JP5748983B2 - 耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)質量%で、C:0.7%超〜1.0%、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.2〜0.7%、Cr:5.5〜9.0%、Mo+1/2W:1.0〜2.5%、V+1/2Nb:0.1〜0.6%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ミクロ組織中のM7 C3 系炭化物の大きさが5〜20μm、面積率5〜15%なる工具鋼、またはこの工具鋼に、さらにS:0.060%以下を含有した工具鋼を基材とし、該基材の表面に窒化層を形成し、前記窒化層の上にTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、AlおよびCrの少なくとも1種以上の元素で構成する窒化物、炭化物、炭窒化物の少なくとも1種からなる硬質皮膜を被覆し、さらに前記硬質被膜上にAlとCrの比率を、at.%比でAl:Cr=25〜50:75〜50とするAl−Cr系窒化物による皮膜を被覆してなることを特徴とする耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具。
C:0.7%超〜1.0%
Cは、焼入れ性を確保するために必要な元素であり、十分な焼入れ性の確保と高温焼戻しで硬さ60〜64HRCを得るために、0.7超%必要である。しかし、1.0%を超えると、焼入時の残留オーステナイトが増加し、高温焼戻し時に60〜64HRCを得ることができないことから、その上限を1.0%とした。
Siは、製鋼での脱酸、焼入性確保に必要な元素である。しかし、0.5%未満ではその効果が十分得られないため、その下限を0.5%とした。また、焼戻し時の二次硬化促進のためには、その上限を1.5%とした。
Crは、焼入性を確保するに必要な元素である。しかし、5.5%未満ではその効果が十分でなく、また、9.0%を超えると、一次炭化物の粗大化、凝集部の形成により、複合被膜の密着性が低下することから、その範囲を5.5〜9.0%とした。
S:0.060%以下
Sは、靱性を低下させることから低い方が好ましく、その上限を0.060%とした。
Mo、Wは、焼入性と二次硬化に寄与する析出炭化物を得るために必要な元素である。そのためには、Mo+1/2Wが1.0%必要である。しかし、2.5%を超えると複合被覆の密着性が低下することから、その範囲を1.0〜2.5%とした。
V、Nbは、焼戻し時に微細で硬質な炭化物を析出し、基材硬度を増し、複合被膜の密着性向上に寄与する元素である。しかし、V+1/2Nbが0.1%未満ではその効果が十分でなく、また、0.6%を超えると複合被膜の密着性が低下することから、その範囲を0.1〜0.6%とした。
ミクロ組織中(光学顕微鏡で観察できる1μm以上のもの)のM7 C3 系炭化物(の総個数のうち90%に当る炭化物)の大きさ、および面積率を規制したのは、マトリックスの組成変形を緩和し、複合被膜の破壊を抑制するもので、そのM7 C3 系炭化物の大きさが5μm未満、面積率が5%未満ではその効果が十分でなく、また、M7 C3 系炭化物の大きさが20μmを超え、面積率が15%を超えると、過大な寸法や過剰量は複合被膜の密着性を阻害することから、その範囲をM7 C3 系炭化物の大きさ5〜20μm、面積率を5〜15%とした。
焼入れおよび高温焼戻しで硬度を規制したのは、基材の弾性変形もしくは組成変形を抑制し、複合被覆との密着性を確保するためで、焼入れおよび高温焼戻しで硬度60HRC未満ではその効果が十分でなく、また、64HRCを超えると靱性を阻害し、成形工具としての寿命を低下させることから、その範囲を60〜64HRCとした。
Al−Cr系窒化物は、Crのマトリックス中に置換固溶したAlがCrよりも先に外向拡散し、最表面に緻密なアルミナ層を形成し、酸化の進行である酸素の内向拡散を防ぐ保護層となる。このように形成されたアルミナ層および酸化の進行を伴い、形成されるCr酸化層の二重の保護層の効果によって、より高い耐酸化特性を示す。以上のことから高温雰囲気中での基材からなる機械部品、工具、金型等の受ける損傷を軽減でき、基材寿命を延長させることができる。
Al、Crは、耐酸化性を向上させる元素であるが、しかし、AlとCrの比率が25〜50:75〜50とする。その比率のAlが25未満ではその効果が十分でなく、また、50を超えると延性が低下することから、その範囲を25〜50とした。好ましくは30〜45at.%とする。また、Crは、75を超えるとその効果が十分でなく、また、50未満では延性が低下することから、その範囲を50〜75とした。好ましくは55〜70とする。
アルミ製缶用の成形ツール(径82mm、長さ57mm)を超硬および本発明の鋼材で作製した。なお、本発明の鋼材は1030℃で焼入れした後、530℃での焼戻しを2回実施し、硬度を61.5HRCに調質した後に、以下の表面処理を行った。先ず、本発明の鋼材表面に窒素を拡散させた表面硬化層である窒化層を形成した。処理はラジカル窒化装置を用い、反応ガスであるNH3 、H2 を所定のガス比率で混合し、ヒーター加熱温度を500℃以下の条件の下で2時間の処理を行った。従来の超硬材では窒化層が形成されないため、この処理は行われない。
特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他2名
代理人 弁理士 椎 名 彊
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.7%超〜1.0%、
Si:0.5〜1.5%、
Mn:0.2〜0.7%、
Cr:5.5〜9.0%、
Mo+1/2W:1.0〜2.5%、
V+1/2Nb:0.1〜0.6%、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ミクロ組織中のM7 C3 系炭化物の大きさが5〜20μm、面積率5〜15%なる工具鋼、またはこの工具鋼に、さらにS:0.060%以下を含有した工具鋼を基材とし、該基材の表面に窒化層を形成し、前記窒化層の上にTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、AlおよびCrの少なくとも1種以上の元素で構成する窒化物、炭化物、炭窒化物の少なくとも1種からなる硬質皮膜を被覆し、さらに前記硬質被膜上にAlとCrの比率を、at.%比でAl:Cr=25〜50:75〜50とするAl−Cr系窒化物による皮膜を被覆してなることを特徴とする耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具。 - 請求項1に記載の耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具であって、該請求項1に記載する基材を焼入れおよび高温焼戻しにより、硬度60〜64HRCとしたことを特徴とする耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具。
- 請求項1に記載する工具鋼の基材に焼入れおよび焼戻しを施し、該基材を300〜550℃に保持してNH3 ガスとH2 ガスを用いて該基材の表面に窒化層を形成し、該窒化層にPVD法により窒化物、炭化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆し、さらにPVD法によりAl−Cr系窒化物の被覆を形成することを特徴とする耐焼付き性に優れたアルミ製缶用工具の製造方法。
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