JP7739005B2 - Sintered alloy consisting of precipitation hardened stainless steel and carbide - Google Patents
Sintered alloy consisting of precipitation hardened stainless steel and carbideInfo
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Description
本発明は、析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金に関し、より具体的には、析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる高硬度及び高靱性の焼結合金に関する。 The present invention relates to a sintered alloy consisting of precipitation-hardened stainless steel and carbides, and more specifically to a sintered alloy consisting of precipitation-hardened stainless steel and carbides that has high hardness and toughness.
金型や切削工具に使用される金属材料は、昨今の低コスト化に伴って、コストの安い材料をより過酷な環境下においても使用したいとの意向が強くなってきている。そのため、さらに低いコストで高硬度かつ高靱性を両立する材料が求められている。 With the recent trend toward lower costs for metal materials used in molds and cutting tools, there is a growing desire to use lower-cost materials even in harsher environments. This has led to a demand for materials that combine high hardness and toughness at even lower costs.
例えば切削工具材料を例にとれば、高速度鋼工具鋼や高硬度のセラミックスの粒子と金属をバインダーとしたWC-Co、TiCサーメットといった代表的な合金がある。もっとも、サーメットは、一般的には、高硬度であるため機械加工が極めて困難である。そこで、時効硬化性のあるマトリックスにTi系の炭化物や窒化物を分散粒子とした材料がいくつか提案されている。 For example, when it comes to cutting tool materials, typical alloys include high-speed tool steel and WC-Co and TiC cermets, which use particles of high-hardness ceramics and a metal binder. However, cermets are generally extremely difficult to machine due to their high hardness. For this reason, several materials have been proposed that use Ti-based carbides or nitrides as dispersed particles in an age-hardenable matrix.
たとえば、(1)Cが1.8~2.2%で、かつ0.1≦C-Ceq≦0.4であって、(2)基質粉末にW:6~10%、Mo:5~8%をW+2Moで18~22%、V:3~5%を含有し、(3)MC型炭化物の粒径を0.5~2.0μmの平均粒径に制御し、(4)TiNとTiCNの硬質粒子の添加量を3~7%とし、平均粒径を2.0μm以下に制御し、さらに(5)被研削性に大きく影響を与えるM6C+MC+TiN+TiCNの総量を29~39%に規制することで優れた切削工具としての特性を有し、しかも被削性を大幅に改善できる、硬質合金が提案されている(特許文献1参照。)。これは、水アトマイズで作製した高速度工具鋼粉末とTiN,TiCN,TiCを混練し焼結した硬質合金であり、硬質粒子の総量を制御することで被削性に優れた材料を得ようとするものである。しかしながら、耐食性が十分ではない。 For example, a hard alloy has been proposed that has excellent cutting tool properties and can significantly improve machinability by (1) containing 1.8 to 2.2% C and 0.1≦C−Ceq≦0.4, (2) containing 6 to 10% W, 5 to 8% Mo in the substrate powder, with 18 to 22% W+2Mo, and 3 to 5% V, (3) controlling the particle size of MC carbides to an average particle size of 0.5 to 2.0 μm, (4) adding 3 to 7% of hard particles of TiN and TiCN, controlling the average particle size to 2.0 μm or less, and (5) restricting the total amount of M 6 C + MC + TiN + TiCN, which has a significant effect on grindability, to 29 to 39% (see Patent Document 1). This is a hard alloy made by mixing and sintering high-speed tool steel powder produced by water atomization with TiN, TiCN, and TiC, and aims to obtain a material with excellent machinability by controlling the total amount of hard particles. However, its corrosion resistance is insufficient.
また、ヘキサンまたはキシレンを溶媒に湿式混合した硬質粒分散焼結鋼であって、時効硬化性の有するFe基マトリックスにTiCを分散させ、高強度および耐摩耗性を得ようとする提案がある(特許文献2参照。)。 In addition, there has been a proposal to produce a sintered steel with hard particles dispersed in a wet mixture of hexane or xylene as a solvent, in which TiC is dispersed in an age-hardenable Fe-based matrix, thereby achieving high strength and wear resistance (see Patent Document 2).
また、マルエージング鋼のマトリックスにTiおよびMo炭化物を分散させた炭化物分散マルエージング鋼であって、機械加工が容易で、時効硬化によって高硬度が得られるものが提案されている(特許文献3参照。)。 In addition, a carbide-dispersed maraging steel has been proposed, in which Ti and Mo carbides are dispersed in the matrix of the maraging steel, which is easy to machine and achieves high hardness through age hardening (see Patent Document 3).
また、ステンレス系組成のマトリックス中にTiおよびMoの炭化物を分散させた炭化物分散材料が提案されている(特許文献4参照。)。 In addition, a carbide-dispersed material has been proposed in which Ti and Mo carbides are dispersed in a matrix of stainless steel composition (see Patent Document 4).
さて、上述の提案の工夫のように、Tiの炭化物または窒化物を硬質な分散粒子として使用する場合には、高硬度を得るために、これら分散粒子の添加量を増やす必要があった。しかしながら、硬質な分散粒子の添加量を増やすことは靱性の低下を招来しやすく、かつ、硬質な分散粒子の添加量の増加はコストアップに直結する。高硬度化に対して、高靱性と低コストは常に相反する関係にあるので、これらを両立させることは難しく、容易ではない。そこで、本発明は、高硬度で、高靭性かつ低コストな材料を提供することを目的としている。 When using Ti carbides or nitrides as hard dispersoids, as in the proposed innovations described above, it was necessary to increase the amount of these dispersoids added to achieve high hardness. However, increasing the amount of hard dispersoids added tends to result in a decrease in toughness, and an increase in the amount of hard dispersoids added directly leads to increased costs. Since high toughness and low cost are always in a trade-off when it comes to achieving high hardness, achieving both is difficult and not easy. Therefore, the present invention aims to provide a material that is high in hardness, high in toughness, and low in cost.
上記の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討した結果、従来の材料組織とは反対の形態である硬質相を連続相(マトリックス)とし、比較的軟質な相を粒子として分散させることで、少ないセラミックス粒子の添加量で、高硬度かつ高靱性が得られることを見出した。特に、TiCとTi、Nb、Cr、Mo、CoおよびFeを含むMC炭化物を連続相とし、析出硬化型ステンレス鋼をFe基粒子として島状に分散させたFe基焼結合金であれば、低コストで、高硬度かつ高靱性が得られることを見出した。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems, and discovered that by using a hard phase as a continuous phase (matrix), which is the opposite of conventional material structures, and dispersing a relatively soft phase as particles, it is possible to achieve high hardness and toughness with a small amount of added ceramic particles. In particular, they discovered that an Fe-based sintered alloy in which TiC and MC carbides containing Ti, Nb, Cr, Mo, Co, and Fe are used as a continuous phase, and precipitation-hardened stainless steel is dispersed as Fe-based particles in an island-like pattern, can achieve high hardness and toughness at low cost.
すなわち、本発明の課題を解決するための第1の手段は、必須成分として、質量%で、C:4.0~10.8%、Cr:4.0~12.0%、Ni:1.0~4.0%、Mo:1.0~4.0%、Al:0.2~1.4%、Cu:0.2~1.4%、Ti:16.0~41.0%、Co:2.0~10.0%、Nb:0~18.0%を含有し、
さらに任意的成分としてSiとMnから選択される1種または2種を合計で0.4%以下、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
MC炭化物を連続相とし、
Fe基粒子が島状に分散していること
を特徴とする析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金である。
That is, a first means for solving the problems of the present invention is a steel sheet containing, as essential components, in mass%, C: 4.0 to 10.8%, Cr: 4.0 to 12.0%, Ni: 1.0 to 4.0%, Mo: 1.0 to 4.0%, Al: 0.2 to 1.4%, Cu: 0.2 to 1.4%, Ti: 16.0 to 41.0%, Co: 2.0 to 10.0%, and Nb: 0 to 18.0%,
Furthermore, as optional components, one or two selected from Si and Mn are contained in a total amount of 0.4% or less,
the balance being Fe and unavoidable impurities;
MC carbide is the continuous phase,
This is a sintered alloy made of precipitation hardened stainless steel and carbide, characterized by Fe-based particles dispersed in an island shape.
その第2の手段は、ミクロ組織においてFe基粒子に描ける最大内接円の直径が12μm以上であることを特徴とする第1の手段に記載の析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金である。 The second means is a sintered alloy composed of precipitation-hardened stainless steel and carbide as described in the first means, characterized in that the diameter of the largest inscribed circle that can be drawn by the Fe-based particles in the microstructure is 12 μm or more.
その第3の手段は、ミクロ組織においてFe基粒子の真円度が0.25以上であることを特徴とする第1又は第2のいずれか1の手段に記載の析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金である。 The third means is a sintered alloy composed of precipitation-hardened stainless steel and carbide as described in either the first or second means, characterized in that the circularity of the Fe-based particles in the microstructure is 0.25 or more.
その第4の手段は、時効処理後の硬さが60HRC以上かつ時効処理後の抗折強度が1000MPa以上であることを特徴とする第1~第5のいずれか1の手段に記載の析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金である。 The fourth means is a sintered alloy made of precipitation-hardened stainless steel and carbide according to any one of the first to fifth means, characterized in that the hardness after aging is 60 HRC or more and the flexural strength after aging is 1000 MPa or more.
その第5の手段は、Fe基粒子が析出硬化型ステンレス鋼であること、を特徴とする第1~第4のいずれか1の手段に記載の析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金である。 The fifth means is a sintered alloy composed of precipitation-hardening stainless steel and carbide according to any one of the first to fourth means, characterized in that the Fe-based particles are precipitation-hardening stainless steel.
本発明によると、硬質粒子のMC炭化物の連続相中に比較的軟質なFe基粒子が分散しており、セラミックス粒子の添加量を低減できることから、低コストで、高硬度かつ高靱性なFe基焼結合金を得ることができる。
また、Fe基粒子の最大内接円の直径が大きいことで、応力負荷時のクラックの進展を抑制して、容易には破断に至らず、靭性を確保することができる。
また、Fe基粒子の真円度が高いと、MC炭化物の連続相と分散したFe基粒子との間の応力集中を抑制することができるので、抗折強度が向上する。
そして、本発明の焼結合金は、適切な時効処理を経ることで、硬さが60HRC以上であって、かつ、抗折強度が1000MPa以上となることができる。
According to the present invention, relatively soft Fe-based particles are dispersed in a continuous phase of hard particle MC carbide, and the amount of ceramic particles added can be reduced, making it possible to obtain a high-hardness and high-toughness Fe-based sintered alloy at low cost.
Furthermore, since the diameter of the maximum inscribed circle of the Fe-based particles is large, the propagation of cracks when stress is applied is suppressed, and fracture does not easily occur, thereby ensuring toughness.
Furthermore, when the Fe-based particles have high circularity, stress concentration between the continuous phase of MC carbide and the dispersed Fe-based particles can be suppressed, thereby improving the bending strength.
Furthermore, the sintered alloy of the present invention can have a hardness of 60 HRC or more and a flexural strength of 1000 MPa or more by undergoing an appropriate aging treatment.
本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明のFe基焼結合金の化学成分について説明する。本願発明の焼結合金の製造方法は、特に限定されないが、一般には、MC炭化物の成分とFe基粒子とを混合してからHIP法などで焼結する方法を用いて製造することができる。MC炭化物は、最終的に鋼に分散する炭化物と同一のものを用いる他に、焼結中の反応を予測して、炭化物または金属粒子として添加するものであってもよい。 Before describing the embodiments of the present invention, the chemical components of the Fe-based sintered alloy of the present invention will be described. The manufacturing method of the sintered alloy of the present invention is not particularly limited, but it can generally be manufactured by mixing MC carbide components with Fe-based particles and then sintering them using a method such as HIP. The MC carbide may be the same as the carbide that is ultimately dispersed in the steel, or it may be added as carbide or metal particles by predicting the reaction during sintering.
(C:4.0~10.8%)
Cは炭化物を形成するうえで必須の元素である。本発明でのC量は、主にTiCおよびNbCの量に起因する。Cが4.0%未満であると焼結合金が十分な硬さを得られない。他方、Cが10.8%超えると、セラミックス相の体積が多くなり十分な靱性が得られない。そこで、Cは4.0~10.8%とする。好ましくはCは4.5~10.0%、さらに好ましくはCは5.0~9.0%である。
(C: 4.0-10.8%)
C is an essential element for forming carbides. The amount of C in the present invention is mainly determined by the amounts of TiC and NbC. If the C content is less than 4.0%, the sintered alloy will not have sufficient hardness. On the other hand, if the C content exceeds 10.8%, the volume of the ceramic phase will increase and sufficient toughness will not be obtained. Therefore, the C content is set to 4.0 to 10.8%. Preferably, C is 4.5 to 10.0%, and more preferably, C is 5.0 to 9.0%.
(Cr:4.0~12.0%)
Crはマルテンサイト変態に必須な元素であり、また耐食性向上に寄与する。Crが4.0%未満であるとその効果が十分に得られない。Crが12.0%を超えると、残留オーステナイトが多くなるため、十分な硬さが得られない。そこで、Crは4.0~12.0%とする。好ましくはCrは5.0~11.0%、さらに好ましくはCrは4.7~8.0%である。
(Cr: 4.0-12.0%)
Cr is an element essential for martensitic transformation and also contributes to improving corrosion resistance. If the Cr content is less than 4.0%, this effect cannot be fully achieved. If the Cr content exceeds 12.0%, the amount of retained austenite increases, making it difficult to obtain sufficient hardness. Therefore, the Cr content is set to 4.0 to 12.0%. Preferably, the Cr content is 5.0 to 11.0%, and more preferably, the Cr content is 4.7 to 8.0%.
(Ni:1.0~4.0%)
Niは、マルテンサイト変態に必須な元素であり、かつ析出強化および耐食性向上に寄与する。Niが1.0%未満であるとその効果が十分に得られない。Niが4.0%を超えると残留オーステナイトが多くなるため、十分な硬さが得られない。そこで、Niは、1.0~4.0%とする。好ましくは、Niは1.5~3.5%、さらに好ましくはNiは2.0~3.0%である。
(Ni: 1.0-4.0%)
Ni is an element essential for martensitic transformation and contributes to precipitation strengthening and improved corrosion resistance. If Ni is less than 1.0%, this effect cannot be fully achieved. If Ni exceeds 4.0%, the amount of retained austenite increases, making it difficult to achieve sufficient hardness. Therefore, Ni is set to 1.0 to 4.0%. Preferably, Ni is 1.5 to 3.5%, and more preferably, Ni is 2.0 to 3.0%.
(Mo:1.0~4.0%)
Moは、金属間化合物を析出させ析出強化に寄与し、かつCrとの複合効果により耐食性向上に寄与する。Moが1.0%未満であるとその効果は十分に得られない。Moが4.0%を超えると多量の金属間化合物が生成するため、十分な靱性が得られない。そこで、Moは1.0~4.0%とする。好ましくは、Moは1.5~3.5%、さらに好ましくはMoは2.0~3.0%である。
(Mo: 1.0-4.0%)
Mo precipitates intermetallic compounds, contributing to precipitation strengthening, and its combined effect with Cr contributes to improved corrosion resistance. If Mo is less than 1.0%, this effect cannot be fully achieved. If Mo exceeds 4.0%, a large amount of intermetallic compounds is generated, making it difficult to achieve sufficient toughness. Therefore, Mo is set to 1.0 to 4.0%. Preferably, Mo is 1.5 to 3.5%, and more preferably, Mo is 2.0 to 3.0%.
(Al:0.2~1.4%)
Alは、金属間化合物を析出させ析出強化に寄与する。Alは0.2%未満ではその効果が十分に得られず、Alは1.4%を超えると多量の金属間化合物が生成するため、十分な靱性が得られない。そこで、Al:0.2~1.4%とする。好ましくは、Alは0.3~1.3%、さらに好ましくはAljは0.7~0.8%である。
(Al: 0.2-1.4%)
Al precipitates intermetallic compounds and contributes to precipitation strengthening. If Al is less than 0.2%, this effect is not fully achieved, and if Al is more than 1.4%, a large amount of intermetallic compounds is formed, making it difficult to obtain sufficient toughness. Therefore, the Al content is set to 0.2 to 1.4%. Preferably, Al is 0.3 to 1.3%, and more preferably, Al is 0.7 to 0.8%.
(Cu:0.2~1.4%)
Cuは、金属間化合物を析出させ析出強化に寄与し、かつCrとの複合効果により耐食性向上に寄与する。Cuは0.2%未満であるとその効果が十分に得られない。Cuは1.4%を超えると残留オーステナイトが多くなるため、十分な硬さが得られない。そこで、Cuは0.2~1.4%とする。好ましくは、Cuは0.3~1.3%、さらに好ましくはCuは0.4~1.2%である。
(Cu: 0.2-1.4%)
Cu contributes to precipitation strengthening by precipitating intermetallic compounds, and also contributes to improving corrosion resistance through its combined effect with Cr. If Cu is less than 0.2%, this effect cannot be fully obtained. If Cu exceeds 1.4%, the amount of retained austenite increases, making it impossible to obtain sufficient hardness. Therefore, Cu is set to 0.2 to 1.4%. Preferably, Cu is 0.3 to 1.3%, and more preferably, Cu is 0.4 to 1.2%.
(Ti:16.0~41.0%)
Tiは炭化物を形成する上で必須元素であり、かつ金属間化合物を析出させ析出強化に寄与する。Tiは16.0%未満であると十分な硬さが得られない。Tiが41.0%超えると、セラミックス相の体積が多くなり十分な靱性が得られない。そこで、Tiは16.0~41.0%とする。好ましくはTiは22.0~33.0、さらに好ましくはTiは24.0~33.0%である。
(Ti: 16.0-41.0%)
Ti is an essential element for forming carbides and contributes to precipitation strengthening by precipitating intermetallic compounds. If Ti is less than 16.0%, sufficient hardness cannot be obtained. If Ti exceeds 41.0%, the volume of the ceramic phase increases and sufficient toughness cannot be obtained. Therefore, Ti is set to 16.0 to 41.0%. Preferably, Ti is 22.0 to 33.0%, and more preferably, Ti is 24.0 to 33.0%.
(Co:2.0~10.0%)
Coは、時効硬化時の析出反応を促進する。Coが2.0%未満では、十分な硬さが得られない。Coが10.0%を超えるとマルテンサイトは脆化し、十分な靱性が得られない。そこで、Coは2.0~10.0%とする。好ましくは3.0~9.0%、さらに好ましくは4.0~9.0%である。
(Co: 2.0-10.0%)
Co promotes the precipitation reaction during age hardening. If the Co content is less than 2.0%, sufficient hardness cannot be obtained. If the Co content exceeds 10.0%, martensite becomes embrittled and sufficient toughness cannot be obtained. Therefore, the Co content is set to 2.0 to 10.0%, preferably 3.0 to 9.0%, and more preferably 4.0 to 9.0%.
(Nb:0~18.0%)
Nbは炭化物を形成する元素である。NbはTiCと全率固溶体を形成し、セラミックス相の靱性を向上させる。その効果は、Nbが18.0%を超えるとセラミックス相の体積が多くなり十分な靱性が得られない。そこで、添加する場合のNbの上限は18.0%とする。好ましくは、Nbは0~15.0%、さらに好ましくはNbは0~9.0%である。
(Nb: 0-18.0%)
Nb is an element that forms carbides. Nb forms a complete solid solution with TiC and improves the toughness of the ceramic phase. However, if Nb exceeds 18.0%, the volume of the ceramic phase increases and sufficient toughness cannot be obtained. Therefore, the upper limit of Nb, if added, is set to 18.0%. Preferably, Nb is 0 to 15.0%, and more preferably, Nb is 0 to 9.0%.
(任意的成分:SiとMnのいずれか一方あるいは双方を合計で0.0~0.4%)
Si及びMnは脱酸剤であり、また焼入れ性の向上と硬さ向上のために有効な元素であることから、本発明の成分に任意的に添加してもよい。ただし、SiとMnの合計量が0.4%を超えると、靭性が低下しやすくなる。そこで、本発明のFe基礎合金にいずれか一方あるいは双方を添加する場合は、SiとMnの合計で0.4%以下までの含有とする。好ましくはSiとMnの合計で0.1~0.4%までの含有とする。
(Optional components: Si and/or Mn, 0.0 to 0.4% in total)
Since Si and Mn are deoxidizing agents and are effective elements for improving hardenability and hardness, they may be added optionally to the components of the present invention. However, if the total amount of Si and Mn exceeds 0.4%, toughness tends to decrease. Therefore, when either or both of them are added to the Fe-based alloy of the present invention, the total amount of Si and Mn should be limited to 0.4% or less. Preferably, the total amount of Si and Mn should be 0.1 to 0.4%.
次に、Fe基焼結合金のミクロ組織を規定する理由について説明する。
(ミクロ組織においてFe基粒子に描ける最大内接円の直径が12μm以上であること)
Fe基粒子の最大内接円の直径が12μm未満であると、応力負荷時のクラックの進展を十分に抑制することができず、容易に破断に至り、十分な靱性が得られない。そこで、ミクロ組織においてFe基粒子に描ける最大内接円の直径が12μm以上とする。好ましくは最大内接円の直径が14μm以上、さらに好ましくは最大内接円の直径が16μm以上である。
Next, the reasons for defining the microstructure of the Fe-based sintered alloy will be explained.
(The diameter of the largest inscribed circle that can be drawn on the Fe-based particles in the microstructure is 12 μm or more)
If the diameter of the maximum inscribed circle of the Fe-based particles is less than 12 μm, crack propagation under stress cannot be sufficiently suppressed, leading to easy fracture and insufficient toughness. Therefore, the diameter of the maximum inscribed circle that can be drawn by the Fe-based particles in the microstructure is set to 12 μm or more. Preferably, the diameter of the maximum inscribed circle is 14 μm or more, and more preferably, the diameter of the maximum inscribed circle is 16 μm or more.
ミクロ組織においてFe基粒子に描ける最大内接円とは、焼結合金の断面のミクロ組織を光学顕微鏡で観察し、1視野当たり約34000μm2の計3視野、Fe基粒子を撮像した際に、3視野中で最も大きいFe基粒子に描くことのできる最大の内接円のことである。粒子の少なくとも一部に触れる最大の内接円の直径の大きさを求める。 The maximum inscribed circle that can be drawn on an Fe-based particle in a microstructure is the maximum inscribed circle that can be drawn on the largest Fe-based particle among the three fields of view when the cross-sectional microstructure of a sintered alloy is observed with an optical microscope and images of the Fe-based particles are taken in three fields of view, each of which is approximately 34,000 μm². The diameter of the largest inscribed circle that touches at least a portion of the particle is determined.
(ミクロ組織においてFe基粒子の真円度が面積加重平均で0.25以上であること)
分散しているFe基粒子の真円度を0.25以上とすることで、応力負荷時に生じるセラミックス相と分散粒子間の応力集中を抑制することができるので、抗折強度が向上する。そこで、ミクロ組織においてFe基粒子の真円度が0.25以上とする。好ましくは真円度は0.3以上、より好ましくは真円度は0.35以上である。
(The area-weighted average circularity of the Fe-based particles in the microstructure is 0.25 or more)
By making the circularity of the dispersed Fe-based particles 0.25 or more, stress concentration between the ceramic phase and the dispersed particles that occurs when stress is applied can be suppressed, thereby improving the bending strength. Therefore, the circularity of the Fe-based particles in the microstructure is made 0.25 or more. The circularity is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.35 or more.
なお、本発明にいう真円度は、4π×面積/輪郭長2で求める。値が1.0であれば真円であり、0に近づくほど長細くなる、もしくは複雑な形状となる。光学顕微鏡画像中の各Fe基粒子を観察し、測定された粒子面積で重みづけした真円度の面積加重平均値を求める。 The roundness referred to in the present invention is calculated by 4π × area/contour length2 . A value of 1.0 indicates a perfect circle, and the closer to 0 the value, the longer and thinner or more complex the shape. Each Fe-based particle is observed in an optical microscope image, and an area-weighted average roundness value weighted by the measured particle area is calculated.
(MC炭化物を連続相とし、Fe基粒子が島状に分散していること)
MC炭化物とは、炭化物生成元素M(たとえばTi、Nb、Cr、Mo、Co、Fe。)が鋼中に形成するMC型の炭化物のことである。
そして、本発明のFe基焼結合金においては、TiCをはじめとするMC炭化物は、硬質分散粒子として連続相(マトリックス)を構成している。図1は、本発明の実施例1の焼結合金の光学顕微鏡画像である。濃いグレーの領域(1)がMC炭化物であり、マトリックスとして連続的に存在している。
(MC carbide is the continuous phase, and Fe-based particles are dispersed in an island-like pattern)
MC carbides are MC type carbides formed in steel by carbide-forming elements M (for example, Ti, Nb, Cr, Mo, Co, and Fe).
In the Fe-based sintered alloy of the present invention, MC carbides such as TiC constitute a continuous phase (matrix) as hard dispersed particles. Figure 1 is an optical microscope image of the sintered alloy of Example 1 of the present invention. The dark gray areas (1) are MC carbides, which exist continuously as a matrix.
他方、図1の光学顕微鏡画像で島状に点在するやや白っぽい円形の部分(2)は、Fe基粒子がマトリックス上に分散している様子である。このFe基粒子としては、たとえば、ステンレス系の組成、たとえば析出硬化型ステンレス鋼の組成が好適である。析出硬化型ステンレス鋼は、時効処理で硬化することから、焼結合金を時効処理前に加工をしたうえで、時効処理によって最終的な高硬度を得ることができるので、本発明に好適に適用できる。 On the other hand, the slightly whitish circular areas (2) scattered like islands in the optical microscope image in Figure 1 appear to be Fe-based particles dispersed in a matrix. A suitable Fe-based particle is, for example, a stainless steel composition, such as a precipitation-hardened stainless steel composition. Precipitation-hardened stainless steel hardens through aging, so it can be processed before aging the sintered alloy and then subjected to aging to achieve a final high hardness, making it suitable for use in the present invention.
このように、硬質粒子のMC炭化物の連続相中に比較的軟質なFe基粒子が分散しており、セラミックス粒子の添加量を低減できることから、低コストで、高硬度かつ高靱性なFe基焼結合金を得ることができる。 In this way, relatively soft Fe-based particles are dispersed within a continuous phase of hard MC carbide particles, allowing for a reduction in the amount of ceramic particles added, making it possible to obtain a high-hardness, high-toughness Fe-based sintered alloy at low cost.
(時効処理後の硬さが60HRC以上かつ時効処理後の抗折強度が1000MPa以上であること)
本発明のFe基焼結合金は、時効処理前であれば、加工することもできるが、適切に時効処理すると、時効処理後の硬さが60HRC以上であって、かつ、抗折強度が1000MPa以上となるので、高硬度と高靭性が両立するものとなる。
(Hardness after aging treatment is 60 HRC or more and bending strength after aging treatment is 1000 MPa or more)
The Fe-based sintered alloy of the present invention can be processed before aging treatment, but if aging treatment is properly performed, the hardness after aging treatment will be 60 HRC or more and the bending strength will be 1000 MPa or more, so that both high hardness and high toughness will be achieved.
従来の焼結金属では、炭化物質量が30%で硬さが58HRC程度であった。本発明の焼結合金においては、時効処理した後の硬さは、炭化物質量が25%程度で60HRC以上であるから、低コストである。より好ましくは、時効処理した後の硬さは62HRC以上、さらに好ましくは、65HRC以上である。 Conventional sintered metals have a hardness of approximately 58 HRC when the amount of carbide is 30%. The sintered alloy of the present invention has a hardness of 60 HRC or higher after aging treatment when the amount of carbide is approximately 25%, making it less costly. More preferably, the hardness after aging treatment is 62 HRC or higher, and even more preferably, 65 HRC or higher.
本発明の焼結合金においては、これを時効処理した後の抗折強度が1000MPa以上である。本発明の焼結合金の靱性は、抗折強度が増加するほど向上する。抗折強度は、より好ましくは1250MPa以上である。さらに好ましくは、抗折強度は、1370MPa以上である。 The sintered alloy of the present invention has a flexural strength of 1000 MPa or more after aging treatment. The toughness of the sintered alloy of the present invention improves as the flexural strength increases. The flexural strength is more preferably 1250 MPa or more. Even more preferably, the flexural strength is 1370 MPa or more.
(実施例)
本発明の焼結合金は、たとえば以下の手順で得ることができる。なお、以下の記載に限られるものではなく、実施例に基づいて本発明が限定的に解されるものではない。
(Example)
The sintered alloy of the present invention can be obtained, for example, by the following procedure: Note that the present invention is not limited to the following description, and the present invention should not be construed as being limited by the examples.
まず、本発明の焼結合金に用いる粉体は、たとえば、Arもしくは窒素雰囲気化でガスアトマイズ法により得ることができ、形状は球状である。得られた粉末は所定の粒度、たとえば25μm以下に分級する。
粉体の混合は、不定形の2~3μmのTiCおよび1~3μmのNbC粉末に、ガスアトマイズ粉末を所定量加え、ポットミルで10min間乾式混合する。
次いで混合された粉末をミルから取り出して軟鋼カプセルに充填し、真空脱気により封入した後、HIP法にて焼結体を得る。
このように球状ガスアトマイズ粉末と不定形のTiC及びNbC粉末を混合、焼結することで、MC炭化物が連続相で、Fe基粒子が島状に分散した組織が得られる。
First, the powder used in the sintered alloy of the present invention can be obtained by gas atomization in an Ar or nitrogen atmosphere, and has a spherical shape. The obtained powder is classified to a predetermined particle size, for example, 25 μm or less.
The powders were mixed by adding a predetermined amount of gas atomized powder to amorphous TiC powder of 2 to 3 μm and NbC powder of 1 to 3 μm, and dry mixing was carried out in a pot mill for 10 minutes.
The mixed powder is then removed from the mill, filled into a mild steel capsule, and sealed by vacuum degassing, followed by HIP to obtain a sintered body.
By mixing and sintering the spherical gas atomized powder with amorphous TiC and NbC powders in this way, a structure is obtained in which the MC carbides form a continuous phase and the Fe-based particles are dispersed in island-like form.
具体的には、表1の実施例No.1~11及び比較例No.1~3に示す化学成分の成分組成の材料(なお、表1の各化学成分は、球状ガスアトマイズ粉末と不定形のTiC及びNbC粉末の合計量である。)について、温度:1350℃、圧力:147MPa、保持時間:5時間の条件にて、HIP法を実施した。 Specifically, materials with the chemical composition shown in Example Nos. 1 to 11 and Comparative Examples Nos. 1 to 3 in Table 1 (note that each chemical composition in Table 1 is the total amount of spherical gas-atomized powder and amorphous TiC and NbC powders) were subjected to HIP at a temperature of 1,350°C, a pressure of 147 MPa, and a holding time of 5 hours.
なお、実施例No.1~4は、MC炭化物としてTiCのみが添加された例である。実施例No.5~11は、MC炭化物としてTiCとNbCが添加されている例である。比較例1~3は、C成分が10.8%超の場合の比較例である。 Note that Examples 1 to 4 are examples in which only TiC was added as the MC carbide. Examples 5 to 11 are examples in which TiC and NbC were added as the MC carbides. Comparative Examples 1 to 3 are comparative examples in which the C content exceeded 10.8%.
HIP法にて得られた焼結体は、これを1050℃で3時間保持した後、空冷して溶体化熱処理をした後、480℃で6時間保持し、炉冷による時効処理を行った。 The sintered body obtained by the HIP method was held at 1050°C for 3 hours, then air-cooled and subjected to solution heat treatment, followed by holding at 480°C for 6 hours and aging treatment by furnace cooling.
時効処理された試験片について、日本産業規格JIS Z 2245に基づき、ロックウェル硬さ試験法により硬さを測定した。それぞれ5回測定した。表1の値はそれらの測定の平均値である。 The hardness of the aged test specimens was measured using the Rockwell hardness test method in accordance with Japanese Industrial Standard JIS Z 2245. Five measurements were taken for each specimen. The values in Table 1 are the average values of these measurements.
また、時効処理後の試料について、抗折強度を測定した。厚さ(t):1.8mm×幅(W):1.8mm×長さ(L):20mmの試験片を用意し、三点曲げ試験によって評価した。測定は2回行った。表1の値はその平均値である。
三点曲げ試験は、支点間距離10mmで実施し、縦方向に圧下しその時の荷重(N)を測定し、次の式に基づき、三点曲げ強度とした。
三点曲げ強度(MPa)=(3×荷重(N)×支点間距離(mm))/(2×試験片の幅(mm)×(試験片厚さ(mm)2)。
この三点曲げ強度を抗折強度(MPa)で表示した。
The flexural strength of the samples after aging treatment was also measured. Test pieces with a thickness (t): 1.8 mm × width (W): 1.8 mm × length (L): 20 mm were prepared and evaluated by a three-point bending test. The measurement was performed twice. The values in Table 1 are the average values.
The three-point bending test was carried out with a distance between supports of 10 mm, and the load (N) applied while pressing down in the vertical direction was measured and calculated as the three-point bending strength based on the following formula.
Three-point bending strength (MPa) = (3 x load (N) x distance between supports (mm)) / (2 x width of test piece (mm) x (thickness of test piece (mm) 2 ).
This three-point bending strength was expressed as flexural strength (MPa).
(最大内接円の直径について)
各実施例、比較例について、焼結合金の断面のミクロ組織を光学顕微鏡で観察し、図1に示すような撮像されたFe基粒子に対して、その粒子内に描くことのできる最大内接円の直径、すなわち、粒子の少なくとも一部に触れる最大の内接円の直径の大きさを求めたものである。Fe基粒子の最大内接円の直径が大きいことで、応力負荷時のクラックの進展を抑制して、容易には破断に至らず、靭性を確保することができる。
(Regarding the diameter of the largest inscribed circle)
For each example and comparative example, the microstructure of the cross section of the sintered alloy was observed with an optical microscope, and the diameter of the largest inscribed circle that could be drawn within the Fe-based particle, i.e., the diameter of the largest inscribed circle that touches at least a part of the particle, was determined for the Fe-based particle imaged as shown in Figure 1. When the diameter of the largest inscribed circle of the Fe-based particle is large, the propagation of cracks when stress is applied is suppressed, and fracture does not easily occur, ensuring toughness.
(真円度について)
ここでの真円度は、4π×面積/輪郭長2で求めることができる。値が1.0であれば真円であり、0に近づくほど長細くなる、もしくは複雑な形状となる。真円度は、光学顕微鏡の投影画像を2値化した後、各Fe基粒子の真円度を面積で重みづけして平均した面積加重平均として求めた。
Fe基粒子の真円度が高いと、MC炭化物の連続相と分散したFe基粒子との間の応力集中を抑制することができるので、抗折強度が向上する。
(Regarding roundness)
The circularity here can be calculated by 4π × area/contour length2 . A value of 1.0 indicates a perfect circle, and the closer to 0 the value, the longer and thinner or more complex the shape. The circularity was calculated as an area-weighted average by averaging the circularity of each Fe-based particle weighted by area after binarizing the projected image of the optical microscope.
When the Fe-based particles have high circularity, stress concentration between the continuous phase of MC carbide and the dispersed Fe-based particles can be suppressed, thereby improving the bending strength.
図1に実施例1のミクロ組織の光学電子顕微鏡画像を示すとおり、MC炭化物(1)であるTiCが濃い灰色の連続相としてマトリックスとして観察されている。他方、Fe基粒子(2)は、やや明るい灰色で、マトリックス中に島状に分散している様子が確認された。
これらの実施例1は、高硬度、高靭性であることから、従来、Fe基粒子がマトリックスでTiCが分散していた場合に比して、本発明は、低い炭化物量でありながら、所望の硬さと靭性を備えている低コストな焼結合金といえる。
As shown in Fig. 1, an optical electron microscope image of the microstructure of Example 1 shows that TiC, which is the MC carbide (1), is observed as a dark gray continuous phase in the matrix. On the other hand, the Fe-based particles (2) are slightly lighter gray and are confirmed to be dispersed in the matrix like islands.
Since Example 1 has high hardness and high toughness, it can be said that the present invention is a low-cost sintered alloy that has the desired hardness and toughness while having a low amount of carbide, compared to the conventional case in which TiC is dispersed in a matrix of Fe-based particles.
実施例1~11は、いずれも、本発明の規定する成分範囲にある焼結合金である。実施例1~4はTiCが25~50質量%含有しており、実施例5~11ではTiCが25~40%とNbCが5~20%含有しており、連続相となっており、Fe基粒子が島状に形成されている。これらの実施例では、時効処理後の硬さが、61.6~69.7MPaであり、高硬度であった。また、実施例では、時効処理後の抗折強度は、1020~1630MPaとなった。 All of Examples 1 to 11 are sintered alloys whose composition falls within the ranges specified by the present invention. Examples 1 to 4 contain 25 to 50 mass% TiC, while Examples 5 to 11 contain 25 to 40% TiC and 5 to 20% NbC, forming a continuous phase with Fe-based particles formed in an island-like pattern. In these Examples, the hardness after aging was 61.6 to 69.7 MPa, demonstrating high hardness. Furthermore, in the Examples, the flexural strength after aging was 1020 to 1630 MPa.
他方、比較例1~3は、いずれもC濃度が本発明の規定する範囲よりも高いことから、セラミックス相の体積が多くなり、時効処理後の硬さは得られたものの、靭性はいずれも1000MPa以下となった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the C concentration was higher than the range specified in the present invention, resulting in a large volume of the ceramic phase. Although hardness was achieved after aging, the toughness was below 1000 MPa in all cases.
1 連続相のMC炭化物
2 島状のFe基粒子
1. Continuous phase MC carbide 2. Island-shaped Fe-based particles
Claims (5)
さらに任意的成分としてSiとMnから選択される1種または2種を合計で0.4%以下、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
MC炭化物を連続相とし、
Fe基粒子が島状に分散していること
を特徴とする析出硬化型ステンレス鋼と炭化物からなる焼結合金。 In mass%, C: 4.0 to 10.1%, Cr: 4.0 to 12.0%, Ni: 1.0 to 4.0%, Mo: 1.0 to 4.0%, Al: 0.2 to 1.4%, Cu: 0.2 to 1.4%, Ti: 16.0 to 41.0%, Co: 2.0 to 10.0%, Nb: 0 to 18.0%,
Furthermore, as optional components, one or two selected from Si and Mn are contained in a total amount of 0.4% or less,
the balance being Fe and unavoidable impurities;
MC carbide is the continuous phase,
A sintered alloy consisting of precipitation hardened stainless steel and carbide, characterized in that Fe-based particles are dispersed in an island-like pattern.
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