(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．７０〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜７．０％、Ｍｏ：５．０〜８．０％、Ｗ：５．０〜８．０％、Ｖ：６．０〜９．０％、Ｃｏ：５．０〜１５％、Ｎ：０．５０〜２．５％からなり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、ΔＣ：−１．０〜２．０を満足することを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
ただし、ＭｏおよびＷは上記の範囲内で（２Ｍｏ＋Ｗ）：１６〜２３％であり、さらにΔＣ＝Ｃ＊−Ｃｅｑであり、Ｃ＊＝Ｃ＋（６×Ｎ）／７・・・（１）、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ・・・（２）である。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．７０〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜７．０％、Ｍｏ：５．０〜８．０％、Ｗ：５．０〜８．０％、Ｖ：６．０〜９．０％、Ｃｏ：５．０〜１５％、Ｎ：０．５０〜２．５％、Ｎｂ：０．５０％以下からなり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、ΔＣ：−１．０〜２．０を満足することを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
ただし、ＭｏおよびＷは上記の範囲内で（２Ｍｏ＋Ｗ）：１６〜２３％であり、さらにΔＣ＝Ｃ＊−Ｃｅｑであり、Ｃ＊＝Ｃ＋（６×Ｎ）／７・・・（１）、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ・・・（２）である。
【請求項３】
請求項１および請求項２に記載の高硬度および高靭性の窒化粉末高速度工具鋼は、マトリクス中に分散する炭窒化物の平均粒径が２．５μｍ以下で、かつ炭窒化物の分布密度が１×１０4／ｍｍ2以上であることを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具や金型等の素材として用いられる高速度工具鋼に関し、特に粉末冶金法によって製造して得られる粉末高速度工具鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の被加工材の高硬度化や加工速度の増加により、素形材や金型の加工に用いられる切削工具の使用環境は一層過酷なものとなっている。そのため、それらの工具に使用される高速度工具鋼には、それらの環境に耐え得るため、より高い特性が要求されている。この要求に応えるべく、これまでに様々な技術が開発されてきた。
【０００３】
その一例として、窒化粉末高速度工具鋼がある。この窒化粉末高速度工具鋼は、溶解法によって製造した高速度工具鋼に比べて、成分偏析を低減し、炭窒化物を分散析出させることで、硬さ、耐摩耗性および靭性を向上させている。この窒化粉末高速度工具鋼に関して、従来技術として、例えば、特許文献１、特許文献２が提案されている。
【０００４】
特許文献１は、耐凝着摩耗性に優れた高硬度・高耐摩耗性の粉末ハイスである。しかし、このものは（Ｗ＋２Ｍｏ）量が多く、合金元素量が過剰である。そのため粗大炭化物を形成し、靱性が損なわれる場合があり、一層の靱性の向上が要望される。
【０００５】
特許文献２は、耐食性、耐焼付き性に優れた高硬度、高靱性を有する、粉末から成形の窒化粉末高速度鋼で、析出する窒化物がバナジウム系窒化物からなり、その窒化物の平均粒径が１μｍ以下で、鋼材の断面積中に占める面積率が５％以上で、硬さが６５ＨＲＣ以上の窒化粉末高速度鋼である。含有のＮはＶと結合してＭＣ型炭窒化物を形成するが、Ｖ量が低いので、十分な炭窒化物量が得られずに、硬さや耐摩耗性が不足する場合があり、より一層の硬さや耐摩耗性の向上が要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開１９８６−００６２５５号公報
【特許文献２】特開２０１３−０６００１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、高速度工具鋼として、種々の環境に耐え得るより高い特性が要望されるなかで、これまでに提案された窒化粉末高速度工具鋼よりもさらに高いレベルの硬さ、耐摩耗性および靭性を兼ね備えた窒化粉末高速度工具鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は鋭意開発を進めた結果、請求項に示す合金成分と限定式とすることで、硬さ、耐摩耗性および靭性が従来に比して一層に優れている高速度工具鋼が得られることを見出し、本願の発明に係る手段を得た。
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の手段について以下に説明する。先ず、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．７０〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜７．０％、Ｍｏ：５．０〜８．０％、Ｗ：５．０〜８．０％、Ｖ：６．０〜９．０％、Ｃｏ：５．０〜１５％、Ｎ：０．５０〜２．５％からなり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、ΔＣ：−１．０〜２．０を満足することを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼である。
ただし、ＭｏおよびＷは上記の範囲内で（２Ｍｏ＋Ｗ）：１６〜２３％であり、さらにΔＣ＝Ｃ＊−Ｃｅｑであり、Ｃ＊＝Ｃ＋（６×Ｎ）／７・・・（１）、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ・・・（２）である。
【００１０】
第２の手段では、質量％で、Ｃ：０．７０〜１．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０〜７．０％、Ｍｏ：５．０〜８．０％、Ｗ：５．０〜８．０％、Ｖ：６．０〜９．０％、Ｃｏ：５．０〜１５％、Ｎ：０．５０〜２．５％、Ｎｂ：０．５０％以下からなり、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、ΔＣ：−１．０〜２．０を満足することを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼である。
ただし、ＭｏおよびＷは上記の範囲内で（２Ｍｏ＋Ｗ）：１６〜２３％であり、さらにΔＣ＝Ｃ＊−Ｃｅｑであり、Ｃ＊＝Ｃ＋（６×Ｎ）／７・・・（１）、Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ・・・（２）である。
【００１１】
第３の手段では、  第１および第２の手段の高硬度、高靭性、窒化粉末高速度工具鋼は、マトリクス中に分散する炭窒化物の平均粒径が２．５μｍ以下で、かつ炭窒化物の分布密度が１×１０4／ｍｍ2以上であることを特徴とする硬度、靭性および耐摩耗性に優れた窒化粉末高速度工具鋼である。
【発明の効果】
【００１２】
本願の第１の手段に係る発明は、上記の手段の鋼の化学成分と、パラメータを有するので、焼入焼戻し効果を有し、硬さが６８ＨＲＣ以上を有する高硬度であって、衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ2以上の高靱性を有する粉末高速度工具鋼であり、第２の手段に係る発明は上記の手段の鋼の化学成分に加えてＮｂを０．５０％以下で有するので、微細な炭窒化物を生成して析出硬化による強度向上の効果を有し、硬さが６８ＨＲＣ以上を有する高硬度であって、衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ2以上の高靱性を有する粉末高速度工具鋼であり、第３の手段に係る発明は、平均粒径が２．５μｍ以下である炭窒化物の分布密度が１×１０4以上であるので、耐摩耗性の向上効果を有し、硬さが６８ＨＲＣ以上を有する高硬度であって、衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ2以上の高靱性を有する粉末高速度工具鋼である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
先ず、上記の課題を解決するための手段の粉末高速度工具鋼における化学成分およびパラメータにおける限定理由について、以下に説明する。なお、各化学成分における％は質量％を示す。
【００１４】
Ｃ：０．７０〜１．５％
Ｃは、高速工具鋼として十分な焼入性や焼入焼戻し硬さを確保し、炭化物を形成させることで耐摩耗性や高温強度を得るために必要な元素である。Ｃが０．７０％より少ないと、十分な硬さ、高温強度、耐摩耗性が得られない。一方、Ｃが１．５％より多すぎると、炭化物の偏析を助長し、靭性を低下させる。そこで、Ｃは０．７０〜１．５％、望ましくは０．８０〜１．３０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、焼入性および硬さ向上に寄与する元素である。しかし、Ｓｉが２．０％より多すぎると靭性を低下させる。そこで、Ｓｉは２．０％以下とする。
【００１６】
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、脱酸剤、焼入性向上に寄与する元素である。しかし、Ｍｎが１．０％より多すぎると、マトリックスを脆化させ、靭性および熱間加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは１．０％以下とする。
【００１７】
Ｃｒ：３．０〜７．０％
Ｃｒは、焼入性を改善する元素である。しかし、Ｃｒが３．０％未満では焼入性の改善は不十分である。一方、Ｃｒが７．０％より多すぎると、Ｃｒ系炭化物の凝集、粗大化を助長し、靭性、高温強度、軟化抵抗性を低下させる。そこで、Ｃｒは３．０〜７．０％、望ましくは３．５〜５．５％とする。
【００１８】
Ｍｏ：５．０〜８．０％かつＷ：５．０〜８．０％の範囲内で、（２Ｍｏ＋Ｗ）：１６〜２３％
ＭｏとＷは、焼入性や焼戻し時の二次硬化、耐摩耗性、高温強度、軟化抵抗性に寄与する元素である。また、ＭｏとＷは、焼入時に未固溶となったこれら元素の微細な炭化物が結晶粒の粗大化を抑制する。しかし、ＭｏとＷはそれぞれ５．０％より少ないと上記の効果が得られない。一方、ＭｏとＷがそれぞれ８．０％より多すぎると、Ｍｏ系やＷ系の炭化物の凝集・粗大化を助長し、靭性を低下させ、またコスト高になる。特に、Ｗは、Ｍｏと同等の効果を得るには、２倍の量の添加が必要となり、過剰添加はコストがかかる。そこで、Ｍｏは５．０〜８．０％かつＷは５．０〜８．０％の範囲内で、（２Ｍｏ＋Ｗ）は１６〜２３％、望ましくは１７〜２１％とする。
【００１９】
Ｖ：６．０〜９．０％
Ｖは、焼戻時に微細で硬質なＭＣ型炭窒化物を析出し、高温強度や耐摩耗性に寄与する。また、焼入時には未固溶となった微細な炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制し、靭性の低下を抑制する。しかし、Ｖは６．０％より少ないと効果がこれらの効果は得られない。しかし、Ｖが９．０％より多すぎると、Ｖ系炭化物の凝集・粗大化を助長し、靭性を低下させ、またコストがかかる。そこで、Ｖは６．０〜９．０％、望ましくは６．０〜８．０％とする。
【００２０】
Ｃｏ：５．０〜１５％
Ｃｏは、焼入時のマトリックスへの炭化物固溶量を増加させ、焼入焼戻硬さの向上に寄与する。しかし、Ｃｏが５．０％より少ないと、上記の効果が得られない。一方、Ｃｏが多すぎると、靭性を低下させるとともに、コスト上昇の原因となる。そこで、Ｃｏは５．０〜１５％、望ましくは７．０〜１３．０％とする。
【００２１】
Ｎ：０．５０〜２．５％
Ｎは、主にＶと結合しＭＣ型炭窒化物を形成し、硬度・耐摩耗性に寄与する。これらのＭＣ型炭窒化物は、焼入時に結晶粒粗大化を抑制し、靭性を改善する。また、耐摩耗性や耐焼付き性も改善する。Ｎが０．５０％より少ないと、上記の効果が得られない。一方、Ｎが２．５％より多すぎると、ＭＣ型の窒化物および炭窒化物の凝集・粗大化を助長し、靭性を低下させる。そこで、Ｎは０．５０〜２．５％とする。
【００２２】
Ｎｂ：０．５０％以下
Ｎｂは、炭窒化物を形成して硬さや耐摩耗性を付与する元素である。しかし、Ｎｂが０．５０％より多すぎると炭窒化物の偏析を助長して靱性を低下させる。そこで、Ｎｂは０．５０％以下、望ましくは０．０５〜０．５０％とする。
【００２３】
ΔＣ＝（Ｃ＊−Ｃｅｑ）：−１．０〜２．０
ΔＣが、−１．０未満であると、６８ＨＲＣ以上の高い硬度が得られにくくなるばかりでなく、炭窒化物が凝集および粗大化し、１５Ｊ／ｃｍ2以上の高い靱性が得られない。一方、ΔＣが２．０を超えるとＣやＮの偏析や炭化物の偏析を助長し、靭性を低下させる。そこで、ΔＣは−１．０〜２．０、望ましくは０．１０〜１．０とする。
ここで、Ｃ＊およびＣｅｑは、以下の式（１）および式（２）を示し、Ｃは質量％を示し、％元素は各合金元素の質量％を示す。
Ｃ＊＝Ｃ＋（６×Ｎ）／７・・・（１）
Ｃｅｑ＝０．０６×％Ｃｒ＋０．０６３×％Ｍｏ＋０．０３３×％Ｗ＋０．２×％Ｖ＋０．１×％Ｎｂ・・・（２）
なお、式（１）のＮは、Ｃと類似した性質を有し、鋼中で窒化物を形成し、硬さや耐摩耗性に寄与する。それぞれの添加量に対する寄与の大きさを、Ｃ量について統一した指標である。
式（２）のＣｅｑは、主に添加した各合金元素が全て炭化物となる場合に必要なＣ量の目安として用いられているＣ当量である。
以上より、ΔＣは、鋼中のＣ量およびＮ量並びに各合金元素量との関係から、焼入焼戻硬さ、靱性および耐摩耗性に影響する固溶Ｃ量に関して考慮した値である。本発明のΔＣに従った合金元素のバランスによって、高い硬度、靱性および耐摩耗性が得られる。
【００２４】
窒化粉末高速度工具鋼のマトリクス中に分散する炭窒化物：平均粒径が２．５μｍ以下
窒化粉末高速度工具鋼のマトリクス中に分散する炭窒化物は、平均粒径が２．５μｍより粗大化すると、該鋼の靱性を低下させる。そこで、窒化粉末高速度工具鋼のマトリクス中に分散する炭窒化物の平均粒径は２．５μｍ以下とする。
【００２５】
窒化粉末高速度工具鋼中の炭窒化物の分布密度：１×１０4／ｍｍ2以上
窒化粉末高速度工具鋼中の炭窒化物の分布密度は、１×１０4／ｍｍ2を下回ると、すなわち炭窒化物の凝集粗大化によって分布密度が低下すると、該鋼の耐摩耗性を低下させる。そこで、窒化粉末高速度工具鋼中の炭窒化物の分布密度は、１×１０4／ｍｍ2以上とする。なお、この場合の炭窒化物は平均粒径が２．５μｍ以下である。
【００２６】
次いで、本発明の実施の形態について、表を参照しながら以下に順次記載する。
【００２７】
先ず、表１の窒素以外の成分組成並びにＦｅおよび不可避不純物を有する各溶鋼をガスアトマイズして、各記号の発明鋼と比較鋼の粉末からなる高速度工具鋼を得た。これらの粉末からなる高速度工具鋼を８００〜９００℃の窒素雰囲気中に加熱保持して窒化処理を行い、窒化物を有する粉末である窒化粉末高速度工具鋼とした。これらの発明鋼および比較鋼の窒化粉末高速度工具鋼をＨＩＰ（熱間静水圧加圧法）処理して径１５０ｍｍの成形体とし、さらにこの成形体を径４０ｍｍに鍛伸し、１１８０〜１２２０℃に加熱して油冷して焼入れを行った後、５００〜６００℃に加熱して空冷する焼戻しを２回以上行って、焼入焼戻し試料を作製した。
【００２８】
【表１】
0006537342.tif 000002
【００２９】
上記で作成した焼入焼戻し試料を用いて、靱性および耐摩耗性（比摩耗量）並びにマトリックス中に分散する炭窒化物の平均粒径とその分布密度を評価した。
【００３０】
靱性の評価は、シャルピー衝撃試験機により評価を実施した。用いた試験片は上記の鍛伸材の中心部の圧延方向から採取して、上記のように加熱して油冷して焼入れし、さらに加熱して空冷する焼戻しを２回以上行う焼入焼戻しを行って試料とした後、１０ＲＣノッチのシャルピー試験片に加工し、焼入焼戻し硬さが６８ＨＲＣ以上の硬さにおいて、衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上であれば評価は◎とし、１５Ｊ／ｃｍ2以上で２０Ｊ／ｃｍ2未満であれば評価は○とし、それよりも低ければ×として評価して表２に示した。
【００３１】
耐摩耗性の評価は、大越式摩耗試験により評価を実施した。上記の焼入焼戻しを行った試料から、縦７ｍｍ、横２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの大きさの試験片を作成した。この試験片を用いて大越式摩耗試験により比摩耗量を測定した。試験条件は、回転輪のＳＣＭ４２０、摩耗速度を２．０ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離を４００ｍｍおよび最終荷重を６１．８Ｎとして試験片の比摩耗量を測定した。硬さ６８ＨＲＣにおいて、比摩耗量が２．０×１０-8以上であれば評価は◎とし、１．５×１０-8以上で２．０×１０-8未満であれば評価は○とし、それよりも低ければ×として評価して表２に示した。
【００３２】
上記の焼入焼戻し試料のマトリックス中に分散する炭窒化物の平均粒径とその分布密度は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を用いた画像解析により評価を実施した。上記の焼入焼戻し試料の中央部から２０ｍｍ幅、２０ｍｍ長さの大きさの試験片を作成して観察に用いた。炭窒化物の平均粒径が２．０μｍ以下であれば◎とし、２．０μｍを超え２．５μｍ以下であれば○とし、２．５μｍを超える場合は×として評価した。分布密度が１．５×１０4個／ｍｍ2以上であれば◎とし、１．０×１０4個／ｍｍ2以上で１．５×１０4個／ｍｍ2未満であれば○とし、１．０×4個／ｍｍ2未満であれば×として評価した。
【００３３】
【表２】
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