(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％未満、Ｍｎ：０．６０超〜１．５０％未満、Ｃｒ：０．２１〜４．００％未満、Ｍｏ：０．５〜５．０％、２Ｍｏ＋Ｗ：３．０〜１３．０％未満、Ｎ：０．０１０〜０．０３０％未満を含有し、
さらに、任意的成分として、Ｗ：４．０％未満、Ｖ：１．００％未満、Ｎｂ：１．０％未満を任意に含有し、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃｅｑ：０．２０％以上、ΔＣ＝Ｃ−Ｃｅｑとするとき、ΔＣ：−０．３００〜０．３００％、Ｂ値：０．７４〜０．９４であることを特徴とする優れた熱伝導率および靱性を有する熱間工具鋼。
ただし、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ、この場合の％元素は各元素の質量％を示し、ΔＣ＝Ｃ−ＣｅｑにおけるＣは質量％、さらにＣｅｑは、主に添加した各元素が全て炭化物となる場合に必要なＣ量の目安、そこでΔＣは、鋼中のＣと各炭化物形成元素量との関係から、熱伝導性の向上において重要な固溶元素量について考慮した指標で、Ｂ値＝（０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ）／Ｃｅｑで、この場合の％元素は各元素の質量％である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型用鋼に関し、特にダイカストやホットスタンピングなどの、５００℃以上の熱環境下で使用される、金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ダイカスト分野において、自動車の軽量化を目的としたアルミ部品の高強度化や、生産性向上を目的とした部品成型加工ピッチの短縮化から、ダイカスト金型への機械的および熱的負荷が増大している。その結果、金型には大割れやヒートチェックといった問題が生じやすくなっている。これらの問題に対応するため、金型材料には焼入れ性や靱性の優れる材料が求められている。また、前述した生産性向上を目的とした、生産サイクルのスピードの向上に対する、要求に応えるためには、材料の特性として高い熱伝導率が必要である。これらの点に着目した従来技術や類似技術として下記の特許文献に示す技術が挙げられるが、それぞれに問題がある。
【０００３】
すなわち、従来の技術としては、高い機械的強度および耐摩耗性を有する鋼の偏析による粒界の不都合な影響を軽減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この提案の鋼の偏析による不都合な影響の軽減方法は炭化物形成に影響するＮに関する限定が無いために、Ｎが過剰に添加された場合、マトリックス中にＮが多く残存し、熱伝導性が低下する問題がある。
【０００４】
また、焼入性、熱伝導率および軟化抵抗の確保が可能な鋼、金型用鋼、およびこれを用いた金型に係る発明、特に大断面金型に適用しうる鋼、金型用鋼およびこれを用いた金型が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この提案の鋼はＣ−Ｃｅｑで示されるΔＣ値が本願の発明から外れるものであり、そのためにマトリックス中に残存する合金元素量が増加し、熱伝導性が低下する問題がある。
【０００５】
さらに、優れた熱拡散率、靱性および完全焼入性を有する熱間工具鋼で、高熱伝導率であり機械的耐久性、並びに室温および６００℃を超える高温における降伏強さの高い鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この提案の鋼の実施例に示されるＭｎ量は、いずれも０．２３％以下と少ないので、焼入れ性が不足し、靱性が低下する。
【０００６】
同じく、優れた熱拡散率、硬度および耐摩耗性を有する熱間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この提案の鋼の実施例に示されるＭｎ量は、いずれも０．６％以下と少ないので焼入れ性が不足し、靱性が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００７−５３８１５４号公報
【特許文献２】特開２００９−２４２８２０号公報
【特許文献３】特表２０１２−５２２８８６号公報
【特許文献４】特表２０１４−５０８２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願の発明が解決しようとする課題は、上記した先行技術である特許文献で提案された鋼よりも、より高いレベルの靱性や熱伝導率を兼ね備えた、ダイカストやホットスタンピングなどに適用可能な金型用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の上記の課題を解決するための手段で、第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％未満、Ｍｎ：０．６０超〜１．５０％未満、Ｃｒ：０．２１〜４．００％未満、Ｍｏ：０．５〜５．０％、２Ｍｏ＋Ｗ：３．０〜１３．０％未満、Ｎ：０．０１０〜０．０３０％未満を含有し、さらに、任意的成分として、Ｗ：４．０％未満、Ｖ：１．００％未満、Ｎｂ：１．０％未満を任意に含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｃｅｑ：０．２０％以上、ΔＣ＝Ｃ−Ｃｅｑとするとき、ΔＣ：−０．３００〜０．３００％であり、Ｂ値：０．７４〜０．９４であることを特徴とする優れた熱伝導率および靱性を有する熱間工具鋼である。
ただし、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂであり、この場合の％元素は各元素の質量％を示し、ΔＣ＝Ｃ−ＣｅｑにおけるＣは質量％であり、さらに、Ｃｅｑは、主に添加した各元素が全て炭化物となる場合に必要なＣ量の目安として用いられている炭素当量であり、そこでΔＣは、鋼中のＣと各炭化物形成元素量との関係から、熱伝導性の向上において重要な固溶元素量について考慮した指標である。さらに、Ｂ値＝（０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ）／Ｃｅｑであり、この場合の％元素は各元素の質量％を示す。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段の元素に加えて、質量％で、Ｎｉ：２．０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｃｅｑ：０．２０％以上、ΔＣ＝Ｃ−Ｃｅｑとするとき、ΔＣ：−０．３００〜０．３００％であり、Ｂ値：０．７４〜０．９４であることを特徴とする優れた熱伝導率および靱性を有する熱間工具鋼である。
ただし、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂであり、この場合の％元素は各元素の質量％を示し、ΔＣ＝Ｃ−ＣｅｑにおけるＣは質量％であり、さらに、Ｃｅｑは、主に添加した各元素が全て炭化物となる場合に必要なＣ量の目安として用いられており、そこでΔＣは、鋼中のＣと各炭化物形成元素量との関係から、熱伝導性の向上において重要な固溶元素量について考慮した指標である。さらに、Ｂ値＝（０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ）／Ｃｅｑであり、この場合の％元素は各元素の質量％を示す。
【００１１】
第１の手段および第２の手段において、高い熱伝導率を得るためには、高い焼戻し軟化抵抗性が必要である。すなわち、比較的に高い焼戻し温度を適用することによって、鋼中の炭化物形成元素を炭化物として析出させることで、基地組織中に固溶し熱伝導率を低下させる元素を減少させ、熱伝導率を上昇させる。高い焼戻し軟化抵抗性を得るためには、ＭｏやＷの元素の添加、およびこれらの元素に続いてＶやＮｂの元素の添加が有効である。一方で、これらの元素のみを添加した場合、焼入れ性が不足し、十分な硬度が得られ難くなるばかりでなく、焼入れ時にベイナイトなどの組織が生成し、靱性が低くなる可能性がある。一方、靱性の向上には、Ｃｒなどの焼入れ性向上効果が比較的大きい元素の添加が有効である。このような状況の下で、Ｂ値は熱伝導率と靱性とを兼備するために、添加する炭化物形成元素のバランスについて考慮した式の値である。
【発明の効果】
【００１２】
本願の第１の手段および第２の手段の発明とすることで、従来の熱間工具鋼に比して靱性を示す衝撃値が高く、かつ熱伝導率が高いので、ダイカストやホットスタンピングなどに適用可能な金型用鋼を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について記載するに先立って、本願の請求項に係る発明の熱間工具鋼の構成要素の各成分元素およびそれらの条件などの限定理由について説明する。なお、各成分元素における％は、質量％である。
【００１４】
Ｃ：０．２０〜０．６０％
Ｃは、焼入れ性や焼入れ焼戻し硬さを十分に確保し、炭化物を形成することで耐摩耗性や高温強度を得るための元素である。Ｃが０．２０％より少ないと、熱間工具鋼の硬さ、高温強度、耐摩耗性が十分に得られない。一方、Ｃが０．６０％より多いと、熱間工具鋼中の成分および炭化物の偏析を助長し、靱性を低下させる。また、熱間工具鋼の固溶Ｃ量が増加して熱伝導性を低下させる。そこで、Ｃは０．２０〜０．６０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．５０％未満
Ｓｉは、焼入れ性および硬さの向上に寄与する元素である。しかし、Ｓｉが０．５０％以上に多いと、熱伝導性を大きく低下させることから、できるだけ低めが望ましい。そこで、Ｓｉは０．５０％未満とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．６０超〜１．５０％未満
Ｍｎは、０．６０％以下では焼入れ性が低くなり、焼入れ時にベイナイトなどの異常組織が形成されて、靱性を低下する。一方、Ｍｎが１．５０％以上に含有されると、熱間工具鋼のマトリックスを脆化させ靱性および熱間加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．６０超〜１．５０％未満とする。
【００１７】
Ｃｒ：４．００％未満
Ｃｒは、焼入れ性を改善する元素である。しかし、Ｃｒが４．００％以上と多く含有されると、Ｃｒ系炭化物の凝集および粗大化を助長し、靱性、高温強度および軟化抵抗性を低下させる。Ｃｒが４．００％以上に含有されると、焼戻しによる２次硬化のピークがより低温側へと移行し、焼戻し後のマトリックスに、より多くの合金元素が残存し、熱伝導性を低下させる。
【００１８】
Ｍｏ：０．５〜５．０％
Ｍｏは、焼入れ性や焼戻し時の２次硬化、耐摩耗性、高温強度、および軟化抵抗性に寄与する元素である。また、Ｍｏは、より高い焼戻し温度で炭化物を形成しやすく、これが影響して２次硬化のピークを高温側へ移行させる元素である。そこで、高い熱伝導率を得るためには、高い焼戻し温度を適用することが望ましいが、Ｍｏが０．５％未満では高い熱伝導率は得られない。そこで、Ｍｏは０．５％以上とする必要がある。しかし、Ｍｏが５．０％より多すぎると、マトリックスに残存するＭｏが増加して熱伝導性を低下させる。また、Ｍｏは炭化物の凝集・粗大化を助長し、靱性を低下させる。また、Ｍｏは高価な元素であるのでコスト高になる。そこで、Ｍｏは０．５〜５．０％とする。
【００１９】
Ｗ：４．０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に、焼入れ性や焼戻し時の２次硬化、耐摩耗性、高温強度、および軟化抵抗性に寄与する元素であり、また、より高い焼戻し温度で炭化物を形成しやすく、これが影響して２次硬化のピークを高温側へ移行させる元素であるため、必要に応じて添加できる。そこで、高い熱伝導率を得るためには、高い焼戻し温度を適用することが望ましいが、Ｗが４．０％より多いと、マトリックスに残存するＷが増加して熱伝導性を低下させる。Ｗは炭化物の凝集・粗大化を助長し、靱性を低下させる。また、Ｗは高価な元素であるのでコスト高になる。そこで、Ｗは４．０％以下とする。
【００２０】
２Ｍｏ＋Ｗ：３．０〜１３．０％未満（ただし、上記のＭｏ：０．５〜５．０％、かつ、Ｗ：４．０％未満の範囲内である。）
ＭｏとＷは、上記したように、焼入れ性や焼戻し時の２次硬化、耐摩耗性、高温強度、軟化抵抗性に寄与する元素である。また、ＭｏとＷは、より高い焼戻し温度で炭化物を形成しやすく、これが影響して２次硬化のピークを高温側へ移行させる元素である。ところで、ＭｏとＷは高い熱伝導率を得るために高い焼戻し温度が適用できることが望ましい。しかし、上記したＭｏ：０．５〜５．０％、かつ、Ｗ：４．０％未満の範囲内で、２Ｍｏ＋Ｗが、３．０％より少ないと、上記した２次硬化が得られない。一方、２Ｍｏ＋Ｗが１３．０％以上であると、熱間工具鋼のマトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導性を低下させる。また、２Ｍｏ＋Ｗが１３．０％以上であると、ＭｏやＷ系の炭化物の凝集および粗大化を助長し、靱性を低下させる上に、高価な元素であるのでコスト高になる。特にＭｏはＷと同等の効果を得るためには、上記のようにＭｏはＷの２倍の量の添加が必要である。したがって、２Ｍｏ＋Ｗは３．０〜１３．０％未満（ただし、Ｍｏは０．５〜５．０％、かつ、Ｗは４．０％未満の範囲内）とする。
【００２１】
Ｖ：１．００％未満
Ｖは、焼戻し時に微細で硬質なＭＣ型炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素であるため、必要に応じて添加できる。また、Ｖの炭窒化物は、焼入れ時には全量溶解せずに、一部は未固溶であるため、これらの炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制して、靱性の低下を抑制する。一方、Ｖは１．００％以上に含有させると、熱間工具鋼のマトリックスに残存するＶが増加し、熱伝導性を低下させる。また、Ｖ系炭化物の凝集および粗大化を助長し、靱性を低下させる。また、Ｖは１．００％以上含有させるとコスト高となる。
【００２２】
Ｎｂ：１．０％未満
Ｎｂは、Ｖと同様の効果を有する元素である。すなわち、Ｎｂは、焼戻し時に微細で硬質なＭＣ型炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素であるため、必要に応じて添加できる。また、Ｎｂの炭窒化物は、焼入れ時には全量溶解せずに、一部は未固溶であるため、これらの炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制して、靱性の低下を抑制する。一方、Ｎｂは１．０％以上に含有させると、熱間工具鋼のマトリックスに残存するＮｂが増加し、熱伝導性を低下させる。また、Ｎｂ系炭化物の凝集および粗大化を助長し、靱性を低下させる。また、Ｎｂは１．０％以上含有させるとコスト高となる。
【００２３】
Ｎ：０．０３０％未満
Ｎは、Ｃと同様の効果が得られる元素である。しかし、Ｎが０．０３０％以上に過剰添加されると熱間工具鋼のマトリックス中のＮ量が増加し、該鋼の熱伝導性を低下させる。そこで、Ｎは０．０３０％未満とする。
【００２４】
Ｃｅｑ：０．２０％以上
Ｃｅｑは、焼戻し軟化抵抗性を得るために十分な元素量を確保するために０．２０以上を必要とする炭素当量であり、そこで、Ｃｅｑは０．２０％以上とする。本発明において、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂである。すなわち、Ｃｅｑは、この式中の％元素で示す元素が全て炭化物となる場合に必要な炭素当量の目安を示している。
【００２５】
ΔＣ＝（Ｃ−Ｃｅｑ）：−０．３００〜０．３００％、望ましくは−０．１００〜０．２００％
ΔＣは、−０．３００％未満であると十分な焼入れ焼戻し硬さを得にくくなるばかりでなく、熱間工具鋼のマトリックスに残存する合金元素量が増加し、熱伝導性を低下させる。また、合金成分の偏析を助長し、靱性を低下させる。一方、ΔＣは０．３００％を超えると、熱間工具鋼のマトリックス中に過剰なＣやＮが残存し、熱伝導性を低下させる。また、ＣやＮの偏析や炭化物偏析を助長し、靱性を低下させる。そこで、ΔＣ＝（Ｃ−Ｃｅｑ）：−０．３００〜０．３００％、望ましくは−０．１００〜０．２００％とする。なお、ΔＣ＝（Ｃ−Ｃｅｑ）のＣは質量％である。
【００２６】
Ｂ値：０．７４〜０．９４
Ｂ値は、０．７４より低すぎる（すなわちＣｅｑの式からＣｒ添加量の割合が大きい）と、高い焼戻し軟化抵抗性が得られず、すなわち高い焼戻し温度を適用することができずに、熱間工具鋼のマトリックス中に残存する合金元素の量が増加し、熱伝導性が低下する。一方、Ｂ値が０．９４より高すぎると、焼入れ性が不足して、靱性を低下させる。なお、Ｂ値＝（０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ）／Ｃｅｑである。ここで％元素は各元素の質量％を示す。ところで、高い熱伝導率を得るためには、高い焼戻し軟化抵抗性が必要である。すなわち、比較的高い焼戻し温度を適用することによって、鋼中の炭化物形成元素を炭化物として析出させることで基地組織中に固溶し熱伝導率を低下させる元素を減少させ、熱伝導率を上昇させる。高い軟化抵抗性を得るためには、ＭｏやＷなどの元素、続いてＶやＮｂの元素の添加が有効である。一方で、これらの元素のみを添加した場合、焼入れ性が不足し、十分な硬度が得られ難くなるばかりでなく、焼入れ時にベイナイトなどの組織が生成し、靱性が低くなる可能性がある。靱性の向上には、Ｃｒなどの焼入れ性向上効果が比較的大きい元素の添加が有効である。以上より解るように、Ｂ値の式は、熱伝導率と靱性とを兼備するために、添加する炭化物形成元素のバランスについて考慮した式である。
【００２７】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、本願の請求項２に係る発明において、焼入れ性の向上に必要な元素である。しかし、Ｎｉが２．０％より多いと、高価な元素であるのでコスト高となる。そこで、Ｎｉは２．０％以下とする。
【００２８】
次いで、本願の発明を実施するための形態について説明する。表１には、本願のＮｏ．ＡないしＲの１８種の実施例である発明鋼と１３種の比較例である比較鋼について、それぞれに含有される各元素の化学成分量を質量％で示している。本願のこれら表１に示す実施例および比較例の各化学成分の残部はＦｅであり、表１には示していないが、これらの鋼は、表１に示す化学成分とその残部であるＦｅの他に不可避的不純物を含有している。さらに、表１には、２Ｍｏ＋Ｗの質量％、Ｃｅｑ、ΔＣ、Ｂ値を各実施例の発明鋼のＮｏ．Ａ〜Ｒの１８種と、比較例である比較鋼の１〜１３の１３種についてそれぞれの値を示している。
【００２９】
表１に示す化学成分および残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる実施例である発明鋼と比較例である溶鋼を溶製して、それぞれを２トンのインゴットに鋳込んだ後、熱間鍛造によって、鍛練成形比が凡そ４Ｓとなる断面積１００ｍｍ×２２０ｍｍのそれぞれのブロックに仕上げた。なお、表１の発明鋼のＮｏ．Ａ〜Ｐの１６種は請求項１（第１の手段）に係る発明の実施例鋼で、表１の発明鋼のＮｏ．Ｑ〜Ｒの２種は化学成分としてＮｉを含有しているので請求項２（第２の手段）に係る発明の実施例の鋼である。同様に表１の比較鋼のＮｏ．１２は、本願の請求項２（第２の手段）に係る発明の比較例の鋼である。
【００３０】
【表１】
0006714334.tif 000002
【００３１】
上記で得られた、それぞれのブロック材から試験片を採取して、９８０〜１０８０℃で焼入れを行い、焼入れ後、５２０〜６５０℃で２回焼戻しを行った。すなわち表２に示される焼入れ温度と焼戻温度を表１に示される各鋼種の試験片の熱処理に適用した。    
【００３２】
【表２】
0006714334.tif 000003
【００３３】
表２における靭性はシャルピー衝撃試験により評価を実施した。用いた試験片は、上記の鍛伸材であるブロック材の中心部の圧延方向から、試験片を採取した。これらの試験片を９８０〜１０８０℃で焼入れを行い、焼入れ後に５２０〜６５０℃で２回焼戻しを行って、４５ＨＲＣに調質した後、２ｍｍＵノッチシャルピー試験片に仕上げ加工した。シャルピー衝撃試験における衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2以上であれば靱性は◎とし、同試験における衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上３０Ｊ／ｃｍ2未満であれば靱性は○とし、同試験における衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2よりも低ければ靱性は×として評価した。
【００３４】
熱伝導率の測定には、レーザフラッシュ法を用いた。径１０ｍｍ×１ｍｍ厚の熱伝導率測定用試験片を上記のブロック材から採取して試験片に供した。これらの試験片を表２に示す焼入れ温度で焼入れし、次いで焼戻し温度とする熱処理を適用して、熱伝導率を測定した。測定した熱伝導率が、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば◎とし、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、４０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であれば○とし、３０Ｗ／ｍ・Ｋよりも低ければ×として、表２に評価して示した。
【００３５】
本願の請求項１に係る発明および請求項２に係る発明の発明鋼では、表２に示すように、シャルピー衝撃試験による評価である靱性がＮｏ．Ａ〜Ｒに示す発明鋼では、いずれも衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上３０Ｊ／ｃｍ2未満である○、または衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2以上である◎であり、さらに、レーザフラッシュ法を用いて測定した熱伝導率は３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で４０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の○、または４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の◎であって、いずれも優れた熱伝導率および靱性を有する熱間工具鋼である。  これに反し、本願の発明の比較鋼では、表２に示すように、シャルピー衝撃試験による評価である靱性がＮｏ．１〜１３に示す比較鋼では、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４〜６、Ｎｏ．８〜１１は衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2よりも低く×であり、Ｎｏ．３、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１２〜１３の４例のみが○である。またレーザフラッシュ法を用いて測定した熱伝導率はＮｏ．１〜３、Ｎｏ．６〜８、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３が３０Ｗ／ｍ・Ｋよりも低くさらにＮｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．９〜１１が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で４０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の○であって、約６９％のものが靱性が低くさらに６２％のものが熱伝導率の低い鋼である。