特許 6365961 高速度工具鋼、工具用材料、および、工具用材料の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6365961

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】高速度工具鋼、工具用材料、および、工具用材料の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20180723BHJP

   C22C 38/30 20060101ALI20180723BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 302E

   C22C38/30

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-556373(P2017-556373)

(86)(22)【出願日】2016年9月29日

(86)【国際出願番号】JP2016078954

(87)【国際公開番号】WO2017104220

(87)【国際公開日】20170622

【審査請求日】2017年12月25日

(31)【優先権主張番号】特願2015-245953(P2015-245953)

(32)【優先日】2015年12月17日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(72)【発明者】

【氏名】福元 志保

【審査官】 川口 由紀子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２１９９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０８８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６６３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４１０９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００−３８／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．９〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｗ：２．１〜３．５％、Ｍｏ：９．０〜１０．０％、Ｖ：０．９〜１．２％、Ｃｏ：５．０〜１０．０％、Ｎ：０．０２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物でなる高速度工具鋼であり、
前記高速度工具鋼が含有する前記Ｃ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏの含有量の関係が、下記式で算出されるＭ値において、−１．５≦Ｍ値≦１．５を満たすことを特徴とする高速度工具鋼。
式：Ｍ値＝−９．５００＋９．３３４［％Ｃ］−０．２７５［％Ｓｉ］−０．５６６［％Ｗ］−０．４０４［％Ｍｏ］＋３．９８０［％Ｖ］＋０．１６６［％Ｃｏ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。

【請求項2】

請求項１に記載の高速度工具鋼でなり、
断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で、３２．０μｍ以下であることを特徴とする工具用材料。

【請求項3】

質量％で、Ｃ：０．９〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｗ：２．１〜３．５％、Ｍｏ：９．０〜１０．０％、Ｖ：０．９〜１．２％、Ｃｏ：５．０〜１０．０％、Ｎ：０．０２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物でなる高速度工具鋼を鋼塊に鋳造し、前記鋼塊に熱間加工を行う工具用材料の製造方法であって、
前記高速度工具鋼の鋼塊が含有する前記Ｃ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏの含有量の関係が、下記式で算出されるＭ値において、−１．５≦Ｍ値≦１．５を満たし、
前記工具用材料の断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で、３２．０μｍ以下であることを特徴とする工具用材料の製造方法。
式：Ｍ値＝−９．５００＋９．３３４［％Ｃ］−０．２７５［％Ｓｉ］−０．５６６［％Ｗ］−０．４０４［％Ｍｏ］＋３．９８０［％Ｖ］＋０．１６６［％Ｃｏ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高速度工具鋼と、この高速度工具鋼を用いた工具用材料、そして、工具用材料の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、鋼材等の金属材料の切断には、帯鋸や丸鋸等の鋸刃に代表される切断工具が用いられている。鋸刃は、一般的に次の工程で製造される。まず、所定の成分組成に調整された溶鋼を鋳造して鋼塊や鋼片等の素材とし、あるいは、この溶鋼からアトマイズ法などにより得られた粉末を熱間高圧成形して素材とし、これに熱間加工を行い、その後、種々の加工と熱処理を経て、平線等の形状を有した「刃先用材料」が製造される。そして、刃先用材料は、電子ビーム溶接またはレーザー溶接などを用いて胴材と溶接され、刃付け加工が行われ、焼入れ焼戻しが施されて、最終製品である鋸刃に仕上げられる。

【0003】

また、従来、鋼材等の金属材料の塑性加工には、金型等に代表される塑性加工工具が用いられている。これら塑性加工工具も、上記の素材に熱間加工を行なって得た「塑性加工工具用材料」から製造される。そして、一般的に、塑性加工工具は、上記の塑性加工工具用材料を各種工具の形状に機械加工した後に、焼入れ焼戻しを実施して、この後には、必要に応じて、仕上げの機械加工や表面処理を実施して、製造される。

【0004】

上記の刃先用材料や塑性加工工具用材料といった「工具用材料」の素材には、ＪＩＳの規格鋼種であるＳＫＨ５９（ＡＩＳＩの規格鋼種であるＭ４２に相当）の高速度工具鋼が広く適用されている。ＳＫＨ５９は、赤熱硬さに優れ、かつ、切断時や塑性加工時の耐久性に優れた素材であり、上記の工具用材料の素材として優れた特性を有する。例えば、特許文献１には、刃先用材料の素材としてＳＫＨ５９を採用した帯鋸刃及びその製造方法の発明が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−２８００２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

刃先がＳＫＨ５９で製造された切断工具は切断耐久性に優れたものである。また、ＳＫＨ５９で製造された塑性加工工具も耐久性に優れたものである。しかし、使用条件によっては、切断工具の刃先には早期のチッピングが生じ、また、塑性加工工具の形状面（つまり、金属材料を塑性加工する面）には早期の欠け、割れ、折損が生じることがあった。
また、上記の切断工具や塑性加工工具に用いる「工具用材料」についても、その製造工程で、上記の鋼塊や鋼片等の素材に熱間加工を行なったときには、素材の延性が低い（熱間加工性に劣る）ことに起因して、所定の寸法にまで延伸し難い場合があった。

【0007】

本発明の目的は、熱間加工性に優れる高速度工具鋼と、これを用いてなる各種工具に仕上げたときの耐損傷性に優れる工具用材料、そして、工具用材料の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、質量％で、Ｃ：０．９〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｗ：２．１〜３．５％、Ｍｏ：９．０〜１０．０％、Ｖ：０．９〜１．２％、Ｃｏ：５．０〜１０．０％、Ｎ：０．０２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物でなる高速度工具鋼であり、
この高速度工具鋼が含有する上記のＣ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏの含有量の関係が、下記の式で算出されるＭ値において、−１．５≦Ｍ値≦１．５を満たす高速度工具鋼である。
式：Ｍ値＝−９．５００＋９．３３４［％Ｃ］−０．２７５［％Ｓｉ］−０．５６６［％Ｗ］−０．４０４［％Ｍｏ］＋３．９８０［％Ｖ］＋０．１６６［％Ｃｏ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。

【0009】

また、本発明は、上記の高速度工具鋼でなり、断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で、３２．０μｍ以下の工具用材料である。

【0010】

そして、本発明は、質量％で、Ｃ：０．９〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｗ：２．１〜３．５％、Ｍｏ：９．０〜１０．０％、Ｖ：０．９〜１．２％、Ｃｏ：５．０〜１０．０％、Ｎ：０．０２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物でなる高速度工具鋼を鋼塊に鋳造し、この鋼塊に熱間加工を行う工具用材料の製造方法であって、
この高速度工具鋼の鋼塊が含有する上記のＣ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏの含有量の関係が、下記の式で算出されるＭ値において、−１．５≦Ｍ値≦１．５を満たす工具用材料の製造方法である。
式：Ｍ値＝−９．５００＋９．３３４［％Ｃ］−０．２７５［％Ｓｉ］−０．５６６［％Ｗ］−０．４０４［％Ｍｏ］＋３．９８０［％Ｖ］＋０．１６６［％Ｃｏ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、高速度工具鋼の熱間加工性を向上させることができる。そして、この高速度工具鋼でなる工具用材料を、各種の切断工具の刃先や塑性加工工具に用いることで、これら工具の使用中の早期損傷を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明例および比較例の高速度工具鋼でなる鋼塊を鍛伸して得た工具用材料について、そのＭ値と、断面組織中に含まれる炭化物の推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）との関係を示す図である。

【図2】本発明例および比較例の高速度工具鋼でなる鋼塊を鍛伸して得た工具用材料について、そのＭ値と、鍛伸後の長さとの関係を示す図である。

【図3】走査型電子顕微鏡で観察した本発明例の工具用材料の断面を二値化処理した画像であり、この断面中に分布する「最大径が９μｍ以上」の炭化物を示す図である。

【図4】走査型電子顕微鏡で観察した比較例の工具用材料の断面を二値化処理した画像であり、この断面中に分布する「最大径が９μｍ以上」の炭化物を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

使用中の切断工具の刃先や塑性加工工具の形状面に、チッピングや割れ等の工具損傷が生じる原因の一つとして、工具用材料の組織中に含まれる粗大な炭化物がある。つまり、工具用材料の組織中に著しく粗大な炭化物が多く含まれると、この著しく粗大な炭化物が焼入れ焼戻し後の製品組織でも残留して、上記の刃先や形状面の靭性が低下する。そして、使用中の刃先や形状面の破壊に要する応力（破壊応力）が低下して、粗大な炭化物を起点とした破壊が発生する。したがって、工具用材料の組織中の炭化物サイズを小さくすることが、上記の工具損傷の抑制に有効である。

【0014】

このような技術的背景において、高硬度を実現できるＳＫＨ５９の成分組成は、組織中に多量の炭化物を形成する合金設計となっている。そして、このような成分組成の高速度工具鋼の場合、鋼塊や鋼片等の素材の時点で、その鋳造組織中に著しく粗大化した塊状の共晶炭化物が形成されやすい。一般的に、鋳造組織中のＭ_２Ｃ共晶炭化物（以下、「共晶Ｍ_２Ｃ」と言う。）は板状であり、熱間加工によって粒状のＭ_６Ｃ炭化物に分解させることができる（以下、「分解Ｍ_６Ｃ」と言う。）。しかし、上記の共晶Ｍ_２Ｃが著しく粗大な塊状であると、工具用材料の製造工程において、続く熱間加工（線材加工）でも、これを十分に粒状化した分解Ｍ_６Ｃに変化させることができず、工具用材料の焼鈍組織には、著しく粗大な炭化物が多く存在する結果となる。
また、ＳＫＨ５９のような成分組成の高速度工具鋼の鋳造組織中には、Ｍ_６Ｃ共晶炭化物（以下、「共晶Ｍ_６Ｃ」と言う。）も形成される。一般的に、この共晶Ｍ_６Ｃは、魚骨状である。そして、熱間加工によって粒状化することが難しい。よって、上記の共晶Ｍ_６Ｃが著しく粗大であると、熱間加工後において、これが“そのまま”の著しく粗大な状態で残って、工具用材料の焼鈍組織に著しく粗大な炭化物が多く存在する結果となる。

【0015】

そして、この工具用材料の焼鈍組織で微細に出来なかった炭化物は、最終工程の焼入れ焼戻しでも微細にし難い。その結果、上記の刃先や形状面の組織中に粗大な炭化物が多く含まれた各種工具は、優れた耐摩耗性は付与できるとしても、チッピングや割れ等の抑制に必要な耐損傷性が劣化する要因となる。
また、上記の鋼塊や鋼片等の素材の時点で、その鋳造組織中に形成された著しく粗大な共晶炭化物が、熱間加工でも粒状に変化しないと、この素材の熱間加工性が劣って、続く熱間加工で所定の寸法にまで延伸することが難しくなる。

【0016】

そこで、まず、本発明者は、上記の工具用材料のもととなる「高速度工具鋼」自体の成分組成を見直した。そして、鋳造組織中における共晶炭化物の微細化に有利な成分組成を見いだした。以下に、本発明の高速度工具鋼の成分組成の限定理由について述べる。（「質量％」について、単に「％」と記載する。）

【0017】

・Ｃ：０．９〜１．２％
Ｃは、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖと結合して炭化物を形成し、焼入れ焼戻し硬さを高め、耐摩耗性を向上する元素である。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、後述するＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ量とバランスさせた上で、０．９〜１．２％とする。好ましくは０．９５％以上である。より好ましくは１．００％以上である。また、好ましくは１．１５％以下である。より好ましくは、１．１０％以下である。

【0018】

・Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、通常、溶解工程における脱酸剤として使用される。そして、工具用材料の切削加工性を向上させる元素である。しかし、多すぎると、鋳造組織中に粗大な共晶炭化物を形成しやすく、熱間加工性が低下する。また、靭性も低下する。よって、Ｓｉは、０．１〜１．０％とする。好ましくは０．２％以上である。より好ましくは０．２５％以上である。また、好ましくは０．６％以下である。より好ましくは０．５％以下である。更に好ましくは０．４％以下である。

【0019】

・Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として使用される。しかし、多すぎると靭性が低下するので、１．０％以下とする。好ましくは０．６％以下である。より好ましくは０．５％以下である。更に好ましくは０．４％以下である。また、Ｍｎを含有する場合、好ましくは０．１％以上である。より好ましくは０．２％以上である。さらに好ましくは０．２５％以上である。

【0020】

・Ｃｒ：３．０〜５．０％
Ｃｒは、焼入性、耐摩耗性、耐酸化性等を付与するのに有効な元素である。しかし、多すぎると、鋳造組織中における固溶Ｃ量の増加を助長しやすく、少なからず、鋼塊の熱間加工性の低下の要因となる。また、工具製品の靭性、高温強度、耐焼戻し軟化特性を低下させる。よって、３．０〜５．０％とする。好ましくは３．５％以上である。より好ましくは３．６％以上である。更に好ましくは３．７％以上である。特に好ましくは３．８％以上である。また、好ましくは４．５％以下である。より好ましくは４．３％以下である。更に好ましくは４．１％以下である。特に好ましくは４．０％以下である。

【0021】

・Ｗ：２．１〜３．５％
Ｗは、上述したＣと結合して特殊な炭化物を形成して、耐摩耗性や耐焼付き性を付与する。また、焼戻し時の二次硬化作用が大きく、高温強度も向上する。しかし、多すぎると、熱間加工性を阻害する。また、少なからず、炭化物の粗大化の要因となる。よって、２．１〜３．５％とする。好ましくは２．２％以上である。より好ましくは２．３％以上である。更に好ましくは２．４％以上である。また、好ましくは２．９％以下である。より好ましくは２．８％以下である。更に好ましくは２．７％以下である。特に好ましくは２．６％以下である。

【0022】

・Ｍｏ：９．０〜１０．０％
Ｍｏは、Ｗと同様にＣと結合して特殊な炭化物を形成して、耐摩耗性や耐焼付き性を付与する。また、焼戻し時の二次硬化作用が大きく、高温強度も向上する。しかし、多すぎると、熱間加工性を阻害する。よって、９．０〜１０．０％とする。好ましくは９．１％以上である。より好ましくは９．２％以上である。更に好ましくは９．３％以上である。特に好ましくは９．４％以上である。また、好ましくは９．９％以下である。より好ましくは９．８％以下である。更に好ましくは９．７％以下である。特に好ましくは９．６％以下である。

【0023】

・Ｖ：０．９〜１．２％
Ｖは、Ｃと結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、０．９〜１．２％とする。好ましくは０．９３％以上である。より好ましくは０．９５％以上である。また、好ましくは１．１５％以下である。より好ましくは１．１０％以下である。

【0024】

・Ｃｏ：５．０〜１０．０％
Ｃｏは、基地中に固溶して、焼戻しマルテンサイトの硬さを向上させ、耐摩耗性の向上に寄与する。また、工具の強度や耐熱性を向上させる。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、５．０〜１０．０％とする。好ましくは６．０％以上である。より好ましくは６．５％以上である。更に好ましくは７．０％以上である。また、好ましくは９．３％以下である。より好ましくは９．２％以下である。更に好ましくは９．０％以下である。特に好ましくは８．５％以下である。

【0025】

・Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、上述した成分組成を有する高速度工具鋼の鋳造組織において、共晶炭化物の塊状化を抑制する効果を有する。しかし、多すぎると、鋳造組織中にバナジウム窒化物を形成して、素材の熱間加工性を阻害する。また、かえって、上記の共晶炭化物の塊状化を助長する作用がある。よって、Ｎは、０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１９％以下である。より好ましくは０．０１８％以下である。更に好ましくは０．０１７％以下である。なお、Ｎを含有する場合、上記の効果を得るのに好ましくは０．００５％以上である。より好ましくは０．００８％以上である。更に好ましくは０．０１２％以上である。特に好ましくは０．０１５％以上である。

【0026】

そして、本発明では、上述した高速度工具鋼の成分組成において、下記の式で算出されるＭ値を「−１．５〜１．５」の範囲に管理することが重要となる。
式：Ｍ値＝−９．５００＋９．３３４［％Ｃ］−０．２７５［％Ｓｉ］−０．５６６［％Ｗ］−０．４０４［％Ｍｏ］＋３．９８０［％Ｖ］＋０．１６６［％Ｃｏ］
［］括弧内は各元素の含有量（質量％）を示す。

【0027】

上記の式は、本発明の成分組成を有する高速度工具鋼の組織中に“安定的に”存在し得る共晶炭化物の量（頻度）を示す指標値である。具体的に言うと、鋳造組織中に共晶炭化物が形成された素材を熱間加工したときに、共晶Ｍ_２Ｃについては、それが熱間加工でＭ_６Ｃに分解されずに、熱間加工後の工具用材料の組織に残り得る頻度を示すものである。そして、共晶Ｍ_６Ｃについては、それ自体の頻度（すなわち、熱間加工後の工具用材料における頻度）を示すものである。

【0028】

上記の式について説明する。まず、本発明の高速度工具鋼の場合、上記の共晶炭化物の安定化に影響を及ぼす元素として、Ｃ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏを挙げることができる。そして、これら元素の中で、Ｃ、Ｖ、Ｃｏは共晶Ｍ_２Ｃの安定化を促し、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏは共晶Ｍ_６Ｃの安定化を促すことを、本発明者は知見した。そして、本発明者は、共晶Ｍ_２Ｃの安定化を促すＣ、Ｖ、Ｃｏに「プラス」の係数を付し、共晶Ｍ_６Ｃの安定化を促すＳｉ、Ｗ、Ｍｏに「マイナス」の係数を付したとともに、それぞれの係数について、共晶炭化物の安定化を促す程度（頻度）に応じて、係数の値（絶対値）を定めたことで、相互的に変化する共晶Ｍ_６Ｃと共晶Ｍ_２Ｃとの頻度のバランスを高速度工具鋼の成分組成で評価できる上記の式を完成させた。

【0029】

以上の係数の取り決めによって、上記の式によるＭ値を“ゼロ”に近づけるということは、工具用材料の組織において、炭化物の粗大化の要因となる共晶炭化物を低減するということである。つまり、上記のＭ値を“ゼロ”に近づけることで、鋳造組織中の共晶Ｍ_２Ｃは、熱間加工によって、微細な分解Ｍ_６Ｃに変化させることが容易となる。そして、もとより、熱間加工で微細にすることが困難な共晶Ｍ_６Ｃは、その存在量自体を低減することができる。
そして、本発明においては、上記のＭ値を「１．５以下」とする。これによって、安定的な共晶Ｍ_２Ｃが減り、共晶Ｍ_２Ｃを熱間加工で微細な分解Ｍ_６Ｃに変化させることができる。好ましくは「１．０以下」である。より好ましくは「０．８以下」である。更に好ましくは「０．７以下」である。また、本発明においては、上記のＭ値を「−１．５以上」とする。これによって、熱間加工で微細にすることが困難な共晶Ｍ_６Ｃ自体を低減することができる。好ましくは「−１．０以上」である。より好ましくは「−０．８以上」である。更に好ましくは「−０．７以上」である。Ｍ値をこれら範囲に調整することよって、高速度工具鋼の熱間加工性の向上、および、各種工具の耐損傷性の向上を達成することができる。

【0030】

その他、本発明の高速度工具鋼には、ＳおよびＰが不可避的な不純物元素として、含まれ得る。Ｓは、多すぎると、素材の熱間加工性を阻害するので、０．０１０％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．００５％以下である。更に好ましくは０．００１％以下である。Ｐは、多すぎると靭性を劣化するので、０．０５％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０３％以下である。更に好ましくは０．０２５％以下である。

【0031】

そして、上述の成分組成を有した高速度工具鋼を鋼塊に鋳造して、これに熱間加工を行うことで、この熱間加工後の焼鈍組織中の炭化物サイズが小さい工具用材料を得るのに効果的である。このとき、上記の炭化物サイズは、その工具用材料の断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で、３２．０μｍ以下であることが好ましい。この極値統計法による上記の推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）を３２．０μｍ以下とすることで、各種工具の耐損傷性を、さらに向上することができる。より好ましくは３０．０μｍ以下である。更に好ましくは２８．０μｍ以下である。

【実施例1】

【0032】

所定の成分組成に調整した溶鋼を準備した。そして、この溶鋼を実操業レベルに相当する１０℃／分程度の冷却速度で鋳造して、表１の成分組成を有する高速度工具鋼の鋼塊を作製した。なお、鋼塊Ｎｏ．１３は、ＳＫＨ５９に相当する。表１において、鋼塊の順序は、本発明の効果を評価しやすいように、概ねＭ値が小さいものから順に並べてある。

【0033】

【表1】

【0034】

次に、上記の鋼塊Ｎｏ．１〜２１を熱間加工によって鍛伸して、断面形状が２０ｍｍ×２０ｍｍの矩形の棒材でなる焼鈍状態の、上記の鋼塊番号順に対応する工具用材料Ｎｏ．１〜２１を得た。このとき、鍛伸中は、鋼塊の端部より上記の断面形状に鍛伸されていくところ、その鍛伸中に棒材（または、鋼塊）の表面に疵が発生したものについては、そのときの棒材の長さ（鍛伸長さ）も計測した。表２に、熱間加工後の各工具用材料の鍛伸長さを、そのＭ値と共に示す。鍛伸長さは、高速度工具鋼の熱間加工性を評価しやすいように、ＳＫＨ５９である工具用材料Ｎｏ．１３のそれを「１００」としたときの比較値で示した。

【0035】

【表2】

【0036】

表２より、高速度工具鋼が含有する個々の元素量が本発明を満たし、Ｍ値が「−１．５〜１．５」の範囲内に調整された本発明例の工具用材料Ｎｏ．８〜１１の鍛伸長さは「１００超」であり、中でも、工具用材料Ｎｏ．９、１１の鍛伸長さは「１２０以上」であり、実質、鋼塊の全部を鍛伸することができた。そして、ＳＫＨ５９（工具用材料Ｎｏ．１３）に比べて熱間加工性が良好であった。

【0037】

これに比べて、Ｍ値が「−１．５」より小さい工具用材料Ｎｏ．１〜５は、含有する個々の元素量が本発明を満たすことによらず、鋼塊の鋳造組織中に粗大な共晶Ｍ_６Ｃが多く存在していたことに起因して、鍛伸長さが短く、ＳＫＨ５９（工具用材料Ｎｏ．１３）に比べて熱間加工性に劣っていた。その中でも、工具用材料Ｎｏ．２は、上記の要因に加えて、ＳｉおよびＣｒの含有量が高めであったことにも起因して、鍛伸の初めから鋼塊の表面に顕著な疵が発生し、熱間加工を中止した。
また、Ｍ値が「−１．５〜１．５」の範囲内にある工具用材料Ｎｏ．６，７のうち、工具用材料Ｎｏ．６は、Ｗの含有量が本発明の範囲より高いが、鍛伸長さは１００を超えた。しかし、工具用材料Ｎｏ．７は、Ｗの含有量が更に高いことに加えて、Ｍｏの含有量も高めであることから、熱間加工性が低下した。

【0038】

Ｍ値が「１．５」より大きい工具用材料Ｎｏ．１２〜２１は、含有する個々の元素量が本発明を満たすことによらず、一部を除いて、概ねＳＫＨ５９（工具用材料Ｎｏ．１３）と同等の熱間加工性を示した。そして、上記の一部について、工具用材料Ｎｏ．１５は、Ｃ、ＷおよびＶの含有量が高いことから、熱間加工性が大きく劣化した。また、工具用材料Ｎｏ．１９は、ＣおよびＶの含有量が高いことに加えて、Ｃｏの含有量も高めであったことが影響して、熱間加工性が大きく劣化した。ＣおよびＶの含有量が高い工具用材料Ｎｏ．２１は、熱間加工性が低下した。
図２に、工具用材料Ｎｏ．１〜２１における、Ｍ値と、上記の鍛伸長さとの関係を示しておく（但し、熱間加工を中止したＮｏ．２については、鍛伸長さを「０」として示している）。

【0039】

次に、熱間加工を中止した工具用材料Ｎｏ．２を除いて、工具用材料Ｎｏ．１〜２１の焼鈍組織中にある炭化物の分布状況を観察した。この観察には、倍率１５０倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた。観察面は、棒材の中心線を含む長さ方向の断面（縦断面）であり、棒材の上記した断面形状の一辺（２０ｍｍ）と、棒材の長さ方向の一辺（２０ｍｍ）とでなる、２０ｍｍ×２０ｍｍの矩形の領域とした。そして、この矩形の観察面に含まれる３４０８０μｍ^２の視野を１視野として、６４視野分を上記のＳＥＭで観察し、各視野毎における最大径が９μｍ以上の炭化物を計測した。
上記の炭化物の計測は、次の要領によった。まず、ＳＥＭによる反射電子像に対し、この像中に確認される炭化物の最大径に基づいて、「９μｍ」の最大径を閾（しきい）値とした二値化処理を行うことで、上記の観察面に分布する「最大径が９μｍ以上」の炭化物を示した二値化画像を得た。図３および図４は、それぞれ、本発明例である工具用材料Ｎｏ．１１および比較例である工具用材料Ｎｏ．１９における上記の二値化画像である（炭化物は、黒点の分布で示されている）。そして、この二値化画像から、最大径が９μｍ以上の炭化物の計測を行った。

【0040】

そして、上記の炭化物の計測によって得た「最大径が９μｍ以上の炭化物」のうちから、「一番大きな炭化物」のサイズを、１視野毎に読み取って、この１視野毎における「一番大きな炭化物」のサイズと、その頻度とを基にした極値統計グラフを作成した。そして、極値統計法により、工具用材料の断面組織中に含まれる炭化物の最大径（つまり、推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ））を予測した。推定最大予測値は、上記の極値統計グラフをもとに、再帰期間を１００に設定して求めた（後述）。表３に、炭化物の最大径（推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ））を示す。
上記の極値統計処理には、マイクロソフト社の表計算ソフトウェア「エクセル」を用いた。このとき、極値統計処理に必要な再帰期間について、予測体積は３１．４ｍｍ^３とした。これは、通常、各種工具の耐チッピング性等を評価するのに用いられている、直径４ｍｍ、スパン５０ｍｍの試験片による３点曲げ試験において、その破壊の起点となり得る危険部分が、この試験片の表面から中心に向かって直径の５％入った体積の部分にあることに基づいたものである。そして、表３に示した炭化物の最大径（推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ））は、上記した３点曲げ試験片１００本当たりでの推定値である。

【0041】

【表3】

【0042】

表３より、本発明例の工具用材料Ｎｏ．８〜１１は、その断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で３２．０μｍ以下であった。特に、工具用材料Ｎｏ．８，１０，１１の√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）は、３０．０μｍ以下であった。よって、本発明例の工具用材料を用いて作製した工具は、耐損傷性の向上が期待できる。
これに対して、工具用材料Ｎｏ．１、３、５、７、１４、１５も、上記の推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）が３２．０μｍ以下であった。しかし、これらの工具用材料は、上述の通り、ＳＫＨ５９（工具用材料Ｎｏ．１３）より熱間加工性が劣っていた。
工具用材料Ｎｏ．６は、Ｍ値が本発明の「−１．５〜１．５」の範囲を満たしているが、Ｗの含有量が本発明の範囲より高く、上記の推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）が３２．０μｍを超えていた。
工具用材料Ｎｏ．１２、１６〜２１は、Ｍ値が本発明の「−１．５〜１．５」の範囲を満たさず、推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）が３２．０μｍを超えていた。
図１に、工具用材料Ｎｏ．１〜２１（但し、Ｎｏ．２を除く）のＭ値と、上記の√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）との関係を示しておく。

【0043】

また、工具用材料Ｎｏ．１〜２１（但し、Ｎｏ．２を除く）に、１１９０℃に加熱して急冷する焼入れと、これに続けて、５６０℃で１時間保持することを３回繰り返す焼戻しを実施した。そして、この焼入れ焼戻し後の工具用材料の硬度を測定した。結果を表４に示す。本発明例の工具用材料Ｎｏ．８〜１１は、６７．０ＨＲＣ以上の十分な硬度を達成し、その中でも、工具用材料Ｎｏ．９〜１１は、６８．０ＨＲＣ以上の高い硬度を達成した。これらのことから、本発明例の工具用材料を用いて作製した工具は、高寿命化が期待できる。

【0044】

【表4】

【実施例2】

【0045】

所定の成分組成に調整した溶鋼を準備した。そして、この溶鋼を１０℃／分程度の冷却速度で鋳造して、表５の成分組成を有する高速度工具鋼の鋼塊Ｎｏ．２２〜２４を作製した。なお、鋼塊Ｎｏ．２４は、ＳＫＨ５９に相当する。

【0046】

【表5】

【0047】

上記の鋼塊Ｎｏ．２２〜２４を熱間加工して、直径が５ｍｍの焼鈍状態のコイル線材でなる、上記の鋼塊番号順に対応する工具用材料Ｎｏ．２２〜２４を得た。そして、工具用材料Ｎｏ．２２〜２４の焼鈍組織中にある炭化物の分布状況を観察した。観察面は、コイル線材の中心線を含む縦断面の、その中心線の位置とした。そして、この観察面における３４０８０μｍ^２の視野を１視野とした６４視野分について、実施例１と同じ要領で、各視野毎における最大径が９μｍ以上の炭化物を計測した。そして、上記の計測によって得た「最大径が９μｍ以上の炭化物」について、実施例１と同じ要領で、極値統計法により、工具用材料の断面組織中に含まれる炭化物の最大径（推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ））を予測した。結果を、表６に示す。

【0048】

【表6】

【0049】

表６より、本発明例の工具用材料Ｎｏ．２２、２３は、その断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、推定最大予測値√（Ａｒｅａ_ｍａｘ）で３２．０μｍ以下であった。よって、本発明例の工具用材料を用いて作製した切断工具や塑性加工用工具は、耐損傷性の向上が期待できる。

【0050】

上記のコイル線材の工具用材料Ｎｏ．２２〜２４に、実際の工具に実施される条件の焼入れ焼戻しを想定して、１１９０℃からの焼入れと、５６０℃で１時間の保持を３回繰り返す焼戻しを行った。そして、この焼入れ焼戻し後の試験片に３点曲げの抗折試験を実施して、試験片が破断に至るまでの最大曲げ応力（すなわち、抗折力）を測定した。抗折試験では、試験片の寸法を直径４ｍｍ×長さ６０ｍｍとし、試験時のスパンを５０ｍｍとした。また、抗折力は、上記の抗折試験を４回行って、その最大曲げ応力の平均値とした。結果を、焼入れ焼戻し硬さと共に、表７に示す。

【0051】

【表7】

【0052】

抗折力は、工具の靱性を評価するための指標であり、この値が大きい程、靱性が高いことを示す。上記の抗折力の値が大きいことで、切断工具においては、その刃先に生じる早期のチッピングを抑制できる。また、塑性加工工具においては、その形状面に生じる早期の欠け、割れ、折損等を抑制できる。そして、表７の通り、本発明例の工具用材料Ｎｏ．２２、２３は、焼入れ焼戻し後の工具製品の状態で、比較例の工具用材料Ｎｏ．２４（ＳＫＨ５９）と比べて、高い抗折力を示した。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】