JPH0524220B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、焼結高合金鋼の製造方法に関し、さ
らに詳しくは、切削工具、金型および圧延ロール
用高性能工具材料として適した焼結高合金鋼の製
造方法に関する。 従来の技術およびその問題点 近年、金属材料の素形材加工に対して、高精度
化、低コスト化が要求されるとともに、かつ、被
加工材の高硬度化あるいは加工速度の高速度化な
ど、加工条件も一層苛酷なものとなり、より高性
能な切削工具、金型および圧延ロール用工具材料
が求められている。 このため、切削工具では高速度鋼（以下、ハイ
スという）工具から超硬合金への転換が進みつつ
ある。一方、機械加工の容易さと靭性に対する要
求の高い精密工具には、高硬度、硬靭性ハイス工
具およびコーテイングハイス工具が今後も使用さ
れると考えられる。しかしながら、これらの工具
材料は、従来の製造方法を用いて健全な材料とし
て製造することは困難であるため、信頼性が高
く、高硬度化の可能な粉末治金法を用いて製造さ
れた材料を用いることが最適と考えられる。 従来、工具鋼の製造方法としては、つぎのよう
な方法が採用されている。 溶解ハイス法： 高硬度（HRC65〜70）ハイスであるAISI
M40シリーズでは、硬度向上のためにCo5重量
％（以下、単に％という）以上を添加するとと
もに、Ｃ量を増加し、また、靭性の低下を防止
するためにＶ量を下げる。 しかしながら、上記M40シリーズの高速度鋼
は溶解法で製造されるため、炭化物の偏析が生
じやすく、熱処理条件も厳しくなる。また、Ｖ
量が少ないため、摩耗性が低下するという問題
もある。 ガスアトマイズHIP法： つぎに、粉末治金法による高速度鋼として、
硬度、耐摩耗性を向上させるために、Mo、
Ｗ、Co、Ｃ、Ｎ等の添加量を増加し高合金化
した溶湯をアトマイズして高速度鋼粉末を作成
し、得られた粉末を熱間静水圧処理（HIP）法
により固化したものも知られる。 しかしながら、かかるガスアトマイズ法によ
る高速度鋼は、各成分添加量の調整に限界があ
り、その限界を越えると良好なアトマイズが行
なえなくなる。例えば、該高速度鋼にTiを添
加する場合、添加量が、２％を越えると、仮に
真空溶解を行なつたとしてもCO反応によりバ
ブリングが生じて溶湯の粘性が低下し、アトマ
イズが不可能となる。また、Ｖについては15％
以上添加すると大気溶解の場合、Ｖの酸化によ
りアトマイズが不可能になる。さらにまた、Ｖ
を7.5％以上添加すると、アトマイズは行なえ
ても粉末中の炭化物が巨大となる。一方、前記
不具合が生じない程度にＶ量を減少させれば、
充分な硬度、耐摩耗性は得られない。 酸化物を共還元した焼結ハイス： 酸化物粉（Fe、Cr、Co、Ｗ、Mo、Ｖの酸
化物）を混合した後、これをH₂およびＣによ
り共還元し、得られた還元塊状物を粉砕して粉
末とし、炭化物、窒化物粉を添加し、焼結ハイ
スを製造する。 この焼結高合金鋼は各成分の含有量の調整が
比較的容易に行えるという利点を有する。しか
しながら、共還元法による焼結高合金鋼では、
母粉末のハイス粉を製造するために酸化物を共
還元する必要があり、また酸化物粉末として添
加したMo、Ｗ、Cr、Ｖ等が炭化した際に炭化
物が凝集し、靭性が低下するという問題があ
る。 さらに、アトマイズ粉に炭化物、窒化物を添加
した焼結ハイスでは焼結時脱酸が不十分であると
巨大な空孔、あるいは焼結体表面のクラツクが生
じる。また、焼結温度が過度に高温であると炭化
物の溶融による靭性の低下が生じ、一方、低温で
あり過ぎると緻密化が不足し、HIP処理を行なつ
ても密度が向上しない。 問題点を解決するための手段 本発明者らは、前記問題点を解決し、超合金に
近い硬度、耐摩耗性を有し、抗折力に優れた高耐
摩耗焼結ハイスを得るべく種々検討を重ねた結
果、本発明を完成するに至つた。 すなわち、本発明は、350メツシユ以下、かつ
平均粒子径25μｍ以下の工具鋼アトマイズ粉に、
周期表ａ族およびａ族から選ばれた金属の炭
化物、窒化物および炭窒化物の粉末の１種または
２種以上を1.0〜50重量％を添加し、混合後成形
し、（Tm−50℃）〜Tm［Tmは高速度鋼アトマ
イズ粉の炭化物初期溶融温度］にて0.5〜５時間
真空焼結し、その後熱間塑性加工を施し、密度比
99％以上にすることを特徴とする焼結高合金鋼の
製造方法を提供するものである。 本発明方法によれば、950℃〜1150℃に於ける
還元のため、混合時、またはアトマイズ時に予め
所定量添加された還元用のＣによる還元が900℃
より発生しはじめ、1150℃まで緩慢な緻密化が行
なわれるため、還元による反応ガス（CO、CO₂）
が焼結体外部へ容易に移動する。また、温度
（Tm−50℃）〜Tmでの焼結であつて、Tm（炭
化物初期溶融温度）付近において焼結が進行しや
すく、また焼結温度がTm以下であるため巨大な
共晶炭化物の発生、靭性の低下がない。 つぎに、本発明方法についてより詳しく述べ
る。 本発明の焼結高合金鋼の製造方法に用いられる
工具鋼としては、350メツシユ以下、かつ平均粒
子径が25μｍ以下の工具鋼アトマイズ粉が用いら
れる。水アトマイズまたはガスアトマイズによる
微粉を用いることにより、これと混合される炭化
物粉、窒化物粉、炭窒化物粉との分散が均一とな
る。また、アトマイズ粉が350メツシユを超える
場合、あるいは平均粒子径が25μｍを超えると、
工具鋼粉末の粒界に炭化物、窒化物、炭窒化物が
凝集してしまい、これらが均一に分散されず、耐
摩耗性に弱い工具鋼粉末粒子部分が多くでてくる
こととなり、抗折力も大きくならない。 さらに、前記工具鋼には周期表のａ族よおび
ａ族から選ばれた金属の炭化物粉、窒化物粉お
よび炭窒化物粉の１種または２種以上が添加され
る。添加される炭化物としては、チタン、バナジ
ウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタルなど周期
表のａ族（族遷移元素）、ａ族（族遷移
元素）金属の炭化物が用いられる。また、窒化物
としては、同様にチタン、バナジウム、ジルコニ
ウム、ニオブ、タンタルなど周期表のａ族、
ａ族の窒化物が用いられる。炭窒化物としては、
同様にチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオ
ブ、タンタルなど周期表のａ族、ａ族の炭窒
化物が用いられる。また、これらの平均粒子径は
5μｍ以下であることが抗折力の点から好ましい。
さらに、これら炭化物、窒化物の添加量は合金鋼
の全重量に対して1.0〜50重量％の範囲である。
第１図および第２図に示すごとく、これより添加
量が少ないと、比摩耗量が著しく低下するととも
に、抗折力向上効果が少なく、一方、50％以上添
加しても比摩耗量の向上は少なく、抗折力が著し
く低下する。 工具鋼粉末と、炭化物粉、窒化物粉、炭窒化物
との混合はオートミル、アトライターなどを用
い、湿式又は乾式法にて１〜12時間行なわれる。
得られた混合粉末は、ついで常法により成形が行
なれるが、代表的には成形はCIP成形にて
5000atmの条件下で行なわれる。 焼結は、真空焼結にて、温度（Tm−50℃）〜
Tm［Tmは高速度鋼アトマイズ粉の炭化物初期溶
融温度］において0.5〜５時間焼結を行なう。そ
の後熱間塑性加工を施し、さらに、得られた焼結
鋼をHIP処理に付す。該処理は代表的には1150
℃、8000atmにて２時間行なわれる。ついで、焼
結鋼を焼なまし、機械加工に付し、密度比99％以
上の工具素材とする。 なお、本発明方法において用いられる工具鋼の
成分組成としては、例えばC0.6〜4.0％、Cr2.5〜
5.5％、W0〜20％、Mo0〜10％、V0.5〜15％、
Co0〜20％、残部鉄および不可避的不純物であ
る。なお、添加Ｃ量は、混合後の酸素量の0.375
〜0.75倍である。 実施例 つぎに、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。 実施例 １〜３ つぎに示す化学成分組成（％）を有するガスア
トマイズハイス粉（KHA 30；平均粒径19.0μ
ｍ；平均初期溶融温度1230℃）を用いて焼結合金
鋼を製造した。 ガスアトマイズ粉（KHA30）の化学成分： Ｃ Cr Mo Ｗ Ｖ Co 1.27 3.93 5.14 6.30 2.95 7.99 アトライター中にてKHA30に3.5％VC、10％
TiNおよび0.4％Ｃを加え、メタノール中にて５
時間混合した。ついで、30φ×40mmに成形し、第
１表に示す条件にて焼結した。焼結は、真空中に
て２段、各温度にて２時間保持して行なつた。つ
いで、得られた焼結鋼をHIP処理（1100℃、
800atm、２時間）した。得られた焼結高合金鋼
の物性を第１表に示す。第１表より明らかなごと
く、得られた合金鋼は、抗折力が高く、エンドミ
ル切削性能にも優れる。 比較例 １〜４ 第１表に示す条件にて焼結を行なつた以外は、
前記実施例と同様にして焼結高合金高を製造し
た。得られた合金鋼は、抗折力が低く、エンドミ
ル切削性能にも優れる。 実施例 ４ つぎに示す化学成分組成（％）を有するガスア
トマイズハイス粉（KHA 7NA；平均粒径18.0μ
ｍ；平均初期溶融温度Tm1210℃）を用いて焼結
合金鋼を製造した。 ガスアトマイズ粉（KHA 7NA）の化学成
分： Ｃ Cr Mo Ｗ Ｖ Co 2.41 3.87 5.89 6.12 7.58 8.01 アトライター中にて該アトマイズ粉に10％
TiNおよび0.4％Ｃを加え、メタノール中にて５
時間混合した（酸素量0.6％）。ついで、30φ×40
mmに成形し、第１表に示す条件にて焼結した。焼
結は、真空中にて２段、各温度にて２時間保持し
て行なつた。ついで、得られた焼結鋼をHIP処理
（1150℃、800atm、２時間）した。得られた焼結
高合金鋼の物性を第１表に示す。第１表より明ら
かなごとく、得られた合金鋼は、抗折力が高く、
エンドミル切削性能にも優れる。 実施例 ５ TiNのかわりにVCを用いた以外、実施例４と
同様にして焼結合金鋼を製造した。得られた焼結
高合金鋼の物性を第１表に示す。第１表より明ら
かなごとく、得られた合金鋼は、抗折力が高く、
エンドミル切削性能にも優れる。 発明の効果 本発明法では、特定粒度のアトマイズ微粉を出
発原料とし、これに対して所定の炭化物、窒化物
および炭窒化物を混合するため、得られた焼結高
合金鋼にはこれらが均一に分散し、また特定温度
での脱酸により酸素が十分に低下し、所定温度の
焼結により共晶炭化物の発生なしに残留空孔を閉
じるHIP処理を行ない、靭性に優れた焼結高速度
鋼が得られる。

【表】 ＊ 表面クラツク発生

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は各々窒化物の添加量と得
られた合金鋼の比摩耗量および抵抗力との関係を
示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 350メツシユ以下、かつ平均粒子径25μｍ以
   下の工具鋼アトマイズ粉に、周期表のａ族およ
   びａ族から選ばれた金属の炭化物、窒化物およ
   び炭窒化物の粉末の１種または２種以上を1.0〜
   50重量％を添加し、混合後成形し、（Tm−50℃）
   〜Tm［Tmは高速度鋼アトマイズ粉の炭化物初期
   溶融温度］にて0.5〜５時間真空焼結し、その後
   熱間塑性加工を施し、密度比99％以上にすること
   を特徴とする焼結高合金鋼の製造方法。