JP2012193451A

JP2012193451A - 靭性に優れた熱間工具鋼

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Publication number: JP2012193451A
Application number: JP2012041512A
Authority: JP
Inventors: Kimita Kataoka; 公太片岡; Yosuke Nakano; 洋佑中野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP5907415B2

Abstract

【課題】靭性を向上した熱間工具鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％未満を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％、Ｐ：０．００５％以上であり、かつＺｎ／Ｐ：０．５超の熱間工具鋼である。好ましくはＰ：０．０１％以上である。また必要に応じて、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下、あるいはさらにＶ：１．５％以下を含んでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス金型や鍛造金型、ダイカスト金型、押出工具といった多種の熱間工具に供して最適な、靭性を向上させた熱間工具鋼に関するものである。

熱間工具は、高温の被加工材や硬質な被加工材と接触しながら使用されるため、熱疲労や衝撃に耐え得る強度と靭性を兼ね備えている必要がある。そのため、従来、熱間工具の分野で用いられる鋼種（以下、熱間工具鋼という。）には、例えばＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ６１系の合金工具鋼が用いられていた。そして、熱間工具鋼を構成する主要元素の添加量を見直して、さらにＡｓ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｂ等の多種の不純物を規制管理したことで、熱間工具鋼の靭性を向上した手法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、多種の不純物元素をそれぞれ規定された範囲内に調整することは、製造コストの向上に繋がり得る。

これに対して、本発明者は、高価で特殊な元素の添加によらず、鉄鋼材料の分野では合金として積極的に添加されてこなかった元素について鋭意調査を行った結果、従来は不純物として扱われていたＺｎを所定の含有量の範囲に添加することによって靭性を大きく改善できることを見いだした（特許文献２参照）。すなわち、質量％で、Ｃ：０．３〜０．５５％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．００〜５．６５％を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００１〜０．０１５％の熱間工具鋼である。

特開２００３−１５５５４０号公報特開２００７−２２４４１８号公報

特許文献２で提案したＺｎ添加の技術は、熱間工具鋼の靭性を向上する新たな手法として、有効である。そして、特許文献２の手法を利用することで、Ｚｎめっきされた鋼のスクラップをリサイクル原料として利用でき、環境負荷の軽減にも好適である。本発明者は、この積極的なＺｎ添加による靭性向上効果に着目して、他の不純物元素による靭性の劣化を補い得る可能性を検討した。これら不純物元素の許容量を適正に高めることができれば、今後排出量が増加すると予想されている不純物含有量の多い低級スクラップの使用率を増加させつつ、不純物除去にかかるエネルギー使用量を低減でき、熱間工具鋼の製造過程でおよぼす環境への負荷を更に低減できる。

本発明の目的は、環境負荷の軽減が可能な靭性に優れた熱間工具鋼を提供することである。

本発明者は、熱間工具鋼に含まれる不純物元素の、靭性および環境に及ぼす影響を調べた。その結果、特にＰ（リン）は、熱間工具鋼の靭性を大きく下げる元素であり、かつ、除去にかかるエネルギーが大きく、そしてこれらの理由から低級スクラップの使用促進も停滞させる、環境への負荷が大きい元素である知見を得た。そこで、この環境負荷を下げるために、Ｐの許容量を上げても十分な靭性が維持できる手法を検討した。その結果、Ｐ含有量の増加による靭性の劣化は、該Ｐ含有量に対する適正量のＺｎ添加によって補えることを突きとめた。そして、この靭性の補完効果が十分に利用できる具体的なＰとＺｎの関係量を明確にできたことで、本発明に到達した。

すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％未満を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％、Ｐ：０．００５％以上であり、かつＺｎ／Ｐ：０．５超であることを特徴とする靭性に優れた熱間工具鋼である。好ましくは、Ｐ：０．０１％以上である。また必要に応じて、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下、あるいはさらにＶ：１．５％以下を含んでもよい。

具体的には、質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、Ｃｒ：３．０〜６．０％未満、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下、Ｖ：１．５％以下、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）、Ｃｏ：５．０％以下（０％を含む）、Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％、Ｐ：０．００５％以上であり、かつＺｎ／Ｐ：０．５超であって、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる靭性に優れた熱間工具鋼である。好ましくは、Ｐ：０．０１％以上である。

本発明によれば、不純物として熱間工具鋼に含まれるＰを極低値に管理しなくても、十分な靭性を維持できることから、低Ｐ化のためのエネルギー消費量を節約でき、環境への負荷を軽減できる。そして、熱間工具鋼の靭性を飛躍的に改善することができ、多種多様な用途・環境に適用が可能な熱間工具鋼の実用化にとって有効な技術となる。

実施例１において、種々の硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を、試験片の硬さに対してプロットした図である。実施例１において、４５ＨＲＣの硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温から４００℃の間での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃値を、試験温度に対してプロットした図である。実施例２において、種々の硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を、試験片の硬さに対してプロットした図である。実施例２において、４５ＨＲＣの硬さに調質した本発明鋼および比較鋼の室温から４００℃の間での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃値を、試験温度に対してプロットした図である。

本発明の特徴は、熱間工具鋼の靭性を向上するために、従来は不純物として扱われていたＺｎを積極的に添加するところにある。そして、靭性を大きく下げる元素であるＰは、本発明の添加Ｚｎ量との関係を明確にしたことで、その含有を特定の範囲で許容するところにある。すなわち、熱間工具鋼に対しては、Ｚｎを合金元素として利用すれば、Ｐの含有量が多くなっても、その靭性向上の効果が発揮できることを見いだしたものである。そして、従来は極低減化が必要であったＰの含有量を本発明では多く許容できることから、原材料の選定においては、高級な低Ｐスクラップの使用量を削減でき、スクラップのリサイクルに好適である。さらに、精錬工程でのＰの除去に必要なエネルギーおよび時間も低減できる。以下、本発明鋼の成分限定の理由について述べる（質量％については、単に％と表記する）。

・Ｃ：０．３〜０．６％未満
Ｃは、一部が基地中に固溶して強度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、熱間工具鋼に重要な必須元素である。また、固溶した侵入型原子であるＣは、ＣｒなどのＣと親和性の大きい置換型原子と共添加した場合、Ｉ（侵入型原子）−Ｓ（置換型原子）効果；溶質原子の引きずり抵抗として作用し、鋼を高強度化する作用も期待される。但し、過度の添加は靭性や熱間強度の低下を招く。よって、０．３〜０．６％未満とする。好ましくは０．５５％未満である。

・Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるとともに、素材の被削性を高める元素である。これらの効果を得るためには０．２％未満の添加でもよいが、０．２％以上の添加が好ましい。但し、多過ぎるとフェライトの生成をまねくので１．５％以下とする。

・Ｍｎ：１．５％以下
Ｍｎは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し硬さを得る効果がある。また、非金属介在物のＭｎＳとして存在することで、被削性の向上に大きな効果がある。これらの効果を得るためには０．１％未満の添加でもよいが、０．１％以上の添加が好ましい。但し、多過ぎると基地の粘さを上げて被削性を低下させるので１．５％以下とする。

・Ｃｒ：３．０〜６．０％未満
Ｃｒは、焼入性を高め、また炭化物を形成して、基地の強化や耐摩耗性の向上に効果を有する元素である。そして、焼戻し軟化抵抗および高温強度の向上にも寄与する、本発明の熱間工具鋼に必須の元素である。但し、過度の添加は、焼入性や高温強度の低下を招く。よって、３．０〜６．０％未満とする。好ましくは５．６５％以下である。

・Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％
Ｚｎは、本発明にとって最も重要な添加元素であり、添加することによって靭性が顕著に向上する。そして、０．００２５％を超えて添加することで、本効果を十分に得ることができる。好ましくは０．００３％以上である。一方、多く添加してもその効果は頭打ちとなる。さらに、過度に添加することで粒界などに極端な偏析が生じると、これは返って靱性を劣化させる要因となり得る。また、添加技術も煩雑になるので、上限は０．０２５％とした。好ましくは０．０２０％以下、さらに好ましくは０．０１５％以下である。

・Ｐ：０．００５％以上
Ｐは、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させる元素である。したがって、熱間工具鋼の靭性を向上するためには、通常できるだけ低く管理のされてきた不純物元素である。しかし、本発明では、上述のＺｎ添加による靭性向上効果を最大限に利用することで、Ｐによる靭性の劣化分を補うことができる。そして、このために必要なＺｎ添加の顕著な効果は、後述のＰ含有量に対するＺｎ添加量の調整によって得ることができる。これによって、本発明の熱間工具鋼は０．００５％以上のＰ含有量が許容できる。好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０２％以上であっても、十分な靭性が維持できる。

・Ｚｎ／Ｐ：０．５超
本発明の熱間工具鋼では、０．００５％以上のＰを含有した場合でも、十分な靭性を維持できるだけのＺｎ添加量を確保する必要がある。そのために、Ｐ含有量に対するＺｎ添加量の調整が必要である。具体的には、Ｚｎ／Ｐの値を０．５超とすることで、十分な靭性を確保することができる。好ましくはＺｎ／Ｐ：０．５５超である。なお、０．５５を超えるＺｎ／Ｐ値は、０．０１％以上のＰ、さらには０．０２％以上のＰを含有したときにも好ましい条件である。

・好ましくは、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細炭化物を析出または凝集させて強度を付与し、軟化抵抗を向上させるために単独または複合で添加できる。この際の添加量は、ＷがＭｏの約２倍の原子量であることから、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）のＭｏ当量で一緒に規定できる（当然、いずれか一方のみの添加としても良いし、双方を共に添加することもできる）。そして、前記した効果を得るためには、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で１．０％未満の添加でもよいが、１．０％以上の添加が好ましい。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で３．５％以下が好ましい。

・好ましくは、Ｖ：１．５％以下
Ｖは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する。これらの効果を得るためには０．５％未満の添加でもよいが、０．５％以上の添加が好ましい。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、１．５％以下とするのが好ましい。

・好ましくは、Ｎｉ：１．５％以下
Ｎｉは、フェライトの生成を抑制する元素である。また、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗなどとともに本発明鋼に優れた焼入性を付与し、焼入時の冷却速度が緩やかな場合でもマルテンサイト主体の組織を形成して、靭性の低下を防ぐための効果的元素である。さらに、基地の本質的な靭性も改善するので、本発明では必要に応じて添加する。但し、多過ぎると基地の粘さを上げて被削性が低下する。よって、添加する場合でも１．５％以下とすることが好ましい。なお、添加する場合は０．１％以上が好ましい。

・好ましくは、Ｎｂ：０．３％以下
Ｎｂは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与するので、本発明では必要に応じて添加する。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招く。よって、添加する場合でも０．３％以下とするのが好ましい。添加する場合は０．０５％以上が好ましい。

・好ましくは、Ｃｏ：５．０％以下
Ｃｏは、本発明鋼を工具として使用中、その昇温時の表面に極めて緻密で密着性の良い保護酸化皮膜を形成する。この酸化皮膜は、相手材との間の金属接触を防ぎ、工具表面の温度上昇を抑制するとともに、優れた耐摩耗性をもたらす。よって、本発明では必要に応じて添加する。但し、多過ぎると靭性を低下させるので、添加する場合でも５．０％以下とするのが好ましい。添加する場合は０．３％以上が好ましい。

本発明のＺｎ添加による靭性向上効果は、組織中に炭化物が多く分布すると、これに大きく阻害されて弱くなる。つまり、上記の靭性向上効果は、通常、組織中に多くの炭化物が分布する冷間工具鋼よりも、炭化物が少ない熱間工具鋼で十分に発揮される。したがって、本発明の対象は、熱間工具鋼に限定する。そして、このときの成分組成には、本発明のＣおよびＣｒ量で規定される熱間工具鋼の範疇において、例えばＪＩＳ−Ｇ−４４０４等に規定される成分組成の規格鋼種や、従来提案されてきた熱間工具鋼も適用できる。上記の熱間工具鋼に規定される以外の元素種も、必要に応じて添加が可能である。

不可避的不純物として鋼中に残留する可能性のある主な元素は、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）等である。本発明のＺｎ添加による作用効果を効果的に得るためには、これらの元素はできるだけ低い方が好ましい。しかし一方で、介在物の形態制御や、その他の機械的特性、そして製造効率の向上といった付加的な作用効果を得るためには、多少の含有および／または添加をすることができる。この場合、Ｓ≦０．０１％、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．０２５％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０１％、Ｏ≦０．０１％、Ｎ≦０．０３％の範囲であれば十分に許容でき、本発明の好ましい規制上限である。

本発明に係る熱間工具鋼は、Ｚｎ添加による靭性向上効果を十分に発揮するための一形態として、例えば、鋳造後の鋼塊を加工して鋼材に仕上げる間に均質化熱処理を施すことが好ましい。あるいはさらに、焼入れ焼戻し硬さは５０ＨＲＣ以下とすることが好ましい。より好ましくは４８ＨＲＣ以下である。

真空誘導溶解炉によって、表１の成分組成を有した７〜１０ｋｇの鋼塊を溶製した。Ｚｎの添加源には、Ｚｎめっき鋼板を用いた。Ｚｎ含有量は蛍光Ｘ線分析で測定した。本発明鋼は、一般的に使用されている熱間工具鋼ＪＩＳ−ＳＫＤ６１（Ｐ規格：０．０３０％以下）の成分組成に、本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようＺｎを添加して、Ｐの含有量を多く許容したものである。比較鋼は、Ｚｎを添加せずに（比較鋼６を除く）、ＳＫＤ６１のＰの含有量のみを増加したものである。なお、全ての鋼塊において、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ、Ｎは無添加であり（但し、Ａｌは溶解工程における脱酸剤として添加した場合を含む。）、Ｓ≦０．０１％、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．０２５％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０１％、Ｏ≦０．０１％、Ｎ≦０．０３％であった。

これらの鋼塊に１２５０℃で５時間の均質化熱処理を施した後、１１５０℃で熱間鍛造して２０ｍｍ厚さ×６０ｍｍ幅×約５００〜８００ｍｍ長さの鋼材を作製した。そして、８６０℃で焼なまし処理したのち、下記の評価に用いるシャルピー衝撃試験片のサイズに加工して、１０３０℃から油焼入れ処理し、種々の温度で焼戻し処理して、それぞれの調質硬さにおける靭性の評価試料とした。

［試験１］
本発明鋼１、３、５〜７および比較鋼１、３〜６について、それぞれの硬さにおける室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験の結果を図１に示す。シャルピー試験片は、ＡＳＴＭＥ３９９−９０に準拠したＴ−Ｌ方向とした。それぞれ同水準のＰを含んだ本発明鋼１、３および比較鋼１と、本発明鋼５および比較鋼３、そして本発明鋼６、７および比較鋼４の組合せにおいて、本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようにＺｎを添加した本発明鋼１、３、５〜７は、Ｚｎを添加しなかった比較鋼１、３、４に比べて、シャルピー衝撃値が優れている。しかも、本発明鋼６は、０．０２％を超える高濃度のＰを含有しているにもかかわらず、Ｚｎを添加したことで、Ｐが０．０１％未満の比較鋼１と同レベルの靭性を維持している。比較鋼６は、同水準のＰを含む比較鋼５にＺｎを添加したものであるが、本発明のＺｎ／Ｐを満たさず、靭性の向上が見られない。

［試験２］
本発明鋼２、４〜７および比較鋼２〜６について、４５ＨＲＣの硬さに調質したときの、室温から４００℃の間での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の結果を図２に示す。シャルピー試験片は、ＡＳＴＭＥ３９９−９０に準拠したＴ−Ｌ方向とした。それぞれ同水準のＰを含んだ本発明鋼２、４および比較鋼２と、本発明鋼５および比較鋼３、そして本発明鋼６、７および比較鋼４の組合せにおいて、本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようにＺｎを添加した本発明鋼２、４〜７は、いずれの試験温度でも、同水準のＰを含んだ比較鋼２〜４に比べて、シャルピー衝撃値が優れている。そして、０．０２％を超える高濃度のＰを含有しながらも、Ｚｎを添加したことで本発明のＺｎ／Ｐを満足した本発明鋼６は、Ｐが０．０１％未満の比較鋼２と同レベルの靭性を維持している。

実施例１に記載した方法と同様の方法で、表２の成分組成を有する鋼塊を作製した。本発明鋼Ａは、熱間工具鋼の成分組成に、本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようＺｎを添加したものである。そして、比較鋼Ｂは、Ｚｎを添加しなかった以外は、本発明鋼Ａに同等の成分組成としたものである。なお、両方の鋼塊において、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏ、Ｎは無添加であり（但し、Ａｌは溶解工程における脱酸剤として添加した。）、Ｓ≦０．０１％、Ｃｕ≦０．２５％、Ａｌ≦０．０２５％、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０１％、Ｏ≦０．０１％、Ｎ≦０．０３％であった。

次に、これらの鋼塊に実施例１と同様の熱間鍛造および各種の熱処理を行って、それぞれの硬さに調質したシャルピー衝撃試験片を作製した。そして、実施例１で実施したシャルピー衝撃試験１、２を実施して、それぞれの試料の靭性を評価した。

［試験１］
本発明鋼Ａおよび比較鋼Ｂについて、それぞれの硬さにおける室温での２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験の結果を図３に示す。シャルピー試験片は、ＡＳＴＭＥ３９９−９０に準拠したＬ−Ｓ方向とした。これらの鋼は、Ｎｉが添加されていることで、もとより靭性の高いものである。そして、この上に、本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようにＺｎを添加した本発明鋼Ａは、Ｚｎを添加しなかった比較鋼Ｂに比べて、シャルピー衝撃値が優れている。

［試験２］
本発明鋼Ａおよび比較鋼Ｂについて、４５ＨＲＣの硬さに調質したときの、室温から４００℃の間での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の結果を図４に示す。シャルピー試験片は、ＡＳＴＭＥ３９９−９０に準拠したＬ−Ｓ方向とした。もとより靭性の高い両方の鋼において、さらに本発明のＺｎ／Ｐ比を満たすようにＺｎを添加した本発明鋼Ａは、いずれの試験温度でも、Ｚｎを添加しなかった比較鋼Ｂに比べて、シャルピー衝撃値が優れている。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％未満、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％未満を含む熱間工具鋼であって、Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％、Ｐ：０．００５％以上であり、かつＺｎ／Ｐ：０．５超であることを特徴とする靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載の靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、Ｖ：１．５％以下を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％未満、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｎｉ：１．５％以下（０％を含む）、
Ｃｒ：３．０〜６．０％未満、
ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：３．５％以下、
Ｖ：１．５％以下、
Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）、
Ｃｏ：５．０％以下（０％を含む）、
Ｚｎ：０．００２５超〜０．０２５％、
Ｐ：０．００５％以上であり、
かつＺｎ／Ｐ：０．５超であって、
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請求項１に記載の靭性に優れた熱間工具鋼。
質量％で、Ｐ：０．０１％以上であ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靭性に優れた熱間工具鋼。