JP2008248307A

JP2008248307A - 高靱性高速度鋼系焼結合金

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Publication number: JP2008248307A
Application number: JP2007090328A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okano; 宏昭岡野; Atsushi Funakoshi; 淳舩越
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP5121275B2

Abstract

【課題】焼結合金基地中のＣ量、及びＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａからなる炭化物生成元素の量を制御することにより、熱処理時のマルテンサイト変態量を、最低限の耐摩耗性を確保できる程度に抑えて合金の高硬度化を抑制し、靱性を向上させる。
【解決手段】重量％にて、Ｃ：０.５％以上、１.５％未満、Ｓｉ：０.６％以下、Ｍｎ：０.６％以下、Ｃｒ：０.５〜１０.０％、Ｍｏ：０.５〜１５％、Ｗ：０.５〜２０％、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種を合計量で０.５〜２０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ_bal(Ｃ_bal＝Ｃ−Ｃ_sticとし、Ｃ_stic＝０.０６Ｃｒ＋０.０６３Ｍｏ＋０.０３３Ｗ＋０.２４Ｖ＋０.２５Ｔｉ＋０.１３Ｎｂ＋０.０６６Ｔａである)が−１.５以上、−０.５以下の範囲にあり、必要に応じて、Ｎｉ：０.５〜３％、Ｎ：０.１〜０.５％、Ｃｏ：７〜２０％を含むことができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、高速度鋼系焼結合金に関し、より具体的には、耐摩耗性及び靱性にすぐれる高速度鋼系焼結合金に関する。

鋼材の熱間圧延又は冷間圧延用ロール、塑性加工用金型、プラスチック成形機のシリンダー、スクリュー等は、耐摩耗性、耐肌荒れ性が要求されると共に、耐事故性が要求される。これら用途の材料として、これまで、ＪＩＳに規定された合金工具鋼や高速度鋼が用いられていたが、近年では、高速度鋼系の合金組成を有する焼結合金が使用されている。

耐摩耗性にすぐれる高速度鋼系の合金組成を有する粉末合金として、Ｃ：１.５〜３.５％、Ｓｉ：０.６％以下、Ｍｎ：０.６％以下、Ｃｒ：０.５〜２５％、２Ｍｏ＋Ｗ：１.５〜４５％、Ｎｉ：３.０％以下、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの内の１種以上を総計で０.５〜１２.０％、Ｎ：０.０５〜０.５％及び残部実質的にＦｅからなるものがある（特許文献１）。

特開平７−１６６３００号公報

この特許文献に示された合金は、所定の焼入れ及び焼戻しの調質熱処理を施すことにより、マルテンサイト又はベイナイト相の硬質基地に微細な炭化物粒子が分散した組織を有し、高い硬度(例えばＨＲＣ６５以上)が得られるため、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。しかし、硬度が高くなるほど靱性は低くなる傾向があるため、大きな応力がかかる苛酷な使用環境では靱性が不足し、耐事故性の点では必ずしも十分とは言えなかった。
使用環境の苛酷化により、耐摩耗性は多少低下しても、靱性にすぐれる合金が要請されている。

本発明の目的は、所定の硬度を具えて耐摩耗性を確保すると共に、すぐれた靱性によって耐事故性が良好な高速度鋼系焼結合金を提供することである。

発明者らは、硬度と靱性が相反する性質であることに着目し、合金基地(マトリックス)中のＣ量、及びＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａからなる炭化物生成元素の量を制御することにより、熱処理時のオーステナイトからマルテンサイト変態量を、最低限の耐摩耗性を確保できる程度に、少なく抑えて合金の高硬度化を抑制することにより、所定の靱性を得られるようにした。

具体的には、本発明の高速度鋼系焼結合金は、重量％にて、Ｃ：０.５％以上、１.５％未満、Ｓｉ：０.６％以下、Ｍｎ：０.６％以下、Ｃｒ：０.５〜１０.０％、Ｍｏ：０.５〜１５％、Ｗ：０.５〜２０％、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種を合計量で０.５〜２０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ_balが−１.５以上、−０.５以下の範囲、好ましくは−１.０以上、−０.５以下の範囲にあることを特徴とする。なお、Ｃ_bal＝Ｃ−Ｃ_sticとし、Ｃ_stic＝０.０６Ｃｒ＋０.０６３Ｍｏ＋０.０３３Ｗ＋０.２４Ｖ＋０.２５Ｔｉ＋０.１３Ｎｂ＋０.０６６Ｔａとしており、Ｃ_sticは、炭化物の形成に必要なＣの量を表し、Ｃ_balはマトリックスに残るＣの量を表している。
本発明の焼結合金は、必要に応じて、Ｎｉ：０.５〜３％及び／又はＮ：０.１〜０.５％を含むことができるし、また、Ｃｏ：７〜２０％を含むこともできる。

本発明の焼結合金は、約１１００〜１２００℃の温度で加熱した後強制空冷による焼入れを行ない、次に、約５００〜６００℃の温度での焼戻しを３回繰り返すことにより、硬度がＨＲＣ５０〜６２、シャルピー衝撃強さ３０×１０⁴Ｊ／ｍ²以上の特性を得ることができる。好ましくは、硬度がＨＲＣ５５〜６０、シャルピー衝撃強さ５０×１０⁴Ｊ／ｍ²以上である。

本発明の焼結合金は、硬度がＨＲＣ５０〜６２(好ましくはＨＲＣ５５〜６０)であるから、所定の耐摩耗性を具備することができる。またこの硬度は、高速度鋼系合金としては低硬度であり、シャルピー衝撃強さ３０×１０⁴Ｊ／ｍ²以上(好ましくは５０×１０⁴Ｊ／ｍ²以上)の高靱性を得ることができるから、すぐれた耐事故性を発揮することができる。
従って、硬度と靱性の効果的な組合せが重要とされる、鋼材の熱間圧延又は冷間圧延用ロール、塑性加工用金型、プラスチック成形機のシリンダー、スクリュー等の材料として有用である。
なお、これら製品の外面側又は内面側のどちらか一方の部分に、より高い硬度(例えばＨＲＣ６３以上)及び耐摩耗性が所望されるときは、より高い硬度及び耐摩耗性を得ることができる合金(例えば、特許文献１の高速度鋼系合金)の第１層に、靱性にすぐれる本発明合金の第２層を一体化させた複合製品にすればよい。前記第１層と前記第２層は、製品の要求特性に応じて、第１層を外面側に、第２層を内面側に設けることができるし、その逆も可能である。

本発明の高速度鋼系焼結合金は上記の組成を有し、合金マトリックスに残存するＣの量、つまりＣ_balの値を、−１.５以上、−０.５以下の範囲に規定したことに特徴を有する。
各成分の範囲の限定理由及びＣ_balの意義について、以下に説明する。

Ｃ：０.５％以上、１.５％未満
Ｃは、炭化物形成元素であり、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等と結合して、ＭＣ型、Ｍ₂Ｃ型、Ｍ₆Ｃ型の硬質炭化物を形成し、合金の耐摩耗性を高める。このため、少なくとも０.５％以上含有させる。しかし、Ｃを多量に含有すると、靱性が悪化し、欠け割れが発生し易くなる。従って、上限を１.５％未満とする。

Ｓｉ：０.６％以下
Ｓｉは脱酸作用を有する。しかし、多量に含有すると材料を脆化させるため、上限は０.６％とする。

Ｍｎ：０.６％以下
Ｍｎは脱酸作用を有する。しかし、多量に含有すると材料を脆化させるため、上限は０.６％とする。

Ｃｒ：０.５〜１０.０％
Ｃｒは、Ｍ₆Ｃ型の炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させるので少なくとも０.５％以上含有させる。しかし、あまりに多く含有すると炭化物量が過多となるため、上限は１０.０％に規定する。好ましくは４〜７％である。

Ｍｏ：０.５〜１５％
Ｍｏは、Ｍ₂Ｃ型炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させるので少なくとも０.５％以上含有させる。しかし、あまりに多く含有すると炭化物量が過多となるため、上限は１５％に規定する。好ましくは１〜１０％であり、さらに好ましくは１.５〜５％である。

Ｗ：０.５〜２０％
Ｗは、Ｍ₂Ｃ型炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させるので少なくとも０.５％以上含有させる。しかし、あまりに多く含有すると炭化物量が過多となるため、上限は２０％に規定する。好ましくは３〜６％である。

Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａのうちの少なくとも一種：合計量で０.５〜２０％
Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａは、ＭＣ型炭化物を生成し、耐摩耗性には、ＭＣ型炭化物が顕著な効果を奏するので、これら元素の少なくとも一種を合計量で０.５％以上含有させる。しかし、あまりに多く含有すると炭化物量が過多となるため、上限は合計量で２０％に規定する。好ましくは０.５〜６％である。

Ｃ_bal：−１.５以上、−０.５以下
前述したように、本発明の高速度鋼系焼結合金は、合金基地(マトリックス)中のＣ量を制御することにより、熱処理時のマルテンサイト変態量を抑制するものである。
Ｃは、一般的に、炭化物形成に１００％使用されるわけではなく、マトリックスに分散して残存する。マトリックスに残ったＣは、熱処理時にオーステナイトから硬質のマルテンサイトへの変態を促し、合金の高硬度化をすすめ、その一方で靱性を低下させる。
そこで、合金設計上のＣ量と、他の元素と炭化物を形成する理論上のＣ量(Ｃ_stic)との差から、マトリックスに残る理論上のＣ量(Ｃ_bal)を算出し、Ｃ_balを−１.５以上、−０.５以下の範囲に規定した。Ｃ_bal値が−(マイナス)を示しているが、これは理論上の値であり、Ｃ_balが計算上この範囲にあっても、実際の合金においてはマトリックス中にＣが残存する。
Ｃ_balが−１.５より小さいとマルテンサイト化が少なくなり、合金に必要な硬度が得られない。一方、Ｃ_balが−０.５より大きいとマルテンサイト化が進みすぎて硬度が高くなり、本発明の目的にあった靱性を得ることができない。
なお、Ｃ_sticは、炭化物形成元素の種類に応じて次式で与えられる。
Ｃ_stic＝０.０６Ｃｒ＋０.０６３Ｍｏ＋０.０３３Ｗ＋０.２４Ｖ＋０.２５Ｔｉ＋０.１３Ｎｂ＋０.０６６Ｔａ
本発明の高速度鋼系焼結合金は、Ｃ_balが−１.５以上、−０.５以下の範囲となるように、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの量を調整することにより、熱処理での焼入れ性能を低下させるようにした。これにより、一般的な高速度鋼と同じ条件の熱処理を施しても、得られる硬度は比較的低い範囲(ＨＲＣ５０〜６２)であり、高い靱性を得ることができる。

本発明の高速度系焼結合金は、上記成分を含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなるが、所望により、Ｎｉ、Ｎ及びＣｏをさらに含有させることもできる。

Ｎｉ：０.５〜３％
Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であり、残留オーステナイト量の増加により靱性の向上に寄与する。また、耐食性を改善する元素でもある。このため、少なくとも０.５％以上含有させることが好ましい。一方、含有量が３％を越えると焼入れ性を著しく低下させるため、上限は３％に規定する。

Ｎ：０.１〜０.５％
Ｎは、Ｎｉと同様、オーステナイト相安定化元素であり、残留オーステナイト量の増加により靱性の向上に寄与すると共に耐食性を改善する。このため、少なくとも０.１％以上含有させることが好ましい。一方、含有量が０.５％を越えると焼入れ性を著しく低下を招くため、上限は０.５％に規定する。
なお、ＮはＮｉの約５倍の含有効果を有する。このため、ＮとＮｉを両方含有する場合は、Ｎｉ＋５Ｎを、０.５〜３％の範囲で含有することが好ましい。

Ｃｏ：７〜２０％
Ｃｏはマトリックスに固溶してマトリックスを強化し、高温における耐力を著しく向上させる。このため、高温に曝される部材の材料にはＣｏを少なくとも７％以上含有させることが好ましく、８％以上含有させることがより好ましい。一方、あまりに多く含有すると靱性の低下を招く。このため、上限は２０％とするが、１２％以下がより好ましい。

次に本発明の具体的実施例を掲げる。
表１に示す合金成分(重量％)の高速度鋼系合金粉末(粒径約３００μｍ以下)を原料粉末として使用し、ＨＩＰ処理を施して丸棒状の焼結合金(外径５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ)を得た。ＨＩＰ処理条件は、温度：１１５０℃、加圧力：１０００気圧、保持時間：３時間である。但し、No.１０４は、鋳造により調製した合金である。
次にこれら合金に焼入れ焼戻し熱処理を施して供試材を作製した。焼入れは、真空焼入れ炉にて１２００℃に１時間保持後、常温常圧の窒素ガスを導入し、ガス冷却することにより行なった。焼戻しは、５４０℃に５時間保持した後放冷するヒートパターンを３回繰り返した。

各供試材について、硬度測定、摩耗試験及びシャルピー衝撃試験を行なった。
硬度はロックウエル硬度計のＣスケールで測定した。
摩耗試験は、大越式摩耗試験機を使用し、比摩耗量(１０^-14ｍｍ²／Ｎ)を測定した。試験条件は、回転輪材質：ＳＵＪ２(ＨＲＣ６０)、摩耗速度：３.３８ｍ／ｓ、摩耗距離：４００ｍ、最終荷重６０Ｎにて行なった。
シャルピー衝撃試験は、５ｍｍ×５ｍｍ×５５ｍｍ、ノッチ無しの試験片を用い、常温で実施した。吸収エネルギー(Ｊ)を断面積(ｍ²)で除した値(Ｊ／ｍ²)を比較した。
試験結果を表１に示す。

表１を参照すると、No.１〜No.１９は本発明の実施例であり、No.１０１〜No.１０９は比較例である。
発明例中、No.１〜No.３は、ＮｉとＮを両方とも含まない例であり、No.４〜No.１９は、Ｎｉ及びＮのうちの少なくとも一種を含む例である。これら発明例は、比較例No.１０１〜No.１０９と比べて、耐摩耗性(硬度及び比摩耗量)及び靱性(シャルピー衝撃値)について効果的な組合せを有することがわかる。

発明例の中で、Ｃ_balの値が同じ−０.６４であるNo.４、No.６及びNo.７と、Ｎｉ及びＮを両方とも含まないNo.２とを比較すると、前者は後者よりも衝撃値が向上していることが認められる。これは、Ｎｉ、Ｎの含有によりオーステナイトが安定化して残留オーステナイト量が増加し、高硬度化が抑えられたためと考えられる。

比較例中、No.１０１及びNo.１０２は、Ｃの含有量が本発明の上限を越えており、耐摩耗性は良好であるが、靱性が著しく劣っている。
No.１０３は、Ｎｉの含有量が本発明の上限を越える例であり、Ｃ_balの値は本発明の範囲内にあるが、十分な硬度が得られず、耐摩耗性に劣る。焼入れ性が低下したためである。
No.１０４〜No.１０９は、Ｃ_balの値が本発明の範囲から逸脱する例である。
No.１０４、No.１０５及びNo.１０８は、ＮｉとＮを両方含まず、Ｃ_balの値が本発明の範囲よりも大きい例である。ＮｉとＮを含まない発明例(No.１〜No.３)と比較すると、耐摩耗性はすぐれるが衝撃値が著しく劣る。なお、Ｎｉ、Ｎを含む比較例No.１０６及びNo.１０７についても、同様な結果を示している。これらの比較例は、熱処理時のマルテンサイト変態量が多すぎるためである。
No.１０９は、ＮｉとＮを両方含まず、Ｃ_balの値が本発明の範囲よりも小さい例である。マトリックスに残存するＣがあまりにも少ないため、十分な硬度が得られず、所定の耐摩耗性を確保することができない。

本発明の焼結合金を用いた部材は、耐摩耗性及び耐事故性にすぐれるから、これらの特性が重要な鋼材の熱間圧延又は冷間圧延用ロール、塑性加工用金型、プラスチック成形機のシリンダー、スクリュー等の材料として有用である。

Claims

重量％にて、Ｃ：０.５％以上、１.５％未満、Ｓｉ：０.６％以下、Ｍｎ：０.６％以下、Ｃｒ：０.５〜１０.０％、Ｍｏ：０.５〜１５％、Ｗ：０.５〜２０％、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種を合計量で０.５〜２０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、Ｃ_bal（但し、Ｃ_bal＝Ｃ−Ｃ_sticとし、Ｃ_stic＝０.０６Ｃｒ＋０.０６３Ｍｏ＋０.０３３Ｗ＋０.２４Ｖ＋０.２５Ｔｉ＋０.１３Ｎｂ＋０.０６６Ｔａとする）が−１.５以上、−０.５以下の範囲にあることを特徴とする高靱性高速度鋼系焼結合金。
Ｎｉ：０.５〜３％及びＮ：０.１〜０.５％のうちの少なくとも一種を含んでいる請求項１の焼結合金。
Ｃｏ：７〜２０％を含んでいる請求項１又は請求項２の焼結合金。
硬度がＨＲＣ５０〜６２、シャルピー衝撃強さが３０×１０⁴Ｊ／ｍ²以上である請求項１乃至請求項３の何れかに記載の焼結合金。