JP2022138638A - Fe-based alloy containing Mo - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｍｏ及びＣを含有するＦｅ系合金に関する。 The present invention relates to Fe-based alloys containing Mo and C.
高速での切削加工に使用される工具には、耐摩耗性が必要である。耐摩耗性に優れた種々の合金が、提案されている。 Wear resistance is required for tools used for cutting at high speed. Various alloys with excellent wear resistance have been proposed.
特開２０１２－２１０６７０公報には、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗ（又はＭｏ）、Ｖ及びＣｏを含有する高速度鋼が開示されている。この高速度鋼は、ドリルに適している。このドリルは、耐摩耗性に優れている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-210670 discloses a high speed steel containing C, Si, Cr, W (or Mo), V and Co. This high speed steel is suitable for drilling. This drill has excellent wear resistance.
日本金属学会誌第５７巻第７号の第８１３－８２０頁には、Ｍｏ－Ｆｅ系ホウ化物又はＭｏ－Ｎｉ系ホウ化物を含有する硬質合金が開示されている。この硬質合金は、耐摩耗性に優れている。 Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 57, No. 7, pp. 813-820 discloses hard alloys containing Mo--Fe borides or Mo--Ni borides. This hard alloy has excellent wear resistance.
特開２０１２－２１０６７０公報に開示された高速度鋼では、２～３％Ｃ、１２％以下Ｍｏの組成であり、Ｃがマトリックスに固溶してマトリックスを強化し、また、一部は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖと結合して炭化物を形成し、合金鋼の硬さと耐摩耗性を向上させている。しかしながら、そのＭｏ量が１２％以下と少ないため、大幅な耐摩耗性の改善は難しい。 The high-speed steel disclosed in JP-A-2012-210670 has a composition of 2 to 3% C and 12% or less Mo, and C solid-solves in the matrix to strengthen the matrix. , Mo, Cr, and V to form carbides and improve the hardness and wear resistance of the alloy steel. However, since the amount of Mo is as small as 12% or less, it is difficult to significantly improve wear resistance.
日本金属学会誌第５７巻第７号の第８１３－８２０頁に開示された硬質合金は、Ｍｏ２ＦｅＢ２系及びＭｏ２ＮｉＢ２系硬質合金に関する。これら合金と相手材の摩耗界面に生成したＢ、Ｍｏ、Ｎｉ系酸化物が潤滑効果を示すことより、摩耗粉の移着凝着を防ぎ、耐摩耗性が改善したと報告している。しかしながら、Ｂはホウ化物形成元素であるＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ等と反応し、ホウ化物を析出する。硬さや耐摩耗性はホウ化物を析出することで改善するが、ＢのＦｅに対する固溶限が小さいため、固化成形後のホウ化物が析出した状態から、機械加工を行うために焼きなましを行ったとしても、硬さを低減出来ず、機械加工性に劣る。この硬質合金はさらに、ホウ化物の硬質相の析出により、じん性を悪化させ、工具のチッピングが生じやすくなる。 The hard alloys disclosed in Journal of the Japan Institute of Metals Vol. 57, No. 7, pp. 813-820 relate to Mo 2 FeB 2 and Mo 2 NiB 2 hard alloys. It is reported that the B, Mo, and Ni-based oxides formed at the wear interface between these alloys and the mating material exhibit a lubricating effect, preventing the transfer and adhesion of wear debris and improving the wear resistance. However, B reacts with boride-forming elements such as Fe, Mo, Cr, and W to precipitate borides. Hardness and wear resistance can be improved by precipitating borides, but since the solid solubility limit of B in Fe is small, annealing was performed in order to perform machining from the state in which borides precipitated after solidification and molding. However, the hardness cannot be reduced and the machinability is poor. This hard alloy further deteriorates toughness due to the precipitation of the boride hard phase, making the tool more susceptible to chipping.
従来の高速切削工具鋼においては、Ｆｅを主成分として、炭化物析出元素であるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖを添加し、また、その添加量を調整しているが、Ｍｏを１２％超含有しているものはない。 In conventional high-speed cutting tool steel, Fe is the main component, and Cr, W, Mo, and V, which are carbide precipitation elements, are added, and the amount of addition is adjusted. there is nothing
これらの観点から、本発明者は、特にＭｏに着目した。本発明の目的は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れた合金の提供にある。 From these points of view, the present inventor particularly focused on Mo. An object of the present invention is to provide an alloy having an excellent balance of wear resistance, machinability, hot workability and toughness.
本発明に係るＭｏを含有Ｆｅ系合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
The Fe-based alloy containing Mo according to the present invention is
Mo: more than 12.0% by mass and 30.0% by mass or less,
C: 1.0% by mass or more and 1.9% by mass or less,
Cr: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
V: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
Si: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Mn: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Co: 0 mass % or more and 10.0 mass % or less and W: 0 mass % or more and 20.0 mass % or less are contained. The balance is Fe and unavoidable impurities.
この合金の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。好ましくは、これらの炭化物の円相当径の平均値は、３．５μｍ以下である。好ましくは、これらの炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下である。 The metallographic structure of this alloy comprises a matrix and numerous carbides dispersed in this matrix. Preferably, the average equivalent circle diameter of these carbides is 3.5 μm or less. Preferably, the area ratio P of these carbides is 15% or more and 45% or less.
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れる。 The Fe-based alloy containing Mo according to the present invention has an excellent balance of wear resistance, machinability, hot workability and toughness.
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、典型的には、粉末の焼結によって得られる。換言すれば、この合金は、焼結体である。この合金は、熱処理に供されうる。典型的な熱処理は、焼入れ及び焼戻しである。粉末は、典型的にはアトマイズによって得られる。 The Fe-based alloy containing Mo according to the present invention is typically obtained by sintering powder. In other words, this alloy is a sintered body. This alloy can be subjected to heat treatment. Typical heat treatments are quenching and tempering. Powders are typically obtained by atomization.
［組成］
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
[composition]
The Fe-based alloy containing Mo according to the present invention is
Mo: more than 12.0% by mass and 30.0% by mass or less,
C: 1.0% by mass or more and 1.9% by mass or less,
Cr: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
V: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
Si: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Mn: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Co: 0 mass % or more and 10.0 mass % or less and W: 0 mass % or more and 20.0 mass % or less are contained. Preferably, the balance is Fe and incidental impurities.
［金属組織］
焼入れ－焼戻し後の合金の金属組織は、マトリックス及び多数の炭化物を含んでいる。これらの炭化物は、多数の一次金属炭化物及び多数の二次金属炭化物を含んでいる。マトリックスのベースは、Ｆｅである。このマトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。このマトリックスの組織は、主にマルテンサイトである。一次金属炭化物は、マトリックス中に分散している。二次金属炭化物も、マトリックス中に分散している。それぞれの一次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この一次金属炭化物は、アトマイズ時又は焼結時に析出したものである。それぞれの二次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この二次金属炭化物は、焼戻しによって析出したものである。一次金属炭化物は概して大きく、二次金属炭化物は概して微細である。
[Metal structure]
The metallographic structure of the alloy after quenching-tempering contains a matrix and numerous carbides. These carbides include multiple primary metal carbides and multiple secondary metal carbides. The matrix base is Fe. In this matrix, other elements are dissolved in Fe. The texture of this matrix is mainly martensite. Primary metal carbides are dispersed in the matrix. Secondary metal carbides are also dispersed in the matrix. Each primary metal carbide is a compound of C and a metal element. This primary metal carbide is precipitated during atomization or sintering. Each secondary metal carbide is a compound of C and a metal element. This secondary metal carbide is precipitated by tempering. Primary metal carbides are generally large and secondary metal carbides are generally fine.
図１は、本発明の一実施形態に係るＭｏを含有するＦｅ系合金の断面が示された反射電子像である。この合金は、Ｍｏ及びＣを含有している。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。図１には、マトリックスと多数の炭化物（Ｍ６Ｃ）とが示されている。これらの炭化物は、マトリックスに分散している。 FIG. 1 is a backscattered electron image showing a cross section of a Fe-based alloy containing Mo according to one embodiment of the present invention. This alloy contains Mo and C. The balance is Fe and unavoidable impurities. The matrix and numerous carbides (M6C) are shown in FIG. These carbides are dispersed in the matrix.
図２は、本発明の他の実施形態に係るＭｏを含有するＦｅ系合金の断面が示された反射電子像である。この合金は、Ｍｏ、Ｃ、Ｃｒ及びＶを含有している。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。図２には、マトリックスと多数の炭化物（Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃ及びＶＣ）とが示されている。これらの炭化物は、マトリックスに分散している。 FIG. 2 is a backscattered electron image showing a cross section of a Mo-containing Fe-based alloy according to another embodiment of the present invention. This alloy contains Mo, C, Cr and V. The balance is Fe and unavoidable impurities. Figure 2 shows the matrix and a number of carbides (M2C, M6C and VC). These carbides are dispersed in the matrix.
［モリブデン（Ｍｏ）］
本発明に係る合金において、Ｍｏは必須の元素である。この合金において、Ｍｏは重要な役割を果たす。この合金においてＭｏは、一次金属炭化物を形成する。さらにＭｏは、焼戻しのときに微細な二次金属炭化物を形成する。従ってＭｏは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。この合金から得られた工具は、高速で加工がなされるときの耐摩耗性に、極めて優れる。Ｃｒ、Ｖ及びＷは、摩耗界面に潤滑効果を示す酸化物を構成しない。一方、ＭｏはＭｏ系酸化物が析出し、潤滑効果を示す。これにより、摩耗粉の移着凝着が抑制去れ、耐摩耗性が改善する。これらの観点から、Ｍｏの含有率は１２．０質量％超が好ましく、１３．０質量％以上がより好ましく、１４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは、炭化物の過剰の生成を招来し、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｏを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｏの含有率は３０．０質量％以下が好ましく、２８．０質量％以下がより好ましく、２６．０質量％以下が特に好ましい。
[Molybdenum (Mo)]
Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. Mo plays an important role in this alloy. Mo in this alloy forms primary metal carbides. In addition, Mo forms fine secondary metal carbides during tempering. Mo can therefore contribute to the hardness and wear resistance of the alloy. Tools obtained from this alloy are extremely resistant to wear when working at high speeds. Cr, V and W do not form oxides that exhibit a lubricating effect on the wear interface. On the other hand, Mo deposits Mo-based oxides and exhibits a lubricating effect. As a result, transfer and adhesion of abrasion powder can be suppressed, and wear resistance can be improved. From these points of view, the Mo content is preferably more than 12.0% by mass, more preferably 13.0% by mass or more, and particularly preferably 14.0% by mass or more. Excess Mo leads to excessive carbide formation and impairs the toughness of the alloy. Tools made from alloys containing excess Mo are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the Mo content is preferably 30.0% by mass or less, more preferably 28.0% by mass or less, and particularly preferably 26.0% by mass or less.
［炭素（Ｃ）］
本発明に係る合金において、Ｃは必須の元素である。Ｃは、Ｍｏ等の金属と結合し、一次金属炭化物を形成する。Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶し、組織を強化する。さらにＣは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＣは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．１質量％以上がより好ましく、１．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、炭化物の過剰の生成を招来し、靱性を阻害する。過剰のＣを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃの含有率は１．９質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下が特に好ましい。
[Carbon (C)]
C is an essential element in the alloy according to the present invention. C combines with metals such as Mo to form primary metal carbides. C dissolves into the matrix by quenching and strengthens the structure. Furthermore, C precipitates secondary metal carbides during tempering. C can therefore contribute to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the C content is preferably 1.0% by mass or more, more preferably 1.1% by mass or more, and particularly preferably 1.2% by mass or more. Excess C causes excessive formation of carbides and impairs toughness. Tools made from alloys containing excess C are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the C content is preferably 1.9% by mass or less, more preferably 1.8% by mass or less, and particularly preferably 1.7% by mass or less.
［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、一次金属炭化物を析出させる。マトリックス中のＣｒは、焼戻し時に二次金属炭化物に供給され、この二次金属炭化物を粗大化させる。さらに、一部のＣｒは新たに二次炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｒを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｒの含有率は０質量％でもよい。Ｍｏと比較してＣｒは、マトリックス中での拡散速度が速く、かつマトリックスへの固溶限が大きいため、炭化物を粗大化させる駆動力が大きい。従って、過剰のＣｒは、合金が熱の影響を受けたときに二次金属炭化物を粗大化させ、合金の軟化抵抗を悪化させる。軟化抵抗の観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
[Chromium (Cr)]
Cr precipitates primary metal carbides. Cr in the matrix is supplied to the secondary metal carbide during tempering and coarsens the secondary metal carbide. Furthermore, a part of Cr newly precipitates secondary carbides. These carbides contribute to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the Cr content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. If Mo provides sufficient hardness and wear resistance, the alloy may have a Cr-free composition. In other words, in the alloy according to the present invention, the Cr content may be 0 mass %. Compared to Mo, Cr has a higher diffusion rate in the matrix and a higher solid solubility limit in the matrix, and therefore has a greater driving force for coarsening carbides. Excess Cr therefore coarsens the secondary metal carbides when the alloy is subjected to heat, degrading the softening resistance of the alloy. From the viewpoint of softening resistance, the Cr content is preferably 10.0% by mass or less, more preferably 9.0% by mass or less, and particularly preferably 8.0% by mass or less.
［バナジウム（Ｖ）］
Ｖは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＶは、焼戻し時に微細な二次金属炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＶを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｖの含有率は０質量％でもよい。過剰のＶは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＶを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｖの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
[Vanadium (V)]
V precipitates primary metal carbides. Furthermore, V precipitates fine secondary metal carbides during tempering. These carbides contribute to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the V content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. The alloy may have a V-free composition if Mo provides sufficient hardness and wear resistance. In other words, in the alloy according to the invention, the V content may be 0% by weight. Excess V precipitates excessive carbides and impairs the toughness of the alloy. Tools containing excess V are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the V content is preferably 10.0% by mass or less, more preferably 9.0% by mass or less, and particularly preferably 8.0% by mass or less.
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＳｉは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。この固溶強化及び析出強化により、合金の優れた硬度及び耐摩耗性が達成されうる。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＳｉを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｓｉの含有率は０質量％でもよい。過剰のＳｉは、合金の靱性を阻害する。過剰のＳｉを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｓｉの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
[Silicon (Si)]
Si contributes to deoxidation in the steelmaking process. Si forms a substitutional solid solution in the matrix during quenching and contributes to solid solution strengthening. Solid solution Si promotes the precipitation of secondary metal carbides during tempering. Excellent hardness and wear resistance of the alloy can be achieved by this solid solution strengthening and precipitation strengthening. From these points of view, the Si content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. If sufficient hardness and wear resistance are achieved with Mo, the alloy may have a Si-free composition. In other words, in the alloy according to the present invention, the Si content may be 0% by mass. Excess Si impairs the toughness of the alloy. Tools containing excess Si are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the Si content is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 4.0% by mass or less, and particularly preferably 3.0% by mass or less.
［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＭｎは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。Ｍｎの一部は、一次金属炭化物に固溶する。Ｍｎは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＭｎを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｍｎの含有率は０質量％でもよい。過剰のＭｎは、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｎを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
[Manganese (Mn)]
Mn contributes to deoxidation in the steelmaking process. Mn forms a substitutional solid solution in the matrix during quenching and contributes to solid solution strengthening. Solid solution Mn promotes the precipitation of secondary metal carbides during tempering. Part of Mn dissolves in the primary metal carbide. Mn contributes to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the Mn content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. If Mo provides sufficient hardness and wear resistance, the alloy may have a Mn-free composition. In other words, in the alloy according to the present invention, the Mn content may be 0 mass %. Excess Mn impairs the toughness of the alloy. Tools containing excess Mn are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the Mn content is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 4.0% by mass or less, and particularly preferably 3.0% by mass or less.
［コバルト（Ｃｏ）］
Ｃｏは、焼入れ時にマトリックスに置換固溶する。固溶したＣｏは、焼戻しのとき、二次金属炭化物の析出を促進し、この二次金属炭化物の微細化に寄与する。従ってＣｏは、合金の硬度と耐摩耗性とに寄与する。これらの観点から、Ｃｏの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｏを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｏの含有率は０質量％でもよい。過剰のＣｏを含む合金では、Ｃｏの一部がＦｅとの規則相を形成する。この規則相は、合金の靱性を阻害する。過剰のＣｏを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃｏの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
[Cobalt (Co)]
Co forms a substitution solid solution in the matrix during quenching. Solid solution Co promotes the precipitation of secondary metal carbides during tempering and contributes to refinement of the secondary metal carbides. Co therefore contributes to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the Co content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. If sufficient hardness and wear resistance are achieved with Mo, the alloy may have a Co-free composition. In other words, in the alloy according to the present invention, the Co content may be 0% by mass. In alloys containing excess Co, some Co forms an ordered phase with Fe. This ordered phase impairs the toughness of the alloy. Tools containing excess Co are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the Co content is preferably 10.0% by mass or less, more preferably 9.0% by mass or less, and particularly preferably 8.0% by mass or less.
［タングステン（Ｗ）］
Ｗは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＷは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＷは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｗの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＷを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｗの含有率は０質量％でもよい。過剰のＷは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＷを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｗの含有率は２０．０質量％以下が好ましく、１５．０質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
[Tungsten (W)]
W precipitates primary metal carbides. Furthermore, W precipitates secondary metal carbides during tempering. W can therefore contribute to the hardness and wear resistance of the alloy. From these points of view, the W content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.10% by mass or more. Mo is an essential element in the alloy according to the present invention. The alloy may have a W-free composition if Mo provides sufficient hardness and wear resistance. In other words, in the alloy according to the invention, the W content may be 0 mass %. Excess W precipitates excessive carbides and impairs the toughness of the alloy. Tools containing excess W are prone to chipping. From the viewpoint of toughness, the W content is preferably 20.0% by mass or less, more preferably 15.0% by mass or less, and particularly preferably 10.0% by mass or less.
［鉄（Ｆｅ）］
本発明に係る合金の主成分は、Ｆｅである。従ってこの合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は５０質量％以上が好ましく、５５質量％以上がより好ましく、６０質量％以上が特に好ましい。
[Iron (Fe)]
The main component of the alloy according to the invention is Fe. Therefore, this alloy has excellent toughness. From the viewpoint of toughness, the Fe content is preferably 50% by mass or more, more preferably 55% by mass or more, and particularly preferably 60% by mass or more.
［不純物］
合金は、不可避的不純物を含む。代表的な不純物として、Ｎが挙げられる。Ｎは、炭化物の粗大化を招く。粗大な炭化物は、合金の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
[impurities]
Alloys contain unavoidable impurities. A representative impurity is N. N invites coarsening of carbides. Coarse carbides impair the toughness of the alloy. From the viewpoint of toughness, the N content (by mass) is preferably 300 ppm or less, particularly preferably 200 ppm or less.
他の代表的な不純物として、Ｏが挙げられる。Ｏは、介在物（酸化物）の生成の原因となる。介在物は、破壊の基点となり得る。破壊の抑制の観点から、Ｏの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。 Other representative impurities include O. O causes formation of inclusions (oxides). Inclusions can serve as starting points for fracture. From the viewpoint of suppressing destruction, the O content (based on mass) is preferably 300 ppm or less, particularly preferably 200 ppm or less.
合金が、金属の不純物を含んでもよい。 The alloy may contain metallic impurities.
［炭化物の平均円相当径］
図１、２に示されるように、マトリックス中に炭化物が析出する。炭化物のサイズは、合金の靱性と相関する。このサイズの指標として、炭化物の平均円相当径Ａが用いられる。靱性の観点から、炭化物の平均円相当径Ａは３．５μｍ以下が好ましく、２．５μｍ以下がより好ましく、２．０μｍ以下が特に好ましい。この平均円相当径Ａは、０．３μｍ以上が好ましい。
[Average circle equivalent diameter of carbide]
As shown in FIGS. 1 and 2, carbide precipitates in the matrix. The carbide size correlates with the toughness of the alloy. As an index of this size, the average circle equivalent diameter A of the carbide is used. From the viewpoint of toughness, the average equivalent circle diameter A of carbides is preferably 3.5 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, and particularly preferably 2.0 μm or less. The average circle equivalent diameter A is preferably 0.3 μm or more.
この平均円相当径Ａは、以下のようにして算出される。まず、走査型電子顕微鏡によって合金の研磨面の反射電子像が撮影される。撮影の倍率は、２，０００倍である。画像解析ソフトによって、この反射電子像の炭化物に２値化処理が施され、画像に存在するそれぞれの炭化物の、円相当径Ｄが、算出される。面積が３５００μｍ２である画像に存在する全ての炭化物の、円相当径Ｄの平均値が、平均円相当径Ａである。換言すれば、平均円相当径Ａは、炭化物の円相当径Ｄの平均値である。円相当径Ｄは、炭化物の面積Ｓと同じ面積を有する真円の直径である。円相当径Ｄは、下記の数式によって算出されうる。
Ｄ ＝ （４ × Ｓ ／ π）０．５
This average equivalent circle diameter A is calculated as follows. First, a backscattered electron image of the polished surface of the alloy is taken with a scanning electron microscope. The magnification of photography is 2,000 times. The carbide in the backscattered electron image is binarized by image analysis software, and the circle-equivalent diameter D of each carbide present in the image is calculated. The average equivalent circle diameter D is the average equivalent circle diameter A of all the carbides present in the image having an area of 3500 μm 2 . In other words, the average equivalent circle diameter A is the average value of the equivalent circle diameters D of the carbides. The equivalent circle diameter D is the diameter of a perfect circle having the same area as the area S of the carbide. The equivalent circle diameter D can be calculated by the following formula.
D = (4 x S/π) 0.5
［面積率Ｐ］
炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下が好ましい。面積率Ｐが１５％以上である合金の硬度は大きい。従ってこの合金は、耐摩耗性に優れる。耐摩耗性の観点から、面積率Ｐは１７％以上がより好ましく、１９％以上が特に好ましい。面積率Ｐが４５％以下である合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、面積率Ｐは４０％以下がより好ましく、３５％以下が特に好ましい。
[Area ratio P]
The area ratio P of carbide is preferably 15% or more and 45% or less. Alloys having an area ratio P of 15% or more have high hardness. Therefore, this alloy has excellent wear resistance. From the viewpoint of wear resistance, the area ratio P is more preferably 17% or more, particularly preferably 19% or more. An alloy having an area ratio P of 45% or less has excellent toughness. From the viewpoint of toughness, the area ratio P is more preferably 40% or less, particularly preferably 35% or less.
面積率Ｐの測定では、走査型電子顕微鏡にて、合金の研磨面の反射電子像が撮影される。画像解析ソフトによって、この反射電子像の炭化物に２値化処理が施される。倍率が２０００倍である画面において、炭化物の合計面積が測定され、面積率Ｐが算出される。この測定に、分水嶺変換は使用されない。典型的な画像処理ソフトは、「Ｉｍａｇｅ－Ｊ」である。 In measuring the area ratio P, a backscattered electron image of the polished surface of the alloy is taken with a scanning electron microscope. Image analysis software applies a binarization process to the carbide in the backscattered electron image. The total area of the carbides is measured on a screen with a magnification of 2000 times, and the area ratio P is calculated. No watershed transformation is used for this measurement. A typical image processing software is "Image-J".
［粉末冶金法］
本発明に係る合金は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この粉末は、多数の粒子からなる。
[Powder metallurgy]
The alloy according to the invention can be obtained by powder metallurgy. In the powder metallurgy method, first, metal powder is produced by gas atomization, water atomization, disc atomization, pulverization, or the like. This powder consists of a large number of particles.
この金属粉末が高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる。熱間等方圧加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから数百ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。 This metal powder is pressurized and solidified in a high-temperature atmosphere to obtain a compact. A preferred pressurization method includes a hot isostatic pressurization method. In the hot isostatic pressing method, the powder is pressed under a high temperature of several hundred degrees Celsius to 2000 degrees Celsius under an isotropic pressure of several tens of MPa to several hundreds of MPa. Preferably, an inert gas such as argon gas or helium gas is used as the pressurizing medium. The use of inert gas suppresses oxidation of the metal powder.
この成形体に、熱間加工（鍛造、圧延等）が施されてもよい。この成形体に、熱処理（焼きなまし）が施される。さらにこの成形体に、所定条件の焼入れ及び焼戻しが施される。焼入れ及び焼戻しにより、好ましい金属組織が形成される。換言すれば、この成形体は、焼入れ及び焼戻しで得られた金属組織を有している。 Hot working (forging, rolling, etc.) may be applied to this compact. Heat treatment (annealing) is applied to this compact. Furthermore, this compact is subjected to quenching and tempering under predetermined conditions. Quenching and tempering form a favorable metallographic structure. In other words, this compact has a metal structure obtained by quenching and tempering.
［成形体］
本発明に係る合金は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。一方で本発明は、焼入れ及び焼戻しが施される前の成形体にも向けられる。本発明に係る成形体は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
[Molded body]
The alloy according to the invention is obtained through quenching and tempering. On the other hand, the present invention is also directed to a compact before being hardened and tempered. The molded body according to the present invention is
Mo: more than 12.0% by mass and 30.0% by mass or less,
C: 1.0% by mass or more and 1.9% by mass or less,
Cr: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
V: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
Si: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Mn: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Co: 0 mass % or more and 10.0 mass % or less and W: 0 mass % or more and 20.0 mass % or less are contained. Preferably, the balance is Fe and incidental impurities.
［用途］
本発明に係る合金の主たる用途は、工具である。本発明は、工具にも向けられる。本発明に係る工具の材質は、Ｍｏを含有するＦｅ系合金である。この合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。この合金の金属組織は、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。好ましくは、これらの炭化物の円相当径の平均値は、３．５μｍ以下である。好ましくは、これらの炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下である。
[Use]
The main application of the alloy according to the invention is tools. The present invention is also directed to tools. The material of the tool according to the present invention is a Fe-based alloy containing Mo. This alloy
Mo: more than 12.0% by mass and 30.0% by mass or less,
C: 1.0% by mass or more and 1.9% by mass or less,
Cr: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
V: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
Si: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Mn: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Co: 0 mass % or more and 10.0 mass % or less and W: 0 mass % or more and 20.0 mass % or less are contained. Preferably the balance is Fe and incidental impurities. The metallographic structure of this alloy comprises a matrix and numerous carbides dispersed in this matrix. Preferably, the average equivalent circle diameter of these carbides is 3.5 μm or less. Preferably, the area ratio P of these carbides is 15% or more and 45% or less.
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。 The effects of the present invention will be clarified by examples below, but the present invention should not be construed in a limited manner based on the description of these examples.
［実施例１］
原料を、アルゴンガス雰囲気中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、アルゴンガスを噴霧し、粉末を得た。この粉末に分級を施し、粒子径を５００μｍ以下に調整した。この粉末の組成が、下記の表１に示されている。この粉末を、直径が１００ｍｍであり、高さが１００ｍｍであり、材質が炭素鋼であるカプセルに充填した。このカプセル内を真空脱気した。このカプセルを封止し、ビレットを得た。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が１５０ＭＰａであり温度が１１７０℃である条件で、カプセルに熱間等方加圧を行った。加圧により、粉末から成形体が得られた。この成形体から、旋盤でカプセルを除去した。この成形体に下記の条件で焼入れ及び焼戻しを施して、実施例１の合金を得た。
焼入れ
温度：１１８０℃
冷却：油冷
焼戻し
温度：５８０℃
保持時間：１時間
冷却：空冷
回数：３
[Example 1]
The raw material was heated in an alumina crucible in an argon gas atmosphere by a high-frequency induction heating method. The raw material was melted by this heating to obtain a molten metal. The molten metal was dropped from a nozzle with a diameter of 5 mm under the crucible. Argon gas was sprayed into this molten metal to obtain a powder. This powder was classified to adjust the particle size to 500 μm or less. The composition of this powder is shown in Table 1 below. This powder was filled into capsules with a diameter of 100 mm and a height of 100 mm, the material of which was carbon steel. The inside of this capsule was vacuum degassed. The capsule was sealed to obtain a billet. The capsule was subjected to hot isostatic pressing under conditions of a pressure of 150 MPa and a temperature of 1170° C. in an argon gas atmosphere. A compact was obtained from the powder by pressing. The capsule was removed from this compact using a lathe. The compact was quenched and tempered under the following conditions to obtain the alloy of Example 1.
Quenching temperature: 1180°C
Cooling: Oil cooling Tempering Temperature: 580°C
Holding time: 1 hour Cooling: Air cooling Number of times: 3
［実施例２－３８及び比較例３９－４９］
下記の表１－３に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－３８及び比較例３９－４９の合金を得た。
[Examples 2-38 and Comparative Examples 39-49]
Alloys of Examples 2-38 and Comparative Examples 39-49 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the compositions were as shown in Tables 1-3 below.
［金属組織の観察］
前述の方法にて、炭化物の平均円相当径Ａ及び面積率Ｐを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
[Observation of metal structure]
The average circle-equivalent diameter A and the area ratio P of the carbides were measured by the methods described above. The results are shown in Tables 1-3 below.
［耐摩耗性］
焼入れ前の成形体から、７ｍｍ×２５ｍｍ×５０ｍｍの板状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片を大越式摩耗試験機にセットし、比摩耗量を測定した。測定条件は、以下の通りである。
相手材：ＳＣＭ４２０
摩耗速度：２．３８ｍ／ｓｅｃ
摩耗距離：２００ｍ
最終荷重：６．３ｋｇ
潤滑：なし
温度：室温
試験で得られた摩耗痕幅を測定し、摩耗体積を計算した。この摩耗体積を摩耗距離と最終荷重の積で除すことで、比摩耗量を算出した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
[Abrasion resistance]
A plate-shaped test piece of 7 mm×25 mm×50 mm was obtained from the compact before quenching. This test piece was quenched and tempered under the conditions described above. This test piece was set in an Okoshi wear tester to measure the specific wear amount. The measurement conditions are as follows.
Mating material: SCM420
Abrasion rate: 2.38m/sec
Wear distance: 200m
Final load: 6.3kg
Lubrication: None Temperature: The wear scar width obtained in the room temperature test was measured, and the wear volume was calculated. The specific wear amount was calculated by dividing this wear volume by the product of the wear distance and the final load. The results are shown in Tables 1-3 below.
［焼きなまし後の硬さ］
焼入れ前の成形体に、下記の条件で焼きなましを施した。
温度：８７０℃
時間：１６時間
この成形体を研磨して、試験片を得た。この試験片のロックウェル硬さを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。この硬さが小さい合金は、機械加工性に優れる。
[Hardness after annealing]
The compacts before quenching were annealed under the following conditions.
Temperature: 870°C
Time: 16 hours This compact was ground to obtain a test piece. The Rockwell hardness of this test piece was measured. The results are shown in Tables 1-3 below. This low hardness alloy is excellent in machinability.
［靱性の評価］
焼入れ前の成形体から、４ｍｍ×８ｍｍ×４０ｍｍの棒状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４８」の規定に準拠した抗折試験を施して、抗折強度（３点曲げ強度）を測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
[Evaluation of toughness]
A rod-shaped test piece of 4 mm x 8 mm x 40 mm was obtained from the compact before quenching. This test piece was quenched and tempered under the conditions described above. This test piece was subjected to a bending test in accordance with the provisions of "JIS Z 2248" to measure bending strength (three-point bending strength). The results are shown in Tables 1-3 below.
［熱間加工性］
焼入れ前の成形から、直径が８．０ｍｍであり高さが１２ｍｍである円柱状の試験片を得た。この試験片に、下記の条件で加工を行った。
昇温速度：３０秒
加工温度：９００℃、１１００℃及び１２００℃
保持時間：６０秒
加工量：５０％
加工温度が１１００℃の段階で、肉眼で割れが確認されなかったものを「Ａ」とし、割れが確認されたものを「Ｂ」として、評価した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
[Hot workability]
Forming before quenching yielded cylindrical specimens with a diameter of 8.0 mm and a height of 12 mm. This test piece was processed under the following conditions.
Heating rate: 30 seconds Processing temperature: 900°C, 1100°C and 1200°C
Holding time: 60 seconds Processing amount: 50%
When the working temperature was 1100° C., the evaluation was given as “A” when cracks were not observed with the naked eye, and as “B” when cracks were observed. The results are shown in Tables 1-3 below.
表１－３に示されるように、各実施例の合金は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れている。以上の評価結果から、本発明の優位性は明らかである。 As shown in Tables 1-3, the alloys of each example have an excellent balance of wear resistance, machinability, hot workability and toughness. From the above evaluation results, the superiority of the present invention is clear.
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、機械工具、手工具、金型、射出成形機、口金、パンチ、刃物等の、種々の用途に用いられうる。 The Fe-based alloy containing Mo according to the present invention can be used in various applications such as machine tools, hand tools, molds, injection molding machines, mouthpieces, punches, and cutting tools.
Claims (3)
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物である、Ｍｏを含有するＦｅ系合金。 Mo: more than 12.0% by mass and 30.0% by mass or less,
C: 1.0% by mass or more and 1.9% by mass or less,
Cr: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
V: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less,
Si: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
Mn: 0% by mass or more and 5.0% by mass or less,
An Fe-based alloy containing Mo containing Co: 0% by mass or more and 10.0% by mass or less and W: 0% by mass or more and 20.0% by mass or less, the balance being Fe and unavoidable impurities.
これらの炭化物の円相当径の平均値が３．５μｍ以下である請求項１に記載のＦｅ系合金。 the metallographic structure comprises a matrix and numerous carbides dispersed in the matrix;
2. The Fe-based alloy according to claim 1, wherein the average equivalent circle diameter of these carbides is 3.5 μm or less.
これらの炭化物の面積率Ｐが１５％以上４５％以下である請求項１又は２に記載のＦｅ系合金。 the metallographic structure comprises a matrix and numerous carbides dispersed in the matrix;
3. The Fe-based alloy according to claim 1, wherein the area ratio P of these carbides is 15% or more and 45% or less.
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