JP2564534B2

JP2564534B2 - 高速度工具鋼

Info

Publication number: JP2564534B2
Application number: JP62044473A
Authority: JP
Inventors: 庸田村; 憲正内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JPS63213641A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、タップ、エンドミルに代表される切削工具
や、金型他の工具の材料として使用される高速度工具鋼
であり、硬質の炭化物の絶対量が増し、同時に個々の炭
化物のサイズが細かく、分布が均一で、特に外周側の組
織が微細であるため、タップ等素材の外周側の要求特性
が厳しい用途に大きな効果をもつ高速度工具鋼に関す
る。

〔従来の技術〕

加工技術の高度化、加工工数の合理化に伴って、高硬
度等の難削材の切削、高仕上精度化のため、これらに用
いられる工具の寿命向上の要求が工具材料に対して高ま
っている。これに対応してＶ量を増やし硬質の炭化物を
富化して、強度、耐摩耗性、耐熱性、耐焼付性を向上さ
せたSKH52やSKH53で代表される2.5％Ｖ系や３％Ｖ系高
速度工具鋼が開発され、苛酷な使用条件に用いられる工
具用の材料として用いられてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、これらのＶの含有量の高い高速度工具鋼は、
鋳造凝固時に必然的に生ずるＶを主体とした粗大なMC型
の炭化物がその後の製造過程においても解消せず、例え
ば切削工具では、工具自身の仕上研削時に研削仕上精度
が悪い、研削能率が悪い等の悪影響を及ぼすだけでな
く、この粗大炭化物が偏析した部分から切削工具の刃先
のチッピングや割れが発生し、工具寿命を縮めたり、寿
命のバラツキの原因となっていた。また、高Ｖ材の代り
に、Ｗ、Moの含有量を高めてＭ₆Ｃ型の炭化物量を増や
すことにより、工具寿命を向上させようとの試みもなさ
れているが、上記と同様に炭化物の偏析部より割れ、チ
ッピング等が発生する問題があった。

本発明の目的は、微細で均一に分布した炭化物組織を
持つ高速度工具鋼を提供することであり、これによって
工具として高い性能を示しつつ、チッピングや欠けの起
りにくい被切削性にも優れた安定した寿命を持つ工具用
材料を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、かかる問題点を解決するために第２表に示
す高速度工具鋼を対象に実験を行なった結果、ある特定
の元素Al、La、Ce、Ｙ、Nbを添加することにより、炭化
物を微細に晶出させ、高硬度の炭化物の晶出量を増や
し、切削性能や耐摩耗性を向上させること、鋳造組織を
微細化し、切削工具の切刃のチッピング欠けを起りにく
くする等の特性改善が可能であること、ならびにその効
果は、添加元素の組合せにより、相乗的に作用すること
を見出したことに基づくものである。

具体的には、重量比でC 0.5〜1.5％、Si 0.1〜１％、
Mn 0.1〜１％、Cr 3〜７％、Ｗ＋2Mo 5〜25％（ただしW
12％以下、または無添加、Mo 2〜12％）、V 0.6〜５
％、Al 0.02〜0.2％を含み、残部Feならびに通常の不純
物からなり、Ｎ≦0.01％、Ｓ≦0.004、Ｏ≦40ppmに規制
した外周部の鋳造組織を微細化したことを特徴とする高
速度工具鋼であり、また、La、Ce、Ｙ、Nbの一種または
二種以上を0.02〜0.2％含有せしめて、Al添加との相乗
効果を得るものである。また本発明は、さらにCo 1〜20
％を含有するものを含む。

〔作用〕

以下に本発明の各合金元素を上記に限定した理由を述
べる。

Ｃは、Cr、Ｗ、Mo、Ｖなどの炭化物生成元素と結合し
て炭化物を形成し、焼入−焼もどし硬さを与え、耐摩耗
性、耐熱性、耐焼付性に寄与する。

多すぎると靱性が低下し、また巨大な炭化物を生じさ
せるので、Cr、Ｗ、Mo、Ｖ量とバランスさせて含有さ
せ、0.5〜1.5％に限定する。

Si、Mnは主に脱酸を目的として0.1〜１％添加する。

Crは、焼入性、耐摩耗性、耐酸化性また適切な含有量
の設定により高温強度、焼もどし軟化抵抗を向上させ
る。上記の目的により３％以上とするが、多すぎると却
って高温強度、焼もどし軟化抵抗を低下させ、また靱性
も下げるので７％以下とする。

ＷおよびMoは、Ｃと結合して特殊炭化物を形成し、耐
摩耗性、耐焼付性向上に寄与する。また焼もどしによる
二次硬化作用が大きく、高温強度に寄与する。以上の効
果を得るために、W 12％以下、Mo 2〜12％の範囲でＷ＋
2Mo量が５〜25％を満たすように添加する。Mo 2％未
満、Ｗ＋2Mo量が５％未満では上記の効果が得られず、
多すぎると靱性、熱間加工性を損うので、Ｗ≦12％、Mo
≦12％、Ｗ＋2Mo 25％以下とする。

ＶはＣと結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性に
寄与する。ただし、この炭化物は、砥粒よりも硬いた
め、研削砥石を早期に摩滅させる。特に、粗大な炭化物
が多数生じ、分布が一様でないと、被研削性は著しく低
下する。このため、従来被研削性を重視する場合、1.2
％以下にとどめていた。

しかし、本発明者はAl単独または、さらにLa、Ce、
Ｙ、Nbを組合せて添加すると、多量にＶを含有しても粗
大なＶを主体としたMC型炭化物の発生を防ぐことができ
ることを発見した。本発明では、用途に応じて、0.6〜
５％の範囲で適当な量を含有させる。５％を越えると本
発明の効果が小さくなるため５％以下とし、少なすぎる
と耐摩耗性に寄与しないため0.6％以上とする。

Alは、本発明における最も重要な元素であり、第３
図、第４図に示すとおり、鋳造時にデンドライト晶を発
達させ、外周側の組織を微細均一にする効果があり、L
a、Ce、Ｙ、Nbも同様の効果を有する。また、AlはMC型
炭化物の絶対量を増やす効果、さらにMC型炭化物を微細
に晶出させる効果もあり、単独で添加しても効果は得ら
れるが、La、CeまたはＹ、Nbとの複合添加するとこれら
の効果が大きい。

0.02％より少ないとこれらの効果が小さく、0.2％を
越えると炭化物微細化の効果に悪影響を及ぼすので、0.
02〜0.2％とした。

La、Ceは、Alと同様に外周部の鋳造組織微細化に効果
を持つ。また、Ｖを主体とした硬質のMC型炭化物を微細
に晶出させること、さらにこれらの硬質炭化物の絶対量
を増す目的で添加する。Alとの複合添加により一層その
効果が大きいため、Alと同時に、一種または二種を0.02
〜0.2％添加する。0.02％より少ないと、これらの効果
が少なく、0.2％を越えるとＳやＯと結合して介在物を
作り、また鋳造欠陥の原因となるため0.020〜0.20％に
限定した。ここで、実際の製造時にLa、Ceを添加する場
合、ミッシュメタルとして添加する方法が一般的であ
り、ミッシュメタル中にはLa、Ceの他、Nd、Prが含まれ
ているが、これらを第１表に示すとおり、各元素を単独
で添加して確認した結果、Nd、Prは添加の効果が小さか
った。このためこれらの元素は、本発明の請求範囲から
は除外したが、ミッシュメタルとして添加した場合のL
a、Ceの効果を損うものではない。

Ｙ、NbにもLa、Ceと同様の効果があり、これらとAlを
複合添加することも有効である。0.020％より少ないと
これらの効果が小さく、Ｙは0.20％を越えると、ＳやＯ
と結合して介在物を作り、製品の品位を下げるため0.20
％以下とする。

Nbは、ＳやＯとの結合力は小さいが、本発明ではＶを
主体とした炭化物を制御する目的で添加するため0.2％
を上限とする。

Coは基地に固溶して、本発明鋼の強度、耐熱性を向上
させるもので本発明による炭化物形態制御、鋳造組織改
善には直接関与しないが、必要に応じて１〜20％添加す
る。

Ｎは本発明鋼の不純物である。Ｎ量が0.01％を越える
と、AlとLa、Ce等の共同添加による効果のうち、第２表
に示したＶ炭化物の形態制御の面で不利であるので0.01
％以下とした。

Ｓ、Ｏも本発明鋼の不純物であり、これらは本発明鋼
の特徴である添加元素、Al、La、Ceのうち、特にLa、Ce
と結合力が強く、これらの添加による効果を、第３図に
示したとおり、損うだけでなく、La、Ceと結合して鋼中
に介在物としてとどまり、製品の品位を下げるためにＳ
≦0.004％、Ｏ≦40ppmと制限した。

実施例以下に本発明の実施例について説明する。

真空誘導炉により、第１表に示す化学組成の合金を溶
解し、中湯温度、鋳型の冷却能等、鋳造条件を同一にし
て鋼塊を作製した。

各鋼塊を焼鈍して、各鋼塊の上部側の同一位置より試
料を採取し、鋳造時に晶出した炭化物の形状を観察する
と、第１図に示す３通りの形態に分類された。このうち
Ａタイプは、矢印で示すようにＶを主体とするMC型の炭
化物が不定形に塊状に晶出しており粗大で、この形態の
MCは、製品となってもこのままの形で存在し、工具の被
研削性を著しく低下することが知られているものであ
る。

Ｂタイプは、MC型の炭化物が共晶として肋骨状に晶出
するが、周辺部に矢印で示すように粗大なMCが見られ
る。

Ｃタイプは、MC型の炭化物が共晶としてひとつひとつ
のMCが非常に微細に晶出している。

第１表に示した試料の炭化物の形態は、第２表に示す
ように分類された。

比較鋼９は、Ａタイプに分類され、Ｗ量を高めた比較
鋼17はＢタイプに分類され、両者に見られる粗大なMC型
の炭化物は、Al、La、Ce、Ｙ、Nbを添加することによ
り、その発生が抑えられている（10、12、13、15、18、
19、24、28）が、Nb、Pr、Hf、Zr、Mgを添加しても、MC
の形態変化は小さく、依然、粗大なMCの晶出が見られる
（11、14、16、20、21）。

また、Ｎ含有量が重量比で0.01％を越えたもの（29）
は、AlならびにLaおよびCeを複合添加しても、MCの形態
変化が小さく、粗大なMCが存在している。また、MC形態
変化の効果は、Ｖ含有量をさらに高めた発明鋼36、38に
も及んでいる。

MC形態変化の効果は、Ｖの含有量がある程度高いほど
大きく、V 0.6〜２％の範囲では、基本成分系において
も粗大なMCは見られないので、ここではデータを掲げる
のを割愛した。またMCの形態変化は、Ｗ、Moの量比にお
いて、Moが多いものほど大きい。

次に、先に炭化物の形状を観察した試料のMCの絶対量
を調べるために、Ｘ線回折法によって、MC炭化物のＸ線
強度のフェライト鉄に対する比を求め、これをLa、Ceの
含有量で整理した。この結果を第２図に示す。La、Ceの
含有量を増すにつれ、MCの絶対量も増すことがわかる。
すなわち、これらがMCに及ぼす効果は、形態を微細にす
るだけでなく、その量も増やすことを示している。

次に試料を鋼塊表面から中心部まで連続的に採取し
て、デンドライト晶の占める領域を鋼塊直径をＤとした
ときの、鋼塊表面からの距離で整理した結果を第３表、
第３図に示す。

Al、La、Ce、Ｙ、Nbを添加することにより、デンドラ
イト晶の占める領域が拡がるが、AlとLa、CeおよびＹ、
Nbを複合添加したとき、特にその効果が大きい。またＳ
量、Ｏ量の多いもの（30、31）は、La、Ceを複合添加し
てもデンドライト晶の占める領域が著しく狭められる。

第４図には、鋼塊直径をＤとしたときのD/8部のセル
サイズを測定した結果を示すが、第３図において、デン
ドライト晶の占める領域の大きいものほど、セルサイズ
が小さいという相関関係があることがわかる。

タップ等の工具の廃却品を調べると、特に被加工材が
高硬度である場合に、短寿命品には刃先が欠けて寿命と
なる例が多数見られる。多くの場合、炭化物が偏析して
密集した部分から欠けが起こっており、デンドライト晶
を発達させて、外周部の鋳造組織を細かくすることは、
炭化物の密集度を小さくするため、工具の寿命を向上さ
せるのに大きな効果を持つと考えられる。

次に各材料の被研削性を定量的に把握するために、タ
ップ溝ネジ研削盤を使用して、第４表に示した一定の研
削条件で、試料を研削した後に砥石山の摩耗量を測定し
た。この結果を第５表に示した。なお、各試料は、溶製
した鋼塊を鋳造後、20φに仕上たものを、焼鈍後、焼入
−焼もどし処理を行って作製した。比較鋼17に比べ、本
発明鋼の被研削性は明らかに向上している。

〔発明の効果〕以上述べたとおり、本発明鋼は、硬質の炭化物を富化
させることにより、耐摩耗性が向上し、同時にこれらを
微細で均一に分散させることにより、被研削性、また耐
熱性、耐焼付性が向上し、さらに特に外周側の鋳造組織
を細かくすることにより、耐チッピング性が向上したも
ので、工具寿命の伸長と安定化と、工具自身の仕上研削
の高精度化、能率向上の両面をもたらすものであり、そ
の効果は非常に大きい。

なお、第１表は本発明の添加元素のすべての組合せを
網羅していないが、以上の説明からこれらも本発明の添
加元素を具備することは容易に理解できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋳造ままの炭化物の形状を光学顕微鏡400倍
で観察した金属組織写真で、図中矢印で示した白ヌキの
晶出物がMC型の炭化物である。第２〜第４図は、La、Ce
の合計量に対し、それぞれMC炭化物の絶対量、デンドラ
イト晶の占める領域、D/8部の凝固セルサイズをプロッ
トしたもので、第３図では、Ｙ、Nb量及び高Ｓ、高Ｏと
の関係をも示している。また第３、４図において、破線
はLa、Ceのみ添加の場合で、実線はこれにAlを複合添加
したときの結果を示したものである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でC 0.5〜1.5％、Si 0.1〜１％、Mn
0.1〜１％、Cr 3〜７％、Ｗ＋2Mo 5〜25％（ただしW 1
2％以下、または無添加、Mo 2〜12％）、V 0.6〜５％、
Al 0.02〜0.2％を含み、残部Feならびに通常の不純物か
らなり、Ｎ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦40ppmに規制し
た外周部の鋳造組織を微細化したことを特徴とする高速
度工具鋼。
【請求項２】重量比でC 0.5〜1.5％、Si 0.1〜１％、Mn
0.1〜１％、Cr 3〜７％、Ｗ＋2Mo 5〜25％（ただしW 1
2％以下、または無添加、Mo 2〜12％）、V 0.6〜５％、
Al 0.02〜0.2％を含み、さらにLa、Ce、Ｙ、Nbの一種ま
たは二種以上を0.02〜0.2％含み、残部Feならびに通常
の不純物からなり、Ｎ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦40p
pmに規制した外周部の鋳造組織を微細化したことを特徴
とする高速度工具鋼。
【請求項３】重量比でC 0.5〜1.5％、Si 0.1〜１％、Mn
0.1〜１％、Cr 3〜７％、Ｗ＋2Mo 5〜25％（ただしW 1
2％以下、または無添加、Mo 2〜12％）、V 0.6〜５％、
Al 0.02〜0.2％、Co 1〜20％を含み、残部Feならびに通
常の不純物からなり、Ｎ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦4
0ppmに規制した外周部の鋳造組織を微細化したことを特
徴とする高速度工具鋼。
【請求項４】重量比でC 0.5〜1.5％、Si 0.1〜１％、Mn
0.1〜１％、Cr 3〜７％、Ｗ＋2Mo 5〜25％（ただしW 1
2％以下、または無添加、Mo 2〜12％）、V 0.6〜５％、
Al 0.02〜0.2％、Co 1〜20％を含み、さらにLa、Ce、
Ｙ、Nbの一種または二種以上を0.02〜を0.2％含み、残
部Feならびに通常の不純物からなり、Ｎ≦0.01％、Ｓ≦
0.004％、Ｏ≦40ppmに規制した外周部の鋳造組織を微細
化したことを特徴とする高速度工具鋼。