JP2014210941A

JP2014210941A - 高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼

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Publication number: JP2014210941A
Application number: JP2013086194A
Authority: JP
Inventors: 裕一永富; Yuichi Nagatomi; 裕樹池田; Hiroki Ikeda
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: JP6096040B2

Abstract

【課題】本発明は、焼戻し軟化が起こりにくく高温焼戻し硬さに優れた高硬度、高耐磨耗性の優れた切削工具や金型等に使用される高温焼戻し硬度に優れた粉末高速度工具鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：１．６５〜１．８０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦０．５％、Ｃｒ：３．８〜４．５％、Ｍｏ：１．１〜１．５％、Ｗ：１０．８〜１２．８％、Ｖ：４．２〜４．８％、Ｃｏ：４．５〜５．５％、２Ｍｏ＋Ｗ：１３．５〜１５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼。【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具や金型等に使用される粉末高速度工具鋼に関する。

従来、粉末高速度工具鋼は、溶製法よりも微細組織と炭化物の微細分布が図られるため、高強度、高靱性が得られる。そのため強度と靱性両方が要求されるタップ、ドリルなどの工具母材として用いられている。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、焼戻し軟化抵抗性は最も重要な要因の一つとされている。

一方、一般的にタップ、ドリルなどの用途に用いられている粉末高速度工具鋼であるＡＳＴＭ−Ｔ１５材（Ｆｅ−１．６Ｃ−４Ｃｒ−０．１Ｍｏ−５．２Ｖ−１２Ｗ−５Ｃｏ）では、最大焼入れ焼戻し硬さは焼戻し温度５２０℃付近で約６８ＨＲＣを示すが、焼戻し温度が５６０℃以上では焼戻し軟化が生じて硬さが急激に低下する。例えば、焼戻し温度５６０℃で６６ＨＲＣ、６００℃で６２．７ＨＲＣと低下する。ＡＳＴＭ−Ｔ１５材は焼戻し軟化による硬さの低下が生じ、工具寿命が短いという課題がある。

そこで、例えば、特開２０１１−２２４７５９号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｃを２．０〜３．０％、Ｓｉを３．５〜６．０％、Ｖを３．０〜３．５％添加して耐焼戻し軟化抵抗性を改善する合金鋼製ドリルが提案されている。しかし、Ｃ、Ｓｉを多量に含んでいるため、靱性、加工性に劣ると言う問題がある。

また、例えば、特開平５−１７１３７３号公報（特許文献２）に開示されているように、２Ｍｏ＋Ｗ量を１４〜３０％、かつＶを最大１０％、Ｎｂを２．０〜７．０％と多量添加することにより、耐焼戻し軟化抵抗性を改善する粉末冶金で製造される高速度鋼は提案されている。しかし、いずれの元素も多量添加時に靱性を低下させる効果があるため、ＡＳＴＭ−Ｔ１５材よりは靱性面の劣化、およびコスト面が懸念されている。

特開２０１１−２２４７５９号公報特開平５−１７１３７３号公報

上述したような課題を解決するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、上述したＡＳＴＭ−Ｔ１５系合金組成において、先行技術論文では、従来焼戻し硬さを上げるとされてきたＶを、本発明では０．４〜１．０％下げると共に、Ｃを０．０５〜０．１％増加させ、かつＭｏを１．０％を超える量を以上添加し、さらにＷを０．１〜１．０％増加した合金成分の粉末をＨＩＰ、鍛伸することで、焼戻し軟化が起こりにくく高温焼戻し硬さに優れた高硬度、高耐磨耗性の優れた粉末ハイスが得られることを見出し発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：１．６５〜１．８０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦０．５％、Ｃｒ：３．８〜４．５％、Ｍｏ：１．１〜１．５％、Ｗ：１０．８〜１２．８％、Ｖ：４．２〜４．８％、Ｃｏ：４．５〜５．５％、２Ｍｏ＋Ｗ：１３〜１５％を含み残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼。

（２）前記（１）に記載された鋼であって、式（１）で示す耐焼戻し軟化抵抗性指数が２．８以上で、かつ温度５６０℃で焼戻したときの硬さが６７ＨＲＣ以上、かつ温度６００℃で焼戻したときの硬さが６４ＨＲＣの硬さであることを特徴とする高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼にある。
（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ … 式（１）

以上述べたように、本発明は、Ｖ添加量を抑え、かつＣ，Ｍｏ，Ｗを増加させることで、５６０℃以上の焼戻し時でも焼戻し軟化が起こりにくくなり、ＨＲＣ６７以上の硬さを達成することが出来る高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼を提供することにある。

本発明鋼と市販鋼の鋼（以下「市販鋼」という）の１１９０℃から焼入れてその後焼戻しをしたときの硬さを示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
一般的に合金鋼において、Ｖ、Ｗ、Ｍｏは焼入焼戻し時に２次炭化物として析出することにより、熱処理硬さを上昇すると言われている。しかし、本発明では、Ｖ添加は焼入焼戻し時の最大硬さを示す焼戻し温度（ピーク）が低温側（５００〜５４０℃）になり、それ以降の焼戻し温度であると顕著に硬さが低下する。すなわち、焼戻し軟化を顕著にする効果があることを見出した。そのことから、本発明の請求項に記載のように、Ｖ元素の添加量を抑え、かつ焼戻し軟化抵抗への改善効果のあるＭｏまたはＷを増加することで、焼戻し軟化抵抗に優れた粉末高速度工具鋼を作製できることにある。

本発明では、一般的にタップ、ドリルの用途に用いられている粉末高速度工具鋼であるＡＳＴＭ−Ｔ１５材をベースに焼戻し軟化抵抗性を改良した鋼を開発するために、（１）５６０℃の焼戻し時でＨＲＣ６７以上、６００℃の焼戻し時でＨＲＣ６４以上の硬さを示すこと。（２）耐摩耗性は同等以上であること。（３）靱性面、コスト面からＷｅｑ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）を１５以下に抑える鋼を得ることを目標として、組成検討を行った結果の組成範囲であれば、その目標を達成できることを見出し発明に至った。

以下、本発明に関わる限定理由を説明する。
Ｃ：１．６５〜１．８０％
Ｃは、焼入焼戻しにより、十分なマトリックス硬さを与えるとともに、Ｃｒ、Ｍｏ，Ｖなどと結合して炭化物を形成し、硬さおよび強度を与える。しかし、１．６５％未満では、その効果が十分得られず、また、１．８０％を超えると粗大な炭化物を形成し靱性を悪化させることから、その範囲を１．６５〜１．８０％とした。

Ｓｉ：≦０．５％
Ｓｉは、脱酸剤であり、また基地の硬さを得るために必要な元素である。しかし、０．５％を超える添加は靱性および加工性を悪化させることから、その上限を０．５％とした。Ｍｎ：≦０．５％
Ｍｎは、脱酸剤であり、また焼入れ性を得るために必要な元素である。しかし、０．５％を超える添加はマトリックスを脆化させ靱性および熱間加工性を悪化させることから、その上限を０．５％とした。

Ｃｒ：３．８〜４．５％
Ｃｒは、焼入性を得るために必要な元素であると共に、焼戻し軟化抵抗性を高める元素である。しかし、３．８％未満ではその効果が十分得られず、また、４．５％を超えると粗大な炭化物を形成し靱性および熱間加工性を悪化させることから、その範囲を３．８〜４．５％とした。

Ｍｏ：１．１〜１．５％
Ｍｏは、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。しかし、１．１％未満ではその効果が十分得られず、また、１．５％を超える添加は粗大な炭化物を形成し靱性および熱間加工性を悪化させることから、その上限を１．５％とした。

Ｗ：１０．８〜１２．８％
Ｗは、Ｍｏと同様に、炭化物を形成し、焼入性、硬さおよび耐摩耗性を与え、かつ焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。しかし、１０．８％未満ではその効果が十分得られず、また、１２．８％を超える添加は粗大な炭化物を形成し靱性および熱間加工性を悪化させることから、その上限を１２．８％とした。

Ｖ：４．２〜４．８％
Ｖは、微細な炭化物を形成し２次硬化に寄与し、耐軟化抵抗性を改善し、結粒微細化および耐摩耗性を得るに必要な元素である。しかし、４．２％未満ではその効果が十分得られず、また、４．８％を超える添加は粗大な炭化物を形成し靱性および被削性を悪化させ、また焼戻し軟化抵抗を低下させることから、その上限を４．８％とした。

Ｃｏ：４．５〜５．５％
Ｃｏは、耐熱性、耐摩耗性および耐焼戻し軟化抵抗性を得るに必要な元素である。しかし、４．５％未満ではその効果が十分得られず、また、５．５％を超える添加は炭化物の偏析や脱炭を促進させることから、その上限を５．５％とした。

２Ｍｏ＋Ｗ：１３〜１５％
Ｍｏ，Ｗは、上述したように、ともに炭化物を形成して耐摩耗性を高めるとともに、焼入性を向上させるし、焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。また、Ｗの原子量はＭｏの２倍であるため、２Ｍｏ＋Ｗとし、微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与し、耐軟化抵抗性の改善を図ることから、１３〜１５％とした。しかし、１３％未満では、その硬化が得られず、１５％を超えると靱性および熱間加工性を悪化させることから、その範囲を１３〜１５％とした。

耐焼戻し軟化抵抗性指数［（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ］が２．８以上
（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖは、耐焼戻し軟化抵抗性を表す指数であり、２．８未満では耐焼戻し軟化抵抗性が十分な効果が得られない。

温度５６０℃で焼戻したときの硬さが６７ＨＲＣ以上、かつ温度６００℃で焼戻したときの硬さが６４ＨＲＣ
タップ、ドリルなどの工具母材として、過酷な条件下で長期に渡り高硬度材を加工する場合に必要な硬度である。なお、焼戻温度５６０℃と６００℃の２条件で硬さを規定した理由は、当用途では焼戻し温度の差による焼戻し硬さが工具寿命に大きく影響を及ぼすためである。

図１は、本発明鋼と市販鋼の１１９０℃から焼入れし、その後焼戻しをしたときの硬さを示す図である。この図に示すように、市販鋼であるＡＳＴＭ−Ｔ１５材（Ｆｅ−１．６Ｃ−４Ｃｒ−０．１Ｍｏ−５．２Ｖ−１２Ｗ−５Ｃｏ）に比較して、焼戻し温度が５２５℃近傍を境として市販鋼であるＡＳＴＭ−Ｔ１５材の場合は、本発明鋼と比較して急激に硬度が低下していることが分かる。これに対して、本発明鋼の成分組成での焼戻し温度が５２５℃近傍以上の焼戻しをするにもかかわらず、市販鋼であるＡＳＴＭ−Ｔ１５材に比較して、硬度の低下がないことが確認された。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
供試材として、表１に示す成分組成の本発明鋼および従来鋼と比較鋼の各鋼種を真空誘導溶解炉にて溶製し、ガスアトマイズ法により粉末高速度合金鋼を作製した。得られた粉末をＨＩＰ成形（熱間当方圧プレス）の原料粉末として用いた。この粉末をＨＩＰ成形し、径４０ｍｍとし、鍛伸して径１５ｍｍとした。この成形体を焼なまし後、焼入れ処理（１１９０℃加熱、油冷）した後、焼戻し処理（５６０と６００℃加熱、空冷）を３回以上行った。その結果を焼戻軟化抵抗性と耐摩耗性で評価した。

［焼戻軟化抵抗性］
焼戻軟化抵抗性は、焼入れ焼戻し試料から２５ｍｍ×２５ｍｍ×１０ｍｍの硬さ測定用試験片を切出し、測定を実施した。熱処理硬さにおいて、焼戻し温度５６０℃で６７ＨＲＣ以上、６００℃で６４ＨＲＣ以上の硬さを示す組成を本発明例とした。

［耐摩耗性］
耐摩耗性は、上記焼入れ焼戻し試料から７ｍｍ×２５ｍｍ×５０ｍｍの試験片を割り出した。大越式摩耗試験により比摩耗量を測定して評価した。試験条件は、回転輪の材質はＳＣＭ４２０、摩耗速度は０．１ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離は２００ｍ、最終荷重は６１．８Ｎとした。市販材（ＡＳＴＭ−Ｔ１５材）の比摩耗量は、６８ＨＲＣで１．０×１０^-8ｍｍ³ であり、１．０×１０^-8ｍｍ³ を基準として、これより比摩耗量が少なければ良い鋼には○、多ければ悪い鋼には×で表中に示した。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１０は本発明例、Ｎｏ．１１は市販のＡＳＴＭ−Ｔ１５鋼、Ｎｏ．１２〜２３は比較例である。

表１に示すように、比較例Ｎｏ．１１は一般的なＡＳＴＭ−Ｔ１５材と言われる市販鋼であり、この鋼はＣ、Ｍｏおよび２Ｍｏ＋Ｗの含有量が低く、かつＶの含有量が高いために、耐焼戻し軟化抵抗性指数［（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ］が低く、かつ５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．１２はＣ，Ｍｏおよび２Ｍｏ＋Ｗの含有量がやや低く、かつＶの含有量が高いために、耐焼戻し軟化抵抗性指数［（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ］が低く、かつ５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。

比較例Ｎｏ．１３はＭｏがやや低く、Ｖの含有量が高いために、耐焼戻し軟化抵抗性指数［（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ］が低く、かつ５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．１４はＣｒ、Ｖの含有量が高いために、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．１５はＭｏ、Ｖおよび２Ｍｏ＋Ｗの含有量が低いために、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１６はＭｏおよびＶの含有量が高いために、６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．１７はＣｒ含有量が低いために、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。

比較例Ｎｏ．１８はＭｏ、Ｖ含有量が低いために、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１９はＭｏ、耐焼戻し軟化抵抗性指数［（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ］が低く、かつＶの含有量が高いために、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．２０はＣｒ、Ｍｏの含有量が低いために、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．２１はＣｏの含有量が低いために、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さが低く、かつ耐摩耗性が劣る。

比較例Ｎｏ．２２はＣ，Ｍｎの含有量が高く、かつＷ、２Ｍｏ＋Ｗの含有量、および（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖの値がそれぞれ低いために、６００℃焼戻し硬さが低い。比較例Ｎｏ．２３はＳｉ、Ｗおよび２Ｍｏ＋Ｗの含有量が高く、かつ（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖの値が低いために、６００℃焼戻し硬さが低い。これに対して、本発明例Ｎｏ．１〜１０はいずれも本発明の条件を満たしていることから、５６０℃焼戻し硬さ、および６００℃焼戻し硬さのいずれも低下がなく硬度を維持し、かつ耐摩耗性も優れていることが分かる。

以上述べたように、本発明は、Ｖ添加量を抑え、かつＣ，Ｍｏ，Ｗを増加させることで、５６０℃以上の焼戻し時でも焼戻し軟化が起こりにくくなり、ＨＲＣ６７以上の硬さを達成することが出来、タップ、ドリルなどの工具母材として、過酷な条件下で長期に渡り高硬度材を加工する場合に必要な硬度で高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度鋼を提供することを可能とした。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：１．６５〜１．８０％、
Ｓｉ：≦０．５％、
Ｍｎ：≦０．５％、
Ｃｒ：３．８〜４．５％、
Ｍｏ：１．１〜１．５％、
Ｗ：１０．８〜１２．８％、
Ｖ：４．２〜４．８％、
Ｃｏ：４．５〜５．５％、
２Ｍｏ＋Ｗ：１３〜１５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼。
請求項１に記載された鋼であって、式（１）で示す耐焼戻し軟化抵抗性指数が２．８以上で、かつ温度５６０℃で焼戻したときの硬さが６７ＨＲＣ以上、かつ温度６００℃で焼戻したときの硬さが６４ＨＲＣの硬さであることを特徴とする高温焼戻し硬さに優れた粉末高速度工具鋼。
（２Ｍｏ＋Ｗ）／Ｖ … 式（１）