(57)【要約】【課題】近年の金型使用環境の過酷化の下で、粉末高速度工具鋼製の金型においても発生する、金型の早期割れの課題を解決した、長寿命の高速度工具鋼製の金型を提供。【解決手段】重量％で、C:0.5 〜2.0 ％、Si:2％以下、Mn:1％以下、Cr:3〜9 ％、Mo:15 ％以下、W:25％以下、V:1 〜10％、Co:0.1〜15％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製高速度工具鋼を素材として製造された金型において、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在するＭＣ型炭化物のうちの最大粒子の等価円直径が4 〜15μm の範囲にあって、かつ、等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、C:0.5 〜2.0 ％、Si:2％以下、Mn:1％以下、Cr:3〜9 ％、Mo:15 ％以下、W:25％以下、V:1 〜10％、Co:0.1〜15％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製高速度工具鋼を素材として製造された金型において、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在するＭＣ型炭化物のうちの最大粒子の等価円直径（測定した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4 〜15μm の範囲にあって、かつ、等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする高速度工具鋼製金型。
【請求項２】
重量％で、C: 1〜1.7 ％、Si:0.4〜1 ％、Mn:0.2〜0.4 ％、Cr:4〜8 ％、Mo:2〜8 ％、W:0.1 〜6 ％、V: 2.2〜5 ％、Co:0.1〜8 ％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製高速度工具鋼を素材として製造された金型において、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在するＭＣ型炭化物のうちの最大粒子の等価円直径（測定した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 4〜12μm の範囲にあって、かつ、等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物のうち50％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.46以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする高速度工具鋼製金型。
【請求項３】
金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在する等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面、即ち丸鋼又は角鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面、での面積率が0.5 〜5 ％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高速度工具鋼製金型。
【請求項４】
前記金型のワークと接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有もしくはクロ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乃至請求項３のいずれか１に記載の高速度工具鋼製金型。
【請求項５】
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侵入を防止し、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態を制御して製造された前記溶製高速度鋼から製作されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の高速度工具鋼製金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質のＭＣ型炭化物を含む溶製高速度工具鋼を用いたパンチ、ダイを含む高速度工具鋼製金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高い応力や衝撃を受けるパンチ、ダイ等の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靱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。又、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溶製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】
しかしながら、近年、塑性加工の分野においてさらなる高負荷や高速化、高精度化が求められるようになり、使用される金型にかかる負担もさらに過酷なものとなっている。そのため、従来の高速度工具鋼では必ずしも十分な金型寿命が得られない状況がでてきている。例えば特許文献１に開示するマトリックスハイスでは、逆に炭化物の少なさにより金型の耐摩耗性が不足する傾向にあり、ＰＶＤによるセラミックコーティングの密着性の点でも不利な特性を持つ。一方、粉末高速度工具鋼は、その炭化物の微細さから高硬度と高靱性が同時に得られるものの、炭化物が微細であるがゆえにアブレッシブ摩耗に弱く、金型の早期摩耗をもたらす。また、今回出願人において、鋭意研究を行ったところ、靱性が高いとされる粉末高速度工具鋼製の金型においても、表面の早期摩耗の結果、摩耗による凹凸面が応力集中を招き、過酷な金型加工条件下ではかえって金型の割れの点で課題が残るとの新たな知見を得た。
【０００４】
本発明の課題は、近年の金型使用環境の過酷化の下で、粉末高速度工具鋼製の金型においても発生する、金型の早期割れ、金型の早期摩耗の課題を解決した、長寿命の高速度工具鋼製の金型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、重量％で、C:0.5 〜2.0 ％、Si:2％以下、Mn:1％以下、Cr:3〜9 ％、Mo:15 ％以下、W:25％以下、V:1 〜10％、Co:0.1〜15％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製高速度工具鋼を素材として製造された金型において、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在するＭＣ型炭化物のうちの最大粒子の等価円直径（測定した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4 〜15μm の範囲にあって、かつ、等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする高速度工具鋼製金型を提供することによって上記した従来製品の課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
かかる構成により、本発明の出願人は、高速度工具鋼の組成及び高速度工具鋼中のＭＣ型炭化物のサイズ、形態、面積率を制御して新しい溶製高速度工具鋼金型に適用することにより、従来のマトリックスハイスや粉末高速度工具鋼製の金型では達成できない長寿命の高速度工具鋼製金型を提供するものとなった。まお、ＭＣ型炭化物の面積率は、光学画像測定マイクロスコープのスクリーンに現れる、等価円直径が4 μm 以上の各ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を全部加算した値を、スクリーン自身の面積で割った値となる。
【０００７】
好ましくは、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在する等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面（丸鋼又は角鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面）での面積率が0.5 〜5 ％であることを特徴とする高速度工具鋼製金型としてもよく、さらに、前記金型のワークと接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有もしくはクロ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すことにより、より耐摩耗性、耐割れ性が向上した高速度工具鋼製金型としてもよい。
さらに好ましくは、前記高速度工具鋼金型は、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侵入を防止し、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態を制御して製造された前記溶製高速度鋼から製作されてもよい。
【０００８】
以下に、高速度工具鋼の成分範囲についてその限定理由を述べる。
ＣはＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を改善する。しかし、Ｃの量があまりに多いと
靱性が低下する。そこで、Ｃの重量比を0.5 〜2.0 ％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靱性が低下する。そこで、Ｓi 及びＭn の重量比をＳｉ：2 ％以下、Ｍn ：1 ％以下に限定した。Ｃr は焼入れ性を高めるため3 〜9 ％添加される。Ｃr が3 ％より少ないと上記効果が少ないし、9 ％を超えると全体の靭性を低下させる。Ｍo 及びＷはＭ6 Ｃ型炭化物を形成し耐摩耗性を改善する。しかしＭo 及びＷの量があまりに多いと靱性が低下するのでＭo ：15％以下、Ｗ：25％以下とした。ＶはＭＣ型炭化物を形成し耐摩耗性を著しく高めるが、あまりに多いと靱性と被研削性の低下を招くため、1 〜10％とした。Ｃｏは鋼の耐熱性を高め、熱処理硬度を高くする作用があるが、多すぎると靱性を低下させ、熱間加工性をも悪化させるため0.1 〜15％に限定した。
【０００９】
続いて、本発明のポイントである、金型のワークと接触する面の表層部すなわち金型表面又は前記金型表面に平行な切断面表面（以下金型表層部とする）における高速度工具鋼中のＭＣ型炭化物のうちの最大の粒子の等価円直径、鍛造、圧延軸と平行する断面（丸鋼又は角鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面）でのＭＣ型炭化物の面積率および長径短径比を上記に限定した理由を述べる。
金型表層部に存在する鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が4 μm 未満の粉末高速度工具鋼を用いた金型では、アブレッシブ摩耗によりＭＣ型炭化物が素地と共に除去されやすいため摩耗しやすく、金型寿命が短い。また、前記の通り、金型の使用環境が過酷な場合、摩耗面の凹凸が応力集中を招き、かえって早期割れを誘発することがある。
一方、金型表層部に存在する鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が15μm を超え、また、金型表層部に存在する鋼中の等価円直径が4 μm 以上のＭＣ型炭化物の面積率が5 ％を超えると、非常に脆くなり、ＭＣ型炭化物を破壊起点とした割れを起こしやすくなる。特に、ＭＣ型炭化物のうち2 ％を超える粒子の形状が長径短径比で0.5 未満の粗大で細長い角形を呈する場合は、研削加工し難い上に、さらに割れを起こしやすくなり、金型早期破損の原因となる。一方、ＭＣ型炭化物の面積率が0.5 ％未満の場合は非常に摩耗しやすくなり、金型寿命が短くなる。
したがって、金型表層部の鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径を4 〜15μm とし、等価円直径が4 μm 以上のＭＣ型炭化物の鍛造、圧延軸と平行する断面での面積率を0.5 〜5 ％に限定し、かつ、等価円直径が4 μm 以上のＭＣ型炭化物のうち、長径短径比が0.5 以上の粒子が全体の45％以上を占める条件に限定した。
【００１０】
好ましくは、重量％で、C: 1〜1.7 ％、Si:0.4〜1 ％、Mn:0.2〜0.4 ％、Cr:4〜8 ％、Mo:2〜8 ％、W:0.1 〜6 ％、V: 2.2〜5 ％、Co:0.1〜8 ％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製高速度工具鋼を素材として製造された金型において、金型がワークと接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記金型表面に平行な切断面表面、に存在するＭＣ型炭化物のうちの最大粒子の等価円直径が 4〜12μm の範囲にあって、かつ、等価円直径が4 μm 以上の前記ＭＣ型炭化物のうち50％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.46以上となる比較的球状の粒子からなるものであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜実施例１＞
本発明を実施するための最良の形態の一例を実施例で説明する。表１は本発明鋼１、２、３、４、５、比較鋼６、７、８、９、10、11、12にて製作した金型の鋼中の化学成分及び金型表層部すなわち金型表面又は前記金型表面に平行な切断面表面（いかなる平行な切断面表面についても同じ。以下金型表層部と総称する）に存在するＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（最大のＭＣ型炭化物について測定した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、（μm ）、等価円直径（測定した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）4 μm 以上の面積率（鍛造、圧延軸と平行する断面、即ち丸鋼又は角鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面、での面積率）％、等価円直径が4 μm 以上のＭＣ型炭化物の長径短径比0.5 以上の粒子の構成率、をそれぞれ示したものである。実際の光学画像測定マイクロスコープでは、ＭＣ型炭化物の面積率は、光学画像測定マイクロスコープのスクリーンに現れる、等価円直径が4 μm 以上の各ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を全部加算した値を、スクリーン自身の面積で割った値とし、ＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（μｍ）、面積率及び長径短径比を光学画像測定マイクロスコープの顕微鏡画像で測定した。ＭＣ炭化物の観測対象は等価円直径で0.15μm 以上とした。ＭＣ型炭化物は金型表層部からワイヤーカットにより切り出した試験片を、10％クロム酸で電解腐食し、光学画像測定マイクロスコープにて測定した。
また、本発明高速度工具鋼は、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侵入を防止し、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、長径短径比を制御して鋼塊を製造した。鋼塊は、鍛造および圧延の熱間加工により直径100mm の棒鋼とした。金型はこの直径100mm の棒鋼から製造されたもので、焼入焼戻しにより62HRC に熱処理されたものである。
【００１２】
実施例１の寿命評価の対象とした本発明の実施形態の高速度工具鋼製金型の概略形状を図１に示す。金型寿命テストの条件は、
加工：打ち抜き加工
ワーク：SCM420  板厚4.0mm 
【表１】
2006089823.tif 000002
【００１３】
表２は金型テストの結果を一覧表に示したものである。
【表２】
2006089823.tif 000003
発明鋼の金型寿命は非常に良好である。
【００１４】
表３は、上記形状の金型にPVD によるTiN コーティングを行い、同様のテストを行った結果である。
【表３】
2006089823.tif 000004
本発明鋼はPVD の効果が大きいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の寿命評価の対象とした本発明の実施形態の高速度工具鋼製金型の概略形状を示す斜視図。
【図１】
2006089823.tif 000005