JP4316014B2 - 合金鋼、鋼製品及びその使用方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、特定の化学組成を有する合金鋼、この合金鋼で作られた鋼製品及びこの鋼製品の使用方法に関する。本発明は特に、この鋼製品をプラスチック材料成形装置を作るのに使用する方法に関する。
発明の背景
組み合わせることの困難な多くの要求がプラスチック材料を成形する装置の作製のための材料に対して持ち上がっている。これらの要求の中で、まず第１に下記をあげるべきであろう：
○ その製品の物理的寸法にかかわりなく、型空洞は通常、鋼片の芯から掘り取らなければならないために、重要な特徴である、高く、かつ均等な硬度及びそれに伴う強度
○ 非常に高い硬化可能性、すなわち非常に大きな寸法においても硬化される能力
○ その鋼片全体を通じての非常に均質な諸特性
○ プラスチック材料の成形型はしばしば、生産能力を高めるために各成形の間でその成形型を冷却するための冷却通路が設けられているので、室温においてのみならず低温においても示される高い靱性
○ 良好な機械的加工性及び同様に良好な放電加工性（ＥＤＭ）
○ 良好な溶接性
○ 良好なケース硬化性、及びイオン窒化により表面硬化されるための能力のような表面窒化能を含む良好な表面硬化能
熱処理を単純化するために、そして可能な場合に総合製造経費に実質的に影響を及ぼし、かつその材料の中の亀裂その他の欠陥をも生じ得るような硬化及び焼戻しを完全に除くことも望ましい。
従来、上記の要求条件を最良に満足させた材料として認められている材料は、数十年来、商標ＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵＰＲＥＭＥのもとに知られている材料であって、これは下記の公称組成：すなわち、０．３７のＣ、０．３のＳｉ、１．４のＭｎ、２．０のＣｒ、１．０のＮｉ、０．２のＭｏ、０．００８のＳ、残量の鉄及び不可避不純物並びに付随元素の組成を有する。この材料はその引渡し条件において２９０−３３０ＨＢまで軟硬化されている。しかしながら、次第に、ＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵＰＲＥＭＥが提供できるよりもより良好な性能を有するプラスチック材料成形装置に対する要求が持ち上がってきている。中でも、良好な硬化能、寸法に依存しない高くてより均一な硬度、良好な溶接性及び放電加工性並びに良好な靭性が望まれている。
過去において、中でもパイプやチェーン、特に錨用チェーンを対象とした、公称組成０．０５Ｃ、０．３Ｓｉ、２．０Ｍｎ、３．０Ｃｒ、１．５Ｎｉ、０．３Ｍｏ、残量の鉄及び不可避的不純物を有する鋼がプラスチック材料の成形用装置にも利用できるであろうことが示唆されている。しかしながらこの鋼材は上述の特性の仕様を満足させることができておらず、そして本出願人の知るかぎりにおいてプラスチック材料の成形用の鋼材として使用されたことはない。
発明の簡単な説明
本発明の目的は、上述した各特性の組み合わせを満足させる合金鋼及び鋼製品を提供することである。この発明はまた、上述したＩＭＰＡＸ（登録商標）ＳＵＰＲＥＭＥ並びに従来のプラスチック材料成形装置用鋼材よりもより合理的な態様で製造することのできる材料を提供することをも目的とする。本発明は特に、硬化して焼戻す必要はないけれども、鍛造及び／又はローリングによってブロック材、棒材又は板材の形に仕上げ熱加工した後で冷却した後にその鋼が得るような組織で使用することのできる鋼材を提供することである。これら及び他の目的は、その鋼材が添付の請求の範囲にあげた組成を有し、その際その鋼材は、仕上げ熱加工して室温に冷却した後で、その物理的寸法に無関係にその鋼片全体を通じて均一な組織になり、その際この組織は典型的に３５０−３８０ＨＢの範囲にある硬度を有するいわゆる低炭素ラス状マルテンサイトよりなることによって達成することができる。
以下に、個々の元素及びそれらの相互作用の重要性を説明する。鋼材の化学組成についての全ての％の値は別に言及しない限り重量％である。
炭素は、その鋼材が所望の硬度と強度とに達するために、その鋼材の中に少なくとも０．０７５％、好ましくは少なくとも０．０８％、そして適切には少なくとも０．０９％の量で存在するべきである。この炭素含有量は０．１５％を超えてはならない。もしこの炭素含有量がより高い場合にはこの鋼材は熱加工温度から室温まで冷却した後で、余りに硬くかつ脆いので加工するのが困難である。これに代わる処置はその鋼材を焼戻しすることであろうが、しかしながらこれは、望ましくない、かつプラスチック材料成形用の装置をいかなる熱処理をも行なわずに製造するためにその鋼材を使用できると言う望みに逆行する余分の費用をもたらすであろう。好ましくはこの鋼材は０．１２％よりも多いＣを含むべきでない。この鋼の公称Ｃ含有量は０．１０％である。
珪素は本発明に従う鋼において必須の元素ではないけれども、通常その鋼の溶湯の脱酸素からの残留分として存在する。しかしながらこの鋼材は０．１％よりも多いＳｉを含むべきではない。通常、この鋼材は痕跡から最高で１．０％までのＳｉを含む。
マンガン、クロム及びニッケルはこの鋼材に良好な硬化可能性を与えるために貢献する元素であって、合計して少なくとも６％の量で存在するべきである。
マンガンは少なくとも１％の量で存在するべきである。もしマンガン含有量がより低いときは、その鋼材は、ニッケル及び／又はクロムのより高い含有量によって補償することができないような低過ぎる硬化可能性を有することになる。しかしながらこの鋼材は３％よりも多いマンガンを含んではならない。もしマンガンの含有量がより高い場合には、焼戻し脆性の危険が存在し、そして従ってその鋼材をプラスチック材料の成形装置に使用したときに粒界破壊の危険がある。
クロムはこの鋼材の中に少なくとも２％の量で存在するべきである、もしクロムの含有量がより低い場合には、この鋼材はマンガン及び／又はニッケルのより高い量によって完全に補償できないような低過ぎる硬化可能性を有することになる。しかしながらこの鋼材は５％よりも多いクロムを含んではならず、好ましくは最高で３％のクロムである。この含有量がより高い場合には、その鋼材が冷却の後で、本発明によれば低炭素のラス状マルテンサイトよりなるべきその組織の中に重大なフェライトの含有量を含むことになる。最適のクロム含有量は３％である。
ニッケルもこの鋼材の硬化可能性に貢献するが、しかしながらこれはまず第一に所望の靱性に貢献するものである。従ってこの鋼材は少なくとも１％のＮｉ、好ましくは少なくとも１．５％のＮｉを含むべきである。その低い方のＮｉ含有量は燐の極端に低い含有量において許容されることができ、一方、高い方のＮｉ含有量は、まず第１に経費上の理由で決定される。そのためにその鋼材は最高で４％のＮｉ、好ましくは最高で３％のＮｉを含むべきである。最適の含有量は２％のＮｉである。
モリブデンは、中でも緩速冷却の場合にこの鋼材の靱性に好ましい影響を与える元素であり、そして少なくとも１％、好ましくは少なくとも０．２％の量で存在するべきである。より高いモリブデン量は、クロムの場合よりも高い度合いでフェライトの形成の危険をもたらし、そのためにモリブデン含有量は最高で１％まで、好適には最高で０．５％までであり、或いはより好都合には最高で０．４％までである。最適のモリブデン含有量は０．３％である。
燐は脆化をもたらすことのある元素である。この障害的影響はニッケル及び／又はモリブデンによってある程度まで補償することができる。しかしながら燐は０．０１５％よりも高い含有量で存在してはならない。好ましくは燐含有量は最高で０．０１２％、好ましくは最高で０．０１０％である。
硫黄も脆化をもたらす元素であり、従って０．０２％を超える含有量で存在してはならない。しかしながら硫黄は機械加工性を改善し、従ってその観点から好ましい元素の１つとして或る量で存在していてもよい。その鋼材の機械加工性の適切な改善を達成するために、硫黄含有量は少なくとも０．００５％であるべきである。最適の硫黄含有量は０．００５−０．０１０％である。
タングステンは通常、その鋼材の中に存在するべきでない元素の１つであり、と言うのはこれは高価であり、かつ廃材リサイクルをも複雑にするからである。しかしながら原則としてタングステンはモリブデンの代替物として許容されることができ、２倍量のタングステンがモリブデンを全量又は部分的に置き換える。
アルミニウムは溶融金属の脱酸処理からの残留分として或る不純物水準で存在していてもよい。
バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウムのような強いカーバイド形成元素は不純物水準を超える水準で鋼材の中に存在するべきではない。
【図面の簡単な説明】
以下に、本発明を実施した実験及び達成された結果の記述によってより詳細に説明する。このなかで添付の図面を参照するが、これらにおいて
第１図は、試験された合金の若干の代表的なものから作られ、そして異なった熱処理を受けた棒材の硬度を示し、
第２図は、第１図に従う同じ材料の衝撃強さを示し、
第３図は本発明に従う鋼材の顕微鏡組織を示し、
第４図は本発明の鋼材と、及び照合鋼材とからそれぞれ作られた比較的細い棒材の衝撃強さを示し、そして
第５図は本発明の鋼材及び照合鋼材よりそれぞれ作られた比較的大きな寸法を有する材料の衝撃強さを示す。
実施された実験
５０ｋｇの実験室溶融物を多数作った。それぞれ重量％及びｐｐｍで表わした化学組成を第１表にあげる。各インゴットを約１２００℃に加熱し、そして次にその鋼材のオーステナイト状態において６０×４０ｍｍの方形の寸法を有する棒材の形に再熱することなく鍛造した。仕上げ鍛造の後でそれらの棒材をバーミキュライトの中で冷却させて、大きな鋼片がその鍛造温度から室温まで空気中で冷却されるときに得られるような冷却速度に相当する冷却速度を達成するようにした。室温に冷却した後でそれら試料は実質的に、切削工具によって加工するのが比較的容易な構造である、いわゆる低炭素ラス状マルテンサイトよりなる均質な顕微鏡組織を有した。

各試験材料を硬度、高焼戻し強度、焼戻し抵抗、摩耗抵抗及びCharpy V法に従う長手方向の衝撃強さについて調べた。鋼番号１１、１２及び１３は３５０−３８０ＨＢの範囲の硬度の達成に関するかぎり、その予め設定した要求条件を室温までの冷却以外に他のなんらの熱処理をも行なうことなく満足した。全ての試料の衝撃強さは良好であった。
結果を第１図及び第２図のグラフに示す。第１図は、蛭石の中で冷却した６０×４０ｍｍのロッド材から取った試料の硬度を示す。各鋼材の左側の柱は熱処理しなかったロッド材のものであり、次の柱は８５０℃において１０分間再熱し、次いで空気中で冷却したロッド材のものであり、そして各右側の柱は８５０℃において再熱し、次いで炉の中で１６時間にわたり２００℃に冷却させたロッド材のものである。第３図はCharpy V法長さ試料の試験との関連においてあげたと同じ熱処理を受けた試料の衝撃強さを示す。結果が報告されているそれら４つの鋼材は、異なったニッケル、マンガン及び燐の含有量を有する鋼材についての代表として選ばれたものである。報告された結果は３回の試験の平均値である。
次に、本発明に従う組成を有する鋼材で７０トンの現尺溶融物を作った。この溶湯の分析値、すなわち鋳造前の溶融鋼材の組成は下記のようであり（重量％で表わして）、残量は鉄及び他の不純物及び付随元素である：
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｔｉ Ｎｂ
0.087 0.39 1.77 0.005 0.007 3.22 1.98 0.28 0.02 0.002
Ｚｒ Ｖ Ａｌ Ｎ Ｆｅ
0.002 0.03 0.025 0.007 残量
この鋼から鋳造によっていくつかのインゴットを作った。これらのインゴットを鍛造又はローリングにより種々の寸法を有する棒材又はロッド材の形にした。鋳造操作において錯誤により高炭素の鋳造粉末が用いられたが、これはその鋳造材の炭素化をもたらした。その溶融物分析値と鋳造材の組成との間の炭素含有量の違いのために、炭素含有量は最終ロッド材においても分析した。ローリングに先立って各インゴットを１１２０℃に予熱した。最終パスの後で温度は全ての寸法方向で約８９０℃であった。鍛造されたインゴットも１１２０℃に予熱した。これらのインゴットを再熱した。それぞれローリングの後、及び鍛造の後でそれら棒材又はロッド材を空気中で冷却床の上で室温まで自由冷却させた。それらロッド材からマイクロ試料を取り、そして硬度を測定したが、この硬度は各ロッド材の中心におけるそれを示す。下記の第２表の値が得られた。

全ての寸法方向の中央から取ったマイクロ試料の金相学的組織も調べた。全ての場合にその組織はラス状マルテンサイトよりなっていた。第３図に例の１つを示す。
この鋼材の引渡し条件における衝撃強さをCharpy V法に従って試験したが、その際各試料はそのロッド材の長手方向及び横断方向の中央から取った。第４及び５図は、本発明に従う異なった寸法を有する若干の棒材の靱性を示し、そして比較として市販の鋼ＩＭＰＡＸＲＳＵＰＲＥＭＥの等級についての衝撃強さのグラフも含めた。この照合材料の組成は、この明細書の初めにあげられている。第４及び５図から、本発明に従う材料の靱性が細い断面のもの及び大きな断面のものにおいてＩＭＰＡＸＲＳＵＰＲＥＭＥのそれよりも本質的に良好であることが明らかである。
表面硬化可能性も種々の表面窒化法により試験したが、これは下記のようであった：
○ ガス窒化：５１０℃、１０時間、３０時間、及び６０時間
○ プラズマ窒化：（２５％Ｎ₂、７５％Ｈ₂）４８０℃、１０時間、３０時間、及び６０時間
○ ガス中ニトロカーバイド化：（５２％Ｎ₂、４３％ＮＨ₂、５％ＣＯ₂）５８０℃、１５０分間
○ 塩浴（Ｔｅｎｉｆｅｒ）の中でのニトロカーバイド化：５８０℃、６０分間
下記の結果が得られた：窒化深さ

表面下約30μmにおける硬度

Claims (20)

1. 重量％で下記の組成を有することを特徴とする合金鋼：
   Ｃ ０．０７５〜０．１５
   Ｓｉ 最高で１．０
   Ｍｎ １〜３
   Ｃｒ ２〜５
   Ｎｉ １〜４
   （但し合計量 Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≧６である）
   Ｍｏ ０．１〜１．０
   Ｐ 最高で０．０１２
   Ｓ 最高で０．０２
   鉄及び不純物からなる残量。
2. 少なくとも０．０８のＣを含む請求項１に記載の合金鋼。
3. 少なくとも０．０９のＣを含む請求項１に記載の合金鋼。
4. 最高で０．１２のＣを含む請求項１に記載の合金鋼。
5. １．５〜４のＣｒを含む請求項１に記載の合金鋼。
6. １．５〜３のＮｉを含む請求項１に記載の合金鋼。
7. ０．２〜０．５のＭｏを含む請求項１に記載の合金鋼。
8. 最高で０．０１０のＰを含む請求項１に記載の合金鋼。
9. 最高で０．０１のＳを含む請求項１に記載の合金鋼。
10. アルミニウム、窒素、酸素、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン及びジルコニウムを不純物として含む請求項１〜９のいずれかに記載の合金鋼。
11. バナジウムの量が０．０３以下である請求項１０に記載の合金鋼。
12. 前記合金鋼を、オーステナイト状態における可塑性熱処理によって鋳造成形後、室温まで冷却した鋼製品とした際に、少なくとも９５容積％までラス状マルテンサイトよりなる均質な微細構造を与えることができる請求項１〜１１のいずれかに記載の合金鋼。
13. 前記鋼製品の硬度が、少なくとも３５０ＨＢである請求項１２に記載の合金鋼。
14. 前記鋼製品の硬度が、３５０〜３８０ＨＢである請求項１２に記載の合金鋼。
15. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の化学組成を有する合金鋼よりなるブロック、棒材、ロッド及び板材の形の鋼製品において、この製品に鋳造及びその鋼のオーステナイト状態における可塑性熱処理によって、ブロック、棒材、ロッド又は板材の形状が与えられ、その後でその鋼は室温まで冷却されるけれども、しかしながら引き続いて硬化及び／又は焼戻しによる形のいかなる熱処理も受けないこと、及びその製品が少なくとも９５容積％までラス状マルテンサイトよりなる均質な微細構造を有することを特徴とする鋼製品。
16. その構造がラス状マルテンサイトよりなる請求項１５に記載の鋼製品。
17. 前記鋼製品の硬度が、少なくとも３５０ＨＢである請求項１５または１６に記載の鋼製品。
18. 前記鋼製品の硬度が、３５０〜３８０ＨＢである請求項１５または１６に記載の鋼製品。
19. 請求項１から１４のいずれかに記載の合金鋼をプラスチック材料成形装置を作る材料として使用する方法。
20. 請求項１５〜１８のいずれかに記載の鋼製品をプラスチック材料成形装置を作るために使用する方法。

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