JP2019085633A - 熱伝導率に優れる熱間工具鋼 - Google Patents
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また、ダイカスト用やホットスタンピング用の金型では、内部に冷却回路が作製されているところ、この冷却回路を流れる冷却水による冷却効率は生産サイクルスピードにも大きく影響することとなる。そして、この冷却効率を高める方法としては、例えば、金型の高熱伝導率化がある。そこで、前述した生産性の向上を目的とした、部品成形における生産サイクルスピードの向上の要求に応えるためには、金型材料の特性として高い熱伝導率も必要とされる。
C:0.38〜0.55%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.01〜1.50%、
V:0.10超〜0.45%未満を含有し、
さらに、Cr:4.00%以下、Ni:2.00%以下のいずれか1種もしくは2種を含有し、かつ0.92Cr+1.34Ni:0.60%以上であり、
またさらに、少なくともMoを含有し、Mo+W:1.80%未満で、かつMo+W/2:0.90%超であり、
残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であり、
下記の式(1)に示すTCの値がTC:1.610以上であること、を特徴とする熱伝導性に優れる熱間工具鋼である。
TC=1.825−0.145C−0.144Si−0.053Mn−0.056Ni−0.036Cr−0.030V−0.026Mo−0.027W+0.098a・・・(1)
なお、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)の数値が代入され、式(1)中のaには、焼戻し状態での全炭化物の総面積率(%)の数値が代入される。
Cは、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硬化を促す元素である。しかし、Cは0.38%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、多すぎるCが偏析を助長し、靭性を低下させる。そこで、Cは0.38〜0.55%とし、好ましくはCは0.38〜0.50%とする。
Siは製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、少ないと十分に脱酸されない。また、Siは、マトリックスに固溶して硬さを向上させる元素である。しかし、Siは炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むので熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Siは0.01〜0.50%とする。さらに、熱伝導率を低下させないためには、Siは低めが望ましいので、好ましくは0.01〜0.30%である。
Mnは製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、少ないと十分に脱酸されない。一方、Mnは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。したがって、Mnは0.01〜1.50%とし、さらに、熱伝導率を低下させないためには、Mnは低めが望ましいので、好ましくは0.01〜0.92%である。
CrとNiは、いずれも焼入れ性を向上させ、ベイナイト形成による靭性の低下を抑制する元素であり、少ないと靱性が得られないことから、Cr及びNiのいずれか1種もしくは2種を含有するものとし、さらに、0.92Cr+1.34Niを0.60%以上とする。もっとも、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、好ましくは2.00%以下とし、また、Niは2.00%以下、好ましくは、1.50%以下とする。
Moおよび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。この鋼は少なくともMoを含有している。そして、Mo+W/2が少ないと、焼入焼戻し硬さが不足するため、Mo+W/2:0.90%超とする。一方、MoおよびWの総量が多すぎると、マトリックスに残存するMoやWが増加して熱伝導率を低下させるので、Mo+W:1.80%未満とする。
すなわち、少なくともMoを含有し、すなわちMo単体若しくはMoとWの2種のいずれかで、Mo+Wは1.80%未満で、かつ、Mo+W/2は0.90%超を満足するものとする。さらに、焼入焼戻し硬さを高め、熱伝導率を低下させないために、好ましくは、Mo+Wは1.80%未満で、かつ、Mo+W/2は1.20%以上を満足するものとする。
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。もっとも、Vは多すぎると、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こととなる。そこで、Vは0.10超〜0.45%未満とし、好ましく0.25%〜0.45%未満とする。
Nは、Cと同様の効果を有し、固溶することでマトリックスを強化し、焼入焼戻し硬さを大きくする元素であるが、Nは必ずしも添加する必要はなく、任意に添加しうる元素である。もっとも、Nが0.040%より多い過剰添加では、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。
Alは、窒化物を形成して、焼入における結晶粒の粗大化を抑制する元素であるが、Alは必ずしも添加する必要はなく、任意に添加しうる元素である。もっとも、Alは過剰の窒化物を形成すると靭性を低下する恐れがある。そこで、AlはAl:0.001〜0.080%とし、好ましくは0.005〜0.060%とする。
TCは、熱伝導率の指標となる値であり、TCが大きいほど熱伝導率は大きくなる。TCが、1.610未満の値であると、マトリックスに残存する合金元素量が増加し、鋼の熱伝導率を低下させる。そこで、TCは1.610以上とする。好ましくは1.670以上とする。
なお、熱伝導率の指標であるTCは、以下の式(1)によって求められる。
TC=1.825−0.145C−0.144Si−0.053Mn−0.056Ni−0.036Cr−0.030V−0.026Mo−0.027W+0.098a・・・(1)
ただし、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)の数値が代入され、また、式(1)中のaには、焼戻し状態での全炭化物の総面積率(%)の数値が代入される。
この式(1)に示されるように、各元素の添加量が増加するほどTCの値は小さくなり熱伝導率は小さくなる。他方、焼戻し状態での炭化物量が大きくなるほど、すなわちaの値が大きくなるほどTCの値は大きくなり、熱伝導率は大きくなる。
表1と表2に発明鋼のNo.1〜56の各鋼の化学成分(質量%)を示す。また表3に比較鋼のNo.57〜69の各鋼の化学成分(質量%)を示す。なお、これらの表中の、炭化物面積率(全炭化物の総面積率a)およびTCの値は化学成分の組成ではない。
次いで、各熱間鍛伸材を870℃で焼なまし後、それぞれの表面と中心の中間位置から各試料を採取した。採取した各試料をそれぞれ1030℃で焼入し、600℃で2回焼戻しを行った。
その後に、表1と表2の発明鋼ならびに表3の比較鋼について、炭化物面積率、TCの値を調査し、また表4〜表6に記すように、熱伝導率、焼入焼戻し硬さおよびシャルピー衝撃値の各特性の調査を実施した。
表1から表3に記載の炭化物面積率(全炭化物の総面積率a)の測定では、まず、焼入焼戻し状態で採取した試料を、鍛伸方向に平行な面を研磨して、炭化物の測定用試験片とした。次いで、走査型電子顕微鏡の反射電子像を用いて、この炭化物の測定用試験片の総面積10000μm2の領域における炭化物を観察した後、画像解析により炭化物の面積率を算出した。
TCの値は、前述の式(1)に、各鋼の表中に記載の各元素の含有量(質量%)の値とaの面積率(%)の値を代入して求めた。
このように、本発明の鋼は、優れた高熱伝導率を有すると同時に、高硬度、高靭性でもあり、金型用鋼に好適な熱伝導性に優れた熱間工具鋼である。
一方、表3および表6に示す比較鋼のNo.57〜69について以下に検討する。
表3のNo.57は、Cが0.36%と本発明の最小量の0.38%より少ないところ、表6の焼入焼戻し硬さが44.2HRCと低い。本発明の焼入焼戻し硬さは45.0HRC以上であるのに比して焼入焼戻し硬さが得られていない。
表3のNo.58は、Cが0.58%と本発明の最大量の0.55%より多いところ、表6のシャルピー衝撃値が29.4J/cm2であった。本発明のシャルピー衝撃値は30.0J/cm2以上であるから、靱性が劣っている。
表3のNo.59は、Siが0.53%と本発明の最大量の0.50%より多いところ、表6の熱伝導率が27.4W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
表3のNo.60は、Mnが1.53%と本発明の最大量の1.50%より多いところ、表6の熱伝導率が29.9W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/mk以上であるから、それよりも熱電導性が低くなっている。
表3のNo.62は、Crが4.11%と本発明の最大量の4.00%より多いところ、表6の熱伝導率が24.8W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
表3のNo.63は、Niが2.08%と本発明の最大量の2.00%より多いところ、表6の熱伝導率が23.6W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
表3のNo.64は、Mo+W/2が0.85%で、本発明の0.90%超より少ないところ、表6の焼入焼戻し硬さが43.9HRCであった。本発明の焼入焼戻し硬さは45.0HRC以上であるのに比して焼入焼戻し硬さが得られていない。
表3のNo.65は、Mo+Wが1.96%と本発明の最大量の1.80%未満より多いところ、表6の熱伝導率が28.3W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
表3のNo.67は、Vが0.48%と本発明の最大量の0.45%未満より多いところ、表6の熱伝導率が27.4W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
表3のNo.68は、Alが0.094%と本発明の最大量の0.080%より多いところ、表6のシャルピー衝撃値が24.2J/cm2であった。本発明のシャルピー衝撃値は30.0J/cm2以上であるから、靱性が劣っている。
表3のNo.69は、TCの値が1.608と本発明の最小値の1.610より少ないところ、表6の熱伝導率が29.0W/m・Kとなった。本発明の熱伝導率は30.0W/m・K以上であるから、熱伝導性が低い。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.38〜0.55%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.01〜1.50%、
V:0.10超〜0.45%未満を含有し、
さらに、Cr:4.00%以下、Ni:2.00%以下のいずれか1種もしくは2種を含有し、かつ0.92Cr+1.34Ni:0.60%以上であり、
またさらに、少なくともMoを含有し、Mo+W:1.80%未満で、かつMo+W/2:0.90%超であり、
残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であり、
下記の式(1)に示すTCの値がTC:1.610以上であること、を特徴とする熱伝導性に優れる熱間工具鋼。
TC=1.825−0.145C−0.144Si−0.053Mn−0.056Ni−0.036Cr−0.030V−0.026Mo−0.027W+0.098a ・・・(1)
なお、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)の数値が代入され、式(1)中のaには、焼戻し状態での全炭化物の総面積率(%)の数値が代入される。 - 請求項1に記載の化学成分に加えて、さらに質量%で、N:0.001〜0.040%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であり、
下記の式(1)に示すTC値がTC:1.610以上であること、を特徴とする熱伝導性に優れる熱間工具鋼。
TC=1.825−0.145C−0.144Si−0.053Mn−0.056Ni−0.036Cr−0.030V−0.026Mo−0.027W+0.098a ・・・(1)
なお、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)の数値が代入され、式(1)中のaには、焼戻し状態での全炭化物の総面積率(%)の数値が代入される。 - 請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の化学成分に加えて、さらに質量%で、Al:0.001〜0.080%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であり、
下記の式(1)に示すTC値がTC:1.610以上であること、を特徴とする熱伝導性に優れる熱間工具鋼。
TC=1.825−0.145C−0.144Si−0.053Mn−0.056Ni−0.036Cr−0.030V−0.026Mo−0.027W+0.098a ・・・(1)
なお、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)の数値が代入され、式(1)中のaには、焼戻し状態での全炭化物の総面積率(%)の数値が代入される。
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