(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｎｉ：１．０７〜２．００％、Ｃｒ：２．７０〜５．５０％、Ｍｏ：２．１８〜３．００％、Ｖ：０．５０％を超え、１．００％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％未満を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物で、不純物中のＰは０．０１５％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｎは０．０１５％以下であり、かつ、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトで、そのうちのベイナイト率が５〜８０％であることを特徴とする高温強度と靱性に優れた熱間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば熱間鍛造用金型、押し出し型、ダイカスト金型の使用に適した、高温強度と靱性に優れた熱間工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間での鍛造、押し出し、ダイカスト等の金型に使用される工具鋼は、使用時の熱応力や作業応力によるヒートチェックの発生、大割れ、摩耗に耐え得るだけの十分な高温強度と靱性が要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱間工具鋼としては、ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４に多種類のものが規定されているが、中でも５Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＤ６１やＳＫＤ６２等、３Ｃｒ−３Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＤ７、及び、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系の低合金鋼であるＳＫＴ３やＳＫＴ４等が多用されている。しかしながら、これらの工具鋼では前記の要求される高温強度と靱性を共に満足することは不可能である。
【０００４】
そこで、本出願人は、Ｂを添加することにより、靱性の低下を伴わずに焼戻し後の高温強度を上昇させるものを、特開平８−２６９６２５号で開示している。また、本出願人は、特願平１０−７４３４６号で、焼入時のマルテンサイト組織にベイナイト組織を混合させることによって、マルテンサイト組織に比べて靱性は若干低下するものの、焼戻し後の高温強度を上昇させるものを提案している。しかしながら、これらにあっても、用途によっては、前記の要求される特性を得るには不十分である。
【０００５】
本発明は、上記した現状に鑑みてなされたものであり、高温強度と靱性が共に優れた熱間工具鋼を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の高温強度と靱性に優れた熱間工具鋼は、Ｂを添加すると共に、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトで、そのうちのベイナイト率が５〜８０％とすることとしている。そして、このようにすることで、高温強度と靱性を高いレベルで両立させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
高温強度を上昇させるために、Ｂを添加したり、焼入時のマルテンサイト組織にベイナイト組織を混合させることが有効であることは、上記した特開平８−２６９６２５号や特願平１０−７４３４６号によって判明しているが、本発明者らのその後の研究により、ある特定範囲のベイナイト率のときには、夫々の単独の技術では成し得なかった高温強度レベルが得られることを知見した。
【０００８】
すなわち、焼入組織へのベイナイトの混合比率を増加させることによって、マルテンサイト組織に比べて靱性が若干低下するものの高温強度を上昇させることができるのは、ベイナイトとマルテンサイトから析出する炭化物の形態に起因している。すなわち、焼戻し後のベイナイトは、マルテンサイトと比較すると、粗大な炭化物が析出するので、靱性が低下するものの、Ｍｏ2 Ｃが微細析出するので、高温強度が上昇するからである。一方、Ｂを添加した場合には、炭化物を微細に析出させる効果があり、高温強度の低下を抑えることになる。
【０００９】
しかしながら、ベイナイト率が０〜４％と低い場合には、ベイナイトからの微細炭化物の析出量が少ないので、高温強度を上昇させる効果が小さい。反対に、ベイナイトの混合率が８０％を超えると、微細な炭化物量は増加するものの、粗大な炭化物も多くなるので、靱性を大きく低下させると考えられる。つまり、ベイナイトの混合率が５〜８０％の場合に、Ｂを添加した場合には、粗大な炭化物量が少なく、微細な炭化物量が多くなって、図１に示すように、高温強度と靱性を高いレベルで両立させることができる。
【００１０】
本発明の高温強度と靱性に優れた熱間工具鋼は、上記知見に加え、その他の元素の影響を調査した結果に基づいて成されたものであり、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｎｉ：１．０７〜２．００％、Ｃｒ：２．７０〜５．５０％、Ｍｏ：２．１８〜３．００％、Ｖ：０．５０％を超え、１．００％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％未満を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物で、不純物中のＰは０．０１５％以下、Ｓは０．００５％以下、Ｎは０．０１５％以下であり、かつ、焼入時の組織がマルテンサイト＋ベイナイトで、そのうちのベイナイト率が５〜８０％であること要旨とするものである。
【００１１】
以下に、本発明の高温強度と靱性に優れた熱間工具鋼における成分組成を限定する理由について説明する。
Ｃ：Ｃは鋼の焼入性を高め、靱性を向上させ、焼戻し時に炭窒化物として二次析出して高温強度を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．２５％未満では添加効果が乏しく、０．４０％を超えて含有させると、被削性の低下を引き起こすため、本発明ではその含有量を０．２５〜０．４０％とした。
【００１２】
Ｓｉ：Ｓｉは鋼の被削性を向上する作用を有する。しかし、その含有量が０．１０％未満では添加効果に乏しく、１．００％以上であると靱性、高温強度を共に低下させて熱間工具寿命の低下を引き起こす。そこで、本発明ではその含有量を０．１０〜１．００％未満とした。特に望ましい範囲は０．１０〜０．３０％未満である。
【００１３】
Ｍｎ：Ｍｎは鋼の焼入性を向上させて靱性を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．３０％未満では添加効果が得られず、１．５０％を超えると偏析が生じて靱性、強度を低下するようになるので、本発明ではその含有量を０．３０〜１．５０％とした。
【００１４】
Ｎｉ：ＮｉもＭｎと同様に焼入性を向上させて靱性を改善するのに有効な元素であるが、その含有量が１．０７％未満ではその効果が乏しく、２．００％を超えると変態点を下げて高温強度の低下を招く。従って、本発明ではその含有量を１．０７〜２．００％とした。
【００１５】
Ｃｒ：Ｃｒは靱性、耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、その含有量が２．７０％未満では十分な効果が得られず、５．５０％を超えると高温強度の低下を招くようになるので、本発明ではその含有量を２．７０〜５．５０％とした。より望ましい範囲は、３．５０〜４．５０％である。
【００１６】
Ｍｏ：Ｍｏは鋼の焼入性と焼戻し軟化抵抗を向上させて、靱性と高温強度を高める作用を有する。しかし、その含有量が２．１８％未満では添加効果が得られない。一方、３．００％を超えると被削性、靱性が低下する。従って、本発明ではその含有量を２．１８〜３．００％とした。
【００１７】
Ｖ：Ｖは高温強度を高めるのに必要な元素である。Ｖの含有量が０．５０％未満であるとその効果が乏しく、１．００％以上では被削性と靱性を悪化させる。そこで、本発明ではその含有量を０．５０％を超え、１．００％以下とした。
【００１８】
Ｂ：Ｂは鋼中で固溶Ｂを形成し、高温時の炭化物の粒成長を抑制し、高温強度の低下を防止する。しかし、０．０００５％未満ではその効果が得られず、０．０１００％を超えると靱性が低下するので、本発明ではその含有量を０．０００５〜０．０１００％とした。
【００１９】
Ａｌ：Ａｌは鋼の脱酸の安定化及び均質化を図るのに有効な元素であり、その含有量が０．００５％未満ではその効果を得ることができない。また、０．１０％以上では被削性の低下や鋼中の地きずの原因となる。そのため、本発明ではその含有量を０．００５〜０．１０％未満とした。
【００２０】
本発明の熱間工具鋼では、不純物元素としてのＰ，Ｓ及びＮの含有量を夫々下記の通り規制する。
Ｐ：Ｐは含有量が多いと偏析が大きくなり、靱性の低下や熱亀裂の発生を助長するので、その含有量は可能な限り少ないことが望ましい。そこで、本発明ではその含有量を０．０１５％以下に限定した。
【００２１】
Ｓ：Ｓは硫化物を形成し、被削性を向上させるが、靱性を低下させるので、含有量は可能な限り少ないことが望ましい。そこで、本発明ではその含有量を０．００５％以下に限定した。
【００２２】
Ｎ：ＮはＶと窒化物を形成して焼入加熱時の固溶Ｖ量を減少させる。固溶Ｖ量が少ないと焼戻し時に二次析出するＶ炭窒化物の量が減少し、高温強度が低下する。そこで、本発明ではその含有量を０．０１５％以下に限定した。
【００２３】
焼入組織：本発明が対象とする焼入時の組織はマルテンサイトとベイナイトの混合組織に限定される。この時の混合組織のベイナイトの混合比率を示すベイナイト率は、厚さ１０ｍｍの素材を焼入れする際に、水冷した場合の素材の硬さをＨ１、室温まで２０時間かけて冷却した場合の素材の硬さをＨ２とし、実際に熱処理をしたときの素材の硬さをＨとしたとき、下記の▲１▼式によって算出される。なお、硬さはビッカース硬さで表示する。
ベイナイト率（％）＝１００−（Ｈ−Ｈ２）／（Ｈ１−Ｈ２）×１００…▲１▼
【００２４】
本発明者らの実験によれば、図１に示したように、ベイナイト率が０（１００％マルテンサイト）〜４％のときは、Ｂを添加しても、高温強度の低下が著しく、反対に、ベイナイト率が８０％を超えるときは、Ｂ添加による高温強度の低下の抑制効果がなく、しかも、靱性の低下をも招く。そこで、本発明ではベイナイト率を５〜８０％に限定した。
【００２５】
【実施例】
本発明の熱間工具鋼の効果を実施例に基づいて説明する。
下記表１に示す成分組成を有する本発明鋼（Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３０〜３２、Ｎｏ．３５〜３７）、並びに、＊印を付した成分が本発明で規定する範囲から外れる比較鋼（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１及びＮｏ．３８〜Ｎｏ．５１、このうちＮｏ．１６はＪＩＳ  ＳＫＤ６１）を、電気炉で溶製して得た鋼塊を分塊し、鍛錬比５以上で鍛造した後、８００〜８５０℃で焼鈍した。焼入組織を変化させるために、厚さを１０〜８００ｍｍにし、９００〜１０５０℃から水冷、油冷、炉冷により焼入を実施した。そして、引き続き、焼戻しを５５０〜６４０℃で行い、硬さＨＳ５５〜６０に調整して金型を製造し、高温強度試験と破壊靱性試験を実施した。このうち、高温強度試験は、ＪＩＳ  １４Ａ  号試験片（直径Ｄ＝６ｍｍ）にて、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６７に準拠し、７００℃の試験温度で行い、０．２％耐力を測定した。また、破壊靱性試験は、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９  ８３に準じて測定した。
【００２６】
経験的に、破壊靱性値が１００ｋｇｆ／ｍｍ3/2 以上、かつ、６００℃の０．２％耐力が１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以上のとき、高温強度と靱性が高いレベルで両立し、工具寿命が優れることが判っている。下記表１に示される本発明鋼は、下記表２に示すように、破壊靱性値、６００℃の０．２％耐力のすべてが高いレベルで両立し、比較鋼よりも優れている。また、本発明鋼を熱間鍛造金型として評価した例を下記表３に示すが、いずれも比較鋼よりも工具寿命が長かった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
【表３】
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【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱間工具鋼は、高温強度と靱性を、従来技術では成し得なかった高いレベルで両立させることができ、熱間鍛造、押し出し、ダイカストに用いられる金型や、マンドレル等に使用した場合には、その工具寿命を延ばすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベイナイト率を変化させた場合の、破壊靱性値と、０．２％耐力を、Ｂを添加した場合と、添加しない場合とで測定した結果を示した図である。
【図１】
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