JP3574776B2

JP3574776B2 - 高耐摩耗高靭性高速度工具鋼

Info

Publication number: JP3574776B2
Application number: JP2000129487A
Authority: JP
Inventors: 活也中村; 晁嶌本
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001020042A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性加工用工具，ロール，切削工具、特に耐摩耗，靭性の要求されるエンドミル，タップ等の素材に最適な高耐摩耗高靭性高速度工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速度工具鋼には難加工材の加工に対処するため、より高い耐摩耗性とともに靭性が求められるが、この耐摩耗性及び靭性向上のために、一般的には以下に述べる（１）乃至（３）の方法が用いられている。
【０００３】
（１）Ｗ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）及びＶ量を高めることにより、Ｍ_６Ｃ型炭化物及びＭＣ型炭化物を増量させ、摩耗性の向上を図る。特に、Ｖ量を高め炭化物の中でも高硬度なＭＣ型炭化物を増加させると効果は大きい。
【０００４】
（２）靭性の向上には、刃先のチッピング，破壊の起点となりやすい粗大炭化物を減らし、炭化物を微細化させることで靭性の向上を図る。具体的には、急冷凝固した粉末を用いた粉末高速度工具鋼では、その炭化物の微細化を実現し、高靭性を得ている。
【０００５】
（３）また、溶解法の場合には、溶鋼中に含まれるＮ量を５０ｐｐｍ以下のレベルまで下げることにより（低Ｎ化）、凝固時に晶出する粗大なＭＣ型一次炭化物を減少させるなどにより靭性の向上を図る（電気製鋼第５５巻第４号，特開平１ー１４２０５５号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記（１）に示すように、ＭＣ型炭化物量を増加させるためにＶ量を高めると、溶解凝固時に晶出するＭＣ型一次炭化物が粗大化し、耐摩耗性は増加させるが靭性が劣ってくる。また、熱間加工性や工具加工時の被研削性も悪化し、加工能率の低下を招くなどの問題点がある。
【０００７】
一方、靭性を向上させるため、Ｖ量を下げ、さらに前記（３）に示すように、溶鋼中のＮを５０ｐｐｍ以下に制御し、凝固時に晶出する粗大なＭＣ型一次炭化物を減少させた場合、靭性は向上するが、炭化物が特に微細になりすぎて、タップ，エンドミルなどの切削工具に必要な外周部の切削性能が十分に発揮できない場合があるとゝもに、前記（２）の方法にあっては、その製造工程が複雑なためコスト高になり、また前記（３）の方法にあっては、Ｎを５０ｐｐｍ以下に制御するには、製鋼プロセスでの生産能率の悪化が避けられない、といった問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の諸問題点を解決するために成されたもので、粉末高速度工具鋼よりもコストの低い溶解法によって、粉末高速度工具鋼以上の耐摩耗性が得られ、且つ抗折力で５０００Ｎ／ｍｍ^２を越える靭性を併せ持つ高速度工具鋼を提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本願の第１発明の要旨は、質量％で、Ｃ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：８．０％以下、Ｗ：５．０〜１５．０％（ただし、１７≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２１）、Ｖ：２．５〜３．３％、Ｃｏ：０．３〜０．８％、Ｔｉ：０．０３％以下、残部がＦｅ及び不可避の不純物元素よりなり、熱間で鍛造，圧延加工され且つ焼入れ焼戻し後の製品の１ｍｍ^２中に、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００〜８００個、且つ１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上存在することを特徴とする高耐摩耗高靭性高速度工具鋼にある。
【００１０】
また、第２発明の要旨は、質量％で、Ｃ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：８．０％以下、Ｗ：５．０〜１５．０％（ただし、１７≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２１）、Ｖ：２．５〜３．３％、Ｃｏ：０．３〜０．８％、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｎ：次のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４条件の値を満足させ、
Ａ≧１９４０、Ｂ≧１５５、Ｃ≦３３０、Ｄ≦１２７０
ただし、Ａ：（７００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｂ：（３８×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｃ：（８３×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｄ：（４００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
残部がＦｅ及び不可避の不純物元素よりなり、熱間で鍛造，圧延加工され且つ焼入れ焼戻し後の製品の１ｍｍ^２中に、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００〜８００個、且つ１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上存在することを特徴とする高耐摩耗高靭性高速度工具鋼にある。
【００１１】
そして、本願の第３発明の要旨は、Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種又は２種以上を０．１５％以下含むことを特徴とする前記第１又は第２発明記載の高耐摩耗高靭性高速度工具鋼にある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明するに、本発明は上記のような範囲の成分元素と、ＭＣ型炭化物の粒度及び個数を制御することにより、粉末高速度鋼以上の耐摩耗性（大越式摩耗試験で、比摩耗量０．３０×１０^-4ｍｍ³／ｋｇｆｍ以下）と、抗折力（５０００Ｎ／ｍｍ²以上）とを同時に兼ね備えた材料を得ることができる。したがって、この材料は、タップ，エンドミル等の工具として必要な耐摩耗性と高い靭性を兼ね備えたものとなるので、これをタップ，エンドミル等の切削工具に使用した場合には、大幅な寿命向上が達成される。以下に、本発明鋼における成分元素と各成分元素の限定理由を述べる。
【００１３】
Ｃは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖなどの炭化物生成元素と結合して炭化物を形成し、焼入焼戻し硬さを与え、耐摩耗性に寄与し、靭性に影響を与える。多すぎると靭性を低下させ、粗大な炭化物を生じさせるので、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ量とバランスさせて含有させ、１．０〜１．５質量％（以下、％と言う）に限定する。
【００１４】
Ｓｉ，Ｍｎは、主に脱酸剤として０．１〜１．０％含有させる。またＣｒは、焼入性を向上させるとゝもに、Ｍ₂₃Ｃ₆型の炭化物を形成して、焼入焼戻し硬さを高め耐摩耗性を向上させる効果があるので３．０〜５．０％含有させる。
【００１５】
Ｍｏ及びＷは、Ｃと結合して、主にＭ_６Ｃ型炭化物を形成し、焼入時の未溶解Ｍ_６Ｃ型炭化物は耐摩耗性に寄与する。また、焼戻し時のＭ_６Ｃ型，Ｍ_２Ｃ型，ＭＣ型炭化物もマトリックス強度に寄与するための重要な元素である。本発明において、Ｍｏ：８．０％以下、Ｗ：５．０〜１５．０％（ただし、１７≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２１）と限定するのは、２Ｍｏ＋Ｗが１７％未満では、焼入時にマトリックスに固溶するＭ_６Ｃ型炭化物量が少なく、二次硬化度が小さい。逆に、２１％を越えると一次Ｍ_６Ｃ型炭化物量が粗大化し、靭性が低下する。さらに、Ｍｏが８％を越えると棒状炭化物が残り易く靭性を低下させ、Ｗが５．０％未満であると高硬度が得られ難くなる。また、Ｗが１５％以上では熱間加工性を悪くするため５．０〜１５．０％とした。
【００１６】
Ｖは、Ｃと結合して、とりわけ硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性に強く寄与する。しかし、Ｖ量を過剰に増加させるとこの炭化物は著しく粗大化し、刃先の欠け，チッピングの起点となりやすい。この場合、溶解法によって粗大炭化物を微細化するのは、他成分の調整による改善等では不可能となる。さらに、被研削性を悪くし、生産能率が低下させるといった悪影響が多いため３．３％が上限である。一方、２．５％より少ないとＭＣ型炭化物の総量が少なく、タップ等の切削工具として耐えるだけの耐摩耗性は得られない。
【００１７】
Ｃｏは基地マトリックスに固溶し、強度の向上に寄与する。また、固溶炭化物の焼き戻し時の２次炭化物析出及び成長速度を遅らせ、赤熱硬さの維持に寄与する。一方、Ｃｏ量の増加とともに、基地マトリックス中のＣｏの固溶量増大により靭性が低下するので０．８％が上限である。また、０．３％未満では、Ｃｏの固溶量が少なく、強化不足で、耐摩耗性が劣るので０．３〜０．８％の範囲内とした。
【００１８】
Ｔｉの含有量は０．０３％以下とする。Ｔｉは、Ｃと結合し、ＭＣ炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する。しかし、Ｔｉ量が多すぎると凝固過程でＭＣ炭化物が粗大化し、靭性及び被研削性を低下させるため０．０３％以下含有させる。
【００１９】
Ｎは本発明に係る工具鋼の最も重要な元素であり、ＭＣ型炭化物粒度，総量にも影響を与える。Ａが、Ａ＜１９４０〔ただし、Ａ：（７００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）〕であると、１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上／ｍｍ^２に制御するのが難しい。またＢが、Ｂ＜１５５〔ただし、Ｂ：（３８×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）〕であると、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数を２００個以上／ｍｍ^２に制御するのが難しい。
【００２０】
そして、Ｃが、Ｃ＞３３０〔ただし、Ｃ：（８３×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）〕であると、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８００個以下／ｍｍ^２に制御するのが難しい。更に、Ｄが、Ｄ＞１２７０〔ただし、Ｄ：（４００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）〕であると、同様に、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数を８００個以下／ｍｍ^２に制御するのが難しく、また被研削性を著しく低下させる。
【００２１】
このことより、Ｎ量はＶ量とバランスで適度に調整する必要があり、Ａ≧１９４０、Ｂ≧１５５、Ｃ≦３３０、Ｄ≦１２７０をそれぞれ満たすように、Ｎ：Ｖをバランスさせると、１ｍｍ^２中に存在する３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００〜８００個で、且つ１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上に制御できる。以上のことは、後述する表１と、これを図で表したＶとＮの関係を示す図１により明らかである。
【００２２】
Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙは、凝固時にＭＣ型炭化物晶出の核となるＮを減少させる作用があり、粗大炭化物を減少させる効果がある。多すぎると介在物を形成し靭性を低下させるため０．１５％以下含有させる。
【００２３】
【実施例】
表１に示す１８種類の試験材を高周波誘導溶解炉にて溶解した。３００ｋｇ鋼塊を１１１０℃×５ｈｒの加熱を行ってから、熱間鍛造圧延により２５ｍｍφの鋼材を作成し、摩耗試験片，抗折試験片を切り出し、焼入れ１２００℃、焼戻し５６０℃×２回の熱処理をした後、摩耗試験、抗折試験を実施した。なお、ＭＣ型炭化物の個数，粒径は、試験片の縦断面を１０％蓚酸水溶液にて電解腐食し、画像解析を行ったものである。
【００２４】
【表１】

【００２５】
摩耗試験は、大越式摩耗試験により摩擦速度０．３０ｍ／ｓｅｃ、摩擦距離２００ｍ、最終荷重１８．９ｋｇの条件で実施し、相手材にはＳＣｒ４２０（１４９ＨＢ）を使用した。抗折試験には、２５ｍｍφの鋼材から１０φ×１１０Ｌの鋼材を切り出し、上記熱処理後スパン８０ｍｍの３点曲げ抗折試験を実施した。図２に各試験材（Ｎ０．１〜Ｎ０．１８）の摩耗特性を、図３に前記各試験材の抗折力特性を示す。
【００２６】
この結果によれば、抗折力を５０００Ｎ／ｍｍ^２以上に維持するためには、１ｍｍ^２当たりの３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８００個以下となるようにミクロ組織を制御し、さらに粉末高速度工具鋼以上の耐摩耗性（比摩耗量０．３０×１０^- ^４ｍｍ³／ｋｇｆｍ以下）を得るには、１．５μｍ以上３．０μｍ未満のＭＣ型炭化物個数を８０００個以上、且つ３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００個以上になるようにすると達成される。
【００２７】
以上のように、本発明の目的である通常の溶解法ではこれまで実現できなかった高耐摩耗高靭性高速度工具鋼は、厳密にＭＣ型炭化物の個数と粒径をそれぞれ制御することによって初めて達成される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、上記のような構成であるから、通常の溶解法では従来不可能であった比摩耗量０．３０×１０^-4ｍｍ³／ｋｇｆｍ以下（大越式摩耗試験による）を維持し、且つ抗折力で５０００Ｎ／ｍｍ^２以上を越える高靭性の鋼が得られる。また、必要に応じて、Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうち１種又は２種以上を０．１５％以下含有させても同様の効果を得ることができる。なお、比摩耗量０．３０×１０^-4ｍｍ³／ｋｇｆｍ以下で工具として使用した場合、非常に優れた耐摩耗性を示すことがこれまでの知見として得られているので、本発明鋼をタップ，エンドミル等の切削工具に使用した場合には、大幅な寿命向上が達成される、といった諸効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｖ量とＮ量の関係を示す図である。
【図２】試験材の摩耗特性を表した図である。
【図３】試験材の抗折力特性を表した図である。

Claims

質量％で、Ｃ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：
０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：８．０％以下、Ｗ：５．０〜１５．０％（ただし、１７≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２１）、Ｖ：２．５〜３．３％、Ｃｏ：０．３〜０．８％、Ｔｉ：０．０３％以下、残部がＦｅ及び不可避の不純物元素よりなり、熱間で鍛造，圧延加工され且つ焼入れ焼戻し後の製品の１ｍｍ^２中に、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００〜８００個、且つ１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上存在することを特徴とする高耐摩耗高靭性高速度工具鋼。
質量％で、Ｃ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：
０．１〜１．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：８．０％以下、Ｗ：５．０〜１５．０％（ただし、１７≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２１）、Ｖ：２．５〜３．３％、Ｃｏ：０．３〜０．８％、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｎ：次のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４条件の値を満足させ、
Ａ≧１９４０、Ｂ≧１５５、Ｃ≦３３０、Ｄ≦１２７０
ただし、Ａ：（７００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｂ：（３８×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｃ：（８３×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
Ｄ：（４００×Ｖ％）＋（１００００×Ｎ％）、
残部がＦｅ及び不可避の不純物元素よりなり、熱間で鍛造，圧延加工され且つ焼入れ焼戻し後の製品の１ｍｍ^２中に、３μｍ以上７μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が２００〜８００個、且つ１．５μｍ以上３μｍ未満のＭＣ型炭化物個数が８０００個以上存在することを特徴とする高耐摩耗高靭性高速度工具鋼。
Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種又は２種以上を０．１５％以下含むことを特徴とする請求項１又は２項記載の高耐摩耗高靭性高速度工具鋼。