JP4277112B2

JP4277112B2 - 通電加熱または高周波加熱による短時間焼入れ性に優れた工具鋼

Info

Publication number: JP4277112B2
Application number: JP14052099A
Authority: JP
Inventors: 公造尾崎
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000328195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は短時間焼入れ性に優れた工具鋼に関し、更に詳しくは、例えば大型形状の部品材料における表面の局部的な焼入れ硬化を行う場合に、当該局部表面を従来の高速度工具鋼の場合に比べて短時間で、かつ同等の硬度に焼入れすることができる短時間焼入れ性に優れた工具鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＫＨ５１に代表される高速度工具鋼は各種の切削工具，パンチ，ロール，ギヤなどの材料として多用されている。そして、これらの部材に対しては、その表面硬度を高めて使用時における耐摩耗性を確保するために焼入れが行われる。
その場合、高速度工具鋼の焼入れ時における熱処理に際しては、従来から雰囲気炉が使用されてきたが、昨今では、真空炉やソルト（塩浴）炉などが使用されるようになっている。
【０００３】
このうち、真空炉は雰囲気炉に比べて短時間加熱が可能で、また加圧冷却によって焼入れ時の冷却速度を確保できるという利点を備えているが、他方では炉内の真空系を確保するためには、大型の設備装置と多大な運転費用が必要となるという問題がある。そして、炉が大型化すればするほど上記した問題は顕著となって経済的な負担は増大するので、大型炉の保持は困難である。
【０００４】
また、ソルト炉の場合、焼入れは通常油焼入れで行われるため、ソルト炉近辺におけるソルトの気化，焼入れ油の蒸発などが発生してその作業環境が劣悪になるという問題がある。
ところで、上記した炉に限らず、一般に、炉を用いた焼入れの場合は、焼入れ対象品を炉内に収容して全体として熱処理を行うことが必要である。そのため、次のような問題が不可避的に生じてくる。
【０００５】
まず、焼入れ可能な部材の大きさは、使用する炉の大きさで制限されることである。したがって、大型ロールや大型ギヤのように大型形状の部材の焼入れには大型炉が必要となるが、真空炉の場合で説明したように、そのような大型炉の保持は工業的には困難である。
また、焼入れ対象品には、表面全体の硬化を必ずしも必要とせず、使用表面部分のみを硬化させればよいものもある。そのような対象品の場合、炉を使用する焼入れでは全面硬化となるため、いわば無駄な部分の硬化も行われていることになる。
【０００６】
炉を使用した焼入れにおける上記した問題を解消するためには、通電加熱や高周波加熱による熱処理を採用することが適切であると考えられる。
これらの加熱方式の場合、用いる加熱装置は炉を用いた装置に比べて小型化し、また作業環境を劣悪にすることもなく、なによりも焼入れ対象品の形状の大小とは無関係に焼入れを必要とする箇所を、炉を使用した熱処理の場合に比べると極めて短時間で部分加熱することができるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記加熱方式で高速度工具鋼を加熱して焼入れを行った場合、焼入れ時の処理時間が短時間であっても、焼戻し後にあっては適正な硬度、例えば対象品がＳＫＨ５１の場合にはＨＲＣ６４以上の硬度が確保されることが必要になる。
【０００８】
本発明は、炉を用いた焼入れの場合は勿論のこと、通電加熱や高周波加熱のような加熱方式で短時間の焼入れを行った場合であっても、従来の炉を用いた焼入れ時の場合と同等の表面硬度の確保が可能である、短時間焼入れ性に優れた工具鋼の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、Ｃ：０.５〜１.２質量％，Ｓｉ：０.０５〜１.０質量％，Ｍｎ：０.１０〜１.００質量％，Ｃｒ：３.５０〜５．５３質量％，Ｍｏ：４.００〜１０.００質量％，Ｗ：５.００〜２０.００質量％，Ｖ：０.８０〜２.００質量％，残部はＦｅと不可避的不純物から成り、Ｖ／Ｗ当量が０.１未満に規制され、焼鈍し後における炭化物の量が１０〜２５質量％であり、かつ前記炭化物のうち粒度１.０μｍ以下の炭化物の占有割合が６０％以上であることを特徴とする、通電加熱または高周波加熱による短時間焼入れ性に優れた工具鋼が提供され、とくに、前記炭化物が、ＭＣ系炭化物，Ｍ_６Ｃ系炭化物，Ｍ_７Ｃ_３系炭化物または／およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物から成り、かつ、前記Ｍ_７Ｃ_３系炭化物または／およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物の占有割合が３０％以上である、通電加熱または高周波加熱による短時間焼入れ性に優れた工具鋼が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の工具鋼は、上記各成分から成る鋼種を溶製し、そのインゴットに熱間加工を施したのち焼鈍し、そして、更に焼入れ，焼戻しを順次行って実使用に供される。
本発明の工具鋼は以下に述べる知見と考察に基づいて設計されたものである。
【００１１】
まず、上記成分のうちＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖはいずれも炭化物形成元素であり、上記した一連の処理工程において、焼鈍し後の鋼の基地には、ＶＣに代表されるＭＣ系炭化物と、（Ｍｏ，Ｗ）₆Ｃに代表されるＭ₆Ｃ系炭化物と、Ｃｒ₇Ｃ₃および／またはＣｒ₂₃Ｃ₆のようなＣｒ系炭化物に代表されるＭ₇Ｃ₃系炭化物または／およびＭ₂₃Ｃ₆系炭化物とが晶出している。
【００１２】
そして、これら炭化物は焼入れの工程で基地に固溶し、更に焼戻しの工程で微細な炭化物となって析出し、そのことによって、工具鋼の硬度と耐摩耗性を高めることになる。
そこで、本発明者は、焼入れ時における上記炭化物の基地への固溶状態を調べたところ、次のような知見を得た。
【００１３】
（１）まず、Ｍ₇Ｃ₃系炭化物またはＭ₂₃Ｃ₆系炭化物，Ｍ₆Ｃ系炭化物，ＶＣ系炭化物の順序で基地への固溶速度が大きいことである。すなわち、Ｃｒ系炭化物は短時間のうちに基地に固溶し、（Ｍｏ，Ｗ）₆Ｃがそれに続き、ＶＣが最も遅いということである。
（２）また、炭化物の粒度が小さくなればなるほど、当該炭化物の基地への固溶速度は大きくなることである。具体的には、粒度が１μｍ以下であると、焼入れ温度にもよるが、２０秒以下の焼入れ時間で当該炭化物は基地に固溶するという事実である。
【００１４】
本発明者は、上記した知見を踏まえることにより、次のような設計思想に基づけば短時間の焼入れで高い硬度を実現する鋼種の製造が可能であると推考した。
（３）まず、焼鈍し後の基地内に晶出している炭化物の量を適正な値とすることにより、焼入れ時にはこれら炭化物を確実に固溶させるようにする。その場合、粒度が小さい炭化物の占有割合を大きくすることにより、必要とする炭化物の固溶量は確保される。そして、この炭化物の粒度調整と炭化物の晶出量は、Ｖ／Ｗ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）で規制することができる。
【００１５】
（４）また、Ｃｒ系炭化物の基地への固溶速度が最も大きいことからして、晶出している全ての炭化物のうち上記Ｃｒ系炭化物の占有割合を適正な値にすることにより、短時間の焼入れであっても、これらＣｒ系炭化物の適正な固溶状態が得られるので、焼戻し後には例えばＨＲＣ６４以上の硬度を確保することも可能となる。
【００１６】
本発明者は、上記した（３），（４）の考察に基づいて種々の研究を重ねることにより、前記した成分組成および焼戻し後における炭化物の存在形態を有する本発明の工具鋼を開発したのである。
ここで、本発明の工具鋼における成分組成について説明する。
Ｃは、鋼の焼入れ性を高めて焼入れ時におけるマルテンサイトの硬度を高めるとともに、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖなどの炭化物形成元素との間で各種の炭化物を形成して結晶粒を微細化することにより、工具鋼としての耐摩耗性の向上に寄与し、同時に、鋼に焼戻し軟化抵抗を付与する成分である。そして、その含有量が０.５質量％より少なくなると本発明の工具鋼で目的とするＨＲＣ６４以上の硬度が得にくくなり、また１.２質量％を超えると、過剰な炭化物の晶出を招いて靭性低下を引き起こすので、その含有量は０.５〜１.２質量％にする。
【００１７】
Ｓｉは脱酸剤として機能し、その含有量は０.０５質量％以上であることが必要であるが、あまり多く含有されていると、安定でかつ粗大なＭ_６Ｃ系炭化物が凝固組織として生成するようになり、炭化物の微細化が阻害されるようになるので、その上限は１.０質量％とする。
Ｍｎは脱酸剤として機能すると同時に、鋼の焼入れ性の向上に資する成分である。その含有量が０.１０質量％より少ない場合は、上記した焼入れ性の向上効果は不充分であり、また１.００質量％より多くすると、焼鈍し時における硬度が著しく高くなって被削性が劣化するので、含有量は０.１０〜１.００質量％にする。
【００１８】
Ｃｒは、Ｃｒ系炭化物（Ｍ_７Ｃ_３系炭化物，Ｍ_２３Ｃ_６系炭化物）を形成する成分であり、焼鈍し時にはＣｒ系炭化物として基地内に晶出することにより耐摩耗性を向上させ、また焼入れ時にはこのＣｒ系炭化物が短時間で基地内に固溶して焼入れ性を高め、焼戻し時に微細な炭化物として析出して硬度の向上に寄与する。含有量が３.５０質量％より少ない場合は、充分なＣｒ系炭化物が形成されないので短時間の焼入れ性に難が生じ、また７.００質量％より多い場合は、Ｃｒ系炭化物の形成量が多くなりすぎて、逆に焼戻し後における充分な硬度向上は実現しなくなるので、その含有量は３.５０〜５．５３質量％にする。
【００１９】
ＭｏとＷは、いずれも、（Ｍｏ，Ｗ）_６Ｃ系炭化物（Ｍ_６Ｃ系炭化物）を形成する成分であり、焼鈍し時にはＭ_６Ｃ系炭化物として基地内に晶出することにより耐摩耗性を向上させるとともに、焼入れ性を高め、また高温焼戻し時の硬度向上に資する。
なお、ＭｏとＷは同じような挙動を示す成分であるが、その場合、Ｗの１モル量が発揮する効果は、Ｍｏの２モル量が発揮する効果と同等であるので、２Ｍｏ＋ＷをもってＷ当量という。このような効果を発揮するＭ_６Ｃ系炭化物の形成にとって、Ｍｏの含有量は４.００質量％以上、またＷの含有量は５.００質量％以上であることが必要である。しかし、あまり多く含有させると、粗大なＭ_６Ｃ系炭化物が晶出して焼鈍し時における炭化物が全体として粗大化するため、焼入れ時における短時間の基地への固溶が進まず、焼戻し時の硬度確保に難が生ずる。そのため、Ｍｏの場合にはその上限を１０.００質量％、Ｗの場合にはその上限を２０.００質量％にする。
【００２０】
Ｖは、高硬度のＶＣ（ＭＣ系炭化物）を形成する成分であり、耐摩耗性の向上，高温加熱時のオーステナイト粒度の粗大化の防止，結晶粒を微細化して靭性の向上に資する。この効果を得るためには、Ｖの含有量は０.８０質量％以上であることが必要であるが、あまり多く含有させると晶出するＭＣ系炭化物は粗大化して靭性低下を招き、また高温加熱時のオーステナイト粒度の微細化効果も減少するので、その上限は２.００質量％、好ましくは１.５０質量％にする。
【００２１】
成分組成としては上記した組成を必須とするが、本発明の工具鋼においては、鋼の溶製時に原材料などから不可避的な範囲で混入してくるＰ，Ｓ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌなどが含有されていても不都合はない。
本発明の工具鋼は、焼鈍し後の基地に晶出している炭化物の量が１０〜２５質量％であり、かつ、その炭化物のうち、粒度が１.０μｍ以下の炭化物の占有割合が６０％以上になっていることを特徴とする。
【００２２】
この炭化物の晶出量が１０質量％より少ない場合は、焼入れと焼戻しを行ったのちであっても、例えばＨＲＣ６４以上の充分に高い硬度を実現することができず、また耐摩耗性も低下して、工具鋼としての充分な特性が得られなくなる。また、２５質量％より多い場合は、焼入れ時にその炭化物が基地に固溶するために必要な時間は長くなり、短時間の焼入れという目的課題を達成できないだけではなく、靭性低下が引き起こされるようになる。
【００２３】
炭化物の晶出量が全体で上記範囲に規制されていたとしても、その炭化物が粗大である場合は、やはり焼入れ時の基地への固溶には長時間を必要とする。したがって、本発明の工具鋼においては、２０秒以下の焼入れ時間で基地へ固溶する粒度の炭化物、すなわち粒度１.０μｍ以下の炭化物の全炭化物に対する占有割合を６０％以上にする。この占有割合が６０％より少ない場合、逆にいえば粒度が１.０μｍより大きい炭化物の占有割合が４０％より多い場合には、焼入れ時の固溶時間が長くなって短時間の焼入れという目的課題の達成に難が生ずる。
【００２４】
この焼鈍し後における炭化物の晶出量の規制と粒度の規制は、Ｖ／Ｗ当量の値を調整して可能となる。
すなわち、Ｖ／Ｗ当量の値を０.１未満となるように、Ｖ，Ｗ，Ｍｏの各含有量を調整することにより、粗大なＭＣ系炭化物の晶出を抑制して粒度１.０μｍ以下の晶出炭化物を増量せしめることで晶出する炭化物の量も上記した範囲内におさめることができる。
【００２５】
したがって、Ｖ，Ｗ，Ｍｏの含有量は、前記した成分組成で説明した範囲内に設定されるが、同時に、Ｖ，Ｗ，Ｍｏの相互の間ではＶ／Ｗ当量の値が０.１未満となるような量に設定されることが必要である。
なお、焼鈍し後に基地内に晶出している炭化物は、ＭＣ系炭化物，Ｍ₆Ｃ系炭化物，Ｍ₇Ｃ₃系炭化物または／およびＭ₂₃Ｃ₆系炭化物（Ｃｒ系炭化物）で構成されているが、これらのうち、Ｃｒ系炭化物の占有割合が３０％以上になっていることが好ましい。
【００２６】
このＣｒ系炭化物の占有割合を３０％以上にすることにより、短時間の焼入れであっても、基地への固溶速度が最も大きいこのＣｒ系炭化物は充分に基地に固溶し、焼戻し後に析出することにより、鋼の硬度を目標値のＨＲＣ６４以上の知に確保することができるからである。
【００２７】
【実施例】
表１で示した成分組成の鋼種を溶製したのち冷却してインゴットにした。各インゴットを温度９５０〜１１３０℃で熱間鍛造して直径１０mmの棒材にしたのち、温度８７０度で３時間の焼鈍しを行い、更に、温度６００℃まで１５℃／hrの降温速度で冷却した。
【００２８】
各棒材における炭化物量・分布は、電解抽出後、その粒度分布調査と抽出炭化物のＸ線回折結果より、炭化物種類と、炭化物強度比により量比を求めた。
その結果を表１〜２に示した。
ついで、各棒材から直径８mm，長さ１２mmの試料を加工し、各試料を高周波誘導加熱装置にセットし、加熱温度５０℃／secで加熱したのち、温度１２００℃で１〜２００秒保持し、更にＮ₂ガスで急冷する焼入れを行い、続いて、温度５００〜６００℃で１時間保持したのち空冷する焼戻しを２回行った。得られた各試料につき、ロックウェル硬さ試験のＣスケールで硬度（ＨＲＣ）を測定した。
【００２９】
この一連の焼入れ−焼戻し工程において、焼入れ時間を変化させて硬度を測定した。そしてＨＲＣ値が６４を超えるに必要な焼入れ時間を測定した。この時間が短いほど、短時間焼入れ性に優れた鋼種であることを示す。
以上の結果を一括して表１〜２に示した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表１〜２から明らかなように、成分組成においてＶ／Ｗ当量を０.１未満（実施例１〜５）に調整すると、焼鈍し後に晶出した炭化物のうち粒度１.０μｍ以下の炭化物の占有割合は６０％以上になり、そして、焼戻し後にＨＲＣ６４以上の硬度にするための焼入れ時間は２０秒以下となり、短時間焼入れ性に優れた工具鋼になっている。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の工具鋼は２０秒以下という短時間の高周波焼入れによっても焼戻し後における硬度をＨＲＣ６４以上に確保することができる。したがって、例えばロールやギヤなど使用表面のみを部分的に硬化すれば充分に実使用に供することができる部材の材料として有用である。

Claims

Ｃ：０.５〜１.２質量％，Ｓｉ：０.０５〜１.０質量％，Ｍｎ：０.１０〜１.００質量％，Ｃｒ：３.５０〜５．５３質量％，Ｍｏ：４.００〜１０.００質量％，Ｗ：５.００〜２０.００質量％，Ｖ：０.８０〜２.００質量％，残部はＦｅと不可避的不純物から成り、Ｖ／Ｗ当量が０.１未満に規制され、焼鈍し後における炭化物の量が１０〜２５質量％であり、かつ前記炭化物のうち粒度１.０μｍ以下の炭化物の占有割合が６０％以上であることを特徴とする、通電加熱または高周波加熱による短時間焼入れ性に優れた工具鋼。
前記炭化物が、ＭＣ系炭化物，Ｍ_６Ｃ系炭化物，Ｍ_７Ｃ_３系炭化物または／およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物から成り、かつ、前記Ｍ_７Ｃ_３系炭化物または／およびＭ_２３Ｃ_６系炭化物の占有割合が３０％以上である、請求項１の通電加熱または高周波加熱による短時間焼入れ性に優れた工具鋼。