JPH0711377A

JPH0711377A - 焼結工具鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH0711377A
Application number: JP15342193A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kitagawa; 利博北川; Yukinori Matsuda; 幸紀松田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 1995-01-13

Abstract

(57)【要約】【目的】粉末焼結した焼結工具鋼に熱間加工を行うこ
とにより、抗折強度を高めた工具鋼にする方法を提供す
る。【構成】鉄基マトリックス粒子に、鉄基マトリックス
粒子と反応する反応性硬質粒子、および鉄基マトリック
ス粒子と反応しない非反応性硬質粒子を、前者と後者の
体積比が0.５以上となるようにして同時に混合し、得ら
れた混合粉体に、塑性流動を伴う減面率５０％以上の熱
間加工を行う焼結工具鋼の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焼結工具鋼の製造方法に
関し、更に詳しくは、硬度，耐摩耗性，耐溶着性が優
れ、また靱性も優れていて、切削工具，冷間熱間ロー
ル，各種型材として有用な焼結工具鋼を製造する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】切削工具などの材料として用いられる工
具鋼には、まず、硬度が高く、耐摩耗性が優れ、耐溶着
性も良好であるという性質が求められる。このような性
質を発現させるために、最近では、粉末治金法を適用す
ることが広く行われている。例えば、特開昭６０−６７
６４４号公報においては、次のような焼結高速度鋼が提
案されている。

【０００３】すなわち、所定組成の鉄基合金のマトリッ
クス粒子と、焼結時に前記鉄基合金と反応しないＴｉＮ
のような非反応性硬質粒子と、焼結時には鉄基合金のマ
トリックスに固溶し、熱処理時には粒状に析出するＴｉ
Ｂ₂のような反応性硬質粒子とを混合し、その混合粉末
を例えば高温静水圧プレス（ＨＩＰ）で焼結した材料で
ある。

【０００４】この焼結高速度鋼では、耐摩耗性と耐溶着
性に優れた非反応性硬質粒子が鉄基合金のマトリックス
中に微細に分散している。また、反応性硬質粒子も硬質
粒子として鉄基合金のマトリックス中に析出している。
そのため、この材料は、高硬度で、耐摩耗性，耐溶着性
に優れているという特性を備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開昭６０
−６７６４４号公報に開示されている焼結高速度鋼に限
らず、一般に、鉄基合金のマトリックスに上記したよう
な硬質粒子が分散している材料の場合、マトリックスが
本来備えている性質が充分に発揮されないという問題が
ある。

【０００６】例えば、上記した焼結高速度鋼におけるマ
トリックスを構成する鉄基合金は、熱間鍛造，熱間押
出，熱間圧延などの熱間加工が行われると靱性が向上す
る。すなわち、熱間加工後の抗折強度は熱間加工前より
も高くなる。しかし、上記した焼結高速度鋼において
は、これに熱間加工を行うと、その過程でワレなどが多
発するという問題が生ずる。

【０００７】この現象は、定性的には、非反応性硬質粒
子と鋼との親和性が小さいので非反応性硬質粒子とマト
リックスとの結合が弱くなり、そのため、相互の界面や
それぞれの凝集個所が破壊の起点になるからであろうと
考えられる。また、反応性硬質粒子の場合は、マトリッ
クスと比較的強固に結合しているので、非反応性硬質粒
子の場合のような問題が起こりづらくなるが、一方で
は、マトリックスとの反応によってマトリックスの組成
を変化させたり、または、自らが脆性な粗大粒子として
成長し、それらが破壊の起点として機能するものと考え
られる。

【０００８】本発明は、上記した焼結高速度鋼における
問題、すなわち、マトリックスである鉄基合金の特性が
損なわれるという問題を解決し、鉄基マトリックス粒
子，非反応性硬質粒子，反応性硬質粒子の各粒径や添加
割合などを制御することにより、硬度，耐摩耗性，耐溶
着性などの特性を高水準に維持しつつも、熱間加工を施
すことが可能となり、その結果抗折強度を高めることが
できる焼結工具鋼の製造方法の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、鉄基マトリックス粒子に、
前記鉄基マトリックス粒子と反応する反応性硬質粒子、
および前記鉄基マトリックス粒子と反応しない非反応性
硬質粒子を、前者と後者の体積比が0.５以上となるよう
にして同時に混合し、得られた混合粉体に、塑性流動を
伴う減面率５０％以上の熱間加工を行うことを特徴とす
る焼結工具鋼の製造方法が提供される。

【００１０】本発明方法においては、まず、後述する鉄
基マトリックス粒子，非反応性硬質粒子、および反応性
硬質粒子を混合して成る混合粉体が出発原料になる。鉄
基マトリックス粒子は、得られる工具鋼のマトリックス
を構成するものであり、その組成は、Ｃ：0.２〜5.０重
量％，Ｃｒ：１6.０重量％以下，Ｗ：１7.０重量％以
下，Ｍｏ：２Ｍｏ＋Ｗとして３5.０重量％以下，Ｖ：１
0.０重量％以下，Ｃｏ：１5.０重量％以下，Ｎｂ：１0.
０重量％以下，Ｓｉ：2.０重量％以下，Ｍｎ：2.０重量
％以下，Ｎｉ：5.０重量％以下，残部：Ｆｅと不可避的
不純物から成ることが好ましい。

【００１１】ここで、Ｃは、後述の焼結の過程で他の成
分（例えばＣｒ，Ｗ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ）と炭化物を生成
して耐摩耗性の向上に資する成分であり、その含有量は
0.２〜5.０重量％に設定されることが好ましい。含有量
が0.２重量％より少ない場合は、上記した効果を充分に
発揮することができず、逆に5.０重量％より多くする
と、析出炭化物が過多となり、マトリックスの靱性，熱
間加工性を低下させるというような不都合を引き起こす
からである。好ましい含有量は、1.０〜3.０重量％であ
る。

【００１２】Ｃｒは、前記したＣと炭化物を生成して、
また、Ｖ，Ｍｏ，Ｗなどと複炭化物を生成して耐摩耗性
の向上に資するとともに焼入れ性を高め、靱性の向上に
資する成分である。しかし、あまり多量に含有されてい
ると、巨大炭化物を析出させ、マトリックスの靱性，高
温下における軟化抵抗性を低下させるような不都合が生
ずるので、その含有量は２0.０重量％以下に設定される
ことが好ましい。より好ましくは、１0.０重量％以下で
ある。

【００１３】Ｍｏ，Ｗは、いずれも高温硬さを高め、Ｃ
ｒが存在すると焼戻し抵抗を非常に大きくして二次硬化
を促進し、もって耐摩耗性を高める成分である。その場
合、Ｗの含有量は１7.０重量％以下であることが好まし
い。１7.０重量％より多く含有されていると、析出炭化
物が過多となり、マトリックスの靱性を低下させるから
である。また、Ｍｏの含有量は、上記したＷの含有量と
の関係で決められるが、２Ｍｏ＋Ｗとして３5.０重量％
以下となるように設定されることが好ましい。２Ｍｏ＋
Ｗとしての含有量が３5.０重量％より多くなると、マト
リックス中に析出した炭化物が連続してマトリックスの
靱性を著しく低下させるような不都合が生じてくるから
である。

【００１４】Ｖは、結晶粒を微細化して靱性を向上さ
せ、また固溶しない炭化物を生成して耐摩耗性を向上さ
せる成分であり、その含有量は１0.０重量％以下に設定
されることが好ましい。含有量が１0.０重量％より多く
なると、焼入れ性の低下や、マトリックス中に過剰な炭
化物を析出させ、熱間加工性を低下させるというような
不都合が生じてくるからである。より好ましい含有量は
6.０重量％以下である。

【００１５】Ｃｏは、マルテンサイト組織を強化して耐
摩耗性と高温硬さの向上に資する成分であるが、しかし
あまり多く含有されていると、靱性の低下を引き起こす
ようになるので、その含有量は１5.０重量％以下に設定
されることが好ましい。Ｎｂは結晶粒を微細化して靱性
を向上させる働きをするが、あまり多く含まれている
と、Ｖと同様に、熱間加工性を低下させるような問題が
生じてくるので、その含有量を１0.０重量％以下に制限
することが好ましい。

【００１６】Ｓｉは、低温の焼戻し抵抗を向上させる働
きをするが、多量に含有されていると、脆化したり、可
鍛性の低下を引き起こすので、その含有量は2.０重量％
以下に制限することが好ましい。Ｍｎは、焼入れ性を増
し耐摩耗性を高める働きをするが、あまり多く含まれて
いると残留オーステナイトを生成して靱性の低下が引き
起こされるので、その含有量は5.０重量％以下に制限す
ることが好ましい。

【００１７】Ｎｉは、靱性の向上に資する成分である
が、あまり多く含まれていると残留オーステナイトを生
成して靱性の低下が引き起こされるので、その含有量は
5.０重量％以下に制限することが好ましい。上記した鉄
基マトリックス粒子は、上記した組成の鉄基合金を溶製
し、その溶湯を例えば水噴霧法で粉粒化し、得られた粉
粒体を通常の粉砕機で粉砕し、後述するような粒度に整
粒して用いられる。

【００１８】この鉄基マトリックス粒子としては、その
粒径ができるだけ揃っていて、しかも比較的細粒である
ものが好ましい。粒径が大きすぎるものや、粒径のばら
つきが大きいものを用いると、ここに混合される非反応
性硬質粒子や反応性硬質粒子のマトリックス中への分散
が均一でなくなり、これら硬質粒子の二次凝集が引き起
こされ、熱間加工性を悪化させるとともに、焼結体の靱
性低下をもたらすからである。好ましくは、平均粒径が
１5.０μｍ以下、とくに好ましくは１1.０μｍ以下のも
のである。

【００１９】非反応性硬質粒子としては、ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＨｆＮのような周期律表IVａ族の元素の窒化物の粉
末であることが好ましい。これらは、それぞれ単独で用
いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。これ
らの非反応性硬質粒子のうち、ＴｉＮ粉末はとくに好適
なものである。反応性硬質粒子としては、ＶＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣのような周期律表Ｖａ族の元素の炭化物の粒
子；Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｃｒ₇Ｃ₃，Ｍｏ₂Ｃ，ＭｏＣ，ＷＣ
のような周期律表VIａ族の元素の炭化物の粒子であるこ
とが好ましい。これらは、それぞれ単独で用いてもよい
し、２種以上を混合して用いてもよい。

【００２０】これらの反応性硬質粒子のうち、ＷＣはと
くに好ましいものである。この非反応性硬質粒子および
反応性硬質粒子は、いずれも、得られる工具鋼におい
て、前記した鉄基合金のマトリックスの中に微細な粒子
として均一に分散することにより、その工具鋼の耐摩耗
性，耐溶着性の向上に資する。同時に、この非反応性硬
質粒子と反応性硬質粒子は、相互に作用しあうことによ
り、混合粉体を焼結したのちに、その焼結体の熱間加工
時における塑性変形を可能にし、マトリックスである鉄
基合金の靱性の向上を可能たらしめる。

【００２１】すなわち、反応性硬質粒子は非反応性硬質
粒子の凝集を防止して熱間加工時における破壊の起点の
発生を抑制すると同時に、鉄基合金のマトリックスと強
固に結合する。また、非反応性硬質粒子は、反応性硬質
粒子とマトリックスとの過度の反応を抑制し、また反応
性硬質粒子が巨大な脆性粒子に成長することを抑制す
る。その結果、熱間加工が可能になるのである。

【００２２】これらの反応性硬質粒子，非反応性硬質粒
子は、前者と後者との割合が体積比で0.５以上となるよ
うに設定される。この体積比が0.５より小さくなるよう
な割合で各硬質粒子を混合すると、抗折強度の向上を実
現することができないからである。これら非反応性硬質
粒子，反応性硬質粒子のそれぞれの粒径は、これらの鉄
基マトリックス粒子との混合割合などによって変化させ
ることが好ましいが、上記した効果を発現させるために
は、両硬質粒子は５体積％以上混合させることが好まし
い。とくに、非反応性硬質粒子の混合割合が５体積％よ
り小さくなると、得られた工具鋼には充分な硬度，耐摩
耗性，耐溶着性が発現しなくなる。

【００２３】例えば、用いる鉄基マトリックス粒子の平
均粒径が１5.０μｍ以下の場合には、平均粒径が5.０μ
ｍ以下の非反応性硬質粒子，反応性硬質粒子を、いずれ
も、５〜１０体積％混合することが好ましい。とくに、
鉄基マトリックス粒子の平均粒径が１1.０μｍ以下であ
る場合には、平均粒径が2.０μｍ以下の非反応性硬質粒
子，反応性硬質粒子を、いずれも１０体積％以上混合す
ることが好ましい。

【００２４】しかし、上記いずれにおいても、あまり多
量に混合すると、後述する熱間加工が困難になるので、
これら硬質粒子の混合割合は、３０体積％を上限にする
ことが好ましい。なお、上記した混合粉体に、更にＣｏ
粒子を添加すると、マトリックスと非反応性硬質粒子、
ならびにマトリックスと反応性硬質粒子との間の結合力
を高めることができるので好適である。その場合のＣｏ
粒子の粒径は、非反応性硬質粒子や反応性硬質粒子の粒
径と略同等であることが好ましく、また添加量は１０体
積％以下であることが好ましい。あまり多量に添加する
と、焼入れ性の低下が引き起こされるからである。

【００２５】本発明方法においては、上記したように調
製された混合粉体に次のような熱間加工を行うことを特
徴とする。この熱間加工には、大別して、次のような方
法が採用される。第１の熱間加工は、上記混合粉体にＨ
ＩＰ処理を施すことによりその混合粉体を稠密な焼結体
にしたのち、この焼結体をＨＩＰ装置から取り出し、こ
れに熱間鍛造または熱間圧延を施す方法である。

【００２６】この場合、ＨＩＰ処理後においては、鉄基
マトリックス粒子は相互間に自由空間のない状態で焼結
してマトリックスとなり、また反応性硬質粒子の一部も
上記マトリックスに固溶し、全体は真密度の焼結体にな
る。ついで、この焼結体に熱間鍛造または熱間圧延を施
すと、マトリックスは塑性変形し、全体が高密度化する
と同時に抗折強度が高まり靱性が向上する。

【００２７】そして、このときＨＩＰ処理後の焼結体の
寸法形状を起点にして、次の熱間鍛造または熱間圧延に
おける減面率が算出される。本発明においては、この減
面率を５０％以上に設定する。減面率を５０％以上に設
定する理由は、５０％より低い減面率で上記焼結体を熱
間鍛造または熱間圧延しても、抗折強度の向上が認めら
れないからである。減面率を５０％以上にすると、得ら
れた加工品の抗折強度は、出発素材である焼結体の抗折
強度よりも５％以上向上する。

【００２８】第２の熱間加工は、混合粉体をキャニング
したのち、これを熱間押出しする方法である。この場合
は、熱間押出しされる過程で、混合粉体は焼結されて一
旦真密度の焼結体になり、その後、その焼結体が塑性変
形を受ける。このときの減面率も、上記焼結体を起点に
して算出される値である。

【００２９】以上のようにして、本発明方法において
は、耐摩耗性，耐溶着性が優れ、また靱性も向上した焼
結工具鋼が熱間加工によっても製造することができる。

【００３０】

【実施例】

実施例１〜２３，比較例１〜８Ｃ：0.９０重量％，Ｃｒ：4.２０重量％，Ｗ：6.４０重
量％，Ｍｏ：5.００重量％，Ｖ：2.０重量％，Ｃｏ：8.
５０重量％，Ｎｂ：0.３０重量％，Ｓｉ：0.４０重量
％，Ｍｎ：0.４重量％，Ｎｉ：0.２５重量％，Ｆｅ：バ
ランスから成るＪＩＳＳＫＨ５６相当の鋼種を溶製
し、その溶湯を水噴霧法で粒子化したのちボールミルで
湿式粉砕して表１，２に示す平均粒径の鉄基マトリック
ス粒子とした。

【００３１】ついで、表１，２に示した平均粒径の硬質
粒子を表示の割合（体積％）となるように鉄基マトリッ
クス粒子と混合したのち、これを乾燥し、更に１１００
℃で１０時間，真空炉内で脱酸素処理を行った。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】得られた混合粉体をＨＩＰ用缶に充填し、
これに、１０００気圧，１１５０℃，１時間のＨＩＰ処
理を行って焼結体を製造した。各焼結体をＨＩＰ缶から
取り出し、これを１１５０℃に加熱したのち、表３，４
に示した減面率で熱間鍛造を行い、温度８７０℃で焼鈍
してから硬度（ＨＲｃ）と抗折力（kgf/mm²)を測定し
た。以上の結果を一括して表３，４に示した。

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】表１〜４の結果から明らかなように、鉄基
マトリックス粒子，非反応性硬質粒子および反応性硬質
粒子のそれぞれの平均粒径を適切に選定し、かつ、これ
らの混合割合を適切に設定することにより、ＨＩＰで得
られた焼結体に塑性変形可能な熱間加工を行うことがで
き、しかもその抗折強度を高めることができる。本発明
の焼結工具鋼の切削性能を次のようにして調査した。

【００３８】対象の工具鋼としては、表１，２で実施例
１５として示したものを選定し、また比較材としては、
超微粒子超硬合金ＪＩＳ使用分類Ｚ２０で、硬度（ＨＲ
Ｃ）７3.０，抗折強度３２０kgf/mm² の材料を選定し
た。まず、これらの材料でエンドミルを製作し、下記の
条件で切削試験を行った。刃径：１０mmφ，２枚刃、切削方法：側面切削アップカ
ット，乾式、切込み：１Ｗ×１５Ｈ、送り：0.０５mm／
刃、切削速度：４０ｍ／分と１００ｍ／分。判定：境界摩耗量が0.３mmを超えた時点の切削長を測定
し、比較材の切削長を１００としたときの相対値で判
定。この値が大きいほど、切削性能は優れていることを
表す。以上の結果を表５に示した。

【００３９】

【表５】結果から明らかなように、本発明の焼結工具鋼は、比較
材に比べて、高速での切削性能が非常に優れている。な
お、低速切削能が比較例よりも劣ることは、比較例の硬
度が本発明の材料に比べて大きいことによる影響である
と考えられる。

【００４０】実施例２４，２５ＷＣ粒子の平均粒径が1.８μｍであったことを除いて
は、実施例１５の場合と同様な混合粉体を製造し、これ
を熱間押出し用の缶にキャニングし、温度１１５０℃で
表６に示した減面率で熱間押出しを行いこれを実施例２
４とした。得られた材料の硬度，抗折力を測定し、表６
に示した。

【００４１】また、実施例１４で用いた試料２２につい
ても同様の熱間押出加工を行い、それを実施例２５とし
た。得られた材料の硬度，抗折力を表６に示した。

【００４２】

【表６】

【００４３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法によれば、粉末治金法で製造した焼結体に熱間で塑性
変形加工を行うことができ、その熱間加工によって抗折
強度を高め、靱性に優れた工具鋼を得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄基マトリックス粒子に、前記鉄基マト
リックス粒子と反応する反応性硬質粒子、および前記鉄
基マトリックス粒子と反応しない非反応性硬質粒子を、
前者と後者との体積比が0.５以上となるようにして同時
に混合し、得られた混合粉体に、塑性流動を伴う減面率
５０％以上の熱間加工を行うことを特徴とする焼結工具
鋼の製造方法。
【請求項２】前記鉄基マトリックス粒子が、Ｃ：0.２
〜5.０重量％，Ｃｒ：１6.０重量％以下，Ｗ：１7.０重
量％以下，Ｍｏ：２Ｍｏ＋Ｗとして３5.０重量％以下，
Ｖ：１0.０重量％以下，Ｃｏ：１5.０重量％以下，Ｎ
ｂ：１0.０重量％以下，Ｓｉ：2.０重量％以下，Ｍｎ：
2.０重量％以下，Ｎｉ：5.０重量％以下，残部：Ｆｅと
不可避的不純物から成り、前記非反応性硬質粒子が、周
期律表IVａ族に属する元素の窒化物の群から選ばれる少
なくとも１種の粒子であり、前記反応性硬質粒子が、周
期律表Ｖａ族またはVIａ族に属する元素の炭化物の群か
ら選ばれる少なくとも１種の粒子である請求項１の焼結
工具鋼の製造方法。
【請求項３】前記非反応性硬質粒子がＴｉＮ粒子であ
り、前記反応性硬質粒子がＷＣ粒子である請求項１また
は２に記載の焼結工具鋼の製造方法。
【請求項４】前記混合粉体には、更に、Ｃｏ粒子が１
０体積％以下含有される請求項１、２、３のいずれかに
記載の焼結工具鋼の製造方法。
【請求項５】前記混合粉体が、平均粒径5.０μｍ以下
の非反応性硬質粒子５体積％以上と、平均粒径5.０μｍ
以下の反応性硬質粒子５体積％以上と、残部は平均粒径
１5.０μｍ以下の鉄基マトリックス粒子とから成る請求
項１、２、３、４のいずれかに記載の焼結工具鋼の製造
方法。
【請求項６】前記混合粉体が、平均粒径2.０μｍ以下
の非反応性硬質粒子１０体積％以上と、平均粒径2.０μ
ｍ以下の反応性硬質粒子１０体積％以上と、残部は平均
粒径１1.０μｍ以下の鉄基マトリックス粒子とから成る
請求項１、２、３、４のいずれかに記載の焼結工具鋼の
製造方法。