JPH04325641A - 高ヤング率材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高硬度でかつ高靭性を
有し、耐摩耗性に優れていると共に高精度の加工が可能
であってとくに使用条件が厳しい冷間加工に適する加工
用工具や、高剛性が要求される機械構造用部材などの素
材として好適に利用される高ヤング率材料に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、ファインブランキング用パンチや
ダイなどの高精度が要求される冷間加工用工具には、ヤ
ング率の高い超硬が使用されていた。

【０００３】一方、溶製材よりなる冷間加工用工具には
、高合金高速度工具鋼が使用されていた。

【０００４】さらに、前記工具のほか、高剛性が要求さ
れる機械構造用部材には、機械構造用鋼材を用いて焼入
れ焼もどしの熱処理を施したり、浸炭，浸炭窒化，窒化
などの表面改質処理を施したりしたものを使用していた
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷間加
工用工具に超硬を使用した場合には、鉄系の工具材料に
比べて靭性が劣り、また、工具への加工時に切削加工が
できないと共に、研削加工も困難であるという問題点が
あった。

【０００６】また、高合金高速度工具鋼は、ヤング率が
高い場合でも２５０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以下であり、
これをさらに高合金化した場合には巨大炭化物が晶出し
て靭性を低下すると共に、熱間加工性ならびに工具への
加工時の切削および研削性なども低下するという問題点
があった。

【０００７】さらに、機械構造用鋼では、ヤング率が高
くても２１０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以下であって、部材
の剛性をとくに必要とする場合にはヤング率が不足し、
これを補うために部材の厚さ等を増大させていることか
ら、部材の軽量化を果たせないでいるという問題点があ
った。

【０００８】したがって、これらの問題点を低減ないし
は解消することができる高ヤング率材料の開発が望まれ
ているという課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、上記した従来の課題にかんが
みてなされたもので、一般の鉄鋼系材料に比べてヤング
率が高く、超硬系材料に比べて靭性に優れており、工具
への加工に際して切削および研削加工を用いることが可
能であり、さらには機械構造用鋼よりもヤング率が大で
あって同程度の剛性とするときには部材の厚さ等を減少
してより一層の軽量化をはかることが可能である高ヤン
グ率材料を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる高ヤング
率材料は、炭素鋼ないしは合金鋼中にヤング率が２４０
００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子を５〜７０体積％
含有している構成としたことを特徴としており、上記高
ヤング率材料に係わる発明の構成を前述した従来の課題
を解決するための手段としている。

【００１１】本発明に係わる高ヤング率材料の実施態様
においては、炭素鋼ないしは合金鋼が溶製材よりなるも
のとし、鋳造や溶湯鍛造等により成形した炭素鋼ないし
は合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以
上の硬質粒子を５〜７０体積％含有している高ヤング率
，高靭性でかつ切削および研削加工が可能である部分を
少なくとも一部分に有している構成のものとすることが
できる。

【００１２】本発明に係わる高ヤング率材料の他の実施
態様においては、炭素鋼ないしは合金鋼が粉末材よりな
るものとし、粉末よりなる炭素鋼ないしは合金鋼とヤン
グ率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子とを
粉末冶金的な手法により成形したのち焼結することによ
って、粉末材よりなる炭素鋼ないしは合金鋼中にヤング
率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子を５〜
７０体積％含有している高ヤング率，高靭性でかつ切削
および研削加工が可能である部分を少なくとも一部分に
有している構成のものとすることができる。

【００１３】本発明に係わる高ヤング率材料のさらに他
の実施態様においては、炭素鋼ないしは合金鋼中にヤン
グ率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子を含
んでいる粉末を用いてなるものとし、前記炭素鋼ないし
は合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以
上の硬質粒子を含んでいる粉末のみを用いて粉末冶金的
な手法により成形し、あるいは前記粉末を炭素鋼ないし
は合金鋼の溶湯中に分散させたのち鋳造もしくは溶湯鍛
造的な手法により凝固させ、あるいは前記粉末を炭素鋼
ないしは合金鋼の粉末と混合して粉末冶金的な手法によ
り成形したのち焼結することによって、炭素鋼ないしは
合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上
の硬質粒子を５〜７０体積％含有している構成のものと
することができる。

【００１４】そして、本発明のより好ましい実施態様に
おいては、ヤング率／密度で表わされる比弾性が２８×
１０８　ｍｍ以上である構成として、加工工具やとくに
機械構造用部材のより一層の軽量化を実現することがで
きるようになすこともよい。

【００１５】本発明に係わる高ヤング率材料において、
炭素鋼ないしは合金鋼として、機械構造用炭素鋼（例え
ば、ＪＩＳ　　Ｓ−Ｃ材，Ｓ−ＣＫ材その他），ニッケ
ルクロム鋼（例えば、ＪＩＳ　　ＳＮＣ材その他），ニ
ッケルクロムモリブデン鋼（例えば、ＪＩＳ　　ＳＮＣ
Ｍ材その他），クロム鋼（例えば、ＪＩＳ　　ＳＣｒ材
その他），クロムモリブデン鋼（例えば、ＪＩＳ　　Ｓ
ＣＭ材その他），マンガン鋼（例えば、ＪＩＳ　　ＳＭ
ｎ材その他），マンガンクロム鋼（例えば、ＪＩＳ　　
ＳＭｎＣ材その他），炭素鋼工具鋼（例えば、ＪＩＳ　
　ＳＫ材その他），高速度鋼工具鋼（例えば、ＪＩＳ　
　ＳＫＨ材その他），合金工具鋼（例えば、ＪＩＳ　　
ＳＫＳ，ＳＫＤ，ＳＫＴ材その他），高炭素クロム軸受
鋼（例えば、ＪＩＳＳＵＪその他）などを用いることが
可能であり、ＪＩＳで制定する化学成分に他の合金成分
を適宜添加したり成分組成を適宜変更したりしたものを
使用することが可能である。

【００１６】そして、本発明に係わる高ヤング率材料で
は、上記したような熱処理可能な炭素鋼ないしは合金鋼
を使用することとしているので、熱処理によって強度，
靱性，硬さなどを適宜変えたものとすることが可能であ
る。この場合、例えば、高ヤング率材料に対して切削加
工を行う必要があるときには、焼なましを施すことによ
って基地を軟化させるようになすことができ、強度およ
び靱性を高める必要があるときには、焼入れ焼戻しを施
すことによって基地を強化させるようになすことができ
る。

【００１７】また、前記炭素鋼ないしは合金鋼中に含ま
れるヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の硬質粒
子としては、周期律表第４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）の
炭化物、窒化物，同第５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）の炭化
物，窒化物，同第６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）の炭化物，
窒化物などが用いられ、そのほか、ほう化物，ケイ化物
，硫化物，酸化物などが用いられ、これらの１種または
２種以上を適宜選択して採用することができる。

【００１８】そして、これらの硬質粒子は、炭素鋼ない
しは合金鋼の溶製材中に分散したものとすることができ
、また、前記炭素鋼ないしは合金鋼の粉末と共に成形さ
れたものとすることができ、あるいは前記硬質粒子が分
散した炭素鋼ないしは合金鋼の溶製材ないしは粉末材を
用いてこの粉末材を粉末冶金的な手法により成形したの
ち焼結したり、炭素鋼ないしは合金鋼の溶湯に鋳造ない
しは溶湯鍛造的な手法により分散させたり、炭素鋼ない
しは合金鋼の粉末と混合して粉末冶金的な手法により成
形したりして、炭素鋼ないしは合金鋼中にヤング率が２
４０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の硬質粒子を５〜７０体積
％含有している高ヤング率材料とする。

【００１９】この場合、硬質粒子のヤング率が低いもの
であると、ヤング率が２２０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上、
より望ましくはヤング率が２３０００ｋｇｆ／ｍｍ２以
上の高ヤング率材料とすることができないことがあるの
で、硬質粒子のヤング率は２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２以
上であるものを使用することとした。

【００２０】また、硬質粒子の含有量が少なすぎると、
低くとも２２０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上、より望ましく
は２３０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高ヤング率を得るこ
とができなくなり、例えば、冷間加工用工具による高精
度の加工ができなくなったり、構造用部材の軽量化をは
たすことができなくなったりするので、硬質粒子の含有
量は５体積％以上とした。

【００２１】他方、硬質粒子の含有量が多すぎると、炭
素鋼や合金鋼に対する熱処理効果を得ることができなく
なり、材料を焼なましすることによって硬さを低下させ
ることにより、切削加工や研削加工を可能としたり、材
料を焼入れ焼きもどしすることによって強度および靱性
を向上させたりすることができがたくなるので、硬質粒
子の含有量は７０体積％以下とした。

【００２２】このように、硬質粒子のマトリックスとし
て、熱処理可能な炭素鋼や合金鋼を採用することによっ
て、従来の超硬材料におけるバインダー部の欠点を補う
ことが可能となる。

【００２３】

【発明の作用】本発明に係わる高ヤング率材料は、炭素
鋼ないしは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍ
ｍ２以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有する構成とな
っているので、従来の鉄鋼系材料よりもヤング率が高い
ものとなり、例えば、冷間加工の際の加工精度が高いも
のになると共に、熱処理を施すことによって硬さや強度
および靱性を変えることができるものとなるので、例え
ば、切削加工時には焼なましの熱処理を施すことによっ
て硬さを低下させることにより切削加工が行えるように
なり、工具として使用するときには焼入れ焼もどしの熱
処理を施すことによって使用条件が厳しい冷間加工の際
の耐摩耗性や靱性などが向上したものになったり、構造
用部材における剛性の向上により部材の軽量化がはから
れるようになったりする。

【００２４】

【実施例】この実施例では、表１のＡ〜Ｇに示す化学成
分の合金鋼を用いて、表２のＮｏ．１〜７に示す本発明
例および比較例の材料を作製して各々の特性を評価する
と共に、比較材として表２のＮｏ．８〜１０の超硬材料
の特性を評価した。

【００２５】これらのうち、表２のＮｏ．１の材料は、
従来の機械構造用鋼材である鋼種Ａのクロム鋼の溶製材
よりなるものであり、硬質粒子を含まないものである。

【００２６】また、Ｎｏ．２，３の材料はＴｉＮ，Ｔｉ
Ｃ，ＷＣ，ＴａＣ，Ｍｏ２Ｃより選んだ２種以上の硬質
粒子を表２に示す体積割合で、表１の鋼種Ｂ，Ｃの成分
よりなる溶融金属中に分散させて鋳造により成形してな
るものである。

【００２７】さらに、Ｎｏ．４，５の材料は、前記硬質
粒子を表２に示す体積割合で表１の鋼種Ｄ，Ｅよりなる
高速度工具鋼粉末と少量の焼結剤とを混合し、次いで成
形したのち焼結することによって成形してなるものであ
る。

【００２８】さらにまた、Ｎｏ．６，７の材料は、前記
硬質粒子を表２に示す体積割合で表１のＦ，Ｇよりなる
高速度工具鋼粉末と混合し、缶に充填したのち熱間等方
圧圧縮（ＨＩＰ）を行い、次いで鍛造を行って成形した
ものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】上記Ｎｏ．１〜１０の材料の密度，ヤング
率，比弾性は同じく表２に示す通りであり、硬質粒子の
含有がないか、含有量が少ないＮｏ．１，２ではヤング
率が低いものであり、硬質粒子の含有量を５体積％以上
としたＮｏ．３〜７ではヤング率が２２，０００ｋｇｆ
／ｍｍ２以上となっていた。

【００３３】また、本発明材料であるＮｏ．３〜７では
熱処理後の硬さが大であり、工具として使用した場合の
耐摩耗性に優れたものであると共に、表３に示すように
抗折力も良好な値を示すものとなっていて靱性にも優れ
たものであった。

【００３４】さらにまた、表３に示すように、比較材料
であるＮｏ１，２および本発明材料であるＮｏ．３〜７
では、焼なましによって硬さを大幅に低下させることが
可能であるため、切削加工によって加工用工具などへの
加工が可能であるのに対して、Ｎｏ．８〜１０の超硬材
料では焼なましを施しても硬さの低下はほとんどなく、
切削加工ができないか困難なものであった。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係わる高ヤング率材料は、炭素
鋼ないしは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇｆ／ｍ
ｍ２以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有している構成
となっているので、一般の鉄鋼系材料に比べてヤング率
が高く、超硬系材料に比べて靱性に優れており、工具へ
の加工に際してマトリックスを軟化させることにより切
削および研削加工を施すことが可能であり、さらには機
械構造用鋼よりもヤング率が大であって同程度の剛性と
する時には部材の厚さ等を減少してより一層の軽量化を
実現することが可能であるなどの著しく優れた効果がも
たらされる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭素鋼ないしは合金鋼中にヤング率が
   ２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子を５〜７０
   体積％含有していることを特徴とする高ヤング率材料。
2. 【請求項２】　　炭素鋼ないしは合金鋼が溶製材よりな
   る請求項１に記載の高ヤング率材料。
3. 【請求項３】　　炭素鋼ないしは合金鋼が粉末材よりな
   る請求項１に記載の高ヤング率材料。
4. 【請求項４】　　炭素鋼ないしは合金鋼中にヤング率が
   ２４０００ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の硬質粒子を含有して
   いる粉末を用いてなる請求項１に記載の高ヤング率材料
   。
5. 【請求項５】　　ヤング率／密度で表わされる比弾性が
   ２８×１０８　ｍｍ以上である請求項１，２，３または
   ４のいずれかに記載の高ヤング率材料。