(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量パーセントで、Ｃ：０．１５〜１．６０％，Ｃｒ：１．００〜１３．００％，Ｍｏ：０．１８〜１．６０％，Ｖ：０．０８〜１．２０％を含有する金型用鋼もしくは工具鋼を熱間鍛造するに当たり、素材に加工を加えた後この加工部分について、加工ひずみ（ε）および鍛造温度（Ｔ）を因子とする、下記式（１）
ｔ＝１．８４・１０−２０・ε−１．０４・ｅｘｐ（６４７００／Ｔ）・・（１）
ここで、ｔ：静置時間（ｓ）、  ε：加工ひずみ
Ｔ：鍛造温度（材料温度）（Ｋ）
に従う時間以上静置することを特徴とする金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造方法。
【請求項２】
質量パーセントで、Ｃ：０．１５〜１．６０％，Ｃｒ：１．００〜１３．００％，Ｍｏ：０．１８〜１．６０％，Ｖ：０．０８〜１．２０％を含有する金型用鋼もしくは工具鋼を熱間鍛造するに当たり、素材に加工を加えた後この加工部分について、加工ひずみ（ε）および鍛造温度（Ｔ）を因子とする、請求項１記載の式（１）に従う時間以上加工を中断していったん静置した後、この部分に再度加工と前記式（１）の時間以上の静置を加えることを特徴とする金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍛造後の鋼塊内において微細なオーステナイト結晶粒が得られる金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材に熱間で塑性加工を行うと、もとのオーステナイト結晶粒は加工によるひずみを受け、その後、粒内のひずみを打ち消すように回復や再結晶が起こる。オーステナイトは加工終了後冷却過程で種々の組織に変態するが、その変態挙動は変態前のオーステナイトの組織状態に強く依存する。
【０００３】
鋼材の熱間圧延分野においては、圧延後の鋼材の高強度，高靭性化のため、低炭素鋼については制御圧延を行って再結晶オーステナイト組織の微細化を図り、さらには、オーステナイト未再結晶域での圧延を行ってフェライト組織の微細化を図っている。一方、中炭素鋼についても再結晶オーステナイト組織の微細化を主体に制御圧延が行われている。
【０００４】
このように鋼材の熱間圧延の分野では、低炭素鋼や中炭素鋼について再結晶オーステナイト組織の微細化による高強度，高靭性化を図るため、加工中のオーステナイト組織を予測制御する技術が種々開発されており、熱間加工中のオーステナイト結晶粒は、加工温度や加工ひずみ等の熱間加工条件を適切に選択することによって、再結晶完了時間や再結晶後の結晶粒径をコントロール出来ることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、金型用鋼や工具鋼の鋼材は、一般的には溶解・鋳造後、熱間加工により鍛練を行って内部の品質や機械的特性を向上させている。また大型鋼材の熱間加工は主に鍛造により行われているが、その主目的は鋼塊内の空隙欠陥の閉塞や炭化物等の分散，微細化もしくは偏析帯の軽減等であり、結晶粒径の積極的なコントロールはこれまで行われていなかった。
【０００６】
そしてまた、金型用鋼もしくは工具鋼は、上記低炭素鋼や中炭素鋼より含有する合金成分量が多いため、固溶元素や炭化物等がオーステナイト結晶粒の再結晶挙動に与える影響が不明であり、低炭素鋼や中炭素鋼の制御圧延におけるオーステナイト組織微細化技術をそのまま適用するすることが出来ない。したがって、金型用鋼もしくは工具鋼では、高強度，高靭性化を図るための熱間加工時における確実な再結晶オーステナイト組織を微細化する方法が無かった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するために成されたもので、金型用鋼もしくは工具鋼鋼塊を熱間で鍛造するに際して、鍛造後の鋼塊内において微細なオーステナイト結晶粒が得られる鍛造方法を提供することを目的としたものである。
【０００８】
そして、前記の目的を達成するため、本願における第１の発明は、質量パーセントで、Ｃ：０．１５〜１．６０％，Ｃｒ：１．００〜１３．００％，Ｍｏ：０．１８〜１．６０％，Ｖ：０．０８〜１．２０％を含有する金型用鋼もしくは工具鋼を熱間鍛造するに当たり、素材に加工を加えた後この加工部分について、加工ひずみ（ε）および鍛造温度（Ｔ）を因子とする、下記式（１）に従う時間ｔ：
ｔ＝１．８４・１０−２０・ε−１．０４・ｅｘｐ（６４７００／Ｔ）・・（１）
〔ここで、ｔ：静置時間（ｓ）、ε：加工ひずみ、Ｔ：鍛造温度（材料温度）
（Ｋ）を示す〕
以上静置することを特徴とする金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造方法である。
【０００９】
また本願の第２の発明は、質量パーセントで、Ｃ：０．１５〜１．６０％，Ｃｒ：１．００〜１３．００％，Ｍｏ：０．１８〜１．６０％，Ｖ：０．０８〜１．２０％を含有する金型用鋼もしくは工具鋼を熱間鍛造するに当たり、素材に加工を加えた後この加工部分について、加工ひずみ（ε）および鍛造温度（Ｔ）を因子とする、上記（１）式に従う時間以上加工を中断していったん静置した後、この部分に再度加工と前記式（１）の時間以上の静置を加えることを特徴とする金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造方法である。このような鍛造方法を採用することにより、オーステナイト結晶粒が加工前よりも微細で、且つ混粒組織を呈さない粒径が整った鋼塊の内部組織を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、発明の構成について詳細に述べると、前記従来技術で説明したように、金型用鋼や工具鋼の鋼材は、一般的には溶解・鋳造後、熱間加工により鍛練を行って内部の品質や機械的特性を向上させる。大型鋼材の熱間加工は主に鍛造により行われているが、その主目的は鋼塊内の空隙欠陥の閉塞や炭化物等の分散，微細化もしくは偏析帯の軽減等で、結晶粒径の積極的なコントロールはこれまで行われていなかった。
【００１１】
金型用鋼もしくは工具鋼は含有する合金成分量が多く、固溶元素や炭化物等の影響でオーステナイト結晶粒の再結晶挙動は低炭素鋼や中炭素鋼と異なったものとなることが考えられる。そのため、低炭素鋼や中炭素鋼の制御圧延におけるオーステナイト組織微細化技術をそのまま適用することが出来ず、金型用鋼もしくは工具鋼では、高強度、高靭性化を図るための熱間加工時における確実な再結晶オーステナイト組織の微細化方法が無かった。
【００１２】
そこで、発明者等は鋭意実験を重ねた結果、金型用鋼もしくは工具鋼を熱間で鍛造する場合でも、素材に加工を加えた後この加工部分についてある必要な時間加工を中断して一旦静置するか、もしくは素材に加工を加えた後この加工部分についてある必要な時間静置した後冷却することにより、オーステナイト結晶粒が再結晶し加工前のオーステナイト結晶粒径よりも微細になることを確認した。さらに、鍛造中では、この部分に再度加工を加えた後必要な時間静置することによりオーステナイト結晶粒が再度再結晶し、加工前のオーステナイト結晶粒径よりもさらに微細になることを確認した。
【００１３】
しかし、加工後の静置時間は工業生産の面から種々鍛造条件ごとに必要最小限でなければならないが、金型用鋼もしくは工具鋼を熱間で鍛造する場合の静置時間を決定する方法がこれまで無かった。
【００１４】
それは、先ず鋼種，圧下量，鍛造温度によって再結晶完了時間が異なり、かつ鍛造温度（材料温度）は鍛造中逐次変化するため、加工後の静置時間を一義的に決定することが出来なかったこと、さらに静置時間が短すぎると再結晶が全く起こらないか不十分となり、素材内が混粒組織となって鍛造品の機械的性質が悪化すること、一方静置時間が再結晶完了時間をはるかに越えて長すぎると、鍛造時間を必要以上に増加させるばかりでなく、材料温度の低下による変形抵抗の増大で鍛造能率の悪化を招くことになるからである。
【００１５】
発明者等は、金型用鋼もしくは工具鋼の熱間鍛造時におけるオーステナイト結晶粒の再結晶に関して種々実験による検討を重ねた結果、オーステナイト再結晶組織が混粒組織を呈さず、十分再結晶するに必要な加工後の静置時間（ｔ）は次式（１）により求められることを見い出した。
ｔ＝１．８４・１０−２０・ε−１．０４・ｅｘｐ（６４７００／Ｔ）・・（１）
〔ｔ：静置時間（ｓ）、ε：加工ひずみ、Ｔ：鍛造温度（材料温度）（Ｋ）〕
【００１６】
ここで、加工ひずみと鍛造温度は、加工後の再結晶開始時間と完了時間に密接に関連する因子であり、加工ひずみが大きいほど、また鍛造温度が高いほど再結晶完了時間は短くなる。
【００１７】
なお、含有する合金成分が再結晶時間に及ぼす影響としては、Ｃｒ，Ｍｏ，ＶはＣと炭化物を生成し、またそれ自身がマトリクスの鉄中に固溶して再結晶を遅らせる作用があると考えられ、またＣｒはＣと炭化物を生成するがその大部分は巨大な共晶炭化物となり、この巨大共晶炭化物は再結晶の遅延にそれほど作用しないことも考えられる。
【００１８】
そこで、加工後のオーステナイト結晶粒の再結晶に及ぼす上記各合金成分の影響を種々調査したが、Ｃ：０．１５〜１．６０％，Ｃｒ：１．００〜１３．００％，Ｍｏ：０．１８〜１．６０％，Ｖ：０．０８〜１．２０％の範囲内では、加工後の静置時間（ｔ）は上記式（１）により表されることを確認した。
【００１９】
上記の式（１）により、例えば０．３５％Ｃ，５．０％Ｃｒ，１．２％Ｍｏ，０．８％Ｖを含有する鋼を１１５０℃で、ひずみ０．５５まで加工した時の加工後の静置時間は２秒となり、この程度の時間加工を一時中断静置しても、鍛造能率の悪化や材料温度の低下による鍛造荷重の増大がほとんど起こらないことが判る。
【００２０】
上記式（１）より求められる時間は必要な静置時間の下限であって、実生産上は上記式の時間に完全に合わせることは困難で幾分長くなるが、金型用鋼もしくは工具鋼を熱間で鍛造するに当たり、素材に加工を加えた後、この加工部分について上記の式で求められる時間以上でいったん静置し、オーステナイト結晶粒を完全に再結晶させることによって、オーステナイト結晶粒が加工前よりも微細で且つ混粒組織を呈さない粒径が整った内部組織を得ることに成功し、本発明の完成を成し遂げたものである。
【００２１】
なお、再結晶完了後は、再結晶により微細になったオーステナイト結晶粒は粒成長により次第に粗大化していくので、静置時間は上記式（１）で得られる時間（ｔ）を大きく越えないことが望ましい。
【００２２】
上述のように、素材に加工を加えた後、この加工部分について、上記式（１）に従う時間以上加工を中断していったん静置することにより、オーステナイト結晶粒は加工前よりも微細になるが、更にこの部分について、再度加工と式（１）の時間（ｔ）以上の静置を行うと、オーステナイト結晶粒は一回目の加工後の組織よりもさらに微細になる。このように、同一の場所について、加工と式（１）の時間以上の静置の組合せをくり返しても、微細でかつ混粒組織を呈さない粒径が整った内部組織を得ることが出来る。
【００２３】
なお、素材のある個所を加工した後、その部分は加工を中断してオーステナイト結晶粒が再結晶するまで静置する。そしてその間他の個所を加工しておき、前記加工を中断していた箇所でオーステナイト結晶粒が再結晶した後、この部分を再度加工と静置を行うと、微細でかつ混粒組織を呈さない粒径が整った内部組織を得ることが出来るのは同様であり、素材の２箇所以上について、加工後の静置の間に他の部分を加工しておき、更にその部分の静置の間に再度元の加工した部分を加工することを交互に繰り返すことにより、効率的に加工を行うことが出来る。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の１実施例を示すと、ＪＩＳ鋼種ＳＫＤ６１の直径８ｍｍ×高さ１２ｍｍの円柱状素材を、１１５０℃で６００秒加熱保持した後、高さ方向（軸方向）にひずみ速度０．１ｓ-1で素材中心部のひずみが０．５５になるまで圧縮加工を行い、その後所定時間１１５０℃で等温保持した後、素材を水冷して高温時の旧オーステナイト結晶粒界を凍結した。
【００２５】
図１乃至図３に示す写真は、上記加工条件によって高温時の旧オーステナイト結晶粒界を凍結した素材の中心部の縦断面ミクロ組織を示したものである。本実施例における熱間加工条件では、前述の式（１）より、オーステナイト結晶粒が微細でかつ混粒組織を呈さない粒径が整った素材の内部組織を得るために必要な加工後の静置時間は２秒である。
【００２６】
図１は１１５０℃で６００秒加熱保持した後水冷した素材の組織を示したもので、加工前のオーステナイト結晶粒の状態を示している。このときの平均結晶粒径は１８７μｍである。図２は１１５０℃で６００秒加熱保持した後上記のように圧縮加工を行い、その後１秒間等温保持した後水冷した素材の組織を示したものであるが、旧オーステナイト結晶粒は混粒組織となっており健全なミクロ組織が得られなかった。
【００２７】
上記と同様に、１１５０℃で６００秒加熱保持した後圧縮加工を行い、本発明の鍛造方法、すなわち加工後に前述の式（１）に従う時間以上等温保持（静置）した後、水冷した素材の組織を示したものが図３である。ここでの等温保持（静置）時間は４秒とした。素材内のオーステナイト結晶粒は混粒組織を呈しておらず、しかも平均結晶粒径は５５μｍであり、加工前のオーステナイト結晶粒に対してはるかに微細なミクロ組織が得られている。このように本発明によれば、熱間での旧オーステナイト結晶粒が加工前よりも微細で、かつ混粒組織を呈ない粒径が整った、素材の内部組織を得ることが出来る。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、上記のような構成であるから、熱間でのオーステナイト結晶粒が微細でかつ混粒組織を呈さない粒径が整った鋼塊の内部組織を得ることが出来、引張強さや衝撃値などの機械的性質に優れた鋼塊を製造することが出来る。また、本発明によれば、オーステナイト結晶粒の再結晶完了に必要な静置時間が得られるので、上記の鋼塊の内部組織を得る際に、鍛造，静置時間の最適化が図れ、鍛造能率の悪化を格段に低下することが可能となる、といった諸効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １１５０℃で６００秒加熱保持した後水冷した加工前の素材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】  １１５０℃で６００秒加熱保持した後、高さ方向（軸方向）にひずみ速度０．１ｓ-1で素材中心部のひずみが０．５５になるまで圧縮加工を行い、その後１秒間等温保持した後水冷した素材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】  １１５０℃で６００秒加熱保持した後、高さ方向（軸方向）にひずみ速度０．１ｓ-1で素材中心部のひずみが０．５５になるまで圧縮加工を行い、本発明の前述の式（１）に従う時間以上等温保持（静置）した後水冷した素材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図１】
0003881793.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003881793.tif 000004