(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：６．８〜８．０％、ＭｏまたはＷの１種あるいは２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６〜１．２％、Ｖ：０．０５〜０．５％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、共晶値Ｚ［＝８×（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）］が９以上１０．５以下であることを特徴とする溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｓｉ：０．１〜０．３％であることを特徴とする請求項１に記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項３】
さらに、重量％で、Ｓ：０．００５〜０．１０％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項４】
さらに、重量％で、Ｎｉ≦５．０％を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項５】
さらに、重量比で、Ｃａ≦１００ｐｐｍを含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項６】
１０００〜１０５０℃での焼入れ、５００℃以上の焼戻しに適用され、５５ＨＲＣ以上の硬さになることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の溶接性および被削性に優れた工具鋼。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかの工具鋼を５５ＨＲＣ以上の硬さに調質し、切削加工を行うことで作製したことを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、家庭電化製品、農機具等に使用される鋼板の打抜、曲げ、絞りあるいはトリミング用の金型等に使用される工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車メーカー等では、価格競争に打ち勝ち収益を確保するために、これまであらゆる分野でのコスト低減を実施してきた。その分野は金型関連までにもおよび、コスト低減のため、プレス金型で成形される製品の製作工程の短縮や金型製作数の削減、更には、金型の加工方法や工具の開発等、種々の低減施策が実施されてきた。
【０００３】
このような金型において、従来より使用される金型材、特に冷間加工用金型材には、耐摩耗性付与のため炭化物を多量に含み、更に、焼入れ性に優れかつ靭性を確保するためＣｒ含有量が多い材料が求められており、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４規定の合金工具鋼鋼材であるＳＫＤ１１等の高Ｃ−高Ｃｒ系鋼が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の傾向としては、金型を構成する部品数の削減や一体成形、形状の複雑化等で、上述のＳＫＤ１１のごとき鋼材からの加工による形状出しでは、耐摩耗性には優れているが加工すべき体積が膨大となり、製造コスト増加の原因となっている。一方、ＳＫＤ１１に相当する材質の成分で鋳造化して加工代を減少する試みも成されてきたが、炭化物を多量に含むため、靭性等に問題があり、適切な合金設計での実用化までには至っていないのが現状である。
【０００５】
そして、特に鋼板の打抜、曲げ、絞りあるいはトリミング等に使用される金型では、三次元的に変化している被打抜品の形状を成形する金型にて割れが頻発するようになり、溶接補修性等の要求が高まってきた。つまり、最近の動向を見てみると、金型加工工程の立ち上げが短期化してきたための設計変更による形状修正や、金型使用中の過酷な条件等による破損や割れが生じても、救済により再使用ができるための溶接性が重要となってきたのである。
【０００６】
以上、従来より金型等に適用されてきた工具鋼には、その最近において求められる機械的特性について各々、一長一短がある。そこで、本発明は、靭性や耐摩耗性といった機械的性質を低下させずに、溶接性や被削性に優れた工具鋼を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、靭性や耐摩耗性といった基本的な機械的特性の維持を鑑みた上で、溶接性や被削性の改善に要求される基本条件を見直した。
【０００８】
まず、このような金型材は、現状では耐摩耗性重視のため硬質脆性な炭化物を多量に含有する成分設計を行っているが、近年の耐摩耗性付与手段として表面処理の技術が発達してきたことから、金型材自体の耐摩耗性確保は現状ほど重視する必要性が無くなってきた。そして、耐割れ性の点から見ると、このような炭化物はクラック進展を促進させる因子であるので、適切な量まで低くする必要がある。
【０００９】
これら考慮の結果として、本発明者らは、工具鋼を構成する基本成分であるＣ含有量を減少しても良好な機械的性質、特に硬さ及び靭性を得るに充分な成分構成および組成を見いだし、更に溶接性や被削性、表面処理特性にも優れた本発明の工具鋼に想到した。
【００１０】
すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：６．８〜８．０％、ＭｏまたはＷの１種あるいは２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６〜１．２％、Ｖ：０．０５〜０．５％未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、共晶値Ｚ［＝８×（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）］が９以上１０．５以下である工具鋼である。
【００１１】
好ましくは、重量％で、Ｓｉ：０．１〜０．３％の工具鋼である。さらに、Ｓ：０．００５〜０．１０％、Ｎｉ≦５．０％、Ｃａ≦１００ｐｐｍのうちの１種または２種以上を含有する工具鋼である。そして、これら本発明に加えて、１０００〜１０５０℃での焼入れ、５００℃以上の焼戻しに適用され、５５ＨＲＣ以上の硬さになる工具鋼である。そして、これら本発明の工具鋼を５５ＨＲＣ以上の硬さに調質し、切削加工を行うことで作製した金型である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、工具鋼を構成する基本成分であるＣ含有量を減少しても良好な機械的性質、特に硬さ及び靭性を得るに充分な成分構成および組成を見いだし、更に溶接性や被削性、表面処理特性にも優れた工具鋼を達成したところにある。
【００１３】
つまり、本発明の工具鋼は、Ｃの含有量を抑えて優れた溶接性を確保するものであり、金型に使用すれば、その優れた靭性と共に、使用中の破損や割れ、摩耗が生じても溶接による補修にて容易に再使用が可能である。そして、Ｃ含有量の抑制による耐摩耗性の不足が生じた場合にも対処すべく、優れた表面処理性をも確保したものである。
【００１４】
本特許において、溶接性が優れるあるいは溶接可能というのは、規定の予熱、後熱処理を行うＪＩＳ  Ｚ  ３１５８のＹ形状試験にて溶接割れが認められないことを指す。溶接を行うにおいては、その際の溶接割れを防止するために、通常は予熱、後熱を行う。予熱は一般的に溶接時の高温割れ防止のために行い、後熱は低温割れの防止を目的とし、特に溶接熱影響部の硬さを下げる一種の焼戻しである。
【００１５】
一般に金型は、その製造途中または使用中の状況により形状変更や補修のために溶接が実施されるが、合金鋼は溶接時の割れを防止するために高温に予熱した状態で実施される。特に、Ｃｒ等を含む場合は４５０〜５５０℃以上に予熱後実施するのが一般的であるが、本発明では、この予熱温度を下げても、具体的には２５０℃にまで下げても、ＪＩＳ  Ｚ  ３１５８のＹ形状試験による溶接割れが認められない工具鋼が提供できる。これによって、溶接に係る作業性が向上し、経済的でもある。
【００１６】
次に、高Ｃ、Ｃｒ鋼では溶接後の後熱も重要になるが、溶接熱影響部の硬さを下げることで、後熱における加熱温度、時間を低くすることができる。特に溶接熱影響部のコントロールにはＣ量を０．７５％以下にすることと、Ｃｒ量を４．５％以上、好ましくは６．８％以上にすることが有効であり、これは溶接性を左右するマルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量を最適に調整するに有効となる。
【００１７】
次に、本発明の表面処理性について述べておく。
本発明は、Ｃ含有量の抑制による耐摩耗性の不足が生じた場合にも対処すべく、表面処理性をも十分に確保するものである。そのために必要な特性は、焼入性および、塩浴法やＣＶＤ処理といった表面処理温度でのオーステナイト組織中に固溶するＣ量と表面近傍部の母材の硬さである。
【００１８】
つまり、焼入れ性は、あらゆる表面処理装置への適用を可能にすべく付与するものであり、主にＣｒ量を４．５％以上、好ましくは６．８％以上に維持することで確保できる。同時に、４．５％以上のＣｒ含有は、複雑形状物へ表面処理後の冷却中におこる一種の焼き割れ現象を防止する目的で確保すべきものでもある。
【００１９】
表面処理温度でのオーステナイト組織中に固溶するＣ量は、十分な膜厚を有するＭＸ型化合物（ＴｉＣ、ＶＣ等）の生成に重要である。つまり、固溶Ｃは、ＣＶＤ、ＴＤ処理等の表面処理法にてＭＸ型化合物を生成するために、その鋼材から供給すべく必要となり、その最適量は、表面処理温度に保持する前のマルテンサイト組織中に固溶するＣ量による。その固溶Ｃ量の調整をすべく、本発明の工具鋼は、そのＣ含有量を０．５５％以上としている。
【００２０】
そして、表面近傍部の母材の硬さを維持することは、表面処理による形成膜の耐剥離性を付与するに重要な要素である。
【００２１】
本発明の表面処理性の中で、次に重要なのが熱処理時の変寸である。ＴＤ、ＣＶＤ処理は一種の焼入れ焼戻しを兼ね、その後少しでも寸法が狂い研削で落とすことになると、表面膜を除去することになり問題がある。
【００２２】
この熱処理変寸挙動の原理図を図１に示す。焼入れままでは、主体となっているマルテンサイト組織中に固溶するＣによって結晶格子が押し広げられ、膨張をする。焼戻し温度を上げてゆくと、低、中温領域（図１（Ａ）域）ではセメンタイトが析出して寸法変化が収縮傾向となる。高温域では、２次硬化とほぼ同じ温度で変寸率が最大になる。この最大値が発生するのは、この最大値の低温側（図１（Ｂ）域）と高温側（図１（Ｃ）域）で主に起こる二つの機構による。
【００２３】
低温側では残留オーステナイトの分解が温度を上げることより多くなり膨張傾向が発生する。最大値よりも高温側ではＭ７Ｃ３、Ｍ２３Ｃ６系の炭化物の析出・凝集によりマルテンサイト中の固溶Ｃ量が低下してゆくため、収縮傾向が発生する。この（Ｂ）、（Ｃ）間で起こる変寸の抑制に対しては、図１にも示されているような、セメンタイト析出を制御するＳｉ、Ｍ７Ｃ３やＭ２３Ｃ６の析出を制御するＭｏ、Ｗの最適化を行う必要がある。そのため本発明の工具鋼では、Ｓｉを０．６％以下、好ましくは０．３％以下に調整すると共に、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量を１．２％以下とすることが非常に重要である。
【００２４】
被削性の向上のもと一次炭化物量を低減した鋼組成においては、一方で耐摩耗性が不足するのであって、このような工具鋼については表面処理を施すことをも十分に考慮した設計をしておかないと、工具材料としての実用性に乏しいものとなる。つまり、本発明は、表面処理が施される場合にも最適な工具鋼を達成するためにも、上記熱処理変寸の抑制を重要とするのである。
【００２５】
優れた被削性を備えた工具鋼としては、例えば特開平１１−１８１５４８が提案されているが、本発明の重要とする変寸の抑制に鑑みれば２．０％ものＳｉ含有に合わせて５．０％ものＭｏ当量を許容し、その実施例を見ても高Ｓｉ、高Ｍｏ側であって、これでは本発明の熱処理変寸の抑制には至らない。つまり、特開平１１−１８１５４８の工具鋼は、本発明が狙う変寸抑制が困難な組成系、具体的には最近の金型品質に対応できる０．１％以下の変寸抑制が困難な組成系を中心に設計されているからであって、工具、金型として作製される最終的な姿を視野に入れた研究を重要とする工具鋼設計において不十分である。
これらに基いて、本発明の工具鋼を構成する元素およびその含有量の限定理由について述べる。
【００２６】
Ｃは、焼入れ性を向上し、熱処理後の硬さを維持するために必要である。耐摩耗性を達成すべく熱処理後の硬さを５５ＨＲＣ以上に確保し、ＣＶＤ処理や塩浴法といった表面処理において十分なＭＸ型炭化物の膜厚を確保するためには、０．４５％以上、好ましくは０．５５％以上の含有量が必要である。０．４５％未満では、焼入硬さが不足し十分な強度を確保できず、かつ塩浴法もしくはＣＶＤ法による３μｍ以上の膜厚を生成させるのが困難となる。
【００２７】
また、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性や焼戻し軟化抵抗を向上させる。添加量が過多になると靭性を低下させ、０．７５％を越えると溶接性を劣化させる。更に、固液共存温度幅が大きくなり鋳造欠陥発生の危険、つまり共晶値Ｚが増す原因となる。よってＣの添加量は、０．５５〜０．７５％とした。
【００２８】
なお、共晶値Ｚとは、共晶凝固の起こり易さを評価する指標であり、Ｚ＝８×（Ｃ％）＋０．６×（Ｃｒ％）で定義する。この式での（Ｃ％）と（Ｃｒ％）とは工具鋼に含有されるＣおよびＣｒの重量％である。
【００２９】
Ｓｉは、熱処理変寸の抑制のためにも本発明がその調整を重要とする元素である。脱酸剤および鋳造性改善の目的で含有し、その効果を得るべく０．１％以上が含有される。しかし、製造方法によっては添加しなくてもよい。一方、熱処理時の変寸が大きくなると実用上不具合が大きくなることから、０．６％以下、好ましくは０．３％以下に調整することが不可欠である。また、過多の含有は、被削性と溶接性を阻害する原因ともなり、加えてマトリックスの成分偏析も激しくなることから、この点においても調整するものである。
【００３０】
Ｍｎは、焼入性向上のために含有するが、０．１％未満では焼入硬さを安定して得るためには不十分である。一方、多過ぎると溶接性を劣化させる原因となり、更にＳｉと同様、マトリックスの成分偏析も激しくなるので、０．１〜１．２％とした。ただし、Ｍｎは高価なＣｒやＭｏ等と置換できる経済的な元素でもあり、ＣｒやＭｏ等の効果が十分発揮される場合にはＭｎは無添加としても良い。
【００３１】
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を生成し耐摩耗性を向上すると共に、焼入性を増す効果、そして、ＣＶＤ処理や塩浴法などによる複雑形状物への表面処理後の冷却中におこる一種の焼き割れ現象を防止する効果がある。しかし、多過ぎるとＣｒ炭化物の増加による靭性の低下をきたす。更に、Ｃの添加と同様に、固液共存温度幅が大きくなり鋳造欠陥発生の危険（共晶値Ｚ）が増す原因となる。よってＣｒの添加量は、６．８〜８．０％とした。
【００３２】
ＭｏおよびＷは、焼入性を向上する。また、Ｃと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。Ｗの原子量はＭｏの約２倍であるため、Ｍｏ１％の含有量はＷ２％の含有量と等しい効果を有し、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量でその効果を表すことが可能である。本発明ではＭｏ、Ｗの１種または２種を含有させることができ、つまり、Ｍｏの全含有量を２倍のＷ含有量で置き換え使用してもよく、Ｍｏの一部をそれに相当するＷ量に置き換え使用してもよい。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量でどちらの成分を優先して使うかは経済性を考慮して判断すればよいが、火炎焼入れ処理を行う材料としてはＷ添加を少なくした方が良い。
【００３３】
（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の添加量が０．６％未満では、高温焼戻しでの硬さが５５ＨＲＣ以上出難くなり、焼戻し温度による硬さの変化も急激になるため硬さ合わせが思うようにし難くなる。一方、過多の添加量では、熱処理変寸が大きくなり、表面処理、熱処理での寸法精度が確保できない。よってＭｏの添加量は０．６〜１．２％とした。なお、高温焼戻しでの硬さの確保をも考慮すれば１．０％以上の含有が有効であり、また、過多の含有は疲労特性を低下させる塊状の共晶炭化物を発生させることから、この点においても調整するものである。
【００３４】
Ｖは、焼入れによる残留オーステナイトの成長を抑制し、靭性を確保するのに有効であり、この効果を発揮するためには、０．０５％以上の含有が必要である。逆に、過多の含有は凝固時に巨大なＶ系炭化物を晶出し、溶接性と靭性を低下させる原因となる。そして、焼きなまし状態での炭化物中にＶＣ形成を起こし、被削性が劣化するので、０．０５〜０．５％未満とした。
【００３５】
共晶値Ｚは、先述したように共晶凝固の起こり易さを評価する指標であり、共晶値Ｚが増す程、固液共存温度幅が大きくなる。本発明の工具鋼においては、共晶値Ｚが大きくなると溶接時の高温割れや靭性の劣化が懸念されるので、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０％に調整するに合わせて、９以上１０．５以下とする。
【００３６】
また、本発明の工具鋼は、その他求められる効果に則して、上記の成分組成にＳ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ｃｅのうちの１種または２種以上を含有してもよい。そのうち、Ｓは、脆化元素の代表として溶接、高硬度鋼の分野では忌み嫌われる元素であるが、快削効果があるため、靭性、溶接性を向上させた分、被削性向上の目的で０．１％程度までなら含有を許容することができる。本発明に好ましくは、０．００５〜０．１０％であり、効果を得る上で更に好ましくは０．０２〜０．１０％である。
【００３７】
Ｃａは、機械的性質の低下や組織の変質を伴わない、理想的な快削元素である。その快削性向上の機構は、鋼中に微量に分散している酸化物を低融点化させ、これが切削熱で溶けだし、刃先に保護膜を形成するものである。また、Ｓ添加に際し、Ｃａを添加することはＭｎＳの形態制御を行い、圧延と直角方向の靭性を向上させるのに有望である。しかし、Ｃａは蒸気圧が高いので、現状の技術では１００ｐｐｍ程度が含有の上限である。
【００３８】
Ｎｉは、焼入性と衝撃遷移温度を上げることによる靭性向上が認められる元素であるが、本合金系では、特に高Ｃ量域での靭性維持による効果で溶接性劣化を防止でき、実用的に操業可能な表面処理領域を広げる方向に作用する。しかし、過多のＮｉ含有は製造上の困難性から上限を５．０％以下とした。上記の効果を得るに好ましくは、０．００５％以上、更に好ましくは、０．０１％以上とする。
【００３９】
その他、希土類は、本発明の工具鋼における被削性を向上する目的のもとに０．２％以下、好ましくは、０．１％以下の含有が可能である。また不可避の不純物の総量は０．５％以下が望ましい。但し、耐摩耗性を上げるため窒化処理を施す場合、窒化層の硬さを積極的に上げるＡｌの添加は１．０％以下なら許容できる。
【００４０】
以上に述べた本発明の工具鋼であれば、優れた溶接性の付与に加えて、従来のＳＫＤ１１と同等の熱処理条件である１０００〜１０５０℃からの焼入れ、５００℃以上の焼戻しによっても５５ＨＲＣ以上の硬さが確保できる。そして、その５５ＨＲＣ以上の硬さにて優れた被削性の達成に加え、塩浴法やＣＶＤ処理といった表面処理性、更には熱処理時の変寸抑制にも優れるものである。
【００４１】
また、本発明の工具鋼を金型等に使用した場合は、その求められる機能に応じて必要な部位のみに火焔焼入れ等を実施しても良く、製作工数あるいは必要特性を考慮して硬さを得るための熱処理方法を選択すればよい。一例として、本発明の工具鋼を５５ＨＲＣ以上の硬さに調質し、切削加工を行うことで作製した金型である。
【００４２】
なお、本発明では、本効果の更なる向上において、焼入後の状態を調整することが有効である。つまり、焼入れ後のマルテンサイト組織中に固溶するＣおよびＣｒ含有量を重量％でＣ：０．４５〜０．６％、Ｃｒ：３．０〜６．０％とすること、好ましくはＣ：０．５０〜０．６３％、Ｃｒ：４．５〜７．５％の範囲を狙うことであり、工具鋼を構成するＣ、Ｃｒ量をＣ：０．５５〜０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０％に調整することと合わせて有効である。そして、断面組織中のＭ７Ｃ３型一次炭化物を面積％にて１．５％以下とすることである。
【００４３】
マルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量を調整することは、溶接性の向上に有効である。高Ｃ、Ｃｒ鋼では溶接後の後熱も重要であり、溶接熱影響部の硬さを下げることで、後熱における加熱温度、時間を低くすることができることは先述の通りである。その手段としてマルテンサイト組織中の固溶Ｃ、Ｃｒ量の調整は有効であり、本発明において具体的には、固溶Ｃ量を０．６％以下、固溶Ｃｒ量を３．０％以上とすることである。更には、固溶Ｃｒ量を６．０％以下とすることであり、この場合、被削性の向上の面においても有効である。
【００４４】
また、表面処理性の向上にも繋がる焼入れ性の向上おいて、本発明の工具鋼に含有されるＣｒ量を６．８％以上にすることは先述の通りであるが、好ましくは、そのうち、マルテンサイト組織中の固溶Ｃｒ量を３．０％以上にすることが有効である。また、固溶Ｃ量を確保する理由は、先述のごとく、表面処理法にてＭＸ型化合物を生成するために鋼材からの供給が必要となるためでもあって、硬さを維持する上でも、その固溶Ｃ量を０．４５％以上とすることが好ましい。
【００４５】
これら焼入れ後のマルテンサイト組織中に固溶するＣおよびＣｒ含有量を調整する有効性について述べたが、それら上下限の限定においてはそれぞれの効果の程度調整に加えて、更には本発明の工具鋼を構成するＣ、Ｃｒ量自体の最適調整範囲にも応じた決定が望ましい。具体的には、Ｃ：０．５０〜０．６３％、Ｃｒ：４．５〜７．５％の固溶範囲を狙うことであり、工具鋼を構成するＣ、Ｃｒ量をＣ：０．５５〜０．７５％、Ｃｒ：６．８〜８．０％に調整することと合わせて有効である。
【００４６】
一次炭化物は、良好な被削性を確保する上で、その断面組織中の１．５（面積％）以下にすることが好ましい。なお、一次炭化物量は、本発明の工具鋼にて規定する化学組成に加え、熱処理によっても低減が可能である。
【００４７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何等限定されるものではない。
（実施例１）
まず、５０ｋｇ高周波炉を使用して材料を溶解し、表１に示す化学組成を有したインゴットを作製した。なお、比較材１はＳＫＤ１１相当材である。次に、鍛造比が５程度になるように熱間圧延をし、冷却後、８５０℃で４時間保持の焼鈍を実施した。
【００４８】
【表１】
0004099742.tif 000002
【００４９】
次に、上記焼鈍材をＪＩＳ  Ｚ  ３１５８のＹ型試験片に整え、真空加熱炉を用いて１０２５℃に加熱保持後、不活性ガスでガス冷却焼入れを実施した。更に続けて各試験片の目標硬さがＨＲＣ５５以上となるように、５００〜５５０℃で焼戻しを実施した。このようにして製作した試験片を表２に示す条件で溶接し、溶接性の評価を行なった。なお、比較材４〜１０は、５００℃以上の焼戻しで５５ＨＲＣ以上の硬さを得ることができなかった。
【００５０】
【表２】
0004099742.tif 000003
【００５１】
溶接性の評価は、溶接後の割れの有無によって行ない、その結果を焼入れ、焼戻し熱処理による硬さと共に表３に示す。参考材１、本発明材１〜７、比較材１１、１２では３５０℃の予熱温度でも溶接割れが発生しなかったが、比較材１、２、３では予熱温度が３５０、４５０℃のいずれかで割れを生じた。
【００５２】
【表３】
0004099742.tif 000004
【００５３】
（実施例２）
次に、被削性の評価を行なった。
まず、表１に示す素材にて、硬さ２４ＨＲＣ以下の焼きなまし状態である供試材を作製し、スクエアエンドミルでの被削性の評価を行った。なお、切削試験は表４に示す条件で行った。表５に示す結果より、参考材１、本発明材１〜７と比較材１１、１２は、ＳＫＤ１１相当である比較材１に比べて、３倍あるいはそれ以上の工具寿命が得られることが分かる。
【００５４】
【表４】
0004099742.tif 000005
【００５５】
【表５】
0004099742.tif 000006
【００５６】
次に、表１に示す素材にて、本発明の熱処理条件により硬さ５７〜６０ＨＲＣに焼入れ焼戻しした供試材を作製し、スクエアエンドミルでの被削性の評価を行った。切削条件は表６に示す。表７に示す試験結果より、参考材１、本発明材１〜７と比較材１１、１２はＳＫＤ１１相当である比較材１に比べて、６倍あるいはそれ以上の工具寿命が得られることが分かる。
【００５７】
【表６】
0004099742.tif 000007
【００５８】
【表７】
0004099742.tif 000008
【００５９】
（実施例３）
次に、溶接前の予熱温度と溶接後の冷却時間が溶接性に及ぼす影響を調査した。調査にあたっては、上記焼鈍材を真空加熱炉を用いて１０２５℃に加熱保持後、不活性ガスでガス冷却焼入れを実施し、続けて５００〜５５０℃で焼戻して所定の硬さとしたものを供試材とし、溶接後の後熱は４５０℃で１時間保持後、３時間または７時間をかけて常温まで冷却するものとした。この条件による割れの発生有無を、調整硬さおよび予熱温度と共に、表８に示す。
【００６０】
【表８】
0004099742.tif 000009
【００６１】
表８より、参考材１、本発明材１〜７と比較材１１、１２では、冷却時間が３時間の場合でも割れが発生しなかったのに対し、比較材１、９、１０では７時間の冷却時間においても割れを生じた。
【００６２】
（実施例４）
次に、参考材１、本発明材１〜７と比較材１〜３および１１、１２の焼鈍材から長手方向が圧延方向になるように１０ｍｍφ×８０ｍｍＬのテストピースを１０本づつ作製した。それら焼入れ前のテストピースの長さ方向寸法を予め計ってから、１０３０℃×１時間保持して空冷焼入れし、５００℃以上の焼戻しを行なって６０ＨＲＣ±１に入るように硬さ調整した。室温に十分に冷やした後、再度寸法を測定し、焼入れ前を基準とした寸法変化率をそれぞれ求め、変寸率が０．１％を超えたものの本数を調べた。表９にその結果を示す。
【００６３】
【表９】
0004099742.tif 000010
【００６４】
これより、参考材１、本発明材１、２、４、５、７とＳＫＤ１１相当である比較材１は限度オーバーの変寸が見られなかった。Ｓｉがやや高い本発明材３、Ｍｏがやや高めの本発明材６の場合でも０．１％を超える変寸の発生数は１本と少ないものであった。それに対し、比較材２、１１、１２はＳｉ、Ｍｏ当量が高いため、１０本全てに限度オーバーの変寸が発生している。なお、比較材３は例えば先述の特開平１１−１８１５４８にて提案されるような工具鋼に対しＳｉを低めたものであるが、それでもＭｏ当量が高いために４本の変寸オーバーが発生している。
【００６５】
本発明は、溶接性や被削性を向上させるために炭化物を低減しているので、場合によっては耐摩耗性が劣るといった懸念がある。しかし、本発明の変寸低減効果により、表面処理の自由度は確保されているので、工具、金型への作製のし易さと、その工具性能の両者を満足できる。
【００６６】
（実施例５）
次に、参考材１、本発明材１〜７と比較例１、２、３、１１、１２の焼鈍材から切り出した２５×１００×１００（ｍｍ）の板材について、実際にＴＤ処理を行なった時の圧延方向の寸法変化率を調べた。前熱処理は焼入れ１０２０℃で、焼戻しは５３０℃を２回行い、その後仕上げ加工を行なってから、５点の圧延方向寸法をそれぞれ場所を変えて測定した。次に目標膜厚を３μmに設定したＶＣを生成させる条件として１０２０℃×７時間でＴＤ処理し、焼戻しは５３０℃で２回行った。更に後熱処理でも同様に焼入れを１０２０℃で行い、焼戻しを５３０℃で行った。その後圧延方向の寸法測定を行い、変寸率を算出した。その結果を表１０に示す。
【００６７】
【表１０】
0004099742.tif 000011
【００６８】
参考材１、本発明材１〜７と比較材１（ＳＫＤ１１相当材）は変寸率が０．１％以下で満足する変寸率となっているが、比較例２、３、１１、１２の変寸率は０．１％を大きく超え実用には耐え難い変寸率となっている。ＳＫＤ１１が従来ダイス鋼として汎用性を持つのは、このような熱処理特性が良好であることが大きな要因であると同時に、本発明材もこのような汎用性を持つにふさわしい特徴を具備していることが分かる。但し、ＳＫＤ１１相当材は実施例１、２で示したように溶接性、被削性に乏しいため、その点を大幅に改良した本発明の工具鋼であれば工具材料として工業的価値が極めて高いことが分かる。
【００６９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ＳＫＤ１１と比較して、基本成分であるＣ含有量を減少しても良好な機械的性質、特に硬さ、靭性を確保することができ、溶接性に優れ、更に被削性の優れた鋼材を提供することができる。更に溶接時の予熱温度を低めに設定でき、冷却時間を短縮しても割れが発生し難く、作業性にも優れている。
加えて、優れた熱処理・表面処理性にも考慮がなされていることから、本発明による工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱処理変寸挙動の原理を説明する図である。
【図１】
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