(57)【要約】【課題】金型などの各種工具に不可欠な機械的特性を維持したまま、熱処理時の寸法変化を最小限に抑制することが可能な工具鋼を提供すること。【解決手段】０．６０ｍａｓｓ％≦Ｃ≦１．００ｍａｓｓ％、１．４０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦２．６０ｍａｓｓ％、０．１０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦０．７０ｍａｓｓ％、０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％、０．０１ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％、６．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦８．５ｍａｓｓ％、０．５ｍａｓｓ％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．８０ｍａｓｓ％、０．０２ｍａｓｓ％≦Ｖ≦０．２０ｍａｓｓ％、０．０００１ｍａｓｓ％≦Ｓ≦０．０２０ｍａｓｓ％、を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなる工具鋼。【選択図】図２
2007197746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．６０ｍａｓｓ％≦Ｃ≦１．００ｍａｓｓ％、
１．４０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦２．６０ｍａｓｓ％、
０．１０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦０．７０ｍａｓｓ％、
０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％、
０．０１ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％、
６．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦８．５ｍａｓｓ％、
０．５ｍａｓｓ％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．８０ｍａｓｓ％、
０．０２ｍａｓｓ％≦Ｖ≦０．２０ｍａｓｓ％、
０．０００１ｍａｓｓ％≦Ｓ≦０．０２０ｍａｓｓ％、
を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなる工具鋼。
【請求項２】
Ｐ≦０．０３０ｍａｓｓ％、
Ａｌ≦０．０３０ｍａｓｓ％、
Ｏ≦０．００５０ｍａｓｓ％、及び、
Ｎ≦０．０２５０ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１に記載の工具鋼。
【請求項３】
Ｃｏ≦０．５０ｍａｓｓ％、及び、
Ｂ≦０．０１００ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１又は２に記載の工具鋼。
【請求項４】
Ｓｅ≦０．０５０ｍａｓｓ％、
Ｔｅ≦０．０５０ｍａｓｓ％、
Ｐｂ≦０．０５０ｍａｓｓ％、
Ｂｉ≦０．０５０ｍａｓｓ％、及び、
Ｃａ≦０．０５０ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の工具鋼。
【請求項５】
Ｎｂ≦０．１０ｍａｓｓ％、
Ｔａ≦０．１０ｍａｓｓ％、
Ｔｉ≦０．１０ｍａｓｓ％、
Ｚｒ≦０．１０ｍａｓｓ％、
Ｍｇ≦０．１０ｍａｓｓ％ｍ、及び、
ＲＥＭ≦０．１０ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載の工具鋼。
【請求項６】
１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行った場合において、焼入れ後の残留オーステナイト量が５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率が−０．０１〜０．０５％となる組成を有する請求項１から５までのいずれかに記載の工具鋼。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の組成を有する鋼塊を１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行い、
焼戻し後の線膨張率が−０．０３〜０．０１％となるように、前記鋼塊を１５０〜５１５℃の温度で焼戻すことにより得られる工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具鋼に関し、さらに詳しくは、耐摩耗性及び硬度が高く、熱処理後に生ずる寸法変化が相対的に少ない工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＲＣ６０以上の高硬度が要求される金型では、耐摩耗性が金型寿命を決めるため、高硬度化と炭化物の分散が重要になっている。例えば、ＪＩＳ鋼であるＳＫＤ１１、ＳＫＨ５１などや特許文献１に記載された冷間工具鋼は、いずれも、高硬度であり、かつ、直径相当で１０μｍを超える炭化物が数多く分布しているので、優れた耐摩耗性を示す。
一方、冷間加工条件の過酷化に伴い、この種の用途に供される工具鋼には、耐摩耗性の向上、高硬度化、高靱性化、耐疲労性の向上、溶接性の向上、経年変化の抑制などの複数の特性を同時に向上させることが求められているようになっている。
【０００３】
そこで、この問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．５５〜０．７３％、Ｓｉ：０．２４〜０．５９％、Ｍｎ：０．２３〜０．７１％、Ｃｒ：６．５２〜７．９１％、Ｍｏ＋1/2Ｗ：０．６１〜１．１９、Ｖ：０．２１〜０．４９％を含有し、残部がＦｅ及び不可避の不純物からなり、共晶値Ｚ（＝８×(Ｃ％)＋０．６×(Ｃｒ％)）が１０．８以下である工具鋼が開示されている。同文献には、Ｃ量を抑制することにより、溶接性を確保できる点、及び、高温域で熱処理する際に生じる変寸を抑制するためには、Ｓｉ量を０．６％以下、好ましくは０．３％以下とするのが重要である点が記載されている。
【０００４】
また、特許文献３には、冷間工具鋼を焼入れして、体積比で３〜４０％を残留オーステナイトが占める組織とする焼入れ工程と、焼入れした冷間工具鋼を、Ａｃ1変態点以下の温度であって残留オーステナイトの半分以上を分解させるに足りる温度への加熱を１回又は２回以上行う第一次化熱処理工程と、第一次化熱処理を施した冷間工具鋼を、−３０℃以下の温度に冷却するサブゼロ処理工程と、サブゼロ処理を受けた冷間工具鋼を、１５０〜５００℃の範囲内であって、第一次熱処理より低い温度で加熱する第二次化熱処理工程を備えた冷間工具鋼の製造方法が開示されている。同文献には、サブゼロ処理及び第二次化熱処理により残留オーステナイトの不安定さが減少し、経年変化が抑制される点が記載されている。
【０００５】
また、特許文献４には、重量％で、Ｃ：０．７１〜０．９４％、Ｓｉ：０．６８〜１．２０％、Ｍｎ：０．３９〜１．１４％、Ｃｒ：７．９８〜９．２３％、Ｍｏ：０．９２〜２．２５％、Ｖ：０．４４〜０．７１％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を１０００〜１０８０℃で焼入れし、１５０〜４５０℃の低温で焼戻しを行う冷間工具鋼の製造方法が開示されている。同文献には、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶをうまくバランスさせることにより、十分な硬さと十分な靱性を兼ね備えた冷間工具鋼が得られる点が記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献５には、質量％で、Ｃ：０．６９〜１．２９％、Ｓｉ：０．６５〜１．７８％、Ｍｎ：０．３４〜０．９７％、Ｃｒ：５．８〜１０．７％、Ｍｏ＋1/2Ｗ：１．８〜４．６％、Ｖ＋1.2Ｎｂ：０．５〜２．４％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、鋼のマルテンサイト組織に体積％で５〜２０％の残留オーステナイトを残留させた冷間工具鋼が開示されている。同文献には、残留オーステナイト量を５〜２０％とすると、残留オーステナイトが炭化物の応力集中を抑制し、亀裂発生を低減できる点が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−０２５５４５号公報
【特許文献２】特開２０００−２１２６９９号公報の段落番号「００１３」、「００２３」、及び表１
【特許文献３】特開２００−１２９３４８号公報
【特許文献４】特開２０００−０４５０２０号公報の段落番号「００１１」、及び表１
【特許文献５】特開２００２−０１２９５２号公報の段落番号「００１５」、及び表１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
製品の小型化、複合化、高性能化に伴い、年々、製品形状は複雑化し、かつ、製品に対して要求される寸法精度も高くなっている。それに伴い、このような製品を製造するための金型にもまた、形状の複雑化と高寸法精度化が求められるようになっている。この種の金型は、一般に、素材を金型形状に粗加工した後、熱処理（焼入れ焼戻し）を行い、仕上げ加工を行うことにより製造されている。金型の納期短縮や製作コストの低減という観点では、粗加工段階で可能な限り高精度で加工しておくことが重要となる。なぜなら、熱処理を行うと金型が高硬度となり、仕上げ加工が非常に困難となるためである。
【０００９】
しかしながら、熱処理は、金型に寸法変化を引き起こす。一般に、金型は、焼入れ時に膨張し、焼戻し時には焼戻し温度に応じて収縮又はさらに膨張することが知られている。また、金型寸法が大きくなると、熱処理時に温度ムラが生じ、膨張率が部位によって異なる場合がある。そのため、粗加工段階で高精度な加工を行うと、仕上げ加工段階で矯正不能な寸法変化が生じるおそれがある。一方、これを回避するために、粗加工時の加工精度を下げると、仕上げ加工の工数が増大し、納期遅延と製作コストの増大を招く。
さらに、高性能な金型を低コストで製造するためには、金型などの各種工具に不可欠な機械的特性（例えば、硬度、耐摩耗性、靱性、耐疲労性等）を維持したまま、熱処理時の寸法変化を最小限に抑える必要がある。しかしながら、このような特性を備えた工具鋼が提案された例は、従来にはない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、熱処理時の寸法変化が相対的に小さく、納期短縮や製作コストの削減が可能な工具鋼を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、金型などの各種工具に不可欠な機械的特性（例えば、硬度、耐摩耗性、靱性、耐疲労性等）を維持したまま、熱処理時の寸法変化を最小限に抑制することが可能な工具鋼を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、熱処理時に温度ムラが生じた場合であっても熱処理時の寸法変化を最小限に抑制することが可能な工具鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る工具鋼は、
０．６０ｍａｓｓ％≦Ｃ≦１．００ｍａｓｓ％、
１．４０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦２．６０ｍａｓｓ％、
０．１０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦０．７０ｍａｓｓ％、
０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％、
０．０１ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％、
６．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦８．５ｍａｓｓ％、
０．５ｍａｓｓ％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．８０ｍａｓｓ％、
０．０２ｍａｓｓ％≦Ｖ≦０．２０ｍａｓｓ％、
０．０００１ｍａｓｓ％≦Ｓ≦０．０２０ｍａｓｓ％、
を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
この場合、工具鋼は、１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行った場合において、焼入れ後の残留オーステナイト量が５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率が−０．０１〜０．０５％となる組成を有するものが好ましい。
また、工具鋼は、所定の組成を有する鋼塊を１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行い、焼戻し後の線膨張率が−０．０３〜０．０１％となるように、前記鋼塊を１５０〜５１５℃の温度で焼戻す焼戻すことにより得られるものが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
添加元素の添加量を最適化し、かつ、適切な条件で焼入れを行うと、熱処理時の寸法変化が相対的に小さい工具鋼が得られる。特に、焼入れ後の残留オーステナイト量が５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率が−０．０１〜０．０５％となる組成を有する工具鋼は、適切な条件下で焼戻すことによって、焼戻し後の線膨張率が−０．０３〜０．０１％となる。さらに、本発明に係る工具鋼は、Ｃ量及びＶ量が最適化されているので、硬度、靱性、耐摩耗性等を高く維持したまま、熱処理時の寸法変化を最小限に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る工具鋼は、以下のような元素を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１４】
（１）  ０．６０ｍａｓｓ％≦Ｃ≦１．００ｍａｓｓ％。
Ｃは、焼入れ時のマルテンサイトの硬さを高めるためには必須の元素である。Ｃ量が多くなるほど、マルテンサイト変態時の膨張率が大きくなる。また、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成する元素であり、耐摩耗性の向上などに効果がある。焼入れ焼戻し硬さにおいてＨＲＣ５５以上を得るためには、Ｃ添加量は、０．６０ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｃの過剰添加は、炭化物量が過剰となり、靱性の低下を招く。従って、Ｃ添加量は、１．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。
（２）  １．４０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦２．６０ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、高温焼戻し硬さの向上に有効である。そのためには、Ｓｉ添加量は、１．４０ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｓｉの過剰添加は、熱間加工性を低下させるとともに、成分偏析を助長する。従って、Ｓｉ添加量は、２．６０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１５】
（３）  ０．１０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦０．７０ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、焼入れ性を高める元素である。ＨＲＣ５５以上の硬さを得るためには、Ｍｎ添加量は、０．１０ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｍｎの過剰添加は、焼なましによって硬さ低下が得られなくなる。従って、Ｍｎ添加量は、０．７０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
（４）  ０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、焼入れ状態における残留オーステナイト量に寄与する。残留オーステナイト量を制御するためには、Ｃｕ添加量は、０．５０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃｕ量は、できる限り低減することが望ましいが、必要以上の低減は、製造コストの増大を招く。従って、Ｃｕ添加量は、０．０１％以上が好ましい。
【００１６】
（５）  ０．０１ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％。
Ｎｉは、焼入れ状態における残留オーステナイト量に寄与する。残留オーステナイト量を制御するためには、Ｎｉ添加量は、０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｎｉ量は、できる限り低減することが望ましいが、必要以上の低減は、製造コストの増大を招く。従って、Ｎｉ添加量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
（６）  ６．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦８．５ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、マトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さの向上に寄与するとともに、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。これらの効果を得るためには、Ｃｒ添加量は、６．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｃｒの過剰添加は、必要以上の炭化物を生成させ、焼入れ焼戻し後の靱性低下、切削性低下を起こす。従って、Ｃｒ添加量は、８．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１７】
（７）  ０．５ｍａｓｓ％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．８０ｍａｓｓ％。
Ｍｏ及びＷは、マトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さ向上に寄与するとともに、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させ、あるいは、焼入れ焼戻しにおける軟化抵抗性を高める効果がある。このような効果を得るためには、Ｍｏ＋1/2Ｗは、０．５ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｍｏ及び／又はＷの過剰添加は、熱間加工性の低下、靱性の低下、及び、切削性の低下を招く。従って、Ｍｏ＋1/2Ｗは、１．８０ｍａｓｓ％以下が好ましい。なお、Ｍｏは、Ｗと同等の効果を得るためにはＷの２倍の量が必要であるので、Ｍｏ及びＷの添加量は、Ｍｏ＋０．５Ｗで記述されるＭｏ当量で規定する。
（８）  ０．０２ｍａｓｓ％≦Ｖ≦０．２０ｍａｓｓ％。
Ｖは、安定な炭化物を形成し、結晶粒の粗大化防止に効果がある。また、微細な炭化物を形成して耐摩耗性や硬さ向上に寄与する。これらの効果を得るためには、Ｖ添加量は、０．０２ｍａｓｓ％以上が好ましい。一方、Ｖの過剰添加は、晶出炭化物の増加による切削性の低下、熱間加工性の低下が起こる。従って、Ｖ添加量は、０．２０ｍａｓｓ％以下が好ましい。さらに、Ｖ量は、焼入れ状態での残留オーステナイト量に大きく寄与する。残留オーステナイト量を制御するためには、Ｖ量は、０．０２〜０．２０ｍａｓｓ％の間で制御することが必須となる。
【００１８】
（９）  ０．０００１ｍａｓｓ％≦Ｓ≦０．０２０ｍａｓｓ％。
Ｓは、Ｍｎと結合し、非金属介在物を形成する。Ｓ量が過剰になると、非金属介在物量が増加し、Ｍｎ量が減少する。非金属介在物は、シャルピー衝撃値などの特性を劣化させる原因となる。従って、Ｓ量は、０．０２０ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｓは、極力減らすことが望ましいが、必要以上の低減は、製造コストの増大を招く。従って、Ｓ添加量は、０．０００１ｍａｓｓ％以上が好ましい。残留オーステナイト量の比率を一定に保つためには、Ｍｎ量に影響がないＳ量に制御する必要がある。
【００１９】
本発明に係る工具鋼は、上述した元素に加えて、以下のいずれか１以上の第１添加元素をさらに含んでいても良い。
（１０）  Ｐ≦０．０３０ｍａｓｓ％。
（１１）  Ａｌ≦０．０３０ｍａｓｓ％。
（１２）  Ｏ≦０．００５０ｍａｓｓ％。
（１３）  Ｎ≦０．０２５０ｍａｓｓ％。
Ｐ、Ａｌ、Ｏ及びＮは、いずれも、鋼中に不可避的に含まれる。これらが鋼中に多量に含まれると、靱性や切削性を低下させる。従って、これらの元素は、上記の上限以下とするのが好ましい。これらの元素を積極的に低減すると、安定した高い靱性を維持することができる。但し、必要以上の低減は、製造コストを増大させるので好ましくない。
【００２０】
本発明に係る工具鋼は、上述した第１添加元素に加えて又はこれらに代えて、以下のいずれか１以上の第２添加元素をさらに含んでいても良い。
（１４）  Ｃｏ≦０．５０ｍａｓｓ％。
（１５）  Ｂ≦０．０１００ｍａｓｓ％。
Ｃｏ及びＢは、マトリックス中に固溶し、焼入れ性を向上させる効果がある。また、衝撃遷移温度を低下させ、靱性を向上させる効果、及び、靱性向上による溶接性の劣化を防止する効果もある。一方、Ｃｏ及び／又はＢの過剰添加は、残留オーステナイト量を増加させる。従って、これらの添加量は、上記の上限以下とするのが好ましい。
【００２１】
本発明に係る工具鋼は、上述した第１添加元素及び／若しくは第２添加元素に加えて又はこれらに代えて、以下のいずれか１以上の第３添加元素をさらに含んでいても良い。
（１６）  Ｓｅ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
（１７）  Ｔｅ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
（１８）  Ｐｂ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
（１９）  Ｂｉ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
（２０）  Ｃａ≦０．０５０ｍａｓｓ％。
これらの元素は、いずれも、切削性を向上させるために添加することができる。一方、これらの元素を過剰に添加すると、非金属介在物の量が多くなり、靱性が極端に低下する。従って、これらの添加量は、上記の上限以下とするのが好ましい。
【００２２】
本発明に係る工具鋼は、上述した第１〜第３添加元素のいずれか１以上に加えて又はこれらに代えて、以下のいずれか１以上の第４添加元素をさらに含んでいても良い。
（２１）  Ｎｂ≦０．１０ｍａｓｓ％。
（２２）  Ｔａ≦０．１０ｍａｓｓ％。
（２３）  Ｔｉ≦０．１０ｍａｓｓ％。
（２４）  Ｚｒ≦０．１０ｍａｓｓ％。
（２５）  Ｍｇ≦０．１０ｍａｓｓ％ｍ。
（２６）  ＲＥＭ≦０１０ｍａｓｓ％。
これらの元素は、いずれも、炭化物の微細化や結晶粒の微細化による靱性向上の効果を得るために添加することができる。一方、これらの元素を過剰に添加すると、靱性や溶接性が低下する。従って、これらの添加量は、上記の上限以下とするのが好ましい。
【００２３】
本発明に係る工具鋼は、上述した組成を有するものの中でも、特に、１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行った場合において、焼入れ後の残留オーステナイト量が５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率が−０．０１％〜０．０５％となる組成を有するものが好ましい。
【００２４】
焼入れ温度は、Ｆｅ中の元素の固溶量を変化させる。熱処理時の寸法変化は、焼入れ温度におけるＦｅ中の元素の固溶量に依存するので、熱処理時の寸法変化を最小限に抑制するためには、成分だけでなく、焼入れ温度の制御も重要である。焼入れ温度が低すぎると、元素の固溶量が少なくなりすぎるため、金型等として必要な硬さＨＲＣ５５以上を得ることができない。従って、焼入れ温度は、１０００℃以上が好ましい。
一方、焼入れ温度が高すぎると、元素の固溶量が多くなりすぎ、焼入れ後の残留オーステナイト量が極端に増加する。従って、焼入れ温度は、１０５０℃以下が好ましい。
【００２５】
また、焼入れ温度での保持時間が短い場合、質量効果により材料内部が焼入れ温度に達しないため、材料内部の焼入れ硬さが低下する。従って、保持時間は、２０分以上が好ましい。一方、保持時間が長すぎると、材料表面の結晶粒が粗大化し、靱性が低下する。従って、保持時間は、１８０分以下が好ましい。
さらに、焼入れ時の平均冷却速度が遅くなると、パーライト組織が発生する。パーライト組織が混在すると、焼入れ後の残留オーステナイト量及び焼入れ後の線膨張率が極端に変化し、両者の間に相関関係が成立しなくなる。従って、表面温度が１００℃になるまでの平均冷却速度は、１０℃／ｍｉｎ以上が好ましい。なお、「平均冷却速度」とは、冷却開始温度と冷却終了温度の差を総冷却時間で除した値をいう。
【００２６】
「焼入れ後の線膨張率」とは、焼入れ前の基準寸法（Ｌ0）に対する焼入れ後の寸法（Ｌ1）の変化率（＝(Ｌ1−Ｌ0)×１００／Ｌ0（％））をいう。
焼入れ後の残留オーステナイト量Ｘ（ｖｏｌ％）は、次の（１）式に示すように、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量（ｍａｓｓ％）に依存する。
Ｘ(vol％)＝191.6Ｃ＋4.1Ｓｉ＋6.2Ｃｕ＋8.9Ｎｉ−15.7Ｃｒ−11.4Ｍｏ＋138.4Ｖ
・・・（１）
一方、焼入れ後の線膨張率Ｙ（％）は、次の（２）式に示すように、焼入れ温度でＦｅに固溶するＣ量（ｍａｓｓ％）及び残留オーステナイト量Ｘ（ｖｏｌ％）に依存する。
Ｙ(％)＝−0.03Ｘ＋0.117Ｃ  ・・・（２）
焼入れ後の線膨張率がＣ量に依存するのは、焼入れによってマルテンサイト変態が生ずるため、及び、マルテンサイト変態による膨張量は、焼入れ温度でＦｅに固溶するＣ量に依存するためである。また、焼入れ後の線膨張率が残留オーステナイト量に依存するのは、オーステナイトが１００％マルテンサイト変態を起こすわけではなく、成分元素の影響によって、焼入れ後もオーステナイトの一部が残存するためである。
従って、鋼中に含まれる成分元素を最適化することに加えて、焼入れ条件を最適化すると、焼入れ後の残留オーステナイト量を５〜２０ｖｏｌ％の範囲に収めることができる。また、これによって焼入れ後の線膨張率を−０．０１〜０．０５％に収めることができる。
【００２７】
なお、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量は、
（１）  焼入れ後の材料について電解抽出を行い、抽出液中の残渣をろ紙等で回収し、
（２）  残渣に含まれる相をＸ線回折等により同定し、残渣中の元素量を測定し、
（３）  合金全体の元素量から残渣の元素量を差し引く、
ことによって推定することができる。
あるいは、平衡状態計算ソフトを用いて、理論上の焼入れ温度における平衡状態でのオーステナイト相の成分を推定することもできる。
【００２８】
本発明に係る工具鋼は、上述した組成に成分調整が行われた鋼塊を１０００℃〜１０５０℃の焼入れ温度で２０〜１８０分保持した後、表面温度が１００℃になるまで平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上で焼入れを行い、次いで、焼戻し後の線膨張率が−０．０３〜０．０１％となるように、鋼塊を１５０〜５１５℃の温度で焼戻すことにより得られるものが好ましい。
【００２９】
成分元素が調整された鋼塊は、必要に応じて、焼入れ前に所定の形状にするための熱間加工を行っても良い。また、鋼塊は、焼入れ前であって、熱間加工の前又は後に、ＭＣ、Ｍ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6などの合金炭化物を球状化するための球状化焼きなましを行うのが好ましい。この場合、焼きなまし条件及び熱間加工条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて、最適な条件を選択すればよい。
次に、成分調整が行われ、かつ、必要に応じて熱間加工及び焼きなましが行われた鋼塊を所定の条件下で焼入れを行う。焼入れ条件の詳細な限定理由は、上述した通りである。この時、成分元素を最適化すると、焼入れ後の残留オーステナイト量は５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率は−０．０１〜０．０５％となる。
【００３０】
次に、焼戻し後の線膨張率が−０．０３〜０．０１％となるように、焼入れされた鋼塊を１５０〜５１５℃の温度で焼戻しを行う。
ここで、「焼戻し後の線膨張率」とは、焼入れ前の基準寸法（Ｌ0）に対する焼戻し後の寸法（Ｌ2）の変化率（＝(Ｌ2−Ｌ0)×１００／Ｌ0（％））をいう。
焼戻し温度が５１５℃を超えると、急激な膨張が発生する。これは、相対的に高温で焼戻しを行うと、焼入れ時に残存していた残留オーステナイトが、焼戻し後の冷却の際にマルテンサイト変態するためである。しかも、実際の熱処理においては、金型の場所によって温度ムラが発生するため、焼戻し温度が相対的に高いと、部位によって線膨張率が著しく異なる可能性が高くなる。従って、急激な膨張と、温度ムラに起因する線膨張率の急激な変化を抑制するためには、焼戻し温度は、５１５℃以下が好ましい。
一方、焼戻し温度が５１５℃以下では、焼戻し後の線膨張率は、焼戻し温度の上昇とともにほぼ単調に減少する。そのため、温度ムラが生じても、部位による線膨張率の急激な変化は生じない。しかも、この減少量は、成分の影響がなく、どのような成分であってもほぼ同一である。但し、焼戻し温度が低すぎると、実用的な時間内に十分な焼戻し効果が得られない。従って、焼戻し温度は、１５０℃以上が好ましい。
焼入れ後の線膨張率を−０．０１〜０．０５％とし、かつ、焼戻し温度を最適化すると、成分元素によらず焼戻し後の線膨張率を−０．０３〜０．０１％の範囲に収めることができる。これにより、金型などの各種工具に不可欠な機械的特性を維持したまま、熱処理時の寸法変化を最小限に抑制することができる。
【００３１】
次に、本発明に係る工具鋼の作用について説明する。
従来の冷間工具鋼は、焼入れ後の状態において残留オーステナイトが５〜３０ｖｏｌ％程度含まれている。焼入れによって生じるマルテンサイト組織に比べて、残留オーステナイトは体積膨張が小さいため、残留オーステナイト量が変化すると、焼入れ後の寸法も変化する。一般に、残留オーステナイト量が少なくなるほど、焼入れ後の膨張量は大きくなる。さらに、焼入れされた冷間工具鋼を焼戻すと、焼戻し温度に応じて、収縮又はさらに大きく膨張する。従って、熱処理後の寸法をできる限り熱処理前と同じにするためには、焼入れ後の膨張量を調整しなければならない。しかしながら、従来の冷間工具鋼は、焼入れ後の膨張量を適切な量に調整できていないため、熱処理後の寸法にバラツキが生じるという問題があった。
【００３２】
これに対し、成分元素を最適化し、かつ、焼入れ条件及び焼戻し条件を最適化すると、機械的特性を犠牲にすることなく、熱処理前後の寸法変化を最小限に抑制することができる。これは、以下の理由による。
［１．  焼入れ後の残留オーステナイト量］
上述したように、焼入れによって生じる残留オーステナイト量は、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量と関係がある。従って、幅広い成分域を持つ材料では、焼入れ後の残留オーステナイト量が大きく変化し、焼入れ後の線膨張率を一定の範囲に収めることはできない。一方、各元素の成分域を上述した範囲に限定し、かつ、焼入れ条件を最適化すると、焼入れ温度でＦｅに固溶するＣ量及び焼入れ後に生ずる残留オーステナイト量を最適な範囲に収めることができる。残留オーステナイト量と、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量は、上述した（１）式の関係が成り立つので、（１）式に従って成分元素を最適化すると、焼入れ後の残留オーステナイト量を５〜２０ｖｏｌ％に制御することができる。
【００３３】
以下に、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量を測定した一例を示す。試料には、本発明の組成範囲にある鋼種（以下、「工具鋼Ａ」という）と、本発明の組成範囲内にない鋼種（以下、「工具鋼Ｂ」という）の２種類を用いた。測定方法は、以下の通りである。
工具鋼Ａ、Ｂを所定の温度（１０００〜１０５０℃）から焼入れし、１５×１５×１５ｍｍ程度の試験片を切り出した。この試験片の全面を鏡面研磨した後、電解抽出を行った。電解抽出溶液には、１０％アセチルアセトン−１％テトラアンモニウムクロライド−エタノール溶液を用い、電流量は、２５ｍＡ／ｃｍ2とした。適切な時間（３〜８時間）で電解抽出した後、抽出液中の残渣をろ紙で回収した。この残渣に含まれる相を、Ｘ線回折を用いて同定した。さらに、合金全体の成分から残渣の元素量を差し引き、焼入れ温度でＦｅに固溶する元素量（オーステナイト組成）を算出した。
【００３４】
次の表１及び表２に、それぞれ、工具鋼Ａ及び工具鋼Ｂのオーステナイト組成を示す。
工具鋼Ａの場合、（１）式を用いて算出される残留オーステナイト量は、６．４７ｖｏｌ％である。一方、工具鋼Ｂの場合、（１）式を用いて算出される残留オーステナイト量は、２２．５５ｖｏｌ％である。工具鋼Ｂにおいて、残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％を超えたのは、Ｓｉ量が相対的に少なく、かつ、Ｍｏ量及びＶ量が相対的に多いためである。
さらに、表３に、工具鋼Ａを１１５０℃から焼入れを行った場合のオーステナイト組成を示す。同一組成であっても焼入れ温度が異なると、残留オーステナイト量が変化する。工具鋼Ａを１１５０℃から焼入れした場合、（１）式を用いて算出される残留オーステナイト量は、３７．２２ｖｏｌ％である。
なお、表１〜表３の結果は、Ｘ線回折法を用いて測定された残留オーステナイト量と良く一致した。
【００３５】
【表１】
2007197746.tif 000003
【００３６】
【表２】
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【００３７】
【表３】
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【００３８】
［２．  焼入れ後の線膨張率］
上述したように、焼入れ後の線膨張率は、残留オーステナイト量及び焼入れ温度でＦｅに固溶するＣ量と関係がある。従って、各元素の成分域を上述した範囲に限定し、かつ、焼入れ条件を最適化すると、焼入れ温度でＦｅに固溶するＣ量及び焼入れ後に生ずる残留オーステナイト量を制御することができ、これによって焼入れ後の線膨張率を一定の範囲に収めることができる。
【００３９】
図１に、種々の組成を有する工具鋼について測定された焼入れ後の残留オーステナイト量と焼入れ後の線膨張率との関係を示す。図１中、横軸は、Ｘ線回折装置を用いてマルテンサイト組織とオーステナイト組織のピーク強度比を測定し、ピーク強度比から算出された残留オーステナイト量（ｖｏｌ％）である。図１より、残留オーステナイト量と線膨張係数との間に直線関係が成り立ち、傾きが約０．００３であることがわかる。各プロットが最小自乗法により求めた直線の上下にばらついているのは、線膨張率は残留オーステナイト量だけでなく、Ｃ量にも依存するためである。また、図１より、組成及び焼入れ条件を最適化すると、残留オーステナイト量が５〜２０ｖｏｌ％となり、かつ、焼入れ後の線膨張率を−０．０１〜０．０５％の範囲に収めることができることがわかる。
【００４０】
［３．  焼戻し後の線膨張率］
焼戻し後の線膨張率は、焼戻し温度と関係がある。図２（ａ）及び図２（ｂ）に、それぞれ、焼入れ後の線膨張率が上述した条件を満たす場合及び満たさない場合の焼戻し温度と焼戻し後の線膨張率との関係を示す。
上述したように、焼入れされた工具鋼を焼戻す場合において、焼戻し温度が約５１５℃を超えると、焼戻し後の線膨張率は、急激に増加する。一方、焼戻し温度が約５１５℃以下であるときには、焼戻し後の線膨張率は、単調に減少し、しかも、その減少量は、成分の影響を受けない。そのため、焼入れ後の線膨張率が著しく大きくなった場合（図２（ｂ）中の上の曲線）、焼戻し温度をどのように選択しても焼戻し後の線膨張率を−０．０３〜０．０１％の範囲に収めることができない。同様に、焼入れ後の線膨張率が著しく小さくなった場合（図２（ｂ）中の下の曲線）、５１５℃以下での焼戻しにより、焼戻し後の線膨張率を−０．０３〜０．０１％の範囲に収めることができない。
【００４１】
これに対し、成分元素及び焼入れ温度を最適化すると、焼入れ後の線膨張率を−０．０１〜０．０５％に収めることができる。そのため、焼入れ後の線膨張率が相対的に大きくなった場合（図２（ａ）中の上の曲線）であっても、焼戻し温度を相対的に高温（約２５０〜５１５℃）にすることによって、焼戻し後の線膨張率を−０．０３〜０．０１％の範囲に確実に収めることができる。同様に、焼入れ後の線膨張率が相対的に小さくなった場合（図２（ａ）中の下の曲線）であっても、焼戻し温度を相対的に低温（約１５０〜２５０℃）にすることによって、焼戻し後の線膨張率を−０．０３〜０．０１％の範囲に確実に収めることができる。しかも、焼戻し温度が１５０〜５１５℃の範囲にあれば、温度ムラが生じた場合であっても、部位によって膨張量が著しく異なることもない。
さらに、本発明に係る工具鋼は、成分元素が適正化されているので、１５０〜５１５℃での焼戻しによって、実用上十分な機械的特性が得られる。特に、Ｃ及びＶは、熱処理後の機械的特性、及び、残留オーステナイト量に与える影響が大きい。そのため、従来に比べてこれらの添加量を狭い範囲に限定することにより、機械的特性が高く、かつ、熱処理時の寸法変化が少ない工具鋼が得られる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１〜１５、比較例１〜６）
［１．  試料の作製］
表４に示す成分組成の鋼材（８０ｋｇ）を高周波真空溶解炉で溶解し、造塊した。次いで、得られた鋳塊を所定の塑性加工温度で５時間以上保持した後、熱間鍛造を行い、１辺４０×５０ｍｍの角棒とした。鍛造後、徐冷を行い、その後、球状化焼きなまし処理（９５０℃保持、徐冷速度１８℃／ｈ）を行った。
【００４３】
【表４】
2007197746.tif 000006
【００４４】
［２．  試験方法］
［２．１  残留オーステナイトの定量化］
球状化焼きなまし後の材料から試験片を切り出した。この試験片を所定の焼入れ温度で３０分保持した後、５０℃／ｍｉｎの平均冷却速度で冷却した。その後、表面の研削・研磨を行い、最終仕上げとして電解研磨で０．０５μｍ分の厚さを除去した。これをＸ旋回切装置でマルテンサイト組織とオーステナイト組織のピーク強度比から残留オーステナイト量（ｖｏｌ％）を求めた。
［２．２  シャルピー衝撃試験及び試験硬さ］
球状化焼きなまし後の材料から、１０Ｒノッチシャルピー衝撃試験片を切り出した。材料の長手方向がシャルピー試験片の長さ方向となるように向きを揃えた。この試験片を所定の焼入れ温度で３０分保持した後、６０℃／ｍｉｎの平均冷却速度で冷却した。さらに、この試験片を所定の焼戻し温度で、焼戻しを行った。焼入れ・焼戻し後の試験片について、シャルピー衝撃試験を行った。試験方法は、ＪＩＳＺ２２４２に準拠し、試験温度は、室温とした。
また、シャルピー衝撃試験片を用いて、ロックウェルＣスケールで硬さ測定を行った。
［２．３  線膨張率］
球状化焼きなまし後の材料からφ１０×１００ｍｍの試験片を切り出した。この試験片の長さをマイクロメータを用いて１μｍ単位で測定し、この長さを基準値とした。この試験片を所定の温度で焼入れ、焼戻しを行った。なお、これらの熱処理は、試験片が酸化しないように真空熱処理炉を用いて行った。焼入れ後及び焼戻し後でそれぞれ長さを測定し、基準値に対する長さの変化割合（線膨張率）を求めた。
【００４５】
［３．  結果］
次の表５に、試験結果を示す。なお、表５には、塑性加工温度、焼入れ温度及び焼戻し温度も併せて示した。
比較例１は、ＪＩＳ鋼ＳＫＤ１１に相当する。比較例１は、成分元素（特に、Ｃ、Ｃｒ、Ｖ及びＳｉ）が適正でないために、焼入れ状態での残留オーステナイト量が多い。そのため、焼入れ後の寸法を所定の範囲に調整することはできなかった。また、比較例１は、Ｃ、Ｃｒ量が多いため、晶出炭化物が多く生成し、シャルピー衝撃値も低い。比較例２、３、５も同様に、成分元素が適正でないため、焼入れ状態での残留オーステナイト量が多い。また、比較例３は、ＰやＳが多いため、介在物形成や結晶粒界の脆化が発生し、シャルピー衝撃試験値が低い。さらに、比較例４は、Ｃ量が少ないために、硬さが低い。
これに対し、実施例１〜１５は、いずれも成分範囲及び焼入れ条件が適切であるので、残留オーステナイト量は、いずれも、５〜２０ｖｏｌ％の範囲にあり、焼入れ後の線膨張率は、いずれも、−０．０１〜０．０５％の範囲であった。また、焼入れ後の線膨張率に応じて焼戻し温度が適正化されているので、焼戻し後の線膨張率は、いずれも、−０．０３〜０．０１％の範囲であった。さらに、試験硬さは、いずれもＨＲＣ５５以上であり、シャルピー衝撃値も高い値を示した。
【００４６】
【表５】
2007197746.tif 000007
【００４７】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る工具鋼は、
（１）  曲げ型、打ち抜き型、切り刃、転造型、パンチ部材、絞り型、鍛造型、歯車用パンチ部材・ダイス、スエージングダイス等の冷間において鍛造し、あるいは順送型プレスによって加工する冷間金型、
（２）  塑性加工工具、スクリュー部材、カム部品、シールプレート、ゲージ類等の構造部材、
に用いることができる。
また、本発明に係る工具鋼は、そのままの状態でも使用できるが、ＣＶＤ処理、ＰＶＤ処理、ＴＤ処理、窒化等の表面処理、あるいは、ショットピーニング等の表面改質を行った状態で使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】残留オーステナイト量と焼入れ後の線膨張率との関係を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、焼入れ後の線膨張率が−０．０１〜０．０５％を満たす場合の焼戻し温度と焼戻し後の線膨張率との関係を示す図であり、図２（ｂ）は、焼入れ後の線膨張率が−０．０１〜０．０５％を満たさない場合の焼戻し温度と焼戻し後の線膨張率との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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