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
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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%、
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。
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。
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。
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−CaF2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−CaF2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。
Claims (8)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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