JP4093978B2

JP4093978B2 - 自己潤滑性を有する工具鋼

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Publication number: JP4093978B2
Application number: JP2004085698A
Authority: JP
Inventors: 潤二吉田
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005272899A

Description

本発明は、冷間プレス型、回転成形型、コイニングダイス、冷間鍛造型等の冷間加工用金型、矯正ロール、フォーミングロール、転造ロール等のロール及びシャーブレード、スリッターナイフ等の刃物に使用される冷間工具鋼、並びに熱間鍛造用金型及びダイカスト用金型等に使用される熱間工具鋼等の自己潤滑性を有する工具鋼に関し、特に、鋼中の母材成分と組織及び炭化物量を制御することにより金型として使用した場合、金型自身が自己潤滑性を有することにより、耐摩耗性、耐焼き付き性及び被削性を改善することを可能とする自己潤滑性を有する工具鋼に関する。

従来の工具鋼の中で、耐摩耗性、耐焼き付き性及び被削性が優れた快削鋼は、鋼中の介在物により被削性を向上させているものである。介在物として、低切削速度域で使用される工具鋼にはＭｎＳ又はＰｂ等が、高切削速度域で使用される工具鋼にはＣａ系複合酸化物等が用いられている。ＭｎＳと同系統の介在物としては、ＭｎＳｅ及びＭｎＴｅが、Ｐｂと同系統の介在物としてはＢｉが用いられている。

例えば、Ｃａ系複合酸化物は、切削工具面上に付着し、工具と被削材との直接接触を防ぎ、工具の摩耗を抑制する。また、Ｓ、Ｐｂ及びＢｉは、鋼の切り屑処理性を向上させるために含有される。特にＰｂ及びＢｉの影響は大きく、カール半径が小さく短い切り屑が生成する。このカール半径が縮小する理由は、Ｐｂ及びＢｉの切り屑と工具間の潤滑作用によるものと考えられる。また、切り屑自体の破断ひずみも大幅に減少する。この理由は、Ａｌ合金等の場合と同様に、切削中の温度上昇によるＰｂ及びＢｉの溶融金属脆化によって切り屑中に割れが発生し易くなるためと考えられている。Ｂｉは２７１℃、Ｐｂは３２７℃、またこれら以外では、ＭｎＳ−ＭｎＴｅ合金は８１０℃及びＰｂＴｅは９２３℃付近になると脆化して被削性を向上させる。しかしながら、高速且つ高面圧下で実施される摩耗及び切削では、１２００乃至２０００℃の高温に達する。この温度では、Ｓ、Ｐｂ及びＢｉ等は沸点に達してしまい、被削性改善の効果はなくなる。

快削鋼の被削性をより向上させるために、上述以外の種々の添加元素が提案されている。

例えば、鋼中の硫化物に対して有効な接種作用を有するＺｒＯ_２又はＺｒＮを得るために、Ｚｒを必須成分として含有させる。また、このときＡｌを０．０５乃至０．５０質量％含有させることで、Ｚｒの硫化物に対する接種作用を増大させ、硫化物を微細にすることにより被削性を向上させる（特許文献１参照）。

快削元素であるＳ及びＴｅを必須成分として添加する。このとき、結晶組織の改善及び熱処理特性の改善のため、Ａｌを２．０質量％以下含有させる（特許文献２参照）。

快削元素であるＢ及びＮを必須成分として含有させ、ＢＮの析出を促進し、被削性を確保する。このとき、鋼中のＯを固定するため、Ａｌを０．００１乃至０．１００質量％含有させる（特許文献３参照）。

また、鋼中に含有される組成成分を限定し、切削速度が１５０ｍ／分の断続切削時における対象工具鋼の被削性を向上させるものが提案されている（特許文献４参照）。

快削元素である黒鉛を必須成分として含有させ、このとき黒鉛の核生成サイトとしてＡｌＮを利用するため、Ａｌを０．０１乃至０．１質量％含有させる（特許文献５参照）。

Ｐｂ不使用及び高速切削の要求は、連続切削のみならず、フライス盤等による断続切削においても同様に強く、これらのＰｂ不使用及び高速切削の要求に対応するために、ＢＮ含有鋼が開発されている（特許文献４及び特許文献６乃至１０参照。）。

また、種々の含有物による効果を調べるために、種々の実験結果が報告されている。例として、以下に列挙する。

鋼中でのＡｌ_２Ｏ_３の生成を抑制するため、Ａｌの含有量を制限し、得られた鋼の切削速度２００ｍ／分における効果が調べられた（特許文献６参照）。

鋼中にＣａ及びＳを複合添加し、切削速度１５５ｍ／分における効果が調べられた（特許文献７参照）。

浸炭鋼をセラミック工具又はＣＢＮ工具を使用して、切削速度１００ｍ／分で切削するときの効果が調べられた（特許文献８参照）。

切削速度１５０ｍ／分で工具鋼を切削するときの効果が調べられた（特許文献５参照）。

Ｃａを鋼中に添加し、その切削速度４００ｍ／分における効果が調べられた（特許文献９参照）。

Ｃａを鋼中に添加し、切削速度１５０ｍ／分における効果が調べられた（特許文献１０参照。）。

Ａｌの含有量が高い鋼を高速で切断すると、工具面上にＡｌ酸化物が付着し、工具寿命が向上する。付着物は酸化物となっていない鋼中のＡｌが、断続切断時に工具面上で酸化してＡｌ酸化物となったもので、鋼中のＡｌ酸化物が被削性に悪影響を及ぼすのに対し、鋼中のＡｌは工具摩擦を抑制する効果を示す。更に、被削性を低下させる鋼中のＡｌ酸化物を減少させるため、鋼中の酸素含有量を低減することが有効であり、Ｚｒ、Ｔｅ等の快削元素を含むと、Ａｌ酸化物による効果は十分得られない（特許文献１１及び１２参照）。

また、従来の工具鋼は、工具鋼の耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させるために、ＴＤ（Thoria Dispersed：トリア分散）処理、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）処理及びＣｒメッキ等の表面処理等を実施する必要がある。更に、従来の工具鋼は、鋼材中に高価な希少金属を多量に含有させることにより炭化物を生成させ、耐摩耗性を向上させている。

特開昭６０−１７４８５４号公報特開昭６１−２９１９５５号公報特開平１−３１９６５１号公報特開平３−６４４２９号公報特開平７−３１６７３２号公報特開昭６０−１１６７４４号公報特開昭６３−１６２８３９号公報特開平３−１００４７号公報特開平６−１４５８８９号公報特開平６−１４５８９０号公報特開２００１−２６９３５号公報特開２００１−３４２５３９号公報

しかしながら、従来の工具鋼は以下に示す問題点を有する。工具鋼の被削性を改善するために、鋼材に従来の快削元素を添加すると、機械的性質が劣化したりする等の原因となる。

また、従来の工具鋼を金型として使用すると、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＣｒ_２Ｏ_３等からなる酸化被膜が生成するが、Ｆｅ_２Ｏ_３は融点が１５５０℃であり、Ｃｒ_２Ｏ_３は融点が１９９０℃であり、いずれも焼き付きが生じる約１２００℃よりも融点が高いうえに、これらの酸化被膜と母材との熱膨張係数の差が大きいため、酸化被膜が母材から剥離するため、自己潤滑性は得られない。

難削材である高硬度材又はステンレス鋼等の切削加工は、切削点の温度が１２００℃以上で実施されている。この温度は、炭素鋼等の切削加工時の温度と比べると高い温度である。そのため、従来の快削元素であるＭｎ、Ｐｂ及びＢｉ等は融点が低いために溶融し、そのうえ沸点にまで達してしまうため、重切削条件では被削性の改善効果は得られない。又は、切削点の温度を被削性の改善効果が表れる温度まで低下させることにより、切削速度を焼きなまし材を扱う速度より落とす又は軽切り込み切削をする等の必要があり、切削能率が著しく低下する。

工具鋼の耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善をするために表面処理をする方法においては、この表面処理により耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善効果は得られるものの、処理コストが高く、またこの表面処理のための金型作製費用が高いという難点がある。また、表面処理時に変寸が発生する等の欠点もある。更に、鋼材中に高価な希少金属を多量に入れることにより炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させる場合も、その鋼材の製造コストが高くなるという欠点がある。

一方、鋼の切り屑処理性を向上させるために、従来、種々の元素が含有されてきたが、例えばＳｎ又はＰｂは環境を破壊しやすい物質であり、Ｂｉ等は希少元素であるために高価であり、鋼材価格を上げるうえに、リサイクル性が悪い。また、Ｓ及びＢＮ等は安価であるが機械的性質を悪化させる等の問題があり、全く違う技術による快削化が必要であると考えられる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、靭性を低下させる元素及び環境に有害な元素の添加を抑制し、同時に従来の快削鋼のように切削能率を落とすことなく、重切削条件でも高硬度材が加工でき、更に、耐摩耗性及び耐焼き付き性が優れた自己潤滑性を有する工具鋼を提供することを目的とする。

本願第１の発明に係る自己潤滑性を有する工具鋼は、冷間工具鋼用の自己潤滑性を有する工具鋼において、Ｃ：０．８乃至１．６０質量％、Ｓｉ：０．３０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％、Ｓ：０．０５０乃至０．０９０質量％、Ｃｒ：６．０乃至１３．００質量％、２Ｍｏ＋Ｗ：０．１０乃至３．００質量％、Ｖ：０．２０乃至３．００質量％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：０．２０乃至０．８０質量％を含有し、更に、Ｏ：０．０００５乃至０．００８０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．００８乃至０．８００質量％及びＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒ：（総量で）０．００１乃至０．１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、粒径が３００μｍを超える炭化物が存在せず、粒径が３乃至３００μｍの炭化物が面積率で３％以上であることを特徴とする。

本願第２の発明に係る自己潤滑性を有する工具鋼は、熱間工具鋼用の自己潤滑性を有する工具鋼において、Ｃ：０．２５乃至０．４２質量％、Ｓｉ：０．８０乃至２．００質量％、Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％、Ｓ：０．０３０乃至０．０４５質量％、Ｃｒ：４．６０乃至４．９０質量％、２Ｍｏ＋Ｗ：２．４０乃至３．６０質量％、Ｖ：０．２０乃至０．９０質量％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：０．２０乃至０．８０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、粒径が３μｍを超える炭化物が存在せず、炭化物の面積率が５％以下であり、非金属介在物の清浄度がＪＩＳＧ０５５５で規定するｄＡ６０×４００において０．０２０％以下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）６０×４００において０．００３乃至０．０１５％であると共に、粒径が１０．０μｍを超える非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることを特徴とする。

また、上記本願第２発明においても、Ｏ：０．０００５乃至０．００８０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．００８乃至０．８００質量％及びＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒ：（総量で）０．００１乃至０．１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有することが好ましい。

更に、本願第１及び第２発明のいずれかの自己潤滑性を有する工具鋼が金型用工具鋼である場合において、金型として使用した際に発生する摩擦熱により、融点が１２００℃以下で、熱膨張係数が１１．０乃至１２．８Ｋ^−１であり、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を主体とする酸化物からなる自己潤滑被膜、又は、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物と酸化鉄との複合酸化物からなる自己潤滑被膜を生成することができる。

本発明によれば、鋼材の合金組成、介在物及び炭化物を適切に調整することにより、金型使用時の摩擦熱及び金型製作時の切削加工における熱によって、金型表面に低融点で硬度の低い酸化物からなる自己潤滑被膜を生成させることができ、更にこの自己潤滑被膜を加工時の熱及び圧力によって溶融させることにより、液体潤滑効果が発生して金型と製品材との間の摩擦係数を下げることができるため、耐摩耗性、耐焼き付き性及び被削性を改善することができる。これにより、本発明は、金型自身に自己潤滑性を付与することができるため、冷間加工用金型である冷間プレス型、回転成形型、コイニングダイス及び冷間鍛造型等、ロールである矯正ロール、フォーミングロール及び転造ロール等、並びに刃物であるシャープレード及びスリッタ−ナイフ等の冷間工具鋼、熱間鍛造用金型及びダイカスト用金型等の熱間工具鋼において、多大の効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る冷間工具鋼における成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

Ｃｒ：６．０乃至１３．０質量％
Ｃｒの含有量が２．５乃至１５．０質量％の鋼は、Ｃｒ系酸化物の生成量が少なく、Ｆｅ及びＳｉを主体とする酸化物が生成する。但し、Ｃｒの含有量が４．０質量％以下になると、高融点のＦｅを主体とする酸化物が多く生成されると共に、この酸化物により形成される酸化被膜が厚くなるため、金型表面に形成される酸化被膜が剥離し易くなり、溶融温度に達する前に酸化被膜が剥離してしまう。また、Ｃｒが１３．０質量％を超えると、Ｃｒを主体とする高融点で硬い酸化物が生成するため、被削性が悪化する。よって、Ｃｒ含有量は、少なくとも、４．０乃至１３．０質量％でなければならない。更に、Ｃ及びＣｒの含有量が多い程、工具鋼中に、Ｍ_７Ｃ_３及びＭ_６Ｃ等の共晶炭化物が生成しやすくなるため、耐摩耗性が及び耐食性が向上する。本実施形態のように、冷間工具鋼の場合は、耐摩耗性を重視する観点から、Ｃｒ含有量は６．０質量％以上であることが必要である。これにより、適切な厚さの酸化被膜を形成させることができ、この酸化被膜が自己潤滑被膜となる。よって、冷間工具鋼の場合は、Ｃｒ含有量を６．０乃至１３．０質量％とする。

Ｃ：０．８乃至１．６質量％
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂ等の炭化物形成元素と結合して硬い複合炭化物を生成し、工具として必要な耐摩耗性の向上に著しい効果があるが、Ｃと共に炭化物を形成する元素に合わせて添加することが好ましい。また、Ｃは基地中に固溶して所要の硬さを付与する。このためには、Ｃは０．８質量％以上含有することが必要である。一方、Ｃが１．６質量％を超えると、硬い複合酸化物が生成して工具を摩耗させるため、Ｃ含有量の上限値は１．６質量％とする。

更に、Ｃｒの含有量を上述の範囲にすると共に、Ｃの含有量を０．８乃至１．３質量％にすると、酸化被膜の厚さが１５乃至１００μｍとなり、極めて良好な自己潤滑被膜を形成することができる。なお、ファインブランキング型及び曲げ型等で使用される冷間工具鋼の場合、高面圧加工及び高速加工時の摩擦熱により生じる凝着摩耗は、前述の自己潤滑被膜による液体潤滑効果によって防止することができるが、例えば、ロール及び打ち抜き等のように、面圧が低く摩擦熱が発生しにくい加工において生じる引っかき摩耗を防止するためには、共晶炭化物を構成する主要元素であるＣ及びＣｒできるだけ多く添加して、工具鋼中の共晶炭化物含有量を４乃至１５質量％にすることが好ましい。なお、熱間工具鋼の場合は、どのような使用条件であっても、加工材が加熱された状態であり、その表面に酸化物からなる自己潤滑被膜を形成することができ、工具鋼中の共晶炭化物量が少なくても摩耗を防止することができるため、前述の摩擦熱が発生しにくい加工用の冷間工具鋼よりもＣ及びＣｒの含有量を少なくすることができる。

Ｓｉ：０．３０乃至１．０質量％
Ｓｉは本発明の特徴的な元素である。Ｓｉは低融点である酸化物ＳｉＯ_２を生成し、金型又はパンチ等の工具の表面に、このＳｉＯ_２を主体とする低融点の酸化物からなる自己潤滑被膜を形成するという効果がある。この場合に、生成するＳｉＯ_２の構造が重要であり、α−Cristoballite構造は正方晶であり、硬度が高いため、酸化被膜が生成しても自己潤滑被膜としての効果が得られない。また、α−Tridymite構造は、斜方晶であり、溶融温度以下でも潤滑効果を持たせることができるが、溶融温度が１６７０℃程度と高いため、自己潤滑被膜に最適な酸化物とはいえない。一方、fayalite構造である（ＦｅＯ）_２・ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２ＳｉＯ_４又は（ＦｅＳｉ）Ｃｒ_２Ｏ_２からなる酸化被膜は、１１８０℃程度で溶融するため、自己潤滑性が得られる。

このようなfayalite構造のＳｉ系複合酸化物（ＦｅＯ）_２・ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２ＳｉＯ_４又は（ＦｅＳｉ）Ｃｒ_２Ｏ_２からなる酸化被膜を形成させ、更に、母材から剥離しにくくするためには、Ｓｉの添加が不可欠であり、少なくとも、Ｓｉを０．３０質量％以上添加する必要がある。Ｓｉを添加すると、ＦｅＯからなる酸化被膜が薄くなり、自己潤滑被膜が母材から剥離することを抑制することができる。

Ｃｒの含有量が６．０乃至１３．０質量％の冷間工具鋼の場合、炭化物が生成し易いため、Ｓｉの添加は少量である０．３質量％以上から効果が現われる。Ｃの含有量が高い場合は、Ｓｉの含有量が高くなると炭化物の生成が悪化するため、Ｓｉの上限は１．０質量％とする。

Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％
Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合、Ｍｎの含有量が０．３質量％未満では、鋼の脱酸素効果がなくなり鋼中のＯ量が増える。また、Ｍｎを含有させることにより鋼の焼き入れ性を増し、耐摩耗性を高める効果がある。しかしながら、Ｍｎを過度に添加すると熱処理時に焼き割れを生じること、又は多量の残留オーステナイトを生成して鋼を脆化することがあるため、Ｍｎの含有量の上限は０．６質量％とする。

Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％
Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合、切り屑排出性を向上させるためにＰを０．００１質量％以上含有させる。但し、Ｐ含有量が０．０３０質量％を超えると鋼の靭性が低下するため、Ｐの含有量の上限は０．０３０質量％とする。

Ｓ：０．０５０乃至０．０９０質量％
Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合、Ｓを添加すると、低融点の硫化物を生成して被削性を高めるが、その含有量が０．０９０質量％を超えると、鋼の靭性を劣化させる。一方、Ｓ含有量が０．０５０質量％未満になると、鋼の被削性が著しく悪化する。従って、Ｓの含有量は０．０５０乃至０．０９０質量％とする。

Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：総量で０．２０乃至０．８０質量％
Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏは、酸化被膜を剥離し難くするために重要な元素である。鋼にこれらの元素を含有させると、酸化被膜を薄くする効果がある。特に、Ｏとの親和力がＦｅに比べて小さいＣｕ等を混入すると、Ｆｅが優先的に酸化されるため、これらの元素の酸化が抑制される。そして、Ｆｅが母材側に取り残された状態で酸化するため、母材と酸化被膜との界面に凹凸が形成され、酸化被膜、即ち、自己潤滑被膜の密着性が向上する。

図１は鋼材表面の一般的な酸化を表す模式図であり、図２は鋼材中に酸化抑制元素を含有させた場合の鋼材表面の酸化状態を表す模式図である。酸化被膜である自己潤滑被膜と母材との密着性を改善するには、図１に示すように自己潤滑被膜１と母材２との界面を平滑にせずに、図２に示すように自己潤滑被膜１と母材２との界面に凹凸を形成することが有効である。自己潤滑被膜１と母材２との界面に凹凸を形成する方法としては、例えば、Ｏとの親和力がＦｅに比べて小さいＣｕ等の酸化抑制元素３を鋼中に添加する方法がある。鋼中にＣｕ等の酸化抑制元素３を添加すると、Ｏとの親和力が弱い酸化抑制元素３の部分では酸化が抑制されて、Ｆｅが優先的に酸化される。これにより、Ｆｅは母材２側に取り残された状態で酸化が進行するため、自己潤滑被膜１と母材２との界面に凹凸が形成される。

なお、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量が１．０質量％以内であれば、同等の効果があり、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量が０．０５質量％以上含有されていると被膜を薄くする効果がある。しかしながら、これらの元素を０．８０質量％以上含有していても同等の効果しか得られず、大きな改善効果が得られない。

また、Ｃｕを０．０５０質量％以上含有していると赤熱脆性を起こすが、Ｎｉを０．０２５質量％程度複合的に含有させることにより脆性を抑止することができる。更に、Ｎｉは、８５０℃程度の酸化被膜発生初期において、酸化被膜の剥離性を抑制する効果があるため、ＮｉをＡｌ、Ｃｒ又はＴｉ等と同時に添加することにより酸化被膜の剥離を抑制することができる。しかしながら、このように複合的に含有させる場合、Ｎｉの含有量を０．１０質量％以上にしても同等の効果しか得られず、また、Ｎｉ含有量が０．８０質量％以上になると、１２００℃以上での高温酸化性が悪化し、酸化被膜が厚くなって剥離し易くなる。

２Ｍｏ＋Ｗ：０．１０乃至３．００質量％
Ｍｏ及びＷは、鋼中に含まれている炭化物をネット状に晶出し、鋼の硬さを増加して耐摩耗性を向上する効果がある。この効果を得るためには、２Ｍｏ＋Ｗの総含有量が最低０．１０質量％必要である。しかしながら、２Ｍｏ＋Ｗの総含有量が３．００質量％を超えると炭化物量が増え、熱膨張係数が小さくなりすぎるため、２Ｍｏ＋Ｗの総含有量は３．００質量％を上限とする。なお、Ｍｏは鋼中においてＷと同等の効果を示すが、Ｍｏの原子量がＷのそれの約１／２であることから、ＭｏのＷ当量を２とする。

Ｖ：０．２０乃至３．００質量％
Ｖは、本発明の重要元素であり、Ｓｉ酸化物に代わるＶ系酸化物を生成し、酸化被膜の自己潤滑性を高める効果がある。酸化被膜の自己潤滑性を高める効果があるのは、Ｖ_２Ｏ_５を主体とする低融点のＶ系酸化物である。Ｖ含有量が０．２質量％未満であると、融点が高いＶ系酸化物が生成し、Ｖ_２Ｏ_５低等の低融点のＶ系酸化物が生成されない。なお、可及的に、Ｖは０．８質量％以上含有させることが望ましい。一方、過度に添加すると鋼の靭性を損ない、熱膨張係数が低くなりすぎて剥離し易くなるため、Ｖ含有量の上限は３．０質量％とする。

粒径が３００μｍを超える炭化物が存在せず、粒径が３乃至３００μｍの炭化物が面積率で３％以上
冷間工具鋼においては、Ｃｒの含有量を６．０質量％以上とし、Ｃの含有量を０．８質量％以上にすることにより、共晶炭化物が生成し、耐摩耗性を向上させることができるが、この共晶炭化物の大きさは鍛造時の加工量によって変化する。工具鋼中の共晶炭化物の粒径が大きくなると、安定した酸化被膜が形成されない。また、引っかき摩耗が発生しない金型に適用する場合、共晶炭化物の粒径を小さくし、且つその含有量を少なくすることにより、靱性を向上させることができる。共晶炭化物の大きさは、大きいほど耐摩耗性が向上するため、粒径は３μｍ以上にすることが必要である。また、この耐摩耗性を向上させるためには、炭化物の面積率として３％以上保有することが必要である。しかしながら、炭化物の粒径が３００μｍを超えると、潤滑被膜が全面に発生しなくなり、酸化被膜は炭化物上には生成しない。このため、粒径が３００μｍを超える炭化物が存在しないようにする。

次に、本発明の第２の実施形態に係る熱間工具鋼について説明する。先ず、本実施形態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。

Ｃｒ：４．６０乃至４．９０質量％
前述の如く、Ｃｒの含有量が２．５乃至１５．０質量％の鋼は、生成するＣｒ系酸化物が薄く、Ｆｅ及びＳｉを主体とする酸化物を生成する。Ｃｒが４．０質量％以下になると、Ｆｅを主体とする酸化物となり、酸化被膜が厚くなり、また剥離し易く、酸化被膜が溶融温度に達する前に剥離してしまう。また、Ｃｒが１３．０質量％を超えると、Ｃｒを主体とする高融点で硬い酸化物となるため、被削性が悪化する。よって、Ｃｒ含有量は、少なくとも、４．０乃至１３．０質量％でなければならない。この場合に、本実施形態のように、熱間工具鋼の場合は、４００℃以上の高温下で使用されるため、使用中に工具表面に自己潤滑被膜が形成される。これにより、引っかき摩耗の発生を防止することができるため、Ｃｒ系炭化物は不要になる。また、Ｃｒ及びＣの含有量を少なくして、工具鋼中の共晶炭化物の含有量を低減することにより、靱性を向上させることができる。但し、Ｃｒ含有量が少ないと、錆びやすくなることから、Ｃｒ含有量の下限値は４．６質量％である。また、靭性の低下を抑制するために、Ｃｒ含有量の上限値は、４．９０質量％である。よって、熱間工具鋼の場合は、Ｃｒ含有量を４．６０乃至４．９０質量％とする。

Ｃ：０．２５乃至０．４２質量％
前述の如く、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂ等の炭化物形成元素と結合して硬い複合炭化物を生成し、工具として必要な耐摩耗性の向上に著しい効果があるが、Ｃと共に炭化物を形成する元素に合わせて添加することが好ましい。また、Ｃは基地中に固溶して所要の硬さを付与する。但し、熱間工具鋼の場合、使用中に工具表面に自己潤滑被膜が形成されるため、炭化物は含まれていなくてもよい。また、熱間工具鋼においては、その表面に形成される自己潤滑被膜の厚さは、Ｃ量が少なくなりすぎると薄くなり、またＣ量が多くなりすぎても薄くなる。このため、本実施形態のように、Ｃｒの含有量が４．６０乃至４．９０質量％の熱間工具鋼の場合、Ｃ含有量の適正な範囲はより狭いものとなる。具体的には、Ｃ含有量が０．２５質量％未満の場合、自己潤滑膜となる酸化被膜は形成されるが、耐摩耗性及び耐焼き付き性が悪化する。また、Ｃ含有量が０．４２質量％を超えると、酸化被膜の厚さが１０μｍ以上と厚くなり、酸化被膜が溶融して液体潤滑効果が得られる前に剥離してしまうと共に耐摩耗性及び耐焼き付き性が悪化する。よって、Ｃ含有量は０．２５乃至０．４２質量％とする。これにより、適切な厚さの酸化被膜が形成される。

Ｓｉ：０．８０乃至２．００質量％
前述の如く、Ｓｉは本発明の特徴的な元素である。Ｓｉは低融点である酸化物ＳｉＯ_２を生成し、工具表面にこのＳｉＯ_２を主体とする低融点の酸化被膜を生成するという効果がある。この場合に、生成するＳｉＯ_２の構造が重要であり、α−Cristoballite構造は正方晶であり、硬度が高いため、生成しても効果がない。α−Tridymite構造は、斜方晶であり、溶融温度以下でも潤滑効果を持たせることができるが、溶融温度が１６７０℃程度と高くなるため、最適酸化物とはいえない。fayalite構造である（ＦｅＯ）_２・ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２ＳｉＯ_４又は（ＦｅＳｉ）Ｃｒ_２Ｏ_２が生成すると、これらは１１８０℃程度で溶融し、自己潤滑性が得られる。

このようなfayalite構造のＳｉ系複合酸化物（ＦｅＯ）_２・ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２ＳｉＯ_４又は（ＦｅＳｉ）Ｃｒ_２Ｏ_２を形成させ、剥離しにくくするためには、Ｓｉの添加が不可欠であり、少なくとも、Ｓｉを０．３０質量％以上添加する必要がある。Ｓｉを添加すると、ＦｅＯからなる酸化被膜が薄くなり、自己潤滑被膜の剥離を抑制することができる。

Ｃｒの含有量が４．６０乃至４．９０質量％の熱間工具鋼の場合、生成する酸化物の融点が高いため、少なくともＳｉを０．８０質量％以上含有することでＳｉ保有の酸化物（ＦｅＳｉ）Ｃｒ_２Ｏ_２を形成する。Ｓｉを過度に添加すると鋼の靭性を損なうため、Ｓｉ含有量の上限は２．００質量％とする。

Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％
Ｍｎは、Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合、Ｍｎの含有量が０．３質量％未満では鋼の脱酸素効果がなく鋼中のＯ量が増えるため、含有させる必要がある。また、Ｍｎを含有させることにより鋼の焼き入れ性を増し、耐摩耗性を高める。しかしながら、過度に添加すると熱処理時に焼き割れを生じること、又は多量の残留オーステナイトを生成して鋼を脆化することがあるため、Ｍｎの含有量の上限を０．６質量％とする。

Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％
Ｐは、Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合、切り屑排出性を向上させるために０．００１質量％以上含有させる。一方、Ｐの含有量が０．０３０質量％を超えると鋼の靭性が低下するため、Ｐの含有量の上限を０．０３０質量％とする。

Ｓ：０．０３０乃至０．０４５質量％
Ｓは、Ｃｒの含有量が１５質量％以下の鋼の場合は、低融点の硫化物を生成して被削性を高めるが、その含有量が高いと、鋼の靭性を劣化させる。Ｃｒの含有量が４．６０乃至４．９０質量％の熱間工具鋼の場合、Ｓの含有量は０．０３０乃至０．０４５質量％とする。

Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：０．２０乃至０．８０質量％
Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏは、酸化被膜を剥離し難くするために重要な元素である。鋼にこれらの元素を含有させると、酸化被膜を薄くする効果がある。特に、Ｏとの親和力がＦｅに比べて小さいＣｕ等を混入すると、Ｆｅが優先的に酸化されるため、これらの元素の酸化が抑制される。地鉄側に取り残された状態でＦｅの酸化が進行するため界面に凹凸が形成され、酸化被膜、即ち、自己潤滑被膜と母材との密着性が向上する。

Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量が１．０質量％以内であれば、自己潤滑被膜と母材との界面に凹凸をつけて密着性を向上させる効果があるが、これらの総含有量が０．８０質量％を超えると、１２００℃以上での高温酸化性が悪化して、酸化被膜が厚くなり、剥離し易くなると共に、０．８０質量％以下である場合と同等の効果しか得られず、大きな改善効果が得られない。また、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量が０．０５質量％以上であれば、自己潤滑被膜の厚さを薄くすることができるが、これらの総含有量が０．２０質量％未満であると、自己潤滑膜と母材との界面に凹凸が形成されず、密着性を向上する効果が得られない。よって、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量は、０．２０乃至０．８０質量％とする。

なお、Ｃｕが０．０５０質量％以上含有される場合、赤熱脆性を起こすため０．０２５質量％のＮｉを複合的に含有させると脆性の抑止効果があるが、このように複合的に含有させる場合は、Ｎｉの含有量を０．１０質量％以上にしても同等の効果しか得られない。また、ＮｉをＡｌ、Ｃｒ又はＴｉ等と同時に含有させると、８５０℃程度での酸化被膜発生初期において、酸化被膜の剥離性を抑制する効果があるため、自己潤滑被膜の剥離を抑制することができる。

２Ｍｏ＋Ｗ：２．４０乃至３．６０質量％
前述の如く、本実施形態の熱間工具鋼においては、Ｃ含有量が少ないため、Ｍｏ及びＷが炭化物となって析出する量は少ないが、Ｍｏ及びＷを鋼中に固溶させることにより、耐熱性及び強度を向上させる効果がある。このためには、２Ｍｏ＋Ｗの総含有量が少なくとも２．４０質量％必要である。しかしながら、２Ｍｏ＋Ｗの総含有量が３．６０質量％を超えると炭化物量が増え、熱膨張係数が小さくなりすぎるためにこれを上限とする。なお、Ｍｏは鋼中においてＷと同等の効果を示すが、Ｍｏの原子量がＷのそれの約１／２であることから、ＭｏのＷ当量を２とする。

Ｖ：０．２０乃至０．９０質量％
Ｖは、本発明の重要元素であり、Ｓｉ酸化物に代わるＶ系酸化物を生成し、酸化被膜の自己潤滑性を高める効果がある。酸化被膜の自己潤滑性を高める効果があるのは、Ｖ_２Ｏ_５を主体とする低融点のＶ系酸化物である。Ｖ含有量が０．２０質量％未満であると、融点が高いＶ系酸化物が生成し、Ｖ_２Ｏ_５低等の低融点のＶ系酸化物が生成されない。できれば、Ｖは０．８質量％以上含有させることが望ましい。一方、過度に添加すると鋼の靭性を損ない、熱膨張係数が低くなりすぎて剥離し易くなるため、Ｖ含有量の上限は０．９０質量％とする。

粒径が３μｍを超える炭化物が存在せず、断面における炭化物の面積率が５％以下
熱間工具鋼は、加熱状態で使用されるため、その使用条件にかかわらず、工具表面に酸化被膜が形成される。このため、前述の熱が発生しない引っかき摩耗が生じる冷間工具鋼のように、多量の炭化物を必要としない。また、炭化物上には、酸化被膜は形成されないため、この部分には自己潤滑効果が得られない。よって、自己潤滑被膜に影響を与えないように、炭化物含有量を制限する。粒径が３μｍより大きい炭化物が含まれていると、自己潤滑膜が形成されない領域が大きくなり、焼き付きが発生しやすくなる。また、比較的影響が少ない粒径が３μｍ以下の炭化物であっても、その面積率が５％を超えると、自己潤滑被膜が剥離しやすくなる。よって、炭化物の粒径は３μｍ以下とし、その面積率は５％以下とする。

非金属介在物の清浄度がＪＩＳＧ０５５５で規定するｄＡ６０×４００において０．０２０％以下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）６０×４００において０．００３乃至０．０１５％であると共に、粒径が１０．０μｍを超える非金属介在物の面積率が０．００４％以下
鋼の構成成分を制限しても、非金属介在物が多いか又は大きいものが存在すると、金型等の工具の表面に生成した酸化物が剥離し、自己潤滑被膜を構成する上で必要な元素が減ずる。よって、非金属介在物の清浄度をＪＩＳ規格０５５５においてｄＡ６０×４００で０．０２０％以下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）６０×４００で０．００３乃至０．００１５％であると共に、鋼材の断面における粒径が１０．０μｍを超える非金属介在物の面積率を０．００４％以下とする。

次に、本発明の第１及び第２の実施形態の工具鋼において、更に他の添加成分の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

Ｏ：０．０００５乃至０．００８０質量％
Ｏを０．００８０質量％以上含有していると、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｅ及びＺｒ等の酸化物が自己潤滑被膜を形成する前に、粗大化してしまい、自己潤滑被膜が剥離しやすくなると共に靱性が劣化する。また、Ｏ含有量が０．０００５質量％以下になると、酸化物が生成されにくくなると共に、製鋼時の精錬が難しくなってその費用がかかる。よって、Ｏ含有量は０．０００５乃至０．００８０質量％であることが好ましい。

金型等の表面に生成するＦｅ_２Ｏ_３は、高融点であるうえに酸化被膜が生成しても母材と酸化被膜の熱膨張係数の差によって剥離するため、自己潤滑効果は得られなかった。本発明者等は、酸化被膜と母材との膨張差を小さくすることにより、酸化被膜の剥離を抑制できることを見出した。そこで、本発明においては、組織と成分を制御し、酸化被膜の剥離する起点となる母材中の介在物の量を極端に少なくすると共に、最大介在物粒径を制御することにより、酸化被膜を安定化させている。但し、生成する酸化被膜が厚すぎると剥離しやすい。酸化被膜を抑制する元素として、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｅ及びＺｒ等があるが、これらの元素は鋼材中に酸化物及び窒化物が存在すると効果がない。よって、介在物量を少なくするためには、鋼材中に含まれるＯとＮ量を少なくすることが好ましい。

Ａｌの含有量が０．００８乃至０．８０質量％か、又はＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｉ：０．００１乃至０．１００質量％
Ａｌを添加すると、金型表面に形成される高融点のＦｅＯ層が薄くなると共に、自己潤滑被膜と母材との界面に凹凸が形成されるため、自己潤滑被膜の密着性を向上させる効果がある。この効果を得るためには、Ａｌを０．００８質量％以上添加する必要がある。一方、Ａｌ含有量が０．８０質量％を超えると、自己潤滑被膜と母材との界面が平滑になる。更に、２質量％を超えると高融点であるＡｌ_２Ｏ_３が生成するために酸化被膜の溶融が期待できない。このため、Ａｌ含有量は０．００８乃至０．８０質量％に限定する。

Ｔｉ、Ｃｅ及びＺｒは、Ａｌと同様の酸化被膜の厚さが増加することを抑制する効果がある。Ｔｉは鉱石等に含まれて鋼材の不純物として含まれることが多い。Ｔｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒの総含有量が０．００１質量％以上であると、酸化被膜の厚さの増加を抑える効果が得られるが、これらの総含有量が０．１００質量％を超えると酸化被膜を厚くなることを抑える効果がなくなるため、０．１００質量％をＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒの総含有量の上限とする。

本発明は、工具鋼を金型として使用中に発生する熱を利用して、低融点で硬度が低い酸化被膜を生成させた後に、その熱と加工面圧力により酸化被膜を溶融させるものである。また、靭性を低下させる元素及び環境に有害な元素の添加量を抑制すると共に、従来の快削鋼のように切削能率を落とすことなく、重切削条件でも高硬度材を加工できるという効果を奏する。

Ｃａ、Ｍｇ及びＢＮは、Ａｌ添加と同一の効果があるが、含有させると酸化物が生成し易く、Ａｌ含有量が多い状態で含有させると硬質の介在物が発生するため、被削性及び靭性を劣化させる。よって、本発明の第１の実施形態の冷間工具鋼及び第２の実施形態の熱間工具鋼においては、Ｃａ、Ｍｇ及びＢＮは、含有させない。

次に、本発明の第１及び第２の実施形態の工具鋼に形成される自己潤滑被膜について説明する。一般に、金型使用中の摩擦熱又は金型制作時の切削加工中の熱によって、金型の表面に、Ｆｅ_２Ｏ_３又はＣｒ_２Ｏ_３等の酸化物により酸化被膜が形成される。下記表１に各種酸化物の融点及び熱膨張係数を示す。下記表１に示すように、Ｆｅ_２Ｏ_３の融点は１５５０℃であり、その硬度は約１８００Ｈｖである。また、Ｃｒ_２Ｏ_３の融点は１９９０℃であり、硬度は２９１４Ｈｖである。このように、これらの酸化物はいずれも金型の焼き付き発生温度（約１２００℃）よりも融点が高い。一方、ＳｉＯ_２を主体とするＳｉＯ_２−Ｃｕ_２Ｏは融点が約１０６０℃であり、ＳｉＯ_２−ＦｅＯは融点が約１１８０℃及び硬度が約１６００Ｈｖであり、Ｖ_２Ｏ_５及びＶ_２Ｏ_４は融点が６９０℃及び硬度が約１０００Ｈｖであり、Ｆｅ_２Ｏ_３・Ｖ_２Ｏ_５は融点が８５５℃及び硬度が約１０００Ｈｖであり、ＣａＯ−ＦｅＯは融点が１１００℃及び硬度が約１０００Ｈｖである。このため、これらの酸化物をからなる酸化被膜は、金型使用中の摩擦熱又は金型制作時の切削加工中の熱によって溶融する。よって、金型表面にこれらの酸化物からなる酸化被膜、即ち、自己潤滑被膜を形成することにより、金型に自己潤滑性を持たせることができる。

図３（ａ）乃至（ｃ）は金型の焼き付き発生工程をその工程順に示す断面図であり、図３（ｄ）は図３（ｂ）の拡大断面図である。また、図４（ａ）乃至（ｃ）は自己潤滑被膜による摩耗抑制機構をその工程順に示す拡大断面図である。一般に、金型を使用した成形を行う場合、図３（ａ）に示すように下部金型１１上に被加工鋼材１０を配置した後、図３（ｂ）に示すように上部金型１２により被加工鋼材１０を押圧し、図３（ｃ）に示すように所定の形状に成形された被加工鋼材１０を取り出す。このとき、図３（ｄ）に示すように、面圧が強く加わる金型の表面は、摩擦熱により６００乃至８００℃前後の温度となり、特に金型１１及び１２のコーナー部には他の部分よりも高温の部分１３ができ、焼き付き１４及び凝着摩耗等が発生する。なお、金型表面の温度は、焼き付き発生直後にはさらに温度が上昇して１２００℃以上になる。一方、本実施形態の工具鋼を使用した金型は、図４（ａ）に示すように、加工時の摩擦熱により上部金型２２の表面に高温部２３が生じ、更に、図４（ｂ）に示すように、上部金型２２の表面に低融点の酸化物であるＳｉＯ_２を主体とするＳｉＯ_２−Ｃｕ_２Ｏからなる自己潤滑被膜２４が形成される。このＳｉＯ_２−Ｃｕ_２Ｏの融点は１０６０℃であるため、図４（ｃ）に示すように、加工中に自己潤滑被膜２４が溶融して溶融酸化物２４ａとなり、その液体潤滑効果により焼き付きの発生を防止すると共に、耐摩耗性を向上することができる。なお、このような自己潤滑被膜２４は、融点が１２００℃以下で、熱膨張係数が１１．０乃至１２．８Ｋ^−１であり、Ｓｉ又はＶを主体とする酸化物により形成されていることが好ましい。

金型の焼き付き及び高速加工時の温度である１２００℃以上で有効に溶融し潤滑効果がでるコランダム（Corundum：アルミナ粉）系のＣａＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３又は３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等の介在物が生成させて切削加工等を実施しても、耐磨耗性及び被削性の改善効果が表れない。これらの原因は介在物の溶融開始温度が１２００℃よりも高く、また、硬度が高く、潤滑効果が表れる温度に達するまでの間に金型表面及び切削工具を摩耗させるからである。

そこで、本発明者等は、切削及び摩耗点でのみに被削性と耐摩耗性を改善する機構を検討し、切削及び摩耗点のみで改善させるには、接触点で瞬時に溶融させ生成物の密着性がよいことが必要であることを見出した。接触点の温度を考えると、約６００℃から徐々に温度が上がり、焼き付きが発生しない温度でもある１２００℃以下で酸化被膜が溶融することが必要である。通常生成する酸化被膜はＦｅ_２Ｏ_３又はＣｒ_２Ｏ_３であり、Ｆｅ_２Ｏ_３の融点は１５５０℃、Ｃｒ_２Ｏ_３の融点は１９９０℃で、融点は１２００℃よりも高い。従って、これらの被膜が形成されても、溶融する前に焼き付きを発生してしまうため、自己潤滑効果が得られない。

この鋼材中の膨張係数を制御するには、鋼中の母材成分と組織並びに炭化物量を制御することが重要である。炭化物自体は、熱膨張係数が小さく、大きさ及び分散状況によって鋼材の熱膨張係数が変化する。更に、鋼材にＡｌを添加させてＡｌ_２Ｏ_３を生成させると、工具を被覆し被削性を改善する効果がある。しかしながら、Ｆｅの熱膨張係数は１４．６Ｋ^−１であり、超硬合金の熱膨張係数は平均して約６．０Ｋ^−１であり、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数は８．１Ｋ^−１であるが、これらは熱膨張係数の差があり、すぐ剥離してしまうため、それぞれの切削工具等により被削性の改善効果に大きな差が出る等の欠点があった。また同時に、多量にＡｌを含有させた場合、金型の表面に生成したＡｌ_２Ｏ_３が剥離して金型及び加工される鋼材を傷つけることがあり、これらが欠点としてあげられる。

通常は、Ｃｒの含有量が３質量％以上の工具鋼の酸化物はＦｅＣｒ_２Ｏ_４を母材の界面組織とし、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_４及びＦｅ_２Ｏ_３を最表面に発生する。Ｃｒ_２Ｏ_３の熱膨張係数は８．７Ｋ^−１と小さい。

また、ＪＩＳ規格の工具鋼の場合、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ１１の熱膨張係数は、２０乃至８００℃において約１２．３Ｋ^−１と大きいために酸化被膜が剥離してしまう。一方、本発明の第１の実施形態の冷間工具鋼及び第２の実施形態の熱間工具鋼は、低融点であるＳｉを主体とするＳｉＯ_２又はＳｉＯ・ＦｅＯ等の酸化物が生成するため、その熱膨張係数が１０．７乃至１１．３Ｋ^−１となり、酸化被膜の剥離を抑えることができる。但し、自己潤滑被膜を形成する酸化物の熱膨張係数が１１．０Ｋ^−１未満であると、金型を加熱した際に酸化被膜が剥離してしまうことがある。また、自己潤滑被膜を形成する酸化物の熱膨張係数が１２．８Ｋ^−１より大きいと、金型を冷却した際に酸化被膜が剥離してしまうことがある。よって、自己潤滑被膜は、熱膨張係数が１１．０乃至１２．８Ｋ^−１である酸化物により形成されていることが好ましい。このような熱膨張係数をもつ酸化物としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を主体とする酸化物、又は、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物と酸化鉄との複合酸化物等がある。

工具鋼の耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善をするためには、種々の表面処理を実施する必要があったが、本発明鋼は、それらを実施せずに耐摩耗性を向上させ、従来の表面処理するうえでの欠点であった、鋼材価格の高騰及び表面処理時に変寸を発生させる等の点を解消するものである。

本発明鋼は、金型使用中の摩擦熱及び金型作成時の切削加工中の熱を利用し、低融点で硬度の低い酸化物からなる自己潤滑被膜を生成させた後に、その熱と圧力によりこの自己潤滑被膜を溶解させる。これにより、液体潤滑効果が発生し金型自身が自己潤滑性を有することで、耐摩耗性と耐焼き付き性、被削性を改善する。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。下記表２に本願第１発明の実施例及び比較例の冷間工具鋼の組成を、下記表３に本願第１発明の実施例及び比較例の熱間工具鋼の組成を示す。なお、下記表２及び表３において、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。下記表２及び表３に示す組成の供試材は、通常の製鋼法で溶製し、鍛錬比が４以上で鍛造したものを放冷して得た。そして、これらの供試材を、８００乃至９００℃の温度で焼きなました後、９００乃至１１８０℃の油冷温度で焼入れを行い、更に２００乃至６５０℃で焼戻して、ロックウエル硬度で４０乃至６４ＨＲＣにした。

下記表４に各供試材における介在物の清浄度、粒径が１０．０μｍを超える介在物の面積率、炭化物の最大粒径及び面積率を示す。介在物の清浄度は、ＪＩＳ規格におけるＧ０５５５にて測定した。また、介在物及び炭化物の粒径は、表面、中心において１ｍｍ^２の視野内を４００倍の顕微鏡にて最大の介在物及び炭化物を探し、その顕微鏡写真から求めた。更に、介在物及び炭化物の面積率は、シュウ酸によりその表面を腐食させた後、１０００倍で顕微鏡写真を撮影し、その１ｍｍ^２を画像解析することにより求めた。なお、下記表４に示す炭化物の面積率は、実施例１乃至１２及び比較例１乃至５の冷間工具鋼については、粒径が３乃至３００μｍの炭化物の面積率であり、実施例１３乃至２０及び比較例６乃至１１の熱間工具鋼については全炭化物の面積率である。

次に、各供試材の耐摩耗性及び被削性を評価すると共に、摩耗試験中に、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を主体とする酸化物からなる自己潤滑被膜、又は、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物と酸化鉄との複合酸化物からなる自己潤滑被膜が生成し、この自己潤滑被膜が溶融して溶融酸化物になったかどうか、即ち、これらの溶融酸化物の有無について調べた。被削性試験は、２枚刃のエンドミルで供試材の側面切削を行い、切り込み量が１５ｍｍ、切削幅が１ｍｍ、切削速度が２１ｍ／分、送り速度が９４ｍｍ／分、回転数が６７０回転／分、１刃当たりの送り量が０．０７０ｍｍ／刃の条件で行った。

被削性評価は、切削長さが６ｍのときのエンドミル工具の焼け具合で評価した。評価は◎がいちばん優れているとし○、△、×、の順で優れているとする。摩耗量が少なく、工具が焼けていない場合は◎の評価、摩耗量又は焼け具合のどちらかが若干劣る場合は○、又は△の評価、摩耗量及び焼け具合が最悪の場合は×と判定した。

摩耗試験は大越式摩耗試験機を使用した。図５は大越式摩耗試験機の模式図である。摩耗試験は、ロックウエル硬度４５ＨＲＣに熱処理したＪＩＳ規格Ｇ４８０５において規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ２（以下、ＳＵＪ２という）を相手材とし、０．３ｍ／秒及び１．９６ｍ／秒で回転させ、最終荷重６１．７Ｎをかけ、外周の長さで４００ｍ擦動させた後、各供試材の摩耗量を測定した。その際、摩耗痕の大きさからその体積を求めて摩耗量とした。

具体的には、図５に示すように、ＳＵＪ２である相手材３１のリングを回転させながら、供試材３２を摩耗させた。このときの摩耗痕深さｈと摩耗痕幅ｂとの間には、下記数式１に示す関係がある。

また、供試材３２の摩耗体積は、半月円の部分の体積となるため、下記数式２に示す関係式が幾何学的な計算によって求められる。

更に、２つの固体が面積Ｓで接触し、そのときの接触圧力をＰとすると、微小距離ｄＬだけ滑る時の摩耗量ｄＷは、下記数式３で表される。

ここで、Ｗｓは被摩耗材料に対する摩耗特性を表す比例定数であるため、これを比摩耗量とし、このＷｓによって評価した。

また、溶融酸化物の有無は、摩耗試験中に発生した摩耗粉を採取し、不純物を除去するためにアセトンにて超音波洗浄後、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）にてその形状を確認した。そして、その摩耗粉の形状が、凹凸が少なく球状の形状であれば酸化被膜が溶融して溶融酸化物が形成されたものとし、凹凸が激しい形状である場合は酸化被膜が溶融せず溶融酸化物が形成されなかったと判断した。その結果、３０個の摩耗粉を採取し、その中に含まれる凹凸が少なく球状に近い形状の摩耗粉の割合が３０％未満であれば×とし、３０％以上６０％未満であれば△、６０％以上８０％未満であれば△、８０％以上であれば◎と判断した。以上の評価結果を下記表５にまとめて示す。

上記表５に示すように、最大粒径が２．８μｍと小さく、炭化物の面積が少なく、更に、潤滑被膜に必要な元素であるＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏが少ない比較例１の冷間工具鋼は、安定した自己潤滑被膜が形成されず、耐摩耗性及び被削性が劣っていた。また、比較例２乃至５の冷間工具鋼は、Ｃｒ含有量が多いため酸化被膜は成形されやすいが、最大炭化物が３２０μｍ以上と大きいため、自己潤滑被膜が形成されない領域が多く、焼き付きが発生しやすくなり、耐摩耗性が劣っていた。一方、炭化物の大きさを３００μｍ以下とし、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｏ等の含有量を本発明の範囲内とした実施例１乃至５の冷間工具鋼は、比較例１乃至５の冷間工具鋼よりも耐摩耗性及び被削性が優れていた。更に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｅ及びＺｒを添加した実施例６乃至１２の冷間工具鋼は、自己潤滑被膜が安定化して、耐摩耗性が大幅に向上した。

比較例６乃至１１の熱間工具鋼は、Ｏ含有量が０．０１００質量％以上であるため、非金属介在物含有量が多い。また、比較例６、８及び９の熱間工具鋼は自己潤滑被膜を生成及び安定化させるために重要なＣｕ、Ｎｉ及びＣｏの総含有量が０．９質量％と多く、比較例１０及び１１の熱間工具鋼は、Ｔｉ、Ｃｅ及びＺｒの総量が０．１１質量％以上と多いため、鋼材を製造中に酸化物系介在物を多く生成するため、自己潤滑被膜形成時に効果を発揮しない。このため、自己潤滑被膜が母材から剥離しやすく、耐摩耗性及び焼き付き性に効果がない。一方、実施例１３乃至１９の熱間工具鋼は、Ｏ含有量が少なく、自己潤滑被膜を形成する元素であるＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｚｒ及びＡｌを添加しているため、安定した自己潤滑被膜が生成され、前述の比較例６乃至１１の熱間工具鋼よりも、耐摩耗性、耐焼き付き性及び被削性が優れていた。

また、溶融酸化物の有無については、比較例１乃至５の冷間工具鋼及び比較例６乃至１１の熱間工具鋼の摩耗粉は、Ｃｒ又はＦｅを主体としたもので、いずれも凹凸が激しい形状である場合あったが、実施例１乃至１２の冷間工具鋼及び実施例１３乃至２０の熱間工具鋼の摩耗粉は、Ａｌ、Ｓｉ及びＦｅを主体とした酸化物であり、いずれも凹凸が少なく球状であった。図６（ａ）は実施例７及び比較例２の冷間工具鋼における摩耗粉の形態を示すＳＥＭ写真（倍率：１１５倍）であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す摩耗粉ＡのＳＥＭ写真（倍率：６００倍）であり、図６（ｃ）は摩耗粉ＢのＳＥＭ写真（倍率：６００倍）であり、図６（ｄ）は摩耗粉ＣのＳＥＭ写真（倍率：６００倍）である。なお、図６（ａ）に示す摩耗粉Ａは比較例２の冷間工具鋼の摩耗試験初期の摩耗粉であり、摩耗粉Ｂは比較例２の冷間工具鋼の摩耗試験末期の摩耗粉であり、摩耗粉Ｃは実施例７の冷間工具鋼の摩耗粉である。例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に示す比較例２の冷間工具鋼の摩耗試験初期の摩耗粉Ａは、削りとられた切り屑に近い形状であったが、図６（ａ）及び（ｃ）に示す摩耗試験末期の摩耗粉Ｂは、接触面が加熱され酸化物に近い形状になった。一方、本発明の範囲内である実施例７の冷間工具鋼は、図６（ａ）及び（ｄ）に示すように、球状であり、溶融後瞬時に冷却されることにより形成された摩耗粉であった。

図７（ａ）は実施例７及び比較例２の冷間工具鋼における摩耗粉の形態を示すＳＥＭ写真（倍率：１００倍）であり、図７（ｂ）はその中に含まれるＣをＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectroscopy：エネルギー分散型Ｘ線分光法）により分析した結果であり、図７（ｃ）はＮのＥＤＸ分析結果であり、図７（ｄ）はＯのＥＤＸ分析結果であり、図７（ｅ）はＣｒのＥＤＸ分析結果であり、図７（ｆ）はＭｇのＥＤＸ分析結果であり、図７（ｇ）はＡｌのＥＤＸ分析結果であり、図７（ｈ）はＳｉのＥＤＸ分析結果である。図７（ｂ）乃至（ｈ）に示すように、比較例２の熱間工具鋼の摩耗粉Ａ及び摩耗粉Ｂは、Ｆｅ及びＣｒを主成分とした酸化物及び窒化物であった。一方、実施例７の熱間工具鋼の摩耗粉Ｃは、Ｆｅ、Ａｌ及びＳｉを主成分とした酸化物及び窒化物であった。このように、鋼材にＡｌ、Ｓｉを含有させることにより、金型等の工具の表面に、加工中に発生する熱により溶融する酸化被膜、即ち、自己潤滑被膜を形成することができるようになり、その摩耗量を従来の工具鋼の（１／１０）乃至（１／３）程度に軽減することができることができた。

鋼材表面の一般的な酸化を表す模式図である。鋼材中に酸化抑制元素を含有させた場合の鋼材表面の酸化状態を表す模式図である。（ａ）乃至（ｃ）は金型の焼き付き発生工程をその工程順に示す断面図であり、（ｄ）は（ｂ）の拡大断面図である。（ａ）乃至（ｃ）は自己潤滑被膜による摩耗抑制機構をその工程順に示す模式図である。大越式摩耗試験機の正面及び側面図である。（ａ）は摩耗粉の形状を示すＳＥＭ写真（倍率：１１５倍）であり、（ｂ）は（ａ）に示す摩耗粉ＡのＳＥＭ写真であり（倍率：６００倍）、（ｃ）は（ａ）に示す摩耗粉ＢのＳＥＭ用写真であり（倍率：６００倍）、（ｄ）は（ａ）に示す摩耗粉ＣのＳＥＭ写真である（倍率：６００倍）。（ａ）は摩耗粉の形状を示すＳＥＭ写真（倍率：１００倍）であり、（ｂ）はその中に含まれるＣをＥＤＸにより分析した結果であり、（ｃ）はＮのＥＤＸ分析結果であり、（ｄ）はＯのＥＤＸ分析結果であり、（ｅ）はＣｒのＥＤＸ分析結果であり、（ｆ）はＭｇのＥＤＸ分析結果であり、（ｇ）はＡｌのＥＤＸ分析結果であり、（ｈ）はＳｉのＥＤＸ分析結果である。

符号の説明

１；自己潤滑被膜
２；母材
３；酸化抑制元素
１０；被加工鋼材
１１、２１；下部金型
１２、２２；上部金型
１３、２３；高温部
１４；焼き付き部
２４；自己潤滑被膜
２４ａ；溶融酸化物
３１；相手材
３２；供試材

Claims

冷間工具鋼用の自己潤滑性を有する工具鋼において、Ｃ：０．８乃至１．６０質量％、Ｓｉ：０．３０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％、Ｓ：０．０５０乃至０．０９０質量％、Ｃｒ：６．０乃至１３．０質量％、２Ｍｏ＋Ｗ：０．１０乃至３．００質量％、Ｖ：０．２０乃至３．００質量％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：０．２０乃至０．８０質量％を含有し、更に、Ｏ：０．０００５乃至０．００８０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．００８乃至０．８００質量％及びＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒ：（総量で）０．００１乃至０．１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、粒径が３００μｍを超える炭化物が存在せず、粒径が３乃至３００μｍの炭化物が面積率で３％以上であることを特徴とする自己潤滑性を有する工具鋼。
熱間工具鋼用の自己潤滑性を有する工具鋼において、Ｃ：０．２５乃至０．４２質量％、Ｓｉ：０．８０乃至２．００質量％、Ｍｎ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｐ：０．００１乃至０．０３０質量％、Ｓ：０．０３０乃至０．０４５質量％、Ｃｒ：４．６０乃至４．９０質量％、２Ｍｏ＋Ｗ：２．４０乃至３．６０質量％、Ｖ：０．２０乃至０．９０質量％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ：０．２０乃至０．８０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、粒径が３μｍを超える炭化物が存在せず、炭化物の面積率が５％以下であり、非金属介在物の清浄度がＪＩＳＧ０５５５で規定するｄＡ６０×４００において０．０２０％以下、ｄ（Ｂ＋Ｃ）６０×４００において０．００３乃至０．０１５％であると共に、粒径が１０．０μｍを超える非金属介在物の面積率が０．００４％以下であることを特徴とする自己潤滑性を有する工具鋼。
Ｏ：０．０００５乃至０．００８０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．００８乃至０．８００質量％及びＴｉ＋Ｃｅ＋Ｚｒ：（総量で）０．００１乃至０．１００質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項２に記載の自己潤滑性を有する工具鋼。
金型用工具鋼であって、金型として使用した際に発生する摩擦熱により、融点が１２００℃以下で、熱膨張係数が１１．０乃至１２．８Ｋ^−１であり、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を主体とする酸化物からなる自己潤滑被膜を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自己潤滑性を有する工具鋼。
金型用工具鋼であって、金型として使用した際に発生する摩擦熱により、融点が１２００℃以下で、熱膨張係数が１１．０乃至１２．８Ｋ^−１であり、Ｓｉ、Ａｌ及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物と酸化鉄との複合酸化物からなる自己潤滑被膜を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自己潤滑性を有する工具鋼。