(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．２５〜１．５０％、Ｃｒ：４．０〜８．０％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｖ：０．２〜１．０％を含有し残部がＦｅ及び不純物からなる鋳鋼品を、
８４０℃〜８８０℃で１〜３時間加熱・保持した後、−１５〜−４０℃／ｈで５００℃〜７２０℃の任意の冷却温度に至るまで冷却する熱処理を行うことで、基地組織が粒状パーライトであり、遊離炭化物が面積率で０．１％〜５％であり、熱処理後の硬さをＨＢ１８０〜ＨＢ２５０とする工具鋼鋳鋼品の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．２５〜１．５０％、Ｃｒ：４．０〜８．０％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｖ：０．２〜１．０％を含有し残部がＦｅ及び不純物からなる鋳鋼品を、
８４０℃〜８８０℃で全体が均一温度となるように加熱・保持した後、−１５〜−４０℃／ｈで５００℃〜７２０℃の任意の冷却温度に至るまで冷却する熱処理を行うことで、基地組織が粒状パーライトであり、遊離炭化物が面積率で０．１％〜５％であり、熱処理後の硬さがＨＢ１８０〜ＨＢ２５０とする工具鋼鋳鋼品の製造方法。
【請求項３】
さらに９８０〜１０５０℃で焼入れ、または、焼入れ焼戻し処理をすることによりＨＲＣ５６以上の硬度を有する請求項１又は２記載の工具鋼鋳鋼品の製造方法。
【請求項４】
５００〜５５０℃の２次炭化物発生による２次硬化の硬さがＨＲＣ５５以上である請求項１〜３のいずれかに記載の工具鋼鋳鋼品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷間工具、プレス金型用素材、熱間プレス金型用素材、鍛造用金型素材等に使用可能な工具鋼鋳鋼品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプレス金型などには冷間工具鋼としてＳＫＤ１１が用いられる。一般的にＳＫＤ１１はＨＲＣ６０±２程度に焼入れされ、鍛造を行うことで炭化物を分解・分散させるために溶接性が良く、溶接時に割れが発生することは少ない。また、焼き入れ時にも割れることがない。
【０００３】
一方、例えば、冷間工具鋼用鋳鋼の先行技術としては、特許文献１に記載の「鋳物製冷間工具およびその製造方法」が知られている。この特許文献１では、ＳＫＤ１１ベースの成分に、ＮｂやＷ，Ｎｉを含んだ成分構成を採用する。鍛造にて製造される冷間工具を鋳造で製造することにより、鍛造では不可能な複雑形状品の製造、加工時の歩留り向上を図ることができる。
【０００４】
冷間工具鋼を鋳造品で製造しようとすると、図９（ａ）に示すように、鍛造品では炭化物が分散しているが、鋳造品は、同図（ｂ）に示すように、炭化物が網目状に晶出してしまう。鋳造品と鍛造品の差は炭化物の分散度合の他にも、焼入れや溶接時の割れやすさの差の問題がある。鋳鋼品は鍛造品と異なり、粒界に晶出する初析フェライトや初析セメンタイトの跡を完全に熱処理で取り去ることはできない。このため、パーライトをより完全に粒状化させないと、焼入れ時や溶接時の割れを防止することはできない。このため、パーライトを完全に粒状化させられる本成分に合った熱処理方法を開発する必要がある。
【０００５】
従来の最も一般的な熱処理方法は、図１０に示すように、約９５０℃まで昇温し、これを急冷することにより、元素が再び粒界などに凝集するのを防止する目的で固溶化処理という熱処理を行い、その後軟化及び微細な組織にすることを目的として、８５０℃付近で完全焼なましを行い、７６０〜７００℃の間にパーライトを球状化させる球状化焼なましを行う。このように従来の一般的な熱処理では、熱処理温度が９５０℃と高く、また熱処理総時間も約４４時間と長い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７３７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、高温で長時間の固溶化処理を行うことなく短納期を可能にした冷間工具、プレス金型用素材、熱間プレス金型用素材、鍛造用金型素材等に使用可能な工具鋼鋳鋼品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る工具鋼鋳鋼品の製造方法の特徴構成は、質量％で、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．２５〜１．５０％、Ｃｒ：４．０〜８．０％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｖ：０．２〜１．０％を含有し残部がＦｅ及び不純物からなる鋳綱品を、８４０℃〜８８０℃で１〜３時間加熱・保持した後、−１５〜−４０℃／ｈで５００℃〜７２０℃の任意の冷却温度に至るまで冷却する熱処理を行うことで、基地組織が粒状パーライトであり、遊離炭化物が面積率で０．１％〜５％であり、熱処理後の硬さがＨＢ１８０〜ＨＢ２５０とすることにある。
【０００９】
ここで、「１〜３時間加熱・保持」は、「全体が均一温度となるように加熱・保持」することを意味している。発明者の実験によれば、「８４０℃〜８８０℃で１〜３時間加熱・保持」により、全体が均一温度となる。その後、−１５〜−４０℃／ｈで５００℃〜７２０℃の任意の冷却温度に至るまで冷却する熱処理を行うことで、基地組織が粒状パーライトであり、遊離炭化物が面積率で０．１％〜５％であり、熱処理後の硬さがＨＢ１８０〜ＨＢ２５０である工具鋼鋳鋼品を得られた。この工具鋼鋳鋼品では、鋳放しでの基地の初析フェライト量が０．１〜１０％以下、または、初析炭化物量が０．１〜５％以下の面積率となっていた。
【００１０】
上記特徴に加え、さらに９８０〜１０５０℃で焼入れ、または、焼入れ焼戻し処理をすることによりＨＲＣ５６以上の硬度を有してもよい。さらに、５００〜５５０℃の２次炭化物発生による２次硬化の硬さがＨＲＣ５５以上としてもよい。焼き入れのみ行われる場合としては、例えば、フレームハードによる焼き入れで焼き戻しを必要としない場合が該当する。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の構成によれば、高温で長時間の固溶化処理を行うことなく、鋳放しでの基地の初析フェライト量が１０％以下、または、初析炭化物量が５％以下の面積率とすることができた。そして、基地組織が粒状パーライトであり、遊離炭化物が面積率で０．１％〜５％であり、熱処理後の硬さをＨＢ１８０〜ＨＢ２５０とすることができたので、短納期対応の可能な冷間工具、プレス金型用素材、熱間プレス金型用素材、鍛造用金型素材等として使用できる工具鋼鋳鋼品の製造方法を提供し得るに至った。
【００１３】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ｃ量と共析変態における組織の関係を表す状態図である。
【図２】表１における試料の組織写真を示し、（ａ）はＣ量０．４％、（ｂ）はＣ量０．６％、（ｃ）はＣ量０．８％、（ｄ）はＣ量１．０％、（ｅ）はＣ量１．２％の組織写真を示す。
【図３】焼戻し温度と硬度の関係を示す図である。
【図４】焼入れ温度と硬度の関係を示す図である。
【図５】Ｃｒ・Ｍｏと焼入れ硬度・２次硬化有無の関係を示す図である。
【図６】本発明鋼の熱処理サイクルを示す図である。
【図７】熱処理温度と機械的性質の関係を示す図である。
【図８】冷却速度と機械的性質の関係を示す図である。
【図９】鍛造品と鋳造品の炭化物形状比較（ＳＫＤ１１成分）であり、（ａ）はＳＫＤ１１（鍛造品）、（ｂ）はＳＫＤ１１相当材（鋳造品）の組織写真を示す。
【図１０】従来の熱処理サイクル例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
発明者らは、Ｃ量を変化させた時に炭化物がどのように変化するかについて調査を行った。図１に示す状態図から考察すると、Ｃ量が共析点（Ｃ０．７６％）より少ない場合、オーステナイト粒界に初析フェライトが析出し、このフェライト粒界に沿って破壊が進行するため、靱性は高いが強度が低くなり、また焼入れ硬度も低くなる。また、焼入れ時や溶接時に割れが発生するようになる。逆にＣ量が多い場合、粒界に初析炭化物が析出し、強度はあるが靱性が低くなる。
【００１６】
ここで、Ｃを０．４〜１．２％の中で変化させたときの炭化物量・硬度・焼入れ硬度・焼割れとの関係を表１に示す。また、表１の各試料の組織写真を図２に示す。表１よりＣが０．５％未満では焼入れ硬度がＨＲＣ５５以下になる。また、組織の内部にウッドマンステッテン状のフェライトが若干みられる（図２（ａ））。逆に、Ｃが１．０％ではウッドマンステッテン状の炭化物は見られるものの、割れ等はなく、炭化物も繋がっていない（図２（ｄ））。Ｃが１．２％になると初析のセメンタイトが連続するようになり、焼割れが発生する（図２（ｅ））。また、Ｃが０．６％、０．８％では、遊離炭化物の面積率が０．２％〜０．８％で、ウッドマンステッテン状の炭化物は見られず、割れ等もなく、炭化物も繋がっていない（図２（ｂ）（ｃ））。以上、焼入れ硬度、組織、焼割れの観点からＣ量は０．５〜１．０％とした。なお、遊離炭化物の面積率（％）は、顕微鏡、ＣＣＤカメラ及び市販の面積率測定ソフトを用いて、組織写真上の炭化物面積／全面積×１００にて算出される。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
また、図３に、本発明品のＣ量を変化させた場合の焼戻し温度と硬度の関係を示す。本発明鋼は焼戻し温度が５００℃を超えると、２次炭化物が析出することにより硬度の回復が起こる。これを２次硬化と呼ぶが、５５０℃付近で２次硬化が発生せずに硬度が低下すると、耐摩耗性が低下し、「カジリ」などが発生するようになる。Ｃが０．５％未満になると、５００〜５５０℃の焼戻し硬度がＨＲＣ５５を切るようになる。炭化物の量及び焼戻し温度５００〜５５０℃の２次炭化物析出時の硬度の関係より、Ｃ％の範囲は０．５〜１．０％とした。
【００１９】
発明者らは本発明品の焼入れ及び焼戻し温度と硬度について調査を行った。図４に示すように、Ｃ０．８％では焼入れ温度９８０℃以上で焼入れ硬度がＨＲＣ６０以上になり、１０３０℃付近で焼入れ硬度が最も高くなっており、ＳＫＤ１１と同等の硬度を示している。また、１０３０℃以上では焼入れ硬度は徐々に下がり始めている。１０３０℃の焼入れ剤の組織を観察したところ、残留オーステナイトの量が増加しており、１０５０℃以上では残留オーステナイトのマルテンサイト化による割れや変形が心配された。以上より焼入れ温度の範囲は９８０〜１０５０℃とした。
【００２０】
次に発明者らは、図５に示すように工具鋼に添加されるＣｒ・Ｍｏと焼入れ性及び２次炭化物発生による２次硬化の有無について調査を行った。Ｃｒが４％を下回ると焼入れ性硬度がＨＲＣ５６以下となってしまう。また、５００〜５５０℃の焼戻し後の２次硬化による硬度もＨＲＣ５５を切るようになる。５５０℃での２次硬化による硬度が低下すると、耐摩耗性が低下し、「カジリ」などが発生するようになる。一方Ｃｒが８％を超えると、網目状の炭化物が析出し始めるようになる。このような網目状の炭化物は焼入れや溶接による割れを発生させる。以上よりＣｒに関しては４．０〜８．０％とした。Ｍｏは図５に示すように０．８％を下回るようになると、焼戻し温度５００〜５５０℃の２次炭化物の析出による２次硬化が明瞭に見られなくなる。また図５からもわかるように、Ｍｏが２．０％を超えるようになると、それ以下の時よりも焼入れ硬度が低下し、ＨＲＣ５５を切るようになる。ＣｒとＭｏの量は図５のハッチング線で囲まれた範囲が好ましい。
【００２１】
その他の元素については、以下の理由で以下の成分範囲とした。
［Ｓｉ：０．２〜１．２％］
Ｓｉを適量含有すると、焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性や耐へたり性を向上させるのに有効となる。しかし含有量が多すぎると基地の靱性が低下する。
［Ｍｎ：０．２５〜１．５％］
Ｍｎを適量含有すると、焼入れ性が向上し基地を強化することができる。しかし含有量が多すぎると熱間加工性が阻害される。
［Ｖ：０．２〜１．０％］
Ｖを適量含有すると、軟化抵抗が向上する。また耐摩耗性と耐焼付き性の向上にも有効であるとともに、結晶粒の微細化にも有効である。しかし多量に含有すると、初析炭化物の析出量が増大し、網目状に繋がりやすくなる。
【００２２】
発明者らは、靱性を高め、溶接性及び焼入れ性の良い冷間工具鋼鋳鋼の熱処理方法について調査を行った。従来の方法では、Ｃｒ・Ｍｏ等の元素を拡散させ、炭化物が網目状に成長しないようにするために、図１０に示した固溶化熱処理を行い、その後完全焼鈍または球状化焼鈍を行っていた。しかしこの方法では熱処理に４５時間以上かかり、熱処理にかかるコストが増大する。
【００２３】
そこで本発明の成分において、簡易的な熱処理を行うことができないか検討した。図６に検討した熱処理パターンの例を示す。本熱処理は図１０に示す一般的な熱処理とは異なり、固溶化処理を行わず、完全焼なましの温度域に保持した後、徐冷することによりパーライトの球状化処理を行うものである。図７に下記表２のＣ０．６％，０．８％，０．９％（試料１〜３）の各組成の鋳鋼品における保持温度（横軸）と機械的性質（縦軸）の関係を示す。図７の結果より保持温度は８６０℃が最も好ましく、８４０〜８８０℃の範囲ならば機械的性質が良好であることがわかる。次に図８に、下記表２の各組成の鋳鋼品における保持温度８６０℃、冷却温度５４０℃とし冷却速度を変化させた場合の機械的性質（縦軸）と冷却速度（横軸）の関係を示す。図８より冷却速度は−３０℃／ｈが最も好ましく、−１５〜−４０℃／ｈの徐冷ならば問題のないことがわかる。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
以上より、本発明の鋳鋼品の熱処理は８６０℃±２０℃で１〜３ｈ、好ましくは厚さが１インチ増すごとに保持時間を１ｈ増やし、冷却速度は−３０(＋１５，−１０)℃／ｈとして、５００〜７２０℃の任意の温度まで冷却する熱処理とすることが好ましいと分かった。しかも、熱処理の時間は約２５時間程度となり、従来と比べ処理時間を大幅に短縮できた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る冷間工具鋼鋳鋼は、一般に市販されているＳＫＤ１１材の代替材として使用可能である。よって、プレス金型用素材、熱間プレス金型用素材、鍛造用金型素材などの分野に適用可能である。また本発明品は靱性が高いことから、ダイカスト用素材としても十分に適用可能である。
また本発明品は、ＳＫＤ１１・ＳＫＤ６１等の代替品として使用できるだけでなく、他の冷間工具鋼の代替材としても使用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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