冷間工具鋼
【課題】 硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制できる冷間工具鋼を提供する。
【解決手段】 冷間工具鋼は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量が最適化された上で、Ｍｎ及びＮの含有量が、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として最適化され、更に、Ｍｎ及びＮの含有量が、比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として下記数式を満足する。これにより、高い焼戻し温度における冷間工具鋼の変寸を抑制できる。
【解決手段】 冷間工具鋼は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量が最適化された上で、Ｍｎ及びＮの含有量が、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として最適化され、更に、Ｍｎ及びＮの含有量が、比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として下記数式を満足する。これにより、高い焼戻し温度における冷間工具鋼の変寸を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷間プレス、冷間鍛造及びロール成形等に使用される型又は転造ダイス等の材料として使用される冷間工具鋼に関し、特に、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制した冷間工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷間プレス、冷間鍛造及びロール成形等に使用される型及び転造ダイス等の材料としては、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定されたＳＫＤ１１（冷間ダイス鋼）が使用されている。冷間工具鋼から工具を製造する場合には、工具鋼を所定の工具形状に加工した後、焼入れを施して硬度を高め、焼戻しを施すことにより、焼入れ時に低下した靱性を回復させることが行われているが、ＳＫＤ１１は、高い硬度を有するものの、靱性が十分でなく、焼き付きによる工具寿命の低下が発生しやすいという問題点がある。また、工具鋼を型等の工具に加工する際には、ワイヤカット又は放電加工が採用されているが、従来のＳＫＤ１１の組成では、これをワイヤカット又は放電加工する際に、鋼に割れが発生しやすいという問題点がある。
【０００３】
冷間工具鋼の硬度及び靱性等を改善する技術として、例えば、特許文献１には、Ｃ：０．７５乃至１．７５質量％、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００３０質量％以下、Ｎ：０．０２０質量％以下、Ｓｉ：３．０質量％以下、Ｍｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｃｒ：５．０乃至１１．０質量％、Ｍｏ：１．３乃至５．０質量％及びＶ：０．１乃至５．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、４５０℃以上で焼戻し効果を有する冷間工具鋼が開示されている。この特許文献１においては、Ｐ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量を規制することにより、焼入れ時における晶出炭化物の固溶が促進されて高温焼戻し硬さが増大すると共に、未固溶炭化物の成長が抑制されて靱性が向上することが開示されている。また、特許文献１においては、耐摩耗性及び高温焼戻し後の強度を高めるために、ＭｏをＳＫＤ１１よりも多く添加している。この特許文献１の冷間工具鋼は、８％ＣｒＳＫＤとよばれている。
【０００４】
また、特許文献２においては、共晶炭化物量に大きく影響するＣ及びＣｒの含有量を夫々Ｃ：０．７乃至１．５質量％、Ｃｒ：６．０乃至１３．０質量％とし、これにより、冷間工具鋼の耐摩耗性及び靱性の低下を改善した上で、０．０２５乃至０．１５質量％のＮを添加することにより、低温の焼入れ温度でも固溶しやすい共晶炭窒化物が形成され、これにより、焼戻し後の硬度を高める技術が開示されている。
【０００５】
このように、冷間工具鋼から工具を製造する場合には、焼入れ及び焼戻しによる熱処理が施されるため、工具鋼は、加熱による膨張により、変寸が発生するという問題点がある。特に、焼戻しによる二次硬化領域で発生する膨張量が大きく、焼戻し処理後に変寸を除去するための処理が必要になるという問題点がある。
【０００６】
この焼戻し時の膨張による変寸を抑制するために、例えば特許文献３には、冷間工具鋼にＮｉ：０．３乃至１．５質量％及びＡｌ：０．１乃至０．７質量％を添加することにより、Ｎｉ−Ａｌ系の金属間化合物を形成させ、この金属間化合物を、焼戻しによる二次硬化領域で析出させることにより、変寸を収縮方向に移行させる技術が開示されている。そして、金属間化合物を二次硬化領域で析出させるために、特許文献３においては、０．７乃至１．６質量％のＣを添加している。
【０００７】
また、特許文献４には、焼入れ性の確保及び焼戻し後の硬度の確保のために添加されるＭｏ及びＷ、並びに工具の耐摩耗性の改善及び衝撃特性の維持のために添加されるＶ及びＮｂは、焼戻し処理による凝固の際に、偏析して変寸又は歪みの原因となることが開示されており、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂの添加量を、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．９乃至１．６質量％、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．０３乃至０．３質量％とすることにより、変寸を抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０１−１１９４５号公報
【特許文献２】特開平０９−７８１９９号公報
【特許文献３】特許第４４１１５９４号
【特許文献４】特開２００９−２３５５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１の冷間工具鋼は、Ｍｏを多く含有した場合に、焼戻し後に鋼組織内に残留するオーステナイト組織が多く、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増える。また、焼戻しによる２次硬化領域で発生する変寸が大きく、焼戻し処理後に変寸を除去する加工を施す必要があり、工具の製造工数が増加するという問題点がある。また、Ｍｏは高価であるため、多量に含有させると製造コストが増大するという問題点もある。
【００１０】
特許文献２の冷間工具鋼は、Ｃ及びＣｒの含有量の上限値を規定することにより、靱性の低下を抑制できることが記載されているものの、Ｃ及びＣｒを多く含有させた場合には、粗大な炭化物が形成されて靱性が低下する。また、特許文献２は、焼戻し後の鋼に高硬度を得ることを目的としており、熱処理によって変寸が発生することについては、一切開示されておらず、特許文献２に記載された組成では、変寸が大きくなって、焼戻し処理後に変寸を除去する工数が増大する場合がある。
【００１１】
特許文献３においては、Ａｌの添加量が０．１乃至０．７質量％と多く、鋼組織内にＡｌＮ等の介在物が多量に発生し、靱性が低下するという問題点がある。
【００１２】
特許文献４の冷間工具鋼は、焼戻し後に高い硬度が得られない場合がある。以上の特許文献１乃至４の冷間工具鋼は、硬度、靱性、耐摩耗性等、夫々の特性に影響を及ぼす成分の個別の添加量は検討されているものの、変寸を抑制できる成分相互間の検討が十分ではない。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制できる冷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】
【００１４】
本発明に係る冷間工具鋼は、Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５乃至１１．０であり、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］とし、Ｎの含有量（ｐｐｍ）を［Ｎ］としたときに、Ｍｎ及びＮの含有量は、前記比（Ｃｒ／Ｃ）に対して、下記数式を満足することを特徴とする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【数２】
【００１７】
本発明に係る冷間工具鋼は、例えば更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有する。
【００１８】
また、冷間工具鋼は、例えば更に、Ａｌ及びＯの含有量を、夫々Ａｌ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制した組成を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の冷間工具鋼は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量が最適化された上で、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が最適化され、更に、Ｍｎ及びＮの含有量が、比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として適正な範囲で規定されている。これにより、本発明の冷間工具鋼は、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制できる。よって、本発明の冷間工具鋼から製造された型及び工具等は、寿命が長く、表面改質処理等の加熱を施された場合にも、変寸が小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明に係る冷間工具鋼において、Ｃ及びＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ量の適正範囲を示す図、（ｂ）は同じくＮ量の適正範囲を示す図である。
【図２】本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と硬さとの関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。
【図３】本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と変寸率との関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る冷間工具鋼について説明する。本発明の冷間工具鋼は、Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２２】
このような組成を有することにより、本発明の冷間工具鋼は、硬度、靱性及び耐摩耗性が高い。本発明者は、上記組成を有する冷間工具鋼において、高硬度及び高靱性を維持しながら、焼戻し時の高温による変寸を抑制するために、種々実験検討を行った。そして、Ｃの含有量に対してＣｒを適正範囲で添加することにより、高硬度及び高靱性を有する冷間工具鋼において、変寸を抑制できることを知見し、本発明を見出した。即ち、本発明においては、Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）は８．５乃至１１．０である。Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５未満であると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増え、比（Ｃｒ／Ｃ）が１１．０を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが少なくなりすぎて、熱処理による変寸が増加する。
【００２３】
そして、本発明者は、冷間工具鋼の硬度を高く維持し、高い焼戻し温度における変寸を抑制するためには、変寸が顕著となり始める温度を高温側に遷移させると共に、その温度で焼戻しを実施することにより、工具鋼の硬度を高めればよいことを知見した。そして、変寸が顕著となり始める温度を遷移させるためには、Ｍｎを添加すればよく、Ｍｎを上記比Ｃｒ／Ｃに対して適量添加すれば、工具鋼の被削性を損なわない範囲で変寸温度を高温域に遷移させられることを見出した。即ち、本発明においては、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］としたときに、Ｍｎの含有量は、比（Ｃｒ／Ｃ）に対して下記数式３を満足する。また、本発明においては、Ｎを比Ｃｒ／Ｃに対して適量添加すれば、工具鋼を工具に加工する際の割れを防止しつつ、高い焼戻し温度において、工具鋼の硬さを高めることができる。また、Ｎの添加により、粗大なＭ７Ｃ３型の炭化物の生成が抑制されると共に、ＭＣ型炭化物の生成量が増大することにより、工具鋼の靱性及び耐摩耗性を高めることができる。本発明者は、このＮの添加による効果を十分に得るためには、Ｎを比（Ｃｒ／Ｃ）に対して下記数式４を満足するように添加すればよいことを見出した。
【００２４】
【数３】
【００２５】
【数４】
【００２６】
上記本発明におけるＭｎ量及びＮ量の適正範囲について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明に係る冷間工具鋼において、Ｃ及びＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ量の適正範囲を示す図、図１（ｂ）は同じくＮ量の適正範囲を示す図である。なお、図１における実線で囲まれた領域が本発明の範囲を示す。本発明においては、上述の如く、冷間工具鋼の高硬度及び高靱性を維持しながら、焼戻し時の高温による変寸を抑制するために、Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）を８．５乃至１１．０と規定している。そして、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、この比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として、Ｍｎ量（質量％）及びＮ量（ｐｐｍ）を規定している。Ｍｎの含有量が本発明の上限値を超えると（図１（ａ）に示す実線領域よりも上に存在すると）、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、これにより、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。一方、Ｍｎの含有量が本発明の下限値未満であると（図１（ａ）に示す実線領域よりも下に存在すると）、Ｍｎ不足により、変寸が顕著となり始める温度を高温域に遷移させることができず、上記本発明の効果を得られなくなる。
【００２７】
また、本発明においては、Ｎの含有量が本発明の上限値（図１（ｂ）に示す実線領域よりも上に存在すると）、焼戻し温度を高温域に遷移させた場合においても、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。一方、Ｎの含有量が本発明の下限値未満であると（図１（ｂ）に示す実線領域よりも下に存在すると）、Ｎの添加によって硬度、靱性及び耐摩耗性を向上させる効果を得られなくなる。
【００２８】
以上のように、本発明においては、高い焼戻し温度によっても変寸を抑制でき、また、焼戻し温度による高温により、鋼組織内への熱応力の残留を防止することができ、工具鋼の硬度を高めることができる。よって、工具鋼を工具に加工する際のワイヤカット又は放電加工における工具鋼の割れを防止できる。また、Ｎの添加による硬度、靱性及び耐摩耗性の向上効果を十分に得ることができる。
【００２９】
本発明によれば、焼戻し後の熱処理によって、工具鋼に変寸が生じることも防止できる。即ち、冷間工具鋼は、所定の工具形状に成形された後、表面にＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等による表面改質処理が施される場合があるが、この表面改質処理は、従来の冷間工具鋼においては、例えば焼戻し温度に近いか、又は焼戻し温度に一致する例えば４９０乃至５００℃で実施される。従って、焼戻しによる変寸を除去した後においても、表面改質処理時の高温により、所定形状に成形された工具鋼に、再度変寸が発生してしまう。本発明においては、変寸が発生する温度を例えば５１０℃以上に高くできるため、表面改質処理を上記のような５００℃程度の温度で実施しても、工具鋼に変寸が発生することを防止できる。
【００３０】
以上の本発明の効果について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と硬さとの関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図、図３は、本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と変寸率との関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。なお、図２及び図３においては、本発明の冷間工具鋼を太線、ＳＫＤ１１鋼を破線、特許文献１等の８％Ｃｒ鋼を細線にて示してある。
【００３１】
図２に示すように、従来のＳＫＤ１１鋼の変寸率は、焼戻し温度が４８０℃以下の低温域においては小さく、焼戻し温度が４８０℃乃至４９０℃の領域で徐々に増大し、焼戻し温度が４９０℃程度にて変寸率が０となり、その後、４９０℃以上の温度域では、変寸率が大きくなる。このような焼戻し温度の増加に伴う変寸率の変化の仕方は、８％Ｃｒ鋼及び本発明においても同様である。しかし、８％Ｃｒ鋼においては、変寸率が０となる焼戻し温度は、５００℃程度であり、本発明においては、変寸率が０となる焼戻し温度は、５１０℃程度と高温領域に遷移している。図２に示すように、焼戻し温度が５１０℃の高温領域において、ＳＫＤ１１鋼の変寸率は０．０８％程度、８％Ｃｒ鋼の変寸率は、０．０４５％と大きい。このように、本発明の冷間工具鋼は、従来の冷間工具鋼に比して高い焼戻し温度において、変寸率が極めて小さく、工具に加工した後に変寸を除去する等の処理が不要となり、製造コストも低減できる。
【００３２】
また、図３に示すように、本発明においては、その組成が十分に最適化されているため、変寸率が０となる５１０℃付近の焼戻し温度において、最大の６３ＨＲＣ以上の硬さが得られている。これに対して、従来の工具鋼は、いずれも、変寸率が０となる焼戻し温度におけるＨＲＣ硬さが本発明よりも小さい。以上のように、本発明によれば、高い焼戻し温度において、変寸率が小さく、且つ高い硬度を有する冷間工具鋼を得ることができる。
【００３３】
本発明においては、冷間工具鋼には、必要に応じて、更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上が添加される。また、冷間工具鋼がＡｌ及びＯを含有する場合においては、これらの元素の添加量は、夫々Ａｌ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制されていることが好ましい。
【００３４】
以下、本発明の冷間工具鋼における数値限定理由について説明する。
【００３５】
「Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％」
Ｃは、基地に固溶して硬度を高めると共に、他の添加元素と結合して炭化物を生成し、これにより、耐摩耗性を高めることができる。Ｃの含有量が０．６５質量％未満であると、硬度及び耐摩耗性を向上させる効果を十分に得られない。一方、Ｃの含有量が１．２０質量％を超えると、冷間工具鋼の靭性が低下する。よって、本発明においては、Ｃの含有量を０．６５乃至１．２０質量％と規定する。
【００３６】
「Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％」
Ｍｎは、本発明における重要な添加元素の１つであり、冷間工具鋼の変寸が顕著になり始める温度を高温域に遷移させる効果を有する。Ｍｎの含有量が０．４８質量％未満であると、変寸温度を高温域に遷移させる効果を十分に得られず、結果として、冷間工具鋼を工具に加工する際に、割れが発生しやすくなる等の問題がある。一方、Ｍｎの含有量が０．９２質量％を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、Ｍｎの含有量を０．４８乃至０．９２質量％と規定する。
【００３７】
「Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％」
ＣｒはＣと結合して炭化物を生成し、工具鋼の耐摩耗性を向上させる。また、Ｃｒは、基地に固溶することにより、焼入れ性を向上させるために有効な元素である。Ｃｒの含有量が７．０質量％未満であると、生成される炭化物量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。一方、Ｃｒの含有量が１２．０質量％を超えると、炭化物が必要以上に増加して、靭性が低下し、被削性が劣化しやすくなる。また、Ｃｒを多量に添加すると、製造コストの増加にも繋がる。よって、本発明においては、Ｃｒの含有量を７．０乃至１２．０質量％と規定する。
【００３８】
「Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％」
Ｖは、Ｃと結合して炭化物を形成し、焼入れ時の結晶粒の粗大化を防止したり、耐摩耗性を高めるために有効な元素である。Ｖの含有量が０．０５質量％未満であると、これらの効果を十分に得ることができず、Ｖの含有量が０．８０質量％を超えると、粗大な炭化物が形成されて靭性が低下し、被削性が劣化しやすくなる。また、Ｖを多量に添加すると、製造コストの増大にも繋がる。よって、本発明においては、Ｖの含有量を０．０５乃至０．８０質量％と規定する。
【００３９】
「Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ」
Ｎは、通常、不純物として微量含まれるが、４５８ｐｐｍ以上添加することにより、高い焼戻し温度における工具鋼の硬さを高めることができる。また、Ｎを添加することにより、粗大なＭ７Ｃ３型の炭化物の生成を抑制することができると共に、ＭＣ型炭化物の生成量が増大することにより、工具鋼の靱性及び耐摩耗性を高めることができる。Ｎを４５８ｐｐｍ以上と多く添加するためには、溶鋼への脱ガス処理を完了した後、例えば窒化Ｆｅ−Ｃｒを溶鋼に添加したり、Ｎ２ガスを溶鋼に吹き込むことにより可能である。一方、Ｎの含有量が８１７ｐｐｍを超えると、残留オーステナイトの増加により、工具鋼の硬さが低下すると共に、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、Ｎの含有量を４５８乃至８１７ｐｐｍと規定する。
【００４０】
「（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％」
Ｍｏ及びＷは、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させるために有効な元素である。但し、Ｗは、Ｍｏと同等の効果を得るためには、２倍の添加が必要となるため、本発明においては、Ｗの含有量の１／２とＭｏとの総量を規定する。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が０．６質量％未満であると、焼入れ性を向上させる効果を十分に得ることができず、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が１．５質量％を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加して硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）を０．６乃至１．５質量％と規定する。
【００４１】
「Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％」
Ｓｉは脱酸剤として有効な元素であり、必要に応じて添加される。また、Ｓｉは、焼戻し温度が３００乃至５２０℃の中〜高温域の場合に、工具鋼の硬さを高める効果を有する。Ｓｉの添加量が０．１質量％未満であると、この効果が得られず、１．８質量％を超えると、マトリクス中の成分偏析が顕著となり、また、工具鋼の靭性も低下しやすくなる。よって、冷間工具鋼がＳｉを含有する場合には、その含有量は０．１乃至１．８質量％であることが好ましい。
【００４２】
「Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％」
Ｓは工具鋼の被削性を向上させるために、必要に応じて添加される。Ｓの添加による被削性の向上を十分に得るためには、その添加量は、０．０１質量％以上である。一方、Ｓの添加量が０．１０質量％を超えると、工具鋼の靭性が低下しやすくなるため、Ｓを添加する場合には、その含有量は、０．０１乃至０．１０質量％であることが好ましい。
【００４３】
「Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％」
Ｃｕは、冷間工具鋼の焼入れ性及び耐食性の向上を目的として、必要に応じて添加される。これらの効果を十分に得るためには、その添加量は、０．０１質量％以上である。一方、Ｃｕの添加量が０．４０質量％を超えると、工具鋼の靭性が低下しやすくなるため、Ｃｕを添加する場合には、その含有量は、０．０１乃至０．４０質量％であることが好ましい。
【００４４】
「Ｎｉ：０．５質量％以下」
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させるために、必要に応じて添加される。しかし、Ｎｉの含有量が０．５質量％を超えると、被削性が劣化し、また、製造コスト面でも不利となるため、その含有量は０．５質量％以下であることが好ましい。
【００４５】
「Ａｌ：０．０４０質量％以下に規制」
Ａｌは、冷間工具鋼の金属組織内にＡｌＮ等の介在物を形成する元素であり、０．０４０質量％を超えて多量に含有させると、介在物の生成量が多くなり、工具鋼の靭性を低下させる。特に、本発明においては、従来に比してＮを多量に添加しているため、ＡｌがＮと結合して介在物を形成しやすい。よって、本発明においては、Ａｌの含有量は、０．０４０質量％以下に規制することが好ましい。更に好ましくは、Ａｌの含有量は０．０２０質量％以下である。
【００４６】
「Ｏ：０．００５０質量％以下に規制」
Ｏは、工具鋼の金属組織内に酸化物系の介在物を形成する元素であり、０．００５０質量％を超えて多量に含有させると、介在物の生成量が多くなり、工具鋼の靭性を低下させる。よって、Ｏの含有量は、０．００５０質量％以下に規制することが好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の構成による効果について、本発明の範囲を満足する実施例をその比較例と対比して説明する。先ず、種々の成分組成を有する鋼を高周波炉で溶解し、１０ｋｇのインゴットを得、各インゴットを１１４０乃至１１７０℃の温度で４時間以上加熱した後、鍛造し、その後、７８０乃至８６０℃の温度に３時間以上保持した後、３００乃至６００℃の温度まで１５乃至４５℃／時の冷却速度で冷却する焼きなまし処理を施した。そして、各鋼から幅５５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ３５ｍｍの実施例及び比較例の試験片を切り出し、各試験片をミクロ組織観察試験、熱処理硬さ試験、残留オーステナイト測定試験及び変寸率測定試験に供した。なお、熱処理硬さ試験、残留オーステナイト測定試験及び変寸率測定試験に供する試験片については、上記焼きなまし処理後、１０３０℃で焼入れ処理を施し、その後、焼戻し処理を施した。そして、実施例及び比較例の各試験片を１３本用意し、焼戻し温度を４８０乃至５４０℃まで５℃きざみで変化させることにより、各実施例及び比較例の試験片について、焼戻し温度が異なる１３本の試験片を用意した。各実施例及び比較例の試験片の組成を表１−１及び表１−２に示す。なお、表１に示す従来例Ｎｏ．２１は、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定されたＳＫＤ１１、従来例Ｎｏ．２２は、８％Ｃｒ鋼、従来例Ｎｏ．２３は、特許文献３に記載された組成を有する工具鋼である。
【００４８】
【表１−１】
【００４９】
【表１−２】
【００５０】
（熱処理硬さ試験）
熱処理硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４５に準拠して行った。各試験片を硬さ試験機（ＡＫＡＳＨＩ社製、型式：ＡＲＤ−Ａ）に設置し、夫々ＨＲＣ硬さを測定した。各実施例及び比較例について、ＨＲＣ硬さが最大となった試験片の焼戻し温度とＨＲＣ硬さの最大値を調査した。そして、ＨＲＣ硬さの最大値が６３ＨＲＣ以上であった場合に、硬度が良好と判定した。
【００５１】
（残留オーステナイト測定試験）
残留オーステナイト量は、Ｘ線回折により測定した。即ち、各実施例及び比較例の試験片の表層部を電解研磨により０．０５ｍｍ研磨した後、研磨後の表層部に対して、Ｘ線回折装置（理学電機株式会社製、型式：ＭＳＦ−２Ｍ）によりＸ線回折試験を実施し、得られたＸ線回折パターンより残留オーステナイト量（面積率）を測定した。
【００５２】
（変寸率測定試験）
変寸率測定試験は、各実施例及び比較例の１３本の試験片に対して、焼戻し温度ごとにその変寸率を測定した。なお、この変寸測定試験においては、各試験片の長さ方向における変寸率（焼入れ前の長さに対する長さの変化率）を測定した。そして、変寸率が０となった試験片の焼戻し処理時の温度を調査した。そして、変寸率が０となった試験片の焼戻し処理時の温度が５１０℃以上であった場合に、高い焼戻し温度における変寸耐性が良好であると判定した。
【００５３】
各実施例及び比較例について、ＨＲＣ硬さの最大値及びそれが得られた焼戻し温度、ゼロ変寸温度並びに残留オーステナイト量の測定結果を下記表２に示す。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１４は、本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．１５乃至２０及び従来例Ｎｏ．２１乃至２３に比して、高いＨＲＣ硬さが得られ、変寸率が０となる焼戻し温度も高く、優れた変寸耐性が得られた。また、表２に示すように、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１４は、いずれも、ＨＲＣ硬さが最大となる焼戻し温度が、変寸率が０となる焼戻し温度に一致しており、変寸率が０となるように焼戻し温度を設定すれば、高い硬度が得られることが分かる。
【００５６】
一方、比較例Ｎｏ．１５乃至２０及び従来例Ｎｏ．２１乃至２３は、本発明の範囲を満足しないため、ＨＲＣ硬さが小さく、変寸耐性も小さくなった。特に、比較例Ｎｏ．１９は、その組成が本発明の範囲を満足するものの、比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ及びＮの添加量の関係が、本発明を満足しないことにより、ＨＲＣ硬さ及び変寸耐性が低下した。
【００５７】
比較例Ｎｏ．１５は、Ｍｎの含有量が少なかったので、変寸率が０となる温度が低く、また、ＨＲＣ硬さも小さかった。比較例Ｎｏ．１６は、Ｎの含有量が少なかったので、工具鋼のＨＲＣ硬さを高めることができなかった。比較例Ｎｏ．１７は、Ｍｎを多く含有することにより、鋼組織中の残留オーステナイト量が増加し、ＨＲＣ硬さが低くなった。また、Ｍｎの添加により変寸率が０となる温度は高くなったものの、Ｍｏ＋１／２Ｗ量が多いことにより、変寸率が０となる温度において高いＨＲＣ硬さを得ることが出来なかった。
【００５８】
比較例Ｎｏ．１８は、比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ及びＮの量が少なかったので、変寸率が０となる温度を高めることができなかった。比較例Ｎｏ．２０は、適量のＭｎ及びＮを含有するものの、Ｃ量が少ないことにより比（Ｃｒ／Ｃ）が大きくなり、変寸耐性を高めることができなかった。
【００５９】
従来例Ｎｏ．２１乃至２３は、いずれもＭｎ及びＮの量が少ないことにより、変寸率が０となる温度が低く、また、ＨＲＣ硬さも小さくなった。このうち、従来例Ｎｏ．２２は、多量のＭｏを含有することにより、鋼組織中の残留オーステナイト量が増加して、ＨＲＣ硬さも低下した。
【００６０】
次に、実施例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２、比較例Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１９、従来例Ｎｏ．２１乃至２３について、変寸率が０となった試験片に対してＰＶＤ処理を施した。ＰＶＤ処理は、３３ｍｍ×５５ｍｍ×１００ｍｍ角の大きさに加工した試験片を、１０３０℃の温度で焼入れし、夫々、変寸率が０となる温度で焼戻し処理後、各試験片の表面に、アークイオンプレーテイング法により、５００℃の処理温度で厚さ２．５μｍのＴｉＮ被膜を形成した。
【００６１】
そして、ＰＶＤ処理後の各試験片について、その変寸率を測定した。そして、変寸率が０．０２％以下であったものを変寸耐性が良好と判定した。各実施例、比較例及び従来例の試験片について、ＰＶＤ処理後の変寸率を下記表３に示す。
【００６２】
【表３】
【００６３】
表２に示すように、実施例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２は、変寸率が０となった焼戻し温度がいずれも５１０℃以上と高く、優れた変寸耐性を有している。よって、表３に示すように、ＰＶＤ処理後の変寸率がいずれも０であった。
【００６４】
これに対して、比較例Ｎｏ．１５及び従来例Ｎｏ．２１は、変寸率が０となった焼戻し温度が４９０℃と低く、変寸耐性が劣っている。よって、表３に示すように、ＰＶＤ処理後の変寸率が０．０７％と大きくなった。また、変寸率が０となった焼戻し温度が５０５℃であった比較例Ｎｏ．１９及び２０、５００℃であった従来例Ｎｏ．２２及び２３についても、変寸耐性が低いことにより、ＰＶＤ処理後に変寸が発生した。
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷間プレス、冷間鍛造及びロール成形等に使用される型又は転造ダイス等の材料として使用される冷間工具鋼に関し、特に、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制した冷間工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷間プレス、冷間鍛造及びロール成形等に使用される型及び転造ダイス等の材料としては、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定されたＳＫＤ１１（冷間ダイス鋼）が使用されている。冷間工具鋼から工具を製造する場合には、工具鋼を所定の工具形状に加工した後、焼入れを施して硬度を高め、焼戻しを施すことにより、焼入れ時に低下した靱性を回復させることが行われているが、ＳＫＤ１１は、高い硬度を有するものの、靱性が十分でなく、焼き付きによる工具寿命の低下が発生しやすいという問題点がある。また、工具鋼を型等の工具に加工する際には、ワイヤカット又は放電加工が採用されているが、従来のＳＫＤ１１の組成では、これをワイヤカット又は放電加工する際に、鋼に割れが発生しやすいという問題点がある。
【０００３】
冷間工具鋼の硬度及び靱性等を改善する技術として、例えば、特許文献１には、Ｃ：０．７５乃至１．７５質量％、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｓ：０．００３０質量％以下、Ｎ：０．０２０質量％以下、Ｓｉ：３．０質量％以下、Ｍｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｃｒ：５．０乃至１１．０質量％、Ｍｏ：１．３乃至５．０質量％及びＶ：０．１乃至５．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、４５０℃以上で焼戻し効果を有する冷間工具鋼が開示されている。この特許文献１においては、Ｐ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量を規制することにより、焼入れ時における晶出炭化物の固溶が促進されて高温焼戻し硬さが増大すると共に、未固溶炭化物の成長が抑制されて靱性が向上することが開示されている。また、特許文献１においては、耐摩耗性及び高温焼戻し後の強度を高めるために、ＭｏをＳＫＤ１１よりも多く添加している。この特許文献１の冷間工具鋼は、８％ＣｒＳＫＤとよばれている。
【０００４】
また、特許文献２においては、共晶炭化物量に大きく影響するＣ及びＣｒの含有量を夫々Ｃ：０．７乃至１．５質量％、Ｃｒ：６．０乃至１３．０質量％とし、これにより、冷間工具鋼の耐摩耗性及び靱性の低下を改善した上で、０．０２５乃至０．１５質量％のＮを添加することにより、低温の焼入れ温度でも固溶しやすい共晶炭窒化物が形成され、これにより、焼戻し後の硬度を高める技術が開示されている。
【０００５】
このように、冷間工具鋼から工具を製造する場合には、焼入れ及び焼戻しによる熱処理が施されるため、工具鋼は、加熱による膨張により、変寸が発生するという問題点がある。特に、焼戻しによる二次硬化領域で発生する膨張量が大きく、焼戻し処理後に変寸を除去するための処理が必要になるという問題点がある。
【０００６】
この焼戻し時の膨張による変寸を抑制するために、例えば特許文献３には、冷間工具鋼にＮｉ：０．３乃至１．５質量％及びＡｌ：０．１乃至０．７質量％を添加することにより、Ｎｉ−Ａｌ系の金属間化合物を形成させ、この金属間化合物を、焼戻しによる二次硬化領域で析出させることにより、変寸を収縮方向に移行させる技術が開示されている。そして、金属間化合物を二次硬化領域で析出させるために、特許文献３においては、０．７乃至１．６質量％のＣを添加している。
【０００７】
また、特許文献４には、焼入れ性の確保及び焼戻し後の硬度の確保のために添加されるＭｏ及びＷ、並びに工具の耐摩耗性の改善及び衝撃特性の維持のために添加されるＶ及びＮｂは、焼戻し処理による凝固の際に、偏析して変寸又は歪みの原因となることが開示されており、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂの添加量を、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．９乃至１．６質量％、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．０３乃至０．３質量％とすることにより、変寸を抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０１−１１９４５号公報
【特許文献２】特開平０９−７８１９９号公報
【特許文献３】特許第４４１１５９４号
【特許文献４】特開２００９−２３５５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１の冷間工具鋼は、Ｍｏを多く含有した場合に、焼戻し後に鋼組織内に残留するオーステナイト組織が多く、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増える。また、焼戻しによる２次硬化領域で発生する変寸が大きく、焼戻し処理後に変寸を除去する加工を施す必要があり、工具の製造工数が増加するという問題点がある。また、Ｍｏは高価であるため、多量に含有させると製造コストが増大するという問題点もある。
【００１０】
特許文献２の冷間工具鋼は、Ｃ及びＣｒの含有量の上限値を規定することにより、靱性の低下を抑制できることが記載されているものの、Ｃ及びＣｒを多く含有させた場合には、粗大な炭化物が形成されて靱性が低下する。また、特許文献２は、焼戻し後の鋼に高硬度を得ることを目的としており、熱処理によって変寸が発生することについては、一切開示されておらず、特許文献２に記載された組成では、変寸が大きくなって、焼戻し処理後に変寸を除去する工数が増大する場合がある。
【００１１】
特許文献３においては、Ａｌの添加量が０．１乃至０．７質量％と多く、鋼組織内にＡｌＮ等の介在物が多量に発生し、靱性が低下するという問題点がある。
【００１２】
特許文献４の冷間工具鋼は、焼戻し後に高い硬度が得られない場合がある。以上の特許文献１乃至４の冷間工具鋼は、硬度、靱性、耐摩耗性等、夫々の特性に影響を及ぼす成分の個別の添加量は検討されているものの、変寸を抑制できる成分相互間の検討が十分ではない。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制できる冷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】
【００１４】
本発明に係る冷間工具鋼は、Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５乃至１１．０であり、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］とし、Ｎの含有量（ｐｐｍ）を［Ｎ］としたときに、Ｍｎ及びＮの含有量は、前記比（Ｃｒ／Ｃ）に対して、下記数式を満足することを特徴とする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【数２】
【００１７】
本発明に係る冷間工具鋼は、例えば更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有する。
【００１８】
また、冷間工具鋼は、例えば更に、Ａｌ及びＯの含有量を、夫々Ａｌ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制した組成を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の冷間工具鋼は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）量が最適化された上で、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が最適化され、更に、Ｍｎ及びＮの含有量が、比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として適正な範囲で規定されている。これにより、本発明の冷間工具鋼は、硬度、靱性及び耐摩耗性が高く、高い焼戻し温度における変寸を抑制できる。よって、本発明の冷間工具鋼から製造された型及び工具等は、寿命が長く、表面改質処理等の加熱を施された場合にも、変寸が小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明に係る冷間工具鋼において、Ｃ及びＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ量の適正範囲を示す図、（ｂ）は同じくＮ量の適正範囲を示す図である。
【図２】本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と硬さとの関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。
【図３】本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と変寸率との関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る冷間工具鋼について説明する。本発明の冷間工具鋼は、Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する。
【００２２】
このような組成を有することにより、本発明の冷間工具鋼は、硬度、靱性及び耐摩耗性が高い。本発明者は、上記組成を有する冷間工具鋼において、高硬度及び高靱性を維持しながら、焼戻し時の高温による変寸を抑制するために、種々実験検討を行った。そして、Ｃの含有量に対してＣｒを適正範囲で添加することにより、高硬度及び高靱性を有する冷間工具鋼において、変寸を抑制できることを知見し、本発明を見出した。即ち、本発明においては、Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）は８．５乃至１１．０である。Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５未満であると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増え、比（Ｃｒ／Ｃ）が１１．０を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが少なくなりすぎて、熱処理による変寸が増加する。
【００２３】
そして、本発明者は、冷間工具鋼の硬度を高く維持し、高い焼戻し温度における変寸を抑制するためには、変寸が顕著となり始める温度を高温側に遷移させると共に、その温度で焼戻しを実施することにより、工具鋼の硬度を高めればよいことを知見した。そして、変寸が顕著となり始める温度を遷移させるためには、Ｍｎを添加すればよく、Ｍｎを上記比Ｃｒ／Ｃに対して適量添加すれば、工具鋼の被削性を損なわない範囲で変寸温度を高温域に遷移させられることを見出した。即ち、本発明においては、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］としたときに、Ｍｎの含有量は、比（Ｃｒ／Ｃ）に対して下記数式３を満足する。また、本発明においては、Ｎを比Ｃｒ／Ｃに対して適量添加すれば、工具鋼を工具に加工する際の割れを防止しつつ、高い焼戻し温度において、工具鋼の硬さを高めることができる。また、Ｎの添加により、粗大なＭ７Ｃ３型の炭化物の生成が抑制されると共に、ＭＣ型炭化物の生成量が増大することにより、工具鋼の靱性及び耐摩耗性を高めることができる。本発明者は、このＮの添加による効果を十分に得るためには、Ｎを比（Ｃｒ／Ｃ）に対して下記数式４を満足するように添加すればよいことを見出した。
【００２４】
【数３】
【００２５】
【数４】
【００２６】
上記本発明におけるＭｎ量及びＮ量の適正範囲について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明に係る冷間工具鋼において、Ｃ及びＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ量の適正範囲を示す図、図１（ｂ）は同じくＮ量の適正範囲を示す図である。なお、図１における実線で囲まれた領域が本発明の範囲を示す。本発明においては、上述の如く、冷間工具鋼の高硬度及び高靱性を維持しながら、焼戻し時の高温による変寸を抑制するために、Ｃ量に対するＣｒ量の比（Ｃｒ／Ｃ）を８．５乃至１１．０と規定している。そして、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、この比（Ｃｒ／Ｃ）を基準として、Ｍｎ量（質量％）及びＮ量（ｐｐｍ）を規定している。Ｍｎの含有量が本発明の上限値を超えると（図１（ａ）に示す実線領域よりも上に存在すると）、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、これにより、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。一方、Ｍｎの含有量が本発明の下限値未満であると（図１（ａ）に示す実線領域よりも下に存在すると）、Ｍｎ不足により、変寸が顕著となり始める温度を高温域に遷移させることができず、上記本発明の効果を得られなくなる。
【００２７】
また、本発明においては、Ｎの含有量が本発明の上限値（図１（ｂ）に示す実線領域よりも上に存在すると）、焼戻し温度を高温域に遷移させた場合においても、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。一方、Ｎの含有量が本発明の下限値未満であると（図１（ｂ）に示す実線領域よりも下に存在すると）、Ｎの添加によって硬度、靱性及び耐摩耗性を向上させる効果を得られなくなる。
【００２８】
以上のように、本発明においては、高い焼戻し温度によっても変寸を抑制でき、また、焼戻し温度による高温により、鋼組織内への熱応力の残留を防止することができ、工具鋼の硬度を高めることができる。よって、工具鋼を工具に加工する際のワイヤカット又は放電加工における工具鋼の割れを防止できる。また、Ｎの添加による硬度、靱性及び耐摩耗性の向上効果を十分に得ることができる。
【００２９】
本発明によれば、焼戻し後の熱処理によって、工具鋼に変寸が生じることも防止できる。即ち、冷間工具鋼は、所定の工具形状に成形された後、表面にＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等による表面改質処理が施される場合があるが、この表面改質処理は、従来の冷間工具鋼においては、例えば焼戻し温度に近いか、又は焼戻し温度に一致する例えば４９０乃至５００℃で実施される。従って、焼戻しによる変寸を除去した後においても、表面改質処理時の高温により、所定形状に成形された工具鋼に、再度変寸が発生してしまう。本発明においては、変寸が発生する温度を例えば５１０℃以上に高くできるため、表面改質処理を上記のような５００℃程度の温度で実施しても、工具鋼に変寸が発生することを防止できる。
【００３０】
以上の本発明の効果について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と硬さとの関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図、図３は、本発明の冷間工具鋼における焼戻し温度と変寸率との関係を、従来の冷間工具鋼と比較して示す図である。なお、図２及び図３においては、本発明の冷間工具鋼を太線、ＳＫＤ１１鋼を破線、特許文献１等の８％Ｃｒ鋼を細線にて示してある。
【００３１】
図２に示すように、従来のＳＫＤ１１鋼の変寸率は、焼戻し温度が４８０℃以下の低温域においては小さく、焼戻し温度が４８０℃乃至４９０℃の領域で徐々に増大し、焼戻し温度が４９０℃程度にて変寸率が０となり、その後、４９０℃以上の温度域では、変寸率が大きくなる。このような焼戻し温度の増加に伴う変寸率の変化の仕方は、８％Ｃｒ鋼及び本発明においても同様である。しかし、８％Ｃｒ鋼においては、変寸率が０となる焼戻し温度は、５００℃程度であり、本発明においては、変寸率が０となる焼戻し温度は、５１０℃程度と高温領域に遷移している。図２に示すように、焼戻し温度が５１０℃の高温領域において、ＳＫＤ１１鋼の変寸率は０．０８％程度、８％Ｃｒ鋼の変寸率は、０．０４５％と大きい。このように、本発明の冷間工具鋼は、従来の冷間工具鋼に比して高い焼戻し温度において、変寸率が極めて小さく、工具に加工した後に変寸を除去する等の処理が不要となり、製造コストも低減できる。
【００３２】
また、図３に示すように、本発明においては、その組成が十分に最適化されているため、変寸率が０となる５１０℃付近の焼戻し温度において、最大の６３ＨＲＣ以上の硬さが得られている。これに対して、従来の工具鋼は、いずれも、変寸率が０となる焼戻し温度におけるＨＲＣ硬さが本発明よりも小さい。以上のように、本発明によれば、高い焼戻し温度において、変寸率が小さく、且つ高い硬度を有する冷間工具鋼を得ることができる。
【００３３】
本発明においては、冷間工具鋼には、必要に応じて、更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上が添加される。また、冷間工具鋼がＡｌ及びＯを含有する場合においては、これらの元素の添加量は、夫々Ａｌ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制されていることが好ましい。
【００３４】
以下、本発明の冷間工具鋼における数値限定理由について説明する。
【００３５】
「Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％」
Ｃは、基地に固溶して硬度を高めると共に、他の添加元素と結合して炭化物を生成し、これにより、耐摩耗性を高めることができる。Ｃの含有量が０．６５質量％未満であると、硬度及び耐摩耗性を向上させる効果を十分に得られない。一方、Ｃの含有量が１．２０質量％を超えると、冷間工具鋼の靭性が低下する。よって、本発明においては、Ｃの含有量を０．６５乃至１．２０質量％と規定する。
【００３６】
「Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％」
Ｍｎは、本発明における重要な添加元素の１つであり、冷間工具鋼の変寸が顕著になり始める温度を高温域に遷移させる効果を有する。Ｍｎの含有量が０．４８質量％未満であると、変寸温度を高温域に遷移させる効果を十分に得られず、結果として、冷間工具鋼を工具に加工する際に、割れが発生しやすくなる等の問題がある。一方、Ｍｎの含有量が０．９２質量％を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加し、硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、Ｍｎの含有量を０．４８乃至０．９２質量％と規定する。
【００３７】
「Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％」
ＣｒはＣと結合して炭化物を生成し、工具鋼の耐摩耗性を向上させる。また、Ｃｒは、基地に固溶することにより、焼入れ性を向上させるために有効な元素である。Ｃｒの含有量が７．０質量％未満であると、生成される炭化物量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。一方、Ｃｒの含有量が１２．０質量％を超えると、炭化物が必要以上に増加して、靭性が低下し、被削性が劣化しやすくなる。また、Ｃｒを多量に添加すると、製造コストの増加にも繋がる。よって、本発明においては、Ｃｒの含有量を７．０乃至１２．０質量％と規定する。
【００３８】
「Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％」
Ｖは、Ｃと結合して炭化物を形成し、焼入れ時の結晶粒の粗大化を防止したり、耐摩耗性を高めるために有効な元素である。Ｖの含有量が０．０５質量％未満であると、これらの効果を十分に得ることができず、Ｖの含有量が０．８０質量％を超えると、粗大な炭化物が形成されて靭性が低下し、被削性が劣化しやすくなる。また、Ｖを多量に添加すると、製造コストの増大にも繋がる。よって、本発明においては、Ｖの含有量を０．０５乃至０．８０質量％と規定する。
【００３９】
「Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ」
Ｎは、通常、不純物として微量含まれるが、４５８ｐｐｍ以上添加することにより、高い焼戻し温度における工具鋼の硬さを高めることができる。また、Ｎを添加することにより、粗大なＭ７Ｃ３型の炭化物の生成を抑制することができると共に、ＭＣ型炭化物の生成量が増大することにより、工具鋼の靱性及び耐摩耗性を高めることができる。Ｎを４５８ｐｐｍ以上と多く添加するためには、溶鋼への脱ガス処理を完了した後、例えば窒化Ｆｅ−Ｃｒを溶鋼に添加したり、Ｎ２ガスを溶鋼に吹き込むことにより可能である。一方、Ｎの含有量が８１７ｐｐｍを超えると、残留オーステナイトの増加により、工具鋼の硬さが低下すると共に、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、Ｎの含有量を４５８乃至８１７ｐｐｍと規定する。
【００４０】
「（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％」
Ｍｏ及びＷは、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させるために有効な元素である。但し、Ｗは、Ｍｏと同等の効果を得るためには、２倍の添加が必要となるため、本発明においては、Ｗの含有量の１／２とＭｏとの総量を規定する。（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が０．６質量％未満であると、焼入れ性を向上させる効果を十分に得ることができず、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）が１．５質量％を超えると、鋼組織内の残留オーステナイトが増加して硬度が低下し、また、残留オーステナイトが、時間の経過と共にマルテンサイト変態して、工具鋼が膨張する経年変寸の変寸量が増えてしまう不具合がある。よって、本発明においては、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）を０．６乃至１．５質量％と規定する。
【００４１】
「Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％」
Ｓｉは脱酸剤として有効な元素であり、必要に応じて添加される。また、Ｓｉは、焼戻し温度が３００乃至５２０℃の中〜高温域の場合に、工具鋼の硬さを高める効果を有する。Ｓｉの添加量が０．１質量％未満であると、この効果が得られず、１．８質量％を超えると、マトリクス中の成分偏析が顕著となり、また、工具鋼の靭性も低下しやすくなる。よって、冷間工具鋼がＳｉを含有する場合には、その含有量は０．１乃至１．８質量％であることが好ましい。
【００４２】
「Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％」
Ｓは工具鋼の被削性を向上させるために、必要に応じて添加される。Ｓの添加による被削性の向上を十分に得るためには、その添加量は、０．０１質量％以上である。一方、Ｓの添加量が０．１０質量％を超えると、工具鋼の靭性が低下しやすくなるため、Ｓを添加する場合には、その含有量は、０．０１乃至０．１０質量％であることが好ましい。
【００４３】
「Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％」
Ｃｕは、冷間工具鋼の焼入れ性及び耐食性の向上を目的として、必要に応じて添加される。これらの効果を十分に得るためには、その添加量は、０．０１質量％以上である。一方、Ｃｕの添加量が０．４０質量％を超えると、工具鋼の靭性が低下しやすくなるため、Ｃｕを添加する場合には、その含有量は、０．０１乃至０．４０質量％であることが好ましい。
【００４４】
「Ｎｉ：０．５質量％以下」
Ｎｉは、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させるために、必要に応じて添加される。しかし、Ｎｉの含有量が０．５質量％を超えると、被削性が劣化し、また、製造コスト面でも不利となるため、その含有量は０．５質量％以下であることが好ましい。
【００４５】
「Ａｌ：０．０４０質量％以下に規制」
Ａｌは、冷間工具鋼の金属組織内にＡｌＮ等の介在物を形成する元素であり、０．０４０質量％を超えて多量に含有させると、介在物の生成量が多くなり、工具鋼の靭性を低下させる。特に、本発明においては、従来に比してＮを多量に添加しているため、ＡｌがＮと結合して介在物を形成しやすい。よって、本発明においては、Ａｌの含有量は、０．０４０質量％以下に規制することが好ましい。更に好ましくは、Ａｌの含有量は０．０２０質量％以下である。
【００４６】
「Ｏ：０．００５０質量％以下に規制」
Ｏは、工具鋼の金属組織内に酸化物系の介在物を形成する元素であり、０．００５０質量％を超えて多量に含有させると、介在物の生成量が多くなり、工具鋼の靭性を低下させる。よって、Ｏの含有量は、０．００５０質量％以下に規制することが好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の構成による効果について、本発明の範囲を満足する実施例をその比較例と対比して説明する。先ず、種々の成分組成を有する鋼を高周波炉で溶解し、１０ｋｇのインゴットを得、各インゴットを１１４０乃至１１７０℃の温度で４時間以上加熱した後、鍛造し、その後、７８０乃至８６０℃の温度に３時間以上保持した後、３００乃至６００℃の温度まで１５乃至４５℃／時の冷却速度で冷却する焼きなまし処理を施した。そして、各鋼から幅５５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ３５ｍｍの実施例及び比較例の試験片を切り出し、各試験片をミクロ組織観察試験、熱処理硬さ試験、残留オーステナイト測定試験及び変寸率測定試験に供した。なお、熱処理硬さ試験、残留オーステナイト測定試験及び変寸率測定試験に供する試験片については、上記焼きなまし処理後、１０３０℃で焼入れ処理を施し、その後、焼戻し処理を施した。そして、実施例及び比較例の各試験片を１３本用意し、焼戻し温度を４８０乃至５４０℃まで５℃きざみで変化させることにより、各実施例及び比較例の試験片について、焼戻し温度が異なる１３本の試験片を用意した。各実施例及び比較例の試験片の組成を表１−１及び表１−２に示す。なお、表１に示す従来例Ｎｏ．２１は、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定されたＳＫＤ１１、従来例Ｎｏ．２２は、８％Ｃｒ鋼、従来例Ｎｏ．２３は、特許文献３に記載された組成を有する工具鋼である。
【００４８】
【表１−１】
【００４９】
【表１−２】
【００５０】
（熱処理硬さ試験）
熱処理硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４５に準拠して行った。各試験片を硬さ試験機（ＡＫＡＳＨＩ社製、型式：ＡＲＤ−Ａ）に設置し、夫々ＨＲＣ硬さを測定した。各実施例及び比較例について、ＨＲＣ硬さが最大となった試験片の焼戻し温度とＨＲＣ硬さの最大値を調査した。そして、ＨＲＣ硬さの最大値が６３ＨＲＣ以上であった場合に、硬度が良好と判定した。
【００５１】
（残留オーステナイト測定試験）
残留オーステナイト量は、Ｘ線回折により測定した。即ち、各実施例及び比較例の試験片の表層部を電解研磨により０．０５ｍｍ研磨した後、研磨後の表層部に対して、Ｘ線回折装置（理学電機株式会社製、型式：ＭＳＦ−２Ｍ）によりＸ線回折試験を実施し、得られたＸ線回折パターンより残留オーステナイト量（面積率）を測定した。
【００５２】
（変寸率測定試験）
変寸率測定試験は、各実施例及び比較例の１３本の試験片に対して、焼戻し温度ごとにその変寸率を測定した。なお、この変寸測定試験においては、各試験片の長さ方向における変寸率（焼入れ前の長さに対する長さの変化率）を測定した。そして、変寸率が０となった試験片の焼戻し処理時の温度を調査した。そして、変寸率が０となった試験片の焼戻し処理時の温度が５１０℃以上であった場合に、高い焼戻し温度における変寸耐性が良好であると判定した。
【００５３】
各実施例及び比較例について、ＨＲＣ硬さの最大値及びそれが得られた焼戻し温度、ゼロ変寸温度並びに残留オーステナイト量の測定結果を下記表２に示す。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１４は、本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．１５乃至２０及び従来例Ｎｏ．２１乃至２３に比して、高いＨＲＣ硬さが得られ、変寸率が０となる焼戻し温度も高く、優れた変寸耐性が得られた。また、表２に示すように、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１４は、いずれも、ＨＲＣ硬さが最大となる焼戻し温度が、変寸率が０となる焼戻し温度に一致しており、変寸率が０となるように焼戻し温度を設定すれば、高い硬度が得られることが分かる。
【００５６】
一方、比較例Ｎｏ．１５乃至２０及び従来例Ｎｏ．２１乃至２３は、本発明の範囲を満足しないため、ＨＲＣ硬さが小さく、変寸耐性も小さくなった。特に、比較例Ｎｏ．１９は、その組成が本発明の範囲を満足するものの、比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ及びＮの添加量の関係が、本発明を満足しないことにより、ＨＲＣ硬さ及び変寸耐性が低下した。
【００５７】
比較例Ｎｏ．１５は、Ｍｎの含有量が少なかったので、変寸率が０となる温度が低く、また、ＨＲＣ硬さも小さかった。比較例Ｎｏ．１６は、Ｎの含有量が少なかったので、工具鋼のＨＲＣ硬さを高めることができなかった。比較例Ｎｏ．１７は、Ｍｎを多く含有することにより、鋼組織中の残留オーステナイト量が増加し、ＨＲＣ硬さが低くなった。また、Ｍｎの添加により変寸率が０となる温度は高くなったものの、Ｍｏ＋１／２Ｗ量が多いことにより、変寸率が０となる温度において高いＨＲＣ硬さを得ることが出来なかった。
【００５８】
比較例Ｎｏ．１８は、比（Ｃｒ／Ｃ）に対するＭｎ及びＮの量が少なかったので、変寸率が０となる温度を高めることができなかった。比較例Ｎｏ．２０は、適量のＭｎ及びＮを含有するものの、Ｃ量が少ないことにより比（Ｃｒ／Ｃ）が大きくなり、変寸耐性を高めることができなかった。
【００５９】
従来例Ｎｏ．２１乃至２３は、いずれもＭｎ及びＮの量が少ないことにより、変寸率が０となる温度が低く、また、ＨＲＣ硬さも小さくなった。このうち、従来例Ｎｏ．２２は、多量のＭｏを含有することにより、鋼組織中の残留オーステナイト量が増加して、ＨＲＣ硬さも低下した。
【００６０】
次に、実施例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２、比較例Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１９、従来例Ｎｏ．２１乃至２３について、変寸率が０となった試験片に対してＰＶＤ処理を施した。ＰＶＤ処理は、３３ｍｍ×５５ｍｍ×１００ｍｍ角の大きさに加工した試験片を、１０３０℃の温度で焼入れし、夫々、変寸率が０となる温度で焼戻し処理後、各試験片の表面に、アークイオンプレーテイング法により、５００℃の処理温度で厚さ２．５μｍのＴｉＮ被膜を形成した。
【００６１】
そして、ＰＶＤ処理後の各試験片について、その変寸率を測定した。そして、変寸率が０．０２％以下であったものを変寸耐性が良好と判定した。各実施例、比較例及び従来例の試験片について、ＰＶＤ処理後の変寸率を下記表３に示す。
【００６２】
【表３】
【００６３】
表２に示すように、実施例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２は、変寸率が０となった焼戻し温度がいずれも５１０℃以上と高く、優れた変寸耐性を有している。よって、表３に示すように、ＰＶＤ処理後の変寸率がいずれも０であった。
【００６４】
これに対して、比較例Ｎｏ．１５及び従来例Ｎｏ．２１は、変寸率が０となった焼戻し温度が４９０℃と低く、変寸耐性が劣っている。よって、表３に示すように、ＰＶＤ処理後の変寸率が０．０７％と大きくなった。また、変寸率が０となった焼戻し温度が５０５℃であった比較例Ｎｏ．１９及び２０、５００℃であった従来例Ｎｏ．２２及び２３についても、変寸耐性が低いことにより、ＰＶＤ処理後に変寸が発生した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５乃至１１．０であり、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］とし、Ｎの含有量（ｐｐｍ）を［Ｎ］としたときに、Ｍｎ及びＮの含有量は、前記比（Ｃｒ／Ｃ）に対して、下記数式を満足することを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】
更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の冷間工具鋼。
【請求項３】
更に、Ａｌ及びＯの含有量を、夫々Ａｌ：０．０４０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制した組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷間工具鋼。
【請求項１】
Ｃ：０．６５乃至１．２０質量％、Ｍｎ：０．４８乃至０．９２質量％、Ｃｒ：７．０乃至１２．０質量％、Ｖ：０．０５乃至０．８０質量％、Ｎ：４５８乃至８１７ｐｐｍ及び（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．６乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ｃの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｃｒ／Ｃ）が８．５乃至１１．０であり、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］とし、Ｎの含有量（ｐｐｍ）を［Ｎ］としたときに、Ｍｎ及びＮの含有量は、前記比（Ｃｒ／Ｃ）に対して、下記数式を満足することを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】
更に、Ｓｉ：０．１乃至１．８質量％、Ｓ：０．０１乃至０．１０質量％、Ｃｕ：０．０１乃至０．４０質量％及びＮｉ：０．５質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の冷間工具鋼。
【請求項３】
更に、Ａｌ及びＯの含有量を、夫々Ａｌ：０．０４０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制した組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷間工具鋼。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２１４８３３（Ｐ２０１２−２１４８３３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９７７６（Ｐ２０１１−７９７７６）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【特許番号】特許第４８６０７７４号（Ｐ４８６０７７４）
【特許公報発行日】平成２４年１月２５日（２０１２．１．２５）
【出願人】（０００２３１１６５）日本高周波鋼業株式会社 (12)
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【特許番号】特許第４８６０７７４号（Ｐ４８６０７７４）
【特許公報発行日】平成２４年１月２５日（２０１２．１．２５）
【出願人】（０００２３１１６５）日本高周波鋼業株式会社 (12)
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