JPH04358046A

JPH04358046A - 高速度鋼系焼結合金

Info

Publication number: JPH04358046A
Application number: JP14700991A
Authority: JP
Inventors: Akira Hamada; 晃浜田; Hideo Fujita; 秀雄藤田; Atsushi Funakoshi; 淳船越; Yoshio Katayama; 善雄片山
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1991-04-01
Filing date: 1991-04-01
Publication date: 1992-12-11
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: JP2857724B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高耐摩耗性と高靭性が
要求される用途、例えば鋼材圧延用ロール等の構成材料
として有用な高速度鋼系焼結合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速度鋼は、焼入れ・焼もどしの調質熱
処理により、マルテンサイトまたはベイナイトの硬質の
基地に、ＭＣ型、Ｍ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型等の炭化物が微細
に分散混在した組織が与えられ、その硬質の基地と、炭
化物の分散強化作用とによる極めて硬質で高度の摩耗抵
抗性を備えた合金である。

【０００３】高速度鋼の製造法については、従来の溶解
法のほかに、近時は粉末冶金の手法を用い焼結合金とし
て製造することも行われている。粉末冶金法によれば、
溶解法では製造できないような成分構成を有する合金の
製造も可能となり、成分設計の自由度が大きく、また焼
結手段として熱間等方圧加圧焼結（ＨＩＰ）法を適用し
、高加圧力の均一な作用下に焼結を行わせることにより
、高緻密質で均質性にすぐれた焼結合金を得ることがで
きる。

【０００４】高速度鋼系合金の用途は広く、例えば鋼材
圧延用ロールについて、その耐用寿命の向上および被圧
延材の表面品質改善等を目的とし、ロール胴部表面に高
速度鋼系焼結合金層を形成して耐摩耗性を高めること等
も提案されている（特開昭６３−２９７５１０号，特開
平３−４７６０９号等）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】高速度鋼系合金を耐摩
耗用途、就中鋼材圧延用ロール等のように高荷重の負担
による曲げ応力や熱的・機械的衝撃が繰返し加わる部材
の耐久性・安定性の改善を目的として適用する場合、そ
の高速度鋼系合金は、耐摩耗性だけでなく、部材に加わ
る高荷重や衝撃によるクラック発生とその伝播を抑制し
得る高度の靭性を具備したものであることが要求される
。しかるに、耐摩耗性と靭性とは一般に相反的な材料特
性であり、高耐摩耗性と高靭性とを同時に充足させるこ
とは容易でない。本発明は上記に鑑みてなされたもので
あり、圧延ロール等のように高耐摩耗性と高靭性とが要
求される部材の構成材料として有用な高速度鋼系焼結合
金を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の高速
度鋼系焼結合金は、Ｃ：１．７〜３．５％，Ｓｉ：０．
４％以下（または、０．６〜３．５％），Ｍｎ：０．４
％以下，Ｃｒ：３〜２０％，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂのいずれか
１種ないし２種以上の元素：１２％以下，Ｗ：５〜１４
％，Ｍｏ：３〜９％，Ｃｏ：７〜１４％，残部実質的に
Ｆｅ（所望によりＢ：２％以下，Ｎｉ：３％以下の１種
もしくは２種を含有）からなり、基地中に、粒径１０〜
５０μｍの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は１０
〜５０％であることを特徴としている。以下、本発明に
ついて詳しく説明する。

【０００７】本発明の高速度鋼系焼結合金の化学組成限
定理由は次のとおりである。Ｃ：１．７〜３．５％ＣはＶ、Ｗ、Ｍｏ等と結合して、ＭＣ型、Ｍ６Ｃ型、Ｍ
２Ｃ型等の炭化物を形成し、合金の高度を高める。この
効果を十分ならしめるため、含有量の下限を１．７％と
する。しかし、Ｃの増量は反面において、炭化物の過剰
析出による合金の靭性劣化および加工性の低下等の原因
となる。このため、３．５％を上限とする。

【０００８】Ｓｉ：０．４％以下、または０．６〜３．
５％Ｓｉは焼入れ性改善に奏効する。また、添加量の増加に
より耐孔食性改善効果が得られる。焼入れ性改善効果は
０．４％までの添加で十分であり、それを越える添加の
必要はない。従って焼入れ性改善のための添加量は０．
４％までとする。耐孔食性改善効果は０．６％以上の添
加により現れる。従って焼入れ性改善と耐孔食性の改善
を望む場合の添加量は０．６％以上とする。添加増量に
より効果を増すが、反面靭性の低下を招き、曲げ荷重や
熱的・機械的衝撃に対する抵抗性の不足をきたすので、
３．５％を上限とする。

【０００９】Ｍｎ：０．４％以下Ｍｎは脱酸作用を有し、また焼入れ性の改善効果を有す
る。この効果を得るための添加量は０．４％までで十分
であり、多量の添加は高温におけるオーステナイト粒の
粗大化を招き、合金の脆化の原因となる。このため、０
．４％を上限とした。

【００１０】Ｃｒ：３〜２０％Ｃｒは合金の焼入れ性を改善し、また焼もどし軟化抵抗
性を高める。更に、その添加増量により、耐孔食性向上
効果が得られる。焼入れ性、および焼もどし軟化抵抗性
の改善効果は３％以上の添加により得られ、その効果は
６％までの添加でほぼ飽和する。耐孔食性改善効果は６
．５％以上の添加により現れる。従って、焼入れ性およ
び焼もどし軟化抵抗性の改善と併せて耐孔食性改善効果
を望む場合の添加量は６．５％を下限とする。添加量の
増加によりその効果を増すが、その反面、熱間圧延ロー
ルの用途では、赤熱鋼材に対する焼付抵抗性が減じ、ま
たロール表面の耐肌荒れ性が低下するので、２０％を上
限とし、好ましくは１５％までとする。

【００１１】Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ：１２％以下Ｖ，Ｔｉ，Ｎ
ｂは焼入れ後の焼もどし処理により、微細なＭＣ型炭化
物として析出し顕著な二次硬化をもたらし、また焼もど
し軟化抵抗性を示す。更に、Ｖは焼結合金組織を微細化
し靭性等の機械的性質を高める。しかし、多量の添加は
靭性の低下を招き、また切削加工性等を悪くするので、
１２％を上限とする。２種または３種の元素を複合添加
する場合は、その合計量を１２％以下とする。

【００１２】Ｗ：５〜１４％Ｗは強力な炭化物形成元素であり、焼もどし処理により
微細なＭ６Ｃ型炭化物として析出し二次硬化をもたらす
。また焼もどし軟化抵抗性を示す。添加量の下限を５％
としたのは、その炭化物の析出による十分な二次硬化を
得るためである。添加増量により、その効果を増すが、
反面靭性等の機械的性質の低下を招くので、１４％を上
限とした。

【００１３】Ｍｏ：３〜９％Ｍｏは焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により微
細なＭ２Ｃ型炭化物を形成して二次硬化を生起し、高温
硬さの保持に奏効する。この効果は３％以上の添加によ
り得られる。しかし９％をこえるとその効果はほぼ飽和
するので９％までとする。

【００１４】Ｃｏ：７〜１４％Ｃｏは、焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリッ
クスの二次マルテンサイト化による焼結合金の強化を助
長すると共に、高温硬さの向上に奏効する。この効果は
７％以上の添加により得られる。しかし、１４％をこえ
るとその効果はほぼ飽和するので１４％を上限とする。

【００１５】Ｂ：２％以下Ｂは、Ｃ代替元素であり、ほう化物を形成して耐摩耗性
の向上に寄与する。２％のＢは１％のＣに等価である。また基地中に固溶して基地を強化する。しかしし、多量
の添加は、合金の融点を下げ、強度の低下の原因となる
ので、２％を上限とする。

【００１６】Ｎｉ：３％以下Ｎｉは、オーステナイト相安定化元素であり、残留オー
ステナイト量の増加による靭性の改善に奏効する。しか
し、オーステナイト量の増加は、反面において機械加工
の困難化を招くので、３％を越えてはならない。

【００１７】本発明の高速度鋼系焼結合金は、粒径１０
〜５０μｍの比較的粗粒の炭化物が基地中に分散した組
織を有する。その粗粒炭化物は後記のように焼結処理工
程において液相からの晶出炭化物として形成することが
できる。

【００１８】基地中に分散する上記の粗粒炭化物粒の存
在により、焼結合金のクラック伝播に対する抵抗性が高
められる。すなわち、焼結合金の実使用においてクラッ
クが生じた場合、クラックの伝播は基地中に分散した粗
粒の炭化物との衝突により、前方への伝播が阻まれ、ま
たそのクラックが炭化物粒を越えて前方に伝播するには
炭化物粒を裂割させねばならないので、それに伴ってク
ラックの伝播エネルギが効果的に減殺される。このよう
に、基地中に分散する粗粒の炭化物粒はクラックの伝播
を抑制・阻止する障壁として機能する。

【００１９】上記炭化物の粒径を１０μｍ以上としたの
は、クラックの伝播に対する障壁効果を確保するためで
あり、またその粗粒炭化物粒の基地中に占める割合を面
積率で１０％以上としたのは、それに満たないと、炭化
物粒の障壁効果によるクラック伝播抵抗性の改善効果が
不足するからである。より好ましくは２０％以上である
。

【００２０】なお、粗粒炭化物粒の粒径の上限を５０μ
ｍとし、面積率を５０％までとしたのは、クラック伝播
の抵抗性改善効果の点から、それ以上とする利益がない
だけでなく、却って焼結合金の脆化傾向を招くからであ
る。

【００２１】本発明の焼結合金を製造するための焼結手
法は任意であるが、好ましくは熱間等方圧加圧焼結法（
ＨＩＰ焼結法）が適用される。ＨＩＰ焼結法によれば、
高加圧力（例えば８００ｋｇｆ　　／ｃｍ２以上）の均
一な作用下に高緻密質の焼結合金を得ることができる。なお、合金粉末が比較的多量の酸化皮膜を付随するもの
である場合は、水素含有ガス等の還元ガスを使用し加熱
下に酸化皮膜を還元除去したうえで焼結を行うようにす
ればよい。本発明ではその焼結処理を、液相が共存する
温度域において行う。その焼結処理過程において、液相
から前述の粗粒サイズの炭化物を晶出形成することがで
きる。このための焼結処理温度は、絶対温度（°Ｋ）で
表示した融点の約９０〜９５％の温度域〔例えば、融点
が１３２０℃（＝１５９３°Ｋ）の場合は、１４３２°
Ｋ（＝１５９３°Ｋ×０．９）〜１５１３°Ｋ（＝１５
９３°Ｋ×０．９５）の温度域〕が好適である。その処
理時間は、粗粒炭化物粒の不足または過剰生成をきたす
ことなく所定の焼結が達成されるように、処理温度や加
圧力等に応じて設定されるが、概ね２〜４Ｈｒの処理と
してよい。

【００２２】焼結処理後、調質のための熱処理（焼入れ
・焼もどし処理）を行う。その熱処理は高速度鋼系合金
製造の常法に従って行えばよい。すなわち、焼入れ処理
は、例えば温度約１０５０〜１２５０℃に加熱保持した
のち、油浴または塩浴を使用し、あるいはガス（Ｎ２ガ
ス等）を冷媒として行えばよく、また焼もどし処理は、
例えば温度約５００〜６００℃に適当時間（例えば５〜
１０Ｈｒ）保持したのち、徐冷（空冷等）する操作を１
回ないしは複数回（例えば２〜４回）実施することによ
り達成することができる。

【００２３】本発明の高速度鋼系焼結合金は、上記調質
熱処理が施されて、マルテンサイトまたはベイナイトの
基地に、前記晶出炭化物として成形された粒径１０〜５
０μｍの粗粒炭化物、焼もどしでの二次炭化物として析
出した微細炭化物粒が混在分散した組織となり、その微
細炭化物の分散硬化作用による高硬度・高耐摩耗性と、
粗粒炭化物のクラック伝播抵抗性による高靭性とがもた
らされる。なお、基地中の炭化物粒の総量は面積率約１
５〜５５％程度である。

【００２４】本発明の高速度鋼系焼結合金の用途は多岐
に亘るが、耐摩耗性等は部材の表面の問題であるので、
例えば圧延用ロールの胴部に本発明の焼結合金を適用す
る場合には、適当な金属材料（例えは、ＪＩＳ　　Ｇ　
　４１０５　　のＣｒ−Ｍｏ系合金鋼、同４１０３のＣ
ｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金鋼等）からなる中空もしくは中実
形状の円柱体を基材とし、その外周を本発明の焼結合金
で被覆した積層構造とすることができる。

【００２５】

【実施例】所定の化学組成に調整された高速度鋼系合金
粉末（平均粒径：２００μｍ）をカプセル材（軟鋼製）
に充填し、これに還元ガス（Ｈ２ガス）を導入して粉末
表面の酸化皮膜を還元除去処理（８００℃×２Ｈｒ）し
、脱気・密封したうえ、ＨＩＰ処理を行った。処理後、
カプセル材を機械加工により除去し、焼入れ・焼もどし
処理を行って供試焼結合金ブロックを得た。なお、焼入
れ処理は、真空チャバン内で、１１５０〜１２００℃に
、２Ｈｒ保持後、Ｎ２ガス（常温・常圧）を導入するガ
ス冷却により行い、焼もどし処理は、５４０〜５６０℃
に５〜１０Ｈｒ加熱保持して放冷するヒートパターンを
３回反復することにより行った。表１に供試焼結合金の
化学組成、表２に合金の融点と焼結処理条件を示す。Ｎ
ｏ．１〜８は、粗粒炭化物（粒径１０〜５０μｍ）を晶
出形成させた発明例であり、Ｎｏ．１０１〜１０４は、
粗粒炭化物の晶出形成の殆どない通常の焼結条件により
焼結された比較例である。図１は発明例Ｎｏ．２、図２
は比較例Ｎｏ．１０３のそれぞれの焼結合金の組織（走
査型電子顕微鏡写真、倍率１５００）を示している。比
較例Ｎｏ．１０３の炭化物の平均粒径は約２μｍである
。

【００２６】表３は各供試焼結合金について、基地中の
粗粒炭化物（１０〜５０μｍ）の面積率、および諸特性
試験結果を示している。

【００２７】（１）摩耗試験大越式迅速摩耗試験により比摩耗量（ｍｍ２／ｋｇｆ）
を測定（ｉ）　　回転輪：ＳＵＪ２：硬度（ＨＲＣ）６０、回
転輪幅３．０ｍｍ（ｉｉ）　　摩耗速度：３．４ｍ／ｓｅｃ　　（ｉｉｉ
）摩耗距離：２００ｍ（ＩＶ）　　最終荷重：１６．８Ｋｇ・ｆ（２）曲げ試
験３点曲げ法により曲げ強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）を測定。試験片サイズ：３×４×５０，ｍｍ、スパン距離：３０
ｍｍ。（３）靭性試験ヌープ圧子圧痕法により破壊靭性値ＫＩＣ（ＭＮｍ３／
２）を測定。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】表３に示したように、発明例Ｎｏ．１〜８
の焼結合金は高硬度・高耐摩耗性を有していると同時に
、曲げ強度が高く、かつ破壊靭性値もすぐれている。この改良された曲げ強度や破壊靭性値は、粗粒炭化物に
よるクラック伝播の抵抗性改善効果によるものであり、
粗粒炭化物を殆ど含まない比較例Ｎｏ．１０１〜１０４
との差異は歴然である。

【００３２】

【発明の効果】本発明の高速度鋼系焼結合金は、硬質・
高耐摩耗性と併せて、クラック伝播の抵抗性にすぐれ、
高靭性を備えている。従って、圧延用ロール等、曲げ荷
重や、熱的・機械的衝撃等が作用する摩耗用途の部材料
として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結合金の金属組織を示す図面代用顕
微鏡写真

【図２】焼結合金（比較材）の金属組織を示す図面代用
顕微鏡写真

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　Ｃ：１．７〜３．５％，Ｓｉ：０．４
％以下、Ｍｎ：０．４％以下，Ｃｒ：３〜２０％，Ｖ，
Ｔｉ，Ｎｂのいずれか１種ないし２種以上の元素：１２
％以下，Ｗ：５〜１４％，Ｍｏ：３〜９％，Ｃｏ：７〜
１４％，残部実質的にＦｅからなり、基地中に、粒径１
０〜５０μｍの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は
１０〜５０％であることを特徴とする耐摩耗性・靭性等
にすぐれた高速度鋼系焼結合金。
【請求項２】　　Ｃ：１．７〜３．５％，Ｓｉ：０．６
〜３．５％、Ｍｎ：０．４％以下，Ｃｒ：３〜２０％，
Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂのいずれか１種ないし２種以上の元素：
１２％以下，Ｗ：５〜１４％，Ｍｏ：３〜９％，Ｃｏ：
７〜１４％，残部実質的にＦｅからなり、基地中に、粒
径１０〜５０μｍの炭化物粒が均一に分散し、その面積
率は１０〜５０％であることを特徴とする耐摩耗性・靭
性等にすぐれた高速度鋼系焼結合金。
【請求項３】　　Ｂ：２％以下、Ｎｉ：３％以下の１種
または２種を含有する請求項１または請求項２に記載の
耐摩耗性・靭性等にすぐれた高速度鋼系焼結合金。