JPH0512424B2

JPH0512424B2 -

Info

Publication number: JPH0512424B2
Application number: JP58074514A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Fukui; Hiroshi Mizuno; Kazuo Ito; Naoyuki Yamauchi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1983-04-26
Filing date: 1983-04-26
Publication date: 1993-02-18
Also published as: JPS59200743A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

本発明は、耐摩耗性と耐熱性にすぐれ、高速度
工具鋼または熱間・冷間工具鋼として好適な焼結
工具鋼に関する。

【従来の技術】

工具鋼に要求される耐摩耗性と耐熱性とを高め
るためには、硬質かつ耐熱性の炭化物、窒化物ま
たは炭窒化物（炭化物と窒化物とは通常複合体と
して存在するので、以下、「炭窒化物」で一括し
てあらわす。）を、できるだけ多量に鋼中に存在
させなければならない。このような工具鋼を溶製
法で製造しようとしても、熱間加工性、被研削性
あるいは靱性の点で、工具への加工および使用に
制約があるので、焼結法が好んで採用される。粉
末治金によれば、溶製法にくらべて微細な炭化物
を均一に分散させ得るという有利さもある。しかし、粉末鋼においても、炭化物の粒径や分
布状態は、粉末製造における凝固時の冷却速度に
よつて左右され、冷却がおそいと、炭化物の粒子
が成長してしまう。このことは、粉末鋼の製造に
当つて、微細な炭化物を均一に分散させたものを
得ようとすると、粉末も微細なものしか使用でき
ず、粒径の大きいものがふるい分けて除かなけれ
ばならず、収率が低くなることを意味する。炭窒
化物の粒径は添加合金量によつても異なり、高合
金ほど大きくなりやすい。また、一般に炭窒化物
の量が多いほど鍛造加工性は低くなるが、同じ量
であれば鍛造加工性の低下は、その粒径が大きい
程著しい。このようなわけで、従来製造され使用されてき
た焼結鋼は、合金の程度および炭化物の含有量に
おいて、溶製鋼のそれを大幅に上回ることはでき
なかつた。

【発明が解決しようとする課題】

本発明はこのような問題を解決し、従来より高
合金にすることにより鋼中に多量の炭窒化物を存
在させてもその粒子が大きくならず、しかも均一
に分布した粉末合金鋼を得ること、また、粉末の
粒径による制約が少なく、使用できる粉末の収率
を高くすること、そしてこれを焼結して得た素材
が鍛造加工性にすぐれ、製品工具が高い耐摩耗性
と耐熱性とを示す焼結工具鋼を提供することを目
的とする。

【課題を解決するための手段】

本発明の焼結工具鋼は、基本的組成として、
Ｃ：0.35〜10.0％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1〜
1.5％、Cr：3.0〜20.0％、REM（希土類元素）の
１種または２種以上（２種以上のときは合計
量）：0.001〜0.60％を含有し、Ｎ：0.30％以下、
Ｏ：0.03％以下であつて、炭窒化物：５〜75％が
存在し、残余がFeおよび不純物からなる合金鋼
を対象とし、その粉末を焼結してなるものであ
る。ここで、「REM」とは、La，Ce，Pr，Nd，
Smを代表とするランタニド系希土類元素を意味
する。本発明の焼結工具鋼は、上記した基本組成に加
えて種々の合金元素を添加した組成があり得る。第一の態様は、基本組成に対して、Mo：0.10
〜20.0％、Ｗ：0.10〜20.0％、Ｖ：0.01〜30.0％、
Co：0.01〜30.0％、Nb：0.01〜30.0％、Ta：0.01
〜10.0％、Zr：0.001〜10.0％、Ti：0.001〜10.0
％、Hf：0.001〜2.0％、Sc：001〜2.0％および
Ｙ：0.001〜2.0％からえらんだ１種または２種以
上を加えたものである。本発明の焼結工具鋼の第二の変更態様は、前記
の基本組成に対して、Ni：0.25〜2.0％、Cu：
0.25〜2.0％およびＢ：0.001〜0.050％の１種、２
種または３種を加えたものである。本発明の焼結工具鋼の第三の変更態様は、上述
した第一および第二の変更態様の組み合わせであ
る。すなわち、前記の基本組成に加えて、Mo：
0.10〜20.0％、Ｗ：0.10〜20.0％、Ｖ：0.01〜30.0
％、Co：0.01〜30.0％、Nb：0.01〜30.0％、
Ta：0.01〜10.0％、Zr：0.001〜10.0％、Ti：
0.001〜10.0％、Hf：0.001〜2.0％、Sc：0.001〜
2.0％およびＹ：0.001〜2.0％の１種または２種以
上、ならびに、Ni：0.25〜2.0％、Cu：0.25〜2.0
％およびＢ：0.001〜0.050％の１種、２種または
３種を含有する合金鋼の粉末を焼結してなる焼結
工具鋼である。本発明の焼結工具鋼を形成する合金鋼粉末の製
造は、従来確立されているところに従つて、所望
の合金元素を含む溶鋼を、水噴霧、ガス（アルゴ
ン、窒素など）噴霧、あるいは両者の組み合わせ
など、任意の技術をえらんで、アトマイズ処理す
ることにより行なえばよい。そのようにして得た合金鋼粉末の焼結もまた、
既知の手段により実施できる。好ましい方法は、
粉末を軟鋼製カプセルに充填して脱気後、必要な
らば窒化処理を行ない、圧縮成形して製品形状を
与えることである。圧縮成形は、近年普及が著し
い熱間静水圧プレスが好適であるが、ダイプレス
や鍛造によつてもよい。焼結およびその後の熱処
理は、合金鋼成分に応じて選択すべきであろう。なお、本発明の焼結工具鋼に快削性をもたせた
い場合にはＳ，Al，Ca，Mg，Pb，Teなどの快
削元素を１種または２種以上、0.2％以下含有さ
せることができ、このような焼結工具鋼も本発明
の範囲に含まれる。

【作用】

前記した基本組成の各合金成分の役割とその限
定理由は、つぎのとおりである。Ｃ：0.35〜10.0％Ｃは、Cr，Mo，Ｗ，Ｖ，Ti，Zr，REMなど
の元素と結合して硬い複炭化物を形成し、工具に
必要な耐摩耗性の向上に寄与するとともに、基地
中に固溶して、やはり工具に要求される硬さを与
える。適切な添加量は炭窒化物形成元素との関係
で異なるが、0.35％より低いときは焼入時に基地
中に固溶するＣ量が不足し、HRC58以上の焼も
どし硬さを得ることが困難になる。一方、多量に
添加するほど耐摩耗性は増大するが、鍛造性およ
び靱性が低下するので、10％までに止める。 Si：0.1〜2.0％ Siは脱酸剤として添加し、通常0.1〜0.5％含有
させるが、さらに多くの量を加えれば炭窒化物の
析出反応を促進させて、その微細化をはかること
ができる。また、焼入時を向上させるとともに固
溶基地を強化して降伏点を高め、高温における表
面酸化を防ぐとともに疲労限界を向上させる効果
をもつ。ただし、過大になると、熱伝導度の低下
と靱性の低下が工具寿命を短くするので、2.0％
を上限とした。 Mn：0.1〜1.5％これもSi同様に脱酸剤として添加するが、焼入
性の向上にも寄与する。脱酸効果をあげるために
は、少なくとも0.1％の添加を必要とするが、多
量にしすぎると、Mn化合物の析出により靱性や
焼もどし軟化抵抗性が低下し、また加工硬化が著
しくなつて被削性が落ちるので、1.5％以下にし
た。 Cr：3.0〜20.0％ CrはＣと結合して複合炭化物を形成し、耐摩
耗性の向上に大い役立つほか、基地中にも多量に
固溶して焼入性を高めるとともに、耐酸化性をも
よくする。これらの効果は、最小3.0％の添加か
ら得られるが、もちろん多量になるほど高い。た
だし、あまり高含有量になると、靱性や焼もどし
軟化抵抗性の増大硬化は頭打ちとなり、かえつて
脆化の傾向がみられる。本発明に従つて、REM
を添加すると、Crが多量であつても脆化は緩和
され、熱間加工性が明瞭に改善される。これは、
REMの存在が、通常は巨大針状結晶となるM₇C₃
型共晶炭化物をごく微細なものとし、かつ均一に
分散させるためと思われる。この効果が認められ
るCr含有量の上限が、20.0％である。 REM：0.001〜0.60％ REMは、希土類炭窒化物を形成する重要な元
素である。この炭窒化物はきわめて微細かつ均一
に分散し、安定であつて、MC，M₆ＣおよびM₂₃
C₆型の炭窒化物の析出反応にも影響を及ぼし、
その析出の核の役目をはたす。その結果、全体の
炭窒化物は微細かつ均一に分散し、耐摩耗性を高
めるとともに、靱性や硬度の低下が防げるのであ
る。この結果は、REMの１種または２種以上
（２種以上の場合は合計で）少なくとも0.005％添
加すれば得られる。多量に添加すると熱間加工性
が劣るから、0.60％を限度と定めた。 REMは、鋼が溶触状態にある1400〜1500℃の
温度域で、溶鋼中から直接に炭窒化物を形成し、
前記したように、きわめて微細に析出する。この
炭窒化物は鋼中の一部分に偏析することがなく、
かつこれが粉末の凝固時に炭窒化物生成反応の核
となつて共晶反応を短時間で終了させる。そのた
め、多量の炭窒化物を含有させた場合でも、その
デンドライトアーム間隔を小さく、また粒状晶の
平均粒間距離を小さくすることができる。これ
が、REM添加の効果が発現する機構と考えられ
る。また、上記のようにしてできた希土類炭窒化物
を核とした共晶炭窒化物は分解しやすく、後の加
工や熱処理により再度微細化するので、焼結工具
鋼中で多量の炭窒化物は微細かつ均一に分散して
存在する。この事実は、製品のミクロ組織を鏡検
することにより確められた。溶製工具鋼においてREMの添加が炭窒化物を
微細化する効果をもつことは、出願人が見出し
て、すでに開示したところである（特願昭56−
27611号、56−27612号および56−80062号）。今
回、このREM添加の効果が焼結工具鋼において、
その固有の問題である冷却速度の影響、換言すれ
ば粉末の粒径の制約を免れさせ、粉末製造性を高
めるとともに、より高合金の鋼の使用を可能にし
て、焼結合金工具鋼の限界を打破し、さらに改良
された工具製品を与えることを知つて、本発明を
完成した。炭窒化物：５〜75％炭窒化物は工具鋼に要求されると硬さと耐摩耗
性とを担う成分であつて、少なくとも５％の存在
が必要である。一方、75％を超える存在は、靱性
を著しく低下させて工具として使用できない材料
を与える。不純物としてのＮおよびＯは、次の理由で、そ
れぞれ前記した限界内に規制する必要がある。Ｎ：0.30％以下Ｎは、窒化物を形成し、この限界を超えると巨
大な炭窒化物を鋼中に存在させることになつて、
工具の性能をそこなう。Ｏ：0.03％以下Ｏは酸化物を形成し、この限界を超えると焼結
性を劣化させるため、やはり工具の性能をそこな
う。本発明の焼結工具鋼の第一の変更態様において
添加する元素は、いずれも鋼の基地を強化し、耐
熱性、耐摩耗性、靱性などを向上させるという共
通の効果をもつが、その作用はいくつかのグルー
プに分けて理解することが便宜なので、以下に説
明する。MoおよびＷ：0.10〜20.0％ MoおよびＷはＣと結合して微細なM₂Ｃ型また
はM₆Ｃ型の複合炭化物を形成し、かつ基地中に
固溶してこれを強化するので、耐摩耗性や高温硬
さを高めるとともに、焼もどし軟化抵抗性の向上
や耐ヒートチエツク性の改善にも寄与する。これ
らの添加により耐摩耗性と焼入性は高炭素高クロ
ム鋼のそれと同等またはそれ以上になる。0.10％
程度の小量でも効果が認められ、一方、20％を超
えて添加してもそれ以上効果が増さないので、上
記の範囲をえらんだ。Ｖ：0.01〜30.0％Ｃと結合して硬く固溶しにくいMC型炭化物を
生成するので、耐摩耗性の向上と焼もどし硬さの
増大に寄与し、さらに結晶粒を微細化する結果、
靱性向上にもプラスにはたらく。この効果を得る
には、少なくとも0.01％の添加を必要とする。
MC型炭化物による耐摩耗性の向上に伴いがちな
被削性や靱性の低下は、SiやREMの存在による
MC型炭化物の微細化および均一分散の効果によ
り大いに緩和されるから、Ｖをかなり多量に、上
記30％程度まで添加することができる。 Co：0.01〜30.0％基地中に固溶してこれを強化し、炭化物の析出
および凝集をおくらせ、高温における硬さと耐力
とを向上させる。従つて、耐熱性、耐摩耗性の向
上に著しい効果がある。この効果は0.01％という
微量から認められる。多量になると、固溶から
Co単独相の晶出が起つて内部歪を大きくし、靱
性に悪影響があるので、30.0％の上限を設けた。 Nb：0.01〜30.0％、Ta：0.01〜10.0％ともに高融点の微細な特殊炭化物を形成するた
め、鍛造、圧延、焼入れの際の温度上昇がひき起
す結晶粒の粗大化を防ぐ。REMとの複合添加は、
高融点で微細なNb／REM−炭化物またはTa／
REM−炭化物の生成をもたらす。これらの炭化
物は、M₇C₃型、MC型、M₆Ｃ型およびM₂₃C₆型
炭化物の析出反応にも関与し、それらの形成核の
役割をたはす結果、炭化物の微細かつ均一な分布
が得られる。0.01％以上のNbまたはTaがこの効
果を与える。上限は、焼もどし軟化抵抗や靱性の低下にもと
づいて定めた。 ZrおよびTi：0.001〜10.0％、Hf，ScおよびＹ：
0.001〜2.0％これらの元素はＮを固定してMC型炭化物の微
細析出に間接的に貢献するとともに、結晶粒の微
細化効果をもつので、靱性を向上させる。その効
果は、いずれも0.001％という微量から得られる。
ただし、多量にしすぎるとMC型の炭化物が巨大
になり、またこれら元素の結晶粒界への優先析出
が起つて脆化現象がみられる。上限はこの観点か
ら定めたものである。本発明の焼結工具鋼の第二の変更態様において
使用する添加元素は、いずれも焼入性を向上させ
て靱性を高めるものであるが、固有の性質を組成
範囲の限定理由とともに示せば、つぎのとおりで
ある。 Ni：0.25〜2.0％焼入性の向上に加えて結晶粒微細化の作用もあ
るので、靱性を高める効果が大きいが、そのため
には少なくとも0.25％の添加を必要とする。多量
になると残留オーステナイト量の急激な増大によ
り焼もどし軟化抵抗性と靱性の低下をきたすと同
時に、被削性が劣つてくるので、2.0％を限界と
する。 Cu：0.25〜2.0％焼入性の向上に加えて初期炭化物の析出を抑制
することにより、靱性を高める。この効果は0.25
％以上の含有量で得られる。一方、2.0％を超え
るCuは、材料の表層部に濃偏析して結晶粒界を
脆化させる。Ｂ：0.001〜0.050％上記の0.001％のような極微量でも、Ｂは焼入
性を著しく向上させる。これは、焼入れ時の冷却
過程でオーステナイト結晶粒界への初析炭化物の
析出を抑制する作用による。多量のＢの添加は、
多量のホウ化物の生成をひき起して鍛造性を損な
うので、0.050％を上限界とする。

【実施例および比較例】

表に示す合金組成（残余はFeおよび不純物）
の鋼を溶解調製し、この溶解をガス噴霧法により
アトマイズ処理して粉末粒径が５×10¹〜５×10³
μの範囲である粉末を含む合金鋼粉末を得た。表
中、No.１〜15は本発明の実施例であり、No.16＊お
よび17＊は比較例である。各サンプルについて、その中に含まれている炭
化物を定量するとともに、炭化物の二次デンドラ
イトアーム間隔を測定した。粉末粒径と二次デンドライトアーム間隔との関
係を第１図に、また粒径10³μの粉末における炭
化物量と二次デンドライトアーム間隔との関係を
第２図に、それぞれ示した。本発明に従う組成の
合金鋼は、比較鋼より二次デンドライトアーム間
隔が短く、炭化物の粒子が小さいことがわかる。
炭化物微粒子の分散は、本発明によるものは、い
ずれも高度に均一であつた。次に、No.15，18＊，７，17＊，11，16＊のサン
プルを軟鋼製カプセルに入れ、温度1170〜1200
℃、圧力1000Kg／cm²の熱間静水圧プレス成形によ
り直径350mmの円柱状に成形すると同時に焼結し
た。続いて熱間で鍛造してから圧延仕上げし、最
終製品の直径28mmの丸棒とした。この製品を抗折
試験にかけて、つぎのような成績を得た。 No. HRC 抵抗力（Kgｆ／mm²） 15 65 550 18＊ 60 430 ７ 69 580 17＊ 64 380 11 62 410 16＊ 58 350

【表】

【発明の効果】

本発明の焼結工具鋼を形成する合金鋼粉末は、
高合金組成にして多量の炭窒化物を存在させて
も、その粒子が微細であつて均一に分布している
から、それを焼結して得た素材は鍛造加工性にす
ぐれ、製品工具は高い耐摩耗性と耐熱性を示す。
粉末の製造に当たつて凝固速度を極端に速くする
必要がないから粉末粒径を極微細にしなければな
らないという制約を免れる。このことは、噴霧に
より製造した粉末のうち、使用できるものの歩留
りが高いことを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の焼結工具鋼の製造に用いる
粉末鋼の粒径と、その中の炭窒化物の二次デンド
ライトアーム間隔との関係を、比較鋼のそれとと
もに、一例ずつ示したグラフである。第２図は、
やはり本発明の焼結工具鋼に用いる粉末鋼の炭窒
化物量と二次デンドライトアーム間隔との関係
を、比較鋼のそれとともに示したグラフである。
いずれの図においても、数字は試料番号をあらわ
す。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.35〜10.0％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1
〜1.5％、Cr：3.0〜20.0％、REM（希土類元素）
の１種または２種以上（２種以上のときは合計
量）：0.001〜0.60％を含有し、Ｎ：0.30％以下、
Ｏ：0.03％以下であつて、炭窒化物：５〜75％が
存在し、残余がFeおよび不純物である合金鋼の
粉末を焼結してなる焼結工具鋼。２Ｃ：0.35〜10.0％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1
〜1.5％、Cr：3.0〜20.0％、REMの１種または２
種以上（２種以上のときは合計量）：0.001〜0.60
％に加えて、Mo：0.10〜20.0％、Ｗ：0.10〜20.0
％、Ｖ：0.01〜30.0％、Co：0.01〜30.0％、Nb：
0.01〜30.0％、Ta：0.01〜10.0％、Zr：0.001〜
10.0％、Ti：0.001〜10.0％、Hf：0.001〜2.0％、
Sc：001〜2.0％およびＹ：0.001〜2.0％からえら
んだ１種または２種以上を含有し、Ｎ：0.30％以
下、Ｏ：0.03％以下であつて、炭窒化物：５〜75
％が存在し、残余がFeおよび不純物である合金
鋼の粉末を焼結してなる焼結工具鋼。３Ｃ：0.35〜10.0％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1
〜1.5％、Cr：3.0〜20.0％、REMの１種または２
種以上（２種以上のときは合計量）：0.001〜0.60
％に加え、Ni：0.25〜2.0％、Cu：0.25〜2.0％お
よびＢ：0.001〜0.050％の１種、２種または３種
を含有し、Ｎ：0.30％以下、Ｏ：0.03％以下であ
つて、炭窒化物：５〜75％が存在し、残余がFe
および不純物である合金鋼の粉末を焼結してなる
焼結工具鋼。４Ｃ：0.35〜10.0％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1
〜1.5％、Cr：3.0〜20.0％、REMの１種または２
種以上（２種以上のときは合計量）：0.001〜0.60
％に加え、Mo：0.10〜20.0％、Ｗ：0.10〜20.0
％、Ｖ：0.01〜30.0％、Co：0.01〜30.0％、Nb：
0.01〜30.0％、Ta：0.01〜10.0％、Zr：0.001〜
10.0％、Ti：0.001〜10.0％、Hf：0.001〜2.0％、
Sc：0.001〜2.0％およびＹ：0.001〜2.0％の１種
または２種以上、ならびに、Ni：0.25〜2.0％、
Cu：0.25〜2.0％およびＢ：0.001〜0.05％の１種、
２種または３種を含有し、Ｎ：0.30％以下、0.03
％以下であつて、炭窒化物：５〜75％が存在し、
残余がFeおよび不純物である合金鋼の粉末を焼
結してなる焼結工具鋼。５高速度工具鋼、冷間または熱間鍛造用工具鋼
である特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
れかの焼結工具鋼。