熱間金型用鋼
【課題】 高靭性で高強度な熱間金型用鋼を提供する。
【解決手段】 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る熱間金型用鋼で、この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足するもので、微細なＭＸ型炭窒化物やＭ2Ｃ型炭化物を析出して有し、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【解決手段】 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る熱間金型用鋼で、この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足するもので、微細なＭＸ型炭窒化物やＭ2Ｃ型炭化物を析出して有し、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱間鍛造、熱間押出、ダイカストその他の鋳造などに用いる熱間金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱間金型用鋼として、ＪＩＳのＧ４４０４には、合金工具鋼鋼材の一部として、ＳＫＤ４、ＳＫＤ５、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２、ＳＫＤ７、ＳＫＤ８、ＳＫＴ３、ＳＫＴ４、ＳＫＴ６が規定されている。これらの熱間金型用鋼の用途例として、ＳＫＤ４、ＳＫＤ５、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１はプレス型、ダイカスト型、押出工具、シャーブレードが例示され、ＳＫＤ６２及びＳＫＤ７はプレス型、押出工具が例示され、ＳＫＤ８はプレス型、ダイカスト型、押出工具が例示され、さらにＳＫＴ３、ＳＫＴ４及びＳＫＴ６は鍛造型、プレス型及び押出工具が例示されている。
【０００３】
ところで、熱間加工工具鋼の鋼材として、重量％で次に示す値からなる合金組成を有することを特徴とする、熱間加工工具鋼の鋼材であって、Ｃ：０．３〜０．４、Ｍｎ：０．２〜０．８、Ｃｒ：４〜６％、Ｍｏ：１．８〜３、Ｖ：０．４〜０．６、バランス：鉄及び不可避の金属不純物及び不可避の非金属不純物からなり、該非金属不純物は、次に示す最高量で存在できるシリコン、窒素、酸素、リン及び硫黄を含む：Ｓｉ：ｍａｘ．０．２５重量％、Ｎ：ｍａｘ．０．０１０重量％、Ｏ：ｍａｘ．１０ｐｐｍ、Ｓ：ｍａｘ．０．０００８重量％、該鋼材は、１０００〜１０８０℃の温度におけるオーステナイト化および５５０〜６５０℃の焼戻しによって４５ＨＲＣを超える硬度を得ることができる、熱間加工工具用の鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
さらに、ダイカスト用金型鋼として、質量％で、０．３２〜０．４２％のＣを含む鋼に、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＶの必須添加元素、少なくともいずれかを含み得るＭｏ及びＷの準必須添加元素、及び、任意に含み得る任意添加元素添加したダイカスト金型鋼であって、前記任意添加元素において、Ｃｕを１．０％以下、Ｎｉを０．５％以下、Ｃｏを１．０％以下、Ｂを０．０１％以下、Ｓｅを０．０５％以下、Ｔｅを０．０５％以下、Ｐｂを０．０５％以下、Ｂｉを０．０１％以下、Ｃａを０．０１％以下、Ｎｂを０．１％以下、Ｔａを０．１％以下、Ｔｉを０．１％以下、Ｚｒを０．１％以下、ＲＥＭを０．１％以下、Ｍｇを０．１％以下で任意に含みうるとともに、前記必須添加元素において、質量％で、Ｃｒを４．０〜６．０％の範囲内、Ｓｉを０．０５〜０．２％の範囲内、Ｍｎを０．３〜１．５％の範囲内、及び、Ｖを０．２〜０．７％の範囲内で添加し、前記準必須添加元素において、質量％で、Ｍｏ及び／又はＷを、０．８≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦２．０となるように添加し３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を与えたことを特徴とするダイカスト金型鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４５１６２１１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６８６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱間金型用鋼として高靭性及び高強度を両立させるには、合金元素の添加量に加えて、生成する炭化物の組成の制御が重要であり、また、焼入性を高めて靭性を向上させるために、Ｃｒ及びＭｏの添加は有効であるが、Ｃｒ及びＭｏのバランスを考慮しなければ、析出する炭化物としてＭＸやＭ2Ｃが少なくなり、高温強度が不十分になる問題がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解消して、高靭性かつ高強度な熱間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】
【０００８】
上記の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：０．３０〜０．５０％、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る熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第１の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【０００９】
第２の手段では、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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第２の手段は、高靭性及び高強度な間金型用鋼である。
【００１０】
第３の手段では、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、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第３の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【００１１】
第４の手段では、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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第４の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【００１２】
ここで、本願の上記の手段に係る発明と特許文献１の発明及び特許文献２の発明との関係について以下に説明する。
【００１３】
特許文献１に係る発明における合金成分の添加量の範囲は本願の上記の手段の発明と重複している。しかしながら、特許文献１の発明は、本願発明の重要な技術である、焼入焼戻し状態の炭化物組成に関する見解が論じられておらず知見されていない。かつ、当該特許文献１の段落０００８に示される合金組成では、Ｍｏの添加量は１．８〜３％、好ましくは１．８〜２．５％、好適には２．２〜２．４％であり、標準では２．３％である。この特許文献１のＭｏの含有量はいずれも本願発明が規定する０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の範囲外であることから、特許文献１の発明は、本願の上記の手段の発明とは異なる、別の発明である。
【００１４】
特許文献２に係る発明における合金成分の添加量の範囲は本願の上記の手段の発明と重複しているが、特許文献２の発明は、本願発明の重要な技術の一つである、Ｎの規定がされておらず、靭性が不十分になる可能性を払拭できないものである。さらに、特許文献２の発明は、本願手段の発明の別の重要な技術である、焼入焼戻し状態の炭化物組成に関する見解が論じられていない。また、特許文献２の発明に示される実施例の中には、本願手段の発明が規定する１．４０＜［％Ｍｏ］＜２．６０かつ０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の範囲外であり、さらにＮが規定されていないものであることから、特許文献２の発明も、本願の上記の手段の発明とは異なる、別の発明である。
【発明の効果】
【００１５】
本願の熱間金型用鋼は上記の手段からなる発明であり、鋼成分として含有されるＣｒ及びＭｏの量のバランスを適切であり、かつ、含有される炭化物の組成の制御が適切とされたことで、析出する炭化物としてのＭＸやＭ2Ｃが適量であり、熱間鍛造、熱間押出、鋳造あるいはダイカストなどに適応した際に、高靭性及び高強度で従来の熱間金型用鋼に見られない優れた効果を奏する鋼材である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本願の発明を実施するための形態を説明するに先立って、先ず、本願発明の熱間金型用鋼の鋼組成である化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％である。
【００１７】
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物を形成させることで、耐摩耗性や高温強度を得るための元素である。Ｃが０．３０％未満では、十分な高温強度及び耐摩耗性が得られず、Ｃが０．５０％を超えると凝固偏析を助長し、靭性を阻害する。そこで、Ｃは０．３０〜０．５０％とする。
【００１８】
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは、製鋼における脱酸の効果及び被削性並びに焼入性の確保に必要な元素である。Ｓｉが０．１０％未満であると脱酸の効果及び焼入性の確保は発揮できず、また、被削性を悪化させる。Ｓｉが０．５０％より多すぎると靭性を低下させ、また、熱間工具鋼として重要な物性値である熱伝導率を低下させる。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．５０％とする。
【００１９】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保する元素である。Ｍｎが０．１０％未満では焼入性の確保は不十分である。一方、Ｍｎが１．００％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜１．００％とする。
【００２０】
Ｃｒ：４．００〜６．００％
Ｃｒは焼入性を改善する元素である。Ｃｒが４．００％未満では焼入性が不十分である。一方、Ｃｒが６．００％を超えると、焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成されて、高温強度及び軟化抵抗性を低下させる。そこで、Ｃｒは４．００〜６．００％とする。
【００２１】
Ｍｏ：１．４０〜２．６０％
Ｍｏは、焼入性と二次硬化、耐摩耗性、高温強度に寄与する析出炭化物を得るために必要な元素であり、また、焼入れ時に未固溶となった微細なＭｏ炭化物が結晶粒の粗大化を抑制する元素であるが、Ｍｏが１．４０％より少ないとそれらの効果が得られない。一方、Ｍｏは、２．６０％より過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、Ｍｏ炭化物が粗大となって凝集することにより靭性を低下させ、また、Ｍｏの２．６０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｍｏは１．４０〜２．６０％とする。
【００２２】
Ｖ：０．２０〜０．８０％
Ｖは、焼戻時に微細で硬質なＶの炭化物や炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素である。また、焼入れ時にはＶの微細な炭化物や炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する効果を有するが、Ｖが０．２０％より少ないとそれらの効果が得られない。一方、Ｖが０．８０％より多すぎると、凝固時に粗大なＭＸ型の炭窒化物を晶出し、靭性を阻害する。また、Ｖの０．８０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｖは０．２０〜０．８０％とする。
【００２３】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、Ｎとともに凝固時に晶出するＭＸ型炭窒化物に混入し、固溶温度を上昇させる。その結果、均質化熱処理での固溶が不足し、靭性を阻害する。また、十分に固溶させるためには、均質化熱処理の高温化や長時間化が必要となり、コストおよび環境負荷を増大させる。そこでＴｉは０．００３％以下、望ましくは０．００２％以下とする。
【００２４】
Ｎ：０．０１２０％以下
Ｎは、Ｔｉとともに凝固時に晶出するＭＸ型炭窒化物に混入し、固溶温度を上昇させる。その結果、均質化熱処理での固溶が不足し、靭性を阻害する。また、十分に固溶させるためには、均質化熱処理の高温化や長時間化が必要となり、コストおよび環境負荷を増大させる。そこでＮは０．０１２０％以下、望ましくは０．０１００％以下とする。
【００２５】
Ｎｂ：０．３０％以下
Ｎｂは、焼戻時に微細で硬質なＮｂの炭化物や炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素である。また、焼入れ時にはＮｂの微細な炭化物や炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する効果を有するが、Ｎｂが０．３０％より多すぎると、凝固時に粗大なＭＸ型の炭窒化物を晶出し、靭性を阻害する。また、Ｎｂの０．３０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｎｂは０．３０％以下とする。なお、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の化学成分に、さらにＮｂを加えたものである。
【００２６】
Ｎｉ：０．２〜２．０％
Ｎｉは焼入性と靭性を改善する元素である。しかし、Ｎｉが０．２％未満であるとその改善する効果が無い。一方、Ｎｉを２．０％より過多に添加すると高温強度及び被削性を阻害し、コストも嵩む。そこで、Ｎｉは０．２〜２．０％とする。
【００２７】
Ｃｏ：２．０％以下
Ｃｏは基地を強化し高温強度を改善する元素である。しかし、Ｃｏが２．０％より過多に添加すると靭性を阻害し、コストも嵩む。そこで、Ｃｏは２．０％以下とする。
なお、上記のＮｉ及びＣｏは選択的にいずれか１種を若しくは２種を請求項１又は請求項２に係る発明の化学成分に加えて、請求項３又は請求項４に係る発明としている。
【００２８】
熱間金型用鋼の化学成分は、質量％で、Ｍｏは１．４〜２．６％、かつ、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］である理由
熱間金型用鋼においては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉなどは、ＣやＮと結合して、炭化物および／または炭窒化物を形成する。炭化物および／または炭窒化物は、溶鋼からの凝固時に液相から晶出したり、各種の熱処理を経由して鋼の基地組織から析出したりする。また、炭化物および／または炭窒化物は、Ｍ3Ｃ、Ｍ7Ｃ3、Ｍ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、Ｍ2Ｃ、ＭＸ（Ｍ：Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉなど。Ｘ：ＣおよびＮ。ここで、ＭＸにはＶ4Ｃ3も含む）などの結晶構造を成すが、合金元素添加量のバランスによって安定となる組成や結晶構造は異なる。
【００２９】
本願技術分野である熱間鍛造、熱間押出、ダイカストその他鋳造に用いられる熱間金型用鋼は、焼入焼戻しにより４０〜５０ＨＲＣの硬度に調質されて利用されるのが一般であり、焼入焼戻し組織中では、Ｍ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、Ｍ2Ｃ、およびＭＸが熱力学的に安定になり得る。ところで、炭化物および／または炭窒化物は硬質な物質であるが、その構造により硬度が異なり、Ｍ2ＣやＭＸは他の構造を呈する炭化物よりも高硬度である。ゆえに、熱間金型においては、Ｍ2ＣやＭＸが多く存在する方が高温環境下における硬度・強度を維持し易く、摩耗および／またはヒートチェックと呼ばれる熱疲労の抑制に有効である。熱間金型中のＭ2ＣやＭＸを増加させるためには、それらを形成する主成分であるＭｏ、ＶとＣおよび／またはＮを増量すれば良いが、過剰に添加すると炭化物および／または炭窒化物の総量が多くなり、また偏析を助長して炭化物および／または炭窒化物の凝集粗大化を招くことにより、別の重要な特性である靭性を低下させる。したがって、高い水準の高温強度と靭性を兼備させるためには、Ｍ2ＣやＭＸが安定になりやすく、かつ、炭化物および／または炭窒化物が過剰にならないようにする必要がある。
【００３０】
ここで、前述の如く、優れた靭性を発揮させる為に本願発明で規定した、Ｃ、ＶおよびＮの範囲において、各種の炭化物および／または炭窒化物の構成元素と成り得るＭｏについて研究を重ねた結果、ＭｏとＣｒの含有量バランスによって、安定する炭化物および／または炭窒化物が変化することを見出した。即ち、Ｍｏの質量含有量［％Ｍｏ］が、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７よりも小さい場合は、焼入焼戻し時にＭ2ＣやＭＸよりも先んじて析出するＭ23Ｃ6の形成に大部分が消費されるため、高温強度に有効なＭ2ＣやＭＸの量が不十分となる。一方、［％Ｍｏ］が、４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］より大きい場合は、焼入焼戻し時および／または高温環境下での炭化物反応によりＭ2ＣよりもＭ6Ｃが安定となり、高温強度への効果が弱まることを発見するに至った。そこで、Ｍｏは１．４〜２．６％で、かつ、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］を満足するものとする。
【実施例１】
【００３１】
表１に示す化学成分と、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる熱間金型用鋼を、１トン真空溶解炉を用いて溶製して、インゴットを造塊し、当該インゴットを１２５０℃で１６時間保持して均質化熱処理を施した後に、鍛錬成形比が凡そ６Ｓとなる直径１４０ｍｍに、熱間鍛造して鋼材を製造した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１において、※１のＱは、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７の値を示し、※２のＲは４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の値を示す。
さらに、表１において、本願発明鋼のＭｏの含有量は、質量％で、１．４％≦［％Ｍｏ］≦２．６％であり、かつ、Ｑ＜［％Ｍｏ］＜Ｒを満たすものである。
【００３４】
【表２】
【００３５】
表２において、※３の高温特性は、各鋼材の中周部から各辺１５ｍｍのブロック状供試材を割出し、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣに調質し（供試材の表面にあるスケール層を除去した後ロックウェル硬度計にて測定し初期硬さとする）、該供試材を６５０℃にて５０時間保持し、これらの鋼材を空冷した後、再び鋼材の表面にあるスケール層を除去した後ロックウェル硬度計にて測定し、初期硬さとの差、すなわち硬度低下度であるΔＨＲＣにより評価した。さらに、※４の靭性は、シャルピー衝撃試験により破壊に要したエネルギーで評価した。これらに用いた試験片は、直径１４０ｍｍ鍛造材の中心部の圧延方向と垂直方向から採取した。さらに、これらの試験片は、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣに調質し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定する深さ２ｍｍのＵノッチを圧延方向に垂直となる面に加工したものである。※５の被削性は、焼なまし状態の各鋼材をＳＫＨ５１製φ５ｍｍのドリルにて、深さ１０ｍｍの留り穴を穿孔し、折損するまでの工具寿命にて評価した。
【００３６】
表１及び表２における本発明鋼について説明する。
表１に示す本発明鋼のＡ〜Ｆの化学成分は本発明の請求項１の手段の鋼のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ及びＮを示し、本発明鋼のＧの化学成分は本発明の請求項２の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＮｂを示し、本発明鋼のＨの化学成分は本発明の請求項３の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ、Ｎｂ及びＮｉを示し、本発明鋼のＩの化学成分は本発明の請求項４の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＣｏを示している。これらの化学成分は、いずれも本願発明の各化学成分として規定する範囲内にある。また、Ｑの値は［％Ｍｏ］の値より小さく、かつ［％Ｍｏ］の値はＲの値より大きい。すなわち、本発明鋼の、質量％で示す、Ｍｏ含有量は、１．４％≦［％Ｍｏ］≦２．６％であり、かつＱ＜［％Ｍｏ］＜Ｒを満足している。
【００３７】
次いで、表１及び表２における比較鋼について説明する。
比較鋼のｆ１は、本発明鋼Ｆ相当の鋼であるが、Ｃ添加量が本発明鋼Ｆよりも多過ぎるため、凝固偏析が顕著で、かつ、過剰な炭化物析出が生じたことで、本発明鋼Ｆより靭性が劣っている。
【００３８】
比較鋼のｃ１は、本発明鋼Ｃ相当の鋼であるが、Ｃ添加量が本発明鋼Ｃよりも少なすぎるため、必要な量の炭化物析出が得られず、本発明鋼Ｃより高温強度が劣っている。
【００３９】
比較鋼のｄ１は、本発明鋼Ｄ相当の鋼であるが、本発明鋼Ｄよりも高温強度および靭性は優れるが、Ｓｉ添加量が本発明鋼Ｄより過少であるため、本発明鋼Ｄより被削性が劣っている。
【００４０】
比較鋼のｅ１は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＳｉ添加量が多すぎるため、基地組織の延性が低下し、本発明鋼Ｅより靭性が劣っている。
【００４１】
比較鋼のｂ１は、本発明鋼Ｂ相当の鋼であるが、本発明鋼ＢよりもＭｎ添加量が少なく、したがって焼入性が不足することで、本発明鋼Ｂより靭性が低下している。
【００４２】
比較鋼のａ１は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、本発明鋼ＡよりもＭｎ添加量が過多のため、焼なまし硬さが硬くなり、本発明鋼Ａより被削性が悪い。
【００４３】
比較鋼のｅ２は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＣｒ添加量が少なく、十分な焼入性が得られないため、本発明鋼Ｅより靭性が低下している。
【００４４】
比較鋼のｆ２は、本発明鋼のＦ相当の鋼であるが、本発明鋼ＦよりもＣｒ添加量が多すぎるため、より有効なＭＸやＭ2Ｃの析出が少なくなり、本発明鋼Ｆより高温強度が大きく低下している。
【００４５】
比較鋼のｆ３は、本発明鋼Ｆ相当の鋼であるが、ｆ３のＣｒ添加量は本発明鋼Ｆと全く同一である。ところで、ｆ３の［％Ｍｏ］の値は２．４５であるが、ｆ３のＲの値すなわち４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］は２．２１であり、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＦよりもＭｏ添加量がやや多く、高温強度の低下度が大きく低下して十分な高温強度が得られず、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏ量を添加しても、優れた強度は得られない。
【００４６】
比較鋼のｄ２は、本発明鋼Ｄ相当の鋼であるが、ｄ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ｄと略同一である。ところで、ｄ２の［％Ｍｏ］の値は１．４６であるが、ｄ２のＱの値すなわち０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７は１．５７であり、これは本願発明の０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＤよりもＭｏ添加量がやや少なく、高温強度の低下度がやや大きく、高温強度が本発明鋼Ｄよりもやや低い値で、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏを添加しても、優れた強度は得られない。
【００４７】
比較鋼のａ２は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、ａ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ａと略同一でやや多い。ところで、ａ２の［％Ｍｏ］の値は２．５５であるが、ａ２のＲの値すなわち４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］は２．４７であり、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、本願発明鋼ＡよりもＭｏ添加量がやや多く、高温強度の低下度が大きく低下して十分な高温強度が得られず、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏ量を添加しても、優れた強度は得られない。
【００４８】
比較鋼のｈ１は、本発明鋼Ｈ相当の鋼であるが、ｈ１のＣｒ添加量は本発明鋼Ｈと略同一でやや多い。ところで、ｈ１の［％Ｍｏ］の値は１．４３であるが、ｈ１のＱの値すなわち０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７は１．４７であり、これは本願発明の０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＨよりもＭｏ添加量がやや少なく、高温強度の低下度がやや大きく、高温強度が本発明鋼Ｈよりもやや低い値で、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏを添加しても、優れた強度は得られない。
【００４９】
比較鋼のｃ２は、本発明鋼Ｃ相当の鋼であるが、ｃ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ｃと略同一である。しかし、ｃ２の［％Ｍｏ］の値は２．７０であり、これは本発明の［％Ｍｏ］の値を超えており、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、比較鋼のｃ２の靱性は本願発明鋼Ｃの靱性に比して劣っている。
【００５０】
比較鋼のｅ３は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＭｏ添加量が少なく、本発明鋼Ｅより高温強度が大きく低下し、十分な高温強度が得られない。
【００５１】
比較鋼のａ２は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、本発明鋼ＡよりもＶ添加量が少なく、本発明鋼Ａより高温強度が大きく低下し、十分な高温強度が得られない。
【００５２】
比較鋼のｂ２は、本発明鋼Ｂ相当の鋼であるが、本発明鋼ＢよりもＶ添加量が過剰で、凝固時に粗大な炭窒化物を晶出し、本発明鋼Ｂより靭性が阻害されて低下している。
【００５３】
比較鋼のｃ２および比較鋼のｂ３は、本発明鋼Ｃ相当鋼又は本発明鋼Ｂ相当鋼であるが、本発明鋼Ｃまたは本発明鋼ＢよりもＴｉ含有量又はＮ含有量が多く、凝固時に晶出した炭窒化物の固溶温度が上昇したため、均質化熱処理での固溶が不十分となり、本発明鋼Ｃ又は本発明鋼のＢより靭性が低下している。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱間鍛造、熱間押出、ダイカストその他の鋳造などに用いる熱間金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱間金型用鋼として、ＪＩＳのＧ４４０４には、合金工具鋼鋼材の一部として、ＳＫＤ４、ＳＫＤ５、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２、ＳＫＤ７、ＳＫＤ８、ＳＫＴ３、ＳＫＴ４、ＳＫＴ６が規定されている。これらの熱間金型用鋼の用途例として、ＳＫＤ４、ＳＫＤ５、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１はプレス型、ダイカスト型、押出工具、シャーブレードが例示され、ＳＫＤ６２及びＳＫＤ７はプレス型、押出工具が例示され、ＳＫＤ８はプレス型、ダイカスト型、押出工具が例示され、さらにＳＫＴ３、ＳＫＴ４及びＳＫＴ６は鍛造型、プレス型及び押出工具が例示されている。
【０００３】
ところで、熱間加工工具鋼の鋼材として、重量％で次に示す値からなる合金組成を有することを特徴とする、熱間加工工具鋼の鋼材であって、Ｃ：０．３〜０．４、Ｍｎ：０．２〜０．８、Ｃｒ：４〜６％、Ｍｏ：１．８〜３、Ｖ：０．４〜０．６、バランス：鉄及び不可避の金属不純物及び不可避の非金属不純物からなり、該非金属不純物は、次に示す最高量で存在できるシリコン、窒素、酸素、リン及び硫黄を含む：Ｓｉ：ｍａｘ．０．２５重量％、Ｎ：ｍａｘ．０．０１０重量％、Ｏ：ｍａｘ．１０ｐｐｍ、Ｓ：ｍａｘ．０．０００８重量％、該鋼材は、１０００〜１０８０℃の温度におけるオーステナイト化および５５０〜６５０℃の焼戻しによって４５ＨＲＣを超える硬度を得ることができる、熱間加工工具用の鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
さらに、ダイカスト用金型鋼として、質量％で、０．３２〜０．４２％のＣを含む鋼に、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＶの必須添加元素、少なくともいずれかを含み得るＭｏ及びＷの準必須添加元素、及び、任意に含み得る任意添加元素添加したダイカスト金型鋼であって、前記任意添加元素において、Ｃｕを１．０％以下、Ｎｉを０．５％以下、Ｃｏを１．０％以下、Ｂを０．０１％以下、Ｓｅを０．０５％以下、Ｔｅを０．０５％以下、Ｐｂを０．０５％以下、Ｂｉを０．０１％以下、Ｃａを０．０１％以下、Ｎｂを０．１％以下、Ｔａを０．１％以下、Ｔｉを０．１％以下、Ｚｒを０．１％以下、ＲＥＭを０．１％以下、Ｍｇを０．１％以下で任意に含みうるとともに、前記必須添加元素において、質量％で、Ｃｒを４．０〜６．０％の範囲内、Ｓｉを０．０５〜０．２％の範囲内、Ｍｎを０．３〜１．５％の範囲内、及び、Ｖを０．２〜０．７％の範囲内で添加し、前記準必須添加元素において、質量％で、Ｍｏ及び／又はＷを、０．８≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦２．０となるように添加し３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を与えたことを特徴とするダイカスト金型鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４５１６２１１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６８６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱間金型用鋼として高靭性及び高強度を両立させるには、合金元素の添加量に加えて、生成する炭化物の組成の制御が重要であり、また、焼入性を高めて靭性を向上させるために、Ｃｒ及びＭｏの添加は有効であるが、Ｃｒ及びＭｏのバランスを考慮しなければ、析出する炭化物としてＭＸやＭ2Ｃが少なくなり、高温強度が不十分になる問題がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解消して、高靭性かつ高強度な熱間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】
【０００８】
上記の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：０．３０〜０．５０％、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る熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第１の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【０００９】
第２の手段では、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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第２の手段は、高靭性及び高強度な間金型用鋼である。
【００１０】
第３の手段では、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、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第３の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【００１１】
第４の手段では、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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる熱間金型用鋼である。この熱間金型用鋼における［％Ｍｏ］と［％Ｃｒ］のバランスは、質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足する。このように本発明の第４の手段は、高靭性及び高強度な熱間金型用鋼である。
【００１２】
ここで、本願の上記の手段に係る発明と特許文献１の発明及び特許文献２の発明との関係について以下に説明する。
【００１３】
特許文献１に係る発明における合金成分の添加量の範囲は本願の上記の手段の発明と重複している。しかしながら、特許文献１の発明は、本願発明の重要な技術である、焼入焼戻し状態の炭化物組成に関する見解が論じられておらず知見されていない。かつ、当該特許文献１の段落０００８に示される合金組成では、Ｍｏの添加量は１．８〜３％、好ましくは１．８〜２．５％、好適には２．２〜２．４％であり、標準では２．３％である。この特許文献１のＭｏの含有量はいずれも本願発明が規定する０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の範囲外であることから、特許文献１の発明は、本願の上記の手段の発明とは異なる、別の発明である。
【００１４】
特許文献２に係る発明における合金成分の添加量の範囲は本願の上記の手段の発明と重複しているが、特許文献２の発明は、本願発明の重要な技術の一つである、Ｎの規定がされておらず、靭性が不十分になる可能性を払拭できないものである。さらに、特許文献２の発明は、本願手段の発明の別の重要な技術である、焼入焼戻し状態の炭化物組成に関する見解が論じられていない。また、特許文献２の発明に示される実施例の中には、本願手段の発明が規定する１．４０＜［％Ｍｏ］＜２．６０かつ０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の範囲外であり、さらにＮが規定されていないものであることから、特許文献２の発明も、本願の上記の手段の発明とは異なる、別の発明である。
【発明の効果】
【００１５】
本願の熱間金型用鋼は上記の手段からなる発明であり、鋼成分として含有されるＣｒ及びＭｏの量のバランスを適切であり、かつ、含有される炭化物の組成の制御が適切とされたことで、析出する炭化物としてのＭＸやＭ2Ｃが適量であり、熱間鍛造、熱間押出、鋳造あるいはダイカストなどに適応した際に、高靭性及び高強度で従来の熱間金型用鋼に見られない優れた効果を奏する鋼材である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本願の発明を実施するための形態を説明するに先立って、先ず、本願発明の熱間金型用鋼の鋼組成である化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％である。
【００１７】
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは、十分な焼入性を確保し、炭化物を形成させることで、耐摩耗性や高温強度を得るための元素である。Ｃが０．３０％未満では、十分な高温強度及び耐摩耗性が得られず、Ｃが０．５０％を超えると凝固偏析を助長し、靭性を阻害する。そこで、Ｃは０．３０〜０．５０％とする。
【００１８】
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは、製鋼における脱酸の効果及び被削性並びに焼入性の確保に必要な元素である。Ｓｉが０．１０％未満であると脱酸の効果及び焼入性の確保は発揮できず、また、被削性を悪化させる。Ｓｉが０．５０％より多すぎると靭性を低下させ、また、熱間工具鋼として重要な物性値である熱伝導率を低下させる。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．５０％とする。
【００１９】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保する元素である。Ｍｎが０．１０％未満では焼入性の確保は不十分である。一方、Ｍｎが１．００％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜１．００％とする。
【００２０】
Ｃｒ：４．００〜６．００％
Ｃｒは焼入性を改善する元素である。Ｃｒが４．００％未満では焼入性が不十分である。一方、Ｃｒが６．００％を超えると、焼入焼戻し時にＣｒ系の炭化物が過多に形成されて、高温強度及び軟化抵抗性を低下させる。そこで、Ｃｒは４．００〜６．００％とする。
【００２１】
Ｍｏ：１．４０〜２．６０％
Ｍｏは、焼入性と二次硬化、耐摩耗性、高温強度に寄与する析出炭化物を得るために必要な元素であり、また、焼入れ時に未固溶となった微細なＭｏ炭化物が結晶粒の粗大化を抑制する元素であるが、Ｍｏが１．４０％より少ないとそれらの効果が得られない。一方、Ｍｏは、２．６０％より過剰に添加しても効果が飽和するばかりか、Ｍｏ炭化物が粗大となって凝集することにより靭性を低下させ、また、Ｍｏの２．６０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｍｏは１．４０〜２．６０％とする。
【００２２】
Ｖ：０．２０〜０．８０％
Ｖは、焼戻時に微細で硬質なＶの炭化物や炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素である。また、焼入れ時にはＶの微細な炭化物や炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する効果を有するが、Ｖが０．２０％より少ないとそれらの効果が得られない。一方、Ｖが０．８０％より多すぎると、凝固時に粗大なＭＸ型の炭窒化物を晶出し、靭性を阻害する。また、Ｖの０．８０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｖは０．２０〜０．８０％とする。
【００２３】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、Ｎとともに凝固時に晶出するＭＸ型炭窒化物に混入し、固溶温度を上昇させる。その結果、均質化熱処理での固溶が不足し、靭性を阻害する。また、十分に固溶させるためには、均質化熱処理の高温化や長時間化が必要となり、コストおよび環境負荷を増大させる。そこでＴｉは０．００３％以下、望ましくは０．００２％以下とする。
【００２４】
Ｎ：０．０１２０％以下
Ｎは、Ｔｉとともに凝固時に晶出するＭＸ型炭窒化物に混入し、固溶温度を上昇させる。その結果、均質化熱処理での固溶が不足し、靭性を阻害する。また、十分に固溶させるためには、均質化熱処理の高温化や長時間化が必要となり、コストおよび環境負荷を増大させる。そこでＮは０．０１２０％以下、望ましくは０．０１００％以下とする。
【００２５】
Ｎｂ：０．３０％以下
Ｎｂは、焼戻時に微細で硬質なＮｂの炭化物や炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する元素である。また、焼入れ時にはＮｂの微細な炭化物や炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する効果を有するが、Ｎｂが０．３０％より多すぎると、凝固時に粗大なＭＸ型の炭窒化物を晶出し、靭性を阻害する。また、Ｎｂの０．３０％より過剰の添加はコスト高となる。そこで、Ｎｂは０．３０％以下とする。なお、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の化学成分に、さらにＮｂを加えたものである。
【００２６】
Ｎｉ：０．２〜２．０％
Ｎｉは焼入性と靭性を改善する元素である。しかし、Ｎｉが０．２％未満であるとその改善する効果が無い。一方、Ｎｉを２．０％より過多に添加すると高温強度及び被削性を阻害し、コストも嵩む。そこで、Ｎｉは０．２〜２．０％とする。
【００２７】
Ｃｏ：２．０％以下
Ｃｏは基地を強化し高温強度を改善する元素である。しかし、Ｃｏが２．０％より過多に添加すると靭性を阻害し、コストも嵩む。そこで、Ｃｏは２．０％以下とする。
なお、上記のＮｉ及びＣｏは選択的にいずれか１種を若しくは２種を請求項１又は請求項２に係る発明の化学成分に加えて、請求項３又は請求項４に係る発明としている。
【００２８】
熱間金型用鋼の化学成分は、質量％で、Ｍｏは１．４〜２．６％、かつ、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］である理由
熱間金型用鋼においては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉなどは、ＣやＮと結合して、炭化物および／または炭窒化物を形成する。炭化物および／または炭窒化物は、溶鋼からの凝固時に液相から晶出したり、各種の熱処理を経由して鋼の基地組織から析出したりする。また、炭化物および／または炭窒化物は、Ｍ3Ｃ、Ｍ7Ｃ3、Ｍ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、Ｍ2Ｃ、ＭＸ（Ｍ：Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉなど。Ｘ：ＣおよびＮ。ここで、ＭＸにはＶ4Ｃ3も含む）などの結晶構造を成すが、合金元素添加量のバランスによって安定となる組成や結晶構造は異なる。
【００２９】
本願技術分野である熱間鍛造、熱間押出、ダイカストその他鋳造に用いられる熱間金型用鋼は、焼入焼戻しにより４０〜５０ＨＲＣの硬度に調質されて利用されるのが一般であり、焼入焼戻し組織中では、Ｍ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、Ｍ2Ｃ、およびＭＸが熱力学的に安定になり得る。ところで、炭化物および／または炭窒化物は硬質な物質であるが、その構造により硬度が異なり、Ｍ2ＣやＭＸは他の構造を呈する炭化物よりも高硬度である。ゆえに、熱間金型においては、Ｍ2ＣやＭＸが多く存在する方が高温環境下における硬度・強度を維持し易く、摩耗および／またはヒートチェックと呼ばれる熱疲労の抑制に有効である。熱間金型中のＭ2ＣやＭＸを増加させるためには、それらを形成する主成分であるＭｏ、ＶとＣおよび／またはＮを増量すれば良いが、過剰に添加すると炭化物および／または炭窒化物の総量が多くなり、また偏析を助長して炭化物および／または炭窒化物の凝集粗大化を招くことにより、別の重要な特性である靭性を低下させる。したがって、高い水準の高温強度と靭性を兼備させるためには、Ｍ2ＣやＭＸが安定になりやすく、かつ、炭化物および／または炭窒化物が過剰にならないようにする必要がある。
【００３０】
ここで、前述の如く、優れた靭性を発揮させる為に本願発明で規定した、Ｃ、ＶおよびＮの範囲において、各種の炭化物および／または炭窒化物の構成元素と成り得るＭｏについて研究を重ねた結果、ＭｏとＣｒの含有量バランスによって、安定する炭化物および／または炭窒化物が変化することを見出した。即ち、Ｍｏの質量含有量［％Ｍｏ］が、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７よりも小さい場合は、焼入焼戻し時にＭ2ＣやＭＸよりも先んじて析出するＭ23Ｃ6の形成に大部分が消費されるため、高温強度に有効なＭ2ＣやＭＸの量が不十分となる。一方、［％Ｍｏ］が、４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］より大きい場合は、焼入焼戻し時および／または高温環境下での炭化物反応によりＭ2ＣよりもＭ6Ｃが安定となり、高温強度への効果が弱まることを発見するに至った。そこで、Ｍｏは１．４〜２．６％で、かつ、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］を満足するものとする。
【実施例１】
【００３１】
表１に示す化学成分と、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる熱間金型用鋼を、１トン真空溶解炉を用いて溶製して、インゴットを造塊し、当該インゴットを１２５０℃で１６時間保持して均質化熱処理を施した後に、鍛錬成形比が凡そ６Ｓとなる直径１４０ｍｍに、熱間鍛造して鋼材を製造した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１において、※１のＱは、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７の値を示し、※２のＲは４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の値を示す。
さらに、表１において、本願発明鋼のＭｏの含有量は、質量％で、１．４％≦［％Ｍｏ］≦２．６％であり、かつ、Ｑ＜［％Ｍｏ］＜Ｒを満たすものである。
【００３４】
【表２】
【００３５】
表２において、※３の高温特性は、各鋼材の中周部から各辺１５ｍｍのブロック状供試材を割出し、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣに調質し（供試材の表面にあるスケール層を除去した後ロックウェル硬度計にて測定し初期硬さとする）、該供試材を６５０℃にて５０時間保持し、これらの鋼材を空冷した後、再び鋼材の表面にあるスケール層を除去した後ロックウェル硬度計にて測定し、初期硬さとの差、すなわち硬度低下度であるΔＨＲＣにより評価した。さらに、※４の靭性は、シャルピー衝撃試験により破壊に要したエネルギーで評価した。これらに用いた試験片は、直径１４０ｍｍ鍛造材の中心部の圧延方向と垂直方向から採取した。さらに、これらの試験片は、焼入焼戻しにより４４〜４６ＨＲＣに調質し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定する深さ２ｍｍのＵノッチを圧延方向に垂直となる面に加工したものである。※５の被削性は、焼なまし状態の各鋼材をＳＫＨ５１製φ５ｍｍのドリルにて、深さ１０ｍｍの留り穴を穿孔し、折損するまでの工具寿命にて評価した。
【００３６】
表１及び表２における本発明鋼について説明する。
表１に示す本発明鋼のＡ〜Ｆの化学成分は本発明の請求項１の手段の鋼のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ及びＮを示し、本発明鋼のＧの化学成分は本発明の請求項２の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＮｂを示し、本発明鋼のＨの化学成分は本発明の請求項３の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ、Ｎｂ及びＮｉを示し、本発明鋼のＩの化学成分は本発明の請求項４の手段のＦｅ及び不可避不純物以外の化学成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＣｏを示している。これらの化学成分は、いずれも本願発明の各化学成分として規定する範囲内にある。また、Ｑの値は［％Ｍｏ］の値より小さく、かつ［％Ｍｏ］の値はＲの値より大きい。すなわち、本発明鋼の、質量％で示す、Ｍｏ含有量は、１．４％≦［％Ｍｏ］≦２．６％であり、かつＱ＜［％Ｍｏ］＜Ｒを満足している。
【００３７】
次いで、表１及び表２における比較鋼について説明する。
比較鋼のｆ１は、本発明鋼Ｆ相当の鋼であるが、Ｃ添加量が本発明鋼Ｆよりも多過ぎるため、凝固偏析が顕著で、かつ、過剰な炭化物析出が生じたことで、本発明鋼Ｆより靭性が劣っている。
【００３８】
比較鋼のｃ１は、本発明鋼Ｃ相当の鋼であるが、Ｃ添加量が本発明鋼Ｃよりも少なすぎるため、必要な量の炭化物析出が得られず、本発明鋼Ｃより高温強度が劣っている。
【００３９】
比較鋼のｄ１は、本発明鋼Ｄ相当の鋼であるが、本発明鋼Ｄよりも高温強度および靭性は優れるが、Ｓｉ添加量が本発明鋼Ｄより過少であるため、本発明鋼Ｄより被削性が劣っている。
【００４０】
比較鋼のｅ１は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＳｉ添加量が多すぎるため、基地組織の延性が低下し、本発明鋼Ｅより靭性が劣っている。
【００４１】
比較鋼のｂ１は、本発明鋼Ｂ相当の鋼であるが、本発明鋼ＢよりもＭｎ添加量が少なく、したがって焼入性が不足することで、本発明鋼Ｂより靭性が低下している。
【００４２】
比較鋼のａ１は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、本発明鋼ＡよりもＭｎ添加量が過多のため、焼なまし硬さが硬くなり、本発明鋼Ａより被削性が悪い。
【００４３】
比較鋼のｅ２は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＣｒ添加量が少なく、十分な焼入性が得られないため、本発明鋼Ｅより靭性が低下している。
【００４４】
比較鋼のｆ２は、本発明鋼のＦ相当の鋼であるが、本発明鋼ＦよりもＣｒ添加量が多すぎるため、より有効なＭＸやＭ2Ｃの析出が少なくなり、本発明鋼Ｆより高温強度が大きく低下している。
【００４５】
比較鋼のｆ３は、本発明鋼Ｆ相当の鋼であるが、ｆ３のＣｒ添加量は本発明鋼Ｆと全く同一である。ところで、ｆ３の［％Ｍｏ］の値は２．４５であるが、ｆ３のＲの値すなわち４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］は２．２１であり、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＦよりもＭｏ添加量がやや多く、高温強度の低下度が大きく低下して十分な高温強度が得られず、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏ量を添加しても、優れた強度は得られない。
【００４６】
比較鋼のｄ２は、本発明鋼Ｄ相当の鋼であるが、ｄ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ｄと略同一である。ところで、ｄ２の［％Ｍｏ］の値は１．４６であるが、ｄ２のＱの値すなわち０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７は１．５７であり、これは本願発明の０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＤよりもＭｏ添加量がやや少なく、高温強度の低下度がやや大きく、高温強度が本発明鋼Ｄよりもやや低い値で、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏを添加しても、優れた強度は得られない。
【００４７】
比較鋼のａ２は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、ａ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ａと略同一でやや多い。ところで、ａ２の［％Ｍｏ］の値は２．５５であるが、ａ２のＲの値すなわち４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］は２．４７であり、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、本願発明鋼ＡよりもＭｏ添加量がやや多く、高温強度の低下度が大きく低下して十分な高温強度が得られず、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏ量を添加しても、優れた強度は得られない。
【００４８】
比較鋼のｈ１は、本発明鋼Ｈ相当の鋼であるが、ｈ１のＣｒ添加量は本発明鋼Ｈと略同一でやや多い。ところで、ｈ１の［％Ｍｏ］の値は１．４３であるが、ｈ１のＱの値すなわち０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７は１．４７であり、これは本願発明の０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］の関係式を満足しないものである。したがって、本発明鋼ＨよりもＭｏ添加量がやや少なく、高温強度の低下度がやや大きく、高温強度が本発明鋼Ｈよりもやや低い値で、また靱性もやや低下している。このように本発明の適正範囲内のＭｏを添加しても、優れた強度は得られない。
【００４９】
比較鋼のｃ２は、本発明鋼Ｃ相当の鋼であるが、ｃ２のＣｒ添加量は本発明鋼Ｃと略同一である。しかし、ｃ２の［％Ｍｏ］の値は２．７０であり、これは本発明の［％Ｍｏ］の値を超えており、これは本願発明の［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足しないものである。したがって、比較鋼のｃ２の靱性は本願発明鋼Ｃの靱性に比して劣っている。
【００５０】
比較鋼のｅ３は、本発明鋼Ｅ相当の鋼であるが、本発明鋼ＥよりもＭｏ添加量が少なく、本発明鋼Ｅより高温強度が大きく低下し、十分な高温強度が得られない。
【００５１】
比較鋼のａ２は、本発明鋼Ａ相当の鋼であるが、本発明鋼ＡよりもＶ添加量が少なく、本発明鋼Ａより高温強度が大きく低下し、十分な高温強度が得られない。
【００５２】
比較鋼のｂ２は、本発明鋼Ｂ相当の鋼であるが、本発明鋼ＢよりもＶ添加量が過剰で、凝固時に粗大な炭窒化物を晶出し、本発明鋼Ｂより靭性が阻害されて低下している。
【００５３】
比較鋼のｃ２および比較鋼のｂ３は、本発明鋼Ｃ相当鋼又は本発明鋼Ｂ相当鋼であるが、本発明鋼Ｃまたは本発明鋼ＢよりもＴｉ含有量又はＮ含有量が多く、凝固時に晶出した炭窒化物の固溶温度が上昇したため、均質化熱処理での固溶が不十分となり、本発明鋼Ｃ又は本発明鋼のＢより靭性が低下している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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は質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項２】
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、さらにＮｂ：０．３０％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は質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項３】
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、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに、Ｍｏ、Ｃｒは質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項４】
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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに、Ｍｏ、Ｃｒは質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項１】
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は質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項２】
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、さらにＮｂ：０．３０％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は質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項３】
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、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに、Ｍｏ、Ｃｒは質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【請求項４】
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、さらにＮｂ：０．３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．２〜２．０％及びＣｏ：１．２％以下のいずれか１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、さらに、Ｍｏ、Ｃｒは質量％で、０．３３×［％Ｃｒ］−０．３７＜［％Ｍｏ］＜４．４５−０．４４×［％Ｃｒ］の関係式を満足することを特徴とする高靭性及び高強度な熱間金型用鋼。
【公開番号】特開２０１３−８７３２２（Ｐ２０１３−８７３２２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８４５３（Ｐ２０１１−２２８４５３）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００１８００７０）山陽特殊製鋼株式会社 (601)
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００１８００７０）山陽特殊製鋼株式会社 (601)
[ Back to top ]