JP2573951B2 - 高速度工具鋼 - Google Patents

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じ、同時に個々の炭
化物のサイズが細かく、分布が均一で、特に外周側に組
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Ca、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、ならにびその効
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C0.5〜1.5％、Si0.1〜１％、Mn
0.1〜１％、Cr3〜７％、Ｗ≦12％（無添加を含む）、Mo
2〜12％（ただしＷ＋2Mo5〜25％）、V0.6〜５％、Ca単
独または0.02〜0.2％のAlとともに0.01〜0.2％、但し第
２発明では0.011〜0.2％、第４発明では0.0120〜0.2％
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
組織を改善したことを特徴とする高速度工具鋼であり、
また、第２発明および第４発明では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、Ca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
Co1〜20％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。

多すぎると靭性が低下し、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、耐酸化性または適切な含有
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、また靭性
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、W12％以下（無添加を含む）、Mo2〜12
％の範囲でＷ＋2Mo量が５〜25％を満たすように添加す
る。Mo2％未満、Ｗ＋2Mo量が５％未満では上記の効果が
得られず、多すぎると靭性、熱間加工性を損うので、Ｗ
≦12％、Mo2〜12％、Ｗ＋2Mo5〜25％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Caを単独若しくはAlとともにまた
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、Ｖを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、少なすぎる耐摩耗性に寄与しないため0.6
％以上とする。

Ca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、Ce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、Alもしくはさらに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。

第１発明および第３発明では0.01％、第２発明では0.
011％、第４発明では0.012％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、それそれ0.2％以下とした。

Alは本発明内において、前記Caと同様の挙動を示す。
そして、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与えるの
で、0.02〜0.2％とした。

La、Ceは、前記Ca、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。Caと複合添加により一
層その効果が大きいため、Ca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0.020〜0.2
0％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La、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Caを
複合添加することも有効である。0.020％より少ないと
こられの効果が小さく、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、Ca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、Ca、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、注湯温度、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つと
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７は、Ａタイプの分類され、Ｗ量を高めた比較
鋼28、30、32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、Ca、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（８、17、18、1
9、11、12、20、21、22、26、27、29）が、Nd、Pr、H
f、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（10、13、14、15、1
6）。

また、Ｎ含有量が重量比で0.01％を越えたもの（2
3）、また同様にＳ含有量が重量比で0.004％を越えたも
の（24）、Ｏ含有量が重量比で40ppmを越えたもの（2
5）は、Ca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31、
33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、V0.6〜２％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Caの含有
量で整理した。この結果を第２図に示す。Ca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。

Ca、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、Ca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（24、25）は、La、Ceを複合添加し
てもデンドライト晶を占める領域が著しく挟められる。

第４図には、鋼塊直径をＤとしたときのD/8部の粗大
共晶偏析サイズを測定した結果を示す。粗大共晶偏析サ
イズとは、第５図に示す炭化物の偏析密集部分を測定し
たもので、これが大きいものほど、炭化物の密集度が大
きいことを示している。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、粗大共晶偏析サイズ
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
した鋼塊を鍛造後、20φに仕上げたものを、焼鈍後、焼
入−焼もどし処理を行って作製した。比較鋼９に比べ、
本発明鋼の被研削性は明らかに向上している。

以上Caの添加効果を詳細に述べたが、これらの効果
は、AlをCaに代えて添加しても同様であることが別の実
験で明らかとなっている。また、AlをCaとともに複合添
加してもよいことが、やはり確認されている。

〔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、Ca、L
a、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部の粗大共晶偏析サイ
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Caのみ添加の場合で、実線はこれにLa、C
e、Ｙ、Nbを複合添加したときの結果を示したもの、第
５図は、粗大共晶偏析サイズを説明する図である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比でC0.5〜1.5％、Si0.1〜１％、Mn0.
   1〜１％、Cr3〜７％、Ｗ≦12％（無添加を含む）、Mo2
   〜12％（ただしＷ＋2Mo5〜25％）、V0.6〜５％、Ca単独
   または0.02〜0.2％のAlとともに0.01〜0.2％を含み、残
   部FeならびにＮ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦40ppmおよ
   びこれら以外の通常の不純物からなり、外周部の凝固組
   織を改善したことを特徴とする高速度工具鋼。
2. 【請求項２】重量比でC0.5〜1.5％、Si0.1〜１％、Mn0.
   1〜１％、Cr3〜７％、Ｗ≦12％（無添加を含む）、Mo2
   〜12％（ただしＷ＋2Mo5〜25％）、V0.6〜５％、Ca単独
   または0.02〜0.2％のAlとともに0.011〜0.2％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Ｎ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦
   40ppmおよびこれら以外の通常の不純物からなり、外周
   部の凝固組織を改善したことを特徴とする高速度工具
   鋼。
3. 【請求項３】重量比で0.5〜1.5％、Si0.1〜１％、Mn0.1
   〜１％、Cr3〜７％、Ｗ≦12％（無添加を含む）、Mo2〜
   12％（ただしＷ＋2Mo5〜25％）、V0.6〜５％、Ca単独ま
   たは0.02〜0.2％のAlとともに0.01〜0.2％、Co1〜20％
   を含み、残部FeならびにＮ≦0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ
   ≦40ppmおよびこれら以外の通常の不純物からなり、外
   周部の凝固組織を改善したことを特徴とする高速度工具
   鋼。
4. 【請求項４】重量比で0.5〜1.5％、Si0.1〜１％、Mn0.1
   〜１％、Cr3〜７％、Ｗ≦12％（無添加を含む）、Mo2〜
   12％（ただしＷ＋2Mo5〜25％）、V0.6〜５％、Ca単独ま
   たは0.02〜0.2％のAlとともに0.012〜0.2％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、さらにCo1〜20％を含み、残部FeならびにＮ≦
   0.01％、Ｓ≦0.004％、Ｏ≦40ppmおよびこれら以外の通
   常の不純物からなり、外周部の凝固組織を改善したこと
   を特徴とする高速度工具鋼。