JP7582776B2

JP7582776B2 - 表面処理性に優れた高靭性冷間工具鋼からなる工具

Info

Publication number: JP7582776B2
Application number: JP2019222702A
Authority: JP
Inventors: 雅人前田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2024-11-13
Anticipated expiration: 2039-12-10

Description

本発明は、高い耐摩耗性、耐割れ性が要求とされる冷間加工用金型として好適な表面処理膜の密着性に優れた高靱性冷間工具鋼およびその鋼を用いた金型等の工具に関する。

近年、冷間加工技術の発展に伴って、より高硬度の被加工材を加工したり、強加工による迅速成形したりする工程か多くなるなど、冷間加工条件が過酷化している。
そのため使用される金型には、特に耐摩耗性が求められるため、チタンやバナジウムの炭化物や窒化物といった硬質物質を数ミクロンメーターの厚さに被覆するいわゆる硬質皮膜処理が用いられており、たとえば、ＴＲＤ処理（溶融塩浸漬法（熱反応析出拡散法）：Thermo-reactive Deposition and Diffusion ）やＣＶＤ処理（化学的蒸着法：Chemical Vapor Deposition）によって金型等の表面に硬質な表面処理膜が施されている。

ＴＲＤ処理は、処理炉の損傷を抑えるため処理温度が１０００℃と通常の冷間工具鋼の焼入温度より低い温度で実施される。またＣＶＤ処理も処理温度が１０００℃であり、その後、再焼入焼戻しを行うときに熱処理による変形を抑えるため、再焼入れ時の焼入温度もＣＶＤ処理と同様に１０００℃と低い温度とすることがある。

すると、例えばＪＩＳ－ＳＫＤ１１鋼を用いた金型を焼入焼戻ししても５７ＨＲＣ程度しか硬さが得られないこととなる。そこで、金型として使用すると、冷間加工時の応力で母材のＳＫＤ１１が変形を起こし、表面処理膜がその変形により追随できず早期に破壊・剥離することがあった。

また、ＳＫＤ１１は粗大炭化物が多く、粗大炭化物上に形成された表面処理膜は炭化物との密着性が悪く、剥離しやすかった。また鋼材自体の靭性が低く、表面処理膜が剥離した箇所で摩耗等により鋼材に発生した微細割れが早期に進展し、剥離に気づく前に金型が大割れし生産阻害を起こすことがあった。

そこで、出願人は、表面処理膜の高い密着性を向上させた冷間工具鋼を焼入焼戻した表面処理工具を提案している（特許文献１参照。）。この特許では、９８０～１０３０℃の溶融塩浴に浸漬する浸透拡散処理による焼入後、焼戻により６２～６４ＨＲＣの高硬度が得られる。また、鋼中の炭化物サイズが２０μｍ以下で、炭化物凝集部のサイズが１００μｍ以下である、表面処理工具を開発している。
もっとも、この鋼には、ＣやＭｏ、Ｖが多く含まれているため、各炭化物のサイズは小さくても炭化物量は多く、その炭化物を伝って割れが進展しやすいために、靭性が低く、金型の大割れによる生産阻害が起きる場合があった。

さらに、Ｃｒ量を限定し母材中に残存する炭化物量を増加させることで表面処理膜直下にできるＣ欠乏層を抑制しつつ６２～６４ＨＲＣの母材硬度を有する表面処理性に優れた冷間工具鋼が提案されている（特許文献２参照。）。しかし、この発明鋼も炭化物量が多く存在させているため、靭性が低く、金型の大割れによる生産阻害が起きる場合があった。

また、高硬度が得られ、母材と硬質被膜の密着性が高い工具鋼が提案されている（特許文献３参照。）。この提案の工具鋼では、表面処理温度で６～１３ｗｔ％炭化物が残存することで表面処理時の硬質皮膜形成時のＣ源となり、硬質被膜直下の母材表面部の硬さ低下を抑制できることが示されている。しかし、炭化物の大きさや量については考慮されておらず、被膜直下に粗大炭化物が残ることがあり、その粗大炭化物上の表面処理膜が剥離してしまうことがあった。

特許３９７０６７８号公報特開２００５－１８７９００号公報特開２００６－３２８５２１号公報

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、鋼の成分組成、炭化物の硬化能と安定性を表す値のＣＰ値の式、炭化物面積率、を規定することで、硬さが６０ＨＲＣ以上で、かつ、これらの鋼に表面処理した際の表面処理膜の密着性に優れる高靭性の冷間工具鋼からなる工具が得られることを見出した。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、金型の大割れによる生産阻害が抑制でき、高い耐摩耗性、耐割れ性および表面処理膜の密着性に優れた冷間工具鋼からなる工具を提供することである。

上記の課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．７～０．９％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．２～０．８％、Ｃｒ：４．０～９．０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：１．５～４．０％、Ｖ＋Ｎｂ／２：０．３～０．５％、Ｎ：５００ｐｐｍ以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつＣＰ値が２８～４３である冷間工具鋼を用いた、鋼表面に硬質皮膜が形成された冷間工具鋼からなる工具であって、皮膜形成された状態での工具母材の硬さが６０ＨＲＣ以上であり、２０μｍ²以上のサイズの炭化物が該母材中に占める面積率が１０％以下であること、を特徴とする硬質皮膜された冷間工具鋼からなる工具である。
ただし、ここにＣＰ値とは式Ｃ×｛５Ｃｒ＋２（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１２（Ｖ＋Ｎｂ／２）｝で求まる値であって、式中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂには、鋼中の各元素の組成量を質量％で代入して求める。

上記の手段とすることで、本願の発明の冷間工具鋼を用いた工具は、炭化物の硬化能と安定性が良好であり、硬さが６０ＨＲＣ以上であり、鋼中の炭化物の面積率は１０％以下であり、靭性を示すシャルピー衝撃値２５Ｊ／ｃｍ²以上であり、かつ、表面処理膜の密着性を示す臨界剥離荷重が３５Ｎ以上であって、冷間工具鋼としての金型の使用中に割れて生産阻害をおこすこともなく、また硬質の表面処理膜が破壊して剥離することもないなど、安定して、金型等の工具として使用することができる。

発明を実施するための形態の記載に先立って、本願発明の冷間工具鋼の化学成分の限定理由およびＣＰ値の限定理由、該鋼の表面に硬質皮膜を形成させた際の処理温度１０００℃における焼戻し温度５００℃以上としたときの硬さ、２０μｍ²以上の炭化物が鋼中に占める面積率、靭性の評価としてのシャルピー衝撃値および臨界剥離荷重で示す表面処理膜の未着性について、記載する。なお、化学成分における％は、質量％である。

Ｃ：０．７～０．９％
Ｃは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性を高める元素である。その効果を得るためには、Ｃは０．７％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃが０．９％より多く含有されると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、靭性および加工性を悪化する。そこで、Ｃは０．７～０．９％とする。

Ｓｉ：０．５～０．９％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であり、得られた鋼の硬さを得るために必要な元素である。そのためには、Ｓｉは０．５％以上が必要である。しかし、Ｓｉが０．５％より多く含有されると、鋼の靭性および加工性が悪化する。そこで、Ｓｉは０．５～０．９％とする。

Ｍｎ：０．２～０．８％
Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤であり、得られた鋼の焼入性を得るために必要な元素であり、そのためには少なくとも０．２％以上が必要である。もっとも、Ｍｎが０．８％より多く含有されると、マトリックスを脆化させ靭性が悪化する。そこで、Ｍｎは０．２～０．８％とする。

Ｃｒ：４．０～９．０％
Ｃｒは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｒは４．０％以上が必要である。しかし、Ｃｒが９．０％より多く含有されると、粗大な炭化物を形成し、靭性および加工性を悪化する。そこで、Ｃｒは４．０～９．０％とする

Ｍｏ＋Ｗ／２：１．５～４．０％
ＭｏとＷは、鋼中で共に硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める効果を有する元素であり、かつＭｏに対してＷ／２が同等の効果を有する。そこで、ＭｏとＷ／２の合わせた量で効果を勘案すべきところである。そして、これらの効果を得るためには、Ｍｏ＋Ｗ／２は１．５％より多く含有される必要がある。しかし、Ｍｏ＋Ｗ／２は４．０％より多く含有されると、粗大な炭化物を形成して靭性および加工性を悪化する。そこで、Ｍｏ＋Ｗ／２は１．５～４．０％とする。

Ｖ＋Ｎｂ／２：０．３～０．５％
ＶとＮｂは、鋼中で共に硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入時の結晶粒の粗大化を抑制する効果を有し、靭性の向上に寄与する元素であり、かつＶに対してＮｂ／２が同等の効果を有する。そこで、ＶとＮｂ／２の合わせた量で効果を勘案すべきところである。そして、これらの効果を得るためには、Ｖ＋Ｎｂ／２は０．３％より多く含有される必要がある。しかし、Ｖ＋Ｎｂ／２は０．５％より多く含有されると、粗大な炭化物を形成して靭性および加工性を悪化する。そこで、ＶとＮｂは０．３～０．５％とする。

Ｎ：５００ｐｐｍ以下、望ましくは２８０ｐｐｍ以下
Ｎは、鋼中に窒化物を形成する元素である。そして、窒化物が耐摩耗性を向上させるとともに結晶粒の粗大化を防止し、靭性の低下を抑制する。もっとも、Ｎが５００ｐｐｍより多く含有されると、粗大な窒化物を形成し、靭性、加工性が悪化する。そこで、Ｎは５００ｐｐｍ以下とする。望ましくは、窒化物量自体を少なくし微細な窒化物分散状態とするため、２８０ｐｐｍ以下とする。

ＣＰ値：２８～４３
ただし、ＣＰ値とは式Ｃ×｛５Ｃｒ＋２（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１２（Ｖ＋Ｎｂ／２）｝で求まる値であって、式中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂには、鋼中の各元素の組成量を質量％で代入して求める。
ＣＰ値の式は、炭化物の硬化能と安定性を表している。ＣＰ値が２８より低すぎると、１０００℃でのＴＲＤ処理やＣＶＤ処理による表面処理後の再焼入を１０００℃で実施しても、焼戻し処理後の母材の硬さが６０ＨＲＣ以上にならないこととなる。
一方、ＣＰ値が４３より高すぎると、表面処理時に固溶が進まず炭化物の固溶が、２０μｍ²以上の面積を有する粗大炭化物が多く残存しやすくなり、表面処理膜の剥離が起こり易くなり、靭性の低下を招くこととなる。
そこで、ＣＰの値は、２８～４３とする。

表面硬化膜形成後の母材の硬さ：６０ＨＲＣ以上
母材の硬さが６０ＨＲＣより低いと、冷間加工時の応力で母材が変形を起こし、ＴＲＤ処理やＣＶＤ処理による表面処理膜が変形に追従できず、早期に破壊・剥離してしまう。そこで、１０００℃で実施の表面硬化膜形成処理後の母材の硬さは、６０ＨＲＣ以上とする。

２０μｍ²以上の大きさの炭化物が工具母材の鋼中に占める面積率：１０％以下
２０μｍ²以上の面積を有する粗大炭化物が多く存在すると、その炭化物上に形成されたＴＲＤ処理やＣＶＤ処理による表面処理膜は、炭化物との密着性が悪いために剥離し易いものとなりやすい。そこで、２０μｍ²以上の面積の炭化物が工具母材の鋼中に占める面積率（以下、この明細書において「炭化物面積率」という。）は１０％以下とする。０．５ｍｍ²視野内における炭化物面積率を評価することで適切に評価することができる。

次いで、発明を実施するための形態について、以下に実施例を通じて説明する。

表１に示す、発明鋼の各Ｎｏ．１～１５と比較鋼の各Ｎｏ．１６～２８のそれぞれの化学成分と、その残部のＦｅおよび不可避不純物からなる各１００ｋｇ鋼塊を真空誘導溶解炉にて溶製した。
なお、ＣＰ値の式は、炭化物の硬化能と安定性を表している。ＣＰは、Ｃ×｛５Ｃｒ＋２（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１２（Ｖ＋Ｎｂ／２）｝で、各元素に成分組成の質量％の値を代入して求めた値である。

これらの溶製した鋼をそれぞれ角５０ｍｍの棒鋼に鍛伸した。
次いで、これらの鍛伸した棒鋼を工具として想定し、その鋼表面に硬質皮膜を形成させた。まず、１０００℃に加熱してＣＶＤによりそれぞれの棒鋼上にＴｉＣの表面膜を形成して炉冷し、さらに、これらを１０００℃に加熱して空冷する焼入処理を施し、次いで、これらを５００～６００℃の焼戻し処理温度に加熱して空冷する、焼戻処理を２回繰り返し実施した。この場合、焼戻温度は５００℃以上の焼戻処理温度範囲で最も高くなる温度とした。
この方法により、それぞれの棒鋼に、ＣＶＤ処理にて８μｍ厚のＴｉＣ膜を形成させた。

以下では、硬質皮膜処理として、ＣＶＤ処理により８μｍ厚のＴｉＣ膜を形成させる例を用いて説明する。
なお、本発明の規定する化学成分からなる冷間工具鋼を用いた工具は、その表面にＴＲＤ処理によって、硬質皮膜を形成させることもできる。ＴＲＤ処理では、外熱加熱式で１０００ ℃に保持された、炭化物生成金属粉末又は合金粉末を添加した溶融塩浴中に、所望する厚さに応じて０．５～１０時間浸漬した後、塩浴から取り出し直接焼入れを行い、焼戻すことで、表面にたとえば２～２０μｍの炭化物のＶＣ膜等を形成させるものである。

次に、上記で得られたＣＶＤ処理による８μｍ厚のＴｉＣ膜を有する、発明鋼の各Ｎｏ．１～１５と、比較鋼の各Ｎｏ．１６～２８とのそれぞれの棒鋼について、それらの鋼の母材の硬さをロックウェル硬さで評価して、表２に示した。
なお、母材の硬さが６０ＨＲＣ以上であると、皮膜との密着性が高まり母材と剥離しにくくなるので、母材の硬さが６０ＨＲＣを下回るものを下線で示した。

また、上記の焼戻処理後の棒鋼からなる角５０ｍｍのそれぞれの試料を用いて、その中心部から、縦１５ｍｍ、横１５ｍｍおよび長さ１５ｍｍの試験片を割出し、それぞれの試験片をナイタールにより腐食し、光学顕微鏡の１００倍の視野で３箇所ランダムに撮影し、撮影した画像を画像解析装置を使用して、０．５ｍｍ²視野内を観察した。０．５ｍｍ²視野内における２０μｍ²以上の大きさの炭化物を観察してその面積率を炭化物面積率（％）として求めた。表２では各試験片について、３箇所の平均値を炭化物面積率（％）として示している。２０μｍ²以上の大きさの炭化物が１０％を超えるものについて、本発明の範囲外として下線で示した。

さらに、上記の焼戻処理後の試料を用いて、中心部から縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、長さ５５ｍｍのシャルピー衝撃試験片を割り出した。これらの試験片のノッチ形状は１０Ｒ－２ｍｍＣノッチに加工した。これらの試験片を用いて、それぞれの靭性はシャルピー衝撃試験で評価した。
ところで、ＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ１１は、焼戻し硬さが６０ＨＲＣのときシャルピー衝撃試験値は１５Ｊ／ｃｍ²であるので、２５Ｊ／ｃｍ²以上の高いシャルピー衝撃値が得られれば、靱性に優れていると評価し、２５Ｊ／ｃｍ²より低いシャルピー衝撃値が得られれば、靱性に劣るものと評価して、表２に下線で示した。

さらに、上記の焼戻処理後の試料を用いて、スクラッチ試験により密着性を評価した。この場合、最小荷重を１Ｎ、荷重スピードを３０Ｎ／ｍｉｎ、スクラッチスピードを１．５１ｍｍ／ｍｉｎ、圧子をダイヤモンド、圧子曲率半径を２００μｍとして、スクラッチ試験を発明鋼および比較鋼それぞれのＮｏ．の鋼について実施した。
ＪＩＳ鋼種であるＳＫＤ１１は、臨界剥離荷重が３０Ｎであるため、臨界剥離荷重が３５Ｎ以上であれば、密着性に優れているとし、低ければ密着性が悪いとして評価して、表２に下線で示した。

本願の発明鋼であるＮｏ．１～１５は、いずれも規定の化学成分を有する鋼で、ＣＰ値は２８～４３、硬さは６０ＨＲＣ以上、炭化物面積率は１０％以下、靭性を示すシャルピー衝撃値は２５Ｊ／ｃｍ²以上、ＣＶＤ処理膜の密着性を示す臨界剥離荷重は３５Ｎ以上であった。そこで、１０００℃での熱処理においても、皮膜の密着性と靱性に優れ、炭化物が粗大化せず割れによる生産阻害が起きにくい、といった特性が確認された。

これに対して、比較鋼のＮｏ．１６～３８は、化学成分あるいはＣＰ値のいずれかが規定した範囲から外れており、硬さ、炭化物面積率、シャルピー衝撃値、臨界剥離強度のいずれか１つ以上の指標が、本願の発明の範囲を外れており、密着性あるいは靱性、割れなどの特性に劣ることが確認された。

Claims

質量％で、Ｃ：０．７～０．９％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．２～０．８％、Ｃｒ：４．０～９．０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：１．５～４．０％、Ｖ＋Ｎｂ／２：０．３～０．５％、Ｎ：５００ｐｐｍ以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつＣＰ値が２８～４３である冷間工具鋼を用いた、鋼表面に硬質皮膜が形成された、１０００℃から焼入れされた冷間工具鋼からなる工具であって、
皮膜形成された状態での工具母材の硬さが６０ＨＲＣ以上であり、２０μｍ²以上のサイズの炭化物が該母材中に占める面積率が１０％以下であること、を特徴とする硬質皮膜された冷間工具鋼からなる工具。
ただし、ここにＣＰ値とは式Ｃ×｛５Ｃｒ＋２（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１２（Ｖ＋Ｎｂ／２）｝で求まる値であって、式中のＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂには、鋼中の各元素の組成量を質量％で代入して求める。