JP6365961B2 - 高速度工具鋼、工具用材料、および、工具用材料の製造方法 - Google Patents
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Description
また、上記の切断工具や塑性加工工具に用いる「工具用材料」についても、その製造工程で、上記の鋼塊や鋼片等の素材に熱間加工を行なったときには、素材の延性が低い(熱間加工性に劣る)ことに起因して、所定の寸法にまで延伸し難い場合があった。
この高速度工具鋼が含有する上記のC、Si、W、Mo、V、Coの含有量の関係が、下記の式で算出されるM値において、−1.5≦M値≦1.5を満たす高速度工具鋼である。
式:M値=−9.500+9.334[%C]−0.275[%Si]−0.566[%W]−0.404[%Mo]+3.980[%V]+0.166[%Co]
[]括弧内は各元素の含有量(質量%)を示す。
この高速度工具鋼の鋼塊が含有する上記のC、Si、W、Mo、V、Coの含有量の関係が、下記の式で算出されるM値において、−1.5≦M値≦1.5を満たす工具用材料の製造方法である。
式:M値=−9.500+9.334[%C]−0.275[%Si]−0.566[%W]−0.404[%Mo]+3.980[%V]+0.166[%Co]
[]括弧内は各元素の含有量(質量%)を示す。
また、SKH59のような成分組成の高速度工具鋼の鋳造組織中には、M6C共晶炭化物(以下、「共晶M6C」と言う。)も形成される。一般的に、この共晶M6Cは、魚骨状である。そして、熱間加工によって粒状化することが難しい。よって、上記の共晶M6Cが著しく粗大であると、熱間加工後において、これが“そのまま”の著しく粗大な状態で残って、工具用材料の焼鈍組織に著しく粗大な炭化物が多く存在する結果となる。
また、上記の鋼塊や鋼片等の素材の時点で、その鋳造組織中に形成された著しく粗大な共晶炭化物が、熱間加工でも粒状に変化しないと、この素材の熱間加工性が劣って、続く熱間加工で所定の寸法にまで延伸することが難しくなる。
Cは、Cr、W、Mo、Vと結合して炭化物を形成し、焼入れ焼戻し硬さを高め、耐摩耗性を向上する元素である。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、後述するCr、W、Mo、V量とバランスさせた上で、0.9〜1.2%とする。好ましくは0.95%以上である。より好ましくは1.00%以上である。また、好ましくは1.15%以下である。より好ましくは、1.10%以下である。
Siは、通常、溶解工程における脱酸剤として使用される。そして、工具用材料の切削加工性を向上させる元素である。しかし、多すぎると、鋳造組織中に粗大な共晶炭化物を形成しやすく、熱間加工性が低下する。また、靭性も低下する。よって、Siは、0.1〜1.0%とする。好ましくは0.2%以上である。より好ましくは0.25%以上である。また、好ましくは0.6%以下である。より好ましくは0.5%以下である。更に好ましくは0.4%以下である。
Mnは、Siと同様、脱酸剤として使用される。しかし、多すぎると靭性が低下するので、1.0%以下とする。好ましくは0.6%以下である。より好ましくは0.5%以下である。更に好ましくは0.4%以下である。また、Mnを含有する場合、好ましくは0.1%以上である。より好ましくは0.2%以上である。さらに好ましくは0.25%以上である。
Crは、焼入性、耐摩耗性、耐酸化性等を付与するのに有効な元素である。しかし、多すぎると、鋳造組織中における固溶C量の増加を助長しやすく、少なからず、鋼塊の熱間加工性の低下の要因となる。また、工具製品の靭性、高温強度、耐焼戻し軟化特性を低下させる。よって、3.0〜5.0%とする。好ましくは3.5%以上である。より好ましくは3.6%以上である。更に好ましくは3.7%以上である。特に好ましくは3.8%以上である。また、好ましくは4.5%以下である。より好ましくは4.3%以下である。更に好ましくは4.1%以下である。特に好ましくは4.0%以下である。
Wは、上述したCと結合して特殊な炭化物を形成して、耐摩耗性や耐焼付き性を付与する。また、焼戻し時の二次硬化作用が大きく、高温強度も向上する。しかし、多すぎると、熱間加工性を阻害する。また、少なからず、炭化物の粗大化の要因となる。よって、2.1〜3.5%とする。好ましくは2.2%以上である。より好ましくは2.3%以上である。更に好ましくは2.4%以上である。また、好ましくは2.9%以下である。より好ましくは2.8%以下である。更に好ましくは2.7%以下である。特に好ましくは2.6%以下である。
Moは、Wと同様にCと結合して特殊な炭化物を形成して、耐摩耗性や耐焼付き性を付与する。また、焼戻し時の二次硬化作用が大きく、高温強度も向上する。しかし、多すぎると、熱間加工性を阻害する。よって、9.0〜10.0%とする。好ましくは9.1%以上である。より好ましくは9.2%以上である。更に好ましくは9.3%以上である。特に好ましくは9.4%以上である。また、好ましくは9.9%以下である。より好ましくは9.8%以下である。更に好ましくは9.7%以下である。特に好ましくは9.6%以下である。
Vは、Cと結合して硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、0.9〜1.2%とする。好ましくは0.93%以上である。より好ましくは0.95%以上である。また、好ましくは1.15%以下である。より好ましくは1.10%以下である。
Coは、基地中に固溶して、焼戻しマルテンサイトの硬さを向上させ、耐摩耗性の向上に寄与する。また、工具の強度や耐熱性を向上させる。しかし、多すぎると、熱間加工性が低下する。また、靭性が低下する。よって、5.0〜10.0%とする。好ましくは6.0%以上である。より好ましくは6.5%以上である。更に好ましくは7.0%以上である。また、好ましくは9.3%以下である。より好ましくは9.2%以下である。更に好ましくは9.0%以下である。特に好ましくは8.5%以下である。
Nは、上述した成分組成を有する高速度工具鋼の鋳造組織において、共晶炭化物の塊状化を抑制する効果を有する。しかし、多すぎると、鋳造組織中にバナジウム窒化物を形成して、素材の熱間加工性を阻害する。また、かえって、上記の共晶炭化物の塊状化を助長する作用がある。よって、Nは、0.020%以下とする。好ましくは0.019%以下である。より好ましくは0.018%以下である。更に好ましくは0.017%以下である。なお、Nを含有する場合、上記の効果を得るのに好ましくは0.005%以上である。より好ましくは0.008%以上である。更に好ましくは0.012%以上である。特に好ましくは0.015%以上である。
式:M値=−9.500+9.334[%C]−0.275[%Si]−0.566[%W]−0.404[%Mo]+3.980[%V]+0.166[%Co]
[]括弧内は各元素の含有量(質量%)を示す。
そして、本発明においては、上記のM値を「1.5以下」とする。これによって、安定的な共晶M2Cが減り、共晶M2Cを熱間加工で微細な分解M6Cに変化させることができる。好ましくは「1.0以下」である。より好ましくは「0.8以下」である。更に好ましくは「0.7以下」である。また、本発明においては、上記のM値を「−1.5以上」とする。これによって、熱間加工で微細にすることが困難な共晶M6C自体を低減することができる。好ましくは「−1.0以上」である。より好ましくは「−0.8以上」である。更に好ましくは「−0.7以上」である。M値をこれら範囲に調整することよって、高速度工具鋼の熱間加工性の向上、および、各種工具の耐損傷性の向上を達成することができる。
また、M値が「−1.5〜1.5」の範囲内にある工具用材料No.6,7のうち、工具用材料No.6は、Wの含有量が本発明の範囲より高いが、鍛伸長さは100を超えた。しかし、工具用材料No.7は、Wの含有量が更に高いことに加えて、Moの含有量も高めであることから、熱間加工性が低下した。
図2に、工具用材料No.1〜21における、M値と、上記の鍛伸長さとの関係を示しておく(但し、熱間加工を中止したNo.2については、鍛伸長さを「0」として示している)。
上記の炭化物の計測は、次の要領によった。まず、SEMによる反射電子像に対し、この像中に確認される炭化物の最大径に基づいて、「9μm」の最大径を閾(しきい)値とした二値化処理を行うことで、上記の観察面に分布する「最大径が9μm以上」の炭化物を示した二値化画像を得た。図3および図4は、それぞれ、本発明例である工具用材料No.11および比較例である工具用材料No.19における上記の二値化画像である(炭化物は、黒点の分布で示されている)。そして、この二値化画像から、最大径が9μm以上の炭化物の計測を行った。
上記の極値統計処理には、マイクロソフト社の表計算ソフトウェア「エクセル」を用いた。このとき、極値統計処理に必要な再帰期間について、予測体積は31.4mm3とした。これは、通常、各種工具の耐チッピング性等を評価するのに用いられている、直径4mm、スパン50mmの試験片による3点曲げ試験において、その破壊の起点となり得る危険部分が、この試験片の表面から中心に向かって直径の5%入った体積の部分にあることに基づいたものである。そして、表3に示した炭化物の最大径(推定最大予測値√(Areamax))は、上記した3点曲げ試験片100本当たりでの推定値である。
これに対して、工具用材料No.1、3、5、7、14、15も、上記の推定最大予測値√(Areamax)が32.0μm以下であった。しかし、これらの工具用材料は、上述の通り、SKH59(工具用材料No.13)より熱間加工性が劣っていた。
工具用材料No.6は、M値が本発明の「−1.5〜1.5」の範囲を満たしているが、Wの含有量が本発明の範囲より高く、上記の推定最大予測値√(Areamax)が32.0μmを超えていた。
工具用材料No.12、16〜21は、M値が本発明の「−1.5〜1.5」の範囲を満たさず、推定最大予測値√(Areamax)が32.0μmを超えていた。
図1に、工具用材料No.1〜21(但し、No.2を除く)のM値と、上記の√(Areamax)との関係を示しておく。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.9〜1.2%、Si:0.1〜1.0%、Mn:1.0%以下、Cr:3.0〜5.0%、W:2.1〜3.5%、Mo:9.0〜10.0%、V:0.9〜1.2%、Co:5.0〜10.0%、N:0.020%以下、残部Feおよび不純物でなる高速度工具鋼であり、
前記高速度工具鋼が含有する前記C、Si、W、Mo、V、Coの含有量の関係が、下記式で算出されるM値において、−1.5≦M値≦1.5を満たすことを特徴とする高速度工具鋼。
式:M値=−9.500+9.334[%C]−0.275[%Si]−0.566[%W]−0.404[%Mo]+3.980[%V]+0.166[%Co]
[]括弧内は各元素の含有量(質量%)を示す。 - 請求項1に記載の高速度工具鋼でなり、
断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√(Areamax)で、32.0μm以下であることを特徴とする工具用材料。 - 質量%で、C:0.9〜1.2%、Si:0.1〜1.0%、Mn:1.0%以下、Cr:3.0〜5.0%、W:2.1〜3.5%、Mo:9.0〜10.0%、V:0.9〜1.2%、Co:5.0〜10.0%、N:0.020%以下、残部Feおよび不純物でなる高速度工具鋼を鋼塊に鋳造し、前記鋼塊に熱間加工を行う工具用材料の製造方法であって、
前記高速度工具鋼の鋼塊が含有する前記C、Si、W、Mo、V、Coの含有量の関係が、下記式で算出されるM値において、−1.5≦M値≦1.5を満たし、
前記工具用材料の断面組織中に含まれる炭化物の最大径が、極値統計法によって算出される推定最大予測値√(Area max )で、32.0μm以下であることを特徴とする工具用材料の製造方法。
式:M値=−9.500+9.334[%C]−0.275[%Si]−0.566[%W]−0.404[%Mo]+3.980[%V]+0.166[%Co]
[]括弧内は各元素の含有量(質量%)を示す。
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