(57)【要約】  焼入れ焼戻し時に生じる、材料の長さ方向の熱処理変寸を軽減できる冷間工具材料を提供する。  熱間加工によって延伸され、炭化物を含む焼鈍組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用される冷間工具材料において、この冷間工具材料の上記した熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上である冷間工具材料である。Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と上記の延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。  そして、上記の冷間工具材料を用いた冷間工具と、その製造方法である。
2016125523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間加工によって延伸され、炭化物を含む焼鈍組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用される冷間工具材料において、
前記冷間工具材料は、質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含み、前記焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
前記冷間工具材料の前記熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具材料。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と前記延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。
【請求項２】
前記熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、前記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷間工具材料。
【請求項３】
熱間加工によって延伸された焼鈍組織が焼入れ焼戻しされたマルテンサイト組織であり、炭化物を含むマルテンサイト組織を有する冷間工具において、
前記冷間工具は、質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含み、前記焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
前記冷間工具の前記熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と前記延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。
【請求項４】
前記熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、前記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上であることを特徴とする請求項３に記載の冷間工具。
【請求項５】
請求項１または２に記載の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行うことを特徴とする冷間工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス金型や鍛造金型、転造ダイス、金属刃物といった多種の冷間工具に最適な冷間工具材料と、それを用いた冷間工具およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷間工具は、硬質の被加工材と接触しながら使用されるため、その接触に耐え得る硬度や耐摩耗性を備えている必要がある。そして、従来、冷間工具材料には、例えばＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ１０やＳＫＤ１１系の合金工具鋼が用いられていた。【０００３】
冷間工具材料は、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を行って仕上げられる。そして、冷間工具材料は、通常、硬度の低い焼鈍状態で、冷間工具の作製メーカーに供給される。この作製メーカーに供給された冷間工具材料は、切削や穿孔等によって、冷間工具の形状に機械加工された後に、焼入れ焼戻しによって所定の使用硬度に調整される。また、この使用硬度に調整された後に、仕上げの機械加工を行うことが一般的である。焼入れとは、冷間工具の形状に機械加工された後の冷間工具材料を、オーステナイト温度域にまで加熱し、これを急冷することで、組織をマルテンサイト変態させる作業である。よって、冷間工具材料の成分組成は、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できるものとなっている。【０００４】
ところで、冷間工具材料には、上記の焼入れ焼戻しの前後において、その体積（寸法）が変化する「熱処理変寸」が生じる。そして、この熱処理変寸のうちでも、特に、熱間加工時の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に生じる熱処理変寸は、焼入れ時に発現する膨張変寸であり、かつ、その膨張量が最も大きい変寸である。この材料の長さ方向の膨張量が大きいと、焼戻しによる寸法の調整が困難となる。通常、焼戻し工程では、低温焼戻しによって冷間工具材料が全体的に収縮し、高温焼戻しによって再度膨張するので、熱処理変寸を重視する冷間工具の場合、寸法が焼鈍材対比でゼロ近傍となる温度で焼戻しが行われる。しかし、焼入れ時に発現する長さ方向の大きな膨張（すなわち、幅方向や厚さ方向に対する異方性）は、焼戻し工程によって解消され難い。よって、焼入れ焼戻し前の機械加工で、その最終的な冷間工具の形状に対して、仕上げ加工時の「削り代（しろ）」の調整が複雑となる。そして、この長さ方向の膨張量があまりにも大きいと、上記の「削り代」の調整自体が困難となる。【０００５】
そこで、上記の熱処理変寸の原因が、組織中に存在する大きな炭化物にあるとして、この大きな炭化物の存在量を低めた冷間工具材料が提案されている。例えば、焼入れ焼戻し後の断面組織中に占める面積２０μｍ２以上の炭化物の面積率を３％以下に調整した冷間工具材料が提案されている（特許文献１）。そして、長さ方向の膨張変寸の抑制を意識して、焼入れ焼戻し前の、その熱間加工時の延伸方向と平行な断面における、円相当径が２μｍ以上の炭化物の面積率を０．５％以下に調整した冷間工具材料が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９４９７４号公報
【特許文献２】特開２００９−１３２９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２の冷間工具材料は、焼入れ焼戻し時に発現する熱処理変寸の抑制に優れたものである。しかし、特許文献１、２の冷間工具材料は、熱処理変寸の原因となる上記の大きな炭化物の存在量自体を低減することから、その成分組成が「低Ｃ低Ｃｒ」に調整されており、その結果、炭化物の体積率が小さく、耐摩耗性が犠牲にされている。したがって、優れた耐摩耗性を維持するためには、冷間工具材料の成分組成を、やはり、上記のＳＫＤ１０やＳＫＤ１１レベルの「高Ｃ高Ｃｒ」に調整する必要がある。しかし、この場合、熱処理変寸が増長され、特に、その長さ方向に生じる膨張変寸が増長されるという課題があった。
本発明の目的は、上述の「高Ｃ高Ｃｒ」の成分組成を有する冷間工具材料において、その焼入れ焼戻し時に生じる、熱間加工時の延伸方向（材料の長さ方向）の熱処理変寸を軽減できる冷間工具材料を提供することである。そして、この冷間工具材料を用いた冷間工具およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱間加工によって延伸され、炭化物を含む焼鈍組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用される冷間工具材料において、
この冷間工具材料は、質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含み、上記の焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
この冷間工具材料の上記した熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具材料である。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と上記の延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。【０００９】
そして、上記した熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、上記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上である冷間工具材料である。【００１０】
また、本発明は、熱間加工によって延伸された焼鈍組織が焼入れ焼戻しされたマルテンサイト組織であり、炭化物を含むマルテンサイト組織を有する冷間工具において、
この冷間工具は、質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含み、上記の焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
この冷間工具の上記した熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具である。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と上記の延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。【００１１】
そして、上記した熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、上記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上である冷間工具である。【００１２】
そして、本発明は、上記の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行うことを特徴とする冷間工具の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上述の「高Ｃ高Ｃｒ」の成分組成を有する冷間工具材料において、その焼入れ焼戻し時に生じる、熱間加工時の延伸方向（材料の長さ方向）の熱処理変寸を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図２】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図３】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図４】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図５】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図６】本発明例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図７】比較例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図８】比較例の冷間工具材料の断面組織を示す光学顕微鏡写真を二値化処理した画像であり、上記の断面組織に分布する炭化物の一例を示す図である。
【図９】本発明例および比較例の冷間工具材料の断面組織中に分布する個々の炭化物の、炭化物配向度Ｏｃの分布の一例を示すグラフ図である。
【図１０】本発明で用いる、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の「近似楕円」およびこの近似楕円における「長軸と延伸方向とが成す角度」の概念を説明する図である。
【図１１】熱間加工によって延伸された冷間工具材料の「延伸直角方向」および「延伸法線方向」を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者は、ＳＫＤ１０やＳＫＤ１１といった「高Ｃ高Ｃｒ」の成分組成を有する冷間工具材料に生じる上記の熱処理変寸について、特に、その熱間加工時の延伸方向に生じる膨張変寸に影響を及ぼしている因子を調査した。なお、冷間工具材料の熱間加工時、加圧に対し、材料は延伸して長くなるが、その長くなる方向を延伸方向と言う。そのため、延伸方向を、以下「材料の長さ方向」とも言う。また、その材料の加圧方向が材料の厚さ方向となる。そして、その材料の長さ方向および厚さ方向に対し垂直方向を幅方向と言い、延伸直角方向とも言う。
そして、上記の調査の結果、焼入れ焼戻し前の「焼鈍組織」において、その組織中に存在する、焼入れ焼戻し後もマトリックス（基地）中に固溶しないで残存する「未固溶炭化物」の、上記の材料の長さ方向に対する「配向度」の程度が、その長さ方向の膨張変寸に作用していることを知見した。そして、未固溶炭化物の上記した「配向度」の程度を調整することで、この未固溶炭化物を微細にしなくても（つまり、大きな炭化物を減らさなくても）、上記した長さ方向の膨張変寸を軽減できることを突きとめ、本発明に到達した。以下に、本発明の各構成要件について説明する。
【００１６】
（ｉ）本発明の冷間工具材料は、「熱間加工によって延伸され、炭化物を含む焼鈍組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用される」ものである。
冷間工具材料が、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を行って仕上げられることは、前述の通りである。焼鈍組織とは、上記の焼鈍処理によって得られる組織のことであり、好ましくは、ブリネル硬さで１５０〜２３０ＨＢＷ程度に軟化された組織である。そして、一般的には、フェライト相や、フェライト相にパーライトやセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）が混合した組織である。また、このような焼鈍組織は、上記の熱間加工によって延伸されている。この冷間工具材料の焼鈍組織には、通常、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等とが結合してなる炭化物が含まれている。そして、これら炭化物のうちで、専ら大きなものは、次工程の焼入れで基地中に固溶しない未固溶炭化物となる。未固溶炭化物は、上記の熱間加工による延伸によって、材料の長さ方向に対し、所定の配向度を有するように、分布している（後述）。
【００１７】
（ｉｉ）本発明の冷間工具材料は、「質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含み、焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有する」ものである。
従来、冷間工具材料に、焼入れ焼戻しによってマルテンサイト組織を発現する素材が用いられていることは、前述の通りである。マルテンサイト組織は、各種の冷間工具の絶対的な機械的特性を基礎付ける上で必要な組織である。このような冷間工具材料の素材として、例えば各種の冷間工具鋼が代表的である。冷間工具鋼は、その表面温度が概ね２００℃以下までの環境下で使用されるものである。そして、本発明において、この冷間工具鋼の成分組成には、優れた耐摩耗性を付与できる「高Ｃ高Ｃｒ」のものを適用することが重要であり、例えばＪＩＳ−Ｇ−４４０４の「合金工具鋼鋼材」にある、ＳＫＤ１０やＳＫＤ１１等の規格鋼種や、その他提案されているものを代表的に適用できる。また、上記の冷間工具鋼に規定される以外の元素種も、必要に応じて添加や含有が可能である。
【００１８】
そして、本発明の“焼入れ後の材料の長さ方向に生じる膨張変寸を低減する”という効果（以下、「膨張変寸低減効果」と言う。）は、焼鈍組織が焼入れ焼戻しされてマルテンサイト組織を発現する素材であるならば、あとは、この焼鈍組織が後述する（ｉｉｉ）の要件を満たすことで、達成が可能である。そして、本発明の膨張変寸低減効果と、冷間工具鋼の最重要特性である耐摩耗性とを両立させるためには、マルテンサイト組織を発現する成分組成のうちで、冷間工具製品に含まれる炭化物の体積率増加に寄与するＣおよびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの炭化物形成元素の含有量を決めておくことが効果的である。特に、ＣおよびＣｒの含有量は、優れた耐摩耗性を付与するために、“高めに”決めておくことが重要である。そして、具体的には、質量％で、Ｃ：０．８０〜２．４０％、Ｃｒ：９．０〜１５．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、Ｖ：０．１０〜１．５０％を含む成分組成である。本発明の冷間工具材料の成分組成を構成する各種元素について、以下の通りである。
【００１９】
・Ｃ：０．８０〜２．４０質量％（以下、単に「％」と表記する。）
Ｃは、一部が基地中に固溶して基地に硬度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、冷間工具材料の基本元素である。また、侵入型原子として固溶したＣは、ＣｒなどのＣと親和性の大きい置換型原子と共に添加した場合に、Ｉ（侵入型原子）−Ｓ（置換型原子）効果（溶質原子の引きずり抵抗として作用し、冷間工具を高強度化する作用）も期待される。但し、過度に添加すると、焼入れ時の固溶Ｃ量が増大することによるマルテンサイト変態膨張の増加を招き、焼入れ後の変寸率が増大する。よって、０．８０〜２．４０％とする。好ましくは、１．３０％以上である。また、好ましくは、１．８０％以下である。
【００２０】
・Ｃｒ：９．０〜１５．０％
Ｃｒは、焼入性を高める元素である。また、炭化物を形成して、耐摩耗性の向上に効果を有する元素である。そして、焼戻し軟化抵抗の向上にも寄与する、冷間工具材料の基本元素である。但し、過度の添加は、粗大な未固溶炭化物を形成して靱性の低下を招く。よって、９．０〜１５．０％とする。好ましくは、１４．０％以下である。また、好ましくは、１０．０％以上である。より好ましくは、１１．０％以上である。
【００２１】
・ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％
ＭｏおよびＷは、焼戻しによって組織中に微細炭化物を析出または凝集させて、冷間工具に強度を付与する元素である。ＭｏおよびＷは、単独または複合で添加できる。そして、この際の添加量は、ＷがＭｏの約２倍の原子量であることから、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の式で定義されるＭｏ当量で一緒に規定できる。当然、いずれか一方のみの添加としてもよいし、双方を共に添加することもできる。そして、上記の効果を得るためには、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で０．５０％以上の添加とする。好ましくは、０．６０％以上である。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で３．００％以下とする。好ましくは、２．００％以下である。より好ましくは、１．５０％以下である。
【００２２】
・Ｖ：０．１０〜１．５０％
Ｖは、炭化物を形成して、基地の強化や、耐摩耗性、焼戻し軟化抵抗を向上する効果を有する。そして、焼鈍組織中に分布したＶ炭化物は、焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する“ピン止め粒子”として働き、靭性の向上にも寄与する。これらの効果を得るために、Ｖは０．１０％以上とする。好ましくは、０．２０％以上である。本発明の場合、耐摩耗性を向上させる目的で、０．６０％以上のＶを添加することもできる。但し、多過ぎると、大きな未固溶炭化物を形成して熱処理変寸を助長する。さらに被削性や、炭化物自身の増加による靭性の低下をも招くので、１．５０％以下とする。好ましくは１．００％以下である。
【００２３】
本発明の冷間工具材料の成分組成は、上記の元素種を含んだ鋼の成分組成とすることができる。また、上記の元素種を含み、残部をＦｅおよび不純物とすることができる。そして、上記の元素種の他には、下記の元素種を含有することも可能である。
・Ｓｉ：２．００％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるが、多過ぎると焼入性が低下する。また、焼入れ焼戻し後の冷間工具の靱性が低下する。よって、２．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、１．５０％以下である。さらに好ましくは、０．８０％以下である。一方、Ｓｉには、工具組織中に固溶して、冷間工具の硬度を高める効果がある。この効果を得るためには、０．１０％以上の含有が好ましい。
【００２４】
・Ｍｎ：１．５０％以下
Ｍｎは、多過ぎると基地の粘さを上げて、材料の被削性を低下させる。よって、１．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、１．００％以下である。さらに好ましくは、０．７０％以下である。一方、Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、焼入性を高める効果を有する。また、非金属介在物のＭｎＳとして存在することで、被削性の向上に大きな効果がある。これらの効果を得るためには、０．１０％以上の含有が好ましい。より好ましくは、０．２０％以上である。
【００２５】
・Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、通常、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料に不可避的に含まれ得る元素である。そして、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して、粒界を脆化させる元素である。したがって、冷間工具の靭性を向上するためには、添加する場合も含めて、０．０５０％以下に規制することが好ましい。より好ましくは、０．０３０％以下である。
【００２６】
・Ｓ：０．０５００％以下
Ｓは、通常、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料に不可避的に含まれ得る元素である。そして、熱間加工前の素材時において、その熱間加工性を劣化させ、熱間加工中に割れを生じさせる元素である。したがって、熱間加工性を向上するためには、０．０５００％以下に規制することが好ましい。より好ましくは、０．０３００％以下である。一方、Ｓには、Ｍｎと結合して、非金属介在物のＭｎＳとして存在することで、被削性を向上する効果がある。この効果を得るためには、０．０３００％を超える添加を行ってもよい。
【００２７】
・Ｎｉ：０〜１．００％
Ｎｉは、基地の粘さを上げて被削性を低下させる元素である。よって、Ｎｉの含有量は１．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．５０％未満、さらに好ましくは、０．３０％未満である。一方、Ｎｉは、工具組織中のフェライトの生成を抑制する元素である。また、冷間工具材料に優れた焼入性を付与し、焼入れ時の冷却速度が緩やかな場合でもマルテンサイト主体の組織を形成して、靭性の低下を防ぐことのできる効果的元素である。さらに、基地の本質的な靭性も改善するので、本発明では必要に応じて添加してもよい。添加する場合、０．１０％以上の添加が好ましい。
【００２８】
・Ｎｂ：０〜１．５０％
Ｎｂは、被削性の低下を招くので、１．５０％以下とすることが好ましい。一方、Ｎｂは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、Ｖと同様、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する効果を有する。よって、Ｎｂは、必要に応じて添加してもよい。添加する場合、０．１０％以上の添加が好ましい。
【００２９】
本発明の冷間工具材料の成分組成において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）は、例えば、不可避的不純物として、鋼中に残留する可能性のある元素である。本発明において、これら元素はできるだけ低い方が好ましい。しかし一方で、介在物の形態制御や、その他の機械的特性、そして製造効率の向上といった付加的な作用効果を得るために、少量を含有してもよい。この場合、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．２５％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％、Ｎ≦０．０５００％の範囲であれば十分に許容でき、本発明の好ましい規制上限である。Ｎについて、より好ましい規制上限は、０．０３００％である。
【００３０】
（ｉｉｉ）本発明の冷間工具材料は、「熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上である」ものである。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と上記の延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。
【００３１】
上記の「高Ｃ高Ｃｒ」の成分組成を有する本発明の冷間工具材料は、特許文献１、２の冷間工具材料に比べて、焼鈍組織中の炭化物が多い。そして、このような炭化物が多い冷間工具材料に生じる熱処理変寸を軽減するために、従来は、素材への熱間加工を繰り返す等して（熱間加工比を大きくして）、炭化物を専ら「微細に分散させる」ことが有効であると考えられてきた。しかし、一方で、炭化物の増加は、熱間加工の際の素材の加工性を悪くする。よって、上記の「高Ｃ高Ｃｒ」の成分組成を有した冷間工具材料では、焼鈍組織中の炭化物を微細化することが容易ではなかった。
そこで、本発明は、炭化物を「微細に分散させる」手法に依らなくても、材料の長さ方向に対するこの炭化物の「配向度」の程度を調整することで、上記の長さ方向における膨張変寸を軽減できるものである。以下、本発明における炭化物の「配向度」について説明する。
【００３２】
冷間工具材料は、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を施して、例えばブロック形状に仕上げられる。そして、上記の鋼塊は、一般的に、所定の成分組成に調整された溶鋼を鋳造して得られる。よって、鋼塊の鋳造組織中には、凝固開始時期の差異等に起因して（デンドライトの成長挙動に起因して）、晶出炭化物がネットワーク状に集合した部位が存在する。このとき、上記のネットワークを形成している個々の晶出炭化物は、板状（いわゆる、ラメラ［Ｌａｍｅｌｌａｒ］状）を呈している。このような鋼塊を熱間加工することで、上記のネットワークは、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に延ばされて、かつ、その加圧方向（つまり、材料の厚さ方向）に圧縮される。そして、上記した個々の晶出炭化物は、熱間加工時に粉砕されて分散し、熱間加工の延伸方向に配向していく。この結果、熱間加工後に焼鈍処理して得られた冷間工具材料の、焼鈍組織中の炭化物の分布様態は、粉砕された個々の炭化物が、延伸方向に変形しつつ、直線的に集合した層が重なった、“略縞状”の様態となる（例えば、図８を参照）。図８において、濃色の基地中に確認される“白色の分散物”が炭化物である。
【００３３】
上記の略縞状に分布する個々の炭化物は、専ら「未固溶炭化物」として機能し、焼入れ時の基地中に固溶しない。そして、焼入れ焼戻し後の組織中に残って、冷間工具の耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、この一方で、上記の略縞状に分布する個々の炭化物は、材料の長さ方向に変形して、この方向に配向している。そして、この配向の程度が著しいと（つまり、炭化物の長径が、材料の長さ方向に揃うと）、焼入れ時に生じる材料の長さ方向の膨張変寸が増大する。
この原理を説明すると、まず、冷間工具材料の焼入れ時において、その基地自体は、一般的に、マルテンサイト変態によって膨張する。そして、このとき、基地に未固溶炭化物が分散していると、この未固溶炭化物が基地の膨張を食い止める”抵抗”として機能して、基地の膨張を抑える。しかし、未固溶炭化物が、例えば、材料の長さ方向に配向していると、この未固溶炭化物と基地との界面が、材料の長さ方向に揃う一方で、材料の長さ方向と交わる界面（すなわち、基地の上記した長さ方向への膨張を食い止める界面）の密度が小さくなって、基地の膨張を食い止める“抵抗”が弱くなり、基地の上記した長さ方向への膨張を抑えられなくなる。
【００３４】
従って、上記した個々の未固溶炭化物の配向を、熱間加工による延伸方向に対して“不揃い”に乱すことで、この未固溶炭化物と基地との界面において、材料の長さ方向と交わる界面の密度を大きくすることができる。この結果、材料の長さ方向における基地の膨張を食い止める”抵抗”が増して、材料の長さ方向の膨張変寸を軽減することができる。そして、本発明では、上記した個々の未固溶炭化物が呈している配向の程度を定量化したことで、この定量化された配向の程度の値が、材料の長さ方向に生じる膨張変寸の程度と相関があることを見いだした。そして、この定量化された配向の程度の値を最適に調整することが、材料の長さ方向に生じる膨張変寸の軽減に効果的であることを見いだした。
【００３５】
まず、本発明者は、材料の熱処理変寸に影響を及ぼしている未固溶炭化物の大きさを調査した。その結果、冷間工具材料の延伸方向と平行な断面の焼鈍組織において、「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」を、上記の熱処理変寸に影響を及ぼしている未固溶炭化物として扱えることを知見した。このような「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」は、上記した冷間工具材料の延伸方向と平行な断面の焼鈍組織において、通常、１．０〜３０．０面積％程度存在している。
そして、この「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」の個々が呈している配向度（以下、「炭化物配向度」と記す。）Ｏｃを、その炭化物の「円相当径Ｄ（μｍ）」と、その炭化物の近似楕円における長軸と熱間加工による延伸方向とが成す「角度θ（ｒａｄ）」との積によって定義した。この式の意味は、未固溶炭化物が有する、材料の長さ方向への膨張に対する抵抗が、この未固溶炭化物の大きさ（上記の「円相当径Ｄ」に相当）と、この未固溶炭化物の長径の傾き具合（上記の「角度θ」に相当）とによって、相乗的に決定付けられることによる。
【００３６】
なお、上記の「円相当径Ｄ」とは、ある断面積を有する一つの炭化物について、それと同じ面積を持つ円の直径のことである。そして、上記の「角度θ」とは、前述の通り、ある形状を有する一つの炭化物について、その近似楕円における長軸と熱間加工による延伸方向とが成す角度のことである（図１０を参照）。このとき、仮の基準方向に対する「角度θ」を求め、そのうち炭化物が最も多く配向している方向を定めて、この方向を延伸方向、つまり「０°」として、未固溶炭化物の長径の傾き（「角度θ」）を求めることもできる。また、このとき、「角度θ」は、小数点以下第１位までの値とすることができる。従って、冷間工具材料の焼鈍組織を観察し、未固溶炭化物の状態から、延伸方向（「角度０°」）を確認し、その延伸方向と平行な断面を観察して評価することができる。この延伸方向と平行な断面は、未固溶炭化物が横方向に長く観察され、上記した“略縞状”の様態が観察される断面である。そして、上記の「近似楕円」とは、炭化物の形状に最もフィットした楕円のことであり、炭化物の形状と同一の図心を持ち、断面二次モーメントが等しくなるように描画した楕円を、炭化物の面積と等しくなるように縮小した楕円のことである（図１０を参照）。このような処理は、既知の画像解析ソフト等によって行うことができる。
【００３７】
本発明に係る、上記炭化物の「円相当径Ｄ」および「角度θ」の測定手法の一例について説明しておく。
まず、冷間工具材料の断面組織を、例えば倍率２００倍の光学顕微鏡で観察する。このとき、観察する断面は、冷間工具を構成することとなる冷間工具材料の部分である。そして、上記の観察する断面は、熱間加工による延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行な断面のうちで、ＴＤ方向（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；延伸直角方向）に垂直な断面（いわゆる、ＴＤ断面）である。ＴＤ断面は、熱間加工時の加圧方向（つまり、材料の厚さ方向）に圧縮された断面であり、かつ、熱間加工時の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に延ばされた断面である。つまり、図１１に示す通りである（冷間工具材料は略直方体で示してある）。よって、このＴＤ断面の組織で観察される炭化物が、冷間工具材料の延伸方向と平行な断面で観察される炭化物のうちで、その延伸方向に最も配向しており、上記の「炭化物配向度Ｏｃの標準偏差」が最も小さい状態のものとみなせる。従って、上記の「炭化物配向度Ｏｃの標準偏差」を、このＴＤ断面で求めて評価することが、本発明の「膨張変寸低減効果」を確実に達成するのに効果的である。
そして、上記のＴＤ断面において、例えば断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面をダイヤモンドスラリーを用いて鏡面に研磨する。この鏡面に研磨した断面は、観察を行う前に、未固溶炭化物と基地との境界が明瞭になるように、種々の方法を用いて腐食しておくことが好ましい。
【００３８】
次に、上記の観察で得た光学顕微鏡写真を画像処理して、炭化物と基地との境界（例えば、上記の腐食による着色部と未着色部との境界）を閾（しきい）値とした二値化処理を行い、断面組織の基地中に分布する炭化物を示した二値化画像を得る。図１は、本発明の冷間工具材料（実施例で評価した本発明例の「冷間工具材料１」である。）の、上記した二値化画像（ＴＤ断面とＮＤ断面）である（視野面積０．５８ｍｍ２）。図１において、炭化物は、白色の分布で示されている。このような二値化処理は、既知の画像解析ソフト等によって行うことができる。
【００３９】
そして、図１の画像を、さらに画像処理することで、断面組織中に観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物を抽出し、それら個々の炭化物の、上記した円相当径Ｄ（μｍ）および角度θ（ｒａｄ）を求めればよい。なお、この「角度θ」の基準となる「熱間加工による延伸方向」の決定手法は、前述の通りである。そして、これらの値を用いて、本発明に係る炭化物配向度Ｏｃと、その標準偏差を求めればよい。炭化物の円相当径Ｄおよび角度θも、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。
【００４０】
そして、材料の長さ方向に対して、「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」が示している配向の程度は、個々の炭化物における上記の炭化物配向度Ｏｃの「標準偏差」で定量的に評価することができる。この標準偏差の値を最適に調整すれば、材料の長さ方向に生じる膨張変寸を軽減できる。
つまり、上記の標準偏差が小さいときは、「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」の個々の配向度が、材料の長さ方向に対して、概ね一方向に揃っている状態である。そして、このような状態であると、材料の長さ方向と交わる、炭化物と基地との界面の密度が小さくなって、材料の長さ方向の膨張を抑止する抵抗が弱くなり、材料の長さ方向の膨張量が増加する。
これに対して、上記の標準偏差が大きくなると、「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」の個々の配向度が、材料の長さ方向に対して不揃いとなり、材料の長さ方向と交わる上記の界面の密度が大きくなる。この結果、材料の長さ方向の膨張を抑止する抵抗が増して、材料の長さ方向の膨張が抑制される。そして、本発明の場合、冷間工具材料のＴＤ断面の焼鈍組織において、上記の標準偏差の値を「６．０以上」とすることで、上記の抵抗が十分に増して、本発明の膨張変寸低減効果を達成できる。好ましくは「６．５以上」である。より好ましくは「７．０以上」である。なお、上記の標準偏差の値が大きすぎる冷間工具材料は、鋳造組織の破壊が進んでいない材料と言え、冷間工具としたときに靱性の劣化が懸念される。よって、上記の標準偏差は、好ましくは「１０．０以下」とする。より好ましくは「９．０以下」とする。
【００４１】
図９は、冷間工具材料の一例（実施例で評価した本発明例の「冷間工具材料２」および比較例の「冷間工具材料７」である。）について、そのＴＤ断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の個々の炭化物の、上記した「炭化物配向度Ｏｃ」の分布を示すグラフ図である。グラフ図において、横軸は個々の炭化物の炭化物配向度Ｏｃであり、縦軸はその頻度である。この炭化物配向度Ｏｃの値は、熱間加工による材料の延伸方向に対する、炭化物の近似楕円の長軸の傾き方向に応じて、正負の値をとっている。また、この炭化物配向度Ｏｃの頻度は、このＯｃの値が「ゼロ」である付近を頂点とする、凸状の分布を示している。そして、このような凸状の分布を示す炭化物配向度Ｏｃについて、本発明では、その標準偏差を６．０以上とすることで、優れた膨張変寸低減効果を発揮する。炭化物配向度Ｏｃおよび標準偏差も、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。本発明に係る、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差を求める一連の作業は、既知の画像解析ソフト等によって行うことができる。
【００４２】
なお、図９では、それぞれの炭化物配向度Ｏｃを有した炭化物の頻度を、炭化物配向度Ｏｃの区間幅を０．５（μｍ・ｒａｄ）として、この区間幅毎に属する炭化物の合計の頻度として示している（炭化物配向度Ｏｃが「−０．５以上０未満」の範囲にある炭化物の頻度は、「０」の位置に示している）。そして、炭化物配向度Ｏｃを求めるときの基礎データである各炭化物の角度θは、０．００１°の位まで求めたものを使用している。この角度θの位は、適宜設定することができる。
【００４３】
本発明の冷間工具材料の場合、前述した画像処理に供する光学顕微鏡写真は、その観察視野の倍率を２００倍として、１０視野を観察すれば、本発明の「膨張変寸低減効果」を確認するのに十分である。このとき、上記の観察視野の面積は、１視野あたり０．５８ｍｍ２とすることができる。
【００４４】
上記の（ｉｉｉ）の要件において、その「焼鈍組織」の記載は、本発明の冷間工具において、「マルテンサイト組織」の記載に置換することができる。
【００４５】
（ｉｖ）好ましくは、本発明の冷間工具材料は、「熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、上記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上である」ものである。
そして、上記の「炭化物配向度Ｏｃの標準偏差」について、この値を、さらに、冷間工具材料のＮＤ断面でも調整することが、本発明の「膨張変寸低減効果」の向上に効果的である。ＮＤ断面とは、冷間工具材料の延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、ＮＤ方向（Ｎｏｒｍａｌ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；延伸法線方向）に垂直な断面であり、いわば、熱間加工時に加圧される面（つまり、加圧工具が接触する面）と平行する断面である。つまり、図１１に示す通りである（冷間工具材料は略直方体で示してある）。
ＮＤ断面もまた、ＴＤ断面と同様、熱間加工時の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に延ばされた断面である。しかし、熱間加工時の材料の幅方向（ＴＤ方向）に対して、その幅方向への圧縮を抑制することで（例えば、加圧工具で拘束しないことで）、鋳造組織時の晶出炭化物が呈していたランダムな配向を維持でき、上記の「炭化物配向度Ｏｃの標準偏差」を大きく調整しやすい断面である。よって、本発明が調整する円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の「炭化物配向度Ｏｃの標準偏差」について、この値を、ＴＤ断面では「６．０以上」に調整することに加えて、ＮＤ断面では、特に大きく調整することで、本発明の「膨張変寸低減効果」の更なる向上に有効である。そして、好ましくは、上記のＮＤ断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の、前記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差を、「１０．０以上」とすることである。より好ましくは「１２．０以上」である。
但し、上記の標準偏差の値が大きすぎる冷間工具材料は、鋳造組織の破壊が進んでいない材料と言え、冷間工具としたときに靱性の劣化が懸念される。よって、ＮＤ断面における上記の標準偏差は、好ましくは「２０．０以下」とする。より好ましくは「１６．０以下」とする。
【００４６】
上記の（ｉｖ）の要件において、その「焼鈍組織」の記載は、本発明の冷間工具において、「マルテンサイト組織」の記載に置換することができる。
【００４７】
なお、図１１に示す通り、冷間工具材料の断面には、上記のＴＤ断面およびＮＤ断面の他に、ＲＤ断面が存在する。ＲＤ断面とは、冷間工具材料のＲＤ方向（Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；延伸方向）に垂直な断面である。そして、このＲＤ断面は、ＴＤ断面やＮＤ断面と違って、実質的に、熱間加工時の延伸方向に延ばされない断面である。よって、このＲＤ断面の焼鈍組織において、上記の「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」が、仮に、１．０〜３０．０面積％程度存在していたとしても、その個々の炭化物の円相当径を平均した値は、ＴＤ断面やＮＤ断面のそれよりも、小さいものと言える。つまり、一例として、ＴＤ断面やＮＤ断面における上記の「円相当径が５．０μｍ以上の炭化物」の円相当径の平均値が６．０μｍ以上であり、その具体的な値が「８．０μｍ」や「１０．０μｍ」であるなら、これに対するＲＤ断面の上記の値は「８．０μｍ未満」や「１０．０μｍ未満」であるといった具合である。
従って、上記した、本発明の冷間工具材料の「熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織」の要件は、冷間工具材料の「略直方体の外面と平行する３方向の断面の焼鈍組織のうち、この焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の円相当径の平均値が最も小さい断面の焼鈍組織を除いた２方向の断面の焼鈍組織で、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の上記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が小さい方の断面の焼鈍組織」と表記することもできる。そして、本発明の冷間工具においては、上記の「焼鈍組織」を「マルテンサイト組織」に置換することができる。
そして、上記した、本発明の冷間工具材料の「熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸法線方向に垂直な断面の焼鈍組織」の要件は、冷間工具材料の「略直方体の外面と平行する３方向の断面の焼鈍組織のうち、この焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の円相当径の平均値が最も小さい断面の焼鈍組織を除いた２方向の断面の焼鈍組織で、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の上記の（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が大きい方の断面の焼鈍組織」と表記することもできる。そして、本発明の冷間工具においては、上記の「焼鈍組織」を「マルテンサイト組織」に置換することができる。
【００４８】
本発明の冷間工具材料の焼鈍組織は、出発材料である鋼塊または鋼片に熱間加工を行う工程において、その加工条件を適切に管理することで、達成が可能である。つまり、上記のＴＤ断面において、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が「６．０以上」である、未固溶炭化物の配向が“不揃い”に乱れた焼鈍組織とするためには、熱間加工時の加工比を最低限に抑えることが重要である。そして、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差を６．０以上に調整するためには、上記の鋼塊（または鋼片）を熱間加工する際に、その熱間加工によって断面積が減少することとなる鋼塊（または鋼片）の横断面の断面積Ａと、その熱間加工後に断面積が減少した横断面の断面積ａとの比Ａ／ａで表される「鍛錬成形比」を、「８．０以下」の実体鍛錬とすることが好ましい。実体鍛錬とは、実体（つまり、上記の鋼塊または鋼片）を鍛錬して、その断面積を減少し長さを増した場合の熱間加工のことである。より好ましくは「７．０以下」である。さらに好ましくは「６．０以下」である。上記の鍛錬成形比が大きすぎると、上記のＴＤ断面において、鋼塊中の晶出炭化物が熱間加工の延伸方向に“揃って”配向し、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差を大きくし難い。
但し、上記の鍛錬成形比が小さすぎると、鋳造組織が破壊されず、冷間工具としたときに靱性の劣化が懸念される。よって、上記の鍛錬成形比は、好ましくは「２．０以上」とする。より好ましくは「３．０以上」である。
【００４９】
また、上記のＮＤ断面において、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が「１０．０以上」である、未固溶炭化物の配向が“不揃い”に乱れた焼鈍組織とするためには、熱間加工時の材料の幅方向（ＴＤ方向）に対して、その幅方向への圧縮を抑制することが有効である。具体的には、例えば、熱間加工中の材料（鋼塊）の幅方向における両端を、加圧工具等で拘束しないことが好ましい。これについては、熱間加工後の材料の幅形状や幅寸法を整えるために、上記の両端を拘束してもよい。しかし、例えば、熱間加工後の材料の幅が、熱間加工前の鋼塊の幅よりも小さくなる程に、上記の両端を拘束すると、熱間加工後の冷間工具材料のＮＤ断面において、鋼塊中の晶出炭化物が熱間加工の延伸方向に“揃って”配向しやすく、炭化物配向度Ｏｃの標準偏差を大きくし難い。
熱間加工中の材料（鋼塊）の幅方向の両端を拘束せずに、または拘束するとしても、過度に拘束せずに、延伸できる熱間加工の手法として、例えば、自由鍛造によるプレス、ハンマー、ミル等の分塊機を用いることができる。
【００５０】
従来、「高Ｃ高Ｃｒ」の冷間工具材料の熱処理変寸を軽減するには、専ら、大きな炭化物を低減することが有効であるとされており、そのためには、上記した熱間加工時の加工比を高めて、炭化物を微細にする手法が取られていた。しかし、炭化物を多く含む素材は、熱間加工性が悪い。よって、「高Ｃ高Ｃｒ」の冷間工具材料の場合、その焼鈍組織中の炭化物を微細化することは容易ではなかった。このような背景において、本発明は、大きな炭化物の配向を“不揃い”に乱すものであり、この大きな炭化物を、努めて、微細にする必要がない。よって、熱処理変寸を軽減した冷間工具材料を、効率的に提供することができる。
【００５１】
また、本発明の冷間工具材料を作製する際には、上記した熱間加工時の加工比や、材料の拘束の程度の調整に加えて、その熱間加工前の鋼塊（または鋼片）の作製段階における、凝固工程の進行具合を適切に管理することも有効である。例えば、鋳型に注ぐ直前の「溶鋼の温度」の調整が大切である。溶鋼の温度を低めに管理することで、例えば、冷間工具材料の融点＋１００℃前後までの温度範囲内で管理することで、鋳型内の各位置における凝固開始時期の差異による溶鋼の局部的な濃化を軽減して、デンドライトの成長に起因する晶出炭化物の粗大化を抑えることができる。そして、例えば、鋳型に注がれた溶鋼を、その固相−液相の共存域を速く通過するように冷却することが、例えば、６０分以内の冷却時間とすることが、効果的である。晶出炭化物の粗大化を抑制することで、熱間加工時の加工比が小さい条件でも、晶出炭化物を適度に粉砕でき、その結果、焼鈍組織中における未固溶炭化物を“疎密なく”分布させることができる。そして、これらの条件で作製した鋼塊（または鋼片）に、上述した鍛錬成形比や、材料の拘束の程度を適用した熱間加工を行なうことで、本発明の炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が大きな冷間工具材料を得ることができる。
そして、材料の長さ方向の膨張変寸を抑制するという本発明にとって、上記の未固溶炭化物の分布は、特に、冷間工具材料の“厚さ方向”において密であること、つまり、図１等において、略縞状を形成する未固溶炭化物の一層一層の間隔が“狭い”ことが有効である。これによって、材料の長さ方向に生じる膨張変寸の程度を、その厚さ方向に亘って、均等にすることができる。
【００５２】
（ｖ）本発明の冷間工具の製造方法は、「本発明の冷間工具材料に焼入れおよび焼戻しを行う」ものである。
上述した本発明の冷間工具材料は、焼入れおよび焼戻しによって所定の硬さを有したマルテンサイト組織に調製されて、冷間工具の製品に整えられる。そして、上述した本発明の冷間工具材料は、切削や穿孔といった各種の機械加工等によって、冷間工具の形状に整えられる。この機械加工のタイミングは、焼入れ焼戻し前の、材料の硬さが低い状態（つまり、焼鈍状態）で行うことが好ましい。これによって、焼入れ焼戻し時に生じる熱処理変寸に関して、本発明の「膨張変寸低減効果」が、効果的に発揮される。この場合、上記の焼入れ焼戻し後に仕上げの機械加工を行ってもよい。
【００５３】
この焼入れおよび焼戻しの温度は、素材の成分組成や狙い硬さ等によって異なるが、焼入れ温度は概ね９５０〜１１００℃程度、焼戻し温度は概ね１５０〜６００℃程度であることが好ましい。例えば、冷間工具鋼の代表鋼種であるＳＫＤ１０やＳＫＤ１１の場合、焼入れ温度は１０００〜１０５０℃程度、焼戻し温度は１８０〜５４０℃程度である。焼入れ焼戻し硬さは５８ＨＲＣ以上とすることが好ましい。より好ましくは６０ＨＲＣ以上である。なお、この焼入れ焼戻し硬さについて、上限は特に要しないが、６６ＨＲＣ以下が現実的である。
【実施例】
【００５４】
所定の成分組成に調整した溶鋼（融点：約１４００℃）を鋳造して、表１のＪＩＳ−Ｇ−４４０４の規格鋼種である冷間工具鋼ＳＫＤ１０の成分組成を有する素材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを準備した。なお、全ての素材において、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ、Ｎは無添加であり（但し、Ａｌは溶解工程における脱酸剤として添加した場合を含む。）、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．２５％、Ｃａ≦０．０１００％、Ｍｇ≦０．０１００％、Ｏ≦０．０１００％、Ｎ≦０．０５００％であった。
このとき、鋳型への注湯前において、溶鋼の温度は１５００℃に調整した。そして、素材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのそれぞれで鋳型の寸法を変更したことで、鋳型への注湯後において、固相−液相の共存域の冷却時間を、素材Ａ、Ｂ：４５分、素材Ｃ：１０６分、素材Ｄ：１６８分とした。【００５５】
【表１】
2016125523.tif 000003
【００５６】
次に、これらの素材を１１６０℃に加熱して、プレスによる自由鍛造の熱間加工を行い、熱間加工を行った後に放冷して、表２に示す寸法の鋼材を得た（長さは全て１０００ｍｍ）。このとき、上記の熱間加工における実体鍛錬の鍛錬成形比も、表２に示す。そして、上記で得た鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、冷間工具材料１〜８を作製した（硬さ１９０ＨＢＷ）。そして、以下の要領によって、冷間工具材料１〜８の断面の焼鈍組織を観察して、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の分布状況を確認した。【００５７】
まず、それぞれの冷間工具材料について、その表面から幅方向に１／４内部に入った位置であり、かつ、表面から厚さ方向に１／２内部に入った位置の、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行なＴＤ面およびＮＤ面より、それぞれ断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取した。そして、この切断面をダイヤモンドスラリーを用いて鏡面に研磨した。次に、この研磨した切断面の焼鈍組織を、炭化物と基地との境界が明瞭になるように、電解研磨によって腐食した。そして、この腐食後の断面を倍率２００倍の光学顕微鏡で観察して、８７７μｍ×６６１μｍ（＝０．５８ｍｍ２）の領域でなる１視野を１０視野撮影した。【００５８】
そして、撮影した光学顕微鏡写真を画像処理して、炭化物と基地との境界である、上記の腐食による着色部と未着色部との境界を閾（しきい）値とした二値化処理を行い、断面組織の基地中に分布する炭化物を示した二値化画像を得た。図１〜８は、冷間工具材料１〜８のＴＤ断面およびＮＤ断面について、それぞれの二値化画像の一例を、順に示したものである（炭化物は、白色の分布で示されている）。そして、さらに画像処理することで、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物を抽出し、その炭化物の円相当径Ｄ（μｍ）と、炭化物の近似楕円の長軸と熱間加工の延伸方向とが成す角度θ（ｒａｄ）とを求め、個々の炭化物における上記の円相当径Ｄと角度θとの積である「炭化物配向度Ｏｃ」を、ＴＤ断面およびＮＤ断面のそれぞれで求めた。求めた炭化物配向度Ｏｃの分布の一例として、冷間工具材料２、７のＴＤ断面における上記の分布を、図９に示しておく。そして、この求めた炭化物配向度Ｏｃについて、上記の１０視野分における標準偏差を求めた。なお、これら一連の画像処理および解析には、アメリカ国立衛生研究所（ＮＩＨ）が提供しているオープンソース画像処理ソフトウェアＩｍａｇｅＪ（ｈｔｔｐ:／／ｉｍａｇｅＪ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊ／）を用いた。
以上の結果を、表２に纏めて示す。なお、表２には、上記した１０視野分の二値化画像を画像解析することで求めた、ＴＤ断面およびＮＤ断面のそれぞれにおける、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物の面積率、および、その円相当径の平均値も記す。このうち、円相当径の平均値については、全ての冷間工具材料において、ＴＤ断面およびＮＤ断面で、概ね９．０〜１５．０μｍであり、ＲＤ断面で求めた円相当径の平均値よりも大きかったことを確認済みである。【００５９】
【表２】
2016125523.tif 000004
【００６０】
そして、これら冷間工具材料１〜８に焼入れを行ったときに、生じる熱処理変寸を評価した。ここで、熱処理変寸の評価を“焼入れ時”としたのは、焼入れを行った時点で長さ方向の膨張変寸が大きいと、もはや、次の焼戻し工程で、この膨張変寸を解消し難いからである。
上記の熱処理変寸を評価するための試験片は、冷間工具材料の炭化物配向度Ｏｃを確認した位置から、冷間工具材料の長さ方向と試験片の長さ方向とが一致するように、採取した。試験片の寸法は、長さ３０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ２０ｍｍである。また、試験片の６面には、各面間が平行になるように、研磨を行った。
次に、これら試験片に１０３０℃からの焼入れを行って、マルテンサイト組織を有した試験片とした。そして、その焼入れの前後で、試験片の長さ方向の面間の寸法を測定して、試験片の長さ方向の熱処理変寸を求めた。面間の寸法は、面の中心付近の３点における面間を測定して、その３点での平均値とした。そして、熱処理変寸は、焼入れ後の寸法Ｂの、焼入れ前の寸法Ａからの変化率［（寸法Ｂ−寸法Ａ）／寸法Ａ］×１００（％）を熱処理変寸率として求めた（つまり、膨張の場合、プラス値となる。）。
また、このとき、焼入れの前後で、試験片の幅方向の面間の寸法も測定して、試験片の幅方向の熱処理変寸率も求めた。この要領は、上記した試験片の長さ方向の熱処理変寸率を求めたときと同じである。そして、この幅方向の熱処理変寸率を“ゼロ基準”にしたときの、長さ方向の熱処理変寸率［（長さ方向の熱処理変寸率）−（幅方向の熱処理変寸率）］も求めた（表３の「幅方向を基準とした材料の長さ方向の変寸率（％）」がそれに相当する）。これにより、膨張率が最も大きい、材料の長さ方向の熱処理変寸「自体」に加えて、その材料の幅方向に対する熱処理変寸の「異方性」も評価することができる。冷間工具材料１〜８における上記の熱処理変寸率を、表３に示す。【００６１】
【表３】
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【００６２】
従来の冷間工具材料に相当する冷間工具材料８の焼鈍組織に観察される炭化物は、図８に示すように、その材料の長さ方向に“揃って”配向していた。そして、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物が呈している上記の炭化物配向度Ｏｃの標準偏差は、ＴＤ断面において３．１であり、焼入れ後の長さ方向の変寸率は０．１７％の膨張であった。また、幅方向を基準とした長さ方向の変寸率は０．１５％であり、幅方向の膨張に対して、長さ方向の膨張（つまり、熱処理変寸の異方性）が顕著であった。
ＴＤ断面における上記の炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が４．７である冷間工具材料７（図７）も、焼入れ後の長さ方向の変寸率は０．１０％を超えていた。そして、幅方向を基準とした長さ方向の変寸率は０．１０％であり、熱処理変寸の異方性が大きかった。【００６３】
これに対して、本発明例の冷間工具材料１〜６の焼鈍組織に観察される炭化物は、図１〜６に示すように、その材料の長さ方向に対して、配向が不揃いに乱れていた。そして、円相当径が５．０μｍ以上の炭化物が呈している炭化物配向度Ｏｃの標準偏差は、ＴＤ断面において６．０以上であり、焼入れ後の長さ方向の変寸は、冷間工具材料８のそれに比べて軽減されていた。また、幅方向を基準とした長さ方向の変寸率も小さく、熱処理変寸の異方性も軽減された。
そして、本発明例の冷間工具材料１〜６の中でも、ＮＤ断面における上記の炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上であった冷間工具材料１、２、４〜６は、焼入れ後の長さ方向の変寸率が小さいことに加えて、冷間工具材料３に比して、熱処理変寸の異方性も軽減されていた。【００６４】
本発明例である冷間工具材料２と、比較例である冷間工具材料７は、同じ厚さを有する材料である。しかし、冷間工具材料７は、鋳造時における冷却時間が、冷間工具材料２のそれに比べて遅く、かつ、熱間加工時の鍛錬成形比も大きかったことにも起因して、材料の長さ方向に配向した炭化物の頻度割合が高く、図９における炭化物分布の裾野の傾きが急であった。また、冷間工具材料の“厚さ方向”における炭化物の層間隔も広かった。これに対して、冷間工具材料２は、配向が乱れた炭化物が増えて、図９における炭化物分布の裾野の傾きが緩やかに拡がった。また、材料の前記“厚さ方向”における炭化物の層間隔も狭かった。
【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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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年3月31日(2017.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間加工によって延伸され、炭化物を含む焼鈍組織を有し、焼入れ焼戻しされて使用される冷間工具材料において、
前記冷間工具材料は、質量％で、
Ｃ：０．８０〜２．４０％、
Ｃｒ：９．０〜１５．０％、
ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、
Ｖ：０．１０〜１．５０％、
Ｓｉ：２．００％以下、
Ｍｎ：１．５０％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜１．５０％
を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、前記焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
前記冷間工具材料の前記熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具材料。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と前記延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。
【請求項２】
前記熱間加工による延伸方向と平行な断面の焼鈍組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面の焼鈍組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、前記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷間工具材料。
【請求項３】
熱間加工によって延伸された焼鈍組織が焼入れ焼戻しされたマルテンサイト組織であり、炭化物を含むマルテンサイト組織を有する冷間工具において、
前記冷間工具は、質量％で、
Ｃ：０．８０〜２．４０％、
Ｃｒ：９．０〜１５．０％、
ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜３．００％、
Ｖ：０．１０〜１．５０％、
Ｓｉ：２．００％以下、
Ｍｎ：１．５０％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜１．５０％
を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、前記焼入れによってマルテンサイト組織に調整できる成分組成を有し、
前記冷間工具の前記熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、延伸直角方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、下記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が６．０以上であることを特徴とする冷間工具。
Ｏｃ＝Ｄ×θ・・・（１）
但し、Ｄは炭化物の円相当径（μｍ）を、θは炭化物の近似楕円における長軸と前記延伸方向とが成す角度（ｒａｄ）をそれぞれ示す。
【請求項４】
前記熱間加工による延伸方向と平行な断面のマルテンサイト組織のうち、さらに、延伸法線方向に垂直な断面のマルテンサイト組織で観察される円相当径が５．０μｍ以上の炭化物は、前記（１）式で求められる炭化物配向度Ｏｃの標準偏差が１０．０以上であることを特徴とする請求項３に記載の冷間工具。
【請求項５】
請求項１または２に記載の冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行うことを特徴とする冷間工具の製造方法。
【国際調査報告】
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