JP3456707B2 - 粉末冶金熱間加工鋼及びその製造方法 - Google Patents

粉末冶金熱間加工鋼及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 同一の化学組成では、粉末冶金で製造された鋼は溶解
冶金で製造された鋼よりも優れた特性を有していること
が古くから知られている。特に、粉末冶金で製造された
鋼は、全ての寸法領域においてその全横断面で同一の顕
微鏡組織を有しているという特性により特徴付けられ
る。故に、全横断面に渡り機械的特性は実質上同一であ
る。
熱間加工鋼X40CrMoV51は、熱間静水圧プレス成型によ
る粉末冶金プロセスで製造されていることが知られてい
る。鉄冶金の古記録55（1984），ページ169−176から得
られるように、前記熱間加工鋼は0.37〜0.41％のカーボ
ンと1.0〜1.07％のシリコンと、0.38〜0.42％のマンガ
ンと、5.3〜5.5％のクロームと、1.37〜1.41％のモリブ
デンと、1.0〜1.27％のバナジウムと、微量の窒素、酸
素、硫黄及びリンを含んでいる。
溶融金属から窒素噴霧（窒素アトマイゼーション）に
より製造された上述した組成の粉末は、閉鎖される前に
10-4ミリバール以下の真空に排気された鋼のカプセル中
で固められる。この固めは1075℃〜1225℃の温度におい
て行われる。
上述した粉末冶金により製造された熱間加工鋼は適当
な固さを有しているが、良好な焼き戻し特性の欠如及び
温度変化によりクラックが入り易いので、プレス加工マ
ンドレル、プレス加工金型、押し出し成型用容器、熱間
押し出し成型工具、中空体を形成する工具、スクリュ
ー、ナット、リベット及びボルト製品用工具、ダイカス
ト工具、形状部品のプレス金型、金型挿入物あるいは熱
間剪断ブレード等の高い応力を有する熱間加工工具には
向いていない。即ち、この鋼の安定性は高い応力を有す
る熱間加工工具の場合には十分ではない。
よって本発明の目的は、十分な靱性を有すると共に、
高い熱間硬さ、特に、温度変化により引き起こされるク
ラックに対する高い耐性を有する粉末冶金で製造された
熱間加工鋼を提供することである。より詳細には、本発
明の目的はプレス加工マンドレル、プレス加工金型及び
容器の押し出し成型プロセスに使用するのに適した、更
に特に大きな寸法の鍛圧機及びダイカスト金型に使用す
るのに適した粉末冶金で製造された熱間加工鋼を提供す
ることである。
更に、本発明の他の目的は改良された粉末冶金で製造
された熱間加工鋼の製造方法を提供することである。
製造された鋼については、この目的は本願の請求項１
により達成される。鋼の製造方法については、この目的
は本願の請求項５により達成される。
更に、本発明はプレス加工マンドレル、プレス加工金
型、押し出し用容器、鍛圧機及びダイカスト金型を製造
するための物質として、粉末冶金で製造された熱間加工
鋼を使用することに関する。
本発明により達成される技術的進歩は、本発明の特別
な固め方法により増強されるコバルト含有組成のため
に、従来のコバルトを含まない熱間加工鋼と実質上同等
な良好な熱間延性を有すると共に、それに加えて、高い
熱間硬さ、及び焼き割れに対して高い抵抗値を有する粉
末冶金で製造された熱間加工鋼を提供することである。
専門家の間では、熱間加工鋼中にコバルトを含有させ
ることについて非常に強い反対があった。より詳細に
は、合金にコバルトを添加することは粉末冶金で製造さ
れた熱間加工鋼の靱性を改善しないこと、特に延性特性
を改善しないことが専門家の間で広く認められた考え方
であった。
本発明の望ましい実施形態及び更なる発展が従属請求
項中に指摘されている。
従来の粉末冶金製法及び本発明の粉末冶金製法の両方
において、原料物質として高い値のスクラップ及び合金
鉄が採用される。しかし、従来方法においては粉末冶金
により製造された熱間加工鋼中でコバルトを除去してい
たが、本発明によるとコバルトが含有されている。従来
技術及び本発明の両方において、種合金は好ましくは誘
導炉中で溶解される。
スラグの含有量が正しい値になるまで、本発明の鋼を
製造するために誘導熱制御及び正確な温度制御が採用さ
れる。引き続いて、保護雰囲気（好ましくは高純度窒
素）中で、アトマイゼーションが実行される。この目的
のために、用意された粉末中での介在物が避けられるの
で、APMカリダス（calidus）システムが特に適している
ことが判明した。
従来の技術においては、電極の助けによりスラグのカ
バーを通して溶解物を加熱することにより、高純度の溶
解物を達成する努力がなされていた。
従来の方法においては、溶解物は直接固められるべき
カプセル中に噴霧されるため、望ましくない介在物を含
む危険性が増大する。
本発明の鋼の製造中においては、最終製品が最大の収
率でその目的形状を与えられるように設計されたカプセ
ル中に合金粉末が充填される。よって、本発明による
と、少なくとも相当程度の望ましい形状の製品を提供す
るためのカプセルが使用される。
充填操作の後に、最大充填密度を達成するためにカプ
セルが振動される。この方法により充填されたカプセル
は引き続いてポンプにより真空排気され、次いで気密封
止される。
上述したように従来の方法においては、アトマイゼー
ションがカプセル中に直接行われ、このカプセルは次い
で気密に溶接される。従来技術においては、直径465mm
で長さ1600mmの標準サイズの唯１つのカプセルが基本的
に使用される。
従来方法においては、上述した方法により予備処理さ
れたカプセルは、カプセル中に収容されている粉末チャ
ージの熱導伝性を改善するために、約3.5キロバールの
圧力で冷間静水圧プレス成型される。
望ましい熱導伝特性が粉末チャージ中に与えられるよ
うに粉末チャージは振動により高い充填密度を有してい
るので、このような冷間静水圧プレス成型は、本発明に
よる熱間加工鋼の製造には要求されない。
従来方法においては、上述したカプセルは過剰圧力を
有しない予備加熱炉中で熱間静水圧プレス加工の温度
（HIP温度）まで加熱され、次いで熱間プレス加工設備
に搬送される。粉末チャージの熱導伝性が非常に低いの
で、従来の冷間プレス加工の後においても、予備加熱処
理の開始時点において粉末チャージ中に急傾斜の温度勾
配が得られ、この温度勾配が酸素、硫黄及び炭素の偏析
に繋がることになる。このような過剰な程度の偏析はエ
ッチングあるいは化学分析により確認される。更に、急
な温度傾斜はある種のカーバイドの成長を発生させる。
本発明の熱間加工鋼を製造するときには、既に述べた
ようにカプセルは予備加熱されることなく、冷間プレス
加工操作も必要ではない。
本発明の製造方法においては、カプセルは加圧される
のと同時に加熱される。即ち、第１ステップにおいて圧
縮アルゴンの助けにより加圧が約200バールで実行され
る。引き続いて、圧縮アルゴン供給コンプレッサの圧力
を実質上一定レベルに維持しながら、HIP（熱間静水圧
プレス加工）システム中で加熱が実行される。温度が上
昇すると、アルゴンコンプレッサの圧力を増加すること
なく、圧力が連続的に上昇する。酸素、硫黄及び炭素が
輸送される前に、粉末チャージは比較的低温度の圧力下
で固められる。その結果、本発明の熱間加工鋼は偏析と
は無縁である。
所期のHIP圧力が達成されると、圧力あるいは温度の
更なる上昇は適当な制御機構を採用することにより防止
される。
HIP温度は1000℃〜1200℃の間であり、1150℃の温度
が好ましい。HIP圧力は0.8〜3.5キロバールの間であ
り、１キロバールのHIP圧力が現在のところ特に望まし
いと判明している。
0.8キロバール以下の圧力では、物質が十分な程度固
められず、ガスが残っている穴中に捕獲される危険性が
ある。3.5キロバール以上のHIP圧力は現在のHIP設備に
よっては可能であるが、その努力に見合うだけの品質の
向上が見られない。
本発明の鋼の製造方法においては、望ましいHIP温度
及び望ましいHIP圧力での保持時間は少なくとも３時間
である。この保持時間は小さな寸法を有する製品に適用
される。大きな寸法を有する製品は長い固め期間を必要
とする。規則として、従来方法は１時間の保持時間を採
用していた。本発明の方法によると、充填されたカプセ
ルは高温及び高圧に同時に晒されるので、その結果とし
て高密度の均質物質が達成される。
従来の粉末冶金方法により製造された熱間加工鋼は、
最終的な鍛造又は圧延処理が必要である。加熱下で行わ
れるこのような処理は、望ましくないカーバイドの成長
に繋がり、加えて、望ましくないカーバイドの球状化に
繋がる。
従来方法と対照的に、本発明により固められ製造され
た熱間加工鋼は、ブレス加工後にカプセルから自由にさ
れた状態で使用される。しかし、経済的な理由により、
直径60mm以下の本発明による丸い物質は平たく圧延され
るかあるいは鍛造される。断面比を有する平たい物質も
同様である。
品質制御に関する限り、従来方法においては、粉末チ
ャージを変形されたカプセルから除去する前において
は、例えば不純物の含有チェックはなされいないことに
注意すべきである。これと対照的に、本発明の鋼物質は
粉末状態において既に重要な品質制御に晒されている。
本発明による粉末冶金方法により製造された熱間加工
鋼は以下の組成を有している（重量％）。
炭素:0.25−0.45 クローム:2.40−4.25 モリブデン:2.50−4.40 バナジウム:0.20−0.95 コバルト:2.10−3.90 シリコン:0.10−0.80 マンガン:0.15−0.65 残部は鉄と製造の結果発生された不純物である。純度
K1は10未満（ここで純度K1はドイツ工業規格50602によ
り決定される）が好ましい。
本発明の鋼については、熱間成型温度は900℃〜1100
℃であり、軟焼きなまし温度は750℃〜800℃であり、応
力除去温度は600℃〜650℃であり、硬化温度は1000℃〜
1070℃である。硬化剤として熱浴（500℃〜550℃）中の
油が好ましくは使用される。軟焼きなまし後の固さBHは
せいぜい229である。硬化後のロックウェル硬度は52〜5
6（RHC）である。
本発明によるPM（粉末冶金）熱間加工鋼は上昇温度に
おいて以下に示すような驚くべき良好な値を有している
（標準値）。
4.温度変化により引き起こされる耐疲労性 頻繁な温度変化の結果生じるクラックの発生に対する
本発明の物質の抵抗は、研究室において従来方法により
決定される。物質は試験温度に周期的に加熱され、乳濁
液中において再び冷却される。引き続いて、所定長さ以
上のクラックがカウントされる。この方法により決定さ
れた焼き割れ量（数）は、比較物質の挙動に対する試験
物質の挙動についての情報を提供する。
図１は本発明の物質及び６つの比較物質について得ら
れたそのような焼き割れ数調査についての結果である。
（ａ）試験温度700℃で103の温度変化 （ｂ）試験温度700℃で104の温度変化 （ｃ）試験温度750℃で103の温度変化 試験物質は焼き戻し後47RHCの強さを有していた。
比較物質はそれらの物質番号“鋼キー”で示されてい
る。これらの比較物質は溶解金属により製造された鋼で
ある。最も好ましい、即ち最も低い焼き割れ数は全ての
試験条件（ａ）〜（ｃ）を通して本発明の熱間加工鋼に
より得られている。物質番号1.2365＋Coのコバルト含有
比較鋼は、これら全て３つの試験条件（ａ）〜（ｃ）に
おいて非常に増加された焼き割れ数を有している。試験
条件（ａ）については、比較物質番号1.2365＋Coにより
決定された値はほとんど100％以上大きな値である。
5.熱間延性 本発明物質の優れた熱間延性値が比較物質により決定
された値と共に図２のグラフに示されている。本発明の
物質は約600℃〜約800℃の試験温度領域において優れた
局部伸びを示している。コバルトを含有している物質番
号1.2365＋Coの比較物質は熱間延性に関しては明らかに
劣っている。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】粉末冶金法により製造された熱間加工鋼で
    あって、重量％で、 炭素:0.25−0.45 クローム:2.40−4.25 モリブデン:2.50−4.40 バナジウム:0.20−0.95 コバルト:2.10−3.90 シリコン:0.10−0.80 マンガン:0.15−0.65 を含み、残部が鉄と製造工程の不純物から構成されるこ
    とを特徴とする粉末冶金法により製造された熱間加工
    鋼。
  2. 【請求項２】望ましい化学組成を有する溶解鋼を製造
    し、 高純度窒素雰囲気中で溶解鋼を噴霧し、 最終製品が最大の歩留りで所望形状となるように設計さ
    れたカプセル中に上記ステップの結果得られた粉末を充
    填し、 充填されたカプセルを振動することにより最大充填密度
    を達成し、 充填カプセルを真空吸引して気密に封止し、 前記カプセルを熱間静水圧プレスに導入して、圧力0.8
    〜3.5キロバール及び温度1000℃〜1230℃が達成される
    まで前記カプセルを圧力と熱に同時に晒し、 少なくとも３時間の間圧力及び温度を保持する、 各ステップからなる方法により製造された請求項１記載
    の粉末冶金法により製造された熱間加工鋼。
  3. 【請求項３】粉末チャージは圧力１キロバールの熱間静
    水圧プレスに晒されることを特徴とする請求項２記載の
    粉末冶金法により製造された熱間加工鋼。
  4. 【請求項４】炭素0.25−0.45％、クローム2.40−4.25
    ％、モリブデン2.50−4.40％、バナジウム0.20−0.95
    ％、コバルト2.10−3.90％、シリコン0.10−0.80％、マ
    ンガン0.15−0.65％を含み、残部が鉄と不可避の付随元
    素からなる溶解鋼を製造し、 高純度窒素雰囲気中で溶解鋼を噴霧し、 最大の歩留りで最終製品が所望形状となるように設計さ
    れたカプセル中に前記ステップで得られた粉末を充填
    し、 充填されたカプセルを振動して最大充填密度を達成し、 充填されたカプセルを真空吸引して気密封止し、 前記カプセルを熱間静水圧プレスに導入して、0.8〜3.5
    キロバール、好ましくは１キロバールの圧力で同時に加
    圧しながら温度が1000℃〜1230℃になるまでカプセルを
    加熱し、 選択された温度及び選択された圧力で少なくとも３時間
    の間前記チャージを保持する、 各ステップから構成される熱間加工鋼の粉末冶金製造方
    法。
  5. 【請求項５】請求項１〜３のいずれかに記載された鋼を
    使用して、プレス加工マンドレル、プレス加工金型、押
    し出し容器、鍛造プレス及びダイカスト金型を製造する
    鋼の使用方法。
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