特許 7479787 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】

(24)【登録日】2024-04-26

(45)【発行日】2024-05-09

(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 20060101AFI20240430BHJP

   C22C 38/24 20060101ALI20240430BHJP

   C22C 38/46 20060101ALI20240430BHJP

   C21D 6/00 20060101ALN20240430BHJP

   C21D 9/00 20060101ALN20240430BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301H

C22C38/00 302E

C22C38/24

C22C38/46

C21D6/00 L

C21D9/00 M

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018203256

(22)【出願日】2018-10-29

(65)【公開番号】P2020070457

(43)【公開日】2020-05-07

【審査請求日】2021-08-02

【審判番号】

【審判請求日】2023-06-27

(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】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

【合議体】

【審判長】粟野 正明

【審判官】佐藤 陽一

【審判官】土屋 知久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１５５３０６号公報

【文献】特開２０１８－１３１６５４号公報

【文献】特開２０１８－１６５４００号公報

【文献】特開２００４－３０７９６３号公報

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

C22C 38/00-38/60

C21D 9/00- 9/44, 9/50

C21D 6/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項2】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項3】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項4】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項5】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項6】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項7】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【請求項8】

質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼が焼入焼戻しされた状態であって、
該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、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、高温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、ダイカスト用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、硬度や靭性に優れる材料が求められている。また、ホットスタンピングでは、被加工材である鋼板の表面に発生したスケールによる金型の摩耗が問題となっており、金型材料には、高硬度が求められている。

【0003】

さらに、ダイカスト用金型やホットスタンピング用金型は内部に冷却回路が配されており、冷却回路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要請されている。

【0004】

こうした背景から、従来技術として、質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：４．００～６．００％、Ｍｏ：１．４０～２．６０％、Ｖ：０．２０～０．８０％、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに、Ｍｏ、Ｃｒは０．３３×［％Ｃｒ］－０．３７＜［Ｍｏ％］＜４．４５－０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
もっとも、この熱間金型用鋼は、４４～４６ＨＲＣまでに調質した状態からの高温での軟化抵抗性が考慮されているものの、焼入焼戻し後に存在する炭化物のサイズについての言及はなく、室温での熱伝導率２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有する鋼を得るには不十分である。
また、この提案の熱間金型用鋼は、４６．０ＨＲＣを超える高硬度を有しておらず、ホットスタンピングの金型用素材として使われた際には金型に摩耗が発生してしまい、十分な金型寿命を得られないものであった。

【0005】

他の従来技術として、金型の熱伝導率を高くし得て、金型の急速冷却を可能とし、製品製造のハイサイクル化を実現可能とし、ハイサイクル化の下でも製品品質を高め、不良率を低減することができ、さらに金型の熱応力を低減し得て金型寿命を延長でき、しかも稀少の添加量を少なく抑えつつ金型として必要な強度、靭性、高温特性を得ることのできる金型鋼を志向して、質量％で、０．３５＜Ｃ≦０．５０、０．０１≦Ｓｉ＜０．１９、１．５０＜Ｍｎ＜１．７８、２．００＜Ｃｒ＜３．０５、０．５１＜Ｍｏ＜１．２５、０．３０＜Ｖ＜０．８０、０．００４≦Ｎ≦０．０４０、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成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。）。しかしながら、この金型鋼は、Ｍｎ量が高いことから、Ｍｎの過剰添加によって熱伝導率が低下しやすくなる。またＣｒが少なく靱性が得られにくくなる。

【0006】

また、被削性、熱伝導率、硬さともに良好な特性を志向する金型用鋼として、質量割合で、Ｃ：０．４５超～０．６０％、Ｓｉ：０．０５～０．２０％、Ｍｎ：０．３～０．７％、Ｎｉ：０．２～０．５％、Ｃｒ：０．２～０．５％、Ｖ：０．０３～０．１％、Ａｌ：０．０１～０．０３％、Ｓ；０．０１０％未満、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＰ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下に規制した組成を有する金型用鋼を、９００～１０５０℃で加熱、空冷の焼ならしによってフェライト・パーライトの二相組織とし、５００～６５０℃で加熱、炉冷の焼戻しにより硬さ１８０～２２０ＨＶとした、熱伝導性に優れ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、この金型用鋼は、Ｖの含有量が少ないことから、焼入焼戻し硬さが不足する。

【0007】

また、質量％で、０．３５＜Ｃ＜０．５５ｍａｓｓ％、０．００３≦Ｓｉ＜０．３００ｍａｓｓ％、０．３０＜Ｍｎ＜１．５０ｍａｓｓ％、２．００≦Ｃｒ＜３．５０ｍａｓｓ％、０．００３≦Ｃｕ＜１．２００ｍａｓｓ％、０．００３≦Ｎｉ＜１．３８０ｍａｓｓ％、０．５０＜Ｍｏ＜３．２９ｍａｓｓ％、０．５５＜Ｖ＜１．１３ｍａｓｓ％、０．０００２≦Ｎ＜０．１２００ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、０．５５＜Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｍｏ＜３．２９ｍａｓｓ％を満たす鋼で、硬さが３３ＨＲＣ超～５７ＨＲＣであり、焼入れ時の旧オーステナイト結晶粒度番号が５以上であり、レーザーフラッシュ法を用いて測定した２５℃における熱伝導率λが２７．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］超である金型鋼が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この金型鋼は、Ｃｒの含有量が十分ではないことから、靭性が不足する。

【0008】

また、質量％で、０．１５＜Ｃ＜０．４３、０．２０＜Ｓｉ＜０．５２、５．３２＜Ｃｒ＜５．７２、－０．０５８１４×［Ｃｒ］＋０．４３２６＜Ｍｎ＜－０．２９０７×［Ｃｒ］＋２．４６２８・・式（１）、（但し式（１）中［Ｃｒ］はＣｒの含有量％を表す）、０．７２＜Ｍｏ＜１．６０、０．２０＜Ｖ＜０．６１、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有する金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。しかし、この金型用鋼では、Ｃｒが過剰に添加されていることから、これにより熱伝導率が低下しやすいものであった。また、この文献の実施例はＣ量やＭｏの量が少ない場合が多く、焼入焼戻し硬さに不足している。

【0009】

さらに、質量％で、０．１５＜Ｃ＜０．４３、０．２０＜Ｓｉ＜０．５２、４．００＜Ｃｒ＜５．７２、－０．０５８１４×［Ｃｒ］＋０．４３２６＜Ｍｎ＜－０．２９０７×［Ｃｒ］＋２．４６２８・・式（１）、（但し式（１）中［Ｃｒ］はＣｒの含有量％を表す）、０．７２＜Ｍｏ＜１．６０、０．２０＜Ｖ＜０．６１、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有する金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。しかし、この金型用鋼の実施例は、Ｃ量が少なく、焼入焼戻し硬さが不足している。

【0010】

また、質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．０％、Ｃｒ：４．５～５．４％、Ｍｏ：１．４～２．４％、Ｗ：１．０％以下、かつＭｏ＋Ｗ／２：１．７～２．４％、Ｖ：０．３０～０．７０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、焼入焼戻し後に観察される残留炭化物の種類や割合がＭ₂₆Ｃ₆、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂Ｃ、ＭＣからなる全炭化物中に占めるＭ₆Ｃ、Ｍ₂Ｃ、ＭＣからなる炭化物の割合が５．０以上、さらに全炭化物面積率が断面積０．０１ｍｍ²辺り２％以下、シャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上、軟化量（ΔＨＲＣ）が１３ＨＲＣ以下である、優れた高温強度および靭性を有する熱間金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献７参照。）。
しかし、この熱間金型用鋼は、４４～４５ＨＲＣに調質した後の軟化抵抗性についての検討はされているものの、焼入焼戻し後に存在する炭化物のサイズについては言及されておらず、また、室温での熱伝導率２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率および焼入焼戻し後の硬さが４６．０ＨＲＣを超える高硬度を有する鋼を得るためには不十分であり、ホットスタンピングの金型用素材として使われた際には金型に摩耗が発生してしまい、十分な金型寿命を得られないものであった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１３－８７３２２号公報

【文献】特開２０１１－９４１６８号公報

【文献】特開２０１０－１３７１６号公報

【文献】特開２０１７－５３０２３号公報

【文献】特開２０１５－２２１９３３号公報

【文献】特開２０１５－２２４３６３号公報

【文献】特開２０１７－１５５３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

金型用鋼では、焼入焼戻しにより、Ｍ₂₃Ｃ₆、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₂Ｃ、ＭＣなどの炭化物を析出する。発明者は、これらの炭化物の状態が熱伝導率へ及ぼす影響について詳細に検討し、焼入焼戻し後の熱伝導率を高めるには析出する炭化物のサイズを大きくすることが有効であるという知見を得た。
一方、炭化物は硬さに大きく影響する因子でもあり、炭化物のサイズの大きさの増加は、かえって硬さの低下を招くという知見も得た。
そこで、発明者は、これらの相反する知見に基づき、熱間工具鋼の化学成分の範囲およびこの熱間工具鋼の焼入焼戻し後の炭化物の大きさの範囲を規定することにより、高熱伝導率、高硬度および高靭性を兼ね備えた熱間工具鋼が得られることを見出した。

【0013】

そこで、本願の発明が解決しようとする課題は、高熱伝導率、高硬度および高靭性を兼ね備えた、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である熱間工具鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記の課題を解決するための本発明の第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0015】

その第２の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0016】

その第３の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0017】

その第４の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0018】

その第５の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0019】

その第６の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0020】

その第７の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【0021】

その第８の手段は、質量％で、Ｃ：０．３４～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．０１～１．５０％、Ｃｒ：３．５０～５．３２％、Ｖ：０．１０超～１．００％、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｎ：０．００１～０．０４０％、Ａｌ：０．００１～０．０８０％、さらに、Ｍｏ：４．００％以下もしくはＷ：８．００％以下のうち１種または２種含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上でかつ（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間工具鋼であって、該鋼の焼入焼戻し後に存在する該鋼中の炭化物の平均円相当径が１５０～４００ｎｍであることを特徴とする高熱伝導率、高硬度および高靭性を具備した熱間工具鋼である。

【発明の効果】

【0022】

本発明の上記の手段による熱間工具鋼は、焼入焼戻し後の炭化物の大きさが平均円相当径が１５０～４００ｍｍであって、焼入焼戻し後の室温での熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高熱伝導率であり、焼入焼戻し後の硬度が４６．０ＨＲＣ超の高硬度であり、さらに焼入焼戻し後のシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上の高靭性であるなど、高熱伝導率、高硬度および高靭性の熱間工具鋼である。高硬度、高靱性、高熱伝導率を兼ね備えるものであるから、ダイカストやホットスタンピングなどの、高温環境下で使用される金型用鋼として優れた特性を発揮する。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の実施の形態の説明に先立って、本願発明における化学成分等の限定理由を説明する。なお、説明における記載中の％は、質量％である。

【0024】

Ｃ：０．３４～０．５５％
Ｃは、鋼中に固溶することで、マトリックスを強化し、また炭化物を形成することで析出強化を促す元素である。Ｃは０．３４％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は０．５５％より多いと偏析を助長し、靭性を低下する。そこで、Ｃは０．３４～０．５５％とし、好ましくは、０．３５～０．５０％とする。

【0025】

Ｓｉ：０．０１～０．５０％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。Ｓｉはマトリックスに固溶することで硬さを向上する元素であるが、Ｓｉは０．０１％より少ないと十分に脱酸されない。一方、Ｓｉは０．５０％より多いと、Ｓｉ炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶して熱伝導率を大きく低下する。そこで、Ｓｉは０．０１～０．５０％とし、好ましくは、０．０５～０．４０％とする。

【0026】

Ｍｎ：０．０１～１．５０％
Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である。Ｍｎは０．０１％より少ないと十分に脱酸されない。一方、Ｍｎは、１．５０％より多すぎると、マトリックスに固溶して鋼の熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは０．０１～１．５０％とし、好ましくは、０．１０～１．２０％とする。

【0027】

Ｃｒ：３．５０～５．３２％
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靭性の低下を抑制するために必要な元素である。Ｃｒが３．５０％より少ないと十分な靭性が得られない。一方、Ｃｒは５．３２％より多いと、マトリックスに固溶して鋼の熱伝導率を低下させる。そこで、Ｃｒは３．５０～５．３２％とし、好ましくは、４．００～５．２５％とする。

【0028】

Ｖ：０．１０超～１．００％
Ｖは、鋼の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。Ｖは０．１０以下であると十分な焼入焼戻し硬さが得られない。一方、Ｖは１．００％より多すぎるとマトリックスに残存するＶが増加し、熱伝導率を低下させる。そこで、Ｖは０．１０超～１．００％とし、好ましくは０．２５～０．８５％とする。

【0029】

（選択的必須成分について）
Ｍｏ及びＷ：１種または２種を含有し、Ｍｏ：４．００％以下、Ｗ：８．００％以下、（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上、（Ｍｏ＋Ｗ／２）：４．００％以下
ＭｏとＷは、鋼の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。そこで、本発明では、ＭｏとＷは選択的な必須成分とし、Ｍｏ：４．００％以下、Ｗ：８．００％以下のいずれか１種もしくは双方を含有するものであって、さらに両元素の合計含有量は（Ｍｏ＋Ｗ）：１．８０％以上であり、さらに（Ｍｏ＋Ｗ／２）は４．００％以下を満足する。
（Ｍｏ＋Ｗ）が１．８０％より少ないと十分な焼入焼戻し硬さが得られない。そこで、（Ｍｏ＋Ｗ）は１．８０％以上とし、好ましくは、１．９０％以上とする。一方、Ｍｏ：４．００％以下、Ｗ：８．００％以下であって、これ以上にＭｏやＷが多すぎると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加し、熱伝導率を低下させる。また、いずれの元素も過剰に添加すると、マトリックスに残存するＭｏやＷが増加して熱伝導性を低下させるので、両元素全体として、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は４．００％以下、好ましくは３．５０％以下とする。

【0030】

（付加的成分について）
Ｎｉ：０．０１～２．００％
Ｎｉは、必ずしも添加する必要はないが、Ｃと同様に、鋼の焼入焼戻し硬さを大きくするのに有効な元素であり、必要に応じて、添加する元素である。一方、Ｎｉは２．００％より多くの過剰添加は精錬の時間およびコストの上昇を招く。そこで、Ｎｉは０．０１～２．００％とし、好ましくは、０．０１～１．５０％とする。

【0031】

Ｎ：０．００１～０．０４０％
Ｎは、必ずしも添加する必要はないが、Ｃと同様に、鋼の焼入焼戻し硬さを大きくするのに有効な元素であり、必要に応じて、添加する元素である。一方、Ｎは、０．０４０％より多くの過剰添加は精錬の時間およびコストの上昇を招く。そこで、Ｎは０．００１～０．０４０％とし、好ましくは、０．００１～０．０３０％とする。

【0032】

Ａｌ：０．００１～０．０８０％
Ａｌは、必ずしも添加する必要はないが、Ａｌ窒化物を形成して焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する元素であり、必要に応じて添加することができる。一方、過剰のＡｌ窒化物の形成により、靭性が低下する。そこで、Ａｌは０．００１～０．０８０％とし、好ましくは、０．００５～０．０６０％とする。

【0033】

（炭化物の大きさについて）
鋼の焼入焼戻し後に存在する炭化物の平均円相当径：１５０～４００ｎｍ
金型用鋼では、焼入焼戻しにより炭化物が析出し、析出した炭化物のサイズが大きくなるほど熱伝導率が高くなる。そのため、熱伝導率を十分に得るためには、炭化物の平均円相当径は１５０ｎｍ以上であることが必要である。
また、炭化物は析出強化量に寄与する因子でもあり、炭化物の析出量が多いほど析出粒子が障害物となって転位の移動は困難になるが、炭化物が粗大化してしまうと硬さの低下を招いてしまう。そこで、焼入焼戻し後に存在する炭化物の平均円相当径は１５０～４００ｎｍとし、好ましくは、１６０～３９０ｍｍとする。

【0034】

次に、発明の実施の形態について、以下に記載する。
表１の本願の発明鋼のＮｏ．１～３１および表２の比較鋼のＮｏ．３２～４７の各化学成分と残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を真空溶解炉で溶製し、それぞれ１００ｋｇの鋼塊を得た。これらの各鋼塊から、幅６５ｍｍ、高さ３０ｍｍのブロックに熱間鍛伸した。次いで、この鍛伸材を８７０℃で２時間保持した後、徐冷して焼なまし、その後、表面と中心の中間位置から試料を採取した。これらの各試料を１０３０℃で焼入れした後、油冷し、５５０～６８０℃で２回焼戻しを行なった後、空冷した。これら各試料の鍛伸材の鋼中の炭化物の平均円相当径を測定し、その結果を、表１の発明鋼のＮｏ．１～３１に示し、表２の比較鋼のＮｏ．３２～４７に示した。

【0035】

【表1】

【0036】

【表2】

【0037】

さらに、これら試料の鍛伸材の鋼の特性である熱伝導率、焼入焼戻し硬さおよびシャルピー衝撃値を測定し、その結果を、表３の発明鋼のＮｏ．１～３１に示し、表４の比較鋼のＮｏ．３２～４７に示した。

【0038】

【表3】

【0039】

【表4】

【実施例1】

【0040】

上記の炭化物の平均円相当径の測定における鋼中の炭化物を観察するための試験片は、焼入焼戻し後の試料の鍛伸方向に平行な面を研磨し、抽出レプリカ法により作成した。この試験片を透過型電子顕微鏡の明視野像を用いて、総面積１００μｍ²の領域を観察し、画像解析により、各炭化物の面積に相当する真円の直径を換算し、その平均値を表１および表２の炭化物の円相当径として記載した。

【0041】

上記の鍛伸材の鋼の特性である熱伝導率の測定には、レーザーフラッシュ法を用いた。焼入焼戻し後の試料を直径１０ｍｍ×１ｍｍの円柱形状に仕上げ加工して試験に供し、パルス・レーザーを円板の片面に照射して厚さ方向の熱拡散率を得て、定圧比熱と密度を乗じて焼入焼戻し後の室温での熱伝導率を得て、表３および表４の熱伝導率とした。この焼入焼戻し後の室温での熱伝導率が２５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を高熱伝導率という。

【0042】

上記の鍛伸材の鋼の特性である焼入焼戻し硬さはロックウエル硬さ試験機で測定した。この場合、焼入焼戻し状態の試料の鍛伸方向に垂直な面を測定してロックウエル硬さを得て、表３および表４の焼入焼戻し硬さとした。この焼入焼戻し後の硬さが４６．０ＨＲＣ超を高硬度であると評価する。

【0043】

上記の鍛伸材の鋼の特性である靭性は、シャルピー衝撃試験により評価を実施した、この場合、焼入焼戻し後の試料から作成した。試験片形状は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て測定して、表３および表４のシャルピー衝撃値とした。この焼入焼戻し後のシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ²以上を高靭性であると評価する。

【0044】

表２の比較鋼のＮｏ．３２はＣの含有量が０．３３％と発明の範囲より低く、したがって、表４の焼入焼戻し硬さが４２．２ＨＲＣと本発明で得られる４６．０ＨＲＣ超よりも硬さが低い。

【0045】

表２の比較鋼のＮｏ．３３はＣの含有量が０．５６％と発明の範囲より高く、したがって、表４のシャルピー衝撃値が２０．１Ｊ／ｃｍ²と本発明で得られる３０Ｊ／ｃｍ²以上よりも靱性が低い。

【0046】

表２の比較鋼のＮｏ．３４はＳｉの含有量が０．５１％と発明の範囲より低く、したがって、表４の熱伝導率が２３．８Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0047】

表２の比較鋼のＮｏ．３５はＭｎの含有量が１．５１％と発明の範囲より高く、したがって、表４の熱伝導率が２２．３Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0048】

表２の比較鋼のＮｏ．３６はＣｒの含有量が３．４９％と発明の範囲より低く、したがって、表４のシャルピー衝撃値が２８．９Ｊ／ｃｍ²と本発明で得られる３０Ｊ／ｃｍ²以上よりも靱性が低い。

【0049】

表２の比較鋼のＮｏ．３７はＣｒの含有量が５．３３％と発明の範囲より高く、したがって、表４の熱伝導率が２４．８Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0050】

表２の比較鋼のＮｏ．３８はＭｏの含有量が４．０１％と発明の範囲より高く、（Ｍｏ＋Ｗ／２）も４．０１％と高い。したがって、表４の熱伝導率が２４．４Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0051】

表２の比較鋼のＮｏ．３９はＷの含有量が８．０２％と発明の範囲より高く、（Ｍｏ＋Ｗ／２）も４．０１％と高い。したがって、表４の熱伝導率が２３．７Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0052】

表２の比較鋼のＮｏ．４０はＭｏ＋Ｗの値が１．７９％と発明の範囲より低く、したがって、表４の焼入焼戻し硬さが４３．３ＨＲＣと本発明で得られる４６．０ＨＲＣ超よりも硬さが低い。

【0053】

表２の比較鋼のＮｏ．４１はＭｏ＋Ｗ／２の値が４．０２％と発明の範囲より高く、したがって、表４の熱伝導率が２２．９Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0054】

表２の比較鋼のＮｏ．４２はＶの含有量が０．１０％と発明の範囲より低く、したがって、表４の焼入焼戻し硬さが４３．１ＨＲＣと本発明で得られる４６．０ＨＲＣ超よりも硬さが低い。

【0055】

表２の比較鋼のＮｏ．４３はＶの含有量が１．０２％と発明の範囲より高く、したがって、表４の熱伝導率が２３．２Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0056】

表２の比較鋼のＮｏ．４４はＮｉの含有量が２．０２％と発明の範囲より高く、したがって、表４の熱伝導率が２４．３Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0057】

表２の比較鋼のＮｏ．４５はＡｌの含有量が０．０９４％と発明の範囲より高く、したがって、表４のシャルピー衝撃値が１６．２Ｊ／ｃｍ²と本発明で得られる３０Ｊ／ｃｍ²より靱性が低い。

【0058】

表２の比較鋼のＮｏ．４６は炭化物円相当径が１２３ｎｍと発明の範囲より低く、したがって、表４の熱伝導率が２４．６Ｗ／ｍ・Ｋと本発明で得られる２５．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも熱伝導率が低い。

【0059】

表２の比較鋼のＮｏ．４７は炭化物円相当径が４３０ｎｍと発明の範囲より高く、したがって、表４の焼入焼戻し硬さが４５．４ＨＲＣと本発明で得られる４６．０ＨＲＣ超よりも硬さが低い。