JP2710941B2

JP2710941B2 - 転造ダイス用鋼

Info

Publication number: JP2710941B2
Application number: JP63027162A
Authority: JP
Inventors: 敦熊谷; 利夫奥野; 敦輔中尾; 善裕加田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH01201442A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、各種ねじ、スプライン軸、セレーション軸
などの転造に用いる転造ダイス用工具鋼に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

転造による加工は、従来ねじ製造に主に用いられてき
たが、転造機構の改良や、高精度化に伴い、自動車部品
のスプライン軸やセレーション軸の製造にも適用されて
きている。転造ダイスの材質は、一部転造条件が過酷な
場合には、高速度工具鋼も用いられることはあるが、主
にSKD11を基本として、合金元素の添加などにより改良
を行なった冷間工具鋼が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

転造製品の適用課題に伴い、これらの素材、つまり被
加工材の材質も多様になってきている。自動車部品等に
おいては、硬さHRC40前後の調質材を転造する場合も現
われてきている。また、難加工材であるステンレスの転
造も増加してきている。このような状況のもとで、転造
ダイスの使用条件は過酷になってきており、従来の転造
ダイス材では、山部の欠損や摩耗により十分な工具寿命
を維持することが難しくなってきている。このため、転
造ダイスの廃却原因を詳しく調査した結果、残留炭化物
の性状が工具寿命を左右する主因であることがわかっ
た。つまり従来材は、耐摩耗性を重視するあまり、M₇C₃
型やMC型の30μｍ以上の大型の１次炭化物を10数％から
数10％と多量に分布させた組織としていたが、欠損や摩
耗はこれら大型の１次炭化物の連鎖状分布を径路として
クラックが進展するか、炭化物単位の欠落による微小欠
損の集積が原因であり、過剰の１次炭化物が逆効果とし
て作用していたのである。また、従来鋼は、高温焼もど
しでは十分な硬さが得られないため、低温焼もどしによ
り使用されていたが、難加工材の転造では、かなりの昇
温があるため、高温焼もどしにおいても十分な硬さの確
保ができ、軟化抵抗の高い材質が求められている。

本発明は、これらの事実をもとになされたものであ
り、化学成分の適正化とミクロ組織の調整により、１次
炭化物の適量化を図り、靭性を重視した材質とし、高温
焼もどしにおいてもHRC62以上の硬さの得られる高性能
転造ダイス材を提供するものである。さらに転造ダイス
の微小クラックの原因となり易い硫化物系の非金属介在
物を最少限にとどめるため、Ｓ含有量を炭化物の面積率
とともに規制することが有効なこと、およびＰ含有量も
ある特定値以下にすると、一段と靭性が向上し転造ダイ
スの欠け防止に有効であることを見出したものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、重量％でC 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40
％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、Cr 6.0〜10.0％、M
oとＷの１種または２種をMo＋W/2で1.5〜2.5％、ＶとNb
の１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜2.5％を含み、残
部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに焼入れ焼も
どし組織において、M₇C₃型炭化物の面積率を２％以上９
％以下、MC炭化物の面積率を2.5以下としたことを特徴
とする転造ダイス用鋼、および重量％でC 0.90〜1.35
％、Si 0.70〜1.40％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、
Cr 6.0〜10.0％、MoとＷの１種または２種をMo＋W/2で
1.5〜2.5％、ＶとNbの１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15
〜2.5％、NiとCoの１種または２種をNi＋Coで0.3〜1.5
％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さら
に焼入れ焼もどし組織において、M₇C₃型炭化物の面積率
を２％以上９％以下、MC炭化物の面積率を2.5％以下と
したことを特徴とする転造ダイス用鋼、および重量％で
C 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40％、Mn 1.0％以下、S
0.004％以下、P 0.015％以下、Cr 6.0〜10.0％、MoとＷ
の１種または２種をMo＋W/2で1.5〜2.5％、ＶとNbの１
種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜2.5％を含み、残部Fe
および不可避的不純物からなり、さらに焼入れ焼もどし
組織において、M₇C₃型炭化物の面積率を２％以上９％以
下、MC炭化物の面積率を2.5％以下としたことを特徴と
する転造ダイス用鋼、および重量％でC 0.90〜1.35％、
Si 0.70〜1.40％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、P 0.
015％以下、Cr 6.0〜10.0％、MoとＷの１種または２種
をMo＋W/2で1.5〜2.5％、ＶとNbの１種または２種をＶ
＋Nb/2で0.15〜2.5％、NiとCoの１種または２種をNi＋C
oで0.3〜1.5％を含み、残部Feおよび不可避的不純物か
らなり、さらに焼入れ焼もどし組織において、M₇C₃型炭
化物の面積率を２％以上９％以下、MC炭化物の面積率を
2.5％以下としたことを特徴とする転造ダイス用鋼、お
よび真空溶解、真空脱ガスおよびエレクトロスラグ溶解
から選ばれる１種または２種以上の精錬方法により鋼塊
を製造する工程、該鋼塊または該鋼塊を熱間加工する過
程で、少なくとも一回以上1150〜1250℃で保持し、高温
拡散処理する工程を含む請求項１ないし４のいずれかに
記載の転造ダイス用鋼の製造法である。

以下に、化学成分の限定理由について述べる。

Ｃは、工具鋼の強度、耐摩耗性の主因をなす元素であ
り、十分な熱処理硬さを得るためには0.9％以上必要で
ある。またＣは、Cr、Mo、Ｖと炭化物を形成し、耐摩耗
性に寄与する。しかし過剰になると、凝固時の１次炭化
物が多くなり、靭性を劣化させる原因となるため、上限
を1.35％とした。

Siは通常脱酸剤として添加されるが、本発明において
は、低温焼もどし（180〜250℃）において使用される場
合も想定し、この温度域で軟化抵抗を発現するため規定
した。この効果を十分に発揮するためには、少なくとも
0.70％以上が必要であるが、1.40％を越えると靭性が低
下してくるため、これを上限とした。

Crは、凝固時にM₇C₃型炭化物として晶出する。これは
工具鋼の耐摩耗性を発揮する主因となるものであるが、
その量は材質の靭性を大きく左右する。このため、Ｃ量
とのバランスから工具鋼としての耐摩耗性を維持するた
めには、6.0％以上必要であり、10％を越えると１次炭
化物が適量となり、靭性が劣化してくるためこれを上限
とした。

Mo、Ｗは、Cr炭化物に固溶して耐摩耗性を高めるとと
もに、焼入性を向上させ、また焼もどしにおいて、炭化
物として析出し、強い２次硬化を示す元素である。転造
ダイスでは被加工材の種類、特に難加工材では加工中に
昇温するため、ダイスには高温焼もどしが必要になる場
合がある。したがって、高温焼もどしによる硬さとHRC6
2以上と設定しMo、Ｗ量を規定した。

Moは、靭性の改善にＷは耐摩耗性の向上にそれぞれ有
効であるため、用途により使い分けを行なうこととし、
Ｗの原子量はMoの約２倍であるため、（Mo＋W/2）とし
てまとめ硬さの設定から1.5〜2.5％とした。

Ｖ、Nbはともに凝固時にMC型炭化物として晶出するも
のであり、硬質の炭化物として耐摩耗性に重要な役割を
担うとともに、結晶粒微細化の効果があり、靭性の向上
に有効である。また２次硬化元素であるため、高温焼も
どしによる硬さ確保に有利である。これら効果を発揮す
るためには、ＶとNbの１種または２種を（Ｖ＋Nb/2）で
少なくとも0.15％以上必要である。しかし、この型の炭
化物は多量になると連鎖状に分布し、分布方向の靭性を
劣化させるだけでなく、熱処理によってほとんど変化し
ない。このため後に述べるMC型炭化物量の規定から上限
を2.5％とした。

Ni、Coはともに基地に固溶して靭性や焼付性を改善す
る効果がある。またNiは焼入性の向上にも寄与する。こ
のためには、NiとCoの１種または２種を（Ni＋Co）で少
なくとも0.3％以上必要であるが、過剰の添加はともに
熱処理硬さを低下させるため上限を1.5％とした。

Mnは通常脱酸剤として添加されるが、１％を越えると
熱間加工性を害するだけでなく、被削性を劣化させるた
めこれを上限とした。Ｓは特にMnと非金属介在物（Mn
S）を形成し、圧延方向に伸びた状態で分布する傾向を
持つ。この場合、特に圧延方向の靭性が低下する。転造
ダイスにおいては、刃部の圧造方向にこの非金属介在物
が並ぶと、刃の欠損につながるためできるだけ低Ｓとす
ることが望まれる。この点について検討したところ、0.
004％以下のＳにおいて、改善効果が見られたのでこれ
を上限とした。

Ｐは、転造ダイスの刃部に作用する衝撃力に耐えるた
めに低い方がよい。特に0.015％以下にすると衝撃値の
縦横の異方性を小さくできるために転造ダイスの寿命向
上に寄与する。

前述したように、転造ダイス材の寿命を左右するの
は、凝固時に晶出する１次炭化物である。したがって、
本発明の効果を十分発揮するためには本発明の成分範囲
において、さらに１次炭化物の量を規定する必要があ
る。従来のSKD11レベルでは、M₇C₃型の１次炭化物の面
積率は、10〜12％であった。M₇C₃型１次炭化物を種々の
面積率を示す材質について靭性との関連を調査したとこ
ろ、９％以下において改善効果が見られるため、これを
上限とした。しかし工具としての耐摩耗性も必要であ
り、完全になくすことはできない。耐摩耗性の面からは
少なくとも２％以上必要である。MC型炭化物は、耐摩耗
性に大きな効果があるだけでなく、凝固時にM₇C₃型炭化
物に先立って晶出し、M₇C₃型炭化物の分布状態を改善す
る効果もある。しかし、面積率で2.5％を越えると靭性
が低下してくるため、これを上限とした。

本発明鋼を製造するには、Ｓ、Ｐなどの不純物を低
め、非金属を最少限に調整して靭性の向上を図るために
真空溶解、真空脱ガスおよびエレクトロスラグ溶解から
選ばれる１種または２種以上の精錬方法を適用すること
が望ましい。さらに上述のM₇C₃型およびMC型の１次炭化
物量を調整する手段として、本発明鋼の製造するに当っ
て鋼塊または鋼塊を熱間加工する過程で、少なくとも１
回以上1150〜1250℃で保持し高温拡散処理する工程を含
むことが望ましい。拡散温度は1150℃未満だと十分な元
素の拡散、均質化が行なわれないため、下限を1150℃と
し、1250℃を越えると一部炭化物が溶融し、機械的強度
を下げるため上限を1250℃とした。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。第１表は
本発明鋼を評価するために従来鋼および比較鋼とともに
製造した本発明鋼の化学成分を示すものである。供試鋼
Noのうち、No.1が従来鋼であり、No.2はＰ、Ｓ以外は本
発明の成分範囲内にあるが、M₇C₃型炭化物の多いもの、
No.3は成分は本発明鋼と同一であるが、M₇C₃型炭化物が
本発明鋼より多いものである。供試鋼No.1とNo.2につい
ては高周波溶解、供試鋼No.3ないしNo.7については真空
誘導溶解、供試鋼No.8とNo.9についてはESR溶解、およ
び供試鋼No.10ないしNo.12については、真空脱ガス処理
を行なったものである。供試鋼No.4ないしNo.12の本発
明鋼の鋼塊については、１次炭化物、特にM₇C₃型炭化物
を調整するために、1170℃で20時間保持する高温拡散処
理を行なった。

この高温拡散処理の条件は、１次炭化物が溶融しない
範囲でできるだけ高い温度が望ましいので、温度として
は1150〜1250℃の範囲が最適である。すべての鋼塊は鍛
造圧延により、断面寸法が100mm×100mmの鋼片とした。
この鋼片に焼なまし処理を行ない供試材とした。

抗折試験片は、鋼片の圧延方向（以下Ｌ方向という）
と圧延方向に直角な方向（以下Ｔ方向という）よりφ５
×70mmlの試験片を採取し、所定の焼入れ焼もどしを行
ない試験に供した。なお、焼もどしは供試鋼No.1は低温
焼もどし、他は二次硬化を示す範囲での高温焼もどしで
ある。抗折試験は２点支持で、支点間隔50mmで行ない、
ミクロ組織の炭化物の定量はＬ方向とＴ方向の試料の平
均値として表わした。これらの結果を第２表にまとめて
示す。

本発明鋼は、HRC62以上の高い硬さが得られるととも
に一次炭化物の調整により、従来材に比較して高い抗折
力と大きなたわみが得られ、靭性の優れた材質であるこ
とがわかる。

また、本発明鋼と類似する比較鋼でも、一次炭化物の
多いものは抗折力が小さいこと、およびＰ、Ｓの不純物
の少ない供試鋼No.4ないしNo.12の抗折力のL/Tの比は、
不純物の多い供試鋼No.1、No.2に比較して大きく、本発
明鋼の靭性値の縦横の差異が小さいことがわかる。

また耐摩耗性について、大越式摩耗試験を行なった結
果を同時に示した。これは相手材をSKD61（HRC40）と
し、摩擦速度1.37m/s、摩擦距離400m、最終荷重6.3kgの
条件で試験を行ない、摩耗体積を測定し、従来鋼の摩耗
体積を100とした場合の指数である。比較鋼はM₇C₃型炭
化物およびMC型炭化物量が多く耐摩耗性に優れているが
靭性で劣る。本発明鋼は靭性を重視した材質であるが、
耐摩耗性においても従来鋼と遜色なく、またMC型炭化物
の多い供試鋼No.6、No.12では従来鋼より優れているこ
とがわかる。

比較のために供試鋼No.1とNo.5のミクロ組織を第１図
に示す。

〔発明の効果〕

本発明は、従来の転造ダイスの廃却原因の解析に基づ
きなされたものであり、１次炭化物を適正化することに
より、高硬度でしかも高い靭性を有する転造ダイス用鋼
を開発したものである。本発明により、過酷な転造条件
においても、長寿命を有する転造ダイスを製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、抗折試験に供した供試鋼No.1（従来鋼）と供
試鋼No.5（発明鋼）のミクロ金属組織写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−23747（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40
％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、Cr 6.0〜10.0％、M
oとＷの１種または２種をMo＋W/2で1.5〜2.5％、ＶとNb
の１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜2.5％を含み、残
部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに焼入れ焼も
どし組織において、M₇C₃型炭化物の面積率を２％以上９
％以下、MC炭化物の面積率を2.5％以下としたことを特
徴とする転造ダイス用鋼。
【請求項２】重量％でC 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40
％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、Cr 6.0〜10.0％、M
oとＷの１種または２種をMo＋W/2で1.5〜2.5％、ＶとNb
の１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜2.5％、NiとCoの
１種または２種をNi＋Coで0.3〜1.5％を含み、残部Feお
よび不可避的不純物からなり、さらに焼入れ焼もどし組
織において、M₇C₃型炭化物の面積率を２％以上９％以
下、MC炭化物の面積率を2.5％以下としたことを特徴と
する転造ダイス用鋼。
【請求項３】重量％でC 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40
％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、P 0.015％以下、Cr
6.0〜10.0％、MoとＷの１種または２種をMo＋W/2で1.5
〜2.5％、ＶとNbの１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜
2.5％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、
さらに焼入れ焼もどし組織において、M₇C₃型炭化物の面
積率を２％以上９％以下、MC炭化物の面積率を2.5％以
下としたことを特徴とする転造ダイス用鋼。
【請求項４】重量％でC 0.90〜1.35％、Si 0.70〜1.40
％、Mn 1.0％以下、S 0.004％以下、P 0.015％以下、Cr
6.0〜10.0％、MoとＷの１種または２種をMo＋W/2で1.5
〜2.5％、ＶとNbの１種または２種をＶ＋Nb/2で0.15〜
2.5％、NiとCoの１種または２種をNi＋Coで0.3〜1.5％
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに
焼入れ焼もどし組織において、M₇C₃型炭化物の面積率を
２％以上９％以下、MC炭化物の面積率を2.5％以下とし
たことを特徴とする転造ダイス用鋼。
【請求項５】真空溶解、真空脱ガスおよびエレクトロス
ラグ溶解から選ばれる１種または２種以上の精錬方法に
より鋼塊を製造する工程、該鋼塊または該鋼塊を熱間加
工する過程で、少なくとも一回以上1150〜1250℃で保持
し、高温拡散処理する工程を含む請求項１ないし４のい
ずれかに記載の転造ダイス用鋼の製造法。