(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％であることを特徴とする耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含むとともに、Ｍｏ：０．５〜３％およびＶ：０．５〜１．５％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％であることを特徴とする耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎｉ：０．３〜２％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％であることを特徴とする耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、Ｎｉ：０．３〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有するとともに、Ｍｏ：０．５〜３％およびＶ：０．５〜１．５％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％であることを特徴とする耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性優れた熱間工具用鋼。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の熱間工具用鋼からなることを特徴とする熱間工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間鍛造用金型、押し出し加工用金型、ダイカスト金型などに使用される耐摩耗性に優れた熱間工具用鋼と熱間工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間での鍛造加工や押し出し加工、およびダイカストなどに使用される金型用の工具鋼には、摩耗、熱亀裂、大割れが生じにくいことが要求される。
【０００３】
しかし、ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４に規定され、主として用いられている５Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＤ６１やＳＫＤ６２、３Ｃｒ−３Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＤ７およびＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系のＳＫＴ３やＳＫＴ４などの工具鋼では、上記の要求される全ての特性を満たすことはできない。
【０００４】
このような事情から、Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどを添加して炭化物を積極的に析出させることによって耐摩耗性を向上させた工具鋼が提案されている（例えば、特開昭６０−２２４７５４号公報や同６１−２１３３４９号公報）。
【０００５】
上記の公報に示される工具鋼は、使用時の工具表面温度がＡ1変態点以下の５００〜７００℃では、確かに、耐摩耗性に優れている。しかし、使用時の工具表面温度が上記のＡ1変態点を超えると、強度が急激に低下して摩耗が著しくなり、使用寿命が短いという欠点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、使用時の工具表面温度がＡ1変態点以下の５００〜７００℃の場合は勿論、７００℃を超える温度（例えばＡ3変態点以上の９００℃程度）になっても、強度が急激に低下することがなく、耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れていて使用寿命の極めて長い熱間工具用鋼と熱間工具を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）の耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼と下記（５）の熱間工具にある。
【０００８】
（１）重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％である耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【０００９】
（２）重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含むとともに、Ｍｏ：０．５〜３％およびＶ：０．５〜１．５％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％である耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【００１０】
（３）重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎｉ：０．３〜２％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％である耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【００１１】
（４）重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：７〜１０％、Ｎｉ：０．３〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有するとともに、Ｍｏ：０．５〜３％およびＶ：０．５〜１．５％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＰ、ＳおよびＮがそれぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下の化学組成を有し、かつ９００℃における炭化物量が１．５〜９重量％である耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に優れた熱間工具用鋼。
【００１２】
（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の熱間工具用鋼からなる熱間工具。
【００１３】
上記の本発明は、下記の知見に基づいて完成させた。すなわち、本発明者らは、Ａ1変態点を超える温度領域での耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性に及ぼす因子の究明に努めた結果、次のことを知見した。
【００１４】
９００℃における鋼中の炭化物量が１．５〜９重量％であれば、使用時の工具表面温度がＡ1変態点を超える温度になっても強度が急激に低下せず、耐摩耗性、耐亀裂性および耐大割れ性が飛躍的に向上する。このことは、後述する実施例の結果を示す図１から明らかである。
【００１５】
９００℃における鋼中の炭化物量１．５〜９重量％は、少なくとも、０．４〜０．６重量％のＣと７〜１０重量％のＣｒを含む鋼を用いることによって安定的に確保される。
【００１６】
その際、上記の２成分以外に、０．５〜２重量％のＳｉ、１．５重量％以下のＭｎに加えてさらに、０．５〜３％重量％のＭｏおよび０．５〜１．５重量％のＶのうちの１種以上を含む場合には、このＶやＭｏ系炭化物（ＭＣ、Ｍ2Ｃ、Ｍ4Ｃ3）がＣｒ系炭化物（Ｍ23Ｃ6、Ｍ7Ｃ3）に比べて微細で、亀裂の発生起点になり難いのに加えて靱性低下を招かないことから、耐亀裂性が向上する。
【００１７】
また、上記の６成分以外に、さらに０．３〜２重量％のＮｉを含有させれば、素地の靱性が向上し、耐亀裂性がより一層向上する。
【００１８】
またさらに、上記の７成分以外に、ｓｏｌ．Ａｌで０．００５〜０．１重量％のＡｌを添加含有させる一方、不純物中のＰ、ＳおよびＮの含有量を、それぞれ０．０１５％以下、０．００５％以下および０．０１５％以下に抑制すれば、鋼の清浄度が向上するほか、強度および靱性が向上する。
ここで、上記の９００℃における炭化物量とは、下記に示す条件のもとに測定される量である。
【００１９】
《炭化物量の測定方法》
炭化物析出処理：９００℃×１ｈ→水焼入れ、
炭化物抽出処理：電解法、
電解液：１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロライド−８９％メタノール、
電流密度：２０ｍＡ／ｃｍ2、
フィルターの濾過径：０．２μｍ、
抽出炭化物の溶解：王水で溶解後、硫リン酸で再度溶解、
炭化物溶解液の分析方法：誘導結合プラズマ発光分光分析法。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の熱間工具鋼の９００℃における炭化物量と化学成分を上記のように限定した理由について説明する。なお、以下において、「％」は「重量％」を意味する。
【００２１】
《９００℃における鋼中の炭化物量》
前述したように、鋼の化学組成が前述の範囲内であっても、９００℃における鋼中の炭化物量が１．５％未満では、工具の表面温度がＡ1変態点を超える温度域になると、耐摩耗性が急激に低下し、工具の使用寿命が極端に短くなる。また、９％を超えると、靱性が低下して亀裂や大割れが発生し、工具の使用寿命が極端に短くなる。このため、本発明では、９００℃における鋼中の炭化物量を１．５〜９％に定めた。なお、好ましい範囲は２〜６％、より好ましい範囲は３〜６％である。
【００２２】
《鋼の化学組成》
Ｃ：
Ｃは、焼入性を高め、靱性を向上させる。また、Ｃは焼戻し時に炭化物として２次析出して耐摩耗性を向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．４％未満では添加効果が乏しく、逆に０．６％を超えて含有させると、炭化物が亀裂の起点となり靱性の低下を引き起こす。このため、Ｃ含有量は０．４〜０．６％とした。
【００２３】
Ｃｒ：
Ｃｒは、焼入性を向上し、靱性を向上させる。また、Ｃｒは炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に有効な元素である。このＣｒ系炭化物は、Ａ1変態点を超える温度域でマトリックス中に固溶しやすいが、前述したように、ＶやＭｏ系炭化物に比べると粗大であり、９００℃に加熱された鋼中に最も多く存在する炭化物である。しかし、その含有量が７％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、逆に１０％を超えて含有させると、炭化物が粗大化し、亀裂の起点となり靱性の低下を招く。このため、Ｃｒ含有量は７〜１０％とした。
【００２４】
Ｓｉ：
Ｓｉは、鋼の被削性を向上させる作用を有する。この効果は、Ｓｉの含有量が０．５％以上で顕著になる。しかし、２％を超えて含有させるとヒートチェック性を低下させ、工具の使用寿命が短くなる。このため、Ｓｉ含有量を０．５〜２％とした。
【００２５】
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。この効果は、Ｍｎの含有量が０．３％以上で顕著になる。しかし、１．５％を超えて含有させると、被削性が低下する。このため、Ｍｎ含有量は１．５％以下とした。
【００２６】
Ｍｏ：
Ｍｏは添加しなくてもよいが、添加すれば鋼の焼戻軟化抵抗を向上させるほか、焼入性を向上させて靱性を高める元素である。したがって、この効果を得たい場合には添加することができ、その効果は０．５％以上の含有量で顕著になる。しかし、３％を超えて含有させると、偏析が大きくなり靱性が低下する。このため、添加する場合のＭｏ含有量は０．５〜３％とするのがよい。
【００２７】
Ｖ：
Ｖは添加しなくてもよいが、添加すれば、上記のＭｏと同様に、微細な炭化物を形成して靱性を高め、特に本発明の高Ｃｒ鋼の靱性を高めるのに有効な元素である。Ｖには、マトリックスを強化する作用もある。したがって、これらの効果を得たい場合には添加することができ、その効果は０．５％以上の含有量で顕著になる。しかし、１．５％を超えて含有させると、Ｖ系炭化物が多くなりすぎ、却って靱性の低下を招く。このため、添加する場合のＶ含有量は０．５〜１．５％とするのがよい。
なお、ＶとＭｏは、いずれか１種のみ、または２種の複合で含有することができる。
【００２８】
Ｎｉ：
Ｎｉは添加しなくてもよいが、添加すれば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。したがって、この効果を得たい場合には添加することができ、その効果は、Ｎｉの含有量が０．３％以上で顕著になり０．５％以上で一層顕著になる。しかし、２％を超えて含有させると、被削性が低下する。このため、添加する場合のＮｉ含有量は０．３〜２％とするのがよく、０．５〜２％とするのが一層よい。
【００２９】
Ａｌ：
Ａｌは、鋼の脱酸の安定化および均質化を図るのに有効な元素である。この効果は、Ａｌの含有量がｓｏｌ．Ａｌで０．００５％以上で顕著になる。しかし、ｓｏｌ．Ａｌで０．１０％を超えて含有させると、Ａｌ系酸化物や窒化物量が増加し、靱性や被削性の低下を招くほか、地きずの原因になる。このため、Ａｌの含有量をｓｏｌ．Ａｌで０．００５〜０．１％とした。
【００３０】
Ｐ：
Ｐは鋼中に不可避的に存在する元素であり、過剰なＰは偏析して靱性低下や熱亀裂の発生を助長する。このため、Ｐ含有量はできるだけ低いほうが好ましいが、０．０１５％以下であれば特に問題ない。したがって、Ｐ含有量は０．０１５％以下とした。
【００３１】
Ｓ：
Ｓは、上記のＰと同様に、鋼中に不可避的に存在する元素であり、硫化物を形成して被削性を向上させるが、過剰なＳは靱性を低下させる。このため、Ｓ含有量はできるだけ低い方が好ましいが、０．００５％以下であれば特に問題ない。したがって、Ｓ含有量は０．００５％以下とした。
【００３２】
Ｎ：
Ｎは、上記のＰ、Ｓと同様に、鋼中に不可避的に存在し、窒化物を形成する元素であり、特にＶ添加鋼では過剰なＮがＶ系炭化物の析出を妨げ、マトリックスの強度低下を引き起こす。このため、Ｎ含有量は０．０１５％以下とした。
【００３３】
【実施例】
表１と表２に示す化学組成を有する３３種類の鋼を電気炉で溶製し、得られた鋼塊を分塊圧延し、次いで鍛錬比４以上で厚さ２００〜４００ｍｍに鍛造した。その後、鍛造品を８００〜８５０℃で焼鈍した後、９００〜１０５０℃からの焼入れと５５０〜６４０℃での焼戻しを施し、硬さＨＳ５０〜５５に調整した工具用鋼を加工し、金型を製造した。
【００３４】
【表１】
0004055273.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004055273.tif 000003
【００３６】
そして、得られた各金型の９００℃における鋼中の炭化物量を、前述の方法に従って測定した後、金型表面の最高温度が９２０℃になる条件のＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定されるＳ４５Ｃの鍛造加工に供し、その使用寿命と寿命原因を調べた。
【００３７】
また、常温状態の金型の靱性を、ＡＳＴＭ  Ｅ３３９−８３に規定される方法に従って調べ、破壊靱性値ＫＱ（ｋｇｆ／ｍｍ3/2）を測定した。
【００３８】
なお、金型の使用寿命は、金型表面の損傷状態を目視観察し、摩耗、亀裂や大割れが生じて使用できなくなるまでの使用回数で評価した。
【００３９】
これらの結果を、表１と表２に併せて示した。また、９００℃における鋼中の炭化物量と使用寿命との関係を図１にまとめて示した。
【００４０】
表１、表２および図１に示す結果からわかるように、本発明の熱間工具用鋼で製造された金型（No.１〜２３）の使用寿命は、４４９３回以上で極めて長かった。
【００４１】
これに対し、化学組成または／および９００℃における炭化物量が本発明で規定する範囲を外れる鋼で製造された金型（No.２４〜３３）の使用寿命は、２４８７回以下であり、本発明例の約半分以下と短かった。なお、No.２４の金型は、ＪＩＳに規定されるＳＫＤ６１鋼製である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の熱間工具用鋼とこの鋼で製造された工具は、Ａ1変態点を超える温度域において使用寿命が極めて長い。このため、大幅な工具原単位の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ９００℃における鋼中の炭化物量と工具の使用寿命との関係を示す図である。
【図１】
0004055273.tif 000004