(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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：０．４０％以上０．８０％未満、Ｃｒ：４．００〜１０．００％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜１．７０％、Ｖ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０〜２．５０％、Ｍｎ：０〜２．００％、Ｐ：０〜０．０５０％、Ｓ：０〜０．１５０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．６０％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断面の焼鈍組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域から選択した少なくとも３０μｍ×３０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０５個／ｍｍ２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．０×１０５個／ｍｍ２以上であることを特徴とする冷間工具材料。
【請求項２】
前記領域において、前記炭化物Ａの個数に占める前記炭化物Ｂの個数の割合が、９０．０％を超え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】
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ＳＫＤ１１系の合金工具鋼が用いられていた。
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。冷間工具の作製メーカーに供給された冷間工具材料は、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。そして、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、冷間工具材料を（または、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。
【０００３】
ところで、冷間工具材料には、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、冷間工具材料の各方向で、この熱処理変寸の変化量に大きな差があると（つまり、熱処理変寸の異方性が大きいと）、焼入れ焼戻し前の機械加工で、仕上げの機械加工時の「削りしろ」の調整が複雑となる。そして、焼入れ焼戻し後には、仕上げの機械加工に大きな工数を要する。
そこで、上記の熱処理変寸の異方性の要因が、組織中に異方的に存在しやすい大きな炭化物にあるとして、冷間工具材料の成分組成を、ＳＫＤ１１に比してＣおよびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の炭化物形成元素を低減したものとすることで、上記の大きな炭化物を減じた「マトリックス系」の冷間工具材料が提案されている（特許文献１）。そして、マトリックス系の冷間工具材料において、その断面組織での円相当径が０．３μｍ以上の炭化物や、同円相当径が２μｍ以上の炭化物が、熱処理変寸に“直接的に”作用しているとして、これら炭化物の量を増やしたり、均等化したりする手法が提案されている（特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２１２６９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２９４９７４号公報
【特許文献３】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】
【０００５】
特許文献１〜３の冷間工具材料は、焼入れ焼戻し時の熱処理変寸の抑制効果に優れるものである。しかし、熱処理変寸の異方性の低減については、更なる改良の余地があった。
本発明の目的は、焼入れ焼戻し時に生じる熱処理変寸の異方性の軽減に有効な冷間工具材料と、それを用いた冷間工具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】
【０００６】
本発明は、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：０．４０％以上０．８０％未満、Ｃｒ：４．００〜１０．００％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜１．７０％、Ｖ：０．１５〜０．４０％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断面の焼鈍組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０５個／ｍｍ２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．０×１０５個／ｍｍ２以上の冷間工具材料である。
好ましくは、上記した縦９０μｍ横９０μｍの領域において、炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合が、９０．０％を超える冷間工具材料である。
【０００７】
そして、本発明は、上記した冷間工具材料に、焼入れ焼戻しを行う冷間工具の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、焼入れ焼戻し時に生じる熱処理変寸の異方性を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の冷間工具材料の断面組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。
【図２】本発明の冷間工具材料の断面組織の一例において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）で分析したときのＣ（炭素）の元素マッピング画像を示す図である。
【図３】図２を、炭化物を形成しているＣ量に基づいて二値化処理した画像を示す図である。
【図４】本発明例および比較例の冷間工具材料の断面組織の一例において、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域の炭化物分布を、炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）で纏めた炭化物の個数（縦軸）で示したグラフ図である。
【図５】本発明例および比較例の冷間工具材料において、焼入れ焼戻し前後における熱処理変寸の異方性を、材料の厚さ方向を基準として示したグラフ図である。
【図６】本発明例および比較例の冷間工具材料において、焼入れ焼戻し前後における熱処理変寸の異方性を、材料の厚さ方向を基準として示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者は、焼入れ焼戻し時に生じる熱処理変寸の異方性に影響を及ぼす、冷間工具材料の焼鈍組織中の因子を調査した。その結果、焼鈍組織中に存在する炭化物の中には、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して、熱処理変寸の異方性に“直接的に”作用する“未固溶炭化物”がある一方で（特許文献２、３）、焼入れ時に基地中に固溶する“固溶炭化物”があることに注目した。そして、この固溶炭化物の分布状態が、熱処理変寸の異方性に大きく影響を及ぼしていることを知見した。そして、この固溶炭化物の分布状態を調整することで、引用文献２、３とは異なる作用効果から、熱処理変寸の異方性を軽減できることを見いだし、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。
【００１１】
（１）本発明の冷間工具材料は、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。
焼鈍組織とは、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、硬さが、例えば、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、この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、冷間工具材料の場合、通常、この焼鈍組織には、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、これら炭化物には、次工程の焼入れで基地中に固溶しない“未固溶炭化物”と、次工程の焼入れで基地中に固溶する“固溶炭化物”とがある。
【００１２】
（２）本発明の冷間工具材料は、質量％で、Ｃ：０．４０％以上０．８０％未満、Ｃｒ：４．００〜１０．００％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜１．７０％、Ｖ：０．１５〜０．４０％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。
焼鈍組織を有する冷間工具材料は、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、ブロック形状に仕上げられる。そして、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、上述の通りである。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、これら冷間工具鋼の成分組成には、例えば特許文献１〜３の工具鋼や、その他提案されているものを代表的に適用できる。また、上記の工具鋼に規定される以外の元素種も、必要に応じて添加が可能である。
【００１３】
そして、本発明の“熱処理変寸の異方性を軽減する”という効果（以下、単に「変寸異方性軽減効果」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（３）の要件を満たすことで、好ましくは、これに（４）の要件も満たすことで、達成が可能である。そして、本発明の変寸異方性軽減効果を高いレベルで得るためには、マルテンサイト組織を発現する成分組成のうちで、もとより、大きな未固溶炭化物を低減でき得る「マトリックス系」の成分組成としておくことが効果的である。具体的には、質量％で、Ｃ：０．４０％以上０．８０％未満、Ｃｒ：４．００〜１０．００％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜１．７０％、Ｖ：０．１５〜０．４０％を含む成分組成である。
冷間工具材料の焼鈍組織において、大きな未固溶炭化物を極力減らしておくことで、本発明の変寸異方性軽減効果に、熱処理変寸の変寸量自体の減少効果も相乗的に働いて、二つの効果の面で熱処理変寸の抑制効果に優れた冷間工具材料を得ることができる。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。
【００１４】
・Ｃ：０．４０質量％以上０．８０質量％未満（以下、単に「％」と表記）
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、過度の添加は、未固溶炭化物の過度の増加による熱処理変寸の助長および靭性の低下を招く。よって、０．４０％以上０．８０％未満とする。好ましくは、０．７８％以下である。また、好ましくは、０．５０％以上である。より好ましくは、０．６０％以上である。更に好ましくは、０．７０％以上である。
【００１５】
・Ｃｒ：４．００〜１０．００％
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、大きな未固溶炭化物を形成して熱処理変寸の助長および靱性の低下を招く。よって、４．００〜１０．００％とする。好ましくは、６．００％以上である。より好ましくは、７．００％以上である。また、好ましくは、９．００％以下である。より好ましくは、８．００％以下である。
【００１６】
・ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５０〜１．７０％
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより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良いし、双方を共に添加することもできる）。そして、上記した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、０．８０％以上である。より好ましくは、１．００％以上である。但し、多過ぎると、大きな未固溶炭化物を形成して、その一方では、小さな固溶炭化物の個数が減少して、熱処理変寸を助長する。また、被削性や靭性の低下も招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で１．７０％以下とする。好ましくは１．５０％以下である。より好ましくは、１．３０％以下である。
【００１７】
・Ｖ：０．１５〜０．４０％
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の炭化物は、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０．１５％以上とする。好ましくは、０．２０％以上である。但し、多過ぎると、大きな未固溶炭化物を形成して、その一方では、小さな固溶炭化物の個数が減少して、熱処理変寸を助長する。また、被削性や、炭化物自身の増加による靭性の低下を招くので、０．４０％以下とする。好ましくは、０．３０％以下である。
【００１８】
本発明の冷間工具材料の成分組成は、上記した元素種を含んだ鋼の成分組成とすることができる。また、上記した元素種を含み、残部をＦｅおよび不純物とした成分組成とすることができる。そして、上記した元素種の他には、下記の元素種の含有も可能である。
・Ｓｉ：２．５０％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、２．５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、１．８０％以下である。更に好ましくは、１．２０％以下である。特に好ましくは、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％以上の添加が好ましい。より好ましくは、０．２０％以上である。さらに好ましくは、０．４０％以上である。
【００１９】
・Ｍｎ：２．００％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、２．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、１．８０％以下である。さらに好ましくは、１．５０％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％以上の添加が好ましい。より好ましくは、０．５０％以上である。更に好ましくは、０．８０％以上である。特に好ましくは、１．００％以上である。
【００２０】
・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。
【００２１】
・Ｓ：０．１５０％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る元素である。そして、熱間加工前の素材時において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、素材時における熱間加工性を向上するためには、規制することが好ましい。一方、Ｓには、上記の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。よって、本発明では、添加する場合でも、０．１５０％以下とする。好ましくは、０．１００％以下である。なお、上記の被削性の向上効果を得るためには、０．０１０％以上の添加を行ってもよい。好ましくは、０．０３０％以上の添加が可能である。
【００２２】
・Ｎｉ：１．００％以下
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％以下、さらに好ましくは、０．３０％以下である。この０．３０％以下のＮｉは、本発明の冷間工具材料の成分組成がＮｉを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある。
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、上記した１．００％を上限として、０．１０％以上の添加が好ましい。より好ましくは、０．３０％超である。また、より好ましくは、０．８０％以下である。
【００２３】
・Ｎｂ：０．６０％以下
Ｎｂは、被削性の低下を招くので、０．６０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．３０％未満である。さらに好ましくは、０．１０％未満である。この０．１０％未満のＮｂは、本発明の冷間工具材料の成分組成がＮｂを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある。
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、上記した０．６０％を上限として、０．０５％以上の添加が好ましい。より好ましくは０．１０％以上である。また、より好ましくは、０．５０％以下である。
【００２４】
Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）は、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。本発明の冷間工具材料の成分組成において、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、これら元素は、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≦０．０３００％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。
【００２５】
（３）本発明の冷間工具材料は、その断面の焼鈍組織の、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数密度が９．０×１０５個／ｍｍ２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数密度が７．０×１０５個／ｍｍ２以上のものである。
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、ブロック形状に仕上げられる。このとき、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）、大きな炭化物が集合した「正偏析」の部位と、それに比して小さな炭化物が集合した「負偏析」の部位とが存在する。そして、このような鋼塊を熱間加工することで、上記の炭化物の集合は、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、その垂直方向（つまり、材料の厚さ方向）に圧縮される。そして、この熱間加工後の鋼材を焼鈍処理して得られた冷間工具材料の焼鈍組織において、上記の炭化物の分布様態は、大きな炭化物の集合でなる層と、小さな炭化物の集合でなる層とでなる、略縞状の様態となる。そして、この大きな炭化物の集合でなる層は、大きな炭化物を低減すべく「マトリックス系」の成分組成とした、本発明の冷間工具材料においても、少なからず存在する（図１を参照）。
図１において、基地中に存在する“明度の高い分散物”が炭化物である。そして、これら炭化物のうちで、専ら筋状に集合して明確に確認されるのが、後述する、円相当径が５．０μｍを超えるような大きな炭化物である。そして、図１の倍率（２００倍）では全てを確認することができないような、例えば、図１中に示した実線による囲み部の中に存在する炭化物が、後述する、円相当径が５．０μｍ以下の小さな炭化物である。
【００２６】
そして、上記の焼鈍組織において、大きな炭化物は、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せず、焼入れ焼戻し後の組織中に残って、冷間工具材料の熱処理変寸の異方性を助長する。よって、本発明の冷間工具材料では、その成分組成を「マトリックス系」とすることで、この大きな炭化物（つまり、図１の筋状に集合した炭化物）を低減している。そして、小さな炭化物（つまり、図１中に示した実線による囲み部の中に存在する炭化物）は“固溶炭化物”として機能し、焼入れ時の基地中に固溶しやすい。そして、基地中に固溶した炭化物は、焼入れ後の基地中の固溶炭素量に影響して、上述した大きな炭化物を低減することとは異なる原理で、熱処理変寸の異方性の軽減に働く。
【００２７】
つまり、上記の固溶炭化物の調整によって熱処理変寸の異方性を軽減できる原理は、次の通りである。まず、焼入れ焼戻し前の焼鈍組織において、大きな炭化物の集合でなる層は、鋳造時の正偏析に起因して、その基地中に固溶している炭素量も多い。一方、小さな炭化物の集合でなる層は、鋳造時の負偏析に起因して、基地中に固溶している炭素量が少ない。そして、このような基地中の固溶炭素量の差が、焼入れ焼戻し時の「基地自体」の変寸量の差となって、熱処理変寸の異方性を助長する。よって、熱処理変寸の異方性は、焼入れ焼戻し時において、基地中の広範囲で固溶炭素量の差を縮めることで、軽減することができる。そして、この基地中の固溶炭素量の差は、焼入れ焼戻し前の焼鈍組織における“固溶炭化物”の分布で決定付けられる。
【００２８】
そこで、本発明は、焼鈍組織における上記の“固溶炭化物”の分布を調整することで、熱処理変寸の異方性を軽減できるものである。具体的には、本発明では、冷間工具材料の断面の焼鈍組織において、便宜上、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を未固溶炭化物として扱うことで、円相当径が５．０μｍ以下の固溶炭化物のみで構成される「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域に注目した（例えば、図１中に示した実線による囲み部）。つまり、この「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域が、上記の「小さな炭化物の集合でなる層」の領域に相当する。そして、この領域の炭化物を“固溶炭化物”として扱うことで、この炭化物の分布を調整することが、本発明の「変寸異方性軽減効果」の達成に利用できることを見いだした。
【００２９】
本発明者は、焼入れ焼戻し時に生じる熱処理変寸の異方性に及ぼす、円相当径が５．０μｍ以下の炭化物の影響を調べた。その結果、これら炭化物の中でも、円相当径が更に小さい「２．０μｍ以下」の炭化物（以下、炭化物Ａと表記する）は、焼入れ時において、より固溶しやすいことを知見した。そして、円相当径が「０．４μｍ以下」の極めて微細な炭化物（以下、炭化物Ｂと表記する）は、特に固溶しやすいことを知見した。
してみると、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない領域において、この領域に含まれる炭化物ＡおよびＢの個数を増やすことが、焼入れ時におけるこの領域の基地中の固溶炭素量の増加に効果的である。そして、炭化物ＡおよびＢのうちでも、より固溶しやすい炭化物Ｂの個数を増やすことこそが、上記した領域の固溶炭素量の更なる増加に効果的である。これにより、焼入れ前の焼鈍組織で固溶炭素量の少ない、小さな炭化物の集合でなる層でも、焼入れ時には固溶炭素量を増加させることができる。したがって、これらのことが、上記した大きな炭化物の集合でなる層と、小さな炭化物の集合でなる層との間で、焼入れ焼戻し時に生じる基地中の固溶炭素量の差の緩和に効果的であり、本発明の「変寸異方性軽減効果」の達成に効果的である。
【００３０】
そして、本発明の場合、縦９０μｍ横９０μｍの上記の領域において、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数が、その個数密度で９．０×１０５個／ｍｍ２以上であり、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数が、その個数密度で７．０×１０５個／ｍｍ２以上となる組織とすることで、本発明の「変寸異方性軽減効果」を達成できる。なお、炭化物Ａ、Ｂの大きさについて、その円相当径の下限値を０．１μｍとしたのは、０．１μｍ以下の炭化物の特定が、計測上、正確性に欠け得るからである。
【００３１】
なお、炭化物Ａの個数密度について、より好ましくは、９．５×１０５個／ｍｍ２以上である。さらに好ましくは、１０．０×１０５個／ｍｍ２以上である。特に好ましくは、１１．０×１０５個／ｍｍ２以上である。また、炭化物Ｂの個数密度について、より好ましくは、８．０×１０５個／ｍｍ２以上である。さらに好ましくは、８．５×１０５個／ｍｍ２以上である。特に好ましくは、９．０×１０５個／ｍｍ２以上である。このとき、炭化物Ｂの個数密度が、炭化物Ａの個数密度を超えることはない。そして、炭化物ＡおよびＢの個数密度について、上限は特に要しないが、後述する個数の割合が９５．０％以下となる関係が現実的である。
【００３２】
（４）好ましくは、本発明の冷間工具材料は、縦９０μｍ横９０μｍの上記した領域において、炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合が、９０．０％を超えるものである。
前述の（３）において、炭化物ＡおよびＢのうちで、極めて微細な炭化物Ｂが特に固溶しやすいことは、述べた通りである。よって、焼鈍組織の、上記した領域に分布させた微細な炭化物ＡおよびＢは、その炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合が高いほど、本発明の「変寸異方性軽減効果」の達成により有利である。そして、本発明の場合、その割合を９０．０％超とすることが好ましい。なお、この割合について、上限は特に要しないが、９５．０％以下が現実的である。
【００３３】
炭化物ＡおよびＢの円相当径および個数（個数密度）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中心部とすることができる。そして、観察する断面は、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）に対して平行な断面であり、一具体的には、この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。そして、この断面において、例えば断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した断面とすることができる。図１（実施例１で評価した本発明例の「冷間工具材料１」である。）は、本発明の冷間工具材料の一例について、上述の要領で得た断面組織の倍率２００倍での光学顕微鏡写真である（視野面積０．５８ｍｍ２）。
そして、上記の断面組織から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を抽出する。このとき、円相当径が５．０μｍを超えるような大きな炭化物は、光学顕微鏡の視野から容易に確認することができる（図１を参照）。そして、この確認した炭化物の円相当径は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。
【００３４】
次に、上記にて抽出した縦９０μｍ横９０μｍの領域（図１中に示した実線による囲み部）を、走査型電子顕微鏡（倍率３０００倍）で観察し、この観察した視野をＥＰＭＡで分析して、Ｃ（炭素）の元素マッピング画像を得る。そして、このＣの元素マッピング画像による分析結果に、炭化物を形成しているＣ量に基づいて、２５カウント（ｃｐｓ）以上のＣの検出強度を閾（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２は、図１中に示した実線による囲み部の領域内について、上述の要領で得た、Ｃの元素マッピング画像である（視野面積３０μｍ×３０μｍ）。そして、図３は、図２を二値化処理して得た、上記の領域の炭化物分布を示す図である。図２、３において、Ｃおよび炭化物は、淡色の分布で示されている。
【００３５】
そして、「円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない」図３の炭化物分布から、各円相当径の炭化物を抽出して、上述した炭化物Ａの個数（個数密度）や、炭化物Ｂの個数（個数密度）、そして、これら炭化物ＡおよびＢの存在割合を求めればよい。炭化物の円相当径や個数は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。
【００３６】
本発明の冷間工具材料の場合、上述した縦９０μｍ横９０μｍの「小さな炭化物の集合でなる層」の領域において、円相当径が２．０μｍ以下のような小さな炭化物は、略均一の個数密度で分布している（図３を参照）。よって、本発明の「変寸異方性軽減効果」を確認するにおいて、上述した縦９０μｍ横９０μｍの領域から採取する元素マッピング画像は、一画像であり、かつ、３０μｍ×３０μｍの面積があれば十分である（画素数：５３０×５３０）。そして、この元素マッピング画像の採取位置は、上述した領域から任意に選択すればよい。そして、このような一連の測定作業を、上述した「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域とは別の、少なくとも２つの「縦９０μｍ横９０μｍ」の領域でも行って（計３領域）、数値の結果を平均すれば、本発明の「変寸異方性軽減効果」を確認するのに十分である。
【００３７】
本発明の冷間工具材料の焼鈍組織は、出発材料となる鋼塊の作製段階において、その鋳造工程の進行具合を適切に管理することで、達成が可能である。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に管理することで、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炭化物の粗大化を抑えることができる。
【００３８】
そして、本発明の冷間工具材料の焼鈍組織は、上記の鋳造工程の操作に加えて、鋳造後の鋼塊に熱間加工を行った後に、特別な熱処理を行うことで、達成が可能である。例えば、１１００〜１２５０℃の温度範囲で１０時間以上保持するソーキング処理である。このようなソーキング処理の前に、あらかじめ鋼塊に熱間加工を行っておくことで、鋼塊の鋳造組織中の「正偏析」の部位と「負偏析」の部位との距離を狭めておくことができる。この結果、ソーキング処理時において、正偏析の部位から負偏析の部位への炭素の拡散を促すことができ、焼入れ焼戻し前の焼鈍組織において、小さな炭化物の集合でなる層中の固溶炭化物量を増やすことができる。
なお、上記のソーキング処理を行った後に、追加の熱間加工を行って、鋼材の形状に仕上げてもよい。また、熱間加工前の鋼塊にも、上記のソーキング処理と同様のソーキング処理を追加で行ってもよい。
【００３９】
（５）本発明の冷間工具の製造方法は、上述した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、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。さらに、この場合、焼入れ焼戻し後に仕上げの機械加工を行ってもよい。そして、本発明の冷間工具材料は、焼入れ焼戻し時の熱処理変寸が小さく、かつ、その異方性が軽減されているので、冷間工具の形状に機械加工してから焼入れ焼戻しを行う冷間工具の製造方法にとって好適である。
【００４０】
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。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１】
【００４１】
所定の成分組成に調整した溶鋼を鋳造して、表１の「マトリックス系」の成分組成を有する素材１、２（融点：約１４５０℃）の鋼塊を準備した。このとき、鋳型への注湯前において、素材１、２の溶鋼の温度は１５００℃に調整した。
【００４２】
【表１】
0006650104.tif 000002
【００４３】
次に、素材１については、鋼塊を１１００℃に加熱して鍛錬成形比１．５の第一の熱間加工を行った後に、１１７０℃で２５時間保持するソーキング処理を行った。そして、このソーキング処理の後に、先に行った第一の熱間加工との総鍛錬成形比が１１．５となるように、１１００℃で第二の熱間加工を行った。素材２については、鋼塊に、熱間加工を行わない状態で、１１７０℃で１０時間保持するソーキング処理を行った。そして、このソーキング処理の後に、鍛錬成形比が１１．５となるように、１１００℃で熱間加工を行った。そして、素材１、２ともに、熱間加工終了後には室温まで放冷して、厚さ７５ｍｍ×幅３００ｍｍ×長さ５００ｍｍの鋼材に仕上げ、この鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、冷間工具材料１、２を作製した（硬さ２２０ＨＢＷ）。
【００４４】
冷間工具材料１、２の中心部の、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面より、断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取し、この切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカ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から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を、それぞれ３領域抽出した。図１に、冷間工具材料１の、上記の領域の一例を示しておく（実線による囲み部）。
【００４５】
そして、上記した個々の領域について、前述の要領に従って、円相当径が０．１μｍを超えて２．０μｍ以下の炭化物Ａの個数、円相当径が０．１μｍを超えて０．４μｍ以下の炭化物Ｂの個数、および、炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合を求めた。炭化物の円相当径や個数を求めるため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。図２に、冷間工具材料１の、上記した領域内におけるＣの元素マッピング画像を示しておく。図２の視野面積は３０μｍ×３０μｍである。そして、その視野は、上記の縦９０μｍ横９０μｍの領域を縦横３等分にして、９つの区画に分割したときの、その真ん中の区画のものである。そして、図３に、図２の元素マッピング画像を、２５カウント（ｃｐｓ）のＣの検出強度の閾値で二値化処理した画像を、示しておく。
【００４６】
そして、個々の領域で求めた炭化物Ａ、Ｂの個数を、抽出した３領域で平均して、冷間工具材料１、２の炭化物Ａ、Ｂの個数とし、これらの値から炭化物Ａ、Ｂの個数密度、および、炭化物Ａ、Ｂの個数割合を求めた。結果を表２に示す。また、図４には、抽出した３領域で平均して求めた冷間工具材料１、２の炭化物の個数（縦軸）を、その炭化物の円相当径の範囲毎（横軸）に纏めてプロットした図を示す。冷間工具材料１、２で抽出した上記の領域には、「円相当径が５．０μｍを超える炭化物」は含まれていなかった。
【００４７】
【表２】
0006650104.tif 000003
【００４８】
そして、炭化物分布を測定したときと同様に、冷間工具材料１、２の中心部から、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）が試験片の長さ方向と一致するようにして、長さ３０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ２０ｍｍの試験片を採取した。なお、採取した試験片の６面には、各面間が平行になるように、研磨を行った。次に、この研磨後の試験片に、１０２０℃からの焼入れと、５００℃の焼戻しを行って、マルテンサイト組織を有した冷間工具１、２を得た（硬さ６０〜６１ＨＲＣ）。そして、焼入れ焼戻しの前後で、各面間の寸法を測定して、試験片の各方向（長さ、幅、厚さ）の熱処理変寸を求めた。各面間の寸法は、各面の中心付近の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、焼入れ焼戻し後の寸法Ｌ２の、焼入れ焼戻し前の寸法Ｌ１からの変化率［（寸法Ｌ２−寸法Ｌ１）／寸法Ｌ１）］×１００（％）（つまり、膨張の場合、プラス値となる。）を熱処理変寸率として求めた。これら各方向における熱処理変寸率を、図５に示す。
【００４９】
図５では、試験片の厚さ方向の熱処理変寸率を“ゼロ基準”にしたときの、試験片の長さ方向および幅方向の熱処理変寸率のみを示している。これは、熱処理変寸が、試験片の長さ方向および幅方向（つまり、熱間加工によって素材の拡がる方向）には膨張して、試験片の厚さ方向（つまり、熱間加工によって素材が圧縮される方向）には収縮する結果であったことから、この厚さ方向の熱処理変寸率を“ゼロ”として換算することで、各方向の熱処理変寸率を厚さ方向の熱処理変寸率との差（つまり、図５の縦軸の「変寸異方性（％）」）で示すことが、熱処理変寸の異方性の程度を把握しやすいことによる。そして、図５より、本発明例の冷間工具１は、比較例の冷間工具２に比べて、各方向の熱処理変寸が小さいことがわかる。そして、比較例の冷間工具２で、厚さ方向の熱処理変寸に対する長さ方向および幅方向の熱処理変寸が大きいことに対して、本発明例による冷間工具１は、全方向の熱処理変寸の差が小さく、熱処理変寸の異方性が改善されていることがわかる。
【実施例２】
【００５０】
所定の成分組成に調整した溶鋼を鋳造して、表３の「マトリックス系」の成分組成を有する素材３〜５の鋼塊を準備した。このとき、素材３〜５の融点は、いずれも約１４５０℃であった。そして、鋳型への注湯前において、素材３〜５の溶鋼の温度は１５００℃に調整した。
【００５１】
【表３】
0006650104.tif 000004
【００５２】
次に、素材３〜５の鋼塊を１１００℃に加熱して鍛錬成形比１．５の第一の熱間加工を行った後に、１１７０℃で２０時間保持するソーキング処理を行った。そして、このソーキング処理の後に、先に行った第一の熱間加工との総鍛錬成形比が７．６となるように、１１００℃で第二の熱間加工を行った。そして、熱間加工終了後に室温まで放冷して、厚さ３０ｍｍ×幅３０ｍｍ×長さ７００ｍｍの鋼材に仕上げ、この鋼材に８６０℃の焼鈍処理を行って、冷間工具材料３〜５を作製した（硬さ２２０ＨＢＷ）。
【００５３】
そして、これら冷間工具材料３〜５の中心部の、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面より、断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍの切断面を採取し、この切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカ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から、円相当径が５．０μｍを超える炭化物を含まない縦９０μｍ横９０μｍの領域を、それぞれ３領域抽出した。そして、これら個々の領域について、実施例１と同じ要領で、炭化物Ａの個数密度、炭化物Ｂの個数密度、および、炭化物Ａの個数に占める炭化物Ｂの個数の割合を求めた。結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
0006650104.tif 000005
【００５５】
そして、冷間工具材料３〜５の中心部から、熱間加工の延伸方向（つまり、材料の長さ方向）が試験片の長さ方向と一致するようにして、長さ３０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ２０ｍｍの試験片を採取して、実施例１と同じ要領で冷間工具３〜５を得た。この冷間工具３〜５に対し、焼入れ焼戻し後の熱処理変寸率を求めた。焼入れ温度は１０２０℃とし、焼戻し温度は５００℃とした（硬さ５９〜６２ＨＲＣ）。各方向における熱処理変寸率を、図６に示す。なお、実施例２においても、熱処理変寸は、試験片の長さ方向および幅方向には膨張して、試験片の厚さ方向には収縮する結果であったことから、図６では、試験片の厚さ方向の熱処理変寸率を“ゼロ基準”にしたときの、試験片の長さ方向および幅方向の熱処理変寸率のみを示している。
【００５６】
図６より、本発明例の冷間工具３は、各方向の熱処理変寸が小さいことがわかる。そして、比較例のＭｏが１．７０％よりも多い冷間工具材料を用いた冷間工具４や、Ｖが０．４０％よりも多い冷間工具材料を用いた冷間工具５で、特に、厚さ方向の熱処理変寸に対する長さ方向の熱処理変寸が大きいことに対して、本発明例による冷間工具３は、全方向の熱処理変寸の差が小さく、熱処理変寸の異方性が改善されていることがわかる。
【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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