JP2013213277A - 熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法 - Google Patents

熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 SおよびNを低い含有量にまで低減しつつ、狙い量のCaを添加できる、熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法を提供する。
【解決手段】 高速度工具鋼の成分組成を有する溶鋼を準備する第1工程と、
前記の準備した溶鋼をスラグ精錬して、溶鋼中のSを0.004質量%以下に低減する第2工程と、
前記のスラグ精錬した溶鋼にCaを添加して、溶鋼中のCaを0.005〜0.015質量%に調整する第3工程と、
前記のCaを添加した溶鋼を鋳造する第4工程と、
からなる高速度工具鋼素材の製造方法である。
第1工程で準備する溶鋼は、真空精錬したものであることが好ましい。あるいはさらに、第4工程で鋳造する前の溶鋼は、Nが0.01質量%以下に低減されていることが好ましい。
【選択図】図1

Description

本発明は、各種の切削工具、切断工具や、金型等に用いられる、熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法に関するものである。
従来、高速度工具鋼に添加したCaは、組織中のMC型炭化物の絶対量を増やし、かつ、それを微細にする効果を有することが知られている。そして、Caが添加された高速度工具鋼に対して、Sを低減し、更にはNを低減した高速度工具鋼は、上記のCaによる効果が高まることから、その結果、製品としたときのチッピングや欠けの抑制に優れ、寿命の向上に有効である(特許文献1)。そして、高速度工具鋼に添加されたCaは、凝固組織を微細化する元素としても作用し、熱間加工性を向上する(特許文献2)。
通常、高速度工具鋼でなる上記の製品は、所定の成分組成に調整された溶鋼を鋳造して鋼塊や鋼片等の素材とし、あるいは該溶鋼を鋳造して得た粉末を焼結して素材とし、これに熱間加工を行って、その後、種々の加工と熱処理を経て、最終の形状および特性に仕上げられる。上述のCaが添加された高速度工具鋼素材の場合、その鋳造前の溶鋼の成分組成は、真空誘導炉で調整されていた(特許文献1、2)。または、S量を低減するためには、取鍋によるスラグ精錬が適用されていた(特許文献3)。
特開昭64−008252号公報 特開平11−006042号公報 特開平04−111962号公報
特許文献1〜3の高速度工具鋼の成分組成を、真空溶解によって調整することは、可能である。しかし、素材のS量を極微量に低減する場合は、もとよりS量の低い高級原料を準備する必要があり、製造コストの増大を招く。また、Caは、比較的沸点が低い(蒸気圧が高い)元素である。よって、溶鋼量の多い実操業で真空溶解を用いて成分調整を行うとなれば、ボイリング作用のある真空下でのCa添加が必要となり、溶鋼中に添加したCa量が安定しないといった課題がある。また、脱硫を目的としたスラグ精錬で、脱硫と同時にCaを添加しようとすると、溶鋼中に添加したCaがSと結合して硫化物を形成することから、結果として、鋳造後の素材が所定量のCaを含有したとしても、Ca単体で発現する上記の効果が薄れる。
本発明の課題は、例えば特許文献1〜3等の成分組成を有する高速度工具鋼素材の製造方法において、該素材中のSやNを低い含有量にまで低減でき、狙い量のCaを添加できることで、優れた熱間加工性を安定して維持できる高速度工具鋼素材の製造方法を提供することである。
本発明者は、特許文献1〜3等の成分組成を有した高速度工具鋼素材の製造方法について、溶解工程における脱硫や脱窒素とCa添加のタイミングの最適化を検討した。その結果、例えば真空精錬等の後工程に、溶鋼中のSを効率的に除去できるスラグ精錬を適用して、SやNを十分に低減してから、溶鋼にCaを添加する順序とすることで、1回の溶解量が多い実操業においても狙い量のCaを添加でき、かつ、鋳造後の素材はCaの硫化物の形成が抑制された高速度工具鋼素材を製造できることを見いだし、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、
高速度工具鋼の成分組成を有する溶鋼を準備する第1工程と、
前記の準備した溶鋼をスラグ精錬して、溶鋼中のSを0.004質量%以下に低減する第2工程と、
前記のスラグ精錬した溶鋼にCaを添加して、溶鋼中のCaを0.005〜0.015質量%に調整する第3工程と、
前記のCaを添加した溶鋼を鋳造する第4工程と、
からなることを特徴とする熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法である。
第1工程で準備する溶鋼は、質量%で、
C:0.5〜2.2%、
Cr:3.0〜7.0%、
WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%、
V:0.6〜5.0%、
を含む高速度工具鋼の成分組成であることが好ましい。
また、第1工程で準備する溶鋼は、真空精錬したものであることが好ましい。あるいはさらに、第3工程での溶鋼へのCaの添加は、スラグ精錬を終えた後の溶鋼の上面を覆っているスラグを貫通して、溶鋼の深部にCa源を投入して行うことが好ましい。この場合、投入するCa源は、CaSi合金であることが好ましい。第4工程で鋳造する前の溶鋼は、Nが0.01質量%以下に低減されていることが好ましい。
そして得られた高速度工具鋼素材は、質量%で、
C:0.5〜2.2%、
Si:0.1〜1.0%、
Mn:0.1〜1.0%、
S:0.004%以下、
Cr:3.0〜7.0%、
WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%、
V:0.6〜5.0%、
Al:0.3%以下(0%を含む)、
Ca:0.005〜0.015%、
N:0.01%以下、
O:0.004%以下、
残部Feおよび不可避的不純物でなることが好ましい。この高速度工具鋼素材は、さらに、Co:10.0%以下を含んでもよい。
本発明によれば、熱間加工性に優れる特許文献1〜3等の成分組成を有する高速度工具鋼素材を、効率的に、かつ、再現性よく製造できる。これによって、該素材から作製される最終製品の長寿命化に有用な技術となる。
実施例で製造した高速度工具鋼素材No.1(本発明例)を熱間加工したときの鋼片の外観を示す図面代用写真である。 実施例で製造した高速度工具鋼素材No.3(比較例)を熱間加工したときの鋼片の外観を示す図面代用写真である。
本発明の特徴は、特許文献1〜3等で提案される熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法を見直したことで、鋼中のSやNは低いレベルにまで除去でき、Caは狙い量を添加できる工程を明確にし、これによって該素材の有する熱間加工性を安定して維持できたところにある。以下に、本発明の各構成要件について説明する。
[高速度工具鋼素材の成分組成について]
最初に、優れた熱間加工性を達成するのに好ましい高速度工具鋼素材の成分組成(質量%)を説明しておく。そして、後述する本発明の製造方法は、このような成分組成の高速度工具鋼素材を製造するときに、最適である。
・C:0.5〜2.2%
Cは、Cr,W、Mo、Vと結合して炭化物を形成し、焼入れ焼戻し硬さを与え、耐摩耗性を向上する元素である。しかし、多すぎると、靭性が低下する。よって、後述するCr,W、Mo、V量とバランスさせた上で、0.5〜2.2%とすることが好ましい。より好ましくは、1.0%以上および/または1.5%以下である。さらに好ましくは、1.3%以下である。
・Si:0.1〜1.0%
Siは、通常、溶解工程における脱酸剤として使用される。しかし、多すぎると、靭性が低下するので、0.1〜1.0%が好ましい。より好ましくは、0.6%以下である。
・Mn:0.1〜1.0%
Mnは、Siと同様、脱酸剤として使用される。しかし、多すぎると、焼入れ焼戻し後の組織中に残留オーステナイトが多くなり、靭性を低下させるので、0.1〜1.0%が好ましい。より好ましくは、0.2%以上および/または0.5%以下である。
・S:0.004%以下
Sは、多すぎると、それ自体が熱間加工性を阻害するのに加えて、本発明が添加する後述のCaと結合することで、Ca単体が発揮する熱間加工性等の向上効果も阻害する。よって、Sは低減すべき元素であり、0.004%以下に規制することが好ましい。より好ましくは、0.002%以下、さらに好ましくは0.001%以下である。
・Cr:3.0〜7.0%
Crは、焼入性、耐摩耗性、耐酸化性等を付与するのに有効な元素である。しかし、多すぎると、靭性、高温強度、焼戻し軟化特性を低下させる。よって、3.0〜7.0%が好ましい。より好ましくは、3.5%以上および/または5.0%以下である。
・WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%
WおよびMoは、Cと結合して特殊な炭化物を形成して、耐摩耗性や耐焼付き性を付与する。また、焼戻し時の2次硬化作用が大きく、高温強度も向上する。しかし、多すぎると、熱間加工性を阻害する。よって、(W+2Mo)の関係式において、これらの1種または2種を5.0〜30.0%とすることが好ましい。より好ましくは、10.0%以上および/または25.0%以下である。さらに好ましくは、15.0%以上および/または22.0%以下である。
・V:0.6〜5.0%
Vは、Cと結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、多すぎると、靭性が低下する。よって、0.6〜5.0%とすることが好ましい。より好ましくは、1.0%以上および/または4.0%以下である。3.5%以下が、さらに好ましい。
・Ca:0.005〜0.015%
Caは、鋳造時における凝固過程でデンドライト晶を発達させ、鋳造組織を均一微細にするので、素材の熱間加工性を向上する効果を有する。また、MC型炭化物の絶対量を増やし、かつ、それを微細にするので、製品としたときのチッピングや欠けを抑制する。しかし、多すぎると、Caの酸化物が介在物となって素材中に残留し、高速度工具鋼素材の清浄度を低める。よって、添加するCaは、0.005〜0.015%とすることが好ましい。より好ましくは、0.006%以上および/または0.01%以下である。
・N:0.01%以下
Nは、素材中に不可避的に存在する。そして、多すぎると、素材中のMC型炭化物が粗大化して、上記のCa添加による効果を大きく阻害する。よって、素材中のNは、0.01%以下に規制することが好ましい。より好ましくは0.005%以下、さらに好ましくは0.002%以下にまで規制することが重要である。
鋼中のNの固溶度は、Crの含有量が高くなるにつれて増加する。そして、本発明に係るCr量の高速度工具鋼の場合、溶鋼量が多い実操業だと、鋳造後の素材中のN量は、添加の意図がなくても容易に数百ppmを越えてしまう。したがって、本発明の高速度工具鋼素材の製造方法にとって、そのN量を上記の規制値内に極低減するための溶解方法は重要である。そして、この極低減されたN量は、後述する本発明の製造方法によって、安定的かつ効率的に達成することができる。
・O:0.004%以下
Oは、鋼中に不可避的に存在して、酸化物を形成する元素である。多すぎると、素材中に形成された酸化物が製品の品位を下げる。また、Caを添加した本発明に係る高速度工具鋼においては、Caと結合することで、Caの上記効果も阻害する。よって、素材中のOは、上限を0.004%に規制することが好ましい。より好ましくは、0.002%以下である。そして、この素材中の極低減されたO量は、後述する本発明の製造方法によって、安定的かつ効率的に達成することができる。
その他、本発明の製造方法によって製造される高速度工具鋼素材は、10.0%以下のCoや、0.3%以下のAlを含んでもよい。Coは、基地中に固溶して、製品の強度や耐熱性を向上させる。Alは、上述のCaと同様、鋳造組織を均一微細にし、また、MC型炭化物を微細にするので、素材の熱間加工性や製品の寿命を向上する。この効果を得るのに好ましいAl含有量は、0.02%以上である。より好ましくは0.06%以上および/または0.25%以下である。
[高速度工具鋼素材の製造方法について]
上述した0.005〜0.015%のCaを含有し、かつ、Sが0.004%以下、好ましくはNが0.01%以下に規制された高速度工具鋼素材の成分組成は、優れた熱間加工性を達成するのに好ましいものである。そして、本発明の製造方法は、このような成分組成の高速度工具鋼素材を製造するためのものである。以下、本発明の製造方法を構成する第1〜第4工程について説明する。
・<第1工程> 高速度工具鋼の成分組成を有する溶鋼を準備する工程である。
本発明において、高速度工具鋼を構成する少なくとも主要元素の含有量の調整は、後述する脱硫のための第2工程(スラグ精錬)およびCaを添加する第3工程の前に実施しておく。このときの主要元素とは、例えばC、Cr、W、Mo、Vなどである。そして、これらの含有量は、質量%で、以下とすることが好ましい。
C:0.5〜2.2%、
Cr:3.0〜7.0%、
WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%、
V:0.6〜5.0%、
また、第1工程で準備する溶鋼は、真空精錬したものであることが好ましい。本発明にとって、高速度工具鋼素材中のNやOを低減することが好ましいことは、上述の通りである。特に、Nは、本発明のCa添加による効果を大きく阻害することから、鋳造前の溶鋼の時点で0.01%以下に低減しておくことが好ましい。そして、高速度工具鋼の成分組成は、溶解前の鉄源に原料を調合したり、溶解した溶鋼中に原料を投入したりして、調整されるところ、これらの鉄源や原料が少なからず不純物を含んでいるのであれば、これは素材中のNやOを増やす一要因となる。そこで、第2工程の前の溶鋼には、溶鋼中のCとOとの反応や、この反応に伴うボイリングによって、脱酸素および脱窒素が進行する脱ガス効果に優れた真空精錬を実施しておくことが好ましい。
・<第2工程> 第1工程で準備した溶鋼をスラグ精錬して、溶鋼中のSを0.004%以下に低減する。
第1工程で準備した溶鋼が、たとえNやOの低減されたものであっても、Sが高いものであると、これにCaを添加したところで、Caの多くはSと結合して、硫化物を形成する。その結果、鋳造後の素材が本発明の狙い量である0.005〜0.015%のCaを含有していたとしても、それが上記の硫化物を形成して存在すると、Ca単体で発現する本発明の効果は十分に発揮されない。そこで、鋳造後の素材中に含まれるCaが上記の硫化物を形成しないためには、溶解工程において、Ca量を最終調整する前に、S量を積極的かつ十分に低減しておくことが有効である。そして、本発明は、第1工程で準備した溶鋼に対して、さらにスラグ精錬である第2工程を適用することで、溶鋼中のSを0.004%以下にまで低減してから、Ca量を最終調整するものである。
スラグ精錬による脱硫は、溶鋼中のSを脱硫剤と結合させて硫化物とし、これをスラグ中に取り込んで除去するものである。そして、脱硫剤には、従来知られたCaやMg、希土類元素等を用いることができる。脱硫剤にCaを使用したときには、最終調整量のCaを添加する後述の第3工程では、上記の脱硫反応で結果的に余ったCa量に対して、残りのCa量を補完すればよい。スラグは、従来知られた製鋼用スラグから選択して、用いることができる。スラグの構成には、上記の脱硫剤として機能するCaやMgを、CaOやMgOの形態で含むことができる。
・<第3工程> 第2工程でスラグ精錬してSを0.004質量%以下に低減した溶鋼にCaを添加して、溶鋼中のCaを0.005〜0.015質量%に調整する。
第2工程で溶鋼中のSを0.004%以下に低減しておけば、これにCaを添加しても、その多くが硫化物を形成することを抑制できる。そして、この工程順を経て、0.005〜0.015%のCaを添加した溶鋼を鋳造すれば、鋳造後の素材は優れた熱間加工性が達成される。
そして、第3工程での溶鋼へのCaの添加は、スラグ精錬を終えた後の溶鋼の上面を覆っているスラグを貫通して、溶鋼の深部にCa源を投入して行うことが好ましい。スラグ精錬は、通常、取鍋中の溶鋼に対して大気圧下で実施される。よって、S量を低減するためのスラグ精錬が終了したときには、引き続いて、そのスラグを貫通して溶鋼の深部にCa源を投入すれば、存在したままのスラグが溶鋼の上面を覆ってCaの蒸発を抑えることができるので、Caの添加歩留が向上する。また、このときのCa源は、CaSi合金などの化合物形態で溶鋼に投入すれば、投入直後の蒸発をさらに抑制でき、Caの添加歩留がさらに向上する。そして、第2工程で用いたスラグ精錬装置を使用でき、かつ、それにある撹拌装置を活用できるので、特別な投入設備を要せずに、Caの添加歩留を向上させることができる。
・<第4工程> 第3工程でCaを添加した溶鋼を鋳造する。
以上によって成分組成の調整された溶鋼を鋳造して、高速度工具鋼素材を得る。鋳造の手法は、インゴットケースを使用した普通造塊法の他に、連続鋳造法や、一旦鋳造後の鋼塊に実施する再溶解法等、その手法を問わない。アトマイズ法で得られた粉末を、焼結等によって固化してもよい。そして、鋳造後の素材には、通常、鍛造や圧延等の熱間加工が施されるところ、本発明で得られた素材であれば、この際の割れ等を抑制できる。熱間加工を終えた素材は、必要に応じて、さらなる熱間加工や、冷間加工、機械加工、そして熱処理が実施されて、様々な製品に仕上げられる。
[本発明例1、2]
所定の成分組成に調整した25tの溶鋼に真空精錬を実施して、溶鋼Aを準備した(第1工程)。本発明例1の溶鋼Aは無添加のCoを0.23%含む成分組成であった。本発明例2の溶鋼AはCoを添加して4.97%含む成分組成に調整した。次に、これらの溶鋼Aに、CaO−CaF系スラグを用いたスラグ精錬を実施して、溶鋼Bを得た(第2工程)。次に、スラグ精錬を終えた溶鋼Bの深部に、スラグを貫通してフィーダを挿入し、そこから溶鋼中にCaSi合金を投入して、Caを添加した溶鋼Cを得た(第3工程)。CaSi合金の投入量は、Ca成分の歩留を10%としたときに溶鋼中のCa含有量が計算上100ppmとなる量(以下、単に「計算量」という。)である。そして、溶鋼Cを鋳造して、高速度工具鋼素材を製造した(第4工程)。本発明例1および2について、溶鋼A、Bおよび溶鋼C(鋳造後の素材)の成分組成を、それぞれ表1に示す。
[比較例3]
本発明の製造方法に対して、真空精錬を実施した溶鋼Aに、スラグ精錬を実施せずに、Caを添加した溶鋼を鋳造して、高速度工具鋼素材を製造した。Caの添加は、CaSi合金の投入で行い、所定の真空精錬が終了した後の真空環境下にある溶鋼に投入した。CaSi合金の投入量は、溶鋼中のCa含有量が100ppmとなる計算量である。鋳造後の高速度工具鋼素材の成分組成を、表1に示す。
[比較例4]
本発明の製造方法に対して、真空精錬を実施した溶鋼Aに、Caを添加してから、スラグ精錬を実施し、鋳造して、高速度工具鋼素材を製造した。Caの添加は、CaSi合金の投入で行い、所定の真空精錬が終了した後の真空環境下にある溶鋼に投入した。CaSi合金の投入量は、溶鋼中のCa含有量が100ppmとなる計算量である。スラグ精錬には、CaO−CaF系スラグを用いた。鋳造後の素材の成分組成を、表1に示す。
表1の結果より、本発明の製造方法で得られたNo.1、2の高速度工具鋼素材は、100ppmの狙いCa量に対して、実際のCa量が87ないし99ppmとなっており、Caが歩留よく添加されていた。そして、S量が2ppm、N量が50ppmのレベルにまで低減されていた。これらに対して、スラグ精錬を省略したNo.3の高速度工具鋼素材では、Ca量は僅か2ppmと歩留が悪く、かつ、S量が45ppmの高いレベルであった。また、スラグ精錬の前にCaを添加したNo.4の高速度工具鋼素材においても、S量が5ppmの低いレベルであったが、Ca量も14ppmの低い含有量であった。
実施例1で得られた高速度工具鋼素材を1160℃に加熱して、断面寸法が135×135mm角の鋼片にまで塑性加工する熱間加工を実施した。そして、熱間加工後の鋼片の表面を目視にて観察した。その結果、本発明の製造方法によったNo.1、2の高速度工具鋼素材を熱間加工した鋼片の表面は滑らかであり、著しい割れは確認されなかった(No.1の鋼片の外観を示す図面代用写真を図1に示す)。これに対し、No.3の鋼片には、研削しても除去できないほどの、著しい割れが確認された(外観を示す図面代用写真を図2に示す)。No.4の鋼片には、No.3の鋼片ほどではないが、No.1、2の鋼片に比べて、顕著な割れが確認された。

Claims (8)

  1. 高速度工具鋼の成分組成を有する溶鋼を準備する第1工程と、
    前記の準備した溶鋼をスラグ精錬して、溶鋼中のSを0.004質量%以下に低減する第2工程と、
    前記のスラグ精錬した溶鋼にCaを添加して、溶鋼中のCaを0.005〜0.015質量%に調整する第3工程と、
    前記のCaを添加した溶鋼を鋳造する第4工程と、
    からなることを特徴とする熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  2. 第1工程で準備する溶鋼は、質量%で、
    C:0.5〜2.2%、
    Cr:3.0〜7.0%、
    WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%、
    V:0.6〜5.0%、
    を含む高速度工具鋼の成分組成であることを特徴とする請求項1に記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  3. 第1工程で準備する溶鋼は、真空精錬したものであることを特徴とする請求項1または2に記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  4. 第3工程での溶鋼へのCaの添加は、スラグ精錬を終えた後の溶鋼の上面を覆っているスラグを貫通して、溶鋼の深部にCa源を投入して行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  5. 投入するCa源は、CaSi合金であることを特徴とする請求項4に記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  6. 第4工程で鋳造する前の溶鋼は、Nが0.01質量%以下に低減されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  7. 得られた高速度工具鋼素材は、質量%で、
    C:0.5〜2.2%、
    Si:0.1〜1.0%、
    Mn:0.1〜1.0%、
    S:0.004%以下、
    Cr:3.0〜7.0%、
    WおよびMoの1種または2種による(W+2Mo):5.0〜30.0%、
    V:0.6〜5.0%、
    Al:0.3%以下(0%を含む)、
    Ca:0.005〜0.015%、
    N:0.01%以下、
    O:0.004%以下、
    残部Feおよび不可避的不純物でなることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
  8. 得られた高速度工具鋼素材は、質量%で、さらに、
    Co:10.0%以下、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載の熱間加工性に優れた高速度工具鋼素材の製造方法。
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