JP7431631B2 - 粉末高速度鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、金型、射出成形機のスクリュー等に適した、粉末高速度鋼に関する。
金型等の工具に、高速度鋼が用いられている。高速度鋼は、「高速度工具鋼」とも称されている。粉末冶金法によって得られた高速度鋼は、「粉末高速度鋼」と称されている。粉末高速度鋼は、「粉末ハイス」とも称されており、「焼結高速度鋼」とも称されている。
特開２００５－２１３６３０公報には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有する粉末高速度鋼が開示されている。この高速度鋼は、アスペクト比が１．３以上であるＣｒ系炭化物を含んでいる。この高速度鋼は、耐摩耗性及び靱性に優れる。この高速度鋼は、圧延ロールの素材に適している。
樹脂成形品の製造方法として、射出成形法が知られている。射出成形法では、シリンダー内で、樹脂組成物が溶融される。この溶融樹脂組成物は、スクリューにて金型内に射出される。溶融樹脂組成物は高温であるから、この樹脂組成物からガスが発生する。金型内は比較的低温なので、このガスに由来して、金型内で酸が発生しうる。酸として、硫酸、リン酸及びフッ酸が例示される。酸は、金型の腐食を助長する。シリンダー内でも、同様の酸が発生しうる。この酸は、スクリューの腐食を助長する。従来の粉末高速度鋼では、腐食の抑制は不十分である。
同様の問題は、金型及びスクリュー以外の、腐食環境にさらされる種々の用途に用いられる粉末高速度鋼にも、生じている。
本発明の目的は、耐摩耗性、靱性及び耐食性のバランスに優れた粉末高速度鋼の提供にある。
本発明に係る粉末高速度鋼は、
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この粉末高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散しておりそのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物とを含む。この金属組織における、そのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓは、０．５％以上５．５％以下である。
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
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Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この粉末高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散しておりそのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物とを含む。この金属組織における、そのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓは、０．５％以上５．５％以下である。
好ましくは、金属炭化物における、下記数式で算出される値ＭＴは、５．０以上９．０以下である。
ＭＴ ＝ ＭＡ ＋ ＭＢ
ＭＡ ＝ ６／２３・Ｐ（Ｃｒ） ＋ １／６・Ｐ（Ｍｏ） ＋ Ｐ（Ｖ）
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
これらの数式において、Ｐ（Ｃｒ）、Ｐ（Ｍｏ）、Ｐ（Ｖ）、Ｐ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、金属炭化物におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。
ＭＴ ＝ ＭＡ ＋ ＭＢ
ＭＡ ＝ ６／２３・Ｐ（Ｃｒ） ＋ １／６・Ｐ（Ｍｏ） ＋ Ｐ（Ｖ）
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
これらの数式において、Ｐ（Ｃｒ）、Ｐ（Ｍｏ）、Ｐ（Ｖ）、Ｐ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、金属炭化物におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。
好ましくは、金属炭化物における、下記数式で算出される値ＭＢは、３．０以上５．０以下である。
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
この数式においてＰ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、金属炭化物におけるＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
この数式においてＰ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、金属炭化物におけるＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。
この粉末高速度鋼は、樹脂成形のための金型の素材に好適である。
本発明に係る高速度鋼は、耐食性、耐摩耗性及び靱性のバランスに優れる。
［組成］
本発明に係る粉末高速度鋼は、
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含む。以下、この粉末高速度鋼における各元素の役割が、詳説される。
本発明に係る粉末高速度鋼は、
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含む。以下、この粉末高速度鋼における各元素の役割が、詳説される。
［炭素（Ｃ）］
Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶する。Ｃは、焼戻しによってマトリックスから析出する。さらにＣは、他の元素と結合して炭化物を形成する。従ってＣは、高速度鋼の耐摩耗性、高温強度及び軟化抵抗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．１質量％以上がより好ましく、１．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは過大な炭化物の析出を招来し、靱性を阻害する。この観点から、Ｃの含有率は１．８質量％以下が好ましく、１．７質量％以下がより好ましく、１．６質量％以下が特に好ましい。
Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶する。Ｃは、焼戻しによってマトリックスから析出する。さらにＣは、他の元素と結合して炭化物を形成する。従ってＣは、高速度鋼の耐摩耗性、高温強度及び軟化抵抗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．１質量％以上がより好ましく、１．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは過大な炭化物の析出を招来し、靱性を阻害する。この観点から、Ｃの含有率は１．８質量％以下が好ましく、１．７質量％以下がより好ましく、１．６質量％以下が特に好ましい。
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉはさらに、固溶強化にも寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、高速度鋼の加工性を阻害する。加工性の観点から、Ｓｉの含有率は１．５質量％以下が好ましく、１．４質量％以下がより好ましく、１．３質量％以下が特に好ましい。
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉはさらに、固溶強化にも寄与する。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。過剰のＳｉは、高速度鋼の加工性を阻害する。加工性の観点から、Ｓｉの含有率は１．５質量％以下が好ましく、１．４質量％以下がより好ましく、１．３質量％以下が特に好ましい。
［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎはさらに、熱処理特性を高める。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上がより好ましく、０．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、高速度鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は１．５質量％以下が好ましく、１．３質量％以下がより好ましく、１．１質量％以下が特に好ましい。
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎはさらに、熱処理特性を高める。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．１質量％以上が好ましく、０．２質量％以上がより好ましく、０．３質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｎは、高速度鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は１．５質量％以下が好ましく、１．３質量％以下がより好ましく、１．１質量％以下が特に好ましい。
［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、炭化物を形成する。この炭化物は、高速度鋼の耐摩耗性に寄与する。さらにＣｒは、高速度鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は７．０質量％以上が好ましく、７．３質量％以上がより好ましく、７．５質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．５質量％以下がより好ましく、９．０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｒは、炭化物を形成する。この炭化物は、高速度鋼の耐摩耗性に寄与する。さらにＣｒは、高速度鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は７．０質量％以上が好ましく、７．３質量％以上がより好ましく、７．５質量％以上が特に好ましい。過剰のＣｒは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．５質量％以下がより好ましく、９．０質量％以下が特に好ましい。
［モリブデン（Ｍｏ）］
Ｍｏは、高速度鋼において微細な炭化物として存在する。この炭化物は、高速度鋼の強度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｏの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．５質量％以上がより好ましく、３．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｍｏの含有率は６．０質量％以下が好ましく、５．０質量％以下がより好ましく、４．５質量％以下が特に好ましい。
Ｍｏは、高速度鋼において微細な炭化物として存在する。この炭化物は、高速度鋼の強度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｏの含有率は２．０質量％以上が好ましく、２．５質量％以上がより好ましく、３．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｍｏの含有率は６．０質量％以下が好ましく、５．０質量％以下がより好ましく、４．５質量％以下が特に好ましい。
［バナジウム（Ｖ）］
Ｖは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＶは、高速度鋼において微細な炭化物として存在する。この炭化物は、高速度鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．５質量％以上がより好ましく、２．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｖの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．７質量％以下がより好ましく、３．５質量％以下が特に好ましい。
Ｖは、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する。さらにＶは、高速度鋼において微細な炭化物として存在する。この炭化物は、高速度鋼の高温強度、軟化抵抗性及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．５質量％以上がより好ましく、２．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＶは過大な炭化物の析出を招来し、高速度鋼の靱性を阻害する。この観点から、Ｖの含有率は４．０質量％以下が好ましく、３．７質量％以下がより好ましく、３．５質量％以下が特に好ましい。
［コバルト（Ｃｏ）］
Ｃｏは、マトリックスの高硬度に寄与する。Ｃｏはさらに、高速度鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｏの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．３質量％以上がより好ましく、１．５質量％以上が特に好ましい。低コストの観点から、Ｃｏの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．５質量％以下がより好ましく、４．０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｏは、マトリックスの高硬度に寄与する。Ｃｏはさらに、高速度鋼の耐食性にも寄与する。これらの観点から、Ｃｏの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．３質量％以上がより好ましく、１．５質量％以上が特に好ましい。低コストの観点から、Ｃｏの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．５質量％以下がより好ましく、４．０質量％以下が特に好ましい。
［イットリウム（Ｙ）］
Ｙは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＹの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
Ｙは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＹの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
［ジルコニウム（Ｚｒ）］
Ｚｒは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＺｒの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
Ｚｒは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＺｒの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
［チタン（Ｔｉ）］
Ｔｉは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＴｉの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
Ｔｉは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＴｉの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
［ハフニウム（Ｈｆ）］
Ｈｆは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＨｆの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
Ｈｆは、高速度鋼において、炭化物を構成する元素の一部として存在しうる。炭化物に入り込んだＨｆの影響を受けて、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ及びＶの一部が、炭化物を形成することなく、マトリックスに固溶する。固溶したＣｒ、Ｍｏ又はＶは、不動態皮膜を形成しうる。この不動態皮膜は、耐食性に寄与しうる。この不動態皮膜は特に、硫酸、リン酸及びフッ酸に対する耐食性に寄与しうる。
［Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆ］
粉末高速度鋼は、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆのうちの１種を含みうる。粉末高速度鋼が、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの２種以上を含んでもよい。Ｃｒ、Ｍｏ又はＶの不動態皮膜による耐食性の観点から、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの合計含有率は０．２５質量％以上が好ましく、０．３５質量％以上がより好ましく、０．４０質量％以上が特に好ましい。過剰のＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆは、高速度鋼の耐摩耗性を阻害する。この観点から、この合計含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下が特に好ましい。
粉末高速度鋼は、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆのうちの１種を含みうる。粉末高速度鋼が、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの２種以上を含んでもよい。Ｃｒ、Ｍｏ又はＶの不動態皮膜による耐食性の観点から、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの合計含有率は０．２５質量％以上が好ましく、０．３５質量％以上がより好ましく、０．４０質量％以上が特に好ましい。過剰のＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆは、高速度鋼の耐摩耗性を阻害する。この観点から、この合計含有率は２．０質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下が特に好ましい。
［Ｆｅ］
粉末高速度鋼は、Ｆｅ系合金である。粉末高速度鋼は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は６０質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、７５質量％以上が特に好ましい。
粉末高速度鋼は、Ｆｅ系合金である。粉末高速度鋼は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は６０質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、７５質量％以上が特に好ましい。
［不純物］
粉末高速度鋼は、不可避的不純物を含む。代表的な不純物として、Ｎが挙げられる。Ｎは、炭化物及び窒化物の粗大化を招く。粗大な炭化物及び窒化物は、高速度鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
粉末高速度鋼は、不可避的不純物を含む。代表的な不純物として、Ｎが挙げられる。Ｎは、炭化物及び窒化物の粗大化を招く。粗大な炭化物及び窒化物は、高速度鋼の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
他の代表的な不純物として、Ｏが挙げられる。Ｏは、介在物（酸化物）の生成の原因となる。介在物は、破壊の基点となり得る。破壊の抑制の観点から、Ｏの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
［金属組織］
前述の通り、粉末高速度鋼の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含んでいる。マトリックスのベースは、Ｆｅである。マトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。金属炭化物は、Ｃと他の元素との化合物である。金属炭化物として、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃ及びＭＣが例示される。ここでＭは、ＣｒｘＭｏｙＶ（１－ｘ－ｙ）である。さらに金属炭化物は、一部のＣｒ、Ｍｏ又はＶが、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ又はＨｆで置換された構造を有しうる。なお、本発明では、Ｃの単層は炭化物の概念に含まれない。
前述の通り、粉末高速度鋼の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の金属炭化物とを含んでいる。マトリックスのベースは、Ｆｅである。マトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。金属炭化物は、Ｃと他の元素との化合物である。金属炭化物として、Ｍ７Ｃ３、Ｍ６Ｃ及びＭＣが例示される。ここでＭは、ＣｒｘＭｏｙＶ（１－ｘ－ｙ）である。さらに金属炭化物は、一部のＣｒ、Ｍｏ又はＶが、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ又はＨｆで置換された構造を有しうる。なお、本発明では、Ｃの単層は炭化物の概念に含まれない。
［アスペクト比］
この金属組織は、アスペクト比が１．３未満である金属炭化物を含みうる。アスペクト比が１．３未満である金属炭化物の形状は、球に近い。この金属組織は、アスペクト比が１．３以上である金属炭化物を含みうる。アスペクト比が１．３以上である金属炭化物は、扁平である。
この金属組織は、アスペクト比が１．３未満である金属炭化物を含みうる。アスペクト比が１．３未満である金属炭化物の形状は、球に近い。この金属組織は、アスペクト比が１．３以上である金属炭化物を含みうる。アスペクト比が１．３以上である金属炭化物は、扁平である。
アスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓは、０．５％以上が好ましい。一般的には、アスペクト比が大きい金属炭化物は、靱性を阻害する傾向がある。本発明者が鋭意開発を進めた結果、アスペクト比が１．３以上である炭化物が適度に含まれる粉末高速度鋼では、意外にも、衝撃が加わったときの歪みエネルギーが緩和されることが判明した。換言すれば、アスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓが０．５％以上である粉末高速度鋼は、靱性に優れる。この観点から、この面積率Ｐｓは１．０％以上がより好ましく、１．５％以上が特に好ましい。過剰の金属炭化物は、靱性を阻害する。靱性の観点から、この面積率Ｐｓは５．５％以下が好ましく、５．２％以下がより好ましく、４．８％以下が特に好ましい。本発明者が鋭意開発を進めた結果、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆのうちの１種又は２種以上を含むことが、アスペクト比が１．３以上である金属炭化物を適度に析出させる手段であることが分かった。
面積率Ｐｓは、粉末高速度鋼の断面が顕微鏡で観察されることで算出される。顕微鏡の視野内に存在する、アスペクト比が１．３以上である金属炭化物の合計面積が、視野の面積で除されることで、面積率Ｐｓが算出される。
［値ＭＴ］
本発明では、下記数式により、値ＭＴが算出される。
ＭＴ ＝ ＭＡ ＋ ＭＢ
ＭＡ ＝ ６／２３・Ｐ（Ｃｒ） ＋ １／６・Ｐ（Ｍｏ） ＋ Ｐ（Ｖ）
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
Ｐ（Ｃｒ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＣｒ原子の数の百分率
Ｐ（Ｍｏ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＭｏ原子の数の百分率
Ｐ（Ｖ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＶ原子の数の百分率
Ｐ（Ｙ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＹ原子の数の百分率
Ｐ（Ｚｒ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＺｒ原子の数の百分率
Ｐ（Ｔｉ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＴｉ原子の数の百分率
Ｐ（Ｈｆ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＨｆ原子の数の百分率
Ｐ（Ｃｒ）、Ｐ（Ｍｏ）、Ｐ（Ｖ）、Ｐｄ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、エネルギー分散型Ｘ線分析法によって測定されうる。
本発明では、下記数式により、値ＭＴが算出される。
ＭＴ ＝ ＭＡ ＋ ＭＢ
ＭＡ ＝ ６／２３・Ｐ（Ｃｒ） ＋ １／６・Ｐ（Ｍｏ） ＋ Ｐ（Ｖ）
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
Ｐ（Ｃｒ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＣｒ原子の数の百分率
Ｐ（Ｍｏ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＭｏ原子の数の百分率
Ｐ（Ｖ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＶ原子の数の百分率
Ｐ（Ｙ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＹ原子の数の百分率
Ｐ（Ｚｒ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＺｒ原子の数の百分率
Ｐ（Ｔｉ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＴｉ原子の数の百分率
Ｐ（Ｈｆ）：全金属炭化物における、総原子数に対するＨｆ原子の数の百分率
Ｐ（Ｃｒ）、Ｐ（Ｍｏ）、Ｐ（Ｖ）、Ｐｄ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、エネルギー分散型Ｘ線分析法によって測定されうる。
値ＭＴは、５．０以上９．０以下が好ましい。値ＭＴがこの範囲内である粉末高速度鋼では、微細すぎる金属炭化物が少ない。この粉末高速度鋼は、耐摩耗性に優れる。この観点から、値ＭＴは５．５以上がより好ましく、６．０以上が特に好ましい。ＭＴは、８．５以下がより好ましく、８．０以下が特に好ましい。
値ＭＴは、組成及び熱処理条件の工夫によって調整されうる。例えば、所定の組成を有する母材の、所定温度及び所定時間の焼なましによって、上記範囲内の値ＭＴが達成されうる。
値ＭＢは、３．０以上５．０以下が好ましい。値ＭＢが３．０以上である粉末高速度鋼では、Ｃｒ、Ｍｏ又はＶの不動態皮膜が十分に形成されうる。この観点から、値ＭＢは３．５以上がより好ましく、３．７以上が特に好ましい。値ＭＢが５．０以下である粉末高速度鋼は、靱性に優れる。この観点から、値ＭＢは４．５以下がより好ましく、４．２以下が特に好ましい。
値ＭＢは、組成及び熱処理条件の工夫によって調整されうる。例えば、所定の組成を有する母材の、所定温度及び所定時間の焼なましによって、上記範囲内の値ＭＢが達成されうる。
［粉末冶金法］
本発明に係る高速度鋼は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この金属粉末が高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる、熱間等方加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから２００ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。
本発明に係る高速度鋼は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この金属粉末が高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる、熱間等方加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから２００ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。
この成形体に、熱間加工が施される。さらにこの成形体に熱処理が施され、粉末高速度鋼が得られる。典型的な熱処理は、「焼なまし－焼入れ－焼もどし」である。これらの熱処理により、好ましい金属炭化物が析出する。
本発明は、金型にも向けられる。本発明に係る金型の材質は、粉末高速度鋼である。この粉末高速度鋼は、
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この粉末高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散しておりそのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物とを含む。この金属組織における、そのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓは、０．５％以上５．５％以下である。
Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有する。この粉末高速度鋼はさらに、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この粉末高速度鋼は、マトリックスと、このマトリックスに分散しておりそのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物とを含む。この金属組織における、そのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓは、０．５％以上５．５％以下である。
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
［実施例１］
溶湯にアトマイズを施して、粉末を得た。この粉末を、円筒状のスチール缶に充填した。このスチール缶に真空脱気を施し、さらにこのスチール缶を密閉した。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が２００ＭＰａであり温度が９５０℃である条件で、熱間等方加圧を行って、成形体を得た。この成形体に鍛造、圧延、熱間押出及び焼なましを施して、直径が５０ｍｍである丸棒を得た。この丸棒から、摩耗試験用試験片及び衝撃試験用試験片を切り出した。これらの試験片に約１１００℃の焼入れを施し、さらに３時間の焼もどしを施して、実施例１に係る粉末高速度鋼からなる試験片を得た。粉末高速度鋼の硬度が６４ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるよう、焼もどし温度を調整した。この粉末高速度鋼の組成が、下記の表１に示されている。この粉末高速度鋼は、表１に示された元素以外に、不可避的不純物を含んでいる。
溶湯にアトマイズを施して、粉末を得た。この粉末を、円筒状のスチール缶に充填した。このスチール缶に真空脱気を施し、さらにこのスチール缶を密閉した。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が２００ＭＰａであり温度が９５０℃である条件で、熱間等方加圧を行って、成形体を得た。この成形体に鍛造、圧延、熱間押出及び焼なましを施して、直径が５０ｍｍである丸棒を得た。この丸棒から、摩耗試験用試験片及び衝撃試験用試験片を切り出した。これらの試験片に約１１００℃の焼入れを施し、さらに３時間の焼もどしを施して、実施例１に係る粉末高速度鋼からなる試験片を得た。粉末高速度鋼の硬度が６４ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるよう、焼もどし温度を調整した。この粉末高速度鋼の組成が、下記の表１に示されている。この粉末高速度鋼は、表１に示された元素以外に、不可避的不純物を含んでいる。
［実施例２－２０及び比較例１－１０］
下記の表１及び２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－２０及び比較例１－１０の粉末高速度鋼を得た。
下記の表１及び２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－２０及び比較例１－１０の粉末高速度鋼を得た。
［比較例１１－２０］
下記の表２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、丸棒を得た。この丸棒には、鍛造に起因する割れが発生していた。この丸棒からの、試験片の切り出しは行わなかった。但し、値ＭＴの測定の目的で、丸棒から顕微鏡観察用の試料を採取し、これに熱処理を施した。
下記の表２に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、丸棒を得た。この丸棒には、鍛造に起因する割れが発生していた。この丸棒からの、試験片の切り出しは行わなかった。但し、値ＭＴの測定の目的で、丸棒から顕微鏡観察用の試料を採取し、これに熱処理を施した。
［浸漬試験］
硫酸水溶液、リン酸水溶液及びフッ酸水溶液に粉末高速度鋼を浸漬し、腐食減量を測定した。条件は、以下の通りであった。
水溶液濃度：１Ｎ（水素イオン濃度が１ｍｏｌ／Ｌ）
温度：２５℃
時間：１時間
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
硫酸水溶液、リン酸水溶液及びフッ酸水溶液に粉末高速度鋼を浸漬し、腐食減量を測定した。条件は、以下の通りであった。
水溶液濃度：１Ｎ（水素イオン濃度が１ｍｏｌ／Ｌ）
温度：２５℃
時間：１時間
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［摩耗量］
縦が１０ｍｍであり、横が２５ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を、大越式摩耗試験機にセットし、比摩耗量を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
縦が１０ｍｍであり、横が２５ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を、大越式摩耗試験機にセットし、比摩耗量を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［衝撃値］
縦が１０ｍｍであり、横が１０ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を用意した。この試験片は、ノッチを有する。ノッチのサイズは「１０Ｒ、２ｍｍＣ」である。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５」の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を施し、衝撃値を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
縦が１０ｍｍであり、横が１０ｍｍであり、長さが５０ｍｍである試験片を用意した。この試験片は、ノッチを有する。ノッチのサイズは「１０Ｒ、２ｍｍＣ」である。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５」の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を施し、衝撃値を測定した。この結果が、下記の表３及び４に示されている。
［総合評価］
下記の基準に基づいて、各粉末高速度鋼を格付けした。
Ａ：浸漬試験の総合評価がＡであり、かつ、摩耗量が０．２７ｍｍ３/Ｎｍｍ以下であ る。
Ｂ：浸漬試験の総合評価がＡであり、かつ、摩耗量が０．２７ｍｍ３/Ｎｍｍより大き い。
Ｆ：浸漬試験の総合評価がＢであるか、または評価不能である。
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
下記の基準に基づいて、各粉末高速度鋼を格付けした。
Ａ：浸漬試験の総合評価がＡであり、かつ、摩耗量が０．２７ｍｍ３/Ｎｍｍ以下であ る。
Ｂ：浸漬試験の総合評価がＡであり、かつ、摩耗量が０．２７ｍｍ３/Ｎｍｍより大き い。
Ｆ：浸漬試験の総合評価がＢであるか、または評価不能である。
この結果が、下記の表３及び４に示されている。
表３及び４に示されるように、各実施例の粉末高速度鋼は、全ての評価項目において優れている。以上の評価結果から、本発明の優位性は明らかである。
本発明に係る粉末高速度鋼は、金型、射出成形機、口金、パンチ、手工具、機械工具、刃物等の、種々の用途に用いられうる。
Claims (4)
- Ｃ：１．０質量％以上１．８質量％以下
Ｓｉ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｍｎ：０．１質量％以上１．５質量％以下
Ｃｒ：７．０質量％以上１０．０質量％以下
Ｍｏ：２．０質量％以上６．０質量％以下
Ｖ：１．０質量％以上４．０質量％以下
及び
Ｃｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下
を含有し、
さらにＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を合計で０．２５質量％以上２．０質量％以下含有し、
かつ残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
マトリックスと、このマトリックスに分散しておりそのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物とを含んでおり、
金属組織における、そのアスペクト比が１．３以上である金属炭化物の面積率Ｐｓが、０．５％以上５．５％以下である、粉末高速度鋼。 - 上記金属炭化物における、下記数式で算出される値ＭＴが、５．０以上９．０以下である請求項１に記載の粉末高速度鋼。
ＭＴ ＝ ＭＡ ＋ ＭＢ
ＭＡ ＝ ６／２３・Ｐ（Ｃｒ） ＋ １／６・Ｐ（Ｍｏ） ＋ Ｐ（Ｖ）
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
（これらの数式において、Ｐ（Ｃｒ）、Ｐ（Ｍｏ）、Ｐ（Ｖ）、Ｐ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、上記金属炭化物におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。） - 上記金属炭化物における、下記数式で算出される値ＭＢが、３．０以上５．０以下である請求項１又は２に記載の粉末高速度鋼。
ＭＢ ＝ ２・Ｐｄ（Ｙ） ＋ Ｐ（Ｚｒ） ＋ Ｐ（Ｔｉ） ＋ Ｐ（Ｈｆ）
（この数式においてＰ（Ｙ）、Ｐ（Ｚｒ）、Ｐ（Ｔｉ）及びＰ（Ｈｆ）は、それぞれ、上記金属炭化物におけるＹ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＨｆの原子数比率（ａｔ％）を表す。） - 樹脂成形のための金型の素材である請求項１から３のいずれかに記載の粉末高速度鋼。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2020046533A JP7431631B2 (ja) | 2020-03-17 | 2020-03-17 | 粉末高速度鋼 |
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| JP2020046533A JP7431631B2 (ja) | 2020-03-17 | 2020-03-17 | 粉末高速度鋼 |
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