JP7775993B2 - Fe-based alloy, alloy member, product, and method for manufacturing alloy member - Google Patents
Fe-based alloy, alloy member, product, and method for manufacturing alloy memberInfo
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Description
本発明は、Fe基合金、合金部材とその製造物及び合金部材の製造方法に関する。 The present invention relates to an Fe-based alloy, an alloy component and its products, and a method for manufacturing an alloy component.
従来、熱間精密プレス加工用のパンチや金型等の工具には、高温強度の高いJIS G 4404で規定されるSKD8等の熱間工具鋼や、JIS G 4403で規定されるSKH51等の高速度工具鋼が使用されている。しかし、へたり、摩耗、破損、割れ及びヒートクラックが発生しやすいという問題があった。 Traditionally, tools such as punches and dies used in hot precision press working have been made of hot work tool steels with high high-temperature strength, such as SKD8 specified in JIS G 4404, and high-speed tool steels such as SKH51 specified in JIS G 4403. However, these steels have had problems such as being prone to settling, wear, breakage, cracking, and heat cracking.
例えば、特許文献1には、質量%で、Cが0.4~0.9%、Siが1.0%以下、Mnが1.0%以下、W及びMoの1種又は2種が(1/2W+Mo)で1.5~6%(但し、Wが3%以下)、V及びNbの1種又は2種が(V+Nb)で0.5~3%を有する工具鋼であって、マトリックス中に分散する析出炭化物の平均粒径が0.5μm以下かつ、その分布密度が80×103個/mm2以上であることを特徴とする高速度工具鋼が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a high-speed tool steel that contains, by mass%, 0.4 to 0.9% C, 1.0% or less Si, 1.0% or less Mn, 1.5 to 6% of one or both of W and Mo (1/2W+Mo) (however, W is 3% or less), and 0.5 to 3% of one or both of V and Nb (V+Nb), and that is characterized in that the average particle size of precipitated carbides dispersed in the matrix is 0.5 μm or less and the distribution density thereof is 80 × 103 particles/ mm2 or more.
特許文献1の工具鋼は、鋼塊の鋳造又は再溶解プロセスといったインゴットメイキング中の冷却時における凝固偏析により、インゴット中に粗大な一次炭化物が形成される。この粗大な一次炭化物が存在すると、クラックの発生、進展を助長するため、靭性や耐ヒートクラック性が低下する。析出炭化物は微細に分散した均一な組織であることが好ましい。このような組織を得るために、1200~1300℃で10~20時間のソーキングを必要とする。しかし、このようにソーキングを施しても、ダイス、パンチ等の圧造工具や金型等を得るために後工程で焼入れ、焼戻し処理を行うことになる。ここで粗大な析出炭化物が析出されることがあり、靭性や耐ヒートクラック性を低下させるおそれがある。 In the tool steel of Patent Document 1, coarse primary carbides are formed in the ingot due to solidification segregation during cooling during ingot-making processes such as casting or remelting of the steel ingot. The presence of these coarse primary carbides promotes the initiation and propagation of cracks, thereby reducing toughness and heat crack resistance. It is preferable that the precipitated carbides have a finely dispersed, uniform structure. To achieve such a structure, soaking at 1200-1300°C for 10-20 hours is required. However, even after soaking, the steel still requires subsequent quenching and tempering processes to obtain forging tools such as dies and punches, as well as molds. This process can sometimes result in the precipitation of coarse precipitated carbides, which may reduce toughness and heat crack resistance.
そこで本発明は、クラックが発生しにくく、高い靭性や耐ヒートクラック性が期待されるFe基合金、合金部材とその製造物及び合金部材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide an Fe-based alloy, alloy component and its manufactured product, and a method for manufacturing the alloy component, which are expected to be less susceptible to cracking and have high toughness and heat crack resistance.
前述した目的を達成するため、第1の発明は、C、Cr、W、Mo、及びVを含み、残部がFe及び不可避不純物元素からなり、Fe-BCC相を含む合金組織を有し、質量%で、前記Fe-BCC相は、Cが3%以上7%以下、Crが2%以上6%以下、Wが0.5%以上4%以下、Moが0.5%以上4%以下、Vが0.5%以上4%以下、Feが75%以上90%以下であり、前記Fe-BCC相中に析出した析出炭化物と、を有し、前記析出炭化物の円相当平均粒径が1.30μm以下であることを特徴とするFe基合金である。前記析出炭化物の円相当平均粒径は、後方散乱電子回折法(EBSD:Electron Back Scattering Diffraction)を用いた観察視野内の析出炭化物部分の平均面積を算出し、その面積から円相当径を算出することができる。また、前記Fe-BCC相、Fe-FCC相およびゼロソリューション部分の面積を合計したものを総面積としたとき、前記析出炭化物の割合が、前記ゼロソリューション部分の面積を総面積で割った面積率で、0.38%以下である。 In order to achieve the above-mentioned object, a first invention is an Fe-based alloy comprising C, Cr, W, Mo, and V, with the balance being Fe and unavoidable impurity elements, and having an alloy structure including an Fe-BCC phase, wherein the Fe-BCC phase contains, in mass %, C of 3% to 7%, Cr of 2% to 6%, W of 0.5% to 4%, Mo of 0.5% to 4%, V of 0.5% to 4%, and Fe of 75% to 90%, and wherein the Fe-BCC phase has precipitated carbides, and the precipitated carbides have a circle-equivalent average particle size of 1.30 μm or less. The circle-equivalent average particle size of the precipitated carbides can be calculated by calculating the average area of precipitated carbide portions within an observation field using electron backscattered diffraction (EBSD), and then calculating the circle-equivalent diameter from the area. Furthermore, when the total area is the sum of the areas of the Fe-BCC phase, the Fe-FCC phase, and the zero solution portion , the proportion of the precipitated carbides is 0.38% or less, as calculated by dividing the area of the zero solution portion by the total area .
また、Fe-BCC相が、面積率で、前記合金組織の96%以上であることが望ましい。 It is also desirable that the Fe-BCC phase accounts for 96% or more of the alloy structure in terms of area ratio.
また、析出炭化物の円相当平均粒径が0.60μm以上であることが望ましい。 It is also desirable that the average circle-equivalent particle size of the precipitated carbides be 0.60 μm or more.
また、Fe基合金全体として、質量%で、Cが0.1%以上2%以下で、Crが2%以上6%以下で、Wが0.5%以上4%以下で、Moが0.5%以上4%以下で、Vが0.5%以上4%以下で、Siが1.0%以下、Mnが1.0%以下、Coが4%以下であり、残部がFe及び不可避不純物元素からなることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the Fe-based alloy as a whole contains, in mass %, C of 0.1% or more and 2% or less, Cr of 2% or more and 6% or less, W of 0.5% or more and 4% or less, Mo of 0.5% or more and 4% or less, V of 0.5% or more and 4% or less, Si of 1.0% or less, Mn of 1.0% or less, Co of 4% or less, and the balance consisting of Fe and inevitable impurity elements.
また、SiとMnのいずれか一方、又はその両方をさらに含み、質量%で、Siが1.0%以下で、Mnが0.1%以上1.0%以下であることが望ましい。 It is also desirable that the alloy further contains either Si or Mn, or both, with Si being 1.0% or less and Mn being 0.1% or more and 1.0% or less, by mass.
質量%で、Fe基合金全体としてさらにCoが0.5%以上4%以下含み、前記Fe-BCC相はさらにCoが0.5%以上4%以下含むことが望ましい。 It is desirable that the Fe-based alloy as a whole further contains 0.5% to 4% Co by mass, and that the Fe-BCC phase further contains 0.5% to 4% Co.
第1の発明によれば、Fe-BCC相中に微細な析出炭化物が分散されているため、クラックが発生しにくく、高い靭性や耐ヒートクラック性も期待されるFe基合金を得ることができる。 According to the first invention, fine precipitated carbides are dispersed in the Fe-BCC phase, making it possible to obtain an Fe-based alloy that is less susceptible to cracking and is also expected to have high toughness and heat crack resistance.
第2の発明は、第1の発明にかかるFe基合金を少なくとも一部に備えたことを特徴とする合金部材である。 The second invention is an alloy component characterized by comprising at least a portion of the Fe-based alloy of the first invention.
前記Fe基合金は合金部材の母材の表面に形成され、当該表層の硬さが350HV以上であることが望ましい。 The Fe-based alloy is formed on the surface of the base material of the alloy component, and it is desirable that the hardness of the surface layer be 350 HV or more.
第2の発明によれば、クラックが発生しにくく、靭性や耐ヒートクラック性も期待される合金部材を得ることができる。 According to the second invention, an alloy component can be obtained that is less susceptible to cracking and is also expected to have toughness and heat crack resistance.
また、母材の表面に、第1の発明にかかるFe基合金からなる合金層を形成することで、表面に靭性や耐ヒートクラック性に優れる部材を得ることができる。また、例えば表面の一部が損傷しても、損傷部分にのみ肉盛りにより再度合金層を形成することで、容易に補修を行うことができ、靭性や耐ヒートクラック性に優れる合金部材を得ることができる。 Furthermore, by forming an alloy layer made of the Fe-based alloy according to the first invention on the surface of the base material, a component with excellent surface toughness and heat crack resistance can be obtained. Furthermore, even if a portion of the surface is damaged, for example, repair can be easily carried out by simply forming a new alloy layer on only the damaged area by buildup, resulting in an alloy component with excellent toughness and heat crack resistance.
前記Fe基合金の表層に、窒化層、化合物層又はセラミックコーティング層のいずれか1種以上を備えている合金部材とすることができる。 The alloy component may have one or more of a nitride layer, a compound layer, or a ceramic coating layer on the surface of the Fe-based alloy.
さらに、表面に窒化層、化合物層、セラミックコーティング層を形成することで、より高い耐久性を得ることができる。 In addition, greater durability can be achieved by forming a nitride layer, compound layer, or ceramic coating layer on the surface.
第3の発明は、第2の発明にかかる合金部材を少なくとも一部に備えたことを特徴とする製造物である。 The third invention is a manufactured product characterized by having at least a portion thereof comprised of the alloy component of the second invention.
第3の発明によれば、クラックが発生しにくく、高い靭性や耐ヒートクラック性も期待される製造物を得ることができる。 According to the third invention, a product can be obtained that is less prone to cracking and is also expected to have high toughness and heat crack resistance.
このような製造物としては、補修を施して用いられるホットスタンプ用金型、冷間鍛造用金型又は冷間プレス金型が特に適している。 Particularly suitable products for this purpose are hot stamping dies, cold forging dies or cold press dies that are repaired before use.
以上のFe基合金部材や製造物は、所望の組成の金属粉末を用いた付加製造法によって形成することで得ることができる。 The above Fe-based alloy components and products can be obtained by additive manufacturing using metal powder of the desired composition.
第4の発明は、質量%で、Cが0.1%以上2%以下で、Crが2%以上6%以下で、Wが0.5%以上4%以下で、Moが0.5%以上4%以下で、Vが0.5%以上4%以下で、Siが1.0%以下、Mnが1.0%以下、Coが4%以下であり、残部がFe及び不可避不純物からなる合金粉末を用い、前記合金粉末を、基材上に移動しながら噴射させ、噴射された前記合金粉末に電子ビーム又はレーザビームを照射して溶融凝固させて凝固層を形成し、前記溶融凝固こうていを繰り返して合金部材を得ることを特徴とする合金部材の製造方法である。 The fourth invention is a method for manufacturing an alloy part, which comprises using an alloy powder consisting of, by mass%, C from 0.1% to 2%, Cr from 2% to 6%, W from 0.5% to 4%, Mo from 0.5% to 4%, V from 0.5% to 4%, Si from 1.0% to 1.0%, Mn from 1.0% to 1.0%, Co from 4% to 1.0%, and the remainder being Fe and unavoidable impurities, spraying the alloy powder while moving it onto a substrate, irradiating the sprayed alloy powder with an electron beam or laser beam to melt and solidify it to form a solidified layer, and repeating the melting and solidification process to obtain the alloy part.
また、前記Siが0.1%以上1.0%以下、Mnが0.1%以上1.0%以下であることが好ましい。 It is also preferable that the Si content be 0.1% or more and 1.0% or less, and the Mn content be 0.1% or more and 1.0% or less.
また、前記合金粉末にCoをさらに含み、前記Coが、質量%で、0.5%以上4%以下であることが好ましい。 It is also preferable that the alloy powder further contains Co, and that the Co content is, by mass%, 0.5% or more and 4% or less.
また、得られた合金部材に対して、1000℃以上1400℃以下で保持後、油中又は水中で冷却する焼入れ処理及び400℃以上700℃以下で保持する焼戻し処理のうち、少なくとも一方を有することが好ましい。 It is also preferable that the obtained alloy component undergoes at least one of a quenching treatment in which the component is held at a temperature of 1000°C or higher and 1400°C or lower, followed by cooling in oil or water, and a tempering treatment in which the component is held at a temperature of 400°C or higher and 700°C or lower.
また、得られた合金部材に対して、表面処理を行う表面処理工程をさらに有し、前記表面処理工程が、窒化処理又はPVD法による成膜であることが好ましい。表面処理工程を行うことで、より高い耐久性を得ることができる。 It is also preferable that the method further includes a surface treatment step in which the obtained alloy component is subjected to a surface treatment, and that the surface treatment step is a nitriding treatment or film formation by a PVD method. By performing the surface treatment step, higher durability can be obtained.
第4の発明によれば、クラックが発生しにくく、高い靭性や耐ヒートクラック性も期待される合金部材の製造方法を得ることができる。 According to the fourth invention, a method for manufacturing alloy components can be obtained that are less susceptible to cracking and are also expected to have high toughness and heat crack resistance.
また、前記溶融凝固工程において、前記凝固層の厚みが、0.1mm以上5mm以下になるようにするのが望ましい。 Furthermore, during the melting and solidifying process, it is desirable that the thickness of the solidified layer be 0.1 mm or more and 5 mm or less.
本発明によれば、クラックが発生しにくく、高い靭性や耐ヒートクラック性も期待されるFe基合金、合金部材及び合金部材の製造方法を提供することができる。 The present invention provides an Fe-based alloy, alloy component, and method for manufacturing an alloy component that is less susceptible to cracking and is expected to have high toughness and heat crack resistance.
以下、本発明の一実施形態について説明する。まず、Fe基合金に関して説明し、次に付加製造方法について説明する。なお、以下の説明において%は質量%を示す。また、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、数値範囲の下限値と上限値は適宜組み合わせることができる。 One embodiment of the present invention will be described below. First, an Fe-based alloy will be described, followed by an additive manufacturing method. Note that in the following description, % indicates mass %. Furthermore, in this specification, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values written before and after "to" as the lower and upper limit values. Furthermore, the lower and upper limit values of a numerical range can be combined as appropriate.
<Fe基合金>
本実施形態のFe基合金は、C、Cr、W、Mo及びVを含み、残部がFe及び不可避不純物元素からなり、言い換えれば、C、Cr、W、Mo、V及びFeを含む高速度工具鋼であり、Fe-BCC相を含む合金組織を有し、前記Fe-BCC相は、質量%で、Cが3%~7%、Crが2%~6%、Wが0.5%~4%、Moが0.5%~4%、Vが0.5~4%、Feが75%~90%であり、前記Fe-BCC相中に炭化物を析出しており、前記炭化物の円相当平均粒径が1.3μm以下であることを特徴の一つとする。
<Fe-based alloy>
The Fe-based alloy of this embodiment contains C, Cr, W, Mo, and V, with the balance being Fe and unavoidable impurity elements; in other words, it is a high-speed tool steel containing C, Cr, W, Mo, V, and Fe, and has an alloy structure including an Fe-BCC phase. The Fe-BCC phase contains, in mass %, 3% to 7% C, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, and 75% to 90% Fe, and one of its features is that carbides precipitate in the Fe-BCC phase, and the circle-equivalent average particle size of the carbides is 1.3 μm or less.
(C:3~7%)
Cは、Cr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合して、硬い複炭化物を生成し、合金部材とその製造物の耐摩耗性を向上させる効果がある。また、Cは一部基地内に固溶して基地を強化する効果を有する。前記Fe-BCC相におけるCの含有量を3%以上にすることで、基地の強化と基地の粒内に形成される微細な炭化物の双方の効果により、Fe-BCC相の硬さを確保することができる。一方、前記Fe-BCC相におけるCの含有量を7%以下にすることで、基地の粒内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(C: 3-7%)
Carbon combines with carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V to form hard complex carbides, improving the wear resistance of alloy members and their products. Carbon also has the effect of strengthening the matrix by dissolving partially within the matrix. By setting the C content in the Fe-BCC phase to 3% or more, the hardness of the Fe-BCC phase can be ensured through both the strengthening of the matrix and the formation of fine carbides within the matrix grains. On the other hand, by setting the C content in the Fe-BCC phase to 7% or less, the formation of excessive carbides within the matrix grains can be suppressed, ensuring toughness.
(Cr:2~6%)
Crは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe-BCC相におけるCrの含有量を2%以上とすることで、基地の粒内の炭化物の形成量を適正化でき、耐摩耗性及び焼入性を向上させることができる。一方、前記Fe-BCC相におけるCrの含有量を6%以下にすることで、基地の粒内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(Cr: 2 to 6%)
Cr combines with C to form carbides, improving wear resistance and also contributing to improved hardenability. By setting the Cr content in the Fe-BCC phase to 2% or more, the amount of carbides formed within the matrix grains can be optimized, improving wear resistance and hardenability. On the other hand, by setting the Cr content in the Fe-BCC phase to 6% or less, the amount of carbides formed within the matrix grains can be prevented from becoming excessive, ensuring toughness.
(W:0.5~4%)
Wは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。高温環境における強度の確保にも寄与するため、特に高温環境で使用する金型の耐摩耗性向上に有効である。前記Fe-BCC相におけるWの含有量を0.5%以上にすることで、基地内に固溶し熱処理硬さが増加するため、耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe-BCC相におけるWの含有量を4%以下にすることで、基地の粒内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(W: 0.5-4%)
W bonds with C to form carbides, contributing to improved wear resistance. It also contributes to ensuring strength in high-temperature environments, and is therefore effective in improving the wear resistance of dies used in particularly high-temperature environments. By setting the W content in the Fe-BCC phase to 0.5% or more, it dissolves in the matrix, increasing heat treatment hardness and improving wear resistance. On the other hand, by setting the W content in the Fe-BCC phase to 4% or less, it is possible to prevent excessive formation of carbides within the matrix grains and ensure toughness.
(Mo:0.5~4%)
Moは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe-BCC相におけるMoを0.5%以上とすることで、基地の粒内に固溶し熱処理硬さが増加するため、耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe-BCC相におけるMoを4%以下にすることで、基地の粒内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(Mo: 0.5-4%)
Mo combines with C to form carbides, improving wear resistance and also contributing to improved hardenability. By making the Mo content in the Fe-BCC phase 0.5% or more, it dissolves in the matrix grains, increasing heat treatment hardness and improving wear resistance. On the other hand, by making the Mo content in the Fe-BCC phase 4% or less, it is possible to prevent excessive formation of carbides in the matrix grains and ensure toughness.
(V:0.5~4%)
Vは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性と耐焼付性の向上に寄与する。前記Fe-BCC相におけるVの含有量を0.5%以上にすることで、熱処理によって基地の粒内に微細で凝集し難い炭化物が析出し、高温域における軟化抵抗が大きくなり、高温耐力が高くなる。また、基地の結晶粒が微細化し靭性が向上するとともにA1変態点が上昇し、優れた高温耐力とあいまって耐ヒートクラック性が向上する。一方、前記Fe-BCC相におけるVを4%以下にすることで、基地の粒内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(V: 0.5-4%)
V combines with C to form carbides, contributing to improved wear resistance and seizure resistance. By setting the V content in the Fe-BCC phase to 0.5% or more, fine carbides that are difficult to aggregate are precipitated within the matrix grains by heat treatment, increasing softening resistance in high-temperature ranges and high-temperature yield strength. In addition, the matrix crystal grains are refined, improving toughness and raising the A1 transformation point, which, combined with excellent high-temperature yield strength, improves heat crack resistance. On the other hand, by setting the V content in the Fe-BCC phase to 4% or less, it is possible to prevent excessive formation of carbides within the matrix grains and ensure toughness.
(Fe-BCC相)
Fe-BCC相とは、一般的にはFe基合金を高温から冷却したときに形成されるα-Feやマルテンサイトを含む組織である。ここで冷却速度が高いため、Fe-BCC相はCを過飽和に固溶したFe基合金のマルテンサイトを含む組織を指し、硬質である。Fe-BCC相には、Cを3%~7%、Crを2%~6%、Wを0.5%~4%、Moを0.5%~4%、Vを0.5~4%、Feを75%~90%含む。Fe-BCC相は、後方散乱電子回折法(EBSD:Electron Back Scattering Diffraction)を用いて評価することができる。EBSDを用いた評価方法の説明は後述する。
(Fe-BCC phase)
The Fe-BCC phase is generally a structure containing α-Fe and martensite formed when an Fe-based alloy is cooled from a high temperature. Here, due to the high cooling rate, the Fe-BCC phase refers to a structure containing martensite of an Fe-based alloy in which C is supersaturated in solid solution, and is hard. The Fe-BCC phase contains 3% to 7% C, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, and 75% to 90% Fe. The Fe-BCC phase can be evaluated using electron backscattering diffraction (EBSD). The evaluation method using EBSD will be described later.
(炭化物)
Fe-BCC相中には、Cr、W、Mo及びVの少なくとも1つを含む炭化物(以下、析出炭化物ともいう)が析出している。Fe-BCC相中に、Cr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素とC(炭素)とが結合して硬い炭化物が形成されることで、耐摩耗性の向上に効果がある。また、Cは、一部基地中に固溶して基地を強化する効果を有する。析出炭化物を含んだ相を炭化物相と称することができる。炭化物相は、Cr、V、Mo及びWがFe-BCC相よりも濃化しており、Cが多い領域である。炭化物相は、例えば、Cが7%~11%、Crが3%~7%、Wが1%~5%、Moが1%~5%、Vが1%~5%、Feが75%~90%を含んでいる。
(carbide)
Carbides containing at least one of Cr, W, Mo, and V (hereinafter also referred to as precipitated carbides) are precipitated in the Fe-BCC phase. In the Fe-BCC phase, carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V combine with C (carbon) to form hard carbides, which are effective in improving wear resistance. Furthermore, C has the effect of strengthening the matrix by dissolving partially in the matrix. The phase containing precipitated carbides can be referred to as the carbide phase. The carbide phase is a region where Cr, V, Mo, and W are more concentrated than in the Fe-BCC phase and where C is abundant. The carbide phase contains, for example, 7% to 11% C, 3% to 7% Cr, 1% to 5% W, 1% to 5% Mo, 1% to 5% V, and 75% to 90% Fe.
また、析出炭化物が適度に微細化されていることでクラックを発生しにくくでき、靭性や耐ヒートクラック性に優れたFe基合金となる。具体的には、析出炭化物の大きさが円相当平均粒径で1.30μm以下に微細化されている。好ましくは0.50μm~1.1μmであり、より好ましくは0.60μm~1.1μmである。例えば、EBSDを用いた場合、倍率を400倍以上としたときに視認できる炭化物を対象にして平均粒径を求めることができる。 In addition, the moderate refinement of the precipitated carbides makes them less susceptible to cracking, resulting in an Fe-based alloy with excellent toughness and heat crack resistance. Specifically, the size of the precipitated carbides is refined to an average circle-equivalent diameter of 1.30 μm or less. This is preferably 0.50 μm to 1.1 μm, and more preferably 0.60 μm to 1.1 μm. For example, when using EBSD, the average diameter can be determined from carbides that are visible at a magnification of 400x or more.
(円相当平均粒径の算出方法)
Fe-BCC相内の析出炭化物の円相当平均粒径は、以下のように算出することができる。まず、EBSDで得られたフェーズマップ(例えばRGB画像、視野領域:200×200μm)をそれぞれの色(赤、緑、青)に分割し、析出炭化物の部分のみを抽出する。
(Method for calculating the average particle diameter equivalent to a circle)
The circle-equivalent average grain size of precipitated carbides in the Fe-BCC phase can be calculated as follows: First, the phase map obtained by EBSD (e.g., RGB image, field of view: 200 × 200 μm) is divided into each color (red, green, blue), and only the precipitated carbide portions are extracted.
具体的には、まず、EBSDで得られたフェーズマップを赤色部分(Fe-BCC相)、青色部分(主にFe-FCC相)、緑色部分(Fe-BCC相、Fe-FCC相のいずれでもない部分、以下、ゼロソリューション部分と称する)に分割する。このようなフェーズマップの分割操作によって、Fe-BCC相や析出炭化物が組織中に占める割合を求めることができる。分割した赤色部分(Fe-BCC相)の画像を白黒表示にすることで、Fe-BCC相は白く表示される。 Specifically, the phase map obtained by EBSD is first divided into a red area (Fe-BCC phase), a blue area (mainly Fe-FCC phase), and a green area (area that is neither Fe-BCC nor Fe-FCC phase; hereafter referred to as the zero solution area). By dividing the phase map in this way, the proportion of the Fe-BCC phase and precipitated carbides in the structure can be determined. By displaying the image of the divided red area (Fe-BCC phase) in black and white, the Fe-BCC phase appears white.
青色部分(主にFe-FCC相)及び緑色部分(ゼロソリューション部分)が白く表示される。ここで、赤色部分(Fe-BCC相)と青色部分(主にFe-FCC相)とゼロソリューション部分の面積を合計したものを総面積としたとき、赤色部分(Fe-BCC相)を総面積で割った値をFe-BCC層の割合(面積率)と言い換えることができる。 The blue area (mainly Fe-FCC phase) and green area (zero solution area) are displayed in white. If the total area is the sum of the areas of the red area (Fe-BCC phase), blue area (mainly Fe-FCC phase), and zero solution area, then the value obtained by dividing the red area (Fe-BCC phase) by the total area can be rephrased as the Fe-BCC layer ratio (area ratio).
この白黒反転画像から、分割した青色部分(主にFe-FCC相)の画像を差し引くことによって、ゼロソリューション部分を表示できる。このゼロソリューション部分とは、Fe-BCC相、Fe-FCC相のいずれでもない部分であり、析出炭化物の部分に相当する。その後、視野内の析出炭化物部分の平均面積を算出し、その面積の円相当径を算出することで、Fe-BCC相内の析出炭化物の円相当平均粒径を算出することができる。 By subtracting the image of the separated blue area (mainly the Fe-FCC phase) from this inverted black-and-white image, the zero solution area can be displayed. This zero solution area is the area that is neither the Fe-BCC nor the Fe-FCC phase, and corresponds to the precipitated carbide area. Next, by calculating the average area of the precipitated carbide areas within the field of view and calculating the equivalent circle diameter of that area, the average equivalent circle diameter of the precipitated carbide within the Fe-BCC phase can be calculated.
各組織は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)に付随するエネルギー分散型X線分析分光法(EDS:Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)及び後方散乱電子回折法(EBSD:Electron Back Scattering Diffraction)を用いて評価することができる。 Each structure can be evaluated using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and electron backscatter diffraction (EBSD) associated with a scanning electron microscope (SEM).
分析条件としては、例えば、走査型電子顕微鏡における加速電圧を15kV、対物レンズから観察表面までの作動距離を10mmとし、観察倍率は3000倍で行えばよい。また、EDSを用いた元素分布の評価方法は、上記のSEMの同視野において、EDS面分析により元素分布を取得すればよい。例えば、析出炭化物を分析する場合には、対象とする元素は、例えば、C、Cr、W、Mo、V、Fe、Co及びOとすればよく、SiとMnを対象に加えてもよい。Fe-BCC相も上記同様にして分析することができる。 For example, analytical conditions may be set to a scanning electron microscope acceleration voltage of 15 kV, a working distance from the objective lens to the observation surface of 10 mm, and an observation magnification of 3000x. Furthermore, elemental distribution evaluation using EDS involves obtaining elemental distribution through EDS area analysis in the same field of view of the SEM as described above. For example, when analyzing precipitated carbides, the target elements may be, for example, C, Cr, W, Mo, V, Fe, Co, and O, with Si and Mn also being possible. Fe-BCC phases can also be analyzed in the same manner as described above.
また、Fe-BCC相の割合が高いほど金属組織が均一となり、例えば外部からの応力によって局所的に歪みが発生しにくいため、クラックを抑制する効果が期待できる。具体的には、面積率で、Fe-BCCの割合が96%以上であることが好ましく、より好ましくは97%以上、さらに好ましくは98%以上、よりさらに好ましくは99%以上である。 Furthermore, the higher the proportion of the Fe-BCC phase, the more uniform the metal structure becomes, and localized distortion due to external stress, for example, is less likely to occur, which is expected to have the effect of suppressing cracks. Specifically, the proportion of Fe-BCC in terms of area ratio is preferably 96% or more, more preferably 97% or more, even more preferably 98% or more, and even more preferably 99% or more.
本実施形態のFe基合金の組織は、合金組織の96%以上をFe-BCC相が占めており、且つFe-BCC相中には析出炭化物が微細に析出しているため、炭化物を起点とするクラックが発生しにくくなる。また、仮にクラックが発生したとしても均一に分散されているので伸展しにくい。このため、靭性や耐ヒートクラック性を向上することができる。 The structure of the Fe-based alloy of this embodiment is such that the Fe-BCC phase accounts for 96% or more of the alloy structure, and fine carbides are precipitated within the Fe-BCC phase, making it difficult for cracks to occur originating from the carbides. Even if cracks do occur, they are uniformly dispersed and therefore do not propagate easily. This improves toughness and heat crack resistance.
また、Fe基合金全体としては、質量%で、Cが0.1%~2%で、Crが2%~6%で、Wが0.5%~4%で、Moが0.5%~4%で、Vが0.5%~4%で、Siが1.0%以下、Mnが1.0%以下、Coが4%以下であり、残部がFe及び不可避不純物元素からなる。 In addition, the Fe-based alloy as a whole contains, in mass %, 0.1% to 2% C, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, 1.0% or less Si, 1.0% or less Mn, 4% or less Co, and the remainder being Fe and unavoidable impurity elements.
(C:0.1~2%)
Cは、Cr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合して、硬い複炭化物を生成し、合金部材とその製造物の耐摩耗性を向上させる効果がある。また、Cは一部基地内に固溶して基地を強化する効果を有する。前記Fe基合金全体におけるCの含有量を0.1%以上にすることで、基地の強化、基地の粒内に形成される微細な炭化物、基地の粒界に形成される炭化物の効果により、Fe基合金全体としての硬さを確保することができる。一方、前記Fe基合金全体におけるCの含有量を2%以下にすることで、Fe基合金全体の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、Fe基合金全体としての靭性を確保することができる。
(C: 0.1-2%)
C combines with carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V to form hard composite carbides, improving the wear resistance of alloy members and their products. C also dissolves partially in the matrix, strengthening the matrix. By setting the C content in the Fe-based alloy to 0.1% or more, the hardness of the Fe-based alloy as a whole can be ensured through the strengthening of the matrix, the formation of fine carbides within the matrix grains, and the formation of carbides at the matrix grain boundaries. On the other hand, by setting the C content in the Fe-based alloy as a whole to 2% or less, the formation of excessive carbides in the Fe-based alloy as a whole can be suppressed, ensuring the toughness of the Fe-based alloy as a whole.
(Cr:2~6%)
Crは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe基合金全体におけるCrの含有量を2%以上とすることで、Fe基合金全体の炭化物の形成量を適正化でき、耐摩耗性及び焼入性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金全体におけるCrの含有量を6%以下にすることで、Fe基合金全体の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(Cr: 2 to 6%)
Cr combines with C to form carbides, improving wear resistance and hardenability. By making the Cr content in the entire Fe-based alloy 2% or more, the amount of carbides formed in the entire Fe-based alloy can be optimized, improving wear resistance and hardenability. On the other hand, by making the Cr content in the entire Fe-based alloy 6% or less, the amount of carbides formed in the entire Fe-based alloy can be prevented from becoming excessive, ensuring toughness.
(W:0.5~4%)
Wは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。高温環境における強度の確保にも寄与するため、特に高温環境で使用する金型の耐摩耗性向上に有効である。前記Fe基合金全体におけるWの含有量を0.5%以上にすることで、基地の粒内に固溶し熱処理硬さが増加するほか、基地の粒界にも炭化物が形成されるため、耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金全体におけるWの含有量を4%以下にすることで、Fe基合金全体の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(W: 0.5-4%)
W combines with C to form carbides, contributing to improved wear resistance. It also contributes to ensuring strength in high-temperature environments, making it particularly effective in improving the wear resistance of dies used in high-temperature environments. By making the W content in the entire Fe-based alloy 0.5% or more, W dissolves in the matrix grains, increasing heat treatment hardness, and carbides are also formed at the matrix grain boundaries, improving wear resistance. On the other hand, by making the W content in the entire Fe-based alloy 4% or less, excessive carbide formation in the entire Fe-based alloy can be suppressed, ensuring toughness.
(Mo:0.5~4%)
Moは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe基合金全体におけるMoを0.5%以上とすることで、基地の粒内に固溶し熱処理硬さが増加するほか、基地の粒界にも炭化物が形成されるため、耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金全体におけるMoを4%以下にすることで、Fe基合金全体の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(Mo: 0.5-4%)
Mo combines with C to form carbides, improving wear resistance and contributing to improved hardenability. By making the Mo content in the Fe-based alloy 0.5% or more, the Mo content dissolves in the matrix grains, increasing the heat treatment hardness, and carbides are also formed at the matrix grain boundaries, improving wear resistance. On the other hand, by making the Mo content in the Fe-based alloy 4% or less, the amount of carbide formed in the Fe-based alloy as a whole can be prevented from becoming excessive, ensuring toughness.
(V:0.5~4%)
Vは、Cと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性と耐焼付性の向上に寄与する。前記Fe基合金全体におけるVの含有量を0.5%以上にすることで、熱処理によって基地の粒内に微細で凝集し難い炭化物が析出し、高温域における軟化抵抗が大きくなり、高温耐力が高くなる。また、基地の結晶粒が微細化し靭性が向上するとともにA1変態点が上昇し、優れた高温耐力とあいまって耐ヒートクラック性が向上する。一方、前記Fe基合金全体におけるVを4%以下にすることで、Fe基合金全体における炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。
(V: 0.5-4%)
V combines with C to form carbides, contributing to improved wear resistance and seizure resistance. By making the V content in the entire Fe-based alloy 0.5% or more, fine, non-aggregating carbides are precipitated within the matrix grains by heat treatment, increasing softening resistance in high-temperature regions and improving high-temperature yield strength. In addition, the matrix crystal grains are refined, improving toughness and raising the A1 transformation point, which, combined with excellent high-temperature yield strength, improves heat crack resistance. On the other hand, by making the V content in the entire Fe-based alloy 4% or less, it is possible to prevent excessive carbide formation in the entire Fe-based alloy and ensure toughness.
また、さらに、SiとMnのどちらか一方、又はその両方をさらに含み、質量%で、Siが0.1%以上1.0%以下、Mnが0.1%以上1.0%以下であることが望ましい。Siは耐酸化性の向上が期待できる。加工性を考慮して上記範囲とすることが望ましい。Mnは耐摩耗性と焼入れ性の向上や脆化性の低減の効果が期待できる。焼割れや残留γにより脆化の影響を考慮して、上記範囲とすることが望ましい。 Furthermore, it is preferable that the alloy further contains either Si or Mn, or both, with Si being 0.1% to 1.0% by mass and Mn being 0.1% to 1.0% by mass. Si is expected to improve oxidation resistance. The above range is desirable in consideration of workability. Mn is expected to improve wear resistance and hardenability and reduce embrittlement. The above range is desirable in consideration of the effects of embrittlement due to quench cracking and residual γ.
(Si:1.0%以下)
また、Siを含有してもよい。前記Fe基合金全体においてSiを含有する場合には、耐酸化性の向上や加工性の低下を抑制するため、Fe基合金全体における含有量は0.1%以上1.0%以下にすることが好ましい。
(Si: 1.0% or less)
Furthermore, Si may be contained. When Si is contained in the entire Fe-based alloy, the content of Si in the entire Fe-based alloy is preferably 0.1% or more and 1.0% or less in order to improve oxidation resistance and suppress deterioration of workability.
(Mn:1.0%以下)
また、Mnを含有してもよい。前記Fe基合金全体においてMnを含有する場合には、耐摩耗性・焼入れ性の向上や脆化性の低減、焼割れや残留γにより脆化することを抑制するため、Fe基合金全体における含有量は0.1%以上1.0%以下にすることが好ましい。
(Mn: 1.0% or less)
Furthermore, Mn may be contained. When Mn is contained in the entire Fe-based alloy, the content of Mn in the entire Fe-based alloy is preferably 0.1% or more and 1.0% or less in order to improve wear resistance and hardenability, reduce embrittlement, and suppress embrittlement due to quench cracking and residual γ.
(Co:4.0%以下)
また、上記元素の他にCoを含有してもよい。前記Fe基合金全体において、基地の軟化抵抗の向上ならびに靭性低下を抑制するため、Fe基合金全体における含有量は、4.0%以下が好ましく、0.5%以上4%以下にすることがより好ましい。
(Co: 4.0% or less)
In addition to the above elements, the Fe-based alloy may contain Co. In order to improve the softening resistance of the matrix and suppress a decrease in toughness in the entire Fe-based alloy, the content of Co in the entire Fe-based alloy is preferably 4.0% or less, and more preferably 0.5% or more and 4% or less.
(不可避不純物)
不可避不純物は、原料に混入した微量元素や、製造過程において接触する各種部材との反応等に起因し、技術的に除去することが難しい微量の不純物を意味する。本実施形態の合金の場合、不可避不純物とは、具体的に、例えばAl、Cu、N、Ni、O、P、S、Tiを指す。これらの不純物のうち、特に制限すべき不純物はP、S、O、Nなどである。質量%で、Pは0.03%以下が好ましく、Sは0.003%以下が好ましく、Oは0.02%以下が好ましく、Nは0.05%以下が好ましい。無論これら不可避不純物の含有量は少ないほうが好ましく、0%であればなお良い。
(Inevitable impurities)
Inevitable impurities refer to trace amounts of impurities that are technically difficult to remove, such as trace elements mixed into raw materials or reactions with various components that come into contact during the manufacturing process. In the case of the alloy of this embodiment, unavoidable impurities specifically refer to, for example, Al, Cu, N, Ni, O, P, S, and Ti. Among these impurities, impurities that should be particularly limited are P, S, O, and N. In mass%, P is preferably 0.03% or less, S is preferably 0.003% or less, O is preferably 0.02% or less, and N is preferably 0.05% or less. Of course, the content of these unavoidable impurities is preferably low, and 0% is even better.
<合金部材の製造方法>
本実施形態のFe基合金及び合金部材は、合金粉末を、基材上に移動しながら噴射し、噴射された合金粉末に電子ビーム又はレーザビームを照射して溶融凝固させて凝固層を形成し、凝固層上にさらに凝固層を積層させ、この工程を繰り返すことで得ることができる。いわゆる付加製造法で製造するものである。なお、本明細書では積層造形法と記載することがある。
<Method of manufacturing alloy member>
The Fe-based alloy and alloy member of this embodiment can be obtained by spraying alloy powder onto a substrate while moving it, irradiating the sprayed alloy powder with an electron beam or laser beam to melt and solidify it to form a solidified layer, stacking another solidified layer on top of the solidified layer, and repeating this process. This is a so-called additive manufacturing method. Note that this specification may also be referred to as a layered manufacturing method.
(合金粉末)
ここで、合金粉末は、上述した所定組成のC、Cr、W、Mo、Vを含み、残部がFe及び不可避不純物元素からなるFe基合金粉末である。まず、所定の組成範囲の合金が得られるように各元素の供給材料を所定量計量し、これらを混合して原料粉末を作製する。この原料粉末を用いてアトマイズ粉を得る。例えば、前記原料粉末をるつぼに装填し、高周波溶解し、るつぼ下のノズルから溶融した合金を落下させ、高圧アルゴンで噴霧してガスアトマイズ粉を作製する。このガスアトマイズ粉を分級して合金粉末を得ることができる。
(alloy powder)
Here, the alloy powder is an Fe-based alloy powder containing the above-mentioned predetermined composition of C, Cr, W, Mo, and V, with the remainder being Fe and unavoidable impurity elements. First, predetermined amounts of each element are weighed out so as to obtain an alloy having a predetermined composition range, and these are mixed to produce a raw material powder. This raw material powder is used to obtain an atomized powder. For example, the raw material powder is loaded into a crucible, high-frequency melted, and the molten alloy is dropped from a nozzle below the crucible and sprayed with high-pressure argon to produce a gas-atomized powder. This gas-atomized powder can then be classified to obtain an alloy powder.
本実施形態のFe基合金粉末は、上述のFe基合金の組成を満たすように合金化したものを用いれば良い。例えば、質量%で、0.1%~2%のC、2%~6%のCr、0.5%~4%のW、0.5%~4%のMo、0.5%~4%のV、4.0%以下のCo、1.0%以下のSi、1.0%以下のMnを含み、残部はFeおよび不可避不純物から構成される。The Fe-based alloy powder of this embodiment may be alloyed to satisfy the composition of the Fe-based alloy described above. For example, the powder may contain, by mass, 0.1% to 2% C, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, 4.0% or less Co, 1.0% or less Si, and 1.0% or less Mn, with the remainder being Fe and unavoidable impurities.
本実施形態のFe基合金粉末を用いて造形体を製造した場合、造形体の合金組織において、Cは、Cr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合して、硬い複炭化物を生成し、合金部材とその製造物の耐摩耗性を向上させる効果がある。また、Cは造形体の合金組織の一部基地内に固溶して基地を強化する効果を有する。 When a shaped body is produced using the Fe-based alloy powder of this embodiment, C in the alloy structure of the shaped body combines with carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V to form hard complex carbides, which has the effect of improving the wear resistance of the alloy member and its products. Furthermore, C dissolves in part of the matrix of the alloy structure of the shaped body, thereby strengthening the matrix.
前記Fe基合金粉末におけるCの含有量を0.1%以上にすることで、合金組織の基地の強化、基地の粒内に形成される微細な炭化物、基地の粒界に形成される炭化物の効果により、合金組織の硬さを確保することができる。一方、前記Fe基合金粉末におけるCの含有量を2%以下にすることで、合金組織内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、Fe基合金全体としての靭性を確保することができる。 By setting the C content in the Fe-based alloy powder to 0.1% or more, the hardness of the alloy structure can be ensured by strengthening the matrix of the alloy structure, forming fine carbides within the matrix grains, and forming carbides at the matrix grain boundaries. On the other hand, by setting the C content in the Fe-based alloy powder to 2% or less, the formation of excessive carbides within the alloy structure can be suppressed, ensuring the toughness of the Fe-based alloy as a whole.
Crは、Cと結合して炭化物を形成し、造形体の合金組織の耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe基合金粉末におけるCrの含有量を2%以上とすることで、造形体の合金組織内の炭化物の形成量を適正化でき、合金組織の耐摩耗性及び焼入性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金全体におけるCrの含有量を6%以下にすることで、造形体の合金組織内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。 Cr combines with C to form carbides, improving the wear resistance of the alloy structure of the shaped body and also contributing to improved hardenability. By making the Cr content in the Fe-based alloy powder 2% or more, the amount of carbides formed in the alloy structure of the shaped body can be optimized, improving the wear resistance and hardenability of the alloy structure. On the other hand, by making the Cr content in the entire Fe-based alloy 6% or less, the amount of carbides formed in the alloy structure of the shaped body can be prevented from becoming excessive, ensuring toughness.
Wは、Cと結合して炭化物を形成し、造形体の合金組織の耐摩耗性の向上に寄与する。高温環境における強度の確保にも寄与するため、特に高温環境で使用する金型の耐摩耗性向上に有効である。前記Fe基合金粉末におけるWの含有量を0.5%以上にすることで、合金組織内の基地の粒内に固溶し熱処理硬さが増加するほか、基地の粒界にも炭化物が形成されるため、合金組織の耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金粉末におけるWの含有量を4%以下にすることで、合金組織内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。 W combines with C to form carbides, contributing to improved wear resistance of the alloy structure of the shaped body. It also contributes to ensuring strength in high-temperature environments, making it particularly effective in improving the wear resistance of molds used in high-temperature environments. By setting the W content in the Fe-based alloy powder to 0.5% or more, W dissolves within the matrix grains in the alloy structure, increasing heat treatment hardness, and carbides are also formed at the matrix grain boundaries, improving the wear resistance of the alloy structure. On the other hand, by setting the W content in the Fe-based alloy powder to 4% or less, excessive carbide formation within the alloy structure can be suppressed, ensuring toughness.
Moは、Cと結合して炭化物を形成し、造形体の合金組織の耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性の向上にも寄与する。前記Fe基合金粉末におけるMoを0.5%以上とすることで、合金組織内の基地の粒内に固溶し熱処理硬さが増加するほか、基地の粒界にも炭化物が形成されるため、合金組織の耐摩耗性を向上させることができる。一方、前記Fe基合金粉末におけるMoを4%以下にすることで、合金組織内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。 Mo combines with C to form carbides, improving the wear resistance of the alloy structure of the molded body and also contributing to improved hardenability. By setting the Mo content in the Fe-based alloy powder to 0.5% or more, the Mo dissolves in the matrix grains within the alloy structure, increasing heat treatment hardness, and carbides are also formed at the matrix grain boundaries, improving the wear resistance of the alloy structure. On the other hand, by setting the Mo content in the Fe-based alloy powder to 4% or less, excessive carbide formation within the alloy structure can be suppressed, ensuring toughness.
Vは、Cと結合して炭化物を形成し、造形体の合金組織の耐摩耗性と耐焼付性の向上に寄与する。前記Fe基合金粉末におけるVの含有量を0.5%以上にすることで、熱処理によって合金組織内の基地の粒内に微細で凝集し難い炭化物が析出し、合金組織の高温域における軟化抵抗が大きくなり、高温耐力が高くなる。また、合金組織内の基地の結晶粒が微細化し靭性が向上するとともにA1変態点が上昇し、優れた高温耐力とあいまって耐ヒートクラック性が向上する。一方、前記Fe基合金粉末におけるVを4%以下にすることで、合金組織内の炭化物の形成量が過剰になるのを抑制でき、靭性を確保することができる。 V combines with C to form carbides, contributing to improved wear resistance and seizure resistance of the alloy structure of the shaped body. By setting the V content in the Fe-based alloy powder to 0.5% or more, fine, non-agglomerating carbides precipitate within the matrix grains in the alloy structure upon heat treatment, increasing the softening resistance of the alloy structure at high temperatures and improving high-temperature yield strength. Furthermore, the matrix grains in the alloy structure become finer, improving toughness and raising the A1 transformation point. This, combined with excellent high-temperature yield strength, improves heat crack resistance. Meanwhile, setting the V content in the Fe-based alloy powder to 4% or less prevents excessive carbide formation within the alloy structure, ensuring toughness.
また例えば、質量%で、Cが0.1%~2%で、Siが0.1%~1.0%で、Mnが0.1%~1.0%で、Crが2%~6%で、Wが0.5%~4%で、Moが0.5%~4%で、Vが0.5%~4%で、残部がFe及び不可避不純物元素からなるFe基合金粉末などを用いることができる。また、SiとMnのいずれか一方又はその両方を含んでいることが好ましい。 For example, an Fe-based alloy powder containing, by mass, 0.1% to 2% C, 0.1% to 1.0% Si, 0.1% to 1.0% Mn, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, and the remainder being Fe and unavoidable impurity elements can be used. It is also preferable that the powder contains either Si or Mn, or both.
前記Fe基合金粉末においてSiを含有する場合には、造形体の合金組織の耐酸化性の向上や加工性の低下を抑制するため、Fe基合金粉末における含有量は0.1%~1.0%にすることが好ましい。前記Fe基合金粉末においてMnを含有する場合には、造形体の合金組織の耐摩耗性・焼入れ性の向上や脆化性の低減、焼割れや残留γにより脆化することを抑制するため、Fe基合金粉末における含有量は0.1%~1.0%にすることが好ましい。 If the Fe-based alloy powder contains Si, the content in the Fe-based alloy powder is preferably 0.1% to 1.0% in order to improve the oxidation resistance of the alloy structure of the shaped body and prevent a decrease in workability. If the Fe-based alloy powder contains Mn, the content in the Fe-based alloy powder is preferably 0.1% to 1.0% in order to improve the wear resistance and hardenability of the alloy structure of the shaped body, reduce embrittlement, and prevent embrittlement due to quench cracking and residual γ.
また、上記元素の他に、Coを含有させることができる。造形体の合金組織の靭性低下を抑制するため、Fe基合金全体における含有量は4%以下にすることが好ましい。合金組織の基地の軟化抵抗の向上のため、0.5%以上とすることが好ましい。In addition to the above elements, Co can also be included. To prevent a decrease in the toughness of the alloy structure of the shaped body, the content of Co in the Fe-based alloy as a whole is preferably 4% or less. To improve the softening resistance of the matrix of the alloy structure, it is preferable to set the content to 0.5% or more.
よって、Coを含ませる場合には、Cが0.1%~2%で、Siが0.1%~1.0%で、Mnが0.1%~1.0%で、Crが2%~6%で、Wが0.5%~4%で、Moが0.5%~4%で、Vが0.5%~4%で、Coが0.5%~4%で、残部がFe及び不可避不純物元素からなるFe基合金粉末を用いることが好ましい。 Therefore, when Co is included, it is preferable to use an Fe-based alloy powder containing 0.1% to 2% C, 0.1% to 1.0% Si, 0.1% to 1.0% Mn, 2% to 6% Cr, 0.5% to 4% W, 0.5% to 4% Mo, 0.5% to 4% V, 0.5% to 4% Co, and the remainder being Fe and unavoidable impurity elements.
合金粉末の組成は、例えば高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法を用いて分析することができる。 The composition of the alloy powder can be analyzed, for example, using inductively coupled plasma (ICP) optical emission spectrometry.
Fe基合粉末に電子ビーム又はレーザビームを照射し、溶融凝固させることにより造形を行う一実施形態としては、金属材料を対象とする付加製造法である粉末床溶融結合方式(PBF:Powder Bed Fusion)と指向性エネルギー堆積方式(DED:Directed Energy Deposition)のいずれの方式についても適用することができる。 In one embodiment, an Fe-based composite powder is irradiated with an electron beam or laser beam to melt and solidify it to form a shape. This can be applied to either Powder Bed Fusion (PBF) or Directed Energy Deposition (DED), which are additive manufacturing methods for metal materials.
例えば、上述のFe基合金粉末に電子ビームやレーザビームなどの熱源を照射して溶融凝固させて凝固層を形成する溶融凝固工程を繰り返し行うことで凝固層上にさらに凝固層を積層させることで、本実施形態のFe基合金部材を製造することができる。また例えば、指向性エネルギー堆積堆積方式は、合金粉末を基材上に移動しながら噴射させ、噴射された前記合金粉末に電子ビーム又はレーザビームを照射して溶融凝固させて凝固層を形成する溶融凝固工程を繰り返し、凝固層上にさらに凝固層を積層させることで、本実施形態の合金部材(造形体)を得ることができる。For example, the Fe-based alloy component of this embodiment can be manufactured by repeatedly performing a melting and solidifying process in which the above-mentioned Fe-based alloy powder is irradiated with a heat source such as an electron beam or laser beam to melt and solidify it and form a solidified layer, thereby stacking further solidified layers on top of the solidified layer. Furthermore, for example, the directed energy deposition method can be used to spray alloy powder onto a substrate while moving it, and then irradiate the sprayed alloy powder with an electron beam or laser beam to melt and solidify it and form a solidified layer, repeatedly repeating this melting and solidifying process, thereby stacking further solidified layers on top of the solidified layer, thereby obtaining the alloy component (shaped body) of this embodiment.
また、付加製造方法の造形方式に合わせて、メッシュを用いた篩別分級や気流分級等により粉末粒径を調整してもよい。例えば、電子ビームやレーザビームを用いた粉末床溶融結合法に使用される造形用粉末は、熱源となるレーザビームにより粉末を溶融させる一方で、熱影響の範囲を極力狭めるために溶融しづらい粗大な粉末を除去する必要がある。また、粉末の敷設性を確保するための最適な流動性を得るために、付着性の高い微細な粉末も除去する必要がある。 In addition, powder particle size may be adjusted by mesh sieving or airflow classification to suit the modeling method of the additive manufacturing process. For example, the modeling powder used in powder bed fusion, which uses an electron beam or laser beam, is melted by the laser beam, which serves as the heat source, but coarse powder that is difficult to melt must be removed to minimize the area affected by the heat. Furthermore, highly adhesive fine powder must also be removed to achieve optimal fluidity to ensure powder spreadability.
例えば、粉末床溶融結合(PBF:Powder Bed Fusion)方式に適用する場合は、合金粉末の平均粒径(D50)を10~53μmの範囲に調整することが好ましい。また例えば、指向性エネルギー堆積方式に使用される金属粉末は、熱源となるレーザビームによって粉末を溶融させるために、溶融しづらい粗大な粉末を除去する必要がある。また、粉末を熱源へ供給する際の粉塵飛散を予防し、且つ粉末を容易に搬送可能とする流動性を確保する目的で微細な粉末も除去する必要がある。このため、本発明の造形用粉末を指向性エネルギー堆積法に適用する場合は、D50を53~106μmの範囲に調整することが好ましい。他方、熱源に電子ビームやプラズマを用いる場合は、より粗大な金属粒子を用いて造形することが可能となるため、D50は75~250μmにすることが好ましい。For example, when applying the powder bed fusion (PBF) method, it is preferable to adjust the average particle size (D50) of the alloy powder to the range of 10 to 53 μm. Furthermore, for example, metal powders used in directed energy deposition methods must be melted using a laser beam, which serves as the heat source, and coarse powder that is difficult to melt must be removed. Furthermore, fine powder must also be removed to prevent dust scattering when the powder is supplied to the heat source and to ensure fluidity that allows the powder to be easily transported. For this reason, when applying the molding powder of the present invention to directed energy deposition methods, it is preferable to adjust the D50 to the range of 53 to 106 μm. On the other hand, when using an electron beam or plasma as the heat source, it is possible to use coarser metal particles for molding, so it is preferable to set the D50 to 75 to 250 μm.
図1に、指向性エネルギー堆積方式のうち、熱源にレーザビームを用いて付加製造する付加製造装置1の概略構成を示す。付加製造装置1は、主に、粉末供給ノズル3、フォーカシングレンズ5、保護レンズ7等から構成される。粉末供給ノズル3には、合金粉末11が供給されて、アルゴンガスと共に粉末供給ノズル3の先端に噴射される。図示を省略したレーザ発振器から出射したレーザビーム9は、フォーカシングレンズ5により集光されて粉末供給ノズル3の先端部近傍に照射される。なお、フォーカシングレンズ5の下方には保護レンズ7が設けられる。 Figure 1 shows the schematic configuration of an additive manufacturing device 1 that uses a laser beam as a heat source for additive manufacturing using the directed energy deposition method. The additive manufacturing device 1 is mainly composed of a powder feed nozzle 3, a focusing lens 5, a protective lens 7, etc. Alloy powder 11 is supplied to the powder feed nozzle 3 and injected into the tip of the powder feed nozzle 3 together with argon gas. A laser beam 9 emitted from a laser oscillator (not shown) is focused by the focusing lens 5 and irradiated near the tip of the powder feed nozzle 3. A protective lens 7 is provided below the focusing lens 5.
付加製造では、ベースプレート17上に、合金粉末11を供給しながら粉末供給ノズル3をベースプレート17に対して相対的に移動させる(図中A方向)。このとき供給された合金粉末11にフォーカシングレンズ5で集光されたレーザビーム9を照射し、合金粉末11が溶融した溶融池を形成して凝固させることで造形体15(Fe基合金)を形成することができる。CAD-CAMソフトウエアを用いて作成したプログラムファイルを用いてこの工程を繰り返して、造形体15をベースプレート17上に積層することで、Fe基合金を少なくとも一部に備えた3次元の合金部材を造形する。In additive manufacturing, alloy powder 11 is supplied onto a base plate 17 while the powder supply nozzle 3 is moved relative to the base plate 17 (direction A in the figure). A laser beam 9 focused by a focusing lens 5 is irradiated onto the supplied alloy powder 11, forming a molten pool of the alloy powder 11, which then solidifies to form a shaped body 15 (Fe-based alloy). This process is repeated using a program file created using CAD-CAM software to stack shaped bodies 15 on the base plate 17, thereby forming a three-dimensional alloy part that contains at least a portion of an Fe-based alloy.
指向性エネルギー堆積方式では、3次元付加製造装置を用い、ベースプレート又は造形体又は金型等の基材の表面をレーザ照射により高速溶融し、溶融してできた溶融池の中へ原料粉末を供給し、急冷凝固させる、一連のプロセスを繰り返し積層していくことで造形体を作製する。ベースプレート上に形成された造形体が本実施形態のFe基合金部材である。また、金型の補修の場合は製造物を得ることができる。付加製造条件は、原料粉末の粒径や組成、造形体の大きさ・形状・特性、生産効率等を考慮して適宜定められるが、本実施形態の合金については、例えば、次の範囲から選択することができる。 In the directed energy deposition method, a three-dimensional additive manufacturing device is used to rapidly melt the surface of a base material such as a base plate, a shaped body, or a mold by irradiating it with a laser, and then raw material powder is supplied into the molten pool that results, where it is rapidly cooled and solidified. This series of processes is repeated to create a shaped body. The shaped body formed on the base plate is the Fe-based alloy component of this embodiment. In the case of mold repair, a manufactured product can also be obtained. Additive manufacturing conditions are determined appropriately taking into account the particle size and composition of the raw material powder, the size, shape, and characteristics of the shaped body, production efficiency, etc., but for the alloy of this embodiment, they can be selected, for example, from the following ranges.
付加製造する際の一層厚さは、例えば、0.1mm~1.0mmで、好ましくは0.4~0.8mmである。なお、ベースプレートの表面に形成される第1層目のFe基合金の厚みは、0.1mm~1mmである。母材の界面からFe基合金の表面までの全層の厚みは、Fe基合金の母材からの剥離やFe基合金そのものの割れを防止するため,0.1mm~5mmであることが好ましい。ここで、希釈層とは、Fe基合金を造形する際に母材と溶け合い、母材と第1層目のFe基合金の両者の組成が混ざり合う層のことである。 The thickness of each layer during additive manufacturing is, for example, 0.1 mm to 1.0 mm, preferably 0.4 to 0.8 mm. The thickness of the first layer of Fe-based alloy formed on the surface of the base plate is 0.1 mm to 1 mm. The thickness of the entire layer from the interface with the base material to the surface of the Fe-based alloy is preferably 0.1 mm to 5 mm to prevent peeling of the Fe-based alloy from the base material and cracking of the Fe-based alloy itself. Here, the dilution layer refers to a layer that dissolves with the base material when the Fe-based alloy is molded, resulting in a mixture of the compositions of both the base material and the first layer of Fe-based alloy.
次に、レーザのビーム径は照射する位置で3mm程度とすることが好ましい。レーザ出力は1500~2500Wとすることが好ましい。レーザ走査速度は、200~2000mm/minが好ましく、500~1000mm/minがより好ましい。粉末供給量は10~20g/minとすることが好ましい。 Next, the laser beam diameter is preferably about 3 mm at the irradiation position. The laser output is preferably 1500 to 2500 W. The laser scanning speed is preferably 200 to 2000 mm/min, and more preferably 500 to 1000 mm/min. The powder supply rate is preferably 10 to 20 g/min.
原料粉末を溶融させるためにレーザ照射によって投入するエネルギーの密度(熱源のエネルギー密度:J/mm)は90~300J/mmが好ましく、180~240J/mmの範囲がより好ましい。エネルギー密度が小さ過ぎると、欠陥率の上昇をきたし、更には供給された粉末が溶融しにくくなるため、造形体の形状を維持することが困難になる。一方、エネルギー密度が大き過ぎると、レーザ照射位置を中心とする広範囲のベースプレート又は造形体自体が溶融し、やはり造形体の形状を維持することが困難になる。エネルギー密度E(J/mm)はレーザ出力P(W)、レーザ走査速度v(mm/min)を用いて、E=P/v×60で求めることができる。 The energy density (heat source energy density: J/mm) input by laser irradiation to melt the raw material powder is preferably 90 to 300 J/mm, and more preferably 180 to 240 J/mm. If the energy density is too low, the defect rate will increase and the supplied powder will be difficult to melt, making it difficult to maintain the shape of the molded object. On the other hand, if the energy density is too high, the base plate or the molded object itself will melt over a wide area centered on the laser irradiation position, again making it difficult to maintain the shape of the molded object. Energy density E (J/mm) can be calculated using the laser output P (W) and laser scanning speed v (mm/min) as E = P/v x 60.
(熱処理)
本実施形態のFe基合金は、造形後に、硬さ向上の為に焼入れ処理を行って良いし、コスト等が許容範囲であれば焼入れ応力の除去、靭性の向上を目的に焼戻し処理を追加で施しても良い。熱処理条件としては、焼入れ処理の場合、例えば、保持温度を1000~1400℃とすることができ、1100~1300℃がより好ましく、1150~1280℃がさらに好ましい。保持時間としては、0.1~5時間とすることができ、0.1~2時間がより好ましい。冷却には、油中又は水中で冷却することができるが、ひずみや焼割れを防止するため、油中で冷却することがより好ましい。また、ソルトバスを用いた焼入れ及び冷却を行ってもよい。
(Heat treatment)
The Fe-based alloy of this embodiment may be subjected to a quenching treatment after shaping to improve hardness, or, if costs and the like are within an acceptable range, an additional tempering treatment may be performed to remove quenching stress and improve toughness. Regarding heat treatment conditions, in the case of quenching, for example, the holding temperature may be 1000 to 1400°C, more preferably 1100 to 1300°C, and even more preferably 1150 to 1280°C. The holding time may be 0.1 to 5 hours, more preferably 0.1 to 2 hours. Cooling can be performed in oil or water, but cooling in oil is more preferable to prevent distortion and quench cracking. Quenching and cooling may also be performed using a salt bath.
焼戻し処理を行う場合は、400℃~700℃で保持すればよく、560~580℃がより好ましい。保持時間は、1~10時間保持しすればよく、2~6時間保持するのがより好ましい。冷却は空気冷却とすることが好ましい。 When tempering, the material should be held at 400°C to 700°C, preferably 560°C to 580°C. The holding time should be 1 to 10 hours, more preferably 2 to 6 hours. Cooling is preferably by air cooling.
析出炭化物は、C(炭素)がFe-BCC相中に固溶や拡散し、Fe、W、Mo及びVなどの炭化物形成元素と結合することで析出する。そのため、Fe-BCC相内に炭素が固溶、拡散しやすくするなるように熱処理を行うことで、Fe-BCC相内に析出炭化物が析出し、適度に微細化される。 Carbide precipitates when carbon (C) dissolves or diffuses into the Fe-BCC phase and combines with carbide-forming elements such as Fe, W, Mo, and V. Therefore, by performing heat treatment that facilitates carbon dissolution and diffusion within the Fe-BCC phase, carbide precipitates within the Fe-BCC phase and is appropriately refined.
例えば、焼入れ処理を行うことで造形体内に存在する炭化物の分解が促進されたり、Fe、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合する炭素がFe-BCC相内に拡散されやすくなるなどして、析出炭化物が形成されやすくなる。そのため、焼入れ処理を行った合金は、焼入れ処理を行わない合金と比べて析出炭化物の割合が高くなる。また、炭素が拡散することで析出炭化物が分散し、析出炭化物の円相当平均粒径が小さくなると推定できる。 For example, quenching promotes the decomposition of carbides present in the formed body and facilitates the diffusion of carbon that bonds with carbide-forming elements such as Fe, W, Mo, and V into the Fe-BCC phase, making it easier for precipitated carbides to form. Therefore, alloys that have been quenched have a higher proportion of precipitated carbides than alloys that have not been quenched. It can also be assumed that the diffusion of carbon disperses the precipitated carbides, reducing the average circle-equivalent particle size of the precipitated carbides.
(硬さ)
本実施形態のFe基合金や合金部材の表層の硬さは、ビッカース硬さHV(以下、硬さと表記)で評価することができ、350HV以上であることが望ましく、500HV以上が好ましい。硬さの測定方法としては、例えばビッカース圧子の押し込み荷重を0.5kg、押し込み時の滞留時間を10秒とし、圧子の押し込みによって測定表面に形成された圧痕の対角線の長さから硬さを求めればよい。
(Hardness)
The hardness of the surface layer of the Fe-based alloy or alloy member of this embodiment can be evaluated by Vickers hardness HV (hereinafter referred to as hardness), and is desirably 350 HV or more, preferably 500 HV or more. For example, the hardness can be measured by setting the indentation load of a Vickers indenter to 0.5 kg and the dwell time during indentation to 10 seconds, and determining the hardness from the length of the diagonal line of the indentation formed on the measurement surface by indentation of the indenter.
また、得られた合金部材に対して、表面処理を行う表面処理工程をさらに有してもよい。表面処理工程は、例えば、Fe基合金の表層に窒化処理又はPVD法による成膜であり、窒化層、化合物層又はセラミックコーティング層である。これらの表面処理工程では、付加製造によって形成されたFe基合金に比べて硬質な被膜をFe基合金の表層に形成することができるため、付加製造によって得られた合金部材表面の更なる強化による耐摩耗性の向上を図ることができる。 The method may further include a surface treatment process in which the obtained alloy component is subjected to a surface treatment. The surface treatment process may involve, for example, nitriding or forming a film on the surface layer of the Fe-based alloy using a PVD method, such as a nitride layer, a compound layer, or a ceramic coating layer. These surface treatment processes can form a coating on the surface layer of the Fe-based alloy that is harder than Fe-based alloys formed by additive manufacturing, thereby further strengthening the surface of the alloy component obtained by additive manufacturing and improving its wear resistance.
<製造物>
このようにして得られた合金部材を少なくとも一部に有する製造物は、特に限定しないが、例えばホットスタンプ用金型、冷間鍛造用金型及び冷間プレス金型に特に好適である。この場合、例えば金型の表面の一部が損傷しても、損傷部分にのみ肉盛りにより本発明の合金層を形成することで、容易に補修を行うことができる。この際、本実施形態にかかるFe基合金で補修された金型は、クラックが発生しにくく、靭性や耐ヒートクラック性に優れる。
<Product>
The manufactured product having at least a part of the alloy member thus obtained is not particularly limited, but is particularly suitable for, for example, a hot stamping die, a cold forging die, and a cold pressing die. In this case, even if a part of the surface of the die is damaged, the damaged part can be easily repaired by forming an alloy layer of the present invention by buildup only on the damaged part. In this case, the die repaired with the Fe-based alloy according to this embodiment is less susceptible to cracking and has excellent toughness and heat crack resistance.
目的とする組成の造形体が得られるように、表1に示す各元素の原材料を所定量計量し、混合してなる原材料をるつぼに装填し、真空中で高周波溶解し、るつぼ下のノズルから溶融した合金を落下させ、高圧アルゴンで噴霧することによりガスアトマイズ粉を作製した。このガスアトマイズ粉を分級して53~106μmのFe基合金粉末を得た。得られたFe基合金粉末の組成を表1に、その粒度分布を表2に示す。 To obtain a shaped body with the desired composition, the raw materials for each element shown in Table 1 were weighed out in predetermined amounts, mixed, and loaded into a crucible. The raw materials were then melted using high-frequency induction in a vacuum, and the molten alloy was dropped from a nozzle below the crucible and sprayed with high-pressure argon to produce gas-atomized powder. This gas-atomized powder was then classified to obtain Fe-based alloy powder with a particle size of 53 to 106 μm. The composition of the resulting Fe-based alloy powder is shown in Table 1, and its particle size distribution in Table 2.
次に、指向性エネルギー堆積方式の3次元付加製造装置(DMG森精機社製 LASERTEC65 3D Hybrid)を用いて、ベースプレート上にレーザ照射によって形成した溶融池に原料粉末を供給し、高速溶融・急冷凝固させて、幅3mm、長さ80mm、積層高さ約10mmの造形体を作製した。付加製造条件は次の通りとした。ベースプレートには、マルエージング鋼(プロテリアル社製YAG300(YAGは株式会社プロテリアルの登録商標)を用いた。Next, using a directed energy deposition 3D additive manufacturing device (LASERTEC65 3D Hybrid manufactured by DMG Mori Seiki Co., Ltd.), raw material powder was supplied to a molten pool formed by laser irradiation on a base plate, where it was rapidly melted and rapidly solidified to produce a shaped object measuring 3 mm in width, 80 mm in length, and approximately 10 mm in height. The additive manufacturing conditions were as follows: Maraging steel (YAG300 manufactured by Proterial Co., Ltd. (YAG is a registered trademark of Proterial Co., Ltd.)) was used for the base plate.
・積層造形する際の一層厚さ:0.47mm
・レーザビーム径:約3mm
・レーザ出力:2400W
・レーザ走査速度:600mm/s
・エネルギー密度:240J/mm
・ Layer thickness when additive manufacturing: 0.47 mm
・Laser beam diameter: approx. 3 mm
Laser output: 2400W
Laser scanning speed: 600 mm/s
Energy density: 240 J/mm
造形体としては、熱処理を行った造形体と熱処理を行っていない造形体を評価した。焼入れのみ施した造形体をF1、焼入れと焼戻し処理とを施した造形体をF2、熱処理を行っていない造形体をF3、焼戻し処理のみ施した造形体をF4とした。焼入れ処理は、1200℃で0.5時間保持し、その後、油中で冷却した。焼戻し処理は、560℃で4時間保持し、その後、空気冷却した。 The shaped bodies evaluated were those that had undergone heat treatment and those that had not. The shaped body that had undergone only quenching was designated F1, the shaped body that had undergone quenching and tempering was designated F2, the shaped body that had not undergone heat treatment was designated F3, and the shaped body that had undergone only tempering was designated F4. The quenching treatment involved holding the body at 1200°C for 0.5 hours, followed by cooling in oil. The tempering treatment involved holding the body at 560°C for 4 hours, followed by air cooling.
まず、造形体F1及びF2について、SEMを用いて観察、評価した。評価用の試験片は、造形体の一部を小片に切断して樹脂に包埋したのち、包埋した造形体の切断面を鏡面まで研磨仕上げしたものを準備した。観察倍率は3000倍で行った。分析元素は、C、Co、Cr、Fe、Mo、V、W、Oの8種類とした。First, the molded bodies F1 and F2 were observed and evaluated using an SEM. Test specimens for evaluation were prepared by cutting a portion of the molded body into small pieces and embedding them in resin, then polishing the cut surface of the embedded molded body to a mirror finish. Observation was performed at a magnification of 3000x. Eight elements were analyzed: C, Co, Cr, Fe, Mo, V, W, and O.
図2A~図2Eに、取得したSEM像の一例を示す。図2Aは熱処理として焼入れ処理のみを行った造形体F1、図2Bは焼入れと焼戻し処理とを行った造形体F2のSEM像である。図2Cは熱処理を行っていない(熱処理なし)造形体F3、図2Dは焼戻し処理のみを行った造形体F4、図2Eは同組成の合金であるが従来の粉末冶金法による鍛圧材F0(粉体を焼結して鍛圧し、熱処理(焼入れ処理及び焼戻し処理)を施したSEM像である。 Figures 2A to 2E show examples of acquired SEM images. Figure 2A is an SEM image of a shaped body F1 that underwent only quenching as a heat treatment, and Figure 2B is an SEM image of a shaped body F2 that underwent quenching and tempering. Figure 2C is an SEM image of a shaped body F3 that did not undergo heat treatment (no heat treatment), Figure 2D is an SEM image of a shaped body F4 that underwent only tempering, and Figure 2E is an SEM image of a forged material F0 (powder sintered, forged, and then heat-treated (quenching and tempering)) made using a conventional powder metallurgy method, which is an alloy of the same composition.
図2A~図2Eを参照することで、灰色の濃淡で示される組織を確認することができるが、前述の方法でフェーズマップを取得し、さらにその視野内において元素分析を実施した。ここで、視野の面積(視野領域ともいう)は200μm×200μmとした。 Referring to Figures 2A to 2E, the structure indicated by the gray shades can be seen. A phase map was obtained using the method described above, and elemental analysis was then performed within the field of view. Here, the area of the field of view (also referred to as the field of view area) was 200 μm x 200 μm.
表3に、焼入れと焼戻し処理とを施したF2の、Fe-BCC相と炭化物のそれぞれの組成を示す。なお、Fe-BCC相は図2BのA部、析出炭化物(単に炭化物という場合がある)は図2BのB部の位置を分析した。また、熱処理を行っていない(熱処理なし)F3のFe-BCC相について、図2CのC部の位置を分析した結果を表4に示す。
また、F0について、Fe-BCC相を図2EのD部、炭化物を図2EのE部の位置で分析を行った結果を表5に示す。
Table 3 shows the compositions of the Fe-BCC phase and carbides of F2, which was quenched and tempered. The Fe-BCC phase was analyzed at the position A in FIG. 2B, and the precipitated carbides (sometimes simply referred to as carbides) were analyzed at the position B in FIG. 2B. Table 4 also shows the results of an analysis of the Fe-BCC phase of F3, which was not heat-treated (no heat treatment), at the position C in FIG. 2C.
For F0, the Fe-BCC phase was analyzed at the position D in FIG. 2E, and the carbides were analyzed at the position E in FIG. 2E. The results are shown in Table 5.
表3に示す通り、F2について、Fe-BCC相、炭化物ともにFeを主に含んでいた。Fe-BCC相におけるC、Cr、W、Mo、V及びCoは、Cが5.0%、Crが4.2%、Wが1.8%、Moが2.1%、Vが1.1%、Coが1.3%、Feが84.5%であり、Cが3%~7%、Crが2%~6%、Wが0.5%~4%、Moが0.5%~4%、Vが0.5~4%、Feが75%~90%の範囲内であった。炭化物は、Cが8.9%、Crが4.8%、Wが2.5%、Moが3.3%、Vが2.5%、Feが78.1%であった。また、電子線照射時に発生する電子回折パターンをEBSDにより測定し、Fe-BCC相がBCC構造であることを把握した。As shown in Table 3, for F2, both the Fe-BCC phase and the carbides contained primarily Fe. The C, Cr, W, Mo, V, and Co contents in the Fe-BCC phase were 5.0% C, 4.2% Cr, 1.8% W, 2.1% Mo, 1.1% V, 1.3% Co, and 84.5% Fe, with the C being within the ranges of 3%-7%, 2%-6%, W 0.5%-4%, Mo 0.5%-4%, V 0.5%-4%, and Fe 75%-90%. The carbides contained 8.9% C, 4.8% Cr, 2.5% W, 3.3% Mo, 2.5% V, and 78.1% Fe. Furthermore, the electron diffraction pattern generated upon electron beam irradiation was measured by EBSD, and it was found that the Fe-BCC phase had a BCC structure.
表4に示す通り、F3について、Fe-BCC相におけるC、Cr、W、Mo、V及びCoは、Cが4.9%、Crが4.2%、Wが1.9%、Moが2.2%、Vが1.2%、Coが1.3%、Feが84.5%であり、Cが3%~7%、Crが2%~6%、Wが0.5%~4%、Moが0.5%~4%、Vが0.5~4%、Feが75%~90%の範囲内であった。炭化物は、それが占める面積が小さく、分析装置の分解能未満であったため、分析できなかった。F3に炭化物が析出しなかった要因の一つとしては、熱処理を行わなかったことで、炭化物の分解、Fe-BCC相内へのCの固溶や拡散が起こりにくく、Cr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合するCが不足することで炭化物が形成されにくいことが考えられる。 As shown in Table 4, for F3, the C, Cr, W, Mo, V, and Co contents in the Fe-BCC phase were 4.9% C, 4.2% Cr, 1.9% W, 2.2% Mo, 1.2% V, 1.3% Co, and 84.5% Fe, with C falling within the ranges of 3% to 7%, 2% to 6%, W 0.5% to 4%, Mo 0.5% to 4%, V 0.5% to 4%, and Fe 75% to 90%. Carbides could not be analyzed because the area they occupied was small and below the resolution of the analytical equipment. One of the reasons why carbides did not precipitate in F3 is thought to be that the absence of heat treatment made it difficult for carbides to be decomposed and for C to dissolve and diffuse into the Fe-BCC phase, resulting in a shortage of C to bond with carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V, making it difficult for carbides to be formed.
次に、Fe-BCC相内の析出炭化物の円相当平均粒径を算出した。F1~F4及びF0について、Fe-BCC相および析出炭化物の割合とFe-BCC相内の析出炭化物の円相当平均粒径を表6に示す。Next, the circle-equivalent average particle size of precipitated carbides within the Fe-BCC phase was calculated. Table 6 shows the ratio of the Fe-BCC phase and precipitated carbides, as well as the circle-equivalent average particle size of precipitated carbides within the Fe-BCC phase, for F1 to F4 and F0.
表6に示す通り、Fe-BCC相の割合について、F1~F4はいずれも96.0%以上であり、焼入れ処理のみを行ったF1では99.4%、焼入れ処理及び焼戻し処理の両方とも行ったF2では99.5%、焼入れ処理及び焼戻し処理のいずれも行っていない(熱処理なし)F3では99.8%、焼戻し処理のみを行ったF4では99.9%であった。 As shown in Table 6, the proportion of the Fe-BCC phase was 96.0% or more for all of F1 to F4, 99.4% for F1, which was subjected to only quenching treatment, 99.5% for F2, which was subjected to both quenching and tempering treatment, 99.8% for F3, which was not subjected to quenching or tempering treatment (no heat treatment), and 99.9% for F4, which was subjected to only tempering treatment.
また、造形体F1~F4の析出炭化物の割合について、F1は0.27%、造形体F2は0.38%であり、析出炭化物がFe-BCC相内に適度に析出していることを確認した。一方、F3は0.012%、F4は0.009%であり、Fe-BCC相内の析出炭化物の割合がF1とF2と比較しても少ないことを確認した。 Furthermore, the proportion of precipitated carbides in the formed bodies F1 to F4 was 0.27% for F1 and 0.38% for F2, confirming that the precipitated carbides were moderately precipitated within the Fe-BCC phase. On the other hand, the proportions were 0.012% for F3 and 0.009% for F4, confirming that the proportion of precipitated carbides within the Fe-BCC phase was lower than that of F1 and F2.
また、析出炭化物の円相当平均粒径について、F1及びF2では1.08μmであり、微細化されていることを確認した。また、F3は0.58μm、F4は0.50μmであり、F3及びF4についても析出炭化物が微細化されていることを確認した。 The circle-equivalent average particle size of precipitated carbides was 1.08 μm for F1 and F2, confirming refinement. Furthermore, it was 0.58 μm for F3 and 0.50 μm for F4, confirming refinement of precipitated carbides for F3 and F4 as well.
析出炭化物の割合について、F1及びF2がF3及びF4に対して大きい要因としては、熱処理の有無により炭化物の析出量に差異が生じたと推測できる。F3及びF4は、焼入れ処理を行わなかったことで、炭化物の分解、Fe-BCC相内へのCの固溶や拡散が起こりにくく、Fe基合金中に含有しているCr、W、Mo及びV等の炭化物形成元素と結合するCが不足することで炭化物が形成されにくいことが要因として考えられる。そのため、F3及びF4は、炭化物が形成されにくいことで析出炭化物の割合および析出炭化物の円相当平均粒径が小さくなった要因であると考える。 The reason why the proportion of precipitated carbides in F1 and F2 is larger than that in F3 and F4 is presumably due to differences in the amount of precipitated carbides depending on whether or not heat treatment was performed. The absence of quenching in F3 and F4 likely makes it difficult for carbides to decompose, or for C to dissolve or diffuse into the Fe-BCC phase, resulting in a lack of C to bond with carbide-forming elements such as Cr, W, Mo, and V contained in the Fe-based alloy, making it difficult for carbides to form. Therefore, it is believed that the difficulty in forming carbides in F3 and F4 is the reason for the smaller proportion of precipitated carbides and the smaller average circle-equivalent particle size of precipitated carbides.
また、F0とF1及びF2とを比較した場合、本実施例のように付加製造方法を用いて作製したF1やF2は、合金粉末が溶融してすぐに冷却されて凝固するため、析出炭化物の析出速度に対して冷却速度が速い。冷却速度が速いことで析出炭化物が生成できる温度範囲の保持時間が短くなり、F0に比べて、熱処理前状態の合金(造形体)内部に形成される炭化物量がそもそも少ないことが要因の一つと考えられる。 Furthermore, when comparing F0 with F1 and F2, F1 and F2, which were produced using additive manufacturing methods like those used in this example, have a faster cooling rate relative to the precipitation rate of precipitated carbides, because the alloy powder melts and then quickly cools and solidifies. This faster cooling rate shortens the holding time in the temperature range where precipitated carbides can form, which is thought to be one of the reasons why the amount of carbides formed inside the alloy (shaped body) before heat treatment is smaller than that of F0.
以上、造形体F1~F4は析出炭化物の円相当平均粒径が小さいことから、析出炭化物が微細化されていることで、クラックが発生しにくく、靭性や耐ヒートクラック性に優れたFe基合金となる。また特に、造形体F1及びF2は、析出炭化物の円相当平均粒径が1.08μmであり、析出炭化物が適度に微細化されていることで耐摩耗性にも優れたFe基合金といえる。また、Fe-BCC相の割合について、鍛圧材F0が95.7%であるのに対し、造形体F1~F4は99%以上であるため組織がより均一である。したがって、例えば外部からの応力によって局所的に歪みが発生しにくいためクラックが発生しにくいことが期待できる。As described above, the circular equivalent average particle size of the precipitated carbides in the formed bodies F1 to F4 is small, and the fineness of the precipitated carbides makes them less susceptible to cracking, resulting in an Fe-based alloy with excellent toughness and heat crack resistance. Furthermore, the circular equivalent average particle size of the precipitated carbides in formed bodies F1 and F2 in particular is 1.08 μm, and the moderate fineness of the precipitated carbides makes them an Fe-based alloy with excellent wear resistance. Furthermore, while the proportion of the Fe-BCC phase in the forged material F0 is 95.7%, the proportion of the Fe-BCC phase in formed bodies F1 to F4 is over 99%, resulting in a more uniform structure. Therefore, for example, it can be expected that localized distortion due to external stress is less likely to occur, making them less susceptible to cracking.
[硬さ]
ビッカース硬さ測定機を用いて、得られた造形体の硬さを測定した。測定点数は5点とし、その平均値を求めた。結果を表7に示し、鍛圧材との比較を図3に示す。
[Hardness]
The hardness of the resulting molded body was measured using a Vickers hardness tester. Measurements were made at five points, and the average value was calculated. The results are shown in Table 7, and a comparison with the forged material is shown in Figure 3.
表7に示す通り、焼入れ処理のみを行った造形体F1では600HV、焼入れと焼戻し処理とを行った造形体F2では578HVであることを確認した。熱処理を行っていない(熱処理なし)造形体F3では409HV、焼戻し処理のみを行った造形体F4では408HVとなった。このことから、耐摩耗性を向上させたい場合、造形体F1やF2のように造形体に焼入れ処理を行うことが好ましいことを確認した。 As shown in Table 7, the hardness of the shaped body F1, which was subjected to only quenching treatment, was 600 HV, and the hardness of the shaped body F2, which was subjected to quenching and tempering treatment, was 578 HV. The hardness of the shaped body F3, which was not subjected to heat treatment (no heat treatment), was 409 HV, and the hardness of the shaped body F4, which was subjected to only tempering treatment, was 408 HV. From this, it was confirmed that if it is desired to improve wear resistance, it is preferable to harden the shaped body, as with shaped bodies F1 and F2.
なお、前述したように、焼入れ処理のみを行った造形体F1、焼入れと焼戻し処理とを行った造形体F2、熱処理を行っていない(熱処理なし)造形体F3、焼戻し処理のみを行った造形体F4では、表6に示すように、Fe-BCC相の割合が99%以上であるため組織が均一である。したがって、例えば外部からの応力によって局所的に歪みが発生しにくいためクラックが発生しにくいことが期待できる。更には、焼入れ処理のみを行った造形体F1及び焼入れと焼戻し処理とを行った造形体F2は、表6に示すように、析出炭化物の円相当平均粒径が1.08μmと適度に微細化されているため、クラックが発生しにくく、靭性や耐ヒートクラック性に優れることに加えて、耐摩耗性にも優れることが期待できる。As mentioned above, the shaped body F1, which underwent only quenching, the shaped body F2, which underwent quenching and tempering, the shaped body F3, which was not heat-treated (no heat treatment), and the shaped body F4, which underwent only tempering, have a homogeneous structure due to the proportion of Fe-BCC phase of 99% or more, as shown in Table 6. Therefore, it can be expected that cracks will not occur because localized distortion due to external stress, for example, will not occur easily. Furthermore, as shown in Table 6, the shaped body F1, which underwent only quenching, and the shaped body F2, which underwent quenching and tempering, have a moderately fine circle-equivalent average particle size of 1.08 μm for precipitated carbides, which will be less likely to crack and will be expected to have excellent toughness, heat crack resistance, and wear resistance.
1・・・付加製造装置
3・・・粉末供給ノズル
5・・・フォーカシングレンズ
7・・・保護レンズ
9・・・レーザビーム
11・・・合金粉末
13・・・溶融池
15・・・造形体
17・・・ベースプレート
50・・・Fe-BCC相
52・・・微細な析出物
1...additive manufacturing apparatus 3...powder supply nozzle 5...focusing lens 7...protective lens 9...laser beam 11...alloy powder 13...molten pool 15...shaped body 17...base plate 50...Fe-BCC phase 52...fine precipitates
Claims (9)
質量%で、
Cが0.1%以上2%以下、
Crが2%以上6%以下、
Wが0.5%以上4%以下、
Moが0.5%以上4%以下、
Vが0.5%以上4%以下、
Siが1.0%以下、
Mnが1.0%以下、Coが4%以下含み、残部がFe及び不可避不純物元素からなり、
Fe-BCC相を含む合金組織を有し、
前記Fe-BCC相中に析出した析出炭化物を有し、
前記析出炭化物の円相当平均粒径が1.30μm以下であり、
前記Fe-BCC相、Fe-FCC相およびゼロソリューション部分の面積を合計したものを総面積としたとき、
前記析出炭化物の割合が、前記ゼロソリューション部分の面積を総面積で割った面積率で、0.38%以下であり、
前記Fe-BCC相が、面積率で、前記合金組織の96%以上である
ことを特徴とするFe基合金。 including C, Cr, W, Mo and V;
In mass%,
C is 0.1% or more and 2% or less,
Cr is 2% or more and 6% or less,
W is 0.5% or more and 4% or less,
Mo is 0.5% or more and 4% or less,
V is 0.5% or more and 4% or less,
Si is 1.0% or less,
containing 1.0% or less of Mn, 4% or less of Co, and the balance being Fe and inevitable impurity elements;
having an alloy structure including an Fe-BCC phase,
The alloy has precipitated carbides precipitated in the Fe-BCC phase,
The precipitated carbides have an equivalent circle average particle size of 1.30 μm or less,
When the total area is the sum of the areas of the Fe-BCC phase, the Fe-FCC phase, and the zero solution portion,
The proportion of the precipitated carbides is 0.38% or less in terms of an area ratio obtained by dividing the area of the zero solution portion by the total area ,
The Fe-BCC phase accounts for 96% or more of the alloy structure in terms of area ratio.
9. The article of manufacture according to claim 8, which is a warm forging die, a die casting die, a hot stamping die, a cold forging die or a cold pressing die.
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