(57)【要約】        【課題】特に優れた疲労強度を有し、耐摩耗性及び靭性にも優れた摩耗、割れ、チッピングの少ない金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高耐摩耗靭性鋼を提供。  【解決手段】重量％で、C ：0.1 〜2.7 ％、Si：2.5 ％以下、 Mn ：2 ％以下、Cr：0.3 〜20％、Mo：12％以下、W ：20％以下、V:0.4 〜15％、Co：20％以下、N ：25〜100ppm、を含み、さらに、 Al ：1 ％以下、Ti：0.5 ％以下、Nb：1.5 ％以下、B ：0.5 ％以下、Zr：1 ％以下又は希土類元素 REM（ La 、Ce、Y の１種又は２種以上含む）：1 ％以下、のいずれか１を含み、さらに、等価円直径が 5〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.70 ≦αmin.≦0.95である。【選択図】図７
2006316309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ重量％で、C ：0.1 〜2.7 ％、Si：2.5 ％以下、Mn：2 ％以下、Cr：0.3 〜20％、Mo：12％以下、W ：25％以下、V:0.4 〜15％、Co：20％以下、及び、N ：25〜100ppm、を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなり、
材料中のＮ量とＶ量の関係が、40≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦400   であって、
かつ、材料中のＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3 〜20％であって、その内、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が2 〜30％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、
さらに、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.70 ≦αmin.≦0.95であり、但し、αは下式による計算値であり、円及び楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなり、ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長、として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
であることを特徴とする金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼、又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させた疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【請求項２】
それぞれ重量％で、 C：0.82〜2.61％、Si：0.32〜0.81％、Mn：0.24〜0.43％、Cr：3.81〜11.62 ％、Mo：0.01〜10.37 ％、W ：0.06〜12.6％、V:0.61〜5.73％、Co：0.04〜11.9％、及び、N ：29〜 96ppm、を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなり、
材料中のＮ量とＶ量の関係が、59≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦305   であって、
かつ、材料中のＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3.0 〜18.2％であって、その内、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が 2.1〜24.6％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、
さらに、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.72 ≦αmin.≦0.94であり、但し、αは下式による計算値であり、円及び楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなり、ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長、として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
であることを特徴とする金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼、又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させた疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【請求項３】
前記高耐摩耗靭性鋼はさらに、Al：0.73％以下、Ti：0.31％以下、Nb：1.22％以下、B ：0.36％以下、Zr：0.62％以下、又は、希土類元素REM(La、Ce、Y)：0.73％以下、のいずれか１を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【請求項４】
それぞれ重量％で、 C：1.35〜1.55％、Si：0.32〜0.49％、Mn：0.27〜0.35％、Cr：4.01〜 5.06 ％、Mo：5.06〜10.37 ％、W ：4.13〜6.24％、V:3.33〜4.11％、Co：0.04〜7.91％、及び、N ：43〜 68ppm、を含み、さらに、Al：0.73％以下、Ti：0.31％以下、又は、Zr：0.62％以下、のいずれか１を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなり、
材料中のＮ量とＶ量の関係が、177 ≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦227   であって、
かつ、材料中のＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が8.4 〜10.0％であって、その内、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が11.6〜20.8％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、
さらに、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.79 ≦αmin.≦0.85であり、但し、αは下式による計算値であり、円及び楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなり、ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長、として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
であることを特徴とする金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼、又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させたことを特徴とする疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【請求項５】
前記高耐摩耗靭性鋼のワークと接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有、クロム含有、アルミニウム含有もしくはバナジウム含有のセラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜が施されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【請求項６】
前記高耐摩耗靭性鋼は、エレクトロスラグ溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2 、Ｎ2 を含むガス成分の溶鋼への浸入を防止し、かつ溶解速度を100 〜800kg/h 、鋼塊外径を電極外径で割った比率を1.2 〜1.7 に保持し、前記MC型炭化物のサイズと形状を制御して製造したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のの疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の例えば代表例として、高い応力や衝撃を受けるパンチ、ダイなどの金型について述べる。金型用材料としては、炭素工具鋼や合金工具鋼が一般的であり、さらに加工条件の過酷な用途や量産用の金型には、高速度工具鋼や超硬合金が広く使用されている。そのうち、金型用の高速度工具鋼については、一般的な溶製高速度工具鋼のほかに、例えば特許文献１に開示する、粉末高速度工具鋼や鋼中の炭化物を少なくすることをベースに靭性を高めたマトリックスハイスなども用途により使用されている。また、出願人は、特許文献２で、高速度工具鋼中のMC型炭化物のサイズ形態、面積率を制御した新しい高速度工具鋼から製造した切削工具を発明した。
【特許文献１】特許第２９６０４９６号公報
【特許文献２】特許第３２４９４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、生産性向上対策として、また切削加工によるコストを削減するため、金型成形による部品のネットシェイプ化が進んでおり、従来の熱間鍛造を温間鍛造や冷間鍛造に切り替えることにより、その後の熱影響部の切削除去工程を省略したり、切削工程そのものを省略するため、金型形状を従来の単純形状から複雑形状へ変更したりすることが多くなっている。しかし、このことは金型局所に作用する応力負荷の増大を招き、金型材料は過酷な摩耗、疲労、機械的衝撃、熱衝撃などを受けるが、従来の例えば特許文献１の材料ではそれら全ての機能に対応することができず、その結果、金型の寿命低下をもたらしている。このような金型の使用環境においては、通常の炭素工具鋼は大きな摩耗をきたすため低寿命となり、また超硬合金は非常に硬質ではあるが反面脆いため機械的衝撃により割れやチッピングが発生し易く、いずれも適用が困難となっている。
【０００４】
また、合金工具鋼ではこのような使用環境の変化に対応するため、高合金化や粉末冶金化が進んでおり、適用するための改善が進められている。一方、高速度工具鋼の中でも、等価円直径5 μm 未満の微細な硬質炭化物を分散させた粉末高速度工具鋼や、硬質炭化物を極端に少なくしたマトリックスハイスは非常に靭性に優れ機械的衝撃には耐えるが、大きな摩耗が発生し易いという問題がある。また、一般的な溶製高速度工具鋼においては特に耐摩耗性を重視した高合金のものは機械的衝撃に弱く、ＭＣ型炭化物を破壊起点とした割れやチッピングが発生し易いという問題がある。
【０００５】
出願人が発明した特許文献２のMC型炭化物のサイズ、形態、面積率を制御した新しい高速度工具鋼においても、その高耐摩、高靭性、高耐熱性の材料特性により、摩耗、機械的衝撃に耐えることはできるが、さらに過酷な疲労、熱的靭性に十分耐える疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼が求められている。
又、金型寿命のさらなる向上のためには耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性に優れたコーティング膜が必要であり、尚かつ、コーティング膜との相性の良い材料が要求されている。
【０００６】
本発明の課題は上記問題点に鑑みて、過酷な摩耗、疲労、機械的衝撃、熱衝撃などに耐え、大きな摩耗、割れ、チッピングの少ない金型を代表として刃物、工具及び機械部品に用いる疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼を提供することにある。
本発明の別の課題は、さらに耐熱性に優れ、コーティング膜との相性の良い疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、種々の材料を用いた特性評価および金型、刃物、工具及び機械部品を対象とした実験を行った結果、耐摩耗性、疲労強度、機械的靭性、熱的靭性、耐熱性を兼ね備えた金型、刃物、工具及び機械部品に用いる材料を得るためには、組成成分を適正範囲にに限定し、硬質のＭＣ型炭化物の面積率を適正範囲に限定し、かつ、その内の限定サイズのＭＣ型炭化物の面積割合を適正範囲に限定し、また、その形状制御のためには材料中に含まれるＶ量及びＮ量を適正範囲に限定することが重要であることを知得した。
即ち、Ｖを0.4 〜15％含むＭＣ型炭化物を含有する高速度工具鋼などの材料中の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3 〜20％であって、かつ、その内、等価円直径が5 〜25μm のMC型炭化物の面積割合が2 〜30％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、かつ、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いαの最低値αmin.を 0.70 ≦αmin.≦0.95とする必要があり、また、その形状制御のためには材料中のＶ量を0.4 〜15％、Ｎ量を 25 〜100ppm、さらに両者の関係を40≦[ Ｖ（％）] ×[ Ｎ（ppm ）] ≦400 に限定する必要があることを知得した。また、この材料は、ＰＶＤによるチタン含有、クロム含有、アルミニウム含有、もしくはバナジウム含有のセラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜との相性が良く、より優れた性能を発揮することを知得した。
かかる知得に基づいて本発明は、それぞれ重量％で、C ：0.1 〜2.7 ％、Si：2.5 ％以下、Mn：2 ％以下、Cr：0.3 〜20％、Mo：12％以下、W ：25％以下、V:0.4 〜15％、Co：20％以下、N ：25〜100ppm、を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなり、
材料中のＮ量とＶ量の関係が、  40≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦400   であって、かつ、材料中のＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3 〜20％であって、その内、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が2 〜30％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、
さらに、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.70 ≦αmin.≦0.95であり、但し、αは下式による計算値であり、円及び楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなり、ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長、として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
であることを特徴とする金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼、又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させた疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼によって上記課題を解決した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、高速度工具鋼、又は、合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有する金型、刃物、工具及び機械部品に用いる材料において、組成成分を適正範囲に限定し、硬質のＭＣ型炭化物を含有させた材料のＭＣ型炭化物の面積率を適正範囲に限定し、かつ、その内の限定サイズのＭＣ型炭化物の面積割合を適正範囲に限定し、その形状制御のためには材料中に含まれるＶ量及びＮ量を適正範囲に限定したため、過酷な摩耗、疲労、機械的衝撃、熱衝撃などに耐え、大きな摩耗、割れ、チッピングの少ない刃物、工具及び機械部品に用いる疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼を提供するものとなった。
また、本発明の高耐摩耗靭性鋼は、高速度工具鋼以外の合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼としても、同様の効果により、優れた疲労強度を得ることができる。過酷な摩耗、疲労、機械的衝撃、熱衝撃に耐える本発明の高耐摩耗靭性鋼は、金型の他、刃物、工具、機械部品においても優れた性能を得ることができる。
【０００９】
好ましくは、前記高耐摩耗靭性鋼は、さらに、Al：1 ％以下、Ti：0.5 ％以下、Nb：1.5 ％以下、B ：0.5 ％以下、Zr：1 ％以下、又は、希土類元素REM(La、Ce、Y)：1 ％以下、のいずれか１を含むか、又は、前記高耐摩耗靭性鋼のワークと接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有、クロム含有、アルミニウム含有もしくはバナジウム含有のセラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜が施されていることにより、より耐摩耗性、耐チッピング性、耐熱性が向上した高耐摩耗靭性鋼を提供するものとなった。
さらに好ましくは、前記高耐摩耗靭性鋼は、エレクトロスラグ溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2 、Ｎ2 を含むガス成分の溶鋼への浸入を防止し、かつ溶解速度を100 〜800kg/h 、鋼塊外径を電極外径で割った比率を1.2 〜1.7 に保持し、前記MC型炭化物のサイズと形状を制御して製造される。
【００１０】
以下に、本発明の高耐摩耗靭性鋼の組成化学成分を適正適正範囲に、それぞれ重量比で、限定した理由を述べる。ＣはＭＣ炭化物を形成し、耐摩耗性を改善するが、あまりに多いと靭性が低下するので、Ｃ：0.1 〜2.7 ％に限定した。Si及びMnは脱酸剤として添加するが、Si及びMnの量があまりに多いと靭性が低下する。そこで、Si及びMnをSi：2.5 ％以下、Mn：2 ％以下に限定した。Crは焼入性を高めるため添加するが、Crが0.3 ％より少ないと上記効果がないし、20％を超えると全体の靭性を低下させるので、Cr： 0.3〜20％に限定した。Mo及びW はＭ6 Ｃ型炭化物を形成し耐摩耗性を改善するが、Mo及びW の量があまりに多いと靭性が低下するので、Mo：12％以下、W ：20％以下に限定した。Coが多いほど鋼の耐熱性は向上するため、摩擦等により高温になる用途には効果的ではあるが、20％を超えると靭性が低下するので、Co：20％以下に限定した。Ｖは硬質で耐摩耗性に最も優れた効果を発揮するＭＣ型炭化物を形成する重要な元素であるが、 0.4% 未満では面積率3 ％のＭＣ型炭化物を形成できず、逆に15％を超えるとＭＣ型炭化物が粗大化し、等価円直径25μm を超えるものが発生するばかりでなく、等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が30％を超え、機械的靭性が低下してしまう。そこで、V ：0.4 〜15％に限定した。Ｎ量は、25ppm 未満ではＭＣ型炭化物のサイズが微細になり過ぎ、等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が限定範囲を下回り、粉末高速度工具鋼と同様に亀裂進展抵抗が小さくなり、金型などの割れ、チッピングが発生し易くなり、また100ppmを超えるとＭＣ型炭化物のサイズが大きくなり過ぎ、等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が限定範囲を上回り、機械的靭性が悪化することにより金型などの割れ、チッピングが発生し易くなることを知得し規定した。すなわち、例えば電気製鋼第５５巻第４号に記載するように、Ｖが2 ％の溶製高速度工具鋼状態図より、溶融状態からＭＣ型炭化物が析出する温度と溶融状態からＭ2 Ｃ＋オーステナイトγが析出する温度との差ΔＴが2 〜11℃の範囲が適正であることを知得した。これにより、Ｎ量を25〜100ppmに限定した。
さらに、ＭＣ型炭化物のサイズ調整のため、Al：1 ％以下、Ti：0.5 ％以下、Nb：1.5 ％以下、 B：0.5 ％以下、Zr：1 ％以下、希土類元素REM(La、Ce、Y)：1 ％以下、のいずれか１を添加してもよい。希土類元素 REMはLa、Ce、Y のいずれか１又は２以上含む。
【００１１】
さらに、本発明の高耐摩耗靭性鋼のＭＣ型炭化物を含有させた材料のＭＣ型炭化物の面積率を適正範囲に限定し、かつ、その内の限定サイズのＭＣ型炭化物の面積割合を適正範囲に限定し、かつ、その形状制御のためには材料中に含まれるＶ量及びＮ量を適正範囲に限定した理由を述べる。
【００１２】
まず、ＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼の疲労強度および熱衝撃については、亀裂発生抵抗と亀裂進展抵抗とに分けて考える必要がある。亀裂発生抵抗は、機械的靭性に優れた材料ほど大きく、ＭＣ型炭化物サイズを制限した本発明材料は亀裂の元となる起点が発生し難いため、優れた靭性を発揮する。亀裂進展抵抗の向上対策としては、例えば雑誌「セラミックス  21」No.7(1986)第 605〜611 頁、宮田昇著「粒子分散によるセラミックスの強じん化」に報告されているように、セラミックスなどの硬質材料の破壊力学により、一般的に以下の4 つの手法がある。
第１に、例えばA.G.Evans and K.T.Faber,J.Am.Ceram.Soc.67,255-60(1984)に報告されているマイクロクラッキング法があり、この方法は、硬質粒子の周りに微小のクラックをあらかじめ故意に発生させておき亀裂進展の力をそこで吸収させることにより、亀裂進展抵抗を高め、それ以降の進展を止める方法である。
第２に、例えばD.J.Green,J.Am.Ceram.Soc.,66,C4-C5(1983)に報告されているピン止め法があり、この方法は、亀裂先端の開口部を硬質粒子に突き当てることにより、亀裂進展抵抗を高め、それ以降の進展を止める方法である。
第３に、例えばA.G.Evans,Phil.Mag.,26,1327-44(1972)に報告されているｂｏｗｉｎｇ法があり、この方法は、亀裂進展は3 次元的には開口部を先端とする面の進行と考え、亀裂進展を幾つかの並んだ硬質粒子に同時に突き当てることにより進展にブレーキをかけ、亀裂進展抵抗を高め、それを数回繰り返すことにより進展を止める方法である。
第４に、例えばK.T.Faber and A.G.Evans,Acta.Metall.,31,565-76(1983)に報告されているｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法があり、この方法は、亀裂先端の開口部を硬質粒子に突き当てることにより、亀裂を硬質粒子をなめるようにして回り込みながら進行させることにより進展の力を弱め、亀裂進展抵抗を高め、これを数回繰り返すことにより進展を止める方法である。しかし、これまでこれら４つの手法を高速度工具鋼などＭＣ型炭化物を含有する金型、刃物、工具及び機械部品に用いる材料に適用した例はなかった。
【００１３】
出願人は、第２ないし第４の手法に着目し、高速度工具鋼などＭＣ型炭化物を含有する金型などに用いる材料において亀裂進展抵抗が高くなる条件につき実験的検討を重ねた結果、材料中の鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3 〜20％であって、かつ、その内、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が2 〜30％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、かつ、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いαの最低値αmin.を 0.70 ≦αmin.≦0.95とする必要があることを知得した。但し、αは下式による計算値であり、円および楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなる。ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
また、その形状制御のためには材料中のＶ量を0.4 〜15％、Ｎ量を25〜100ppm、さらに両者の関係を 40 ≦[ Ｖ（％）] ×[ Ｎ（ppm ）] ≦400 に限定する必要があることを知得した。すなわち、等価円直径5 〜25μm の角張ったブロッキー形状の硬質のＭＣ型炭化物を限定量分散させることにより、図１（ａ）、（ｂ）、（ C-1）、（ C-2）にそれぞれ図示したメカニズムにより、第２ないし第４の手法のピン止め法、ｂｏｗｉｎｇ法、及びｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法を有効に活用することができ、亀裂進展抵抗を高め、優れた疲労強度を得ることができることを知得した。特に、ＭＣ型炭化物が角張ったブロッキー形状にすることにより、ＭＣ型炭化物をなめるように回り込みながら進行する亀裂の力を大きく抑制することができる。このことは、丸い物体に対し風などの流体が回り込みながらスムーズに流れのに対し、角のある物体に対しては角部が抵抗となりスムーズに流れないことを考えると容易に理解できる。しかし、αmin.が0.70未満で、等価円直径25μm を超える粗大な異形状のＭＣ型炭化物が発生すると、これら自体を起点として亀裂が発生し易くなるため、機械的靭性が低下し割れやチッピングが発生し易くなる。そこで、等価円直径25μm を超える粗大なＭＣ型炭化物を発生させないため、後述のように V：15％以下、N ：100ppm以下、[V（％）] ×[N（ppm ）] ≦400 に限定することにより0.70≧αmin.と限定する必要がある。
【００１４】
また、等価円直径5 μm 未満のＭＣ型炭化物は素地自体の耐摩耗性を維持するため必要不可欠であって等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物と同時に分散させる必要があり、その必要量は等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物と合わせた、ＭＣ型炭化物全面積率で2 〜30％と限定する必要がある。一方、5 μm 未満のＭＣ型炭化物のみしか含有していない、例えば粉末高速度工具鋼の場合、耐摩耗性が劣り、ＭＣ型炭化物が素地と共に除去され易いばかりでなく、ＭＣ型炭化物の形状が小さく丸いため、進行してくる亀裂をピン止めすることも、進行を抑制することも、また回り込む亀裂の力を弱めることもできないため、機械的靭性が優れているにもかかわらず、金型の割れ、チッピングが発生し易い。そこで、等価円直径5 μm 以上のＭＣ型炭化物を発生させるため、後述のように、V ：0.4 ％以上、N ：25ppm 以上、[V（％）] ×[N（ppm ）] ≧40に限定することによりαmin.≦0.95と限定する必要がある。
かつ、40≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦400 に限定した理由は、Ｖ：0.4 〜15％の限定範囲で、V 量が少ないとＮ量を増加させ [Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≧40にしなければ等価円直径5 μm 以上のＭＣ型炭化物が得られず、逆にＶ量が多いとＮ量を減少させ [Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦400 にしなければＭＣ型炭化物サイズを等価円直径 25 μm 以下に抑制できないこと、すなわち、 [Ｖ( ％)]と[N(ppm)]は規定の範囲を持った反比例的関係にあることを実験的に確認し限定した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態は、高速度工具鋼、又は、合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有する金型、刃物、工具及び機械部品に用いる材料において、それぞれ重量％で、C ：0.1 〜2.7 ％、Si：2.5 ％以下、Mn：2 ％以下、Cr：0.3 〜20％、Mo：12％以下、W ：25％以下、V:0.4 〜15％、Co：20％以下、N ：25〜100ppm、を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなり、  材料中のＮ量とＶ量の関係が、  40≦[ Ｖ( ％)]×[N(ppm)]≦400   であって、かつ、材料中のＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率が3 〜20％であって、その内、ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合が2 〜30％であり、残り全てのＭＣ型炭化物の等価円直径が5 μm 未満であって、
さらに、等価円直径が5 〜25μm のＭＣ型炭化物粒の粒子断面の形状の角張度合いを示す係数αの最小値αmin.が 0.70 ≦αmin.≦0.95であり、但し、αは下式による計算値であり、円及び楕円で１となり、角張ったブロッキー形状であるほど１より小さくなり、ａ：粒子断面の長径、ｂ：粒子断面の短径、ｃ：粒子断面の周囲長、として、
α＝π×（ａ＋ｂ）／（２×ｃ）
であることを特徴とする金型、刃物、工具及び機械部品に用いる高速度工具鋼、又は合金工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼においてＭＣ型炭化物を含有させた疲労強度に優れた高耐摩耗靭性鋼とした。好ましくは、さらに、Al：1 ％以下、Ti：0.5 ％以下、Nb：1.5 ％以下、B ：0.5 ％以下、Zr：1 ％以下、又は、希土類元素REM(La、Ce、Y)：1 ％以下、のいずれか１を含むことが望ましい。
【００１６】
図２は本発明の実施例のＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼の、V が2 ％の溶製高速度工具鋼状態図における本発明の範囲、N ：25〜100ppm、ΔT ：2 〜11℃、及び、0.70≦αmin.≦0.95、の関係を模式的に表したものである。
図２において、Ｌ⇒δは、溶鋼Ｌから、線の温度以下でδ鉄が析出することを示し、
Ｌ＋δ⇒γは、溶鋼Ｌ＋析出したδ鉄から、線の温度以下で析出したδ鉄とは異なるγ鉄が析出することを示し、
Ｌ⇒ＭＣは、溶鋼Ｌから、線の温度以下でＭＣが析出することを示し、
Ｌ⇒Ｍ2 Ｃは、溶鋼Ｌから、線の温度以下でＭ2 Ｃとγ鉄が析出することを示す。
【実施例１】
【００１７】
表１は本発明の実施例のＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼の、本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17の、それぞれ、組成化学成分（各重量％、Ｎのみ ppm）、材料中のＮ量とＶ量の関係を示す [Ｖ（％）] × [Ｎ（ppm ）] の値、それぞれ材料中のＭＣ型炭化物について鍛造、圧延軸と平行する粒子断面での面積率（％）、等価円直径5 μm 未満の面積割合（％）、等価円直径5 〜25μm の面積割合（％）、等価円直径25μm を超える面積割合（％）、αmin.の値、を示したものである。実際の光学画像測定マイクロスコープでは、ＭＣ型炭化物の、等価円直径、面積率、長径、短径及び周囲長を顕微鏡画像で測定した。また本発明鋼１乃至１１は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2 、Ｎ2 を含むガス成分の溶鋼への浸入を防止し、かつ、溶解条件：溶解速度100 〜800kg/h 、鋼塊外径を電極外径で割った比率を1.2 〜1.7 に保持し、前記ＭＣ型炭化物粒のサイズを制御して製造した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図３は表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17の、V 含有量（％）とN 含有量（ppm ）との関係を示したグラフであり、図中の斜線で示した範囲が本発明範囲である。図４は表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17の、ＭＣ型炭化物の面積率（％）とその中の等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合（％）との関係を示したものであり、図中の斜線で示した範囲が本発明範囲である。
【実施例２】
【００２０】
表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用して、図５に示す形状の金型用パンチを製作し、打ち抜き加工による寿命テストを下記条件にて行い、摩耗、チッピング、割れ、大割れにて破損し、打ち抜いたものが製品の寸法規格を保証できなくなるまで加工できた個数、すなわちパンチ寿命を調査した。
〔パンチ寿命試験条件〕
加工：打ち抜き加工、ワーク：鋼板、ワーク材質：SCM ４２０、ワーク厚さ：4.0mm 、  コーティング：なし。
【００２１】
結果を表２、図６及び図７に示す。表２は、本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用したパンチのパンチ寿命試験条件結果（千個）と、その寿命原因を示し、図６は、表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用したパンチのパンチ寿命を等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合をパラメータとして示したものである。図７は表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用したパンチのパンチ寿命をαmin.をパラメータとして示したものである。図６より、本発明鋼を使用したパンチは比較鋼を使用したパンチに比べ、パンチ寿命が2 倍から3 倍優れていることがわかる。また、本発明鋼を使用したパンチの中でも、等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合11〜21％の範囲である、本発明鋼５、６、７、８を使用したパンチが、特に優れた性能を有することがわかる。尚、寿命原因としては、本発明鋼を使用したパンチは摩耗又はチッピングにて寿命となったが、比較鋼を使用したパンチの摩耗やチッピングに比べ非常に微小なものであり、また本発明鋼を使用したパンチには割れや大割れは一切発生せず、本発明鋼は摩耗、チッピング、割れに対し優れていることがわかる。  図７についても同様であるが、本発明鋼の中でも、αmin.が0.79〜0.85の範囲である、本発明鋼５、６、７、８を使用したパンチが、特に優れた性能を発揮することがわかる。
【００２２】
【表２】
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【実施例３】
【００２３】
表３は、図５に示す形状の金型にＰＶＤによるチタン系膜コーティングを行い、実施例２と同様のテストを行った結果である。本発明鋼はチタン系コーティングの効果が大きいことがわかる。
【００２４】
【表３】
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【実施例４】
【００２５】
次に、本発明鋼の中でも特に優れた性能を有する表１の本発明鋼６、及び、ほぼ同成分である粉末高速度工具鋼の比較鋼１５を使用して、刃物・工具であるバイトを製作し、下記条件にて切削テストを実施し、各バイトのワークに接触する部分の断面について走査型電子顕微鏡にて観察した。
〔切削テスト切削条件〕
加工：ドライ切削、ワーク材質：SCM ４２０Ｍ、加工条件：切削速度150m/min. 、
送り0.82mm/rev、コーティング：なし
図８（ａ）は表１の本発明鋼６を使用したバイトを製作し、切削テストを実施し、バイトのワークに接触する部分の断面について走査型電子顕微鏡にて観察した結果を示し、（ｂ）はほぼ同成分である粉末高速度工具鋼の比較鋼１５を使用したバイトを製作し、切削テストを実施し、バイトのワークに接触する部分の断面について走査型電子顕微鏡にて観察した結果を示す。図８（ａ）に示す本発明鋼６を使用したバイトの断面は摩耗が小さく安定した断面を呈するのに対し、（ｂ）に示す比較鋼１５を使用したバイトの断面は写真のように結晶粒界ごと脱落した断面を呈することがわかる。このことより、比較鋼１５は粉末高速度工具鋼であるため、等価円直径5 μm 未満のＭＣ型炭化物のみしか含有しておらず亀裂進展抵抗が低いため、疲労による亀裂進展を止めることができず、結晶粒界に沿って亀裂が進展し結晶の両サイドからの亀裂が繋がって結晶粒が脱落したものと推定される。さらに、これが繰り返され、亀裂が内部へと進行したため、又はこの結晶粒脱落痕に発生した応力集中により、比較鋼１５では大割れを発生したものと推定される。これに対し、本発明鋼６は亀裂進展抵抗が高いため、微小な亀裂が発生したとしてもそれが進展することはなく、大きなチッピングや割れが発生しなかったと推定される。また、表１の粉末高速度工具鋼である比較鋼１５が結晶粒界に沿って亀裂が進展する理由について調査した結果を図９に示す。図９は、微小硬さ測定機（島津製作所製ナノインデンター；「ナノスコピック表面検査装置ＳＰＨ−１」）を用い、マルテンサイトの結晶粒界と素地との硬さを比較したものであるが、本開発鋼６のマルテンサイトの結晶粒界と素地が同様な硬さであるのに対し、比較鋼１５の結晶粒界は素地よりも強く、硬いことがわかる。亀裂は硬い部分と柔らかい部分の間に発生し易く、そのため、比較鋼１５は強くて硬い結晶粒界と素地の間の結晶粒界の際ぎりぎりに亀裂が進展したものと推定できる。
【実施例５】
【００２６】
さらに、実施例５に示す機械部品の寸法・形状を示すパンチの側面図に示す形状の機械部品において、本開発鋼６及び比較鋼１５を使用したパンチの疲労強度の違いを確認するため、超音波疲労強度試験機（島津製作所製「USF-2000」）による超音波（20kHz ）の振動を利用した加速疲労試験を実施した。
結果を図１１に示す。図１１より、応力が1000MPa とあまりに大き過ぎる場合は両者とも早期に同様に破損するが、応力が800MPaでは本発明鋼６の方が比較鋼１５に比べ、明らかに疲労強度が優れていることがわかり、このデータからも本発明鋼の優れた性能を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼の亀裂進展抵抗の向上を図示し、図１（ａ）はピン止め法、（ｂ）はｂｏｗｉｎｇ法、（ C-1）、（ C-2）はｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法をそれぞれ示す。
【図２】本発明の実施例のＭＣ型炭化物を含有させた高耐摩耗靭性鋼のV が2 ％の溶製高速度工具鋼状態図における本発明の範囲、N ：25〜100ppm、ΔT ：2 〜11℃、及び、0.70≦αmin.≦0.95、の関係を模式的に表したものである。
【図３】表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17の、V 含有量（％）とN 含有量（ppm ）との関係を示したグラフである。
【図４】表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17の、ＭＣ型炭化物の面積率（％）とその中の等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合（％）との関係を示す。
【図５】本発明の実施例２の、表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17で製作した打ち抜き加工による寿命テスト用の金型用パンチの斜視図。
【図６】表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用したパンチのパンチ寿命を等価円直径5 〜25μm のＭＣ型炭化物の面積割合をパラメータとして示したものである。
【図７】表１の本発明鋼１乃至11、比較鋼12乃至17を使用したパンチのパンチ寿命をαmin.をパラメータとして示したものである。
【図８】（ａ）は表１の本発明鋼６を使用したバイトを製作し、切削テストを実施し、バイトのワークに接触する部分の断面について走査型電子顕微鏡にて観察した結果を示し、（ｂ）はほぼ同成分である粉末高速度工具鋼の比較鋼１５を使用したバイトを製作し、切削テストを実施し、バイトのワークに接触する部分の断面について走査型電子顕微鏡にて観察した結果を示す。
【図９】表１の粉末高速度工具鋼である比較鋼１５が結晶粒界に沿って亀裂が進展する理由について調査した結果を示す。
【図１０】実施例５に示す機械部品の寸法・形状を示すパンチの側面図。
【図１１】表１の本開発鋼６及び比較鋼１５で、実施例５に示す機械部品の寸法・形状を示すパンチの、超音波疲労強度試験機の振動を利用した加速疲労試験結果を示す。
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図８】
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