JPH0128809B2 - - Google Patents

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JPH0128809B2
JPH0128809B2 JP57195105A JP19510582A JPH0128809B2 JP H0128809 B2 JPH0128809 B2 JP H0128809B2 JP 57195105 A JP57195105 A JP 57195105A JP 19510582 A JP19510582 A JP 19510582A JP H0128809 B2 JPH0128809 B2 JP H0128809B2
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JP
Japan
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laser
carbides
speed
hardness
tempering
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JP57195105A
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JPS5983718A (ja
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Yoshio Ashida
Juichi Seki
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速度鋼の特性殊に切削性能を改善
する為の表面処理方法に関するものである。
一般の高速度鋼中にはW,Mo,Cr,V等の合
金元素からなる1次炭化物が多量含まれており
(通常焼入状態で10重量%前後)、切削性能の向上
に多大な影響を与えている。そして切削性向上に
関する研究は上記1次炭化物の形態に着目したも
のが多く、基本的には下記2つの流れに分けるこ
とができる。
(1) 1次炭化物量の増加 Mo,W,V等の炭化物生成元素を、それに見
合う量のCと共に多量添加し、1次炭化物量を増
加させることによつて耐摩耗性を高めようとする
ものであり、硬質のMC型炭化物を形成するVの
効果が最も大きいとされている。そしてJIS規格
では1968年に高C−高V系のSKH53、SKH54、
SKH57等が追加され、その後も更に合金元素量
を増加或いは調整したものが開発されつつある。
しかし何れにしても、1次炭化物を増加させたも
のは偏析が生じ易く、又角状の粗大炭化物も増加
して靭性が極端に劣化するという問題があり、更
に合金元素量が多く価格が高騰するという事情も
あつて、現在のところ特殊な用途(難削材の加
工)に使用されているにすぎない。
(2) 1次炭化物の偏析の軽減及び微細化 高速度鋼の切削性能を向上させるに当つては、
耐摩耗性の他靭性も改善する必要がある。特に高
V系高速度鋼の様に1次炭化物を多く含有するも
のでは、靭性の改善が特に重要となり、その為に
は1次炭化物の偏析を軽減すると共に、その結晶
を微細化するのが有効である。こうした基本思想
に沿う代表的な改善策としてESR法と粉末冶金
法が挙げられる。しかし前者のESR法では、1
次炭化物の偏析は相当抑制されるものの炭化物粒
度は粗大化する傾向があり、又元々炭化物の分布
が均一な小物部品には効果が少なく、且つ製造工
程が複雑であるので価格も高騰する。また後者の
粉末冶金法の場合は、1次炭化物の偏析がなく且
つ粒子も微細化されるものでは靭性は相当改善さ
れるものの、通常の溶解材と同成分では耐摩耗性
が劣化する傾向があり、しかも製造工程が複雑で
製品コストが高くなる。
この様に従来法では、高速度鋼の耐摩耗性を高
めようとすると靭性が犠性となり、靭性を改善し
ようとすると経済性に問題がでてくる。従つて靭
性を劣化させることなく耐摩耗性を高めることが
でき、しかも容易且つ廉価に生産し得る様な技術
の開発が待たれている。
本発明者等はこうした状況を踏まえ、合金成分
量の調整だけでは本質的な改善を図ることが困難
であると考え、成形後の表面処理法を工夫するこ
とによつて表面特性を改善すべく鋭意研究を進め
てきた。本発明はかかる研究の結果完成されたも
のであつて、その構成は、焼入れ処理した高速度
鋼の表面にレーザービームを、吸収エネルギー密
度2000J/cm2以上、ビームと被処理物との相対移
動速度(以下ビーム移動速度という)2〜5m/
分以上で照射して鋼表面を溶融し、表面層の1次
炭化物をマトリツクス中に固溶せしめ、その後焼
戻し処理することによつて固溶した炭化物を微細
析出させるところに要旨が存在する。
本発明では高速度鋼を一且焼入れ処理した後、
その表面に高エネルギー密度のレーザービームを
特定速度以上の移動速度で照射させることによつ
て表面の1次炭化物をマトリツクス中に固溶さ
せ、靭性に悪影響を及ぼす1次炭化物を殆んど含
まない表面層を形成させると共に、その後の焼戻
しによつて固溶した炭化物を微細析出させ、2次
硬化量を大幅に増大させることによつて耐摩耗
性、ひいては切削性能の向上を図つたものであ
る。
以下実験経過を追つて本発明の構成及び作用効
果を明確にしていく。
一般にレーザーは非常に高いエネルギー密度を
有しており、材料表面に局部的な急熱急冷を与え
ることができる。特に表面のみを溶融させること
によつて得られる急冷凝固層の組織は、通常の熱
処理組織に比べて1次炭化物の形態、合金元素の
固溶析出状態、結晶粒径等の点でかなりの違いが
期待され、硬度をはじめ機械的性質を大幅に高め
る可能性がある。そこでまず高速度鋼として
SKH9の焼入れ処理材を選択し、下記の条件でレ
ーザービーム照射処理を行つた場合のレーザー照
射部とその影響を受けていない母材部分との内部
組織を光学顕微鏡により比較した。
〔照射条件〕
熱 源:CO2レーザー 出 力:3KW〜5KW エネルギー密度:2300〜4300J/cm2 ビーム移動速度:5m/秒 冷 却:自然冷却 その結果は第1図(レーザー照射部の図面代用
顕微鏡写真)、及び第2図(母材部の図面代用顕
微鏡写真)に示す通りであり、通常の熱処理材
(母材:第2図)では多く認められる1次炭化物
が、レーザー照射部(第1図)では完全に消滅し
ており、レーザー照射により1次炭化物がマトリ
ツクス中に固溶し極めて均一な結晶組織が得られ
ている。
またこのレーザー照射処理材について焼戻し処
理温度と2次硬化の関係を調べたところ、第3図
の結果が得られた。この図よりレーザー照射の影
響を受けていない母材部分では、焼戻し温度を上
げるにつれて硬度は低下し、特に焼戻し温度が約
600℃を越えると硬度は急激に低下する。これに
対しレーザー照射部では異質の傾向が見られ、
500〜600℃の焼戻しによつて急激な2次硬化を生
じ、最終製品表層部(レーザー照射部)の焼戻し
硬さはHv1100まで上昇し、焼戻し軟化抵抗も優
れていることが確認された。又第4図は、レーザ
ービーム出力を3KW又は5KWとし焼戻し温度を
550℃に設定した他は上記と同様の処理を行い、
表面からの距離と硬度との関係を調べた実験グラ
フである。この図より、レーザー出力を3KWと
するとレーザー照射面から約700μm、5KWとす
る約1200μmの深さに亘つて表面硬化層が得られ
ており、レーザー出力を高めるにつれて2次硬化
層を深くすることができる。しかし硬化層の硬度
はほぼHv1100で一定値を示しており、硬度に与
えるレーザー出力の影響は殆んど認められない。
第5図はレーザー照射後550℃で1時間焼入れ
を行つた高切削鋼について、表層部硬化層(レー
ザー処理部)と母材(通常熱処理部)との耐摩耗
性を比較した実験グラフである。尚試験条件は下
記の通りとした。
〔試験条件〕
試験法:大越式摩耗試験 相手材:SUJ2,1.5mm巾 ×30mm径 (HRC=
60) 摩擦距離:400m 荷 重:3.3Kg この図からも明らかな様に、レーザー照射によ
る表面硬化層は特に高速摩耗域で優れた耐摩耗性
を示した。
第6図は本発明のレーザー照射材と通常の熱処
理材を用いて作製した切削具を使用し、下記の条
件で連続切削試験を行つた実験グラフである。
〔切削条件〕
バイト取付角:0−15−6−6−15−15−
R0.4 突出量:34mm 切込量:1.5mm 送 り:0.2mm 被削材:SNCM8(HRC32) 潤 滑:なし 寿命判定:完全寿命 又第7図は同様の切削条件(但し被削材は90゜
毎に巾10mmの溝付けを付したものとし、寿命判定
はVBmax=0.6mmとした)で行つた断続切削試験
結果を示したものである。
第6,7図からも明らかな様に、本発明法に従
つてレーザー照射及び焼戻し処理を行つたもの
は、従来の熱処理材に比べて優れた切削性を有し
ている。殊に高度の靭性が要求される断続切削に
おいても優れた性能を有していることが分かる。
この様に本発明では、焼入れ処理後表面にレー
ザービームを照射することによつて、表層部にお
ける粗大1次炭化物の析出をなくすと共に、その
後に行われる特定温度の焼戻し処理により2次硬
化を著しく促進せしめ、もつて硬度及び靭性の双
方を高めて切削性を大幅に改善することができ
る。しかしこうした効果はレーザービーム照射時
の吸収エネルギー密度及びビーム移動速度によつ
て相当変動する傾向があり、目的達成の為には吸
収エネルギー密度を2000J/cm2以上、ビーム移動
速度を2〜5m/分以上に設定しなければならな
い。但し吸収エネルギー密度とは次式より算出さ
れる値を言う。
吸収エネルギー密度(J/cm2)=出力(KW)×3.6×10
6/〔ビーム移動速度(cm/分)×ビーム径(cm)×60
(分)〕×吸収率 この様にレーザー照射条件を設定した理由は次
の通りである。即ち吸収エネルギー密度について
は、前記第5図で該密度を大きくする程硬化層を
深くすることができることを明らかにしたが、レ
ーザー照射による溶融層(即ち硬化層)の深さと
吸収エネルギー密度の関係を更に詳細に検討した
ところ、第8図に示す結果が得られた。この図か
らも明らかな様に、レーザー照射によつて表層部
に硬化層を形成する為には、吸収エネルギー密度
を少なくとも2000J/cm2以上としなければならな
いことが分かる。そしてこれ以上であれば吸収エ
ネルギー密度を大きくする程焼戻し処理後の硬化
層は深くなり切削性は向上するが、この照射効果
は約4000J/cm2で飽和状態に達し、それ以上の吸
収エネルギー密度の増大はレーザー発生装置の出
力を無為に増大するだけとなる。一方第9図は、
ビーム移動速度とレーザー処理ままの炭化物の体
積率並びにその後の焼戻し処理(550℃×1hr)を
施したときの硬さとの関係を示した実験グラフで
あり、この図より、レーザー照射による硬化促進
効果を有意に発揮させる為には、ビーム移動速度
を200cm/分以上に設定しなければならない。し
かしビーム移動速度が早過ぎる場合は、レーザー
照射部に所定の吸収エネルギー密度を与えること
ができず、満足のいく硬さの硬化層が得られなく
なる。しかも硬化層の深さが不十分になるばかり
でなく表面に凹凸ができ易くなり、仕上げ加工に
よりこの凹凸を研削除去すると硬化層が更に浅く
なるといつた問題が生じてくる。この様なところ
から、ビーム移動速度は500cm/分以下に抑えな
ければなない。
ところで高速度鋼の表面硬度を高めるのにレー
ザービーム照射を利用する技術は特開昭55−
62119号公報にも開示されている。しかしこの技
術は、公開明細書の記載からも明らかな様に、焼
入れ・焼戻処理した高速度鋼工具の表面にレーザ
ービームを照射し急速加熱、自己冷却を行うもの
であり、本発明の様に焼入処理後のレーザー照
射によつて表層部の組織を殆んど炭化物を含まな
いものとし〔炭化物の大きさ1μm以下:第1図、
同体積率2%以下:第9図〕、且つレーザー照
射後の焼戻処理により2次硬化させて表面硬度を
飛躍的に高める、という思想は全く示されていな
い。ちなみに本発明では上記の組織を得る為に
ビーム移動速度を200〜500cm/分以上に設定する
ことが不可欠であるが、前記公開発明に示された
同移動速度は40cm/分と極めて遅く、また最終製
品の表面硬度にしても前記公開発明では高々HR
C69(Hv約1000)であるのに対し、本発明では
Hv1100程度まで高めることができる。
本発明は概略以上の様に構成されており、靭性
を低下させることなく硬さを大幅に改善すること
ができ、切削性能の卓越した高速度鋼を提供し得
ることになつた。
【図面の簡単な説明】
第1,2図は鋼材組織を示す図面代用顕微鏡写
真、第3図は焼戻処理温度と硬さの関係を示すグ
ラフ、第4図はレーザー照射面からの距離と硬さ
の関係を示すグラフ、第5図は摩擦速度と比摩耗
量の関係を示すグラフ、第6図は衝撃回数と切削
速度の関係を示すグラフ、第7図は切削速度と切
削時間を示すグラフ、第8図は吸収エネルギー密
度と溶融層(硬化層)の深さの関係を示すグラ
フ、第9図はビーム移動速度と硬さ及び炭化物の
体積率の関係を示すグラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 焼入れ処理した高速度鋼の表面にレーザービ
    ームを、吸収エネルギー密度2000J/cm2以上、ビ
    ーム移動速度2〜5m/分で照射して鋼表面を溶
    融し、表面層の1次炭化物をマトリツクス中に固
    溶せしめ、その後焼戻し処理することにより固溶
    した炭化物を微細析出せしめることを特徴とする
    高速度鋼の表面処理方法。
JP19510582A 1982-11-05 1982-11-05 高速度鋼の表面処理方法 Granted JPS5983718A (ja)

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