JP7149250B2 - 高温強度と靭性に優れた熱間工具鋼 - Google Patents

Description

この出願は、熱間鍛造金型に使用される、高温強度と靭性に優れる熱間工具鋼に関する。

熱間プレス鍛造や熱間押出し熱間ダイカスト用の金型には、ＪＩＳ－ＳＫＤ６１が汎用的に用いられており、また、熱間ハンマー鍛造用の金型には、ＪＩＳ－ＳＫＴ４が汎用的に使用されている。
ＪＩＳ－ＳＫＤ６１は強度と靭性の双方を比較的高位で兼備した金型用鋼であるが、使用中の割れによる早期破損が生じることが多く、靭性面では必ずしも十分ではない。また、ＪＩＳ－ＳＫＤ６１の靭性は、熱疲労亀裂の伸展を抑制するためには、不足している。
ＪＩＳ－ＳＫＴ４は、ハンマー鍛造による大きな衝撃にも耐え得るように、靭性を重視している一方で、軟化抵抗性が低いために、耐摩耗性が不足する。また、再生加工を目的とした型彫り面の引下げを繰返して行うと、焼入れ性が低いために中心部では硬さ低下が生じてしまい、強度不足から割れやへたりなどが発生する。さらには、適用可能な硬さが低いために、耐摩耗性や強度が不足し、熱間プレス鍛造や熱間押出しの用途には向いていない（例えば、特許文献１参照。）。

出願人は、これまでに、金型の寿命向上のために、優れた靭性および高温強度を有する熱間工具鋼の発明を提案している（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この発明の提案では、使用前の炭化物の析出状態について考慮されておらず、軟化抵抗性、すなわち高温強度がなお不十分である。

特開２０１３－２１３２５５号公報 特開２０１１－１９５９１７号公報

熱間工具鋼は、高温使用時にＭ₂ＣやＭＣの二次炭化物が析出することで、軟化抵抗すなわち高温強度が得られる。しかし、熱間工具鋼は、使用前の段階で炭化物が多いと、使用中における二次炭化物の析出量が減少するので、高い高温強度が得られない問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、電気炉または真空誘導溶解炉で溶製して製造の熱間工具鋼において、その溶製工程（前工程）で鋼中に残存している炭化物を、鋼の焼入れ工程において固溶させて、炭化物サイズを小さく制御することによって優れた靭性を有する鋼とし、さらに、炭化物の固溶により、熱間工具鋼として使用中に微細な炭化物を析出させるための有効炭素量を増加させ、微細な炭化物の析出により優れた高温強度を得ることである。

本願発明の課題を解決するための手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１～０．３％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｎｉ：０．５～２．５％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高温強度および靭性に優れる熱間工具鋼である。

第２の手段では、質量％で、質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１～０．３％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｎｉ：０．５～２．５％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、該鋼の使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数は１５０個以下であることを特徴とする高温強度および靭性に優れる熱間工具鋼である。

本発明は、上記の手段により得られた鋼の使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数を１５０個以下とすることにより、シャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²以上であり、初期硬さの３９～４１ＨＲＣから６００℃で１００時間保持後の硬さの減少値が１４ＨＲＣ以下となるなど、靭性および高温強度に優れた熱間工具鋼が得られる。

先ず、発明を実施するための形態の説明に先立って、本願発明による熱間工具鋼の化学成分の含有量の限定理由を各化学成分毎に説明し、さらに本願発明鋼における使用前における１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数の限定理由について説明する。なお、含有量における％は、質量％であり、各化学成分の残部はＦｅおよび不可避不純物であり鋼を形成する。

Ｃ：０．２０～０．６０％
Ｃは、本発明鋼の十分な焼入れ性を確保し、炭化物を形成させることで、高温強度、硬度、および耐摩耗性を得るために必要な元素である。Ｃが０．２０％より少ないと十分な高温強度が得られない。一方、Ｃが０．６０％より多いと凝固偏析を助長し、炭化物の晶出が生じやすくなり靭性を阻害する。また、生成した炭化物の凝集により、高温強度が望めず、靭性も低下する。そこで、Ｃは０．２０～０．６０％とする。より好ましくは、０．４０～０．６０％とする。

Ｓｉ：０．１～０．３％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸効果を得るためおよび本発明鋼の焼入れ性確保の効果を得るために必要な元素である。Ｓｉが０．１％より少ないと上記の各効果を得ることが出来ない。一方、Ｓｉが０．３％より多いと靭性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．１～０．３％とする。

Ｍｎ：０．５～２．０％
Ｍｎは、製鋼時の脱酸効果を得るためおよび本発明鋼の焼入れ性確保の効果を得るために必要な元素である。Ｍｎが０．５％より少ないと上記の各効果を得ることが出来ない。一方、Ｍｎが２．０％より多いと靭性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．５～２．０％とする。

Ｎｉ：０．５～２．５％
Ｎｉは、靭性の向上のために必要な元素であり、０．５％より少ないと十分な靭性が得られない。一方、Ｎｉは、高価な元素であるので２．５％より多いとコストが上昇する。そこで、Ｎｉは０．５～２．５％とする。

Ｃｒ：１．６～２．６％
Ｃｒは、焼入れ性を確保するために必要な元素であり、１．６％より少ないと十分な焼入れ性が得られない。一方、Ｃｒは２．６％より多いと焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成され、高温強度、軟化抵抗性および靭性を低下させる。そこで、Ｃｒは１．６～２．６％とする。

Ｍｏ：０．３～２．０％
Ｍｏは、焼入れ性、二次硬化および高温強度に寄与する析出炭化物を得るため、また、焼入れ時に未固溶となった微細な炭化物が結晶粒の粗大化を抑制するために必要な元素である。しかし、Ｍｏが、０．３％より少ないと、上記の効果が得られない。一方、Ｍｏは２．０％より過剰に添加しても、上記の効果は飽和するばかりか、炭化物が粗大に凝集することにより靭性を低下させ、また、コスト高となる。そこでＭｏは０．３～２．０％とする。

Ｖ：０．０５～０．８０％
Ｖは、焼戻し時または熱間工具鋼として使用時に、微細で硬質な炭化物および炭窒化物を析出し、強度や耐摩耗性に寄与し、また、焼入れ時には、微細な炭化物および炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制するために必要な元素である。しかし、Ｖが０．０５％よりも少ないと、上記の効果は得られない。一方、Ｖが０．８０％より多いと、凝固時に粗大な晶出炭化物が生成され、靭性が阻害される。そこで、Ｖは０．０５～０．８０％とする。より好ましくは、０．０５～０．２０％とする。

発明鋼の使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数：１５０個以下
発明鋼の熱間鍛造や金型等の熱間での鋼として使用する前の本発明鋼を、「使用前」の状態と称する。さて、使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数が１５０個より多すぎると、マトリックスに固溶している炭素の量が不足し、熱間工具鋼として使用中に微細な硬質の炭化物が析出することで、高温強度の向上に寄与する微細で硬質な炭化物の量が減少し、十分な高温強度が得られない。また、使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数が１５０個より多すぎると、当該鋼に応力が集中して割れの起点や伝播経路として作用するために、鋼の靭性を阻害する。
そこで、第２の手段では、発明鋼の使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数は１５０個以下とする。

次いで、発明を実施するための形態について、以下に実施例を参照しつつ説明する。

この発明を実施するための形態では、本発明鋼の高温使用時にＭ_２ＣやＭＣの二次炭化物が析出することで、軟化抵抗すなわち高温強度が得られる。しかし、使用前の段階で、炭化物が多いと、使用中の二次炭化物の析出量が減少して高い高温強度が得られず、また、使用前に粗大な炭化物が多く存在すると、靭性が低くなるなどの問題がある。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。先ず、表１に示す発明鋼のＮｏ．１～１６、および比較鋼のＮｏ．１７～３３の化学成分を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる各発明鋼および各比較鋼のそれぞれを１００ｋｇ真空誘導溶にて溶製し、各発明鋼および各比較鋼のそれぞれのインゴットに造塊した。
さらに、これらのインゴットを１２２０℃に加熱して角１５ｍｍの角材に鍛伸した。

これらの各発明鋼および各比較鋼の角材をそれぞれ８４０～１０００℃に加熱し、オーステナイト組織を得るとともに、炭化物を固溶させるのに十分な時間、例えば、３０分の熱処理を施して炭化物を固溶した後、油冷する焼入れを実施した。
さらに、これらを５００～７００℃に加熱後、空冷する焼戻しを実施した。
これらの実施により、各鋼材を３９～４１ＨＲＣに調質した。
調質した各発明鋼および各比較鋼の角材を、炭化物量の測定、靭性の評価、高温強度の評価を行うための、各試験用の供試材に機械加工した。

次いで、これらの各試験用の供試材を用いて、炭化物量の測定、靭性の評価、高温強度の評価の各試験を以下のように実施した。

炭化物量の評価は、上記の３９～４１ＨＲＣの調質材からなる各Ｎｏ．の発明鋼および各Ｎｏ．の比較鋼の供試材の中心をバフ研磨にて鏡面研磨した後、炭化物が多く観察される箇所を３０視野選択し、電子顕微鏡にて１０，０００倍で観察される円相当径１μｍ以上の炭化物個数を、画像解析により計測した。
この結果、１０，０００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個以下のものを、表１の炭化物個数の欄に○と表示し、１０，０００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個より多いものを、表１の炭化物個数の欄に×と表示して、炭化物量の評価とした。

靭性の評価は、上記の焼入焼戻し材からなる各Ｎｏ．の発明鋼および各Ｎｏ．の比較鋼の供試材から、ＪＩＳ規格の３号角１０ｍｍ、長さ５５ｍｍからなるＵノッチ試験片を形成し、これらの各Ｕノッチ試験片に対し、硬さが３９～４１ＨＲＣになるように焼入焼戻して、常温でシャルピー衝撃試験を行うことで靭性を評価した。すなわち、衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²以上となったものを、表１の靭性の欄に○とし、衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²未満のものを×として、それぞれ評価した。

高温強度の評価は、上記の焼入焼戻し材からなる各Ｎｏ．の発明鋼および各Ｎｏ．の比較鋼の供試材を、６００℃で１００時間保持後空冷し、室温におけるＨＲＣ硬さを各Ｎｏ．の発明鋼および各Ｎｏ．の比較鋼ごとに測定し、それらの初期硬さの３９～４１ＨＲＣからの減少値をもって高温強度の評価とした。減少値が１４ＨＲＣ以下となったものを表１の高温強度の欄に○と表示し、減少値が１４ＨＲＣより超えたものを表１の高温強度の欄に×と表示した。

発明鋼のＮｏ．１～１６の各Ｎｏ．のものは、炭化物個数、靭性、高温強度の各欄の評価が全て○であった。

これに対して比較鋼のＮｏ．１７～３３の各Ｎｏ．のものは、炭化物個数、靭性、高温強度の各欄の評価が全て○のものはなかった。

すなわち、比較鋼のＮｏ．１７は、Ｃ量が０．７１％と本願発明の上限値の０．６０％より多く、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、またＮｉ量が０．４％と本願発明の下限の０．５％より少ないため、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²低く×であり、かつ高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．１８、２３、２５、２７は、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個より多く×であり、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．１９は、Ｃｒ量が１．５％と本願発明の下限値の１．６％より少なく、焼入れ性が不十分で、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数の欄が×であり、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低いので×である。

比較鋼のＮｏ．２０は、Ｍｏ量が０．２％と本願発明の下限値の０．３％より少ないので焼入れ性が不十分で、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多く×である。

比較鋼のＮｏ．２１は、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低いので×である。

比較鋼のＮｏ．２２は、Ｎｉ量が０．４％と本願発明の下限値の０．５％より少なく、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低く×であり、かつＶ量が０．０３％と本願発明の下限値の０．０５％より少ないので、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多く×である。

比較鋼のＮｏ．２４は、Ｃ量が０．６６％と本願発明の上限値の０．６０％より多いので、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低く×であり、かつ高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．２６は、Ｃｒ量が２．８％と本願発明の上限値の２．６％より多く、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、さらに、焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成され、靭性が常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低く×となり、高温強度・軟化抵抗性を低下させ、かつ高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．２８は、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、靭性は常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低く×であり、かつ高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．２９は、Ｖ量が０．０３％と本願発明の下限値の０．０５％より少ないので、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多く×である。

比較鋼のＮｏ．３０は、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．３１は、Ｍｏ量が２．１％と本願発明の下限値の２．０％より多く、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ²以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、靭性はＭｏが多いので炭化物が粗大凝集することにより靭性を低下させ、常温でのシャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²より低く×であり、かつ高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．３２は、Ｃ量が本願発明の下限値の０．２％より少なく、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

比較鋼のＮｏ．３３は、１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いので炭化物数が×であり、高温強度は初期硬さからの減少量が１４ＨＲＣより多いので×である。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１～０．３％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｎｉ：０．５～２．５％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼で、該鋼の使用前の１０，０００μｍ²当りの円相当径１μｍ以上の大きさの炭化物の個数は１５０個以下であることを特徴とする高温強度および靭性に優れる熱間工具鋼。