JP2002256381A - 快削性工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた被削性を有するとともに、素材の鍛伸
方向に関する機械的特性、特に靭性に異方性が生じにく
い快削性工具鋼を提供する。 【解決手段】 Ｔｉの含有率をＷTi（質量％）、Ｚｒの
含有率をＷZr（質量％）として、ＷTi＋０．５２ＷZrが
０．０３〜３．５質量％となるように、Ｔｉ及び／又は
Ｚｒを含有する。さらに、Ｓの含有率をＷS（質量
％）、Ｓｅの含有率をＷSe（質量％）、Ｔｅの含有率を
ＷTe（質量％）として、ＷS＋０．４ＷSe＋０．２５ＷT
eが０．０１〜１．０質量％となり、かつ、（ＷTi＋
０．５２ＷZr）／（ＷS＋０．４ＷSe＋０．２５ＷTe）
が１〜４、となるようにＳ、Ｓｅ及びＴｅの少なくとも
いずれかを含有する。さらに、Ｔｉ及び／又はＺｒを金
属元素成分の主成分とし、該金属元素成分との結合成分
として、Ｃを必須とし、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの少なくとも
いずれかを含有する快削性付与化合物相が、断面におけ
る面積率にて０．１〜１０％の範囲にて組織中に分散形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は工具や金型の素材
として使用される工具鋼、特に快削性を有する工具鋼に
関する。

【０００２】

【従来の技術】金型や工具類は、焼なまし状態の鋼材を
用い、荒加工、焼入焼戻しによる所定の硬さへの調整
後、仕上げ加工されることが多い。また、納期短縮を目
的に、所定の硬さに焼入焼戻しを行った材料を用い、直
接、金型や工具類に最終加工する場合もある。これは、
最終的に金具や工具を製造するための、素材供給者と金
型あるいは工具の製造者であるユーザーとの工程分担に
関係する。つまり、前者では素材供給者は焼きなまし状
態でユーザーへ鋼材を供給し、ユーザー側では粗加工、
焼入焼戻し処理及び仕上げ加工を負担する形となるが、
後者では焼入焼戻し材の形で鋼材が供給され、ユーザー
側では最終加工のみを分担する形となる。ただし、この
最終加工は、粗加工を経ていないので加工量自体はやや
大きくなる。

【０００３】上記いずれの場合においても、加工は切削
加工や研削加工などの除去加工を主体として行なわれる
ことになるが、工具鋼の場合、被加工材に十分打ち勝つ
だけの硬度や靭性が要求されるので、その工具鋼自体の
加工を行なうことは、他の鉄系材料と比較すれば容易で
はない。特に、焼入焼戻しを行なった後では、加工は一
層困難となる。近年では、金型や工具の製造コスト低減
を図るために、金型の納期短縮や無人加工を拡大する必
要性が高まってきており、これに対応するため、既存の
材料よりも被削性を改善した材料の提供が望まれてい
た。

【０００４】鉄系材料の被削性向上元素としては、Ｓ、
Ｐｂ、Ｓｅ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃａなどが知られている。こ
のうち、Ｐｂは、環境保護に対する関心が地球規模で高
まりつつある近年では次第に敬遠されるようになってお
り、その使用を制限する機器や部品も多くなりつつあ
る。そこで、ＳやＴｅを被削性向上元素の主体として用
いた材料が、代替材料として考えられている。これら
は、主にＭｎＳやＭｎＴｅなどの介在物を生成させ、介
在物に対する切屑形成時の応力集中効果や、工具と切屑
間の潤滑作用により被削性や研削性を高めるようにして
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＳやＴｅを被
削性向上元素として用いた鋼材では、ＭｎＳやＭｎＴｅ
等の介在物は被削性を向上させはするものの、圧延や鍛
造時にその鍛伸方向に伸長しやすく、材料の機械的性質
に望まざる異方性を生じやすい欠点があった。具体的に
は、上記鍛伸方向と直角な向き（以下、Ｔ方向という）
の靭性が低下する結果、耐割れ性が損なわれる問題が生
ずる。また、工具や金型の使用形態に応じて、材料の使
用方向をいちいち考慮しなければならず、製造能率や、
材料活用の歩留まり低下などにもつながりやすい。

【０００６】本発明の課題は、優れた被削性を有すると
ともに、素材の鍛伸方向に関する機械的特性、特に靭性
に異方性が生じにくい快削性工具鋼を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明の快削性工具鋼は、０．１
〜２．５質量％のＣを含有し、Ｔｉの含有率をＷTi（質
量％）、Ｚｒの含有率をＷZr（質量％）として、ＷTi＋
０．５２ＷZrが０．０３〜３．５質量％となるように、
Ｔｉ及び／又はＺｒを含有し、Ｓの含有率をＷS（質量
％）、Ｓｅの含有率をＷSe（質量％）、Ｔｅの含有率を
ＷTe（質量％）として、ＷS＋０．４ＷSe＋０．２５ＷT
eが０．０１〜１．０質量％となり、かつ、（ＷTi＋
０．５２ＷZr）／（ＷS＋０．４ＷSe＋０．２５ＷTe）
が１〜４、となるようにＳ、Ｓｅ及びＴｅの少なくとも
いずれかを含有し、かつ、Ｔｉ及び／又はＺｒを金属元
素成分の主成分とし、該金属元素成分との結合成分とし
て、Ｃを必須とし、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの少なくともいず
れかを含有する快削性付与化合物相が、断面における面
積率にて０．１〜１０％の範囲にて組織中に分散形成さ
れていることを特徴とする。なお、本明細書にて、「主
成分」（「主体に」等も同様）とは、着目している材料
あるいは組織において、最も重量含有率の高い成分（相
も概念として含む）を意味する。

【０００８】上記のような組成範囲のＣ、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｓ、Ｓｅ及びＴｅを含有させることにより、鋼材組織中
にＴｉ及び／又はＺｒを金属元素成分を主成分とし、該
金属元素成分との結合成分として、Ｃを必須とし、Ｓ、
Ｓｅ及びＴｅの少なくともいずれかを含有する快削性付
与化合物相が分散形成される。この化合物の形成によ
り、鋼材に良好な被削性を付与することができる。本発
明者らは、切削や研削などの加工を施す際には、除去さ
れる材料部分が加工により切り離される際に、細かく分
散した粒状の快削性付与化合物相がいわばミシン目のよ
うに作用して、切断面の形成を促す結果、被削性が向上
するものと考えている。

【０００９】そして、重要な点は、このような快削性付
与化合物相は、圧延や鍛造を経ても鍛伸方向に伸長せ
ず、粒状の状態を維持することにある。その結果、鍛伸
方向に延伸しやすいＭｎＳ等と異なり、前記Ｔ方向の靭
性低下を著しく抑制することが可能となる。また、本発
明の快削性工具鋼は、焼なまし状態のみならず焼入焼戻
し状態においても被削性が良好であり、前記した納期短
縮化に対応するための、焼入焼戻し状態での重加工にも
十分に対応できるようになる。

【００１０】快削性付与化合物相は、上記の通り、断面
における面積率にて０．１〜１０％の範囲にて組織中に
分散形成されている必要がある。該面積率が０．１％未
満では被削性向上効果に乏しく、１０％を超えると靭性
低下を招く。該面積率は、より望ましくは０．２〜４％
とするのがよい。また、被削性向上効果を高めるために
は、研磨断面組織において観察される快削性付与化合物
相の寸法（観察される化合物粒子の外形線に位置を変え
ながら外接平行線を引いたときの、その外接平行線の最
大間隔にて表す）の平均値を、例えば、１〜５μｍ程度
とすることがましい。

【００１１】快削性付与化合物相は、例えば組成式Ｍ_４
Ｑ_２Ｃ_２（ただし、ＭはＴｉ及び／又はＺｒを主成分と
する金属元素成分、ＱはＳ、Ｓｅ及びＴｅの少なくとも
いずれか）にて表される化合物相を主体とするものとす
ることができる。この化合物は、鍛伸方向への延伸が特
に生じにくく、また、組織中への分散性も良好で、材料
の機械的特性に極端な異方性を生ずることなく、被削性
を高める効果に優れている。なお、上記の化合物におけ
る成分Ｍについては、Ｔｉを必須とするがＺｒが含有さ
れていてもよく、また、合金成分としてＶが含有されて
いる場合には、その少なくとも一部がＭ成分に含まれて
いてもよい。また、Ｑ成分についても、Ｓ、Ｓｅ及びＴ
ｅのいずれか一種のみが含有されていても、２種以上含
有されていてもいずれでも良い。さらに、成分Ｍ及びＱ
ともに、本発明の効果発現のため、上記快削性付与化合
物相が備えているべき難延伸性及び分散性が損なわれな
い範囲にて、上記以外の成分が副成分として含有されて
いることを妨げない。

【００１２】なお、鋼中のＭ_４Ｑ_２Ｃ_２系化合物（以
下、本明細書では略称として「ＴＩＣＳ」との表記を用
いる場合がある）の同定は、Ｘ線回折（例えば、ディフ
ラクトメータ法）や電子線プローブ微小分析（ＥＰＭ
Ａ）法により行うことができる。例えば、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２
系化合物が存在しているか否かは、Ｘ線ディフラクトメ
ータ法による測定プロファイルに、対応する化合物のピ
ークが現れるか否かにより確認できる。また、組織中に
おける該化合物の形成領域は、鋼材の断面組織に対して
ＥＰＭＡによる面分析を行い、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｅあ
るいはＣの特性Ｘ線強度の二次元マッピング結果を比較
することにより特定できる。

【００１３】以下、本発明の工具鋼における各成分の含
有範囲の限定理由について説明する。まず、Ｃは、工具
鋼としての耐摩耗性を確保するために必須の元素であ
り、また、本発明では、快削性付与化合物相の必須元素
でもある。ただし、含有量が０．１質量％未満では工具
鋼として十分な硬さ、耐摩耗性を確保できなくなる。他
方、過度の添加は靭性や熱間強度の低下を招くため上限
を２．５質量％とする。

【００１４】ＴｉとＺｒとは、本発明の快削性工具鋼に
おいて被削性向上効果発現の中心的役割を果たす快削性
付与化合物相の必須構成元素である。ＷTi＋０．５２Ｗ
Zrが０．０３質量％未満では快削性付与化合物相の形成
量が不十分となり、十分な被削性向上効果が見込めなく
なる。他方、ＷTi＋０．５２ＷZrが過剰となった場合
も、被削性は却って低下するので、上限を３．５質量％
とする。

【００１５】なお、前述のＭ_４Ｑ_２Ｃ_２化合物相のよう
に、快削性付与化合物相は、金属成分Ｍに対する結合成
分ＱあるいはＣの結合化学量論比が略一定であり、快削
性付与の本質は、その化合物の形成面積率により支配さ
れることが、略経験的に判明している。従って、相形成
量を見積もる尺度としてのＭやＱの含有率は、重量含有
率よりも原子含有率を用いたほうが便利であることが多
い。本明細書では、Ｍ成分は、Ｔｉを基準とした原子相
対含有率、つまり、同原子数のＴｉ重量に換算した形に
て最適の含有率範囲を表示している。また、後述するＱ
成分は、Ｓを基準とした原子相対含有率、つまり、同原
子数のＳ重量に換算した形にて最適の含有率範囲を表示
している。例えば、Ｍ成分の場合、上記においてＷZrに
係数０．５２を乗じているのは、この目的のためであ
り、他の副成分が含有される場合には、同原子数のＴｉ
重量に換算するための係数を乗じた質量含有率の合計
が、０．０３〜３．５質量％となっていることが望まし
い。

【００１６】同様に、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅ（Ｑ成分）も快
削性付与化合物相の必須構成元素である。前記ＷS＋
０．４ＷSe＋０．２５ＷTeが０．０１質量％未満では、
快削性付与化合物相の形成量が不十分となり、十分な被
削性向上効果が見込めなくなる。他方、ＷS＋０．４ＷS
e＋０．２５ＷTeが過剰になると靭性が低下するので、
上限を１．０質量％とする。なお、Ｑ成分についても、
他の副成分が含有される場合には、同原子数のＳ重量に
換算するための係数を乗じた質量含有率の合計が、０．
０１〜１．０質量％となっていることが望ましい。

【００１７】快削性付与化合物相として前述のＭ_４Ｑ_２
Ｃ_２化合物相が主体的に形成される場合、該化合物中の
Ｍを全てＴｉとし、Ｑを全てＳとした場合のＭとＱとの
重量比は３：１である。したがって、理想的には、Ｍと
Ｑとを過不足なく添加すること、つまり、Ｔｉ／Ｓ＝
（ＷTi＋０．５２ＷZr）／（ＷS＋０．４ＷSe＋０．２
５ＷTe）が３であることが好ましい。ただし、過度の靭
性異方性を生ずることなく被削性向上させる本発明の効
果は、上記値が３の場合に限らず、１〜４の範囲でも十
分達成可能である。

【００１８】次に、本発明の快削性工具鋼には、２．０
質量％以下のＭｎ、２．５質量％以下のＮｉ、１７質量
％以下のＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗが１２質量％以下となる
Ｍｏ及び／又はＷ、及び６質量％以下のＶ、１５．０質
量％以下のＣｏから選ばれる１種以上を含有。以下、そ
の理由について説明する。

【００１９】Ｍｎ：焼入性向上及び硬さ向上の効果を有
する。また、ＳやＳｅとの共存により被削性に有効な化
合物を生成するため、被削性が特に重視される場合に添
加すると有効である。ただし、より顕著な効果を期待す
る場合は、含有量を０．１質量％以上とすることが望ま
しい。一方で、過度のＭｎＳの形成は、前記した靭性の
過度の異方性化を招くので、２質量％を上限とする。な
お、Ｍｎは、精錬時における脱酸元素としても有用であ
り、不可避的に含有されることがある。

【００２０】Ｎｉ：焼入性の向上、基地の強化、あるい
は耐食性向上に有効である。より顕著な効果を期待する
場合は、含有量を０．１質量％以上とすることが望まし
い。他方、過度に添加すると加工性が低下するために、
上限を２．５質量％とする。

【００２１】Ｃｒ：炭化物を形成して基地の強化や耐摩
耗性を向上させ、また、焼入性を向上させる効果を有す
る。ただし、より顕著な効果を期待する場合は、含有量
を０．１質量％以上とすることが望ましい。他方、過度
の添加は焼入性や熱間強度の添加を招くため、上限を１
７．０質量％とする。

【００２２】Ｍｏ，Ｗ：炭化物を形成して基地の強化や
耐摩耗性を向上させ、また、焼入性を向上させる効果を
有する。ＭｏとＷは同等の効果を有する元素であり、Ｗ
はＭｏの約２倍の原子量であることからＭｏ＋０．５Ｗ
で規定する（当然、いずれか一方のみの添加としてもよ
いし、双方を共添加することもできる）。ただし、より
顕著な効果を期待する場合は、Ｍｏ＋０．５Ｗを０．１
質量％以上とすることが望ましい。Ｍｏ及び／又はＷ過
度の添加は炭化物量を増加させ、靭性の添加を招くた
め、Ｍｏ＋０．５Ｗの上限を１２．０質量％とする。

【００２３】Ｖ：炭化物を形成し、基地の強化や耐摩耗
性向上の効果を有する。また、微細な炭化物の形成によ
り、結晶粒の微細化ひいては靭性の向上にも有効であ
る。ただし、より顕著な効果を期待する場合は、含有量
を０．１質量％以上とすることが望ましい。なお、Ｖ
は、前記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２化合物の形成成分ともなりう
る。他方、過度に添加すると靭性の低下を招くため、上
限を６．０質量％とする。

【００２４】Ｃｏ：マトリックスの強化に有効である。
より顕著な効果を得るためには０．３質量％以上は含有
させるのが良い。しかしながら、過剰に添加させると、
熱間加工性が低下するとともに、原料コストの上昇を招
くことから、上限を１．５質量％とする。

【００２５】また、以下の元素は積極添加も可能である
が、製法上の理由により不可避的に混入することもあ
り、その許容上限値とともに以下に示す。Ｓｉ：精錬時
に脱酸元素として使用され、不可避的に含有されること
が多い。他方、積極添加効果としては、軟化抵抗性を増
し、熱間金型や切削工具に用いる場合は、高温保持時の
軟化を抑制する効果がある。ただし、Ｓｉ量の低減によ
り靭性が向上することから、Ｓｉを極力低減させる場合
もある。この場合は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃａなど他の元素で
脱酸を行う。Ｓｉ量の増加による靭性低下に配慮し、上
限を２．０質量％とする。

【００２６】Ａｌ：精錬時に脱酸元素として使用され、
不可避的に含有されることが多い。また、積極添加効果
としては、ＡｌＮの形成により結晶粒の微細化ひいては
強度あるいは靭性の向上に寄与しうる。ただし、過度の
含有は靭性の低下を招くため、上限を０．１質量％とす
る。

【００２７】Ｎ：鋼の製造上、不可避的に混入する元素
である。他方、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖなどと窒化物を形成し、
結晶粒の微細化に有効であるため積極的に添加する場合
もある。ただし、本発明においては、過度に添加すると
ＴｉＮが多量に形成され、Ｍ_４Ｑ_２Ｃ_２相等の快削性付
与化合物相の形成量が減少するため、上限を０．０４０
質量％とする。

【００２８】また、本発明の快削性工具鋼には、必要に
応じて以下のような元素を含有させることができる。 Ｃａ：≦０．０５０質量％ 熱間加工性の向上に有効な元素である。また、硫化物や
酸化物を形成し被削性の向上にも有効である。しかしな
がら、過剰に添加しても、これらの効果が飽和してしま
うため、その含有量を上限を０．０５０質量％とする。

【００２９】Ｐｂ：≦０．２質量％、Ｂｉ：≦０．２質
量％ いずれも鋼中に分散し、被削性を高める効果を有する。
ただし、過度に添加すると熱間加工性が低下するため、
上限を０．２質量％とする。また、顕著な効果を得るに
は、いずれも０．０２質量％以上の添加とすることが望
ましい。

【００３０】Ｂ：≦０．０１０質量％ 焼入性を向上させるのに有効な元素である。ただし、過
度に添加すると熱間加工性や靭性が低下するので、上限
を０．０１０質量％とする。また、顕著な効果を得るに
は、０．００１質量％以上の添加とすることが望まし
い。

【００３１】Ｎｂ（質量％）＋０．５Ｔａ（質量％）：
≦０．０５質量％ いずれも微細な炭化物を形成し、結晶粒の微細化ひいて
は靭性の向上に有効である。なお、ＴａはＮｂの約２倍
の原子量であり、Ｎｂ＋０．５Ｔａで規定する（Ｎｂ及
びＴａの一方のみの添加としてもよいし、共添加しても
よい）。なお、過度に添加してもその効果が飽和するこ
とから、Ｎｂ＋０．５Ｔａの上限は０．０５質量％に定
める。また、顕著な効果を得るには、Ｎｂ＋０．５Ｔａ
を０．００５質量％以上の添加とすることが望ましい。

【００３２】・希土類金属元素（ＲＥＭ）：≦０．５０
質量％ Ｏ、Ｐ等の不純物を固定し、基地の清浄度を高め、靭性
を向上させる効果を有する。多量に添加すると地疵が発
生するため、上限を０．５０質量％とする。なお、ＲＥ
Ｍとしては、放射活性の低い元素を主体的に用いること
が取り扱い上容易であり、この観点において、Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選ばれ
る１種又は２種以上を使用することが有効である。特に
上記効果のより顕著な発現と価格上の観点から、軽希土
類、特にＬａあるいはＣｅを使用することが望ましい。
ただし、希土類分離過程等にて不可避的に残留する微量
の放射性希土類元素（例えばＴｈやＵなど）が含有され
ていても差し支えない。また、原料コスト低減等の観点
から、ミッシュメタルやジジムなど、非分離希土類を使
用することもできる。

【００３３】なお、本発明の快削性工具鋼は、工具鋼と
して使用されている種々の従来組成の鋼をベースとし
て、これに上記の快削性付与化合物相を組織中に分散形
成させることで、ベースとなる工具鋼の性能を大きく損
ねることなく、これに良好な被削性を付与することがで
きる。以下、その具体例について説明する。

【００３４】Ｃを０．１〜０．６質量％含有し、２．
０質量％以下のＭｎ、１．０質量％以下のＮｉ、３質量
％以下のＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合計が１．０質量％以
下となるＭｏ及び／又はＷ、０．５質量％以下のＶ及び
１質量％以下のＣｏから選ばれる１種以上を含有する組
成。この組成の鋼材は、硬さや耐熱性がそれほど要求さ
れず、例えばプラスチック成型金型用素材など、キャビ
ティ形成等のための複雑な切削加工が容易であることが
要求される用途に適している。ベース組成の代表例とし
ては、ＪＩＳ：Ｓ５５Ｃ、ＡＩＳＩ：Ｐ２０等を例示で
きる。

【００３５】Ｃを０．２〜０．６質量％含有し、０．
３〜７質量％の必須成分としてのＣｒ、２．０質量％以
下のＭｎ、２．５質量％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５Ｗの
合計が４．０質量％以下となるＭｏ及び／又はＷ、２質
量％以下のＶ及び５．０質量％以下のＣｏから選ばれる
１種以上を含有する組成。これは、上記の組成に加
え、一定量のＣｒを配合することにより高温強度を改善
した材質に相当し、例えば熱間金型用素材（例えば、熱
間プレス金型、熱間鍛造金型、ダイキャスト金型、熱間
押出成形用金型など）等として用いるのが有効である。
ベース組成の代表例としては、ＪＩＳ：ＳＫＤ６、ＳＫ
Ｄ８、ＳＫＤ６１、Ｃｒ−Ｍｏ鋼（例えば５質量％Ｃｒ
−３質量％Ｍｏ）等を例示できる。

【００３６】Ｃを０．３〜１．８質量％含有し、４質
量％以下のＣｒ、２．０質量％以下のＭｎ、２．５質量
％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合計が２．５質量％以
下となるＭｏ及び／又はＷ、１質量％以下のＶ及び１．
０質量％以下のＣｏから選ばれる１種以上を含有する組
成。高炭素組成により一層の硬さの向上を図った材質に
相当し、冷間金型用素材（冷間プレス金型、プレスパン
チ、抜き型、ダイスなど）、切削工具用素材（ナイフ、
かみそり、のこ刃など）、耐衝撃工具用素材（たがねや
ポンチなど）として使用するのに適している。ベース組
成の代表例としては、ＪＩＳ：ＳＫ３、ＳＫＳ４、ＳＫ
Ｓ５１等を例示できる。

【００３７】Ｃを０．５〜２．５質量％含有し、４〜
１７質量％の必須成分としてのＣｒ、２．０質量％以下
のＭｎ、１．０質量％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合
計が１．５質量％以下となるＭｏ及び／又はＷ、１質量
％以下のＶ及び１．０質量％以下のＣｏから選ばれる１
種以上を含有する組成。高炭素域でＣｒ含有により耐磨
耗性や焼入れ性を改善した鋼種であり、例えば冷間金型
用素材（冷間プレス金型、プレスパンチ、抜き型、ダイ
スなど）として使用するのに適している。ベース組成の
代表例としては、ＪＩＳ：ＳＫＤ１、ＳＫＤ１１、ＳＫ
Ｄ１２、Ｃｒ工具鋼（例えば８質量％Ｃｒ）等を例示で
きる。

【００３８】Ｃを０．５〜２．０質量％含有し、３〜
７質量％の必須成分としてのＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合
計が４〜１２質量％以下となる必須成分としてのＭｏ及
び／又はＷ、０．５〜６．０質量％の必須成分としての
Ｖ、２．０質量％以下のＭｎ、１．０質量％以下のＮｉ
及び１５．０質量％以下のＣｏから選ばれる３種以上を
含有する組成。ベース組成は高速度工具鋼（いわゆるハ
イス）に相当する。高速度工具鋼の周知の適用分野、例
えば切削工具用素材（ドリル、エンドミル、バイト、ス
ローアウェイチップなど）、冷間金型用素材（冷間プレ
ス金型、プレスパンチ、抜き型、ダイスなど）、又は熱
間金型用素材（熱間プレス金型、熱間鍛造金型、熱間押
出成形用金型など）として使用するのに適している。な
お、高速度工具鋼は、晶出炭化物により耐磨耗性を確保
し、さらに、マトリックス（鉄系基質）中への炭化物の
析出により強化しているが、炭化物の晶出を抑制し、マ
トリックスのみ通常の高速度工具鋼と同程度に炭化物を
析出させて強化させた鋼材も、本明細書では高速度工具
鋼に属するものとして取り扱う（いわゆるマトリックス
ハイス）。

【００３９】

【実施例】本発明の効果を確認するために、以下の実験
を行った。 （実施例１）前記に該当する組成の合金として、表２
及び表３に示す種々の合金（ベース組成の分類は表４の
備考欄に示す）を、真空誘導炉にて１５０ｋｇインゴッ
トの形で溶製・鋳造した。得られたインゴットは、１２
００℃で熱間鍛造することにより厚さ６０ｍｍ、幅６５
ｍｍの鋼片とした。得られた鋼片は、８７０℃で５時間
保持した後１５℃／ｈの条件で冷却することにより焼き
なまし処理した。

【００４０】焼きなまし状態の鋼片から、シャルピー衝
撃試験片（ＪＩＳ：Ｚ２２０２に規定された３号試験片
（いわゆる２ｍｍＵノッチを有するもの））素材と、被
削性試験片素材（寸法：高さ５５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長
さ２００ｍｍの直方体状）をそれぞれ切り出した。な
お、シャルピー衝撃試験片は、ノッチ方向が熱間鍛造の
鍛伸方向と平行となるＴ方向試験片と、同じく垂直とな
るＬ方向試験片との２種類を１組として作製した。ま
た、上記被削性試験片素材の１つを用い、その表面を仕
上げ加工して焼きなまし被削性試験片とした。

【００４１】次に、シャルピー衝撃試験片素材及び被削
性試験片素材の一つを、表１に示すベース組成毎に一定
の条件にて焼きならしあるいは焼入れ焼戻し処理を行
い、さらに表面を仕上げ加工して最終的なシャルピー衝
撃試験片及び焼入焼戻し（Ｓ５５Ｃをベース組成とする
もののみ焼きならし）被削性試験片とした。また、この
うちの被削性試験片素材を用いてＪＩＳ：Ｚ２２４５に
規定された方法によりロックウェルＣスケール硬さ（Ｓ
５５ＣのみＪＩＳ：Ｚ２２４６に規定されたショア硬
さ）を測定した。

【００４２】

【表１】

【００４３】そして、シャルピー衝撃試験片を用い、Ｊ
ＩＳ：Ｚ２２４２に規定されたシャルピー衝撃試験を行
なうとともに、ノッチ方向が鍛伸方向と平行となるＴ方
向試験片と、同じく垂直となるＬ方向試験片との双方に
ついて試験を行なったときに、Ｔ方向試験片について得
られるシャルピー衝撃値をＩT、Ｌ方向試験片について
得られるシャルピー衝撃値をＩLとして、ＩT／ＩL（Ｔ
／Ｌ）を求めた。また、焼きなまし被削性試験片（Ｓ
Ａ）及び焼入焼戻被削性試験片（ＨＴ）を用いて、それ
ぞれ以下の条件にて被削性試験を行なった。すなわち、
焼なまし材、焼入焼戻し材ともに、被削性は超硬エンド
ミルで切削を行い、逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍとなるま
での切削長を測定し、被削性を評価する。なお、結果
は、従来鋼の切削長を１００として相対的に表示する。
試験条件は、単一刃の超硬エンドミルにて切削幅を１ｍ
ｍ、切削深さを３ｍｍ、切削速度を５０ｍ／ｍｉｎ、被
削材の送り量を０．０５ｍｍ／刃として、切削油を用い
た湿式切削により行なった。

【００４４】さらに、試験後のシャルピー衝撃試験片の
表面を鏡面研磨後、その表面にてＳＥＭ観察及びＥＰＭ
Ａ面分析を行い、ＴＩＣＳの形成面積率を求めた。な
お、ＴＩＣＳの構造をＸ線回折により調べたところ、前
記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２化合物相が主体となっていることが
わかった。以上の結果を表４に示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】この結果からも明らかな通り、同じベース
組成を有している合金同士において、本発明の組成を充
足するものは、焼きなまし及び焼入焼戻し（あるいは焼
きならし）のいずれの状態においても被削性に優れ、か
つＴ方向とＬ方向のシャルピー衝撃値の差も小さく、異
方性が改善されていることがわかる。

【００４９】（実施例２）前記に該当する組成の合金
として、表５及び表６に示す種々の合金（ベース組成の
分類は表７の備考欄に示す）を、実施例１と同様に溶製
・鋳造した。得られたインゴットは、実施例１と同様の
条件で熱間鍛造することにより鋼片とし、さらに焼きな
まし処理した。その、焼きなまし鋼片から、実施例１と
同じシャルピー衝撃試験片素材と、被削性試験片素材を
それぞれ切り出した。また、上記被削性試験片素材の１
つを用い、その表面を仕上げ加工して焼きなまし被削性
試験片とした。次に、シャルピー衝撃試験片素材及び被
削性試験片素材の一つを、表１に示すベース組成毎に一
定の条件にて焼入れ焼戻し処理を行い、さらに表面を仕
上げ加工して最終的なシャルピー衝撃試験片及び焼入焼
戻し被削性試験片とした。そして、実施例１と同様に、
ロックウェルＣスケール硬さ測定、シャルピー衝撃試験
及び被削性試験を行なった。また、試験後のシャルピー
衝撃試験片の表面を鏡面研磨後、その表面にてＳＥＭ観
察及びＥＰＭＡ面分析を行い、ＴＩＣＳの形成面積率を
求めた。なお、ＴＩＣＳの構造をＸ線回折により調べた
ところ、前記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２化合物相が主体となって
いることがわかった。以上の結果を表７に示す。

【００５０】

【表５】

【００５１】

【表６】

【００５２】

【表７】

【００５３】この結果からも明らかな通り、同じベース
組成を有している合金同士において、本発明の組成を充
足するものは、焼きなまし及び焼入焼戻しのいずれの状
態においても被削性に優れ、かつＴ方向とＬ方向のシャ
ルピー衝撃値の差も小さく、異方性が改善されているこ
とがわかる。

【００５４】（実施例３）前記に該当する組成の合金
として、表８及び表９に示す種々の合金（ベース組成の
分類は表１０の備考欄に示す）を、実施例１と同様に溶
製・鋳造した。得られたインゴットは、実施例１と同様
の条件で熱間鍛造することにより鋼片とし、さらに焼き
なまし処理した。その、焼きなまし鋼片から、シャルピ
ー衝撃試験片素材（３号試験片に代えて１０ｍｍＲノッ
チを有する試験片とした以外、実施例１と同じ）と、被
削性試験片素材をそれぞれ切り出した。また、上記被削
性試験片素材の１つを用い、その表面を仕上げ加工して
焼きなまし被削性試験片とした。次に、シャルピー衝撃
試験片素材及び被削性試験片素材の一つを、表１に示す
ベース組成毎に一定の条件にて焼入れ焼戻し処理を行
い、さらに表面を仕上げ加工して最終的なシャルピー衝
撃試験片及び焼入焼戻し被削性試験片とした。そして、
実施例１と同様に、ロックウェルＣスケール硬さ測定、
シャルピー衝撃試験及び被削性試験を行なった。また、
試験後のシャルピー衝撃試験片の表面を鏡面研磨後、そ
の表面にてＳＥＭ観察及びＥＰＭＡ面分析を行い、ＴＩ
ＣＳの形成面積率を求めた。なお、ＴＩＣＳの構造をＸ
線回折により調べたところ、前記したＭ_４Ｑ_２Ｃ_２化合
物相が主体となっていることがわかった。以上の結果を
表１０に示す。

【００５５】

【表８】

【００５６】

【表９】

【００５７】

【表１０】

【００５８】この結果からも明らかな通り、同じベース
組成を有している合金同士において、本発明の組成を充
足するものは、焼きなまし及び焼入焼戻しのいずれの状
態においても被削性に優れ、かつＴ方向とＬ方向のシャ
ルピー衝撃値の差も小さく、異方性が改善されているこ
とがわかる。

【００５９】（実施例４）前記に該当する組成の合金
として、表１１及び表１２に示す種々の合金（ベース組
成の分類は表１３の備考欄に示す）を、実施例１と同様
に溶製・鋳造した。得られたインゴットは、実施例１と
同様の条件で熱間鍛造することにより鋼片とし、さらに
焼きなまし処理した。その、焼きなまし鋼片から、シャ
ルピー衝撃試験片素材（３号試験片に代えて１０ｍｍＲ
ノッチを有する試験片とした以外、実施例１と同じ）
と、被削性試験片素材をそれぞれ切り出した。また、上
記被削性試験片素材の１つを用い、その表面を仕上げ加
工して焼きなまし被削性試験片とした。次に、シャルピ
ー衝撃試験片素材及び被削性試験片素材の一つを、表１
に示すベース組成毎に一定の条件にて焼入れ焼戻し処理
を行い、さらに表面を仕上げ加工して最終的なシャルピ
ー衝撃試験片及び焼入焼戻し被削性試験片とした。そし
て、実施例１と同様に、ロックウェルＣスケール硬さ測
定、シャルピー衝撃試験及び被削性試験を行なった。ま
た、試験後のシャルピー衝撃試験片の表面を鏡面研磨
後、その表面にてＳＥＭ観察及びＥＰＭＡ面分析を行
い、ＴＩＣＳの形成面積率を求めた。なお、ＴＩＣＳの
構造をＸ線回折により調べたところ、前記したＭ_４Ｑ_２
Ｃ_２化合物相が主体となっていることがわかった。以上
の結果を表１３に示す。

【００６０】

【表１１】

【００６１】

【表１２】

【００６２】

【表１３】

【００６３】この結果からも明らかな通り、同じベース
組成を有している合金同士において、本発明の組成を充
足するものは、焼きなまし及び焼入焼戻しのいずれの状
態においても被削性に優れ、かつＴ方向とＬ方向のシャ
ルピー衝撃値の差も小さく、異方性が改善されているこ
とがわかる。

【００６４】（実施例５）前記に該当する組成の合金
として、表１４及び表１５に示す種々の合金（ベース組
成の分類は表１６の備考欄に示す）を、実施例１と同様
に溶製・鋳造した。得られたインゴットは、実施例１と
同様の条件で熱間鍛造することにより鋼片とし、さらに
焼きなまし処理した。その、焼きなまし鋼片から、抗折
試験片素材（寸法：３ｍｍ×５ｍｍ×３５ｍｍ）と、実
施例１と同じ被削性試験片素材をそれぞれ切り出した。
なお、抗折試験片素材は、長手方向に鍛伸方向を一致さ
せた試験片（Ｌ方向試験片）と、同じく厚さ方向に一致
させた試験片（Ｔ方向試験片）とを一組として作製して
いる。また、上記被削性試験片素材の１つを用い、その
表面を仕上げ加工して焼きなまし被削性試験片とした。
次に、抗折試験片素材及び被削性試験片素材の一つを、
表１に示すベース組成毎に一定の条件にて焼入れ焼戻し
処理を行い、さらに表面を仕上げ加工して最終的な抗折
試験片及び焼入焼戻し被削性試験片とした。そして、実
施例１と同様に、ロックウェルＣスケール硬さ測定及び
被削性試験を行なった。他方、また、抗折試験片を用
い、スパン長３０ｍｍの３点曲げ抗折試験を行ない、Ｔ
方向試験片について得られる抗折力をＰT、Ｌ方向試験
片について得られる抗折力をＰLとして、ＰT／ＰL（Ｔ
／Ｌ）を求めた。さらに、試験後の抗折試験片の表面を
鏡面研磨後、その表面にてＳＥＭ観察及びＥＰＭＡ面分
析を行い、ＴＩＣＳの形成面積率を求めた。なお、ＴＩ
ＣＳの構造をＸ線回折により調べたところ、前記したＭ
_４Ｑ_２Ｃ_２化合物相が主体となっていることがわかっ
た。以上の結果を表１６に示す。

【００６５】

【表１４】

【００６６】

【表１５】

【００６７】

【表１６】

【００６８】この結果からも明らかな通り、同じベース
組成を有している合金同士において、本発明の組成を充
足するものは、焼きなまし及び焼入焼戻しのいずれの状
態においても被削性に優れ、かつＴ方向とＬ方向のシャ
ルピー衝撃値の差も小さく、異方性が改善されているこ
とがわかる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000003713 大同特殊鋼株式会社 愛知県名古屋市中区錦一丁目11番18号 (72)発明者 石田 清仁 宮城県仙台市青葉区上杉３−５−20 (72)発明者 及川 勝成 宮城県柴田郡柴田町西船迫４−１−34 (72)発明者 藤井 利光 愛知県名古屋市南区大同町２丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 松田 幸紀 愛知県名古屋市南区大同町２丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 尾崎 公造 愛知県名古屋市南区大同町２丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 倉田 征児 愛知県名古屋市南区大同町２丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ０．１〜２．５質量％のＣを含有し、 Ｔｉの含有率をＷTi（質量％）、Ｚｒの含有率をＷZr
   （質量％）として、 ＷTi＋０．５２ＷZrが０．０３〜３．５質量％となるよ
   うに、Ｔｉ及び／又はＺｒを含有し、 Ｓの含有率をＷS（質量％）、Ｓｅの含有率をＷSe（質
   量％）、Ｔｅの含有率をＷTe（質量％）として、 ＷS＋０．４ＷSe＋０．２５ＷTeが０．０１〜１．０質
   量％となり、かつ、 （ＷTi＋０．５２ＷZr）／（ＷS＋０．４ＷSe＋０．２
   ５ＷTe）が１〜４、 となるようにＳ、Ｓｅ及びＴｅの少なくともいずれかを
   含有し、 かつ、Ｔｉ及び／又はＺｒを金属元素成分の主成分と
   し、該金属元素成分との結合成分として、Ｃを必須と
   し、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの少なくともいずれかを含有する
   快削性付与化合物相が、断面における面積率にて０．１
   〜１０％の範囲にて組織中に分散形成されていることを
   特徴とする快削性工具鋼。
2. 【請求項２】 前記快削性付与化合物相は、組成式Ｍ_４
   Ｑ_２Ｃ_２（ただし、ＭはＴｉ及び／又はＺｒを主成分と
   する金属元素成分、ＱはＳ、Ｓｅ及びＴｅの少なくとも
   いずれか）にて表される化合物相を主体とするものであ
   る請求項１記載の快削性工具鋼。
3. 【請求項３】 ２．０質量％以下のＭｎ、２．５質量％
   以下のＮｉ、１７質量％以下のＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗが
   １２質量％以下となるＭｏ及び／又はＷ、及び６質量％
   以下のＶ、１５．０質量％以下のＣｏから選ばれる１種
   以上を含有する請求項１又は２に記載の快削性工具鋼。
4. 【請求項４】 Ｓｉ含有量が２．０質量％以下、Ａｌ含
   有量が０．１質量％及びＮ含有量が０．０４０質量％以
   下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の快削
   性工具鋼。
5. 【請求項５】 ０．００５０質量％以下のＣａ、０．２
   質量以下のＰｂ、０．２質量％以下のＢｉ、及びＮｂ＋
   ０．５Ｔａの合計が０．０５質量％以下となるＮｂ及び
   ／又はＴａ、及び０．５０質量％以下の希土類金属元素
   の１種以上を含有する請求項１ないし４のいずれか１項
   に記載の快削性工具鋼。
6. 【請求項６】 Ｃを０．１〜０．６質量％含有し、 ２．０質量％以下のＭｎ、１．０質量％以下のＮｉ、３
   質量％以下のＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合計が１．０質量
   ％以下となるＭｏ及び／又はＷ、０．５質量％以下のＶ
   及び１．０質量％以下のＣｏから選ばれる１種以上を含
   有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の快削性
   工具鋼。
7. 【請求項７】 プラスチック成型金型用素材として使用
   される請求項６記載の快削性工具鋼。
8. 【請求項８】 Ｃを０．２〜０．６質量％含有し、 ０．３〜７質量％の必須成分としてのＣｒ、２．０質量
   ％以下のＭｎ、２．５質量％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５
   Ｗの合計が４．０質量％以下となるＭｏ及び／又はＷ、
   ２質量％以下のＶ及び５．０質量％以下のＣｏから選ば
   れる１種以上を含有する請求項１ないし５のいずれか１
   項に記載の快削性工具鋼。
9. 【請求項９】 熱間金型用素材として使用される請求項
   ８記載の快削性工具鋼。
10. 【請求項１０】 Ｃを０．３〜１．８質量％含有し、 ４質量％以下のＣｒ、２．０質量％以下のＭｎ、２．５
    質量％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５Ｗの合計が２．５質量
    ％以下となるＭｏ及び／又はＷ、１質量％以下のＶ及び
    １．０質量％以下のＣｏから選ばれる１種以上を含有す
    る請求項１ないし５のいずれか１項に記載の快削性工具
    鋼。
11. 【請求項１１】 冷間金型用素材、切削工具用素材、又
    は耐衝撃工具用素材として使用される請求項１０記載の
    快削性工具鋼。
12. 【請求項１２】 Ｃを０．５〜２．５質量％含有し、 ４〜１７質量％の必須成分としてのＣｒ、２．０質量％
    以下のＭｎ、１．０質量％以下のＮｉ、Ｍｏ＋０．５Ｗ
    の合計が１．５質量％以下となるＭｏ及び／又はＷ、１
    質量％以下のＶ及び１．０質量％以下のＣｏから選ばれ
    る１種以上を含有する請求項１ないし５のいずれか１項
    に記載の快削性工具鋼。
13. 【請求項１３】 冷間金型用素材として使用される請求
    項１２記載の快削性工具鋼。
14. 【請求項１４】 Ｃを０．５〜２．０質量％含有し、 ３〜７質量％の必須成分としてのＣｒ、Ｍｏ＋０．５Ｗ
    の合計が４〜１２質量％以下となる必須成分としてのＭ
    ｏ及び／又はＷ、０．５〜６．０質量％の必須成分とし
    てのＶ、２．０質量％以下のＭｎ、１．０質量％以下の
    Ｎｉ及び１５．０質量％以下のＣｏから選ばれる３種以
    上を含有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の
    快削性工具鋼。
15. 【請求項１５】 切削工具用素材、冷間金型用素材、又
    は熱間金型用素材として使用される請求項１４記載の快
    削性工具鋼。