入れ焼戻し後の切削加工を実施することができるため寸法の狂いがない。
【００１０】
先願発明の成分範囲は、質量％で１．１＜Ｃ＜１．３５、Ｓｉ＜０．３０、９．０＜Ｃｒ＜１１．０、６＜Ｃｒ／Ｃ＜１０、Ｍｏ＜１．３５、Ｖ＜０．４５を含有し、一層被削性を改善するには０．０４≦Ｓを添加する必要がある。しかし、１．１５Ｃ−０．１５Ｓｉ−１０Ｃｒ−１．０Ｍｏ−０．２Ｖ−０．０８Ｓでは、ＪＩＳ規格のＳＫＤ１１に比べ、熱処理後の耐摩耗性や焼なまし状態の被削性は良好であるが、焼入れ焼戻し後の被削性は悪い。これを１．２Ｃ−０．２５Ｓｉ−１０Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．３Ｖ−０．４５Ｓとすると、耐摩耗性はもとより焼なまし材や焼入れ後の被削性を著しく改善することが可能である。
【００１１】
焼入れ後の被削性と焼入れ焼戻し後の耐摩耗性を同時に満足する成分範囲は、１．１＜Ｃ＜１．３５、０．１７５＜Ｓｉ＜０．３０、９．０＜Ｃｒ＜１１．０、１．１＜Ｍｏ、０．２５＜Ｖ＜１．２０にする必要がある。より一層被削性を改善するためには０．０４≦Ｓを添加する必要がある。
【００１２】
ここで、本発明における冷間工具鋼、すなわちプレハードン鋼の組成を前記の如く限定している理由について以下に説明する。
【００１３】
Ｃは質量％で１．１０以下、１．３５以上となると著しく被削性と耐摩耗性が悪くなる。望ましくは、Ｃを１．２％とすることで被削性と耐摩耗性を最適にできる（図５および６参照）。
Ｓｉは、０．１７５以下、０．３０以上となると被削性が悪くなる。また、０．１７５以下、０．３５以上となると耐摩耗性が悪くなる。このことから、最適成分範囲は０．１７５＜Ｓｉ＜０．３０と言える（図７および８参照）。
Ｍｎは０．３未満では被削性が悪く、０．３以上を確保する必要がある。望ましくは、０．３５以上である必要がある（図９および１０参照）
Ｃｒは、９未満、１１以上となると被削性と耐摩耗性が悪くなる。最適値は、１０．５であると言える（図１２および１３参照）。
【００１４】
Ｍｏは、１．１未満となると被削性と耐摩耗性が悪くなる。また１．３５を超えると被削性ならびに耐摩耗性はそれ以上向上しないから、製造コストを最低にするためにも最適値は、１．２と言える（図１４および１５参照）。
Ｖは、０．２５以下、１．２以上となると被削性が悪くなる。また耐摩耗性は、０．２未満となると著しく悪くなる。製造コストを最低にするためにも最適値は、０．３であると言える（図１６および１７参照）。
また、Ｖが０．４５を超えると熱処理の時に最大変寸率が大きくなるため好ましくない。Ｖは、結晶粒を微細化し、耐摩耗性を向上させる。そのために必要な下限量は、０．２０質量％以上である。従って、Ｖは０．２０〜０．４５質量％が好ましい。
Ｓは、従来の先願発明と同様に０．０４未満では被削性の改善効果が少ない（図１１参照）。また、０．１７以上となると熱間鍛造性が悪くなるために適切でない。
【００１５】
ところで、合金工具鋼の熱処理において、焼戻しによって残留オーステナイトが完全には分解せず、熱処理条件によってその量は変化するが、大体５〜３０％程度のオーステナイトが残留し、この残留オーステナイトが非常にゆっくりではあるが、分解することによって変寸を生じると思われている（例えば、特開平９−１２５２０４号公報参照）。
【００１６】
この残留オーステナイトを考慮すると、熱処理および硬さは、高硬度での被削性と耐摩耗性を改善するために限定が必要である。耐摩耗性と被削性を同時に考慮した耐摩耗被削性指数＝（発明鋼の被削性／ＳＫＤ１１の同一硬度での被削性）×発明鋼の耐摩耗性の関係式は、
耐摩耗被削性指数＝２５３２９−０．３２５×（硬さ）３
＋２７．０５×（硬さ）２
＋１５．９×（残留オーステナイト％）２
−３２９．９×（残留オーステナイト％）
を満足する必要のあることが、表２に示す実験結果およびその回帰分析による推定式から判明した。なお、高温焼戻し開発鋼２の硬さと耐摩耗被削性指数の関係を表すグラフを図２に示す。この際の実験条件は下記の通りである。
熱  処  理：真空熱処理（窒素冷却）
被削性評価：超硬コーティングエンドミル（２枚刃）２φ
切削速度２３．２ｍ／分、送り量０．００６ｍｍ／刃
切り込み２ｍｍ×０．１ｍｍ  乾式
工具寿命は工具が折損するまでの距離で比較した。
本発明の冷間工具鋼（以後発明鋼と略記する）は、従来鋼ＳＫＤ１１と同等の耐摩耗性を確保し、かつ被削性を改善するためには耐摩耗被削性指数が１８００を越える必要があり、ロックウェル硬度を５２〜６０ＨＲＣの範囲内にすることが重要である。さらに、被削性を２．５倍以上に著しく改善するには、目標を５７ＨＲＣとし、５５〜５９ＨＲＣに制御する必要があることは、表３に示すとおりである。なお、表３に示す性能は、高温焼戻し２回の熱処理により得た。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
【表３】
0003657110.tif 000003
【００１９】
熱処理変寸を最小化するために、残留オーステナイトを２．５％以下に制限することに関して言及するならば、熱処理および硬さは、高硬度での被削性と耐摩耗性を改善するために限定が必要である。さらに、焼入れ後の焼戻し処理を５１０℃以上とし、２回以上繰り返し、残留オーステナイト量を２．５％以下にする場合、耐摩耗性と被削性を同時に考慮した耐摩耗被削性指数＝（発明鋼の被削性／ＳＫＤ１１の同一硬度での被削性）×（発明鋼の耐摩耗性）が硬さとの関係式：耐摩耗被削性指数＝−０．８４０４×（硬さ）３＋１３４．４×（硬さ）２−７１２０×硬さ＋１２５０６９を満足する必要があることが、硬さと耐摩耗性および被削性の関係を表すグラフを示す図３、およびこれを耐摩耗被削性指数と硬さの関係のグラフに整理した図４から判明した。発明鋼は従来鋼ＳＫＤ１１と同等の耐摩耗性を確保し被削性を８０％以上改善するためには、ロックウェル硬度を５４．８〜６０ＨＲＣの範囲内にすることが重要である。さらに被削性を２倍以上に著しく改善するには、目標を５５．９〜５９ＨＲＣに制御する必要がある。
【００２０】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことは、いうまでもない。
テストピースの準備
表１に示す組成（質量％）および組成比で、被削性試験、摩耗試験および熱処理変寸の異方性の試験用テストピースを１７種類作製し、各試験に供した。
【００２１】
基準試料の準備
ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４に規定されているＳＫＤ１１を準備し、各試験の基準試料とした。
【００２２】
上記のようにして準備した試料を用いて、以下の方法で、被削性試験、摩耗性試験および熱処理変寸の異方性の試験を実施した。
【００２３】
被削性試験
焼鈍し材（ＨＲＢ８５〜９８）に下記の条件の熱処理を施した後、ハイスエンドミルで側面切削（径方向切り込み０．５ｍｍ×軸方向１５ｍｍ）を実施し、下記の条件で被削性評価を行った。
熱処理：真空熱処理（窒素冷却）
１０２０℃焼入れ、５００〜５７０℃焼戻し２回
被削性評価：超硬コーティングドリル（１．５φ）
切削速度１０ｍ／分、送り０．１ｍｍ／rev、深さ４．５ｍｍ
切削油  エマルジョン水溶液
工具寿命はＳＫＤ１１の６０ＨＲＣでの工具が折損するまでの寿命を５０として比較した。
【００２４】
摩耗試験
大越式摩耗試験機を使用し、ＳＵＪ２を相手材とし、０．３ｍ／秒で最終荷重６．３ｋｇｆで４００ｍｍ摩耗させ、その時のＳＫＤ１１の摩耗量を１００として、各テストピースの摩耗量を測定した。
【００２５】
熱処理変寸試験
１５０×１２０×２０テストピースを９４０〜１０３０℃にて真空焼入れし、２００〜５５０℃で焼戻を実施して、マイクロメーターにて最も変寸した量を元の大きさで割ったものを最大変寸量（％）とした。
【００２６】
【表１】
0003657110.tif 000004
【００２７】
表１の結果より、被削性試験、摩耗試験および熱処理変寸試験とも、本発明鋼は基準試料と同等またはそれ以上であるが、本発明の範囲をはずれる比較鋼では好結果が得られないことが判る。
また、図１は、表１の被削性試験結果をグラフ化して示すものである。さらに、図５〜図１９は、本発明鋼の元素構成割合または構成比を限定した根拠が妥当であることを示すものである。
【００２８】
次に、図２０に示すコネクティングロッドを作製するための金型を作成するのに使用した工具の本数をＳＫＤ１１と比較して示した。コネクティングロッドの諸元を工具の本数と共に図２０下部に添付一覧表示した。なお、金型用鋼の熱処理条件および被削性評価方法は下記に示す通りである。
熱処理：真空熱処理（窒素冷却）
１０２０℃焼入れ、５００〜５７０℃焼戻し２回
被削性評価：超硬コーティングエンドミル（２枚刃）２φボールエンドミル
工具寿命は金型が製造できるまでの工具本数で比較した。
発明鋼は、ＳＫＤ１１に比べて各硬度において切削加工が極めて容易であることが判る。
【００２９】
また、硬度６０ＨＲＣの発明鋼とＳＫＤ１１の切削マシンとしてＵＸ７５を使用したエアブロー方式の高硬度切削試験を、工具と条件を変えて行なった比較試験を下記に示す。
《Ｎｏ．１》
□工具：超硬ＴｉＮコーティングミルφ４−２枚刃
□条件：Ｓ１２０００  Ｆ２０００  Ｚ切込→４．０  サイド切込→０．２
ＳＫＤ−１１
△切削長→１０００ｍｍ（０．８ｃｍ2）にて破損
発明鋼
△切削長→１６２５ｍｍ（１３ｃｍ2）にて破損      約１．６倍
《Ｎｏ．２》
□工具：超硬ＴｉＮコーティングエンドミルφ６−２枚刃
□条件：Ｓ３０００  Ｆ１０００  Ｚ切込→４．０  サイド切込→０．１
ＳＫＤ−１１
△切削長→１２５０ｍｍ（０．５ｃｍ2）にて破損
発明鋼
△切削長→１００００ｍｍ（４０ｃｍ2）にて消耗      約８０倍
条件によってＫＤ１１Ｓの切削性の良さが変化し何倍（何％）良いとは言えない。但し上記の結果からＨ／Ｔ後の切削性はＳＫＤ１１より良くなるものと確信できる。
【００３０】
さらに、ＷＡ砥石による研磨焼け試験を行なったが、試験条件と本発明鋼とＳＫＤ１１の比較結果を下記に示す。
試験条件
・研磨形態：平面研磨
・砥石材料：ＷＡ（アルミナ）
・と    粒：３２Ａ（粒度４６、結合度Ｊ：結合材ＶＢＥ）
・砥石径  ：２０５×１９．０×３１．７５
・加工距離：１．２ｍ
・切削液  ：水溶性切削油
試験結果
研磨焼けの黙視結果
切り込み量  0.0025mm 0.0050mm 0.0075mm 0.0100mm 0.0170mm
ＳＫＤ１１      ◎        △        ×        ×        ×
発明鋼          ◎        ◎        ◎        ○        △
◎：研磨焼けなし、○：研磨焼けわずかにあり
△：一部研磨焼け、×：全面研磨焼け
【００３１】
なお、発明鋼とＳＫＤ１１のラフィングエンドミルの被削性比較結果を図２１にグラフ化して示す。
切削条件は、下記の通りである。
被削材：焼きなまし材                送り量：０．０１２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
使用機械：ＮＣフライス              切り込み：６ｍｍ
工具：ラフィングエンドミル  ６ｍｍ  切削幅：６ｍｍ溝切削
切削速度：６〜２８ｍ／ｍｉｎ        切削油：乾式
【００３２】
【発明の効果】
以上の通り本発明の冷間工具鋼は、質量％で、Ｃ：１．１０を超え１．３５未満、Ｓｉ：０．２０〜０．３０、Ｍｎ：０．３以上、Ｃｒ：９．０〜１１．０、Ｍｏ：１．１０〜１．３５、Ｖ：０．２０〜０．４５を含有させているので、焼入れ焼戻し後の被削性が良好で、さらにＳを０．０４〜０．１７質量％含有させているので一層改善される。
【００３３】
また、２５３２９−０．３２５×（ロックウェル硬さ）３＋２７．０５×（ロックウェル硬さ）２＋１５．９×（残留オーステナイト％）２−３２９．９×（残留オーステナイト％）で表される耐摩耗被削性指数が、１８００を超えるので、オーステナイトの残留があってもＳＫＤ１１と同等の耐摩耗性を確保すると共に被削性と最大熱処理変寸が向上する。
【００３４】
その上、焼入れ後の焼戻し処理温度を５０５℃以上とし、２回以上繰返し処理を実施し、ロックウェル硬さを５５〜６０ＨＲＣにしたことにより、高硬度での被削性と耐摩耗性が著しく改善し、前記焼戻し処理温度が５１０℃以上であり、ロックウェル硬さが５６〜５９ＨＲＣであることにより、さらに著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＳＫＤ１１と比較した発明鋼と比較鋼の被削性の優劣を示すグラフである。
【図２】  発明鋼の硬さと耐摩耗被削性の関係を示すグラフである。
【図３】  ＳＫＤ１１と残留オーステナイト量２．５質量％以下の発明鋼の被削性および耐摩耗性の硬さとの関係を示すグラフである。
【図４】  図３の発明鋼のグラフを耐摩耗被削性指数と硬さの関係に整理したグラフである。
【図５】  Ｃ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図６】  Ｃ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図７】  Ｓｉ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図８】  Ｓｉ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図９】  Ｍｎ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図１０】  Ｍｎ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図１１】  Ｓ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図１２】  Ｃｒ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図１３】  Ｃｒ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図１４】  Ｍｏ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図１５】  Ｍｏ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図１６】  Ｖ含有量（質量％）と被削性の関係を示すグラフである。
【図１７】  Ｖ含有量（質量％）と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図１８】  Ｃｒ／Ｃの重量比と被削性の関係を示すグラフである。
【図１９】  Ｃｒ／Ｃの重量比と耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【図２０】  コネクティングロッドを作製するための金型の斜視図である。ロッドの作製諸元と金型作製に使用した工具の本数も併せ示す。
【図２１】  ＳＫＤ１１と発明鋼のラフィングエンドミルノの被削性の比較を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0003657110.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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