JP5831899B2

JP5831899B2 - 耐食性、耐焼付き性に優れた高靭性窒化粉末高速度鋼

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Publication number: JP5831899B2
Application number: JP2011198601A
Authority: JP
Inventors: 前田　雅人; 雅人前田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: JP2013060617A

Description

この発明は切削工具や金型などに使用される粉末高速度鋼に関する。

近年、種々の製品の素材である被加工材の硬度が上昇するのに伴い、これらの被加工材の加工に用いる金型の高硬度化および高靱性化の要求が高まっている。例えば、硬さが６５ＨＲＣを超える高硬度で靱性も高い鋼材としては粉末ハイスが知られている。この代表的な粉末ハイスとしてはＪＩＳ−ＳＫＨ４０が挙げられる。しかし、塩分を含んだ水などの湿潤腐蝕環境下や、焼付きの起こる条件下では、ＳＫＨ４０などの粉末ハイスでは十分に対応できないため、耐食性や耐焼付き性を向上する目的として、窒化処理をして表面改質を行うことがある。しかし、このような表面処理された部分は、加工中の応力により、徐々に削られて無くなって行き、耐食性および耐焼付き性が悪化してしまうといった欠点がある。

そこで、Ｃや、Ｃｒや、Ｍｏや、Ｗや、Ｎｉを多量に添加して耐焼付き性を改善した高硬度、高耐食性の刃物用鋼が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、このものはＣを多量に含んでいるために、熱処理中に炭化物が粗大化し、その炭化物を起点として腐食がおこりやすく、靭性の低下するという欠点があった。

また、Ｃや、Ｃｒや、Ｍｏや、Ｗや、ＣｏやＮを多量に添加して耐焼付き性を改善する粉末冶金で製造された高速度鋼が開発されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この粉末冶金による高速度鋼は炭化物の粗大化を招き易く、靱性が悪化するという欠点があった。また、多量に元素が添加されているために、残留オーステナイトが過多となり、硬さが低下して６５ＨＲＣ未満の硬さしか得られていない。

さらに、耐食性に優れた高速度鋼系粉末合金（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。しかし、耐食性はあるが硬さが６５ＨＲＣ未満しか得られておらず、強度不足である。この様に、硬さ、靭性、耐焼付き性および耐食性を兼備した高速度鋼は無い。

特許第３８９４３７３号公報特表２００３−５１９２８３号公報特開平９−７１８４８号公報

この様な事情に着目して、発明者は種々の研究を行い、高硬度で耐食性にも優れるバナジウム系窒化物（ＶＮ若しくは一部炭素を含んだＶＣＮ）が微細に析出した高速度鋼成分を含有する合金粉末を熱間静水圧圧縮成形処理（以下、「ＨＩＰ」という。）により高速度鋼の成形体とし、この成形体を鍛伸することで、鋼材全体が窒化された状態の耐食性および耐焼付き性に優れた高硬度かつ高靭性を有する高速度鋼が得られることを見出した。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、耐食性、耐焼付き性に優れた高硬度、高靭性を有する、粉末から成形された高速度鋼で、この全体に微細なバナジウム系窒化物を含有している鋼材を提供することである。

本願の請求項に係る発明の手段の、窒素以外の高速度鋼合金成分の粉末をトレイに詰めて窒化炉内に入れ、窒素雰囲気中で加熱保持することで、高濃度の窒化物を含有する高速度鋼の粉末が得られる。この窒化物を含有する粉末をＨＩＰ処理して成形体とし、得られた成形体を鍛伸することで高濃度のバナジウム系窒化物が鋼材中に均一に分散した高速度鋼材が製造できる。この高速度鋼の鋼材は、窒化物が鋼材全体に分散していることで、鋼材全体の硬さ、耐焼付き性、耐食性が向上している。さらに、この高速度鋼の鋼材は、表面を窒化処理して窒化物の被膜を形成した鋼材と異なり、鋼材の表面が削れても、鋼材の特性が落ちないことも判った。この効果を得るために、本発明の手段として高速度鋼の化学成分であるＮの下限値を規定している。また硬さを得るために、Ｃ、Ｃ＋Ｎの下限値を規定する。ただし、Ｃ、Ｎがともに多すぎるとき、炭窒化物が粗大化して靭性を低下するので、Ｃ、Ｎ、およびＣ＋Ｎの上限値を規定する。Ｖは窒化物を作るために必要な元素である。Ｍｏ＋Ｗ／２は炭素とでＭ６Ｃの炭化物を造って耐焼付き性を向上する。４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎの値は耐食性指数で、この指数が３２．５０％より低いと、耐食性の効果が不十分である。その他の合金元素は焼入れ性確保のために添加する。ただし、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、およびＶは、多すぎると炭化物の凝集を招くためにそれぞれ上限がある。さらに、Ｓｉ、Ｍｎが多すぎると靭性の低下を招く。

そこで、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．８５〜１．２０％、Ｓｉ：≦０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：３．８０〜６．００％、Ｍｏ：５．６０〜８．００％、Ｗ：５．１０〜８．００％、Ｖ：３．５０〜６．００％、Ｎ：０．４０〜１．５０を含有し、これらはＣ＋Ｎ：１．２５〜２．５０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：８．３０〜１１．００％、および４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎ：≧３２．５０％を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼合金で、硬さが６５ＨＲＣ以上であり、析出する窒化物がバナジウム系窒化物（ＶＮまたは一部炭化物を含むＶＣＮ）からなり、その窒化物の平均粒径が１μｍ以下であり、かつ、鋼材の断面積中に占める面積率が５％以上であることを特徴とする耐食性、耐焼付き性に優れた窒化粉末高速度鋼である。

上記の手段における耐食性、耐焼付き性に優れた高靭性窒化粉末高速度鋼の化学成分の限定理由を順次説明する。なお、これらにおいて％は質量％を示す。

Ｃ：０．８５〜１．２０％
Ｃは、粉末高速度鋼の硬さ、焼入性および耐焼付き性に必要な成分で、そのためには０．８５％以上が必要である。しかし、Ｃは１．２０％を超えると粗大な炭化物を形成し、耐食性および靱性を悪化する。そこで、Ｃは０．８５〜１．２０％とする。望ましくは０．８５〜１．０５％とする。

Ｓｉ：≦０．５０％
Ｓｉは、脱酸剤および基地の硬さを得るために必要な成分であるが、０．５０％を超えると鋼材の加工性を悪化する。そこで、Ｓｉは０．５０％以下とする。

Ｍｎ：０．１０〜０．５０％
Ｍｎは、脱酸剤および焼入性を得るために必要な成分で、そのためには０．１０％以上が必要である。しかし、Ｍｎが０．５０％を超えるとマトリックスを脆化させ靱性および熱間加工性が悪化する。また耐食性も悪化させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜０．５０％とする。

Ｃｒ：３．８０〜６．００％
Ｃｒは、耐焼付き性および焼入性を得るために必要な成分で、そのためには３．８０％以上が必要である。しかし、Ｃｒが６．００％を超えて含有されると、粗大な炭化物を形成し、耐食性、靱性および熱間加工性を悪化する。そこで、Ｃｒは３．８０〜６．００％とする。望ましくは３．９０〜５．００％とする。

Ｍｏ：５．６０〜８．００％
Ｍｏは、焼入性、硬さ、耐焼付き性、耐食性および焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な成分で、そのためには５．６０％以上が必要である。しかし、Ｍｏが８．００％を超えて含有されると、粗大な炭化物を形成し、耐食性、靱性および熱間加工性を悪化する。そこで、Ｍｏは５．６０〜８．００％とする。望ましくは５．７０〜７．００％とする。

Ｗ：５．１０〜８．００％
Ｗは、焼入性、硬さ、耐焼付き性、耐食性および焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な成分で、そのためには５．１０％以上が必要である。しかし、Ｗが８．００％を超えて含有されると、粗大な炭化物を形成し、耐食性、靱性および熱間加工性を悪化する。そこで、Ｗは５．１０〜８．００％とする。望ましくは５．７０〜７．００％とする。

Ｖ：３．５０〜６．００％
Ｖは、硬さ、耐焼付き性および靱性を得るために必要な成分であり、窒化物を得るためにも必要な成分で、そのためには３．５％以上が必要である。しかし、Ｖが６．００％を超えて含有されると、粗大な窒化物を形成し、靱性および被削性を悪化する。そこで、Ｖは３．５０〜６．００％とする。望ましくは３．５０〜５．００％とする。

Ｎ：０．４０〜１．５０％
Ｎは、Ｖと結合してバナジウム系窒化物を形成し、硬さ、耐焼付き性および耐食性を向上させるために必要な成分で、そのためには０．４０％以上が必要であり、さらに鋼材の断面積中に占める面積率が５％以上必要である。しかし、Ｎが１．５０％を超えて含有されると１μｍより大きい窒化物を形成して靱性を悪化する。そこで、Ｎは０．４０〜１．５０％とする。望ましくは０．５０〜１．３０％とする。

Ｃ＋Ｎ：１．２５〜２．５０％
ＣおよびＮの合計量は、硬さ、焼入性および耐焼付き性に必要な成分で、そのためにはＣおよびＮの合計量が１．２５％以上必要である。しかし、ＣおよびＮの合計量が２．５０％を超えると粗大な炭窒化物を形成し、靱性を悪化する。そこで、Ｃ＋Ｎの合計量は２．２５〜２．５０％とする。望ましくは１．４０〜２．００％とする。

Ｍｏ＋Ｗ／２：８．３０〜１１．００％
ＭｏおよびＷの合計量は、焼入性、硬さ、耐焼付き性、耐食性および焼戻し軟化抵抗性を得るために８．３０％以上が必要であるが、１１．００％を超えると粗大な炭化物を形成し、耐食性、靱性および熱間加工性を悪化する。そこで、Ｍｏ＋Ｗ／２の合計量は８．３０〜１１．００％とする。望ましくは８．３０〜１０．００％とする。

４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎ：≧３２．５０％
４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎは耐食性指数であり、この耐食性指数の値が３２．５０％未満では十分な耐食性の効果が得られない。そこで、４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎの値を３２．５０％以上とする。

本願発明の手段で、窒素以外の高速度鋼の合金粉末を窒素雰囲気中で加熱保持することで、高濃度の窒化物を含む高速度鋼の粉末を得て、この粉末をＨＩＰ処理して成形体とし、焼なまし、焼入れおよび焼戻し処理して製造した粉末から形成した高速度鋼は、硬さが６５ＨＲＣ以上である、耐食性、耐焼付き性に優れた高靭性を有する窒化粉末高速度鋼の鋼材が得られた。

本発明の表１に示す区分の発明鋼および比較鋼の各Ｎｏ．の粉末からなる高速度鋼を製造する工程を示すと、それぞれの化学成分の溶鋼をガスアトマイズし、それぞれのＮｏ．の粉末を得て、これらの粉末を８３０℃の窒素雰囲気中に加熱保持して窒化処理し、窒化物を有する粉末とし、この窒化物を有する粉末をＨＩＰ処理して径１９０ｍｍの成形体とし、さらに、この成形体を径５５ｍｍに鍛伸し、これを１２２０℃に加熱して焼なまし、油冷して焼入れ処理した後、５００〜６００℃に加熱して空冷する焼戻し処理を２回以上行って、焼入焼戻し試料を作製した。

上記の工程で作製した本発明の表１に示す区分の発明鋼および比較鋼の各粉末からなる高速度鋼の特性である靱性、耐焼付き性、耐食性、および、バナジウム系窒化物の大きさと面積率を評価するために、次に示す各試験片を作製して測定した。

靭性を評価するために、上記の焼入焼戻し試料から１０ｍｍ角で長さ５５ｍｍの大きさからなる１０Ｒ−２ｍｍＣノッチのシャルピー試験片を作製し、この試験片を用いて衝撃値を測定し、粉末ハイスＳＫＨ４０の衝撃値と比較した。この粉末ハイスＳＫＨ４０は硬さ６８ＨＲＣで衝撃値２０Ｊ／ｃｍ²である。そこで、この２０Ｊ／ｃｍ²を基準値とし、下記の表２に、この基準値より高い衝撃値が得られれば、良いとして○で示し、この基準値より低ければ、悪いとして×で示して評価した。

さらに、耐焼付き性を評価するために、上記の焼入焼戻し試料から縦７ｍｍ横２５ｍｍ長さ５０ｍｍの大きさの試験片を作製し、この試験片を大越式摩耗試験により比摩耗量を測定し、粉末ハイスＳＫＨ４０の耐焼付き性と比較した。試験条件は、大越式摩耗試験の回転輪の材質をＳＣＭ４２０、摩耗速度を２．０ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離を４００ｍおよび最終荷重を６１．８Ｎとして試験片の比摩耗量を測定した。この粉末ハイスＳＫＨ４０の比摩耗量は硬さ６８ＨＲＣで２．０×１０^-8ｍｍ³であり、この２．０×１０^-8ｍｍ³を基準として、下記の表２に、これより比摩耗量が少なければ、良いとして○で示し、これより比摩耗量が多ければ、悪いとして×で示して評価した。

また、さらに耐食性を評価するために、上記の焼入焼戻し試料から径１２ｍｍ長さ２１ｍｍの大きさの試験片を作製し、この試験片を相対湿度が９０％のデシケータ中で、２０℃、保持時間１．５時間である低温状態と、温度７０℃、保持時間４．５時間である高温状態とを、交互に２０回繰り返した後、目視により腐食の有無を調べた。下記の表２に、錆が発生していければ良いとして発生なしと記載し、錆が発生していれば悪いとして発錆ありと記載して評価した。

さらにバナジウム系窒化物の面積率と平均粒径を調べるために、上記の焼入焼戻し試料の中央部から高さ１５ｍｍ幅１５ｍｍ長さ１５ｍｍの大きさの試験片を作製し幅１５ｍｍ長さ１５ｍｍの面を鏡面研磨し、ＳＥＭによる反射電子像観察を行った。バナジウム系窒化物の面積率が５％以上であれば○で示し、５％未満であれば×と示して評価した。またバナジウム系窒化物の平均粒径が１μｍ以下であれば○で示し、１μｍより大きければ×と示して評価した。

上記の表１においてＣ＋Ｎの値が１．２５％より低く外れた比較鋼のＮｏ．ｌの鋼種は、表２において硬さが６５ＨＲＣより低く、焼付き易い。一方、Ｃ＋Ｎの値が２．５０％より高く外れた比較鋼のＮｏ．ｍの鋼種は、炭窒化物の凝集が起こり、靭性が低下してシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ²未満であり、表２のシャルピー衝撃試験は×である。

さらに、Ｍｏ＋Ｗ／２の値が１１．００％より高く外れた比較鋼のＮｏ．ｋ、Ｎｏ．ｎおよびＮｏ．ｏの鋼種は、炭化物の凝集が起こり、耐食性および靭性が低下している。さらにＮｏ．ｎの鋼種はバナジウム系窒化物の面積率も５％以下であり耐食性が低下している。またさらにＮｏ．ｏの鋼種はバナジウム系窒化物の平均粒径が１μｍより大きく靭性が低下している。よってこれらの鋼種はシャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ²未満であり、表２のシャルピー衝撃試験は×であり、耐食性試験の結果は発錆ありである。

また、さらに、耐食性指数の４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎの値が３２．５０％より低く外れた比較鋼のＮｏ．ｊおよびＮｏ．ｑの鋼種は、耐食性が十分でなく、表２に示す耐食性試験の結果は発錆ありである。

さらに、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒがそれぞれ本願発明の規定値より高く外れた比較鋼のＮｏ．ｐの鋼種は、靱性が低下し、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ²未満であり、表２のシャルピー衝撃試験は×である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．８５〜１．２０％、Ｓｉ：≦０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：３．８０〜６．００％、Ｍｏ：５．６０〜８．００％、Ｗ：５．１０〜８．００％、Ｖ：３．５０〜６．００％、Ｎ：０．４０〜１．５０％を含有し、これらはＣ＋Ｎ：１．２５〜２．５０％、Ｍｏ＋Ｗ／２：８．３０〜１１．００％、および４．７（Ｍｏ＋Ｗ／２）＋１．４Ｎ−Ｃｒ−２．１Ｍｎ：≧３２．５０％を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼合金で、硬さが６５ＨＲＣ以上であり、析出する窒化物がバナジウム系窒化物（ＶＮまたは一部炭化物を含むＶＣＮ）からなり、その窒化物の平均粒径が１μｍ以下であり、かつ、鋼材の断面積中に占める面積率が５％以上であることを特徴とする高靱性であり、耐食性、耐焼付き性に優れた窒化粉末高速度鋼。