CN103667932A

CN103667932A - 高速工具钢、刀刃用材料及切割工具、以及刀刃用材料的制造方法

Info

Publication number: CN103667932A
Application number: CN201310432092.6A
Authority: CN
Inventors: 福元志保
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-22
Also published as: TW201413010A; CN103667932B; US9273384B2; US20140079585A1; JP6238114B2; JP2014208870A; TWI464280B

Abstract

本发明提供维持SKH59的优异特性且能够使铸造组织中的共晶碳化物微细的高速工具钢。而且，提供由前述高速工具钢形成的刀刃用材料、将前述刀刃用材料焊接于主体材料而成的切割工具、和刀刃用材料的制造方法。本发明涉及一种高速工具钢，其以质量%计含有C：0.5～1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0～5.0%、基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%、V：1.0～低于1.5%、Co：5.0～10.0%、余量Fe及杂质，其中，前述高速工具钢还含有Ca：0.0005～0.004%及N：0.005～0.015%。而且，涉及由所述高速工具钢形成的刀刃用材料、和将前述刀刃用材料焊接于主体材料而成的切割工具。此外，涉及刀刃用材料的制造方法。

Description

高速工具钢、刀刃用材料及切割工具、以及刀刃用材料的制造方法

技术领域

本发明涉及：高速工具钢，其适合于用于切割金属的锯刃（saw blade）等切割工具的刀刃用材料的原材料；刀刃用材料；切割工具；以及刀刃用材料的制造方法。

背景技术

以往，在钢材等金属材料的切割中使用以带锯、圆盘锯等的锯刃为代表的切割工具。锯刃通常按如下工序来制造。首先，将调整为规定的成分组成的钢水铸造成钢锭、钢坯等原材料，或者对由该钢水利用雾化法等得到的粉末进行热高压成型而作为原材料，对原材料进行热加工，之后经过各种加工及热处理，从而制造具有扁线等形状的刀刃用材料。然后，使用电子束焊接或激光焊接等将刀刃用材料与主体材料（body material）焊接，进行磨尖加工、实施淬火回火，从而精加工为最终制品的锯刃。上述的刀刃用材料的原材料广泛应用JIS G4403中规定的高速工具钢SKH59(与ISO4957中规定的HS2-9-1-8相当)。SKH59是热硬性（red-hardness）优异且切割耐久性优异的原材料，作为锯刃的刀刃用材料的原材料具有优异的特性。例如，专利文献1公开了下述发明：采用SKH59作为刀刃用材料的原材料的带锯锯刃及其制造方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-280022号公报

发明内容

发明要解决的问题

刀刃由SKH59制造而成的锯刃的切割耐久性优异，因此被用于各种钢材的切割。然而，根据使用条件，作为限于刀刃的损耗方式，已知会出现刀刃提前磨损、缺口等。而作为这些损耗的对策，虽然进行了刀刃的形状、硬度、表面处理之类涉及刀刃设计的改良，但特别是对于缺口而言依然存在提前发生的情况。除涉及刀刃设计的事项以外，上述缺口出现的原因还有刀刃用材料的组织中含有粗大的碳化物。也就是说，刀刃用材料的组织中大量含有明显粗大的碳化物时、例如截面组织中大量含有绝对最大长度为25μm以上的碳化物时，该明显粗大的碳化物仍然会残留在淬火回火之后的刀刃组织中而使刀刃的韧性降低。而且，使用中刀刃破坏所需要的应力(破坏应力)降低，发生以粗大的碳化物为起点的破坏。因此，减小刀刃用材料的组织中的碳化物尺寸对于抑制缺口是有效的。

能实现高硬度的SKH59的成分组成是在组织中形成大量碳化物的合金设计。而且，这种成分组成的高速工具钢的情况下，在钢锭、钢坯等原材料的时候，其铸造组织中容易形成明显粗大化的块状的共晶碳化物。通常，铸造组织中的共晶碳化物(M₂C)为板状，可以通过热加工使其变化为粒状的碳化物(M₆C)。然而，共晶碳化物为明显粗大的块状时，在刀刃用材料的制造工序中，即便后续进行热加工(线材加工)也不能使碳化物变化为足够的粒状，刀刃用材料的退火组织中上述绝对最大长度为25μm以上的明显粗大的碳化物大量存在。而且，退火组织中未能变微细的碳化物即便经过焊接及磨尖工序、并进行最终工序的淬火回火也不能变微细。其结果，对于刀刃组织中大量含有粗大的碳化物的锯刃而言，即使可以赋予优异的耐磨耗性，但也会成为耐缺口性劣化的主要原因。

然而，对于现有技术的刀刃用材料来说，减小组织中的碳化物尺寸未必容易。其理由是：在实际作业中，为了追求效率必须增大钢锭、钢坯等原材料的重量，钢水凝固时的冷却速度变慢，因此凝固后的原材料的铸造组织中形成不优选的粗大的共晶碳化物并残存至后续工序。

本发明的目的在于提供维持SKH59的优异特性且即便在实际操作水平下仍可使凝固组织中的碳化物尺寸变微细的高速工具钢、以及使用其形成的刀刃用材料、切割工具。而且提供刀刃用材料的制造方法。

用于解决问题的方案

本发明人为了解决上述问题，详细地重新评估了SKH59的成分组成。其结果得到下述见解：通过使SKH59的成分组成不发生实质上的改变且以最适合的范围含有特定的元素种类，从而可以维持SKH59的优异特性并且能够使铸造组织中的共晶碳化物变微细。而且，明确了该特定的元素种类Ca及N的成分范围，从而实现了本发明。

即，本发明的高速工具钢的特征在于，以质量%计含有C：0.5～1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0～5.0%、基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%、V：1.0～低于1.5%、Co：5.0～10.0%、余量Fe及杂质，其中，前述高速工具钢还含有Ca：0.0005～0.004%及N：0.005～0.015%。以及由前述高速工具钢形成的刀刃用材料。优选的是，该刀刃用材料的截面组织中含有的碳化物的绝对最大长度小于25μm。另外，涉及将前述刀刃用材料焊接于主体材料而成的切割工具。

此外，本发明的刀刃用材料的制造方法的特征在于，该方法将高速工具钢铸造成钢锭并对所述钢锭进行热加工，其中，所述高速工具钢以质量%计含有C：0.5～1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0～5.0%、基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%、V：1.0～低于1.5%、Co：5.0～10.0%、余量Fe及杂质，所述高速工具钢的钢锭还含有Ca：0.0005～0.004%及N：0.005～0.015%。

发明的效果

根据本发明，能够以高效的方法使由高速工具钢形成的各种制品的组织中的碳化物变微细。另外，用于切割工具的刀刃时的耐缺口性优异，因此能够提供适合作为各种切割工具的刀刃用材料、特别是适合作为锯刃的刀刃用材料的高速工具钢。而且能够提供前述刀刃用材料的制造方法。

附图说明

图1是显示本发明例的高速工具钢的铸造组织中分布的共晶碳化物的一个例子的显微镜照片。

图2是显示本发明例的高速工具钢的铸造组织中分布的共晶碳化物的一个例子的显微镜照片。

图3是显示本发明例的高速工具钢的铸造组织中分布的共晶碳化物的一个例子的显微镜照片。

图4是显示比较例的高速工具钢的铸造组织中分布的共晶碳化物的一个例子的显微镜照片。

图5是用来说明高速工具钢的钢锭中含有的Ca量及N量与块状的共晶碳化物量的关系的图。

图6是将用扫描电子显微镜观察的本发明例及比较例的高速工具钢的退火组织的截面进行二值化处理得到的图像，且是表示该退火组织的截面中分布的粗大的碳化物的图片代用照片。

具体实施方式

本发明的特征在于，通过成分组成的改良可以抑制SKH59的成分组成中成为问题的由于铸造组织中的共晶碳化物块状化而使碳化物尺寸粗大化的现象。本发明所谓“块状的共晶碳化物”是指：在铸造组织的观察面中所观察到的主要呈板状(层状)的共晶碳化物中，其各层的最大厚度为3μm以上的共晶碳化物。以下，对于本发明的高速工具钢的成分组成的限定理由进行叙述。(关于“质量%”，仅记载为“%”)

·C：0.5～1.5%

C是与Cr、W、Mo、V结合形成碳化物从而提高淬火回火硬度、提升耐磨耗性的元素。然而，过多时韧性降低。因此，从使其与后述的Cr、W、Mo、V量取得平衡的方面考虑，设为0.5～1.5%。优选为0.9%以上、并且优选为1.2%以下。

·Si：1.0%以下

Si通常被用作熔解工序中的脱氧剂。然而，过多时韧性降低，因此设为1.0%以下。优选为0.1%以上、并且优选为0.6%以下。

·Mn：1.0%以下

Mn与Si同样地被用作脱氧剂。然而，过多时韧性降低，因此设为1.0%以下。优选为0.1%以上、并且优选为0.5%以下。

·Cr：3.0～5.0%

Cr是对赋予淬火性、耐磨耗性、耐氧化性等有效的元素。然而，过多时使韧性、高温强度、耐回火软化特性降低。因此，设为3.0～5.0%。优选为3.5%以上、并且优选为4.5%以下。

·基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%

W及Mo与C结合形成特殊的碳化物，从而赋予耐磨耗性、耐咬伤性。此外，回火时的2次硬化作用大，高温强度也提升。然而，过多时，妨碍热加工性。因此，在关系式(W+2Mo)中，将它们中的1种或2种设为15.0～25.0%。优选为18.0%以上、并且优选为23.0%以下。

·V：1.0～低于1.5%

V与C结合形成硬质的碳化物，从而有助于耐磨耗性的提升。然而，过多时韧性降低。因此，设为1.0～低于1.5%。优选为1.1%以上、并且优选为1.3%以下。

·Co：5.0～10.0%

Co固溶在基体中，使回火马氏体的硬度提升且有助于耐磨耗性的提升。此外，使制品的强度、耐热性提升。然而，过多时韧性降低。因此，设为5.0～10.0%。优选为6.0%以上、并且优选为9.3%以下。

另外，相对于以上说明的与SKH59相当的成分组成的高速工具钢，对于本发明的高速工具钢来说重要的是含有调整为适量的Ca及N。

·Ca：0.0005～0.004%

Ca对铸造组织中的共晶碳化物的形态起到很大作用，因此对于本发明来说是要重点管理上下限的元素。首先，凝固时形成的共晶碳化物中作为主要元素含有V，但在凝固速度缓慢的实际操作中，推测共晶起始温度下的液相中的V量有减少的趋势。于是，本发明人推断其结果使得共晶碳化物的生成核减少(变得稀疏)，共晶碳化物生长成块状以便填满其间隔。因此，向其中添加Ca时，确认了液相中的V量增加、共晶碳化物的生成核增加(间隔变窄)，实际上抑制了共晶碳化物生长为块状。另外得到如下结果：上述效果从Ca的添加量为0.001%左右开始飞跃性地提升。

另一方面，本发明人发现下述现象：从Ca的添加量超过0.003%左右开始转变为块状碳化物增加的趋势。认为这是由于上述液相中的V量此时开始减少。另外，Ca的添加量进一步达到0.01%时，与上述添加0.001%的Ca时相比，所得结果是抑制共晶碳化物的块状化的效果大幅减弱。共晶碳化物变得极大时，成为即使在接下来的热加工中也无法变为粒状的碳化物并残留，制品的韧性降低。根据以上的结果，本发明的Ca设为0.0005～0.004%是重要的。优选为0.001%以上、并且优选为0.003%以下。

·N：0.005～0.015%

N也是作为对铸造组织中的共晶碳化物的形态起到很大作用的元素而要重点管理上下限的元素。高速工具钢中通常不可避免地含有0.03%左右的N。另外，含有过多的N量例如会在原材料中形成钒氮化物从而妨碍原材料的热加工性，因此提出了将N从上述0.03%左右的含量减少。然而，本发明人认识到：尽管减少了N，若过度地减少N则会大幅地妨碍基于上述Ca添加的效果，明显助长共晶碳化物的块状化。并且，认识到该阻碍效果反过来在N量多时也会变得显著。因此，本发明的N量存在最适合的范围。并且，确认了该最适合的范围在0.01%左右。因此，本发明的N设为0.005～0.015%是重要的。关于下限，优选为0.007%以上、进一步优选为0.009%以上。此外，关于上限，优选为0.013%以下、进一步优选为0.012%以下。

此外，本发明的高速工具钢中作为不可避免的杂质元素可含有S及P。S过多时，其本身妨碍热加工性、并且与上述的Ca结合而妨碍由本发明的Ca添加产生的效果，因此优选限制为0.01%以下。更优选为0.005%以下。P过多时使韧性劣化，因此优选限制为0.05%以下。更优选为0.025%以下。

通过将本发明的高速工具钢铸造成钢锭，对其进行热加工，从而能够得到前述热加工后的退火组织中的碳化物尺寸小的刀刃用材料。优选的是，截面组织中含有的碳化物的绝对最大长度小于25μm的刀刃用材料。并且，将该刀刃用材料焊接于主体材料之后进行磨尖加工、实施淬火回火而制得的切割工具，其刀刃组织中粗大的碳化物减少，从而具有优异的耐缺口性。

实施例1

准备调整为规定的成分组成的钢水。钢水的N量通过真空精炼和CrN合金的投入来调整。钢水的Ca量通过Ca-Si合金的投入来调整。并且，采用相当于实际操作水平的10℃/分钟左右的冷却速度铸造前述钢水，制作了具有表1的成分组成的高速工具钢的钢锭。

[表1]

※钢锭序号7～9未添加Ca

并且，用倍率500倍的光学式显微镜观察这些钢锭的组织中存在的板状的共晶碳化物的分布状况。观察共晶碳化物的钢锭的位置是在相对于钢锭的高度(H)的H/10的钢锭上部中相对于直径(D)的D/8的位置(也就是说，从外周部向内D/8的位置)。对于观察面，在镜面研磨后使用用于腐蚀共晶碳化物并使其着色的村上试剂进行腐蚀。图1～4示出本发明例的钢锭序号1～3及比较例的钢锭序号9的光学式显微镜照片。在各图中，主要呈板状(层状)的黑色部分是共晶碳化物。

进而，测定上述共晶碳化物之中各层的最大厚度为3μm以上的块状的共晶碳化物占组织中的面积量。面积的定量中使用美国国立卫生研究所(NIH)提供的图像处理软件imageJ(http://imageJ.nih.gov/ij/)、以及它的加装软件即能够分析块状碳化物局部的厚度的boneJ(http：//boneJ.org/)。观察面的总面积约为327000μm²(具体为326890.3μm²)。在表2中示出结果。

[表2]

如图1～3所示，本发明例的高速工具钢的铸造组织中的共晶碳化物的各层的厚度薄，共晶碳化物整体上微细化。与之相对，如图4所示，以往的高速工具钢(序号9)的铸造组织中的共晶碳化物的各层的厚度厚，大量形成最大厚度为3μm以上的块状的共晶碳化物。其中，最大厚度达到7μm以上的共晶碳化物也很多。并且，根据表2的结果，本发明例的高速工具钢中的最大厚度为3μm以上的块状的共晶碳化物的面积量相对于观察面的总面积约为0.6面积%以下的水平，与以往的高速工具钢(序号9)的该值相比变少。

图5是按照与Ca量及N量的关系整理本发明例及比较例的高速工具钢序号1～13中的块状的共晶碳化物的面积量的测定结果而成的图。N量调整为100ppm(0.01%)附近的高速工具钢即便不添加Ca也可抑制块状的共晶碳化物的形成(序号8)。然而，对于作为块状的共晶碳化物的指标的上述3μm以上的厚度来说，序号8的各层的厚度如序号9的高速工具钢(图4)那么厚。另外可知，与序号8的高速工具钢相比，N量被调整到100ppm(0.01%)附近并且进一步添加有本发明量的Ca的本发明例的高速工具钢(序号2、5)的块状的共晶碳化物的形成被进一步抑制并且其各层的厚度也变薄，共晶碳化物整体被微细化的效果显著。另外可知，Ca超过本发明量时，转变为块状的共晶碳化物增加的趋势。

实施例2

设想为本发明的高速工具钢用于切割工具的刀刃时的状况，实施用于评价此时的耐缺口性的3点弯曲的抗弯试验。抗弯试验片按照以下的要点来制作。首先，准备调整为规定的成分组成的钢水。钢水的N量通过脱气精炼来调整。钢水的Ca量通过Ca-Si合金的投入来调整。并且，采用相当于实际操作水平的10℃/分钟左右的冷却速度铸造前述钢水，制作了具有表3的成分组成的高速工具钢的钢锭。关于这些钢锭，钢锭序号14及序号15的组织中存在的共晶碳化物的分布状况分别与实施例1中的钢锭序号2及序号9的情况大致相同。

[表3]

※钢锭序号15未添加ca

接着，对上述的钢锭进行热加工，得到由直径为5mm的退火状态的卷线材形成的刀刃用材料。并且，此时观察卷线材的退火组织中存在的碳化物的分布状况。该观察使用倍率150倍的扫描电子显微镜。并且，对于卷线材的长度方向的截面(纵截面)，观察约546000μm²(具体为546133μm²)的视野，计测绝对最大长度为10μm以上的碳化物的个数。碳化物的计测基于以下要点。首先，在扫描电子显微镜得到的反射电子图像中进行主要形成粗大的碳化物时的主要基于C、W、Mo及V的含量的二值化处理，从而得到表示截面组织中分布的粗大的碳化物的二值化图像。图6是本发明例的序号14及比较例的序号15的二值化图像(碳化物由黑点的分布来表示)。并且，由二值化图像提取绝对最大长度为10μm以上的碳化物，计测该碳化物的个数。在表4中示出计测的结果。

[表4]

另外，设想为实际的施于刀刃的条件的淬火回火，对上述退火状态的卷线材进行始于1190℃的奥氏体化温度的淬火和进行3次在560℃下保持1小时的回火的热处理。然后，对该热处理后的试验片实施3点弯曲的抗弯试验。抗弯试验的试验片的尺寸为直径4mm×长度60mm。此外，试验时的跨度为50mm，测定试验片至断裂为止的最大弯曲应力、即横向断裂强度。在表5中示出结果。

[表5]

本发明例的高速工具钢的情况下，在淬火回火前的退火组织中粗大的碳化物少，在截面组织中未确认到绝对最大长度为25μm以上的碳化物。因而本发明例的高速工具钢在淬火回火后的制品状态下表现出高横向断裂强度。与之相对，比较例的高速工具钢的情况下，认为退火组织中分布的粗大的碳化物仍残留在淬火回火后的组织中，与本发明例相比横向断裂强度低。

Claims

1.一种高速工具钢，其特征在于，以质量%计含有C：0.5～1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0～5.0%、基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%、V：1.0～低于1.5%、Co：5.0～10.0%、余量Fe及杂质，其中，

所述高速工具钢还含有Ca：0.0005～0.004%及N：0.005～0.015%。

2.一种刀刃用材料，其特征在于，由权利要求1所述的高速工具钢形成。

3.根据权利要求2所述的刀刃用材料，其特征在于，截面组织中含有的碳化物的绝对最大长度小于25μm。

4.一种切割工具，其特征在于，将权利要求2或3所述的刀刃用材料焊接于主体材料而成。

5.一种刀刃用材料的制造方法，其特征在于，该方法将高速工具钢铸造成钢锭并对所述钢锭进行热加工，其中，所述高速工具钢以质量%计含有C：0.5～1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0～5.0%、基于计算式(W+2Mo)的W及Mo中的1种或2种：15.0～25.0%、V：1.0～低于1.5%、Co：5.0～10.0%、余量Fe及杂质，

所述高速工具钢的钢锭还含有Ca：0.0005～0.004%及N：0.005～0.015%。