JPH05171373A

JPH05171373A - 粉末高速度工具鋼

Info

Publication number: JPH05171373A
Application number: JP34068891A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishida; 純一西田; Norimasa Uchida; 憲正内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1993-07-09

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、高耐摩耗性、高耐食性およ
び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 1.5%を越え2.6%以下、Ｓi≦1.0
%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 6.0%を越え13.0%以下、Ｗまたはさ
らにＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜30%かつ、Ｖ≦10.0%、Ｎb2.0
〜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。またさらに好ましくは、Ｎｂ＋
Ｖ＞６の関係を満たす。

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、顕著に優れた耐摩耗性と同
時に高い靭性を有し、さらに耐食性の優れた粉末高速度
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。また、近年、プラスチック金型、ドットワイヤー
などの用途によっては耐食性も必要とされる。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58-117863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、また炭化物量も少ないため、耐摩耗
性も不十分である。

【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
を顕著に高めるとともに、高靭性でかつ耐食性に優れた
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ことを知見し
た。

【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、Ｗ＋２Ｍo、および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。すなわ
ち、Ｗ＋２Ｍo量を増すことにより、硬い炭化物を分散
させ、マトリックス中に固溶する合金元素量を増すこと
が有効である。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
1.5%を越え2.6%以下、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 6.0
%を越え13.0%以下、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで14
〜30%、Ｖ≦10.0%、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 1.5%を越え2.6
%以下、Ｓi≦1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr6.0%を越え13.0%以
下、ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで14〜30%、Ｖ≦10.0
%、Ｎb 2.0〜7.0%、但しＮb/Ｖ≧0.5、Ｃo 4.0〜15.0
%、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(Ceq=0.24＋0.033・Ｗ＋0.063・Ｍo＋0.2
Ｖ＋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。また、耐摩耗性を向上するためには、
Ｎｂ＋Ｖ＞６の関係を満たすことが好ましい。

【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1.5〜2.6%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、本発明にお
いて、最も重要な元素の一つであり、6%を越えて添加す
ることにより、耐食性が著しく向上する。また、焼入性
を高め、焼もどし２次硬化性を高める効果もある。しか
し、13%を越えると焼もどし時の炭化物の凝集を速め、
本発明の第１の目的である軟化抵抗を減ずるため13%以
下とした。

【００１４】本発明の目的である顕著な耐摩耗性を付与
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，Ｍ
o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20〜30%とする。20%より少ないと上記
効果が少ない。しかし、Ｗ＋2Ｍoが30%を越えると、連
結した炭化物が急増し、マトリックス中に固溶する合金
元素も極端に多くなって靭性の低下が著しくなるので、
ＷまたはさらにＭoをＷ＋2Ｍoで20〜30%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、10%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、
10%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。
またＮbがＶに対して多くなり過ぎるとＮｂ炭化物が粗
大化する傾向となるためＮｂ/Ｖ≦２を満たすことが望
ましい。

【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。

【００１８】

【実施例】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６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860
℃で焼なまし、結晶粒が粗にならない温度範囲で可能な
限り高い温度で15分間のオーステナイト化を行なった
後、550℃の熱浴焼入を行なった。また、焼もどし温度
は560℃で行なった。なお、表１に示すΔＣはＣ−Ｃeq
の値である。

【００１９】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)、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。こ
の材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、スパン50Lで曲げ試験を行なっ
た。また、アブレッシブ粒子として平均粒径 30μmのＳ
iＯ₂を用い、ＳiＯ₂ 1200ccに対して、20%オレイン酸モ
ータオイル(商品名：トヨタキャステルモーターオイル)
混合液 400ccの割合で配合したスラリー中で40時間 810
rpmの回転速度で摩耗試験を行ない、腐食とアブレッシ
ブ摩耗を並行して起こさせ、摩耗減量を測定した。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〜Ｎo.5
は、Ｎb含有量を変化させたものである。Ｎo.1およびＮ
o.2は、本発明鋼よりもＮbの少ない比較鋼であり、焼入
温度が1210℃を越えて高くなると結晶粒が急激に粗大化
し、抗折力が低下したため、焼入温度を1210℃に設定し
た。しかし、表２に示すように、1210℃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かった。

【００２３】一方、Ｎb量が2%以上、Ｎb/Ｖが0.5以上の
本発明鋼である試料Ｎo.3およびＮo.4では、Ｎbの結晶
粒微細化の効果により、焼入温度 1250℃でも結晶粒の
粗大化が起こらず、1250℃の焼入温度が適用でき、この
焼入により比較鋼である試料Ｎo.1および試料Ｎo.2に比
べ、高い硬さ、高い焼もどし軟化抵抗および少ない摩耗
減量となった。また、Ｎb量が7%を越える比較鋼である
試料Ｎo.5は、5μm以上のＮbＣの巨大炭化物が多く発生
し、抗折強度が著しく低下した。

【００２４】また、本発明鋼である試料Ｎo.6は、Ｎb＋
Ｖの値が6%以下であるため、ＭＣ炭化物量が少なく摩耗
減量がやや大きくなった。また、Ｖが7%を越える本発明
鋼である試料Ｎo.7は、最も耐摩耗性が優れたものとな
った。また、Ｃが2.6%を越える比較鋼である試料Ｎo.8
では、ＭＣ型炭化物が増加し過ぎ抗折力が著しく低下し
た。また、Ｍoのない本発明鋼である試料Ｎo.9はほぼ同
一組成である試料Ｎo.6とほぼ同等の特性が得られるこ
とがわかった。

【００２５】表１に示す合金のうち試料Ｎo.10〜12は、
Ｃr量を変えたものである。Ｃr量が6%以下の試料Ｎo.10
は、本発明鋼である試料Ｎo.11に比べ摩耗減量が多く耐
食性が劣っていた。また、Ｃr量が13%を越える試料Ｎo.
12は、Ｃrが過度に多いため、抗折力が低下した。

【００２６】（実施例２）実施例１と同様に、表３に示
す試料を得た。ここでΔＣはＣ−Ｃeqの値である。ま
た、表３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、摩耗減量お
よび抗折力を測定した。結果を表４に示す。表３中の試
料Ｎo.13〜Ｎo.16はＷ＋2Ｍo量を変化させたものであ
り、Ｗ＋2Ｍo量の14%以下である比較例である試料Ｎo.1
3はマトリックス中に固溶し得る合金元素量が不十分で
あり、本発明鋼である試料Ｎo.14およびＮo.15に比べ
て、焼もどし軟化抵抗が低い。一方、Ｗ＋2Ｍo量が30%
を越える比較例である試料Ｎo.16は抗折力が著しく低下
し好ましくないものであった。

【００２７】また、表３中の試料Ｎo.17〜Ｎo.19は、Δ
Ｃ量の特性への影響を確認するために、Ｃ量を変化させ
たものである。ΔＣ量が-0.30未満の比較例である試料
Ｎo.17は、本発明鋼である試料Ｎo.18に比べ硬さも低
く、焼もどし軟化抵抗も低いものとなり、好ましくない
ものであった。一方、ΔＣ量が0.05を越える試料Ｎo.19
は、本発明鋼である試料Ｎo.18に比べ抗折力が低下し好
ましくないものであった。

【００２８】また、本発明鋼のうち試料Ｎo.20〜Ｎo.23
はＣoを含む鋼であり、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、Ｃoの添加によりＣoのな
いものに比べ焼もどし軟化抵抗が改善されたことがわか
る。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量が15%を越える比較鋼である試料Ｎo.23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３】

【００３０】

【表４】

【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。さら
に、耐食性が従来と比べ改善され、腐食環境下でも使用
可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でＣ 1.5%を越え2.6%以下、Ｓi≦
1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 6.0%を越え13.0%以下、Ｗまたは
さらにＭoをＷ＋2Ｍoで14〜30%、Ｖ≦10.0%、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＋0.063・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。
【請求項２】重量比でＣ 1.5%を越え2.6%以下、Ｓi≦
1.0%、Ｍn≦0.6%、Ｃr 6.0%を越え13.0%以下、Ｗまたは
さらにＭoをＷ＋2Ｍoで 14〜30%、Ｖ≦10.0%、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。
【請求項３】重量比でＮb＋Ｖ＞6%であることを特徴
とする請求項１ないし２に記載の粉末高速度工具鋼。