JP2008214722A

JP2008214722A - 高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2008214722A
Application number: JP2007056722A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shimizu; 敬介清水; Shunichiro Nishikawa; 俊一郎西川
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP4926764B2

Abstract

【課題】粉末冶金法による耐摩耗、耐割損、および耐熱用途に適したロール用高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃ：２．０〜２．２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：３．０〜６．０％、Ｗ：６．０〜９．０％、Ｖ：６．０〜８．０％、を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満であることを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼およびその製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金法による耐摩耗、耐割損、および耐熱用途に適したロール用高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼およびその製造方法に関するものである。

従来、耐摩耗性、耐熱性向上を狙いとして切削工具用ハイスなどではＣｏが添加されている。このＣｏ添加は耐摩耗性、耐熱性を容易に得られるため、切削工具などの高速度工具鋼には有効であるが、しかしながら、ロールなどの用途では著しい靱性低下により、使用時の早期割損を引き起こして生産性を阻害する要因となっている。さらに、Ｃｏは高価であり、ロール加工時の切削性を悪化し加工コストを引上げる要因にもなっている。

そこで、例えば特表平６−５０９８４３号公報（特許文献１）に開示されているように、粉末冶金で製造した重量％で、Ｃ：２．２〜２．７％、Ｓｉ：微量〜最高１．０％、Ｍｎ：微量〜最高１．０％、Ｃｒ：３．５〜４．５％、Ｍｏ：２．５〜４．５％、Ｗ：２．５〜４．５％、Ｖ：７．５〜９．５％、及び実質的に鉄からなる化学組成を有する高速度鋼が提案されている。

また、特開平６−２５６９０７号公報（特許文献２）には、重量％で、Ｃ：１．０〜２．０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．５〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜１２．０％、Ｗ：４．０〜２０．０％およびＶ：２．７〜５．０％を含有し、Ｎ：２００ｐｐｍ以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる高靱性高バナジウム工具鋼が提案されているが、しかしながら、特許文献１の場合は、Ｗ添加が不十分で、耐摩耗性が不足し、また、特許文献２の場合は、Ｖ添加が不十分で、耐摩耗性が不足するという問題がある。

また、特許第２７６０００１号公報（特許文献３）に開示されているように、重量％で、Ｃ：０．４〜３．０％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：１〜８％、Ｍｏ：２．３％以下であって、２Ｍｏ＋Ｗ：４〜１５％、Ｖ：２〜１０％、Ｎ：５０ｐｐｍ以下、及び残部が実質的にＦｅからなる高速度工具鋼が提案されているが、この高速度工具鋼では靱性などの機械的特性が劣化するという問題がある。

また、特許第２６８９５１３号公報（特許文献４）には、重量％で、Ｃ：０．２〜３．５％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．０１〜１５．０％、Ｗ：１．５〜３０．０％、Ｖ：０．５〜１０．０％、Ｃｏ：２０．０％以下、Ｏ：０．００５％以下、Ｓ：０．０１％以下、残部が実質的にＦｅからなる低酸素粉末高速度工具鋼が提案されているが、低酸素粉末工具鋼では低酸素によるアトマイズやＨＩＰ工程でのコストアップとなる。

また、特開平６−２７９９４３号公報（特許文献５）に開示されているように、重量％で、Ｃ：１〜２％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：２〜６％、Ｍｏ：１〜１０％、Ｗ：３〜１３％、Ｖ：２〜７％、Ｃｏ：５〜１１％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる高硬度・高靱性粉末高速度工具鋼や特開平８−４１５９２号公報（特許文献６）の高Ｖ高速度工具鋼が提案されているが、いずれも上述したＣｏ添加により靱性が劣化する。

また、特許第２９６２９６９号公報（特許文献７）に開示されているように、重量％で、Ｃ：１．５〜２．６％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３〜５％未満、Ｗ：３〜１５％、Ｍｏ：５〜１０％、Ｖ：４〜７％、ただし、Ｗ当量としてＷ＋２Ｍｏ：２０〜３０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる発錆性に優れた粉末ハイスが提案されているが、Ｗ＋２Ｍｏの値が高く、靱性が劣化する。

また、特許第２９９９６５５号公報（特許文献８）に開示されているように、重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、Ｖ：０．８〜２５．０％、Ｐ：０．００９％未満を含有し、Ｍｏ：３．０〜１０．０％又はＷ：１．０〜２０．０％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高靱性粉末ハイスが提案されているが、Ｐ低減で製造コストアップとなるという問題がある。
特表平６−５０９８４３号公報特開平６−２５６９０７号公報特許第２７６０００１号公報特許第２６８９５１３号公報特開平６−２７９９４３号公報特開平８−４１５９２号公報特許第２９６２９６９号公報特許第２９９９６５５号公報

上述したような引用文献では、いずれもロールなどの用途では著しい靱性低下により、使用時の早期割損を引き起こして、生産性を阻害する要因となっている。特にＣｏ添加の場合はＣｏが高価であり、ロール加工時の切削性を悪化し加工コストを引上げる要因にもなっている。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｃｏについては基地組織に固溶して、耐摩耗性、耐熱性を高めることが出来るが靱性を劣化させる。この問題に対し、本発明はＣｏを無添加とし、Ｖ量およびＷ量を大幅に増やすことで、靱性を改善しつつ、優れた耐摩耗性、耐熱性を保持することができ、また、熱間加工温度と鍛錬比を最適化し、炭化物サイズと面積率を制御することで耐摩耗性、耐熱性に優れたロール用鋼を低コストで提供することができた。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：２．０〜２．２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：３．０〜６．０％、Ｗ：６．０〜９．０％、Ｖ：６．０〜８．０％、を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満であることを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼。
（２）前記（１）に記載の鋼であって、炭化物面積率が２０〜３０％、炭化物平均粒径が４μｍ以下であることを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼。

（３）質量％で、Ｃ：２．０〜２．２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：３．０〜６．０％、Ｗ：６．０〜９．０％、Ｖ：６．０〜８．０％、を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満である鋼を１１２０〜１１８０℃に加熱し、鍛錬比８以上の熱間加工後焼鈍することを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼の製造方法にある。

以上述べたように、本発明により耐摩耗性、耐熱性に優れたロール用鋼を低コストで提供でき、かつ耐割損性が改善されることで、生産性の向上、製品不良の低減に大きく寄与することができる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由を説明する。
Ｃ：２．０〜２．２％
Ｃは、焼入れ焼戻し後の硬度確保のために必要で、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗと炭化物を形成し耐摩耗に寄与する元素である。しかし、２．０％未満ではその効果が不十分であり、また、２．２％を超えると炭化物が粗大になり靱性を著しく劣化させる。従って、その範囲を２．０〜２．２％とした。

Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸剤として添加するとともに、焼入れ性にも有効である。しかし、０．５％を超えると残留オーステナイトが分解しにくくなり経年変化が大きくなる。従って、その上限を０．５％とした。
Ｍｎ：０．５％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸剤として添加するとともに、焼入れ性にも有効である。しかし、０．５％を超えると靱性を劣化させることから、その上限を０．５％とした。

Ｃｒ：３．０〜５．０％
Ｃｒは、焼入れ性と耐摩耗性の確保に必要な元素である。しかし、３．０％未満ではその効果が十分に得られない。また、５．０％を超えると炭化物が粗大化して靱性が悪化することから、その範囲を３．０〜５．０％とした。

Ｍｏ：３．０〜６．０％
Ｍｏは、析出炭化物による耐摩耗性を改善する元素である。しかし、３．０％未満ではその効果が十分に得られない。また、６．０％を超えると析出炭化物が凝集し、靱性が低下する。従って、その範囲を３．０〜６．０％とした。

Ｗ：６．０〜９．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に、析出炭化物による耐摩耗性を改善する元素である。しかし、６．０％未満ではその効果が十分に得られない。また、９．０％を超えると析出炭化物が凝集し、靱性が低下する。従って、その範囲を６．０〜９．０％とした。

Ｖ：６．０〜８．０％
Ｖは、析出炭化物による耐摩耗性の改善と高温熱処理時の結晶粒粗大化抑制と高温での軟化抵抗性の改善を図る元素である。しかし、６．０％未満ではその効果が十分に得られない。また、８．０％を超えると析出炭化物が粗大化して、被削性と靱性が低下する。従って、その範囲を６．０〜８．０％とした。

２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満
Ｗは、Ｍｏの等量的には２倍の作用を有し、２Ｍｏ＋Ｗが１５％以下では、析出炭化物による耐摩耗性の改善が十分でなく、また、２０％以上では析出炭化物が凝集し、靱性が低下する。従って、その範囲を１５％超〜２０％未満とした。

加熱温度：１１２０〜１１８０℃
上述した鋼の加熱温度を１１２０〜１１８０℃としたのは、１１２０℃未満では析出炭化物面積率および炭化物平均粒径を最適範囲に制御するに十分な温度でなく、また、１１８０℃を超える温度は必要としないことから、その範囲を１１２０〜１１８０℃とした。

鍛錬比ｓ：８以上
鍛錬比ｓを８以上としたのは、上記鋼の加熱温度との関係から８未満では、上記のように、Ｖ，Ｗを大幅に増加させたことから、一次炭化物が粗大になり、炭化物面積率を２０％〜３０％、炭化物平均粒径４μｍ以下の炭化物が得られないことから、その下限を８とした。

上記した加熱温度において鍛錬比ｓを８以上の条件での熱間加工を行い、ロールに加工するために、その後８００〜９００℃の温度で焼鈍した。焼鈍温度を８００℃以上としたのは、一次炭化物を固溶させるためである。しかし、９００℃を超えると炭化物の粗大化が進むため、その上限を９００℃とした。この鋼を１１００〜１２００℃の温度で焼入れ、５００〜６００℃の温度で焼戻し、この操作を２〜４回実施する。その結果、以下述べる炭化物面積率および炭化物平均粒径を得ることができた。

炭化物面積率：２０〜３０％
炭化物面積率は、耐摩耗性を確保するための必要な条件である。しかし、２０％未満ではその効果が十分でなく、また、３０％を超えると靱性が劣化する。従って、その範囲を２０〜３０％とした。好ましくは２５〜３０％とする。
炭化物平均粒径：４μｍ以下
炭化物平均粒径は、靱性を確保するための必要な条件である。しかし、４μｍを超えると靱性が劣化する。従って、その上限を４μｍとした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す本発明鋼および比較鋼の成分組成の鋼を溶解し、溶湯を不活性ガス雰囲気によりガスアトマイズして粉末を得る。この粉末を１０００μｍ以下でふるい分けした後、カプセルに充填、密封し、１２２ＭＰａ、１１５０℃で７時間、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス処理）処理を行った。このＨＩＰ処理済みカプセルを加熱炉にて、１１１５〜１１９０℃の温度範囲で加熱、鍛錬比５．５〜１３．２ｓで熱間鍛伸を行い、平角材とした後、８７０℃で焼鈍した。この平角材中周部よりシャルピー衝撃試験片（１０Ｒ２ｍｍＣノッチ）、大越式摩耗試験片（２５ｍｍ×５０ｍｍ×７ｍｍ）を割り出し、熱処理として１１８０℃焼入れした後５６０℃焼戻し×３回実施した後、各試験片を得た。

この試験片の切削性、熱処理硬さ、シャルピー衝撃値および比摩耗量の評価を行った。切削性の評価方法としては、平角材（８０ｍｍ×１５０ｍｍ×２００ｍｍ）をフライスで径１２０ｍｍ、１２枚刃の工具を用いて切削した際の、切削工具刃先の平均摩耗幅が０．５ｍｍになるまでの切削距離で相対比較を行う。その測定条件としては、回転数：５００ｒｐｍ、送り速度：３００ｒｐｍ、切り込み量：１ｍｍで切削、その測定結果は比較例Ｎｏ．６の切削距離を１．０として、相対指数比較を行う。

硬さ測定方法としては、シャルピー衝撃試験片の平行部をロックウエル硬度計Ｃスケールで測定した。また、耐摩耗性試験としての大越式摩耗試験は、相手リングＳＣＭ４２０（硬さ８６ＨＲＢ）、荷重６１．８Ｎ、摩擦距離２００ｍｍ、摩擦速度２．４ｍ／ｓｅｃの条件で試験を実施し、比摩耗量を算出した。これら試験結果を表２に示す。なお、表１に示す炭化物の面積率と粒径は、コンピュータによる画像解析により算出した。

表１および表２に示すように、Ｎｏ．１〜５は本発明例であり、Ｎｏ．６〜１３は比較例である。

比較例Ｎｏ．６は成分組成としてのＭｎを除いて、Ｃ、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｏは高く、Ｗ，Ｖが低く、かつＣｏを含有することから炭化物面積率も高く、また炭化物平均粒径も大きく、そのために切削性指数が小さく、かつシャルピー衝撃値が小さく靱性が劣る。比較例Ｎｏ．７は成分組成としてのＳｉ，Ｍｎを除いて、Ｃ，Ｗ，Ｖが低く、Ｃｒ，Ｍｏが高く、かつＣｏを含有することから炭化物面積率も高く、また炭化物平均粒径も大きいために、切削性指数が小さく、かつシャルピー衝撃値が小さく靱性が劣り、かつ比摩耗量が大きく耐摩耗性に劣る。

比較例Ｎｏ．８は成分組成としてのＣｒを除いて、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏが高く、Ｗ，Ｖが低く、かつＣｏを含有し鍛錬比が低いために、炭化物面積率も高く、また炭化物平均粒径も大きいために、切削性指数が小さく、かつシャルピー衝撃値が小さく靱性が劣り、かつ比摩耗量もやや大きく耐摩耗性に劣る。比較例Ｎｏ．９は成分組成としてのＣｒを除いて、Ｃ，Ｍｏ，Ｖが低く、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｗが高く、かつＣｏを含有することから炭化物面積率も高く、また炭化物平均粒径も大きいために、切削性指数が小さく、かつシャルピー衝撃値が小さく靱性が劣る。

比較例Ｎｏ．１０は成分組成としてのＣ，Ｃｒを除いて、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｖが高く、Ｍｏ，Ｗは低く、かつＣｏを含有することから炭化物面積率も低く、また炭化物平均粒径が大きいために、切削性指数が小さく、かつシャルピー衝撃値が小さく靱性が劣り、比摩耗量もやや大きく耐摩耗性に劣る。比較例Ｎｏ．１１は鍛伸加熱温度が高いために、炭化物面積率が高く、かつ炭化物平均粒径も大きく、シャルピー衝撃値が小さく靱性が劣る。

比較例Ｎｏ．１２は鍛伸加熱温度が高く、鍛錬比が低いために、炭化物面積率が高く、かつ炭化物平均粒径も大きいために、シャルピー衝撃値が小さく靱性が劣る。比較例Ｎｏ．１３は鍛伸加熱温度が低く、鍛錬比が低いために、炭化物面積率が高く、かつ炭化物平均粒径も大きく、シャルピー衝撃値が小さく靱性が劣る。

上述したように、Ｃｏを無添加とし、Ｖ量を大幅に増やすことで、靱性を改善しつつ、優れた耐摩耗性、耐熱性を保持することを可能とし、さらに熱間加工温度と鍛錬比を最適化することで、炭化物サイズと炭化物面積率を制御して、高価なＣｏを使用せずに、耐摩耗性、耐熱性に優れたロール用鋼を低コストで提供することができ、かつ耐割損性の改善も可能となり、生産性の向上、製品不良の低減を図ることが出来た。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：２．０〜２．２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜５．０％、
Ｍｏ：３．０〜６．０％、
Ｗ：６．０〜９．０％、
Ｖ：６．０〜８．０％、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満であることを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼。
請求項１に記載の鋼であって、炭化物面積率が２０〜３０％、炭化物平均粒径が４μｍ以下であることを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼。
質量％で、
Ｃ：２．０〜２．２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜５．０％、
Ｍｏ：３．０〜６．０％、
Ｗ：６．０〜９．０％、
Ｖ：６．０〜８．０％、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ２Ｍｏ＋Ｗ：１５％超〜２０％未満である鋼を１１２０〜１１８０℃に加熱し、鍛錬比８以上の熱間加工後焼鈍することを特徴とする高耐摩耗、高靱性高速度工具鋼の製造方法。