(57)【要約】【課題】  優れた靱性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：４．５０〜５．４０％、Ｎｉ：０．８０％未満、Ｍｏ：２．４０％以下、Ｗ：４．８０％以下、かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．７０〜２．４０％、Ｖ：０．３０〜０．７０％、Ｎ：０．０２５０％超え０．０３５０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＴｉは０．００５％以下、Ａｌは０．０５０％以下、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．０１０％以下であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、質量％で、
Ｃ：０．３０〜０．５０％、
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：４．５０〜５．４０％、
Ｎｉ：０．８０％未満、
Ｍｏ：２．４０％以下、
Ｗ：４．８０％以下、
かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．７０〜２．４０％、
Ｖ：０．３０〜０．７０％、
Ｎ：０．０２５０％超え０．０３５０％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＴｉは０．００５％以下、Ａｌは０．０５０％以下、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．０１０％以下であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の熱間工具鋼の構成要件に加え、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２）とＣｒは質量％で、Ｍｏ＋１／２Ｗ＜４．４５−０．４４Ｃｒの関係式を満たすことを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱間工具鋼の構成要件に加え、焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2以上であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱間工具鋼の構成要件に加え、高温軟化量ΔＨＲ
Ｃ＝ＨＲＣ0−ＨＲＣ1が１３.０ＨＲＣ以下であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼。
ただし、焼入焼戻しによって４４．５〜４５．５ＨＲＣになるように調質した状態での硬さをＨＲＣ0、調質後６００℃で１００時間保持、空冷した状態での硬さをＨＲＣ1とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間工具鋼に関し、特に熱間鍛造、熱間押出し、鋳造あるいはダイカストなどの製造に用いる熱間工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間工具鋼は、熱間温度域にある被加工物を加工するための工具として用いられる場合が多く、ＪＩＳ  Ｇ４４０４に主として熱間金型用に提供されるとしてＳＫＤ４、ＳＫＤ５、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２、ＳＫＤ７、ＳＫＤ８、ＳＫＴ３、ＳＫＴ４、ＳＫＴ６が分類されている。
【０００３】
ところで、熱間加工工具用鋼材として、例えば、特表２００２−５０９９８６号公報（特許文献１）に記載されているように、高レベルの靭性及び延性を備え、且つ焼戻し耐性及び高温強度の劣化を防ぐため、化学成分として、Ｃ：０．３〜０．４重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｃｒ：４〜６重量％、Ｍｏ：１．８〜３重量％、Ｖ：０．４〜０．８重量、残部はＦｅと不可避的不純物からなり、非金属不純物の含量はＳｉ：０．２５重量％以下、Ｎ：０．０１０重量％以下、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｐ：０．０１０重量％以下とする熱間加工工具用鋼材の開発が開示されている。しかし、この提案の熱間加工工具用鋼材はＮの添加が不充分であり、焼入れ温度が高くなった際に、結晶粒の粗大化が起き、靭性が低下する問題がある。
【０００４】
さらに、熱間金型用鋼として、例えば、特開平９−１６５６４９号公報（特許文献２）に記載されているように、充分な高温強度と靭性を得るため、化学成分として、Ｃ：０．２５〜０．４０重量％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０重量％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０重量％、Ｎｉ：０．５０〜２．００重量％、Ｃｒ：２．７０〜５．５０重量％、Ｍｏ：１．００〜２．００重量％、Ｖ：０．５０重量％を超え０．８０重量％以下、Ａｌ：０．００５重量％以上０．１０重量％未満、Ｐ：０．０１５重量％以下、Ｓ：０．００５重量％以下、Ｎ：０．００４重量％以下、残部はＦｅと不可避的不純物からなる熱間金型用鋼の発明が開示されている。しかし、この提案の熱間金型用鋼はＮの添加が不充分であり、焼入れ温度が高くなった際に、結晶粒の粗大化が起き、靭性が低下する問題がある。
【０００５】
さらに、熱間金型用鋼として、例えば、特開２０１３−８７３２２号公報（特許文献３）に記載されているように、高靭性及び高強度を得るため、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：４．００〜６．００％、Ｍｏ：１．４０〜２．６０％、Ｖ：０．２０〜０．８０％、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０１２０％以下を含有、残部をＦｅおよび不可避不純物とし、ＭｏとＣｒのバランスが質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係を満たす熱間金型用鋼の開発が開示されている。しかし、この提案の熱間金型用鋼はＮの添加が不充分であり、焼入れ温度が高くなった際に、結晶粒の粗大化が起き、靭性が低下する問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５０９９８６号公報
【特許文献２】特開平９−１６５６４９号公報
【特許文献３】特開２０１３−８７３２２号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱間工具鋼は、温間鍛造、熱間鍛造あるいはダイカストや押出用金型などに広く用いられている。近年は熱間加工品が大型化や複雑形状化し、さらに生産性向上を目的とした成形ピッチの短縮化により金型に加わる負荷が増大しており、この金型材料にはより一層優れた特性が要求されている。熱間工具鋼が用いられる金型、特にダイカストなどにおける意匠性が重視される用途では、ヒートチェックによる表面の荒れが問題となるケースも多い。耐ヒートチェック性の向上のためには、金型材料の靭性および軟化抵抗性を向上させることが有効であることが知られている。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記した点を考慮して、優れた靱性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決するための本発明の第１の手段は、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：４．５０〜５．４０％、Ｎｉ：０．８０％未満、Ｍｏ：２．４０％以下、Ｗ：４．８０％以下、かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．７０〜２．４０％、Ｖ：０．３０〜０．７０％、Ｎ：０．０２５０％超え０．０３５０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＴｉは０．００５％以下、Ａｌは０．０５０％以下、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．０１０％以下であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼である。
【００１０】
第２の手段は、第1の手段の熱間工具鋼の構成要件に加え、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２）とＣｒは質量％で、Ｍｏ＋１／２Ｗ＜４．４５−０．４４Ｃｒの関係式を満たすことを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼である。
【００１１】
第３の手段は、第1の手段または第２の手段の熱間工具鋼の構成要件に加え、焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2以上であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼である。
【００１２】
第４の手段は、第１の手段、第２の手段または第３の手段の熱間工具鋼の構成要件に加え、高温軟化量ΔＨＲＣ＝ＨＲＣ0−ＨＲＣ1が１３．０ＨＲＣ以下であることを特徴とする優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼である。
ただし、焼入焼戻しによって４４．５〜４５．５ＨＲＣになるように調質した状態での硬さをＨＲＣ0、調質後６００℃で１００時間保持、空冷した状態での硬さをＨＲＣ1とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記の手段とすることで、温間鍛造、熱間鍛造あるいはダイカストや押出用金型などに適用可能な、焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2以上、高温軟化量ΔＨＲＣ＝ＨＲＣ0−ＨＲＣ1が１３．０ＨＲＣ以下である優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼を得ることができる。
ただし、焼入焼戻しによって４４．５〜４５．５ＨＲＣになるように調質した状態での硬さをＨＲＣ0、調質後６００℃で１００時間保持、空冷した状態での硬さをＨＲＣ1とする。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
先ず、本発明の実施の形態の記載に先立って、本発明の熱間工具鋼の化学成分の限定理由および各特性の限定理由について説明する。なお、化学成分は質量％である。
【００１５】
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは、炭化物を形成させることで耐摩耗性、軟化抵抗性を得るための元素である。Ｃが０．３０％未満では十分な耐摩耗性および軟化抵抗性が得られない。一方、Ｃが０．５０％を超えると、凝固偏析を助長し、靱性を低下させる。そこで、Ｃは０．３０〜０．５０％とし、望ましくは０．３３〜０．４３％とする。
【００１６】
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸に必要な元素である。Ｓｉが０．１０％未満であると脱酸が不十分となる。一方、Ｓｉが０．５０％を超えると靱性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．５０％とし、望ましくは０．１０〜０．４０％とする。
【００１７】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を向上させ、靭性を確保するのに必要な元素である。Ｍｎが０．１０％未満では焼入性が不十分となり、靭性が低下する。一方、Ｍｎが１．００％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜１．００％とし、望ましくは０．４０〜１．００％とする。
【００１８】
Ｃｒ：４．５０〜５．４０％
Ｃｒは、焼入性を向上させ、靭性を確保するのに必要な元素である。Ｃｒが４．５０％未満では焼入性が不十分となり、靭性が低下する。一方、Ｃｒが５．４０％を超えると、焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過剰に形成され、軟化抵抗性を低下させる。そこで、Ｃｒは４．５０〜５．４０％とし、望ましくは、Ｃｒは４．７５〜５．２０％とする。
【００１９】
Ｎｉ：０．８０％未満
Ｎｉは焼入性を改善させ、靭性を向上させる。そのため添加が望まれる元素である。一方、多量に添加すると焼なまし硬さが増加し、被削性が悪化する。そこで、Ｎｉは０．８０％未満とし、望ましくは０．５０％未満とする。
【００２０】
Ｍｏ：２．４０％以下、Ｗ：４．８０％以下、かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．７０〜２．４０％
ＭｏとＷは炭化物を形成させることで耐摩耗性、軟化抵抗性を得るための元素である。Ｍｏ当量が１．７０％未満では耐摩耗性、軟化抵抗性が不足する。一方、Ｍｏ、Ｗを多量に含み、Ｍｏが２．４０％を超える、Ｗが４．８０％超える、またはＭｏ当量が２．４０％を超えると、炭化物の粗大化、偏析の助長が起き、靱性が低下する。そのため、Ｍｏは２．４０％以下、Ｗは４．８０％以下、かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）は１．７０〜２．４０％とし、望ましくは、Ｍｏは２．２０％以下、Ｗ：４．４０％以下、かつＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．９０〜２．２０％とする
【００２１】
Ｖ：０．３０〜０．７０％
Ｖは、焼戻し時に微細で硬質な炭化物や炭窒化物を析出し、軟化抵抗性、耐摩耗性に寄与する元素である。Ｖが０．３０％未満であると、軟化抵抗性、耐摩耗性が不足する。一方、Ｖが０．７０％を超えると、凝固時に粗大なＭＸ型炭化物や炭窒化物を晶出し、靱性を阻害する。そこで、Ｖは０．３０〜０．７０％とし、望ましくは、Ｖは０．４０〜０．６０％とする。
【００２２】
Ｎ：０．０２５０％超え０．０３５０％以下
Ｎは、微細炭窒化物を安定化させ、焼入れ時の結晶粒粗大化による靭性の低下を抑制する。Ｎが０．０２５０％以下ではその効果が得られない。一方、０．０３５０％を超えて添加すると、ＭＣ型粗大炭化物が均質化熱処理で固溶せず、靱性が低下する。そこで、Ｎは０．０２５０％超え０．０３５０％以下とする。
【００２３】
Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、不可避不純物であるが、０．００５％を超えると粗大炭化物の固溶温度を上昇させる。その結果、均質化熱処理における炭化物の固溶効果が十分に得られず、粗大炭化物が残存し、靱性を低下させる。そこで、Ｔｉは不可避不純物として０．００５％以下とする。
【００２４】
Ａｌ：０．０５０％以下
Ａｌは、不可避不純物であるが、０．０５０％を超えると介在物の形成を助長し、靱性を低下する。そこで、Ａｌは不可避不純物として０．０５０％以下とする。
【００２５】
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、不可避不純物であるが、０．０２５％を超えると偏析が大きくなり、靱性が低下する。そこで、Ｐは不可避不純物として０．０２５％以下とする。
【００２６】
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、不可避不純物であるが、０．０１０％を超えると偏析が大きくなり、靱性が低下する。そこで、Ｓは不可避不純物として０．０１％以下とする。
【００２７】
質量％で、Ｍｏ＋１／２Ｗ＜４．４５−０．４４Ｃｒ
熱間工具鋼において、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗは焼戻しにより炭化物を形成する。形成された炭化物はＭ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、Ｍ2Ｃなどの結晶構造をとるのだが、Ｍ2Ｃ以外の炭化物の形成は、高温保持の際に炭化物の粗大化を促進し、軟化抵抗性が低下する。また、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）とＣｒのバランスが、Ｍｏ＋１／２Ｗ≧４．４５−０．４４Ｃｒとなると全炭化物中のＭ2Ｃ以外の炭化物の割合は大きくなり、軟化抵抗性は低下する。そこで、Ｍｏ＋１／２Ｗ＜４．４５−０．４４Ｃｒとする。
【００２８】
焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値：３０Ｊ／ｃｍ2以上シャルピー衝撃値は靭性を表す値である。靭性の低下は耐ヒートチェック性の悪化を招き、耐ヒートチェック性が悪化すると、ダイカスト金型に用いた際に、金型表面にクラックが発生し、製品の意匠性が悪くなる。そのため、製品の意匠性向上には、焼入焼戻し状態でのシャルピー衝撃値の向上が必要である。そこで、製品の意匠性を良好にするには、２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ2以上必要であり、望ましくは４０Ｊ／ｃｍ2以上必要である。
【００２９】
高温軟化量ΔＨＲＣ：１３.０ＨＲＣ以下
高温軟化量ΔＨＲＣは軟化抵抗性を示す指標であり、ΔＨＲＣが小さいほど、軟化抵抗性が高いことを示す。一方、軟化抵抗性の低下は耐ヒートチェック性の悪化を招き、耐ヒートチェック性が悪化すると、ダイカスト金型に用いた際に、金型表面にクラックが発生し、製品の意匠性が悪くなる。これらのことから、製品の意匠性向上には、ΔＨＲＣの低下が必要である。そこで、製品の意匠性を良好にするには、ΔＨＲＣは１３.０ＨＲＣ以下にする必要があり、望ましくは１０.０ＨＲＣ以下にする必要がある。
なお、ΔＨＲＣ＝ＨＲＣ0−ＨＲＣ1であり、焼入焼戻しによって４４.５〜４５．５ＨＲＣになるように調質した状態での硬さをＨＲＣ0、調質後６００℃で１００時間保持、空冷した状態での硬さをＨＲＣ1とする。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を具体的に実施するための実施例について説明する。
表１に示す各発明鋼例、および表２に示す各比較鋼の化学成分の鋼塊を真空溶解炉で溶製し、得られた１ｔ鋼塊を１２８０℃で均質化熱処理した後、熱間鍛造によって鍛練成形比６Ｓの鍛伸材にし、８７０℃で焼なましを行うことで鋼材を製造した。
【００３１】
【表１】
2018131654.tif 000002
【００３２】
【表２】
2018131654.tif 000003
表１に示すＮｏ．１〜３３は本発明例であり、表２に示すＮｏ．３４〜５２は比較例である。
【００３３】
靱性の評価は、表１、表２に示すシャルピー衝撃値により評価した。このシャルピー衝撃試験に用いた試験片は、上記の焼なまし状態の鋼材の中心部から鍛伸方向に試料を割出し、この割出材を１０５０℃に保持した後、空冷によって焼入れを行ない、焼入れ後、５２０〜６５０℃で２回の焼戻しを行ない、４４．５〜４５．５ＨＲＣに調質した後、２ｍｍＵノッチを鍛伸方向に平行となる面に加工して作製した。このシャルピー衝撃試験片をシャルピー衝撃試験機により試験した。衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ2以上であれば評価は◎とし、３０Ｊ／ｃｍ2以上４０Ｊ／ｃｍ2未満であれば評価は○とし、３０Ｊ／ｃｍ2未満であれば×として評価した。
【００３４】
軟化抵抗性の評価は、高温軟化量により評価した。上記の焼なまし状態の鋼材の表面と中心の中間位置から試料を採取し、焼入焼戻しにより４４．５〜４５．５ＨＲＣに調質した状態での硬さ（ＨＲＣ0）を測定した。その後、この調質材を６００℃にて１００時間保持し、空冷した後に硬さ（ＨＲＣ1）を測定した。高温軟化量ΔＨＲＣ＝ＨＲＣ0−ＨＲＣ1として、ΔＨＲＣが１０.０ＨＲＣ以下であれば評価は◎とし、１０．０ＨＲＣ超え１３．０ＨＲＣ以下であれば○とし、１３．０ＨＲＣ超えであれば×として評価した。高温軟化量が小さいほど軟化抵抗性が高いことを示している。
【００３５】
表１に示す本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３３の特性はいずれも、シャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ2以上、高温軟化量ΔＨＲＣは１３．０ＨＲＣ以下であり優れた靭性および軟化抵抗性を有する熱間工具鋼である。
【００３６】
一方、表２に示す比較例であるＮｏ．３４〜Ｎｏ．５１について以下に検討する。比較例Ｎｏ．３４はＣ含有量が低いため、高温軟化量ΔＨＲＣが１３．０ＨＲＣを超えている。比較例Ｎｏ．３５はＣ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．３６はＳｉ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．３７はＭｎ含有量が低いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．３８はＣｒ含有量が低いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．３９はＣｒ含有量が高いため、ΔＨＲＣが１３．０ＨＲＣを超えている。
【００３７】
比較例Ｎｏ．４０はＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が低いため、ΔＨＲＣが１３．０ＨＲ
Ｃを超えている。比較例Ｎｏ．４１はＭｏ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．４２はＷ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．４３はＭｏ当量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．４４はＶ含有量が低いため、ΔＨＲＣが１３ＨＲＣを超えている。比較例Ｎｏ．４５はＶ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．４６はＮ含有量が低いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．４７はＮ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。
【００３８】
比較例Ｎｏ．４８はＴｉ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満と
なっている。比較例Ｎｏ．４９はＡｌ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．５０はＰ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．５１はＰ含有量が高いため、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2未満となっている。比較例Ｎｏ．５２はＭｏ＋１／２Ｗ≧４．４５−０．４４Ｃｒとなっているため、ΔＨＲＣが１３.０ＨＲＣを超えている。
以上のように、比較例Ｎｏ．３４〜Ｎｏ．５２は靭性または軟化抵抗性が不足しており
、本発明に該当しない。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊