JP2702728B2

JP2702728B2 - 鋳塊の塑性加工による高硬度高靭性高速度鋼

Info

Publication number: JP2702728B2
Application number: JP63027161A
Authority: JP
Inventors: 憲正内田
Original assignee: 日立金属株式会社
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH01201444A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エンドミルなどの切削工具やダイス、パン
チなどの圧造工具、その他耐摩擦部品において、特に高
い硬度を必要とし、かつ高靭性も要求される用途に使わ
れる造塊後塑性加工に製造される高速度鋼に関するもの
である。

〔従来の技術〕

工具の高寿命化を達成するには工具の硬さを高くする
必要がある。しかし、従来の高速度鋼では靭性とのバラ
ンス、すなわち、同時に耐チッピング性、耐欠損性をも
考慮した場合、その使用に耐え得る硬度はHRC68が上限
である。近年、技術確立された粉末高速度鋼では、その
プロセス的利点によって、HRC68以上の高硬度でかつ抗
折力が300kgf/mm²（2.942GPa）を越える材料が工業的に
製造可能となり、上記の用途に使われている。しかし、
この手法では製造コストが著しく高価となるために、用
途が限定され、幅広く普及、利用されるに至っていな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、通常の溶製法によって、上記用途に
十分使用できる高硬度で高靭性の特性を有する高速度鋼
を提供することである。さらに具体的には通常の焼入−
焼もどし熱処理によって、HRC68以上の高硬度が得ら
れ、かつ、抗折力300kgf/mm²以上の高靭性をも有する高
速度鋼を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

以上の特性は重量比で、C 1.0〜1.25％、Si 0.1〜1.0
％、Mn 0.1〜0.6％、Cr 3.0〜5.0％、W 5.0〜7.0％、Mo
6.0〜8.0％（ただし18≦Ｗ＋2Mo≦22,かつ0.7≦W/Mo≦
1.1）、V 1.2〜2.2％、Co 4.0〜12.0％、残部Feおよび
不純物元素よりなり、N 0.03％未満、O 0.004％未満に
規制された高速度鋼で、工具として使用される部位にお
ける1mm²中に存在する10μｍ以上の炭化物個数が200個
以下とすることにより達成される。さらには、縞状偏析
指数SD/Smを0.3以下となすことにより、より望ましい特
性が得られる。

以下、本発明の数値限定理由を述べる。

本発明において、Ｃは前記特性を達成するために重要
な元素である。すなわち、同時に添加されるCr、Ｗ、M
o、Ｖとのバランスのよい添加が必要であり、C 1.0〜1.
25％の範囲で高硬度でかつ高靭性の特性が得られる。望
ましくは1.05〜1.20％である。

Siは脱酸剤としての効果の他、M₂C型の棒状一次炭化
物を球状微細化する効果があるので0.1〜1.0％含有させ
る。Mnも脱酸剤として0.1〜0.6％含有させる。望ましく
はそれぞれ0.3〜0.6％、0.2〜0.5％とする。

Crは焼入性を向上させ、またM₂₃C₆型の炭化物を形成
して焼入−焼もどし硬さを高める効果があるのでCr 3〜
５％の範囲で含有させる。望ましくは3.5〜4.5％であ
る。

ＷおよびMoは、本発明の目的を達成するのに重要な元
素である。Ｗ、Moともに同時に添加されるＣと結合して
凝固時に共晶炭化物（以後一次炭化物と称す）を形成
し、耐摩擦性の向上に寄与する。さらに初晶δ相および
γ相（包晶反応によって晶出する）に固溶したＷ、Moは
凝固後の冷却過程あるいは焼なまし処理によって、M₆C
型（一部M₂₃C型）の炭化物として析出する（以後二次炭
化物と称す）。

二次炭化物は焼入れによって再固溶し、焼もどしによ
り微細な炭化物（WC、Mo₂Cなど）としてマルテンサイト
基地に析出し、高い硬度を付与する効果がある。本発明
の目的であるHRC68以上の高硬度と抗折力300kgf/mm²以
上の高靭性を得るためには、W 5.0〜7.0％、Mo 6.0〜8.
0％で18≦Ｗ＋2Mo≦22,かつ0.7≦W/Mo≦1.1となるよう
に、極めて狭い範囲に限定する必要がある。Ｗ＋2Moが1
8％未満では二次炭化物量が少なく、HRC68以上の硬さが
得難い。逆にＷ＋2Moが22％を越えると、一次炭化物量
が多くなり過ぎて抗折力300kgf/mm²以上の高靭性が得ら
れない。また、18≦Ｗ＋2Mo≦22の範囲であっても、W/M
oが0.7未満では高硬度が得られ難く、さらにM₂C型の巨
大な棒状一次炭化物が多くできるので靭性も低下する。
逆にW/Moが1.1を越えるとM₆C型の巨大な塊状一次炭化物
が晶出することおよびWCの析出が格子歪を増大させるこ
とにより靭性が低下する。これらの範囲は、望ましくは
W 5.5〜6.5％、Mo 6.5〜7.5％、Ｗ＋2Mo 19〜21％であ
る。

Ｖは上記Ｗ、Moと同様に一次、二次炭化物を形成し耐
摩擦性および焼もどし硬さ向上に寄与するので1.2〜2.2
％の範囲で含有させる。1.2％未満では効果が少なく、
逆に2.2％を越えると一次の粗大VC炭化物が晶出して、
被研削性や靭性を悪くする。望ましくは1.4〜2.0％であ
る。

Coは基地に固溶して耐熱強さを高め、また焼もどし硬
しを高める効果もあるので4.0〜12.0％含有させる。４
％未満では、前記Ｃ、Ｗ、Mo、Ｖの範囲でもHRC68以上
の高硬度が得られず、一方12％を越えるとマトリックス
の靭性が著しく低下する。望ましくは７〜11％とする。

Ｎ、Ｏは不純物であって、それぞれ0.03％、0.004％
未満に規制する。本発明の特徴は高硬度域で高靭性を保
持するために、組織制御の思想を織り込んだことにある
が、ＮおよびＯの含有はこれに重要な影響を及ぼす。Ｎ
の含有量が高いと一次の巨大炭化物を晶出し易くすると
ともに、縞状偏析指数を大きくするのでＮの含有量は0.
03％未満とした。Ｏの含有もまた縞状偏析指数を大きく
するので0.004％未満とした。望ましくはそれぞれ0.025
％未満、0.003％未満とする。

以上の如く、Ｗ、MoおよびＶを主成分とする一次炭化
物は耐摩耗性向上に効果があるが、一方形状が大きくな
りやすく、また鍛伸方向に平行な縞状の偏析帯を形成す
るので、靭性を低下させる原因ともなる。特に、HRC68
以上の高硬度に熱処理された場合、靭性低下の弊害が著
しく大きくなるので、本発明の目的を達成するために
は、化学組成の限定と同時に一次炭化物の組織制御が必
須である。すなわち、実施例２に詳述するごとく、HRC6
8以上の高硬度でかつ抗折力300kgf/mm²以上の高靭性を
保有するには、10μｍ以上の巨大炭化物の数を1mm²中20
0個以下にして、炭化物に加わる応力集中を緩和してや
る必要がある。さらに、炭化物の縞状偏析部にも応力集
中が起こるので、偏析指数SD/Smが0.3以下にするとより
高い靭性が得られる。

〔実施例〕

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳しく説明す
る。

実施例１第１表に示す化学組成からなる13種類の材料を作製し
た。大気中、高周波誘導溶解炉にて10kgの鋼塊をつく
り、1150℃×5Hrの加熱を行なってから、熱間鍛造によ
り15mm角の鋼材とした。5mmφスパン5mmの抗折試験片を
作製し、焼入れ1200℃、焼もどし560℃×（１＋１＋
１）Ｈの熱処理を施した後、抗折試験を行なった。熱処
理硬さおよび抗折力を第１表に併記する。また、No.1〜
No.9の材料特性をＷ＋2MoおよびW/Moの関係で整理して
第１図に示す。

本発明の目的は、HRC68以上の高硬度が得られ、か
つ、抗折力300kgf/mm²以上の高靭性高速度鋼を提供する
ことにある。第１図によれば、この目的を達成するのは
18≦Ｗ＋2Mo≦22の範囲でかつ、W/Mo比が約0.85の化学
組成からなる材料のみである。

なお、本発明材のミクロ組織を観察したところ、一次
炭化物は球状化が進み、よく微細化された組織となって
いた。W/Moが約３の比較鋼は、M₆C型の角形の巨大炭化
物が散見され、またW/Moが約0.2の比較鋼は、M₂C型の棒
状巨大炭化物が認められた。

また、ＮおよびＯの含有量が少ないNo.11は硬さおよ
び靭性とのバランスで最も良い特性が得られた。

実施例２化学組成がC 1.13、Si 0.45％、Mn 0.32％、Cr 4.2
％、W 6.1％、Mo 7.2％、V 1.65％、Co 8.1％、N 0.019
％、O 0.0019％、残部Feおよび不純物元素よりなる高速
度鋼を大気、電気式孤光炉にて溶製し、重量200〜500kg
の範囲で大きさの異なる３種類の鋼塊を製造した。これ
らを1050℃×10H、1100℃×10H、1150℃×10Hの条件で
加熱分塊した後、熱間圧延にて14mmφの棒鋼とした。D/
4（Ｄは直径）の位置より5mmφ×スパン50mmlの抗折試
験片を作成した。熱処理は1200℃−560℃×（１＋１＋
１）Ｈの条件で行ない、いずれもHRC68.5〜69.5の硬さ
を得た。

同時に抗折試験片縦断面のミクロ組織を画像解析装置
を用いて定量評価した。計測項目は炭化物のサイズ別個
数、面積率および縞状偏析指数である。縞状偏析指数は
鍛伸方向に平行な12μｍ×232μｍのスリット中の炭化
物の面積率を鍛伸方向と直角な方向に連続的に50視野測
定し、その面積率の標準偏差値SDと平均値SmからSD/Sm
とした。SDが小さいということは、炭化物のミクロ的な
分散がより均一であることを示している。

第２図は、実験により得られた抗折力をミクロ組織要
因（10μｍ以上の巨大炭化物および縞状偏析指数SD/S
m）との関係で整理したものである。

この結果によれば、抗折力を300kgf/mm²以上に維持す
るためには、1mm²当りの10μｍ以上の炭化物個数が200
個以下となるようにミクロ組織の制御をすれば十分であ
る。さらには、縞状偏析指数SD/Smが0.3以下の均一に分
散した炭化物組織とすれば、より高い抗折力が得られ、
本発明の目的がより高いレベルで達成できる。

以上の如く、本発明の目的である通常の溶製法では、
これまで実現できなかった高硬度高靭性高速度鋼は極く
限られた化学組成範囲でかつミクロ組織の制御を厳密に
行なうことにより、初めて達成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、通常の溶製法では従来不可能であっ
たHRC68以上の高硬度でかつ抗折力300kgf/mm²以上の高
靭性が得られるために、エンドミル等の切削工具やパン
チ等の圧造工具や耐摩工具において、大幅な寿命向上が
達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＷ＋2Mo量、W/Mo比と抗折力、硬さの関係を示
す図、第２図はミクロ組織要因（10μｍ以上の炭化物個
数および縞状偏析指数SD/Sm）と抗折力の関係を示す図
である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、C 1.0〜1.25％、Si 0.1〜1.0
％、Mn 0.1〜0.6％、Cr 3.0〜5.0％、W 5.0〜7.0％、Mo
6.0〜8.0％（ただし18≦Ｗ＋2Mo≦22,かつ0.7≦W/Mo≦
1.1）、V 1.2〜2.2％、Co 4.0〜12.0％、残部Feおよび
不純物元素よりなり、N 0.03％未満、O 0.004％未満に
規制された高速度鋼で、工具として使用される部位にお
ける1mm²中に存在する10μｍ以上の炭化物個数が200個
以下であることを特徴とする鋳塊の塑性加工による高硬
度高靭性高速度鋼。
【請求項２】重量比で、C 1.05〜1.20％、Si 0.3〜0.6
％、Mn 0.2〜0.5％、Cr 3.5〜4.5％、W 5.5〜6.5％、Mo
6.5〜7.5％（ただし19≦Ｗ＋2Mo≦21）、V 1.4〜2.0
％、Co 7.0〜11.0％、残部Feおよび不純物元素よりな
り、N 0.025％未満、O 0.003％未満に規制したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の鋳塊の塑性加工に
よる高硬度高靭性高速度鋼。
【請求項３】鍛伸方向に平行なスリット状視野（幅間隔
12μｍ）を前記鍛伸方向と直角の方向に連続的に移動し
て得た50以上の視野について、炭化物の面積率の標準偏
差値をSD、前記炭化物の平均面積率をSmとするとき、縞
状偏析指数 SD/Smが0.3以下であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項または第２項記載の鋳塊の塑性加工
による高硬度高靭性高速度鋼。