(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜３．９％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であることを特徴とする高硬度で高靱性な焼入焼戻しされた冷間工具鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜３．９％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であり、さらに平均炭化物面積は２５μｍ2以下であることを特徴とする高硬度で高靱性な焼入焼戻しされた冷間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造金型、フォーミングロールあるいは転造ダイスなどの使用条件が特に過酷な冷間加工用として好適な高硬度で高靱性な冷間工具鋼に関し特に冷間加工用の金型並びに工具用の鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷間加工技術の発展に伴って、より高硬度の被加工材を冷間で加工したり、その加工量が増大するなどして、冷間加工条件が過酷化している。そのため、冷間工具鋼に対しては、６３ＨＲＣ以上の硬さがあり、かつ、靭性の高い材料が求められている。また、冷間工具鋼は焼入れ後に５００℃以上の焼戻しを行ったとき、焼入れ前の寸法に比べて膨張（以下「変寸」と称する。）するため、仕上加工が必要であり、経済性の観点から、この変寸が小さい方が良い。
【０００３】
ところで、冷間工具鋼の鋼材としてＨＲＣ６３を超える硬さを有する材料として、例えば、ＪＩＳで規定される高速度工具鋼のＳＫＨ５１が挙げられ、また、加工硬化の大きいステンレス鋼またはＨＲＣ４０程度の調質鋼などの難加工材の転造に対する転造ダイス用鋼が提案されており（例えば、特許文献１参照。）、また、Ｃ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ，Ｃｏなどの合金元素を多量に加えて、多量の硬質炭化物を析出させることで、高硬度を得ており、低温焼入れが可能な鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、これらの鋼は粗大な一次炭化物が多く、そのために靭性および疲労強度が低いだけでなく、金型材料費が高くなる問題がある。
【０００４】
さらに、直径換算して直径が１０μｍ以上の炭化物の個数と介在物の清浄度を抑制した高い硬さと高い靱性をあわせ備えた、精密加工用の工具鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この鋼は炭窒化物が疎になる部分が多いために、炭窒化物によるピン止めが働きにくく、結晶粒の粗大化を招き、靭性が低下する場合が見られるので、使用条件が過酷な冷間加工用として、十分な特性を有しているとは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−１５６４０７号公報
【特許文献２】特開２００３−２６８４９９号公報
【特許文献３】特開２００６−３２８５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような問題を解消するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、合金成分式、鋼材中の一次炭化物の単位面積あたりに占める面積率および個数、さらに焼入れ後の残留オーステナイト量、および、焼入れ焼戻し後の炭化物の面積を規定することで焼入れ時に結晶粒の粗大化を起こすことなく、かつ、変寸の少ない、焼戻し後の硬さが６３ＨＲＣ以上となる高硬度で高靭性な冷間工具鋼が得られることを見出した。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、焼入れ時に結晶粒の粗大化を起こすことなく、変寸の少ない、焼戻し後の硬さが６３ＨＲＣ以上となる高硬度で高靭性な冷間工具鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜５．０％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、５００℃以上の焼戻し後の硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であることを特徴とする高硬度で高靱性な冷間工具鋼である。
【０００９】
第２の手段では、質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜５．０％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、５００℃以上の焼戻し後の硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であり、さらに焼入れ後の残留オーステナイト量は１２〜３０％であることを特徴とする高硬度で高靱性な冷間工具鋼である。
【００１０】
第３の手段では、質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜５．０％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、５００℃以上の焼戻し後の硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であり、さらに焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積は２５μｍ2以下であることを特徴とする高硬度で高靱性な冷間工具鋼である。
【００１１】
第４の手段では、質量％で、Ｃ：０．６〜０．９％、Ｓｉ：０．７〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：４．０〜６．５％未満、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜５．０％、（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％、および、Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍを有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、この鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であるＲはＲ＝５１．４×Ｃ（％）−４．２×Ｃｒ（％）−４４．４×Ｖ（％）＋０．１×Ｎ（ｐｐｍ）で示され、Ｒ：１５．０〜３１．０であり、５００℃以上の焼戻し後の硬さ：６３ＨＲＣ以上で、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上で、かつ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の面積率：０．５〜３．０％であり、さらに焼入れ後の残留オーステナイト量は１２〜３０％であり、焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積は２５μｍ2以下であることを特徴とする高硬度で高靱性な冷間工具鋼である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鋼は、５００℃以上の高温焼戻しで硬さが６３ＨＲＣ以上の高硬度であり、冷間工具鋼としたときに、高温焼戻しにより変寸して膨張することなく正確な寸法の工具が得られ、高硬度の被加工材を効率よく正確に加工することができ、特に冷間加工用の金型、成型用ロール、転造ダイスなどとして優れた特性を有する高硬度で高靱性な冷間加工用の鋼材である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】焼入れ焼戻し処理時の温度変化を示した図である。
【図２】衝撃値の測定を用いた１０ＲＣノッチのシャルピー試験片の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
先ず、本発明の実施の形態を記載するに先立って、本発明の手段の鋼の化学成分の限定理由並びに残留オーステナイトの安定性を表す値のＲ、焼戻し後の硬さ、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数、５０００００μｍ2中の一次炭化物の炭化物面積率、焼入れ後の残留オーステナイト量および焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積における限定理由について以下に説明する。なお、％は質量％である。
【００１５】
Ｃ：０．６〜０．９％
Ｃは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入れ性を高める元素であり、Ｃが０．６％未満であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｃが０．９％より多いと粗大な炭化物を形成し、靱性および加工性を悪化する。そこで、Ｃは０．６〜０．９％とし、望ましくは０．７〜０．９％とする。
【００１６】
Ｓｉ：０．７〜０．９％
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、かつ基地の硬さを増し、焼入れ性を向上させる元素であり、Ｓｉが０．７％未満であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｓｉが０．９％より多いと靱性および加工性を悪化する。そこで、Ｓｉは０．７〜０．９％とする。
【００１７】
Ｍｎ：０．１〜０．６％
Ｍｎは、脱酸材として作用しかつ焼入れ性を増す元素であり、Ｍｎが０．１％未満であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｍｎが０．６％より多いと鋼のマトリックスを脆化し靱性を悪化する。そこで、Ｍｎは０．１〜０．６％とし、望ましくは０．２〜内０．６％とする。
【００１８】
Ｃｒ：４．０〜６．５％未満
Ｃｒは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入れ性を高める元素であり、Ｃｒが４．０％未満であるとその効果を得られない。一方、Ｃｒが６．５％以上であると、粗大な炭化物を形成し、靱性および加工性を悪化する。そこでＣｒは４．０〜６．５％未満とし、望ましくは４．５〜６．３％とする。
【００１９】
（Ｍｏ＋Ｗ／２）：２．０超〜５．０％
（Ｍｏ＋Ｗ／２）は、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高める働きをする。そのためには、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は２．０％超が必要である。一方、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は粗大な炭化物を形成し、靱性および加工性を悪化する。そこで、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は２．０超〜５．０％とし、望ましくは２．６〜４．０％とする。
【００２０】
（Ｖ＋Ｎｂ／２）：０．１〜０．６％
（Ｖ＋Ｎｂ／２）は、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果があり、靱性の向上に寄与する働きをする。そのためには、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は０．１％以上が必要である。一方、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は粗大な炭窒化物を形成し靱性および加工性を悪化する。そこで、（Ｖ＋Ｎｂ／２）は０．１〜０．６％とし、望ましくは０．３〜０．５％とする。
【００２１】
Ｎ：１００超〜５００ｐｐｍ
Ｎは、窒化物を形成するために必要な元素であり、形成された窒化物が耐摩耗性を向上させるとともに結晶粒の粗大化を防止し靱性の低下を抑制する働きをする。しかし、Ｎが１００ｐｐｍ以下であるとこれらの効果は得られない。一方、Ｎが５００ｐｐｍより多いと、粗大な窒化物を形成し、靱性および加工性を悪化する。そこで、Ｎは１００超〜５００ｐｐｍとし、望ましくは１２０〜４００ｐｐｍとする。
【００２２】
Ｒ：１５．０〜３１．０
Ｒは、本願発明の化学成分の範囲を満たす鋼の焼入れ時の残留オーステナイトの安定性を表す値であり、ＣおよびＮが増えることで、焼入れ時に残留オーステナイトが安定化しやすくなるが、Ｃｒ、Ｖが増えると、炭窒化物が形成されやすくなり、特にＶは焼入れ温度に加熱されても固溶しにくい炭窒化物を形成するため、残留オーステナイトの安定性に寄与するＣおよびＮの影響を低下させる。すなわち、Ｒが大きいほど残留オーステナイトは安定となる。
ところで、残留オーステナイトは５００℃以上で焼き戻した時に、マルテンサイト化して二次硬化に寄与するが、マルテンサイト化が起こることで、膨張して焼入れ前の寸法からの変寸が大きくなるため、残留オーステナイトの安定性が高すぎると、残留オーステナイトが多く残るようになり、焼入れ前の寸法からの変寸が大きくなる。そこで、Ｒは３１．０以下とする。ただし、残留オーステナイトの安定性が低すぎると、マルテンサイト化が低温で進みやすく、二次炭化物が析出したときに起こる析出硬化の温度域と重ならなくなるため、焼戻し後の硬さが６３ＨＲＣ以上得られなくなる。そこで、Ｒは１５．０以上とする。以上の理由から、Ｒは１５．０〜３１．０とし、望ましくは１７．０〜２９．０とする。
【００２３】
５００℃以上の焼戻し後の硬さ：６３ＨＲＣ以上
５００℃以上の焼戻し後の硬さは、本発明の冷間工具鋼を塑性加工用のダイスまたは圧延ロールなどするときに必要であり、特に高硬度である金属材料の加工には、工具鋼の硬さが６３ＨＲＣより低いと加工できない。そこで、本発明の冷間工具鋼における、５００℃以上の焼戻し後の硬さを６３ＨＲＣ以上とする。
【００２４】
５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数：２００個以上
５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数は焼入れ処理後に残っている５０００００μｍ2中の炭化物の個数をいう。ところで、本発明鋼における５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数が２００個より少ないと、冷間工具鋼として必要な耐摩耗性が得られない。また、結晶粒のピン止め効果も得られない。そこで、必要な耐摩耗性とピン止め効果を有するものとするために、５０００００μｍ2中の一次炭化物の個数は２００個以上とする。
【００２５】
５０００００μｍ2中の一次炭化物の炭化物面積率：０．５〜３．０％
一次炭化物は結晶粒のピン止めに寄与することが出来るが、５０００００μｍ2中の一次炭化物の炭化物面積率が０．５％未満では結晶粒のピン止め効果が得られない。一方、この面積率が３．０％を超えると、炭化物同士の距離が近くなって、割れの伝播が起きやすくなり、靱性が低下する。そこで、５０００００μｍ2中の一次炭化物の炭化物面積率は、０．５〜３．０％とし、望ましくは０．５〜１．８％とする。
【００２６】
焼入れ後の残留オーステナイト量は１２〜３０％
焼入れ後の残留オーステナイトは、５００℃以上で焼戻し行ったときに、マルテンサイト化して二次効果に寄与する。しかし、焼入れ後の残留オーステナイト量が１２％より少な過ぎると、マルテンサイト化による二次硬化が十分に得られない。そこで残留オーステナイト量は１２％以上とする。しかし、焼入れ後の残留オーステナイト量が３０％より多いと、焼戻し後の変寸が大きくなる。そこで、焼入れ後の残留オーステナイト量は１２〜３０％とし、望ましくは、１４〜２５％とする。
【００２７】
焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積は、２５μｍ2以下
焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積は、２５μｍ2を超えると、割れ起点になりやすい炭化物サイズのものが多くなり靱性が低下する。そこで、焼入れ焼戻し後の平均炭化物面積は、２５μｍ2以下とする。
【００２８】
ここで、本願発明の実施の形態について説明する。先ず、本願の請求項１〜４に係る発明の鋼であり、表１に示す供試材である発明鋼のＮｏ．１〜３６と、それらの比較例である表２に示す供試材である比較鋼のＮｏ．３７〜５２の、各供試材の鋼の１００Ｋｇを真空誘導炉で溶製し、得られた鋼を、断面の縦辺および横辺それぞれが５０ｍｍである角材に鍛伸した。次いで、これらの角材を図１に示すように、１０５０℃に加熱した後、空冷して焼入れ処理し、その後、５００〜６００℃に加熱して空冷する焼戻し処理を２回以上繰り返した。表１および表２に供試材の化学成分とＲ値を示す。
【００２９】
【表１】
0006654328.tif 000002
【００３０】
【表２】
0006654328.tif 000003
【００３１】
上記の表１の各発明鋼および表２の各比較鋼の供試材について、５００〜６００℃の２回以上の繰返し焼戻し処理温度で、最も高い硬さとなったものを評価した。この硬さが６３ＨＲＣ以上のときは○とし、６３ＨＲＣよりも低いときは×として、表３および表４に示した。
【００３２】
上記の焼入れ処理した各発明鋼および各比較鋼の供試材を用いて、中心部から、縦８ｍｍ、横８ｍｍ、長さ８ｍｍの試験片を割り出し、Ｘ線回折により残留オーステナイト量（％）を求めて、表３および表４に示した。
【００３３】
さらに、上記の焼入れ焼戻し処理した各発明鋼および各比較鋼の供試材を用いて、中心部から、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、長さ１５ｍｍの試験片を割り出し、光学顕微鏡の１００倍の視野で、３箇所ランダムに撮影し、画像解析装置を使用して、それぞれの５０００００μｍ2視野内の一次炭化物個数および一次炭化物面積率をそれらの画像から測定し、その平均を求めて、表３および表４に示した。
【００３４】
さらに、上記の焼入れ焼戻し処理した各発明鋼および各比較鋼の供試材を用いて、中心部から、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、長さ１５ｍｍの試験片を割り出し、ナイタールにより腐食し、光学顕微鏡の１００倍の視野でランダムに撮影し、画像解析装置を使用して、それぞれの５０００００μｍ2視野内の炭化物の平均面積をそれらの画像から求めて、表３および表４に示した。
【００３５】
また、発明鋼および比較鋼の靱性は、シャルピー衝撃値で評価した。シャルピー衝撃試験は、上記の焼入れ焼戻し処理した各発明鋼および各比較鋼の供試材の中心部から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、長さ５５ｍｍからなる、図２に示す１０Ｒ−２ｍｍＣノッチのシャルピー試験片を割り出し、実施した。６３ＨＲＣ以上の硬さが得られるＪＩＳ鋼種であるＳＫＨ５１の粉末冶金により製造した鋼は、６３ＨＲＣで２５Ｊ／ｃｍ2のシャルピー衝撃値が得られるため、この２５Ｊ／ｃｍ2のシャルピー衝撃値を基準として、３０Ｊ／ｃｍ2より高いシャルピー衝撃値が得られれば、靱性に優れているとして◎とし、２５Ｊ／ｃｍ2より高く３０Ｊ／ｃｍ2以下であれば、靱性がよいとして○とし評価して、表３および表４に示した。
【００３６】
上記した鍛伸後の各発明鋼および各比較鋼の供試材を用いて、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、長さ１００ｍｍからなる試験片を割り出し、長さ方向の寸法を測定した後、上記の焼入れ焼戻し処理を行ない、再度、長さ方向の寸法を測定して、熱処理前からの変寸した長さを求めた。ところで、ＳＫＨ５１は０．１ｍｍ膨張するので、この０．１ｍｍを基準の変寸とし、膨張が０〜０．１ｍｍ未満であればよいとして○とし、０．１ｍｍ以上であれば悪いとして×として表３および表４に示した。
【００３７】
【表３】
0006654328.tif 000004
【００３８】
【表４】
0006654328.tif 000005
【００３９】
以上の表１および表３から、本発明鋼の化学成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、（Ｍｏ＋Ｗ／２）、（Ｖ＋Ｎｂ／２）の含有量が、各々１つでも請求項の範囲から高く外れた鋼種はシャルピー衝撃値が低いため、靱性が低い。（Ｍｏ＋Ｗ／２）、残留オーステナイト量およびＲ置が各々１つでも低く外れた鋼種は、硬さが６３ＨＲＣ以上でない。Ｎが低く外れた鋼種はシャルピー衝撃値が低いため、靱性が低い。Ｒ値が高くはずれた鋼種は、変寸が大きい。一次炭化物面積率が低く、一次炭化物個数が少ない鋼種はシャルピー衝撃値が低いため、靱性が低いことが分かる。
【図１】
0006654328.tif 000006
【図２】
0006654328.tif 000007