JP4218239B2 - 積層による工具鋼鋼材の製造方法と工具鋼鋼材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化物組織が微細で、偏析の少ない工具鋼とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高い硬さと靭性が要求される工具鋼は、微細な炭化物を有し偏析の少ないことが要求される。
【０００３】
同じ炭素量、合金量の鋼の炭化物の粒度は、ほぼ鋼塊の鋳造時の冷却速度により定まり、冷却速度が大きいほど微細化する。したがって、微細な炭化物を得るには冷却速度を大きくするように鋼塊の大きさを小さくする必要がある。
【０００４】
また、鋳造時の冷却速度が大きいほど鋼塊内外の凝固速度の差が小さくなり、炭化物や合金元素、あるいは不純物の偏析も少なくなる。したがって、偏析が少ない鋼材を得るには、炭化物粒度の微細化と同様に鋼塊の大きさを小さくして冷却速度を大きくする必要がある。上記の傾向は、とくに高速度工具鋼のように高炭素・高合金鋼において著しい。
【０００５】
一方、鋼塊からの鍛造比を大きくすると鋼材の偏析が改善されるが、鍛造比を大きくするためには鋼塊を大きくしなければならないという矛盾がある。また、鋼塊を小さくすると、通常の方法では鍛造比が十分取れず、寸法の大きい鋼材が製造できないという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このため、高速度工具鋼においては、冷却速度の速い高速度工具鋼粉末を作製し、これを焼結、熱間加工して成形する粉末高速度工具鋼が開発されている。しかしながら、粉末高速度工具鋼はコストが高くつくという問題点がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を解決して、通常の鋳造鋼塊から粉末工具鋼に匹敵する炭化物粒度が小さく偏析の少ない工具鋼を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の工具鋼鋼材とその製造方法は、複数の鋼片を積層し、熱間加工により該鋼片を圧着して成形することを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明の方法によれば、小型の鋼片を積層して熱圧着して成形するので、
▲１▼鋳造時の炭化物粒度が小さく偏析の少ない小鋼塊の鋼片が使用でき、炭化物粒度が小さく偏析の少ない鋼材が容易に得られる。
▲２▼得られる鋼材には、鋼片加工の鍛造比に積層圧着加工の鍛造比が加重されるので、大きな鍛造比が得られ、非金属介在物などが微細化され、偏析が改善される。
▲３▼特にＳを含む快削鋼においては、Ｓ介在物が破砕されて組織中に微細に分散されるので、鋼の靭性を損なうことなく、切削性と潤滑性を増す。
▲４▼また、積層の数を増すことにより大型の工具鋼も製造できるという特徴がある。
【００１０】
ここで工具鋼鋼材とは、０．１〜２．０％のＣを含有する炭素鋼や、これにＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖなどの合金元素を含む合金鋼をいい、例えばＪＩＳに規定される炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼などと同等の鋼種をいう。また、鋼片とは、鋳型鋳造や連続鋳造の鋼塊から加工されたビレット、スラブなどの他、角棒鋼、板材など含むものである。圧着における熱間加工は、プレス又はハンマによる加工、あるいは圧延による加工などをいう。
【００１１】
前記複数の鋼片の積層は５層以上であり、鋳造体から鋼材までの鍛造比が２０以上であることが望ましい。このようにすれば、大きな鍛造比を得ることができるので、偏析が十分に改善される。鍛造比が２０以下では偏析の改善が十分に行われない。また、それぞれの鋼片の偏析の影響を少なくするためには、多層であるほど望ましく、５層以上、より好ましくは１０層以上とする。
【００１２】
前記熱間加工による圧着工程を２回以上行い、該圧着工程の中間に接着面の拡散を図る拡散熱処理の工程を挟むことが望ましい。こうすれば、積層鋼片の接着面が相互に拡散されるので、圧着が十分に行われ均一性が増す。
【００１３】
前記工具鋼鋼材は、０．０３質量％を越えるＳを含有する鋼材の場合に効果が著しい。通常ＪＩＳに規定される工具鋼は、熱間脆性を防ぐためにＳを０．０３質量％以下に規定している。しかし、Ｓは切削工具の潤滑性と被削鋼材の快削性を増すために、Ｓを０．０３質量％を越えて添加する場合がある。このＳは微細な硫化物として分布させることが望ましいが、鋳造状態では粗大な介在物を形成して鋼を脆化する。本発明の方法によれば、このようなＳ介在物が破砕されて組織中に微細に分散されるので、鋼の靭性を損なうことなく、切削性と潤滑性を増す。本発明は、０．０５質量％以上のＳ量の鋼材において一層効果が発揮される。
【００１４】
本発明はストリップキャストにより連続鋳造された鋼片を積層する場合に効果が大きい。ストリップキャストは鋼塊の厚さが薄く冷却速度が大きいので、炭化物が微細で偏析の少ない鋼塊が得られる。したがって、これを積層すれば一層微細な炭化物と少ない偏析の鋼材が得られる。この場合、鋼片はアズキャストのまま積層しても良いし、一度圧延などにより板材に加工して積層しても良い。
【００１５】
本発明は、前記工具鋼鋼材が高速度工具鋼である場合に効果が大きい。高速度工具鋼は高炭素、高合金であるので、炭化物が粗大化しやすく偏析が生じやすい。本発明によれば、炭化物が微細化され偏析が改善されるので、鋼材の靭性が増し高い切削性能が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
【実施例】
［実施例１］
まず実験的に効果を確認するために表１に示す成分の実験鋼塊を作製し、図１に示す工程で積層実験を行った。
【００１７】
【表１】

【００１８】
すなわち図１に示すように、上記成分の１００ｍｍ角の実験鋼塊を鋳造し、これを鍛造により２０×１００ｍｍの偏平断面の鋼片に成形した。この際の鍛造比は５である。この鋼片を表面研磨、洗浄し、７枚積層した１４０×１００ｍｍ角断面の鋼片を１１５０℃に加熱し５２×１４０ｍｍの偏平断面に熱間プレス加工して、積層材を圧着成形した（Ａ試料）。この場合の元鋼塊からの鍛造比は１０である。この鋼片を１１５０℃×１０ｈ加熱して拡散処理を行った。
【００１９】
その後、この鋼片を鍛造により６０ｍｍ角（Ｂ試料：鋼塊からの鍛造比１９）、３０ｍｍ角（Ｃ試料：鋼塊からの鍛造比７６）及び１５ｍｍ角（Ｄ試料：鋼塊からの鍛造比３０５）に鍛造成形した。
【００２０】
前記の積層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ試料について、同成分の粉末高速度工具鋼（粉末材Ｅ試料）及び従来の溶製材（Ｆ試料）と機械的性質を比較した。これらの試料を６６ＨＲＣの硬さに焼入れして、抗折力と１０Ｒシャルピー衝撃値を比較した結果を図２及び図３に示す。図中の試料記号Ｌ，ＬＴ，ＳＴは図４に示すように、それぞれ鋼材の長さ方向、幅方向及び厚さ方向から採取した試料位置を示す。なお、試料記号Ｌの長手方向が鍛造・圧延方向に対応する。
【００２１】
図２及び３の試験結果の抗折力と１０Ｒシャルピー衝撃値の値はほぼ同じ傾向を示すが、鍛造比１０の５２×１４０ｍｍ断面の積層Ａ試料のＳＴ方向の値はＬＴ方向の値の約半分であり、鍛造比１０では積層方向の機械的性質が十分得られないことが判った。鍛造比１９の６０ｍｍ角断面のＢ試料になるとＳＴ方向の値は改善されており、鍛造比が２０以上必要なことが判った。
【００２２】
図２の積層Ｂ，Ｃ，Ｄ試料のＬ方向の抗折力はともに粉末材試料Ｅに匹敵し、図３の衝撃値については粉末材にやや劣るが溶製材より優れている。
【００２３】
図５、６、７、８は本発明の積層Ｂ試料、積層Ｃ試料、粉末材Ｅ試料及び溶製材Ｆ試料の顕微鏡組織を示す。図５、６の積層Ｂ、Ｃ試料は図７の粉末材Ｅ試料に比すると炭化物も偏析もやや大きいが、図８の溶製材Ｆ試料に比して炭化物が小さく縞状偏析が改善されている。とくに鍛造比の大きい積層Ｃ試料の炭化物、縞状偏析は著しく改善されている。前述の積層材の衝撃値が粉末材に劣る原因は炭化物の粒度に関係すると思われる。
【００２４】
上記実験結果から、本発明の積層による工具鋼鋼材の製造方法によれば、従来の溶製材より性能が大幅に改善され、粉末材に近い性能が得られることが判ったので、以下の大型鋼塊による実験を行った。
【００２５】
［実施例２］
実施例２においては、表２に示す成分の快削工具鋼の大型の鋼塊により実験を行った。本工具鋼は快削性を増すためにＳが添加されたものである。図９にその製造工程を示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
すなわち、断面直径６００ｍｍの鋼塊を製造し、鍛造及び圧延により断面２．５ｍｍ×４００ｍｍの積層用鋼片を準備し、この鋼片を２．５ｍｍ×１００ｍｍ１５００ｍｍに切断して１００枚積層し、断面１００ｍｍ×１００ｍｍに圧延した。このときの鋼塊からの鍛造比は２８２７である。また、比較材として同成分の鍛造比９の鋼材を準備した。これらの材料を焼入れ焼戻しして硬さ３９ＨＲＣに調整し、Ｓ介在物（ＭｎＳ）の光学顕微鏡観察、２Ｕシャルピ試験を行った。またこれらの鋼材にドリル穿孔試験を行い被削性を比較した。
【００２８】
図１０、１１に介在物形態の顕微鏡組織を示す。図１１の比較材は、大きくかつ楕円形をしたＭｎＳが存在しているが、本発明積層圧延材はＭｎＳが線状に延ばされて分断されていることが判る。
【００２９】
２Ｕシャルピ衝撃値を表３に示す。積層圧延材は比較材に対してＴ方向では同等であったがＬ方向では優れた値を示した。
【００３０】
【表３】

【００３１】
これらの鋼材にドリル穿孔試験を行った結果を表４に示す。ドリル穿孔試験の条件は、φ４ｍｍのＨＳＳ−Ｃｏドリルを使用し、回転数１５９２ｒｐｍ、送り速度１５９．２ｍｍ／ｍｉｎ、突出し量５５ｍｍ、孔深さ４０ｍｍで、ドリル折損までの孔あけ数で評価した。
【００３２】
【表４】

【００３３】
表からみられるように、本発明積層圧延材は比較材の約２倍の孔あけが可能であり、本発明により被削性が大幅に改善されることが判った。
【００３４】
以上説明したように、本発明の積層による工具鋼鋼材の製造方法によれば、複数の鋼片を積層し熱間加工により圧着して成形するので、炭化物粒度が小さく偏析の少ない小鋼塊の鋼片が使用でき、炭化物粒度が小さく偏析の少ない鋼材成品が容易に得られる。また、鋼片加工時の鍛造比に積層圧着加工の鍛造比が加重されて大きな鍛造比が得られるので、非金属介在物などが微細化され、偏析が改善される。さらに、積層の数を増すことにより大型の工具鋼も製造できる。
【００３５】
積層する鋼片には、鋳型鋳造や連続鋳造の鋼塊から加工したビレット、スラブなどの他、角棒鋼、板材なども使用できる。圧着の熱間加工は、プレス又はハンマによる加工、あるいは圧延による加工が適用できる。
【００３６】
鋳造体から鋼材までの鍛造比を２０以上にとることにより、偏析の改善が十分に行われる。
【００３７】
また、複数回の熱間圧着工程の中間に接着面の拡散を図る拡散熱処理の工程を挟むことにより、積層鋼片の接着面が相互に拡散されて圧着が十分に行われ均一性が増す。
【００３８】
本発明の製造方法は、０．０３質量％を越えるＳを含有する快削性の工具鋼鋼材の場合にも、Ｓ介在物が破砕されて微細に分布するので、鋼の靭性を損なうことなく、切削性と潤滑性を増す。本発明は０．０５質量％以上のＳ量の場合に一層効果が発揮される。
【００３９】
また、ストリップキャストにより連続鋳造された鋼塊は、冷却速度が大きく炭化物が微細で偏析の少ない鋼塊が得られるので、この鋼片を積層すれば一層微細な炭化物と少ない偏析の鋼材が得られる。この場合、鋼片はアズキャストのまま積層しても良いし、一度圧延などにより板材に加工して積層しても良い。
【００４０】
また、本発明は、炭化物が粗大化しやすく偏析が生じやすい高炭素、高合金の高速度工具鋼において効果が大きく、炭化物が微細化され偏析が改善されるので、鋼材の靭性が増し高い切削性能が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の積層による工具鋼鋼材の製造方法と工具鋼鋼材によれば、溶製鋼塊を使用して粉末工具鋼に近い性能の工具鋼が得られるので、安価に性能の高い工具鋼が得られ、産業の発達に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例１の製造工程を示すフローチャート
【図２】 本発明実施例１の積層高速度工具鋼の抗折力を比較した図
【図３】 本発明実施例１の積層高速度工具鋼のシャルピ値を比較した図
【図４】 本発明実施例１の試験片の採取位置を示す図
【図５】 本発明実施例１の積層Ｂ試料（Ｓ６０）の顕微鏡組織
【図６】 本発明実施例１の積層Ｃ試料（Ｓ３０）の顕微鏡組織
【図７】 実施例１の比較材とした粉末材Ｅ試料の顕微鏡組織
【図８】 実施例１の比較材とした溶製材Ｆ試料の顕微鏡組織
【図９】 本発明実施例２の製造工程を示すフローチャート
【図１０】 本発明実施例２の積層工具鋼の線材の顕微鏡組織
【図１１】 実施例２の比較材とした工具鋼線材の顕微鏡組織

Claims (8)

1. 複数の鋼片を積層し、熱間加工により該鋼片を圧着して成形する工具鋼鋼材の製造方法において、該工具鋼鋼材は、０．０３質量％を越えるＳを含有する鋼材であり、前記熱間加工は圧着工程を２回以上行い、該圧着工程の中間に接着面の拡散を図る拡散熱処理の工程を挟むことを特徴とする工具鋼鋼材の製造方法。
2. 前記複数の鋼片の積層は５層以上であり、鋳造体から鋼材までの鍛造比が２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の工具鋼鋼材の製造方法。
3. 前記鋼片はストリップキャストにより連続鋳造された鋼片であることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具鋼鋼材の製造方法。
4. 前記工具鋼鋼材は、高速度工具鋼であることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具鋼鋼材の製造方法。
5. 複数の鋼片を積層し、熱間加工により該鋼片を圧着して成形した工具鋼鋼材において、該工具鋼鋼材は、０．０３質量％を越えるＳを含有する鋼材であり、前記熱間加工は圧着工程を２回以上行い、該圧着工程の中間に接着面の拡散を図る拡散熱処理の工程を挟むことを特徴とする工具鋼鋼材。
6. 前記複数の鋼片の積層は５層以上であり、鋳造体から鋼材までの鍛造比が２０以上であることを特徴とする請求項５に記載の工具鋼鋼材。
7. 前記鋼片はストリップキャストにより鋳造されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の工具鋼鋼材。
8. 前記工具鋼鋼材は、高速度工具鋼であることを特徴とする請求項５又は６に記載の工具鋼鋼材。

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