(57)【要約】【課題】合金元素の添加を少なく抑えながら高硬度を発現することのできる工具鋼及びこれを用いた工具の製造方法を提供する。【解決手段】工具鋼を質量％でＣ：1.00〜2.00％，Si：0.05〜1.00％，Mn：0.20〜1.50％，Cr：3.00〜9.00％，Mo：0.50〜3.00％，Ｗ：0〜4.00％，[Ｗ]＋2[Mo]：9％未満（但し[  ]は[  ]内の元素の含有質量％を表す）を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有するものとし、焼入れ処理に際して１０００〜１２００℃に加熱して急冷する１段目の焼入れと、その後の８００〜１０５０℃未満の温度に加熱して急冷する２段目の焼入れとの２段階の焼入れを行う。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ：1.00〜2.00％
Si：0.05〜1.00％
Mn：0.20〜1.50％
Cr：3.00〜9.00％
Mo：0.50〜3.00％
Ｗ：0〜4.00％
[Ｗ]＋2[Mo]：9％未満
（但し[  ]は[  ]内の元素の含有質量％を表す）
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする工具鋼。
【請求項２】
質量％で
Ｖ：0.10〜1.00％
を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の工具鋼。
【請求項３】
質量％で
Ｎ：0.030〜0.150％
を更に含有し、且つ
Al：0.040〜0.100％
Ti：0.0040〜0.100％
Nb：0.0040〜0.100％
の何れか１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の工具鋼。
【請求項４】
質量％で
Cu：0.15〜0.30％
Ｂ：0.0010〜0.0100％
の何れか１種又は２種を更に含有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の工具鋼。
【請求項５】
質量％で
Ｓ：0.010〜0.200％
を更に含有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の工具鋼。
【請求項６】
１０００〜１２００℃に加熱して急冷する１段目の焼入れを行った後、８００〜１０５０℃未満の温度に加熱して急冷する２段目の焼入れを行って使用することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の工具鋼。
【請求項７】
前記１段目の焼入れと２段目の焼入れとの２段階の焼入れ及び焼戻し後に、ＨＲＣ６５以上の硬さの得られる請求項６に記載の工具鋼。
【請求項８】
請求項１〜５の何れかに記載の工具鋼を用いて工具を製造するに際し、焼入れ処理として１０００〜１２００℃に加熱して急冷する１段目の焼入れと、該１段目の焼入れの後において８００〜１０５０℃未満の温度に加熱して急冷する２段目の焼入れとを行うことを特徴とする高硬度工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は工具鋼及び高硬度工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、６５ＨＲＣ以上の硬さが必要な金型等の工具のための材料（工具鋼）として、主に高速度工具鋼（ハイス）が使用されている。
【０００３】
しかしながらハイスはMo，Ｖ，Ｗ，Co等の合金元素を多く添加した高価な材料であり、自ずとその用途は耐摩耗性や耐熱性が特に必要とされる場合に限られている。
こうしたことから、合金元素の添加を少なく抑えながらハイス並に高い硬度を発現することのできる材料（工具鋼）の実現が望まれていた。
【０００４】
尚本発明に対する先行技術として、下記特許文献１には「高硬度低合金高速度工具鋼」についての発明が示され、そこにおいてCoを添加せず、低合金で経済性の高い材料で、ＨＲＣ６５以上の熱処理硬さを得ることができる工具材を提供することを目的とした高硬度低合金高速度工具鋼が開示されている。
【０００５】
しかしながらこのものは、合金元素としてＶ，Ｗの複合添加を必須とすること、とりわけ[Ｗ]＋2[Mo]を9〜13％と多量に添加することを必須とする点で本発明と異なる。
またこの特許文献１には、１０００〜１２００℃の温度を焼入れ温度とする１段目の焼入れと、８００〜１０５０℃未満の温度を焼入れ温度とする２段目の焼入れとを行う点が開示されておらず、本発明と異なる。
【０００６】
他の先行技術として、下記特許文献２には「低合金高速度工具鋼およびその製造方法」についての発明が示され、そこにおいて耐摩耗性（高硬度）と靭性との両立を狙いとして、低合金高速度工具鋼にNb及び／又はTaを従来以上に多量に含有させる点が開示されている。
しかしながらこの特許文献２に記載のものは、Ｃ含有量が1％に満たない低Ｃのもので本発明と異なる。
またこの特許文献２においても、焼入れ処理として２段階の焼入れを行う点の開示はなく、本発明と異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−１５３８４１号公報
【特許文献２】特開平１０−３３０８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上のような事情を背景とし、合金元素の添加を少なく抑えながら高硬度を発現することのできる工具鋼及びこれを用いた工具の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
而して請求項１は工具鋼に関するもので、質量％でＣ：1.00〜2.00％，Si：0.05〜1.00％，Mn：0.20〜1.50％，Cr：3.00〜9.00％，Mo：0.50〜3.00％，Ｗ：0〜4.00％，[Ｗ]＋2[Mo]：9％未満（但し[  ]は[  ]内の元素の含有質量％を表す）を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２のものは、請求項１において、質量％でＶ：0.10〜1.00％を更に含有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％でＮ：0.030〜0.150％を更に含有し、且つAl：0.040〜0.100％，Ti：0.0040〜0.100％，Nb：0.0040〜0.100％の何れか１種又は２種以上を含有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％でCu：0.15〜0.30％，Ｂ：0.0010〜0.0100％の何れか１種又は２種を更に含有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％でＳ：0.010〜0.200％を更に含有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかの工具鋼であって、１０００〜１２００℃に加熱して急冷する１段目の焼入れを行った後、８００〜１０５０℃未満の温度に加熱して急冷する２段目の焼入れを行って使用するものであることを特徴とする。
【００１５】
請求項７のものは、請求項６の工具鋼であって、前記１段目の焼入れと２段目の焼入れとの２段階の焼入れ及び焼戻し後にＨＲＣ６５以上の硬さの得られるものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項８は高硬度工具の製造方法に関するもので、請求項１〜５の何れかに記載の工具鋼を用いて工具を製造するに際し、焼入れ処理として１０００〜１２００℃に加熱して急冷する１段目の焼入れを行った後、８００〜１０５０℃未満の温度に加熱して急冷する２段目の焼入れを行うことを特徴とする。
【００１７】
以上のように本発明の工具鋼は、Ｃについては1.00〜2.00％と多く含有させているものの、他の合金元素についてはCrが3.00〜9.00％，Moが0.50〜3.00％，Ｗが0〜4.00％で且つ[Ｗ]＋2[Mo]が9％未満と少ない。
このため本発明の工具鋼は所要コストが安価である。
尚本発明の工具鋼は、必要に応じてＶ，Ｎ，Al，Ti，Nb，Cu，Ｂ，Ｓ等を請求項２，請求項３，請求項４，請求項５に規定する所要量で含有させることができる。
【００１８】
本発明の工具鋼は、２段階の焼入れを施すことによって本来の能力を発揮し、高い硬度を発現することができる。
詳しくは、本発明の工具鋼は上記のように合金元素を多く添加しない簡単な組成のものであるにも拘らず、１０００〜１２００℃の焼入れ温度に加熱し急冷する１段目の焼入れと、その後における８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度に加熱し急冷する２段目の焼入れとの２段階の焼入れを行うことで、ＨＲＣ６５以上の高硬度を発現することが可能である。
以下にこれを詳しく説明する。
【００１９】
前述したように、ハイスではMo，Ｖ，Ｗ，Co等の合金元素を多く添加する。そのため、焼入れに際してはこれらを固溶させるために１２００〜１３５０℃程度の高い温度（焼入れ温度）に加熱し、焼入れを行う。そしてその焼入れによってＭ６Ｃ等の炭化物の析出と組織のマルテンサイト化とを行う。
【００２０】
ハイスでは、合金元素を多く添加し固溶させるため、焼入れ状態で残留オーステナイトが多く（例えば３０％程度）生成する。
そこでハイスの場合、その後にマルテンサイト状態にある鋼を６００℃程度の温度で焼戻し処理して、残留オーステナイトをマルテンサイト化するとともにＷ２Ｃ，Mo２Ｃ，ＶＣ等の硬い炭化物を析出させることで２次硬化させ、高硬度を発現させる。
【００２１】
これに対し本発明の鋼（工具鋼。以下単に鋼とすることがある）の場合、合金元素の添加が少ないために１０００〜１２００℃の低い焼入れ温度で第１段目の焼入れを行うことができる。即ちその低い焼入れ温度に鋼（実際には鋼を所定形状に加工した金型等の工具）を加熱することで鋼をオーステナイト化し且つ添加した合金元素をこれに固溶させることができる。
【００２２】
この第１段目の焼入れ温度での保持の時間は３〜３００分とすることができる。またその後の急冷を油冷却或いはガス冷却とすることができる。
ここでガス冷却とは、対象物に窒素ガス等の不活性ガス或いはその他の非酸化性ガスを吹き付けて行う冷却方法である。
この第１段目の焼入れにおいては、焼入れ温度への加熱後の急冷を３〜３００℃／ｍｉｎの冷却速度の下で行うことができる。
【００２３】
上記１段目の焼入れは、炭化物を固溶させることを目的とした焼入れであり、鋼を１０００〜１２００℃の焼入れ温度に加熱することによって鋼の組織を実質的にオーステナイト単相若しくはこれに近い状態とし、その後の急冷によってこれをマルテンサイト変態させる。
本発明の鋼は合金元素の添加が少ないために、この第１段目の焼入れにおける急冷によって炭化物は殆ど析出しないか又は析出しても僅かであり、また組織は殆どがマルテンサイト変態（８０〜９０％程度がマルテンサイト変態）して残留オーステナイトとして残るのは僅か（１０〜２０％程度）である。また残留オーステナイトを減らすため、サブゼロ処理してもよい。
【００２４】
１段目の焼入れを施したものに対して行う２段目の焼入れは、微細な炭化物を析出させることを目的とした処理で、この２段目の焼入れでは、鋼（上記したように実際には金型等の工具）を８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度に加熱する。
【００２５】
この温度域は、鋼が再びオーステナイト化する温度域であるとともに、本発明の鋼の成分系では炭化物Ｍ２３Ｃ６が析出する温度域である。詳しくはこの温度域は、オーステナイトと炭化物Ｍ２３Ｃ６の両相が併存する領域である。逆に言えばこの第２段目の焼入れは、１段目の焼入れによって、変態により一旦生成したマルテンサイト組織を焼入れ温度への加熱により分解して再度オーステナイト化するとともに、併せて組織に固溶していた炭化物形成元素を炭化物Ｍ２３Ｃ６（多くはCrやFeの炭化物でMo，Ｗ等の炭化物も微小量含まれる）として析出させる処理である。そしてこの処理によって、炭化物がマトリックス中に微細に分散析出する。
【００２６】
尚、８００〜１０５０℃未満の加熱により炭化物Ｍ２３Ｃ６を良好に析出させるには、鋼をその焼入れ温度に適当な時間保持しておくのが良い。その適当な時間は、加熱温度が低ければ長くなり、高ければ短くなる等加熱温度や生産性等の事情によって定まってくるが、これを含めて３〜１２０分とするのが適当である。
【００２７】
因みに図１は、本発明の鋼の組成範囲内にあるＣ-0.30Si-0.4Mn-4.00Cr-2.00Mo-1.00Ｗ-残部Fe（質量％）の組成の鋼についてThermo-Calc(Thermo-Calc Software AB社製)を用いて求めた状態図で（横軸はＣ％，縦軸は温度）、この図から、８００℃〜１０５０℃未満の温度域に加熱し保持することで、オーステナイト（γ）と炭化物Ｍ２３Ｃ６が生成することが見て取れる。
【００２８】
以上のように焼入れ温度に加熱し保持した後において急冷を行うと、ここにおいて再度生成したオーステナイトは急冷により再びマルテンサイト変態し、急冷後の組織は、マルテンサイト組織に微細炭化物が多く分散析出した組織となって高硬度となる。
【００２９】
つまりハイスの場合には、焼入れ後にマルテンサイト状態を保ちつつ鋼を約６００℃程度の温度で焼戻しし、その焼戻しにより炭化物を析出し２次硬化する現象を利用するものであるのに対し、上記の２段階焼入れでは、１段目の焼入れによって組織をマルテンサイト化した上で、再びこれを８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度に加熱して、一旦生成したマルテンサイトを分解させてオーステナイト化し、併せてこのときに炭化物を析出させた上で、再び急冷して焼入れし、オーステナイトを再度マルテンサイト変態させるもので、従来のハイスにおける焼入れ焼戻し処理とは異なったものである。
尚、実際の金型等工具の製造に際しては、通常は上記２段階の焼入れに続いて焼戻し処理を行う。その際の焼戻し処理では加熱温度を２００〜７００℃とすることができる。またその後の冷却は空冷とすることができる。
【００３０】
次に本発明における化学成分等の限定理由を以下に詳述する。
［請求項１の化学成分について］
Ｃ：1.00〜2.00％
１０００〜１２００℃の範囲内の焼入れ温度で全ての炭化物が固溶可能且つ必要な硬さを得るのに十分な炭化物が析出するようにＣ含有量を1.00〜2.00％の範囲内とする。Ｃ含有量が1.00％未満であると析出炭化物量が不足し、十分な硬さが得られない。逆に2.00％を超えて多く含有させると、融点が下がり焼入れが困難となる。好ましくは1.00〜1.65％の範囲内である。更に好ましくは1.20〜1.55％の範囲内である。
【００３１】
Si：0.05〜1.00％
Siの含有量を0.05％以上とすることで焼入れ性や硬さが向上し、1.00％でその効果は飽和状態となる。また、過剰にSiを含有させると靭性の劣化や熱伝導率の低下を招く。好ましい含有量は0.30〜0.65％である。
【００３２】
Mn：0.20〜1.50％
Mn含有量が0.20％未満であると焼入れ性が不足し、十分な硬さと衝撃値が得られない。逆に1.50％を超えて過剰に含有させると、衝撃値が低下するだけでなく、焼鈍しでの軟化が困難となり製造性が悪化する。好ましい含有量は0.65〜1.20％である。
【００３３】
Cr：3.00〜9.00％
Cr含有量が3.00％未満では焼入れ性が不足するとともに、２段目の焼入れ時に(Cr，Fe)２３Ｃ６型の炭化物を十分に析出生成することが難しく、十分な硬さと衝撃値が得られない。逆に9.00％を超えて過剰に含有させると、熱伝導率が大きく低下するため9.00％を上限値とする。好ましい含有量は3.50〜6.00％である。
【００３４】
Mo：0.50〜3.00％
Moは炭化物を形成し、硬さの上昇や耐摩耗性を向上させる効果がある。
Moは２段目の焼入れ時にＭ２３Ｃ６型の炭化物を形成する働きがあり、また焼戻し硬さの上昇や耐摩耗性を向上させる働きがある。但し含有量が0.50％未満ではその効果は小さい。逆に3.00％を超えて過剰に含有させると、その向上効果が飽和状態となるとともに、これ以上の含有量増加はコスト増加となり経済性を損なう。好ましい含有量は1.20〜2.50％である。
【００３５】
Ｗ：0〜4.00％
Ｗは炭化物を形成し、焼戻しに際しては焼戻し硬さの上昇や耐摩耗性を向上させる効果がある。但し4.00％を超えて多量に含有させると靭性が低下する恐れがある。
【００３６】
Weq（Ｗ当量）＝[Ｗ]＋2[Mo]：9％未満
添加元素としてのＷとMoは同様の効果をもたらすため、Ｗ当量（Weq）が所定の範囲となるようにＷとMoの添加量を決めるのが好ましい。Weqの所要の含有量は9.00％未満であるが、Moの添加により所要のWeqを満たすことができるときにはＷは無添加であっても良い。
本発明において、Weqの好ましい量は7.0％以下である。
尚、本発明の工具鋼においては下記の成分が下記の量で含まれることがあるが、これらは鋼における不可避的不純物に該当する。
Cu：＜0.15質量％
Ni：＜0.15質量％
Ｓ：＜0.010質量％
Ｐ：＜0.050質量％
Ｏ：＜0.010質量％
Ｖ：＜0.10質量％
Ｎ：＜0.030質量％
Al：＜0.040質量％
Ti：＜0.0040質量％
Nb：＜0.0040質量％
Ｂ：＜0.0010質量％
【００３７】
［請求項２の化学成分について］
Ｖ：0.10〜1.00％
請求項２では、Ｖを0.10〜1.00％の範囲で含有させる。
請求項１の化学成分によって得られる硬さで不十分な場合には、請求項２に従ってＶを含有させることで硬さを更に高めることができる。
請求項１のＷや請求項２のＶの炭化物は２段目の焼入れの際にも析出しては来るが、２段階の焼入れ後の焼戻しの際にＶの炭化物がＷの炭化物とともに（Ｗが添加してある場合）析出し、鋼が２次硬化して硬度が上昇する。
Ｖは安定なＭＣ型炭化物を形成し、結晶粒の粗大化防止や焼戻し硬さを上昇させる働きがある。そのためには0.10％以上含有させる必要がある。但し1.00％を超えて過剰に含有させると靭性が低下する。
【００３８】
［請求項３の化学成分について］
Ｎ：0.030〜0.150％
Ｎは、添加された又は不可避的に含まれるAl，Ti，Nbの窒化物形成元素と結合して微細な窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化する効果がある。但し0.030％未満の少ない含有量では効果が小さい。逆に0.150％を超えて過剰に含有させると窒化物が過剰に形成し、靭性や被削性の低下を招くため0.150％を上限値とする。
Al：0.040〜0.100％
Ti：0.0040〜0.100％
Nb：0.0040〜0.100％
何れの元素も、添加された又は不可避的に含まれるＣ,Ｎ,Ｏと微細な化合物（窒化物，炭化物，酸化物）を形成することで、結晶粒を微細化する効果がある。但しそれぞれ下限値未満の含有量では効果が小さく、逆に上限値を超えて多量に含有させると化合物が過剰に形成し、靭性や被削性の低下を招く。
【００３９】
［請求項４の化学成分について］
Cu：0.15〜0.30％
Ｂ：0.0010〜0.0100％
これらの元素は焼入れ性を向上させる働きがある。但し何れの元素も下限値未満では焼入れ性向上効果が小さく、逆に上限値を超えて過剰に含有させると効果が飽和する。
【００４０】
［請求項５の化学成分について］
Ｓ：0.010〜0.200％
Ｓは、Mnと結合して被削性を向上させる働きがある。このような働きのためには0.010％以上含有させることが必要である。逆に0.200％を超えて過剰に含有させると硫化物の形成量が過剰となり、靭性が低下するため上限値を0.200％とする。
【００４１】
［２段階の焼入れについて］
ａ)１段目の焼入れについて
１段目の焼入れは、炭化物全体を固溶させることを目的として１０００〜１２００℃を焼入れ温度とする。１０００℃未満の温度では炭化物全体を固溶させることが難しい。
本発明の鋼の成分系では１２００℃以下の温度で炭化物の全体を固溶させることが可能であるため、上限値を１２００℃とする。
【００４２】
ｂ)２段目の焼入れについて
２段目の焼入れは、１段目の焼入れで一旦生成したマルテンサイトを分解してオーステナイト化し、また微細な炭化物を析出させることを目的として８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度に加熱する。
８００℃未満の温度ではマルテンサイト→オーステナイト化が不十分であり、また８００℃未満或いは１０５０℃以上の温度では目的とする炭化物が十分に微細析出しないため、焼入れ温度をこの範囲内とする。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように本発明によれば、合金元素の添加の少ない、安価な工具鋼を用いながら金型等の工具の硬度を効果的に高硬度となすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の組成範囲内にある鋼の状態図の一例を示した図である。
【図２】本発明の製造方法における熱処理の説明図である。
【実施例】
【００４５】
表１に示す発明例及び比較例の鋼を５０ｋｇ真空誘導炉で溶解し、鋳造した。この鋼塊を１１５０℃に加熱し、断面がφ５５ｍｍの丸棒に鍛造した。
次に、９５０℃で２〜３時間加熱した後、３０℃／ｈの冷却速度で６００℃まで冷却し、９０〜１００ＨＲＢまで軟化させた（球状化焼鈍し処理）。
この丸棒から、厚さ１５ｍｍの試験片を切り出し、表１に各々示す条件で焼入れ・焼戻しを行った。
詳しくは、発明例の場合には１段目の焼入れと２段目の焼入れとの２段階の焼入れを行った後焼戻しを行い、また比較例については１段階だけの焼入れを行った後焼戻しを行った。
【００４６】
発明例の１段目の焼入れは、図２の（２-１）に示しているように中間温度（８５０℃）で１時間保持した後、焼入れ温度で１時間保持し、油冷または加圧ガス吹付けで冷却を行った。
２段目の焼入れは、図２の（２-２）に示しているように１段目の焼入れが完了し、室温まで冷却した後、再度加熱して行った。
詳しくは、図２の（２-２）に示すように８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度で１時間保持し、油冷または加圧ガス吹付けで冷却を行った。
焼戻しは、図２の（２-３）に示すように表１に示す温度で１時間保持し、空冷する操作を２回繰り返すことにより行った。
【００４７】
得られた発明例及び比較例の鋼について、熱処理後の硬さ（ＨＴ硬さ）、即ち焼入れ・焼戻し後の硬さ（ＨＲＣ）を測定した。測定は１０点行ってその平均値で評価した。結果が表１に併せて示してある。
【００４８】
【表１】
2015129339.tif 000002
【００４９】
表１において、比較例１の鋼種はハイスのＳＫＨ５１相当材，比較例２の鋼種はＳＫＨ５５相当材，比較例３の鋼種はＳＫＨ５７相当材，比較例４の鋼種はＳＫＨ２相当材で、Mo，Ｖ，Ｗ等の合金元素の添加量が多く、且つまたＷ＋2Moで表されるＷ当量（タングステン当量）Weqの値が本発明の上限値である9を遥かに超えて大きい。また比較例３については、添加元素として高価なCoが10％と多量に添加されている。
このため各比較例のものは、１２００℃を超える高温の焼入れ温度での１段だけの焼入れと焼戻しとによって、硬さ６６ＨＲＣ以上が得られている。
【００５０】
一方実施例１〜実施例１５の鋼種は、何れも合金元素の添加が少ないにも拘らず、１２００℃以下の低い温度を焼入れ温度とする１段目の焼入れと、８００〜１０５０℃未満の焼入れ温度の下での２段目の焼入れと、その後の焼戻しとによって、比較例１〜４のハイスにほぼ匹敵するような高硬度が得られている。
以上より、本発明に係る工具鋼は、冷間工具鋼又は高速度工具鋼として用いると好適である。
【図１】
2015129339.tif 000003
【図２】
2015129339.tif 000004