JP7220750B1

JP7220750B1 - 高温強度と靭性に優れた熱間工具鋼

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Publication number: JP7220750B1
Application number: JP2021122796A
Authority: JP
Inventors: 剛士難波; 章生美谷
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-10
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: TW202321480A; WO2023008413A1; KR20240041334A; CN117561345A; JP2023024893A

Abstract

【課題】高い軟化抵抗性、焼入性、靭性を兼ね備えた熱間工具鋼の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１０～０．３０％未満、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｎｉ：０．５０～２．５０％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、かつ式Ａの値Ａが２７．４～２９．３となるように焼入焼戻しされた状態であって、使用前における１００００μｍ2当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個以下である、熱間工具鋼。ただし、式Ａ：Ａ＝［Ｔ］（ｌｏｇ10［ｔ］＋２４）／１０００。【選択図】なし

Description

本発明は、熱間鍛造金型等に使用される、高温強度と靭性に優れた熱間工具鋼に関する。関する。

熱間プレス鍛造や熱間押出しやダイカスト用の金型には、一般的に、日本産業規格（ＪＩＳ）ＳＫＤ６１鋼が、熱間ハンマー鍛造用の金型には、ＪＩＳＳＫＴ４鋼が汎用的に使用されている。ＪＩＳＳＫＤ６１鋼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はあるが、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、ＪＩＳＳＫＤ６１鋼の靭性は、熱疲労き裂の伸展を抑制するためには不足している。ＪＩＳＳＫＴ４鋼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た一方で、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ヘタリなどが発生する。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の用途には向いていない。

本出願人は、質量％で、Ｃ：０．３７～０．４５％、Ｓｉ：０．３～１．２％、Ｍｎ：０．６～１．５％、Ｎｉ：０．３～１．０％、Ｃｒ：１．０～２．０％、Ｍｏ：１．１～１．４％、Ｖ：０．１～０．３％及び残部Ｆｅからなり、合金成分の式Ｌと式Ｙを特定の範囲と規定する熱間工具鋼を提案している（特許文献１参照。）。
もっとも、使用前の炭化物析出状態については考慮されておらず、高温強度が不十分であった。

また、Ｃ：０．１０～０．７０％、Ｓｉ：０．１０～２．００％、Ｍｎ≦２．００％、Ｃr≦７．００％、ＷおよびＭｏの単独または複合で（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：０．２０～１２．００％、Ｖ≦３．００％、さらにＳ：０．００５％未満、Ｏが３０ｐｐｍ未満であり、残部が実質的にＦｅからなる組成の熱間加工用工具が提案されている（特許文献２参照。）。もっとも、成分変動の幅、使用前の炭化物析出状態についてはいずれも考慮されておらず、靭性が不十分であった。

特開２０１９－１９３７４号公報特開平１１－６８６８号公報

高温使用時にＭＣ系、Ｍ₂Ｃ系炭化物、炭窒化物が析出することで軟化抵抗、即ち高温強度が得られる。しかし、使用前の段階でＭ₂₃Ｃ₆系炭化物が多いと使用中のＭＣ系、Ｍ₂Ｃ系炭化物、炭窒化物析出量が減少し、高い高温強度が得られない。また、使用前に粗大な炭化物が多く存在すると靱性が低くなるといった問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、焼入れ条件を限定することで、圧鍛後に残存している、高温強度への寄与が小さいＭ₂₃Ｃ₆系炭化物を焼入れ工程にて固溶させ、これと同時に成分変動の幅を制御することで優れた靱性を得ることである。そして、焼入れ工程におけるＭ₂₃Ｃ₆炭化物の固溶により、マトリックス中の炭素量を増加させ、熱間工具鋼として使用中に、高温強度への寄与が大きいＭＣ系、Ｍ₂Ｃ系の微細な炭化物、炭窒化物を析出させることで、優れた高温強度を得ることである。すなわち、靭性と高温強度とを備えた熱間工具鋼を提供することである。

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、合金成分、焼入れ条件、炭化物状態、成分変動の幅を規定することで、優れた高温強度と靭性を兼備する熱間工具鋼が得られることを見出した。

すなわち、課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１０～０．３０％未満、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｎｉ：０．５０～２．５０％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、かつ式Ａの値Ａが２７．４～２９．３となるように焼入焼戻しされた状態であって、使用前における１００００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個以下である、熱間工具鋼である。
ただし、式Ａ：Ａ＝［Ｔ］（ｌｏｇ₁₀［ｔ］＋２４）／１０００、なお、［Ｔ］及び［ｔ］には、［Ｔ］：焼入温度（Ｋ）、［ｔ］：焼入温度保持時間（ｈ）の数値を代入する。

その第２の手段は、第１の手段の鋼であって、鋼中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの成分変動の幅が、
（Ｃ_max－Ｃ_min）／Ｃ≦１．０、
（Ｃｒ_max－Ｃｒ_min）／Ｃｒ≦０．５、
（Ｍｏ_max－Ｍｏ_min）／Ｍｏ≦１．５、
（Ｖ_max－Ｖ_min）／Ｖ≦１．５
であることを特徴とする熱間工具鋼である。

本発明の手段の熱間工具鋼は、初期硬さからの減少幅は１４ＨＲＣ以内で、シャルピー衝撃試験も衝撃値は７０Ｊ／ｃｍ²以上であるなど、高温強度と靭性を兼備した熱間工具鋼を得ることができる。
成分変動の幅を規定して良好に制御すると、内部偏析が小さく、シャルピー衝撃試験の衝撃値が８５Ｊ／ｃｍ²以上となるので、より靭性が良好な熱間工具鋼を得ることができる。

先ず、本願にかかる発明の実施の形態の記載に先立って、本発明の手段の熱間工具鋼に添加する化学成分を規定する理由、式Ａを規定し、炭化物個数を規定する理由について説明する。なお、化学成分における％は質量％を示す。

Ｃ：０．２０～０．６０％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物、炭窒化物を形成させることで高温強度、硬度、耐摩耗性を得るための成分である。Ｃが０．２０％未満であると、十分な高温強度が得られない。他方、Ｃが０．６０％を超えると、凝固偏析を助長し、粗大な炭化物、炭窒化物が生じ、靭性が低下する。また、生じた炭化物が焼入れ時に未固溶で残存することで、熱間工具鋼として使用時の炭化物、炭窒化物析出量が減少し、高温強度の向上が望めない。そこで、Ｃは０．２０～０．６０％とする。好ましくは、Ｃは０．４０～０．６０％である。

Ｓｉ：０．１０～０．３０％未満
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入性確保に必要な成分である。Ｓｉが０．１０％未満であると十分な効果を発揮しない。他方、Ｓｉが０．３０％以上であると靭性の低下を招く。そこでＳｉは０．１０％以上０．３０％未満とする。

Ｍｎ：０．５０～２．００％
Ｍｎは製鋼での脱酸効果、焼入性の確保に必要な成分である。Ｍｎが０．５０％未満であると十分な効果を発揮しない。Ｍｎが２．００％より多いと加工性の低下を招く。そこで、Ｍｎは０．５０～２．００％とする。

Ｎｉ：０．５０～２．５０％
Ｎｉは焼入性の確保、靱性向上のために必要な成分である。Ｎｉが０．５０％未満であると十分な効果を発揮しない。Ｎｉが２．５０％より多いとコストが大きくなりすぎる。そこで、Ｎｉは０．５０～２．５０％とする。

Ｃｒ：１．６～２．６％
Ｃｒは十分な焼入性の確保に必要な成分である。Ｃｒが１．６％未満では十分な焼入性が得られない。他方、Ｃｒを２．６％より多く添加すると、焼入焼戻し時にＣｒ，Ｆｅを主体とするＭ₂₃Ｃ₆系の炭化物が過多に形成され、高温強度・軟化抵抗性および靱性を低下させる。そこで、Ｃｒは１．６～２．６％とする。

Ｍｏ：０．３～２．０％
Ｍｏは焼入性と二次硬化、高温強度に寄与する析出炭化物を得るために有用な成分である。Ｍｏが０．３％未満であると十分な効果が得られない。Ｍｏが２．０％より多いと、過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、炭化物が粗大凝集することにより靭性を
低下させる。また、コスト高になる。そこで、Ｍｏは０．３～２．０％とする。

Ｖ：０．０５～０．８％
Ｖは焼戻し時または熱間工具鋼として使用中に微細で硬質な炭化物、炭窒化物を析出し、強度や耐摩耗性に寄与する成分である。Ｖが０．０５％より少ないとこれらの効果が十分には得られない。Ｖが０．８０％より多いと、凝固時に粗大な炭化物、炭窒化物が晶出し、靭性を阻害する。そこでＶは０．０５～０．８０％である。好ましくは、Ｖは０．０５～０．２０％である。

値Ａ：２７．４～２９．３
式Ａ：Ａ＝［Ｔ］（ｌｏｇ₁₀［ｔ］＋２４）／１０００
なお、［Ｔ］及び［ｔ］には、［Ｔ］：焼入温度（Ｋ）、［ｔ］：焼入温度保持時間（ｈ）の数値を代入する。
式Ａは、焼入温度と保持時間を規定することで、炭化物の固溶性を確保するための指標である。値Ａが２７．４以下となると、本発明の成分における鋼の焼入れによる炭化物の固溶が不十分となるので、熱間工具として使用する際の靭性、高温強度が不足する。他方、値Ａが２９．３を超えると、旧オーステナイト結晶粒の粗大化により靭性が低下する。そこで値Ａを２７．４～２９．３とする。

１００００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数：１５０個以下
円相当径で１μｍ以上の炭化物が多すぎると、マトリックス中の炭素量が不足し、熱間工具鋼として使用中に析出するＭＣ系、Ｍ₂Ｃ系炭化物、炭窒化物の量が減少する。ＭＣ系、Ｍ₂Ｃ系炭化物、炭窒化物は、熱間工具鋼として使用中に析出することで高温強度向上に寄与しているので、これらが減少してしまうと、十分な高温強度が得られないこととなる。また、円相当径１μｍ以上の炭化物が多すぎると応力が集中し、割れの起点や伝ぱ経路として作用するため、靱性を阻害することとなる。そこで、１００００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数を１５０個以下とする。

鋼中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの成分変動の幅が、
（Ｃ_max－Ｃ_min）／Ｃ≦１．０
（Ｃｒ_max－Ｃｒ_min）／Ｃｒ≦０．５
（Ｍｏ_max－Ｍｏ_min）／Ｍｏ≦１．５
（Ｖ_max－Ｖ_min）／Ｖ≦１．５
合金元素［Ｍ］について（［Ｍ］_Max－［Ｍ］_Min）／［Ｍ］で評価するとき、各合金元素（［Ｍ］は、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖである。）の内部偏析による成分のばらつきが大きいと、炭化物、炭窒化物の分布差、変形能差が大きくなるので、靭性を低下させることとなる。
そこで、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖについての成分変動の幅について規制することが望ましい。
なお、偏析による成分変動幅は、鋼材のＬ面をＥＰＭＡ（Electron Prove Micro Analysis）を用いて０．５ｍｍ×０．５ｍｍ範囲の濃度プロファイルを測定する。
また、１２２５℃～１３００℃の範囲で、鋼塊中心部を１０～４０時間均熱保持するソーキング処理の適用は、成分変動の値を効果的に小さくすることを可能にする。

（実施例）
表１の発明鋼Ｎｏ.１～２８及び表２の比較鋼Ｎｏ.２９～４０に記載の化学成分と残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼を１００ｋｇＶＩＭで溶製し、インゴットに造塊した。なお、発明鋼Ｎｏ．１～２０に関しては上記の範囲でソーキングを行った。その後、これらのインゴットを１２２０℃に加熱して、角１５に鍛伸した。なお、バルクの各鋼の成分組成は、ＩＣＰ分光分析で確認した。
その後、８５０～９６０℃に加熱し、各種時間（３０分～３時間）保持することで、オーステナイト組織を得た。次いで油冷する焼入れを実施し、さらに５００～７００℃に加熱した後、空冷の焼戻しを２回実施し、３９～４１ＨＲＣに調質した。さらに機械加工にて供試材を得た。
なお、表１の化学成分の残部はＦｅと不可避的不純物である。

（炭化物量の測定）
焼入焼戻し材の鋼材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。１０，０００μｍ²あたりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個以下となったものをＡとし、これより個数の多いものをＣとした。

（成分変動の幅の評価）
各試験片について、そのＬ面（鋼板の圧延方向及び板厚方向に平行な面、いわゆる長手断面）を鏡面研磨した後、ＥＰＭＡ（Electron Prove Micro Analysis）を用いて０．５ｍｍ×０．５ｍｍ範囲の濃度プロファイルを測定した。合金元素［Ｍ］について（［Ｍ］_Max－［Ｍ］_Min）／［Ｍ］で評価した。結果を成分変動の幅として表３、表４に示す。
Ｃ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖについて全ての合金元素で［Ｍ］_Max－［Ｍ］_Min）／［Ｍ］の値が規定の値内である場合は、成分変動の幅の規定要件を満たす優れたものとしてＡ評価とし、一成分でも変動幅が大きく要件を満たさなかったものは劣るものとしてＣ評価とした。表１、表２に成分変動の幅の評価結果を示した。

（高温強度）
各試験片の焼入焼戻し材のＨＲＣ硬さを測定した後、さらに６００℃で１００時間保持後空冷し、室温におけるＨＲＣ硬さを測定して、初期硬さからの減少値をもって高温強度を評価した。減少値が１４ＨＲＣ以下となったものをＡとし、減少値がこれより大きいものをＣとした。

（靱性）
ＪＩＳ規定の３号角１０ｍｍ、長さ５５ｍｍからなるＵノッチの試験片に対し、硬さが３９～４１ＨＲＣになるように焼入焼戻しを施して、常温でシャルピー衝撃試験を行うことで靱性を評価した。衝撃値７０Ｊ／ｃｍ²以上となったものをＡ、特に８５Ｊ／ｃｍ²以上をＡ⁺とした、７０Ｊ／ｃｍ²未満のものをＣとした。

発明例Ｎｏ．１～２８は、表１に示すように、いずれも化学成分の規定範囲内であって、式Ａの値を満足しており、円相当径１μｍ以上の炭化物個数も少ないものとなった。そこで、シャルピー衝撃試験では衝撃値は７０Ｊ／ｃｍ²以上を示したので靭性はＡ評価であり、初期硬さからの減少幅も１４ＨＲＣ以内で高温強度（軟化抵抗性）もＡの評価で優れたものとなるなど、高温強度と靭性を兼備した熱間工具鋼が得られた。

比較例Ｎｏ．２９は、Ｃ量が少ないため、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３０は、Ｃ量が多く、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多く、成分変動の幅が大きいため、靭性、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３１は、Ｓｉ量が多く、靭性が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３２は、Ｎｉ量が少なく、靭性が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３３は、Ｃｒ量が多く、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多く、成分変動の幅が大きいため、靭性、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３４は、Ｍｏ量が少なく、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３５は、Ｍｏ量が多く、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多く、成分変動の幅が大きいため、靭性、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３６は、Ｖ量が少なく、高温強度が低い。
比較例Ｎｏ．３７は、Ｖ量が多く、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多く、成分変動の幅が大きいため、靭性が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３８は、式Ａの値が小さく、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多いため、靭性、高温強度が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．３９は、式Ａの値が大きく、靭性が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．４０は、円相当径１μｍ以上の炭化物個数が多く、靭性、高温強度が低いものとなった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１０～０．３０％未満、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｎｉ：０．５０～２．５０％、Ｃｒ：１．６～２．６％、Ｍｏ：０．３～２．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、焼入焼戻しされた状態であって、式Ａの値Ａが２７．４～２９．３であり、使用前における１００００μｍ²当たりの円相当径１μｍ以上の炭化物個数が１５０個以下であり、
さらに、鋼中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの成分変動の幅が、
（Ｃ _max －Ｃ _min ）／Ｃ≦１．０、
（Ｃｒ _max －Ｃｒ _min ）／Ｃｒ≦０．５、
（Ｍｏ _max －Ｍｏ _min ）／Ｍｏ≦１．５、
（Ｖ _max －Ｖ _min ）／Ｖ≦１．５
である熱間工具鋼。
ただし、式Ａ：Ａ＝［Ｔ］（ｌｏｇ₁₀［ｔ］＋２４）／１０００、なお、［Ｔ］及び［ｔ］には、［Ｔ］：焼入温度（Ｋ）、［ｔ］：焼入温度保持時間（ｈ）の数値を代入する。