JP2735570B2 - 高強度焼結高速度鋼及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、還元粉末と金属粉末および炭化物粉末を
原料とし、炭化物を富化した高強度焼結高速度鋼及びそ
の製造方法に関する。

＜従来の技術＞ 高速度鋼を粉末冶金法によってつくると、溶製材に比
べて、炭化物粒子が微細かつ均一となって靱性、鍛造
製、被研削性に優れるなど、多くの利点のあることが古
くから知られている。そして従来における焼結高速度鋼
はアトマイズ粉末を原料としているものがほとんどであ
り、焼結後鍛造・圧延などを行っている。そのため、強
度に方向性があり、炭化物の増加にも限界があり、JIS
組成に対して数wt％しか増加できない。従って、最近で
は、焼結後HIP処理するだけで良い還元粉末および炭化
物と金属粉末を原料とした焼結高速度鋼が注目されてき
ている。

還元粉末は所定組成の酸化物を強粉砕・混合の後、約
1000℃と比較的低温度下で還元・加炭して得られるの
で、炭化物が微細であるばかりでなく、成形性や焼結性
などが優れる。また、本発明者らによって強度支配因子
が明らかにされ、より高強度の焼結高速度鋼を安定して
作れるようになった（特願昭62−281149号参照）。さら
に、焼結後、HIP処理するだけで良く、鍛造・圧延など
の塑性加工が不要なため、炭化物が窒化物および硼化物
などを富化した焼結高速度鋼をつくることが容易であ
る。よってこの方面の需要が近年増加しつつある。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、通常のアトマイズ粉末を原料とした焼
結光速度鋼においては、前述のとおり、その製法上合金
の塑性には自から限界があり、従ってその実用特性、特
に耐摩耗性にも限界がある。一方、還元粉末を用る本発
明者らの方法によれば、任意の炭化物などを任意の量含
ませた合金を製造することができるが、この炭化物を豊
化した焼結高速度鋼については、まだ強度支配因子が明
らかにされておらず、その強度面での信頼性が必ずしも
充分であるとは言えなかった。

そこで、本発明者達は、この炭化物などを富化した焼
結高速度鋼をより優れたものとするために引き続き、炭
化物を富化した焼結高速度鋼について鋭意研究を行って
きた。例えば、焼結高速度鋼の抗折力試験（JISB4104）
を行い、破断した試験片について破壊の起源（原因）に
ついて調査した結果、炭化物を豊化した焼結高速度鋼の
強度は高速度鋼中に存在する炭化物の偏析した領域の寸
法によって支配されるという知見を得た。つまり、破断
した焼結高速度鋼の抗折破面を詳しく調べたところ、い
ずれの破面にも一個の破壊の起源が存在することが確か
められ、そしてその部分についてさらに電子顕微鏡によ
って拡大観察をしたところ、炭化物の偏析した領域が破
壊の起源として作用したことが確認できた。ここでいう
炭化物の偏析した領域とは、粉末冶金法を用いて高速度
鋼を製造うる際に、原料として加えられる金属炭化物の
粉末が、焼結後の高速度鋼の結晶組織中で均一分散する
こと無く、偏在して集合した領域のことである。

この炭化物の偏析部分は焼結時、結合相である鉄が粒
成長するために、鉄の近くに存在する炭化物が、周囲に
押しやられた結果として生ずる。

そして、この炭化物の偏析部分は、他の破壊の起源と
なるうる欠陥、すなわち、発明者らが焼結SKH57で明ら
かにした１μｍ以下のミクロポアが偏析した領域（平均
約10〜15μｍ）よりも大きい場合がほとんどであり、こ
のため炭化物を豊化した焼結高速度鋼の強度については
炭化物の偏析が多大な影響を与えるということがわかっ
た。つまり、ポアやポアの偏析した部分の寸法や分散を
適当に制御したとしても、炭化物の偏析した領域の寸法
が大きく且つまたその個数が多いと、そこが破壊の起源
となる。

この発明は、このような知見に基づいてなされたもの
であり、上記炭化物の偏析した領域の寸法又は平均寸法
などを制御して高強度の炭化物富化焼結高速度鋼を得よ
うとするものである。

＜課題を解決するための手段＞ この発明に係る高強度焼結高速度鋼は、上記の目的を
達成するために、炭化物の偏析した領域の寸法が50μｍ
以下で、且つその領域の平均寸法が30μｍ以下である。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼は、原料粉末に添
加する炭化物の寸法10μｍ以下である。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼は、炭化物の少な
くとも一種以上をJIS高速度鋼に対して5.0〜40wt％多く
含ませてある。

更に、前記高強度焼結高速度鋼の製造方法は、酸化物
の混合粉末を水素気流中で還元するに際して、還元後の
鉄粉末の粒径を最大10μｍ、平均３μｍ以下とする。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼の製造方法は、原
料粉末である還元粉末と炭化物とを混合するに際して、
組成に含まれる炭素量が、 Ｃ＝0.19＋0.017×Ｗ当量＋0.22×Ｖ量 にて与えられる量である。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼の製造方法は、還
元粉末と炭化物を混合するに際して、炭化物の粒径を最
大10μｍ、平均３μｍ以下とする。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼の製造方法は、焼
結温度が、真密度に対して95％まで焼結を進める温度で
ある。

また、別の前記高強度焼結高速度鋼の製造方法は、焼
入れ温度が、1170〜1230℃である。

＜作用＞ 各炭化物の偏析した領域の寸法は最大50μｍ以下でな
ければならない。50μｍより大きいと破壊の起源として
作用する確率が高くなり結果として、著しく低強度で破
壊し易い状態となり、溶製高速度鋼と同等な300kgf/mm²
以上の抗折力を得ることができない。ここでいう、炭化
物の偏析した領域の寸法とは、焼結後の光速度鋼を光学
顕微鏡または走査型電子顕微鏡で100倍から1000倍の倍
率で観察し写真を写し、撮影された組織写真中に任意の
単位長さあたりの直線を引いたとき、この直線によって
カットされた炭化物の偏析した領域を横断する長さのこ
とである。ここでは、この単位長さを100μｍとした。

また、各炭化物の偏析した領域の平均寸法が、30μｍ
以下でなければならない。30μｍより大きいと、前記寸
法と同じくより低強度で破壊する確率が高くなる状態と
なって、必要な抗析力を得られない。ここでいう炭化物
の偏析した領域の平均寸法とは、同一の焼結後の光速度
鋼の観察された組織中で、炭化物の偏析した領域の寸法
の測定を測定箇所を変更し複数回行い、得られた炭化物
の偏析した領域の寸法の値の平均値として換算したもの
である。

また、原料粉末に添加する炭化物の粒径を10μｍ以下
にすると、焼結後の高速度組織中の炭化物の偏析した寸
法が50μｍ以下に、またその平均寸法が30μｍ以下にな
る確率が高くなる。

各炭化物の偏析した領域の寸法および平均寸法を上記
の如くするための制御手段としては、以下に示す５通り
の手段が主に講じられる。

原料を予め調整する手段１ 酸化物の混合粉末を約1000℃の水素気流中で還元する
に際して、還元終了後の鉄粉末の粒径を最大10μｍ、平
均３μｍ以下とする。なお、鉄粉末の粒径が小さいほど
焼結後の炭化物の偏析した部分の寸法は小さくなる。

原料を予め調整する手段２ 還元粉末と各炭化物を混合するに際して、組成に含ま
れる炭素量を、多すぎないようにする。適当なＣは、溶
解高速度鋼で用いられている、所謂、「佐藤の経験式」
といわれる、 Ｃ＝0.19＋0.017×（Ｗ当量）＋0.22×（Ｖ量）が与
えるＣである。なお、これより少ないと焼結性が不安定
となって（ミクロポアが増加して）抗折力が低下した
り、充分な硬さが得られなくなる。多すぎると焼結後の
炭化物の寸法が大きくなり結果として炭化物の偏析した
領域の寸法も大きくなる。

原料で予め調整する手段３ 原料粉末である還元粉末と各炭化物とを混合するに際
して、各炭化物の粒径を予め最大10μｍ、平均３μｍ以
下とする。すなわち、10μｍより大きいと、混合後にも
粗粒分が残る確率が大となって、結果として焼結後の炭
化物が大きくなり、炭化物の偏析した部分の寸法も大と
なるからである。

焼結温度を調整する手段 焼結温度は、液相を生ずるに充分な温度で、且つ最も
低い温度とする。すなわち、低すぎれば連続するポアを
残存させ、HIP処理を行っても緻密な合金を得られない
か、または破壊の起源となるポアを多数生じることとな
る。また、温度が高すぎると、炭化物および旧γ相の粒
成長を生じてしまい結果として破壊の起源となる炭化物
の偏析した領域の寸法も大きくしてしまう。本発明者ら
は適性なる焼結温度の目安として、真密度に対して95％
まで焼結を進める温度が良い事を見い出した。なお、保
持時間は必要且つ最低時間とする。

熱処理温度を調整する手段 熱処理、特に焼入れ温度（保持時間が一般に考えられ
る最低時間とする）はなるべく低温が望ましい。すなわ
ち、高温となればなるほど、焼結後の炭化物が粒成長
し、結果として破壊の起源として作用する炭化物の偏析
した領域の寸法も大きくなるためである。しかし、あま
り低温とすれば工具としての実用硬さが得られないの
で、1170℃以上で1230℃以下が望ましい温度である。

なお、上記の炭化物を富化した焼結高速度鋼は元の高
速度網に対して5.0〜40wt％多い炭化物を含む。炭化物
とは、WC,VC,Mo₂C,TiC,TaC,ZrC,HfC,NbCである。これ
ら、炭化物の量を5.0〜40wt％としたのは5.0wt％より少
ないと富化することによって得る利点（耐摩耗性）が少
ないためであり、40wt％より多いと、研削、切削加工が
困難となるためである。

＜実施例＞ 第１実施例 原料粉末としてはSKH57に以下の表１のごとき組成を
有するＶを富化した（Ｖ量を＋5.0wt％、＋10.0wt％，
＋15.0wt％）合金を２種類づつ計６種類用意した。SKH5
7に各Ｖ量を富化した焼結高速度鋼同士の違いは、炭化
物の大きさが違うだけである。そして上記のごとき破壊
の起源の寸法制御を行った場合と行わない場合とに分け
て、Ｖ富化の焼結高速度鋼の製造を行った。

以下、破壊の起源となる炭化物の偏析領域の寸法制御
（欠陥制御）を行った場合の製造方法を詳細に説明す
る。

まず、SKH57の原料粉末に富化するＶとしてVC（Ｃ含
有率16.92wt％）を6.2〜18.9wt％、および不足するＣと
を添加して、次に72hrの湿式ボールミルを行い、乾燥、
成形の後、1180℃と1200℃で真空焼結（５×10^-2Torr）
を行った後、1150℃で1hr（1500気圧、Ar雰囲気）のHIP
処理を行った。その後、これを1170℃で５分保持して油
中へ焼入れを行った。

さらに、560℃.X1.5hrの焼戻しを３回繰り返し行い、
24×８×４mm³のJIS試験片を得た。ここで、破壊の起源
となる炭化物の偏析領域の寸法説明を行うため、富化す
るため添加に用いたVCについて予備粉砕行って市販品よ
り微細且つ均粒としたこと、焼結温度をより低くしたの
である。

そして、得られた炭化物を富化した焼結高速度鋼組織
について調べたところ、炭化物の偏析した領域の寸法は
50μｍ以下で、その平均寸法は以下の通りであった。高
速度鋼組織の観察に当たっては、エメリー研磨、バフ研
磨により試料を鏡面仕上げし、アルカリ赤血塩（村上氏
試薬）でエッチングして、光学顕微鏡または電子顕微鏡
によるレプリカ観察法の何れかの使用が可能である。

尚、表中、一種有りとは、焼結温度は1180℃とした場
合であって、２種有りとは焼結温度を1180℃とし、更に
添加炭化物を予備粉砕して微細且つ均粒とした炭化物を
使用した場合である。

第２実施例 SKH組成の還元粉末にWCを添加することにより、Ｗを
富化した合金を第１実施例と同様の欠陥制御をする製造
方法で調整し、以下の結果を得た。なお、焼入れ温度は
1200℃である。

なお、いずれの合金も所定の欠陥であるミクロポアの
制御を行っている。SKHのみでの抵抗力は480〜490kgf/m
m²である。

以上の様に、欠陥制御を行った場合の方が、抗折力に
勝っていることがわかった。

＜効果＞ この発明に係る炭化物を富化した高強度の焼結高速度
鋼は、以上説明したごとき内容のものなので、強度（抗
折力）が高く、しかも普通の高速度鋼より硬さが高い。
従って、高速度鋼としての信頼性が高く、工具や部品と
して用いるのに最適である。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼結後の炭化物の偏析した領域の寸法が50
   μｍ以下で、且つその領域の平均寸法が30μｍ以下であ
   ることを特徴とする高強度焼結高速度鋼。
2. 【請求項２】原料粉末に添加する炭化物は粒径10μｍ以
   下のものを用いて得られる特許請求の範囲１記載の高強
   度焼結高速度鋼。
3. 【請求項３】原料粉末に添加する炭化物の少なくとも一
   種以上をJIS光速度鋼に対して5.0〜40wt％多く含ませた
   ことを特徴とする特許請求の範囲１又は２記載の高強度
   焼結高速度鋼。
4. 【請求項４】原料粉末となる酸化物の混合粉末を水素気
   流中で還元するに際して、還元後の鉄粉末の粒径を最大
   10μｍ、平均３μｍ以下とする特許請求の範囲１記載の
   高強度焼結高速度鋼の製造方法。
5. 【請求項５】原料粉末である還元粉末と炭化物とを混合
   するに際して、組成に含まれる炭素量が、 Ｃ＝0.19＋0.017×Ｗ当量＋0.22×Ｖ量 にて与えられる量である特許請求の範囲１記載の高強度
   焼結高速度鋼の製造方法。
6. 【請求項６】原料粉末である還元粉末と炭化物とを混合
   するに際して、炭化物の粒径を最大10μｍ、平均３μｍ
   以下とする特許請求の範囲１記載の高強度焼結高速度鋼
   の製造方法。
7. 【請求項７】焼結温度が、真密度に対して95％まで焼結
   を進める温度である特許請求の範囲１記載の高強度焼結
   高速度鋼の製造方法。
8. 【請求項８】焼入れ温度が、1170〜1230℃である特許請
   求の範囲１記載の高強度焼結高速度鋼の製造方法。