JP4001787B2

JP4001787B2 - 疲労寿命に優れた冷間工具鋼およびその熱処理方法

Info

Publication number: JP4001787B2
Application number: JP2002191818A
Authority: JP
Inventors: 大円横井
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004035920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疲労寿命に優れた冷間工具鋼およびその熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷間工具鋼は、６０ＨＲＣ前後の高硬度で使用し、多量の炭化物を分散させることによって、耐摩耗性に優れることを特徴としている。しかし、最近、被加工材の高強度化に伴い、耐疲労性の改善が必要となっており、耐摩耗性と耐疲労性を両立させた冷間工具鋼の開発が望まれている。これらのことから、残留オーステナイトを安定させることで経年変化を解消すると共に、高速の付加がかかった時の割れに対する感受性を改善した冷間工具鋼の製造方法として、例えば特開２００１−１３１６３４号公報が開示されている。
【０００３】
また、上記特許と同様に、特開平１１−３１０８２０号公報においても、冷間工具鋼の硬さを維持したまま、鋼に含まれている残留オーステナイトを安定させて、マルテンサイトへの変態の進行を伴う寸法・形状の経年変化の問題を解決した冷間工具鋼が提案されている。さらに、特開２０００−２３４１４８号公報においては、鋼中にＳを添加しＭｎＳを分散形成させることにより、Ｓ無添加鋼に比べ疲労限を向上させ、一方、被削性も向上させた高サイクル疲労寿命および被削性に優れた冷間工具鋼を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開２００１−１３１６３４号公報は、残留オーステナイトを安定化する手段として、残留オーステナイトをいったん積極的に不安定にしておいて、安定化するという点が特徴である。しかし、この方法では十分な効果が得られず、また、疲労寿命を向上させる観点から、残留オーステナイトの形態をどうように限定すればよいかの点は全く開示されていない。
また、特開平１１−３１０８２０号公報および特開２０００−２３４１４８号公報においても上記同様に、この方法では耐疲労性が十分に得られず、しかも、疲労寿命を向上させる観点から、残留オーステナイトの形態をどうように限定すればよいかの点は全く開示されていない。
【０００５】
これに対し、近年の塑性加工技術の進歩や被加工材の高強度化に伴い、工具の耐摩耗性向上を目的に、さらに耐疲労性を兼ね供えた金型に適した工具鋼が必要とされることから、本発明は、最適な化学成分に限定し、残留オーステナイトを積極的に活用することによって、疲労特性の向上に、硬度と体積％で５〜３５％の残留オーステナイトを平均粒径０．０１〜２μｍに微細分散させることにより、十分な耐疲労性を確保し、耐摩耗性が劣化しない強度の優れた高寿命が得られる冷間工具鋼を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．６０〜１．５０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：５．０〜１３．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．１〜３．０、ＶまたはＮｂの１種または２種を合計で０．０５〜２．０％含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、焼入れ後、３００〜５００℃の焼戻温度で少なくとも１回以上の焼戻しを行い、硬さ５５〜６５ＨＲＣで、５〜３５体積％の残留オーステナイトを平均粒径０．０１〜２μｍに微細分散させたことを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼。
【０００７】
（２）前記（１）に記載の鋼に、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｏ：３．０％以下、Ｓ：０．２％以下の１種または２種以上添加することを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼。
（３）前記（１）または（２）に記載の鋼を、焼戻温度以下で窒化処理することを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼の熱処理方法にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明鋼の各化学成分の作用およびその限定理由を説明する。
Ｃ：０．６０〜１．５０％
Ｃは、焼入焼戻により、十分なマトリックス硬さを与えると共に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂなどと結合して炭化物を形成し、強度および耐摩耗性を与える元素である。しかし、添加量が多過ぎると、凝固時に粗大炭化物が析出し、靱性を低下させる。また、残留オーステナイトが多くなりすぎ、逆に硬さが低下する。従って、その上限を１．５０％とした。一方、０．６０％未満では、その効果が十分でないので、その下限を０．６０％とした。
【０００９】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加されると共に、耐酸化性および焼入性に有効な元素であると共に、マトリックス硬さを与える元素である。しかし、２．０％を超えて添加すると、靱性を低下させるので、その上限を２．０％とした。
Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加し鋼の清浄度を高めると共に焼入れ性を高める元素である。しかしながら、１．５％を超えて添加すると、靱性を低下させるので、その上限を１．５％とした。
【００１０】
Ｃｒ：５．０〜１３．０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めると共に、炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する元素である。この効果を満足するためには、少なくとも５．０％以上必要である。従って、その下限を５．０％とした。一方、Ｃｒは、凝固時にＣと結合して粗大炭化物が析出し、靱性を低下させるため、その上限を１３．０％とした。
【００１１】
ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．１〜３．０％、
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与する重要な元素であると共に、耐軟化抵抗性を改善する元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で表すことができる。本発明成分系においては、Ｍｏ当量で少なくとも０．１％以上が必要である。逆に、Ｍｏ当量の過剰添加は、靱性の低下を招くので、その上限を３．０％とした。
【００１２】
ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．０５〜２．０％
Ｖ、Ｎｂは、共に微細な炭化物を形成し二次硬化に寄与する元素であると共に、結晶粒微細化し、耐摩耗性を向上させる元素である。ただし、その効果はＶの方がＮｂよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＮｂはＶの２倍必要である。この両元素の効果はＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で表すことができる。本発明成分系においては、Ｖ当量で少なくとも０．０５％以上が必要である。過剰な添加は靱性を低下させるため、その上限を２．０％とした。
【００１３】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、焼入れ性および靱性の向上に役立つ元素である。しかし、２．０％を超えると残留オーステナイトが多くなりすぎ、逆に硬さが低下する。従って、その上限を２．０％とした。
Ｃｏ：３．０％以下
Ｃｏは、焼戻硬さの向上に役立つ元素である。しかし、３．０％を超えると靱性を低下させる。従って、その上限を３．０％とした。
【００１４】
Ｓ：０．２％以下
Ｓは快削性を確保するために必要な元素である。しかし、過剰な添加は靱性を低下させるため、その上限を０．２％とした。
また、硬さ５５〜６５ＨＲＣ
硬さは、耐疲労特性の向上に役立ち、少なくとも５５ＨＲＣ以上の硬さが必要である。しかし、逆に６５ＨＲＣを超えると耐疲労特性を低下させることから、その上限を６５ＨＲＣとした。
【００１５】
残留オーステナイト５〜３５体積％
体積％で５〜３５％の残留オーステナイト組織を残留させたことにより、耐疲労特性の向上を図る。すなわち、安定化した残留オーステナイトは応力集中個所およびき裂先端において衝撃材の役割を果たし、疲労特性の向上を図る。しかし、３５体積％を超えると硬さが低下することから、その上限を３５体積％とした。
平均粒径０．０１〜２μｍ
残留オーステナイトを平均粒径０．０１〜２μｍに微細分散させることにより耐疲労特性の向上を図る。しかし、２μｍを超えると残留オーステナイトが多くなり過ぎて、逆に硬さが低下することから、その範囲を０．０１〜２μｍとした。
【００１６】
焼戻温度：３００〜５００℃
焼戻温度を３００〜５００℃としたのは、残留オーステナイト中にＣを固溶させるのに必要な温度であり、残留オーステナイトの安定化を図る。この安定化した残留オーステナイトは、繰返し応力による歪誘起変態を生じ難く、寿命向上に寄与する。しかし、５００℃を超えると残留オーステナイトが分解することから、その上限を５００℃とした。
窒化処理：焼戻温度以下
窒化処理は、残留オーステナイト中にＮを固溶させ、残留オーステナイトの安定化を高める。しかし、焼戻温度を超えると残留オーステナイトが分解することから、その上限を５００℃とした。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
表１に示す組成の鋼１００ｋｇを真空誘導溶解炉にて溶製し、インゴットに鋳造し、１１００℃に加熱、角１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍに鍛伸後焼なましを行い供試材とした。各試験片は１０３０℃に３０分保持後、空冷し、３００〜５００℃で６０分保持後空冷処理を２回施し、シャルピー衝撃試験片、回転曲げ疲労試験片を作製した。その結果を表２に示す。
また、シャルピー衝撃試験は、１０Ｒ２ｍｍＣノッチ試験片を用い、常温で試験を実施した。回転曲げ疲労試験は、平行部φ８×１７Ｌの試験片を用い、応力振幅１０５０ＭＰａ、常温で試験を実施した。さらに、被削性については、各種の焼なまし材を、ＳＫＨ５１製、φ５ｍｍのドリルで１０ｍｍ穿孔するのに要する時間で示した。なお、窒化処理は、イオン窒化装置を用い、焼戻温度以下で１〜５時間保持して評価した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
表２に示すように、本発明鋼Ａ〜Ｆはいずれも残留オーステナイト量が５〜３５％の範囲内であり、かつ、残留オーステナイト平均粒径が０．０１〜２μｍの範囲である。また、５５〜６５ＨＲＣの硬さを維持した上で、耐摩耗性の向上、疲労強度、金型寿命延長を図ることが出来た。これに対し、比較例であるＧ〜Ｉは成分組成ないし残留オーステナイト量の範囲、残留オーステナイトの平均粒径、硬さおよび焼戻温度の条件が外れているために、シャルピー衝撃値が低く、また、疲労寿命が短く、金型寿命および被削性が本発明より劣ることが判る。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明鋼は、冷間工具鋼としての残留オーステナイトを積極的に活用することにより、疲労特性を向上させ、極めて優れた型寿命を確保することが可能となり、金型用工具鋼として従来のものに比べて経済的で極めて有利なものとなる優れた効果を奏するものである。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．６０〜１．５０％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｃｒ：５．０〜１３．０％、
ＭｏまたはＷの１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．１〜３．０、ＶまたはＮｂの１種または２種を合計で０．０５〜２．０％含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、焼入れ後、３００〜５００℃の焼戻温度で少なくとも１回以上の焼戻しを行い、硬さ５５〜６５ＨＲＣで、５〜３５体積％の残留オーステナイトを平均粒径０．０１〜２μｍに微細分散させたことを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼。
請求項１に記載の鋼に、
Ｎｉ：２．０％以下、
Ｃｏ：３．０％以下、
Ｓ：０．２％以下
の１種または２種以上添加することを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼。
請求項１または２に記載の鋼を、焼戻温度以下で窒化処理することを特徴とする疲労寿命に優れた冷間工具鋼の熱処理方法。