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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022138638
(43)【公開日】2022-09-26
(54)【発明の名称】Ｍｏを含有するＦｅ系合金
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20220915BHJP
C22C 33/02 20060101ALN20220915BHJP
B22F 9/08 20060101ALN20220915BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/00 304
C22C33/02 B
B22F9/08 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021038627
(22)【出願日】2021-03-10
(71)【出願人】
【識別番号】000180070
【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】廣野 友紀
(72)【発明者】
【氏名】澤田 俊之
【テーマコード（参考）】
4K017
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K017AA04
4K017BA06
4K017BB04
4K017BB06
4K017BB07
4K017BB08
4K017BB16
4K017DA09
4K017EB00
4K017FA15
4K018AA24
4K018BA16
4K018BB04
4K018DA21
4K018DA33
4K018EA11
4K018EA15
4K018EA16
4K018EA17
4K018EA41
4K018EA52
4K018FA06
4K018FA08
4K018KA14
4K018KA15
4K018KA18
4K018KA19
(57)【要約】
【課題】耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れたＭｏを含有するＦｅ系合金の提供。
【解決手段】本発明に係る合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この合金の金属組織は、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。この合金の金属組織は、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物である、Ｍｏを含有するＦｅ系合金。
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物である、Ｍｏを含有するＦｅ系合金。
【請求項2】
その金属組織が、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含んでおり、
これらの炭化物の円相当径の平均値が３．５μｍ以下である請求項１に記載のＦｅ系合金。
これらの炭化物の円相当径の平均値が３．５μｍ以下である請求項１に記載のＦｅ系合金。
【請求項3】
その金属組織が、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含んでおり、
これらの炭化物の面積率Ｐが１５％以上４５％以下である請求項１又は２に記載のＦｅ系合金。
これらの炭化物の面積率Ｐが１５％以上４５％以下である請求項１又は２に記載のＦｅ系合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Ｍｏ及びＣを含有するＦｅ系合金に関する。
【背景技術】
【0002】
高速での切削加工に使用される工具には、耐摩耗性が必要である。耐摩耗性に優れた種々の合金が、提案されている。
【0003】
特開２０１２－２１０６７０公報には、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗ（又はＭｏ）、Ｖ及びＣｏを含有する高速度鋼が開示されている。この高速度鋼は、ドリルに適している。このドリルは、耐摩耗性に優れている。
【0004】
日本金属学会誌第５７巻第７号の第８１３－８２０頁には、Ｍｏ－Ｆｅ系ホウ化物又はＭｏ－Ｎｉ系ホウ化物を含有する硬質合金が開示されている。この硬質合金は、耐摩耗性に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１２－２１０６７０公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】日本金属学会誌第５７巻第７号の第８１３－８２０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特開２０１２－２１０６７０公報に開示された高速度鋼では、２～３％Ｃ、１２％以下Ｍｏの組成であり、Ｃがマトリックスに固溶してマトリックスを強化し、また、一部は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖと結合して炭化物を形成し、合金鋼の硬さと耐摩耗性を向上させている。しかしながら、そのＭｏ量が１２％以下と少ないため、大幅な耐摩耗性の改善は難しい。
【0008】
日本金属学会誌第５７巻第７号の第８１３－８２０頁に開示された硬質合金は、Ｍｏ２ＦｅＢ２系及びＭｏ２ＮｉＢ２系硬質合金に関する。これら合金と相手材の摩耗界面に生成したＢ、Ｍｏ、Ｎｉ系酸化物が潤滑効果を示すことより、摩耗粉の移着凝着を防ぎ、耐摩耗性が改善したと報告している。しかしながら、Ｂはホウ化物形成元素であるＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ等と反応し、ホウ化物を析出する。硬さや耐摩耗性はホウ化物を析出することで改善するが、ＢのＦｅに対する固溶限が小さいため、固化成形後のホウ化物が析出した状態から、機械加工を行うために焼きなましを行ったとしても、硬さを低減出来ず、機械加工性に劣る。この硬質合金はさらに、ホウ化物の硬質相の析出により、じん性を悪化させ、工具のチッピングが生じやすくなる。
【0009】
従来の高速切削工具鋼においては、Ｆｅを主成分として、炭化物析出元素であるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖを添加し、また、その添加量を調整しているが、Ｍｏを１２％超含有しているものはない。
【0010】
これらの観点から、本発明者は、特にＭｏに着目した。本発明の目的は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れた合金の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係るＭｏを含有Ｆｅ系合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【0012】
この合金の金属組織は、マトリックスと、このマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。好ましくは、これらの炭化物の円相当径の平均値は、３．５μｍ以下である。好ましくは、これらの炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下である。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、典型的には、粉末の焼結によって得られる。換言すれば、この合金は、焼結体である。この合金は、熱処理に供されうる。典型的な熱処理は、焼入れ及び焼戻しである。粉末は、典型的にはアトマイズによって得られる。
【0016】
［組成］
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【0017】
［金属組織］
焼入れ－焼戻し後の合金の金属組織は、マトリックス及び多数の炭化物を含んでいる。これらの炭化物は、多数の一次金属炭化物及び多数の二次金属炭化物を含んでいる。マトリックスのベースは、Ｆｅである。このマトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。このマトリックスの組織は、主にマルテンサイトである。一次金属炭化物は、マトリックス中に分散している。二次金属炭化物も、マトリックス中に分散している。それぞれの一次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この一次金属炭化物は、アトマイズ時又は焼結時に析出したものである。それぞれの二次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この二次金属炭化物は、焼戻しによって析出したものである。一次金属炭化物は概して大きく、二次金属炭化物は概して微細である。
焼入れ－焼戻し後の合金の金属組織は、マトリックス及び多数の炭化物を含んでいる。これらの炭化物は、多数の一次金属炭化物及び多数の二次金属炭化物を含んでいる。マトリックスのベースは、Ｆｅである。このマトリックスでは、Ｆｅに他の元素が固溶している。このマトリックスの組織は、主にマルテンサイトである。一次金属炭化物は、マトリックス中に分散している。二次金属炭化物も、マトリックス中に分散している。それぞれの一次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この一次金属炭化物は、アトマイズ時又は焼結時に析出したものである。それぞれの二次金属炭化物は、Ｃと金属元素との化合物である。この二次金属炭化物は、焼戻しによって析出したものである。一次金属炭化物は概して大きく、二次金属炭化物は概して微細である。
【0018】
図１は、本発明の一実施形態に係るＭｏを含有するＦｅ系合金の断面が示された反射電子像である。この合金は、Ｍｏ及びＣを含有している。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。図１には、マトリックスと多数の炭化物（Ｍ６Ｃ）とが示されている。これらの炭化物は、マトリックスに分散している。
【0019】
図２は、本発明の他の実施形態に係るＭｏを含有するＦｅ系合金の断面が示された反射電子像である。この合金は、Ｍｏ、Ｃ、Ｃｒ及びＶを含有している。残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。図２には、マトリックスと多数の炭化物（Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃ及びＶＣ）とが示されている。これらの炭化物は、マトリックスに分散している。
【0020】
［モリブデン（Ｍｏ）］
本発明に係る合金において、Ｍｏは必須の元素である。この合金において、Ｍｏは重要な役割を果たす。この合金においてＭｏは、一次金属炭化物を形成する。さらにＭｏは、焼戻しのときに微細な二次金属炭化物を形成する。従ってＭｏは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。この合金から得られた工具は、高速で加工がなされるときの耐摩耗性に、極めて優れる。Ｃｒ、Ｖ及びＷは、摩耗界面に潤滑効果を示す酸化物を構成しない。一方、ＭｏはＭｏ系酸化物が析出し、潤滑効果を示す。これにより、摩耗粉の移着凝着が抑制去れ、耐摩耗性が改善する。これらの観点から、Ｍｏの含有率は１２．０質量％超が好ましく、１３．０質量％以上がより好ましく、１４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは、炭化物の過剰の生成を招来し、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｏを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｏの含有率は３０．０質量％以下が好ましく、２８．０質量％以下がより好ましく、２６．０質量％以下が特に好ましい。
本発明に係る合金において、Ｍｏは必須の元素である。この合金において、Ｍｏは重要な役割を果たす。この合金においてＭｏは、一次金属炭化物を形成する。さらにＭｏは、焼戻しのときに微細な二次金属炭化物を形成する。従ってＭｏは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。この合金から得られた工具は、高速で加工がなされるときの耐摩耗性に、極めて優れる。Ｃｒ、Ｖ及びＷは、摩耗界面に潤滑効果を示す酸化物を構成しない。一方、ＭｏはＭｏ系酸化物が析出し、潤滑効果を示す。これにより、摩耗粉の移着凝着が抑制去れ、耐摩耗性が改善する。これらの観点から、Ｍｏの含有率は１２．０質量％超が好ましく、１３．０質量％以上がより好ましく、１４．０質量％以上が特に好ましい。過剰のＭｏは、炭化物の過剰の生成を招来し、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｏを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｏの含有率は３０．０質量％以下が好ましく、２８．０質量％以下がより好ましく、２６．０質量％以下が特に好ましい。
【0021】
［炭素（Ｃ）］
本発明に係る合金において、Ｃは必須の元素である。Ｃは、Ｍｏ等の金属と結合し、一次金属炭化物を形成する。Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶し、組織を強化する。さらにＣは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＣは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．１質量％以上がより好ましく、１．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、炭化物の過剰の生成を招来し、靱性を阻害する。過剰のＣを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃの含有率は１．９質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下が特に好ましい。
本発明に係る合金において、Ｃは必須の元素である。Ｃは、Ｍｏ等の金属と結合し、一次金属炭化物を形成する。Ｃは、焼入れによってマトリックスに固溶し、組織を強化する。さらにＣは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＣは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｃの含有率は１．０質量％以上が好ましく、１．１質量％以上がより好ましく、１．２質量％以上が特に好ましい。過剰のＣは、炭化物の過剰の生成を招来し、靱性を阻害する。過剰のＣを含有する合金から得られた工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃの含有率は１．９質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下が特に好ましい。
【0022】
［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、一次金属炭化物を析出させる。マトリックス中のＣｒは、焼戻し時に二次金属炭化物に供給され、この二次金属炭化物を粗大化させる。さらに、一部のＣｒは新たに二次炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｒを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｒの含有率は０質量％でもよい。Ｍｏと比較してＣｒは、マトリックス中での拡散速度が速く、かつマトリックスへの固溶限が大きいため、炭化物を粗大化させる駆動力が大きい。従って、過剰のＣｒは、合金が熱の影響を受けたときに二次金属炭化物を粗大化させ、合金の軟化抵抗を悪化させる。軟化抵抗の観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｒは、一次金属炭化物を析出させる。マトリックス中のＣｒは、焼戻し時に二次金属炭化物に供給され、この二次金属炭化物を粗大化させる。さらに、一部のＣｒは新たに二次炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｃｒの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｒを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｒの含有率は０質量％でもよい。Ｍｏと比較してＣｒは、マトリックス中での拡散速度が速く、かつマトリックスへの固溶限が大きいため、炭化物を粗大化させる駆動力が大きい。従って、過剰のＣｒは、合金が熱の影響を受けたときに二次金属炭化物を粗大化させ、合金の軟化抵抗を悪化させる。軟化抵抗の観点から、Ｃｒの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
【0023】
［バナジウム（Ｖ）］
Ｖは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＶは、焼戻し時に微細な二次金属炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＶを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｖの含有率は０質量％でもよい。過剰のＶは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＶを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｖの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
Ｖは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＶは、焼戻し時に微細な二次金属炭化物を析出させる。これらの炭化物は、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＶを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｖの含有率は０質量％でもよい。過剰のＶは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＶを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｖの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
【0024】
［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＳｉは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。この固溶強化及び析出強化により、合金の優れた硬度及び耐摩耗性が達成されうる。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＳｉを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｓｉの含有率は０質量％でもよい。過剰のＳｉは、合金の靱性を阻害する。過剰のＳｉを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｓｉの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
Ｓｉは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｓｉは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＳｉは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。この固溶強化及び析出強化により、合金の優れた硬度及び耐摩耗性が達成されうる。これらの観点から、Ｓｉの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＳｉを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｓｉの含有率は０質量％でもよい。過剰のＳｉは、合金の靱性を阻害する。過剰のＳｉを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｓｉの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
【0025】
［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＭｎは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。Ｍｎの一部は、一次金属炭化物に固溶する。Ｍｎは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＭｎを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｍｎの含有率は０質量％でもよい。過剰のＭｎは、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｎを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
Ｍｎは、製鋼工程での脱酸に寄与する。Ｍｎは焼入れ時にマトリックスに置換固溶し、固溶強化に寄与する。固溶したＭｎは、焼戻しのときの二次金属炭化物の析出を促進する。Ｍｎの一部は、一次金属炭化物に固溶する。Ｍｎは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｎの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＭｎを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｍｎの含有率は０質量％でもよい。過剰のＭｎは、合金の靱性を阻害する。過剰のＭｎを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｍｎの含有率は５．０質量％以下が好ましく、４．０質量％以下がより好ましく、３．０質量％以下が特に好ましい。
【0026】
［コバルト（Ｃｏ）］
Ｃｏは、焼入れ時にマトリックスに置換固溶する。固溶したＣｏは、焼戻しのとき、二次金属炭化物の析出を促進し、この二次金属炭化物の微細化に寄与する。従ってＣｏは、合金の硬度と耐摩耗性とに寄与する。これらの観点から、Ｃｏの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｏを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｏの含有率は０質量％でもよい。過剰のＣｏを含む合金では、Ｃｏの一部がＦｅとの規則相を形成する。この規則相は、合金の靱性を阻害する。過剰のＣｏを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃｏの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
Ｃｏは、焼入れ時にマトリックスに置換固溶する。固溶したＣｏは、焼戻しのとき、二次金属炭化物の析出を促進し、この二次金属炭化物の微細化に寄与する。従ってＣｏは、合金の硬度と耐摩耗性とに寄与する。これらの観点から、Ｃｏの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＣｏを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｃｏの含有率は０質量％でもよい。過剰のＣｏを含む合金では、Ｃｏの一部がＦｅとの規則相を形成する。この規則相は、合金の靱性を阻害する。過剰のＣｏを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｃｏの含有率は１０．０質量％以下が好ましく、９．０質量％以下がより好ましく、８．０質量％以下が特に好ましい。
【0027】
［タングステン（Ｗ）］
Ｗは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＷは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＷは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｗの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＷを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｗの含有率は０質量％でもよい。過剰のＷは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＷを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｗの含有率は２０．０質量％以下が好ましく、１５．０質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
Ｗは、一次金属炭化物を析出させる。さらにＷは、焼戻しのときに二次金属炭化物を析出させる。従ってＷは、合金の硬度及び耐摩耗性に寄与しうる。これらの観点から、Ｗの含有率は０．０１質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がより好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。本発明に係る合金では、Ｍｏが必須の元素である。Ｍｏによって十分な硬度及び耐摩耗性が達成される場合、この合金がＷを含まない組成を有してもよい。換言すれば、本発明に係る合金において、Ｗの含有率は０質量％でもよい。過剰のＷは、過剰の炭化物を析出させ、合金の靱性を阻害する。過剰のＷを含有する工具では、チッピングが生じやすい。靱性の観点から、Ｗの含有率は２０．０質量％以下が好ましく、１５．０質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
【0028】
［鉄（Ｆｅ）］
本発明に係る合金の主成分は、Ｆｅである。従ってこの合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は５０質量％以上が好ましく、５５質量％以上がより好ましく、６０質量％以上が特に好ましい。
本発明に係る合金の主成分は、Ｆｅである。従ってこの合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、Ｆｅの含有率は５０質量％以上が好ましく、５５質量％以上がより好ましく、６０質量％以上が特に好ましい。
【0029】
［不純物］
合金は、不可避的不純物を含む。代表的な不純物として、Ｎが挙げられる。Ｎは、炭化物の粗大化を招く。粗大な炭化物は、合金の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
合金は、不可避的不純物を含む。代表的な不純物として、Ｎが挙げられる。Ｎは、炭化物の粗大化を招く。粗大な炭化物は、合金の靱性を阻害する。靱性の観点から、Ｎの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
【0030】
他の代表的な不純物として、Ｏが挙げられる。Ｏは、介在物（酸化物）の生成の原因となる。介在物は、破壊の基点となり得る。破壊の抑制の観点から、Ｏの含有量（質量基準）は３００ｐｐｍ以下が好ましく、２００ｐｐｍ以下が特に好ましい。
【0031】
合金が、金属の不純物を含んでもよい。
【0032】
［炭化物の平均円相当径］
図１、２に示されるように、マトリックス中に炭化物が析出する。炭化物のサイズは、合金の靱性と相関する。このサイズの指標として、炭化物の平均円相当径Ａが用いられる。靱性の観点から、炭化物の平均円相当径Ａは３．５μｍ以下が好ましく、２．５μｍ以下がより好ましく、２．０μｍ以下が特に好ましい。この平均円相当径Ａは、０．３μｍ以上が好ましい。
図１、２に示されるように、マトリックス中に炭化物が析出する。炭化物のサイズは、合金の靱性と相関する。このサイズの指標として、炭化物の平均円相当径Ａが用いられる。靱性の観点から、炭化物の平均円相当径Ａは３．５μｍ以下が好ましく、２．５μｍ以下がより好ましく、２．０μｍ以下が特に好ましい。この平均円相当径Ａは、０．３μｍ以上が好ましい。
【0033】
この平均円相当径Ａは、以下のようにして算出される。まず、走査型電子顕微鏡によって合金の研磨面の反射電子像が撮影される。撮影の倍率は、２，０００倍である。画像解析ソフトによって、この反射電子像の炭化物に２値化処理が施され、画像に存在するそれぞれの炭化物の、円相当径Ｄが、算出される。面積が３５００μｍ２である画像に存在する全ての炭化物の、円相当径Ｄの平均値が、平均円相当径Ａである。換言すれば、平均円相当径Ａは、炭化物の円相当径Ｄの平均値である。円相当径Ｄは、炭化物の面積Ｓと同じ面積を有する真円の直径である。円相当径Ｄは、下記の数式によって算出されうる。
Ｄ ＝ （４ × Ｓ ／ π）０．５
Ｄ ＝ （４ × Ｓ ／ π）０．５
【0034】
［面積率Ｐ］
炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下が好ましい。面積率Ｐが１５％以上である合金の硬度は大きい。従ってこの合金は、耐摩耗性に優れる。耐摩耗性の観点から、面積率Ｐは１７％以上がより好ましく、１９％以上が特に好ましい。面積率Ｐが４５％以下である合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、面積率Ｐは４０％以下がより好ましく、３５％以下が特に好ましい。
炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下が好ましい。面積率Ｐが１５％以上である合金の硬度は大きい。従ってこの合金は、耐摩耗性に優れる。耐摩耗性の観点から、面積率Ｐは１７％以上がより好ましく、１９％以上が特に好ましい。面積率Ｐが４５％以下である合金は、靱性に優れる。靱性の観点から、面積率Ｐは４０％以下がより好ましく、３５％以下が特に好ましい。
【0035】
面積率Ｐの測定では、走査型電子顕微鏡にて、合金の研磨面の反射電子像が撮影される。画像解析ソフトによって、この反射電子像の炭化物に２値化処理が施される。倍率が２０００倍である画面において、炭化物の合計面積が測定され、面積率Ｐが算出される。この測定に、分水嶺変換は使用されない。典型的な画像処理ソフトは、「Ｉｍａｇｅ－Ｊ」である。
【0036】
［粉末冶金法］
本発明に係る合金は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この粉末は、多数の粒子からなる。
本発明に係る合金は、粉末冶金法によって得られうる。粉末冶金法ではまず、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法、粉砕法等により、金属粉末が製作される。この粉末は、多数の粒子からなる。
【0037】
この金属粉末が高温雰囲気で加圧されて固化し、成形体が得られる。好ましい加圧方法として、熱間等方圧加圧法が挙げられる。熱間等方圧加圧法では、摂氏数百度から２０００度の高温下で、数十ＭＰａから数百ＭＰａの等方的な圧力で粉末が加圧される。好ましくは、加圧媒体として、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスの使用により、金属粉末の酸化が抑制される。
【0038】
この成形体に、熱間加工（鍛造、圧延等）が施されてもよい。この成形体に、熱処理（焼きなまし）が施される。さらにこの成形体に、所定条件の焼入れ及び焼戻しが施される。焼入れ及び焼戻しにより、好ましい金属組織が形成される。換言すれば、この成形体は、焼入れ及び焼戻しで得られた金属組織を有している。
【0039】
［成形体］
本発明に係る合金は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。一方で本発明は、焼入れ及び焼戻しが施される前の成形体にも向けられる。本発明に係る成形体は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
本発明に係る合金は、焼入れ及び焼戻しを経て得られる。一方で本発明は、焼入れ及び焼戻しが施される前の成形体にも向けられる。本発明に係る成形体は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【0040】
［用途］
本発明に係る合金の主たる用途は、工具である。本発明は、工具にも向けられる。本発明に係る工具の材質は、Ｍｏを含有するＦｅ系合金である。この合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。この合金の金属組織は、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。好ましくは、これらの炭化物の円相当径の平均値は、３．５μｍ以下である。好ましくは、これらの炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下である。
本発明に係る合金の主たる用途は、工具である。本発明は、工具にも向けられる。本発明に係る工具の材質は、Ｍｏを含有するＦｅ系合金である。この合金は、
Ｍｏ：１２．０質量％超３０．０％質量％以下、
Ｃ：１．０質量％以上１．９％質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｖ：０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｍｎ：０質量％以上５．０質量％以下、
Ｃｏ：０質量％以上１０．０質量％以下
及び
Ｗ：０質量％以上２０．０質量％以下
を含有する。好ましくは、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。この合金の金属組織は、マトリックスとこのマトリックスに分散する多数の炭化物とを含む。好ましくは、これらの炭化物の円相当径の平均値は、３．５μｍ以下である。好ましくは、これらの炭化物の面積率Ｐは、１５％以上４５％以下である。
【実施例0041】
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
【0042】
［実施例１］
原料を、アルゴンガス雰囲気中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、アルゴンガスを噴霧し、粉末を得た。この粉末に分級を施し、粒子径を５００μｍ以下に調整した。この粉末の組成が、下記の表１に示されている。この粉末を、直径が１００ｍｍであり、高さが１００ｍｍであり、材質が炭素鋼であるカプセルに充填した。このカプセル内を真空脱気した。このカプセルを封止し、ビレットを得た。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が１５０ＭＰａであり温度が１１７０℃である条件で、カプセルに熱間等方加圧を行った。加圧により、粉末から成形体が得られた。この成形体から、旋盤でカプセルを除去した。この成形体に下記の条件で焼入れ及び焼戻しを施して、実施例１の合金を得た。
焼入れ
温度：１１８０℃
冷却：油冷
焼戻し
温度：５８０℃
保持時間：１時間
冷却：空冷
回数：３
原料を、アルゴンガス雰囲気中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、アルゴンガスを噴霧し、粉末を得た。この粉末に分級を施し、粒子径を５００μｍ以下に調整した。この粉末の組成が、下記の表１に示されている。この粉末を、直径が１００ｍｍであり、高さが１００ｍｍであり、材質が炭素鋼であるカプセルに充填した。このカプセル内を真空脱気した。このカプセルを封止し、ビレットを得た。アルゴンガス雰囲気にて、圧力が１５０ＭＰａであり温度が１１７０℃である条件で、カプセルに熱間等方加圧を行った。加圧により、粉末から成形体が得られた。この成形体から、旋盤でカプセルを除去した。この成形体に下記の条件で焼入れ及び焼戻しを施して、実施例１の合金を得た。
焼入れ
温度：１１８０℃
冷却：油冷
焼戻し
温度：５８０℃
保持時間：１時間
冷却：空冷
回数：３
【0043】
［実施例２－３８及び比較例３９－４９］
下記の表１－３に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－３８及び比較例３９－４９の合金を得た。
下記の表１－３に示される通りの組成とした他は実施例１と同様にして、実施例２－３８及び比較例３９－４９の合金を得た。
【0044】
［金属組織の観察］
前述の方法にて、炭化物の平均円相当径Ａ及び面積率Ｐを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
前述の方法にて、炭化物の平均円相当径Ａ及び面積率Ｐを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
【0045】
［耐摩耗性］
焼入れ前の成形体から、７ｍｍ×２５ｍｍ×５０ｍｍの板状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片を大越式摩耗試験機にセットし、比摩耗量を測定した。測定条件は、以下の通りである。
相手材：ＳＣＭ４２０
摩耗速度：２．３８ｍ／ｓｅｃ
摩耗距離：２００ｍ
最終荷重：６．３ｋｇ
潤滑：なし
温度：室温
試験で得られた摩耗痕幅を測定し、摩耗体積を計算した。この摩耗体積を摩耗距離と最終荷重の積で除すことで、比摩耗量を算出した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
焼入れ前の成形体から、７ｍｍ×２５ｍｍ×５０ｍｍの板状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片を大越式摩耗試験機にセットし、比摩耗量を測定した。測定条件は、以下の通りである。
相手材：ＳＣＭ４２０
摩耗速度：２．３８ｍ／ｓｅｃ
摩耗距離：２００ｍ
最終荷重：６．３ｋｇ
潤滑：なし
温度：室温
試験で得られた摩耗痕幅を測定し、摩耗体積を計算した。この摩耗体積を摩耗距離と最終荷重の積で除すことで、比摩耗量を算出した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
【0046】
［焼きなまし後の硬さ］
焼入れ前の成形体に、下記の条件で焼きなましを施した。
温度：８７０℃
時間：１６時間
この成形体を研磨して、試験片を得た。この試験片のロックウェル硬さを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。この硬さが小さい合金は、機械加工性に優れる。
焼入れ前の成形体に、下記の条件で焼きなましを施した。
温度：８７０℃
時間：１６時間
この成形体を研磨して、試験片を得た。この試験片のロックウェル硬さを測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。この硬さが小さい合金は、機械加工性に優れる。
【0047】
［靱性の評価］
焼入れ前の成形体から、４ｍｍ×８ｍｍ×４０ｍｍの棒状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４８」の規定に準拠した抗折試験を施して、抗折強度（３点曲げ強度）を測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
焼入れ前の成形体から、４ｍｍ×８ｍｍ×４０ｍｍの棒状試験片を得た。この試験片に、前述の条件で焼入れ及び焼戻しを施した。この試験片に、「ＪＩＳ Ｚ ２２４８」の規定に準拠した抗折試験を施して、抗折強度（３点曲げ強度）を測定した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
【0048】
［熱間加工性］
焼入れ前の成形から、直径が８．０ｍｍであり高さが１２ｍｍである円柱状の試験片を得た。この試験片に、下記の条件で加工を行った。
昇温速度：３０秒
加工温度：９００℃、１１００℃及び１２００℃
保持時間：６０秒
加工量：５０％
加工温度が１１００℃の段階で、肉眼で割れが確認されなかったものを「Ａ」とし、割れが確認されたものを「Ｂ」として、評価した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
焼入れ前の成形から、直径が８．０ｍｍであり高さが１２ｍｍである円柱状の試験片を得た。この試験片に、下記の条件で加工を行った。
昇温速度：３０秒
加工温度：９００℃、１１００℃及び１２００℃
保持時間：６０秒
加工量：５０％
加工温度が１１００℃の段階で、肉眼で割れが確認されなかったものを「Ａ」とし、割れが確認されたものを「Ｂ」として、評価した。この結果が、下記の表１－３に示されている。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】
【0051】
【表3】
【0052】
表１－３に示されるように、各実施例の合金は、耐摩耗性、機械加工性、熱間加工性及び靱性のバランスに優れている。以上の評価結果から、本発明の優位性は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【0053】
本発明に係るＭｏを含有するＦｅ系合金は、機械工具、手工具、金型、射出成形機、口金、パンチ、刃物等の、種々の用途に用いられうる。
【図1】
【図2】
