JP2857724B2 - 高速度鋼系焼結合金 - Google Patents
高速度鋼系焼結合金Info
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Description
要求される用途、例えば鋼材圧延用ロール等の構成材料
として有用な高速度鋼系焼結合金に関する。
処理により、マルテンサイトまたはベイナイトの硬質の
基地に、MC型、M2C型、M6C型等の炭化物が微細
に分散混在した組織が与えられ、その硬質の基地と、炭
化物の分散強化作用とによる極めて硬質で高度の摩耗抵
抗性を備えた合金である。
法のほかに、近時は粉末冶金の手法を用い焼結合金とし
て製造することも行われている。粉末冶金法によれば、
溶解法では製造できないような成分構成を有する合金の
製造も可能となり、成分設計の自由度が大きく、また焼
結手段として熱間等方圧加圧焼結(HIP)法を適用
し、高加圧力の均一な作用下に焼結を行わせることによ
り、高緻密質で均質性にすぐれた焼結合金を得ることが
できる。
圧延用ロールについて、その耐用寿命の向上および被圧
延材の表面品質改善等を目的とし、ロール胴部表面に高
速度鋼系焼結合金層を形成して耐摩耗性を高めること等
も提案されている(特開昭63−297510号,特開
平3−47609号等)。
耗用途、就中鋼材圧延用ロール等のように高荷重の負担
による曲げ応力や熱的・機械的衝撃が繰返し加わる部材
の耐久性・安定性の改善を目的として適用する場合、そ
の高速度鋼系合金は、耐摩耗性だけでなく、部材に加わ
る高荷重や衝撃によるクラック発生とその伝播を抑制し
得る高度の靭性を具備したものであることが要求され
る。しかるに、耐摩耗性と靭性とは一般に相反的な材料
特性であり、高耐摩耗性と高靭性とを同時に充足させる
ことは容易でない。本発明は上記に鑑みてなされたもの
であり、圧延ロール等のように高耐摩耗性と高靭性とが
要求される部材の構成材料として有用な高速度鋼系焼結
合金を提供する。
度鋼系焼結合金は、C:1.7〜3.5%,Si:0.
4%以下(または、0.6〜3.5%),Mn:0.4
%以下,Cr:3〜20%,V,Ti,Nbのいずれか
1種ないし2種以上の元素:12%以下,W:5〜14
%,Mo:3〜9%,Co:7〜14%,残部実質的に
Fe(所望によりB:2%以下,Ni:3%以下の1種
もしくは2種を含有)からなり、基地中に、粒径10〜
50μmの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は10
〜50%であることを特徴としている。以下、本発明に
ついて詳しく説明する。
定理由は次のとおりである。 C:1.7〜3.5% CはV、W、Mo等と結合して、MC型、M6C型、M
2C型等の炭化物を形成し、合金の高度を高める。この
効果を十分ならしめるため、含有量の下限を1.7%と
する。しかし、Cの増量は反面において、炭化物の過剰
析出による合金の靭性劣化および加工性の低下等の原因
となる。このため、3.5%を上限とする。
5% Siは焼入れ性改善に奏効する。また、添加量の増加に
より耐孔食性改善効果が得られる。焼入れ性改善効果は
0.4%までの添加で十分であり、それを越える添加の
必要はない。従って焼入れ性改善のための添加量は0.
4%までとする。耐孔食性改善効果は0.6%以上の添
加により現れる。従って焼入れ性改善と耐孔食性の改善
を望む場合の添加量は0.6%以上とする。添加増量に
より効果を増すが、反面靭性の低下を招き、曲げ荷重や
熱的・機械的衝撃に対する抵抗性の不足をきたすので、
3.5%を上限とする。
る。この効果を得るための添加量は0.4%までで十分
であり、多量の添加は高温におけるオーステナイト粒の
粗大化を招き、合金の脆化の原因となる。このため、
0.4%を上限とした。
性を高める。更に、その添加増量により、耐孔食性向上
効果が得られる。焼入れ性、および焼もどし軟化抵抗性
の改善効果は3%以上の添加により得られ、その効果は
6%までの添加でほぼ飽和する。耐孔食性改善効果は
6.5%以上の添加により現れる。従って、焼入れ性お
よび焼もどし軟化抵抗性の改善と併せて耐孔食性改善効
果を望む場合の添加量は6.5%を下限とする。添加量
の増加によりその効果を増すが、その反面、熱間圧延ロ
ールの用途では、赤熱鋼材に対する焼付抵抗性が減じ、
またロール表面の耐肌荒れ性が低下するので、20%を
上限とし、好ましくは15%までとする。
なMC型炭化物として析出し顕著な二次硬化をもたら
し、また焼もどし軟化抵抗性を示す。更に、Vは焼結合
金組織を微細化し靭性等の機械的性質を高める。しか
し、多量の添加は靭性の低下を招き、また切削加工性等
を悪くするので、12%を上限とする。2種または3種
の元素を複合添加する場合は、その合計量を12%以下
とする。
微細なM6C型炭化物として析出し二次硬化をもたら
す。また焼もどし軟化抵抗性を示す。添加量の下限を5
%としたのは、その炭化物の析出による十分な二次硬化
を得るためである。添加増量により、その効果を増す
が、反面靭性等の機械的性質の低下を招くので、14%
を上限とした。
細なM2C型炭化物を形成して二次硬化を生起し、高温
硬さの保持に奏効する。この効果は3%以上の添加によ
り得られる。しかし9%をこえるとその効果はほぼ飽和
するので9%までとする。
クスの二次マルテンサイト化による焼結合金の強化を助
長すると共に、高温硬さの向上に奏効する。この効果は
7%以上の添加により得られる。しかし、14%をこえ
るとその効果はほぼ飽和するので14%を上限とする。
の向上に寄与する。2%のBは1%のCに等価である。
また基地中に固溶して基地を強化する。しかしし、多量
の添加は、合金の融点を下げ、強度の低下の原因となる
ので、2%を上限とする。
ステナイト量の増加による靭性の改善に奏効する。しか
し、オーステナイト量の増加は、反面において機械加工
の困難化を招くので、3%を越えてはならない。
〜50μmの比較的粗粒の炭化物が基地中に分散した組
織を有する。その粗粒炭化物は後記のように焼結処理工
程において液相からの晶出炭化物として形成することが
できる。
在により、焼結合金のクラック伝播に対する抵抗性が高
められる。すなわち、焼結合金の実使用においてクラッ
クが生じた場合、クラックの伝播は基地中に分散した粗
粒の炭化物との衝突により、前方への伝播が阻まれ、ま
たそのクラックが炭化物粒を越えて前方に伝播するには
炭化物粒を裂割させねばならないので、それに伴ってク
ラックの伝播エネルギが効果的に減殺される。このよう
に、基地中に分散する粗粒の炭化物粒はクラックの伝播
を抑制・阻止する障壁として機能する。
は、クラックの伝播に対する障壁効果を確保するためで
あり、またその粗粒炭化物粒の基地中に占める割合を面
積率で10%以上としたのは、それに満たないと、炭化
物粒の障壁効果によるクラック伝播抵抗性の改善効果が
不足するからである。より好ましくは20%以上であ
る。
mとし、面積率を50%までとしたのは、クラック伝播
の抵抗性改善効果の点から、それ以上とする利益がない
だけでなく、却って焼結合金の脆化傾向を招くからであ
る。
法は任意であるが、好ましくは熱間等方圧加圧焼結法
(HIP焼結法)が適用される。HIP焼結法によれ
ば、高加圧力(例えば800kgf /cm2以上)の
均一な作用下に高緻密質の焼結合金を得ることができ
る。なお、合金粉末が比較的多量の酸化皮膜を付随する
ものである場合は、水素含有ガス等の還元ガスを使用し
加熱下に酸化皮膜を還元除去したうえで焼結を行うよう
にすればよい。本発明ではその焼結処理を、液相が共存
する温度域において行う。その焼結処理過程において、
液相から前述の粗粒サイズの炭化物を晶出形成すること
ができる。このための焼結処理温度は、絶対温度(°
K)で表示した融点の約90〜95%の温度域〔例え
ば、融点が1320℃(=1593°K)の場合は、1
432°K(=1593°K×0.9)〜1513°K
(=1593°K×0.95)の温度域〕が好適であ
る。その処理時間は、粗粒炭化物粒の不足または過剰生
成をきたすことなく所定の焼結が達成されるように、処
理温度や加圧力等に応じて設定されるが、概ね2〜4H
rの処理としてよい。
・焼もどし処理)を行う。その熱処理は高速度鋼系合金
製造の常法に従って行えばよい。すなわち、焼入れ処理
は、例えば温度約1050〜1250℃に加熱保持した
のち、油浴または塩浴を使用し、あるいはガス(N2ガ
ス等)を冷媒として行えばよく、また焼もどし処理は、
例えば温度約500〜600℃に適当時間(例えば5〜
10Hr)保持したのち、徐冷(空冷等)する操作を1
回ないしは複数回(例えば2〜4回)実施することによ
り達成することができる。
熱処理が施されて、マルテンサイトまたはベイナイトの
基地に、前記晶出炭化物として成形された粒径10〜5
0μmの粗粒炭化物、焼もどしでの二次炭化物として析
出した微細炭化物粒が混在分散した組織となり、その微
細炭化物の分散硬化作用による高硬度・高耐摩耗性と、
粗粒炭化物のクラック伝播抵抗性による高靭性とがもた
らされる。なお、基地中の炭化物粒の総量は面積率約1
5〜55%程度である。
に亘るが、耐摩耗性等は部材の表面の問題であるので、
例えば圧延用ロールの胴部に本発明の焼結合金を適用す
る場合には、適当な金属材料(例えは、JIS G 4
105 のCr−Mo系合金鋼、同4103のCr−N
i−Mo系合金鋼等)からなる中空もしくは中実形状の
円柱体を基材とし、その外周を本発明の焼結合金で被覆
した積層構造とすることができる。
粉末(平均粒径:200μm)をカプセル材(軟鋼製)
に充填し、これに還元ガス(H2ガス)を導入して粉末
表面の酸化皮膜を還元除去処理(800℃×2Hr)
し、脱気・密封したうえ、HIP処理を行った。処理
後、カプセル材を機械加工により除去し、焼入れ・焼も
どし処理を行って供試焼結合金ブロックを得た。なお、
焼入れ処理は、真空チャバン内で、1150〜1200
℃に、2Hr保持後、N2ガス(常温・常圧)を導入す
るガス冷却により行い、焼もどし処理は、540〜56
0℃に5〜10Hr加熱保持して放冷するヒートパター
ンを3回反復することにより行った。表1に供試焼結合
金の化学組成、表2に合金の融点と焼結処理条件を示
す。No.1〜8は、粗粒炭化物(粒径10〜50μ
m)を晶出形成させた発明例であり、No.101〜1
04は、粗粒炭化物の晶出形成の殆どない通常の焼結条
件により焼結された比較例である。図1は発明例No.
2、図2は比較例No.103のそれぞれの焼結合金の
組織(走査型電子顕微鏡写真、倍率1500)を示して
いる。比較例No.103の炭化物の平均粒径は約2μ
mである。
粗粒炭化物(10〜50μm)の面積率、および諸特性
試験結果を示している。
を測定 (i) 回転輪:SUJ2:硬度(HRC)60、回転
輪幅3.0mm (ii) 摩耗速度:3.4m/sec (iii)摩耗距離:200m (IV) 最終荷重:16.8Kg・f (2)曲げ試験 3点曲げ法により曲げ強さ(kgf/mm2)を測定。
試験片サイズ:3×4×50,mm、スパン距離:30
mm。 (3)靭性試験 ヌープ圧子圧痕法により破壊靭性値KIC(MNm
3/2)を測定。
の焼結合金は高硬度・高耐摩耗性を有していると同時
に、曲げ強度が高く、かつ破壊靭性値もすぐれている。
この改良された曲げ強度や破壊靭性値は、粗粒炭化物に
よるクラック伝播の抵抗性改善効果によるものであり、
粗粒炭化物を殆ど含まない比較例No.101〜104
との差異は歴然である。
高耐摩耗性と併せて、クラック伝播の抵抗性にすぐれ、
高靭性を備えている。従って、圧延用ロール等、曲げ荷
重や、熱的・機械的衝撃等が作用する摩耗用途の部材料
として有用である。
微鏡写真
顕微鏡写真
Claims (3)
- 【請求項1】 C:1.7〜3.5%,Si:0.4%
以下、Mn:0.4%以下,Cr:3〜20%,V,T
i,Nbのいずれか1種ないし2種以上の元素:12%
以下,W:5〜14%,Mo:3〜9%,Co:7〜1
4%,残部実質的にFeからなり、基地中に、粒径10
〜50μmの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は1
0〜50%であることを特徴とする耐摩耗性・靭性等に
すぐれた高速度鋼系焼結合金。 - 【請求項2】 C:1.7〜3.5%,Si:0.6〜
3.5%、Mn:0.4%以下,Cr:3〜20%,
V,Ti,Nbのいずれか1種ないし2種以上の元素:
12%以下,W:5〜14%,Mo:3〜9%,Co:
7〜14%,残部実質的にFeからなり、基地中に、粒
径10〜50μmの炭化物粒が均一に分散し、その面積
率は10〜50%であることを特徴とする耐摩耗性・靭
性等にすぐれた高速度鋼系焼結合金。 - 【請求項3】 B:2%以下、Ni:3%以下の1種ま
たは2種を含有する請求項1または請求項2に記載の耐
摩耗性・靭性等にすぐれた高速度鋼系焼結合金。
Priority Applications (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP14700991A JP2857724B2 (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | 高速度鋼系焼結合金 |
Publications (2)
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JPH04358046A JPH04358046A (ja) | 1992-12-11 |
JP2857724B2 true JP2857724B2 (ja) | 1999-02-17 |
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ID=15420494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP14700991A Expired - Lifetime JP2857724B2 (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | 高速度鋼系焼結合金 |
Country Status (1)
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-
1991
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