(57)【要約】【課題】  靱性や疲労強度が低いという問題がなく、粉末冶金による冷間工具鋼のように金型の素材価格が高価でなく、また金型熱処理価格も高価にならない、溶製による冷間工具鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％未満、Ｓｉ：０．６〜１．０％、Ｍｎ：≦０．６％、Ｃｒ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：２．０超〜５．０％、Ｖ：０．０５〜０．３５％未満、Ｎ：＜２５０ｐｐｍを含有し、かつ、Ｋ＝−０．７４Ｃ＋０．２４Ｃｒ＋０．７３（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋２．１２Ｖ…（１）とするとき、Ｋ：３．０〜５．５％を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を、焼入れ温度１０２０〜１０５０℃未満として焼入処理し、かつ、焼戻温度を５００〜６００℃とする焼戻工程を少なくとも２回繰り返して形成した、溶解法で製造した６３ＨＲＣ以上の硬さおよび高靱性を有する冷間加工用の冷間工具鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％未満、Ｓｉ：０．６〜１．０％、Ｍｎ：≦０．６％、Ｃｒ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：２．０超〜５．０％、Ｖ：０．０５〜０．３５％未満、Ｎ：＜２５０ｐｐｍを含有し、かつ、Ｋ＝−０．７４Ｃ＋０．２４Ｃｒ＋０．７３（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋２．１２Ｖ…（１）とするとき、Ｋ：３．０〜５．５％を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を、焼入れ温度１０２０〜１０５０℃未満として焼入処理し、かつ、焼戻温度を５００〜６００℃とする焼戻工程を少なくとも２回繰り返して形成したことを特徴とする溶解法で製造した６３ＨＲＣ以上の硬さを有する冷間加工用として好適な高硬度、高靱性の冷間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造金型、フォーミングロールあるいは転造ダイスなどの使用条件が特に過酷な冷間加工用として好適な高硬度、高靱性冷間工具鋼およびこの冷間工具鋼からなる金型並びに工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷間加工技術の発展に伴って、より高硬度の被加工材を加工したり、その加工量を増大したりするなどにより、冷間加工条件が過酷化している。そのために、冷間工具鋼としては、６３ＨＲＣ以上の硬さがあり、かつ、靭性の高い材料が求められている。更に、経済性の観点から、安価に製造でき、また汎用ダイス鋼と同様の熱処理を行うことで高硬度の工具を得ることが求められている。
【０００３】
６３ＨＲＣを超える硬さの材料を得るために、例えばＪＩＳで規定される高速度工具鋼ＳＫＨや、Ｃ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の合金元素を多量に加えて多量の硬質炭化物を析出させることによって高硬度を得ている鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、これらの鋼には粗大な１次炭化物が多く含有されており、そのために靭性および疲労強度は低い。また、高硬度を得るために、通常ダイス鋼で行われる焼入温度よりも高い１０５０℃以上の温度で焼入れを行い、１次炭化物を固溶させ２次硬化に寄与する炭化物を多量に析出させることを狙いとした鋼種もある（例えば、特許文献２参照。）しかしこの鋼種は、特殊な加熱炉および加熱温度で処理するので、金型の製造コストが高くなる問題がある。
【０００４】
また、１次炭化物の微細化を図って靭性を向上させた粉末冶金法で製造した粉末高速度工具鋼も開発されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この粉末高速度工具鋼（すなわち、粉末ハイス）は値段が高く、また焼入温度が高いために金型の製造コストが高いという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−７３１４２号公報
【特許文献２】特開平０５−１５６４０７号公報
【特許文献３】特開平０５−１６３５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、上述したＪＩＳ規定の高速度工具鋼ＳＫＨや特許文献１のように靱性や疲労強度が低いという問題がなく、さらに粉末高速度工具鋼のような材料自体の価格や金型の熱処理価格が高くない、溶製による新規な冷間工具鋼の鋼材の提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した様な問題を解消するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、請求項に示す合金成分式、および製造条件とすることで、１０２０〜１０５０℃未満で焼入処理を行い、焼戻し後の硬さが６３ＨＲＣ以上となる高硬度で高靭性の鋼が得られることを見出した。
【０００８】
課題を解決するための本発明の手段は、質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％未満、Ｓｉ：０．６〜１．０％、Ｍｎ：≦０．６％、Ｃｒ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：２．０超〜５．０％、Ｖ：０．０５〜０．３５％未満、Ｎ：＜２５０ｐｐｍを含有し、かつ、Ｋ＝−０．７４Ｃ＋０．２４Ｃｒ＋０．７３（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋２．１２Ｖ…（１）とするとき、Ｋ：３．０〜５．５％を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を、焼入れ温度は１０２０〜１０５０℃未満として焼入処理後、続いて、５００〜６００℃で処理する焼戻工程を少なくとも２回繰り返すことにより形成した、溶解法で製造した６３ＨＲＣ以上の硬さを有する冷間加工用として好適な高硬度、高靱性の冷間工具鋼である。
【０００９】
ここで、本発明の上記の手段における冷間工具鋼の化学成分の限定理由、（１）式であるＫ値、焼入れ温度および鋼の硬さについて、以下に説明する。なお、以下における％は質量％を示す。
【００１０】
Ｃ：０．６〜０．９％未満
Ｃは、硬質炭化物を形成し、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性を向上させる元素である。しかし、Ｃが０．６％未満であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｃが０．９％以上であると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、靱性を悪化する。そこで、Ｃは、０．６〜０．９％未満とし、望ましくは０．７〜０．８４％とする。
【００１１】
Ｓｉ：０．６〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤および鋼の基地の硬さを得るために必要な元素である。しかし、Ｓｉが０．６％未満では、これらの効果は得られない。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、鋼の靱性や加工性が悪化する。そこで、Ｓｉは、０．６〜１．０％とし、望ましくは０．７〜０．９％とする。
【００１２】
Ｍｎ：≦０．６％
Ｍｎは、脱酸剤および鋼の焼入性を得るために必要な元素である。しかし、Ｍｎが０．１％未満では、これらの効果は得られない。一方、Ｍｎが０．６％を超えると、鋼のマトリックスを脆化させ、靱性が悪化する。そこで、Ｍｎは、０．６％以下とし、望ましくは０．１〜０．６％とする。
【００１３】
Ｃｒ：５．０〜１０．０％
Ｃｒは、硬質炭化物を形成し、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める元素である。しかし、Ｃｒが５．０％未満であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｃｒが１０．０％を超えると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、鋼の靱性を悪化し、更に軟化抵抗性を悪化する。そこで、Ｃｒは、５．０〜１０．０％とする。
【００１４】
Ｍｏ＋Ｗ／２：２．０超〜５．０％
ＭｏおよびＷは、硬質炭化物を形成し、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性および焼戻軟化抵抗性を高める元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｏ＋Ｗ／２が２．０％超必要である。一方、Ｍｏ＋Ｗ／２が５．０％を超えると粗大な炭化物を形成し、靱性を悪化する。そこで、Ｍｏ＋Ｗ／２は、２．０超〜５．０％とし、望ましくは２．２〜４．０％とする。
【００１５】
Ｖ：０．０５〜０．３５％未満
Ｖは、硬質炭化物を形成し、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果があり、靱性の向上に寄与する元素である。しかし、Ｖが０．０５％未満ではこれらの効果は得られない。一方、Ｖが０．３５％以上では粗大な炭化物を形成し、鋼の靱性を悪化する。そこで、Ｖは、０．０５〜０．３５％未満とし、望ましくは０．１〜０．３４％とする。
【００１６】
Ｎ：２５０ｐｐｍ未満
Ｎは、２５０ｐｐｍ以上含有されると、鋼中に粗大な窒化物を形成して、靱性を悪化する。そこで、Ｎは、２５０ｐｐｍ未満とする。
【００１７】
Ｋ＝−０．７４Ｃ＋０．２４Ｃｒ＋０．７３（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋２．１２Ｖ…（１）とするとき、Ｋ：３．０〜５．５％
Ｋの値は、２次硬化に寄与する２次炭化物を形成する元素の、焼入処理後における固溶状態を表す値である。各化学成分の限定範囲内において、２次炭化物を形成するＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの量に対してＣ量が増えＫの値が低くなり過ぎると、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖが１次炭化物として析出してしまい、焼戻後の２次炭化物量が減る。そのため２次硬化量が減少し、鋼の目的とする硬さが得られなくなる。そこで、鋼の必要な硬さを得るためには、（１）式であるＫの値を３．０％以上とする必要がある。しかし、Ｃ量に対してＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの量が増えＫの値が５．５％より高くなると、固溶するＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの元素が増えることで硬さの低い残留オーステナイトが焼入れ時に過剰に生じ、焼戻し後も分解せずに残存する量が増えるため、鋼の十分な硬さが得られなくなり、また焼戻し後の組織が基地組織と残留オーステナイトが不均一に混ざった組織状態となるため、靭性が低下する。そこで、（１）式であるＫの値は、３．０〜５．５％とし、望ましくは３．５〜５．０％とする。
【００１８】
焼入れ温度は１０２０〜１０５０℃未満
焼入温度が低すぎると、たとえＡｃ3点よりも高い温度であっても、１次炭化物が十分固溶せず２次硬化を起こす元素の固溶量が少なくなるため、焼戻ししても６３ＨＲＣ以上の硬さが得られないため、焼入温度下限を１０２０℃とする。しかし、１０５０℃以上では、利便性が悪化するとともに、熱処理にコストが嵩む。そこで、焼入温度は１０２０〜１０５０℃未満とする。
【００１９】
冷間工具鋼の硬さは６３ＨＲＣ以上
高硬度の鋼材を加工するためには、冷間工具鋼の硬さは少なくとも６３ＨＲＣが必要である。そこで、冷間工具鋼の硬さは６３ＨＲＣ以上とする。
【００２０】
焼戻温度を５００℃〜６００℃とする焼戻工程を少なくとも２回以上
特に耐摩耗性が要求される用途においては、焼入焼戻し処理後、処理温度が４００℃以上の表面硬化処理が施される場合があるため、表面硬化処理時に組織変化を起こさないよう、４００℃以上の高温焼戻しにおいて、所要の硬さを得ることが必要であり、２次硬化が起こる５００℃〜６００℃を焼戻温度で焼戻しを行うこととした。また、焼戻回数が１回のみだと、十分に２次硬化が起こらないため、焼戻し回数は２回以上とした。
【００２１】
また、本発明では、冷間度工具鋼を材料コストのかかる粉末冶金により製造するのではなく、コストの安価な溶解法により製造することでコストを下げるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は上記の手段における化学成分の範囲を、化学成分のうちＣ、Ｃｒ、Ｍｏ＋Ｗ／２、およびＶの関係からなる（１）式のＫの値を３．０〜５．５％の範囲を満足するものとし、かつ、溶解法により、鋼を得て、さらにこの鋼を１０２０〜１０５０℃未満から焼入れし、５００〜６００℃で２回以上焼戻しすることで、高速工具鋼として必要な６３ＨＲＣ以上の硬さと靱性を得ることができ、鍛造金型、フォーミングロールあるいは転造ダイスなどの使用条件の特に過酷な冷間加工用として好適な、高硬度、高靱性の冷間工具鋼およびその鋼材からなる金型並びに工具を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態について、以下に表を参照して説明する。
【００２４】
表１に高速度工具鋼の供試鋼である発明鋼のＡ〜Ｊの９区分と比較鋼のＫ〜Ｘの１４区分のＦｅおよび不可避不純物以外の化学成分およびＫ式の値をそれぞれ示す。これらの表１に示す化学成分およびＫ値を有する鋼成分の９区分の発明鋼および１４区分の比較鋼について、本発明手段の溶解法として、それぞれ１００ｋｇの溶鋼を真空誘導溶解炉にて溶製してそれぞれの鋼を得た。これらの鋼を断面５０ｍｍ2の角材に鍛伸した。次いで、これらの角材を加熱して１０３０℃で３０分保持後、空冷して焼入れし、その後、５００〜６００℃で１時間保持して空冷する焼戻工程を２回繰り返して、焼入焼戻処理を実施した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表２に、上記の溶解法により得られた供試鋼である発明鋼のＡ〜Ｊの９区分と比較鋼のＫ〜Ｘの１４区分の冷間工具鋼について、焼入れ後の残留オーステナイト量、焼入れ後の１次炭化物の面積率、焼戻硬さおよびシャルピー衝撃試験の結果をそれぞれ示す。この表２において、焼入れ後の残留オーステナイト量の測定については、焼入れ後の試料を用いて、Ｘ線回析法により定量した。１次炭化物の面積率の測定は、焼入れ後の試料の切断面を研磨後、１０％ナイタール液で腐食し、２００倍の顕微鏡にてその切断面２ｍｍ2の範囲の画像をコンピューターに取り込み、画像解析ソフトを用いて２０μｍ2以上の炭化物の面積率を求めた。焼戻硬さは５００〜６００℃の焼戻処理の温度範囲で最も高い硬さで評価しており、硬さ測定は、常温でのロックウェルＣスケールで測定した。さらに、シャルピー衝撃試験は、上記の焼入焼戻試料から断面が１０ｍｍ2で長さ５５ｍｍのノッチ幅２ｍｍのＵノッチであるＪＩＳのＺ２２４２：２００５におけるシャルピー試験片を割出し、冷間で衝撃試験を行い、その衝撃値の測定を行った。粉末冶金により製造されたＪＩＳ規格の鋼種であるＳＫＨ５１は６３ＨＲＣで、２５Ｊ／ｃｍ2の衝撃値が得られる。そこで、この２５Ｊ／ｃｍ2の値を基準とし、これと同じかこれより高い衝撃値が得られれば、靱性が良いを示す○で評価し、これより低い衝撃値が得られれば、靱性が悪いを示す×で評価し、表２にそれぞれ示した。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
表１および表２を考察すると、発明鋼ではＮｏ．Ａ〜Ｊのいずれも焼戻硬さは６３ＨＲＣ以上であり、かつ、シャルピー衝撃試験の結果は○であり、したがって衝撃値は２５Ｊ／ｃｍ2以上の高い値であった。これに対して、比較鋼ではＣ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ＋Ｗ／２のいずれかの含有量が請求項の範囲より低いものでは、焼戻硬さが６３ＨＲＣより低く、一方、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ＋Ｗ／２、Ｖのいずれかの含有量が請求項の範囲より高いものでは、発明鋼に比べ１次炭化物が多くなっており、シャルピー衝撃試験の結果は×であり、したがって衝撃値は２５Ｊ／ｃｍ2より低い値で靭性が低いものであった。さらにＫ値が３．０未満の比較鋼では硬さが低く、またＫ値が５．５越の比較鋼では焼戻硬さは６３ＨＲＣより低く、かつ、靱性も低いことがわかる。
【００２９】
すなわち、比較鋼において、Ｎｏ．ＫはＣの含有量が請求項の範囲より高いので、焼戻硬さは６４ＨＲＣと６３ＨＲＣより高いがシャルピー衝撃値は×で２５Ｊ／ｃｍ2より低かった。
Ｎｏ．ＬはＣｒの含有量およびＫ値が請求項の範囲より高いので、１次炭化物や残留オーステナイトが多く、焼戻硬さは６２ＨＲＣと低くシャルピー衝撃値は×であった。
Ｎｏ．ＭはＶの含有量およびＫ値が請求項の範囲より高いので、１次炭化物や残留オーステナイトが多く、焼戻硬さは６２ＨＲＣと低くシャルピー衝撃値は×であった。
Ｎｏ．ＮはＣの含有量が請求項の範囲より低くいので、焼戻硬さは５８ＨＲＣと低いが、シャルピー衝撃値は○で靱性は高かった。
Ｎｏ．ＯはＭｎの含有量が請求項の範囲より高いので、焼戻硬さは６４ＨＲＣと６３ＨＲＣより高いがシャルピー衝撃値は×で２５Ｊ／ｃｍ2より低かった。
Ｎｏ．ＰはＳｉの含有量が請求項の範囲より低いので、焼戻硬さは６２ＨＲＣと低いが、シャルピー衝撃値は○で靱性は高かった。
Ｎｏ．ＱはＳｉの含有量が請求項の範囲より高いので、シャルピー衝撃値は×で靱性は低かった。
Ｎｏ．ＲはＣｒの含有量が請求項の範囲より低く、Ｋ値が請求項の範囲より低いので、焼戻硬さは６２ＨＲＣと低いが、シャルピー衝撃値は○であった。
Ｎｏ．ＳはＮの含有量が請求項の範囲より高いので、シャルピー衝撃値は×であった。
Ｎｏ．ＴはＣ、Ｓｉ、ＣｒおよびＭｏ＋１／２Ｗの含有量が請求項の範囲より低く、Ｋ値が請求項の範囲より低いので、焼戻硬さは５７ＨＲＣと低いが、シャルピー衝撃値は○であった。
Ｎｏ．ＵはＣおよびＶの含有量が請求項の範囲より高いので、１次炭化物が多く、シャルピー衝撃値は×であった。
Ｎｏ．ＶはＶの含有量が請求項の範囲より高いので、１次炭化物が多く、シャルピー衝撃値は×であった。
Ｎｏ．ＷはＫ値が請求項の範囲より低いので、焼戻硬さは６２ＨＲＣと低いが、シャルピー衝撃値は○であった。
Ｎｏ．ＸはＫ値が請求項の範囲より高いので、残留オーステナイトおよび１次炭化物が多く、焼戻硬さ６１ＨＲＣと低くシャルピー衝撃値は×であった。