(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：１．２〜３％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３〜６％、Ｗ：１０〜１５％、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｖ：３〜４．５％（但し、４．５％を除く）、Ｃｏ：１０％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であると共に、下記（１）〜（４）式を満足することを特徴とする高速度工具鋼用粉末。
67.8＜5.85×ΔＣ＋0.15×[Co]＋0.10×Weq＋64.4＜71          ……（１）
ΔＣ＝[C]-0.017×(2×[Mo]+[W])-0.22×[V]-0.19              ……（２）
Weq＝[W]+2×[Mo]                                           ……（３）
ΔＣ≧０．２０                                             ……（４）
但し、[Co]，[C],[Mo],[W]および[V]は、夫々Ｃｏ，Ｃ，Ｍｏ,ＷおよびＶの含有量（質量％）示す。
【請求項２】
請求項１に記載の高速度工具鋼用粉末を用いて、粉末冶金法によって製造したものであり、炭化物サイズが２．０μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗性および靭性に優れた粉末高速度工具鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具や金型等の素材として用いられる硬さＨＲＣ６７以上の高硬度の高速度工具鋼を粉末冶金法によって製造する為の高速度工具鋼用粉末、およびこの粉末を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し、特に耐摩耗性および靭性に優れ、切削工具の素材として最適な粉末高速度工具鋼およびこうした粉末高速度工具鋼を得る為の高速度工具鋼用粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速度工具鋼（ハイス）は、Ｃ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ等の合金元素を多量に加えて高温での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様に比較的靭性が要求される切削工具の素材として汎用されている。この高速度工具鋼は、合金元素としてＷを主体として多量に添加したＷ系のもの（Ｗ系ハイス）と、このＷ系におけるＷ量を減らして代替としてＭｏを加えたＭｏ系のもの（Ｍｏ系ハイス）が知られている。また、上記Ｍｏ系ハイスにおいては、更にＣｏを含有させることによって、高温耐久性を高めたＭｏ−Ｃｏ系ハイスも開発されている。尚、上記Ｍｏ系ハイスは、Ｗ系ハイスに比べて優れた靭性を発揮するといわれているが、これはＭｏ炭化物はＷ炭化物に比べて形態が球状化され易いためであるとされている。
【０００３】
ところで上記の様な高速度工具鋼は、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。こうし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（粉末ハイス）が広く使用される様になっている。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ものであるが、こうした粉末高速度工具鋼は溶製法では製造し難かった成分系も製造可能であると共に均一な組織となり、靭性に優れ、切削性能に優れた材料が得られるとされている。
【０００４】
しかしながら、上記の様な粉末高速度工具鋼を切削工具の素材として実際に使用した場合には、耐摩耗性および靭性が不十分なことがあり、工具の切削性能の向上という要求に十分対応できるものではなかった。こうしたことから、耐摩耗性および靭性をより高めて工具の切削性能をより向上させるという観点で、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きている。
【０００５】
例えば、日本特許第２７２５３３３号には、Ｗの含有量を比較的高くすると共に（Ｗ含有量：１５〜６０％）、鋼中に存在する炭化物のうち円相当直径が１μｍ以上のものが１０．０〜３０．２容積％を占める様にして耐摩耗性と靭性を高めた粉末高速度工具鋼が開示されている。また、米国特許第４５７６６４２号には、硬質粒子を生成する元素であるＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ等を１７％以上含有させると共に、３μｍ以下の微細な硬質粒子を均質に分散させた粉末高速度工具鋼が開示されている。
【０００６】
これまで提案されている上記各技術は、その化学成分組成および炭化物サイズを調整することによって、粉末高速度工具鋼の耐摩耗性と靭性を向上させるものであり、上記構成によってその特性の改善が実現されている。しかしながら、上記の様な粉末高速度工具鋼では、近年の切削工具に要求されるより高度な特性を考えた場合には、耐摩耗性および靭性が依然として不十分であり、更なる改善が望まれているのが実状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な状況の下でなされたものであり、その目的は、耐摩耗性および靭性をより一層に優れた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のできる様な粉末高速度工具鋼、およびこうした高速度工具用鋼を得る為に有用な高速度工具鋼用粉末を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の高速度工具鋼用粉末とは、Ｃ：１．２〜３％、Ｓｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３〜６％、Ｗ：１０〜１５％、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｖ：３〜４．５％（但し、４．５％を除く）、Ｃｏ：１０％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であると共に、下記（１）〜（４）式を満足する点に要旨を有するものである。
67.8＜5.85×ΔＣ＋0.15×[Co]＋0.10×Weq＋64.4＜71          ……（１）
ΔＣ＝[C]-(2×[Mo]+[W])×0.017-0.22×[V]-0.19              ……（２）
Weq＝[W]+2×[Mo]                                           ……（３）
ΔＣ≧０．２０                                             ……（４）
但し、[Co]，[C],[Mo],[W]および[V]は、夫々Ｃｏ，Ｃ，Ｍｏ,ＷおよびＶの含有量（質量％）示す。
【０００９】
また、上記の様な高速度工具鋼用粉末を用いて、粉末冶金法によって製造したものであり、炭化物サイズが２．０μｍ以下である粉末高速度工具鋼は、耐摩耗性および靭性に優れたものとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、耐摩耗性および靭性に優れた粉末高速度工具鋼の実現を目指して様々な角度から検討した。その結果、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおおよびＣｏ等の基本的な成分を適切に調整すると共に、上記（１）〜（４）を満足させた粉末をＨＩＰ焼結すれば、従来の粉末高速度工具鋼を凌駕する特性（耐摩耗性および靭性）を発揮し、こうした粉末高速度工具鋼を素材として用いた切削工具では長寿命化が達成されることを見出し、本発明を完成した。まず、本発明で規定した上記（１）〜（４）式の意義について説明する。
【００１１】
本発明者らは、前記（２）式で規定される「ΔＣ」、「Ｃｏ含有量[Co]」、および前記（３）式で規定される「Weq」の３つのパラメータによって規定される値［5.85×ΔＣ＋0.15×[Co]＋0.10×Weq＋64.4］（以下、この値を「Ｈ値」と呼ぶ）は、実測した硬度と良い相関関係を示し（後記実施例１参照）、この値を高硬度の工具として必要な硬さの範囲内となる様に規定すれば［前記（１）式］、上記目的に適う高速度工具用粉末になり得ることが判明したのである。即ち、上記Ｈ値を切削工具としての必要な硬さとの関係で、上記（１）式を満足する様に規定すれば、耐摩耗性を備えた粉末高速度工具鋼を製造するための高速度工具鋼用粉末が得られたのである。
【００１２】
尚、上記（１）式において、Ｈ値の下限を６７．８超と規定したのは、上記趣旨から明らかな様に、切削工具として適するＨＲＣ６７以上の硬さを得る為であるが、その上限を７１未満としたのは、７１以上となると硬さが大きくなって被加工性が低下すると共に、靭性の低下を招くことになるからである。
【００１３】
上記（１）式のパラメータの一つであるΔＣは、上記（２）式［ΔＣ＝[C]-(2×[Mo]+[W])×0.017-0.22×[V]-0.19）］によって規定されるものである。高速度鋼の場合には、Ｗ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素が多く含まれているので、マトリックス中のＣは上記炭化物の生成に使われた残りのものになり、このマトリックス中のＣの増加に従って、焼入れ・焼戻しで高い硬さが得られるものである。即ち、上記ΔＣはマトリックス中に含まれているであろうＣ含有量（推定Ｃ含有量）を規定したものであり、このΔＣはマトリックス硬さを示す指標となると共に、耐摩耗性（即ち、工具の耐摩耗性）を示す指標ともなるものである。
【００１４】
ところで、高速度工具鋼の適性Ｃ量（各元素が一定の炭化物を形成するのに必要なＣ量）を算出するための関係式について、これまでにも種々提案されている。例えば、「粉末および粉末冶金」（第２５巻第８号）には、上記適性Ｃ量（Ceq）について、Ceq＝(2×[Mo]+[W])×0.017+0.22×[V]+0.19と規定することが示されている。また、例えば特開平２−１７９８５４号には、上記適性Ｃ量（Ceq）としてCeq＝0.06×%Cr+0.033%W+0.063%Mo+0.2%Vと規定すると共に、このCeqとＣ含有量の（Ｃ−Ceq）を−０．３〜−０．１の範囲に規定した粉末高速度工具鋼について開示されている。
【００１５】
上記（１）式は、Ｃｏ含有量[Co]もパラメータの一つとするものであるが、このＣｏはマトリックス中に固溶し、高温での硬さを増大させる元素であり、炭化物を形成せずにマトリックス硬度を向上させるものである。
【００１６】
上記（３）式は、Ｗ当量（Weq）を規定したものである。高速度工具鋼の場合は、硬さに対して炭化物量が大きく影響するものであり、ＷやＭｏはこうした炭化物（ＭＣ型炭化物、Ｍ6Ｃ型炭化物）を形成することから、この炭化物に関して硬度上昇の寄与を示す指標としてＷ当量が一般的に用いられている（例えば、前記特開平２−１７９８５４号）。本発明においては、こうしたＷ当量(Weq)を、前記（１）式のパラメータの一つとしたものである。
【００１７】
本発明の高速度工具鋼用粉末においては、上記（１）〜（３）と共に、上記（４）式を満足する必要があるが、この（４）式はΔＣの値を０．２０以上（ΔＣ≧０．２０）と規定するものである。このΔＣは前述の如く、マトリックス硬さを示す指標となると共に、工具の耐摩耗性を示す指標ともなるものである。
【００１８】
ΔＣに関して、Ｍｏ系ハイスではΔＣが高いものがあるが、一般的に低い値（即ち、０に近い値）が採用されており、特に本発明で対象とするようなＷ系ハイスでは殆どが０に近い値が採用されている。このΔＣに関する従来の知見としては、ΔＣの値が大きくなると靭性を阻害するといわれており（例えば、前記特開平２−１７９８５４号）、ΔＣのあまり大きな値は採用されていなかった。即ち、従来の高速度工具鋼においては、炭化物量の増大や炭化物サイズの適性化等によって所定の硬さが得られるようにして工具寿命や切削性の改善が試みられており、この場合には、マトリックスに或る程度の靭性を持たせるためにΔＣは高くしないのが一般的である。
【００１９】
本発明者らは、上記のような従来の知見に囚われることなく、ΔＣの最適な値についても検討した。その結果、粉末冶金法で製造され炭化物が比較的均一に分散された組織においては、ΔＣの増大は著しい靭性の低下を起こさず、むしろ工具寿命の延長に有益であることを見出したのである。本発明では、こうした観点からΔＣの値を０．２０以上と規定したものであるが［前記（４）式］、この値があまり大きくなると加工時および熱処理時に割れが生じる恐れがあるので、その上限は０．６０以下とすることが好ましい。
【００２０】
本発明の高速度工具鋼用粉末において、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおよびＣｏの化学成分も適切に調整する必要があるが、これら成分の範囲限定理由は下記の通りである。
【００２１】
Ｃ：１．２〜３％
Ｃは、マトリックス中に溶け込んでマトリックスの強化に寄与する元素であり、またＷ，Ｍｏ，ＣｒおよびＶ等と結合して炭化物を形成して粉末高速度工具鋼の耐摩耗性を向上させるのに不可欠な元素である。このＣは、他の合金元素の構成にもよるが、１．２〜３％の範囲内で含有される。即ち、上記の効果を発揮させるためには、１．２％以上含有させる必要があるが、過剰に含有させると硬くなり過ぎて靭性面への悪影響があって工具寿命が悪くなるばかりか、残留オーステナイトの残存によるミクロ組織の不均一を招くので３％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は１．５％であり、好ましい上限は２．５％である。
【００２２】
Ｓｉ：３％以下（０％を含まない）
Ｓｉは脱酸剤として含有され、また粉末高速度工具鋼の硬さを向上させるのに有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増すにつれて大きくなるが、過剰に含有されると粉末高速度工具鋼の靭性を劣化させることになるので、靭性に悪影響を与えない上限として３％以下とする必要がある。尚、Ｓｉ含有量の好ましい上限は１．０％である。
【００２３】
Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として含有されると共に、焼入れ性を向上させる効果も発揮するが、過剰に含有されると粉末高速度工具鋼の靭性を劣化させることになる。本発明では、靭性に悪影響を与えない上限として３％以下と規定した。尚Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．０％である。
【００２４】
Ｃｒ：３〜６％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を確保するために或る程度の含有を必要とし、焼戻し硬さ、高温硬さ、熱処理時の耐酸化特性等を高めるのに有用な元素である。また、上記の如く、炭化物を形成して鋼の耐摩耗性を高めるのに有用な元素である。これらの効果を発揮させるためには、３％以上含有させる必要があるが、過剰に含有されるとその効果が飽和するばかりか、却って靭性が低下することになるので、６％以下とする必要がある。尚Ｃｒ含有量の好ましい下限、３．５％であり、好ましい上限は５％である。
【００２５】
Ｗ：１０〜１５％
Ｗは、高速度工具鋼の基本的な特性を付与する為の元素であり、ＭＣ型やＭ6Ｃ型の炭化物を形成すると共に、その一部がマトリックス中に溶け込み、耐摩耗性、焼戻し硬さ、高温硬さ等を高めて工具の切削性能を改善する。こうした効果を発揮させる為には、Ｗ含有量は１０％以上とする必要があるが、過剰に含有されると、炭化物量が多くなり、また炭化物サイズも大きくなる傾向があり、靭性が悪くなるので１５％以下とすべきである。尚Ｗ含有量の好ましい下限は１１％程度であり、好ましい上限は１４％程度である。
【００２６】
Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）
ＭｏはＷと同様に、ＭＣ型やＭ6Ｃ型の炭化物を形成して耐摩耗性、焼戻し硬さ、高温硬さ等を高めて工具の切削性能を改善する。こうした働きはＭｏ：１％がＷの２％に相当する。しかしながら、Ｍｏを多く含有すると炭化物が粗大化する傾向があり、被加工性を低下させるので１％以下とする。
【００２７】
Ｖ：３〜５％
Ｖは、粉末高速度工具鋼の基本元素であり、Ｃと結合するとによってＭＣ型の微細な炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に効果がある。こうした効果を発揮させる為には、３％以上含有させる必要があるが、過剰に含有されると靭性を害するので５％以下をする必要がある。尚Ｖの好ましい下限は４％であり、好ましい上限は４．５％である。
【００２８】
Ｃｏ：１０％以下（０％を含まない）
Ｃｏは、上述の如くマトリックスに固溶し、耐熱性を向上させ、高温での硬さを増大させるのに有効な元素である。また、炭化物の析出を促進すると共に、それ自体は炭化物を生成しないので、マトリックスの硬度を高める効果も発揮する。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて大きくなるが、過剰に含有してもその効果が飽和するので、１０％以下とする必要がある。尚、Ｃｏの好ましい上限は９％程度である。
【００２９】
本発明の高速度工具鋼用粉末における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的にＦｅからなるものであるが、本発明の高速度工具鋼用粉末には、上記の各種成分以外にもその特性を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、こうした粉末も本発明の技術的範囲に含まれるものである。こうした微量成分としては、Ｎ，Ｎｉ，Ｎｂ等の許容成分や、Ｐ，Ｓ，Ｃｕ，Ａｓ，Ｓｂ等の不純物、特に不可避的不純物が挙げられる。
【００３０】
本発明の高速度工具用粉末は、上記の要件を満足するものであるが、こうした高速度工具鋼用粉末を用い、粉末冶金法によって製造して炭化物サイズが２．０μｍ以下である粉末高速度工具鋼では、耐摩耗性および靭性に優れたものとなって、こうした粉末高速度工具鋼を切削工具の素材として用いた場合には、切削工具の長寿命化が達成されることになる。
【００３１】
尚、上記の要件を満足する本発明の高速度工具鋼用粉末にあっては、通常の粉末製造法によって製造しても、炭化物が微細化されたものであり、こうした粉末を通常の条件でＨＩＰしてもその炭化物サイズを２．０μｍ以下にすることができるが、炭化物サイズを２．０μｍ以下にするための好ましいＨＩＰ処理条件としては、温度：１０５０〜１１５０℃程度、圧力：９５〜１００ＭＰａ程度である。
【００３２】
以下、実施例によって本発明の作用・効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３３】
【実施例】
実施例１
下記表１に示す化学成分を有する各種粉末を、窒素ガスアトマイズ法によって製造した。得られた各粉末をカプセルに充填・脱気後、１１００℃（圧力１００ＭＰａ）にてＨＩＰ処理して粉末高速度工具鋼材とした。
【００３４】
上記粉末高速度工具鋼材に対して、熱間加工を施し供試材とした。得られた供試材に対してマトリックス初期溶融点以下の温度（例えば、Ｎｏ．１の場合は１２００℃）で焼入れし、５５０℃にて３回の焼戻しを行ない、その後ロックエル硬度計により３点の硬度を測定した。
【００３５】
得られたデータに基づいて検討したところ、前記の様に規定されるＨ値は、図１（Ｈ値と実測硬さの関係を示すグラフ）に示す様に実測した硬度と良い相関関係を示すことが判明した。
【００３６】
【表１】
0004368032.tif 000002
【００３７】
実施例２
上記表１に示した化学成分組成を有する各種粉末を、窒素ガスアトマイズ法によって製造した。得られた各粉末をカプセルに充填・脱気後、１１００℃（圧力１００ＭＰａ）にてＨＩＰ処理して粉末高速度工具鋼材とした。
【００３８】
上記粉末高速度工具鋼材をタップに加工して供試材とした。得られた供試材に対してマトリックス初期溶融点以下の温度で焼入れし、５５０℃にて３回の焼戻しを行ない、その後ロックエル硬度計により３点の硬度を測定した。また、得られた供試材を切削工具（タップ）として、下記の条件で切削試験を行ない、切削性（工具寿命）を評価した。
【００３９】
（切削試験）
被加工材：厚さ２０ｍｍの２種類（ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４４０）の材料を準備した。
評価基準：貫通の穴を開け、各供試材でタッピング加工を施し、その穴開け個数を測定し、市販鋼（Ｎｏ．１１）の寿命個数に対する比率で評価した。
【００４０】
これらの結果を、炭化物のサイズと共に下記表２に示す。尚、表２に示した硬度は、３点の測定値の平均値を代表値として示したものである。また、被加工材Ｓ４５Ｃに対する切削性と粉末高速度工具鋼のΔＣとの関係を図２に、被加工材ＳＣＭ４４０に対する切削性と粉末高速度工具鋼のΔＣとの関係を図３に、夫々示す。
【００４１】
【表２】
0004368032.tif 000003
【００４２】
これらの結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実施例のものは、どちらの被加工材に対しても市販品の１．３倍以上の切削性能を発揮していることが分かる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、耐摩耗性および靭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のできる様な粉末高速度工具鋼、およびこうした高速度工具用鋼を得る為に有用な高速度工具鋼用粉末が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｈ値と実測硬さの関係を示すグラフである。
【図２】被加工材Ｓ４５Ｃに対する切削性と粉末高速度工具鋼のΔＣとの関係を示したグラフである。
【図３】被加工材ＳＣＭ４４０に対する切削性と粉末高速度工具鋼のΔＣとの関係を示したグラフである。
【図１】
0004368032.tif 000004
【図２】
0004368032.tif 000005
【図３】
0004368032.tif 000006