(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．５０〜１．５０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：３．５０〜５．５０％、Ｍｏ：２．００〜８．００％、Ｗ：３．００〜８．００％、Ｖ：１．５０〜３．００％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４５％、Ｎ：０．０３％以下、残部Ｆｅおよび不純物から構成され、下記の式、
Ｆｖ＝−０．４５［Ｃ（％）］［２Ｍｏ（％）＋Ｗ（％）]＋２．４［Ｃ（％）］
＋０．８４［Ｍｏ（％）］＋０．９２［Ｗ（％）］＋２［Ｖ（％）−１]1/2
＋５．４５［Ｓｉ(％)］＋３２．７［Ｎ（％）］≧７．４２
を満足する合金組成を有することによって、凝固時の組織中の炭化物がＭＣ＋Ｍ2Ｃ領域にあり、これを、保持温度：１１５０〜１２２０℃、保持時間：５〜６０時間のソーキングによりＭＣ＋Ｍ６Ｃ炭化物に変化させてなる、熱間加工性を改善した高速度工具鋼。
【請求項２】
Ｃａ：０．００１５〜０．００４０％である請求項１に記載の熱間加工性を改善した高速度工具鋼。
【請求項３】
２Ｍｏ＋Ｗ：１５〜２２未満％であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間加工性を改善した高速度工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具や金型などの素材として利用される高速度工具鋼に関し、とくに、その熱間加工性をさらに改善した高速度工具鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＩＳ  ＳＫＨ５１をはじめとする高速度工具鋼は、一般に難加工材として知られており、従来より、炭素鋼と同様の製造工程を採用することが困難であった。
【０００３】
その主な理由として、鋳片段階での熱間加工性が炭素鋼に比較して良くないことを挙げることができる。
【０００４】
そこで、従来は、高速度工具鋼専用の圧延ラインを設けるとか、初期の熱間加工を鍛造などによって代用するとかの手法が主に採用されていた。また、難加工材であることによる表面疵の発生に対しては、鍛造や圧延途中で表面疵の手入れを行うことで健全な製品を得るようにしていた。
【０００５】
そのため、一般鋼と同一の工程で圧延することができず、圧延前に鍛造等の工程増加が発生することから、難加工材の加工能率の低下や、納期の長期化が発生することもありうるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題としてあった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、高速度工具鋼の鋳造組織における熱間加工性を大幅に改善することにより、従来は炭素鋼等の一般鋼と同一の製造ラインで行うことができなかった圧延等の加工を同一の製造ラインで行うことを可能とし、安定した品質で、そしてまた短納期で低コストにより製造することができる高速度工具鋼を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間加工性を改善した高速度工具鋼は、重量％で、Ｃ：０．５０〜１．５０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：３．５０〜５．５０％、Ｍｏ：２．００〜８．００％、Ｗ：３．００〜８．００％、Ｖ：１．５０〜３．００％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４５％、Ｎ：０．０３％以下、残部Ｆｅおよび不純物から構成され、下記の式、
Ｆｖ＝−０．４５［Ｃ（％）］［２Ｍｏ（％）＋Ｗ（％）]＋２．４［Ｃ（％）］
＋０．８４［Ｍｏ（％）］＋０．９２［Ｗ（％）］＋２［Ｖ（％）−１]1/2
＋５．４５［Ｓｉ(％)］＋３２．７［Ｎ（％）］≧７．４２
を満足する合金組成を有することによって、凝固時の組織中の炭化物がＭＣ＋Ｍ2Ｃ領域にあり、これを、保持温度：１１５０〜１２２０℃、保持時間：５〜６０時間のソーキングによりＭＣ＋Ｍ６Ｃ炭化物に変化させてなる高速度工具鋼である。
【０００８】
本発明の熱間加工性を改善した高速度工具鋼の好ましい実施態様のひとつは、上記した合金組成において、Ｃａの添加量を０．００１５〜０．００４０％の範囲内としたものであり、いまひとつは、２Ｍｏ＋Ｗの添加量を１５〜２２未満％の範囲内としたものである。両者を組み合わせた態様も、もちろん好ましい。
【００１０】
【発明の作用】
本発明に係わる熱間加工性を改善した高速度工具鋼およびその製造方法は、上述した構成を有するものであるが、以下に本発明についてさらにその作用と共に詳細に説明する。
【００１１】
この種の高速度工具鋼の平衡状態図中で認められる炭化物の種類としては、一般に、ＭＣ，Ｍ６Ｃ，Ｍ２３Ｃ６を挙げることができるが、凝固組織そのままの組織中では、ＭＣ，Ｍ２Ｃおよび一部Ｍ６Ｃ炭化物が認められる。また、凝固組織そのままの組織中の炭化物形態は、層状，ロット状，肋骨状等の形態で、凝固途中で濃化溶鋼が集まるデンドライト樹枝間で発達し、連続した形態を示している。
【００１２】
鋳造状態での熱間加工性を評価するため、２５ｋｇ真空誘導炉を用いて溶解し、同一タップ温度（１５００℃）、同一鋳型温度（３００℃）にて鋳造したＳＫＨ５１鋳造材から、高温高速引張り試験片を鋳造材の１／２Ｒ部より切り出し、高温高速引張り試験機（グリーブル試験機）を用いて、鋳造状態の絞り値および強度を測定した。また、試験後の破断位置を調査し、炭化物形態の影響、添加元素の影響について調査した。
【００１３】
破断位置を調査した結果、デンドライト状に出ている炭化物の所でクラックが発生・拡大し破断に至っていることが確認された。また、炭化物形態の影響は、ネット状炭化物の幅が大きいほど絞り値が低く、デンドライト組織の幅が大きいほど絞り値が低下することが確認された。
【００１４】
そこで、クラック発生箇所となっている炭化物ネットの形態をコントロールすることを検討した。さらに、炭化物ネットをなくすことで絞り値の向上を検討した。そして、炭化物ネットをなくす方法として、ソーキングにより炭化物を球状化してネット状炭化物を分断することとした。
【００１５】
本発明者らは、高速度工具鋼に対する添加元素の作用を鋭意検討した結果、Ｃａ添加により、デンドライト組織の幅が小さくなることを確認した。そして、Ｃａ無添加鋼に比較し、Ｃａ添加量が増大することによって絞り値の増加が認められるが、その増加はおよそ０．００３０重量％（３０ｐｐｍ）で飽和し、０．００４０重量％（４０ｐｐｍ）以上で徐々に低下してくることが認められた。
【００１６】
それゆえ、Ｃａ添加によって、絞り値向上の作用が認められる最低量０．００１０重量％（１０ｐｐｍ）以上、より望ましくは、０．００１５重量％（１５ｐｐｍ）以上、かつ、Ｃａ添加による作用が飽和して低下を開始する０．００４５重量％（４５ｐｐｍ）以下、より望ましくは、０．００４０重量％（４０ｐｐｍ）以下をＣａ添加の範囲とするのが良いことが認められた。
【００１７】
因みに、デンドライト組織の大きさによって影響されるグリーブル絞り値とＣａ添加量との関係を図１に示す。図１より、Ｃａ添加量の増加によってデンドライト組織の大きさは細かくなっていくことによりグリーブル絞り値は増大していくが、０．００３０重量％（３０ｐｐｍ）を超えるとその作用は頭打ちとなっていることが明らかである。
【００１８】
次に、先に述べたように、炭化物ネットをなくす方法として、ソーキングにより炭化物を球状化してネット状炭化物を分断することが望ましいが、このソーキングの作用について説明する。
【００１９】
ソーキングの際の鋳片や鋼塊などの鋳塊に対する均熱保持により、炭化物ネット部分の分断・球状化を行い、グリーブル絞り値と組織の関係を調査した。この結果を図２および図３に示す。
【００２０】
図２および図３に示すように、炭化物組織が球状化することによって絞り値の向上は顕著に認められる。そして、炭化物の球状化は、ノーズ状の形状を持った適正条件が決定される。この場合、ノーズスタート時間は、炭化物の分断球状化組織と認められる段階である。さらに、長時間ソーキングを実施すると、絞り値の低下が始まる。これは、球状化した炭化物が長時間の等温保持により粗大化し、熱間加工性を低下させるためであることが明らかになった。
【００２１】
そして、ソーキング条件は、グリーブル絞り値が６０％以上となる時間を最短とし、また、グリーブル絞り値が低下開始するまでの時間を最長とするのが適当であり、具体的には、ソーキング保持温度：１１５０〜１２２０℃、ソーキング保持時間：５〜６０時間とするのが適当であった。
【００２２】
次に、本発明による熱間加工性を改善した高速度工具鋼の成分組成（重量％）の限定理由について説明する。
【００２３】
Ｃ：０．５０〜１．５０％
ＣはＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、焼入れ・焼もどし硬さを与えることにより高速度工具鋼の耐摩耗性，耐熱性，耐焼付き性の向上に寄与する。しかし、多すぎると靭性が低下し、また、凝固時に巨大な炭化物を生じさせるのでＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ量とバランスさせて０．５０〜１．５０％の範囲とした。
【００２４】
Ｓｉ：０．１０〜１．００％
Ｓｉは鋼溶製時の脱酸剤として作用する元素であるが、過度の添加は加工性や靭性が低下するので０．１０〜１．００％の範囲とした。
【００２５】
Ｍｎ：０．１０〜０．５０％
Ｍｎは鋼溶製時の脱酸剤として作用する元素であり、また、焼入性および硬さを確保するのにも有効な元素であるが、多すぎると加工性や靭性を低下させるので０．１０〜０．５０％の範囲とした。
【００２６】
Ｃｒ：３．５０〜５．５０％
Ｃｒは高速度工具鋼の焼入性，耐摩耗性，耐酸化性を向上させるのに有効であるが、３．５０％未満ではこの作用が小さく、多すぎると高温強度、焼もどし軟化抵抗を低下させ、多く添加した場合には凝固時に得られる炭化物組織がＭ２Ｃ系炭化物からＭ７Ｃ３系炭化物へと変化するため、上限を５．５０％とした。
【００２７】
Ｍｏ：２．００〜８．００％、Ｗ：３．００〜８．００％
ＭｏおよびＷはＣと結合して特殊炭化物を形成し、高速度工具鋼の耐摩耗性，耐焼付き性の向上に寄与する。また、焼入れ時に母相に固溶し、焼もどしによる２次硬化作用が大きく、高温強度の向上にも寄与する。このような作用を確保するため、Ｍｏは２．００％以上、Ｗは３．００％以上添加し、より望ましくはＷｅｑ．＝２Ｍｏ＋Ｗにて１５以上とすることによって、十分な特殊炭化物量が得られるようにする。他方、特殊炭化物量が多すぎると、熱間加工性を損なうので、Ｍｏは８．００％以下、Ｗも８．００％以下とし、より望ましくはＷｅｑ．＝２Ｍｏ＋Ｗにて２２％未満を上限とした。
【００２８】
Ｖ：１．５０〜３．００％
ＶはＣと結合してＭＣ型の硬質炭化物を形成し、高速度工具鋼の耐摩耗性の向上に寄与する。そして、ＭＣ炭化物の形成による耐摩耗性の向上が認められる１．５０％以上とした。また、多量に添加していくと、塊状のＭＣ炭化物が凝固組織中に多量に分散することによる熱間加工性の低下が認められるため、その上限を３．００％とした。
【００２９】
Ｃａ：０．００１０〜０．００４５％
Ｃａは本発明に不可欠な添加元素であり、Ｃａの添加によって凝固組織が微細化される作用が大きく認められ、それにより、熱間加工性向上の作用が確認できた。そこで、このような作用を得るために０．００１０重量％（１０ｐｐｍ）以上、より好ましくは、０．００１５重量％（１５ｐｐｍ）以上とした。そして、Ｃａの添加量を増やしていくと熱間加工性が向上するが、０．００３０重量％（３０ｐｐｍ）でほぼ最大となり、それ以上になると熱間加工性は次第に低下するので、０．００４５重量％（４５ｐｐｍ）以下、より好ましくは、０．００４０重量％（４０ｐｐｍ）以下とした。
【００３０】
Ｎ：０．０３％以下
Ｎは鋼中に平衡窒素として入るが、溶解のしにくいＶＮが生成されて熱間加工性を害することとなるので、０．０３％以下とする必要がある。
【００３１】
Ｆｖ＝−０．４５［Ｃ（％）］［２Ｍｏ（％）＋Ｗ（％）］
＋２．４［Ｃ（％）］＋０．８４［Ｍｏ（％）］＋０．９２［Ｗ（％）］
＋２［Ｖ（％）−１］1/2 ＋５．４５［Ｓｉ（％）］
＋３２．７［Ｎ（％）］≧７．４２
Ｆｖ値は凝固組織の指標として与えられたものであって、このＦｖ値が７．４２以上であるものとすることによって、凝固時の組織中における炭化物はＭＣ＋Ｍ２Ｃであるものとなり、ソーキング時の等温保持処理によって鋳塊の表層から約１０ｍｍの組織中に含まれる共晶炭化物であるネット状のＭ２Ｃ炭化物は、ＭＣ＋Ｍ６Ｃ炭化物へと分解すると共に炭化物が完全に分断・球状化した状態のものとすることにより熱間加工性は大幅に改善されることとなる。したがって、上記式で与えられるＦｖ値は７．４２以上であるものとした。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
表１および表２に示す化学成分組成の鋼を真空誘導溶解炉によって各々溶製したのち、タップ温度：１５００℃，鋳型温度：３００℃の条件で各々鋳造することにより鋳片とし、各鋳片に対して、ソーキング保持温度：１２００℃，ソーキング保持時間：２０時間のソーキングを施した。
【００３３】
次いで、鋳造のまま（ａｓ  ｃａｓｔ）の各鋼について鋳片の１／２Ｒ部より切り出して高温高速引張試験片を得たのち、温度：１１００℃ｄの高温高速引張試験（グリーブル試験）を行って各々の絞り値を測定した。この結果を同じく表１および表２に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
【表２】
0004016449.tif 000003
【００３６】
表１および表２に示すように、本発明鋼ではいずれも１１００℃での高温高速引張試験結果において絞り値が６０％以上であり、従来の高速度工具鋼に比べて熱間加工性がかなり改善されていることが確認された。
【００３７】
（実施例２）
表１の鋼種Ｎｏ．２について、ソーキング保持温度およびソーキング保持時間を表３に示すごとく変えてソーキングを施したのち、前記実施例１と同様にして温度：１１００℃での高温高速引張試験（グリーブル試験）を行って各々の絞り値を測定した。この結果を同じく表３に示す。
【００３８】
【表３】
0004016449.tif 000004
【００３９】
表３に示すように、ソーキング保持温度が１１５０〜１２２０℃の間でかつソーキング保持時間が５〜６０時間の間である場合に、１１００℃での高温高速引張試験結果において絞り値が６０％以上であり、熱間加工性をかなり改善できることが確かめられた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による熱間加工性を改善した高速度工具鋼では、請求項１に記載しているように、重量％で、
Ｃ：０．５０〜１．５０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、
Ｃｒ：３．５０〜５．５０％、
Ｍｏ：２．００〜８．００％、
Ｗ：３．００〜８．００％、
Ｖ：１．５０〜３．００％、
Ｃａ：０．００１０〜０．００４５％、
Ｎ：０．０３％以下、
残部Ｆｅおよび不純物の成分組成からなり、凝固時の組織中の炭化物をＭＣ＋Ｍ２Ｃ領域にするため下記式、
Ｆｖ＝−０．４５［Ｃ（％）］［２Ｍｏ（％）＋Ｗ（％）］
＋２．４［Ｃ（％）］＋０．８４［Ｍｏ（％）］＋０．９２［Ｗ（％）］
＋２［Ｖ（％）−１］1/2 ＋５．４５［Ｓｉ（％）］
＋３２．７［Ｎ（％）］≧７．４２
を満足するものとしているから、高速度工具鋼の鋳造組織における熱間加工性を大幅に改善することが可能となり、従来、炭素鋼などの一般鋼と同一のラインで実施することができなかった高速度工具鋼の圧延を一般鋼と同一のラインで実施することが可能となり、安定した品質で、かつ短納期で製造可能な低コストの高速度工具鋼を提供することができるようになるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４１】
そして、請求項２に記載しているように、Ｃａ：０．００１５〜０．００４０％とすることによって、熱間加工性の改善をより一層安定して実現することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４２】
そしてまた、請求項３に記載しているように、２Ｍｏ＋Ｗ：１５〜２２未満％とすることによって、十分な特殊炭化物の形成によって耐摩耗性，耐焼付き性をさらに向上させることが可能であると共に炭化物の２次硬化作用によって高温強度をも向上させることができ、特殊炭化物の過剰形成による熱間加工性への悪影響をも防止することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４３】
本発明による熱間加工性を改善した高速度工具鋼の製造方法によれば、請求項１に記載の成分組成の鋳塊に対し、ソーキング保持温度：１１５０〜１２２０℃，ソーキング保持時間：５〜６０時間のソーキングを施すようにしたから、凝固組織のままでその組織中に生成しているＭＣ＋Ｍ２Ｃ炭化物において、ソーキング（等温加熱保持）処理することによって鋳塊の表層から１０ｍｍの間の組織中に含まれるネット状炭化物であるＭ２Ｃ炭化物をＭＣ＋Ｍ６Ｃ炭化物へと分解することができ、かつまた炭化物が完全に分断・球状化した状態にコントロールすることができるので、高温でのグリーブル絞り値を高いものとすることができ、高速度工具鋼の熱間加工性を大幅に改善することが可能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  基本の高速度工具鋼にＣａを添加した場合の１１００℃におけるＣａ添加量とグリーブル絞り値との関係を調べた結果を例示するグラフである。
【図２】  試験片表面温度が１１００℃のグリーブル試験における減面率とソーキング条件（ソーキング保持温度およびソーキング保持時間）との関係を調べた結果を例示するグラフである。
【図３】  ソーキングの際のソーキング保持時間による炭化物組織の変化を示す模写図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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