JP2001505617A - 合金鋼、鋼製品及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 重量％で下記の組成を有する合金鋼：０．０７５−０．１５のＣ、痕跡から最高で１．０までのＳｉ、１−３のＭｎ、２−５のＣｒ、１−４のＮｉ（但し合計量Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≧６である）、０．１−１．０のＭｏ（これは全量又は少なくとも１部が倍量のＷで置き換えられていてもよい）、最高で０．０１５のＰ、最高で０．０２のＳ、本質的に鉄と不純物のみよりなる残量及び通常的量の付随元素。

Description

【発明の詳細な説明】 合金鋼、鋼製品及びその使用方法技術分野 本発明は、特定の化学組成を有する合金鋼、この合金鋼で作られた鋼製品及び この鋼製品の使用方法に関する。本発明は特に、この鋼製品をプラスチック材料 成形装置を作るのに使用する方法に関する。発明の背景 組み合わせることの困難な多くの要求がプラスチック材料を成形する装置の作 製のための材料に対して持ち上がっている。これらの要求の中で、まず第１に下 記をあげるべきであろう： ○ その製品の物理的寸法にかかわりなく、型空洞は通常、鋼片の芯から掘り取 らなければならないために、重要な特徴である、高く、かつ均等な硬度及び それに伴う強度 ○ 非常に高い硬化可能性、すなわち非常に大きな寸法においても硬化される能 力 ○ その鋼片全体を通じての非常に均質な諸特性 ○ プラスチック材料の成形型はしばしば、生産能力を高めるために各成形の間 でその成形型を冷却するための冷却通路が設けられているので、室温におい てのみならず低温においても示される高い靱性 ○ 良好な機械的加工性及び同様に良好な放電加工性（ＥＤＭ） ○ 良好な溶接性 ○ 良好なケース硬化性、及びイオン窒化により表面硬化されるための能力のよ うな表面窒化能を含む良好な表面硬化能 熱処理を単純化するために、そして可能な場合に総合製造経費に実質的に影響 を及ぼし、かつその材料の中の亀裂その他の欠陥をも生じ得るような硬化及び焼 戻しを完全に除くことも望ましい。 従来、上記の要求条件を最良に満足させた材料として認められている材料は、 数十年来、商標ＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵＰＲＥＭＥのもとに知られている材 料であって、これは下記の公称組成：すなわち、０．３７のＣ、０．３のＳｉ、 １．４のＭｎ、２．０のＣｒ、１．０のＮｉ、０．２のＭｏ、０．００８のＳ、 残量の鉄及び不可避不純物並びに付随元素の組成を有する。この材料はその引渡 し条件において２９０−３３０ＨＢまで軟硬化されている。しかしながら、次第 に、ＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵＰＲＥＭＥが提供できるよりもより良好な性能 を有するプラスチック材料成形装置に対する要求が持ち上がってきている。中で も、良好な硬化能、寸法に依存しない高くてより均一な硬度、良好な溶接性及び 放電加工性並びに良好な靱性が望まれている。 過去において、中でもパイプやチェーン、特に錨用チェーンを対象とした、公 称組成０．０５Ｃ、０．３Ｓｉ、２．０Ｍｎ、３．０Ｃｒ、１．５Ｎｉ、０．３ Ｍｏ、残量の鉄及び不可避的不純物を有する鋼がプラスチック材料の成形用装置 にも利用できるであろうことが示唆されている。しかしながらこの鋼材は上述の 特性の仕様を満足させることができておらず、そして本出願人の知るかぎりにお いてプラスチック材料の成形用の鋼材として使用されたことはない。発明の簡単な説明 本発明の目的は、上述した各特性の組み合わせを満足させる合金鋼及び鋼製品 を提供することである。この発明はまた、上述したＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵ ＰＲＥＭＥ並びに従来のプラスチック材料成形装置用鋼材よりもより合理的な態 様で製造することのできる材料を提供することをも目的とする。本発明は特に、 硬化して焼戻す必要はないけれども、鍛造及び／又はローリングによってブロッ ク材、棒材又は板材の形に仕上げ熱加工した後で冷却した後にその鋼が得るよう な組織で使用することのできる鋼材を提供することである。これら及び他の目的 は、その鋼材が添付の請求の範囲にあげた組成を有し、その際その鋼材は、仕上 げ熱加工して室温に冷却した後で、その物理的寸法に無関係にその鋼片全体を通 じて均一な組織になり、その際この組織は典型的に３５０−３８０ＨＢの範囲に ある硬度を有するいわゆる低炭素ラス状マルテンサイトよりなることによって達 成することができる。 以下に、個々の元素及びそれらの相互作用の重要性を説明する。鋼材の化学組 成についての全ての％の値は別に言及しない限り重量％である。 炭素は、その鋼材が所望の硬度と強度とに達するために、その鋼材の中に少な くとも０．０７５％、好ましくは少なくとも０．０８％、そして適切には少なく とも０．０９％の量で存在するべきである。この炭素含有量は０．１５％を超え てはならない。もしこの炭素含有量がより高い場合にはこの鋼材は熱加工温度か ら室温まで冷却した後で、余りに硬くかつ脆いので加工するのが困難である。こ れに代わる処置はその鋼材を焼戻しすることであろうが、しかしながらこれは、 望ましくない、かつプラスチック材料成形用の装置をいかなる熱処理をも行なわ ずに製造するためにその鋼材を使用できると言う望みに逆行する余分の費用をも たらすであろう。好ましくはこの鋼材は０．１２％よりも多いＣを含むべきでな い。この鋼の公称Ｃ含有量は０．１０％である。 珪素は本発明に従う鋼において必須の元素ではないけれども、通常その鋼の溶 湯の脱酸素からの残留分として存在する。しかしながらこの鋼材は０．１％より も多いＳｉを含むべきではない。通常、この鋼材は痕跡から最高で１．０％まで のＳｉを含む。 マンガン、クロム及びニッケルはこの鋼材に良好な硬化可能性を与えるために 貢献する元素であって、合計して少なくとも６％の量で存在するべきである。 マンガンは少なくとも１％の量で存在するべきである。もしマンガン含有量が より低いときは、その鋼材は、ニッケル及び／又はクロムのより高い含有量によ って補償することができないような低過ぎる硬化可能性を有することになる。し かしながらこの鋼材は３％よりも多いマンガンを含んではならない。もしマンガ ンの含有量がより高い場合には、焼戻し脆性の危険が存在し、そして従ってその 鋼材をプラスチック材料の成形装置に使用したときに粒界破壊の危険がある。 クロムはこの鋼材の中に少なくとも２％の量で存在するべきである、もしクロ ムの含有量がより低い場合には、この鋼材はマンガン及び／又はニッケルのより 高い量によって完全に補償できないような低過ぎる硬化可能性を有することにな る。しかしながらこの鋼材は５％よりも多いクロムを含んではならず、好ましく は最高で３％のクロムである。この含有量がより高い場合には、その鋼材が冷却 の後で、本発明によれば低炭素のラス状マルテンサイトよりなるべきその組織の 中に重大なフェライトの含有量を含むことになる。最適のクロム含有量は３％で ある。 ニッケルもこの鋼材の硬化可能性に貢献するが、しかしながらこれはまず第一 に所望の靱性に貢献するものである。従ってこの鋼材は少なくとも１％のＮｉ、 好ましくは少なくとも１．５％のＮｉを含むべきである。その低い方のＮｉ含有 量は燐の極端に低い含有量において許容されることができ、一方、高い方のＮｉ 含有量は、まず第１に経費上の理由で決定される。そのためにその鋼材は最高で ４％のＮｉ、好ましくは最高で３％のＮｉを含むべきである。最適の含有量は２ ％のＮｉである。 モリブデンは、中でも緩速冷却の場合にこの鋼材の靱性に好ましい影響を与え る元素であり、そして少なくとも１％、好ましくは少なくとも０．２％の量で存 在するべきである。より高いモリブデン量は、クロムの場合よりも高い度合いで フェライトの形成の危険をもたらし、そのためにモリブデン含有量は最高で１％ まで、好適には最高で０．５％までであり、或いはより好都合には最高で０．４ ％までである。最適のモリブデン含有量は０．３％である。 燐は脆化をもたらすことのある元素である。この障害的影響はニッケル及び／ 又はモリブデンによってある程度まで補償することができる。しかしながら燐は ０．０１５％よりも高い含有量で存在してはならない。好ましくは燐含有量は最 高で０．０１２％、好ましくは最高で０．０１０％である。 硫黄も脆化をもたらす元素であり、従って０．０２％を超える含有量で存在し てはならない。しかしながら硫黄は機械加工性を改善し、従ってその観点から好 ましい元素の１つとして或る量で存在していてもよい。その鋼材の機械加工性の 適切な改善を達成するために、硫黄含有量は少なくとも０．００５％であるべき である。最適の硫黄含有量は０．００５−０．０１０％である。 タングステンは通常、その鋼材の中に存在するべきでない元素の１つであり、 と言うのはこれは高価であり、かつ廃材リサイクルをも複雑にするからである。 しかしながら原則としてタングステンはモリブデンの代替物として許容されるこ とができ、２倍量のタングステンがモリブデンを全量又は部分的に置き換える。 アルミニウムは溶融金属の脱酸処理からの残留分として或る不純物水準で存在 していてもよい。 バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウムのような強いカーバイ ド形成元素は不純物水準を超える水準で鋼材の中に存在するべきではない。図面の簡単な説明 以下に、本発明を実施した実験及び達成された結果の記述によってより詳細に 説明する。このなかで添付の図面を参照するが、これらにおいて 第１図は、試験された合金の若干の代表的なものから作られ、そして異なった 熱処理を受けた棒材の硬度を示し、 第２図は、第１図に従う同じ材料の衝撃強さを示し、 第３図は本発明に従う鋼材の顕微鏡組織を示し、 第４図は本発明の鋼材と、及び照合鋼材とからそれぞれ作られた比較的細い棒 材の衝撃強さを示し、そして 第５図は本発明の鋼材及び照合鋼材よりそれぞれ作られた比較的大きな寸法を 有する材料の衝撃強さを示す。実施された実験 ５０ｋｇの実験室溶融物を多数作った。それぞれ重量％及びｐｐｍで表わした 化学組成を第１表にあげる。各インゴットを約１２００℃に加熱し、そして次に その鋼材のオーステナイト状態において６０×４０ｍｍの方形の寸法を有する棒 材の形に再熱することなく鍛造した。仕上げ鍛造の後でそれらの棒材をバーミキ ュライトの中で冷却させて、大きな鋼片がその鍛造温度から室温まで空気中で冷 却されるときに得られるような冷却速度に相当する冷却速度を達成するようにし た。室温に冷却した後でそれら試料は実質的に、切削工具によって加工するのが 比較的容易な構造である、いわゆる低炭素ラス状マルテンサイトよりなる均質な 顕微鏡組織を有した。 各試験材料を硬度、高焼戻し強度、焼戻し抵抗、摩耗抵抗及びCharpy V法に従 う長手方向の衝撃強さについて調べた。鋼番号１１、１２及び１３は３５０−３ ８０ＨＢの範囲の硬度の達成に関するかぎり、その予め設定した要求条件を室温 までの冷却以外に他のなんらの熱処理をも行なうことなく満足した。全ての試料 の衝撃強さは良好であった。 結果を第１図及び第２図のグラフに示す。第１図は、蛭石の中で冷却した６０ ×４０ｍｍのロッド材から取った試料の硬度を示す。各鋼材の左側の柱は熱処理 しなかったロッド材のものであり、次の柱は８５０℃において１０分間再熱し、 次いで空気中で冷却したロッド材のものであり、そして各右側の柱は８５０℃に おいて再熱し、次いで炉の中で１６時間にわたり２００℃に冷却させたロッド材 のものである。第３図はCharpy V法長さ試料の試験との関連においてあげたと同 じ熱処理を受けた試料の衝撃強さを示す。結果が報告されているそれら４つの鋼 材は、異なったニッケル、マンガン及び燐の含有量を有する鋼材についての代表 として選ばれたものである。報告された結果は３回の試験の平均値である。 次に、本発明に従う組成を有する鋼材で７０トンの現尺溶融物を作った。この 溶湯の分析値、すなわち鋳造前の溶融鋼材の組成は下記のようであり（重量％で 表わして）、残量は鉄及び他の不純物及び付随元素である： Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｔｉ Ｎｂ 0.087 0.39 1.77 0.005 0.007 3.22 1.98 0.28 0.02 0.002 Ｚｒ Ｖ Ａｌ Ｎ Ｆｅ 0.002 0.03 0.025 0.007 残量 この鋼から鋳造によっていくつかのインゴットを作った。これらのインゴット を鍛造又はローリングにより種々の寸法を有する棒材又はロッド材の形にした。 鋳造操作において錯誤により高炭素の鋳造粉末が用いられたが、これはその鋳造 材の炭素化をもたらした。その溶融物分析値と鋳造材の組成との間の炭素含有量 の違いのために、炭素含有量は最終ロッド材においても分析した。ローリングに 先立って各インゴットを１１２０℃に予熱した。最終パスの後で温度は全ての寸 法方向で約８９０℃であった。鍛造されたインゴットも１１２０℃に予熱した。 これらのインゴットを再熱した。それぞれローリングの後、及び鍛造の後でそれ ら棒材又はロッド材を空気中で冷却床の上で室温まで自由冷却させた。それらロ ッド材からマイクロ試料を取り、そして硬度を測定したが、この硬度は各ロッド 材の中心におけるそれを示す。下記の第２表の値が得られた。 全ての寸法方向の中央から取ったマイクロ試料の金相学的組織も調べた。全て の場合にその組織はラス状マルテンサイトよりなっていた。第３図に例の１つを 示す。 この鋼材の引渡し条件における衝撃強さをCharpy V法に従って試験したが、そ の際各試料はそのロッド材の長手方向及び横断方向の中央から取った。第４及び ５図は、本発明に従う異なった寸法を有する若干の棒材の靱性を示し、そして比 較として市販の鋼ＩＭＰＡＸＲＳＵＰＲＥＭＥの等級についての衝撃強さのグラ フも含めた。この照合材料の組成は、この明細書の初めにあげられている。第４ 及び５図から、本発明に従う材料の靱性が細い断面のもの及び大きな断面のもの においてＩＭＰＡＸＲＳＵＰＲＥＭＥのそれよりも本質的に良好であることが明 らかである。 表面硬化可能性も種々の表面窒化法により試験したが、これは下記のようであ った： ○ ガス窒化：５１０℃、１０時間、３０時間、及び６０時間 ○ プラズマ窒化：（２５％Ｎ₂、７５％Ｈ₂）４８０℃、１０時間、３０時間 、及び６０時間 ○ ガス中ニトロカーバイド化：（５２％Ｎ₂、４３％ＮＨ₂、５％ＣＯ₂）５ ８０℃、１５０分間 ○ 塩浴（Ｔｅｎｉｆｅｒ）の中でのニトロカーバイド化：５８０℃、６０分 間 下記の結果が得られた： 窒化深さ 窒化法 IMPAX Ｒ SUPREME 本発明 プラズマ窒化 １０時間 0.15mm 0.13mm ３０時間 0.26mm 0.25mm ６０時間 0.37mm 0.33mm ガス窒化 １０時間 0.18mm 0.16mm ３０時間 0.31mm 0.28mm ６０時間 0.41mm 0.39mm ガス中ニトロカーバイド化 0.25mm 0.20mm 塩浴中ニトロカーバイド化 0.13mm 0.11mm 表面下約 30μmにおける硬度 窒化法 IMPAX Ｒ SUPREME 本発明 プラズマ窒化 750MHV 950MHV ガス窒化 750MHV 950MHV ガス中ニトロカーバイド化 600MHV 800MHV 塩浴中ニトロカーバイド化 650MHV 900MHV

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 重量％で下記の組成を有することを特徴とする合金鋼： Ｃ ０．０７５ − ０．１５ Ｓｉ 痕跡ないし最高で１．０ Ｍｎ １ − ３ Ｃｒ ２ − ５ Ｎｉ １ − ４ （但し合計量 Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≧６である） Ｍｏ ０．１ − １．０ （これは全量又は１部が倍量のＷで置き換えられていてもよい） Ｐ 最高で ０．０１５ Ｓ 最高で ０．０２ 本質的に鉄、不純物及び付随的元素のみよりなる残量。 ２． 少なくとも０．０８、好ましくば少なくとも０．０９のＣを含む、請求の 範囲１に従う合金鋼。 ３． 最高で０．１２のＣを含むことを特徴とする、請求の範囲１又は２に従う 合金鋼。 ４． １．５−４のＣを含むことを特徴とする、請求の範囲１に従う合金鋼。 ５． １．５−３のＮｉを含むことを特徴とする、請求の範囲１に従う合金鋼。 ６． ０．２−０．５のＭｏを含むことを特徴とする、請求の範囲１に従う合金 鋼。 ７． 最高で０．０１２、好ましくは最高で０．０１０のＰを含むことを特徴と する、請求の範囲１に従う合金鋼。 ８． 最高で０．００５−０．０１のＳを含むことを特徴とする、請求の範囲１ に従う合金鋼。 ９． 請求の範囲１ないし８のいずれか１つに従う化学組成を有する合金鋼より なるプロック、棒剤、ロッド又は板材の形の鋼製品において、この製品に鋳造及 びその鋼のオーステナイト状態における可塑性熱処理によってプロック、棒剤又 は板材の形状が与えられ、その後でその鋼は室温まで冷却されるけれども、しか しながら引き続いて硬化及び／又は焼戻しによる形のいかなる熱処理も受けない こと、及びその製品が少なくとも９５容積％までラス状マルテンサイトよりなる 均質な微細構造を有することを特徴とする、上記鋼製品。 １０． その構造が実質的にラス状マルテンサイトよりなることを特徴とする、 請求の範囲９に従う鋼製品。 １１． 請求の範囲１ないし８のいずれかに従う合金鋼をプラスチック材料成形 装置を作る材料として使用する方法。 １２． 請求の範囲９又は１０に従う鋼製品をプラスチック材料成形装置を作る ために使用する方法。