(57)【要約】【課題】  冷間プレス金型として必要な硬度および耐摩耗性を確保して、高価な元素の使用量を極力削減して安価な冷間プレス金型用の冷間工具鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．７８〜０．９０％、Ｓｉ：０．６０超〜０．９０％、Ｍｎ：０．３５〜０．４５％、Ｃｒ：６．００〜９．００％、Ｍｏ：０．５５〜０．６５％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、式（１）の［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、冷間プレスなどの成形用金型などに用いる省合金の冷間工具鋼である。ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量で、質量％を示す。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．７８〜０．９０％、Ｓｉ：０．６０超〜０．９０％、Ｍｎ：０．３５〜０．４５％、Ｃｒ：６．００〜９．００％、Ｍｏ：０．５５〜０．６５％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、式（１）の［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする省合金の冷間工具鋼。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量で、質量％を示す。
【請求項２】
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする省合金の冷間工具鋼。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量で、質量％を示す。
【請求項３】
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、さらにＶ≦０．１０％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする省合金の冷間工具鋼。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量で、質量％を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は冷間プレスなどの成形用金型などに用いる冷間工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷間プレスなどの成型用金型には、ＪＩＳに記載されたＳＫＤ１１あるいはＡＩＳＩで規格化されているＤ２などの冷間金型用工具鋼が多用されている。これらの冷間金型用工具鋼は、鋼中に１．５％前後のＣと１２％前後のＣｒを添加することにより、粗大なＭ7Ｃ3一次炭化物を形成し、優れた耐摩耗性を発揮する鋼材となっている。一方、これらの鋼材は一次炭化物を多量に含むことが原因で、靭性が悪い。
【０００３】
そこで、鋼材の靱性が悪化することを阻止する対策として、この鋼の組成を低Ｃ、低Ｃｒ化することにより、一次炭化物の形成量を減少して、靭性を向上を図った冷間工具鋼が開発され、この鋼からなる鋼材が広く適用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に係る発明の冷間工具鋼では、化学成分の最適化とともに、炭化物や炭化物凝集のサイズを規制した鋼材のマルテンサイト組織に、体積で５〜２０％の残留オーステナイトを残存させることにより、十分な疲労特性を確保し、耐摩耗性を劣化させない程度の炭化物量を鋼中に分布させることで、安定して長い金型平均寿命が得られる優れた冷間工具鋼である。
【０００５】
しかし、この冷間工具鋼は、焼戻しにより析出する炭化物を利用して硬度および耐摩耗性を得ることを目的として、Ｖ当量としてのＶ＋１／２Ｎｂを０．１〜２．５％（実施例では最少０．５％）およびＭｏ当量としてのＭｏ＋１／２Ｗを０．５〜５．０％（実施例では最少１．８％）を含有しており、この冷間工具鋼からなる金型寿命は長寿命で安定しているが、しかしながら、この冷間工具鋼は希少元素であるＭｏ、Ｗ、ＶおよびＮｂを比較的多く添加しているため、鋼材費用が高くなる問題がある。
【０００６】
さらに、従来技術として、溶接性および被削性に優れた工具鋼からなる工具や金型が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、仕上げ加工を省略して少ない処理回数の熱処理を行うだけで高い寸法精度とできる冷間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。また、焼入れ後の歪取りの仕上げ加工が省略でき、かつ金型として必要なＨＲＣ５５以上の硬さが得られる熱処理定歪み冷間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。さらに、焼入焼戻しによる寸法変化が等方的である合金工具鋼が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。しかしながら、これらのいずれの特許文献にも、合金元素量の関係が十分に考慮されて記載されていない。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２９５２号公報
【特許文献２】特開２００１−２００４１号公報
【特許文献３】特開２００１−１７２７４８ 号公報
【特許文献４】特開２００２−１６７６４４号公報
【特許文献５】特開２００９−１３２９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
工業製品には、一般的に大量生産品と多品種少量生産品が混在する。しかしながら、生活様式の多様化に伴う製品デザインの変遷の短期化や種類の増大によって、工業製品の多品種少量生産への傾倒が謳われて久しい。各種製造業はその傾向に追従する結果、製造コストの低減目的として、従来は長寿命が得られる金型材料が求められてきたが、昨今では必要最低限の特性を有した低価格な金型材料の要望が拡大している。そこで、冷間プレス用の金型材料である冷間工具鋼においては、前記要望に応えるために、金型製造費用と工期の削減を目的として、被削性の改善や焼入焼戻し後の変形の低減や変寸の低減を狙った開発も進められてきた。しかし、それらの多くは、冷間プレス用途としての特性、特に耐摩耗性や、耐焼付き性を維持および向上させるために、高価な希少元素を多く含有している場合が多く、結果として十分な金型費用の削減に貢献できるものになっていない。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷間プレス金型として必要な硬度や、耐摩耗性を確保した上で、金型材料の費用を増大させる高価な元素の使用量を極力削減することで、安価な冷間プレス金型用の冷間工具鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．７８〜０．９０％、Ｓｉ：０．６０超〜０．９０％、Ｍｎ：０．３５〜０．４５％、Ｃｒ：６．００〜９．００％、Ｍｏ：０．５５〜０．６５％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、式（１）の［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする省合金の冷間工具鋼である。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量であり、質量％を示す。
【００１１】
第２の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、式（１）の［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする省合金の冷間工具鋼である。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量であり、質量％を示す。
【００１２】
第３の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｓ≦０．１２０％を含有し、さらにＶ≦０．１０％を含有し、焼入れ状態のマトリックスの化学組成が、式（１）の［％Ｍｏ］2＋０．２×［％Ｍｏ］−０．０５×［％Ｃｒ］≧０であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする省合金の冷間工具鋼である。
ただし、上記の［％元素］は焼入れ状態のマトリックスを構成する合金元素量であり、質量％を示す。
【００１３】
ここで、本願の請求項１および請求項２に係る発明である冷間工具鋼の化学成分の限定理由を以下に記載する。なお、化学成分の％は質量％によるものでる。
【００１４】
Ｃ：０．７８〜０．９０％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物を形成させることで、硬さや耐摩耗性を得るための元素である。Ｃが０．７８％未満であると十分な硬さや耐摩耗性が得られない。Ｃが０．９０％より多いと、凝固偏析を助長し、靱性を阻害する。そこで、Ｃは０．７８〜０．９０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．６０超〜０．９０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果および鋼の焼入性を確保するための元素である。Ｓｉが０．６０％以下では、これらの効果が得られない。Ｓｉが０．９０％より多すぎると、靱性を低下する。そこで、Ｓｉは０．６０超〜０．９０％とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．３５〜０．４５％
Ｍｎは、焼入性の確保に必要な元素租である。Ｍｎが０．３５％未満では、焼入性の確保に不十分である。Ｍｎが０．４５％より過剰に添加されると、加工性を低下する。そこで、Ｍｎは０．３５〜０．４５％とする。
【００１７】
Ｃｒ：６．００〜９．００％
Ｃｒは、焼入性を改善する元素で、炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する元素である。Ｃｒが６．００％未満では、特に焼入性が低下することで、熱処理設備能力（炉内の均熱帯容積、冷却能など）や熱処理技術が劣る場合は適正な組織や硬さを担保できない。Ｃｒが９．００％より多すぎると、凝固時に粗大な一次炭化物が過剰に形成され、靱性および熱処理変寸特性を低下させる。また、焼戻し時に析出する炭化物組成はＣｒとＭｏの添加量バランスで変化するため、たとえ、Ｃｒが６．００〜９．００％であっても、式（１）を満足する必要がある。
【００１８】
Ｍｏ：０．５５〜０．６５％
Ｍｏは、焼入性と二次硬化や耐摩耗性に寄与する元素である。Ｍｏが０．５５％より少ないと、焼入性と二次硬化や耐摩耗の効果が得られない。Ｍｏが０．６５％より過剰に添加しても、効果が飽和するばかりか、偏析を助長し、炭化物が粗大凝集することによって磁性を低下させる。さらにコストが嵩む。そこで、Ｍｏは０．５５〜０．６５％とする。
【００１９】
Ｓ：０．１２０％以下
Ｓは鋼材の被削性を改善する元素である。Ｓは製鋼の過程でＭｎと結合してＭｎＳを形成する。このＭｎＳが切削加工の際の破壊の起点になることで、鋼材の被削性を高め、切削加工費用の削減に寄与する。ただし、同時に、鋼材の靱性を低下させる要因にもなることから、過剰な添加は金型としての機能を大幅に損なうことになるので、上限を０．１２０％として添加してもよい。
【００２０】
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、炭化物を形成して硬度と耐摩耗性の向上に寄与するが、稀少元素の一つであるためコスト高になる。本発明においては、積極添加は不要であるが、スクラップなどの原材料中に含まれている場合もある。無添加にするために原材料を特別管理すると、かえってコスト高になることから、０．１０％以下の含有は許容する。
【００２１】
次いで、本願発明の実施の形態について、表を参照して以下に記載する。本発明鋼をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨおよびＩの９種の例とし、そのＦｅおよび不可避的不純物を除く合金組成を質量％で示し、表１としている。また、本発明鋼の比較鋼をａ１、ａ２、ｂ１、ｄ１、ｃ１、ｃ２、ｅ１、ｅ２、ｆ１、ｆ２、ｇ１、ｇ２、ｄ２、ｈ１、ｉ１の１５種の例とし、そのＦｅおよび不可避的不純物を除く合金組成を質量％で示している。
【００２２】
次いで、本願請求項の焼入れ状態のマトリックスの化学組成であるＣｒおよびＭｏの限定式である式（１）の値をＱ値とするとき、本発明に係る請求項１のＱ値≧０を満足する。このＱ値≧０の限定理由について説明する。
【００２３】
このＱ値≧０は、本願発明に係る化学成分とＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を１０３０℃から焼入れ後４９０〜５１０℃で焼戻しをした場合において、いずれかの焼戻しで６０ＨＲＣ以上の鋼材とするために必要な値である。ところで、焼戻し時には、炭化物が析出する。しかし、この炭化物の種類は焼入焼戻し硬さに多大の影響をおよぼし、特にＭｏは焼入焼戻し硬さの向上に有効である。そこで、Ｍｏ主体の炭化物を効果的に析出させるためには、本発明の範囲内においては、Ｍｏの添加量に加えてＭｏとＣｒとの添加量の関係を制御する必要がある。そこで、式（１）の値であるＱ値≧０とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、ＣｒとＭｏの添加量バランスに配慮することで、高価なＭｏの添加量を最小限に抑え、同様に高価な元素であるＶについては積極的な添加を必要とすることなく、冷間プレス金型などの冷間成形用工具として必要な特性を有する冷間金型用鋼を、比較的に低価格で製造できる。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。表１に記載する本発明鋼の９種の組成の鋼と比較鋼の１５種の組成の鋼のそれぞれ１トンを、真空溶解炉を用いて溶製してインゴットに造塊した。当該インゴットを１１２５℃に加熱して、熱間鍛造により鍛練成形比が凡そ６Ｓとなる厚さが１０５ｍｍで幅が２１５ｍｍの鋼材を製造した。
【００２６】
【表１】
2014145100.tif 000002
【００２７】
表１において、注１として、本発明鋼は、合金組成の元素以外にＦｅと不可避不純物を含有する。なお、表１の合金組成（質量％）の欄のハイフンは含有する元素が検出されなかったことを示し、ハイフン以外の数値は各元素の質量％で示す量である。
さらに表１において、注２として、Ｑ値の欄の各数値は焼入れ状態のマトリックスを構成する元素であるＣｒおよびＭｏの限定式である式（１）の値を示している。
【００２８】
本発明の表１に示す化学成分を含有する上記で製造した鋼材を、厚さ２５ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのブロックとし、加熱炉で１０３０℃で３０分間かけて均熱処理した後に、加熱炉から取り出して室温中に放置する空冷により焼入れした。その後、４９０〜５１０℃の範囲で６０分保持する焼戻しを２回繰り返した。なお、表１における焼入れマトリックスの合金組成は、市販の熱力学平衡計算ソフトを用いて算出した。焼入れ加熱温度、つまりオーステナイト化温度は冷間工具鋼として汎用の１０３０℃に設定した。
【００２９】
表２に、本発明鋼と比較鋼の焼入焼戻し硬さ、耐摩耗性、靱性および加工性について示す。
【００３０】
【表２】
2014145100.tif 000003
【００３１】
表２の焼入焼戻し硬さは、上記の焼入および２回の焼戻しを行った鋼材の試料を、中央部で切断して得た切断面を測定面とし、これらの測定面の熱影響層と、その反対面の表面にあるスケール層を平面研磨機にて除去して平行精度を高めた後、ロックウェル硬度計にて上記切断面の硬さを測定した値である。なお、表２中の焼入焼戻し硬さの測定値（ＨＲＣで示す。）はそれぞれの鋼材で得られた最高の硬さを示しており、その時の焼戻しの温度を焼戻温度（℃）として示している。
【００３２】
さらに表２の耐摩耗性の比摩耗量は、大越式迅速摩耗試験による比摩耗量（ｍｍ3／Ｎ・ｍｍ）を評価した。これは、各鋼材の中周部から、幅１０ｍｍ、厚さ２８ｍｍ、長さ６０ｍｍの試験片鋼材を、幅１０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの面が鋼材の鍛伸方向と垂直方向になるように採取し、この採取した素材を１０３０℃で３０分均熱した後に、空冷による焼入れを施し、４９０〜５１０℃の焼戻温度にて、最高硬さに調質した。その後、該素材を幅７ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、長さ５０ｍｍに仕上げ加工し、厚さ２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの面を試験面とする試験片とした。
一方、硬さが８６ＨＲＢであるＪＩＳ規格のクロムモリブデン鋼のＳＣＭ４２０からなるリング材を試験片の相手材とし、この相手材であるリング材を、最終荷重６１．８Ｎ、すべり速度２．４ｍ／ｓ、摩擦距離２００ｍの条件で、試験片と摩擦させ、試験後の比摩耗量を評価の指標とした。
【００３３】
表２の靱性は、シャルピー衝撃試験により破壊に要したエネルギーで評価した。この試験では、各鋼材の中心部から、鍛伸方向に対して、垂直方向が試験片の長さ方向になるように、１辺が１２ｍｍ四方で長さが６０ｍｍの試験片素材を採取した。これらの試験片素材を１０３０℃で３０分間の均熱を行った後、空冷により焼入れを施すことで、ＨＲＣ５８〜６０に調質した。さらにその後、これらの素材を１辺が１０ｍｍ四方で長さが５５ｍｍの角柱に仕上げ加工し、鍛伸方向に垂直となる面にノッチ半径１０ｍｍ、深さ２ｍｍのＣノッチを加工して試験片としたものを用いてシャルピー衝撃試験を行った。衝撃試験値は破壊に要した衝撃エネルギーを試験片断面積で除した値であり、表２では、単位をＪ／ｃｍ2で示している。
【００３４】
表２の加工性の評価は、熱間での圧縮試験により評価した。これは各鋼材の焼なまし材の中心部より、直径が６ｍｍで長さが９ｍｍの円柱試験片を割出し、１１７５℃に加熱した状態で、１００ｍｍ／ｓの加工速度により加工率７０％の圧縮を行った時の、試験片の割れ発生有無により評価した。○は割れ発生がないものであり、×は割れを生じたものである。
【００３５】
表２において、本発明鋼の記号のＡ〜Ｉの９種は、いずれも焼入焼戻し硬さはＨＲＣ６０．２以上、耐摩耗性は比摩耗量が２．７×１０-7ｍ3／Ｎ・ｍｍ以下、靱性は１０Ｒ−Ｃ衝撃値が２０．２Ｊ／ｃｍ2以上であり、したがって、これらは十分な焼入焼戻し硬さ、耐摩耗性を有し、かつ高い靱性を兼備している。これらの本発明鋼の記号のＡ〜Ｉの９種は、ＣｒとＭｏの添加量バランスに配慮することで、高価なＭｏの添加量を最小限に抑え、同様に高価な元素であるＶについては積極的な添加を必要とせずとも、これらの鋼は、冷間プレス金型などの冷間成形用工具として必要な表２に示す特性を発現できることにより、比較的に安価な冷間工具鋼を需要企業に提供することが可能となった。