JP2004523656A - スチール製品 - Google Patents
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Abstract
本発明のスチール製品は、重量％で以下を含む合金からなる：１．７〜２．５ Ｃ； ０．１〜２．０ Ｓｉ； ０．１〜２．０ Ｍｎ；
最大０．２ Ｎ； 最大０．２ Ｓ； １２〜１６ Ｃｒ； ２．１〜３．５（Ｍｏ＋Ｗ／２）； ５〜８ Ｖ； 最大０．１ Ｎｂ； バランス：実質的に鉄及び不可避不純物のみ。 本スチールは、インゴットのスプレー形成を含むスチール製造法によって得ることができる微細構造を有し、この微細構造は１４〜２５容積％の、主としてＭＣ-型の炭化物（Ｍは実質的にバナジウムからなり、この炭化物のうち８０容積％以上が実質的に円い形と１〜１０μｍの最長サイズを有する）とＭ7Ｃ3-炭化物（Ｍは実質的にクロムからなり、通常、ＭＣ-炭化物より細長い形を有し、MC-炭化物のうち８０容積％以上が３〜５０μｍの最大長さを有する）を含む。
最大０．２ Ｎ； 最大０．２ Ｓ； １２〜１６ Ｃｒ； ２．１〜３．５（Ｍｏ＋Ｗ／２）； ５〜８ Ｖ； 最大０．１ Ｎｂ； バランス：実質的に鉄及び不可避不純物のみ。 本スチールは、インゴットのスプレー形成を含むスチール製造法によって得ることができる微細構造を有し、この微細構造は１４〜２５容積％の、主としてＭＣ-型の炭化物（Ｍは実質的にバナジウムからなり、この炭化物のうち８０容積％以上が実質的に円い形と１〜１０μｍの最長サイズを有する）とＭ7Ｃ3-炭化物（Ｍは実質的にクロムからなり、通常、ＭＣ-炭化物より細長い形を有し、MC-炭化物のうち８０容積％以上が３〜５０μｍの最大長さを有する）を含む。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次の用途分野のいずれにも使用することを目的とした、プラスチック成型スチールに望ましい特徴を有するスチールでつくられた製品に関する：
＊ 例えば、射出成形や押し出しアセンブリー（組み立て品）のエレメント（構成成分）などのプラスチック部品製造用の機械にプラスチック物質を供給及び導入するための、例えばスクリューやバーレルなどのエレメント；及び
＊ プラスチック物質の射出成形用の成型工具及び工具部品。
【０００２】
特に本発明は、スチールを前記用途分野内で用いるのに適するようにする特徴である、優れた耐摩耗性、良好な耐蝕性、焼き入れ性、及び焼戻し耐性、ならびに充分な靭性を有するスチール物体に関する。しかしながら、本発明のスチール製品の用途は前記使用分野に限定されず、前記特徴が必要又は望ましい、例えば研磨剤を供給するポンプのディテール及び先に若干述べた機械や他の機器の摩耗部品などの他の種々の用途にも使用できる。
【背景技術】
【０００３】
上述の用途分野の部品に対して、良好な耐摩耗性と耐蝕性を有する、粉末冶金で製造されたクロム-バナジウム-モリブデン高合金鋼である、商標名ＥＬＭＡＸTMで知られている鋼（スチール）が今日使われている。このスチールは重量％で次の称呼化学組成を有している： １．７ Ｃ； ０．８ Ｓｉ； ０．３ Ｍｎ； １８．０ Ｃｒ； １．０ Ｍｏ； ３．０ Ｖ； バランス： 鉄及び不純物。
【０００４】
このスチールは、長い加工寿命を有するプラスチック成形用金型の製造を可能にする高い耐摩耗性と耐蝕性を有する。このスチールは、例えば、電子工業において、カップリング、コンタクト、抵抗や集積回路の製造用に使用されるが、また衛生の理由から耐蝕性が必要であり、同時に耐摩耗性が重要な要因である食品工業にも使用できる。
【０００５】
しかしながら、優れた耐摩耗性、焼き入れ性、焼戻し耐性、及び耐蝕性のさらに良好な組み合わせを有するスチール、特にプラスチック物質の射出成型用装置にプラスチック物質を供給及び導入するスクリューやバーレルなどのエレメントに対する要求がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の要求を満足させるスチール製品を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、この製品が添付の特許請求の範囲に記載の化学組成（重量％）と微細構造を有するスプレー形成スチール物質からつくられることにより達成できる。
【０００８】
さらに、スチール中に含まれる合金元素に関しては以下を適用する。
【０００９】
炭素は、スチールの焼き入れ及び焼戻した状態で、バナジウムと組み合わせて３〜８容積％のMC-炭化物（Mは実質的にバナジウムである）、及び、クロムと組み合わせて１０〜２０容積％のM7C3-炭化物（Mは実質的にクロムである）を生成させるため（MC-炭化物とM7C3-炭化物の合計量は１４〜２５容積％）、さらにまた、焼入れした状態のスチールのマルテンサイトマトリクスの固溶体中に０．２〜０．７重量％、好ましくは０．３〜０．６重量％の量で存在させるため、スチール中に充分な量で存在させる。好適にはスチールのマトリクス中に溶解する炭素の量は約０．５％である。スチール中の炭素の合計量、すなわちスチールのマトリクス中に溶解する炭素プラス炭化物中に結合している炭素は１．７％以上、好ましくは１．８％以上とし、一方炭素の最大含量は２．５％、好ましくは２．３％以下とすることができる。
【００１０】
本発明の製品は、熔融金属の液滴が回転基体に対してスプレーされ、液適が急速に固化して連続的に成長するインゴットを形成するスプレー形成法を含む技術によって製造される。このインゴットは次いで鍛造及び／又は圧延によって望ましい形に熱間加工できる。融滴の固化の際に前記炭化物が形成され、それらはインゴット中、したがって最終製品中に均等に分布される。熔融金属の流れを噴霧し、生成した液滴の急速冷却による金属粉末の製造中よりも遅いが、従来のインゴット製造（連続鋳造及び／又はＥＳＲ-再熔融法）中よりは本質的に速い、コントロールされた液滴固化速度によって、この炭化物は本発明製品に非常に好都合なサイズに成長する充分な時間を有している。このようにしてＭＣ-炭化物を本質的に丸い形となるようにすることができ、その結果８０容積％以上のMC-炭化物が１〜１０μｍ、好ましくは５μｍ以上の最長サイズとなり、一方M7C3-炭化物は通常MC-炭化物よりも長い形となり、その結果80容積％以上のMC-炭化物が３〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ以上の最大長さに達する。
【００１１】
窒素はスプレー形成法に関連して最大量の０．２％までスチールに任意に加えることができる。しかしながら、本発明の望ましい実施態様によれば、窒素はスチールに意図的には加えられないにも拘わらず最大０．１５％、通常最大０．１２％の量で不可避元素として存在し、その上有害な成分でない。逆に、窒素には炭素と一緒になってバナジウムやクロム炭素窒化物を生成することによる有利な効果がある。したがって、MC-及びM7C3-炭化物の上述の容積含量には僅少量の炭素窒化物が含まれている。
【００１２】
シリコンはスチール製造からの残留物として存在し、通常０．１％以上、好ましくは０．２％以上の量で存在する。シリコンはスチール中の炭素活性を増加させるので脆化問題を生じさせることなくスチールに十分な硬度を与えるのに寄与する。しかしながら、シリコンは強力なフエライト形成物であり、したがって２．０％を超える量で存在してはならない。好ましくは、スチールは最大１．０％を超えて含まない。
【００１３】
マンガンもまたスチール製造からの残留物として存在し、硫化マンガンを生成することによりスチール中に存在する少量の硫黄と結合する。それ故マンガンは０．１％以上、好ましくは０．２％以上の量で存在する必要がある。マンガンはまた焼き入れ性を促進する、これは好都合なことであるが、脆化の問題を回避するため２．０％を超える量で存在してはならない。好ましくは、スチールは最大１．０％のMnを超えて含まない。マンガンの称呼含量は０．５％である。
【００１４】
クロムは、スチールに望ましい耐蝕性を与えるため、１２％以上、好ましくは１３％以上の量で存在させる。さらに、クロムは重要な炭化物形成物であって炭素と共にＭ7Ｃ3-炭化物を形成し、この炭化物はMC-炭化物とともに望ましい耐摩耗性に貢献する。クロムはまた焼入れ性を著しく増進させる。焼入れ性と云う用語は、硬化させる製品内に多少なりとも深くまで高い硬度を達成する能力を意味する。焼入れ性は、製品が比較的大きな寸法であっても、寸法変化を起こす可能性のある焼入れ操作の際にオイル又は水中での非常に急速な冷却法を用いることなく、製品が完全に硬化させられるの十分でなければならない。スチールの硬度は、焼戻し後少なくとも５５HRC、好適には５８〜６４HRCとする。しかしながら、クロムは強力なフエライト形成物である。１０２０〜１１５０℃からの焼入れ後フエライトを回避するため、クロム含量は１６％を超えてはならず、好ましくは最大１５．５％である。好適なクロム含量は１３．２〜１４．５％，称呼では１４．０％である。
【００１５】
バナジウムは、炭素及び場合によっては窒素とともに、焼入れ及び焼戻し状態でスチールのマルテンサイトマトリクス中に前記MC-炭化物又は炭素窒化物を生成させるため、５．０〜８．０％の量で存在させる。好ましくはスチールは６．１％以上、最大７．５％のVを含む。好適なバナジウム含量は６．３〜７．３％、称呼では６．８％Vである。
【００１６】
バナジウムは、原則としてMC-炭化物の生成にニオビウムと入れ替えることができるが、このためにはバナジウムに比較して２倍量のニオビウムが必要であり、これが欠点となる。さらに、ニオビウムには、炭化物がとげとげした形になり、さらに純粋な炭化バナジウムよりサイズが大きくなる効果があり、これが破断又はチッピング（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）を引き起こして材料の靭性を減少させる。これは、その組成が，材料の機械的特徴に関する限り，高い硬度と耐焼戻し性とともに優れた耐摩耗性を達成する目的のため最適化されている本発明のスチールで特に重大問題である。それ故、スチールはニオビウムを最大０．１％、好ましくは最大０．０４％を超えて含んではならない。最も好ましい実施態様によれば、ニオビウムは、スチールの製造に関連して使用する原料からの残留元素の形の不可避不純物としてしか許容されない。
【００１７】
モリブデンは、クロム及び限定量のマンガンと組み合わせてスチールに望ましい焼入れ性を与えるため、２．１％以上、好ましくは２．３％以上の量で存在させる。モリブデンはまたスチールの耐蝕性に寄与するが、強力なフエライト形成物でもある。それ故スチールは３．５％Mo、好ましくは最大３．０、好適には最大２．５％を超えて含んではならない。
【００１８】
原則として、モリブデンはタングステンによって完全又は部分的に置換できるが、このためにはモリブデンに比較して２倍量のタングステンを必要とし、これが欠点となる。またスクラップの使用がより困難となる。それ故タングステンは最大１．０％、好ましくは最大０．５％を超える量で存在してはならない。最も好都合には、スチールは意図的に加えたタングステンを含んではならず、本発明の最も好ましい実施態様にしたがえば、スチールの製造に使用する原材料からの残留元素の形の不可避不純物としてしか許容されない。
【００１９】
スチールは、上述の合金元素以外にその他の合金元素を必要とせず、それどころか、含んではならない。ある元素はスチールの特徴に望ましくない影響を与えるので、間違いなく望ましくない。
【００２０】
これは、例えば燐に関する限りその通りであり、スチールの靭性に不都合な影響を与えないようにするため、できるだけ低濃度、好ましくは最大０．０３％に保たねばならない。また硫黄は多くの点で望ましくない元素であるが、靭性に対するその負の効果は、先ず、実質的に無害な硫化マンガンを生成するマンガンによって中和でき、そのため硫黄はスチールの機械加工性を向上させるため０．２％の最大量に許容できる。しかしながら、好ましくは、スチールは通常最大０．１％、好ましくは最大０．０５％を超える硫黄を含まない。
【００２１】
本発明のこれ以上の特徴と態様は、実施した実験の以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかとなるであろう。実施した実験の以下の説明では添付の図面を参照する。
実施したテストの説明
材料
一連のテストに含まれる材料の化学組成が表１に述べられている。スチールＮｏ．１及び２は参考材料である。両者とも粉体冶金法で製造される。スチールＮｏ．１は、本発明の背景の記述で述べたＥＬＭＡＸTM型の市販スチールであり、スチールＮｏ．２は別の市場入手可能なスチールである。スチールＮｏ．３Ａ及びＮｏ．４Ａは目標とした組成に関し、スチールNo.３及びNo.４は、バナジウムの含量が、本発明の製品がつくられるスチールの広範な化学組成のうちのそれぞれ低い部分と高い部分に位置する２つのスチールの分析した組成に関する。スチール３と４はいわゆるスプレー形成法（OSPRAY-法とも呼ばれる）によって製造されており、これによれば、縦軸の周りを回転するインゴットが、連続的に生成されるインゴットの成長端に対してスプレーされる液滴状の熔融物質から連続的につくられる。この熔融液滴は一旦前記基体に衝突すると比較的急速に固化させられるが、その速度は粉体が生成されるときほど速くなく、しかも従来法のインゴット製造又は連続鋳造のときのようには遅くない。より詳しくは、熔融液滴が急速に固化させられるため、生成したMC-及びM7C3-炭化物が本発明の望ましいサイズに成長する。スチールNo.３及びNo.4のスプレーで形成したインゴットは、それぞれ約２．９トンと２．２トンの重量を有していた。インゴットの直径は約５００ｍｍであった。
【００２２】
スチールNo.３及びNo.４のスプレー形成インゴットを１１００℃の鍛造温度に加熱し、次いで以降の試験用ブランクの形に鍛造した。
【００２３】
【表１】
以下に説明する試験において、スチールNo.１、２、及び３を次の項目について試験した。
【００２４】
゜ 微細構造
゜ 硬度対オーステナイト化温度及び焼戻し温度
゜ 焼入れ性
゜ 延性
゜ 研磨材耐磨耗性
゜ 耐蝕性
微細構造
スチールＮｏ．１及び２の微細構造は粉末冶金法で製造したスチールに典型的であり、これは炭化物のすべてが非常に小さく（最大約３μｍ）、その熱処理に関係なくスチールのマトリクス中に均一に分布していることを意味する。スチールNo.３の焼入れ（TA １１２０℃／３０分）及び焼戻し（５２５℃／２×２時間）した状態の微細構造は図１（断面が３５０×６３．５ｍｍの試験棒の中央の部分を示す）から明らかである。焼戻したマルテンサイトからなるスチールのマトリクス中には、通常円い形と約１〜最大約１０μｍ範囲のサイズのMC-型の１次炭化物と実質的にもっと長い形の炭化クロム、M7C3、が存在する。炭化クロムのサイズは棒の中央で最大約１５×５０μｍであった。同様に試験されたが不図示の棒の表面では、MC-炭化物ならびに炭化クロムは若干小さかった（それぞれ約６μｍまでと約８×３０μｍ）。 ロッドのマクロエッチングした断面もこの構造が全断面にわたって非常に均一であることを証明した。
【００２５】
炭化物含量を走査電子顕微鏡でのポイント計算法によって調べた。スチールNo.３の測定した炭化物合計含量は２０．４％で、そのうち１５．４％はクロムに富んでおり（M7C3）、５％はバナジウムに富んでいた（MC）。スチールNo.２については、測定した炭化物の合計含量は２３．９容積％で、そのうち１３．１％はクロムリッチ（M7C3）で１０．８％はバナジウムリッチ（MC）であった。スチールNo.1の測定した炭化物合計含量は１４％で、そのうち１３％がクロムリッチ（M7C3）であり、１％がバナジウムリッチ（MC）であった。炭化物含量はすべて容積％を表わす。熱処理条件はスチールNo.２及び３に対してTA＝１１２０℃／３０分＋２５０℃／２×２時間で、スチールNo.１に対してTA＝１０５C／３０分＋２５０℃／２×２時間であった。
熱処理後の硬度
本発明のスチールはソフト焼きなまし状態で２００〜３００HB、一般に約２５０HBの硬度（ブリネル硬度）を有する。１０８０〜１１５０℃でオーステナイト化後の硬度に対する焼き戻し温度の影響が図２に示されている。スチールNo.３は１１２０℃及び１１５０℃でオーステナイト化後、２つの参考スチール１及び２よりも強い２次硬化を示し、５２５２×２時間での焼戻し後６３HRCの硬度に達する。焼戻し曲線上にふくらんだ部分を含む領域部分が拡大したスケールで図３に示されている。スチールNo.２は１１２０℃でオーステナイト化後のスチールNo.１と同じ硬度であったが、耐焼き戻し性はスチールNo.１及び３の両者よりも著しく低かった。
焼入れ性
８００℃から５００℃への冷却必要時間と硬度の関係が図４にグラフで示されている。スチールNo.３の焼入れ性がNo.1のそれよりも著しく良好であり、No.2のそれよりも遥かに良好であることがこのチャートから明らかである。
靭性
スチールNo.２及び３に対してはTA＝１１２０℃／３０分から、スチールNo.１に対してはTA＝１１００℃／３０分から焼入れ後、焼戻し温度を２００〜５５０℃の間に変化させた非切り欠きテストサンプルを使用して衝撃エネルギーを試験した。しかしながら、試験したスチールの棒の寸法が変化したので結果は完全に比較することはできない。しかし、全試験スチールの衝撃エネルギーはすべての縦方向サンプルに対して１０Jを超えるとしてよく、これは承認可能な衝撃靭性に関する限り、本発明製品の使用目的分野に対する基準を満足させる。
研磨磨耗性
研磨材としてSiO2を使用してｐｉｎ-ｔｏ-ｐｉｎテストの形式で耐磨耗性を試験した。試験したサンプルの寸法と焼入れ温度に関しては以下を適用する。 スチールNo.１：直径３８ｍｍ／TA＝１１００°／３０分； スチールNo.２：直径３７ｍｍ／TA＝１１２０℃／３０分； スチールNo.３：３５０×６３．５ｍｍ／ＴA＝１１２０℃／３０分。 結果は図５のバーチャートから明らかである。このチャートはスチールＮｏ．３がすべての焼き戻し温度に対して断然最良の耐摩耗性を示したことを説明している。
耐蝕性
０．０５ＭＨ2ＳＯ4、ｐＨ＝１．２中でポテンシアル曲線により腐蝕抵抗（耐蝕性）を測定した。アクチブピーク（ａｃｔｉｖｅ ｐｅａｋ）でのＩcrが相対的な腐食抵抗を定義し、これは腐食電流が可能な限り低くなければならないことを意味する。図６のバーチャートで、異なる材料が熱処理条件の函数として比較されている。スチールＮｏ．３が少なくとも４００℃まで焼き戻し後最良の耐蝕性を有していた。５２５℃で焼戻し後、耐蝕性は全試験材料で減少した（スチールＮｏ．３はＮｏ．２を僅かに超え、No.１よりかなり超えて減少）。しかしながら、この比較に関する限り、焼戻し後のスチールNo.３が比較材料よりも非常に高い硬度を有していたことを認める必要がある。
討議
前述のテストは、本発明のスチールから非常に高い耐摩耗性を有する製品が製造できることを示しており、これはスチールの硬度及び十分な量と十分なサイズの炭化物含量との組み合わせによるものとすることができる。別の重要な要因は、非常に良好で比較スチールよりも良い、スチールの焼入れ性である。２００℃及び４００℃で焼戻し後５９〜６２HRCの硬度と優れた耐蝕性、及び５００℃で焼戻し後６１〜６３HRCの硬度が測定された。約５２５℃で焼戻しすることにより６１〜６４HRCの硬度ピークが達成できる。後者の場合若干の耐蝕性が失われるが、耐蝕性に対して高い要求が存在しないある種の用途に対してはこの高い硬度が利用できる。本発明はしたがって、適当な熱処理を選択することにより、スチールの有用性の各種用途への適応について著しい柔軟性を与える。スチールの有用性に関する他の重要な要因はスプレー形成法に基ずく製造法であり、この方法は粉末冶金法より実質的に経済的である。
【００２６】
また本発明の製品は、スプレー形成したインゴット；通常スチールメーカーによって、２００〜３００HB、標準的には約２５０HBの硬度でソフト焼なまし状態で、最終製品の形に機械加工する客先に引き渡しされる、例えばプレート、バー、ブロックなどの形のブランク；ならびに問題の用途用に意図した硬度まで焼入れ及び焼戻した最終製品；を含む、考えられるいかなる形であってもよいことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明製品の１部分の微細構造を示す写真である。
【図２】多数の試験した合金の焼戻し曲線を示す図である。
【図３】図２の曲線の１部を拡大スケールで示す図である。
【図４】ＣＣＴ-ダイアグラムからのデータで本発明スチール及び２つの参考材料の焼入れ性をチャートの形で示す図である。
【図５】本発明スチール及び２つの参考材料の研磨耐摩耗性を示す図である。
【図６】試験材料の耐蝕性を材料の分極曲線から腐蝕電流、Ｉcr、の形で示す図である。
【０００１】
本発明は、次の用途分野のいずれにも使用することを目的とした、プラスチック成型スチールに望ましい特徴を有するスチールでつくられた製品に関する：
＊ 例えば、射出成形や押し出しアセンブリー（組み立て品）のエレメント（構成成分）などのプラスチック部品製造用の機械にプラスチック物質を供給及び導入するための、例えばスクリューやバーレルなどのエレメント；及び
＊ プラスチック物質の射出成形用の成型工具及び工具部品。
【０００２】
特に本発明は、スチールを前記用途分野内で用いるのに適するようにする特徴である、優れた耐摩耗性、良好な耐蝕性、焼き入れ性、及び焼戻し耐性、ならびに充分な靭性を有するスチール物体に関する。しかしながら、本発明のスチール製品の用途は前記使用分野に限定されず、前記特徴が必要又は望ましい、例えば研磨剤を供給するポンプのディテール及び先に若干述べた機械や他の機器の摩耗部品などの他の種々の用途にも使用できる。
【背景技術】
【０００３】
上述の用途分野の部品に対して、良好な耐摩耗性と耐蝕性を有する、粉末冶金で製造されたクロム-バナジウム-モリブデン高合金鋼である、商標名ＥＬＭＡＸTMで知られている鋼（スチール）が今日使われている。このスチールは重量％で次の称呼化学組成を有している： １．７ Ｃ； ０．８ Ｓｉ； ０．３ Ｍｎ； １８．０ Ｃｒ； １．０ Ｍｏ； ３．０ Ｖ； バランス： 鉄及び不純物。
【０００４】
このスチールは、長い加工寿命を有するプラスチック成形用金型の製造を可能にする高い耐摩耗性と耐蝕性を有する。このスチールは、例えば、電子工業において、カップリング、コンタクト、抵抗や集積回路の製造用に使用されるが、また衛生の理由から耐蝕性が必要であり、同時に耐摩耗性が重要な要因である食品工業にも使用できる。
【０００５】
しかしながら、優れた耐摩耗性、焼き入れ性、焼戻し耐性、及び耐蝕性のさらに良好な組み合わせを有するスチール、特にプラスチック物質の射出成型用装置にプラスチック物質を供給及び導入するスクリューやバーレルなどのエレメントに対する要求がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の要求を満足させるスチール製品を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、この製品が添付の特許請求の範囲に記載の化学組成（重量％）と微細構造を有するスプレー形成スチール物質からつくられることにより達成できる。
【０００８】
さらに、スチール中に含まれる合金元素に関しては以下を適用する。
【０００９】
炭素は、スチールの焼き入れ及び焼戻した状態で、バナジウムと組み合わせて３〜８容積％のMC-炭化物（Mは実質的にバナジウムである）、及び、クロムと組み合わせて１０〜２０容積％のM7C3-炭化物（Mは実質的にクロムである）を生成させるため（MC-炭化物とM7C3-炭化物の合計量は１４〜２５容積％）、さらにまた、焼入れした状態のスチールのマルテンサイトマトリクスの固溶体中に０．２〜０．７重量％、好ましくは０．３〜０．６重量％の量で存在させるため、スチール中に充分な量で存在させる。好適にはスチールのマトリクス中に溶解する炭素の量は約０．５％である。スチール中の炭素の合計量、すなわちスチールのマトリクス中に溶解する炭素プラス炭化物中に結合している炭素は１．７％以上、好ましくは１．８％以上とし、一方炭素の最大含量は２．５％、好ましくは２．３％以下とすることができる。
【００１０】
本発明の製品は、熔融金属の液滴が回転基体に対してスプレーされ、液適が急速に固化して連続的に成長するインゴットを形成するスプレー形成法を含む技術によって製造される。このインゴットは次いで鍛造及び／又は圧延によって望ましい形に熱間加工できる。融滴の固化の際に前記炭化物が形成され、それらはインゴット中、したがって最終製品中に均等に分布される。熔融金属の流れを噴霧し、生成した液滴の急速冷却による金属粉末の製造中よりも遅いが、従来のインゴット製造（連続鋳造及び／又はＥＳＲ-再熔融法）中よりは本質的に速い、コントロールされた液滴固化速度によって、この炭化物は本発明製品に非常に好都合なサイズに成長する充分な時間を有している。このようにしてＭＣ-炭化物を本質的に丸い形となるようにすることができ、その結果８０容積％以上のMC-炭化物が１〜１０μｍ、好ましくは５μｍ以上の最長サイズとなり、一方M7C3-炭化物は通常MC-炭化物よりも長い形となり、その結果80容積％以上のMC-炭化物が３〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ以上の最大長さに達する。
【００１１】
窒素はスプレー形成法に関連して最大量の０．２％までスチールに任意に加えることができる。しかしながら、本発明の望ましい実施態様によれば、窒素はスチールに意図的には加えられないにも拘わらず最大０．１５％、通常最大０．１２％の量で不可避元素として存在し、その上有害な成分でない。逆に、窒素には炭素と一緒になってバナジウムやクロム炭素窒化物を生成することによる有利な効果がある。したがって、MC-及びM7C3-炭化物の上述の容積含量には僅少量の炭素窒化物が含まれている。
【００１２】
シリコンはスチール製造からの残留物として存在し、通常０．１％以上、好ましくは０．２％以上の量で存在する。シリコンはスチール中の炭素活性を増加させるので脆化問題を生じさせることなくスチールに十分な硬度を与えるのに寄与する。しかしながら、シリコンは強力なフエライト形成物であり、したがって２．０％を超える量で存在してはならない。好ましくは、スチールは最大１．０％を超えて含まない。
【００１３】
マンガンもまたスチール製造からの残留物として存在し、硫化マンガンを生成することによりスチール中に存在する少量の硫黄と結合する。それ故マンガンは０．１％以上、好ましくは０．２％以上の量で存在する必要がある。マンガンはまた焼き入れ性を促進する、これは好都合なことであるが、脆化の問題を回避するため２．０％を超える量で存在してはならない。好ましくは、スチールは最大１．０％のMnを超えて含まない。マンガンの称呼含量は０．５％である。
【００１４】
クロムは、スチールに望ましい耐蝕性を与えるため、１２％以上、好ましくは１３％以上の量で存在させる。さらに、クロムは重要な炭化物形成物であって炭素と共にＭ7Ｃ3-炭化物を形成し、この炭化物はMC-炭化物とともに望ましい耐摩耗性に貢献する。クロムはまた焼入れ性を著しく増進させる。焼入れ性と云う用語は、硬化させる製品内に多少なりとも深くまで高い硬度を達成する能力を意味する。焼入れ性は、製品が比較的大きな寸法であっても、寸法変化を起こす可能性のある焼入れ操作の際にオイル又は水中での非常に急速な冷却法を用いることなく、製品が完全に硬化させられるの十分でなければならない。スチールの硬度は、焼戻し後少なくとも５５HRC、好適には５８〜６４HRCとする。しかしながら、クロムは強力なフエライト形成物である。１０２０〜１１５０℃からの焼入れ後フエライトを回避するため、クロム含量は１６％を超えてはならず、好ましくは最大１５．５％である。好適なクロム含量は１３．２〜１４．５％，称呼では１４．０％である。
【００１５】
バナジウムは、炭素及び場合によっては窒素とともに、焼入れ及び焼戻し状態でスチールのマルテンサイトマトリクス中に前記MC-炭化物又は炭素窒化物を生成させるため、５．０〜８．０％の量で存在させる。好ましくはスチールは６．１％以上、最大７．５％のVを含む。好適なバナジウム含量は６．３〜７．３％、称呼では６．８％Vである。
【００１６】
バナジウムは、原則としてMC-炭化物の生成にニオビウムと入れ替えることができるが、このためにはバナジウムに比較して２倍量のニオビウムが必要であり、これが欠点となる。さらに、ニオビウムには、炭化物がとげとげした形になり、さらに純粋な炭化バナジウムよりサイズが大きくなる効果があり、これが破断又はチッピング（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）を引き起こして材料の靭性を減少させる。これは、その組成が，材料の機械的特徴に関する限り，高い硬度と耐焼戻し性とともに優れた耐摩耗性を達成する目的のため最適化されている本発明のスチールで特に重大問題である。それ故、スチールはニオビウムを最大０．１％、好ましくは最大０．０４％を超えて含んではならない。最も好ましい実施態様によれば、ニオビウムは、スチールの製造に関連して使用する原料からの残留元素の形の不可避不純物としてしか許容されない。
【００１７】
モリブデンは、クロム及び限定量のマンガンと組み合わせてスチールに望ましい焼入れ性を与えるため、２．１％以上、好ましくは２．３％以上の量で存在させる。モリブデンはまたスチールの耐蝕性に寄与するが、強力なフエライト形成物でもある。それ故スチールは３．５％Mo、好ましくは最大３．０、好適には最大２．５％を超えて含んではならない。
【００１８】
原則として、モリブデンはタングステンによって完全又は部分的に置換できるが、このためにはモリブデンに比較して２倍量のタングステンを必要とし、これが欠点となる。またスクラップの使用がより困難となる。それ故タングステンは最大１．０％、好ましくは最大０．５％を超える量で存在してはならない。最も好都合には、スチールは意図的に加えたタングステンを含んではならず、本発明の最も好ましい実施態様にしたがえば、スチールの製造に使用する原材料からの残留元素の形の不可避不純物としてしか許容されない。
【００１９】
スチールは、上述の合金元素以外にその他の合金元素を必要とせず、それどころか、含んではならない。ある元素はスチールの特徴に望ましくない影響を与えるので、間違いなく望ましくない。
【００２０】
これは、例えば燐に関する限りその通りであり、スチールの靭性に不都合な影響を与えないようにするため、できるだけ低濃度、好ましくは最大０．０３％に保たねばならない。また硫黄は多くの点で望ましくない元素であるが、靭性に対するその負の効果は、先ず、実質的に無害な硫化マンガンを生成するマンガンによって中和でき、そのため硫黄はスチールの機械加工性を向上させるため０．２％の最大量に許容できる。しかしながら、好ましくは、スチールは通常最大０．１％、好ましくは最大０．０５％を超える硫黄を含まない。
【００２１】
本発明のこれ以上の特徴と態様は、実施した実験の以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかとなるであろう。実施した実験の以下の説明では添付の図面を参照する。
実施したテストの説明
材料
一連のテストに含まれる材料の化学組成が表１に述べられている。スチールＮｏ．１及び２は参考材料である。両者とも粉体冶金法で製造される。スチールＮｏ．１は、本発明の背景の記述で述べたＥＬＭＡＸTM型の市販スチールであり、スチールＮｏ．２は別の市場入手可能なスチールである。スチールＮｏ．３Ａ及びＮｏ．４Ａは目標とした組成に関し、スチールNo.３及びNo.４は、バナジウムの含量が、本発明の製品がつくられるスチールの広範な化学組成のうちのそれぞれ低い部分と高い部分に位置する２つのスチールの分析した組成に関する。スチール３と４はいわゆるスプレー形成法（OSPRAY-法とも呼ばれる）によって製造されており、これによれば、縦軸の周りを回転するインゴットが、連続的に生成されるインゴットの成長端に対してスプレーされる液滴状の熔融物質から連続的につくられる。この熔融液滴は一旦前記基体に衝突すると比較的急速に固化させられるが、その速度は粉体が生成されるときほど速くなく、しかも従来法のインゴット製造又は連続鋳造のときのようには遅くない。より詳しくは、熔融液滴が急速に固化させられるため、生成したMC-及びM7C3-炭化物が本発明の望ましいサイズに成長する。スチールNo.３及びNo.4のスプレーで形成したインゴットは、それぞれ約２．９トンと２．２トンの重量を有していた。インゴットの直径は約５００ｍｍであった。
【００２２】
スチールNo.３及びNo.４のスプレー形成インゴットを１１００℃の鍛造温度に加熱し、次いで以降の試験用ブランクの形に鍛造した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
゜ 微細構造
゜ 硬度対オーステナイト化温度及び焼戻し温度
゜ 焼入れ性
゜ 延性
゜ 研磨材耐磨耗性
゜ 耐蝕性
微細構造
スチールＮｏ．１及び２の微細構造は粉末冶金法で製造したスチールに典型的であり、これは炭化物のすべてが非常に小さく（最大約３μｍ）、その熱処理に関係なくスチールのマトリクス中に均一に分布していることを意味する。スチールNo.３の焼入れ（TA １１２０℃／３０分）及び焼戻し（５２５℃／２×２時間）した状態の微細構造は図１（断面が３５０×６３．５ｍｍの試験棒の中央の部分を示す）から明らかである。焼戻したマルテンサイトからなるスチールのマトリクス中には、通常円い形と約１〜最大約１０μｍ範囲のサイズのMC-型の１次炭化物と実質的にもっと長い形の炭化クロム、M7C3、が存在する。炭化クロムのサイズは棒の中央で最大約１５×５０μｍであった。同様に試験されたが不図示の棒の表面では、MC-炭化物ならびに炭化クロムは若干小さかった（それぞれ約６μｍまでと約８×３０μｍ）。 ロッドのマクロエッチングした断面もこの構造が全断面にわたって非常に均一であることを証明した。
【００２５】
炭化物含量を走査電子顕微鏡でのポイント計算法によって調べた。スチールNo.３の測定した炭化物合計含量は２０．４％で、そのうち１５．４％はクロムに富んでおり（M7C3）、５％はバナジウムに富んでいた（MC）。スチールNo.２については、測定した炭化物の合計含量は２３．９容積％で、そのうち１３．１％はクロムリッチ（M7C3）で１０．８％はバナジウムリッチ（MC）であった。スチールNo.1の測定した炭化物合計含量は１４％で、そのうち１３％がクロムリッチ（M7C3）であり、１％がバナジウムリッチ（MC）であった。炭化物含量はすべて容積％を表わす。熱処理条件はスチールNo.２及び３に対してTA＝１１２０℃／３０分＋２５０℃／２×２時間で、スチールNo.１に対してTA＝１０５C／３０分＋２５０℃／２×２時間であった。
熱処理後の硬度
本発明のスチールはソフト焼きなまし状態で２００〜３００HB、一般に約２５０HBの硬度（ブリネル硬度）を有する。１０８０〜１１５０℃でオーステナイト化後の硬度に対する焼き戻し温度の影響が図２に示されている。スチールNo.３は１１２０℃及び１１５０℃でオーステナイト化後、２つの参考スチール１及び２よりも強い２次硬化を示し、５２５２×２時間での焼戻し後６３HRCの硬度に達する。焼戻し曲線上にふくらんだ部分を含む領域部分が拡大したスケールで図３に示されている。スチールNo.２は１１２０℃でオーステナイト化後のスチールNo.１と同じ硬度であったが、耐焼き戻し性はスチールNo.１及び３の両者よりも著しく低かった。
焼入れ性
８００℃から５００℃への冷却必要時間と硬度の関係が図４にグラフで示されている。スチールNo.３の焼入れ性がNo.1のそれよりも著しく良好であり、No.2のそれよりも遥かに良好であることがこのチャートから明らかである。
靭性
スチールNo.２及び３に対してはTA＝１１２０℃／３０分から、スチールNo.１に対してはTA＝１１００℃／３０分から焼入れ後、焼戻し温度を２００〜５５０℃の間に変化させた非切り欠きテストサンプルを使用して衝撃エネルギーを試験した。しかしながら、試験したスチールの棒の寸法が変化したので結果は完全に比較することはできない。しかし、全試験スチールの衝撃エネルギーはすべての縦方向サンプルに対して１０Jを超えるとしてよく、これは承認可能な衝撃靭性に関する限り、本発明製品の使用目的分野に対する基準を満足させる。
研磨磨耗性
研磨材としてSiO2を使用してｐｉｎ-ｔｏ-ｐｉｎテストの形式で耐磨耗性を試験した。試験したサンプルの寸法と焼入れ温度に関しては以下を適用する。 スチールNo.１：直径３８ｍｍ／TA＝１１００°／３０分； スチールNo.２：直径３７ｍｍ／TA＝１１２０℃／３０分； スチールNo.３：３５０×６３．５ｍｍ／ＴA＝１１２０℃／３０分。 結果は図５のバーチャートから明らかである。このチャートはスチールＮｏ．３がすべての焼き戻し温度に対して断然最良の耐摩耗性を示したことを説明している。
耐蝕性
０．０５ＭＨ2ＳＯ4、ｐＨ＝１．２中でポテンシアル曲線により腐蝕抵抗（耐蝕性）を測定した。アクチブピーク（ａｃｔｉｖｅ ｐｅａｋ）でのＩcrが相対的な腐食抵抗を定義し、これは腐食電流が可能な限り低くなければならないことを意味する。図６のバーチャートで、異なる材料が熱処理条件の函数として比較されている。スチールＮｏ．３が少なくとも４００℃まで焼き戻し後最良の耐蝕性を有していた。５２５℃で焼戻し後、耐蝕性は全試験材料で減少した（スチールＮｏ．３はＮｏ．２を僅かに超え、No.１よりかなり超えて減少）。しかしながら、この比較に関する限り、焼戻し後のスチールNo.３が比較材料よりも非常に高い硬度を有していたことを認める必要がある。
討議
前述のテストは、本発明のスチールから非常に高い耐摩耗性を有する製品が製造できることを示しており、これはスチールの硬度及び十分な量と十分なサイズの炭化物含量との組み合わせによるものとすることができる。別の重要な要因は、非常に良好で比較スチールよりも良い、スチールの焼入れ性である。２００℃及び４００℃で焼戻し後５９〜６２HRCの硬度と優れた耐蝕性、及び５００℃で焼戻し後６１〜６３HRCの硬度が測定された。約５２５℃で焼戻しすることにより６１〜６４HRCの硬度ピークが達成できる。後者の場合若干の耐蝕性が失われるが、耐蝕性に対して高い要求が存在しないある種の用途に対してはこの高い硬度が利用できる。本発明はしたがって、適当な熱処理を選択することにより、スチールの有用性の各種用途への適応について著しい柔軟性を与える。スチールの有用性に関する他の重要な要因はスプレー形成法に基ずく製造法であり、この方法は粉末冶金法より実質的に経済的である。
【００２６】
また本発明の製品は、スプレー形成したインゴット；通常スチールメーカーによって、２００〜３００HB、標準的には約２５０HBの硬度でソフト焼なまし状態で、最終製品の形に機械加工する客先に引き渡しされる、例えばプレート、バー、ブロックなどの形のブランク；ならびに問題の用途用に意図した硬度まで焼入れ及び焼戻した最終製品；を含む、考えられるいかなる形であってもよいことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明製品の１部分の微細構造を示す写真である。
【図２】多数の試験した合金の焼戻し曲線を示す図である。
【図３】図２の曲線の１部を拡大スケールで示す図である。
【図４】ＣＣＴ-ダイアグラムからのデータで本発明スチール及び２つの参考材料の焼入れ性をチャートの形で示す図である。
【図５】本発明スチール及び２つの参考材料の研磨耐摩耗性を示す図である。
【図６】試験材料の耐蝕性を材料の分極曲線から腐蝕電流、Ｉcr、の形で示す図である。
Claims (23)
- スチール製品であって、その製品が重量％で以下を含む合金からなること、
１．７〜２．５ Ｃ
０．１〜２．０ Ｓｉ
０．１〜２．０ Ｍｎ
最大０．２ Ｎ
最大０．２ Ｓ
１２〜１６ Ｃｒ
２．１〜３．５（Ｍｏ＋Ｗ／２）
５〜８ Ｖ
最大０．１ Ｎｂ
バランス：実質的に鉄及び不可避不純物のみ、
及びそのスチールがインゴットのスプレー形成を含むスチールの製造法によって得ることができる微細構造を有すること、その微細構造は１４〜２５容積％の、主としてＭＣタイプの炭化物、Ｍは実質的にバナジウムからなり、この炭化物のうち８０容積％以上が十分に円い形と最大長が１〜１０μｍのサイズを有する、及びＭ7Ｃ3-炭化物、Ｍは実質的にクロムからなり、この炭化物は通常ＭＣ-炭化物より長い形を有し、ＭＣ-炭化物のうち８０容積％以上が３〜５０μｍに及ぶ最大長を有する、を含む、を特徴とするスチール製品。 - 前記微細構造が３〜８容積％のMC-炭化物及び１０〜２０容積％のＭ7Ｃ3-炭化物を含む、請求項１記載の製品。
- 焼入れ及び焼戻し後に５５〜６４ＨＲＣの硬度を有する、請求項２記載の製品。
- 焼入れ及び焼戻し後のスチールのマルテンサイトマトリクスが固溶体中に０．２〜０．７重量％の炭素を含む、請求項３記載の製品。
- スチール中の炭素の合計含量が１．８％以上である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の製品。
- スチール中の炭素の合計含量が最大２．３％である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが０．２〜１．０％Ｓｉを含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが０．２〜１．０％のＭｎを含む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが１３％以上のＣｒを含む、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが最大１５．５％のＣｒを含む、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが１３．２〜１４．５％のＣｒを含む、請求項１０に記載の製品。
- スチールが６．１％以上のＶを含む、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが最大７．５％のＶを含む、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが６．３〜７．３％のＶを含む、請求項１２又は１４に記載の
製品。 - スチールが最大０．０４％を超えるＮｂを含まない、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが２．３％以上のＭｏを含む、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが最大３．０％のＭｏを含む、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが最大１．０％、好ましくは最大０．５％を超えるＷを含まない、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の製品。
- スチールが最大０．１％、好ましくは最大０．０５％を超えるＳを含まない、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の製品。
- １８０〜２２０℃の温度で焼入れ及び焼戻し後５５〜６２ＨＲＣ、好ましくは５９ＨＲＣ以上の硬度を有する、請求項３ないし１９のいずれか１項に記載の製品。
- ３８０〜４５０℃の温度で焼入れ及び焼戻し後５５〜６２ＨＲＣ、好ましくは５９ＨＲＣ以上の硬度を有する、請求項３ないし１９のいずれか１項に記載の製品。
- ４８０〜５２０℃の温度から焼入れ後６０〜６３ＨＲＣの硬度を有する、請求項３ないし１９のいずれか１項に記載の製品。
- ５１０〜５３０℃の温度から焼入れ後６１〜６４ＨＲＣの硬度を有する、請求項３ないし１９のいずれか１項に記載の製品。
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