JPH05171374A - 粉末高速度工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工具の使用条件の高速化に対応可能な高い高
温焼もどし軟化抵抗を有する粉末高速度工具鋼を提供す
る。 【構成】 重量比でＣ 1.5%を越え2.7%以下、Ｓi≦1.0
%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭoをＷ
＋2Ｍoで 14〜30%、Ｖ 5.0%を越え10.0%以下、Ｎb2.5〜
7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.5、好ましくはＣo≦15.0%含有
し、残部がＦeおよび不可避的不純物よりなり、Ｃ−Ｃe
qが−0.30〜0.05(ただしCeq=0.24＋0.033・Ｗ＋0.063・Ｍ
o＋0.2Ｖ＋0.1・Ｎb)の関係を満たす粉末高速度工具鋼で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削工具や圧造工具に
用いられ、特に高温における硬さと耐摩耗性が要求され
る高速使用条件下において、顕著に優れた耐摩耗性と同
時に高い靭性を有する粉末高速度工具鋼に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】切削工具、圧造工具に用いられる高速度
工具鋼は、高硬度で耐摩耗性が優れること、および靭性
に優れること、の２つの要求を満足することが望まれて
いる。溶製高速度工具鋼の靭性を向上させる方法として
は、Ｎb等の元素を微量添加し、結晶粒を微細化させて
靭性を向上する方法(例えば特開昭58-73753号、同58-11
7863号等)、Ｎbと希土類元素を複合添加することによ
り、Ｎbを主体としたＭＣ型炭化物を均一微細化する方
法(特公昭61-896号)等種々提案されている。

【０００３】一方、耐摩耗性を向上させる方法として
は、炭化物を均一微細に分布させ、かつ結晶粒の微細化
が可能な粉末高速度工具鋼において、炭化物量を増大さ
せる方法が最も一般的である。例えば、特公昭57-2142
号、特開昭55-148747号は、主にＷ当量を高めることに
より、Ｗ，Ｍoを主体とするＭ₆Ｃ型炭化物量を増加さ
せ、高硬度化により耐摩耗性の向上を図ったものであ
る。また、粉末高速度工具鋼において、結晶粒の微細化
と、さらには、焼入温度を高めても結晶粒を粗大化させ
ないことを目的として、Ｎbを含有せしめることが検討
されている｛Metall.Trans.19A(1988) P1395〜1401,特
開平1-212736号｝。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開昭58
-73753号、同58-117863号の溶製高速度工具鋼では、Ｎb
を過度に添加すると、Ｎbを主体としたＮbＣの粗大な炭
化物を晶出し、Ｗ，Ｍoを主体とするＭ₆Ｃ型炭化物も、
凝固時に粗大な炭化物を晶出させるために、結晶粒微細
化による靭性向上効果が減殺され、かえって靭性が低下
するといった問題点があった。また、上記の粉末高速度
工具鋼で、耐摩耗性を向上させる目的で、炭化物量の富
化や工具の高硬度化が行なわれてきたが、靭性が低下し
てしまい、工具の折損や欠けが問題となっていた。

【０００５】また、前記特開昭55-148747号に、Ｎbを添
加した粉末高速度鋼が提案されているが、この例ではＮ
bをＶの代替として添加し、硬質の炭化物を形成するこ
とを主眼においたものである。さらに、Metall.Trans.1
9A(1988) P1395〜P1401、特開平1-212736号に開示され
る高速度工具鋼は、Ｎbを添加することにより、結晶粒
を粗大化せずに焼入温度を高めることを可能としている
が、本発明者の考えによると合金元素量、特にＷ当量が
低いために、苛酷な工具使用条件下では高温焼もどし軟
化抵抗が不十分で、また炭化物量も少ないため、耐摩耗
性も不十分である。

【０００６】したがって、以上説明した従来の高速度工
具鋼は、高速化が要求されている近時の工具使用条件に
対応することが困難であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】近年、工具の使用条件が
高速化されるにつれ、工具の高硬度化が重要な要因とな
っている。特に工具使用中に、工具が高温になるため、
焼もどし軟化抵抗特性が最も重要であることを知見し
た。

【０００８】本発明は、この知見を考慮してなされたも
ので、下記の２点を基本的な技術思想とするものであ
る。焼もどし軟化抵抗を最大限に高めるために、化学
成分上、特に、Ｗ＋２Ｍo、およびＣ−Ｃeqを特定範囲
内に規制することが有効であることを見出した。すなわ
ち、Ｗ＋２Ｍo量を増すことにより、硬い炭化物を分散
させ、マトリックス中に固溶する合金元素量を増すこと
が有効である。Ｃ量は他の炭化物形成元素量との兼ね合
いで決める必要があり、Ｃ−Ｃeqで調整される。高い焼
もどし軟化抵抗を得るためには、Ｃ−Ｃeqを規制し、マ
トリックス中に固溶するＣ量を確保することが必要であ
る。

【０００９】多くの合金元素をマトリックス中へ固溶
せしめんとして焼入温度を高くすると、結晶粒が粗大化
するが、これをＮｂを含有せしめ、かつそのＮｂ／Ｖ比
を規制することにより、結晶粒の粗大化を防止し、微細
結晶粒を確保し、靭性の低下を防止する。ＮｂはＶと同
様ＭＣ炭化物を形成するが、結晶粒の粗大化を防止する
のに有効な1μm以下の微細ＮbＣを形成するためには、
原子比でＶよりも多いＮbを含有しなければならない。
重量比ではＮb/Ｖが0.5以上必要である。

【００１０】そして、これらは以下に示すような成分バ
ランスをさらに満たして、はじめて上記の特性を満足で
きることを見い出した。すなわち本発明は、重量比でＣ
1.5%を越え2.7%以下、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0
〜6.0%、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜30%か
つ、Ｗ/2Ｍo≧１、Ｖ 5.0%を越え10.0%以下、Ｎb 2.5〜
7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.5、残部がＦeおよび不可避的不純
物よりなり、Ｃ−Ｃeqが−0.30〜0.05(Ceq=0.24＋0.033
・Ｗ＋0.063・Ｍo＋0.2Ｖ＋0.1・Ｎb)の関係を満たすこと
を特徴とする粉末高速度工具鋼である。

【００１１】また、本発明は重量比でＣ 1.5%を越え2.7
%以下、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr3.0〜6.0%、Ｗまた
はさらにＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜30%かつ、Ｗ/2Ｍo≧１、
Ｖ 5.0%を越え10.0%以下、Ｎb 2.5〜7.0%、但しＮb/Ｖ
≧0.5、Ｃo 15.0%以下、残部がＦeおよび不可避的不純
物よりなり、Ｃ−Ｃeqが−0.30〜0.05(Ceq=0.24＋0.033
・Ｗ＋0.063・Ｍo＋0.2Ｖ＋0.1・Ｎb)の関係を満たすこと
を特徴とする粉末高速度工具鋼である。

【００１２】

【作用】以下に成分の限定理由を説明する。Ｃは同時に
添加されるＣr,Ｗ，Ｍo,Ｖ,Ｎbと硬い炭化物を形成して
耐摩耗性向上に寄与する。さらに、焼入時にマトリック
ス中に固溶して焼もどし２次硬化を向上する作用もあ
る。しかし、多すぎるとマトリックス中に固溶する炭素
量が著しく増え靭性を低下させる。したがって、Ｃ量は
Ｃr,Ｗ，Ｍo,Ｖ,Ｎb含有量との兼ね合いで決める必要が
あり、本発明では1.5〜2.6%の範囲とＣ-Ｃeqの値が−0.
30〜0.05の関係を満足するようＣ量を調整する。この関
係を満足させることにより、高い高温焼もどし軟化抵抗
を得るための１条件が達成される。

【００１３】Ｓi,Ｍnは脱酸剤として添加するが、多量
に添加すると靭性を害する等の問題があるので、Ｓi 1.
0%以下、Ｍn 0.6%以下に限定する。Ｃrは焼入性を高
め、また焼もどし２次硬化性を高める目的で3〜6%添加
する。3%より少ないと上記効果が少なく、逆に6%より多
いとＣrを主体とするＭ₂₃Ｃ₆型の炭化物が極端に増えて
全体の靭性を害し、さらに焼もどし時に炭化物の凝集を
速め軟化抵抗を減ずる。

【００１４】本発明の目的である顕著な耐摩耗性を付与
するためには、硬い炭化物を多量に分散させ、しかもマ
トリックス硬度を高める必要がある。本発明で、Ｗ，Ｍ
o量は、上記の目的で重要な元素である。Ｗまたはさら
にＭｏをＷ＋２Ｍoで14〜30%とする。14%より少ないと
上記効果が少ない。しかし、Ｗ＋2Ｍoが30%を越える
と、連結した炭化物が急増し、マトリックス中に固溶す
る合金元素も極端に多くなって靭性の低下が著しくなる
ので、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで14〜30%とする。

【００１５】Ｖは耐摩耗性を高めるのに有効な元素であ
り、本発明において最も重要な元素の一つである。Ｖは
Ｃと結合して硬質のＶＣ炭化物を形成する。このＶＣ炭
化物は被加工材が硬質材の場合に特に効果的で、耐摩耗
性を著しく改善する効果がある。特にアブレッシブ摩耗
に対する耐摩耗性は、Ｖが5%を越える添加により優れた
ものとなる。しかし、10%を越えると製造上、粗大なＭ
Ｃ型炭化物の晶出が避けがたく、靭性や工具の被研削性
を害するので、10%以下とした。Ｎbも、本発明において
最も重要な元素の一つである。Ｎbを特定の成分範囲に
限定すると、耐摩耗性に有効な1〜5μmのＮbを主体とし
た硬質の炭化物と、1μm以下の微細な炭化物が晶出す
る。

【００１６】本発明者は、この微細なＮbＣが結晶粒成
長を抑制し、焼入温度を高めても結晶粒の粗大化を効果
的に抑制する成分範囲を見出した。この微細なＮbＣは
Ｎb量、Ｎb/Ｖ比と密接に関係しておりＮb量及びＮb/Ｖ
比が低いと、微細なＮbＣがほとんど晶出しないため、
Ｎb≧2.5%およびＮb/Ｖ≧0.5となるようＮb量を調整し
た。しかし、Ｎbが7%を越えると、極めて粗大なＮbＣを
晶出し、靭性や被研削性を害するので、7%以下とした。

【００１７】Ｃoは本発明鋼の焼きもどし軟化抵抗の向
上するために極めて有効な元素である。マトリックス中
に固溶し、炭化物の析出および凝集を遅らせ、高温にお
ける硬さと強度を著しく向上させる効果があり、切削工
具、エンドミル等の工具とワークの接触部が特に高温に
なる用途にとって極めて重要な添加元素である。しか
し、Ｃoが15.0%を越えると固溶によるＣo単独相の晶出
が生ずることにより靭性が低下するので15.0%以下とし
た。

【００１８】

【実施例】表１に-120メッシュのガスアトマイズ粉末を
ＨＩＰ(熱間静水圧プレス処理)する方法により作製した
８種類の実験材の化学組成を示す。それぞれの材料は、
ＨＩＰを行ない、鍛伸により約16mm角とした後、該鍛伸
材を860℃で焼なまし、結晶粒が粗にならない温度範囲
で可能な限り高い温度で15分間のオーステナイト化を行
なった後、550℃の熱浴焼入を行なった。なお、焼もど
し温度は560℃で行なった。なお、表１に示すΔＣはＣ
−Ｃeqの値である。

【００１９】焼もどし後の硬さ、インターセプト法によ
る結晶粒度(焼入後)、650℃で1時間加熱保持後、空冷し
た際の硬さ(焼もどし軟化抵抗と称する)を測定した。こ
の材料の靭性を評価するために、上記鍛伸材より5φ×7
0Lの試験片を採取し、上記した焼入れ、焼もどしの熱処
理を施した後、スパン50Lで曲げ試験を行なった。ま
た、ＳiＣ研磨紙を用いたアブレッシブ摩耗試験を行な
った。5φ丸棒を10kgの荷重で#500のＳiＣ紙に端面を押
し付けながら、980rpmで回転させ、60mm/minの送り速度
で1000mm走らせた後の摩耗減量を測定した。これらの結
果を表２に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】表１に示す合金のうち、試料Ｎo.1〜Ｎo.5
は、Ｎb含有量を変化させたものである。Ｎo.1およびＮ
o.2は、本発明鋼よりもＮb量の少ない比較鋼であり、焼
入温度が1200℃を越えて高くなると結晶粒が急激に粗大
化し、抗折力が低下したため、焼入温度を1200℃に設定
した。しかし、表２に示すように1200℃の焼入温度で
は、マトリックス中への合金元素の固溶量が不十分で、
十分な焼もどし軟化抵抗が得られなかった。

【００２３】一方、Ｎb量が2.5%以上、Ｎb/Ｖが0.5以上
の本発明鋼である試料Ｎo.3およびＮo.4は、Ｎbの結晶
粒微細化の効果により、焼入温度 1250℃でも結晶粒の
粗大化が起こらず、1250℃の焼入温度が適用でき、この
焼入により比較鋼である試料Ｎo.1および試料Ｎo.2に比
べて高い硬さ、高い焼もどし軟化抵抗および少ない摩耗
減量となった。また、Ｎb量が7%を越える比較鋼である
試料Ｎo.5は、5μm以上のＮbＣの巨大炭化物が多く発生
し、抗折強度が著しく低下した。

【００２４】また、表１に示す合金のうち試料Ｎo.6〜
Ｎo.8は、Ｖ量を変化させたものである。本発明鋼であ
る試料Ｎo.7に比べて、Ｖ量が5%以下の試料Ｎo.6は、Ｍ
Ｃ型炭化物が少ないために摩耗減量が多くなった。ま
た、Ｖ量が10%を越える試料Ｎo.8は、ＭＣ型炭化物が過
剰となり、靭性が著しく低下した。

【００２５】（実施例２）実施例１と同様に表３に示す
Ｗ＋Ｍo量を変化させた化学組成の試料を得た。ここで
Ｃ−ＣeqはΔＣとして示す。これらの試料に対して実施
例１と同様に焼もどし後の硬さ、結晶粒度、焼もどし軟
化抵抗、摩耗減量および抗折力を測定した。結果を表４
に示す。表４より、Ｗ＋2Ｍoの値が大きくなると、マト
リックス中に固溶し得る合金元素量が増え、焼もどし軟
化抵抗が向上することがわかる。表４において、Ｗ＋2
Ｍoの値が14%未満の比較鋼である試料Ｎo.9は硬さ、焼
もどし軟化抵抗ともに本発明鋼より低いものであった。
一方、Ｗ＋2Ｍoの値が30%を越える比較鋼である試料Ｎ
o.12は、硬さおよび焼もどし軟化抵抗は高い値となる
が、抗折力が著しく低下し、好ましくないものであっ
た。

【００２６】（実施例３）Ｃ−Ｃeqの値が硬さ、焼もど
し軟化抵抗および抗折力に及ぼす影響を確認するため
に、実施例１と同様にして表５に示すＣ量を変化させた
化学組成の試料を得た。ここで、Ｃ−ＣeqはΔＣとして
示す。これら試料に対して実施例１と同様に焼もどし後
の硬さ、結晶粒度、焼もどし軟化抵抗、摩耗減量、およ
び抗折力を測定した。結果を表６に示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】表６より、ΔＣの値が-0.30未満である試
料Ｎo.13およびΔＣの値が0.05を越える試料Ｎo.16は、
本発明鋼である試料Ｎo.14およびＮo.15に比べて硬さ、
焼もどし軟化抵抗および抗折力のいずかが劣り好ましく
ないことが確認された。

【００３０】

【表５】

【００３１】

【表６】

【００３２】(実施例４）実施例１と同様にして表７に
示す試料を得た。また、表７に示す試料に対して実施例
１と同様に焼もどし後の硬さ、結晶粒度、焼もどし軟化
抵抗、摩耗減量および抗折力を測定した。結果を表８に
示す。試料Ｎo.17は、Ｃr量が3%未満の比較鋼であり、
硬さがHRC67以下と低いものであり、また焼もどし軟化
抵抗もHRC59以下の低いもので好ましくないものであっ
た。また、試料Ｎo.18は、Ｃr量が6%を越える比較鋼で
あり、焼もどし軟化抵抗がHRC59以下と低く好ましくな
いものであった。

【００３３】試料Ｎo.19〜Ｎo.22は本発明鋼であり、HR
C68以上の硬さ、HRC59以上の焼もどし軟化抵抗を有して
いた。また、本発明鋼のうち試料Ｎo.20〜Ｎo.22はＣo
を含む鋼であり、Ｃo量が増加するにしたがって、焼も
どし軟化抵抗が高くなり、Ｃoの添加によりＣoのないも
のに比べ焼もどし軟化抵抗が改善されたことがわかる。
なおＣoを添加する場合は、残留オーステナイトが存在
するのを防ぐため、焼もどしは３回行なった。一方、Ｃ
o量が15%を越える比較鋼である試料Ｎo.23では焼もどし
軟化抵抗は高い値を示すものの、抗折力が著しく低下し
好ましくないものであった。

【００３４】

【表７】

【００３５】

【表８】

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、従来不十分であった高
温での軟化抵抗特性を大幅に向上できるので高温での耐
摩耗性を顕著に改善し、かつＭＣ炭化物を増量すること
により、より一層耐摩耗性を向上することができた。ま
た結晶粒が微細なままで、靭性も従来と同等以上に高い
ため、工具の高速使用条件下で、大幅な寿命向上が達成
できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣ 1.5%を越え2.7%以下、Ｓi≦
   1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭo
   をＷ＋2Ｍoで 14〜30%、Ｖ 5.0%を越え10.0%以下、Ｎb
   2.5〜7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.5、残部がＦeおよび不可避
   的不純物よりなり、Ｃ−Ｃeqが−0.30〜0.05(ただしCeq
   =0.24＋0.033・Ｗ＋0.063・Ｍo＋0.2Ｖ＋0.1・Ｎb)の関係
   を満たすことを特徴とする粉末高速度工具鋼。
2. 【請求項２】 重量比でＣ 1.5%を越え2.7%以下、Ｓi≦
   1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭo
   をＷ＋2Ｍoで 14〜30%、Ｖ 5.0%を越え10.0%以下、Ｎb
   2.5〜7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.5、Ｃo ≦15.0%、残部がＦe
   および不可避的不純物よりなり、Ｃ−Ｃeqが−0.30〜0.
   05(ただしCeq=0.24＋0.033・Ｗ＋0.063・Ｍo＋0.2Ｖ＋0.1
   ・Ｎb)の関係を満たすことを特徴とする粉末高速度工具
   鋼。