特許 6800532 熱伝導率に優れる熱間工具鋼

(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】6800532

(24)【登録日】2020年11月27日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】熱伝導率に優れる熱間工具鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20201207BHJP

   C22C 38/46 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 301H

   C22C38/46

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-10738(P2017-10738)

(22)【出願日】2017年1月24日

(65)【公開番号】特開2018-119177(P2018-119177A)

(43)【公開日】2018年8月2日

【審査請求日】2019年11月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101085

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 健至

(74)【代理人】

【識別番号】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(74)【代理人】

【識別番号】100185258

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 宏理

(72)【発明者】

【氏名】武藤 康政

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０６１７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５００４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９７７８４（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：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．９２％以下、Ｃｒ：４．００％以下、Ｎｉ：２．００％以下、２Ｍｏ＋Ｗ：１．８０％未満（ただし、Ｍｏ：０．９０％未満、かつ、Ｗ：１．８０％未満）、Ｖ：０．１０超〜０．６１％、Ｎ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０８０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＴＣ＝６８．０−６．５Ｍｎ−５．７Ｃｒ−３．１Ｖ−４．４Ｍｏ−２．２Ｗ−２４．７Ｃ−２１．２Ｎ−６．５Ｎｉ−１．７Ｓｉ＋３．２Ａ≧３２．５を満足することを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼。
ただし、ＴＣの式中の各元素記号は質量％を示し、かつ式中のＡは焼戻し状態での全炭化物の総面積率（％）を示す。

【請求項2】

請求項１に記載の熱間工具鋼の構成要件に加えて、該鋼の焼入焼戻し状態の室温における熱伝導率が３０．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の熱間工具鋼の構成要件に加えて、焼入焼戻し状態での硬さが４０．０ＨＲＣ以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼。

【請求項4】

請求項１、請求項２または請求項３の熱間工具鋼の構成要件に加えて、焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金型用鋼に関して、特にダイカストやホットスタンピングなどの、５００℃以上の熱環境下で使用される金型用鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ダイカスト分野において、自動車の軽量化を目的としたアルミ部品の高強度化や、生産性向上を目的とした部品成形加工ピッチの短縮化から、ダイカスト金型への機械的および熱的負荷が増大している。その結果、金型には摩耗、大割れ、ヒートチェックといった問題が生じやすくなっている。これらの問題に対応するため、金型材料には、硬度および靭性に優れる材料が求められている。また、ダイカスト・ホットプレス金型は内部に冷却回路が作製されており、ここを流れる冷却水による冷却効率が生産サイクルスピードに大きく影響する。冷却効率を高める方法としては、金型の高熱伝導率化がある。そのため、前述した生産性向上を目的とした、生産サイクルスピードの向上に対する要求に応えるためには、材料の特性として高い熱伝導率が必要である。これらの点に着目した従来技術や類似技術として、以下の技術が挙げられる。本発明とは異なるものである。

【0003】

従来技術として、金型用鋼として、質量％で、Ｃ：０．２５％超え０．３８％未満、Ｓｉ：０．０１％超え０．３０％未満、Ｍｎ：０．９２％超え１．８０％未満、Ｃｒ：０．８％超え２．２％未満、Ｍｏ：０．８％超え１．４％未満、Ｖ：０．２５％超え０．５８％未満を含有する金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この提案の金型用鋼は、Ｍｎ量が本願発明と異なり、Ｍｎの過剰添加によって熱伝導率が低下する問題がある。

【0004】

さらに、高い熱伝導率を有する金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この提案の金型用鋼はＭｏまたはＷの過剰添加によって熱伝導率が低下する問題がある。

【0005】

フェライト・パーライトの二相組織としたプラスチック成形金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、Ｖ量が本発明と異なり、焼入焼戻し硬さが不足する問題がある。

【0006】

焼入れ加熱時にオーステナイト結晶粒の粗粒化を防止して焼入れ焼戻し後の靱性を高くして得て、熱伝導性能が高い金型用鋼および金型の発明が提供されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この発明はＶ量が本発明と異なり、Ｖの過剰添加によって熱伝導率が低下する問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−２０９５８８号公報

【特許文献2】特表２０１０−５００４７１号公報

【特許文献3】特開２０１０−０１３７１６号公報

【特許文献4】特開２０１６−１３２７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本願発明が解決しようとする課題は、高硬度、高靭性、高熱伝導率を兼ね備えており、ダイカストやホットスタンピングなどに適用可能な金型用鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

発明者らは鋭意開発を進めた結果、本願の請求項に示す合金成分とし、かつ限定式を満たすことにより、高硬度、高靭性、高熱伝導率を兼備した熱間工具鋼が得られることを見出したことに基づくものである。

【0010】

課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．９２％以下、Ｃｒ：４．００％以下、Ｎｉ：２．００％以下、２Ｍｏ＋Ｗ：１．８０％未満（ただし、Ｍｏ：０．９０％未満、かつ、Ｗ：１．８０％未満）、Ｖ：０．１０超〜０．６１％、Ｎ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０８０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＴＣ＝６８．０−６．５Ｍｎ−５．７Ｃｒ−３．１Ｖ−４．４Ｍｏ−２．２Ｗ−２４．７Ｃ−２１．２Ｎ−６．５Ｎｉ−１．７Ｓｉ＋３．２Ａ≧３２．５を満足することを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼である。
ただし、ＴＣの式中の各元素記号は質量％を示し、かつ式中のＡは焼戻し状態での全炭化物の総面積率（％）を示す。

【0011】

第２の手段では、第１の手段の熱間工具鋼の構成要件に加えて、該鋼の焼入焼戻し状態の室温における熱伝導率が３０．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼である。

【0012】

第３の手段では、第１の手段および第２の手段の熱間工具鋼の構成要件に加えて焼入焼戻し状態での硬さが４０.０ＨＲＣ以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼である。

【0013】

第４の手段では、第１の手段、第２の手段および第３の手段の熱間工具鋼の構成要件に加えて焼入焼戻し状態での２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上であることを特徴とする熱伝導率に優れた熱間工具鋼である。

【発明の効果】

【0014】

上記の手段とすることで、ダイカストやホットスタンピングなどに適用可能な５００℃以上の熱環境下で使用される４０.０ＨＲＣ以上の高硬度、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上の高靭性、３０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を兼ね備えた金型用鋼を得ることができる。

【発明を実施するための形態】

【0015】

発明を実施するための形態の説明に先立って、本願の発明の手段における化学成分の限定理由および各特性の限定理由について説明する。なお、化学成分は質量％である。

【0016】

Ｃ：０．２０〜０．５０％
Ｃは、固溶することでマトリックスを強化し、さらに、炭化物を形成し、析出効果を促進する元素である。Ｃが０．２０％より少ないと十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｃが０．５０％より多すぎるとミクロ偏析を助長し、靱性を低下させる。さらに、固溶Ｃ量が増加して鋼の熱伝導率を低下する。そこで、Ｃは０．２０〜０．５０％とする。望ましくは、Ｃは０．３５〜０．５０％とする。

【0017】

Ｓｉ：０．５０％以下
Ｓｉは、マトリックスに固溶することで、硬さを向上させる元素である。ところで、Ｓｉが０．５０％より多いと、炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｓｉは０．５０％以下とし、望ましくは、０．３０％以下とする。

【0018】

Ｍｎ：０．９２％以下
Ｍｎは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。ところで、Ｍｎが０．９２％より多すぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは０．９２％以下とし、望ましくは、０．８０％以下とする。

【0019】

Ｃｒ：４．００％以下
Ｃｒは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。ところで、Ｃｒが４．００％より多すぎると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｃｒは４．００％以下とし、望ましくは、２．００％未満とする。

【0020】

Ｎｉ：２．００％以下
Ｎｉは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。
ところで、Ｎｉは炭化物を形成せずにマトリックスに固溶し、熱伝導率を低下させる。Ｎｉが２．００％より多いと、熱伝導率は大きく低下する。そこで、Ｎｉは２．００％以下とし、望ましくは１．５０％以下とする。

【0021】

Ｍｏ：０．９０％未満、かつＷ：１．８０％未満の範囲内で、２Ｍｏ＋Ｗ：１．８０％未満
ＭｏとＷは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ところで、Ｍｏが０．９０％以上で多すぎる、またはＷが１．８０％以上で多すぎると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導率を低下する。さらに、Ｍｏが０．９０％未満で、かつＷが１．８０％未満の範囲内でも、２Ｍｏ＋Ｗが１．８０％以上で多すぎると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導率が低下する。そこで、Ｍｏは０．９０％未満、かつＷは１．８０％未満の範囲内で、２Ｍｏ＋Ｗは１．８０％未満とする。望ましくは、Ｍｏは０．８５％未満、かつＷは１．７０％未満の範囲内で、２Ｍｏ＋Ｗは１．７０％未満とする。

【0022】

Ｖ：０．１０超〜０．６１％
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ところでＶが０．６１％より多すぎると、マトリックスに残存するＶが増加し、熱伝導率が低下する。そこで、Ｖは０．１０超〜１．８０％とし、望ましくは０．２５〜０．４５％とする。

【0023】

Ｎ：０．０４０％以下
Ｎは、固溶することでマトリックスを強化し、さらに窒化物を形成することで、析出硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを大きくする元素である。ところで、Ｎは、０．０４０％より過剰に添加すると、マトリックス中のＮ量が増加し、熱伝導率を低下する。そこで、Ｎは０．０４０％以下とし、望ましくは０．０３０％以下とする。

【0024】

Ａｌ：０．０８０％以下
Ａｌは、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する元素である。ところで、Ａｌは０．０８０％よりも多く添加すると、過剰のＡｌ窒化物の形成により、靱性が低下する。そこで、Ａｌは０．０８０％以下とし、望ましくは０．０６０％以下とする。

【0025】

ＴＣ（熱伝導率の指標）：３２．５以上
ＴＣは、請求項１の限定条件であり、３２．５未満であると、マトリックスに残存する合金元素量が増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、ＴＣは３２．５以上とし、望ましくは３７．５以上とする。
なお、ＴＣ＝６８．０−６．５Ｍｎ−５．７Ｃｒ−３．１Ｖ−４．４Ｍｏ−２．２Ｗ−２４．７Ｃ−２１．２Ｎ−６．５Ｎｉ−１．７Ｓｉ＋３．２Ａとする。ここで、各元素記号は質量％を示す。Ａは焼戻し状態での全炭化物の総面積率を示す。このＴＣの式は熱伝導率の指標となるものであり、ＴＣが大きいほど熱伝導率は大きくなる。各元素の添加量が増加すると、ＴＣの値は小さくなり、炭化物量が大きくなるほどＴＣは大きくなる。

【0026】

焼入焼戻し状態の室温の熱伝導率（請求項２の限定条件）：３０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
焼入焼戻し状態の室温の熱伝導率は、ホットスタンピングやダイカスト工程における生産性に関係する値であり、これらの向上のためには、３０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が必要であり、望ましくは３５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が必要である。

【0027】

焼入焼戻し状態の硬さ（請求項３の限定条件）：４０.０ＨＲＣ以上
焼入焼戻し状態の硬さは、ホットスタンピングやダイカストの金型として使われる際に、十分な金型寿命を得るために必要な値であり、そのためには４０.０ＨＲＣ以上の硬さが必要であり、望ましくは４５.０ＨＲＣ以上が必要である。

【0028】

焼入焼戻し状態における２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値（請求項４の限定条件）：３０Ｊ／ｃｍ²以上
焼入焼戻し状態における２ｍｍＵノッチ試験片でのシャルピー衝撃値はホットスタンピングやダイカストの金型として使われる際に、十分な金型寿命を得るために必要な値であり、そのためには、シャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ²以上が必要であり、望ましくは４０Ｊ／ｃｍ²以上が必要である。

【0029】

ここで、本願の発明を実施するための形態について以下に説明する。

【0030】

表１に示す本願の発明鋼の各Ｎｏ．の鋼および表２に示す比較鋼の各Ｎｏ．化学成分の鋼を、真空溶解炉で溶製し、得られた各１００ｋｇの鋼塊を、幅６５ｍｍ、高さ３０ｍｍのブロックに熱間鍛伸した。この鍛伸材を８７０℃で焼なまし後、表面と中心の中間位置から試料を採取した。これらの試料を１０３０℃で焼入れし、６００℃で２回の焼戻しを行った後、それらの鋼の炭化物面積率と特性を調査した。表１に本願の発明鋼の成分、炭化物面積率、ＴＣについて記載し、表２に比較鋼の成分、炭化物面積率、ＴＣについて示した。

【0031】

この場合、炭化物の面積率は、焼入焼戻し状態の鍛伸方向に平行な面を研磨して炭化物面積率の測定用の試験片とした。これらの試験片を用いて、走査型電子顕微鏡の反射電子像から、総面積１００００μｍ²の領域における炭化物を観察した後、画像解析により面積率を算出した。

【0032】

【表1】

【0033】

【表2】

【0034】

さらに、表３に本願の発明鋼の各Ｎｏ．の熱伝導率、焼入焼戻し硬さおよびシャルピー衝撃値を示し、表４に比較鋼の各Ｎｏ．の熱伝導率、焼入焼戻し硬さおよびシャルピー衝撃値を示した。

【0035】

【表3】

【0036】

【表4】

【0037】

熱伝導率の測定には、レーザーフラッシュ法を用い、焼入焼戻し状態の試料を直径１０ｍｍで厚さ１ｍｍの円板形状に仕上げ加工し、試験に供した。

【0038】

焼入焼戻し硬さは、ロックウェル硬さ試験機で、焼入焼戻し状態の試料の鍛伸方向に垂直な面の硬さを測定した。

【0039】

靱性は、シャルピー衝撃値は靱性により評価を実施した。試験片は、焼入焼戻し状態の試料から作製した。試験片の形状は２ｍｍＵノッチシャルピー試験片であり、ノッチ方向は鍛伸方向に対して垂直な方向とした。

【0040】

以上のように、表１および表３に示す本願の発明鋼のＮｏ．１〜２５は、ＴＣの値が３２．５以上であり熱伝導率がいずれも３０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と大きく、焼入焼戻し硬さがいずれも４０．０ＨＲＣ以上であり、シャルピー衝撃値がいずれも３０Ｊ／ｃｍ²以上であり、優れた高熱伝導率、高硬度、高靱性の熱間工具鋼である。

【0041】

一方、表２および表４に示す比較鋼のＮｏ．２６〜３９について以下に検討する。
表２のＮｏ．２６ではＣ量が０．１９％と０．２０％より少ないので、表４のＮｏ．２６の焼入焼戻し硬さが３９．１ＨＲＣと４０．０ＨＲＣより低い。
Ｎｏ．２７はＣ量が０．５３％と０．５０％より多いので、ＴＣの値が２９．５と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２９．０Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．２８はＳｉ量が０．５２％と０．５０％より多いので、ＴＣの値が２９．４と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２６．２Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．２９はＭｎ量が０．９４％と０．９２％より多いので、ＴＣの値が３２．２と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２９．７Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３０はＣｒ量が４．１１％と４．００％より多いので、ＴＣの値が２８．４と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２５．４Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３１はＮｉ量が２．０９％と２．００％より多いので、ＴＣの値が２６．８と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２５．３Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３２はＭｏ量が０．９３％と０．９０％より多いので、２Ｍｏ＋Ｗの量が１．８９％と１．８０％より多くかつＴＣの値が２９．９と３２．５より低く、表４の熱伝導率が２９．５Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３３はＷ量が１．８２％と１．８０％より多いので、２Ｍｏ＋Ｗの量が１．８８％と１．８０％より多くかつＴＣの値が３１．０と３２．５より低く、表４の熱伝導率が２５．７Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３４は２Ｍｏ＋Ｗの量が１．８２％と１．８０％より多くかつＴＣの値が３０．５と３２．５より低く、表４の熱伝導率が２８．５Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３５はＶ量が０．０９％と０．１０％より少ないので、表４の焼入焼戻し硬さが３７．６ＨＲＣと４０．０より低い。
Ｎｏ．３６はＶ量が０．６２％と０．６１％より多いので、ＴＣの値が３２．３と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２９．４Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３７はＮ量が０．０６１％と０．０４０％より多いので、ＴＣの値が２９．７と３２．５より低くかつ表４の熱伝導率が２９．１Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。
Ｎｏ．３８はＡｌ量が０．０９３％と０．０８０％より多いので、表４のシャルピー衝撃値が２６Ｊ／ｃｍ²と３０Ｊ／ｃｍ²より低い。
Ｎｏ．３９は化学成分の量は規定の範囲内であるが、ＴＣの値が３２．２と３２．５より低いので、表４の熱伝導率が２９．４Ｗ／ｍＫと３０．０Ｗ／ｍＫより低い。