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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022138719
(43)【公開日】2022-09-26
(54)【発明の名称】熱間工具鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20220915BHJP
C22C 38/46 20060101ALI20220915BHJP
C21D 9/00 20060101ALN20220915BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301H
C22C38/00 302E
C22C38/46
C21D9/00 M
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021038765
(22)【出願日】2021-03-10
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2021-10-06
(71)【出願人】
【識別番号】000231165
【氏名又は名称】日本高周波鋼業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090158
【弁理士】
【氏名又は名称】藤巻 正憲
(72)【発明者】
【氏名】根岸 茂利
【テーマコード（参考）】
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K042AA25
4K042BA01
4K042BA02
4K042BA10
4K042BA14
4K042CA06
4K042CA07
4K042CA08
4K042CA10
4K042CA13
4K042DA01
4K042DA02
4K042DA03
4K042DC02
4K042DC03
4K042DE01
4K042DE05
4K042DE06
(57)【要約】
【課題】高温での０．２％耐力が優れた熱間工具鋼を得ることができ、この熱間工具鋼を使用して金型を製造すれば、加工対象が高強度の鋼種であっても、塑性変形することがなく、高精度の加工が可能となる熱間工具鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．３５～０．５０質量％、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、Ｎｉ：０．２０質量％以下、Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、Ｖ：０．３０～０．８０質量％、Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］で求まるＡが１０００を超える。
【選択図】図３
【解決手段】Ｃ：０．３５～０．５０質量％、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、Ｎｉ：０．２０質量％以下、Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、Ｖ：０．３０～０．８０質量％、Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］で求まるＡが１０００を超える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｃ：０．３５～０．５０質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．２０質量％以下、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．３０～０．８０質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする熱間工具鋼。
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．２０質量％以下、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．３０～０．８０質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項2】
Ｃは０．４５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱間工具鋼。
【請求項3】
Ｍｎは０．４５質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間工具鋼。
【請求項4】
Ｖは０．４９～０．６２質量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
【請求項5】
Ｍｏ＋（１／２）Ｗが１．６質量％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ１項に記載の熱間工具鋼。
【請求項6】
焼入性の指標である焼入臨界冷却時間が６０分以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
【請求項7】
焼入焼戻処理により、５００℃における高温引張試験の０．２％耐力が１０００ＭＰａ以上に調質されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、温熱間プレス、ダイカスト、熱間押出、又は温熱間鍛造等に使用される金型（ダイスを含む）の素材として好適な高焼入性及び高高温強度の熱間工具鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
温熱間プレス、ダイカスト、熱間押出、又は温熱間鍛造に使用される金型用の素材として、ＪＩＳ・ＳＫＤ６１及びＳＫＤ７が汎用的に使用されている。両鋼種は、要求される特性によって使い分けがされており、靭性が求められる部材には一般的にＳＫＤ６１が使用され、高温強度が求められる部材には主としてＳＫＤ７が使用されている。
【0003】
ところで、熱間加工工具の鋼材として、Ｃｒ及びＭｏの含有量を調整することにより、軟化抵抗特性（高温強度）と靭性の双方を向上させることを目的として熱間工具鋼が提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載された発明に係る熱間金型用鋼は、靱性がシャルピー衝撃試験値で５０．３～８６．６Ｊ／ｃｍ２であり、かつ、焼入焼戻しにより調質する前の初期硬さのＨＲＣと焼入焼戻しにより調質した後のＨＲＣとの差であるΔＨＲＣが７．３～１１．１である。このΔＨＲＣを軟化抵抗特性（高温強度）としている。
【0004】
また、焼入焼戻し後の炭化物組成と量に着目して、それらを適正に制御することにより靭性及び高温強度を向上させることを目的とした熱間金型用鋼も提案されている（特許文献２）。この特許文献２に記載された発明に係る熱間金型用鋼は、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２以上、軟化量（ΔＨＲＣ）が１３ＨＲＣ以下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－０８７３２２
【特許文献2】特開２０１７－１５５３０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一般的にＳＫＤ６1、ＳＫＤ６２、ＳＫＤ７等の鋼種は、熱間で使用される金型用の素材として知られている。そして、耐熱性と共に耐ヒートチェック性及び靭性が要求される用途にはＳＫＤ６1が金型素材として採用され、耐軟化性及び耐熱強度が要求される用途にはＳＫＤ７が金型素材として採用されている。
【0007】
一方、特許文献１又は特許文献２に開示された発明において、熱間工具鋼の高温強度は、４５ＨＲＣに焼入れ焼戻された鋼材の高温保持後の硬さの低下（軟化抵抗）で評価されている。これは、ダイカストなどの溶融アルミニウムを鋳造する金型鋼の特性評価としては問題ないが、熱間押出又は温熱間鍛造などの被加工材の強度が高い材料を加工する金型の用途では、金型材料にかかる応力が高く、強度が不足するため、適していない。即ち、熱間押出用の金型では、４０ＨＲＣ以下の硬さでは強度不足により加工時にたわみが生じ、押出製品の寸法規格を満たすことができなくなる。特許文献１，２の発明では、軟化抵抗後の硬さが３５ＨＲＣ以下の鋼材も含まれており、熱間押出又は温熱間鍛造のような被加工材の強度が高い場合には、上述のごとく、加工時にたわみが生じ、高寸法精度の製品を得ることはできない。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温での０．２％耐力が優れた熱間工具鋼を得ることができ、この熱間工具鋼を使用して金型を製造すれば、加工対象が高強度の材料であっても、塑性変形することがなく、高精度の加工が可能となる熱間工具鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る熱間工具鋼は、
Ｃ：０．３５～０．５０質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．２０質量％以下、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．３０～０．８０質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする。
Ｃ：０．３５～０．５０質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．２０質量％以下、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．３０～０．８０質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする。
【0010】
本発明において、例えば、
Ｃは０．４５質量％以下であること、Ｍｎは０．４５質量％以上であること、Ｖは０．４９～０．６２質量％であること、又はＭｏ＋（１／２）Ｗは１．６質量％以上とすることができる。
Ｃは０．４５質量％以下であること、Ｍｎは０．４５質量％以上であること、Ｖは０．４９～０．６２質量％であること、又はＭｏ＋（１／２）Ｗは１．６質量％以上とすることができる。
【0011】
また、本発明においては、例えば、
焼入性の指標である焼入臨界冷却時間が６０分以上であることが好ましく、
更に、
焼入焼戻処理により、５００℃における高温引張試験の０．２％耐力が１０００ＭＰａ以上に調質されていることが好ましい。
焼入性の指標である焼入臨界冷却時間が６０分以上であることが好ましく、
更に、
焼入焼戻処理により、５００℃における高温引張試験の０．２％耐力が１０００ＭＰａ以上に調質されていることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、高温での０．２％耐力が優れた熱間工具鋼が得られ、この鋼材を使用して製造した金型により押出加工又は鍛造加工した場合は、相手材が高強度であって繰り返し加工した場合でも、金型は塑性変形することなく、高精度の製品を加工することができる。
【0013】
また、本発明の鋼材を使用した金型は、塑性変形が防止されるので、金型寿命を向上させることができる。そして、本発明の鋼材は、焼入性も良好であり、焼入冷却速度の影響による靭性の低下を抑制することができる。更に、本発明の鋼材は焼入性が優れているので、この鋼材を使用した金型であれば、大型材でも製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明について、詳細に説明する。熱間工具鋼、特に熱間押出ダイスに使用される金型用鋼材には、高強度の被加工材を高精度な製品に仕上げ加工するための特性が必要であり、それは使用する金型のたわみを小さくすることを可能とする特性である。この特性の実現のためには、金型用鋼材の高温での弾性限度が高いことが必要である。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【0016】
実際上、金型材の高温の弾性限度を測定することは実験的に困難である。このため、一般に用いられる高温引張試験の０．２％耐力を塑性変形領域までの強度の指標とした。図１は、横軸に伸び（歪み）をとり、縦軸に荷重（応力）をとって、高温における鋼材の引張特性を示す模式図である。また、図２は弾性域の高温引張特性を取り出して示す模式図である。図１において、点Ｐは比例限荷重、点Ｅは弾性限荷重、点Ｂは最大荷重、点Ｆは破断荷重である。また、荷重が０のときの伸びが０．２％の点から、応力―歪み線の弾性域に平行に線を引いて応力―歪み線と交差する点が、０．２％耐力σ０．２である。なお、図１及び図２は、高温引張特性を模式的に示したもので、鋼種及び試験温度は特定のものに限定されるものではない。前述のごとく、高温の弾性限度を測定することは困難であるから、代わりに、０．２％耐力σ０．２を高温における弾性限度の指標（塑性変形領域までの強度の指標）とする。なお、荷重０から弾性限荷重Ｅまで引っ張ったときの歪みが弾性ひずみであり、弾性限荷重Ｅから後は塑性歪みである。そして、鋼材の弾性限の指標である０．２％耐力σ０．２が大きいと塑性歪みが生じ始める荷重が大きくなり、０．２％耐力σ０．２が大きい鋼材を金型（ダイス）に適用した場合には、加工応力及び熱応力を受けたときに、弾性域での変形が支配的となり、金型に発生するたわみが小さくなる。従って、金型を使用して加工される製品の精度が高くなり、また、金型寿命も向上する。
【0017】
よって、本願発明者らは、この０．２％耐力σ０．２を金型用鋼材の高温におけるたわみの少なさの指標として、塑性変形が少なくて高精度の加工を可能とする鋼材の開発をすべく種々実験研究を行った。多くの場合、高強度熱間押出ダイスは４９ＨＲＣ程度に調質して使用される。本願発明者らは実際の使用硬度レベルに調質した鋼材における高温引張試験の０．２％耐力σ０．２を測定し、その値が高くなる鋼材成分の組合せを検討した。このとき、０．２％耐力σ０．２の目標値は１０００ＭＰａとした。当然、使用し続ける回数が増えるに従って、ダイスは熱影響による軟化が発生するため、金型材には軟化抵抗性が高いことも要求される。加えて、０．２％耐力が高いことは、前述のごとく、使用される金型の塑性変形が抑制されるので、金型の長寿命化をもたらすことになる。更に、熱間工具鋼の焼入れ性は、金型中心部の焼入れ冷却速度に影響する。特に、大型の金型の場合は、金型を構成する鋼材の焼入性が低いと、金型中心部の焼入冷却速度が遅くなるために、焼入が不十分となって、靱性値の低下につながり、金型の早期破損が生じてしまう。従って、本発明においても、この熱間工具鋼の焼入れ性が高いことは重要な要素である。
【0018】
このように、本発明は、０．２％耐力σ０．２、軟化抵抗、及び焼入れ性（靱性）を高めることにより、温熱間で使用される金型用鋼材として、塑性変形が小さく高精度の製品を得ることを可能にする金型用鋼材として有用な熱間工具鋼を提案するものである。
【0019】
先ず、本発明の熱間工具鋼の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【0020】
「Ｃ：０.３５～０．５０質量％」
Ｃは、熱間工具鋼の基地に固溶し、熱間工具鋼の硬度を高め、耐摩耗性を高める元素である。また、Ｃは炭化物を形成し、高温での軟化抵抗性を高める。Ｃが０．３５質量％未満では、それらの必要特性を満足することができない。一方、Ｃが０．５０質量％ を超えると、鋼の靱性が低下する。よって、Ｃの含有量は、０．３５～０．５０質量％とする。また、Ｃは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、過剰に添加すると、高温での０．２％耐力σ０．２が低下する。このため、好ましくは、Ｃの上限は０．４５質量％以下である。
Ｃは、熱間工具鋼の基地に固溶し、熱間工具鋼の硬度を高め、耐摩耗性を高める元素である。また、Ｃは炭化物を形成し、高温での軟化抵抗性を高める。Ｃが０．３５質量％未満では、それらの必要特性を満足することができない。一方、Ｃが０．５０質量％ を超えると、鋼の靱性が低下する。よって、Ｃの含有量は、０．３５～０．５０質量％とする。また、Ｃは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、過剰に添加すると、高温での０．２％耐力σ０．２が低下する。このため、好ましくは、Ｃの上限は０．４５質量％以下である。
【0021】
「Ｓｉ：０．５０質量％以下」
Ｓｉは、鋼の被削性を高めるという効果があるので、添加することができる。一方で、Ｓｉを０．５０質量％ を超えて含有させると、偏析の悪化により、靭性が低下する。よって、Ｓｉの含有量は、０．５０質量％以下とする。
Ｓｉは、鋼の被削性を高めるという効果があるので、添加することができる。一方で、Ｓｉを０．５０質量％ を超えて含有させると、偏析の悪化により、靭性が低下する。よって、Ｓｉの含有量は、０．５０質量％以下とする。
【0022】
「Ｍｎ：０．３７～１.００質量％」
Ｍｎは、オーステナイトを安定化させ、焼入性を高める元素である。Ｍｎが０．３７質量％未満では、焼入性の低下が著しい。望ましくは、Ｍｎは０．４５質量％以上である。Ｍｎが１．００質量％を超えて含有されると、加工性及び熱伝導率が悪化するため、その含有量は、０．３７～１．００質量％とする。
Ｍｎは、オーステナイトを安定化させ、焼入性を高める元素である。Ｍｎが０．３７質量％未満では、焼入性の低下が著しい。望ましくは、Ｍｎは０．４５質量％以上である。Ｍｎが１．００質量％を超えて含有されると、加工性及び熱伝導率が悪化するため、その含有量は、０．３７～１．００質量％とする。
【0023】
「Ｃｒ：４．３０～５.５０質量％」
Ｃｒは、焼入性と靭性を高める元素である。また、Ｃｒは焼入後の焼戻において、炭化物を生成して耐熱性を高める作用がある。Ｃｒが４．３０質量％未満では、鋼の焼入性の低下が著しい。また、Ｃｒは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により高温での０．２％耐力σ０．２が増加するため、Ｃｒは４．３０質量％以上の添加が必要である。一方、Ｃｒを５．５０質量％を超えて含有させると、Ｃｒ系の炭化物を過剰に生成しやすく、そうすると靭性が低下するため、Ｃｒの含有量は、４．３０～５．５０質量％とする。
Ｃｒは、焼入性と靭性を高める元素である。また、Ｃｒは焼入後の焼戻において、炭化物を生成して耐熱性を高める作用がある。Ｃｒが４．３０質量％未満では、鋼の焼入性の低下が著しい。また、Ｃｒは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により高温での０．２％耐力σ０．２が増加するため、Ｃｒは４．３０質量％以上の添加が必要である。一方、Ｃｒを５．５０質量％を超えて含有させると、Ｃｒ系の炭化物を過剰に生成しやすく、そうすると靭性が低下するため、Ｃｒの含有量は、４．３０～５．５０質量％とする。
【0024】
「Ｎｉ：０．２０質量％以下」
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、鋼の焼入性を向上させるために有効な元素であるが、Ｎｉが０．２０質量％を超えると、鋼材の被削性が低下するので、Ｎｉの含有量は、０．２０質量％以下とする。また、Ｎｉは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により高温での０．２％耐力σ０．２が大きく低下する。このため、Ｎｉの多量の添加は好ましくなく、このような理由からも、Ｎｉ添加量の上限は０．２０質量％である。
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、鋼の焼入性を向上させるために有効な元素であるが、Ｎｉが０．２０質量％を超えると、鋼材の被削性が低下するので、Ｎｉの含有量は、０．２０質量％以下とする。また、Ｎｉは後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により高温での０．２％耐力σ０．２が大きく低下する。このため、Ｎｉの多量の添加は好ましくなく、このような理由からも、Ｎｉ添加量の上限は０．２０質量％である。
【0025】
「Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３.２質量％」
ＭｏとＷは、いずれも、Ｃｒと同様に、焼入性を向上させるために有効な元素である。また、Ｍｏ及びＷは、焼入後の焼戻において、炭化物を生成して鋼材の強度と耐熱性を高めるために有効である。Ｍｏ含有量と、Ｗ含有量の１／２の量の合計（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、１．５質量％未満であると、焼入性の向上効果が得られない。一方、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、３．２質量％を超えると、晶出炭化物が発生して、焼入性の低下が認められる。このため、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）は、１．５～３.２質量％とする。但し、ＷはＭｏの約２倍の原子量を有しており、原子数が同等である場合に、焼入性が同等であって、その効果の程度において相互に置き換え可能な特性を有する。このため、Ｍｏ及びＷの添加については、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）を指標とした。なお、Ｍｏ及びＷは、そのいずれか一方を単独で添加してもよい。また、Ｍｏ及びＷは、後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により、高温での０．２％耐力が増加する。そのため、好ましくは、Ｍｏ＋（１／２）Ｗを１．６質量％以上とすることが好ましい。
ＭｏとＷは、いずれも、Ｃｒと同様に、焼入性を向上させるために有効な元素である。また、Ｍｏ及びＷは、焼入後の焼戻において、炭化物を生成して鋼材の強度と耐熱性を高めるために有効である。Ｍｏ含有量と、Ｗ含有量の１／２の量の合計（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、１．５質量％未満であると、焼入性の向上効果が得られない。一方、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）が、３．２質量％を超えると、晶出炭化物が発生して、焼入性の低下が認められる。このため、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）は、１．５～３.２質量％とする。但し、ＷはＭｏの約２倍の原子量を有しており、原子数が同等である場合に、焼入性が同等であって、その効果の程度において相互に置き換え可能な特性を有する。このため、Ｍｏ及びＷの添加については、（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）を指標とした。なお、Ｍｏ及びＷは、そのいずれか一方を単独で添加してもよい。また、Ｍｏ及びＷは、後述するＡ値にも影響を与える元素であり、その添加により、高温での０．２％耐力が増加する。そのため、好ましくは、Ｍｏ＋（１／２）Ｗを１．６質量％以上とすることが好ましい。
【0026】
「Ｖ：０．３０～０．８０質量％」
Ｖは炭化物を形成し、焼入時の結晶粒の粗大化防止及び耐摩耗性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｖ は０．３０質量％以上含有することが必要である。しかし、Ｖが０．８０質量％を超えると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、鋼の靱性を低下させると共に、Ｖの過剰な添加は、製造コストを上昇させてしまう。このため、Ｖの含有量は、０．３０～０．８０質量％とする。また、Ｖは、後述するＡ値にも影響を与える元素であり、Ｖの添加により高温での０．２％耐力が低下してしまう。このため、Ｖの含有量は、好ましくは、０．４９質量％以上であり、また０．６２質量％以下である。
Ｖは炭化物を形成し、焼入時の結晶粒の粗大化防止及び耐摩耗性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｖ は０．３０質量％以上含有することが必要である。しかし、Ｖが０．８０質量％を超えると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、鋼の靱性を低下させると共に、Ｖの過剰な添加は、製造コストを上昇させてしまう。このため、Ｖの含有量は、０．３０～０．８０質量％とする。また、Ｖは、後述するＡ値にも影響を与える元素であり、Ｖの添加により高温での０．２％耐力が低下してしまう。このため、Ｖの含有量は、好ましくは、０．４９質量％以上であり、また０．６２質量％以下である。
【0027】
「Ｎ：０．００６～０.０２５質量％」
Ｎは、微細な炭化物を形成し、鋼の焼入時の結晶粒粗大化防止及び被削性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｎは０．００６質量％以上であることが必要である。また、Ｎが０．０２５質量％を超えると、粗大な炭化物を形成し、鋼の靭性を劣化させるので、Ｎの含有量は０．００６～０.０２５％とする。
Ｎは、微細な炭化物を形成し、鋼の焼入時の結晶粒粗大化防止及び被削性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｎは０．００６質量％以上であることが必要である。また、Ｎが０．０２５質量％を超えると、粗大な炭化物を形成し、鋼の靭性を劣化させるので、Ｎの含有量は０．００６～０.０２５％とする。
【0028】
このように、本発明の目的を達成するために、各成分組成を、所定の組成範囲内にすることが必要であるが、特に、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｖ及び（Ｍｏ＋（１／２）Ｗ）の量を上記範囲にすることが重要である。なお、上記成分に加えて、不可避的不純物としては、例えば焼入性改善効果があるＢ、被削性改善効果があるＳ、結晶粒微細化効果があるＴｉ又はＮｂが、他の特性を悪化させない程度に含有する場合もある。
【0029】
「Ａ＞１０００」
Ａは、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、下記数式１にて求まる。
Ａは、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、下記数式１にて求まる。
【0030】
【数1】
【0031】
本発明においては、このＡ値が１０００を超えるように各成分の含有量を決める。
【0032】
本発明の技術分野である熱間鍛造、熱間押出、及びダイカスト等の金型に使用される熱間工具鋼は、焼入れ焼戻しにより４０～５０ＨＲＣに調質されて利用されるのが一般的である。そして、上述のようにして調質された金型は、４００～５００℃前後の温度に加熱した後、被加工材を押出、鍛造又は鋳造する際の型材として利用される。
【0033】
ところで、本願発明者等は、前述のごとく、上記金型材の高温での必要特性として、０．２％耐力σ０．２をその指標とした。熱間工具鋼の０．２％耐力σ０．２は、室温から３００℃程度までは、合金成分の影響を受けにくいが、一方で、５００℃以上となると、例えばＪＩＳ ＳＫＤ６１とＪＩＳ ＳＫＤ７ではその特性に差異が生じてくる。そこで、５００℃において、０．２％耐力σ０．２に与える各合金成分の影響に関して鋭意研究を重ねた結果、高温の０．２％耐力σ０．２と合金元素との関係は［Ｃ］、［Ｎｉ］、［Ｖ］を添加するとＡ値が低下し、反対に［Ｃｒ］、［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］の添加量を増加させるとＡ値が高くなり、Ａ値が高いほど、０．２％耐力σ０．２が大きくなって、特性が向上することが判明した。
【0034】
上記Ａ値の数式１は、以下のようにして求めた。即ち、本願発明者等は、各合金元素の含有量を変化させて製造した試験片を、ＨＲＣが４９±１になるように調質し、５００℃で高温引張試験を実施した。そして、この高温引張試験において、０．２％耐力σ０．２を測定し、その後、０．２％耐力σ０．２に与える各元素の影響度合いを、最小二乗法（重回帰分析）により算出した。この影響度合いの解析結果から、各成分の含有量の係数を求め、Ａ値の式（数式１）を求めた。
【0035】
図３は横軸にＡ値をとり、縦軸に０．２％耐力σ０．２をとって、各鋼材の試験片の０．２％耐力測定値と、組成から求めたＡ値との関係を、図中にプロットした。この場合に、この０．２％耐力がＡ値で最もよく近似されるように、Ａ値の係数を最小二乗法により求めたのが、上記数式１である。本発明においては、近似式である数式１が１０００を超えるように、各成分の含有量を決定すると、０．２％耐力σ０．２がほぼ１０００を超えた値となる。
【0036】
図３に示すように、Ａ値が高いほど、０．２％耐力σ０．２が高くなるので、このＡ値が高くなるように、これらの成分［Ｃ］、［Ｎｉ］、［Ｖ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］の含有量を規定することにより、本発明の目的が達成される。具体的には、このＡ値の閾値をＡ＝１０００とすると、本発明の鋼材の成分の各含有量がＡ＞１０００を満たした場合に、０．２％耐力が１０００ＭＰａ以上となるので、本発明においては、このＡ値が１０００より大となるように、各成分の含有量を決める。
【実施例0037】
次に、本発明の請求項１を満たす実施例の熱間工具鋼の特性を、本発明の範囲から外れる比較例の熱間工具鋼の特性と対比して、本発明の効果について説明する。下記表１に示す組成の実施例１～５及び比較例６～１４の鋼材を高周波誘導炉にて溶解し、２０ｋｇのインゴットを得た。また、比較例１５，１６は、量産電気炉で溶製した３～６トンの鋼塊を６Ｓ以上の鍛錬比で鍛造したものである。これらのインゴットを、１２００～１２８０℃の温度に４時間以上加熱した後、鍛造し、その後、８２０～８７０℃の温度に４時間以上加熱保持し、４００～５００℃の温度まで１５～３５℃／時の冷却速度で冷却を行う焼なまし処理を実施した。そして、この焼なまし処理後の鋼材から、軟化抵抗試験片、焼入性試験片、引張試験片、及びシャルピー衝撃試験片を採取した。
【0038】
そして、これらの試験片をもとに、表２に示す「焼入性」、「靱性」、「０．２％耐力σ０．２」及び「軟化抵抗」を求めた。
【0039】
「焼入性」試験は、フォーマスタ試験によりＣＣＴ曲線を作成し、ベイナイトが発生する焼入臨界冷却時間（分）を求めることにより、その優劣を判定した。具体的には、１０３０℃に１０分保持した後に等速度で冷却し、ベイナイトが発生するまでの焼入臨界冷却時間が６０分以上の場合は〇とし、６０分未満は×として、焼入性を評価した。
【0040】
「靭性」試験は、１０×１０×５５ｍｍのＪＩＳ３号試験片を切り出し、１０３０℃に３０分加熱後に、毎分１２．５℃の冷却速度で室温まで冷却する焼入を行った後に、５８０～６３０℃で２回以上の焼戻しを行い、硬さを４９±１ＨＲＣに揃えた後、衝撃値を測定した。評価は衝撃値が２５Ｊ／ｃｍ２以上は◎、１５Ｊ／ｃｍ２以上２５Ｊ／ｃｍ２未満は〇、１５Ｊ／ｃｍ２未満の場合は×として表した。
【0041】
「軟化抵抗」試験は、１０３０℃に３０分間加熱した後に、毎分３３．３℃の冷却速度で室温まで冷却する焼入を行った後に、５８０～６３０℃で２回以上の焼戻しを行い、硬さを４８±１ＨＲＣに調質した各鋼材を６００℃にて５０時間保持し、この鋼材を空冷した後に硬度を測定し、初期の調質硬さとの差、即ち硬度低下ΔＨＲＣにて評価した。初期の調質硬さと試験後の硬さの差ΔＨＲＣが１０ＨＲＣ以下であれば、軟化抵抗の評価は◎とし、１０を超えて１３ＨＲＣ以下であれば○とし、１３ＨＲＣ超であれば×とした。
【0042】
高温引張試験における「０．２％耐力」は、鋼材から平行部の直径が６ｍｍ、平行部の長さが３０ｍｍとしたつば付き試験片（ＪＩＳ Ｇ０５６７）を切りだし、１０３０℃に３０分加熱した後に、毎分３３．３℃の冷却速度で室温まで冷却する焼入を行った後に、５８０～６３０℃で２回以上の焼戻しを行い、硬さを４９±１ＨＲＣに揃えた。得られた試験片について、ＪＩＳ Ｇ０５６７に準拠して５００℃の温度環境下で引張試験を行った。引張速度は平行部長さが３０ｍｍの部位に対し、０．３％／分とした。そして、０．２％耐力σ０．２を求めて表２に示した（単位はＭＰａ）。本発明においては、この０．２％耐力σ０．２が１０００ＭＰａ以上の場合に良好と判断される。
【0043】
【表1】
【0044】
【表2】
【0045】
表１は試験に供した鋼材のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、及びＮの含有量と、Ｍｏ＋（１／２）Ｗの値を示す。表１の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。本発明の実施例１～５は、各成分の含有量が請求項１を満たし、また、Ａ値は表２に示すように、１０００を超えている。そして、実施例１～５は、焼入性が○、靱性が◎又は○、軟化抵抗が○であり、０．２％耐力σ０．２は１０００ＭＰａを超えている。
【0046】
一方、比較例６は、Ａ値が１０００超を満足しているが、Ｃｒ含有量が本発明の範囲よりも少なすぎると共に、Ｍｏ＋（１／２）Ｗが本発明の範囲より多いため、晶出炭化物が発生して焼入性が劣り、本発明にて焼入性の指標としている焼入臨界冷却時間の６０分以上を満たしていない。また、比較例９、１０、１１、１４も、Ｃｒ含有量が本発明の範囲よりも少なすぎるため、本来的には比較例６と同様に焼入性が劣るものであるが、これらの比較例９，１０，１１，１４では、他の元素の添加で焼入性の向上を図ったため、表２に示すように、焼入性の欄は、いずれも○（焼入臨界冷却時間は６０分以上）である。しかし、比較例９，１０，１１，１４は、いずれもＮｉを本発明の範囲を超えて添加しているため、このようなＡ値を下げるＮｉ（Ａ値の式の係数が負）を添加したため、Ａ値が１０００以下となり、高温での０．２％耐力σ０．２が低いものとなった。また、比較例９はＣ及びＶも比較的高く、これも、Ａ値を低くする要因である。
【0047】
比較例７，８，１２，１３は、Ｎｉが高いため、Ａ値が低いものとなった。また、比較例７、１２、１３はＣが若干高いため、これも、Ａ値を低くする要因である。
【0048】
また、比較例１０，１２，１３，１４は、Ｍｏ＋（１／２）Ｗの含有量が比較的低いため、Ａ値が低く、０．２％耐力σ０．２も低い。
【0049】
更に、比較例１５は、Ｓｉが多く、Ｍｎが少なく、Ｍｏ＋（１／２）Ｗが少ないため、軟化抵抗が低く、Ａ値も低いため、０．２％耐力σ０．２も低い。比較例１６は、Ｍｎ及びＣｒが少ないため、焼入性及び靱性が低いものであった。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明によれば、高温での弾性限度が高く、塑性変形歪みが小さい金型の製造に有効であり、金型寿命の延長が可能である。このため、本発明によれば、高強度な相手材に対して繰り返し押出又は鍛造を行う場合にも、高精度の製品を製造することを可能とする金型用の鋼材として、有益である。
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2021-08-12
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｃ：０．３８～０．４５質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．１１～０．２０質量％、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．４９～０．６２質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする熱間工具鋼。
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．１１～０．２０質量％、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．４９～０．６２質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする熱間工具鋼。
【請求項2】
Ｍｎは０．４５質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱間工具鋼。
【請求項3】
Ｍｏ＋（１／２）Ｗが１．６質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間工具鋼。
【請求項4】
焼入性の指標である焼入臨界冷却時間が６０分以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
【請求項5】
焼入焼戻処理により、５００℃における高温引張試験の０．２％耐力が１０００ＭＰａ以上に調質されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱間工具鋼。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0009】
本発明に係る熱間工具鋼は、
Ｃ：０．３８～０．４５質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．１１～０．２０質量％、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．４９～０．６２質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする。
Ｃ：０．３８～０．４５質量％、
Ｓｉ：０．５０質量％以下、
Ｍｎ：０．３７～１．００質量％、
Ｃｒ：４．３０～５．５０質量％、
Ｎｉ：０．１１～０．２０質量％、
Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１．５～３．２質量％、
Ｖ：０．４９～０．６２質量％、
Ｎ：０．００６～０．０２５質量％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
更に、成分Ｘの含有量（質量％）を［Ｘ］で表したとき、
Ａ＝１０５０－３７３．６［Ｃ］＋２８．７［Ｃｒ］－１５０．０［Ｎｉ］－１２７．３［Ｖ］＋４５．９［Ｍｏ＋（１／２）Ｗ］
で求まるＡが１０００を超えることを特徴とする。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0010】
本発明において、例えば、
Ｍｎは０．４５質量％以上であること、又はＭｏ＋（１／２）Ｗは１．６質量％以上とすることができる。
Ｍｎは０．４５質量％以上であること、又はＭｏ＋（１／２）Ｗは１．６質量％以上とすることができる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0039】
「焼入性」試験は、フォーマスタ試験によりＣＣＴ曲線を作成し、ベイナイトが発生しない焼入臨界冷却時間（分）を求めることにより、その優劣を判定した。具体的には、１０３０℃に１０分保持した後に等速度で冷却し、ベイナイトが発生しない焼入臨界冷却時間が６０分以上の場合は〇とし、６０分未満は×として、焼入性を評価した。