(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｃｒ：１．０〜３．０％、
Ｖ：０．２〜０．６％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｍｏ，Ｗの１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で０．２〜２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を５００℃以上で焼戻しを行うことにより、その硬さが３６〜４２ＨＲＣでプリハードンで使用することを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の成分組成に、さらにＮｉ：０．３〜１．１％、Ｃｏ：０．２〜１．０％の１種または２種を添加したことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【請求項３】
請求項１〜２に記載の成分組成に、さらに、
Ｓ：０．１０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｐｂ：０．０３０〜０．２０％、
Ｔｅ：０．０１０〜０．０５０％、
Ｃａ：０．０００３〜０．０２０％、
Ｂｉ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｅ：０．０１０〜０．１０％
の１種または２種以上を添加したことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の成分組成に、さらにＡｌ：０．０５％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０５０％以下としたことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間加工用金型に用いる溶接性に優れた熱間工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間鍛造金型、押出しダイス等には、ＳＫＤ６１，ＳＫＴ４やそれらの改良鋼が使用されている。これらを使用する際、耐摩耗性を付与する目的で、窒化、ＰＶＤ、ＣＶＤ等により表面処理を行うことが多い。しかし、表面改質層は硬質ではあるが非常に脆いため割れ・欠けが生じ易く金型の大割れの原因になり、逆に金型寿命を低下させることもある。
【０００３】
これに対し、ＳＫＤ６１，ＳＫＴ４やそれらの改良鋼の金型表面全体または金型の摩耗が激しい部位のみに、耐熱性および耐摩耗性に優れたＦｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金等の肉盛溶接材および肉盛溶接用粉末材等を肉盛溶接することにより、金型の寿命を改善する手法が用いられているが、これら従来鋼はＣ含有量が多いために、溶接時の急速加熱および溶接後の急冷により溶接部近傍の型材は一部焼入れ状態となるため、硬化され脆くなり溶接割れを引き起こす。また、溶接による熱影響部（ＨＡＺ）に高い残留応力が発生し、鍛造金型として使用中にこれが起因して割れが発生することがある。さらには、金型母材と本来使用したい肉盛材とを冶金的に継ぐ層を形成するため、緩衝材としての下盛り溶接が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の金型鋼では、溶接割れを生じる危険性が高い。さらに、下盛り溶接が必要である分、密着強度が悪く、また溶接工数および溶接費用が高い。また、金型の一部に肉盛溶接を行う場合では、下盛り溶接を行う分だけ余分に金型母材を研削する必要が生じ、加工時間、費用が掛かるという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述したような従来の問題を解消するために、本発明者らは、鋭意開発を進めた結果、適正な成分設計を行うことにより、溶接時の金型母材の割れを抑制し、下盛り溶接を必要とせず金型母材に目的とする溶接材を直接肉盛溶接することが可能とする溶接性に優れた工具鋼にある。また、金型として使用する前に予め耐熱性および耐摩耗性または靱性に優れた材質を肉盛溶接することを前提としているため、金型母材には必要以上の硬さ、耐摩耗性は不要であり、金型の割れやヒートチェックの抑制のために靱性を重視した成分設計が成されたものである。
【０００６】
その発明の要旨とするところは、
（１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５％未満、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．２〜０．６％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｍｏ，Ｗの１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で０．２〜２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を５００℃以上で焼戻しを行うことにより、その硬さが３６〜４２ＨＲＣでプリハードンで使用することを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【０００７】
（２）前記（１）に記載の成分組成に、さらにＮｉ：０．３〜１．１％、Ｃｏ：０．２〜１．０％の１種または２種を添加したことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
（３）前記（１）〜（２）に記載の成分組成に、さらに、Ｓ：０．１０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｐｂ：０．０３０〜０．２０％、Ｔｅ：０．０１０〜０．０５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．１０％、Ｓｅ：０．０１０〜０．１０％の１種または２種以上を添加したことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼。
【０００８】
（４）前記（１）〜（３）に記載の成分組成に、さらにＡｌ：０．０５％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０５０％以下としたことを特徴とする溶接性に優れた熱間工具鋼にある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。まず、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、焼入れ焼戻しにより十分なマトリックス硬さを与え、金型に必要な強度を付与するための元素である。しかし、０．１％未満では金型として必要な強度が得られず金型の変形を招き、プリハードンにて使用する際の３６〜４２ＨＲＣの硬さが得られず、０．３％を超えると溶接性が低下し溶接時に下盛りが必要になり、プリハードンした際に炭化物生成元素と結合し４２ＨＲＣを超える硬さとなり型加工が困難となる。ただし、より溶接性を高位水準に保つためには、０．１０％以上０．２５％未満とするのが望ましい。
【００１０】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは脱酸剤として添加されると共に、耐酸化性、焼入性に有効であり、焼戻し過程において炭化物の凝集を抑え二次硬化を促進する。しかし、過剰に添加すると溶接性が低下し、靱性、耐ヒートチェック性も低下するので、１．０％以下、好ましくは０．５％未満とする。
Ｍｎ：１．０％以下
ＭｎはＳｉと同様に、脱酸剤として鋼の清浄度を高め、焼入性を高める元素である。また、Ｓと結合し、被削性を向上させる。１．０％を超えると溶接性、靱性を低下させる。従って、上限を１．０％以下とした。
【００１１】
Ｃｒ：１．０〜３．０％
Ｃｒはマトリックスに固溶して焼入性を高め、焼戻し時に微細な炭化物を形成し硬さを確保する。しかし、１．０％未満では効果が得られず、２．５％を超えると炭化物が凝集し靱性を低下させる。従って、その範囲を１．０〜３．０％とした。なお、１．０％以上２．６％未満がより好ましい。
【００１２】
Ｖ：０．２〜０．６％
Ｖは安定な炭化物を形成し硬さを寄与し焼戻し軟化抵抗性を高め、結晶粒微細化効果が大きく靱性を向上させる。特に、肉盛溶接における熱影響部（ＨＡＺ）の結晶粒粗大化を抑制し、ＨＡＺの靱性を高位水準に保ち溶接割れを抑制するのに有効である。さらに、金型として使用中にＨＡＺからの割れを抑制するのにも有効である。０．２％未満では上記の硬化が小さく、０．６％を超えると炭化物の凝集により靱性が低下する。なお、好ましくは０．３〜０．６％とする。
【００１３】
Ｍｏ，Ｗの１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で０．２〜２．０％Ｍｏ，Ｗは微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与し、軟化抵抗性を改善し、耐ヒートチェック性を向上させる元素であり、その効果はＭｏがＷの２倍ある。Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で０．２％未満ではその効果が不十分であり、２．０％以上含有すると靱性の低下を招く。従って、その範囲を０．２〜２．０％とした。
【００１４】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｎｂは安定な炭化物を形成し硬さを寄与し焼戻し軟化抵抗性を高め、結晶粒微細化効果が大きく靱性を向上させる。特に、肉盛溶接における熱影響部（ＨＡＺ）の結晶粒粗大化を抑制し、ＨＡＺの靱性を高位水準に保ち溶接割れを抑制するのに有効である。さらに、金型として使用中にＨＡＺからの割れを抑制するのにも有効である。Ｖよりもその効果は大きく、０．０１％以上の添加が有効であり、０．１０％を超えると逆に靱性が低下する。
【００１５】
Ｎｉ：０．３〜１．１％
Ｎｉはマトリックス自体の靱性を高める元素である。しかし、０．３％未満では効果がなく、１．１％を超えて添加しても効果が飽和する。従って、その範囲を０．３〜１．１％とした。
Ｃｏ：０．２〜１．０％
Ｃｏは焼戻しによる炭化物の凝集粗大化を抑制し、軟化抵抗性を高める。これらの効果を得るには０．２％が必要であり、１．０％を超えて添加すると靱性が低下する。従って、その範囲を０．２〜１．０％とした。
【００１６】
Ｓ：０．１０％以下
ＳはＭｎと結合して被削性を付与する元素である。必要に応じて添加するが、０．１０％を超えて添加すると靱性、熱間加工性および耐ヒートチェック性が低下する。従って、その上限を０．１０％とした。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは被削性を向上する元素である。しかし、含有量が少ないと効果が得られず、あまり多量に添加すると靱性が低下し、また本発明に重要な溶接性を低下させる。従って、その上限を０．０３０％とした。
【００１７】
Ｐｂ：０．０３０〜０．２０％、Ｔｅ：０．０１０〜０．０５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．１０％、Ｓｅ：０．０１０〜０．１０％の１種または２種以上
Ｐｂ，Ｔｅ，Ｃａ，Ｂｉ，Ｓｅはいずれも被削性を向上する元素である。必要に応じて添加するが、しかし、含有量が少ないと上記の効果が得られず、逆に多量に添加すると靱性および耐ヒートチェック性が低下するとともに地疵の発生を招く。
【００１８】
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは脱酸剤として添加される。過剰に添加すると靱性が低下するため、上限を０．０５％とする。
Ｏ：０．００５０％以下
Ｏは鋼中に過剰に存在すると粗大な酸化物を形成し、靱性および被削性を低下させるため、上限を０．００５０％とする。
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは鋼中に過剰に存在すると溶接性を低下させるため、上限を０．００５０％とする。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明を実施例によって具体的に説明する。
表１に示した本発明鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉にて出鋼し、平均径２００ｍｍの鋳塊に鋳込み、これを鍛伸して供試材とした。各特性試験としての溶接性試験については、表２に示す溶接条件にて角５０ｍｍ×１００ｍｍ長さの試験片の開先部に溶接材料を肉盛溶接し、その後、試験片溶接部の断面を観察した。
また、機械特性としては、機械的特性評価方法とし靱性については、２ｍｍ−Ｕノッチ試験片（試験片硬さが４２ＨＲＣのもの）によるシャルピー衝撃試験、また、軟化抵抗性については、６００℃にて３０時間保持、空冷後の硬さ（初期硬さ：４２ＨＲＣ）さらに、被削性については、４０ＨＲＣ材をエンドミルで３ｍ切削した時のエンドミルの逃げ面摩耗幅を求めた。その結果を表３に示す。表３に示すように、供試材Ａ〜Ｇの本発明鋼はいずれも溶接性試験において割れがなく、靱性、軟化抵抗性に優れているに対して、比較鋼であるＨ，Ｉのいずれも割れの発生し、靱性、軟化抵抗性にも劣ることが判る。また、本発明鋼は、比較鋼と同等以上の被削性を有することが判る。
【００２０】
【表１】
0003566162.tif 000002
【００２１】
【表２】
0003566162.tif 000003
【００２２】
【表３】
0003566162.tif 000004
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により溶接性に優れ、肉盛溶接工数を削減することによる低コストで高寿命な肉盛補強金型の製造を可能にせしめた金型用鋼を提供することが出来る極めて優れた効果を奏するものである。