JP2019504197A - 熱間工具鋼 - Google Patents

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Abstract

【課題】工具の寿命の延長につながる改善された特性プロファイルを有する熱間工具鋼を提供すること。【解決手段】本発明は、熱間工具鋼に関する。鋼は以下の主成分（ｗｔ％で）：Ｃ ０．２７〜０．３８、Ｓｉ ０．１０〜０．３５、Ｍｎ ０．２〜０．７、Ｃｒ ４．５〜５、Ｍｏ ２．０５〜２．９０、Ｖ ０．４〜０．６、Ｎ ０．０１〜０．１２、Ｈ ０．０００４以下、Ｓ ０．００以下を含み、残部に任意の元素、鉄および不純物を含む。【選択図】なし

Description

本発明は、熱間工具鋼に関する。
バナジウム合金系マトリックス工具鋼は何十年も市場に出回っており、高い耐摩耗性と優れた寸法安定性とを兼ね備えるという事実のため、および良好な靱性を有するため、かなりの関心を得ている。これらの鋼は、ダイカストおよび鍛造のような幅広い用途を有する。鋼は、一般に、従来の冶金法に続いてエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）によって製造される。
ＥＳＲによって製造されたバナジウム合金系マトリックス工具鋼は、ヒートチェック、大割れ、熱間摩耗、および塑性変形に関して、従来法で製造された工具鋼よりも良好な特性を有するが、高圧ダイカストでのヒートチェックおよび大割れなどの、熱間加工工具の不具合のリスクを低減するために、さらなる改善の必要がある。加えて、熱間工具鋼の熱間強度および焼戻し抵抗をさらに改善することは有益であろう。
発明の開示
本発明の目的は、工具の寿命の延長につながる改善された特性プロファイルを有する熱間工具鋼を提供することである。
本発明の別の目的は、良好な耐熱間磨耗性および大割れに対する良好な耐性を依然として維持しながら、ヒートチェックを改善することである。さらに別の目的は、粉末形態が付加製造（ＡＭ）に適した、具体的には射出成形工具およびダイの製作または修理に適した鋼組成物を提供することである。
前述の目的は、さらなる利点とともに、合金の請求項に記載された組成を有する熱間工具鋼を提供することによって、かなりの程度まで達成される。
本発明は、特許請求の範囲において定義される。
別個の元素の重要性およびそれらの互いの相互作用、ならびに特許請求された合金の化学成分の限界は以下で簡単に説明される。鋼の化学組成についての全てのパーセンテージは、明細書を通して重量％（ｗｔ％）で与えられる。硬質相の量は体積％（ｖｏｌ％）で与えられる。個々の元素の上限および下限は、特許請求の範囲に記載された限界内で自由に組み合わせることができる。
炭素（０．２７〜０．３８％）
炭素は０．２７％の最小含有量で、好ましくは少なくとも０．２８、０．２９、０．３０、０．３１、０．３２、０．３３または０．３４％存在する。炭素の上限は０．３８％であり、０．３７、０．３６または０．３５％に設定されてもよい。好ましい範囲は０．３０〜０．３８％および０．３３〜０．３７％である。いずれの場合も、炭素の量は、鋼中のＭ２３Ｃ６、Ｍ７Ｃ３およびＭ６Ｃ型の一次炭化物の量が制限されるように、好ましくは鋼がそのような一次炭化物を含まないように、制御すべきである。
ケイ素（０．１０〜０．３５％）
ケイ素は脱酸素のために使用される。Ｓｉは溶解した形態で鋼中に存在する。Ｓｉは強力なフェライト形成剤であり、炭素活量を増加させ、したがって衝撃強度に悪影響を及ぼす望ましくない炭化物の形成のリスクを増加させる。ケイ素はまた、界面偏析を生じやすく、その結果、靱性および熱疲労耐性が低下し得る。したがってＳｉは０．３５％に制限される。上限は、０．３４、０．３２、０．３１、０．３０、０．２９、０．２８、０．２７、０．２６、０．２５、０．２４、０．２３および０．２２％であってもよい。下限は、０．１２、０．１４、０．１６、０．１８および０．２０％であってもよい。好ましい範囲は０．１０〜０．２５％および０．１５〜０．２４％である。
マンガン（０．２〜０．７％）
マンガンは、鋼の焼入れ性の改善に寄与し、硫黄とともに硫化マンガンを形成することによって被削性の改善に寄与する。したがって、マンガンは０．２％の最小含有量で存在するものとする。下限は、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５または０．５％に設定されてもよい。高硫黄含有量側では、マンガンは鋼における赤熱脆性を防止する。鋼は最大０．７％のＭｎを含有するものとする。上限は、０．６５、０．６、０．５５または０．５％に設定されてもよい。
クロム（４．５〜５．５％）
クロムは、熱処理中、より広い断面で良好な焼入れ性を提供するために、少なくとも４．０％の含有量で存在するべきである。クロム含有量が多すぎると高温フェライトの形成につながる場合があり、熱間加工性が低下する。下限は、４．６、４．７、４．８または４．９％であってもよい。上限は、５．４、５．３、５．２または５．１％であってもよい。
モリブデン（２．０５〜２．９０％）
Ｍｏは焼入れ性に非常に好ましい効果を有することが知られている。モリブデンは、良好な二次硬化反応を得るために不可欠である。最小含有量は２．０５％であり、２．１、２．１５、２．２、２．２５、または２．３％に設定されてもよい。モリブデンは強力な炭化物形成元素であり、強力なフェライト形成剤でもある。したがって、モリブデンの最大含有量は２．９％である。好ましくは、Ｍｏは２．８、２．７、２．６、２．５、２．４または２．３５％に制限される。
バナジウム（０．４〜０．６％） バナジウムは、鋼のマトリックス中に一様に分布した一次析出炭化物およびＶ（Ｎ，Ｃ）型の炭窒化物を形成する。この硬質相はＭＸと表される場合もあり、ここでＭは主にＶであるが、ＣｒおよびＭｏが存在してもよく、ＸはＣ、ＮおよびＢの１つまたは複数である。したがって、バナジウムは０．４〜０．６％の量で存在するものとする。上限は、０．５９、０．５８、０．５７、０．５６または０．５５％に設定されてもよい。下限は、０．４２、０．４３、０．４４、０．４５、０．４６、０．４７、０．４８、０．４９、０．５０、０．５１または０．５２％であってもよい。
Ｖ／Ｃ比 （１．３５〜１．６５）
本発明者らは、室温および高温での引張強さが、鋼中の炭化物形成元素バナジウム対炭素含有量の比に影響されることを見出した。その理由は、これらの特性がマトリックス中の炭素の溶解量および析出した炭素の両方に依存するという事実に関連していると考えられている。靱性もまた、この比に影響される。これらの理由から、この比は１．３５〜１．６５であることが好ましく、より好ましくは１．４０〜１．６０、さらに好ましくは１．４５〜１．５５である。
Ｖ＋８．８（Ｎ−０．００５）／Ｃ比 （１．５５〜１．９０）
より顕著な二次硬化が望まれる場合、より安定な窒化物に結合したバナジウムの一部または全てを補うために、バナジウムの総量を増加させてもよい。これらの理由から、この比は１．５５〜１．９０であることが好ましい。１．６０〜１．８５、またはより好ましくは１．６５〜１．８０に設定されてもよい。
アルミニウム（０．００１〜０．０６％）
アルミニウムは、ＳｉおよびＭｎと組み合わせて脱酸素に使用される。下限は、良好な脱酸素を確実にするために、０．００１、０．００３、０．００５または０．００７％に設定される。上限は、ＡｌＮのような望ましくない相の析出を避けるために０．０６％に制限される。上限は、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２または０．０１５％であってもよい。
窒素（０．０１〜０．１２％）
所望の型および量の硬質相、具体的にはＶ（Ｃ，Ｎ）を得るために、窒素は０．０１０〜０．１２％に制限される。窒素含有量をバナジウム含有量に対して適切にバランスをとると、バナジウムリッチな炭窒化物Ｖ（Ｃ，Ｎ）が形成されるであろう。これらは、オーステナイト化工程中に部分的に溶解し、次いで、焼戻し工程中にナノメートルサイズの粒子として析出するであろう。バナジウム炭窒化物の熱安定性は炭化バナジウムの熱安定性よりも優れていると考えられ、ゆえに工具鋼の焼戻し抵抗が改善され得、高オーステナイト化温度での粒成長に対する抵抗性が向上する。下限は、０．０１１、０．０１２、０．０１３、０．０１４、０．０１５、０．０１６、０．０１７、０．０１８、０．０１９または０．０２％であってもよい。上限は０．１１、０．１０、０．０９、０．０８、０．０７、０．０６、０．０５、０．０４または０．０３％であってもよい。
水素（０．０００４％以下）
水素は、鋼の特性に有害な影響を及ぼし、処理中に問題を引き起こすことが知られている。水素に関連する問題を避けるために、溶鋼は真空脱ガスにさらされる。上限は０．０００４％（４ｐｐｍ）であり、３、２．５、２、１．５または１ｐｐｍに制限されてもよい。
ニッケル（１．５％以下）
ニッケルは１．５％以下の量で存在してもよい。それは鋼に良好な焼入れ性および靭性を与える。しかしながら、その費用のために、鋼のニッケル含有量は制限されるべきである。したがって、上限は、１．０、０．８、０．５または０．３％に設定されてもよい。しかしながら、Ｎｉは通常は意図的に添加されない。
銅（２．０％以下）
Ｃｕは任意選択の元素であり、鋼の硬度および耐食性の向上に寄与する場合がある。使用する場合、好ましい範囲は０．０２〜１％である。しかしながら、一度銅が添加されると、鋼から銅を抽出することは不可能である。これはスクラップの取り扱いを大幅に難しくする。この理由から、銅は通常は意図的に添加されない。
コバルト（８％以下）
Ｃｏは任意選択の元素である。Ｃｏは、固相線温度を上昇させ、これにより、焼入れ温度を上昇（Ｃｏなしの場合よりも１５〜３０℃）させる機会を提供する。したがって、オーステナイト化中、より大きな割合の炭化物を溶解させ、それにより焼入れ性を高めることが可能である。ＣｏはＭｓ温度も上昇させる。しかしながら、多量のＣｏは靱性および耐摩耗性の低下をもたらし得る。最大量は８％であり、添加する場合、有効量は２〜６％、具体的には４〜５％であり得る。しかしながら、スクラップの取り扱いのような実用的な理由から、Ｃｏの意図的な添加は行われない。そして、最大混入含有量は、１％、０．５％、０．３％、０．２％または０１％に設定されてもよい。
タングステン（０．５％以下）
原則的には、モリブデンはその化学的類似性のために、２倍の量のタングステンで置き換えられてもよい。しかしながら、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を複雑にする。したがって、最大量は０．５％、好ましくは０．３％に制限され、より好ましくは意図的な添加は行わない。
ニオブ（０．５％以下）
ニオブは、Ｍ（Ｎ，Ｃ）型の炭窒化物を形成するという点でバナジウムに類似しており、原則的にはバナジウムの一部を置き換えるために使用されてもよいが、バナジウムに比べて２倍の量のニオブを必要とする。しかしながら、Ｎｂはより角張った形状のＭ（Ｎ，Ｃ）をもたらす。したがって、最大量は０．５％、好ましくは０．０５％であり、最も好ましくは意図的な添加は行わない。
Ｔｉ、ＺｒおよびＴａ
これらの元素は炭化物形成剤であり、硬質相の組成を変えるために特許請求の範囲で規定された範囲で合金中に存在してもよい。しかしながら、これらの元素は通常は添加されない。
ホウ素（０．０１％以下）
鋼の硬度をさらに高めるために、Ｂが使用されてもよい。その量は０．０１％、好ましくは０．００５％以下に制限される。Ｂの添加の好ましい範囲は０．００１〜０．００４％である。
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭ（希土類金属）
これらの元素は、非金属介在物を改質するために、ならびに／または被削性、熱間加工性および／もしくは溶接性をさらに改善するために、特許請求の範囲で規定された量で鋼に添加されてもよい。
不純物元素
Ｐ、ＳおよびＯが主な不純物であり、鋼の機械的特性に悪影響を及ぼす。したがって、Ｐは０．０３％に、好ましくは０．０１％に制限されてもよい。Ｓは０．００１５％に制限され、０．００１２、０．００１０、０．０００８または０．０００５％に制限されてもよい。Ｏは、０．００１５、０．００１２、０．００１０、０．０００８、０．０００６または０．０００５％に制限されてもよい。
鋼の製造
特許請求の範囲に記載された化学組成を有する工具鋼は、アーク炉（ＥＡＦ）中での溶解、および取鍋でのさらなる精錬、および真空処理を含む従来の冶金術によって製造することができる。必要に応じて、清浄度および微細構造の均一性をさらに改善するために、鋼はエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）を受けてもよい。
通常、鋼は使用前に焼入れおよび焼戻しを受ける。オーステナイト化は、１０００〜１０７０℃、好ましくは１０３０〜１０５０℃の範囲のオーステナイト化温度（ＴＡ）で実施されてもよい。典型的なＴＡは１０４０℃であり、保持時間は３０分であり、続いて急冷する。焼戻し温度は、硬度要求にしたがって選択され、６００〜６５０℃で２時間、少なくとも２回（２ｘ２ｈ）実施され、続いて空気中で冷却される。
実施例１
この例では、以下の組成（ｗｔ％）を有する鋼を、ＥＡＦ溶解、取鍋精錬および真空脱ガス（ＶＤ）によって製造した。
Figure 2019504197
真空脱ガス後、鋼をコアードワイヤ注入により窒素合金化した。該トリミング後の最終窒素含有量は０．０１４２ｗｔ％であった。
鋼をインゴットに鋳造し、熱間加工した。
鋼は１０４０℃で３０分間オーステナイト化され、ガス急冷および６００℃で２時間、２回（２ｘ２ｈ）の焼戻し、続いて空気中での冷却によって焼入れされた。
マトリックスの組成および３つの異なるオーステナイト化温度での一次ＭＸの量に対する窒素合金化の効果を、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃを使用して計算した。結果を表１に示す。
Figure 2019504197
表１は、窒素合金化鋼中の未溶解硬質相（ＭＸ）の量が、３つの温度すべてにおいて窒素合金化されていない鋼中の量よりも有意に高いことを明らかにする。ＭＸ相は粒界のピン止めに関与し、それにより粒子の成長を妨げる。したがって、本発明の窒素合金化鋼は、焼入れ温度において粒成長を受けにくい。これは実験によっても確認され、窒素含有量の低い鋼は１０６０℃で粒径が著しく増加したが、窒素合金化鋼は１０８０℃を超える温度まで粒成長に対して安定であったことを示した。したがって、窒素合金化鋼に対して、有害な粒成長を伴うことなく、より高い焼入れ温度を使用できる。これにより、ヒートチェックおよび／または大割れの傾向を低減し、それによってダイの寿命を延ばすために、ダイ材料の特性のバランスに影響を与えることが可能である。
実施例２
合金を誘導炉で溶解し、窒素ガス（５Ｎ）アトマイズした。
Figure 2019504197
粉を５００μｍ未満にふるいにかけ、直径６３ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの鋼製カプセルに充填した。温度１１５０℃、保持時間２時間、圧力１１０ＭＰａでＨＩＰ処理を実施した。冷却速度は１℃／ｓ未満であった。このようにして得られた材料を１１３０℃で寸法２０×３０ｍｍに鍛造した。９００℃で、７５０℃まで１０℃／ｈの冷却速度で軟化焼鈍を実施した後、空気中で自然に冷却した。未溶解ＭＸの量は前の実施例よりも高く、窒素含有量はより高かった。この事実および窒素リッチ炭窒化バナジウム（ＭＸ）の微細分布のため、鋼は粒成長に対して非常に安定であることが見出された。
実施例３
実施例２と同じ組成を有する粉をふるいにかけ、１０〜６０μｍの範囲の狭い粒径分布を有する粉を得た。粉は、ダイのレーザークラッディング修理、ならびに、例えばコンフォーマルな冷却チャネルを有するダイなどの迅速な試作にうまく使用され得ることが見出された。したがって、合金鋼粉は付加製造に適していると思われる。
産業上の利用可能性
本発明の工具鋼は、良好な焼入れ性ならびにヒートチェックおよび大割れに対する良好な耐性を必要とする大型のダイ（金型）に有用である。本合金のアトマイズ粉は、優れた構造均一性を有するＨＩＰ処理製品を製造するために使用できる。本合金の粉は、ダイの、具体的には付加製造方法による、製造または修理に使用できる。

Claims (10)

  1. 重量％（ｗｔ％）で、
    Figure 2019504197
    と、必要に応じて、以下の一つ又は複数：
    Figure 2019504197

    と、残部 鉄とその他の不純物
    からなる熱間加工用鋼。
  2. 以下の条件の少なくとも一つを満たし、
    Figure 2019504197
    Ｐ、ＳおよびＯの混入含有量が以下の条件を満たす、
    Figure 2019504197
    請求項１に記載の鋼。
  3. 以下の条件の少なくとも１つを満たす、請求項１または２に記載の鋼。
    Figure 2019504197
  4. 以下の条件の少なくとも１つを満たす、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼。
    Figure 2019504197
  5. 一次析出ＭＸの含有量が０．２〜３ｖｏｌ％、好ましくは０．３〜１．０ｖｏｌ％である、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼。
  6. 以下の条件を満たす、請求項１〜３、または５のいずれかに記載の鋼。
    Figure 2019504197
  7. 以下の条件を満たす、請求項１〜３、５または６のいずれかに記載の鋼。
    Figure 2019504197
  8. マトリックスが焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイトを含み、残留オーステナイトの量が６ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以下、４ｖｏｌ％以下、または２ｖｏｌ％以下に制限される、請求項１〜７のいずれかに記載の鋼。
  9. 前記鋼が、好ましくは５〜１５０μｍの範囲、より好ましくは１０〜１００μｍまたは１０〜６０μｍの範囲の粒径分布を有する粉の形態であり、前記粉粒子の平均径が好ましくは２５〜５０μｍの範囲にある、請求項１〜８のいずれかに記載の鋼。
  10. 付加製造のための、とりわけ射出成形工具の製作または修理のための、請求項９に記載の鋼粉の使用。
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