JPH06100976A

JPH06100976A - 疲労寿命に優れた高速度鋼工具用シャンク材

Info

Publication number: JPH06100976A
Application number: JP25102292A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Fukui; 清福井; Yasuyuki Saito; 康行斉藤; Hajime Suzuki; 肇鈴木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】強度、成形性、熱処理後の耐疲労特性に優れた
シャンク材の提供。【構成】下記 (1)、(2) または(3) の組成を特徴とする
高速度鋼工具用シャンク材。 (1) Ｃ:0.3〜0.6 ％、 Si：0.05％から0.40％未満、
Mn：0.05〜1.5 ％、Ｐ:0.020％以下、Ｓ：0.010 ％以
下、 Cr：0.5 〜2.0 ％、Mo:0.5〜2.0 ％、
Ni：0.1 〜1.0 ％、Ｖ：0.03〜0.5 ％、sol.
Al：0.01〜0.10％、Ｎ:0.003〜0.010 ％、を含み、残
部がFeと不可避的合金成分から成る組成。 (2) 上記(1) の成分の外にさらにNb：0.01〜0.5 ％、N
b：0.01〜0.5 ％とTi：0.005〜0.010 ％を含む組成。 (3) 上記(1) または(2) の成分の外に、さらにCa:0.001
〜0.01％を含む組成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンドミル、バンド
ソー等の高速度鋼を用いた切削工具の台金材( シャンク
材 )として使用される疲労寿命に優れた鋼材に関する。

【０００２】

【従来の技術】バンドソー、エンドミル等の切削工具に
おいては、刃部の耐摩耗性向上を目的として従来から高
速度鋼が用いられている。しかし、工具全体を高速度鋼
で製造すると非常に高価なものになる。そこで、コスト
ダウンを目的としてシャンク部には、炭素鋼、低合金鋼
等が用い、このシャンク部を高速度鋼の刃材とフラッシ
ュバット溶接、摩擦溶接、あるいは電子ビーム溶接で接
合し、その後、焼入れ・焼戻しの熱処理を施して高強度
を付与するのが普通である。

【０００３】上記のようにして製造させる切削工具のシ
ャンク材には、溶接および熱処理が施されることを考慮
して次のような特性を具備することが要求される。即
ち、溶接性が良好で、溶接部でのＣ（炭素）の移動が少な
く、刃部の浸炭、シャンク部の脱炭が抑制されること、高速度鋼と接合した状態で同時に熱処理を行っても十
分な強度と靱性が確保できること、焼戻し状態で刃部に近い硬度が確保できること、耐疲労性を向上させるため焼入れ加熱時のオーステナ
イト粒の成長が抑制され、鋼中の非金属介在物も抑制さ
れること、等である。更に、成形性の面から、前記の溶接性と熱処理性を満足させながら、打抜き、
切断等の成形に際して工具損耗を少なくできる良好な成
形性を有すること、も必要である。

【０００４】シャンク材に関する発明としては、次のよ
うなものが既に知られている。

【０００５】(1) 特公昭61−12022 号公報の発明この発明に係る鋼は、Si脱酸鋼であり、高温加熱の際の
オーステナイト粒成長の抑制が困難で前記の要求を満
たし得ない。

【０００６】(2) 特開平 4−59942 号公報および同 4−
59943 号公報の発明これらの発明の鋼は、Si含有量が高く、その固溶硬化に
より成形性が悪く前記の要求を満たし得ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これまでに
提案されたシャンク材の欠点を無くし、前述のから
の全ての特性を備え、その中でも特に疲労寿命の点で優
れたシャンク材を提供することを目的としてなされたも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記(1) 〜
(4) のシャンク材をその要旨とする。以下、合金成分の
含有量に関する％は全て重量％を意味する。

【０００９】(1) Ｃ:0.3〜0.6 ％、 Si：0.05％から0.
40％未満、 Mn：0.05〜1.5 ％、Ｐ:0.020％以下、
Ｓ：0.010 ％以下、 Cr：0.5 〜2.0 ％、Mo:
0.5〜2.0 ％、 Ni：0.1 〜1.0 ％、Ｖ：0.0
3〜0.5 ％、sol.Al：0.01〜0.10％、Ｎ:0.003〜0.010
％、を含み、残部がFeと不可避的不純物から成ること
を特徴とする高速度鋼工具用シャンク材。

【００１０】(2) 上記(1) の成分の外にさらにNb：0.01
〜0.5 ％を含み残部がFeと不可避的不純物から成ること
を特徴とする高速度鋼工具用シャンク材。

【００１１】(3) 上記(1) の成分の外にさらにNb：0.01
〜0.5 ％とTi：0.005 〜0.010 ％を含み残部がFeと不可
避的不純物から成ることを特徴とする高速度鋼工具用シ
ャンク材。

【００１２】上記 (1)〜(3) のシャンク材は、前記の成
分に加えてさらにCa:0.001〜0.01％を含むことができ
る。

【００１３】

【作用】本発明のシャンク材を構成する個々の合金成分
の作用と含有量の限定理由は後に説明することとして、
まず、本発明の基礎となった知見について述べる。

【００１４】(a)溶接性について、刃部とシャンク材の
溶接部での破損防止のため、従来シャンク材のＣ量は一
般に工具鋼として用いられているJISG 3311 の SK5〜7
あるいはSKS2〜7 等のＣ含有量が目安とされている。し
かし、これら工具用の高炭素鋼では、摩擦溶接、フラッ
シュバット溶接あるいは電子ビーム溶接において、靱性
の低いマルテンサイトが形成され、使用中の破損が問題
となる。本発明では靱性の優れた焼入れ組織（マルテン
サイト）の形成を目的としてＣ量を低くした。さらに、
溶接部で、シャンク部と刃部間のＣの拡散移動を抑制す
るため、Cr、Mo等の合金元素の添加が有効であるとの知
見を基に、これらの適正量を含有させることとした。

【００１５】具体的には、刃部とシャンク材の溶接部で
の脆性破壊による破損防止のため、シャンク材のＣ量は
0.6％以下にとどめるのが適当である。また、溶接部で
のシャンク部と刃部間のＣの拡散移動抑制を目的とし
て、Crを 0.5〜2.0 ％、Moを 0.5〜2.0 ％の範囲で含有
させることが有効である。

【００１６】(b) 熱処理性について、高速度鋼と接合し
た状態で同時に熱処理を行っても十分な強度・靱性を確
保するためには、Ｃ量を 0.3％以上とする必要があり、
また、同時に焼入性を確保するためにCr、Mo、Ni、Ｖ等
の合金元素の添加が有効である。焼戻し状態で刃部に近
い硬度を確保するためにも、焼戻し軟化抵抗を増大させ
るCr、Mo、Ni、Ｖ等の合金成分の添加は有効である。

【００１７】具体的には、前記の溶接性と熱処理性との
兼ね合いでＣ量を 0.3〜0.6 ％の範囲とした上で、Cr：
0.5 〜2.0 ％、Mo：0.5 〜2.0 ％、Ni：0.1 〜1.0 ％、
Ｖ：0.03〜0.5 ％の範囲で含有させることとした。

【００１８】(c) 熱処理後の耐疲労特性について、高速
度鋼を対象とした焼入れ処理では、一般に高炭素鋼で用
いられる焼入れ温度(800〜900 ℃) よりも高い1100〜12
00℃の加熱温度が採用される。このような高温で加熱さ
れた場合、通常、オーステナイト粒が粗大化し、使用中
の疲労強度が著しく低下する。この対策としては、高温
でもオーステナイト粒成長を抑制することができる析出
物の利用が必要となる。先に掲げた特公昭61−12022 号
公報の鋼のようなSi脱酸鋼ではオーステナイト粒成長の
抑制は困難で、工具寿命が短くなる。そこで本発明では
Si添加量を低くし、Alによる脱酸を行うこととした。

【００１９】Al脱酸してsol.Alが相当程度含有されてい
る鋼であれば、オーステナイト粒の粗大化はある程度抑
制される。しかし、Al脱酸鋼でもその粗粒化防止にはか
なりの量のAlを添加するか、さらに炭窒化物を形成し、
これを高温下で維持し得るAl以外の合金成分が必要とな
る。本発明では、sol.AlとＮ、またはこれらに加えてN
b、あるいはTiとNbの複合添加によって Nb(ＣＮ) また
は TiNb(ＣＮ) 等の析出を利用することとした。

【００２０】熱処理後の耐疲労性向上のためには、オー
ステナイト粒の粒度をNo.8〜10の範囲とする必要があ
る。そのためにはsol.Al：0.01〜0.10％とＮ:0.003〜0.
010 ％を必須とし、さらに、Nb：0.01〜0.5 ％、または
このNbとTi：0.005 〜0.1 ％を複合含有させることが望
ましい。

【００２１】オーステナイト粒径の制御の他に、鋼中に
析出するMnＳを制御するため、必要に応じCaを添加する
ことも有効である。その含有量の範囲としては 0.001〜
0.01％が適当である。

【００２２】(d) 成形性について、シャンク材を低コス
トで製造するには、前記の溶接性および熱処理性を満足
させながら、打抜き、切断等の成形に際して工具損耗を
少なくできる成形性を保持しなければならない。成形性
を向上させるためだけならば、各合金元素の含有量を減
らせばよいが、上記のように熱処理後の強度や疲労寿命
をも確保するためには合金元素の抑制は注意深く行う必
要がある。本発明者は、固溶硬化の影響が大きく熱処理
後の強度に対して影響の小さいSiの低減が、成形性と強
度を両立させて全体的な特性向上をもたらすことを見い
だした。そこで本発明ではSi含有量の範囲を0.05〜0.40
％とした。

【００２３】以下、各成分について個別に作用効果と含
有量の限定理由を説明する。

【００２４】Ｃ：焼入れ・焼戻し後のシャンク材の強度
は、主にＣ量に依存し、焼戻し後の強度を増大させるに
は一定量以上のＣが必要となる。本発明におけるシャン
ク材では、焼入れ・焼戻し後の硬度を高速度鋼の刃材と
同水準に設定するために、HRC 48以上の硬度を目標とし
た。このため、Ｃは、焼戻し温度および他の合金元素の
含有量を考慮しても、最低 0.3％は必要である。一方、
焼入れ・焼戻し後の靱性を向上させること、および熱処
理前の打抜きあるいは切削加工における成形性を確保す
るという目的からＣの上限は 0.6％とした。

【００２５】Si：脱酸材として製鋼段階において鋼中に
添加されるほか、焼入れ・焼戻し段階での焼戻し軟化抵
抗を増すにも有効な成分である。この効果を得るために
0.05％以上が必要である。しかし、Siはフェライト中に
固溶しその硬度を増大せしめて、先に述べたとおり、成
形性を劣化させる。そこで、本発明ではそのSiの含有量
を0.40％未満に抑えることとした。

【００２６】Mn： Mnは焼入れ・焼戻し段階での焼入
性と焼戻し軟化抵抗を増大させるのに有効な元素であ
る。さらに、鋼中のＳをMnＳとして固定し、焼入れ・焼
戻し後の靱性を増大させる。この靱性確保だけを目的と
するならば0.05％以上あればよいが、焼戻し軟化抵抗を
大きくするためには、 0.8％以上が望ましい。しかし、
Mnの過度の添加は焼入れ・焼戻し後の靱性を劣化させる
から、その含有量の上限は 1.5％とする。

【００２７】Ｐ：Ｐは焼入れ・焼戻し後の靱性を劣化さ
せる元素であるから可能な限り少ない方がよい。特に本
発明の材料のように高強度で使用されるものの場合に
は、耐衝撃性と耐疲労特性を向上させるために、0.02％
以下に抑える必要がある。ただし、高炭素高合金鋼での
低Ｐ化は製造コストの上昇を招くから、実生産上の下限
の目安は 0.005％程度である。

【００２８】Ｓ：ＳもＰと同じように焼入れ・焼戻し後
の靱性を劣化させる元素で、その含有量は少ない程よ
い。前記のように、高強度で使用されるシャンク材とし
ての耐衝撃性、耐疲労特性の確保のために、0.01％を許
容上限とした。ただし、Ｓの場合も高炭素高合金域での
低Ｓ化にはコスト上昇を伴うことから、実生産上の下限
の目安は 0.002％程度である。

【００２９】Cr：Crは、Mnと同様に焼入れ・焼戻し段階
での焼入性と焼戻し軟化抵抗を増大させるのに有効な元
素である。Cr含有鋼は焼戻し温度を高めに設定できるか
ら、靱性を向上させることができる。これらの効果を得
るためには鋼中のCr量は 0.5％以上とする必要がある。
しかし、2.0 ％を超えるとこの効果は飽和し、コストの
上昇を招くだけであり、さらにはセメンタイト中に固溶
して焼入れ処理での加熱時におけるセメンタイトの分解
を阻害する場合がある。そこで本発明ではCr量の上限を
2.0％と設定した。

【００３０】Mo：Moは、Crと同様に焼入れ・焼戻し段階
での焼戻し軟化抵抗を著しく増大させる作用を持つ。従
って、Mo含有鋼でも、焼戻し温度を高めに設定でき、靱
性を向上させることができる。また、MoにはＳ等の元素
による靱性劣化を抑制する効果もある。これらの効果を
得るためには鋼中のMo量は 0.5％以上とする必要があ
る。

【００３１】しかし、2.0 ％を超えるとこれらの効果の
増大は無く、製造コストが増すだけである。また、Crと
同じく、セメンタイト中に固溶して焼入れ処理での加熱
時におけるセメンタイトの分解を阻害する場合もある。
従って、Mo含有量の上限は 2.0％とした。

【００３２】Ni：Niは焼入れ・焼戻し段階でのマトリク
ス強度を増大させる効果があり、また焼入れの際の加熱
時にオーステナイト粒の成長を抑制し、耐疲労特性を向
上させる効果がある。この効果を得るには 0.1％以上の
含有が必要であるが、過度の添加はコストアップを招
き、またNiの固溶軟化により強度が低下する場合がある
から、Ni含有量の上限は 1.0％とした。

【００３３】Ｖ：通常シャンク材は、刃材と溶接して接
合した後、焼入れし、次いで 400〜600℃の温度で焼戻
しされる。この温度での軟化抵抗を増大せしめるには、
微細な炭化物を析出させるＶの添加が有効である。その
効果を得るには0.03％以上の含有が必要であるが、Ｖ自
体高価な元素であり、過剰の添加によるコスト上昇を避
けるため、その含有量は 0.5％までにとどめる。

【００３４】sol.Al：Alは、脱酸材として製鋼段階で添
加される。また、窒化物を形成することによって、焼入
れ時の加熱の際のオーステナイトの粒成長を抑制する。
さらに、シャンク部と刃部の溶接界面に生じる気泡の抑
制にも効果がある。これらの効果を得るためにはsol.Al
として0.01％以上の含有が必要である。なお、高強度シ
ャンク材では焼入れ時の加熱温度が1000℃以上 (通常11
00〜1200℃) と高いことから、粒成長抑制効果を確実に
するためにsol.Alとして0.05％以上存在するのが望まし
い。しかし、Alの過度の添加は、酸化物等の非金属介在
物を増大させ、靱性、耐疲労性を劣化させるから、sol.
Alの含有量の上限は 0.10 ％とすべきである。

【００３５】Ｎ：耐疲労特性の向上を目的としてAl、ま
たはAlとNbもしくはAlとNbとTiからなる窒化物を析出さ
せるために 0.003％以上のＮを含有させる必要がある。
しかし、過度のＮ添加は、逆に靱性の低下を招くことか
ら、その上限は 0.010％とした。

【００３６】以上の各成分に加えて、更にNbまたはNbと
Tiを添加することができる。また、これらを添加しない
鋼及び添加した鋼のいずれに対しても、更にCaを添加す
ることができる。

【００３７】Nb：シャンク材には高強度でかつ長寿命で
あることが要求される。しかし、刃材と溶接した後の焼
入れ時の加熱は、上記のように1100〜1200℃と高温であ
り、特に合金成分に配慮がなされていない場合にはオー
ステナイト粒が粗大に成長するために耐疲労特性が劣化
する。これを補うのにAlとＮを利用するのであるが、Al
単独によるAlＮ等の析出物だけでは、高温での粒成長抑
制効果が弱いから、その他にも高温でのオーステナイト
粒成長を抑制し得る析出物が形成されるのが望ましい。

【００３８】NbはＮと結合して窒化物を形成する元素で
あるから、その添加により、前記の粒成長抑制効果を補
う効果がある。この効果を得るには、0.01％以上必要で
あるが、コストアップとならないよう上限は 0.5％とす
る。

【００３９】Ti：前述のNb系の析出物による粒成長抑制
効果をさらに補う目的で、Ti、Nbの複合析出物、即ち、
TiNb (ＣＮ) を形成させるためTiを添加するのも望まし
い。この複合析出物を形成させるには、0.005 ％以上の
Tiが必要があるが、過度に添加するとTiＮ等の析出物を
形成し、靱性劣化を招くほか、コストアップにもなるた
めその上限は 0.1％とした。

【００４０】Ca：本発明のシャンク材のように高強度で
使用される材料では、微小な介在物も使用中における疲
労破壊の原因となる。Caには硫化物 (MnＳ) 系の介在
物、即ちＡ系介在物を減らして耐疲労特性を向上させる
作用がある。この作用を期待できるのは 0.001％以上の
Caが含有される場合である。しかし、Caの過度の添加は
コスト上昇を招くのでその上限は0.01％とする。

【００４１】

【実施例１】表１に示す組成のイ〜チの鋼を熱間圧延
し、更に圧下率50％で冷間圧延し、板厚1.2mm とした
後、690 ℃で24時間均熱する焼鈍を行い、焼鈍後の機械
的性質を測定した。

【００４２】次に、刃部との溶接後の焼入れ・焼戻し条
件を想定して、電気炉で1200℃×60秒の加熱後、90℃の
油中に投入する焼入れと、同じく電気炉で 540℃×40分
加熱する焼戻し（２回）を行い、その後、機械的性質お
よびＡ系（硫化物）介在物の量を測定した。なお、焼戻
しは、１回では十分に軟化しないのでこの実施例では２
回にしたが、保持時間を延長すれば、一回の焼戻しでも
よい。

【００４３】以上の測定結果を表２に示す。なお、鋼中
のＡ系介在物はJIS G0555 に準拠して測定し、結晶粒径
はJIS G0551 に準拠して測定した。抗折試験は1.2mm 厚
の鋼板から幅５mm、長さ30mmの試験片を切り出し、スパ
ン長さ10mm、中央一点荷重方式で試験した。疲労試験
は、板バネ疲労試験機を用い、応力 931Ｎ/mm²ですか、
振幅15mmで実施した。

【００４４】鋼イは、特公昭61−12022 号公報に提案さ
れているシャンク材に相当するものである。これはsol.
Alが少なく、Nb、TiおよびCaのいずれをも含まないもの
であるため、焼入れ・焼入れ後はオーステナイト粒が粗
大化し、疲労寿命が短い。

【００４５】鋼ロ〜チは、本発明のシャンク材である。
これらは、sol.Alの増大、さらにNb、Tiの添加により疲
労寿命が延びている。sol.Alだけでなく、NbまたはNbと
Tiを添加したものは一層優れ、さらにCaを添加した鋼ト
は硫化物系介在物が著しく減少し、疲労寿命が一段と延
びている。

【００４６】溶接性については直接評価は実施しなかっ
たが、溶接部の強度が不足した場合、疲労寿命が劣化す
ることから、鋼ロ〜チに関しては溶接部における問題は
ないと言ってよい。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】

【実施例２】表３の (1)及び(2) に示す組成の鋼（No.1
〜30）から、実施例１と同様に試験片を作製し、同じ条
件で各種の試験を行った。その結果を表４の(1) 及び
(2) に示す。

【００５０】鋼No.1〜25が本発明のシャンク材であり、
No.26 はJIS G3311 に示されるSNCM220 相当鋼である。
No.27 〜30は、成分のどれかが本発明で定める範囲をは
ずれた比較材である。

【００５１】表４ (1)及び(2) から明らかなように、比
較材としてあげた No.26 (SNCM220)の鋼は、Ｃ、Moが低
く、Ｖも含有しないので強度は低く、また、Nb、Ti、Ca
の添加もないことから、疲労寿命が著しく短い。鋼 No.
27はSi量が高いため焼鈍状態での強度が著しく高く、成
形性に問題がある。また高Siによる靱性の低下により焼
入れ・焼戻し後の抗折力が小さい。

【００５２】鋼 No.28はＶが過少で焼入れ・焼戻し後の
強度が比較的小さく、疲労寿命も短い。さらに、鋼 No.
29はＮ量が低いため焼入れ加熱時の粒成長抑制が困難と
なり、オーステナイトが粗粒化して疲労寿命が短くなっ
ている。一方、鋼 No.30はＮ量が過多であり、そのため
靱性が劣化し、抗折力が低下している。

【００５３】上記の比較材に対して、No.1〜25の本発明
材は、いずれも良好な成形性を保持することができる水
準の高強度と、良好な耐疲労特性を持っている。

【００５４】

【表３（１）】

【００５５】

【表３（２）】

【００５６】

【表４（１）】

【００５７】

【表４（２）】

【００５８】

【発明の効果】本発明は、多数の合金成分の種類と含有
量の適正な組合せにより、シャンク材として総合的な特
性に優れた材料を提供するものである。このシャンク材
は、強度と成形性のバランスがよく、刃部と溶接して焼
入れ・焼戻しの熱処理を施した後の耐疲労特性に優れて
いるから、極めて実用性に富むものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ:0.3〜0.6 ％、Si：0.05％か
ら0.40％未満、Mn：0.05〜1.5 ％、Ｐ:0.020％以下、
Ｓ:0.010％以下、Cr:0.5〜2.0 ％、Mo:0.5〜2.0 ％、N
i:0.1〜1.0 ％、Ｖ：0.03〜0.5 ％、sol.Al：0.01〜0.1
0％、Ｎ:0.003〜0.010 ％を含み、残部がFeと不可避的
不純物から成ることを特徴とする高速度鋼工具用シャン
ク材。
【請求項２】請求項１に記載の成分の外に、さらにNb：
0.01〜0.5 重量％を含み残部がFeと不可避的不純物から
成ることを特徴とする高速度鋼工具用シャンク材。
【請求項３】請求項１に記載の成分の外に、さらにNb：
0.01〜0.5 重量％とTi：0.005 〜0.010 重量％を含み残
部がFeと不可避的不純物から成ることを特徴とする高速
度鋼工具用シャンク材。
【請求項４】請求項１、２または３に記載の成分の外
に、さらにCa:0.001〜0.01重量％を含み残部がFeと不可
避的不純物から成ることを特徴とする請求項１から３ま
でに記載のいずれかの高速度鋼工具用シャンク材。