JP2016037640A

JP2016037640A - 耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2016037640A
Application number: JP2014161975A
Authority: JP
Inventors: 裕一永富; Yuichi Nagatomi; 裕樹池田; Hiroki Ikeda
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: JP6410515B2

Abstract

【課題】高速切削工具適用時に優れた耐摩耗性、耐焼付き性を示しつつ、チッピングを発生しない靱性を備えた、窒化粉末高速度鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．８〜２．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜８．０％、Ｗ：３．０〜１４．０％、Ｖ：２．０〜１０．０％、Ｃｏ：０〜１０％、Ｎ：０．３〜１．５％を含有し、かつＣｅｑ値：０．１〜０．８、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻し、組織中の炭化物の平均粒径が４〜２０μｍであり、さらに、炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下の範囲にあり、析出物の粒子間距離が１０μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、切削工具や金型等に使用される粉末高速度工具鋼およびその製造方法に関する。

従来、粉末高速度工具鋼は、微細な炭化物が析出するため溶製高速度工具鋼よりも靱性に優れる特長を持つ。また、更にＮを添加し、炭窒化物を析出させ、粉末高速度工具鋼の緒性能（耐焼付き性）を更に向上させた、例えば特開昭６１−６２５５号公報（特許文献１）に開示されているように、化学組成が質量％で、Ｃ：次式を満足する量（％）、Ｃｅｑ＋０．１５≦Ｃ＋１２／１４Ｎ≦Ｃｅｑ＋０．３５、但し、Ｃｅｑ＝０．１９＋０．０１７（Ｗ＋２Ｍｏ）＋０．２２Ｖ、上式において、Ｎ、Ｗ、Ｍｏ及びＶは夫々鋼中の含有量（％）、Ｃｒ：３〜５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ｗ：８〜１４％、Ｖ：４〜６％、Ｃｏ：５〜１５％、Ｎ：０．２〜１．２％、残部実質的にＦｅからなり、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）が２７〜３２％である高硬度高靱性窒化粉末ハイスが提案されている。

また、特開２０１３−６０６１７号公報（特許文献２）に開示されているように、質量％で、Ｃ：０．８５〜１．２０％、Ｓｉ≦０．５％、Ｍｎ：≦０．５％、Ｃｒ：３．８〜６．０％、Ｍｏ：５．６〜８．０％、Ｗ：５．１〜８．０％、Ｖ：３．０〜６．０％、Ｎ：０．４〜１．５％を含有し、これらはＣ＋Ｎ：１．２５〜２．５０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：８．３〜１１．０％、および４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎ：≧３２．５％を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼合金で、硬さが６５ＨＲＣ以上であることを特徴とする高靱性であり、耐食性、耐焼付き性に優れた窒化粉末高速度鋼が提案されている。

一方で、近年の切削工具に要求されるより高度な特性（例えば高速で切削を行う場合の特性）が求められた場合には、耐摩耗性や靱性が依然として不十分であり、更なる改善が求められている。上記耐摩耗性は一般的に組織中に析出する硬質の炭化物が大きいほど良好であるため、微細炭化物を有する粉末高速度工具鋼は、溶製高速度工具鋼よりも耐摩耗性に劣る場合があり、特にホブ、ブローチなどの高切削速度が要求される工具の適用時に寿命差が顕著となる。

また、窒化粉末高速度工具鋼は炭窒化物析出による耐焼付き性改善効果により、高速切削工具適用時の寿命は粉末高速度工具鋼よりも改善は見られるが、溶製高速度工具鋼よりも依然寿命は劣る。さらに、粉末高速度工具鋼の耐摩耗性改善方法として、電気製鋼、第５８巻第４号２５１〜２５９頁常陸美朝、松田幸紀著（非特許文献１）に、組織中の炭化物を多量に析出させたり大きくすることが報告されているが、過度に行うと靱性が低下し、耐チッピング性の観点から課題がある。

特開昭６１−６２５５号公報特開２０１３−６０６１７号公報

電気製鋼、第５８巻第４号２５１〜２５９頁常陸美朝、松田幸紀著

上述した、特許文献１は成分（Ｃ，Ｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ）制御かつ窒素を含有させ炭窒化物を析出させることにより耐焼付き性を改善しているが、炭窒化物は微細のため高速切削適用時の耐摩耗性に劣る。また、特許文献２は成分制御により耐食性、耐焼付き性に優れた高靱性窒化粉末高速度鋼を得ているが、窒化物の平均粒径が１μｍ以下と微細であるため高速切削工具適用時に耐摩耗性に劣る。また、非特許文献１は粉末高速度鋼の炭化物粗大化による耐摩耗性、靱性の変化を検討している。ところが炭化物粗大化により耐摩耗性が向上するが、しかし靱性は低下すると言う問題がある。

上述したような問題を解消するために、鋭意開発を進めた結果、高速切削工具適用時に優れた耐摩耗性、耐焼付き性を示しつつ、チッピングを発生しない靱性を備えた、窒化粉末高速度鋼を提供することである。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．８〜２．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜８．０％、Ｗ：３．０〜１４．０％、Ｖ：２．０〜１０．０％、Ｃｏ：０〜１０％、Ｎ：０．３〜１．５％を含有し、かつＣｅｑ値：０．１〜０．８、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる窒化粉末高速度工具鋼であって、焼入、焼戻し後の金属組織中の炭化物は平均粒径が４〜２０μｍであり、さらに、炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下の範囲にあり、析出物の粒子間距離が１０μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
但し、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝

（２）前記（１）に記載の鋼粉末を、１２００〜１３００℃の温度域でＨＩＰで固化成形を行った後、熱間で塑性加工をし、その後、焼入、焼戻して金属組織中の炭化物を平均粒径で４〜２０μｍ、さらに、炭窒化物の平均粒径を２μｍ以下の範囲とし、析出物の粒子間距離を１０μｍ以下とすることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼の製造方法。

（３）前記（２）の製造方法で、１１００〜１２００℃未満の温度域でＨＩＰで固化成形の後、１２００〜１３００℃の温度域で２〜６時間の高温保持熱処理をした後、熱間で塑性加工することを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼の製造方法にある。

以上述べたように、本発明によりホブ・ブローチなど高速切削用途時の耐摩耗性および耐焼付き性を示しつつ、チッピングを発生しない靱性を備えた、窒化粉末高速度鋼、およびこうした高速度工具鋼の製造方法を提供することが出来る。

以下、本発明について詳細に説明する。
耐摩耗性を改善するには、熱処理で高温保持を行い硬質の析出物（窒化粉末高速度工具鋼では、炭化物、炭窒化物が析出）を粗大化させることが有効であるが、熱処理等で析出物を大きくすると析出物が互いに凝集して成長していくため、耐摩耗性は向上するが、析出物の個数が減少し、析出物同士の距離、すなわち、粒子間距離が長くなる。析出物粒子間距離が長くなると、高速切削工具母材として使用時に析出物と相手材よりも、母相と相手材が接触をする機会が多くなり、素地ごと脱落、すなわち、チッピングが発生し、工具寿命が短くなってしまう。また、析出物の粗大化過程で微細析出物が消失すると、２μｍ以下の微細な析出物は、焼入れ焼戻し時に結晶粒の粗大化をピン止めして抑制する効果があるため、焼入れ焼戻し時に結晶粒が粗大化しやすく靱性の低下が起こると考えた。本発明では、硬質析出物径、析出物粒子間距離を制御した鋼を得ることを図った。

窒化粉末高速度工具鋼は、炭化物、炭窒化物の２種類の析出物が析出するが、通常は炭化物および炭窒化物の平均粒径は共に約２μｍ以下である。本発明ではそれぞれの析出物サイズの制御を行い、炭化物は４〜２０μｍと粗大化させる一方で、炭窒化物は２μｍ以下を微細に保ち、粗大炭化物と微細炭窒化物が混在する組織とすることで、粗大化した炭化物は耐摩耗性向上に寄与し、微細炭窒化物は結晶粒ピン止め効果による靱性向上および析出物粒子間距離を短くし、工具使用時の母相との接触抑制効果により靱性（耐チッピング性）が保たれ、結果として耐摩耗性と靱性（耐チッピング性）に優れた鋼が得られることを見出した。

炭化物と炭窒化物サイズをそれぞれ上記範囲に制御する方法としては、ＨＩＰ成形温度を１２００℃〜１３００℃、好ましくは１２２０℃〜１２６０℃とする（通常の粉末ハイスのＨＩＰ成形温度は１１００〜１１５０℃）。もしくはＨＩＰ固化成形体に対して１２００〜１３００℃、好ましくは１２２０℃〜１２６０℃、２〜６時間程度の高温保持熱処理（ソーキング）を行う。上記処理で炭化物、炭窒化物が制御できる理由としては、炭化物と炭窒化物では粗大化開始温度の差があり（炭窒化物は炭化物より安定で粗大化開始温度が高い）、１２００℃から１３００℃の温度域で保持した場合、炭化物は優先して粗大化（成長）、炭窒化物は殆ど粗大化（成長）せず微細なままに保たれる。本発明では本現象を利用して硬質析出物の制御を行った。

以下、本発明に係る限定理由について説明する。
Ｃ：０．８〜２．５％
Ｃは、硬さ、焼入性を得るために必要な元素で、炭化物の析出に必須である。しかし、０．８％未満ではその効果が十分でない。また、２．５％を超えると、粗大すぎる炭化物を形成し靱性を悪化させることから、その範囲を０．８〜２．５％とした。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤であり、基地の硬さを得るために必要な元素である。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、１．０％を超えると靱性と加工性が悪化することから、その範囲を０．１〜１．０％とした。

Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、脱酸剤であり、焼入性を得るために必要な元素である。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、１．０％を超えるとマトリックスを脆化させ靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を０．１〜１．０％とした。

Ｃｒ：３．０〜５．０％
Ｃｒは、耐焼付き性、焼入性を得るため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でない。また、５．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を３．０〜５．０％とした。

Ｍｏ：２．０〜８．０％
Ｍｏは、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。しかし、２．０％未満ではその効果が十分でない。また、８．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を２．０〜８．０％とした。

Ｗ：３．０〜１４．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻し軟化抵抗性を得るため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でない。また、１４．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を３．０〜１４．０％とした。

Ｖ：２．０〜１０．０％
Ｖは、硬さ、耐焼付き性および靱性を得るために必要な元素であり、ＶＮもしくはＶＣＮとなり、炭窒化物を析出させ耐摩耗性、耐焼付き性を向上させる。しかし、２．０％未満ではその効果が十分でない。また、１０．０％を超えると靱性、被削性が悪化することから、その範囲を２．０〜１０．０％とした。

Ｃｏ：０〜１０．０％
Ｃｏは、耐熱性、耐摩耗性、耐焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。本元素を含まなくても本発明の効果は得られるが、高速切削用途の工具鋼では、使用時の温度上昇から耐熱性、耐焼戻し軟化抵抗性が特に重要となるため、含有することが好ましい。しかし、１０．０％を超える添加は炭化物の偏析や脱炭を促進することから、その範囲を０〜１０．０％とした。

Ｎ：０．３〜１．５％
Ｎは、炭窒化物を析出させるために必須の元素である。ＮはＶと結合してバナジウム系窒化物を形成し、硬さ、耐焼付き性を向上させる。しかし、０．３％未満ではその効果が十分でない。また、１．５％を超えると靱性が低下するので、その範囲を０．３〜１．５％とした。好ましくは０．４〜１．０％とする。

Ｃｅｑ値を０．１〜０．８
ただし、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝
Ｃｅｑ値は、炭素および窒素量と合金元素添加量のバランスを示す値で、炭化物、炭窒化物を析出させ、硬さ、焼入れ性、耐焼付き性を確保するために制御する必要がある。しかし、０．１未満では効果が十分でなく、０．８を超えると靱性が低下するので、その範囲を０．１〜０．８とした。好ましくは０．２〜０．６とする。

炭化物の平均粒径：４〜２０μｍ
炭化物の平均粒径は、耐摩耗性を得るために必要な条件である。しかし、４μｍ未満では効果が十分でなく、２０μｍを超えると靱性が低下し、チッピングが発生するので、その範囲を４〜２０μｍとする。好ましくは５〜１５μｍとする。

炭窒化物の平均粒径：２μｍ以下
炭窒化物の平均粒径は、結晶粒を微細に保ち靱性を確保するために必要な条件である。しかし、２μｍを超えると焼入れ焼戻し時に結晶粒が粗大化し靱性が低下する。したがって、２μｍ以下とした。好ましくは１．５μｍ以下とする。

析出物の粒子間距離：１０μｍ以下
析出物の粒子間距離は、１０μｍを超えると析出物同士の距離が長くなることにより工具使用の際に母相に直接接触する機会が多くなり、素地が抉られ易くチッピングが発生することから、その上限を１０μｍとした。好ましくは５μｍとする。

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の窒素以外の成分組成の金属粉末をガスアトマイズ法で作製し、５００μｍ以下の篩目にて分級し、窒素雰囲気中で加熱保持し窒素を含有させる。この合金粉末をＨＩＰ条件にて焼結し、その後、大気炉で保持熱処理を行ったものと、ＨＩＰ成型ままの固化成形体を作製した。それを約１０７５℃に加熱して３０ｍｍ径に鍛造加工した後１１９０℃焼入れてから５６０℃で３回焼き戻し処理を行った。この焼入れ焼戻しした状態の鋼に対して以下の調査を行った。耐摩耗性、靱性の評価は、上記の熱処理品をホブへ加工し、このホブを使って切削加工を施すことにより評価した。

耐摩耗性、靱性は、被削材としてＳＣＭ４１５を用い、乾式で１分当たりの切削速度が３００ｍの切削速度で１時間切削した時の摩耗量により評価した。汎用窒化粉末高速度工具鋼（表Ｎｏ．１０）を１として摩耗量を比較を行い耐摩耗性を評価した。また、その時のチッピングの有無で靱性を評価した。その結果を表１に示す。

組織中の析出物は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、長さ１０ｍｍの角棒を切出し、湿式研磨、ＳＥＭ観察を行い、組織を１０００倍の組成像写真を基に、１００μｍ² の範囲内に存在する炭化物、炭窒化物を画像解析ソフトを用いて、それぞれの平均粒径、析出物の粒子間距離を算出した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜９は本発明例であり、Ｎｏ．１０〜１５は比較例である。

表１に示すように、比較例Ｎｏ．１０は、成分組成が汎用窒化粉末高速度鋼であり、炭化物の平均粒径が小さいために耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１１は、成分組成においてＣ、Ｃｒ、Ｖ含有量が高いために靱性が低下し、かつ炭化物の平均粒径、および炭窒化物の平均粒径が大きく、析出物の粒子間距離が長いために、チッピングが発生する。比較例Ｎｏ．１２は、成分組成においてＳｉ含有量が高く、Ｗ、Ｖ含有量が低く、Ｃｅｑ値が大きく、かつ炭化物の平均粒径が小さいために耐摩耗性が劣る。

比較例Ｎｏ．１３は、成分組成においてＣ、Ｃｅｑ値が低く、Ｍｎが高く、かつ炭化物の平均粒径が小さいために耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１４は、成分組成においてＣ，Ｍｏ、Ｗ，Ｃｏ、Ｎ含有量が高く、Ｃｅｑ値が大きく、かつ炭化物の平均粒径が２０μｍ以上と大きいために、靱性が劣り、また炭窒化物の平均粒径が大きく、析出物の粒子間距離が長いためにチッピングが発生した。比較例Ｎｏ．１５は、成分組成においてＣｒ、Ｍｏ、Ｎ含有量が低く、Ｃｅｑ値が小さく、かつ炭化物の平均粒径が小さいために、耐摩耗性が劣る。

これに対して、本発明であるＮｏ．１〜９は、いずれも成分組成、炭化物の平均粒径、炭窒化物の平均粒径、析出物の粒子間距離を満足していることから、４μｍ以上の炭化物が耐摩耗性に寄与し、２μｍ以下の炭窒化物が焼入れ焼戻し時の結晶粒粗大化抑制（靱性の向上）および析出物の粒子間距離が１０μｍ以下で工具使用時の母相との接触を防ぎ、チッピング性を抑制することが分かる。

以上述べたように、本発明による高速切削用途の粉末高速度鋼の成分組成と組織中の炭化物を適切に制御することにより、チッピング性と耐摩耗性を兼ね備えた窒化粉末高速度工具鋼を提供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。

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：０．８〜２．５％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：３．０〜５．０％、
Ｍｏ：２．０〜８．０％、
Ｗ：３．０〜１４．０％、
Ｖ：２．０〜１０．０％、
Ｃｏ：０〜１０％、
Ｎ：０．３〜１．５％
を含有し、かつＣｅｑ値：０．１〜０．８、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる窒化粉末高速度工具鋼であって、焼入、焼戻し後の金属組織中の炭化物は平均粒径が４〜２０μｍであり、さらに、炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下の範囲にあり、析出物の粒子間距離が１０μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
但し、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝
請求項１に記載の鋼粉末を、１２００〜１３００℃の温度域でＨＩＰで固化成形を行った後、熱間で塑性加工をし、その後、焼入、焼戻して金属組織中の炭化物を平均粒径で４〜２０μｍ、さらに、炭窒化物の平均粒径を２μｍ以下の範囲とし、析出物の粒子間距離を１０μｍ以下とすることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼の製造方法。
請求項２の製造方法で、１１００〜１２００℃未満の温度域でＨＩＰで固化成形の後、１２００〜１３００℃の温度域で２〜６時間の高温保持熱処理をした後、熱間で塑性加工することを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼の製造方法。