(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜１３．０％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｗ：１．０〜８．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜１．０％、Ｃｏ：３．０３〜１０．０％、Ｂ：０．００３〜０．０４％、Ｎ：０．００５〜０．０４％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるとともに、Ｃｏ含有量とＷ含有量との合計が５．０％以上であり、Ｂ含有量とＮ含有量との比Ｂ／Ｎが０．２〜１．０の範囲にあり、かつ、Ｂ含有量とＮ含有量との合計Ｂ＋Ｎが０．０５％以下であることを特徴とする熱間工具鋼
【請求項２】
成分としてさらに、重量％で、ＲＥＭ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％、Ｃａ：０．００１〜０．０５％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の熱間工具鋼
【請求項３】
Ｆｅを除く全ての合金元素の添加量の合計が１５．０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間工具鋼
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の熱間工具鋼からなることを特徴とする鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型、押出しダイスなどの高温用部材
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高温で使用される熱間工具鋼、およびその熱間工具鋼からなる鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型、押出しダイスなどに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムおよびアルミニウムを主成分とする合金やマグネシウムおよびマグネシウムを主成分とする合金などのような軽金属および軽金属を主成分とする合金（以下、単に軽金属と称す）、あるいは鉛および鉛を主成分とする合金や錫あるいは錫を主成分とする合金などのような低融点金属および低融点金属を主成分とする合金（以下、単に低融点金属と称す）などを鋳造法により製造する際に、高温に曝される鋳造用金型あるいは鋳造機用構造部材として、５％Ｃｒ系のＪＩＳ−ＳＫＤＪ６１鋼が採用されてきた。また、最近、それらの軽金属や低融点金属などの製造に射出成形機を利用する方法も行われるようになってきたが、その際にも射出成形機金型あるいは射出成形機構造部材として、同様にＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼が採用されている。さらに、鉄鋼材料などの熱間鍛造用金型としても、一般に、ＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼が採用されてきた。
【０００３】
このような用途にＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼を用いた場合には種々の要因により寿命に至るが、その要因として大きく分けて以下の３つが挙げられる。第一の要因は、高温での長時間使用に伴う軟化である。ＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼は焼戻しマルテンサイト中に微細に炭化物を分散させて強化を図っているが、高温で長時間使用すると転位の回復や炭化物の凝集・粗大化などが生じるために、当初の材料特性を維持することはできずに徐々に軟化してしまうからである。第二の要因はヒートチェックと呼ばれる割れである。ヒートチェックとは材料表面に生じる亀甲状の割れのことであり、急激な加熱および冷却サイクルの繰り返しに起因して生じると言われている。第三の要因は溶損現象である。溶融状態の金属あるいは合金は非常に反応性に富むために、材料表面に接触した場合には材料表面は反応により徐々に変質・消耗するからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来使用されているＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼には、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性が不充分であるために、早期に寿命に至る場合があるという問題点がある。本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性に優れた熱間工具鋼およびその熱間工具鋼からなる高温用部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明者らはＳＫＤ６１鋼をベースとする多くの試験材を用いて、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性に及ぼす合金元素の影響に関する詳細な調査を実施した。その結果、合金元素の添加量のバランスを適正化することにより、これらの各特性についてＳＫＤ６１鋼を遥かに凌ぐ新規な合金組成を見いだし、本発明に至った。
【０００６】
すなわち、本発明のうちの第１の発明は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜１３．０％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｗ：１．０〜８．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜１．０％、Ｃｏ：３．０３〜１０．０％、Ｂ：０．００３〜０．０４％、Ｎ：０．００５〜０．０４％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるとともに、Ｃｏ含有量とＷ含有量との合計が５．０％以上であり、Ｂ含有量とＮ含有量との比Ｂ／Ｎが０．２〜１．０の範囲にあり、かつ、Ｂ含有量とＮ含有量との合計Ｂ＋Ｎが０．０５％以下であることを特徴とする熱間工具鋼である。
第２の発明は、第１の発明において、成分としてさらに、重量％で、ＲＥＭ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％、Ｃａ：０．００１〜０．０５％の１種以上を含有することを特徴とする。
第３の発明は、第１あるいは第２の発明において、Ｆｅを除く全ての合金元素の添加量の合計が１５．０％以上であることを特徴とする。
第４の発明は、鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型、押出しダイスなどの高温用部材が、第１、２または第３の発明の熱間工具鋼からなることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
以下、本発明における成分の限定範囲について詳細に説明する。
【０００８】
Ｃは、マトリクス中に固溶してマルテンサイト変態を促進する元素であり、焼き入れ性の確保のためには不可欠の元素である。同時に、合金中のＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂなどと結合して炭化物を形成して、高温強度を高めるためにも不可欠の元素である。即ち、熱間工具鋼として最低限必要である強度、硬さ、耐摩耗性などを保証するためには必須の元素である。その効果を発揮させるためには、最低０．１５％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量は炭化物の過度の粗大化を招き易くなり、高温強度の低下をもたらすために、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は０．１５〜０．５０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．１５％、上限を０．４０％にするのが望ましい。
【０００９】
Ｓｉは、合金の溶解・製錬を行う際に、脱酸元素として使用され、その結果、不純物として不可避的に含有することになる。しかし、Ｓｉは、炭化物の粗大化を促進したり、ラーベス相と呼ばれる金属間化合物を形成して、合金の靱性を著しく低下する。従って、極力低下することが望ましく、Ｓｉの含有量を０．５％以下に限定する。なお、同様の理由で、上限を０．３％とするのが望ましい。
【００１０】
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸元素として有益な元素であり、焼入性の向上にも寄与する元素である。しかしながら、多過ぎる添加量は靱性の劣化を招いたり、高温強度を低下させることにより、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は１．５％以下に限定する。なお、同様の理由で、上限を１．０％とするのが望ましい。
【００１１】
Ｎｉは、靱性を向上させたり、焼入性を高めたり、δフェライト生成を抑制するためには有効な添加元素である。しかしながら、多過ぎる添加量は高温での組織安定性の劣化を招くために、経時変化を生じ易くなり、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は１．５％以下に限定する。なお、同様の理由で、上限を１．０％とするのが望ましい。
【００１２】
Ｃｒは、耐酸化性や高温での耐食性を確保すると共に、Ｃと結合して炭化物を形成することにより合金の強度を高めるために、熱間工具鋼には必要不可欠の添加元素である。さらに、溶融金属に対する安定性が高いために、合金の耐溶損特性を向上させる。その効果を発揮させるためには、最低３．０％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量はδフェライトの生成を促進して、靱性の低下や高温強度の低下を招く。従って、その添加量は３．０〜１３．０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を５．０％、上限を１１．０％にするのが望ましい。
【００１３】
Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度を向上させると共に、炭化物の微細析出を促進し、かつその凝集を防止する効果があり、また、溶融金属に対する安定性が高いために、合金の耐溶損特性を向上させるので所望により含有させる。しかしながら、多過ぎる添加量はδフェライトの生成を促進して、靱性の低下や高温強度の低下を招く。従って、その添加量は３．０％以下の範囲に限定する。なお、同様の理由で、上限を２．０％とするのが望ましい。
【００１４】
Ｗは、マトリックスに固溶して高温強度を向上させると共に、炭化物の微細析出を促進し、かつその凝集を防止する効果がある。また、溶融金属に対する安定性が高いために、合金の耐溶損特性を向上させる。しかも、このような効果はＭｏよりも大きいために、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性共に著しく向上する。従って、Ｗは必ず添加することが必要であり、その効果を充分に発揮させるためには、最低１．０％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量はδフェライトやラーベス相の生成を促進するために、靱性の低下や高温強度の低下を招く。従って、その添加量は１．０〜８．０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を２．０％、上限を７．０％にするのが望ましい。
【００１５】
Ｖは、Ｃと結合して炭化物を形成し、高温強度や耐摩耗性の向上に寄与する。その効果を発揮させるためには、最低０．０１％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量は炭化物の過度の粗大化を招き易くなり、逆に高温強度の低下をもたらすために、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は０．０１〜１．０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．１％、上限を０．５％にするのが望ましい。
【００１６】
Ｎｂは、Ｃと結合して微細な炭化物を形成し、高温強度の向上や結晶粒の微細化に寄与する。その効果を発揮させるためには、最低０．０１％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量は炭化物の過度の粗大化を招き易くなり、高温強度の低下や靱性の低下をもたらすために、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は０．０１〜１．０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．０５％、上限を０．５％にするのが望ましい。
【００１７】
Ｃｏは、マトリックスに固溶して高温強度や耐衝撃特性を高めるために、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性を向上させる。また、δフェライトの析出を抑制し、高温での強度や靱性の低下を防止する。さらに、溶融金属に対する安定性が高いために、合金の耐溶損特性を向上させる。従って、Ｃｏは必ず添加することが必要であり、その効果を発揮させるためには、最低３．０３％以上の添加量が必要である。しかしながら、Ｃｏは非常に高価な元素であるために、過度の添加は合金のコストを著しく高くしてしまう。従って、その添加量は３．０３〜１０．０％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、上限を８．０％にするのが望ましい。
【００１８】このように、Ｃｏは高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性の全てに好影響を与えることから、これらの特性をさらに向上させるためには、前記限定範囲内でＣｏの添加量を増加させることが望ましい。但し、同様の効果を有するＷとＣｏとの間にはある程度の相補関係があり、高価な合金元素であるＣｏの一部をＷにより代替することが可能である。従って、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性を高めて優れた特性を得るため、Ｃｏ含有量とＷ含有量との合計を５．０％以上とする。なお、同様の理由でＣｏ含有量とＷ含有量との合計を８．０％以上とすると一層望ましい。
【００１９】
Ｂは、微量の添加でも、主に粒界に偏析することにより粒界を安定化させる作用を持つ。この作用により、高温での組繊的な経時変化を抑制して高温強度を長時間維持したり、クラックの発生や伝播を抑制する。従って、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性は著しく向上する。その効果を発揮させるためには、最低０．００３％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量は延性や靱性の低下を招くために、逆に高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は０．００３〜０．０４％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．００５％、上限を０．０２％にするのが望ましい。
【００２０】Ｎは、合金中のＣｒ、Ｖ、Ｎｂなどと結合して窒化物あるいは炭窒化物を形成して、高温強度を高めると共に、マトリックスを強化する。さらに高温での耐食性や強度を向上させる。その効果を発揮させるためには、最低０．００５％以上の添加量が必要である。しかしながら、多過ぎる添加量は溶接特性の劣化や熱間加工性の劣化を生じる。従って、その添加量は０．００５〜０．０４％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．０１％にするのが望ましい。
【００２１】また、ＢとＮとの間には特定の相互関係があり、高温での軟化抵抗性や耐ヒートチェック特性の十分な向上効果を確保するためには、Ｂ含有量とＮ含有量との比、Ｂ／Ｎ比を０．２〜１．０の範囲にする。現時点ではその詳細な理由は不明であるが、この事実は本発明合金中にＢおよび／またはＮから構成される化合物が生成していることや、あるいはＢとＮとの粒界や炭化物周囲への共偏析などを示唆している。なお、同様の理由で、Ｂ含有量とＮ含有量との比、Ｂ／Ｎ比が０．３〜０．７の範囲にあると一層望ましい。
【００２２】ここで、前述のようにＢおよびＮは、共に多過ぎる添加量は合金の高温での延性や靱性の低下を招く。この傾向は、ＢとＮとを同時に添加する場合には、相乗的に強くなる。特に、Ｂ含有量とＮ含有量との合計が０．０５％超過になると、高温での靱性や延性が低下して熱間加工性を劣化させるために、製造上の新たな問題を引き起こす場合がある。従って、Ｂ含有量とＮ含有量との合計は０．０５％以下とする。なお、同様の理由で、Ｂ含有量とＮ含有量との合計が０．０４％以下であると一層望ましい。
【００２３】
また、特に溶融軽金属に対する安定性をさらに向上させるためには、合金中のＦｅの割合を相対的に小さくすれば良い。これは、溶融状態の軽金属と本合金との反応は、主として軽金属中のＡｌと本合金中のＦｅとの反応により進行することに起因していると推測される。従って、耐溶損得性を向上させるためには、Ｆｅを除く全ての合金元素の添加量の合計が１５．０％以上であることが望ましい。さらに、Ｆｅを除く全ての合金元素の添加量の合計が１８．０％以上であることが一層望ましい。
【００２４】
ＲＥＭ、Ｍｇ、Ｃａは、溶解・製錬時に脱酸・脱硫元素として作用する。同時に、高温強度や高温延性の改善にも効果が高い。また、ＲＥＭは耐酸化性の向上にも有効な元素であるために、クラックの進展を妨げる。これらの効果は、結果的に耐ヒートチェック特性の向上に寄与するので、これら元素の１種以上を所望により含有させる。しかしながら、これら元素の多すぎる添加は熱間加工性を著しく阻害する要因となる。したがって、その含有量は各々０．００１〜０．０５％の範囲に限定する。なお、同様の理由で、各々、下限を０．００５％、上限を０．０３％にするのが望ましい。
【００２５】
本発明鋼は、比較的高温で使用される熱間工具鋼として使用することができる。例えば、鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型、押出しダイス用の材料として使用できる。なお、本発明鋼はこれら用途での使用に限定されるものではなく、比較的高温での使用を前提とする用途に広く提供することができる。
【００２６】
なお、本発明の合金鋼の製造に際しては、常法の製造方法を採用することができ、例えば、通常の電気炉溶解、または真空誘導溶解（ＶＩＭ）にて、本発明による所定の組成の合金として溶解した後、所定形状に鋳造される。または、必要に応じてエレクトロスラグ再溶解炉（ＥＳＲ）あるいは真空アーク再溶解炉（ＶＡＲ）にて再溶解された後に、鋳造される。鋳造した合金には必要に応じて均一拡散処理を施した後、鍛造、鍛錬、圧延などの種々の加工法を用いて、所定形状に加工され、焼鈍処理を施される。その後、所望の機械的特性となるように、焼き入れ、焼き戻しなどの熱処理を施した後に、所定寸法に機械加工を施す。または、予め機械加工を施した後に、所望の機械的特性となるように、焼き入れ、焼き戻しなどの熱処理を施し、さらに仕上げ加工を施す。かかる工程で製造された鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型は、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性耐溶損特性が優れているために、ＳＫＤ６１鋼よりも著しく寿命が延長する。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。表１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により５０ｋｇ鋼塊に溶製した。なお、表２には、上記供試材のＣｏ含有量とＷ含有量との合計（Ｃｏ＋Ｗ）、Ｂ含有量とＮ含有量との合計（Ｂ＋Ｎ）、Ｂ含有量とＮ含有量との比（Ｂ／Ｎ）、Ｆｅを除く全ての合金元素の添加量の合計（Σ）を示す。溶製した各鋼塊は、均質拡散処理を施した後に、熱間鍛造により厚さ３０ｍｍ×幅１２０ｍｍの板材とした。この板材から採取した試験片に、焼き入れ処理として、１０５０℃で３時間の熱処理を施した後に空冷した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【表２】
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【００３０】
まず、各試験材の高温での軟化抵抗性を評価するために、焼き入れ後の試験片を、７００℃で１００時間保持した後に空冷した。冷却後の試験片の表面を鏡面研摩した後に、ロックウェル試験機（Ｃスケール）により試験片の硬さを測定した。このときの硬さと焼き入れままの硬さとの差を△ＨＲＣとすると、△ＨＲＣが小さいほど高温での軟化抵抗に優れていることになる。図１に試験結果を示すが、発明材は比較材および従来材よりも高温での軟化抵抗に優れていることは明らかである。
【００３１】
次に、各試験材の耐ヒートチェック特性を評価するために、自作の試験機によるヒートチェック試験を実施した。試験片表面を６３０℃に加熱し、直ちに水冷する工程を１サイクルとして、１０００サイクル繰り返した。試験後の試験片を切断して、ヒートチェックにより試験片表面に生じたクラックを光学顕微鏡により観察した。各試験片毎に中央部の１０ｍｍの一断面について、クラックの長さと数とを全て記録し、全てのクラックの長さを合計してクラック総長とした。従来材であるＳＫＤ６１鋼（試験材Ｎｏ．１９）のクラック総長に対する、各試験材のクラック総長を相対クラック係数と定義した。即ち、相対クラック係数が小さいほど、耐ヒートチェック特性に優れていることになる。図２には各試験材毎の相対クラック係数を示すが、発明材は比較材および従来材よりも耐ヒートチェック特性に優れていることは明らかである。また、発明材のうちでも、ＲＥＭ、ＭｇまたはＣａの１種以上を含有するものは（試験材Ｎｏ．１１、１２、１３）、耐ヒートチェック性においてより優れた結果が得られている。
【００３２】
さらに、各試験材の耐溶損特牲を評価するために、自作の試験機による溶損試験を実施した。溶融状態のＡｌ−Ｍｇ合金中で、試験材を回転させながら６５０℃で最長１００時間まで保持した。試験前後の重量変化から溶損量を求め、さらに単位時間あたり単位面積あたりの溶損量、溶損速度定数を求めた。従来材であるＳＫＤ６１鋼（試験材Ｎｏ．１９）の溶損速度定数に対する、各試験材の溶損速度定数を相対溶損速度係数と定義した。即ち、相対溶損速度係数が小さいほど、耐溶損特性に優れていることになる。図３には各試験材毎の相対溶損速度係数を示すが、発明材は従来材よりも耐溶損特性に優れていることは明らかである。特に、Σが１８％以上の発明材は非常に優れた溶損特性を示しており、別途測定した純Ｃｏとほぼ同等の相対溶損速度係数を有することがわかった。なお、試験材Ｎｏ．１４の比較材は溶損特性自体は発明材と同等であるが、高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性は発明材よりも劣ることは、図１および２より明らかである。
【００３３】実際の製造の一例として、発明材（試験材Ｎｏ．１１相当の組成合金）、比較材（試験材Ｎｏ．１４相当の組成合金）、従来材（試験材Ｎｏ．１９相当の組成合金）を用いて、マグネシウム合金射出成形機用の構造部材を製造した。所定の原料を真空誘導溶解（ＶＩＭ）にて溶解した後に、エレクトロスラグ再溶解炉（ＥＳＲ）にて再溶解し、径２６０ｍｍのインゴットを製造した。各インゴットに均一拡散処理を施した後に、鍛造して径２００ｍｍの丸棒に仕上げ、焼鈍処理を施した。その後、１０５０℃での焼き入れ処理後、６００〜６５０℃で焼き戻し処理を施し、所定寸法形状に機械加工した。
【００３４】
このように製造した部品を適用して、実際にマグネシウム合金の射出成形を行った。図４には各材料毎の寿命を示すが、発明材は比較材および従来材よりも寿命が著しく長いことは明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ＳＫＤ６１鋼よりも高温での軟化抵抗性、耐ヒートチェック特性、耐溶損特性に優れた熱間工具鋼を提供できる。従って、鋳造用金型および鋳造機用構造部材、射出成形機用金型および構造部材、熱間鍛造型などに用いた場合には、著しく寿命を延長できるために産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】硬さ測定結果から求めた、各試験材の△ＨＲＣ（７００℃で１００時間保持した後に空冷した場合の試験片の硬さと焼き入れままの硬さとの差）を示すグラフである。
【図２】ヒートチェック試験結果から求めた、各試験材の相対クラック係数（ＳＫＤ６１鋼のクラック総長に対する各試験材のクラック総長）を示すグラフである。
【図３】溶損試験結果から求めた、各試験材の相対溶損速度係数（ＳＫＤ６１鋼の溶損速度定数に対する各試験材の溶損速度定数）を示すグラフである。
【図４】実機使用結果から求めた、各材料を用いて製造したマグネシウム射出機用構造部材の寿命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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