JPH05156407A

JPH05156407A - 高性能転造ダイス用鋼およびその製造方法

Info

Publication number: JPH05156407A
Application number: JP32222791A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kumagai; 敦熊谷; Eiji Hirakawa; 英司平川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】加工硬化の大きいステンレス鋼やHRC40程度
の調質鋼等の難加工材の転造に対し、優れた寿命を持
ち、かつ真空炉に対応した焼入性を有する転造ダイス用
鋼の提供。【構成】重量％でＣ 0.95〜1.10%、Ｓi 0.65〜1.20
%、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 6.80〜7.80%、ＭoとＷの１種ま
たは２種を（Ｍo＋1/2Ｗ）で2.50〜3.50%、ＶとＮbの１
種または２種を（Ｖ＋1/2Ｎb）で0.20〜0.60%、または
これにＣo 1.0〜4.0%、さらにはＮi 0.2〜1.0%、残部Ｆ
eからなり、Ｍ₇Ｃ₃型およびＭＣ型の一次炭化物をそれ
ぞれ4%以下、0.5%以下、最大一次炭化物を20μm以下と
し、かつ焼入温度から、500℃までの焼入冷却速度を25
℃/minとして高温焼もどし後の硬さ HRC64以上が得られ
る材料およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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加工に用いる転造ダイス
用工具鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】転造加工法は、転造機構の改良や高精度
化に伴い、ねじ製造だけでなく、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いる。この
ような適用拡大に伴い、被加工材として加工硬化の大き
なステンレス鋼や耐熱鋼、またHRC40前後の調質鋼など
難加工材が増加してきている。これに対し転造ダイス用
の工具材質としては、高速度工具鋼や冷間工具鋼が用い
られているが、コストパフォーマンスから主にＳＫＤ１
１クラスの冷間工具鋼が多く用いられている。しかし、
難加工材の増加に対してＳＫＤ１１クラスでは十分な工
具寿命を確保できていない。このため、特公昭１−５１
００号や特開平１−２０１４４２号に開示されているよ
うな材質、つまり高温焼もどしにおいてHRC61〜63の硬
さが得られ、かつ一次炭化物を減じることにより、耐摩
耗性より靭性を重視した冷間工具鋼が用いられてきてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、難加
工材の増加に対し、工具材質としては、高い硬さが得ら
れ、かつ、より靭性を重視した冷間工具鋼に推移してき
た。これにより従来材質に比較し、工具寿命の向上は見
られるが、いまだ十分満足すべきものではないため、さ
らに高性能の材質が求められている。また、これに加
え、最近特に普及している真空熱処理炉に対応した高い
焼入性を備えることが要求されている。真空熱処理は、
工数の低減や作業環境が良いことなどから広く利用され
るようになってきたが、ガス冷却のため、十分な冷却速
度を得ることができない。このため処理材質には、高い
焼入性が要求されるわけである。より高性能を目指した
冷間工具鋼として特開平３−１３４１３６号にその例が
見られる。しかし、当該鋼は、本発明者の知見による
と、一次炭化物の量やサイズの点で十分な規定がなされ
ておらず、実使用の際、問題となる焼入性についても明
確でない。本発明は、転造ダイス用鋼として、難加工材
の転造に対して高い工具寿命を確保するだけでなく、十
分な焼入性により真空熱処理に対応可能な転造ダイス用
鋼を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、HRC40レベル
の被加工材を転造し、廃却に至った従来工具を詳細に解
析した結果に基づきなされたものである。すなわち、転
造ダイス用鋼としては、耐疲労負荷のため高い硬さが必
要であること、相対的に耐摩耗性より靭性が必要である
が、特に凝固時に晶出する一次炭化物の量、分布、サイ
ズが寿命に対し大きな影響を及ぼすことを見出し、かつ
真空熱処理が容易にできる焼入性を保有するためにも適
切な炭化物の特定の面積率と粒径範囲があることを見出
したものである。すなわち、本発明のうち第１発明は、
重量％でＣ 0.95〜1.10%、Ｓi 0.65〜1.20%、Ｍn 1.0%
以下、Ｃr 6.80〜7.80%、ＭoとＷの１種または２種を
（Ｍo＋１／２Ｗ）で２．５０〜3.50%、ＶとＮbの１種
または２種を（Ｖ＋1/2Ｎb）で0.20〜0.60%を含み、残
部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、焼入焼もどし後
において、Ｍ₇Ｃ₃型一次炭化物が面積率で4%以下、ＭＣ
型一次炭化物が面積率で0.5%以下、一次炭化物の最大粒
径が実質的に20μm以下で基地中に均一に分布したミク
ロ組織となり、さらに1050℃〜1100℃の焼入温度から、
500℃までの焼入冷却速度を25℃/minとして焼入れし、
これを高温焼もどしした場合の硬さがHRC64以上を得る
ことのできる高性能転造ダイス用鋼である。第２発明
は、第１発明の添加元素に加えＣoを1.0〜4.0%含有する
ものであり、第３発明はさらにＮiを0.2〜1.0%含有させ
たものである。なお、上記各発明鋼に対し、不可避的不
純物であるＰ，Ｓ，ＯおよびＮをそれぞれ0.015%以下、
0.005%以下、30ppm以下および300ppm以下にすることが
望ましい。第４発明は、これらを製造する工程を規定し
たもので、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工程を経る精錬方法による鋼塊を用
い、また工程中に1150℃〜1250℃の高温拡散処理を行な
うことを特徴とする高性能転造ダイス用鋼の製造方法で
ある。

【０００５】

【作用】以下に本発明の化学成分および炭化物の量、分
布、サイズおよび熱処理性、さらに製造工程の数値の限
定理由について述べる。Ｃは、周知のように鋼に強度を
付与する重要な元素である。本発明の場合、二つの観点
から規定される。一つは凝固時に晶出するＭ₇Ｃ₃型（Ｍ
はＣrを主体としたＭo,Ｗ等の炭化物生成元素）やＭＣ
型（ＭはＶまたはＮb等の炭化物生成元素)の炭化物の量
に関係するものである。このうちＭ₇Ｃ₃型炭化物は高温
拡散処理である程度までは固溶するが、ＶＣ型はほとん
ど固溶せず、焼入れ熱処理後も残存する。これらは連鎖
状の分布となりやすく、転造ダイスとして使用する際の
クラック進展の経路となるため、Ｃ量の規定により、ま
ず炭化物量を制限しなければならない。この点からＣは
上限を1.10%とした。もう一点は、焼入焼もどし後の硬
さをHRC64以上とすることに基づくものである。本発明
では、高温焼もどしにおける二次硬化でこれを達成する
ものである。二次硬化においては、Ｍo,Ｗ,Ｖの析出炭
化物によるものであり、HRC64以上を得るためには、こ
れら炭化物生成元素とのバランスから少なくとも0.95%
以上を必要とする。

【０００６】Ｓiは、通常脱酸剤として添加されるが、
この目的で含有されるレベルは0.5%程度までである。本
発明では、焼もどし過程における析出炭化物の凝集を抑
制し、二次硬化を促進させるために0.65%以上を添加し
た。一方本発明のようなＣrを主体とする合金系でＳi
は、オーステナイト領域を狭め、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物の晶出
領域を拡大するため、過度の添加はＭ₇Ｃ₃型炭化物の増
加をまねく。このため、上限を1.2%に抑えた。Ｍnは、
Ｓi同様脱酸剤として添加されるが、多量の添加は熱間
における加工性を阻害する。加えて、オーステナイト生
成元素であることから、本発明鋼の焼入温度 1050℃〜1
100℃から焼入した場合、残留オーステナイトを過剰に
生成するため上限を1.0%とした。Ｃrは、凝固時にＭ₇Ｃ
₃型炭化物として晶出し、耐摩耗性に寄与するが、この
炭化物は前述のようにその分布は、クラック進展の経路
として作用するため、Ｃ量とのバランスから上限を7.8%
とした。一方Ｃrは、焼入性を改善する最も有効な元素
である。本発明では真空炉による焼入を想定し、焼入加
熱温度から500℃までの焼入冷却速度を25℃/minとして
十分焼入が可能であることを条件とした。したがって、
これを満足するためには少なくとも6.8%必要である。

【０００７】ＭoおよびＷは、二次硬化作用を発揮する
重要な元素であり、Ｍo量と1/2Ｗ量がほぼ等価の効果を
有するので、選択または複合で添加できる。本成分系に
おいて、高温焼もどしによりHRC64以上を得るには、
（Ｍo＋1/2Ｗ）で少なくとも2.50%以上を必要とする。
一方、これらの元素はオーステナイト領域を狭め、Ｍ₇
Ｃ₃の晶出を過多とするため上限を3.50%とした。Ｖおよ
びＮbはともに、凝固時にＭＣ型炭化物として晶出し、
耐摩耗性に寄与する。また結晶粒の粗大化を抑制し、靭
性向上に有効である。このような効果を得るためにはＶ
と1/2Ｎbの量がほぼ等価であり、ＶとＮbは選択または
複合して添加できる。しかし、これらの炭化物は、縞状
分布やネットワーク状の分布を形成し易く、また高硬度
であることから、基地と剥離しやすい傾向を持つ、つま
り、割れの起点や進展を助長するため、本発明では耐摩
耗性よりも焼入オーステナイト化温度における結晶粒粗
大化の抑制を狙っている。このためには、(Ｖ＋1/2Ｎb)
で0.20%以上必要であるが、0.60%を越えるとＭＣ量が0.
5%を越えるためこれを上限とした。Ｃoは基地に固溶し
て、耐熱性や耐焼付性の向上に有効な元素である。ま
た、Ｃoはオーステナイト領域を拡大する元素であり、
焼入温度において溶質元素の固溶を促進させるため、高
温焼もどしにおける二次硬化に有効である。このために
は、少なくとも1%以上必要であるが、4%を越えるとこの
効果は少なくなるためこれを上限とした。

【０００８】ＮiはＣoと同様に基地に固溶する元素であ
る。靭性の向上や焼入性の向上に有効であるが、0.2%未
満ではこの効果は少ない。一方、Ｎiはオーステナイト
安定化元素であるため、残留オーステナイトの生成を助
長し、焼入硬さの低下を招くため上限を1.0%とした。
Ｐ，Ｓ，Ｏ，Ｎは通常不純物元素として微量含有され
る。Ｐは結晶粒界に偏析し、粒界強度を低下させるだけ
でなく、凝固時の基地偏析を助長し、材質の方向性の原
因となる。ＳやＯは主に非金属介在物として鋼中に存在
し、疲労強度等に悪影響を及ぼす。また、Ｎは凝固時に
おける一次炭化物の晶出形態に影響を及ぼし、300ppmを
越えると一次炭化物を粗大化させるようになる。これら
の不純物を低減することにより、特に靭性面での効果が
大きい。しかし、本発明鋼のような高硬度で使用される
場合は、１元素の低減では効果が少ないため、４元素を
同時に制限し、それぞれＰ 0.015%以下、Ｓ 0.005%以
下、Ｏ30ppm以下、Ｎ 300ppm以下とすることにより、改
善効果が得られたので、これらを上限とした。

【０００９】冷間工具鋼において、凝固時に晶出する一
次のＭ₇Ｃ₃型やＭＣ型炭化物は耐摩耗性を向上する重要
な要素である。しかし、転造ダイスにおいては、工具寿
命を左右する重要な要因となる。特に被加工材がHRC40
クラスの高硬度材の場合、損耗形態は摩耗ではなく、ほ
とんどが欠損で寿命となっていることがわかった。これ
を詳しく解析すると、大型のＭ₇Ｃ₃型炭化物やＭＣ型炭
化物と基地との剥離からクラックが発生し、炭化物の配
列に沿って進展する現象が確認された。したがって、こ
れら一次炭化物のサイズ、量、分布について、クラック
の発生、進展の点から検討を行なった結果、Ｍ₇Ｃ₃型炭
化物の量は面積率で4%以下、ＭＣ型炭化物の量は面積率
で0.5%以下、さらに大きさとして20μm以下にし、均一
に分布させることにより、大幅に工具寿命を改善させる
ことを知見した。

【００１０】被加工材が調質材のような高硬度の場合に
は、転造における変形抵抗も大となり、ダイスに負荷さ
れる応力も高くなる。これに対し、硬さの点からダイス
材を検討した結果、従来の冷間工具鋼レベルの硬さ HRC
60〜63では十分な寿命が得られず、少なくともHRC64以
上とすることにより格段の工具寿命向上が可能であるこ
とが判明した。加えて実際の焼入れ焼もどしの熱処理
は、従来、雰囲気炉やソルト炉が用いられてきたが、工
程効率の向上や作業環境の改善から真空炉を用いた焼入
れが増加してきている。真空炉での冷却はＮ₂ガス冷却
が大半であり、従来の油冷等に比較すると冷却速度は遅
くなるため、工具材料には十分な焼入性が要求される。
本発明では、これらの動向に対応するため、真空炉にお
ける各種サイズの鋼材を用いて実体での冷却速度を測定
し、焼もどし後の硬さとの関連を検討したところ、1050
℃から1100℃の焼入温度から500℃までの冷却速度を25
℃/minとしてもHRC64以上の十分な熱処理硬さが得られ
ることが必要であることがわかった。つまり、この条件
で焼入し、高温焼もどしを行なうことにより、少なくと
もHRC64の硬さが得られるものでなければならないこと
がわかった。本発明の組成と炭化物分布（面積率、粒
径）を有する鋼により、初めて転造ダイスとしての特性
を備え、かつ比較的遅い冷却速度である真空熱処理炉の
使用も可能になるのである。

【００１１】本発明鋼を製造するには、Ｓ，Ｐ，Ｏ，Ｎ
などの不純物を低め、非金属介在物を最小限に調整して
靭性の向上を図るため、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工程の精錬法を適用す
ることが必要である。さらに、上述のＭ₇Ｃ₃型およびＭ
Ｃ型一次炭化物のサイズ、量、分布を調整する手段とし
て、本発明鋼の製造に当って、鋼塊の状態で、または鋼
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ことが必
要である。拡散温度は、1150℃未満であると、十分な元
素の拡散が行なわれず、一次炭化物のサイズや形態が変
化しないためこれを下限とした。また、1250℃を越える
と一部溶融が始まるためこれを上限とした。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づき説明する。
供試材として、表１に示す組成の本発明鋼(Ｎo.1〜Ｎo.
9)、比較鋼(Ｎo.10〜Ｎo.12)、および従来鋼(Ｎo.13,1
4)を、表２にそれぞれ該当Ｎo.で示した溶解法により溶
製し、さらに本発明鋼および比較鋼Ｎo.12については、
鋼塊状態で表２に示した条件の高温拡散処理を行なっ
た。この後、熱間加工および焼鈍処理を行なって供試材
とした。なおＮo.9※は、化学成分がＮo.9と同一で高温
拡散処理をしないものを表す。これらの素材を用いて、
実際の真空焼入炉を用い、焼入を行なった。試験材のサ
イズは、典型的な丸転造ダイスの大きさである直径 200
mm、厚さ 70mmとし、実操業の例と同じ条件である装入
量 300kg、冷却Ｎ₂ガス圧力 1.8barrで処理を行なっ
た。この場合焼入温度から500℃までの平均冷却速度
は、25℃/minであった。なお比較例Ｎo.11は、ガス冷却
では十分な硬さが得られないので油冷(当該温度域冷却
時間≦1min)とした。これらを540℃で焼もどし処理を行
なった。ただし、Ｎo.13のＳＫＤ１１相当材は、通常、
低温焼もどしで使用されるので、ここでは200℃の焼も
どしを行なった。熱処理後、各供試材について、硬さの
測定、画像解析装置による一次炭化物（Ｍ₇Ｃ₃，ＭＣ）
のサイズおよび面積率を測定した。また、実際の転造状
態を模擬し、ダイス材の性能比較を行なった。その方法
は、円周方向に連なる頂角60°の刃状突起を有する円板
状試験片を遊転可能に支持して旋盤の刃物台にセット
し、これを主軸で支持回転した相手材の外周に螺旋角を
以って、所定深さの押圧を加えるもので、相手材として
HRC40に調質したＳＣＭ４４０を用い、試験片の山部に
カケが発生するまでの総回転数を寿命として用いた。

【００１３】

【表１】

【００１４】以上の結果を表２に示す。本発明鋼は、一
次炭化物の面積率、サイズとも適切であり、かつ真空熱
処理においてHRC64以上を得ることができるため、高硬
度の加工材の転造加工に対し、十分な強度と靭性を確保
することができる。すなわち、転造疲労寿命試験におい
て、比較鋼、従来鋼に対して、２倍から５倍の寿命を示
すことがわかる。Ｎo.9※は本発明鋼Ｎo.9の組成で、高
温拡散処理を行なわないで製造したものであり、比較鋼
である。高温拡散処理工程を欠くため、熱処理硬さは十
分に得られるが、一次炭化物の量、サイズがＮo.9との
対比でも判るように過剰かつ過大となり、本来の工具寿
命を阻害している。比較鋼Ｎo.10は硬さは満足するが、
Ｃ，Ｃr量が不適切なため、Ｍ₇Ｃ₃型の一次炭化物の
量、サイズとも過剰となり、クラックの発生確率が高
く、本発明鋼に及ばない。比較鋼Ｎo.11の一次炭化物は
硬質のＭＣ型が相対的に多い。ＭＣ型炭化物は基地の変
形特性との差が大きいため、応力集中源となり易く、ク
ラック発生の要因となる。また焼入性も低下させるので
満足すべき工具寿命は得られていない。比較鋼Ｎo.12
は、一次炭化物の面積率では、本発明鋼に近く、また熱
処理硬さも十分であるが、一次炭化物の最大サイズが大
きく、また溶解法と関連してＰ，ＳおよびＯ，Ｎの不純
物の水準が高いため、本発明鋼のレベルに至っていな
い。また、従来鋼Ｎo.13は、ＳＫＤ１１相当で、一次炭
化物の量、サイズとも大幅に過剰、過大であり、加えて
焼入性はあるものの、Ｍo＋1/2ＷやＶ＋1/2Ｎbの不足
等、化学組成的にHRC64以上を得ることは不可能であ
る。また、従来鋼である8Ｃr系のＮo.14では、一次炭化
物の水準は、本発明鋼に近づくが不十分であり、またHR
C64以上を得ることも困難である。このため両従来鋼種
とも、転造疲労寿命で本発明鋼よりかなり劣る結果とな
っている。

【００１５】

【表２】

【００１６】表３には、本発明鋼Ｎo.1,9、比較鋼Ｎo.1
1、従来鋼Ｎo.14の熱処理特性、特に冷却時間の影響を
調査した結果を示している。工具材料は、実際の熱処理
条件で目標とする硬さを得ることが実用上重要である。
先に述べたように、代表的な大きさの転造ダイスの真空
焼入では、焼入温度から500℃までの冷却速度は約25℃/
min、したがって1180℃からでは約27分、1160℃からで
は約26分である。したがって、この冷却条件以内で焼も
どし後の硬さHRC64以上を満足し得るものでなければな
らない。表３から、本発明のＮo.1はこれを満足し、ま
たＮo.9は30minの遅い冷却となっても十分な硬さを得る
ことができることがわかる。これに対し、比較鋼Ｎo.11
は油冷ではHRC64を越えるが、焼入性が不十分のため、2
7minの条件では硬さはかなり低下し、Ｎo.14は、表２の
焼入温度よりさらに高温の1160℃で焼入れしたが、冷却
時間が長くなっても硬さの低下は少ないとはいえ、化学
組成的に二次硬化は限界であり、急冷によってもHRC64
以上を得ることは困難である。

【００１７】

【表３】

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、従来の転造
ダイス材では、加工硬化の大きいステンレス鋼等やHRC4
0程度の調質鋼等の難加工材に対して、十分な工具寿命
が得られなかったことに対応して、また真空炉の適用を
考慮して熱処理性を加見し開発されたものであり、最適
の成分範囲でかつミクロ組織を適正化することにより、
優れた工具寿命を達成したものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ 0.95〜1.10%、Ｓi 0.65〜1.
20%、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 6.80〜7.80%、ＭoとＷの１種
または２種を（Ｍo＋1/2Ｗ）で2.50〜3.50%、ＶとＮbの
１種または２種を（Ｖ＋1/2Ｎb）で0.20〜0.60%を含
み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、焼入焼も
どし後において、Ｍ₇Ｃ₃型一次炭化物が面積率で4%以
下、ＭＣ型一次炭化物が面積率で0.5%以下、一次炭化物
の最大粒径が実質的に20μm以下で基地中に均一に分布
したミクロ組織となり、さらに1050℃〜1100℃の焼入温
度から、500℃までの焼入冷却速度を25℃/minとして焼
入れし、これを高温焼もどしした場合の硬さがHRC64以
上を得ることのできる高性能転造ダイス用鋼。
【請求項２】重量％でＣ 0.95〜1.10%、Ｓi 0.65〜1.
20%、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 6.80〜7.80%、ＭoとＷの１種
または２種を（Ｍo＋1/2Ｗ）で2.50〜3.50%、ＶとＮbの
１種または２種を（Ｖ＋1/2Ｎb）で0.20〜0.60%、Ｃo
1.0〜4.0%を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からな
り、焼入焼もどし後において、Ｍ₇Ｃ₃型一次炭化物が面
積率で4%以下、ＭＣ型一次炭化物が面積率で0.5%以下、
一次炭化物の最大粒径が実質的に20μm以下で基地中に
均一に分布したミクロ組織となり、さらに1050℃〜1100
℃の焼入温度から、500℃までの焼入冷却速度を25℃/mi
nとして焼入れし、これを高温焼もどしした場合の硬さ
がHRC64以上を得ることのできる高性能転造ダイス用
鋼。
【請求項３】重量％でＣ 0.95〜1.10%、Ｓi 0.65〜1.
20%、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 6.80〜7.80%、ＭoとＷの１種
または２種を（Ｍo＋1/2Ｗ）で2.50〜3.50%、ＶとＮbの
１種または２種を（Ｖ＋1/2Ｎb）で0.20〜0.60%、Ｃo
1.0〜4.0%、Ｎi 0.2〜1.0%を含み、残部Ｆeおよび不可
避的不純物からなり、焼入焼もどし後において、Ｍ₇Ｃ₃
型一次炭化物が面積率で4%以下、ＭＣ型一次炭化物が面
積率で0.5%以下、一次炭化物の最大粒径が実質的に20μ
m以下で基地中に均一に分布したミクロ組織となり、さ
らに1050℃〜1100℃の焼入温度から、500℃までの焼入
冷却速度を25℃/minとして焼入れし、これを高温焼もど
しした場合の硬さがHRC64以上を得ることのできる高性
能転造ダイス用鋼。
【請求項４】不可避的不純物として、Ｐ 0.015%以
下、Ｓ 0.005%以下、Ｏ30ppm以下、Ｎ 300ppm以下を満
足する請求項１〜３のいずれかに記載の高性能転造ダイ
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工程を経る精錬方法により鋼塊
を製造する工程、該鋼塊の状態で、または該鋼塊を熱間
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請求項１から４の
いずれかに記載の高性能転造ダイス用鋼の製造方法。