JP7061263B2 - Cold tool material and cold tool manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、プレス金型や鍛造金型、転造ダイス、金属刃物といった多種の冷間工具に最適な冷間工具材料と、それを用いた冷間工具の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a cold tool material most suitable for various cold tools such as a press die, a forging die, a rolling die, and a metal blade, and a method for manufacturing the cold tool using the cold tool material.
冷間工具は、硬質の被加工材と接触しながら使用されるため、その接触に耐え得る硬さを備えている必要がある。そして、従来、冷間工具材料には、例えばJIS鋼種であるSKD10やSKD11系の合金工具鋼が用いられていた。また、更なる硬さ向上の要求に応えて、上記の合金工具鋼の成分組成を改良した合金工具鋼が提案されている(特許文献1)。これらの冷間工具材料に焼入れ焼戻しを行うことで、冷間工具の硬さを向上することができる。 Since the cold tool is used while in contact with a hard workpiece, it must have a hardness that can withstand the contact. Conventionally, as the cold tool material, for example, JIS steel grades SKD10 and SKD11-based alloy tool steels have been used. Further, in response to the demand for further improvement in hardness, an alloy tool steel having an improved composition of the above alloy tool steel has been proposed (Patent Document 1). By quenching and tempering these cold tool materials, the hardness of the cold tool can be improved.
最近、被加工材に引張強度が1GPaを超える「超ハイテン」が多用され、それに伴って冷間工具への負荷も増大する傾向にある。このようなときに、上記の焼入れ温度を高くしたり、焼戻し温度を選択したりする等して、冷間工具の硬さを高く調整することができる。そして、冷間工具の硬さを、例えば、その冷間工具材料が達成できる「最高硬さ」まで調整することもあり得る。しかし、そのような場合、冷間工具の靱性が低下して、使用中の工具に欠けや割れが生じやすく、工具寿命が低下する。また、焼入れ温度を高めた場合には、その温度が汎用的な冷間工具材料の焼入れ温度(例えば、SKD10やSKD11の焼入れ温度は1000~1050℃前後である。)よりも高くなると、汎用的な冷間工具材料と同じバッチ式炉で同時に熱処理することができず、生産効率が悪い。 Recently, "ultra-high-tensile steel" having a tensile strength of more than 1 GPa is frequently used as a work material, and the load on a cold tool tends to increase accordingly. In such a case, the hardness of the cold tool can be adjusted to be high by increasing the quenching temperature or selecting the tempering temperature. Then, the hardness of the cold tool may be adjusted to, for example, the "maximum hardness" that the cold tool material can achieve. However, in such a case, the toughness of the cold tool is lowered, the tool in use is liable to be chipped or cracked, and the tool life is shortened. Further, when the quenching temperature is increased, when the temperature becomes higher than the quenching temperature of a general-purpose cold tool material (for example, the quenching temperature of SKD10 or SKD11 is around 1000 to 1050 ° C.), it is general-purpose. It is not possible to heat heat at the same time in the same batch type furnace as the cold tool material, and the production efficiency is poor.
本発明の目的は、硬さが高く、かつ、そのときの靱性にも優れた冷間工具を作製することができる冷間工具材料を提供することである。また、上記の高い硬さを、汎用的な焼入れ温度で達成することが可能な冷間工具材料を提供することである。そして、この冷間工具材料を用いた冷間工具の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a cold tool material capable of producing a cold tool having high hardness and excellent toughness at that time. It is also an object of the present invention to provide a cold tool material capable of achieving the above-mentioned high hardness at a general-purpose quenching temperature. Then, it is to provide the manufacturing method of the cold tool using this cold tool material.
本発明は、質量%で、C:0.65%以上0.80%未満、Si:0.2~0.9%、Mn:0.1~1.5%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Cr:5.0~7.0%、MoおよびWは単独または複合で(Mo+1/2W):2.5~4.0%、V:0.10~0.30%、N:0.03%を超えて0.08%以下、Ni:0~1.0%、Nb:0~1.5%、残部がFeおよび不純物である成分組成を有し、
断面の組織に占める、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aの面積率が、1.0~3.0面積%であり、
上記の断面の組織の、炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、円相当径が0.1μmを超えて2.0μm以下の炭化物Bの個数密度が、6.0×105個/mm2以上9.0×105個/mm2未満であり、円相当径が0.1μmを超えて0.4μm以下の炭化物Cの個数密度が、5.0×105個/mm2以上7.5×105個/mm2未満である冷間工具材料である。
好ましくは、上記した炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、炭化物Bの個数に占める、炭化物Cの個数の割合が、75.0%以上である冷間工具材料である。
In the present invention, in terms of mass%, C: 0.65% or more and less than 0.80%, Si: 0.2 to 0.9%, Mn: 0.1 to 1.5%, P: 0.05% or less. , S: 0.05% or less, Cr: 5.0 to 7.0%, Mo and W alone or in combination (Mo + 1 / 2W): 2.5 to 4.0%, V: 0.10 to 0 It has a component composition of .30%, N: more than 0.03% and 0.08% or less, Ni: 0 to 1.0%, Nb: 0 to 1.5%, and the balance is Fe and impurities.
The area ratio of carbide A having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm in the structure of the cross section is 1.0 to 3.0 area%.
In the region of the structure of the above cross section, 90 μm in length and 90 μm in width, which does not contain carbide A, the number density of carbide B having a circle equivalent diameter of more than 0.1 μm and 2.0 μm or less is 6.0 × 10 5 pieces / The number density of carbides C of mm 2 or more and 9.0 × 10 5 pieces / mm 2 or less, and the equivalent circle diameter is more than 0.1 μm and 0.4 μm or less is 5.0 × 10 5 pieces / mm 2 or more. 7.5 × 10 5 pieces / mm Cold tool material less than 2 .
Preferably, it is a cold tool material in which the ratio of the number of carbides C to the number of carbides B is 75.0% or more in the above-mentioned region of 90 μm in length and 90 μm in width which does not contain carbides A.
そして、本発明は、上記した本発明の冷間工具材料に、焼入れ温度が1000~1050℃の焼入れと、焼戻し温度が150~600℃の焼戻しを行って、硬さを58HRC以上に調整する冷間工具の製造方法である。 Then, in the present invention, the above-mentioned cold tool material of the present invention is quenched at a quenching temperature of 1000 to 1050 ° C. and tempered at a tempering temperature of 150 to 600 ° C. to adjust the hardness to 58 HRC or more. This is a method for manufacturing interstitial tools.
本発明によれば、硬さが高く、かつ、そのときの靱性にも優れた冷間工具を提供することができる。また、上記の高い硬さを、汎用的な焼入れ温度で達成することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a cold tool having high hardness and excellent toughness at that time. Further, the above-mentioned high hardness can be achieved at a general-purpose quenching temperature.
本発明者は、焼入れ焼戻し後の硬さに影響を及ぼす、冷間工具材料の組織中の因子を調査した。その結果、冷間工具材料の組織中に存在する炭化物の中で、次の焼入れ時に基地中に固溶する“固溶炭化物”の分布状態が、焼入れ焼戻し時の硬さに大きく影響を及ぼしていることを知見した。そして、上記の固溶炭化物の分布状態を調整することで、焼入れ焼戻しのときの焼入れ温度を過剰に高めなくても、高い焼戻し硬さが得られることを見いだした。 The present inventor investigated the factors in the structure of cold tool materials that affect the hardness after quenching and tempering. As a result, among the carbides existing in the structure of the cold tool material, the distribution state of the "solid solution carbide" that dissolves in the substrate at the next quenching has a great influence on the hardness at the time of quenching and tempering. It was found that there was. Then, it was found that by adjusting the distribution state of the above-mentioned solid solution carbide, high tempering hardness can be obtained without excessively increasing the quenching temperature at the time of quenching and tempering.
そして、焼入れ焼戻し後の靭性については、冷間工具材料の組織中に存在する炭化物の中で、次の焼入れ時に基地中に固溶しない“未固溶炭化物”の存在が、それに影響を及ぼしていることを知見した。つまり、冷間工具材料に含まれる未固溶炭化物は、焼入れ焼戻し後の冷間工具の組織にも残って、これが冷間工具の表面付近での破壊の起点となる。そして、この破壊の起点となる作用は、特に、冷間工具の硬さが高いときに、敏感に生じやすい。よって、冷間工具の硬さが高いときに、上記の未固溶炭化物の量が多いと、冷間工具に早期の欠けや割れが生じるやすいことを見いだした。
以下に、本発明の各構成要件について説明する。
Regarding the toughness after quenching and tempering, among the carbides existing in the structure of the cold tool material, the presence of "unsolid solution carbide" that does not dissolve in the substrate at the time of the next quenching affects it. It was found that there was. That is, the unsolid solution carbide contained in the cold tool material remains in the structure of the cold tool after quenching and tempering, and this becomes the starting point of fracture near the surface of the cold tool. The action that is the starting point of this fracture tends to occur sensitively, especially when the hardness of the cold tool is high. Therefore, it has been found that when the hardness of the cold tool is high and the amount of the above-mentioned undissolved carbide is large, the cold tool is likely to be chipped or cracked at an early stage.
Hereinafter, each constituent requirement of the present invention will be described.
(1)<本発明の冷間工具材料は、質量%(以下、単に「%」と表記する。)で、C:0.65%以上0.80%未満、Si:0.2~0.9%、Mn:0.1~1.5%、P:0.05%以下、S:0.05%以下、Cr:5.0~7.0%、MoおよびWは単独または複合で(Mo+1/2W):2.5~4.0%、V:0.10~0.30%、N:0.03%を超えて0.08%以下、Ni:0~1.0%、Nb:0~1.5%、残部がFeおよび不純物である成分組成を有するものである。> (1) <The cold tool material of the present invention has a mass% (hereinafter, simply referred to as "%"), C: 0.65% or more and less than 0.80%, Si: 0.2 to 0. 9%, Mn: 0.1 to 1.5%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, Cr: 5.0 to 7.0%, Mo and W are alone or in combination ( Mo + 1 / 2W): 2.5 to 4.0%, V: 0.10 to 0.30%, N: more than 0.03% and 0.08% or less, Ni: 0 to 1.0%, Nb : 0 to 1.5%, having a component composition in which the balance is Fe and impurities. >
・C:0.65%以上0.80%未満
Cは、一部が基地中に固溶して基地に硬さを付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める、冷間工具材料の基本元素である。また、侵入型原子として固溶したCは、CrなどのCと親和性の大きい置換型原子と共に含有した場合に、I(侵入型原子)-S(置換型原子)効果(溶質原子の引きずり抵抗として作用し、冷間工具を高強度化する効果)も期待される。但し、過度の含有は、未固溶炭化物の増加による靭性の低下を招く。よって、0.65%以上0.80%未満とする。好ましくは0.7%以上である。より好ましくは0.74%以上である。また、好ましくは0.79%以下である。より好ましくは0.78%以下である。
-C: 0.65% or more and less than 0.80% C is partly dissolved in the base to give hardness to the base, and partly forms carbides to achieve wear resistance and seizure resistance. It is a basic element of cold tool material. Further, when C solid-solved as an penetrating atom is contained together with a substituted atom having a high affinity with C such as Cr, the I (penetrating atom) -S (substituted atom) effect (drag resistance of the solute atom). (The effect of increasing the strength of cold tools) is also expected. However, excessive content causes a decrease in toughness due to an increase in undissolved carbides. Therefore, it is set to 0.65% or more and less than 0.80%. It is preferably 0.7% or more. More preferably, it is 0.74% or more. Further, it is preferably 0.79% or less. More preferably, it is 0.78% or less.
・Si:0.2~0.9%
Siは、製鋼時の脱酸剤であるが、多過ぎると焼入性が低下する。また、焼入れ焼戻し後の冷間工具の靱性が低下する。また、Siは、冷間工具材料の出発材料となる鋼塊の作製段階において、Mo、Cと結合して、硬質で粗大な炭化物(M6C型炭化物)を形成しやすい。よって、0.9%以下とする。好ましくは0.8%以下、より好ましくは0.75%以下である。一方、Siには、工具組織中に固溶して、冷間工具の硬さを高める効果がある。よって、Siは、0.2%以上とする。好ましくは0.4%以上、より好ましくは0.6%以上である。
・ Si: 0.2-0.9%
Si is a deoxidizing agent during steelmaking, but if it is too much, the hardenability is lowered. In addition, the toughness of the cold tool after quenching and tempering is reduced. Further, Si tends to combine with Mo and C to form a hard and coarse carbide ( M6C type carbide) at the stage of producing a steel ingot which is a starting material of a cold tool material. Therefore, it should be 0.9% or less. It is preferably 0.8% or less, more preferably 0.75% or less. On the other hand, Si has the effect of increasing the hardness of the cold tool by dissolving it in the tool structure. Therefore, Si is set to 0.2% or more. It is preferably 0.4% or more, more preferably 0.6% or more.
・Mn:0.1~1.5%
Mnは、多過ぎると基地の粘さを上げて、材料の被削性を低下させる。よって、1.5%以下とする。好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.7%以下である。更に好ましくは0.5%以下である。
なお、Mnは、オーステナイト形成元素であり、焼入性を高める効果を有する。また、非金属介在物のMnSとして存在することで、被削性の向上に大きな効果がある。よって、Mnは、0.1%以上とする。好ましくは0.2%以上である。
-Mn: 0.1-1.5%
If the amount of Mn is too large, the viscosity of the substrate is increased and the machinability of the material is lowered. Therefore, it should be 1.5% or less. It is preferably 1.0% or less, more preferably 0.7% or less. More preferably, it is 0.5% or less.
Mn is an austenite-forming element and has an effect of enhancing hardenability. Further, since it exists as MnS of non-metal inclusions, it has a great effect on improving machinability. Therefore, Mn is set to 0.1% or more. It is preferably 0.2% or more.
・P:0.05%以下
Pは、通常、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料に不可避的に含まれ得る元素である。そして、焼戻しなどの熱処理時に旧オーステナイト粒界に偏析して、粒界を脆化させる元素である。したがって、冷間工具の靭性を向上するためには、添加する場合も含めて、0.05%以下に規制する。好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%以下である。
-P: 0.05% or less P is an element that can be inevitably contained in various cold tool materials without addition. Then, it is an element that segregates into the old austenite grain boundaries during heat treatment such as tempering and embrittles the grain boundaries. Therefore, in order to improve the toughness of cold tools, the percentage should be limited to 0.05% or less, including the case of addition. It is preferably 0.04% or less, more preferably 0.03% or less.
・S:0.05%以下
Sは、通常、添加を行わなくても、各種の冷間工具材料に不可避的に含まれ得る元素である。そして、冷間工具材料の作製に用いる素材の熱間加工性を劣化させて、熱間加工中に割れを生じさせる元素である。したがって、熱間加工性を向上するために、0.05%以下に規制する。好ましくは0.03%以下である。より好ましくは0.01%以下である。
なお、Sには、上記のMnと結合して、非金属介在物のMnSとして存在することで、被削性を向上する効果がある。この効果を得るためには、0.03%を超えて含有させてもよい。
-S: 0.05% or less S is an element that can be inevitably contained in various cold tool materials without addition. It is an element that deteriorates the hot workability of the material used for producing the cold tool material and causes cracks during the hot work. Therefore, in order to improve hot workability, it is restricted to 0.05% or less. It is preferably 0.03% or less. More preferably, it is 0.01% or less.
It should be noted that S has an effect of improving machinability by being combined with the above-mentioned Mn and existing as MnS of non-metal inclusions. In order to obtain this effect, it may be contained in excess of 0.03%.
・Cr:5.0~7.0%
Crは、焼入性を高める元素である。また、炭化物を形成して、冷間工具の耐摩耗性の向上に効果を有する元素である。そして、焼戻し軟化抵抗の向上にも寄与する、冷間工具材料の基本元素である。但し、過度の含有は、粗大な未固溶炭化物を形成して靱性の低下を招く。よって、Crは、5.0~7.0%とする。好ましくは5.5%以上であり、より好ましくは5.8%以上である。更に好ましくは6.0%以上であり、より更に好ましくは6.2%以上である。また、好ましくは6.9%以下であり、より好ましくは6.8%以下である。
-Cr: 5.0-7.0%
Cr is an element that enhances hardenability. It is also an element that forms carbides and is effective in improving the wear resistance of cold tools. It is also a basic element of cold tool material that contributes to the improvement of temper softening resistance. However, excessive content forms coarse undissolved carbides and causes a decrease in toughness. Therefore, Cr is set to 5.0 to 7.0%. It is preferably 5.5% or more, and more preferably 5.8% or more. It is more preferably 6.0% or more, and even more preferably 6.2% or more. Further, it is preferably 6.9% or less, and more preferably 6.8% or less.
・MoおよびWは単独または複合で(Mo+1/2W):2.5~4.0%
MoおよびWは、焼戻しにより微細炭化物を析出または凝集させて、冷間工具に強度を付与する元素である。MoおよびWは、単独または複合で含有させることができる。そして、この際の含有量は、WがMoの約2倍の原子量であることから、(Mo+1/2W)の式で定義されるMo当量で一緒に規定することができる(当然、いずれか一方のみの含有としても良いし、双方を共に含有することもできる)。そして、上記した効果を得るためには、(Mo+1/2W)の値で2.5%以上の含有量とする。好ましくは3.0%以上である。但し、多過ぎると被削性や靭性の低下を招くので、(Mo+1/2W)の値で4.0%以下とする。好ましくは3.6%以下である。より好ましくは3.5%以下である。
-Mo and W alone or in combination (Mo + 1 / 2W): 2.5-4.0%
Mo and W are elements that give strength to cold tools by precipitating or aggregating fine carbides by tempering. Mo and W can be contained alone or in combination. Since W has an atomic weight about twice that of Mo, the content at this time can be defined together by the Mo equivalent defined by the formula (Mo + 1 / 2W) (of course, either one). It may be contained only, or both may be contained). Then, in order to obtain the above-mentioned effect, the content is set to 2.5% or more at the value of (Mo + 1 / 2W). It is preferably 3.0% or more. However, if the amount is too large, the machinability and toughness will deteriorate, so the value of (Mo + 1 / 2W) should be 4.0% or less. It is preferably 3.6% or less. More preferably, it is 3.5% or less.
・V:0.10~0.30%
Vは、炭化物を形成して、基地の強化や耐摩耗性、焼戻し軟化抵抗を向上する効果を有する。そして、焼鈍組織中に分布したVの炭化物は、焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する“ピン止め粒子”として働き、靭性の向上にも寄与する。これらの効果を得るために、Vは0.10%以上とする。好ましくは0.12%以上、より好ましくは0.15%以上である。
但し、Vは、多過ぎると被削性の低下を招く。そして、粗大な未固溶炭化物を形成して靱性の低下を招くことから、本発明にとって上限の管理が重要な元素である。そして、Vは0.30%以下とする。好ましくは0.28%以下である。より好ましくは0.25%以下である。
・ V: 0.10 to 0.30%
V has the effect of forming carbides, strengthening the matrix, improving wear resistance, and tempering softening resistance. The carbides of V distributed in the annealed structure act as "pinning particles" that suppress the coarsening of austenite crystal grains during quenching and heating, and contribute to the improvement of toughness. In order to obtain these effects, V is set to 0.10% or more. It is preferably 0.12% or more, more preferably 0.15% or more.
However, if the amount of V is too large, the machinability is deteriorated. Further, since coarse undissolved carbide is formed and the toughness is lowered, it is an important element to control the upper limit for the present invention. Then, V is set to 0.30% or less. It is preferably 0.28% or less. More preferably, it is 0.25% or less.
・N(窒素):0.03%を超えて0.08%以下
Nは、Cr、VなどのNと親和性の大きい置換型原子と共に添加した場合、微細な炭化物あるいは炭窒化物を析出させて、耐摩耗性や耐焼付き性を高める元素である。但し、過度の添加は、粗大な窒化物あるいは炭窒化物の増加による靭性の低下を招く。よって、Nは、0.03%を超えて0.08%以下とする。好ましくは0.035%以上である。より好ましくは0.04%以上である。また、好ましくは0.07%以下である。より好ましくは0.06%以下である。
-N (nitrogen): More than 0.03% and 0.08% or less When N is added together with a substituted atom having a high affinity with N such as Cr and V, fine carbides or carbonitrides are precipitated. It is an element that enhances wear resistance and seizure resistance. However, excessive addition causes a decrease in toughness due to an increase in coarse nitride or carbonitride. Therefore, N is set to more than 0.03% and 0.08% or less. It is preferably 0.035% or more. More preferably, it is 0.04% or more. Further, it is preferably 0.07% or less. More preferably, it is 0.06% or less.
本発明の冷間工具材料の成分組成は、上記した元素種を含み、残部をFeおよび不純物とした成分組成とすることができる。そして、上記した元素種の他には、選択的に、下記の元素種の含有も可能である。 The component composition of the cold tool material of the present invention can be a component composition containing the above-mentioned elemental species and having the balance of Fe and impurities. In addition to the above-mentioned elemental species, the following elemental species can be selectively contained.
・Ni:0~1.0%
Niは、基地の粘さを上げて被削性を低下させる元素である。よって、Niの含有量は1.0%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.3%未満である。この0.3%未満のNiは、本発明の冷間工具材料の成分組成がNiを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある。
一方、Niは、工具組織中のフェライトの生成を抑制する元素である。また、冷間工具材料に優れた焼入性を付与し、焼入れ時の冷却速度が緩やかな場合でもマルテンサイト主体の組織を形成して、靭性の低下を防ぐことのできる効果的元素である。さらに、基地の本質的な靭性も改善するので、Niは0%でも良いが、本発明では必要に応じて含有してもよい。含有する場合、上記した1.0%を上限として、0.1%以上の含有が好ましい。より好ましくは0.3%以上である。また、より好ましくは0.8%以下である。
・ Ni: 0 to 1.0%
Ni is an element that increases the viscosity of the substrate and reduces the machinability. Therefore, the Ni content is preferably 1.0% or less. It is more preferably less than 0.5%, still more preferably less than 0.3%. This Ni of less than 0.3% is also a preferable upper limit of regulation when the component composition of the cold tool material of the present invention contains Ni as an impurity.
On the other hand, Ni is an element that suppresses the formation of ferrite in the tool structure. In addition, it is an effective element that imparts excellent hardenability to cold tool materials, forms a martensite-based structure even when the cooling rate during quenching is slow, and prevents deterioration of toughness. Further, since the intrinsic toughness of the matrix is also improved, Ni may be 0%, but in the present invention, it may be contained as needed. When it is contained, it is preferably 0.1% or more, with the above 1.0% as the upper limit. More preferably, it is 0.3% or more. Further, it is more preferably 0.8% or less.
・Nb:0~1.5%
Nbは、被削性の低下を招くので、1.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.9%以下、さらに好ましくは0.3%未満である。この0.3%未満のNbは、本発明の冷間工具材料の成分組成がNbを不純物として含有する場合の、好ましい規制上限でもある。
一方、Nbは、炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗性を向上する効果を有する。また、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、Vと同様、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する効果を有する。よって、Nbは、0%でも良いが、必要に応じて含有してもよい。含有する場合、上記した1.5%を上限として、0.1%以上の含有が好ましい。より好ましくは0.3%以上である。また、より好ましくは、1.0%以下である。
・ Nb: 0 to 1.5%
Since Nb causes a decrease in machinability, it is preferably 1.5% or less. It is more preferably 0.9% or less, still more preferably less than 0.3%. This Nb of less than 0.3% is also a preferable upper limit of regulation when the component composition of the cold tool material of the present invention contains Nb as an impurity.
On the other hand, Nb has the effect of forming carbides, strengthening the base and improving wear resistance. In addition, it has the effect of increasing the temper softening resistance and, like V, suppressing the coarsening of crystal grains and contributing to the improvement of toughness. Therefore, Nb may be 0%, but may be contained as needed. When it is contained, it is preferably 0.1% or more, with the above-mentioned 1.5% as the upper limit. More preferably, it is 0.3% or more. Further, it is more preferably 1.0% or less.
Cu、Al、Ti、Ca、Mg、O(酸素)は、不可避的不純物として鋼中に残留する可能性のある元素である。本発明の冷間工具材料の成分組成において、これら元素はできるだけ低い方が好ましい。しかし一方で、これら元素は、介在物の形態制御や、その他の機械的特性、そして製造効率の向上といった付加的な作用効果を得るために、少量を含有してもよい。この場合、Cu≦0.25%、Al≦0.25%、Ti≦0.03%、Ca≦0.01%、Mg≦0.01%、O≦0.01%の範囲であれば十分に許容でき、本発明の好ましい規制上限である。 Cu, Al, Ti, Ca, Mg and O (oxygen) are elements that may remain in steel as unavoidable impurities. In the composition of the cold tool material of the present invention, it is preferable that these elements are as low as possible. However, on the other hand, these elements may be contained in a small amount in order to obtain additional action effects such as morphological control of inclusions, other mechanical properties, and improvement of production efficiency. In this case, the range of Cu ≤ 0.25%, Al ≤ 0.25%, Ti ≤ 0.03%, Ca ≤ 0.01%, Mg ≤ 0.01%, O ≤ 0.01% is sufficient. It is acceptable and is the preferred regulatory upper limit of the present invention.
(2)<本発明の冷間工具材料は、その断面の組織に占める、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aの面積率が、1.0~3.0面積%のものである。> (2) <The cold tool material of the present invention has an area ratio of carbide A having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm in the structure of the cross section of 1.0 to 3.0 area%. >
冷間工具材料は、通常、鋼塊または鋼塊を分塊加工した鋼片でなる素材を出発材料として、これに様々な熱間加工や熱処理を行って所定の鋼材とし、この鋼材に焼鈍処理を施して、板形状やブロック形状に仕上げられる。このとき、上記の鋼塊は、一般的に、所定の成分組成に調整された溶鋼を鋳造して得られる。よって、鋼塊の鋳造組織中には、凝固開始時期の差異等に起因して(デンドライトの成長挙動に起因して)、大きな炭化物が集合した部位と、それに比して小さな炭化物が集合した部位(いわゆる、「負偏析」の部位)とが存在する。
このような鋼塊を熱間加工することで、上記の炭化物の集合は、熱間加工の延伸方向(つまり、材料の長さ方向)に延ばされて、かつ、その垂直方向(つまり、材料の厚さ方向)に圧縮される。そして、この熱間加工後の鋼材を焼鈍処理して得られた冷間工具材料の焼鈍組織において、上記の炭化物の分布様態は、大きな炭化物の集合でなる層と、小さな炭化物の集合でなる層とでなる、略縞状の様態となる(図1を参照)。図1において、濃色の基地中に確認される、専ら筋状に延びた“淡色の分散物”が炭化物である。
The cold tool material is usually made of a steel ingot or a steel piece obtained by ingoting a steel ingot, and various hot working or heat treatment is performed on the cold tool material to obtain a predetermined steel material, which is then annealed. It is finished in a plate shape or a block shape. At this time, the above-mentioned ingot is generally obtained by casting molten steel adjusted to a predetermined composition. Therefore, in the cast structure of the ingot, a part where large carbides are gathered and a part where small carbides are gathered due to the difference in solidification start time (due to the growth behavior of dendrites). (The so-called "negative segregation" site) exists.
By hot working such ingots, the aggregates of carbides are extended in the stretching direction of the hot working (ie, the length direction of the material) and in the vertical direction (ie, the material). Is compressed in the thickness direction of). In the annealed structure of the cold tool material obtained by annealing the hot-worked steel material, the above-mentioned distribution pattern of carbides is a layer composed of a large aggregate of carbides and a layer composed of a small aggregate of carbides. It becomes a substantially striped pattern (see FIG. 1). In FIG. 1, the "light-colored dispersion", which is found in the dark-colored base and extends exclusively in a streak, is the carbide.
そして、上記の焼鈍組織において、大きな炭化物は、専ら“未固溶炭化物”として機能し、焼入れ時の基地中に固溶せず、焼入れ焼戻し後の組織中に残って、冷間工具の耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、このような未固溶炭化物は、使用中の冷間工具に生じる引張方向の主応力に対して、その直交方向の長さの欠陥として作用することで、冷間工具の靱性の低下に直接的に影響する。そして、この直接的な影響は、冷間工具の基地の硬さが高いときに、その度合いが大きくなる。そこで、本発明では、焼入れ焼戻し前である冷間工具材料の断面の組織において、便宜上、円相当径が5.0μmを超える炭化物を未固溶炭化物として扱うことで、この大きな炭化物の量を適切に調整して付与すれば、硬さが高い冷間工具であっても、それの耐摩耗性を維持して、かつ、靱性の低下を抑制することができることを見いだした。 Then, in the above-mentioned annealed structure, the large carbide functions exclusively as "unsolidified carbide", does not dissolve in the base during quenching, remains in the structure after quenching and tempering, and wear resistance of the cold tool. Contributes to improving sex. However, such undissolved carbides act as defects in the length in the orthogonal direction with respect to the principal stress in the tensile direction generated in the cold tool in use, thereby reducing the toughness of the cold tool. It has a direct effect. And, this direct influence becomes large when the hardness of the base of the cold tool is high. Therefore, in the present invention, in the structure of the cross section of the cold tool material before quenching and tempering, for convenience, carbide having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm is treated as unsolidified carbide, so that the amount of this large carbide is appropriate. It was found that even if the cold tool has a high hardness, the wear resistance of the cold tool can be maintained and the decrease in toughness can be suppressed.
すなわち、本発明の冷間工具材料は、その断面の組織に占める、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aの面積率が、1.0~3.0面積%のものである。好ましくは1.3面積%以上であり、より好ましく1.5面積%以上である。さらに好ましく1.8面積%以上である。また、好ましくは2.8面積%以下であり、より好ましく2.6面積%以下である。さらに好ましく2.4面積%以下である。このような炭化物Aの分布形態は、上記の鋼塊を作製するときの鋳造工程等を操作することで、達成することが可能である。そして、このような炭化物Aの分布形態によって、冷間工具の硬さを高く調整したときであっても、その使用初期における欠けや割れの発生を抑制することができる。 That is, the cold tool material of the present invention has an area ratio of carbide A having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm in the structure of the cross section of 1.0 to 3.0 area%. It is preferably 1.3 area% or more, and more preferably 1.5 area% or more. More preferably, it is 1.8 area% or more. Further, it is preferably 2.8 area% or less, and more preferably 2.6 area% or less. More preferably, it is 2.4 area% or less. Such a distribution form of the carbide A can be achieved by manipulating the casting process or the like when producing the above-mentioned ingot. Further, due to the distribution form of the carbide A, it is possible to suppress the occurrence of chipping and cracking at the initial stage of use even when the hardness of the cold tool is adjusted to be high.
(3)<本発明の冷間工具材料は、その断面の組織の、炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、円相当径が0.1μmを超えて2.0μm以下の炭化物Bの個数密度が、6.0×105個/mm2以上9.0×105個/mm2未満であり、円相当径が0.1μmを超えて0.4μm以下の炭化物Cの個数密度が、5.0×105個/mm2以上7.5×105個/mm2未満のものである。> (3) <The cold tool material of the present invention is a carbide B having a circular equivalent diameter of more than 0.1 μm and 2.0 μm or less in a region of 90 μm in length and 90 μm in width which does not contain carbide A in the structure of the cross section. The number density of carbides C is 6.0 × 10 5 pieces / mm 2 or more and 9.0 × 10 5 pieces / mm less than 2 , and the equivalent circle diameter is more than 0.1 μm and 0.4 μm or less. , 5.0 × 10 5 pieces / mm 2 or more and 7.5 × 10 5 pieces / mm less than 2 . >
そして、上記の組織に含まれる炭化物には、上記の未固溶炭化物がある一方で、次工程の焼入れで基地中に固溶する“固溶炭化物”がある。そして、この固溶炭化物は、焼入れ焼戻し後の基地中の固溶炭素量を増やして、冷間工具の硬さを向上させる。そこで、本発明では、焼入れ焼戻し前の冷間工具材料の断面の組織において、便宜上、円相当径が5.0μm以下の炭化物を固溶炭化物として扱うことで、この円相当径の炭化物のみで構成される「縦90μm横90μm」の領域に注目した(例えば、図1中に示した実線による囲み部)。つまり、この「縦90μm横90μm」の領域が、上記の「小さな炭化物の集合でなる層」の領域に相当する。そして、この領域の炭化物分布が、本発明の「焼入れ温度を過剰に高めなくても、硬さが高い冷間工具を達成できる」という効果の確認に利用できることを見いだした。 The carbides contained in the above-mentioned structure include the above-mentioned undissolved carbides, while there are "solid-dissolved carbides" that are solid-dissolved in the substrate by quenching in the next step. Then, this solid solution carbide increases the amount of solid solution carbon in the substrate after quenching and tempering, and improves the hardness of the cold tool. Therefore, in the present invention, in the structure of the cross section of the cold tool material before quenching and tempering, for convenience, a carbide having a circle equivalent diameter of 5.0 μm or less is treated as a solid solution carbide, and the carbide is composed of only the carbide having a circle equivalent diameter. Attention was paid to the region of "90 μm in length and 90 μm in width" (for example, the part surrounded by the solid line shown in FIG. 1). That is, this region of "90 μm in length and 90 μm in width" corresponds to the region of the above-mentioned "layer made of aggregates of small carbides". Then, it was found that the carbide distribution in this region can be used for confirming the effect of the present invention that "a cold tool having high hardness can be achieved without excessively increasing the quenching temperature".
本発明者は、焼入れ焼戻し後の冷間工具の硬さに及ぼす、円相当径が5.0μm以下の炭化物の影響を調べた。その結果、これらの炭化物の中でも、円相当径が更に小さい「2.0μm以下」の炭化物(以下、炭化物Bと表記する)は、より固溶しやすいことを知見した。そして、円相当径が「0.4μm以下」の極めて微細な炭化物(以下、炭化物Cと表記する)は、特に固溶しやすいことを知見した。そして、このような小さな炭化物は、上記の鋼塊を作製するときの鋳造工程等を操作することで、冷間工具材料の組織中に均一に分布させやすいことを見いだした。冷間工具材料の組織において、固溶しやすい炭化物が、しかも均一に分布していれば、焼入れ焼戻し後の冷間工具において、その組織中の固溶炭素量も、偏りなく、全体的に増やすことができる。その結果、焼入れ温度を過剰に上げなくても、高い硬さを達成することができる。 The present inventor investigated the effect of carbides having a circular equivalent diameter of 5.0 μm or less on the hardness of the cold tool after quenching and tempering. As a result, it was found that among these carbides, carbides having a smaller circle-equivalent diameter of "2.0 μm or less" (hereinafter referred to as carbide B) are more likely to dissolve in solid solution. Then, it was found that extremely fine carbides having a circle equivalent diameter of "0.4 μm or less" (hereinafter referred to as carbide C) are particularly easy to dissolve in solid solution. Then, it was found that such small carbides can be easily distributed uniformly in the structure of the cold tool material by manipulating the casting process or the like when producing the above-mentioned ingot. If carbides that are easily dissolved in solid solution are uniformly distributed in the structure of the cold tool material, the amount of solid solution carbon in the structure of the cold tool after quenching and tempering is also increased as a whole without bias. be able to. As a result, high hardness can be achieved without excessively increasing the quenching temperature.
してみると、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aを含まない領域において、この領域に含まれる炭化物Bの個数を増やし、更には、この炭化物Bのうちでも、炭化物Cの個数を増やすことこそが、冷間工具材料の組織中における固溶炭化物の均一な分布に繋がって、かつ、焼入れ焼戻し後の冷間工具の組織中における固溶炭素量の偏りのない全体的な増加に繋がって、本発明の上記した効果の達成に効果的である。そして、本発明の場合、上記の炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、円相当径が0.1μmを超えて2.0μm以下の炭化物Bの個数密度が6.0×105個/mm2以上であり、円相当径が0.1μmを超えて0.4μm以下の炭化物Cの個数密度が5.0×105個/mm2以上である組織とすることで、本発明の上記した効果を達成することができる。なお、炭化物B、Cの大きさについて、その円相当径の下限値を0.1μmとしたのは、0.1μm以下の炭化物の特定が、計測上、正確性に欠け得るからである。 Then, in the region containing no carbide A having an equivalent circle diameter of more than 5.0 μm, the number of carbides B contained in this region is increased, and further, the number of carbides C is increased among the carbides B. This leads to a uniform distribution of solid-dissolved carbides in the structure of the cold tool material and to an unbiased overall increase in the amount of solid-dissolved carbon in the structure of the cold tool after quenching and tempering. Therefore, it is effective in achieving the above-mentioned effects of the present invention. In the case of the present invention, in the region of 90 μm in length and 90 μm in width which does not contain the above-mentioned carbide A, the number density of the carbides B having a circle equivalent diameter of more than 0.1 μm and 2.0 μm or less is 6.0 × 10 5 . The structure of the present invention is such that the number density of carbides C having a circle equivalent diameter of more than 0.1 μm and 0.4 μm or less is 5.0 × 10 5 pieces / mm 2 or more . The above effects can be achieved. Regarding the sizes of carbides B and C, the lower limit of the equivalent circle diameter is set to 0.1 μm because the identification of carbides of 0.1 μm or less may lack accuracy in measurement.
なお、炭化物Bの個数密度について、好ましくは6.3×105個/mm2以上であり、より好ましくは6.5×105個/mm2以上である。さらに好ましくは6.7×105個/mm2以上である。また、炭化物Cの個数密度について、好ましくは5.3×105個/mm2以上であり、より好ましくは5.5×105個/mm2以上である。さらに好ましくは5.7×105個/mm2以上であり、よりさらに好ましくは5.8×105個/mm2以上である。 The number density of the carbide B is preferably 6.3 × 10 5 pieces / mm 2 or more, and more preferably 6.5 × 10 5 pieces / mm 2 or more. More preferably, it is 6.7 × 10 5 pieces / mm 2 or more. Further, the number density of the carbide C is preferably 5.3 × 10 5 pieces / mm 2 or more, and more preferably 5.5 × 10 5 pieces / mm 2 or more. It is more preferably 5.7 × 10 5 pieces / mm 2 or more, and even more preferably 5.8 × 10 5 pieces / mm 2 or more.
但し、焼入れ焼戻し前の冷間工具材料の断面の組織において、小さな炭化物(固溶炭化物)は、被削性を損なう点で、多すぎないことが効果的である。よって、本発明では、炭化物Bの個数密度の上限を、9.0×105個/mm2未満とする。好ましくは8.5×105個/mm2以下である。より好ましくは8.0×105個/mm2以下である。また、炭化物Cの個数密度の上限を、7.5×105個/mm2未満とする。好ましくは7.0×105個/mm2以下である。より好ましくは6.5×105個/mm2以下である。
炭化物Cの個数密度が、炭化物Bの個数密度を超えることはない。そして、後述する炭化物Bの個数に占める、炭化物Cの個数の割合が、95.0%以下となる関係が現実的である。
However, in the structure of the cross section of the cold tool material before quenching and tempering, it is effective that the amount of small carbides (solid solution carbides) is not too large in that it impairs machinability. Therefore, in the present invention, the upper limit of the number density of the carbide B is set to less than 9.0 × 10 5 pieces / mm 2 . It is preferably 8.5 × 10 5 pieces / mm 2 or less. More preferably, it is 8.0 × 10 5 pieces / mm 2 or less. Further, the upper limit of the number density of the carbide C is set to less than 7.5 × 10 5 pieces / mm 2 . It is preferably 7.0 × 10 5 pieces / mm 2 or less. More preferably, it is 6.5 × 10 5 pieces / mm 2 or less.
The number density of carbide C does not exceed the number density of carbide B. Then, it is realistic that the ratio of the number of carbides C to the number of carbides B described later is 95.0% or less.
(4)<好ましくは、本発明の冷間工具材料は、上記した炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、炭化物Bの個数に占める、炭化物Cの個数の割合が、75.0%以上のものである。> (4) <Preferably, in the cold tool material of the present invention, the ratio of the number of carbides C to the number of carbides B is 75.0% in the above-mentioned region of 90 μm in length and 90 μm in width which does not contain carbides A. That is all. >
前述の(3)において、冷間工具材料の組織の、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aを含まない領域に分布させた微細な炭化物BおよびCは、これら炭化物のうちでも、より円相当径の小さい(つまり、より固溶しやすい)炭化物Cの個数が多いほど本発明の「焼入れ温度を過剰に高めなくても、硬さが高い冷間工具を達成できる」という効果の達成により有利である。そして、本発明の場合、炭化物Bの個数に占める、炭化物Cの個数の割合を、75.0%以上とすることが好ましい。そして、より好ましくは80.0%以上であり、さらに好ましくは85.0%以上である。また、この割合について、上限は特に要しないが、95.0%以下が現実的である。 In the above-mentioned (3), the fine carbides B and C distributed in the region of the structure of the cold tool material that does not contain carbide A having an equivalent circle diameter of more than 5.0 μm are more circular among these carbides. The larger the number of carbides C having a considerably smaller diameter (that is, easier to dissolve), the more the effect of the present invention "a cold tool with high hardness can be achieved without excessively increasing the quenching temperature" is achieved. It is advantageous. In the case of the present invention, the ratio of the number of carbides C to the number of carbides B is preferably 75.0% or more. And it is more preferably 80.0% or more, and further preferably 85.0% or more. Further, although an upper limit is not particularly required for this ratio, 95.0% or less is realistic.
炭化物Aの円相当径および面積率と、炭化物B、Cの円相当径および個数(個数密度)の測定手法の一例について説明しておく。
まず、冷間工具材料の断面組織を、例えば倍率200倍の光学顕微鏡で観察する。このとき、観察する断面は、冷間工具を構成することとなる冷間工具材料の中心部とすることができる。そして、観察する断面は、熱間加工の延伸方向(つまり、材料の長さ方向)に対して平行な断面であり、一具体的には、この平行な断面のうちで、TD方向(Transverse Direction;延伸直角方向)に垂直な断面(いわゆる、TD断面)である。このとき、冷間工具材料の形状が「円柱状」であるなら、上記のTD断面は、その円柱の軸心に対して平行な断面で定義される。そして、この断面において、例えば断面積が15mm×15mmの切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した断面とすることができる。図1(実施例で評価した本発明例の「冷間工具材料1」である。)は、本発明の冷間工具材料の一例について、上述の要領で得た断面組織の倍率200倍での光学顕微鏡写真である(視野面積0.58mm2)。
An example of a method for measuring the equivalent circle diameter and area ratio of carbide A and the equivalent circle diameter and number (number density) of carbides B and C will be described.
First, the cross-sectional structure of the cold tool material is observed with an optical microscope having a magnification of 200 times, for example. At this time, the cross section to be observed can be the central portion of the cold tool material that constitutes the cold tool. The cross section to be observed is a cross section parallel to the stretching direction of hot working (that is, the length direction of the material), and specifically, among these parallel cross sections, the Transverse Direction. It is a cross section (so-called TD cross section) perpendicular to the stretching perpendicular direction. At this time, if the shape of the cold tool material is "cylindrical", the above-mentioned TD cross section is defined as a cross section parallel to the axis of the cylinder. Then, in this cross section, for example, a cut surface having a cross section of 15 mm × 15 mm can be mirror-polished using diamond slurry and colloidal silica. FIG. 1 (“Cold tool material 1” of the example of the present invention evaluated in the examples) shows an example of the cold tool material of the present invention at a magnification of 200 times the cross-sectional structure obtained in the above-mentioned procedure. It is an optical micrograph (viewing area 0.58 mm 2 ).
・炭化物Aの円相当径および面積率
上記の断面組織を観察したとき、未固溶炭化物と基地との境界が明瞭になるように、10%ナイタールを用いて上記の断面を腐食する。そして、この腐食後の断面を倍率200倍の光学顕微鏡で観察して、上記の視野を20視野撮影する。図2は、腐食後の断面組織の光学顕微鏡写真である(未固溶炭化物は、白色の分布で示されている)。この組織写真を、既知の画像解析ソフト等によって画像処理することで、未固溶炭化物として、この断面組織中に観察される円相当径が5μmを超える炭化物Aを抽出する。そして、この炭化物Aの断面組織中に占める面積率を、20視野分の平均値として求めることができる。
-Circle equivalent diameter and area ratio of carbide A When observing the above cross-sectional structure, the above cross section is corroded with 10% nital so that the boundary between the unsolidified carbide and the matrix becomes clear. Then, the cross section after the corrosion is observed with an optical microscope having a magnification of 200 times, and the above field of view is photographed in 20 fields. FIG. 2 is an optical micrograph of the cross-sectional structure after corrosion (unsolidified carbides are shown in white distribution). By image processing this microstructure photograph with a known image analysis software or the like, carbide A having an equivalent circle diameter of more than 5 μm observed in the cross-sectional structure is extracted as unsolidified carbide. Then, the area ratio of the carbide A in the cross-sectional structure can be obtained as an average value for 20 fields of view.
・炭化物B、Cの円相当径および個数(個数密度)
まず、上記の断面組織から、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域を抽出する。このとき、円相当径が5.0μmを超えるような大きな炭化物は、光学顕微鏡の視野から容易に確認することができる(図1、2を参照)。そして、この確認した炭化物の円相当径は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。
-Circle equivalent diameter and number of carbides B and C (number density)
First, a region having a length of 90 μm and a width of 90 μm, which does not contain carbide A having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm, is extracted from the above cross-sectional structure. At this time, large carbides having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm can be easily confirmed from the field of view of the optical microscope (see FIGS. 1 and 2). Then, the circle-equivalent diameter of the confirmed carbide can be obtained by a known image analysis software or the like.
次に、上記にて抽出した縦90μm横90μmの領域(図1中に示した実線による囲み部)を、走査型電子顕微鏡(倍率3000倍)で観察し、この観察した視野をEPMAで分析して、C(炭素)の元素マッピング画像を得る。そして、このCの元素マッピング画像による分析結果に、炭化物を形成しているC量に基づいて、50カウント(cps)以上のCの検出強度を閾(しきい)値とした二値化処理を行い、断面組織の基地中に分布する炭化物を示した二値化画像を得る。
図4は、図1中に示した実線による囲み部の領域内について、上述の要領で得た、Cの元素マッピング画像である(視野面積30μm×30μm)。そして、図5は、図4を二値化処理して得た、上記の領域の炭化物分布を示す図である。図4、5において、Cおよび炭化物は、淡色の分布で示されている。
Next, the region of 90 μm in length and 90 μm in width (enclosed by the solid line shown in FIG. 1) extracted above was observed with a scanning electron microscope (magnification of 3000 times), and the observed visual field was analyzed by EPMA. Then, an element mapping image of C (carbon) is obtained. Then, based on the analysis result of the element mapping image of C, the binarization process is performed with the detection intensity of C of 50 counts (cps) or more as the threshold value based on the amount of C forming the carbide. This is done to obtain a binarized image showing the carbides distributed in the matrix of the cross-sectional structure.
FIG. 4 is an element mapping image of C obtained in the above-mentioned manner in the area surrounded by the solid line shown in FIG. 1 (visual field area 30 μm × 30 μm). Then, FIG. 5 is a diagram showing the carbide distribution in the above region obtained by binarizing FIG. 4. In FIGS. 4 and 5, C and carbides are shown in a light color distribution.
そして、「円相当径が5.0μmを超える炭化物Aを含まない」図5の炭化物分布から、各円相当径の炭化物B、Cを抽出して、この炭化物B、Cの個数、および、炭化物BとCとの存在割合を求めればよい。炭化物B、Cの円相当径や個数は、既知の画像解析ソフト等によって求めることができる。 Then, the carbides B and C having the corresponding circle diameters are extracted from the carbide distribution in FIG. 5 "excluding the carbides A having the equivalent circle diameter of more than 5.0 μm", and the number of the carbides B and C and the carbides are obtained. The abundance ratio of B and C may be obtained. The circle-equivalent diameter and the number of carbides B and C can be obtained by using known image analysis software or the like.
本発明の冷間工具材料の場合、上述した縦90μm横90μmの「小さな炭化物の集合でなる層」の領域において、円相当径が2.0μm以下のような小さな炭化物は、略均一の個数密度で分布している(図5を参照)。よって、本発明の効果を確認するにおいて、上述した縦90μm横90μmの領域から採取する元素マッピング画像は、一画像であり、かつ、30μm×30μmの面積があれば十分である(画素数:530×530)。そして、この元素マッピング画像の採取位置は、上述した領域から任意に選択すればよい。そして、このような一連の測定作業を、上述した「縦90μm横90μm」の領域とは別の、少なくとも2つの「縦90μm横90μm」の領域でも行って(計3領域)、以上の3領域のそれぞれから採取された「30μm×30μm」の面積の元素マッピング画像による上記の数値の結果を合計すれば、本発明の「焼入れ温度を過剰に高めなくても、硬さが高い冷間工具を達成できる」という効果を確認するのに十分である。 In the case of the cold tool material of the present invention, in the region of the above-mentioned "layer consisting of a collection of small carbides" having a length of 90 μm and a width of 90 μm, small carbides having a circular equivalent diameter of 2.0 μm or less have a substantially uniform number density. It is distributed in (see FIG. 5). Therefore, in confirming the effect of the present invention, it is sufficient that the element mapping image collected from the above-mentioned region of 90 μm in length and 90 μm in width is one image and has an area of 30 μm × 30 μm (number of pixels: 530). × 530). Then, the collection position of this element mapping image may be arbitrarily selected from the above-mentioned region. Then, such a series of measurement operations is performed in at least two "90 μm horizontal 90 μm" regions, which are different from the above-mentioned "90 μm vertical 90 μm" region (total 3 regions), and the above three regions are performed. By summing up the results of the above numerical values by the element mapping image of the area of "30 μm × 30 μm" collected from each of the above, the "cold tool with high hardness without excessively increasing the quenching temperature" of the present invention can be obtained. It is enough to confirm the effect of "achievable".
本発明の冷間工具材料の組織を得るには、出発材料となる鋼塊の作製段階において、その鋳造工程の進行具合を適切に管理することが重要である。例えば、鋳型に注ぐ直前の「溶鋼の温度」の調整が大切である。つまり、小さな炭化物(炭化物B、C)の個数を増やしたい上では、上記の溶鋼の温度を低めに管理することで、鋳型内の各位置における凝固開始時期の差異による溶鋼の局部的な濃化を軽減して、デンドライトの成長に起因する炭化物の粗大化を抑えることができる。しかし、上記の溶鋼の温度を低くしすぎると、大きな炭化物(炭化物A)の量が減少する。そして、本発明においては、上記の溶鋼の温度を、例えば、冷間工具材料の(融点+130℃)の前後の温度範囲で管理することが、本発明の冷間工具材料の組織を得るのに効果的である。 In order to obtain the structure of the cold tool material of the present invention, it is important to appropriately control the progress of the casting process at the stage of producing the steel ingot as the starting material. For example, it is important to adjust the "temperature of molten steel" just before pouring it into a mold. That is, in order to increase the number of small carbides (carbides B and C), by controlling the temperature of the molten steel to be low, the molten steel is locally thickened due to the difference in the solidification start time at each position in the mold. It is possible to suppress the coarsening of carbides caused by the growth of dendrites. However, if the temperature of the molten steel is too low, the amount of large carbide (carbide A) decreases. Then, in the present invention, controlling the temperature of the molten steel in a temperature range before and after (melting point + 130 ° C.) of the cold tool material, for example, is necessary to obtain the structure of the cold tool material of the present invention. It is effective.
そして、本発明の冷間工具材料の組織を得るには、その材料形状への熱間加工を終えた際の冷却過程を管理することも重要である。つまり、小さな炭化物(炭化物B、C)の個数を増やしたい上では、熱間加工を終えた素材(鋼材)を、その素材の温度が高い状態のままで次の焼鈍処理のための加熱工程に移るのではなくて、マルテンサイト変態が生じる温度(概ね300℃以下。好ましくは200℃以下)にまで“十分に”冷却して、その組織をマルテンサイト化させる作業が有効である。この十分な冷却によって、熱間加工中の組織に固溶した炭化物形成元素が、マルテンサイト変態時に微細な炭化物として析出する。この結果、焼鈍処理後の冷間工具材料の組織中において、上記した小さな炭化物の個数を増やすことができる。 In order to obtain the structure of the cold tool material of the present invention, it is also important to control the cooling process when the hot working on the material shape is completed. In other words, in order to increase the number of small carbides (carbides B and C), the material (steel material) that has been hot-worked is used in the heating process for the next annealing process while the temperature of the material remains high. Instead of transferring, it is effective to cool the structure "sufficiently" to a temperature at which martensitic transformation occurs (generally 300 ° C or lower, preferably 200 ° C or lower) to form the structure into martensite. By this sufficient cooling, the carbide-forming element dissolved in the structure during hot working is precipitated as fine carbide during martensitic transformation. As a result, the number of the above-mentioned small carbides can be increased in the structure of the cold tool material after the annealing treatment.
(5)<本発明の冷間工具の製造方法は、上述した本発明の冷間工具材料に、焼入れ温度が1000~1050℃の焼入れと、焼戻し温度が150~600℃の焼戻しを行って、硬さを58HRC以上に調整するものである。> (5) <In the method for manufacturing a cold tool of the present invention, the above-mentioned cold tool material of the present invention is quenched at a quenching temperature of 1000 to 1050 ° C. and tempered at a tempering temperature of 150 to 600 ° C. The hardness is adjusted to 58 HRC or more. >
冷間工具材料は、焼入れおよび焼戻しによって所定の硬さを有したマルテンサイト組織に調製されて、冷間工具の製品に整えられる。そして、冷間工具材料は、切削や穿孔といった各種の機械加工等によって、冷間工具の形状に整えられる。この機械加工のタイミングは、焼入れ焼戻し前の、材料の硬さが低い状態(つまり、焼鈍状態)で行うことが好ましい。さらに、この場合、焼入れ焼戻し後に仕上げの機械加工を行ってもよい。また、場合によっては、焼入れ焼戻しを行った後のプリハードン鋼の状態で、上記した仕上げの機械加工も合わせて、冷間工具の形状に機械加工してもよい。 The cold tool material is prepared into a martensite structure having a predetermined hardness by quenching and tempering, and is prepared into a cold tool product. Then, the cold tool material is adjusted to the shape of the cold tool by various machining such as cutting and drilling. The timing of this machining is preferably performed in a state where the hardness of the material is low (that is, in an annealed state) before quenching and tempering. Further, in this case, finishing may be performed after quenching and tempering. In some cases, the pre-hardened steel after quenching and tempering may be machined into the shape of a cold tool together with the above-mentioned finishing machining.
そして、本発明の冷間工具材料の場合、上述した成分組成と金属組織とを満たすことによって、汎用的な冷間工具材料の焼入れ温度で、58HRC以上の焼入れ焼戻し硬さを得ることができる。そして、具体的には、焼入れ温度が1000~1050℃の焼入れと、焼戻し温度が150~600℃の焼戻しとによって、58HRC以上の硬さを有する冷間工具を提供することができる。上記の焼入れ温度について、好ましくは1015℃以上である。また、好ましくは1035℃以下である。上記の焼戻し温度について、好ましくは180℃以上である。また、好ましくは540℃以下である。そして、上記の硬さについて、60HRC以上、62HRC以上、果ては64HRC以上にも及ぶ硬さを達成することもできる。なお、上限は特に要しないが、66HRC程度が現実的である。 In the case of the cold tool material of the present invention, by satisfying the above-mentioned composition and metal structure, it is possible to obtain a quenching tempering hardness of 58 HRC or more at the quenching temperature of a general-purpose cold tool material. Specifically, by quenching at a quenching temperature of 1000 to 1050 ° C. and tempering at a tempering temperature of 150 to 600 ° C., it is possible to provide a cold tool having a hardness of 58 HRC or more. The above quenching temperature is preferably 1015 ° C. or higher. Further, it is preferably 1035 ° C. or lower. The tempering temperature is preferably 180 ° C. or higher. Further, it is preferably 540 ° C. or lower. With regard to the above hardness, it is possible to achieve a hardness of 60 HRC or more, 62 HRC or more, and finally 64 HRC or more. The upper limit is not particularly required, but about 66 HRC is realistic.
本発明の冷間工具材料の組織は、例えば、焼鈍組織である。焼鈍組織とは、焼鈍処理によって得られる組織のことであり、硬さが、例えば、ブリネル硬さで150~255HBW程度に軟化された組織である。好ましくは240HBW以下である。そして、この焼鈍組織に、Cと、Cr、Mo、W、V等とが結合してなる炭化物が含まれており、これら炭化物に、上記の未固溶炭化物と固溶炭化物とがある。
そして、本発明の冷間工具材料であれば、焼入れの際、従来の焼入れ炉を用いて、SKD10やSKD11といった汎用的な冷間工具材料と同じバッチで混載して熱処理を行なうことができるので、経済的であり、熱処理に要するリードタイムを抑制することもできる。そして、この汎用的な焼入れ温度で、焼入れ焼戻し硬さが高い冷間工具を得ることができ、かつ、その高い硬さでの靱性にも優れるので、冷間工具の使用初期における欠けや割れの発生を抑制することができる。
The structure of the cold tool material of the present invention is, for example, an annealed structure. The annealed structure is a structure obtained by annealing treatment, and is a structure whose hardness is softened to, for example, about 150 to 255 HBW in Brinell hardness. It is preferably 240 HBW or less. The annealed structure contains carbides in which C is bonded to Cr, Mo, W, V and the like, and these carbides include the above-mentioned unsolidified carbides and solid-dissolved carbides.
The cold tool material of the present invention can be mixed and heat-treated in the same batch as general-purpose cold tool materials such as SKD10 and SKD11 by using a conventional quenching furnace at the time of quenching. It is economical, and the lead time required for heat treatment can be suppressed. At this general-purpose quenching temperature, a cold tool with high quenching and tempering hardness can be obtained, and the toughness at that high hardness is also excellent. Occurrence can be suppressed.
所定の成分組成に調整した溶鋼(融点:約1440℃、凝固完了温度:約1200℃)を鋳造して、表1の成分組成を有する素材1、2を準備した。このとき、鋳型への注湯前において、素材1、2の溶鋼の温度は1570℃に調整した。なお、素材1、2の鋳型への注湯後において、固相-液相の共存域(約240℃の域)の冷却時間は168分であった。素材1、2において、Cu、Al、Ti、Ca、Mg、Oは無添加であり(但し、Alは溶解工程における脱酸剤として添加した場合を含む。)、Cu≦0.25%、Al≦0.25%、Ti≦0.03%、Ca≦0.01%、Mg≦0.01%、O≦0.01%であった。 Molten steel (melting point: about 1440 ° C., solidification completion temperature: about 1200 ° C.) adjusted to a predetermined component composition was cast to prepare materials 1 and 2 having the component composition shown in Table 1. At this time, the temperature of the molten steel of the materials 1 and 2 was adjusted to 1570 ° C. before pouring into the mold. After pouring the materials 1 and 2 into the mold, the cooling time in the solid-solid phase coexistence region (range of about 240 ° C.) was 168 minutes. In the materials 1 and 2, Cu, Al, Ti, Ca, Mg, and O are not added (however, Al includes the case where Al is added as a deoxidizing agent in the dissolution step), Cu ≦ 0.25%, Al. ≤0.25%, Ti ≤ 0.03%, Ca ≤ 0.01%, Mg ≤ 0.01%, O ≤ 0.01%.
次に、これらの素材を1160℃に加熱して熱間加工を行い、熱間加工を行った後に放冷して、素材1、2の順に対応した、表2に示す寸法の鋼材1、2を得た(表2において、その長さ方向が、熱間加工の延伸方向である)。なお、熱間加工を行った後の冷却において、素材1は170℃まで十分に冷却した。そして、これらの鋼材に860℃の焼鈍処理を行って、鋼材1、2の順に対応した、冷間工具材料1、2を作製した(硬さ229HBW)。 Next, these materials are heated to 1160 ° C. for hot working, and after the hot working, they are allowed to cool, and the steel materials 1 and 2 having the dimensions shown in Table 2 corresponding to the materials 1 and 2 in that order are used. (In Table 2, the length direction thereof is the stretching direction of hot working). In the cooling after the hot working, the material 1 was sufficiently cooled to 170 ° C. Then, these steel materials were annealed at 860 ° C. to produce cold tool materials 1 and 2 corresponding to the steel materials 1 and 2 in that order (hardness 229HBW).
冷間工具材料1、2の中心部の、熱間加工の延伸方向(つまり、材料の長さ方向)に対して平行なTD断面(冷間工具材料2については、その周面から中心軸に向かって直径/4だけ入った位置のTD断面)より、断面積が15mm×15mmの切断面を採取し、この切断面をダイヤモンドスラリーとコロイダルシリカを用いて鏡面に研磨した。
この研磨した断面組織を、10%ナイタールを用いて腐食した。そして、この腐食後の断面を倍率200倍の光学顕微鏡で観察して(視野面積0.58mm2)、これを20視野撮影した。このうちの1視野について、図2、3に、冷間工具材料1、2の順で、その一例を示しておく。そして、この組織写真を画像処理することで、断面組織中に観察される円相当径が5μmを超える炭化物Aを抽出して、この炭化物Aの断面組織中に占める面積率を20視野分の平均値として求めた。なお、炭化物Aの円相当径や面積率を求めるための画像処理および解析には、アメリカ国立衛生研究所(NIH)が提供しているオープンソース画像処理ソフトウェアImageJ(http://imageJ.nih.gov/ij/)を用いた。結果を表3に示す。
TD cross section of the central part of cold tool materials 1 and 2 parallel to the stretching direction of hot working (that is, the length direction of the material) (for cold tool material 2, from its peripheral surface to the central axis) A cut surface having a cross-sectional area of 15 mm × 15 mm was collected from the TD cross section at a position containing only 4 of the diameter, and the cut surface was mirror-polished using a diamond slurry and parallel silica.
This polished cross-sectional structure was corroded with 10% nital. Then, the cross section after the corrosion was observed with an optical microscope having a magnification of 200 times (field of view area 0.58 mm 2 ), and this was photographed in 20 fields. An example of one of these fields of view is shown in FIGS. 2 and 3 in the order of cold tool materials 1 and 2. Then, by image processing this microstructure photograph, carbide A having a circular equivalent diameter of more than 5 μm observed in the cross-sectional structure is extracted, and the area ratio of the carbide A in the cross-sectional structure is averaged for 20 fields. Obtained as a value. For image processing and analysis for obtaining the circle equivalent diameter and area ratio of the charcoal A, the open source image processing software ImageJ (http://imageJ.nih.) Provided by the National Institutes of Health (NIH). gov / ij /) was used. The results are shown in Table 3.
次に、上記の研磨した断面組織から、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域を、それぞれ3領域抽出した。図1に、冷間工具材料1の、上記の領域の一例を示しておく(実線による囲み部)。そして、上記した個々の領域について、前述の要領に従って、円相当径が0.1μmを超えて2.0μm以下の炭化物Bの個数、円相当径が0.1μmを超えて0.4μm以下の炭化物Cの個数、および、炭化物Bの個数に占める炭化物Cの個数の割合を求めた。なお、炭化物B、Cの円相当径や個数を求めるための画像処理および解析にも、炭化物Aのときと同じ画像処理ソフトウェアを用いた。図4に、冷間工具材料1の、上記した領域内におけるCの元素マッピング画像を示しておく。図4の視野面積は30μm×30μmである。そして、その視野は、上記の縦90μm横90μmの領域を縦横3等分にして、9つの区画に分割したときの、その真ん中の区画のものである。そして、図5に、図4の元素マッピング画像を、50カウント(cps)のCの検出強度の閾値で二値化処理した画像を、示しておく。 Next, from the above-polished cross-sectional structure, three regions each having a length of 90 μm and a width of 90 μm, which did not contain carbide A having a circle-equivalent diameter of more than 5.0 μm, were extracted. FIG. 1 shows an example of the above-mentioned region of the cold tool material 1 (enclosed portion by a solid line). Then, for each of the above-mentioned regions, the number of carbides B having a circle-equivalent diameter of more than 0.1 μm and 2.0 μm or less and the carbides having a circle-equivalent diameter of more than 0.1 μm and 0.4 μm or less are obtained in accordance with the above-mentioned procedure. The number of C and the ratio of the number of carbide C to the number of carbide B were determined. The same image processing software as for carbide A was also used for image processing and analysis for determining the equivalent circle diameter and the number of carbides B and C. FIG. 4 shows an elemental mapping image of C in the above-mentioned region of the cold tool material 1. The visual field area in FIG. 4 is 30 μm × 30 μm. The field of view is the one in the middle of the 90 μm vertical and 90 μm horizontal regions divided into nine compartments. Then, FIG. 5 shows an image obtained by binarizing the element mapping image of FIG. 4 with the threshold value of the detection intensity of C of 50 counts (cps).
そして、個々の領域における上記の30μm×30μmの区画で求めた炭化物A、Bの個数を、抽出した3領域で合計して、冷間工具材料1、2の炭化物A、Bの個数とし、これらの値から炭化物A、Bの個数密度、および、炭化物A、Bの個数割合を求めた。結果を表3に示す。また、図6には、抽出した3領域で合計して求めた上記の冷間工具材料1、2の炭化物の個数(縦軸)を、その炭化物の円相当径の範囲毎(横軸)に纏めてプロットした図を示す。冷間工具材料1、2で抽出した上記の領域には、「円相当径が5.0μmを超える炭化物」は含まれていなかった。 Then, the numbers of carbides A and B obtained in the above 30 μm × 30 μm section in each region are totaled in the extracted three regions to obtain the number of carbides A and B of the cold tool materials 1 and 2. The number density of carbides A and B and the number ratio of carbides A and B were determined from the values of. The results are shown in Table 3. Further, in FIG. 6, the number of carbides (vertical axis) of the above-mentioned cold tool materials 1 and 2 obtained by totaling in the extracted three regions is divided into the range of the equivalent circle diameter of the carbides (horizontal axis). The figure plotted together is shown. The above-mentioned regions extracted with the cold tool materials 1 and 2 did not contain "carbides having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm".
断面組織を観察した後の冷間工具材料1、2に、1030℃からの焼入れと、500~560℃の焼戻しを行って、冷間工具材料1、2の順に対応した、マルテンサイト組織を有した冷間工具1、2を得た。そして、冷間工具1、2のそれぞれについて、焼戻し温度毎に、そのTD断面のロックウェル硬さ試験(Cスケール)を実施した。硬さは、各試料につき5点測定し、その平均値を求めた。その結果、全ての試料において、硬さは58HRC以上であった。そして、このうちの最高硬さは、冷間工具1が64.6HRC(焼戻し温度530℃)、冷間工具2が63.9HRC(焼戻し温度530℃)であった。 After observing the cross-sectional structure, the cold tool materials 1 and 2 are quenched from 1030 ° C and tempered at 500 to 560 ° C, and have a martensite structure corresponding to the cold tool materials 1 and 2 in that order. Cold tools 1 and 2 were obtained. Then, for each of the cold tools 1 and 2, a Rockwell hardness test (C scale) of the TD cross section was carried out for each tempering temperature. The hardness was measured at 5 points for each sample, and the average value was calculated. As a result, the hardness was 58 HRC or more in all the samples. The maximum hardness of these was 64.6 HRC (tempering temperature 530 ° C.) for the cold tool 1 and 63.9 HRC (tempering temperature 530 ° C.) for the cold tool 2.
そして、それぞれの最高硬さを有した冷間工具1、2より、10Rシャルピー衝撃試験片を材料の長さ方向に採取して(つまり、材料の長さと直交する方向に衝撃が加わる)、衝撃試験を実施した。衝撃値は、各試料につき3点測定し、その平均値を求めた。上記の硬さ試験とシャルピー衝撃試験の結果を表4に示す。
本発明例である冷間工具1の最高硬さは、比較例である冷間工具2のそれに比べて、やや高くなっており、64HRCを超えていた。そして、そのときの冷間工具1のシャルピー衝撃値は、最高硬さが冷間工具2のそれよりも高かったにもかかわらず、冷間工具2のシャルピー衝撃値より大きかった。
Then, a 10R Charpy impact test piece is collected from the cold tools 1 and 2 having the maximum hardness in the direction of the length of the material (that is, the impact is applied in the direction orthogonal to the length of the material). The test was carried out. The impact value was measured at 3 points for each sample, and the average value was calculated. The results of the above hardness test and Charpy impact test are shown in Table 4.
The maximum hardness of the cold tool 1 as an example of the present invention was slightly higher than that of the cold tool 2 as a comparative example, and exceeded 64 HRC. The Charpy impact value of the cold tool 1 at that time was larger than that of the cold tool 2 even though the maximum hardness was higher than that of the cold tool 2.
Claims (3)
断面の組織に占める、円相当径が5.0μmを超える炭化物Aの面積率が、1.0~3.0面積%であり、
前記断面の組織の、前記炭化物Aを含まない縦90μm横90μmの領域において、円相当径が0.1μmを超えて2.0μm以下の炭化物Bの個数密度が、6.0×105個/mm2以上9.0×105個/mm2未満であり、円相当径が0.1μmを超えて0.4μm以下の炭化物Cの個数密度が、5.0×105個/mm2以上7.5×105個/mm2未満であることを特徴とする冷間工具材料。 By mass%, C: 0.65% or more and less than 0.80%, Si: 0.2 to 0.9%, Mn: 0.1 to 1.5%, P: 0.05% or less, S: 0 0.05% or less, Cr: 5.0 to 7.0%, Mo and W alone or in combination (Mo + 1 / 2W): 2.5 to 4.0%, V: 0.10 to 0.30%, It has a component composition of N: more than 0.03% and 0.08% or less, Ni: 0 to 1.0%, Nb: 0 to 1.5%, and the balance is Fe and impurities.
The area ratio of carbide A having a circle equivalent diameter of more than 5.0 μm in the structure of the cross section is 1.0 to 3.0 area%.
In the region of the structure of the cross section, which does not contain the carbide A and has a length of 90 μm and a width of 90 μm, the number density of the carbides B having a circle equivalent diameter of more than 0.1 μm and 2.0 μm or less is 6.0 × 10 5 pieces / The number density of carbides C of mm 2 or more and 9.0 × 10 5 pieces / mm 2 or less, and the equivalent circle diameter is more than 0.1 μm and 0.4 μm or less is 5.0 × 10 5 pieces / mm 2 or more. 7.5 × 10 Cold tool material characterized by less than 5 pieces / mm 2 .
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