JPS5983718A - 高速度鋼の表面処理方法 - Google Patents

高速度鋼の表面処理方法

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JPS5983718A
JPS5983718A JP19510582A JP19510582A JPS5983718A JP S5983718 A JPS5983718 A JP S5983718A JP 19510582 A JP19510582 A JP 19510582A JP 19510582 A JP19510582 A JP 19510582A JP S5983718 A JPS5983718 A JP S5983718A
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speed steel
high speed
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speed
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JP19510582A
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Yoshio Ashida
芦田 喜郎
Yuichi Seki
勇一 関
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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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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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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次炭化物が多量台まれており(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 MOlWlv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
よって耐摩耗性を高めようとするものであり、硬質のM
C型炭化物を形成する■の効果が最も大きいとされてい
る。そしてJISM格では1968年に高C−高V系(
DSKH5B、5KH54,5K)I57等が追加され
、その後も更に合金元素ホ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次炭化物禾
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っ
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@減及び微細化高速度鋼の切
削性能を向上させるに当っては、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。しがし前者の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ので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
すると靭性が犠牲となり、靭性を改善しようとすると経
済性に問題がでてくる。従っ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って表面特性を
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って、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200037cm2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)2m/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) IJフックス中固溶せしめ、その後焼戻し処理す
ることによっ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旦焼入れ処理した後、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って表面の1次炭化物を
711ンクス中に固溶させ、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
の後の焼戻しによっ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って耐摩耗性、
ひいては切削性能の向上を図ったものである。
以下実験経過を追っ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って得られる急冷
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5K
H9の焼入れ処理材を選択し、下記の条件でレーザービ
ーム照射処理を行っ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 出カニ 8 KW〜5KW エネルギー密度: 2B00〜4800 J/σ2ビー
ム移動速移動速度ニア m/部 :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
物がマトリッ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8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°C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℃の焼戻しによって急激な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Hv 1100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
ーム出方を8KW又は5KWとし焼戻し温度を550 
’C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、レーザー出方を8KWとするとレーザー照射面
から約700μm15KWとすると約1200μmの深
さに亘って表面硬化層が得られており、レーザー出方を
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Hvllooで一定値を示して
おり、硬度に与えるレーザー出方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
っ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 :大部式摩耗試験 巾     径 相手材 : 5UJ2.1.5 rts 、 X 80
 朋(HiC=60摩擦距離:400m 荷重:8.8Kg 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
験を行っ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−Ro
、4突出量:84゜ 切込量:1,5渭 送       リ   二 〇、2 調波削材: S
NCM8 (HRC82)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
10mの溝付けを付したものとし、寿命判定はV ma
z = 0.6mとした)で行った断続切削) 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、本発明法に従ってレー
ザー照射及び焼戻し処理を行ったものは、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って、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、もっ
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って相当変動する傾
向があり、目的達成の為には吸収エネルギー密度を20
00 J/am2以上、ビート移動速度を2m/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(J74肩) 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6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、レーザー照射によっ
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2000 J/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4000
 JkIn2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。一方策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°C×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200z/’分以上に設定すべきであること
が分かる。
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(1,)焼入処理
後のレーザー照射によっ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20
0□□□/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40ひ7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HRC69(Hv約1000)であるのに対し、
本発明ではHv 1100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った。
【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の関係を示すグラフ、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。 第1− : 寓 第2図   ・ 第3図 焼入れのt−i+母材)   焼戻し温度(”C)Xl
hr表面からの距離 (pm) 摩擦速度 (m/5ec) 衝撃回数 (X100O回) 切削時間 (min )

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (11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2000 J kn2以上、ビ
    ーム移動速度2m/分以上で照射して鋼表面を溶融し、
    表面層の1次炭化物をマトリッ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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JPH0128809B2 JPH0128809B2 (ja) 1989-06-06

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