(57)【要約】【課題】  高速切削用途の粉末高速度鋼の成分と組織中の炭化物を適切に制御することにより、耐摩耗性と靱性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：１．０〜１．８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：２．０〜７．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｗ：３．０〜１５．０％、Ｖ：２．０〜５．０を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％である耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼およびその製造方法。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：１．０〜１．８％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：２．０〜７．０％、
Ｍｏ：２．０〜７．０％、
Ｗ：３．０〜１５．０％、
Ｖ：２．０〜５．０％、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％であることを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：１．０〜１．８％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：２．０〜７．０％、
Ｍｏ：２．０〜７．０％、
Ｗ：３．０〜１５．０％、
Ｖ：２．０〜５．０％、
Ｃｏ：１０．０％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％であることを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼粉末を、１２００〜１２４０℃の温度域でＨＩＰ固化成形を行う後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％としたことを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の鋼粉末を、１１００〜１２００℃未満の温度域でＨＩＰ固化成形を行い、引続き１２００〜１２４０℃の温度域で２時間以上保持する熱処理後、鍛造または圧延による熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％としたことを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速度工具鋼はＣ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ等の合金元素を多量に加えて高温で硬さや耐摩耗性を一層高めた工具鋼であり、エンドミルやドリルのように比較的靱性が要求される切削工具の素材として汎用されている。ところで、このような高速度工具鋼は、従来では溶製法によって製造されていたのであるが、この溶製法によって得られた高速度工具鋼では、粗大炭化物の存在や偏析という問題があったことから、近年では、従来の溶製法に代わって、粉末冶金法を用いた粉末高速度工具鋼が広く使用されるようになっている。この粉末高速度工具鋼は、高速度工具鋼の溶湯をアトマイズ法によって急冷凝固粉末とし、この粉末を熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）等の粉末冶金法によって製造される。
【０００３】
一方、上記のような粉末高速度工具鋼を切削工具の素材として実際使用した場合には、耐摩耗性および靱性が不十分なことから、工具の切削性能の向上という要求に十分対応できないことから、耐摩耗性および靱性をより高めて工具の切削性能をより向上させると言う観点で、これまでにも様々な粉末高速度工具鋼について提案されている。
例えば、特開２００１−２９４９８６号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｃ：１．２〜３％、Ｓｉ：≦３．０％、Ｍｎ：≦３．０％、Ｃｒ：３〜６％、Ｗ：１０〜１５％、Ｍｏ：≦１．０％、Ｖ：３〜５％、Ｃｏ：≦１０％を含有する高速度工具鋼用粉末が提案されている。
【０００４】
また、特開平９−５９７４８号公報（特許文献２）に開示されているように、ＮｉおよびＣｏを含むＭｏ系高速度工具鋼であって、Ｎｂを０．５〜２．０％含有すると共に、炭化物の平均粒径が０．４０〜０．８０μｍであり、且つ最大粒径が５μｍ以下である耐摩耗性及び耐チッピング性に優れた粉末高速度工具鋼が提案されている。
【０００５】
さらに、特開平４−３５８０４６号公報（特許文献３）は、Ｃ：１．７〜３．５％、Ｓｉ：≦０．４％、Ｍｎ：≦０．４％、Ｃｒ：３〜２０％、Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂのいずれか１種ないし２種以上の元素：≦１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｍｏ：３〜９％、Ｃｏ：７〜１４％、残部実質的にＦｅからなり、基地中に、粒径１０〜５０μｍの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は１０〜５０％である耐摩耗性・靱性等にすぐれた高速度鋼系焼結合金が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９４９８６号公報
【特許文献２】特開平９−５９７４８号公報
【特許文献３】特開平４−３５８０４６号公報
【０００７】
【非特許文献１】電気製鋼、第５８巻  第４号  ２５１〜２５９頁  常陸美朝、松田幸紀著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した、特許文献１は成分制御により耐摩耗性、靱性改善を狙っているが、しかし、炭化物サイズが２．０μｍと微細で、耐摩耗性に懸念があり十分ではない。また、特許文献２はＮｂを０．５〜２．０％添加し、かつＮｉ，Ｃｏを含む粉末高速度鋼と耐摩耗性、靱性を高めているが、しかしながら、Ｎｂを含む必要があり、そのため成分系に制約があり、コストアップに繋がる問題がある。さらに、特許文献３は１０〜５０μｍの炭化物を１０〜５０％含む粉末高速度鋼で、破壊靱性改善を狙っているが、本発明の観点から見ると微細な炭化物が殆ど存在しないことに起因して、耐チッピング性に問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一般に、粉末高速度工具鋼は、微細な炭化物が析出するため靱性に優れる特徴を持ち、上記特許文献１〜３のような粉末高速度工具鋼が提案されているが、近年の切削工具に要求されるより高度な特性（例えば高速で切削を行う場合の特性）が求められた場合には、耐摩耗性や靱性が依然として不十分であり、さらなる改善が求められているのが現状である。
【００１０】
例えば、粉末高速度工具鋼の耐摩耗性を改善する方法として、非特許文献１（電気製鋼、第５８巻  第４号  ２５１〜２５９頁  常陸美朝、松田幸紀著）にて、組織中の炭化物を多量に析出させたり、大きくすることが有効であるが、過度に行うと靱性が低下する場合があることが報告されている。しかし、この報告では高速切削用途の工具に実際に使用した時の耐摩耗性については記載されておらず、高速切削用途の工具に適した成分、炭化物の大きさ、量、すなわち、耐摩耗性と靱性のバランスの最適値、そして、その場合の工具寿命については述べられていない。そこで、実際に高速切削用途の粉末高速度鋼の成分と組織中の炭化物を適切に制御することにより、耐摩耗性と靱性に優れた粉末高速度工具鋼を得ることを目的としたものである。
【００１１】
その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：１．０〜１．８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：２．０〜７．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｗ：３．０〜１５．０％、Ｖ：２．０〜５．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％であることを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼。
【００１２】
（２）質量％で、Ｃ：１．０〜１．８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：２．０〜７．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｗ：３．０〜１５．０％、Ｖ：２．０〜５．０％、Ｃｏ：１０．０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、該鋼粉末を固化成形後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％であることを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼。
【００１３】
（３）前記（１）または（２）に記載の鋼粉末を、１２００〜１２４０℃の温度域でＨＩＰ固化成形を行う後、鍛造または圧延により熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％としたことを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼の製造方法。
【００１４】
（４）前記（１）または（２）に記載の鋼粉末を、１１００〜１２００℃未満の温度域でＨＩＰ固化成形を行い、１２００〜１２４０℃の温度域で２時間以上保持する熱処理後、鍛造または圧延による熱間加工後、焼入、焼戻したミクロ組織において１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍの範囲にあり、さらに、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％としたことを特徴とする耐摩耗性に優れた粉末高速度工具鋼の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、本発明により耐摩耗性および靱性をより優れるものとすることによって、切削工具のより長寿命化を達成することができるような粉末高速度工具鋼、およびこうした高速度工具鋼の製造方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明鋼（表Ｎｏ．１）の焼入れ焼戻し後の炭化物状況を示す図である。
【図２】比較鋼（表Ｎｏ．１１）の焼入れ焼戻し後の炭化物状況を示す図である。
【図３】比較鋼（表Ｎｏ．１３）の焼入れ焼戻し後の炭化物状況を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る限定理由について説明する。
Ｃ：１．０〜１．８％
Ｃは、硬さ、焼入性に必要な元素である。しかし、１．０％未満ではその効果が十分でない。また、１．８％を超えると、靱性、加工性を悪化させることから、その範囲を１．０〜１．８％とした。
【００１８】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤であり、基地の硬さを得るために必要な元素である。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、１．０％を超えると靱性と加工性が悪化することから、その範囲を０．１〜１．０％とした。
【００１９】
Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、脱酸剤であり、焼入性を得るために必要な元素である。しかし、０．１％未満では、その効果が十分に得られず、１．０％を超えるとマトリックスを脆化させ靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を０．１〜１．０％とした。
【００２０】
Ｃｒ：３．０〜７．０％
Ｃｒは、焼入性を得るために必要な元素である。しかし、３．０％未満ではその効果が十分でない。また、７．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を３．０〜７．０％とした。
【００２１】
Ｍｏ：２．０〜７．０％
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、２．０％未満ではその効果が十分でない。また、７．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を２．０〜７．０％とした。好ましくは３．０〜７．０％とする。
【００２２】
Ｗ：３．０〜１５．０％
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、３．０％未満ではその効果が十分でない。また、１５．０％を超えると靱性、熱間加工性が悪化することから、その範囲を３．０〜１５．０％とした。好ましくは４．０〜１３．０％とする。
【００２３】
Ｖ：２．０〜５．０％
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ために必要な元素である。しかし、２．０％未満ではその効果が十分でない。また、５．０％を超えると靱性、被削性が悪化することから、その範囲を２．０〜５．０％とした。好ましくは３．０〜４．０％とする。
【００２４】
Ｃｏ：１０．０％以下
Ｃｏは、耐熱性、耐摩耗性、耐焼戻し軟化抵抗性を得るために必要な元素である。本元素を含まなくても本発明の効果は得られるが、高速切削用途の工具鋼では、使用時の温度上昇から耐熱性、耐焼戻し軟化抵抗性が特に重要となるため、含有することが好ましい。しかし、１０．０％を超える添加は炭化物の偏析や脱炭を促進することから、その範囲を１０．０％以下とした。
【００２５】
１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２〜１０μｍ
上記炭化物径の範囲を設定するに当たって、耐摩耗性を改善するには、炭化物を大きくすることが有効であるが、過度に炭化物を大きくすると靱性が低下することが、電気製鋼、第５８巻  第４号  ２５１〜２５９頁  常陸  美朝、松田  幸紀著（非特許文献１）に報告されている。そのため、微細な炭化物と粗大な炭化物を混在させることにより、靱性を保ちつつ耐摩耗性を改善することができると考え、１００μｍ2 中の炭化物径（円相当径）の最大値が２μｍとした場合に耐摩耗性が向上することを見出した。しかし、炭化物径が１０μｍを超えると靱性を著しく阻害し、チッピングを誘発するため、炭化物円相当径の最大値を２〜１０μｍとした。
【００２６】
炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２〜１０％
耐摩耗性を向上させるためには、炭化物径の最大値と共に、２〜１０μｍである粗大炭化物の面積率が重要であることを見出した。２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率が２％以上ないと耐摩耗性向上の効果が十分に得られない。また、１０％を超えると靱性が低下するために、炭化物径が２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率を２〜１０％とする。
【００２７】
２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３〜１０％
靱性を確保してチッピングを防止するために、２μｍ未満の微細炭化物が存在しなくてはならない。微細炭化物が存在しないと、組織中の結晶粒成長をピン止め効果が得られず、結晶粒粗大化が起きやすくなり母相の靱性が低下し、チッピングが起こりやすくなる。チッピングを防止する効果は、２μｍ未満の微細炭化物の面積率が３％以上でなければ十分に得られない。また、微細炭化物の面積率が１０％を超えると粗大炭化物が形成されにくく耐摩耗性の向上効果が得られないことから、その微細炭化物の面積率を３〜１０％とした。
【００２８】
図１は、本発明鋼（表Ｎｏ．１）の焼入れ焼戻し後の炭化物状況を示す図である。この図に示すように、本発明に示す成分組成、ＨＩＰ条件で作製し、炭化物最大径、面積率を制御して粗大炭化物と微細炭化物が混在する組織に制御しているため耐摩耗性が向上し、耐チッピング性にも優れている。また図２は、比較例鋼（表Ｎｏ．１１）の焼入れ焼戻し後の炭化物状況を示す図である。この図に示すように、本発明に示す成分組成と同じであるが、本発明の条件で作製せず、炭化物が微細で本発明範囲外のため耐摩耗性に劣る。
【００２９】
高速度工具鋼の成分に調整した金属粉末に対して、１２００〜１２４０℃の温度域でＨＩＰ固化成形を行う。もしくは、１１００〜１２００℃未満でＨＩＰ固化成形を行い１００％密度としたビレットに対して、１２００〜１２４０℃の温度範囲で２時間以上保持する熱処理を行う。上記の処理を行う理由としては、ＨＩＰ固化成形中、もしくはその後の工程において、１２００℃で２時間以上で保持を行うことで、炭化物の成長を促し炭化物の大きさを制御するためである。ただし、１２４０℃より高い温度で保持を行うと、炭化物の成長が顕著になり過ぎ、微細な炭化物が消失、それに伴い結晶粒の粗大化が起こり靱性が著しく低下するため１２４０℃を上限とした。例えば、１２５０℃でＨＩＰ固化成形を行った比較鋼（表Ｎｏ．１３）の組織を図３に示す。この図３は、本発明範囲外の成分組成であり、かつ１２５０℃でＨＩＰ固化成形を行っているため、炭化物が顕著に粗大化し、微細炭化物が殆んど存在しないことから、結晶粒が粗大化している。そのため耐チッピング性が悪い。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１の成分組成の金属粉末をガスアトマイズ法で作製し、５００μｍ以下の篩目にて分級し、直径２３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの缶に充填し、これを表１に示すＨＩＰ条件にて焼結し、その後、表１に示す条件で大気炉で熱処理を行ったものと、ＨＩＰ成形ままの固化成形体を作製した。それを約１０７５℃に加熱して３０ｍｍ径に鍛造加工した後１１９０℃焼入れてから５６０℃で３回焼き戻し処理を行った。耐摩耗性、靱性の評価は、上記の熱処理品をホブへ加工し、このホブを使って切削加工を施すことにより評価した。
【００３１】
耐摩耗性は被削材としてＳＣＭ４１５を用い、乾式で１分当たりの周速が３００ｍの切削速度で１時間切削した時の摩耗量により評価した。また、その時のチッピングの有無で靱性を評価した。汎用粉末高速度工具鋼（表Ｎｏ．１１）と比較しその結果を表１に示す。なお、炭化物としては、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、長さ１０ｍｍの角棒を切出し、湿式研磨、ピクラル腐食を行い、光学顕微鏡にてミクロ組織を１０００倍で観察した時、１００μｍ2 の範囲内に存在する炭化物を画像解析ソフトを用いて円相当径を算出し、炭化物の最大径、２〜１０μｍの粗大炭化物の面積率、２μｍ未満の微細炭化物の面積率を評価した。
【００３２】
【表１】
2015160957.tif 000003
表１に示すように、Ｎｏ．１〜１０は本発明例であり、Ｎｏ．１１〜１５は比較例である。
【００３３】
表１に示すように、比較例Ｎｏ．１１は、最大炭物径が小さく、微細炭化物の面積率が多く、かつ粗大炭化物の面積率が０のため、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１２は、成分組成においてＣ、Ｍｏ、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ含有量が高く、最大炭化物径が大きく、微細炭化物の面積率が少なく、かつ粗大炭化物の面積率が多いために、チッピング性が悪い。比較例Ｎｏ．１３は、成分組成においてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ含有量が高く、Ｖ含有量が低く、最大炭化物径が大きく、微細炭化物の面積率が少なく、かつ粗大炭化物の面積率が多いために、チッピング性が悪く、かつ耐摩耗性がやや劣る。
【００３４】
比較例Ｎｏ．１４は、成分組成においてＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ含有量が低く、かつ粗大炭化物の面積率が少ないために、耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．１５は、成分組成においてＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ含有量が高く、Ｍｎ，Ｖ含有量が低く、かつ粗大炭化物の面積率が少ないために、耐摩耗性が劣る。これに対して、本発明であるＮｏ．１〜１０は、いずれも成分組成、ＨＩＰ条件で作製し、炭化物最大径、面積率を制御して粗大炭化物と微細炭化物が混在する組織に制御しているため耐摩耗性が向上し、耐チッピング性に優れていることが分かる。
【００３５】
以上述べたように、本発明による高速切削用途の粉末高速度鋼の成分組成と組織中の炭化物を適切に制御することにより、チッピング性と耐摩耗性を兼ね備えた高速度粉末工具鋼を提供することができる極めて優れた効果を奏するものである。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊
【図１】
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【図２】
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【図３】
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