JPH06299298A - 高速度工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細で均一に分布した炭化物組織を持つ高速
度工具鋼を提供する。 【構成】 重量比でＣ０．５％〜１．５％、Ｃｒ３％〜
７％、Ｗ＋２Ｍｏ５〜２５％（ただしＷ１２％以下また
は無添加、Ｍｏ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５％、残部は
Ｆｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、更にＹを含
む希土類元素の１種または２種以上とＰとの化合物を含
有することを特徴とする高速度工具鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバイト、エンドミル、タ
ップに代表される切削工具や、金型他の工具の材料とし
て使用される高速度工具鋼であり、硬質の炭化物の絶対
量が増加し、同時に個々の炭化物のサイズが細かく、分
布が均一である工具に使われる高速度鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】加工技術の高度化、加工工数の合理化に
伴って、高硬度等の難削材の切削、高仕上げ精度化のた
め、これらに用いられる工具の寿命向上の要求が工具材
料に対して高まってきている。これに対してＶ量を増加
し硬質の炭化物を富化して、強度、耐熱性、耐焼付性を
向上させたＳＫＨ５２やＳＫＨ５３で代表される２．５
％Ｖ系や３％Ｖ系高速度工具鋼が開発され、過酷な使用
条件に用いられる工具用の材料として用いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのＶの
含有量の高い高速度工具鋼は鋳造凝固時に必然的に生じ
るＶを主体とした粗大なＭＣ型の炭化物がその後の製造
過程においても解消されず、例えば切削工具では、工具
自身の仕上げ研削時に研削仕上げ精度が悪い、研削能率
が悪い等の悪影響を及ぼすだけでなく、この粗大炭化物
が偏析した部分から切削工具の刃先のチッピングや割れ
が発生し、工具寿命を縮めたり、寿命のばらつきの原因
となっていた。また、高Ｖ材の替わりに、Ｗ、Ｍｏの含
有量を高めて Ｍ₆Ｃ型の炭化物量を増やすことにより、
工具寿命を向上させようとの試みもなされているが上記
と同様に炭化物の偏析部より割れ、チッピング等が発生
する問題があった。本発明の目的は、微細で均一に分布
した炭化物組織を持つ高速度工具鋼を提供することであ
り、これによって工具として高い性能を示しつつ、チッ
ピングや欠けの起こりにくい被切削性にも優れた安定し
た寿命を持つ工具材料を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量比でＣ
０．５％〜１．５％、Ｃｒ ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ５
〜２５％（ただしＷ １２％以下または無添加、Ｍｏ ２
〜１２％）、Ｖ ０．６〜５％、Ｃｏ １〜２０％を含
み、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
更にＹを含む希土類元素の１種または２種以上とＰとの
化合物を含有すること、または重量比で（Ｌａ＋Ｃｅ＋
Ｐｒ＋Ｎｄ）≧２Ｐであること、更に希土類元素とＰの
化合物中の希土類元素の構成元素中でＰｒが主体である
か、あるいはＰｒを含むこと，あるいはＯ≦１００ｐｐ
ｍ、Ｓ≦９０ｐｐｍ、Ｎ≦１３０ｐｐｍにすることを特
徴とする速度工具鋼である。更に前記のＹを含む希土類
元素の１種または２種以上とＰとの化合物を生成するこ
とでＭＣ炭化物（ここでＭは４０％≦Ｖ≦７０％で、か
つＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｒの１種
または２種以上から構成されている）を微細化すること
を特徴とする高速度工具鋼の製造方法である。

【０００５】

【作用】以下本発明の成分限定理由について説明する。
Ｃは、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどの炭化物生成元素と結合
して炭化物を形成し、焼入れ、焼戻し硬さを与え、耐摩
耗性、耐熱性、耐焼付け性に寄与する。多すぎると靱性
が低下し、また巨大な炭化物を生じさせるので、Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｖ量とバランスさせて含有させ、０．５〜
１．５％に限定する。

【０００６】Ｃｒは焼入性、耐摩耗性、耐酸化性を向上
させるが３％未満ではこの効果が少なく、多すぎるとい
たって高温強度、焼戻し軟化抵抗を低下させ、また靱性
も下げるので３〜７％とする。

【０００７】ＷおよびＭｏはＣと結合して、特殊炭化物
を形成し、耐摩耗性、耐焼き付け性向上に寄与する。ま
た焼戻しによる２次硬化作用が大きく、高温強度に寄与
する。以上の効果を得るために、Ｗ １２％以下、Ｍｏ
２〜１２％の範囲でＷ＋２Ｍｏ量が５〜２５％を満たす
ように添加する。Ｍｏ２％未満、Ｗ＋２Ｍｏ量が５％未
満では上記が得られず、多すぎると靱性、熱間加工性を
損なうのでＷ １２％以下、Ｍｏ １２％以下、Ｗ＋２Ｍ
ｏ量 ２５％以下とする。

【０００８】ＶはＣと結合して硬質の炭化物を形成し、
耐摩耗性に寄与する。ただし、この炭化物は、砥粒より
硬いため、研削砥石を早期に摩減させる。特に、粗大な
炭化物が多数生じ、分布が一様でないと、被研削性は著
しく低下する。このため従来被研削性を重視する場合、
１．２％以下にとどめていた。

【０００９】ＯとＳは本発明において不純物であり、本
発明で添加されるＹを含む希土類元素と結合し易く、Ｏ
≦１００ｐｐｍ、Ｓ≦９０ｐｐｍの範囲に濃度を制御し
ないと添加したＹを含む希土類元素とＰの化合物が生成
される割合が減少する。

【００１０】Ｎは本発明において不純物であり、Ｎ≦１
３０ｐｐｍの範囲を越えるとＶＣを主体とした粗大なＭ
Ｃ型の炭化物を微細化する効果が減少する傾向にある。

【００１１】次にＹを含む希土類元素の１種または２種
以上とのＰの化合物を含有する理由について説明する。
図１に希土類元素を添加していない高速度工具鋼のＥＰ
ＭＡ（電子プロ−ブマイクロアナライザ−）のＶとＰの
線分析チャートを示す。この図のＶのＸ線強度はＭＣ炭
化物の大きさとＰのＸ線強度はＰ化合物の大きさと相関
がある。またこの図のＶとＰのＸ線のピークの数はそれ
ぞれＭＣ炭化物、Ｐ化合物の数と相関がある。ＥＰＭＡ
のＰのＸ線強度が弱いと、Ｐ化合物が小さいことを示
し、強いとＰ化合物が大きいことを示す。同様にＥＰＭ
ＡのＶのＸ線強度が弱いと、ＭＣ炭化物が小さいことを
示し、強いとＭＣ炭化物が大きいことを示す。またＰと
ＶのＸ線のピーク数が少ないとそれぞれＰ化合物及びＭ
Ｃ炭化物の数も少ないことを示す。

【００１２】図２に希土類元素として０．０５％のＰｒ
を添加した高速度工具鋼のＥＰＭＡのＶとＰの線分析の
結果を示す。図１に示した希土類元素を添加していない
高速度工具鋼のＥＰＭＡの分析結果と比較して希土類元
素を添加した高速度工具鋼のＥＰＭＡの分析結果ではＰ
においてＸ線強度の強いＸ線のピークが多くなってお
り、大きなＰ化合物が多くなっていることがわかる。同
時にＶの強いＸ線強度のＸ線ピーク数が減っていると共
に特に大きなＸ線ピークがなくなり均一化している。

【００１３】図３に希土類元素としてＬａ、Ｃｅ、Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙの７種類の希土類元素を
０．２％ずつ添加した高速度工具鋼のインゴットと希土
類元素を添加していない高速度工具鋼のインゴットのＳ
ＥＭ写真を示す。図２のＥＰＭＡ分析の結果と同様に矢
印で示すＰ化合物が希土類元素を添加した高速度工具鋼
のインゴットでは生成していることが確認できる。しか
し、希土類元素を添加していない高速度工具鋼ではＰ化
合物を確認できないとともに、ＭＣ炭化物は希土類元素
を添加した高速度工具鋼のインゴットのＭＣ炭化物に較
べ大きいことがわかる。

【００１４】即ち、希土類元素を添加することにより、
希土類元素とＰの化合物が生成することにより、粗大な
ＭＣ炭化物が減少し、微細で均一な炭化物組織を形成す
る傾向が認められる。この希土類元素とＰとの化合物が
生成することにより、ＭＣ炭化物がを微細化することの
理由として次のことが考えられる。希土類元素は鋼中の
Ｐと化合物を生成することにより、ＭＣ炭化物が晶出す
る際の溶鋼中での実質的なＰ濃度を減少させる。そし
て、溶鋼中でのＰ濃度が実質的に低下することによりＭ
Ｃ炭化物を微細化する。また希土類元素を添加すること
により生成した希土類元素とＰの化合物は、その後のＭ
Ｃ炭化物の微細化を妨げない。

【００１５】図４はＰ化合物を組成分析し、化合物中の
Ｐ量と希土類元素濃度（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの合
量）の関係をプロットしたものである。いずれのＰ化合
物においてもＰと希土類元素量の関係は６Ｐ≧（Ｌａ＋
Ｃｅ＋Ｐｒ＋Ｎｄ）≧４Ｐの範囲内にある。

【００１６】また、図５に希土類元素としてＬａ、Ｃ
ｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙの７種類の各添加量
とＥＰＭＡで２．８ｍｍを線分析したときのＶとＰのＸ
線強度の強い方からＸ線強度の１０点の平均値との関係
を示した。この図は希土類元素を重量で０．０２％ずつ
添加することによりＰ化合物が生成されＭＣ炭化物が微
細化していることを示している。また、この図は希土類
元素をさらに添加してもＰ化合物の生成量が変化せず、
ＭＣ炭化物の微細化に寄与しなくなることを示してい
る。この理由として図４からわかるように高速度工具鋼
中で希土類元素中でＰと化合物を生成し易く資源的に豊
富な軽希土類のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄを使用した場合
にはこの鋼中のＰと重量比約５対１の割合即ち原子比で
約１対１で化合するため、過剰に添加された希土類元素
は余分となりＰ化合物の生成にも、ＭＣ炭化物の微細化
に寄与しなくなるためと推定される。しかし、同時にＹ
を含む希土類元素は重量で６Ｐ以上に過剰に加えてもＶ
Ｃ微細化に悪影響を与えないことがわかる。また、希土
類元素濃度がＰ化合物を生成するＰ濃度に対して不十分
であるとＰ化合物の生成が不十分であり、前述した溶鋼
中のＰ濃度が十分減少せず、ＭＣ炭化物の微細化の度合
いが小さくなる恐れがあることと、不純物として存在し
ているＯとＳにより希土類元素とこのＯとＳとの介在物
の生成によりＰ介在物の生成の歩留りが減少するので、
この歩留りを考えると２Ｐ以上は必要であると考えられ
る。

【００１７】表１にＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇ
ｄ、Ｄｙに７種類の希土類元素を鋼中に同時に０．０２
％ずつ添加し生成した希土類元素とＰの化合物中の希土
類元素の割合の平均値を示した。この表に示すように高
速度工具鋼中でＰと最も結合し易い希土類元素はＰｒで
あり、このＰｒはＰ化合物中に約３０％と次にＰと結合
し易いＣｅ、Ｎｄ、Ｌａの約２倍の濃化が認められる。
Ｐｒは希土類元素の中でＭＣ炭化物の微細化に最も有効
であると考えられ、Ｐｒを主体に用いることは有効であ
る。また、Ｐｒは高価であるから安価なＣｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ等併用して使用するとＭＣ微細化の効果が高まると考
えられる。

【００１８】

【表１】 （％）

【００１９】

【実施例】真空誘導炉により、表２と表３に示す化学組
成の合金を溶解し、注湯温度、鋳型の冷却能等、鋳造条
件を同一にして鋼塊を作製した。評価は各鋼塊を焼鈍し
て、各鋼塊の上部側の同一位置より試料を採取し、鋳造
時に晶出した炭化物の希土類元素とＰの化合物を観察す
ると共に、微細化の割合としてＥＰＭＡにより２．８ｍ
ｍのＰとＶの線分析したときのＶとＰのＸ線強度の強い
方からＸ線強度の１０点の平均値をその試料のＸ線強度
とし、希土類元素添加無しの試料のＸ線強度を１００と
した時の値で示した。

【００２０】表２において希土類元素を含まず、希土類
元素とＰの化合物がないＮｏ４の試料に比べ希土類元素
を含み、希土類元素とＰの化合物が有るＮｏ１からＮｏ
３の試料は微細化のされていることがわかる。また、希
土類元素を添加した試料でもＰｒの含有量の高い順にＮ
ｏ２が最も微細化の割合が大きく次にＮｏ３、Ｎｏ１の
順であった。

【００２１】

【表２】

【００２２】表３において希土類元素を添加してもＮｏ
４とＮｏ５の様にＮ量が大きいと希土類元素とＰの化合
物の生成量は少なく、微細化の割合も粗大化する傾向に
ある。また、Ｎｏ．３の試料の様に鋼中の希土類元素が
Ｐ量に比較して重量で２Ｐ以下であるため希土類元素と
Ｐの化合物の生成量は少なく、微細化の割合も９８とあ
まり希土類元素を添加していないものと変わらなく顕著
な効果が認められない。それに較べＮｏ．２とＮｏ．
４、表２のＮｏ．１とＮｏ．２、Ｎｏ．３はそれぞれ鋼
中の希土類元素量は２Ｐ以上であり、微細化の割合が小
さいことが分かる。

【００２３】

【表３】

【００２４】

【発明の効果】以上のことより本発明鋼は明らかに炭化
物組織を微細化および均一性を向上させている。

【図面の簡単な説明】

【図１】希土類元素を添加していない高速度工具鋼のＶ
とＰのＥＰＭＡの線分析の結果を示すグラフである。

【図２】希土類元素を添加した高速度工具鋼のＶとＰの
ＥＰＭＡの線分析の結果を示すグラフである。

【図３】高速度工具鋼のＳＥＭによる金属ミクロ組織写
真である。

【図４】高速度工具鋼中のＰ化合物中のＰ量と希土類元
素量との関係を示すグラフである。

【図５】希土類元素添加量とＰ化合物およびＭＣ炭化物
の大きさの関係を示すグラフである。

フロントページの続き (72)発明者 中村 秀樹 島根県安来市安来町2107番地の２日立金属 株式会社安来工場内 (72)発明者 西田 純一 島根県安来市安来町2107番地の２日立金属 株式会社安来工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣ ０．５％〜１．５％、Ｃｒ
   ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ ５〜２５％（ただしＷ １２％
   以下または無添加、Ｍｏ ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５
   ％、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
   更にＹを含む希土類元素の１種または２種以上とＰとの
   化合物を含有することを特徴とする高速度工具鋼。
2. 【請求項２】 重量比でＣ ０．５％〜１．５％、Ｃｒ
   ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ ５〜２５％（ただしＷ １２％
   以下または無添加、Ｍｏ ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５
   ％、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
   更に重量比で（Ｌａ＋Ｃｅ＋Ｐｒ＋Ｎｄ）≧２Ｐである
   事を特徴とする請求項１の高速度工具鋼。
3. 【請求項３】 重量比でＣ ０．５％〜１．５％、Ｃｒ
   ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ ５〜２５％（ただしＷ １２％
   以下または無添加、Ｍｏ ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５
   ％、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
   更に希土類元素とＰの化合物中の希土類元素の構成元素
   中でＰｒが主体であるか、あるいはＰｒを含む請求項１
   または請求項２の高速度工具鋼
4. 【請求項４】 重量比でＣ ０．５％〜１．５％、Ｃｒ
   ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ ５〜２５％（ただしＷ １２％
   以下または無添加、Ｍｏ ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５
   ％、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
   更にＯ≦１００ｐｐｍ、Ｓ≦９０ｐｐｍ、Ｎ≦１３０ｐ
   ｐｍである請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の
   高速度工具鋼
5. 【請求項５】 重量比でＣ ０．５％〜１．５％、Ｃｒ
   ３％〜７％、Ｗ＋２Ｍｏ ５〜２５％（ただしＷ １２％
   以下または無添加、Ｍｏ ２〜１２％）、Ｖ０．６〜５
   ％、残部はＦｅおよび不純物および脱酸剤残からなり、
   更にＹを含む希土類元素の１種または２種以上を添加し
   て希土類元素とＰとの化合物を生成させることでＭＣ炭
   化物（ここでＭは４０％≦Ｖ≦７０％で、かつＣｒ、
   Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｒの１種または２
   種以上から構成されている）を微細化することを特徴と
   する高速度工具鋼の製造方法。