JP2002528646A - スチール、該スチールの使用、該スチール製の製品および該スチールの製造方法 - Google Patents
スチール、該スチールの使用、該スチール製の製品および該スチールの製造方法Info
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Abstract
Description
て、それらの特性の少なくとも一部が望まれる利用分野での製品製造において、
好ましくは少なくとも500℃までの温度での使用を意図した工具の製造におい
て利用可能なスチールに関する。本発明はさらに、そのスチールの使用、そのス
チール製の製品およびそのスチールの製造方法に関するものでもある。
曝される成形工具および機械部品に関して、ならびに鍛造工具、バルブなどに関
しては、一般に熱間加工鋼または高速度鋼が使用される。熱間加工鋼の中でもそ
れは主として、AISI H13型のスチールであり、高速度鋼の中では主とし
てAISI M2が主として使用される。いずれも従来品であり、50年以上前
から知られている。H13およびM2も多くの改良品が提案されており、ある程
度は使用されているが、従来のH13およびM2スチールがやはりその利用分野
では支配的である。
耗性を有するスチールを提供することにある。別の目的は、熱間加工用途におけ
る従来型の支配的なスチールと比較して高い硬度および靭性をスチールに持たせ
ることにある。さらに別の目的は、高速度鋼の代表的な特性である、高い高温硬
度および高温での焼き戻しに対する耐性を有するようにして、熱間加工鋼として
およびPVD技術を用いるコーティング用基材として好適な材料とすることにあ
る。しかしながら、その点に関してのさらなる本発明の目的は、M2型の高速度
鋼などの従来の高速度鋼より、タングステンおよびモリブデンなどの高価な合金
成分の含有量が低いスチールとすることにある。本発明のさらに別の目的は、軟
アニール状態でスチールに良好な作業性を持たせ、さらにはスチールを焼入れ状
態で加工(例:研磨)することができるようにすることにある。
1に記載の化学組成を有し、それが1.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を
含有し、Mは実質的にバナジウムのみからなり、該バナジウムがスチールのマト
リクス中で均一に分布しているということで達成することができる。
で、好ましくはいわゆるASP(登録商標)法を用いることで行うことができる
。それには、スチールとなるべき化学組成を有するスチール溶融物を製造する段
階がある。溶融金属流のガス霧化、すなわち溶融金属流に向かう不活性ガスのジ
ェットによって溶融金属を細かくして小滴とし、その小滴が急速に冷却されるこ
とで固化して、不活性ガスからの自由落下時に粉末粒子を形成することにより、
公知の方法で溶融物から粉末が製造される。篩い分けした後、粉末をカプセルに
入れ、そのカプセルを低温圧縮し、次に高温・高圧での熱等圧圧縮いわゆるHI
P処理に曝露して最大密度とする。HIP処理は代表的には、900〜1100
hPa(900〜1100バール)の静水圧および1000〜1180℃、好ま
しくは1140〜1160℃の温度で行う。
もにスチール中で1.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を形成させる。粉末
冶金的製造法によって、これらのカーバイドが代表的にはマトリクス中で球形も
しくは球形状および均一な分布を有する実質的に等しい径の微小含有物の形態を
獲得する条件が整う。含有物の最も長い長さで計算したMCカーバイド類の最大
径は2.0μmである。より正確には、総カーバイド体積の少なくとも90%が
、最大径1.5μmのMCカーバイド類からなり、より正確にはそれらのカーバ
イドは0.5μm超かつ1.5μm未満の径を有する。MCカーバイド類はまた
、少量のニオブも含有することができる。しかしながら好ましくは、スチールを
ニオブと意図的に合金とするのではなく、その場合にはMCカーバイド類中のニ
オブカーバイド要素は無視できるものである。炭素と同様に、少量の窒素をバナ
ジウムと結合させて、本明細書でMCカーバイドと称する硬含有物を形成するこ
とができる。しかしながら、スチール中での窒素含有量は非常に小さいことから
、含む有物における窒素成分によって、バナジウムカルボニトリル類という名称
を考慮するほどではなく、無視することができる。バナジウムの含有量は好まし
くは1.3〜1.7%である。スチール中の公称バナジウム含有量は1.5%で
ある。
成し、他方で0.4〜0.5%の含有率でスチールのマトリクスに溶解した状態
で存在するだけの量で炭素を存在させる。したがって、スチール中の炭素の総含
有量は、0.55〜0.65%、好ましくは0.57〜0.63%とする。公称
炭素含有量は0.60%である。
在させて、スチールの高温焼入れおよび使用時の焼き戻しに対する耐性に寄与さ
せる。しかしながら、ケイ素の含有量は1.5%を超えてはならず、好ましくは
最大1.2%とする。
1.0%の量で、好ましくは0.2%〜0.5%の含有量で存在する。
クロムカーバイド、例えばM7C3−またはM22C6−カーバイドをほとんど含ま
ない。したがって本発明によるスチールは、最大5%のクロム、好ましくは最大
4.5%のクロムを含有することができる。しかしながらクロム自体はスチール
で望ましい元素であり、最低3.5%、好ましくは少なくとも3.7%の含有量
で存在させて、スチールの焼入れ性に寄与させ、モリブデン、タングステンおよ
び炭素とともに焼入れ状態のスチールのマルテンサイトマトリクスに高速度鋼の
特性、すなわち硬度および靭性の良好な組合せを与えるようにする。公称クロム
含有量は4.0%である。
に存在させて、炭素およびクロムとともに、特性について上記で説明したばかり
のスチールのマトリクスを与えるようにする。タングステンおよびモリブデンは
また、互いに対して適正な均衡が取れている場合、脱炭を防止する上で役立つ。
したがって、モリブデンおよびタングステンはそれぞれ、少なくとも1.5%お
よび最大2.5%の含有量、好ましくは1.7%〜2.3%の含有量で存在させ
る。公称含有量はモリブデンおよびタングステンのいずれについても2.0%で
ある。
まれ得る。
により、200ppmまでの量で許容できる。
鋼について正常な量では許容できる。その点はまた、スズ、銅および鉛などの金
属の形での不純物にも当てはまり、それらの不純物はオーステナイト状態のスチ
ールでオーステナイトに溶解せず、オーステナイト粒が高温で形成される際に固
化後に沈殿し、その不純物はオーステナイト粒径が小さいことから広い表面にわ
たって分布し、そのためにそれら不純物の濃度は逆に低くなって、不純物は有害
なものとはならなくなる。しかしながら本発明によるスチールは代表的には、ス
ズ、銅および鉛という形の金属不純物をそれぞれ、0.10%、0.60%およ
び0.005%を超える量では含有せず、合計でそれらまたは他の望ましくない
不純物金属を最大で0.8%を超えて含有しない。
加工によって、または軟アニール状態のスチールにおけるスパーク加工によって
加工して、従来の方法で行うことができる最終に近い形状とすることができる。
軟アニール状態で当該スチールは、最大230HB(ブリネル硬度)の硬度を有
し、それは850〜900℃でのスチールの軟アニーリングと室温までの冷却に
よって得ることができ、少なくともその冷却は軟アニーリング温度から725℃
まで、好ましくは少なくとも700℃までの冷却であり、5〜20℃/時の冷却
速度、好ましくは約10℃/時の冷却速度での緩やかな制御冷却として行う。少
なくとも700℃またはそれより低い温度からの室温までの冷却は、空気中での
自由冷却によって行うことができる。
ウェル硬度)および7×10×55mmの寸法を有する非切欠き試験片を用いる
衝撃試験で150〜300ジュールの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を
有し、950〜1160℃のオーステナイト化温度からの製品の焼入れ、室温ま
での冷却および540〜580℃での焼き戻しによって得ることができるマルテ
ンサイト中に均一に分布した前記MCカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイ
トの構造を有する。スチールから製造される物を何に用いるか、すなわちスチー
ルの利用範囲に応じて、硬度範囲50〜59HRCで至適硬度が選択される。熱
間加工ロール、鍛造工具およびダイスならびにアルミニウム押出用の他の部品な
どの熱間加工用途では、良好な衝撃強度が望まれることを考慮して、至適硬度範
囲は52〜58HRCである。この範囲の硬度はまた、室温または500℃まで
の温度で使用する機械部品にも最適となり得る。ただし、その種の製品では50
HRCまでの硬度低下も許容できる。しかしながら本発明によるスチールは、冷
間加工工具および摩耗部品にも使用でき、その場合の至適硬度は56〜59HR
Cとすることができ、59HRC以下の硬度では衝撃強度がある程度低下する可
能性がある。その範囲の望ましい硬度は、「オーステナイト化温度が高いほど硬
度が高い」という原理およびそれの逆に従って、950〜1160℃でオーステ
ナイト化温度を選択することで得られる。
いての以下の記載から明らかである。実施した実験についての以下の説明では、
添付の図面について言及する。
材料の体積パーセントでのMCカーバイド類の含有量を表1に示してある。
ル合金A〜Gを製造した。スチール溶融物の窒素ガス霧化によって、各合金から
粉末約300kgを製造した。直径200mm長さ1mのシート金属カプセルに
、溶接によって粉末約175kgを封入した。カプセルを加圧媒体としてのアル
ゴンガスとともに、高温等圧プレスHIPに入れ、1000hPa(1000バ
ール)および1150℃の高圧・高温に約1時間にわたって曝露した。粉末の圧
密化いわゆるHIP処理によって孔のない完全に密にされたスチール体を形成し
た後、カプセルとその内容物を約900℃〜約700℃まで10℃/時でゆっく
り冷却して(軟アニーリング)、鋸引きで加工できるようにした。溶融物からの
サンプルからならびにカプセルから鋸引きした材料からの両方についてスチール
の化学組成を分析した(表1)。次の段階で、全てのカプセルを直径100mm
まで鍛造し、さらに数段階で鍛造および圧延を行うことで最終寸法9×12mm
とした。
熱間加工鋼であり、表に最後に示したスチールはAISI M2型の従来の高速
度鋼であった。
。試験片を、950〜1180℃の6種類の異なる温度で加熱することで、すな
わちその温度で加熱し、室温まで冷却し、560℃で1時間を3回にわたって焼
き戻すことで硬化させた。そして非切欠き試験片の硬度および衝撃強度を室温で
測定した。結果を表2および表3ならびに図1の図に示した。
囲のスチール合金Gについて、特に熱間加工用途とある程度は冷間加工工具なら
びに摩耗部品について、すなわちそれぞれ硬度範囲52〜58HRCおよび56
〜59HRCについて、良好な衝撃強度があることが明らかである。スチール合
金Fが広い硬度範囲でさらに良好な硬度と衝撃強度の組合せを有すると言えるが
、他方でそのスチールはMCカーバイド含有量がわずか1.7%であって、低す
ぎるために所望の耐摩耗性が得られない。
回焼き戻した後の同じスチール合金についても、硬度と衝撃強度を測定した。こ
れら補足の測定の結果を表4および5に示してあるが、それによって若干高めの
温度での焼き戻しを含む加熱処理からの傾向が確認される。
の温度から硬化させ、560℃で1時間、3回焼き戻した後に58HRCの硬度
を獲得した本発明によるスチールすなわちスチール合金Gの耐摩耗性と比較した
。耐摩耗性測定は、乾燥SiO2紙00型、滑り速度0.3m/秒、負荷9N、
サンプル寸法3×5×30mmでのピンオンディスク試験で行った。図2に示し
た図から明らかなように、本発明による材料である合金Gは、公知の熱間加工ス
チールH13よりかなり良好な耐摩耗性を有していた。AISI M2について
最も高い耐摩耗性が認められたが、高速度鋼AISI M2中の適正な合金元素
の含有量がかなり高いことを考慮すると、合金Gと比較した差はかなり小さい。
よび時間に対する依存性も調べた。試験は550℃および600℃で1〜100
時間にわたって行った。結果は図3および図4の図に示してあり、その図から、
合金Gにおける硬度の経時的低下が、合金H13より緩やかであることがわかる
。
認めることができず、2.0μmより大きいMCカーバイドも認められなかった
。光学顕微鏡検査で観察することができたカーバイド類のうち、少なくとも90
体積%が0.5μmより大きく1.5μm未満の粒径のものであると判断された
。
である。
る。
る。
である。
Claims (12)
- 【請求項1】 高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチール
であって、その特徴の少なくとも一部が望ましい用途での製品の製造、好ましく
は少なくとも500℃以下の温度での使用を意図した工具の製造において有用な
スチールにおいて、粉末冶金的に製造され、実質的に 0.55〜0.65重量%のC、 0.7〜1.5重量%のSi、 0.1〜1.0重量%のMn、 3.5〜4.5重量%のCr、 1.5〜2.5重量%のMo、 1.5〜2.5重量%のW、 1.2〜1.8重量%のV、 0〜0.2重量%のNb、 残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり;焼入れおよび焼き戻し後に1
.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を含有し、Mは実質的にバナジウムのみ
からなり、そのカーバイドはスチールマトリクス中で均一に分布していることを
特徴とするスチール。 - 【請求項2】 前記MCカーバイド類が、最大径2.0μm、好ましくは最
大径1.5μmを有する球形または球形状を有する請求項1に記載のスチール。 - 【請求項3】 前記MCカーバイド類の少なくとも90体積%が0.5μm
より大きく1.5μm未満の径を有する請求項2に記載のスチール。 - 【請求項4】 以下の基準、すなわち 0.57〜0.63重量%のC、 0.85〜1.2重量%のSi、 0.2〜0.5重量%のMn、 3.7〜4.3重量%のCr、 1.7〜2.3重量%のMo、 1.7〜2.3重量%のWおよび/または 1.3〜1.7重量%のV を含むという基準の一つ、多数または全てを満足する化学組成を有する請求項
1〜3のいずれかに記載のスチール。 - 【請求項5】 不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大0.05重
量%のニオブを含む請求項4に記載のスチール。 - 【請求項6】 工具および機械部品を含む、500℃以下の温度での使用を
意図した種類の製品の製造における、粉末冶金的に製造され、実質的に 0.55〜0.65重量%のC、 0.7〜1.5重量%のSi、 0.1〜1.0重量%のMn、 3.5〜4.5重量%のCr、 1.5〜2.5重量%のMo、 1.5〜2.5重量%のW、 1.2〜1.8重量%のV、 0〜0.2重量%のNb、 残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり;焼入れおよび焼き戻し後に1
.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を含有し、Mは実質的にバナジウムのみ
からなり、そのカーバイドはスチールマトリクス中で均一に分布していることを
特徴とするスチールの使用。 - 【請求項7】 軟アニール状態のスチールでの少なくとも最終近くの形状へ
の加工と焼入れ後に50〜59HRC(ロックウェル硬度)および7×10×5
5mmの寸法を有する非切欠き試験片を用いる衝撃試験で150〜300ジュー
ルの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を有し、950〜1160℃のオー
ステナイト化温度からの製品の焼入れ、室温までの冷却および540〜580℃
での焼き戻しによって得ることができるマルテンサイト中に均一に分布した前記
MCカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイトの構造を有する、前記製品製造
への請求項6に記載の使用。 - 【請求項8】 前記スチールが最大230HB(ブリネル硬度)の硬度を有
し、その条件は850〜900℃でのスチールの軟アニーリングとその後の室温
までの冷却によって得ることができ、少なくとも軟アニーリング温度から725
℃までの冷却を5〜20℃/時の冷却速度、好ましくは最高10℃/時の冷却速
度での緩やかな制御冷却として行う、軟アニール状態のスチールにおける加工に
よる前記スチールの前記製品製造における請求項6に記載の使用。 - 【請求項9】 前記MCカーバイド類が最大で2.0μm、好ましくは最大
で1.5μmの最大径を有し、少なくとも90体積%の該カーバイドが0.5μ
m超かつ1.5μm未満の径を有する請求項6ないし8のいずれかに記載の使用
。 - 【請求項10】 高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチー
ルであって、その特徴の少なくとも一部が望ましい用途での製品の製造、好まし
くは少なくとも500℃以下の温度での使用を意図した工具の製造において有用
なスチールの製造方法において、実質的に 0.55〜0.65重量%のC、 0.7〜1.5重量%のSi、 0.1〜1.0重量%のMn、 3.5〜4.5重量%のCr、 1.5〜2.5重量%のMo、 1.5〜2.5重量%のW、 1.2〜1.8重量%のV、 0〜0.2重量%のNb、 残りの量の鉄および通常の量の不純物からなるスチール溶融物を製造し;該ス
チール溶融物をガス霧化によって微小化して小滴とし;その小滴を冷却して粉末
粒子を形成し;該粉末をシート金属カプセル中にガス気密的に封入し、熱間等圧
圧縮によって固化させて完全に密なスチール体を形成することを特徴とする方法
。 - 【請求項11】 前記熱間等圧圧縮体を鍛造および熱間圧延によって熱間加
工し;前記スチールを850〜900℃で軟アニーリングし、制御下での冷却に
よって室温まで冷却して最大230HB(ブリネル硬度)の硬度とし;前記スチ
ールをそれの軟アニール状態で少なくとも最終近い形状まで加工し、950〜1
160℃の温度から焼入れし、冷却して室温とし、540〜580℃で焼き戻し
;その熱処理によってスチールが1.5〜2.5体積%のMCカーバイドを含有
するようになり;Mは実質的にバナジウムのみからなり;該カーバイドがスチー
ルマトリクス中で均一に分布している請求項10に記載のスチール製品の製造方
法。 - 【請求項12】 請求項11に記載の方法に従って製造される製品。
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