JP2018503739A - 耐摩耗性合金 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐摩耗性のFeおよび/またはNi系合金に関する。本発明の合金は、硬質相粒子を形成するためにホウ素と合金化される。
窒素およびバナジウム合金化粉末冶金(PM)工具鋼は、高い硬度、高い耐摩耗性、および優れた耐ゴーリング性の独特の組合せのために、大きな関心が持たれた。これらの鋼は、主要な破壊機構が凝着摩耗またはゴーリング(galling)である広範な用途を有する。用途の典型的な分野としては、打抜き加工および成形、精密打抜き加工、冷間押出加工、深絞り加工、ならびに粉末プレス成形が挙げられる。等方性の鋼を製造するために、基本の鋼組成物が噴霧され、窒化処理を施され、その後、得られた粉末がカプセル中に充填され、高温静水圧圧縮(HIP)を施される。この方法で製造される高性能の鋼の1つが国際公開第00/79015 A1号パンフレットに記載されている。
本発明の目的は、高度な成形用途のための改善された特性プロファイルを有する、粉末冶金(PM)で製造された合金を提供することである。
本発明は、Feおよび/またはNi系のマトリックス中のFeおよび/またはNiを含有する複数のホウ化物から主としてなる硬質相を含む合金に関する。好ましくは、このマトリックスは硬化可能である。複ホウ化物は、M2M’B2の種類のものであり、式中MおよびM’は複数のホウ化物の金属を表す。上記ホウ化物を形成する元素は、一般にCr、Mo、W、Ti、V、Nb、Ta、Hf、およびCoから選択される。本発明の場合、MはMoであり、M’はFeおよび/またはNiである。しかし、ホウ化物は、実質的な量の他のホウ化物形成元素の1種以上を含有してもよい。しかし、以下では、Fe系合金の場合、ホウ化物はNiおよび1種以上の前述のホウ化物形成元素も含有してもよいが、複ホウ化物はMo2FeB2を意味する。同様に、Ni系合金中では、複ホウ化物はMo2B2を意味する。硬質相粒子のサイズは、顕微鏡画像解析によって求めることができる。こうして求められるサイズは、その粒子と同じ投影面積を有する円の直径に相当する直径である円相当径(ECD)である。
炭素は、Ni系合金中に存在する必要はない。しかし、多くのFe系合金には、炭素が存在する必要がある。≦0.15%、≦0.05%、≦0.03、またはさらには≦0.01%などの低炭素含有量が、異なる種類のステンレス鋼中に使用される。したがって、下限は、0.005%、0.01%、0.02%、または0.03%に設定してもよい。特に、アルミナ形成オーステナイト系(Alumina Forming Austenitic)(AFA)ステンレス鋼中に微細析出NbCを形成するために、炭素を0.02〜0.9%、0.05〜0.5%、0.05〜0.2%、または0.05〜0.25%の量で含むことができる。他方、炭素の最小量は、多くの工具鋼では、0.1%または0.2%、0.3%、または0.35%に設定してもよい。炭素の上限は2.5%である。炭素は、炭化物を形成するために、また、工具鋼中の硬化のために重要である。好ましくは、焼き入れ後に高強度マトリックスとなるオーステナイト化温度でマトリックス中に溶解した0.4〜0.6%のCが得られるように、炭素含有量が調節される。オーステナイト化温度は好ましくは1080〜1120℃である。いずれの場合も、鋼中のM23C6、M7C3、M6C、M2C、およびMCの種類の炭化物の量が制限されるように、炭素量を制御すべきである。したがって、上限は、2.1%、1.5%、1.3%、1.0%、0.8%、0.6%、0.5%、または0.45%に設定してもよい。
クロムはNi系およびFe系の合金中に一般に存在する。下限は0%である。しかし、Fe系合金中、クロムは、多くの用途では、十分な硬化性を得るために、少なくとも0.5%、1%、1.5%、2%、3%、または3.5%の含有量で存在する。熱処理中に大きな断面で良好な硬化性を得るために、Crがより多いことが好ましい。クロム含有量が多すぎると、これによってM7C3などの望ましくない炭化物が形成され得る。さらに、これによって微細組織中の残留オーステナイトの傾向も増加し得る。良好な硬化性を実現するために、マトリックス中に溶解したCrを少なくとも2%、好ましくは2.5%、%、3%、3.5%、または4%有することが望ましい。ステンレス用途では、合金がマトリックス中に少なくとも11%、12%、または13%のCrを含有することが好ましい。下限は、3.1%、3.2%、3.4%、3.6%、3.8%、4.0%、または4.2%に設定してもよい。上限は、7.0%、6.5%、6.0%、5.4%、または4.6%に設定してもよい。他方、10%を超える、好ましくは12%を超えるクロム含有量がステンレス用途に使用される。ステンレス合金の場合の上限は25%であり、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、または13%に設定してもよい。
Moは、硬質ホウ化物を形成する主要元素である。本発明では、3〜35体積%の量のホウ化物Mo2FeB2の所望の析出物を得るために、多量のモリブデンが使用される。モリブデンは少なくとも4%の量で存在すべきである。下限は、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%19%、または20%であってよい。脆性に関する問題を回避するため、上限は35%である。上限は、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、または22%に設定してもよい。好ましい範囲としては、8〜32%、12〜30%、および15〜25%が挙げられる。Moは、良好な二次硬化応答を維持するために重要な硬化性に対して、非常に好都合な効果を有することも知られている。このため、1100℃からの焼き入れ後にマトリックス中に残留するMoの量が1.5〜2.5%となることが好ましい。しかし、硬化後にマトリックス中に溶解したMoが多すぎると、残留オーステナイトの量が多くなりすぎ、硬度が低下することがある。このため、マトリックスが4%または3.5%以下の溶存Mo、好ましくは3.2%以下のMoを含有するように、Mo含有量がMo含有硬質ホウ化物相に対してバランスが取れることが望ましい。溶存Moの好ましい範囲の1つは、2.1〜3.1%に設定してもよい。このため、比Mo/Bは、好ましくは7〜18、より好ましくは9〜12の範囲に調節することができる。比Mo/Bのバランスを取ることの別の理由の1つは、六方晶相M2C(式中、Mは主としてMoおよび/またはVである)の形成の原因となりうるモリブデンが過剰になりすぎることを回避することである。相M2Cの量は、≦1.5体積%、好ましくは≦1体積%、またはさらには≦0.5体積%に制限してもよい。
主要な硬質相形成元素であるホウ素は、最小量である3%の硬質相Mo2FeB2が得られるように、少なくとも0.2%となるべきである。合金が脆性にならないようするため、Bの量は2.8%に制限される。下限は、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、または2.0%に設定することができる。上限は、2.7%、2.6%、2.5%、2.4%、2.3%、または2.2%に設定してもよい。
高含有量のWがNi系合金、高速度鋼(HSS)、およびT型工具鋼に使用されることが多いので、タングステンは最大22%の量で存在することができる。タングステンの効果はMoの効果と類似している。しかし、同じ効果を実現するためには、重量%基準でMoの2倍量のWを加える必要がある。タングステンは高価であり、またスクラップ金属の取り扱いが複雑になる。したがってFe系合金中では、最大量は、3%、2.5%、2%、1.9%、1.8%、1.7%、1.6%、1.5%、1%、0.5%または0.3%に制限してもよい。
バナジウムは、MC型の均一に分散した一次および二次析出炭化物を形成する。本発明の鋼では、Mは主としてバナジウムであるが、CrおよびMoがある程度存在する場合がある。Vの最大添加量は15%に制限され、好ましい最大量は5%である。しかし、本発明の場合、Vは主として、鋼マトリックスの所望の組成を得るために硬化前に加えられる。したがって、この添加は、2.0%、1.5%、1.0%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%、または0.5%に制限され得る。下限は、0.05%、0.1%、0.12%、0.14%、0.16%、0.15%、または0.2%に設定してもよい。好ましい範囲の1つは、0.1〜0.5%のVである。
ニオブは、MCを形成するという点でバナジウムと類似している。しかし、同じ効果を実現するためには、重量%基準でVの2倍量のNbを加える必要がある。Nbによって、より角張った形状のMCも形成される。したがって、Nbの最大添加量は15%に制限され、好ましい最大量は5%である。上限は、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%、0.1%、または0.05%に設定してもよい。アルミナ形成オーステナイト系(AFA)ステンレス鋼中に微細析出NbCを形成するためにニオブを含んでもよい。この場合、好ましい含有量は0.1〜1.5%である。
ケイ素は、脱酸のために使用することができる。Siは、炭素活性も増加させ、切削性に関して有益である。良好な脱酸のためには、Si含有量を少なくとも0.1%に調節することが好ましい。したがって、Siは好ましくは0.1〜2.5%の量で存在する。下限は、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、または0.4%に設定してもよい。しかし、Siは、強いフェライト形成剤であり、2.5%に制限すべきである。上限は、1.5%、1%、0.8%、0.7%、または0.6%に設定してもよい。好ましい範囲の1つは0.2〜0.8%である。Siは、アルミニウム合金化ステンレス鋼の一部の種類などのある種の合金において、多量になることは望ましくない。したがって、上限は、0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%、0.1%、または0.05%に設定してもよい。
Mnは、オーステナイト形成剤であり、合金中の窒素の溶解性を高める。したがって、Mnは、最大15%の量で存在してもよい。マンガンは、鋼の硬化性の改善に寄与し、硫黄とともにマンガンは、硫化マンガンを形成することによって切削性の改善に寄与する。したがって、マンガンは、0.1%、好ましくは少なくとも0.2%の最小含有量で存在してもよい。より多い硫黄含有量では、マンガンによって鋼中の赤熱脆性が防止される。上限は、10%、5%、2.5%、1.5%、1.2%、1.0%、0.8%、または0.6%に設定してもよい。しかし、好ましい範囲は、Fe系合金中で0.2〜0.8%および0.2〜0.6%である。
ニッケルは、主要硬質相としてMo2NiB2を有するNi系製品を製造するための残部として使用することができる。しかし、Fe系合金中では、Niは任意に選択され、好ましくは25%以下、20%以下、または15%以下の量で存在してもよい。これは、良好な硬化性および靱性を鋼に付与する。ニッケルはAlとともに金属間相を形成するために使用することができ、したがって、マルエージング鋼中の析出強化のために使用される。さらに、NiはAFA合金において必須であり、多くの場合、10〜30%の範囲内の量で存在する。コストの理由で、多くの鋼ではニッケル含有量が制限される。したがって、Fe系合金中、上限(upper limited)は、5%、2%、1.0%、または0.3%に設定してもよい。
鉄は、主要硬質相としてMo2FeB2を有するFe系製品を製造するための残部として使用することができる。しかし、Ni系合金中では、Feは任意に選択され、15%以下の量で存在してもよい。上限は、8%、7%、6%、5%、4%、または3%であってよい。
Cuは任意に選択される元素であり、鋼の硬度および耐食性の増加に寄与することができる。上限は、4%、3%、2%、1%、0.9%、0.7%、0.5%、0.3%、または0.1%であってよい。しかし、銅を加えた後で鋼から銅を抽出することは不可能である。このため、スクラップの取り扱いがさらにより困難になる。このため、通常、銅は意図的には加えられない。
Coは任意に選択される元素であり、20%%以下の量で存在してもよい。Coは鉄(フェライトおよびオーステナイト)中に溶解して鉄を強化し、同時に高温強度を付与する。CoはMs温度を上昇させる。Coは、主としてMo2FeB2ホウ化物中のFeと置換することができる。コバルトは高速度鋼中に使用されることが多い。しかし、Coは高価である。したがって、上限は、8%、7%、6%、5%、4%、または3%に設定してもよい。好ましい最大含有量の1つは2%である。しかし、スクラップの取り扱いがより困難となる。このため、Coは意図的に加える必要はない。
これらの元素は、ホウ化物、窒化物酸化物、および/または炭化物を形成することができ、特許請求される範囲内の合金において、硬質相の組成の変更、耐酸化性の改善などの1つ以上の目的で存在することができる。REMは希土類金属を意味し、原子番号が21または57〜71の元素を含む。しかし多くの用途では、これらの元素はいずれも意図的に加えられることはない。
Pは、不純物元素および固溶強化元素である。しかし、Pは、粒界に偏析する傾向があり、凝集を減少させ、それによって靱性を低下させる。したがって、Pは通常は≦0.05%に制限される。
Sは鋼の切削性の改善に寄与する。より多い硫黄含有量では、赤熱脆性の危険性が存在する。さらに、多い硫黄含有量は、鋼の疲労特性に悪影響が生じる場合がある。したがって鋼は、≦0.5%、好ましくは≦0.03%を含有すべきである。
窒素は任意に選択される成分である。Nは、固溶体中に存在してもよいが、BおよびCとともに硬質相粒子中に見られる場合もある。上限は、0.4%、0.3%、0.2%、0.15%、0.1%、0.05%、および0.03%であってよい。
アルミニウムは任意に選択される成分である。Alは、合金の脱酸のため、金属間化合物を形成するため、または耐酸化性を付与するために加えることができる。特に、アルミニウムは、FeCrAlまたはFeCrAlYの種類のフェライト合金、ならびにアルミナ形成オーステナイト系(AFA)ステンレス鋼に使用することができる。後者の種類の合金では、最小含有量は、0.8%、1.0%、1、2%、1.4%、1.6%、または2%に設定してもよい。脱酸のための下限は、0.005%、0.01%、または0.03%に設定してもよい。Alがアルミナの保護表面層を形成するために使用される場合、その下限は、1%、1.5%、2%、2.5%、または3%に設定することができる。上限は7%であるが、6%、5%、4.5%、4%、または3.5%に設定することができる。
C 0〜2.5
Si 0〜2.5
Mn 0〜15
Mo 4〜35
B 0.2〜2.8
Cr 0〜25
V ≦15
Nb ≦15
Ti ≦5
Ta ≦5
Zr ≦5
Hf ≦5
Y ≦3
Co ≦20
Cu ≦5
W ≦22
S ≦0.5
N ≦0.5
Al ≦7
REM ≦0.5
残部 不純物を除けばFeおよび/またはNiからなり、この合金は、ホウ化物、窒化物、炭化物、および/またはそれらの組合せの少なくとも1種類の3〜35体積%の硬質相粒子を含み、好ましくは、硬質相粒子の少なくとも60%はMo2FeB2またはMo2NiB2からなる。硬質相粒子の少なくとも90%は5μm未満のサイズを有し、硬質相粒子の少なくとも50%は0.3〜3μmの範囲内のサイズを有する。Mo/B比が7〜18の範囲に調節されること、および合金のマトリックスが4%を超えるMoを含有しないことが好ましい。鋼の組成および熱処理は、鋼にフェライトマトリックス、マルテンサイトマトリックス、オーステナイトマトリックス、または二重オーステナイト/フェライトマトリックスが付与されるように選択することができる。マルテンサイトマトリックス中の残留オーステナイトの量は、15体積%、10体積%、5体積%、または2体積%に制限してもよい。
以下に示す組成(単位は重量%)を有する10kgの合金を実験室用炉中で溶融させ、Arガス噴霧を行った。
C 0.3
Si 0.3
Mn 0.3
Mo 19
B 2.1
Fe 残部。
以下に示す組成を有する合金を実施例1に記載のように作製した。
C 0.32
Si 0.44
Mn 0.3
Mo 19
B 2
Cr 11
V 0.26
Fe 残部。
以下に示す組成を有する合金を実施例1に記載のように作製したが、噴霧には窒素ガスを使用した。
C 0.083
Si 0.45
Mn 0.64
Mo 11.1
B 1.0
Cr 11.3
Nb 0.7
Ni 15.2
Al 2.0
Fe 残部。
ホウ化物で強化され析出硬化されたステンレス鋼をガス噴霧によって作製した。この鋼合金は以下の組成(単位は重量%)を有した:
C 0.03
Si 0.3
Mn 0.3
Mo 11.0
B 1.1
Cr 11.4
Ni 7.5
Al 1.4
Fe 残部。
本発明の合金は広範囲の用途に有用である。特に、本発明の鋼は、非常に高い耐ゴーリング性が要求される用途に有用である。
Claims (14)
- 粉末冶金によって製造され、非アモルファスマトリックスを有する合金であって、前記合金が重量%(wt.%)の単位で:
C 0〜2.5
Si 0〜2.5
Mn 0〜15
Mo 4〜35
B 0.2〜2.8
Cr 0〜25
V ≦15
Nb ≦15
Ti ≦5
Ta ≦5
Zr ≦5
Hf ≦5
Y ≦3
Co ≦20
Cu ≦5
W ≦22
S ≦0.5
N ≦0.5
Al ≦7
REM ≦0.5
残部 不純物を除けばFeおよび/またはNi
からなり、
前記合金が3〜35体積%の硬質相粒子を含み、
前記硬質相粒子がホウ化物、窒化物、炭化物、および/またはそれらの組合せの少なくとも1種類を含み、前記硬質相粒子の少なくとも90%が5μm未満のサイズを有し、
前記硬質相粒子の少なくとも50%が0.3〜3μmの範囲内のサイズを有する、合金。 - 前記合金が、以下の条件:
前記合金が5〜30体積%の硬質相粒子を含む、
前記硬質相粒子の少なくとも90%が≦3μmのサイズを有する、
前記硬質相粒子の少なくとも80%が0.3〜3μmの範囲内のサイズを有する、
前記硬質相粒子の少なくとも60%がMo2FeB2またはMo2NiB2からなる、
前記合金が≧98%の理論密度(TD)を有する、
前記合金の前記マトリックスが4%を超えるMoを含有しない、
前記合金が5%を超える残留オーステナイトを含有しない、
の少なくとも1つを満たす、請求項1に記載の合金。 - 前記合金が、残部がFeであり、以下の条件:
C 0.02〜1.5
Si 0.1〜1.5
Mn 0.1〜1.5
Mo 8〜30
Ni ≦25
B 0.5〜2.5
Cr 3〜20
V ≦5
Nb 0.05〜1.5
Ti 0.05〜1.5
Ta 0.05〜1
Zr 0.05〜1
Hf 0.05〜1
Y 0.05〜1
Co ≦8
Cu ≦0.5
W ≦3
S ≦0.03
N ≦0.1
Al 0.01〜4.5
前記硬質相粒子の少なくとも80%がMo2FeB2からなる、および/または
前記合金の前記マトリックスが3.8%を超えるMoを含有しない、
の少なくとも1つを満たす、請求項1または2に記載の合金。 - Niの含有量が≦5であり、前記合金が以下の条件:
C 0.3〜0.5
Si 0.2〜0.8
Mn 0.2〜0.8
Mo 12〜25
B 1.8〜2.2
Cr 3.0〜16
V 0.1〜2.0
Al 1.5〜3.5
Nb 0.3〜1.5
Al 2〜5
Co ≦2
前記硬質相粒子の少なくとも90%がMo2FeB2からなる、
前記合金の前記マトリックスが3.5%を超えるMoを含有しない、
前記合金が2%を超える残留オーステナイトを含有しない、
の少なくとも1つを満たす、請求項1〜3のいずれか一項に記載の合金。 - 前記合金が、残部がFeであり、以下の条件:
C 0.02〜0.15
Si 0.2〜0.6
Mn 0.2〜0.6
Mo 4〜15
B 0.2〜2.0
Cr 10〜25
V ≦0.7
Nb 0.5〜1.5
Ni 5〜25
Al 1〜4
の少なくとも1つを満たす、請求項1〜3のいずれか一項に記載の合金。 - 前記合金がオーステナイトマトリックスを有し、前記非金属硬質相粒子の少なくとも60%がMo2FeB2またはMo2NiB2からなり、前記合金の表面がAl2O3の層を含む、請求項5に記載の合金。
- 前記合金が、残部がFeであり、以下の条件:
C 0.35〜0.45
Si 0.2〜0.6
Mn 0.2〜0.6
Cr 10.0〜15.0
V 0.1〜0.5
N 0.01〜0.07
の少なくとも1つを満たす、請求項1〜4のいずれか一項に記載の合金。 - 前記合金が以下の条件、
V 0.2〜0.4
P <0.05
S <0.003
O <0.005
の少なくとも1つを満たす、請求項1〜7のいずれか一項に記載の合金。 - 前記合金が、残部がFeであり、前記金属マトリックスが、硬化され、以下:
C 0.4〜0.5
Si 0.3〜0.5
Mn 0.3〜0.5
Mo 15〜25
Cr 4.0〜5.0
V 0.3〜0.4
を満たす、請求項1〜4のいずれか一項に記載の合金。 - 前記合金が15〜25体積%の硬質相粒子を含み、前記硬質相粒子のサイズが≦4μmである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の合金。
- 前記合金が、
C 0〜2.5
Si 0.1〜2.5
Mn 0.1〜2.5
Mo 4〜35
B 0.2〜3
を含む溶融物の噴霧によって得られるプレアロイ粉末の形態である、請求項1に記載の合金。 - 前記合金に対して、噴霧および高温静水圧圧縮が行われており、その結果、前記合金が等方性である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の合金。
- 高温静水圧圧縮、粉末押出、および付加製造のいずれかを用いることによって固体物体を製造するための、請求項1〜12のいずれか一項に記載の合金の使用。
- 孔あけ、成形、打抜き加工、精密打抜き加工、押出成形、深絞り加工、粉末プレス成形の工具として、またはダイカストもしくはプラスチック成形に使用される部品または金型における、請求項1〜9および11のいずれか一項に記載の合金の使用。
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