JP6903468B2 - 耐摩耗性に優れる窒化粉末高速度工具鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、耐摩耗性に優れる窒化粉末高速度工具鋼に関する。
従来、粉末高速度工具鋼は、微細な炭化物が析出するため溶製高速度工具鋼よりも靱性に優れる特長を持つ。さらに、Ｎを添加し、炭窒化物を析出させることで、耐焼付き性を向上させた窒化粉末高速度工具がある。例えば、特開１９８６−００６２５５号公報（特許文献１）に開示されるように、化学組成が質量％で、Ｃ：次式を満足する量、Ｃｅｑ＋０．１５≦Ｃ＋１２／１４Ｎ≦Ｃｅｑ＋０．３５、但しＣｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝、上式において、Ｎ，Ｗ、Ｍｏ，及びＶは夫々鋼中の含有量（％）、Ｃｒ：３〜５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ｗ：８〜１４％、Ｖ：４〜６％、Ｃｏ：５〜１５％、Ｎ：０．２〜１．２％、残部実質的にＦｅからなり、かつ（Ｗ＋２Ｍｏ）が２７〜３２％である高硬度高靱性窒化粉末ハイスが提案されている。しかし、特許文献１では、Ｓｉ、Ｍｎについての規制は何ら定められていない。
また、特開２０１３−６０６１７号公報（特許文献２）では、耐食性、耐焼付き性に優れた窒化粉末高速度鋼で、Ｃｏを含有しないで、Ｍｏを５．６〜８．０％を含有させて、焼入性、硬さ、耐焼付き性、耐食性を得る窒化粉末高速度鋼である。また、特開２０１６−３７６４０号公報（特許文献３）では、高速切削工具適用時に優れた耐摩耗性、耐焼付き性を示しつつ、チッピングを発生しない靱性を備えた窒化粉末高速度工具鋼で、これも成分組成的には、特許文献２と同様に、Ｃｏを選択元素とし、Ｍｏを２．０〜８．０％を含有させて、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得るものである。
さらに、特開２０１６−２１１０２２号公報（特許文献４）では、硬度、靱性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼が提案されている。この窒化粉末高速度工具鋼は、Ｍｏ：５．０〜８．０％、かつＷ：５．０〜８．０の範囲内で、焼入性や焼戻し時の二次硬化、耐摩耗性、高温強度、焼戻軟化抵抗を得ると言うものである。
本来、高速摩耗環境、または凝着が起こりやすい加工において、摩擦面が高温のため、工具鋼は著しく軟化し、工具が塑性変形を起こす。また、炭化物または炭窒化物の量（面積率）が十分でないと、焼付きが発生し、凝着摩耗を引き起こすことで、著しく摩耗する。そこで、従来の発明では、例えば、上述した特許文献１では、炭化物および炭窒化物の面積率の制御が十分ではない。また、特許文献２の場合は、炭化物の面積率が５％以上と比較的低いため、上述した環境下において十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有しているとは言い難かった。
上述した問題を解消するために、発明者らは鋭意検討そた結果、本発明では、高速摩耗環境または凝着が起こりやすい加工において、Ｃｏの高濃度添加、高Ｍｏ組成にＳｉ、Ｍｎを添加することで、炭化物および炭窒化物の面積率の向上かつそれらの脱落を抑制することで、耐摩耗性および耐焼付き性を改善することを見出し発明に至った。
その発明の要旨とするところは、
質量％で、Ｃ：０．８〜２．５％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：３〜５％、Ｍｏ：８％超〜１０％、Ｗ：４〜１４％、Ｖ：４〜１２％、Ｃｏ：１０％超〜１５％、Ｎ：０．２〜１．２％を含有し、かつＣｅｑ値：−１．０〜１．５、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる窒化粉末高速度工具鋼であって、さらに焼入れ、焼戻しされた状態であって、その金属組織中の炭化物および炭窒化物の合計面積率が１５％以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
但し、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝
質量％で、Ｃ：０．８〜２．５％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：３〜５％、Ｍｏ：８％超〜１０％、Ｗ：４〜１４％、Ｖ：４〜１２％、Ｃｏ：１０％超〜１５％、Ｎ：０．２〜１．２％を含有し、かつＣｅｑ値：−１．０〜１．５、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる窒化粉末高速度工具鋼であって、さらに焼入れ、焼戻しされた状態であって、その金属組織中の炭化物および炭窒化物の合計面積率が１５％以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
但し、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝
以上述べたように、本発明によって、Ｃｏ元素を高濃度添加とし、高温強度を向上させ、かつＭｏ、Ｗ元素により、炭化物の面積率を増加させ、Ｓｉ，Ｍｎ元素の添加量を適正化し、金属組織中の炭化物および炭窒化物の合計面積率を１５％以上に制御させることで、特に高速摩耗環境で使用する際の耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼を得ることができる。
以下、本発明に係る限定理由について説明する。
Ｃ：０．８〜２．５％
Ｃは、硬さ、焼入性、炭化物形成に必要な元素である。しかし、０．８％未満ではその効果が十分でない。また、２．５％を超えると、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。したがって、その範囲を０．８〜２．５％とした。好ましくは０．９〜２．０％、さらに好ましくは１．０〜１．８％以下とした。
Ｃ：０．８〜２．５％
Ｃは、硬さ、焼入性、炭化物形成に必要な元素である。しかし、０．８％未満ではその効果が十分でない。また、２．５％を超えると、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。したがって、その範囲を０．８〜２．５％とした。好ましくは０．９〜２．０％、さらに好ましくは１．０〜１．８％以下とした。
Ｓｉ：０．１〜０．７％
Ｓｉは、脱酸剤であり、焼入性、基地の硬さを得るために必要な元素である。マトリックスに置換固溶し、炭化物または炭窒化物の析出を促進する。さらに、マトリックス強化により、高Ｍｏ組成における炭化物の脱落を抑制することもできる。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、０．７％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を０．１〜０．７％とした。好ましくは０．２〜０．６％、さらに好ましくは０．３〜０．５％以下とした。
Ｓｉは、脱酸剤であり、焼入性、基地の硬さを得るために必要な元素である。マトリックスに置換固溶し、炭化物または炭窒化物の析出を促進する。さらに、マトリックス強化により、高Ｍｏ組成における炭化物の脱落を抑制することもできる。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、０．７％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を０．１〜０．７％とした。好ましくは０．２〜０．６％、さらに好ましくは０．３〜０．５％以下とした。
Ｍｎ：０．１〜０．７％
Ｍｎは、脱酸剤であり、焼入性、基地の硬さを得るために必要な元素である。マトリックスに置換固溶し、炭化物または炭窒化物の析出を促進する。さらに、マトリックス強化により、高Ｍｏ組成における炭化物の脱落を抑制することもできる。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、０．７％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を０．１〜０．７％とした。好ましくは０．２〜０．６％、さらに好ましくは０．３〜０．５％以下とした。
Ｍｎは、脱酸剤であり、焼入性、基地の硬さを得るために必要な元素である。マトリックスに置換固溶し、炭化物または炭窒化物の析出を促進する。さらに、マトリックス強化により、高Ｍｏ組成における炭化物の脱落を抑制することもできる。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、０．７％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を０．１〜０．７％とした。好ましくは０．２〜０．６％、さらに好ましくは０．３〜０．５％以下とした。
Ｃｒ：３〜５％
Ｃｒは、耐焼付き性、焼入性を得るために必要な元素である。しかし、３．０％未満ではその効果が十分でない。また、５．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を３〜５％とした。好ましくは３．５〜４．５％、さらに好ましくは３．８〜４．３％以下とした。
Ｃｒは、耐焼付き性、焼入性を得るために必要な元素である。しかし、３．０％未満ではその効果が十分でない。また、５．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を３〜５％とした。好ましくは３．５〜４．５％、さらに好ましくは３．８〜４．３％以下とした。
Ｍｏ：８％超〜１０％
Ｍｏは、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得るために必要な元素である。しかし、８．０％以下ではその効果が十分でない。また、１０．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を８．０％超〜１０．０％とした。好ましくは８．５〜９．５％、さらに好ましくは８．８〜９．３％とした。
Ｍｏは、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得るために必要な元素である。しかし、８．０％以下ではその効果が十分でない。また、１０．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を８．０％超〜１０．０％とした。好ましくは８．５〜９．５％、さらに好ましくは８．８〜９．３％とした。
Ｗ：４〜１４％
Ｗは、Ｍｏと同様に、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得るために必要な元素である。しかし、４．０％未満ではその効果が十分でない。また、１４．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を４〜１０％とした。好ましくは６．０〜１０．０％、さらに好ましくは７．０〜９．０％とした。
Ｗは、Ｍｏと同様に、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得るために必要な元素である。しかし、４．０％未満ではその効果が十分でない。また、１４．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を４〜１０％とした。好ましくは６．０〜１０．０％、さらに好ましくは７．０〜９．０％とした。
Ｖ：４〜１２％
Ｖは、微細な炭窒化物を形成し、耐摩耗性および耐焼付き性を得るために必要な元素である。しかし、４．０％未満ではその効果が十分でない。また、１２．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を４％〜１２％とした。好ましくは５．０〜１０．０％、さらに好ましくは５．５〜８．０％とした。
Ｖは、微細な炭窒化物を形成し、耐摩耗性および耐焼付き性を得るために必要な元素である。しかし、４．０％未満ではその効果が十分でない。また、１２．０％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を４％〜１２％とした。好ましくは５．０〜１０．０％、さらに好ましくは５．５〜８．０％とした。
Ｃｏ：１０％超〜１５％
Ｃｏは、高温強度、耐摩耗性を得るために必要な元素である。高速摩耗環境で使用する際には、摩擦面が高温となり、表面が軟化する。Ｃｏの添加量の増加に伴い、軟化抵抗は増加することから、Ｃｏ添加は本発明において必須である。しかし、その効果は、１０％未満では、その効果が十分でない。また、１５％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を１０％超〜１５％以下とした。好ましくは１０．５〜１４．０％、さらに好ましくは１２．０〜１４．５％とした。
Ｃｏは、高温強度、耐摩耗性を得るために必要な元素である。高速摩耗環境で使用する際には、摩擦面が高温となり、表面が軟化する。Ｃｏの添加量の増加に伴い、軟化抵抗は増加することから、Ｃｏ添加は本発明において必須である。しかし、その効果は、１０％未満では、その効果が十分でない。また、１５％を超えると靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を１０％超〜１５％以下とした。好ましくは１０．５〜１４．０％、さらに好ましくは１２．０〜１４．５％とした。
Ｎ：０．２〜１．２％
Ｎは、炭窒化物を析出させるのに必要な元素である。ＮはＶと結合して、Ｖ系炭窒化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付き性を向上させる。しかし、０．２％未満ではその効果が十分でない。また、１．２％を超えると、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。したがって、その範囲を０．２〜１．２％とした。好ましくは、０．３〜１．０％、さらに好ましくは０．４〜０．８％とした。
Ｎは、炭窒化物を析出させるのに必要な元素である。ＮはＶと結合して、Ｖ系炭窒化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付き性を向上させる。しかし、０．２％未満ではその効果が十分でない。また、１．２％を超えると、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。したがって、その範囲を０．２〜１．２％とした。好ましくは、０．３〜１．０％、さらに好ましくは０．４〜０．８％とした。
Ｃｅｑ値：−１．０〜１．５
Ｃｅｑ値は、炭素および窒素量と合金元素添加量のバランスを示す値であり、炭化物および炭窒化物を析出させ、硬さ、焼入性、耐焼付き性を得るうえで制御する必要がある。−１．０未満だと炭化物および炭窒化物の凝集および粗大化が著しく、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。一方、１．５を超える場合、炭素や窒素の偏析を助長するため、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を−１．０〜１．５とした。好ましくは−０．８〜１．２、さらに好ましくは−０．５〜１．０とした。
Ｃｅｑ値は、炭素および窒素量と合金元素添加量のバランスを示す値であり、炭化物および炭窒化物を析出させ、硬さ、焼入性、耐焼付き性を得るうえで制御する必要がある。−１．０未満だと炭化物および炭窒化物の凝集および粗大化が著しく、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。一方、１．５を超える場合、炭素や窒素の偏析を助長するため、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化することから、その範囲を−１．０〜１．５とした。好ましくは−０．８〜１．２、さらに好ましくは−０．５〜１．０とした。
炭化物および炭窒化物面積率の合計面積率が１５％以上
高速度摩耗環境下における耐摩耗性および耐焼付き性の向上には、炭化物および炭窒化物の面積率が大きく寄与することを見出した。面積率が１５％未満だと耐摩耗性向上の効果が十分に得られない。したがって、１５％以上とした。好ましくは２０％以上、さらに好ましくは２５％以上とした。
高速度摩耗環境下における耐摩耗性および耐焼付き性の向上には、炭化物および炭窒化物の面積率が大きく寄与することを見出した。面積率が１５％未満だと耐摩耗性向上の効果が十分に得られない。したがって、１５％以上とした。好ましくは２０％以上、さらに好ましくは２５％以上とした。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表の成分組成の金属粉末をガスアトマイズ法で作製し、５００μｍ以下の篩目にて分級した。分級した粉末を直径２３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの缶に充填し、１１００℃にてＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）による焼結を行なった。１１００℃にて鍛錬比４まで鍛造した後、１１８０℃にて焼入れし、大気にて５６０℃焼戻し処理を３回行なった。
表の成分組成の金属粉末をガスアトマイズ法で作製し、５００μｍ以下の篩目にて分級した。分級した粉末を直径２３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの缶に充填し、１１００℃にてＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）による焼結を行なった。１１００℃にて鍛錬比４まで鍛造した後、１１８０℃にて焼入れし、大気にて５６０℃焼戻し処理を３回行なった。
耐摩耗性の評価は、大越式摩耗試験により評価を実施した。試験片は、上記の焼入れ・焼戻しを行なった試料から、厚さ７ｍｍ、縦２５ｍｍ、横５０ｍｍの試験片を作製した。試験条件は、相手材をＳＣＭ４２０、摩耗速度２．３８ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離を２００ｍおよび最終荷重６１．８Ｎとして、試験片の比摩耗量を測定した。比摩耗量が、０．９×１０-8未満であれば◎、０．９×１０-8以上４．０×１０-8以下であれば○、４．０×１０-8を超えるのであれば、×として評価して表に示した。
焼入れ・焼戻しを行なった試料の炭化物および炭窒化物合計面積率は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて撮影した画像を用いて、画像解析を行なった。組織中の白色相を炭化物、黒色相を炭窒化物とし、２値化処理を施し、それぞれの面積率を算出し、合計した。
表１に示すように、比較例Ｎｏ．３０は、Ｃ含有量が低いために、硬さ、焼入性の効果が十分に得られない。すなわち、炭化物および炭窒化物の合計面積率が低く十分な耐摩耗性または耐焼き付きを有することが出来ない。比較例Ｎｏ．３１は、逆にＣ含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．３２は、Ｎ含有量が低いために、ＮがＶと結合して、Ｖ系炭窒化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付き性を十分に得られない。比較例Ｎｏ．３３は、逆にＮ含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。
比較例Ｎｏ．３４は、Ｓｉ、Ｍｎ含有量が含まれていないために、焼入性、基地の硬さが十分に得られず、また、炭化物および炭窒化物の合計面積率が低く十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有することが出来ない。比較例Ｎｏ．３５は、Ｓｉ、Ｍｎ含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．３６は、Ｃｒ含有量が低いために、耐焼付き性、焼入性が十分得られず、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．３７は、Ｃｒ含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．３８は、Ｍｏ含有量が低いために、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得ることが十分でないために、炭化物および炭窒化物の合計面積率が低く十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有することが出来ない。
比較例Ｎｏ．３９は、Ｍｏ、Ｗ含有量が低いために、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻軟化抵抗を得ることが十分でないために、炭化物および炭窒化物の合計面積率が低く十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有することが出来ない。比較例Ｎｏ．４０は、Ｍｏ、Ｗ含有量が共に高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．４１は、Ｖの含有量が低いために、微細な炭窒化物を形成し、耐摩耗性および耐焼付き性を得ることが十分でないために、炭化物および炭窒化物の合計面積率が低く十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有することが出来ない。
比較例Ｎｏ．４２は、Ｖの含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。比較例Ｎｏ．４３は、Ｃｏ含有量が低いために、高温強度、耐摩耗性を得ることが十分でなく、高速摩耗環境で使用する際に、摩擦面が高温となり、表面が軟化する。いわゆる、Ｃｏによる軟化抵抗が十分でない。そのため、十分な耐摩耗性または耐焼付き性を有することが出来ない。比較例Ｎｏ．４４は、Ｃｏ含有量が高いために、靱性が劣化し、耐摩耗性が劣化する。これに対して、本発明である、Ｎｏ．１〜２９は、いずれも本発明の条件を満足していることから、炭化物および炭窒化物の合計面積率を十分得ることができ、高温強度、耐摩耗性および耐焼付き性を得ることが出来る窒化粉末高速度工具鋼にある。
以上のように、Ｃｏ元素を高濃度添加とし、高温強度を向上させ、かつＭｏ、Ｗ元素により、炭化物の面積率を増加させ、Ｖ元素による炭窒化物の面積率を増加させると共に、Ｓｉ，Ｍｎ元素の添加量の適正化することで、金属組織中の炭化物および炭窒化物の合計面積率を１５％以上に制御させることで、耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼を提供することにある。
特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊
特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊
Claims (1)
- 質量％で、
Ｃ：０．８〜２．５％、
Ｓｉ：０．１〜０．７％、
Ｍｎ：０．１〜０．７％、
Ｃｒ：３〜５％、
Ｍｏ：８％超〜１０％、
Ｗ：４〜１４％、
Ｖ：４〜１２％、
Ｃｏ：１０％超〜１５％、
Ｎ：０．２〜１．２％を含有し、
かつＣｅｑ値：−１．０〜１．５、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる窒化粉末高速度工具鋼であって、さらに焼入れ、焼戻しされた状態であって、その金属組織中の炭化物および炭窒化物の合計面積率が１５％以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
但し、Ｃｅｑ＝（Ｃ％＋Ｎ％）−｛０．１９＋０．０１７（Ｗ％＋２Ｍｏ％）＋０．２２Ｖ％｝
Priority Applications (1)
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