JP2009532585A

JP2009532585A - 熱間加工用鋼鉄

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Publication number: JP2009532585A
Application number: JP2009504159A
Authority: JP
Inventors: オッドサンドベルイ、; ベングトクラレンフヨルド、
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: SE0600797L; US20090191086A1; NO20084230L; WO2007114781A1; EP2002025A1; AU2007232532A1; JP5185923B2; RU2008136560A; AU2007232532B2; TW200741017A; BRPI0710268A2; RU2430186C2; CN101415854A; MX2008012631A; NZ570919A; KR20090010187A; SG170824A1; CA2659249A1; TWI355425B; SE529809C2

Abstract

本発明は、重量％で以下の化学組成、０．３０〜０．５０％Ｃ、０〜１．５％Ｓｉ、０〜１．８％Ｍｎ、１．５〜３．５％Ｃｒ、０．３〜０．９％（Ｍｏ＋Ｗ／２）、０．４〜０．８％（Ｖ＋Ｎ／２）（残りが鉄および不可避の不純物）を有する熱間加工用鋼鉄に関する。

Description

本発明は、熱間加工用鋼鉄（ｈｏｔ−ｗｏｒｋｉｎｇｓｔｅｅｌ）、すなわち加工材料（ｗｏｒｋｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ）の高温条件での加工に用いることを意図した鋼鉄に関する。この鋼鉄の典型的な使用例は、軽金属、主にアルミニウムの押出プレス用の工具である。別の使用の形態は鍛造工具である。本発明はまた、熱間加工用工具の製造におけるこの鋼鉄の使用、およびこの鋼鉄から製造される工具にも関する。

高品質の熱間加工用工具には、高温摩耗に対する良好な耐性、ならびに焼き戻し耐性、靭性、焼入性、および強度などの他の特性の有益な組み合わせなどの、多くの要求がある。これらの特性を満たすことが、最適な工具性能にとって重要である。アルミニウムなどの金属の押出プレス用工具は、温度、圧力、およびアブレシブ摩耗の点から見て厳しい作業条件にさらされる。押出プレスとは、可塑化条件での材料が、制限部／ノズルを通してプレスされ、押出プレスされる材料の押し出した輪郭／形状が形成されることを意味する。したがって、アルミニウムなどの材料は通常約５００〜６００℃の温度で押し出されるので、押出プレスのノズルは高温摩耗に対する良好な耐性ならびに高温での焼き戻しに対する良好な耐性と組み合わせた高い強度を有していなければならない。良く知られており、長く使用されている熱間加工用鋼鉄はＡＩＳＩに従ってＨ１３（または代わりにＨ１１）で表示され、重量％で以下の公称組成を有する。０．３０〜０．４０Ｃ、０．２０〜０．４０Ｍｎ、０．８０〜１．２０Ｓｉ、４．７５〜５．５０Ｃｒ、１．２５〜１．７５Ｍｏ、０．８０〜１．２０Ｖ、残部は鉄と不可避の不純物。Ｈ１１については、重量％で、０．３０〜０．５０Ｖ、残りはＨ１３と同じ。長年にわたって、従来の鋼鉄であるＨ１３の特定の性質を改善する目的で、多くの異なる方向からの開発が検討されてきた。例は欧州特許第６３２１３９号、米国特許第４，８８６，６４０号、および米国特許第４，８５３，１８１号である。

上記の全ての鋼鉄に共通の欠点は、比較的高い含有量の高価な合金材料を有していることである。このことは、最小限にできることが長い間望まれてきた、本質的な欠点であることが認識されている。

発明の説明
長年の実験に基づき、本発明者らは、重量％で下記の化学組成を有する鋼鉄によって、上記の問題を最小限にすることに今や成功した。

０．３０〜０．５０％Ｃ
０〜１．５％Ｓｉ
０〜１．８％Ｍｎ
１．５〜３．５％Ｃｒ
０．３〜０．９％（Ｍｏ＋Ｗ／２）
０．４〜０．８％（Ｖ＋Ｎ／２）
残りは鉄および不可避の不純物。

本発明により、大部分の用途に対して、従来のＨ１３鋼鉄と同等の特性を有するが、合金化の費用がほぼ半分である（現在の金属価格で）熱間加工用鋼鉄を、今や提供することができる。Ｈ１３タイプの様々な鋼鉄が長年の間市販されてきたという事実に基づけば、特にアルミニウムとの高温摩耗に対する耐性および熱伝導性という重要な特性が、従来のＨ１３合金と比較して改善されることを考慮するとき、本発明者らが上記の問題を解決するのに非常に有効な合金を見出すことができたのは、驚くべきことと考えなければならないと認識される。焼入性がいくらか損なわれるのは事実であるが、大部分の市販の押出工具はかなり小さい寸法に対して用いられるので、既存の製品の約７０〜８０％がこの新しい合金を利用できると見積もられ、その他の点に関しては機能性を維持しながらコストの相当な削減をもたらす。

別途記載されない限り、この説明では常に鋼鉄の化学組成に関しては重量パーセントを表し、鋼鉄の構造成分（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）に関しては体積パーセントを表す。

個々の合金材料およびそれらの相互関係について、ならびに鋼鉄の構造および熱処理について、下記のことが当てはまる。

炭素は、熱処理後に鋼鉄に所望の硬さを与え、焼入性に寄与するのに適当な量で存在するべきである。したがって、少なくとも０．３％、最良の結果のためには約０．４％の炭素がなければならない。多すぎる炭素は靭性において負の効果を有し、したがって上限は約０．４５％とするべきである。

ケイ素は鋼鉄の製造からの残留元素として、通常は少なくとも０．２％、大部分の場合約１％の含有量で存在する。ケイ素は鋼鉄中の炭素活性を高め、したがってそれは鋼鉄に適当な硬さを与えるのに寄与する。それはまた、酸化および焼き戻しに対する適当な耐性にも寄与する。高すぎる含有量は、固溶硬化（ｓｏｌｕｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇ）による脆性の問題を引き起こすことがあり、したがって鋼鉄中のケイ素の最大含有量は１．５％、好ましくは１．２％以下である。

マンガン、クロム、およびモリブデンは、鋼鉄に適当な焼入性を与えるのに十分高い量で鋼鉄中に存在するべきである。

モリブデンは、焼入性への寄与に加えて、良好な耐焼き戻し性に寄与する特性をも有する。したがって、モリブデンは少なくとも０．３％、しかし０．８％以下の含有量で必要であることがわかっている。好ましくは、０．６％のモリブデンが使用される。

焼入性に加えて、クロムは合金の耐酸化性にも寄与し、少なくとも１．５％、しかし３．０％以下の含有量で存在するべきである。クロムの公称（ｎｏｍｉｎａｌ）含有量は好ましくは２．６％である。

鋼鉄を特徴づけるモリブデンとクロムの限られた含有量において、鋼鉄への所望の焼入性の付与に寄与するために、マンガンは、少なくとも０．７％の含有量で存在するべきである。鋼鉄は１．８％を超えるマンガンを含有するべきでない。マンガンの公称含有量は好ましくは１．４％である。

バナジウムは鋼鉄中に少なくとも０．４％、かつ０．７％以下の含有量で存在するべきである。バナジウムは鋼鉄に良好な耐焼き戻し性、良好な耐摩耗性を与えるのにも寄与し、比較的微細な結晶構造の形成に寄与する炭化バナジウムを形成することにより、良好な強度にも寄与する。

従来の既知の製造技術を、この鋼鉄の製造に用いることができる。

図面の簡単な説明
下記の実施した実験の説明において、添付の図面が参照されるであろう。

図１は、４時間の試験におけるガス窒化（ｇａｓｎｉｔｒｉｄｅｄ）試料の、高温摩耗に対する所望の耐性についてのグラフを示す図である。

図２は、８時間の試験における対応する試験結果を示す図である。

実施された実験の説明
以下の工程により、５０ｋｇの重量を有する実験室規模のインゴットの形態で３種の合金を作成した。１２７０℃にて６０×６０ｍｍの寸法に鍛造する。８５０℃／２時間で軟化焼鈍しをし（ｓｏｆｔａｎｎｅａｌｉｎｇ）、１０℃／時間で６００℃まで冷却し、その後空気中で放冷する。

検討した投入量（ｃｈａｒｇｅ）の化学組成を下記の表１に示す。

合金は下記の表２に従って熱処理する。

５×１０×３０ｍｍの寸法を有する板状試料を、表２に従い各種類について製造する。試料の一表面、５×３０ｍｍの面を約０．１０〜０．１５μｍのＲ_Aで精密研磨する。

アルミニウムに対する高温摩耗を比較するために、様々な試料を調査した。図１はガス窒化試料についての約４時間後の摩耗体積を示す。グラフは、本発明にしたがって製造された両方の試料、すなわち試料６および７が、参照の鋼鉄（試料番号２）と比較して改善された耐摩耗性を有することを示している。

図２は対応する８時間の試験の結果を示し、このような実験においても本発明での改善された耐摩耗性を確かめることができたことを示している。１つ実例（試料番号６）において、従来のＨ１３鋼鉄（試料２）と比較して、耐摩耗性に関する改善は５０％を超える。

したがって、本発明による鋼鉄を、重量％で０．３０〜０．４０Ｃ、０．２０〜０．４０Ｍｎ、０．８０〜１．２０Ｓｉ、４．７５〜５．５０Ｃｒ、１．２５〜１．７５Ｍｏ、０．８０〜１．２０Ｖ、残りが鉄と不可避の不純物である組成を有する従来のＨ１３鋼鉄（試料２）と比較すると、重量％で０．４Ｃ、０．５〜１．０Ｓｉ、１．２〜１．４Ｍｎ、２．２〜２．５Ｃｒ、０．５〜０．６Ｍｏ、０．５〜０．６Ｖの組成を有する本発明による鋼鉄が、合金材料の含有量がより低くより低コストであるにもかかわらず、耐摩耗性という非常に重要な特性に関して大きく改善されていることは明らかである。当技術分野における従来の見解を考えれば、広く認められている教示は、クロムおよび／またはモリブデンおよび／またはバナジウムの含有量を低くすると窒化ポテンシャル（ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の低下を引き起こすはずであるというものであるので、これらの結果は驚くべきものである。広く認められている見解によれば、本発明による鋼鉄においてなされた変更はしたがって、従来のＨ１３鋼鉄と比較して、相対的に見られる窒化ポテンシャルの低下と、それゆえの耐摩耗性の低下とを引き起こすはずである。クロム、モリブデン、およびバナジウムの含有量の減少にもかかわらず、優れた窒化ポテンシャルとそれゆえの良好な耐摩耗性を達成する能力とをもたらす何らかのタイプのメカニズムが、明らかに本発明による鋼鉄において起きている。

本発明は上記の好ましく狭い範囲に限定されず、要求される良好な特性を依然として維持しながら、請求項１で定義される本発明の範囲内で多くの変更が受け入れられることが理解される。本発明による特に好ましい態様は、従属する請求項に規定される。

下記の表（表３）より、本発明による鋼鉄がＨ１３鋼鉄に望まれる特性を満たすことが明らかである。この表は重要な特性の重み付け比較を示し、１０は最良の試験結果に相当する最高の格付けであり（従来のＨ１３鋼鉄と本発明との間の比較において）、比較試料の格付けは最良の格付けと比較して重み付けされる。

上記の表より、Ｈ１３鋼鉄について重要な特性に関して本発明の格付けが非常に良いこと、ならびに、合金化コストがほぼ５０％低くなるにもかかわらず、アルミニウムとの摩耗に対する耐性および熱伝導性という非常に重要な特性に関して向上した格付けを達成することまでも可能であることが明らかである。

４時間の試験におけるガス窒化試料の、高温摩耗に対する所望の耐性についてのグラフを示す図である。８時間の試験における対応する試験結果を示す図である。

Claims

重量％で下記の化学組成
０．３０〜０．５０％Ｃ
０〜１．５％Ｓｉ
１％＜Ｍｎ≦１．８％
１．５〜３．５％Ｃｒ
０．３〜０．９％（Ｍｏ＋Ｗ／２）
０．４〜０．８％（Ｖ＋Ｎ／２）
を有し、
（Ｍｏ＋Ｃｒ）の含有量が重量％で３．５％未満であり、
残りが鉄と不可避の不純物である
ことを特徴とする、熱間加工用鋼鉄。
Ｃの含有量が重量％で０．３８〜０．４６、好ましくは０．４０〜０．４４％Ｃであることを特徴とする、請求項１に記載の鋼鉄。
Ｓｉの含有量が重量％で０．３〜１．３５％、好ましくは０．５〜１．２％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼鉄。
Ｍｎの含有量が重量％で０．３〜１．５％、好ましくは０．５〜１．３５％であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｃｒの含有量が重量％で０．７〜３．０％、好ましくは２．２〜２．８％であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｍｏの含有量が重量％で０．４５〜０．８％、好ましくは０．５〜０．７％であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｖの含有量が重量％で０．４５〜０．７であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｍｏの含有量を基準としたＣｒの含有量が、重量％で％Ｃｒ（Ｃｒの百分率）／％Ｍｏ（Ｍｏの百分率）＞３となるようなものであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｍｏの含有量ならびにＶの含有量が共に０．７重量％未満であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の鋼鉄。
Ｖの含有量が０．５〜０．６重量％であることを特徴とする、請求項１１に記載の鋼鉄。
０．０５重量％以下のＡｌを含有することを特徴とする、請求項１に記載の鋼鉄。
Ａｌの含有量が重量％で０．３〜１．０％、好ましくは約０．７％であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼鉄。
請求項１から１２のいずれか１項に記載の化学組成を有することを特徴とする、熱間加工用鋼鉄。
２００℃で２６Ｗ／ｍ℃を超える熱伝導性を有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の熱間加工用鋼鉄。
押出プレス用、好ましくはアルミニウムの押出プレス用工具の製造のための、請求項１から１２のいずれか１項に記載の鋼鉄の使用。