JP2002535496A - 硬質工具鋼およびそれによる粉末冶金鋼材 - Google Patents
硬質工具鋼およびそれによる粉末冶金鋼材Info
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Abstract
Description
より製造される、固有の硬度および靱性の組合せを有する粉末冶金鋼材に関する
。
プT15合金は、タイプM2およびM4など他の高速度工具鋼合金より固有の硬
度および耐摩耗性の組合せを持つため、高速度工具鋼の等級において最上位に属
すると見なされている。タイプT15合金は常温で約66〜67HRCの硬度を
持つ。これより優れたカ−ボン版のタイプT15合金は、常温で67〜68HR
Cの硬度を実現可能であり、米国内で販売されている。しかし工具製造業界では
、高温硬度と耐摩耗性を含む複合硬度レベルの点でタイプT15など周知の等級
の高速度鋼合金よりも優れている高速度工具鋼合金に対する需要が生じている。
しては、基本的に2種類ある。従来の高速度工具鋼と超硬合金素材である。周知
の高速度鋼合金は、粉末冶金工法で生産されたものでも、長時間にわたる工具の
運用では何らかの問題を残す。この素材で製造された工具の耐摩耗性、常温硬度
および高温硬度が十分でないからである。従来の切削油は環境汚染を引き起こす
恐れがあるため、業界では切削油を用いないドライマシニングを選択する傾向が
ある。金属切削工具は、ドライマシニングに適用されると、非常に高い動作温度
に達しがちである。周知の高速度鋼合金のほとんどは、その耐摩耗性と硬度が極
端な温度条件の下で急速に劣化するため、乾式切削には不向きである。
表面コ−ティングを切削工具に施し、その寿命を延ばすやり方がある。このコ−
ティングは、物理気相成長(PVD)または化学気相成長(CVD)によって施
すのが一般的である。このコ−ティングの硬度は通常、HRC70を越え、ベ−
スとなる工具鋼の硬度より遙かに大きい。このように非常に硬度の高いコ−ティ
ングと組み合わせるには、工具鋼合金の側でも硬度を高めることが望ましいであ
ろう。
の素材として大いに注目されるようになった。この素材は、常温および高温の両
方において非常に高い硬度を持ち、非常に優れた耐摩耗性も有している。ただし
、硬度と耐摩耗性の面では優れていても、欠点もある。例えば、カ−バイドブラ
ンクの製造コストは高く、そのブランクから切削工具を製造するのにも余計なコ
ストがかかるため、カ−バイド工具の生産費用は相当高い。また、カ−バイド工
具の靱性は極めて低いため、使用中に破損を防ぐために特別な注意を払わねばな
らない。さらに、カ−バイド工具は極度に堅牢なマシンを必要とするため、既存
の切削マシンの大部分では安全な運用が不可能である。
金素材にまつわる問題の幾つかをかなりの程度解決するものである。一般に、本
発明による硬質の高速度鋼合金は、固有の硬度、高温硬度および靱性の組合せを
特長とする。以下の表1に、本発明による合金の一般クラス、中間クラスおよび
最上クラスの各組成の重量%を示す。
具鋼に含まれる通常の不純物である。本発明による合金のカ−ボン含有量は、パ
ラメ−タΔCが約−0.05〜−0.42、より好ましくは約−0.10〜−0
.35、好ましくは約−0.15〜−0.25となるように調整される。ΔCは
以下のように計算される。 ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+(0.
2V))−C
.2V))は合金のカ−ボン収支であり、Cは合金の実際のカ−ボン含有量であ
り、W、Mo、Cr、VおよびCは重量%で表す。 以降、「パ−セント」または符号「%」は特に指定のない限り重量%とする。
5%のカ−ボンを含有する。カ−ボンは、本合金のカ−バイド生成要素と結合し
て、本合金の耐摩耗性を高めるカ−バイドを形成する。本合金は、少なくとも約
1.90%のカ−ボンを含有するのが望ましい。カ−ボンが多いと本合金の靱性
は低下し、非常に多い場合は、本合金で実現できる硬度も低下する可能性がある
。したがってカ−ボンは、約2.30%以下に抑えるが、好ましくは約2.20
%以下に抑えるのが望ましい。カ−ボンは本合金におけるカ−バイドの生成時に
消費されるため、本合金に所望の硬度を与え、適切な量の硬質カ−バイド粒子に
より所望の耐摩耗性も与えるに十分なカ−ボンが確保されるようにカ−ボン量を
調整する。そのために前記ファクタΔCを使用し、これによって、カ−ボン量を
調整し、本合金に固有の特性の組合せを実現することができる。
含有する。本発明による合金の再硫化形態では、マンガンは硫黄と結合してマン
ガンを多く含む硫化物を生成し、これは、本合金の被切削性を高める上で非常に
効果的である。ただしマンガンが多いと、本合金に脆弱性が生じる。したがって
、マンガンは約1.0%以下に抑えるが、好ましくは約0.90%以下に抑える
のが望ましい。
、より好ましくは少なくとも約0.50%、好ましくは少なくとも約0.55%
のシリコンを含有する。シリコンは溶解状態の本合金の流動性も高めるため、そ
れによって粉末冶金処理の場合に本合金の霧化が容易となる。シリコンが多いと
、本合金の靱性が低下する。したがって、シリコンは約1.0%以下に抑え、よ
り好ましい量として約0.80%以下に抑えるが、好ましくは約0.75%以下
に抑えるのが望ましい。
を多く含む硫化物を生成することで上記のように本合金の被切削性を高めるため
である。そのためには、少なくとも約0.06%の硫黄が効果的であることは判
明している。被切削性を向上させるに十分な硫化物を生成するには、本合金でM
n対S比(Mn:S)が少なくとも約2:1〜4:1、好ましくは約2.5:1
〜3.5:1となるようにマンガンと硫黄のそれぞれの量を選択する。硫黄は本
合金の靱性を低下させるため、被切削性の高められた本合金では硫黄を約0.3
0%以下に抑える。高い被切削性が不要である場合、硫黄は可能な限り少なくす
る。したがって、本合金を再硫化しないなら、硫黄は約0.06%以下に抑え、
より好ましい量としては約0.030%以下に抑えるが、好ましくは約0.02
0%以下に抑えるのが望ましい。
る。その目的のために、好ましくはクロムを少なくとも約4.0%とし、より好
ましい量としては少なくとも約4.25%とする。クロムは、利用可能なカ−ボ
ンと結合してクロムカ−バイドを生成する。その際、カ−ボンの合金を消費する
。このようなカ−ボンの消費によってΔCの値は増加する傾向にあり、その結果
、本合金の硬度と靱性が低下する。したがって、本合金ではクロムを約5.0%
以下に抑える。
そのため、本合金は少なくとも約6%、より好ましくは少なくとも約7%、好ま
しくは少なくとも約7.5%のコバルトを含有する。コバルトが多いと、本合金
の靱性は低下する恐れがある。したがって、本合金のコバルトは約12%以下、
より好ましい量として約11%以下に抑えるが、好ましくは約10.5%以下に
抑えるのが望ましい。
12.0%のタングステンを含有する。タングステンが少ないと、ΔCは負の小
さい値となり、そのため本合金の硬度と靱性が低下する。したがって、本合金は
好ましくは少なくとも約12.25%、より好ましくは少なくとも約12.5%
のタングステンを含有する。タングステンが多いと、ΔCは正の大きい値となり
、そのため本合金の硬度が低下する。したがって、本合金のタングステンは13
.5%以下に抑える。
ジウムは、利用可能なカ−ボンと結合してバナジウムカ−バイドを生成し、これ
は、本合金の耐摩耗性を高める。また、バナジウムカ−バイドは結晶粒界の固定
によるオ−ステナイト化熱処理の過程において本合金の粒度を調整するのにも役
立つ。これらの理由により、本合金は少なくとも約4.5%のバナジウムを含有
する。少なくとも約5.0%のバナジウムを含有し、ΔCが前記範囲内に収まっ
ているとき、本合金に固有の高い硬度レベルにおいて本合金の靱性は予想以上に
改善されることが判明した。バナジウムが多いと、本合金の硬度と靱性が低下す
る。言い換えれば、過度のバナジウムにより脆弱になる恐れがある。また、バナ
ジウムが本合金のカ−ボンと適切に釣り合っていず、バナジウムと結合するカ−
ボンが不足すると、本合金の硬度は低下する。したがって、バナジウムは約7.
5%以下、より好ましくは約7.0%以下に抑えるが、好ましくは約6.5%以
下に抑えるのが望ましい。
ともある。好ましくはモリブデンは1.0%以下に抑えられる。これが多いとΔ
Cは正の大きい値となり、本合金の硬度が低下するからである。
鋼合金において一般に少量含まれる不純物である。具体的に言うと、本合金にお
けるニッケルと銅の量は、高温オ−ステナイト化熱処理の後に本合金中にある残
留オ−ステナイトの量を最小にするように制限される。本合金は最大0.75%
のニッケルまたは最大0.75%の銅を含有できるが、両方を含有するとき、総
量は約0.75%以下に抑える。好ましくは、合金中のニッケルと銅は約0.5
0%である。本合金は、最大約0.1%のマグネシウムと最大約0.1%のチタ
ニウムを含有できる。さらに、本合金が窒素ガスによって霧化されるとき、窒素
を含有することもある。ただし、約0.12%以下、好ましくは約0.08%以
下の窒素を、窒素により霧化された本合金の金属粉末に含めることが要求される
。燐は約0.030%以下に抑える。
製造可能である。好ましくは、粉末冶金技法によって製造するのが望ましい。例
えば、金属粉末を得るには、好ましくは窒素ガスによってヒ−トを溶解、霧化す
るのが望ましい。この金属粉末は所望のメッシュサイズで選別し、ブレンドし、
焼結させて十分な密度のビレットやその他の形状とする。焼結処理は、熱間等方
加圧、高速等方加圧または同時圧縮・還元など、周知のいかなるプロセスによっ
ても実行可能である。その結果得られた焼結体には、加圧鍛造、回転鍛造、圧延
などによる金属加工が施される。
トを作成した。各ヒ−トの組成の重量パ−セントを以下の表2に示す。各ケ−ス
の残部は鉄と通常の不純物である。
金である。公称300lb(136kg)のヒ−トを窒素ガスの分圧で誘導溶解
してから、窒素ガスで霧化した。その結果得られた各ヒ−トの金属粉末を40メ
ッシュで選別、ブレンドしてから、周囲8インチx長さ23インチ(20.3c
mx58.4cm)の軟鋼カンに充填した。軟鋼カンについては、400°F(
703℃)において真空中でガス抜きを行い、次に2050°F(1121℃)
の温度において4〜5時間かけて15ksi(103.4MPa)の熱間等方加
圧(HIP)を実施した。
温度によって5 1/2インチ(14cm)の二重八角形のビレットに変形した
。これらのビレットについては、バ−ミキュライト冷却を行い、1400°F(
760℃)で6時間かけて応力除去を行ってから、空冷を実行した。応力除去を
したビレットは、2100°F(1149℃)の鍛造温度で回転鍛造によって4
インチ(10.2cm)の丸棒に変形した。このように鍛造された丸棒について
は、1400°F(760℃)で4時間かけて応力除去を行ってから、空冷を実
行した。これらの丸棒は、1616°F(880℃)で8時間かけて焼きなまし
、18°F/時(10℃/時)の冷却速度で1202°F(650℃)まで冷却
した後、炉冷した。
済み丸棒から切り出した。立方形試料は、5分間だけ1600°F(871℃)
の塩浴熱処理で予熱し、3分間だけ2250°F(1232℃)の塩浴熱処理で
オ−ステナイト化し、油冷却した。立法形試料の1つのグル−プを1000°F
(538℃)で2時間だけ焼き戻し、もう1つのグル−プは1025°F(55
2℃)で2時間だけ焼き戻した。焼き戻し後、すべての立法形試料を−100°
F(−73.3℃)で1時間かけて冷却し、次に常温となるまで空気中で暖めた
。最初のグル−プは1000°F(538℃)で2時間+2時間だけ焼き戻し、
2番目のグル−プは1025°F(552℃)で2時間+2時間だけ焼き戻した
。
合金が既に量産可能な状態となってはいても、その組成を最適化するためである
。冷却処理と3回の焼き戻しを行ったのは、オ−ステナイト化後に合金中にある
残留オ−ステナイトの量を最小限度に抑えるためである。1000°F(538
℃)の焼き戻し温度は本合金の硬度を最高にするために選択したのであり、10
25°F(552℃)の焼き戻し温度は多少低めの硬度レベルで本合金の靱性を
高めるために選択したのである。
表3に示す。これは、ロックウェルCスケ−ル(HRC)単位のデ−タであり、
各試料ごとに5回行った記録の平均値である。
cmx7.6cm)の試験用サンプルを各ヒ−トの焼きなまし済み丸棒から切り
出した。これらのサンプルについて、常温硬度試験の場合と同じ熱処理によって
焼き入れ、焼き戻しを行った。ただし、この高温硬度試験の試料は1025°F
(552℃)のみで焼き戻している。以下の表4に、各サンプルに対する高温硬
度試験の結果を示す。硬度の値は、試料の温度を1000°F(538℃)に維
持しているときに測定した。この場合、高温硬度試験はBrinell硬度試験
であり、Brinell硬度の値をHRCに換算している。試験結果は、ロック
ウェルCスケ−ル(HRC)単位のデ−タであり、各試料ごとに2回行った記録
の平均値である。
度工具鋼合金で少なくとも約70HRCの硬度を要求される。実際の場合、テス
トブロックのばらつきや所望の硬度レベルにおける周知の試験用機械の精度を考
慮すれば、約69.5HRCの硬度でも問題はないと見なされる。表3のデ−タ
を見れば、本発明による合金の例1〜6は各焼き戻し温度で所望の常温硬度レベ
ルを達成しているが、ヒ−トA〜Eが所望の硬度レベルを達成していないことは
明らかである。表4のデ−タを見れば、本発明による合金の例はすべて60HR
Cを越える高温硬度を達成しているが、比較対象のヒ−トのうちにはそうでない
ものもあることが分かる。
高い硬度レベルにおいても靱性が受け入れられることである。本合金の優れた靱
性を実証するために、各ヒ−トの丸棒から切り出した、標準のノッチなしIzo
d試験サンプルについてIzod試験を行った。試験サンプルの切断は縦方向で
ある。Izod試験サンプルは、上述した常温硬度試験の試料と同じやり方で焼
き入れ、焼き戻した。その後で、各試験サンプルの硬度を測定した。
HRC)とft−lbs(J)単位のIzod耐衝撃性を示している。表5Aは
1000°F(538℃)で焼き戻した試料の試験結果であり、表5Bは102
5°F(552℃)で焼き戻した試料の試験結果である。ここでは、各合金の3
個の試料について試験を行い、それぞれの耐衝撃性の試験結果をそれらの平均と
共に示してある。Izod試験では測定値に相当なバラツキが出ることもあるの
で、試験結果の比較には平均値の方が適している。
zod耐衝撃性の値で示すと、1000°F(538℃)で焼き戻した素材の場
合は少なくとも6ft−lbs(8.1J)、または1025°F(552℃)
で焼き戻した素材の場合は少なくとも7ft−lbs(9.5J)である。これ
らの閾値は周知の高速度工具鋼合金の耐衝撃性レベルより多少低いが、周知の合
金は本発明による合金ほど高い硬度を備えてはいないことに注意する必要がある
。また、これらの閾値は、非常に硬度の高い超硬工具用素材の靱性より格段に優
れている。1025°F(552℃)による焼き戻し後で高速度工具鋼合金の持
つ靱性は極めて重要である。なぜならば、たいていの工具製造業者は商品化のた
めに、焼き戻し温度として少なくとも1025°F(552℃)を使って工具の
靱性と作業温度を高めようとするからである。
ヒ−トより硬度および靱性の組合せの点で優れていることが分かる。表5Aでは
、例1、2および5がIzod耐衝撃性は最低6ft−lb(8.1J)という
条件を比較対象のヒ−トA〜Dより遙かに高い硬度レベルにおいて満たしている
。高い硬度は高速度工具用素材の基本的な特性として要求されるので、例3、4
および6は、靱性がそれほど重要視されない工具を製造する場合では受け入れら
れる合金であろう。ヒ−トEは硬度と靱性の最低必要条件を満たしていない。表
5B表では、例1、2、3および4がIzod耐衝撃性は最低7ft−lb(9
.5J)という条件を比較対象のヒ−トAとBより遙かに高い硬度レベルにおい
て満たしている。ヒ−トC、DおよびEは硬度と靱性の最低必要条件を満たして
いない。
する際は、表示と説明の対象となる要素や特長の全体または一部と等価であるも
のを除外しようとする意図は一切ない。各種の変更は、本発明の適用範囲内にお
いて可能であることが認められている。
Claims (30)
- 【請求項1】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ工具鋼合金において、
前記合金を構成する基本的な各成分の重量パ−セントが、およそ: 重量% C 1.85−2.30 Mn 0.15−1.0 Si 0.15−1.0 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 3.7−5.0 Ni+Cu 最大0.75 Mo 最大1.0 Co 6−12 W 12.0−13.5 V 4.5−7.5 であり、また、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、
WおよびVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.05≦ΔC≦−0.42 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cである、合金。 - 【請求項2】 少なくとも約1.90%のカ−ボンを含む、請求項1に記載
の工具鋼合金。 - 【請求項3】 少なくとも約4.0%のクロムを含む、請求項1に記載の工
具鋼合金。 - 【請求項4】 少なくとも約7%のコバルトを含む、請求項1に記載の工具
鋼合金。 - 【請求項5】 少なくとも約12.25%のタングステンを含む、請求項1
に記載の工具鋼合金。 - 【請求項6】 少なくとも約5.0%のバナジウムを含む、請求項1に記載
の工具鋼合金。 - 【請求項7】 少なくとも約0.06%の硫黄を含む、請求項1に記載の工
具鋼合金。 - 【請求項8】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ工具鋼合金において、
前記合金を構成する基本的な各成分の重量パ−セントは、およそ: 重量% C 1.90−2.20 Mn 0.15−0.90 Si 0.50−0.80 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 4.0−5.0 Ni+Cu 最大0.50 Mo 最大1.0 Co 7−11 W 12.25−13.5 V 5.0−7.0 であり、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、Wおよ
びVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.10≦ΔC≦−0.35 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cである、合金。 - 【請求項9】 少なくとも約4.25%のクロムを含む、請求項8に記載の
工具鋼合金。 - 【請求項10】 少なくとも約7.5%のコバルトを含む、請求項8に記載
の工具鋼合金。 - 【請求項11】 少なくとも約12.5%のタングステンを含む、請求項8
に記載の工具鋼合金。 - 【請求項12】 −0.15≦ΔC≦−0.25である、請求項8に記載の
工具鋼合金。 - 【請求項13】 約0.06%以下の硫黄を含む、請求項8に記載の工具鋼
合金。 - 【請求項14】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ工具鋼合金において
、前記合金を構成する基本的な各成分の重量比は、およそ: 重量% C 1.90−2.20 Mn 0.15−0.90 Si 0.55−0.75 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 4.25−5.00 Ni+Cu 最大0.50 Mo 最大1.0 Co 7.5−10.5 W 12.5−13.5 V 5.0−6.5 であり、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、Wおよ
びVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.15≦ΔC≦−0.25 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cである、合金。 - 【請求項15】 約0.06%以下の硫黄を含む、請求項14に記載の工具
鋼合金。 - 【請求項16】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ粉末冶金工具鋼鋼材
において、前記鋼材は焼結合金粉末で製造され、その各成分の重量パ−セントは
: 重量% C 1.85−2.30 Mn 0.15−1.0 Si 0.15−1.0 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 3.7−5.0 Ni+Cu 最大0.75 Mo 最大1.0 Co 6−12 W 12.0−13.5 V 4.5−7.5 であり、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、Wおよ
びVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.05≦ΔC≦−0.42 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cであり、本鋼材に対して熱処理を行うと、そのロックウェル
C硬度は少なくとも約69.5となる、鋼材。 - 【請求項17】 合金粉末が約1.90〜2.20%のカ−ボンを含む、請
求項16に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項18】 合金粉末が約4.0〜5.0%のクロムを含む、請求項1
6に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項19】 合金粉末が約7〜11%のコバルトを含む、請求項16に
記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項20】 合金粉末が約12.25〜13.5%のタングステンを含
む、請求項16に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項21】 合金粉末が約5.0〜7.0%のバナジウムを含む、請求
項16に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項22】 合金粉末が約0.06%以下の硫黄を含む、請求項16に
記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項23】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ粉末冶金工具鋼鋼材
において、前記鋼材は焼結合金粉末で作成され、その各成分の重量パ−セントは
: 重量% C 1.90−2.20 Mn 0.15−0.90 Si 0.50−0.80 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 4.0−5.0 Ni+Cu 最大0.50 Mo 最大1.0 Co 7−11 W 12.25−13.5 V 5.0−7.0 であり、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、Wおよ
びVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.10≦ΔC≦−0.35 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cであり、本鋼材に対して熱処理を行うと、そのロックウェル
C硬度は少なくとも約69.5となる、鋼材。 - 【請求項24】 合金粉末が約4.25〜5.00%のクロムを含む、請求
項23に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項25】 合金粉末が約7.5〜10.5%のコバルトを含む、請求
項23に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項26】 合金粉末が約12.5〜13.5%のタングステンを含む
、請求項23に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項27】 合金粉末が約5.0〜6.5%のバナジウムを含む、請求
項23に記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項28】 合金粉末が約0.06%以下の硫黄を含む、請求項23に
記載の工具鋼鋼材。 - 【請求項29】 固有の硬度および靱性の組合せを持つ粉末冶金工具鋼鋼材
において、前記鋼材は焼結合金粉末で製造され、その各成分の重量パ−セントは
: 重量% C 1.90−2.20 Mn 0.15−0.90 Si 0.55−0.75 P 最大0.030 S 0−0.30 Cr 4.25−5.00 Ni+Cu 最大0.50 Mo 最大1.0 Co 7.5−10.5 W 12.25−13.5 V 5.0−6.5 であり、残部は実質的に鉄と通常の不純物であり、そのC、Cr、Mo、Wおよ
びVの各要素は以下の関係となるように調整され: −0.15≦ΔC≦−0.25 ここで、ΔC=((0.033W)+(0.063Mo)+(0.06Cr)+
(0.2V))−Cであり、本鋼材に対して熱処理を行うと、そのロックウェル
C硬度は少なくとも約69.5となる、鋼材。 - 【請求項30】 約0.06%以下の硫黄を含む合金粉末から成る、請求項
29に記載の工具鋼鋼材
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