JP2021011637A - 冷間加工工具鋼 - Google Patents

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トーマス ヒルスコグ、
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ペッター ダム、
DAMM Petter
ペッター ダム、
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Engstroem Svensson Annika
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Abstract

【課題】改善された冷間加工工具鋼を提供する。【解決手段】この鋼は、重量％で次の主要成分を含む：Ｃ ２．２〜２．４、Ｓｉ ０．１〜０．５５、Ｍｎ ０．２〜０．８、Ｃｒ ４．４〜５．１、Ｍｏ ３．３〜３．９、Ｖ ７．６〜８．４、残部 任意選択元素、鉄および不純物。【選択図】なし

Description

技術分野
本発明は、冷間加工工具鋼に関する。
発明の背景
バナジウム合金化粉末冶金（ＰＭ）工具鋼は、優れた寸法安定性と高い耐摩耗性を併せ持つという事実のために、また、良好な靭性を持っているので、何十年も市場に出回っており、かなりの関心を得ている。これらの鋼は、刃物、パンチ、またはブランキング、ピアシングおよび冷間押出のための型などの広い用途を持っている。これらの鋼は粉末冶金により製造される。基本的な鋼組成物は、まずアトマイズされ、その後、粉末はカプセルに充填され、等方性の鋼を製造するために熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）に供される。鋼の性能は、バナジウムの含有量の増加に伴って増加する傾向にある。このようにして製造された高性能鋼はＣＰＭ（登録商標）１０Ｖである。それは、ＵＳ４２４９９４５に記載されているように、炭素およびバナジウムの含有量が高い。この種の他の鋼はＥＰ１３８２７０４Ａ１に開示されている。
前記既知の（ＰＭ）鋼は、従来製造されてきた工具鋼よりも高い靭性を有するが、チッピングや破損（fracture）などの工具破損のリスクを低減するために、また、被削性をさらに向上させるために、更なる改善に対するニーズがある。現在までのところ、チッピングに対する標準的な対抗手段は、工具の硬さを低減することである。
発明の開示
本発明の目的は、工具の寿命増加をもたらす改善された特性プロファイル（property profile）を有する、粉末冶金（ＰＭ）で製造された冷間工具鋼を提供することにある。
本発明の他の目的は、依然として良好な耐摩耗性を維持すると同時に、被削性を改善しながら、特性を最適化することである。
特別な目的は、冷間加工のために改良された特性プロファイルを有する、マルテンサイト系冷間加工工具鋼合金を提供することである。
前述の目的、ならびにさらなる利点は、合金の請求項に記載されるような組成を有する冷間工具鋼を提供することにより、著しい程度に達成される。
本発明は、特許請求の範囲に定義されている。
［１］
重量％で、
Ｃ ２．２〜２．４
Ｓｉ ０．１〜０．５５
Ｍｎ ０．２〜０．８
Ｃｒ ４．４〜５．１
Ｍｏ ３．３〜３．９
Ｖ ７．６〜８．４
任意選択で
Ｎ ０．０２〜０．１５
Ｐ ≦０．０３
Ｓ ≦０．５
Ｃｕ ≦３
Ｃｏ ≦１
Ｎｉ ≦１
Ｗ ≦０．３
Ｎｂ ≦０．５
Ａｌ ≦０．０６
Ｔｉ ≦０．１
Ｚｒ ≦０．１
Ｔａ ≦０．１
Ｂ ≦０．０１
Ｂｅ ≦０．２
Ｂｉ ≦０．２
Ｓｅ ≦０．３
Ｃａ ０．０００３〜０．００９
Ｏ ０．００３〜０．０１
Ｍｇ ≦０．０１
ＲＥＭ ≦０．２
のうちの１つ以上、
残部 Ｆｅ及び不可避不純物
からなる冷間加工用の粉末冶金工具鋼。
［２］
次の要件
Ｃ ２．２５〜２．３５
Ｓｉ ０．２〜０．５
Ｍｎ ０．２〜０．６
Ｃｒ ４．５〜５．０
Ｍｏ ３．５〜３．７
Ｖ ７．７〜８．３
Ｎ ０．０２〜０．０８
Ｐ ≦０．０３
Ｓ ≦０．０３
Ｃｕ ０．０２〜２
Ｃｏ ≦１
Ｎｉ ≦１
Ｗ ≦０．３
Ｎｂ ≦０．５
Ａｌ ≦０．０６
Ｔｉ ≦０．０１
Ｚｒ ≦０．０１
Ｔａ ≦０．０１
Ｂ ≦０．０１
Ｂｅ ≦０．０２
Ｓｅ ≦０．０３
Ｍｇ ≦０．００１
のうちの少なくとも一つを満たす、［１］に記載の鋼。
［３］
次の要件
Ｃ ２．２６〜２．３４
Ｓｉ ０．２２〜０．５２
Ｍｎ ０．２２〜０．５２
Ｃｒ ４．５８〜４．９８
Ｍｏ ３．５１〜３．６９
Ｖ ７．７５〜８．２５
Ｃｕ ≦０．５
Ｎｉ ≦０．３
のうちの少なくとも一つを満たす、［１］または［２］に記載の鋼。
［４］
Ｃ ２．２〜２．４
Ｓｉ ０．１〜０．５５
Ｍｎ ０．２〜０．８
Ｃｒ ４．４〜５．１
Ｍｏ ３．３〜３．９
Ｖ ７．６〜８．４
Ｎ ０．０２〜０．０８
残部 Ｆｅ及び不可避不純物
を含む、［１］に記載の鋼。
［５］
次の要件
Ｃ ２．２６〜２．３４
Ｓｉ ０．２２〜０．５２
Ｍｎ ０．２２〜０．５２
Ｃｒ ４．５８〜４．９８
Ｍｏ ３．５１〜３．６９
Ｖ ７．７５〜８．２５
Ｎ ０．０３〜０．０６
のうちの少なくとも一つを満たす、［１］〜［４］のいずれかに記載の鋼。
［６］
次の要件
Ｃ ２．２６〜２．３４
Ｓｉ ０．２２〜０．５２
Ｍｎ ０．２２〜０．５２
Ｃｒ ４．５８〜４．９８
Ｍｏ ３．５１〜３．６９
Ｖ ７．７５〜８．２５
のすべてを満たす、［１］〜［５］のいずれかに記載の鋼。
［７］
ＭｏおよびＶの含有量が次の要件
Ｍｏ／Ｖ ０．４〜０．５
を満たすように調整された、［１］〜［６］のいずれかに記載の鋼。
［８］
焼入れ焼戻し状態で硬度６０ＨＲＣにおいて２５℃でＬＴ方向のノッチなし衝撃靱性が３０〜８０Ｊである、［１］〜［７］のいずれかに記載の鋼。
［９］
６０ＨＲＣで少なくとも２４００ＭＰａの圧縮降伏強度を有する、［１］〜［８］のいずれかに記載の鋼。
［１０］
ＭｏおよびＶの含有量が次の要件
Ｍｏ／Ｖ ０．４２〜０．４８
を満たすように調整された、［７］に記載の鋼。
［１１］
焼入れ焼戻し状態で硬度６０ＨＲＣにおいて２５℃でＬＴ方向のノッチなし衝撃靭性が３５〜５５Ｊである、［８］に記載の鋼。
詳細な説明
以下に、特許請求された合金の化学成分の制限についてだけでなく、個々の元素とそれらの相互作用の重要性について、簡単に説明する。鋼の化学組成についての全ての百分率は、明細書全体にわたって重量％（ｗｔ％）で示す。
炭素（２．２〜２．４％）
炭素は、２．２％の最小含有量で、好ましくは少なくとも２．２５％、存在すべきである。炭素の上限は２．４％または２．３５％に設定することができる。好ましい範囲は２．２５〜２．３５％および２．２６〜２．３４％である。いずれの場合でも、炭素の量は、鋼中のＭ２３Ｃ６およびＭ７Ｃ３型の炭化物の量が５容量％未満に制限されるように制御されるべきであり、好ましくは鋼は前記炭化物を含まない。
クロム（４．１〜５．１％）
クロムは、熱処理中に、より大きな断面において良好な焼入性を提供するために、少なくとも４．１％の含有量で存在すべきである。クロムの含有量が高すぎる場合、これは、熱間加工性を低下させる高温フェライトの形成をもたらし得る。クロム含有量は、したがって、好ましくは４．５〜５．０％である。下限は４．２％、４．３％、４．４％または４．５％であってもよい。上限は５．１％、５．０％、４．９％または４．８％とすることができる。
モリブデン（３．１〜４．５％）
Ｍｏは焼入れ性に非常に有利な効果を有することが知られている。モリブデンは、良好な二次硬化応答を達成するために重要である。最小含有量は、３．１％であり、また３．２％、３．３％、３．４％または３．５％に設定することもできる。モリブデンは強力な炭化物形成元素でありまた強力なフェライト形成剤である。モリブデンの最大含有量は、したがって、４．５％である。好ましくは、Ｍｏは４．２％、３．９％、さらには３．７％に制限される。
タングステン（≦２％）
原則として、モリブデンは、二倍量のタングステンで置き換えることができる。しかし、タングステンは高価であり、それはまた、スクラップ金属の取り扱いを複雑にする。最大量は、従って、２％、好ましくは１％、より好ましくは０．３％に制限され、最も好ましくは意図的な添加は行われない。
バナジウム（７．２〜８．５％）
バナジウムは、鋼のマトリックス中に、均等に分布したＭ（Ｃ、Ｎ）型の一次析出炭化物及び炭窒化物を形成する。本発明の鋼では、Ｍは主にバナジウムであるが、かなりの量のＣｒ及びＭｏが存在してもよい。バナジウムはしたがって、７．２〜８．５の量で存在するだろう。上限は８．４％、８．３％、または８．２５％に設定することができる。下限は７．３％、７．４％、７．５％、７．６％、７．７％、７．７５％、７．８％であってもよい。上限および下限は、請求項１に定める限度内で自由に組み合わせることができる。好ましい範囲は７．７〜８．３％を含む、
窒素（０．０２〜０．１５％）
窒素は、任意選択で、０．０２〜０．１５％、好ましくは０．０２〜０．０８％または０．０３〜０．０６％の量で、鋼中に導入することができる。バナジウム炭窒化物の熱安定性はバナジウム炭化物のそれよりも優れているので、窒素はＭ（Ｃ、Ｎ）を安定化するのに役立つ。
ニオブ（≦２％）
ニオブは、Ｍ（Ｃ、Ｎ）型の炭窒化物を形成するという点でバナジウムに似ており、原理的にはバナジウムの代わりに使用することができるが、バナジウムと比較して二倍量のニオブが必要となる。したがって、Ｎｂの最大添加量は２．０％である。これらを組み合わせた量（Ｖ＋Ｎｂ／２）は７．２〜８．５％であるべきである。しかし、Ｎｂは、より角張った形状のＭ（Ｃ、Ｎ）をもたらす。好ましい最大量は、したがって、０．５％である。好ましくは、ニオブは添加されない。
ケイ素（０．１〜０．５５％）
ケイ素は、脱酸のために使用される。Ｓｉは、固溶した形で鋼中に存在する。Ｓｉは、炭素活量（activity）を増大させ、被削性に有益である。Ｓｉはしたがって０．１〜０．５５％の量で、存在する。良い脱酸のためには、Ｓｉ含有量を少なくとも０．２％に調整することが好ましい。Ｓｉは強力なフェライト形成剤であり、好ましくは≦０．５％に制限されるべきである。
マンガン（０．２〜０．８％）
マンガンは、鋼の焼入れ性の向上に寄与し、またマンガンは硫黄とともにマンガン硫化物を形成することにより被削性改善に寄与する。したがってマンガンは、０．２％の最小含有量で、好ましくは少なくとも０．２２％、存在するだろう。高い硫黄含有量において、マンガンは、鋼中で赤熱脆性を防止する。鋼は、最大０．８％、好ましくは最大０．６％を含むだろう。好ましい範囲は０．２２〜０．５２％、０．３〜０．４、０．３０〜０．４５％である。
ニッケル（≦３．０％）
ニッケルは任意選択であり、最大３％の量で存在することができる。これは、鋼に良好な焼入れ性と靭性を与える。費用がかかるため、鋼のニッケル含有量はできるだけ制限されるべきである。したがって、Ｎｉ含有量は１％、好ましくは０．３％に制限される。最も好ましくは、ニッケルは全く添加されない。
銅（≦３．０％）
Ｃｕは任意選択の元素であり、鋼の硬度と耐食性を増加させることに寄与することがある。使用する場合、好ましい範囲は０．０２〜２％であり、最も好ましい範囲は０．０４〜１．６％である。ただし、いったん銅が添加されると、鋼から銅を抽出することはできない。これは大幅にスクラップ処理を難しくする。このため、銅は通常、意図的には添加されない。
コバルト（≦５％）
Ｃｏは任意選択元素である。これは、マルテンサイトの硬度を増加させることに寄与する。最大量は５％であり、添加される場合、有効量は、約４〜５％である。しかしながら、スクラップ処理などの実際的な理由のために、Ｃｏは意図的には添加されない。好ましい最大含有量は１％である。
硫黄（≦０．５％）
Ｓは、鋼の被削性向上に寄与する。高い硫黄含有量では、赤熱脆性のリスクがある。また、高硫黄含有量は、鋼の疲労特性に負の効果を有することがある。鋼は、したがって、
≦０．５％、好ましくは≦０．０３％を含むだろう。
リン（≦０．０５％）
Ｐは、焼戻し脆化を引き起こす可能性のある、不純物元素である。したがって、≦０．０５％に制限される。
Ｂｅ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｃａ、Ｍｇ、ＯおよびＲＥＭ（希土類金属）
これらの元素は、更に被削性、熱間加工性および／または溶接性を改善するために、特許請求された量で鋼に添加することができる。
ホウ素（≦０．６％）
かなりの量のホウ素を、任意選択で、硬質相ＭＸの形成を補助するために使用することができる。より少量のＢを、鋼の硬さを増加させるために使用することができる。そのときその量は０．０１％に制限され、好ましくは≦０．００４％である。一般的に、ホウ素添加は行われない。
Ｔｉ、Ｚｒ、ＡｌおよびＴａ
これらの元素は、炭化物形成剤であり、硬質相の組成を変化させるために、特許請求された範囲で合金中に存在することができる。しかし、通常これらの元素はいずれも添加されない。
鋼生産
特許請求された化学組成を有する工具鋼は、従来のガスアトマイズによって製造することができる。通常、使用前に、鋼に焼入れおよび焼戻しを施す。
オーステナイト化は、９５０〜１２００℃、典型的には１０００〜１１００℃の範囲のオーステナイト化温度（ＴＡ）で行うことができる。典型的な処理は、１０２０℃で３０分間の焼入れ、ガスクエンチ、および２×２時間、５５０℃での焼戻しである。これは、５９〜６１ＨＲＣの硬度をもたらす。
例
この例では、本発明の鋼が、既知の鋼「ＣＰＭ（登録商標）１０Ｖ」と比較される。両方の鋼は粉末冶金により製造された。
基本となる鋼組成物を溶融し、ガスアトマイズに供した。
このようにして得られた鋼は（重量％で）以下の組成を有していた：
本発明鋼 ＣＰＭ（登録商標）１０Ｖ
Ｃ ２．３ ２．４
Ｓｉ ０．３７ ０．８９
Ｍｎ ０．３７ ０．４５
Ｃｒ ４．７８ ５．２５
Ｍｏ ３．６ １．２６
Ｖ ８．０ ９．８５
Ｍｏ／Ｖ ０．４５ ０．１３
残部は、鉄および不純物である。
鋼は、１１００℃で３０分間オーステナイト化し、ガスクエンチにより焼入れし、５４０℃で２時間の焼き戻しを２回行い（２×２ｈ）、その後空冷した。これは、両方の材料について６３ＨＲＣの硬度をもたらす。
３つの異なるオーステナイト化温度におけるマトリックス組成および一次ＭＸ量を、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃシミュレーション（ソフトウェアバージョン：Ｓ−ｂｕｉｌｄ−２５３２）で計算した。結果を表１に示す。
Figure 2021011637
表１から、本発明の鋼中の硬質相の量は、比較鋼中の量よりも、わずか約１．５％だけ低いことがわかる。またシミュレーションは、マトリックスが比較鋼に比べてかなり高い含有量で炭素とモリブデンを含んでいたことを示している。したがって、改善された焼戻し応答性、ならびにより高い硬度が、このシミュレーションから予想される。これはまた、本発明の鋼についてより高い硬度を示した計算値によっても確認された。さらに、本発明の鋼は、高温における硬度低下に鈍感であり、硬度を損なうことなく、残留オーステナイトを除去するために、より高い焼戻し温度を採用することができる。
驚くべきことに、本発明の鋼はまた、はるかに良い靭性を有していることがわかった。横（transverse）方向のノッチ無し衝撃エネルギーは４１Ｊであり、比較鋼については１１Ｊであった。この改善の理由は完全には明らかにされていないが、高Ｍｏ含有量と組み合わせた低Ｓｉ含有量が、結晶粒界の強度を向上させるようである。したがって、本発明の鋼の改善された靭性によって、チッピングの問題無しに高い硬度を維持することができ、したがって冷間加工工具の耐久性及び寿命を改善することができる。
被削性試験
被削性は複雑なトピックであり、様々な特性について多くの様々なテストによって評価され得る。主な特性は：工具寿命、材料除去の制限率（limiting rate）、切削力、切削面とチップブレーキング（chip breaking）である。このケースでは、熱間加工工具鋼の被削性は、ドリル加工によって調べた。
旋削加工性試験を、ＮＣ旋盤Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｎｏｅｈｒｉｎｇｅｒ ＶＤＦ １８０Ｃで行った。ワークピースの寸法はΦ１１５×６００ｍｍであった。
鋼の被削性を比較するために、Ｖ３０値を使用した。Ｖ３０値は、３０分旋削後に０．３ｍｍの逃げ面摩耗を与える切削速度として指定される。Ｖ３０は、１９７７年からＩＳＯ ３６８５に記載の標準試験法である。０．３ｍｍの逃げ面摩耗に達するまで、三つの異なる切削速度で旋削操作が行われた。逃げ面摩耗は、光学顕微鏡を用いて測定した。０．３ｍｍ逃げ面摩耗に達するまでの時間を記録した。切削速度の値と、対応する旋削時間を使用して、Ｔａｙｌｏｒ両対数グラフ−時間対切削速度ＶｘＴα＝定数をプロットした。このプロットから、３０分の必要な工具寿命のための切削速度を見積もることが可能であった。旋削加工性試験は、Ｃｏｒｏｍａｎｔ Ｓ４ ＳＰＧＮ １２０３０４硬質金属インサートを用い、０．１２６ｍｍ／回転の送りと、１．０ｍｍの切込み深さを用いて、冷却無しで行った。
５１ｍ／分のＶ３０値を有した本発明鋼は、わずか３９ｍ／分のＶ３０値を有していた比較鋼よりも良好に機能することが見出された。
産業上の利用可能性
本発明の冷間工具鋼は、高耐チッピング性と組み合わせて、良好な耐摩耗性を必要とする用途において、特に有用である。

Claims (11)

  1. 重量％で、
    Ｃ ２．２〜２．４
    Ｓｉ ０．１〜０．５５
    Ｍｎ ０．２〜０．８
    Ｃｒ ４．４〜５．１
    Ｍｏ ３．３〜３．９
    Ｖ ７．６〜８．４
    任意選択で
    Ｎ ０．０２〜０．１５
    Ｐ ≦０．０３
    Ｓ ≦０．５
    Ｃｕ ≦３
    Ｃｏ ≦１
    Ｎｉ ≦１
    Ｗ ≦０．３
    Ｎｂ ≦０．５
    Ａｌ ≦０．０６
    Ｔｉ ≦０．１
    Ｚｒ ≦０．１
    Ｔａ ≦０．１
    Ｂ ≦０．０１
    Ｂｅ ≦０．２
    Ｂｉ ≦０．２
    Ｓｅ ≦０．３
    Ｃａ ０．０００３〜０．００９
    Ｏ ０．００３〜０．０１
    Ｍｇ ≦０．０１
    ＲＥＭ ≦０．２
    のうちの１つ以上、
    残部 Ｆｅ及び不可避不純物
    からなる冷間加工用の粉末冶金工具鋼。
  2. 次の要件
    Ｃ ２．２５〜２．３５
    Ｓｉ ０．２〜０．５
    Ｍｎ ０．２〜０．６
    Ｃｒ ４．５〜５．０
    Ｍｏ ３．５〜３．７
    Ｖ ７．７〜８．３
    Ｎ ０．０２〜０．０８
    Ｐ ≦０．０３
    Ｓ ≦０．０３
    Ｃｕ ０．０２〜２
    Ｃｏ ≦１
    Ｎｉ ≦１
    Ｗ ≦０．３
    Ｎｂ ≦０．５
    Ａｌ ≦０．０６
    Ｔｉ ≦０．０１
    Ｚｒ ≦０．０１
    Ｔａ ≦０．０１
    Ｂ ≦０．０１
    Ｂｅ ≦０．０２
    Ｓｅ ≦０．０３
    Ｍｇ ≦０．００１
    のうちの少なくとも一つを満たす、請求項１に記載の鋼。
  3. 次の要件
    Ｃ ２．２６〜２．３４
    Ｓｉ ０．２２〜０．５２
    Ｍｎ ０．２２〜０．５２
    Ｃｒ ４．５８〜４．９８
    Ｍｏ ３．５１〜３．６９
    Ｖ ７．７５〜８．２５
    Ｃｕ ≦０．５
    Ｎｉ ≦０．３
    のうちの少なくとも一つを満たす、請求項１または２に記載の鋼。
  4. Ｃ ２．２〜２．４
    Ｓｉ ０．１〜０．５５
    Ｍｎ ０．２〜０．８
    Ｃｒ ４．４〜５．１
    Ｍｏ ３．３〜３．９
    Ｖ ７．６〜８．４
    Ｎ ０．０２〜０．０８
    残部 Ｆｅ及び不可避不純物
    を含む、請求項１に記載の鋼。
  5. 次の要件
    Ｃ ２．２６〜２．３４
    Ｓｉ ０．２２〜０．５２
    Ｍｎ ０．２２〜０．５２
    Ｃｒ ４．５８〜４．９８
    Ｍｏ ３．５１〜３．６９
    Ｖ ７．７５〜８．２５
    Ｎ ０．０３〜０．０６
    のうちの少なくとも一つを満たす、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼。
  6. 次の要件
    Ｃ ２．２６〜２．３４
    Ｓｉ ０．２２〜０．５２
    Ｍｎ ０．２２〜０．５２
    Ｃｒ ４．５８〜４．９８
    Ｍｏ ３．５１〜３．６９
    Ｖ ７．７５〜８．２５
    のすべてを満たす、請求項１〜５のいずれかに記載の鋼。
  7. ＭｏおよびＶの含有量が次の要件
    Ｍｏ／Ｖ ０．４〜０．５
    を満たすように調整された、請求項１〜６のいずれかに記載の鋼。
  8. 焼入れ焼戻し状態で硬度６０ＨＲＣにおいて２５℃でＬＴ方向のノッチなし衝撃靱性が
    ３０〜８０Ｊである、請求項１〜７のいずれかに記載の鋼。
  9. ６０ＨＲＣで少なくとも２４００ＭＰａの圧縮降伏強度を有する、請求項１〜８のいず
    れかに記載の鋼。
  10. ＭｏおよびＶの含有量が次の要件
    Ｍｏ／Ｖ ０．４２〜０．４８
    を満たすように調整された、請求項７に記載の鋼。
  11. 焼入れ焼戻し状態で硬度６０ＨＲＣにおいて２５℃でＬＴ方向のノッチなし衝撃靭性が
    ３５〜５５Ｊである、請求項８に記載の鋼。
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