(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金成分が重量％でＣを０．８〜２．５％、Ｃｒを３〜８％、Ｍｏを１〜１０％、Ｗを１〜２０％、Ｖを１〜７％、Ｃｏを１５％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下含有すると同時にＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）が１５〜３０％であり、残部がＦｅと不可避不純物から成る組成を有し、かつ、前記合金中の炭化物最大粒子径が０．６μｍ以下及びオーステナイト結晶の平均粒子径が２．０μｍ以下であることを特徴とする焼結工具鋼。
【請求項２】
焼結工具鋼の構成相として平均粒子径が１〜１００ｎｍの酸化物を１種または２種以上、重量％で０．１〜１％を含有することを特徴とする請求項１記載の焼結工具鋼。
【請求項３】
重量％でＣを０．８〜２．５％、Ｃｒを３〜８％、Ｍｏを１〜１０％、Ｗを１〜２０％、Ｖを１〜７％、Ｃｏを１５％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下含有すると同時にＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）が１５〜３０％であり、残部Ｆｅと不可避不純物から成る組成を有する合金を高周波溶解炉にて溶解すると同時にガスアトマイズ法または水アトマイズ法によって急冷凝固粉末を得た後、前記凝固粉末を粒子径で７５μｍ以下に分級してボールミル等によりメカニカルミリングを施し高歪付加ミリング粉末を製造し、ついで前記ミリング粉末を鋼製容器中に充填し４００〜６００℃にて真空脱気後、８００〜１０００℃で加熱を行うと同時に圧下率７０〜９０％での圧延、または押出比４〜１０での押出を行って成形焼結することを特徴とする焼結工具鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超微細粒組織を有する焼結工具鋼およびその製造方法に関し、高強度で耐摩耗性と加工性に優れた、工具、構造部材等として特に極小および極薄部材に好適な高強度超微細粒の焼結工具鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＳＫＨ５１に代表される高速度工具鋼は切削工具用や金型、更には耐摩耗用部材等として広く用いられてきた。また高速度工具鋼の性能改良には成分組成改良の他に製造技術による改良として、従来の溶解造塊方式に対してアトマイズ粉末を用いたＨＩＰ焼結法いわゆる粉末冶金方式の採用などがある。一方、最近の電子関連分野に代表される半導体の高集積度化、コンパクト化が進み、関連部材として例えば極小径ピン等で直径１００μｍ以下の加工に対応できる高強度の耐摩部材等が求められるようになってきた。しかしながら従来の溶解材より強度と靭性が高い粉末冶金方式による工具鋼、例えば、焼結炭素工具鋼、焼結合金工具鋼さらには焼結高速度工具鋼においても要求される強度、靭性面で満足に対応できないといった問題点がでてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高速度工具鋼の耐摩耗性、強度、延性、被研削性の向上に対応すべき要因は金属組織学的に見ると、含有する合金組成とオーステナイト結晶粒子の大きさ及び化合物などとして分散する炭化物や酸化物粒子の大きさ並びにそれらの分散等に強く影響される。一般的に、結晶粒が小さいほど即ち微細なオーステナイト結晶粒子と微細かつ均一に分散した炭化物粒子を含んでいる場合はこれらの性質は改良される。しかしながら従来の粉末冶金法による高速度工具鋼にあってはオーステナイト結晶粒子径は７〜１０μｍまた炭化物粒子径は２〜４μｍの物を多数含んでおり、これ以上の大幅な性能向上は期待できない。
【０００４】
本発明の課題は炭化物含有量の多い工具鋼にあってマルテンサイト組織及び炭化物を従来材に比べて大幅に微細化させることによって高強度で耐摩耗性と加工性に優れた高強度超微細粒の焼結工具鋼を提供することにある。また、かかる焼結工具鋼を製造する方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、オーステナイト結晶粒子径、炭化物粒子径について着目しこれらの粒子径を小さくする方法について研究した結果、急冷凝固アトマイズ粉末の中に晶出した樹枝状晶の間隙に生ずる粗大な炭化物を高歪付加粉末冶金プロセスにより基地中に出来るだけすみやかに固溶させ消滅させる粉末処理法と温間強圧下加工による動的焼結を組み合わせることによって従来材より低温で焼結を可能にした。このような製法により、基地からの析出炭化物粒子が微細となると共に炭化物粒子並びに結晶粒の成長が抑制された結果、超微細化組織を得ることが可能となった。このようにして得られた超微細化組織を有する材料について種々の試験をおこなった。その結果、合金中の炭化物最大粒子径が０．６μｍ以下及びオーステナイト結晶の平均粒子径が２μｍ以下の焼結工具鋼については、従来の工具鋼に比べて最も高強度になるという知見を得た。
【０００６】
この知見により、本発明においては、焼結工具鋼の合金成分が重量％でＣを０．８〜２．５％、Ｃｒを３〜８％、Ｍｏを１〜１０％、Ｗを１〜２０％、Ｖを１〜７％、Ｃｏを１５％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下含有すると同時にＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）が１５〜３０％であり、残部がＦｅと不可避不純物から成る組成と有し、かつ、前記合金中の炭化物最大粒子径が０．６μｍ以下及びオーステナイト結晶の平均粒子径が２．０μｍ以下の焼結工具鋼を提供することにより前記課題を解決した。
【０００７】
本発明焼結合金の構成する成分において炭素はＦｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の複炭化物を構成すると同時に焼入加熱による炭化物の固溶に伴ってマトリックス中に固溶し硬度を高める作用があるが、含有量が０．８％未満の場合十分な硬さが得られないので０．８％以上の含有とした。一方炭素量が２．５％を超えると合金中の炭化物を粗大化させるためこれを上限とした。
【０００８】
Ｃｒは、主として炭化物を構成するが、焼入によってその全量を基地に固溶し自硬性を与えるとともに耐焼戻し性を補強するため３％以上必要であるが８％を超えると熱間加工性を劣化させまた焼入時の残留オーステナイトが著しく増加するため３〜８％とする。
【０００９】
ＭｏとＷは、共に、炭化物を構成し耐摩耗性を与え、焼入に際して基地に一部固溶して強度と硬さを高めると共に耐熱性を改善する元素として有効でありＭｏ及びＷの含有量としてはいずれも１％以上であってかつＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）では１５％以上が必要である。一方Ｍｏ１０％、Ｗ２０％を超えかつＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）で３０％を超えると炭化物量が多くなり靭性を著しく低下させるのでこれを上限とした。
【００１０】
Ｖは、硬質なＭＣ炭化物として耐摩耗性を高めると共に分散効果でオーステナイト結晶粒の微細化に有効であり、含有量としては１％以上必要であるが７％を超えるとＭＣ炭化物を著しく粗大化させ、被研削性を悪くするため７％以下とした。
【００１１】
Ｃｏは、ほぼ全量が基地に固溶して焼入の際にＷ、Ｍｏ等の炭化物固溶を促進し高温強度を高めるのに有効であるが１５％を超えるとその添加効果は少なくコスト高となるため１５％以下とした。Ｓｉ、Ｍｎは主に脱酸剤として使用され含有量は１％以下とする。
【００１２】
ＳｉＯ2、ＣｒＯ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3等の酸化物はできる限り少ない方がよい。しかし、これらの酸化物は焼入加熱によっても基地に固溶しないことから加熱による結晶粒の成長を抑制するピン止め効果が期待される。そこで、請求項２に記載の発明においては、焼結工具鋼の構成相として平均粒子径が１〜１００ｎｍの酸化物を１種または２種以上、重量％で０．１〜１％を含有させるようにした。酸化物の大きさが１００ｎｍ以上を超えるかその量が１％を超えると靭性を著しく劣化させるので１００ｎｍを上限とした。
【００１３】
かかる高強度超微細粒の焼結工具鋼は、次にようにして得られる。即ち請求項３に記載の発明においては、重量％でＣを０．８〜２．５％、Ｃｒを３〜８％、Ｍｏを１〜１０％、Ｗを１〜２０％、Ｖを１〜７％、Ｃｏを１５％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下含有すると同時にＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）が１５〜３０％であり、残部Ｆｅと不可避不純物から成る組成を有する合金を高周波溶解炉にて溶解すると同時にガスアトマイズ法または水アトマイズ法によって急冷凝固粉末を得た後、前記凝固粉末を粒子径で７５μｍ以下に分級してボールミル等によりメカニカルミリングを施し高歪付加ミリング粉末を製造し、ついで前記ミリング粉末を鋼製容器中に充填し４００〜６００℃にて真空脱気後、８００〜１０００℃で加熱を行うと同時に圧下率７０〜９０％での圧延、または押出比４〜１０での押出を行って成形焼結する焼結工具鋼の製造方法を提供することにより、合金中の炭化物最大粒子径が０．６μｍ以下及びオーステナイト結晶の平均粒子径が２μｍ以下の焼結合金を得ることができた。
【００１４】
超微細粒組織を有する焼結合金の製造方法は、ガスアトマイズ法または水アトマイズ法によって急冷凝固された粉末の中からふるいにより粒子径で７５μｍ以下に分級したものを、撹拌型、遊星型、振動型ボールミル等の高エネルギー型ボールミルによって、５０〜２００時間の高歪付加プロセス（メカニカルミリング）を行う。この際に粉末粒子径が大きすぎたり処理時間が短いと粉末中央部にまで加工が行われず成形焼結後に粗大な炭化物が残存するため機械的特性に悪い影響を及ぼす。また処理時間が２００時間を超えても有効なエネルギーを与えることは出来ないので２００時間以下が好ましい。
【００１５】
また撹拌型、遊星型、振動型ボールミル等の高エネルギー型ボールミルによって、５０〜２００時間の高歪付加プロセス（メカニカルミリング）を行う際に、必要に応じてＳｉＯ2、ＣｒＯ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3等を加え構成相として平均粒子径が１〜１００ｎｍで、重量％で０．１〜１％になる酸化物を１種または２種以上含む混合物を使用してもよい。
【００１６】
次に、粉末の成形焼結には、メカニカル処理粉末を鋼製容器中に４００〜６００℃で真空封入したものを８００〜１０００℃で加熱を行い、ついで圧下率７０〜９０％の熱間圧延を行うか、或いは押出比４〜１０の熱間押出を行って成形焼結する。成形焼結温度が８００℃未満では内部割れ等の欠陥が発生することがあり、また１０００℃を超えると炭化物粒子やオーステナイト結晶の粒子が粗大となり機械的特性に悪影響を及ぼす。
【００１７】
【実施例】
次に本発明の実施例及び試験成績について述べる。
（実施例１）
表１に示す本発明例１の成分からなる合金を予めガスアトマイズによって急冷凝固し、この粉末をふるいにより粒子径で７５μｍ以下に分級した粉末をＳＫＤ１１製容器にＳＵＪ２ボールと重量比１４．４：１にてＡｒ雰囲気中にて充填し遊星ボールミル（高エネルギー型ボールミルの１種）にて２００時間高歪付加を行い得られた粉末を鋼製カプセルに充填し、４００℃にて真空脱気後封じた物を、１０００℃で加熱を行うと同時に押出し比９での熱間押出を行って成形焼結し更に伸線と焼鈍を繰り返し直径を０．２ｍｍまで細くしたものを１２００℃で焼入した後、５６０℃×１時間×３回焼戻し処理を行ったものについて結晶粒度解析、抗折試験、被研削性試験、曲げ疲労試験を行った。
【００１８】
結晶粒度解析においてオーステナイト結晶粒及び炭化物粒径は上記焼入処理後試験片の縦断面を５％硝酸アルコール溶液にて腐食し画像解析を行ったものであり、粒子径は等価円直径によって求めたものである。なお、ここで、等価円直径とは粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径をいう。抗折試験には直径０．２ｍｍの線材を上記熱処理後、スパン１２．７ｍｍの３点曲げ抗折試験を実施した。また被研削性試験は直径０．２ｍｍの線材を上記熱処理後＃１２００の砥石にて延べ８０００本切断した後の砥石の減量比にて比較したものである。また、曲げ疲労試験は直径０．２ｍｍの線材を上記熱処理後最大応力１４０ｋｇ／ｍｍ2の負荷を与える繰り返し曲げ疲労寿命試験機にて行ったものである。比較例は対応する発明例とほぼ同様の成分とし、従来の熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）により、成形焼結したものである（以下同じ）。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
その結果、本発明例１は比較例１の従来粉末材に比べ抗折力においては５０％程度向上し、被研削性においては８０％程度向上、曲げ疲労寿命においては２０倍以上向上した。図１は本発明の焼結工具鋼の実施例（発明例１）の結晶粒及び、従来の比較例１の結晶粒を示す電子顕微鏡写真である。図１で示すように、オーステナイト結晶粒、オーステナイト結晶粒界、炭化物は比較例１のものに較べ本発明例１のものが格段に小さく、本発明の焼結工具鋼が従来のものに比して超微細粒の焼結工具鋼であることがわかる。
【００２１】
（実施例２）
表１に示す本発明例２の成分からなる合金を予めガスアトマイズによって急冷凝固し、この粉末をふるいにより粒子径で７５μｍ以下に分級した粉末をＳＫＤ１１製容器にＳＵＪ２ボールと重量比１４．４：１にてＡｒ雰囲気中にて充填し、遊星ボールミル（高エネルギー型ボールミルの１種）にて２００時間高歪付加を行い、得られた粉末を鋼製カプセルに充填し、４００℃にて真空脱気後封じた物を、１０００℃で加熱を行うと同時に押出し比５での熱間押出を行って成形焼結し更に伸線と焼鈍を繰り返し、直径を０．２ｍｍまで細くしたものを１２００℃で焼入した後、５６０℃×１時間×３回焼戻し処理を行ったものについて実施例１記載の方法にて結晶粒度解析、抗折試験、被研削性試験、曲げ疲労試験を行った。
【００２２】
その結果、前述したと同様に、本発明例２は比較例２の従来粉末材に比べ抗折力においては５０％程度向上し、被研削性においては８０％程度向上、曲げ疲労寿命においては２８倍以上向上した。
【００２３】
（実施例３）
表１に示す本発明例３の成分からなる合金を予め水アトマイズによって急冷凝固し、この粉末をふるいにより粒子径で７５μｍ以下に分級した粉末をＳＫＤ１１製容器にＳＵＪ２ボールと重量比１４．４：１にてＡｒ雰囲気中にて充填し、遊星ボールミル（高エネルギー型ボールミルの１種）にて１００時間高歪付加を行い、得られた粉末を鋼製カプセルに充填し４００℃にて真空脱気後封じた物を、８００℃で加熱を行うと同時に累積圧下率８５％での圧延を行った。更に伸線と焼鈍を繰り返し、直径を０．２ｍｍまで細くしたものを１２００℃で焼入した後、５６０℃×１時間×３回焼戻し処理を行ったものについて実施例１記載の方法にて結晶粒度解析、抗折試験、被研削性試験、曲げ疲労試験を行った。
【００２４】
その結果、前述したと同様に、本発明例３は比較例３の従来粉末材に比べ抗折力においては５０％程度向上し、被研削性においては８０％程度向上、曲げ疲労寿命においては６倍以上向上した。
【００２５】
（実施例４）
本発明例４は、表１に示す本発明例３の成分からなる合金を予め水アトマイズによって急冷凝固し、この粉末をふるいにより粒子径で７５μｍ以下に分級した粉末と市販の１μｍのＳｉＯ2酸化物を加えてＳＫＤ１１製容器にＳＵＪ２ボールと重量比１４．４：１にてＡｒ雰囲気中にて充填し、遊星ボールミル（高エネルギー型ボールミルの１種）にて１００時間高歪付加を行い、得られた粉末を鋼製カプセルに充填し４００℃にて真空脱気後封じた物を、８００℃で加熱を行うと同時に累積圧下率８５％での圧延を行った。更に伸線と焼鈍を繰り返し、直径を０．２ｍｍまで細くしたものを１２００℃で焼入した後、５６０℃×１時間×３回焼戻し処理を行ったものについて実施例１記載の方法にて結晶粒度解析、抗折試験、被研削性試験、曲げ疲労試験を行った。
【００２６】
本発明例４は比較例３比べ抗折力においては５０％程度向上し、被研削性においても９０％程度向上、曲げ疲労寿命においては６倍以上向上した。また、本発明例３よりオーステナイト結晶粒平均径が小さく、また、抗折力、被研削性も高めであり、酸化物を加えた効果が現れている。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では合金成分を重量％でＣを０．８〜２．５％、Ｃｒを３〜８％、Ｍｏを１〜１０％、Ｗを１〜２０％、Ｖを１〜７％、Ｃｏを１５％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下含有すると同時にＷ当量（２Ｍｏ＋Ｗ）が１５〜３０％であり、残部がＦｅと不可避不純物から成る組成とし、炭化物の微細化を図るとともに工具鋼としての性能を確保し、さらに、焼結により、炭化物最大粒子径が０．６μｍ以下及びオーステナイト結晶の平均粒子径が２μｍ以下の超微細粒組織とすることによって高強度の焼結工具鋼が得られた。かかる焼結工具鋼は、特に２００μｍ以下の極小、極薄工具、金型および構造部材に好適な耐摩耗高強度素材として使用できる。
【００２８】
また、酸化物による結晶粒の成長を抑制するピン止め効果を利用して超微細粒組織を容易に得られるようにした。
【００２９】
また、高周波溶解炉、ガスアトマイズ法または水アトマイズ法、ボールミル、真空脱気、熱間圧延、又は熱間押出等の従来の工法を組み合わせて容易にかかる高強度超微細粒の焼結工具鋼の製造方法を提供するものであり、産業上有益なものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼結工具鋼の実施例（発明例１）の結晶粒及び、従来の比較例１の結晶粒を示す電子顕微鏡写真である。
【図１】
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