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技術 快削性硬化鋼

出願人 ニツコー熔材工業株式会社
発明者 大野茂渡辺正巳
出願日 1994年5月6日 (26年7ヶ月経過) 出願番号 1994-094077
公開日 1995年11月21日 (25年1ヶ月経過) 公開番号 1995-305143
状態 特許登録済
技術分野 鋼の加工熱処理 磁性鉄合金の熱処理
主要キーワード 垂直分力 マルテンサイト変態終了温度 鋳鋼材 急冷操作 マルテンサイト変態温度 硬化鋼 送り分力 硬さ変化
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1995年11月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

目的

産業機械金型等で用いられる鋳鉄若しくは鋼材であり、機械加工性に優れ、且つ機械加工後の硬さを必要とする製品を製造するために利用する快削性硬化鋼に関し、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷するといった比較的低い温度の熱処理で適度な硬さ、即ちHRC40以下になって良好な機械加工性を有し、且つ仕上げ加工後に過冷処理をすることで歪みの発生もなく硬さがHRC10以上上昇する。

構成

基本成分組成が、重量%においてC:1.50〜1.80%(但し、1.50%を除く)、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内である。

概要

背景

従来、硬さを必要とする部品は、ダイス鋼合金工具鋼等を荒加工した後、焼入れまたは焼入れ・焼戻し熱処理してその後仕上げ加工をして作成していた。

しかしながら、この方法では、焼入れのための高温加熱による酸化及び歪みなどの問題があった。ゆえに仕上げ代を残し焼入れを行い、その後仕上げ加工を行う必要があるが、硬さが高いために仕上げ加工は砥石による研削放電加工で行わなければならず、加工工数が非常に長くかかり、またコストもかかる。また、粗加工の状態で形状的不連続があれば、焼入れ時に高温から急冷するために割れが発生する危険性があった。

そこで、本出願人は、特開平5−345958号公報にて開示される如く、基本成分組成が、重量%において、C:0.30〜1.50%、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が150〜−50℃の範囲内である過冷処理で硬化する鋼材を提案している。

しかし、前述の公報記載の鋼材は、1200℃以上の温度から急冷しないと、硬さがHRC45以下とならず、このため1200℃以上の高温の熱処理が必要でその取り扱いに高温処理特有の問題を内在している。また、高温の熱処理から急冷すると、室温に冷却した場合でもマルテンサイト変態開始温度以下になって硬化が始まるので、必ずしも機械加工性に優れているとは言えないのである。

概要

産業機械金型等で用いられる鋳鉄若しくは鋼材であり、機械加工性に優れ、且つ機械加工後の硬さを必要とする製品を製造するために利用する快削性硬化鋼に関し、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷するといった比較的低い温度の熱処理で適度な硬さ、即ちHRC40以下になって良好な機械加工性を有し、且つ仕上げ加工後に過冷処理をすることで歪みの発生もなく硬さがHRC10以上上昇する。

基本成分組成が、重量%においてC:1.50〜1.80%(但し、1.50%を除く)、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内である。

目的

本発明は上記の点に鑑み、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷するといった比較的低い温度の熱処理で適度な硬さ、即ちHRC40以下になって良好な機械加工性を有し、且つ仕上げ加工後に過冷処理をすることで歪みの発生もなく硬さがHRC10以上上昇する快削性硬化鋼を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

基本成分組成が、重量%においてC:1.50〜1.80%(但し、1.50%を除く)、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内であることを特徴とする快削性硬化鋼

請求項2

成分組成が、前記基本成分組成に、更にV、Ni、Mo、W、Cuから選んだ1種又は2種以上を含むものであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内である請求項1記載の快削性硬化鋼。

請求項3

圧延又は鋳造等により製造され、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷した後の硬さがHRC40以下で、且つその後−50℃以下の過冷処理で硬さがHRC10以上上昇する請求項1又は2記載の快削性硬化鋼。

請求項4

前記成分組成に、S、Pb、Ce、Ca等の快削性を向上させる元素を適量添加してなる請求項1又は2又は3記載の快削性硬化鋼。

技術分野

0001

本発明は、産業機械金型等で用いられる鋳鉄若しくは鋼材であり、機械加工性に優れ、且つ機械加工後の硬さを必要とする製品を製造するために利用する快削性硬化鋼に関するものである。

背景技術

0002

従来、硬さを必要とする部品は、ダイス鋼合金工具鋼等を荒加工した後、焼入れまたは焼入れ・焼戻し熱処理してその後仕上げ加工をして作成していた。

0003

しかしながら、この方法では、焼入れのための高温加熱による酸化及び歪みなどの問題があった。ゆえに仕上げ代を残し焼入れを行い、その後仕上げ加工を行う必要があるが、硬さが高いために仕上げ加工は砥石による研削放電加工で行わなければならず、加工工数が非常に長くかかり、またコストもかかる。また、粗加工の状態で形状的不連続があれば、焼入れ時に高温から急冷するために割れが発生する危険性があった。

0004

そこで、本出願人は、特開平5−345958号公報にて開示される如く、基本成分組成が、重量%において、C:0.30〜1.50%、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が150〜−50℃の範囲内である過冷処理で硬化する鋼材を提案している。

0005

しかし、前述の公報記載の鋼材は、1200℃以上の温度から急冷しないと、硬さがHRC45以下とならず、このため1200℃以上の高温の熱処理が必要でその取り扱いに高温処理特有の問題を内在している。また、高温の熱処理から急冷すると、室温に冷却した場合でもマルテンサイト変態開始温度以下になって硬化が始まるので、必ずしも機械加工性に優れているとは言えないのである。

発明が解決しようとする課題

0006

上記のようにダイス鋼、合金工具鋼等の硬い鋼材を用いる従来技術では、加工工数が多くかかり割れる危険性があるとともに、機械加工性に劣るため加工機械が限定され、加工工程が煩雑であった。そして、前述の公報記載の鋼材は、仕上げ加工後0℃以下の過冷処理によってHRC5以上硬さが上昇するので、ダイス鋼、合金工具鋼等の硬い鋼材に代替し得るものであるが、熱処理温度が高く、それを急冷すると、仕上げ加工の前に既に硬化が始まるので、機械加工性に問題が残っているのである。

0007

本発明は上記の点に鑑み、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷するといった比較的低い温度の熱処理で適度な硬さ、即ちHRC40以下になって良好な機械加工性を有し、且つ仕上げ加工後に過冷処理をすることで歪みの発生もなく硬さがHRC10以上上昇する快削性硬化鋼を提供するものである。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、前述の課題解決のために、基本成分組成が、重量%においてC:1.50〜1.80%(但し、1.50%を除く)、Mn:0.30〜6.00%、Cr:0.30〜10.00%、Co:0.30〜10.00%及びSi、Al、Ti、Zr等の適量の脱酸元素と残部がFeであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内である快削性硬化鋼を提供するものである。

0009

また、前述の基本成分組成に、更にV、Ni、Mo、W、Cuから選んだ1種又は2種以上を含むものであり、且つマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内である快削性硬化鋼を提供する。

0010

そして、圧延又は鋳造等により製造され、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷した後の硬さがHRC40以下で、且つその後−50℃以下の過冷処理で硬さがHRC10以上上昇するように各成分組成を調製するのである。

0011

更に、前記成分組成に、S、Pb、Ce、Ca等の快削性を向上させる元素を適量添加してなることも好ましい実施例である。

0012

上記の場合、マルテンサイト変態開始温度(以下「Ms温度」という。)とは、下式により計算した値をいう。尚、式中の各成分の値は重量%である。
Ms(℃)=550−350×C−40×Mn−35×V−20×Cr−17×Ni−10×Mo−5×W+15×Co+30×Al−10×Cu
尚、マルテンサイト変態終了温度(以下「Mf温度」という。)という場合は、下式により計算した値をいう。
Mf(℃)=Ms−230

0013

前記の場合に鋼材の基本成分組成中の各成分の含有量の範囲を限定する理由は以下のとおりである。

0014

先ず、Cはマルテンサイト変態温度を左右する最も有効な元素で、1.50%以下の場合は急冷操作を行ってもマルテンサイトを生成し硬度が高くHRC40以上となり機械加工性に劣るのである。尚、1.50%を除く理由は、前述の公報記載の鋼材との差別化を図るためである。また、Cが1.80%を超えると急冷操作時に割れが発生し、またオーステナイトが安定しすぎて−50℃より低い温度の冷却でもマルテンサイト変態が生じ難く硬度が上昇しない。ゆえに、急冷操作で未変態のオーステナイトを生じさせるためのC量は、1.50%を超え1.80%以下が最も好ましく、更にCr、V、W等と炭化物を作り耐摩耗性が向上する。

0015

また、Mnは比較的安価な元素で、脱酸効果靱性、強度の向上、更には、Cと同様にマルテンサイト変態温度を下げる調整が可能である。そして、下限を0.30%としてのは、Mn量がこれより少ないと鋼材の靱性が不足し、上限を6.00%としたのは、脱酸効果と靱性向上効果を得るために有効性が薄く不経済であるからである。

0016

CrはCとの親和力が強く、硬さの高い炭化物を作り耐摩耗性を向上させる。しかし、このCr量が0.30%未満では前記効果がなく、また10.00%を超えて添加した場合は、硬さが高くなりすぎて靱性、加工性が低下する。

0017

Coは炭化物の析出を遅らせ、高温からの急冷処理の硬さ上昇を抑制する効果があるが、0.30%以下ではこの効果がなく、また10.00%を超えるとマルテンサイト変態開始温度が高くなり所要の性能が得られないばかりか、Coは高価なため不経済である。

0018

なお、上記以外の元素の含有量としては、直接の効果はないが脱酸、靱性の改善といった効果を有するSi、Al、Ti、Zr等を、前記の式により計算したマルテンサイト変態開始温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)の範囲内になるように添加することもできる。

0019

更に、Crと同様の作用をするV、Ni、Mo、W及びCu等を添加することができる。上記以外に機械切削性を向上させるために、S、Pb、Ce、Ca等の元素を適量添加することも好ましいのである。

0020

上記の本発明に係わる快削性硬化鋼を、圧延または鋳造により製作し、1200℃以下でA3変態温度以上の温度から急冷すると、Ms温度が−50〜−250℃(但し、−50℃を除く)であり、Mf温度が極端に低いので、完全にマルテンサイト変態が終了せず、未変態のオーステナイトが残るため、硬さがHRC40以下となる。ここで、硬さがHRC40以下であれば機械加工が容易である。そして、機械加工後にドライアイス液体窒素等で−50℃より低く、−250℃より高い任意の温度に冷却し保持することで、その温度に相当する量のオーステナイトがマルテンサイトに変態し、硬さがHRC10以上上昇するのである。

0021

このように、本発明に係わる快削性硬化鋼は、−50℃より低い温度の過冷処理により硬さを上昇させるものであるから、従来の焼き入れのように金属が酸化したり歪みの発生がなく、また割れの発生も生じない。また特別な加工機を必要とせず、容易に加工でき、そして仕上げ加工した後に硬さを大幅に高め製品として要求される硬さにすることができる。

0022

実験1)表1は基本成分組成の各元素の量を変化させて鋳造により製作した9種類の鋼材の成分組成と、その成分組成における算出Ms値を示したものである。ここで、鋼材♯1〜♯5及び♯9は比較例であり、鋼材♯6〜♯8は本発明の実施例である。尚、鋼材♯1〜♯5は、前述の公報に記載の鋼材である。

0023

0024

また、表2は前述の鋼材♯1〜♯9のそれぞれを、1100℃及び1250℃から油冷却した時の硬さ(H1)と、ドライアイス(−76℃)で冷却保持して過冷処理したときの硬さ(H2)と、過冷処理による硬度上昇量(ΔH)と、急冷処理のままの鋼材の機械加工の難易(ME)及び割れや機械加工性、耐摩耗性等を含む評価をまとめた結果である。ここで、機械加工性は、直径50mmのエンドミルで、回転数350rpm、切削速度400mm/minの条件で切削し、エンドミルに掛かる背分力送り分力および垂直分力を測定し、機械加工性の評価はエンドミルにかかる曲げ力として判断した。また、耐摩耗性については、データは示さないが、図1に示すように2枚の試験片により10Kg/cm2 の圧力で超硬板G2を挟みこみ、試験片を1分間に20往復する速度で5万回摺動したときの試験前と試験後の重量差摩耗減量)を測定して評価した。そして、機械加工性及び耐摩耗性の実験は、JIS G4404のSKS3の焼き入れ・焼き戻し硬さHRC59と比較した。

0025

0026

上記結果より、鋳造後に1200℃以上、例えば1250℃から急冷した場合には、何れの鋼材もHRC45以下となって加工性が良く、その後過冷処理すると硬さが上昇するが、C量が1.50%以下の比較例の鋼材♯1〜♯5の場合は、1100℃から油冷した場合の硬さが、ではHRC45以上となって加工性が悪い。また、1.80%を越えた場合(鋼材♯9)には、割れが発生するので好ましくない。一方、本発明に係る実施例の鋼材♯6〜♯8は、1200℃以下、例えば1100℃から急冷した場合でも、硬さがHRC40以下となって加工性が良く、その後の過冷処理によって硬度上昇量がHRC20前後となり、HRC10以上の上昇が期待できるのである。

0027

(実験2)図2は、表1の♯3(比較例)と♯7(本発明の実施例)の成分組成の鋳鋼材で、急冷処理温度を950〜1300℃に変化させて、急冷処理のままの硬さと、それを−76℃で過冷処理した後の硬さを測定した結果を示している。この結果、鋼材♯3は、急冷処理温度が1200℃以下では、硬さがHRC60以上あり、その後の過冷処理によっても硬さが殆ど変化せず、急冷処理温度が1200℃を越えて始めて急冷処理後の硬さが低く抑制されるとともに、その後の過冷処理によって硬さが上昇するのである。一方、鋼材♯7は、急冷処理温度が1200℃を越える場合は勿論、1200℃よりも低く1000℃程度までは、その急冷処理によって硬さをHRC40以下に低く抑制でき、その後の過冷処理によって硬さをHRC50程度まで上昇させることができるのである。

0028

(実験3)図3は、表1の♯8(本発明の実施例)の溶接棒を用いて1100℃から油冷した後、0〜−196℃の温度範囲内で15分間冷却して過冷処理した時の硬さ変化を調べた結果を示す。尚、冷却温度が20℃の値は、急冷処理したままの硬さを示している。上記結果より、1100℃から油冷した後、0〜−196℃の範囲内の温度で冷却保持した時、保持温度で硬さが調整できることが解り、特に過冷処理温度が−50℃以下で硬さがHRC10以上上昇するのである。

発明の効果

0029

以上の結果から明らかなように、本発明に係わる快削性硬化鋼は、圧延、鋳造等により製造し、1200℃以下でA3変態温度以上から急冷した後の硬さがHRC40以下と低いため切削加工が容易にでき、この鋼材を用いて金型、機械部品を製作すれば、切削工具欠損がなく、高速切削が可能で、また切削精度も向上する。また、急冷処理温度を1200℃以下にすることができるので、大型の鋼材でも熱処理が楽になる。更に、加工後に硬化させるための高温熱処理が不要であり、高温熱処理時の割れ、歪み、酸化などの問題が解決でき、急冷処理後の−50℃より低く−250℃以上の温度での過冷処理によって、硬さがHRC10以上上昇するのである。また、特別な加工機械が不要で、加工工数の削減、コストの低減を可能にするものである。

図面の簡単な説明

0030

図1摩耗減量の測定方法を示す概略図。
図2比較例と実施例の急冷処理温度に対する急冷処理のままの硬さと過冷処理後の硬さの関係を示すグラフ
図3鋼材を1100℃から油冷した後、0〜−196℃の範囲内の温度で過冷処理温度を変化させた時の硬さ変化を示すグラフ。

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