JP7629269B2 - 熱伝導率に優れる熱間工具鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、熱伝導率に優れる熱間工具鋼に関する。特に熱間工具鋼のうち、ダイカストやホットスタンピングなどの、高温環境下で使用される金型用鋼に関する。
近年、ダイカスト分野において、自動車の軽量化を目的としたアルミ部品の高強度化や生産性向上を目的とした部品成形の加工ピッチの短縮化から、ダイカスト金型への機械的及び熱的負荷が増大している。その結果、金型には、摩耗、大割れ、ヒートチェックといった問題が生じやすくなっている。これらの問題に対応するため、金型材料には、硬度・靭性に優れる材料が求められている。また、ホットスタンピングでは、被加工材である鋼板の表面に発生したスケールによる金型の摩耗が問題となっており、金型材料には、高い硬度及び軟化抵抗性が求められている。
さらに、ダイカストやホットスタンピング用の金型は、内部に冷却回路が作製されており、ここを流れる冷却水による冷却効率が生産サイクルスピードに大きく影響する。冷却効率を高める方法としては、金型の高熱伝導率化がある。そのため、前述した生産性向上を目的とした、生産サイクルスピードの向上に対する要求に応えるためには、材料の特性として、高い熱伝導率が必要である。
特許文献１～特許文献９には、上記要請の改善を試みる従来技術が提案されている。
まず、ＣｕやＢを考慮していないダイカスト金型用鋼が提案されている（例えば特許文献１参照。）。もっとも、言及のないＣｕやＢは不可避不純物の範囲に留まっているので、不完全焼入れ相であるベイナイトが形成しやすく、靱性が不足する問題がある。
まず、ＣｕやＢを考慮していないダイカスト金型用鋼が提案されている（例えば特許文献１参照。）。もっとも、言及のないＣｕやＢは不可避不純物の範囲に留まっているので、不完全焼入れ相であるベイナイトが形成しやすく、靱性が不足する問題がある。
また、熱間鍛造時に表面割れ現象が発生して鍛造性を減少させるので、Ｃｕを０．０２％以下とする熱間金型鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。もっとも、Ｃｕが少ないので不完全焼入れ相であるベイナイトが形成されて、靭性が不足する問題がある。
また、焼入れ性確保のためにＭｎが１．５０％より多く含有されている金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、このようにＭｎが過剰添加されると熱伝導率が低下する問題がある。
また、被削性確保のためにＶが０．１％以下で含有されている金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、このようにＶが少ないと、焼入焼戻し硬さが不足する問題がある。
また、焼入れ時のγ結晶粒粗大化抑制のため、Ｖが０．５５％より多く含有されている金型用鋼を用いた成形具が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。しかし、このようにＶが過剰に添加されると、熱伝導率が低下する問題がある。
また、耐食性確保のためにＣｒが４．００％以上と多く含有されている金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。しかし、Ｃｒの過剰添加によって、熱伝導率が低下する問題がある。
溶接割れ抑制のためＣが０．３５％以下と少なく含有されているダイカスト金型用プリハードン鋼が提案されている（例えば、特許文献７参照。）しかし、このようにＣ量が少ないと、焼入焼戻し硬さが不足する問題がある。
また、Ｍｏ＋１／２・Ｗが３．０％より大きい熱間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献８参照。）。しかし、ＭｏまたはＷの過剰添加によって、熱伝導率が低下する問題がある。
また、Ｎｉが３％以上含有されている熱間工具鋼が提案されている（例えば、特許文献９参照。）。この文献の請求項や実施例に記載の鋼は、Ｎｉを３％より多く含有している。しかし、３％以上では、Ｎｉの過剰添加によって熱伝導率が低下する問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、高い熱伝導率、高い硬度、優れた軟化抵抗性、高い靭性を兼ね備えた、ダイカストやホットスタンピングなどに適用可能な金型用鋼である熱間工具鋼を提供することである。熱間工具鋼とは、熱間温度域の被加工物を加工する工具として用いられる工具鋼のことである。
発明者は鋭意開発を進めた結果、合金成分を特定の範囲に規定し、さらには鋼の組織、炭化物状態を特定することで、高い熱伝導率、高い硬度、軟化抵抗性に優れ、および高い靭性を兼備した熱間工具鋼が得られることを見出した。
課題を解決するための第１の手段は、質量％で、
Ｃ：０．３５超～０．７０％、
Ｓｉ：０．０１～１．２０％、
Ｍｎ：０．０１～１．５０％、
Ｃｒ：０．３０～４．００％、
Ｃｕ：０．０５～３．５０％、
ＭｏとＷのうちの１種類または２種類であって、Ｍｏ：３．００％以下、Ｗ：６．００％以下で、かつ、Ｍｏ＋１／２・Ｗ：０．５０％～３．００％であり、
Ｖ：０．１０超～０．５５％、
Ｂ：０．０００１～０．０１００％
を有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
Ｃ：０．３５超～０．７０％、
Ｓｉ：０．０１～１．２０％、
Ｍｎ：０．０１～１．５０％、
Ｃｒ：０．３０～４．００％、
Ｃｕ：０．０５～３．５０％、
ＭｏとＷのうちの１種類または２種類であって、Ｍｏ：３．００％以下、Ｗ：６．００％以下で、かつ、Ｍｏ＋１／２・Ｗ：０．５０％～３．００％であり、
Ｖ：０．１０超～０．５５％、
Ｂ：０．０００１～０．０１００％
を有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第２の手段は、第１の手段に記載の化学成分に加えて、質量％でＮｉ：０．０１～２．９９％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第３の手段は、第１または第２のいずれか１の手段に記載の化学成分に加えて、質量％でＮ：０．０００１～０．０４００％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第４の手段は、第１から第３のいずれか１の手段に記載の化学成分に加えて、質量％でＴｉ：０．００１～０．０１５０％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第５の手段は、第１から第４のいずれか１の手段に記載の化学成分に加えて、質量％で、Ａｌ：０．００１～１．０００％を有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第６の手段は、第１から第５のいずれか１の手段に記載の化学成分を有し、残部はＦｅおよび可避的不純物から熱間工具鋼は、マルテンサイト単相組織、あるいはマルテンサイトとベイナイトの混合組織であって該混合組織のマルテンサイトの割合は８０％以上であること、を特徴とする熱間工具鋼である。
その第７の手段は、第１から第５のいずれか１の手段に記載の化学成分を有し、残部は不可避的不純物からなる熱間工具鋼であって、鋼中のＭ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物およびＭＣ炭化物の全炭化物中に占める、Ｍ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合が９０％以下であることを特徴とする熱間工具鋼である。
その第８の手段は、第６の手段に記載の熱間工具鋼であって、さらに、鋼中のＭ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物およびＭＣ炭化物の全炭化物中に占める、Ｍ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合が９０％以下であることを特徴とする熱間工具鋼である。
さて、上記の本発明の各手段の熱間工具鋼は、これを焼入焼戻しされた状態で、室温での熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率となり、室温での硬さが４８．０ＨＲＣ以上の高硬度となり、焼入焼戻し後に６００℃で１００時間保持した後の室温での硬さが３２．０ＨＲＣ以上の高軟化抵抗性を示し、室温でのシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上の高靭性となる。そこで、本発明の各手段の熱間工具鋼を用いると、金型用鋼として好適な、高熱伝導率、高硬度、高軟化抵抗性、高靱性を兼備するものとできる。
なお、本発明において、
高熱伝導率とは：焼入焼戻し後の室温での熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、
高硬度とは：焼入焼戻し後の室温での硬さが４８．０ＨＲＣ以上、
高靱性とは：焼入焼戻し後の室温でのシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上、
高軟化抵抗性とは：焼入焼戻し後に６００℃で１００ｈ保持後の室温での硬さが３２．０ＨＲＣ以上のことをいう。
高熱伝導率とは：焼入焼戻し後の室温での熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、
高硬度とは：焼入焼戻し後の室温での硬さが４８．０ＨＲＣ以上、
高靱性とは：焼入焼戻し後の室温でのシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上、
高軟化抵抗性とは：焼入焼戻し後に６００℃で１００ｈ保持後の室温での硬さが３２．０ＨＲＣ以上のことをいう。
まず、本発明の課題を解決するための手段の熱間工具鋼における化学成分の規定理由と、この熱間工具鋼の組織および炭化物の状態について規定する理由を以下に説明する。
Ｃ：０．３５超～０．７０％
Ｃは、固溶することでマトリックスを強化し、また、炭化物を形成すること析出強化を促す元素である。ところで、Ｃが０．３５％以下と少ない場合には、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｃが０．７０％を超えて過多となると、偏析を助長し、靭性を低下させる。そこでＣは０．３５％超から０．７０％以下とし、望ましくは、Ｃは０．５５％超から０．７０％以下とする。
Ｃは、固溶することでマトリックスを強化し、また、炭化物を形成すること析出強化を促す元素である。ところで、Ｃが０．３５％以下と少ない場合には、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｃが０．７０％を超えて過多となると、偏析を助長し、靭性を低下させる。そこでＣは０．３５％超から０．７０％以下とし、望ましくは、Ｃは０．５５％超から０．７０％以下とする。
Ｓｉ：０．０１～１．２０％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。ところで、Ｓｉが０．０１％より少ないと、製鋼時に十分に脱酸されない。一方、Ｓｉは１．２０％より多過ぎると、炭化物を形成することなくマトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｓｉは０．０１％以上１．２０％以下とする。しかし、Ｓｉは０．０５％以上であるときは、マトリックスに固溶することで硬さを向上させる効果があるので、望ましくは、Ｓｉは０．０５％以上１．００％以下とする。
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。ところで、Ｓｉが０．０１％より少ないと、製鋼時に十分に脱酸されない。一方、Ｓｉは１．２０％より多過ぎると、炭化物を形成することなくマトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｓｉは０．０１％以上１．２０％以下とする。しかし、Ｓｉは０．０５％以上であるときは、マトリックスに固溶することで硬さを向上させる効果があるので、望ましくは、Ｓｉは０．０５％以上１．００％以下とする。
Ｍｎ：０．０１～１．５０％
Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。ところで、Ｍｎが０．０１％より少ないと、十分に脱酸されない。一方、Ｍｎが１．５０％より多すぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは０．０１％以上１．５０％以下とし、望ましくはＭｎは０．０５％以上０．９２％未満とし、より望ましくはＭｎは０．１０％以上０．５０％未満とする。
Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。ところで、Ｍｎが０．０１％より少ないと、十分に脱酸されない。一方、Ｍｎが１．５０％より多すぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは０．０１％以上１．５０％以下とし、望ましくはＭｎは０．０５％以上０．９２％未満とし、より望ましくはＭｎは０．１０％以上０．５０％未満とする。
Ｃｒ：０．３０％～４．００％
Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するのに必要な元素である。ところで、Ｃｒが０．３０％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｃｒが４．００％より過多であると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。また、Ｃｒが多すぎると、焼戻し時に高温で粗大化しやすいＭ23Ｃ6炭化物が析出し、軟化抵抗性が低下する。そこで、Ｃｒは０．３０％以上４．００％以下とし、望ましくは、Ｃｒは０．４０％以上２．６０％未満とし、より望ましくは、Ｃｒは０．５０％以上２．１０％未満とする。
Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するのに必要な元素である。ところで、Ｃｒが０．３０％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｃｒが４．００％より過多であると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。また、Ｃｒが多すぎると、焼戻し時に高温で粗大化しやすいＭ23Ｃ6炭化物が析出し、軟化抵抗性が低下する。そこで、Ｃｒは０．３０％以上４．００％以下とし、望ましくは、Ｃｒは０．４０％以上２．６０％未満とし、より望ましくは、Ｃｒは０．５０％以上２．１０％未満とする。
Ｃｕ：０．０５％～３．５０％
Ｃｕは、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するために必要な元素である。ところで、Ｃｕは０．０５％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｃｕは３．５０％より多過ぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｃｕは０．０５％以上３．５０％以下とし、望ましくは、Ｃｕは０．１０％以上３．００％以下とする。
Ｃｕは、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するために必要な元素である。ところで、Ｃｕは０．０５％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｃｕは３．５０％より多過ぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｃｕは０．０５％以上３．５０％以下とし、望ましくは、Ｃｕは０．１０％以上３．００％以下とする。
ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種を含有し、
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｗ：６．００％以下、
Ｍｏ＋１／２・Ｗ：０．５０～３．００％であること
ＭｏとＷは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高めるために必用な元素である。ＭｏやＷは、多すぎると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｏ＋１／２・Ｗが３．００％以下であって、Ｍｏ：３．００％以下、Ｗ：６．００％以下とする。
他方、ＭｏやＷが少なすぎると、十分な焼入焼戻し硬さがえられない。Ｍｏ＋１／２・Ｗが０．５０％未満で少なすぎると、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。そこで、Ｍｏ、Ｗは１種又は２種を含有するものとし、Ｍｏは３．００％以下、Ｗは６．００％以下、Ｍｏ＋１／２・Ｗは０．５０％以上３．００％以下とし、望ましくはＭｏ＋１／２・Ｗは１．５０％以上３．００％以下とする。
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｗ：６．００％以下、
Ｍｏ＋１／２・Ｗ：０．５０～３．００％であること
ＭｏとＷは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高めるために必用な元素である。ＭｏやＷは、多すぎると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｏ＋１／２・Ｗが３．００％以下であって、Ｍｏ：３．００％以下、Ｗ：６．００％以下とする。
他方、ＭｏやＷが少なすぎると、十分な焼入焼戻し硬さがえられない。Ｍｏ＋１／２・Ｗが０．５０％未満で少なすぎると、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。そこで、Ｍｏ、Ｗは１種又は２種を含有するものとし、Ｍｏは３．００％以下、Ｗは６．００％以下、Ｍｏ＋１／２・Ｗは０．５０％以上３．００％以下とし、望ましくはＭｏ＋１／２・Ｗは１．５０％以上３．００％以下とする。
Ｖ：０．１０超～０．５５％
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ところが、Ｖが０．１０％以下であると、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｖが０．５５％より多すぎると、マトリックスに残存するＶが増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、Ｖは０．１０％超から０．５５％以下とし、望ましくは、Ｖは０．２５％以上０４５％未満とする。
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ところが、Ｖが０．１０％以下であると、十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｖが０．５５％より多すぎると、マトリックスに残存するＶが増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、Ｖは０．１０％超から０．５５％以下とし、望ましくは、Ｖは０．２５％以上０４５％未満とする。
Ｂ：０．０００１～０．０１００％
Ｂは、微量添加により、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するのに必要な元素である。ところで、Ｂが０．０００１％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｂが０．０１００％より多すぎると焼戻し時に粗大な炭化物を形成し、靭性が低下する。そこで、Ｂは０．０００１％以上０．０１００％以下とし、望ましくは、Ｂは０．０００５％以上０．００７５％以下とする。
Ｂは、微量添加により、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制するのに必要な元素である。ところで、Ｂが０．０００１％より少ないと、十分な靭性が得られない。一方、Ｂが０．０１００％より多すぎると焼戻し時に粗大な炭化物を形成し、靭性が低下する。そこで、Ｂは０．０００１％以上０．０１００％以下とし、望ましくは、Ｂは０．０００５％以上０．００７５％以下とする。
Ｎｉ：０．０１～２．９９％
Ｎｉは、必ずしも添加する必要はない元素であるが、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。ところで、Ｎｉは２．９９％より多く含有されると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｎｉは０．０１％以上２．９９％以下とし、望ましくは、Ｎｉは０．０１％以上２．００％以下とする。
Ｎｉは、必ずしも添加する必要はない元素であるが、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。ところで、Ｎｉは２．９９％より多く含有されると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｎｉは０．０１％以上２．９９％以下とし、望ましくは、Ｎｉは０．０１％以上２．００％以下とする。
Ｎ：０．０００１～０．０４００％
Ｎは、必ずしも添加する必要はないが、Ｃと同様に焼入焼戻硬さを大きくするのに有効な元素である。ところで、Ｎが０．０４００％より過剰に添加されると、製錬の際に時間を要するので、製錬時のコストの上昇を招く。そこで、Ｎは０．０００１％以上０．０４００％以下とし、望ましくは、Ｎは０．０００１％以上０．０３００％以下とする。
Ｎは、必ずしも添加する必要はないが、Ｃと同様に焼入焼戻硬さを大きくするのに有効な元素である。ところで、Ｎが０．０４００％より過剰に添加されると、製錬の際に時間を要するので、製錬時のコストの上昇を招く。そこで、Ｎは０．０００１％以上０．０４００％以下とし、望ましくは、Ｎは０．０００１％以上０．０３００％以下とする。
Ｔｉ：０．１５０％以下
Ｔｉは、必ずしも添加する必要はないが、Ｂによる焼入性向上を促進する効果を有する元素である。焼入れの際にＮがＴｉと化合物化することによって、固溶Ｂ量が増加し、焼入性が向上する。ところが、Ｔｉが０．１５０％より多く添加されると、粗大なＴｉＮを形成し、靭性が低下する。そこで、Ｔｉは０．１５０％以下とし、望ましくは、Ｔｉは０．１００％以下とする。
Ｔｉは、必ずしも添加する必要はないが、Ｂによる焼入性向上を促進する効果を有する元素である。焼入れの際にＮがＴｉと化合物化することによって、固溶Ｂ量が増加し、焼入性が向上する。ところが、Ｔｉが０．１５０％より多く添加されると、粗大なＴｉＮを形成し、靭性が低下する。そこで、Ｔｉは０．１５０％以下とし、望ましくは、Ｔｉは０．１００％以下とする。
Ａｌ：０．００１～１．０００％
Ａｌは、必ずしも添加する必要はないが、マトリクスに固溶して硬さを向上する元素である。ところで、Ａｌが０．００１％未満であると、マトリックスに固溶して硬さが向上されない。一方、Ａｌが１．０００％より多いと、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ａｌは０．００１％以上１．０００％以下とし、望ましくは、Ａｌは０．００５％以上０．７００％以下とする。
Ａｌは、必ずしも添加する必要はないが、マトリクスに固溶して硬さを向上する元素である。ところで、Ａｌが０．００１％未満であると、マトリックスに固溶して硬さが向上されない。一方、Ａｌが１．０００％より多いと、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ａｌは０．００１％以上１．０００％以下とし、望ましくは、Ａｌは０．００５％以上０．７００％以下とする。
次に熱間工具鋼の組織について説明する。
焼入焼戻し状態での組織：マルテンサイト単相（マルテンサイトの割合（Ｍ率）：１００％）、もしくはマルテンサイトとベイナイトの混合組織であって混合組織中のマルテンサイトの割合：８０％以上
焼入焼戻し状態の組織中に不完全焼入れ相であるベイナイトが多く存在すると、靭性が大幅に低下し、ホットスタンピング・ダイカスト金型として使う際に、十分な金型寿命が得られないこととなる。そこで、焼入焼戻し状態の組織は、マルテンサイト単相のみの組織（すなわち、マルテンサイトの割合のＭ率は１００％である。）か、あるいは、焼入焼戻し状態での組織がマルテンサイトとベイナイトの混合組織の場合には、該混合組織中におけるマルテンサイトの割合のＭ率は８０％以上である。
焼入焼戻し状態での組織：マルテンサイト単相（マルテンサイトの割合（Ｍ率）：１００％）、もしくはマルテンサイトとベイナイトの混合組織であって混合組織中のマルテンサイトの割合：８０％以上
焼入焼戻し状態の組織中に不完全焼入れ相であるベイナイトが多く存在すると、靭性が大幅に低下し、ホットスタンピング・ダイカスト金型として使う際に、十分な金型寿命が得られないこととなる。そこで、焼入焼戻し状態の組織は、マルテンサイト単相のみの組織（すなわち、マルテンサイトの割合のＭ率は１００％である。）か、あるいは、焼入焼戻し状態での組織がマルテンサイトとベイナイトの混合組織の場合には、該混合組織中におけるマルテンサイトの割合のＭ率は８０％以上である。
焼入焼戻しされた状態の熱間工具鋼の特定の炭化物の割合について
鋼材中の全炭化物に占めるＭ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合：９０％以下
焼入焼戻し状態で、鋼材中の全炭化物（すなわち、Ｍ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物、ＭＣ炭化物）に占めるＭ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃの炭化物の割合を９０％以下とする。なぜなら、高温で粗大化しやすい炭化物であるＭ23Ｃ6炭化物とＭ6Ｃ炭化物が焼入焼戻し状態で鋼材中に９０％より多く存在すると、鋼材の軟化抵抗性が低下するからである。
鋼材中の全炭化物に占めるＭ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合：９０％以下
焼入焼戻し状態で、鋼材中の全炭化物（すなわち、Ｍ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物、ＭＣ炭化物）に占めるＭ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃの炭化物の割合を９０％以下とする。なぜなら、高温で粗大化しやすい炭化物であるＭ23Ｃ6炭化物とＭ6Ｃ炭化物が焼入焼戻し状態で鋼材中に９０％より多く存在すると、鋼材の軟化抵抗性が低下するからである。
次いで、本発明の実施の形態について、適宜、表を参照しながら順次説明する。
本発明の実施例として、以下の表１および表２に、発明鋼Ｎｏ．１～Ｎｏ．７８の化学成分を示す。また、表３にＮｏ．７９～９７の比較鋼の化学成分を示す。なお、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
これらの化学成分のＮｏ．１～８３の発明鋼ならびに比較鋼は、それぞれ、真空誘導溶解炉にて溶製して、得られた各Ｎｏ．の１００ｋｇの鋼塊を、それぞれ幅６５ｍｍで高さ３０ｍｍのブロックに熱間鍛伸により鍛伸材とした。次いで、これらの各Ｎｏ．の鍛伸材を８７０℃で焼なましを行った後、それらの表面と中心との中間位置から、直径２０ｍｍで長さ１６０ｍｍの丸棒をそれぞれ採取した。
さらに、これらの各丸棒を１０３０℃に保持して均熱化した後、空冷によって焼入れを行ない、次いで５７０～６７０℃で２回の焼戻しを行った。その後、焼入焼戻しされた状態の各鋼材の組織、析出炭化物を観察し、また表４～表６に示す各種の特性についての調査を実施した。
これらの化学成分のＮｏ．１～８３の発明鋼ならびに比較鋼は、それぞれ、真空誘導溶解炉にて溶製して、得られた各Ｎｏ．の１００ｋｇの鋼塊を、それぞれ幅６５ｍｍで高さ３０ｍｍのブロックに熱間鍛伸により鍛伸材とした。次いで、これらの各Ｎｏ．の鍛伸材を８７０℃で焼なましを行った後、それらの表面と中心との中間位置から、直径２０ｍｍで長さ１６０ｍｍの丸棒をそれぞれ採取した。
さらに、これらの各丸棒を１０３０℃に保持して均熱化した後、空冷によって焼入れを行ない、次いで５７０～６７０℃で２回の焼戻しを行った。その後、焼入焼戻しされた状態の各鋼材の組織、析出炭化物を観察し、また表４～表６に示す各種の特性についての調査を実施した。
上記の各種の特性とは、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、焼入焼戻し硬さ（ＨＲＣ）、靭性を示すシャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ2）および高温保持後の硬さ（ＨＲＣ）すなわち軟化抵抗性である。
１）組織観察は、焼入焼戻しされた状態の各試料について、その鍛伸方向に平行な面を、鏡面になるまで研磨して、ナイタールで腐食した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて行った。総面積５００００μｍ2の領域において、ベイナイトの有無を確認し、ベイナイトが確認された場合には、画像解析を用いて、面積率の算出を百分率で行った。
２）炭化物観察用の試験片は、焼入焼戻しした状態の各試料の鍛伸方向に平行な面を研磨し、抽出レプリカ法により作成した。この試験片を、透過型電子顕微鏡の明視野像を用いて、総面積５００μｍ2の領域において観察した。炭化物種は、電子線回折の結果と炭化物の形状から判断した。撮影した写真を画像解析し、全炭化物中に占めるＭ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物の合計面積率を百分率で算出した。
３）熱伝導率の測定には、レーザフラッシュ法を用いた。焼入焼戻しされた状態の各試料を直径１０ｍｍ×１ｍｍの円柱形状に仕上げ加工して、試験に供した。熱伝導率は、室温で測定した。
４）焼入焼戻し硬さは、ロックウェル硬さ試験機により室温で測定した。焼入焼戻しされた状態の各試料について、その鍛伸方向に垂直な面の硬さを測定した。
５）靭性は、室温でのシャルピー衝撃試験により評価を実施した。試験片は、焼入焼戻し後の鋼材の試料から作製した。試験片形状は２ｍｍＵノッチシャルピー試験片であり、ノッチ方向は鍛伸方向に対して垂直な方向とした。
６）軟化抵抗性は、焼入焼戻し後の鋼材の試料を６００℃で１００時間保持して空冷した後、室温での硬さをロックウェル硬さ試験機で測定することで評価した。
上記の１）の組織および２）の炭化物の状態については、表１～３に示した。表中の組織のＭ率とは、組織中におけるマルテンサイトの面積比を百分率で示した値である。また、全炭化物中のＭ6Ｃ炭化物及びＭ23Ｃ6炭化物の合計面積率を百分率で示している。
上記の３）で測定した熱伝導率、４）で測定した焼入焼戻し硬さ、５）で測定したシャルピー衝撃値（靭性）、および６）で測定した高温保持後の硬さ（軟化抵抗性）、について、以下の表４および表５で発明鋼について示し、さらに以下の表６で比較鋼について示した。
本願の発明鋼は、表１および表２の各Ｎｏ．１～７８の化学成分を有し、８０％以上のマルテンサイトの面積率であって、全炭化物中のＭ6Ｃ炭化物及びＭ23Ｃ6炭化物の合計面積率を９０％以下としている。それらの発明鋼は、表４および表５の各Ｎｏ．１～７８において示すように、熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、焼入焼戻し硬さが４８．０ＨＲＣ以上、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上、高温保持後の硬さが３２．０ＨＲＣ以上であった。このように、本願の熱間工具鋼は、成分組成、組織、炭化物に着目することで、焼入焼戻した状態のときに、高熱伝導率、高硬度、高軟化抵抗性および高靭性を兼備する熱間工具鋼として、金型用鋼等に好適に適用しうるものとなる。
これに対して、比較鋼では、表３の各Ｎｏ．７９～９７における化学成分には、本願の規定する成分範囲から一部が外れている。また、組織がマルテンサイトとベイナイトの混合組織であってマルテンサイトの面積率が低いもの、Ｍ6Ｃ炭化物及びＭ23Ｃ6炭化物の合計面積率の割合が高すぎるものが含まれている。
そして、これら比較鋼の特性については、表６の各Ｎｏ．７９～９７に示すとおり、熱伝導率、硬度、軟化抵抗性、靭性のいずれかの特性が本願の熱間工具鋼よりも劣るものとなった。
そして、これら比較鋼の特性については、表６の各Ｎｏ．７９～９７に示すとおり、熱伝導率、硬度、軟化抵抗性、靭性のいずれかの特性が本願の熱間工具鋼よりも劣るものとなった。
比較例について、さらに以下に詳述する。
Ｎｏ．７９では、表３に示すように、Ｃが０．３３％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４６．４ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．８０では、表３に示すように、Ｃが０．７３％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１４．２Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８１では、表３に示すように、Ｓｉが１．２７％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．５Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８２では、表３に示すように、Ｍｏが１．５４％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．８Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８３では、表３に示すように、Ｃｒが０．２３％で規定より少なく、さらにマルテンサイトの割合であるＭ率が７４％と低く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１５．５Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８４では、表３に示すように、Ｃｒが４．１２％で規定より多く、さらに全金属炭化物中のＭ6Ｃ炭化物及びＭ23Ｃ6炭化物の合計面積率が９１％でやや高く、表６に示すように、熱伝導率が２２．９Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低く、さらに高温保持後の硬さが３１．６ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．８５では、表３に示すように、Ｎｉが３．１２％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．１Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８６では、表３に示すように、Ｃｕが０．０３％で規定より少なく、さらにマルテンサイトの割合であるＭ率が７８％とやや低く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１５．４Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８７では、Ｃｕが３．６２％で規定よりやや多く、表６に示すように、Ｎｏ．７５では、熱伝導率が２２．７Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８８では、表３に示すように、Ｍｏが３．１２％で規定より少なく、さらにＭｏ＋１／２・Ｗが３．１２％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２２．８Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８９では、表３に示すように、Ｗが６．４７％で規定より多く、さらにＭｏ＋１／２・Ｗが３．２４％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９０では、表３に示すように、Ｍｏ＋１／２・Ｗが３．４６％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９１では、表３に示すように、Ｍｏ＋１／２・Ｗが０．４１％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４６．６ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．９２では、表３に示すように、Ｖが０．０８％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４２．３ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．９３では、表３に示すように、Ｖが０．６１％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９４では、表３に示すように、Ｖが０．６１％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９５では、表３に示すように、Ｂが０．０１２％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１７．２Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．９６では、表３に示すように、Ｔｉが０．１６２％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１６．０Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．９７では、表３に示すように、Ａｌが１．２１０％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２２．５Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．７９では、表３に示すように、Ｃが０．３３％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４６．４ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．８０では、表３に示すように、Ｃが０．７３％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１４．２Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８１では、表３に示すように、Ｓｉが１．２７％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．５Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８２では、表３に示すように、Ｍｏが１．５４％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．８Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８３では、表３に示すように、Ｃｒが０．２３％で規定より少なく、さらにマルテンサイトの割合であるＭ率が７４％と低く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１５．５Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８４では、表３に示すように、Ｃｒが４．１２％で規定より多く、さらに全金属炭化物中のＭ6Ｃ炭化物及びＭ23Ｃ6炭化物の合計面積率が９１％でやや高く、表６に示すように、熱伝導率が２２．９Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低く、さらに高温保持後の硬さが３１．６ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．８５では、表３に示すように、Ｎｉが３．１２％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２３．１Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８６では、表３に示すように、Ｃｕが０．０３％で規定より少なく、さらにマルテンサイトの割合であるＭ率が７８％とやや低く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１５．４Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．８７では、Ｃｕが３．６２％で規定よりやや多く、表６に示すように、Ｎｏ．７５では、熱伝導率が２２．７Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８８では、表３に示すように、Ｍｏが３．１２％で規定より少なく、さらにＭｏ＋１／２・Ｗが３．１２％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２２．８Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．８９では、表３に示すように、Ｗが６．４７％で規定より多く、さらにＭｏ＋１／２・Ｗが３．２４％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９０では、表３に示すように、Ｍｏ＋１／２・Ｗが３．４６％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９１では、表３に示すように、Ｍｏ＋１／２・Ｗが０．４１％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４６．６ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．９２では、表３に示すように、Ｖが０．０８％で規定より少なく、表６に示すように、焼入れ焼戻し硬さが４２．３ＨＲＣで規定より低い。
Ｎｏ．９３では、表３に示すように、Ｖが０．６１％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９４では、表３に示すように、Ｖが０．６１％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２４．２Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Ｎｏ．９５では、表３に示すように、Ｂが０．０１２％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１７．２Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．９６では、表３に示すように、Ｔｉが０．１６２％で規定より多く、表６に示すように、シャルピー衝撃値が１６．０Ｊ／ｃｍ2で規定より低い。
Ｎｏ．９７では、表３に示すように、Ａｌが１．２１０％で規定より多く、表６に示すように、熱伝導率が２２．５Ｗ／ｍ・Ｋで規定より低い。
Claims (8)
- 質量％で、
Ｃ：０．３５超～０．７０％、
Ｓｉ：０．０１～１．２０％、
Ｍｎ：０．０１～１．５０％、
Ｃｒ：０．４０～３．３２％
Ｃｕ：０．２７～３．５０％
ＭｏとＷのうちの１種類または２種類であって、Ｍｏ：３．００％以下、Ｗ：６．００％以下で、かつ、Ｍｏ＋１／２・Ｗ：０．５０％～３．００％であり、
Ｖ：０．１０超～０．５５％、
Ｂ：０．０００１～０．０１００％、
を有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼。 - 請求項１に記載の化学成分に加えて、質量％でＮｉ：０．０１～２．９９％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の化学成分に加えて、質量％でＮ：０．０００１～０．０４００％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の化学成分に加えて、質量％でＴｉ：０．００１～０．０１５０％を有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の化学成分に加えて、質量％で、Ａｌ：０．００１～１．０００％を有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の化学成分を有し、残部はＦｅおよび可避的不純物から熱間工具鋼は、マルテンサイト単相組織、あるいはマルテンサイトとベイナイトの混合組織であって該混合組織のマルテンサイトの割合は８０％以上であること、を特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の化学成分を有し、残部は不可避的不純物からなる熱間工具鋼であって、鋼中のＭ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物およびＭＣ炭化物の全炭化物中に占める、Ｍ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合が９０％以下であることを特徴とする熱間工具鋼。
- 請求項６に記載の熱間工具鋼であって、さらに、鋼中のＭ23Ｃ6炭化物、Ｍ6Ｃ炭化物、Ｍ7Ｃ3炭化物、Ｍ3Ｃ炭化物、Ｍ2Ｃ炭化物およびＭＣ炭化物の全炭化物中に占める、Ｍ23Ｃ6炭化物及びＭ6Ｃ炭化物の割合が９０％以下であることを特徴とする熱間工具鋼。
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