JPH05163551A - 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し、高靭性も併せもつ粉末高速
度工具鋼を提供する。 【構成】 重量比でＣ 0.7〜2.0%、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.
6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで14
〜20%かつ、Ｖ≦5.0%、Ｎb 2.0〜7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.
5、好ましくはさらに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C
eq=0.24＋0.033・Ｗ＋0.063・Ｍo＋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、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。そこで、本発明は工具使
用条件の高速化に対応できる高温焼もどし軟化抵抗特性
を高め、かつ高靭性の粉末高速度工具鋼の提供を課題と
する。

【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。

【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、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。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
0.7〜2.0%、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、
ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜20%かつ、Ｖ≦5.0
%、Ｎb 2.0〜7.0%、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 0.7〜2.0%、Ｓ
i≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、Ｗまたはさらに
ＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜20%かつ、Ｖ≦5.0%、Ｎb 2.0〜7.
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(C
eq=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0.7〜2.0%の範囲とＣ-Ｃeqの値が-0.3
00.05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】また、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，Ｍo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
〜20%とする。14%より少ないと上記効果が少ない。しか
し、Ｗ＋2Ｍoが20%を越えると、連結した炭化物が増加
し、マトリックス中に固溶する合金元素も多くなって靭
性が低下するので、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで14
〜20%とする。

【００１５】Ｖもまた耐摩耗性を高めるのに有効な元素
である。耐摩耗性の目的からは、できるだけ多く含有さ
せたい。しかし、5%を越えると粗大なＭＣ型炭化物が晶
出し易くなり、靭性や工具の被研削性を害するので、5%
以下とした。Ｎbは、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%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。また、Ｃｏ添加による焼きもどし軟化抵抗を著しく
向上するためにはＣｏは4%以上含有することが好まし
い。

【００１８】

【実施例】

（実施例１）表１に窒素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86
0℃で焼なまし、表２に示す熱処理条件で15分間のオー
ステナイト化を行なった後、550℃の熱浴焼入を行ない
試料を得た。なお、焼もどし温度は560℃で行った。な
お、表１中のΔＣはＣ−Ｃeqの値である。

【００１９】この試料の焼もどし後の硬さ、インターセ
プト法による結晶粒度(焼入後)および各試料を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。また、この試料の靭性を評価す
るため、上記した焼入れ,焼もどしの熱処理を施した
後、支点間距離 50mmの試験片で曲げ試験を行なった。
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.1〜5は、
Ｖ量およびＮb量を変化させたものである。Ｎo.1および
Ｎo.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280kgf/mm²以下となるため焼入温度
を1200℃に設定した。しかし、表２に示すようにこの12
00℃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いも
のであった。また、試料Ｎo.3およびＮo.4は本発明鋼で
あり、表２より1250℃の焼入温度において、比較鋼に比
べ高い焼もどし軟化抵抗、高い硬さおよび280kgf/mm²以
上の高い抗折力を有することが確認できた。また、試料
Ｎo.5は、Ｎb量が本発明の規定範囲を越えた比較鋼であ
り、5μm以上のＮbＣの巨大炭化物が発生し、抗折強度
が著しく低下していた。

【００２３】また、試料Ｎo.6〜8は、Ｗ量およびＭo量
を変えることによってＷ＋2Ｍoの値を変化させたもので
ある。試料Ｎo.6は、Ｗ＋2Ｍoの値が13.1%と低く、マト
リックス中に固溶し得る合金元素量が不十分で、本発明
鋼試料Ｎo.7に比べ、熱処理後の硬さおよび焼もどし軟
化抵抗が低いものであった。また、試料Ｎo.8は、Ｗ＋2
Ｍoの値が21.1%と高すぎるために抗折力が280kgf/mm²以
下に低下し好ましくないものであった。

【００２４】（実施例２）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３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、焼もどし軟化抵抗および抗折力を測
定した。結果を表４に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】表４よりΔＣの値が-0.30未満である試料
Ｎo.9およびΔＣの値が0.05を越える試料Ｎo.12は、本
発明鋼である試料Ｎo.10およびＮo.11に比べて硬さ、焼
もどし軟化抵抗および抗折力のいずれかが劣り好ましく
ないことが確認された。

【００２８】（実施例３）実施例１と同様にして表５に
示す試料を得た。また、表５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
抵抗および抗折力を測定した。結果を表６に示す。試料
Ｎo.13〜17は本発明鋼であり、HRC67以上の硬さと、HRC
58以上の焼もどし軟化抵抗と280kgf/mm²以上の抗折力を
有する材料であることが確認できた。また、本発明鋼の
うち試料Ｎo.15〜17はＣoを含む試料であり、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、Ｃ
oの添加により焼もどし軟化抵抗が改善された。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、Ｃoの添
加量が15%を越える比較鋼である試料Ｎo.18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。

【００２９】

【表５】

【００３０】

【表６】

【００３１】

【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 0.7〜2.0%、Ｓi≦1.0%、Ｍn
   ≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍo
   で 14〜20%かつ、Ｖ≦5.0%、Ｎb 2.0〜7.0%、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＋0.0
   63・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 0.7〜2.0%、Ｓi≦1.0%、Ｍn
   ≦0.6%、Ｃr 3.0〜6.0%、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍo
   で 14〜20%かつ、Ｖ≦5.0%、Ｎb 2.0〜7.0%、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。