(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．９％超〜１．１％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｃｒ：５．０〜７．０％、
ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１／２Ｗ：３．０〜４．５％、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂ：０．５〜１．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる冷間工具鋼を、９８０〜１０３０℃の溶融塩浴に浸漬する浸透拡散処理による焼入後、焼戻により６２〜６４ＨＲＣの高硬度が得られることを特徴とする表面処理工具。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼に、Ｓ：０．０１〜０．１０％を添加し被加工性を向上させたことを特徴とする表面処理工具。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼中の炭化物サイズが２０μｍ以下、かつ、炭化物凝集部のサイズが１００μｍ以下であることを特徴とする表面処理工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間工具鋼を加工後、耐焼付性、耐かじり性および耐摩耗性を高めるため浸透拡散処理を施して使用する工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、塑性加工技術の進歩に伴い、部品のネットシェイプ化、および被加工材の高強度化により、金型に対する負荷は増大している。このような、従来ＳＫＤ１１では対処できないような厳しい使用環境に適用するため、型材の見直しによる改善や各種表面処理の実施による改善がなされている。例えば特開平９−３１６６０１号公報では、４００℃以上の表面処理後、高温焼戻しにより６３〜６６ＨＲＣの高硬さが得られる表面処理に適した冷間工具鋼が提案されている。
【０００３】
また、特開平９−１９４９９２号公報では、高速度工具鋼の表面改質をＰＶＤ法やＣＶＤ法によって膜の密着性を向上させる工具鋼が提案されている。また、特開２０００−１２９３９８号公報では、被覆層との密着性に優れ、かつ高い高温硬度と高耐摩耗性を維持した表面に硬質の被覆層を形成した切削工具や塑性加工工具などに用いる工具鋼が提案されている。さらに、特開２０００−７３１４２号公報では、鍛造金型、フォーミングロール、転造ダイス等に用いる６４ＨＲＣ以上の高温焼戻硬さが得られる高硬度冷間工具鋼およびその金型並びに工具が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平９−３１６６０１号公報および特開平９−１９４９９２号公報は、Ｖ，Ｎｂ添加鋼ではなく、しかも、９８０〜１０３０℃の溶融塩浴に１〜１５時間浸漬して被処理材の表面に５〜１５ｍｍの炭化物層を形成する浸透拡散処理による焼入れ、焼戻しによるものでない。また、特開２０００−１２９３９８号公報は、Ｃｏ，Ｔｉ添加鋼であり、高コストとなる共に靱性において劣る。一方、特開２０００−７３１４２号公報は、１０００℃付近での低温焼入れであるに対し、本発明は、９８０〜１０３０℃の溶融塩浴に１〜１５時間浸漬して被処理材の表面に５〜１５ｍｍの炭化物層を形成する浸透拡散処理による焼入れを行うものである。
【０００５】
この場合、従来鋼ＳＫＤ１１などの標準的な焼入温度である１０３０℃よりも若干低い温度での焼入条件となるため、焼戻し後、ＳＫＤ１１やその改良鋼では、マトリックスの硬度は５６〜６０ＨＲＣ程度しか得られない。また、硬質膜直下は硬質炭化物層生成の際のＣ供給源となり脱炭され若干軟化する。そのため、表面硬質膜とマトリックスの密着性が悪く、使用中に早期剥離により型寿命に至ってしまうという問題がある。この問題を浸透拡散処理における低温焼入れのままで６２〜６４ＨＲＣ、さらに高温焼戻しで６２〜６４ＨＲＣのマトリックス硬度を得るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、浸透拡散処理における、９８０〜１０３０℃の溶融塩浴による低温焼入条件でも６２〜６４ＨＲＣの高いマトリックス硬度が得られるだけでなく、炭化物の制御により、表面硬質膜とマトリックスの密着性を向上させて、硬質膜の剥離を抑制し、大幅に寿命を改善した工具および金型を提供することを目的とする。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．９％超〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：５．０〜７．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１／２Ｗ：３．０〜４．５％、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂ：０．５〜１．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる冷間工具鋼を、９８０〜１０３０℃の溶融塩浴に浸漬する浸透拡散処理による焼入後、焼戻により６２〜６４ＨＲＣの高硬度が得られることを特徴とする表面処理工具。
【０００７】
（２）前記（１）に記載の鋼に、Ｓ：０．０１〜０．１０％を添加し被加工性を向上させたことを特徴とする表面処理工具。
（３）前記（１）または（２）に記載の鋼中の炭化物サイズが２０μｍ以下、かつ、炭化物凝集部のサイズが１００μｍ以下であることを特徴とする表面処理工具である。
【０００８】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、上述したように金型の表面硬質膜の早期剥離原因については、次のような理由であることを解明した。
（１）硬質膜直下の粗大炭化物、炭化物凝集部を応力集中源として、硬質膜にクラックが発生する。
（２）マトリックス硬度が不十分な場合、金型に高負荷が掛かる際の塑性変形量が大きく、硬質膜が変形に追従できずクラックが発生する。
（３）マトリックス中のＣ量が原因でマトリックス硬度が不十分な場合、硬質膜直下に脱炭による軟化層が生成し、上記と同様の理由でクラックが発生する。
（４）金型材の仕上げ面粗さが悪い場合、高負荷を受けた際に硬質膜で局所的に応力が掛かり、クラックが発生する。
【０００９】
上述のクラックの発生を防止するためには、Ｃ量を確保する必要がある。すなわち、マトリックス中のＣ量が低ければ、硬質膜直下で脱炭により軟化し、早期剥離に至るからである。また、硬質膜直下に炭化物やその凝集部がある際、応力集中源となり表面硬質膜にクラックを生じ早期剥離に至ることから、一次炭化物サイズと炭化物凝集部サイズを抑える必要がある。さらに、硬質炭化物を微細分散させることにより、硬質炭化物によるマトリックスの硬度を高め、これにより、硬質膜の剥離の原因である、繰返しの高負荷を受けた際のマトリックスの変形が緩和されるため、硬質膜の変形が軽減され、クラックの発生が抑制される。また、このような炭化物の制御は、仕上げ加工時の面粗さを向上させ、硬質膜の密着性を高めるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る成分組成の限定理由を説明する。
Ｃ：０．９％超〜１．１％
Ｃは、十分な焼入焼戻し硬さを確保するための元素であり、また、浸透拡散処理により充分な厚さの硬質膜を得て、硬質膜直下での脱炭による母材の軟化を抑制するために０．９％超必要である。しかし、１．１％を超えると焼入れ時の残留オーステナイト量が増加し硬度が低下する。従って、その範囲を０．９％超〜１．１％とした。
【００１１】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入れ性のために添加するが、しかし、０．１％未満では脱酸効果が不十分である。また、焼戻し時に炭化物の凝集を抑え、二次硬化を促進することから、その上限を２．０％とした。
Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｍｎは、焼入れ性のために添加するが、しかし、０．１％未満ではその効果が不十分であり、また、１．５％を超えると加工性を低下させることから、その範囲を０．１〜１．５％とした。
【００１２】
Ｃｒ：５．０〜７．０％
Ｃｒは、焼入れ性のために添加するが、しかし、５．０％未満ではその効果が不十分であり、また、過剰に添加すると、一次炭化物の粗大化および炭化物凝集部が形成されやすくなるため表面処理の密着性を劣化させる。従って、その範囲を５．０〜７．０％とした。
ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１／２Ｗ：３．０〜４．５％
ＭｏとＷは、焼入れ性を向上させるため、また、焼戻し時に微細な析出炭化物を形成し二次硬化に寄与する。しかし、過剰に添加すると、表面処理性を劣化させることから、Ｍｏ＋１／２Ｗを３．０〜４．５％とした。
【００１３】
ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂ：０．５〜１．０％
ＶとＮｂは、焼戻し時に微細、かつ硬質な析出炭化物を形成し二次硬化に寄与する。しかし、過剰に添加すると、表面処理性を劣化させることから、Ｖ＋１／２Ｎｂを０．５〜１．０％とした。
Ｓ：０．０１〜０．１０％
Ｓは、快削性を確保するために必要な元素である。しかし、０．０１％未満ではその効果が得られず、また、過剰添加は熱間加工性と靱性を低下させるため、その上限を０．１０％とした。
【００１４】
炭化物サイズが２０μｍ以下、かつ、炭化物凝集部のサイズが１００μｍ以下粗大炭化物および凝集炭化物の形成を低減し、微細で硬質な析出炭化物をマトリックス中に分散させることで、高負荷環境下における応力集中や塑性変形を抑制し、金型使用時の表面硬質膜の早期剥離を避けることが出来る。しかし、炭化物サイズが２０μｍを超え、かつ炭化物凝集部のサイズが１００μｍを超える場合は、その効果がないことから、その上限を、炭化物サイズ２０μｍ、炭化物凝集部のサイズを１００μｍとした。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
供試材として、表１に示す化学成分組成の各鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉にて溶製し、鍛伸し、焼なましを行い供試材とした。その結果を表２に示す。スクラッチ試験は、試験片の表面硬質膜に圧子を押し付け、荷重を増加させながら引っ掻きを行い、硬質膜の割れが生じる臨界荷重を測定した。また、表３には、実機適用事例として、コールドピルガーマンドレル、自動車部品曲げプレスを示す。
実機テストでは、ともに金型の焼付き対策として、浸透拡散処理を実施した。浸透拡散処理はＶ系塩浴に浸漬して厚さ約１０μｍのＶＣ硬質膜を得る表面硬質膜生成プロセスの一種である。コールドピルガーによる加工法は、母管の中にテーパーのついたマンドレルを挿入して、外側から特殊孔型をもったロールダイスで冷間圧延を行うものである。この実機テストではＳＵＪ２を減面率７５％で圧延し、マンドレル表面の硬質膜剥離による成品管内面へのキズの転写が確認された段階での圧延素管本数により型寿命を評価した。また、自動車部品曲げ型を作製し、被加工材として厚さ５ｍｍのＳＰＣＣを１０００ｔプレス機により曲げ加工した際の表面硬質膜剥離に至るまでのショット数で型寿命を評価した。
【００１６】
【表１】
0003970678.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003970678.tif 000003
【００１８】
【表３】
0003970678.tif 000004
【００１９】
表２に示すように、Ｎｏ．１〜４は本発明例であり、Ｎｏ．５〜８は比較例である。比較例Ｎｏ．５およびＮｏ．６の成分組成はＣ，Ｃｒが高く、かつＭｏ＋１／２Ｗの値が低く、また、Ｖ＋１／２Ｎｂの値はＮｏ．５の場合は低く、Ｎｏ．５の場合は高い。しかもＮｏ．５の場合は炭素物サイズおよび炭化物凝集部サイズが大きいため、いずれもスクラッチ臨界荷重が小さく、かつ実機テストでの型寿命が短い。比較例Ｎｏ．７の成分組成はＣｒが低く、かつＭｏ＋１／２Ｗの値が低く、しかも、Ｖ＋１／２Ｎｂの値は高いため、スクラッチ臨界荷重が小さく、かつ実機テストでの型寿命が短い。
【００２０】
比較例Ｎｏ．８の成分組成はＣｒが高く、かつＭｏ＋１／２Ｗの値およびＶ＋１／２Ｎｂの値が低く、また、炭素物サイズおよび炭化物凝集部サイズが大きいため、いずれもスクラッチ臨界荷重が小さく、かつ実機テストでの型寿命が短い。また、マトリックス硬度はいずれも６１ＨＲＣ以下であることが判る。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜４のいずれも、マトリックス硬度は６２ＨＲＣ以上であり、かつスクラッチ臨界荷重や実機テストでの型寿命の長いことが判る。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による浸透拡散処理による表面硬質膜の密着性を改善することで、硬質膜の早期剥離による廃却に至っていた金型の寿命を大幅に改善して、生産性向上とコスト低減に寄与すること大きく工業上極めて優れた効果を奏するものである。