JP4703005B2 - スチール、該スチールの使用、該スチール製の製品および該スチールの製造方法 - Google Patents
スチール、該スチールの使用、該スチール製の製品および該スチールの製造方法 Download PDFInfo
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Description
(技術分野)
本発明は、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチールであって、それらの特性の少なくとも一部が望まれる利用分野での製品製造において、好ましくは少なくとも500℃までの温度での使用を意図した工具の製造において利用可能なスチールに関する。本発明はさらに、そのスチールの使用、そのスチール製の製品およびそのスチールの製造方法に関するものでもある。
【0002】
(背景技術)
例えば押出、ダイ鋳造用の成形工具などの高い機械的応力および熱疲労応力に曝される成形工具および機械部品に関して、ならびに鍛造工具、バルブなどに関しては、一般に熱間加工鋼または高速度鋼が使用される。熱間加工鋼の中でもそれは主として、AISI H13型のスチールであり、高速度鋼の中では主としてAISI M2が主として使用される。いずれも従来品であり、50年以上前から知られている。H13およびM2も多くの改良品が提案されており、ある程度は使用されているが、従来のH13およびM2スチールがやはりその利用分野では支配的である。
【0003】
(発明の開示)
本発明の目的は、最も一般的な種類の熱間加工鋼であるH13より良好な耐摩耗性を有するスチールを提供することにある。別の目的は、熱間加工用途における従来型の支配的なスチールと比較して高い硬度および靭性をスチールに持たせることにある。さらに別の目的は、高速度鋼の代表的な特性である、高い高温硬度および高温での焼き戻しに対する耐性を有するようにして、熱間加工鋼としておよびPVD技術を用いるコーティング用基材として好適な材料とすることにある。しかしながら、その点に関してのさらなる本発明の目的は、M2型の高速度鋼などの従来の高速度鋼より、タングステンおよびモリブデンなどの高価な合金成分の含有量が低いスチールとすることにある。本発明のさらに別の目的は、軟アニール状態でスチールに良好な作業性を持たせ、さらにはスチールを焼入れ状態で加工(例:研磨)することができるようにすることにある。
【0004】
上記および他の目的は、スチールを粉末冶金的に製造し、それが添付の請求項1に記載の化学組成を有し、それが1.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を含有し、Mは実質的にバナジウムのみからなり、該バナジウムがスチールのマトリクス中で均一に分布しているということで達成することができる。
【0005】
スチールの粉末冶金的製造は、公知の方法を適用してスチールを製造することで、好ましくはいわゆるASP(登録商標)法を用いることで行うことができる。それには、スチールとなるべき化学組成を有するスチール溶融物を製造する段階がある。溶融金属流のガス霧化、すなわち溶融金属流に向かう不活性ガスのジェットによって溶融金属を細かくして小滴とし、その小滴が急速に冷却されることで固化して、不活性ガスからの自由落下時に粉末粒子を形成することにより、公知の方法で溶融物から粉末が製造される。篩い分けした後、粉末をカプセルに入れ、そのカプセルを低温圧縮し、次に高温・高圧での熱等圧圧縮いわゆるHIP処理に曝露して最大密度とする。HIP処理は代表的には、900〜1100hPa(900〜1100バール)の静水圧および1000〜1180℃、好ましくは1140〜1160℃の温度で行う。
【0006】
スチールにおける各種合金成分の含有量に関して、以下に説明する。
【0007】
バナジウムを1.2%以上かつ1.8%以下の含有量で存在させて、炭素とともにスチール中で1.5〜2.5体積%のMCカーバイド類を形成させる。粉末冶金的製造法によって、これらのカーバイドが代表的にはマトリクス中で球形もしくは球形状および均一な分布を有する実質的に等しい径の微小含有物の形態を獲得する条件が整う。含有物の最も長い長さで計算したMCカーバイド類の最大径は2.0μmである。より正確には、総カーバイド体積の少なくとも90%が、最大径1.5μmのMCカーバイド類からなり、より正確にはそれらのカーバイドは0.5μm超かつ1.5μm未満の径を有する。MCカーバイド類はまた、少量のニオブも含有することができる。しかしながら好ましくは、スチールをニオブと意図的に合金とするのではなく、その場合にはMCカーバイド類中のニオブカーバイド要素は無視できるものである。炭素と同様に、少量の窒素をバナジウムと結合させて、本明細書でMCカーバイドと称する硬含有物を形成することができる。しかしながら、スチール中での窒素含有量は非常に小さいことから、含有物における窒素成分によって、バナジウムカルボニトリル類という名称を考慮するほどではなく、無視することができる。バナジウムの含有量は好ましくは1.3〜1.7%である。スチール中の公称バナジウム含有量は1.5%である。
【0008】
スチールには、一方でバナジウムと結合して上記の量でMCカーバイド類を形成し、他方で0.4〜0.5%の含有率でスチールのマトリクスに溶解した状態で存在するだけの量で炭素を存在させる。したがって、スチール中の炭素の総含有量は、0.55〜0.65%、好ましくは0.57〜0.63%とする。公称炭素含有量は0.60%である。
【0009】
スチールには、最低0.7%、好ましくは少なくとも0.85%でケイ素を存在させて、スチールの高温焼入れおよび使用時の焼き戻しに対する耐性に寄与させる。しかしながら、ケイ素の含有量は1.5%を超えてはならず、好ましくは最大1.2%とする。
【0010】
マンガンは本発明によるスチールにおいて必須の元素ではないが、0.2%〜1.0%の量で、好ましくは0.2%〜0.5%の含有量で存在する。
【0011】
焼入れおよび焼き戻し後、本発明によるスチールは、熱間加工鋼で通常生じるクロムカーバイド、例えばM7C3−またはM22C6−カーバイドをほとんど含まない。したがって本発明によるスチールは、最大5%のクロム、好ましくは最大4.5%のクロムを含有することができる。しかしながらクロム自体はスチールで望ましい元素であり、最低3.5%、好ましくは少なくとも3.7%の含有量で存在させて、スチールの焼入れ性に寄与させ、モリブデン、タングステンおよび炭素とともに焼入れ状態のスチールのマルテンサイトマトリクスに高速度鋼の特性、すなわち硬度および靭性の良好な組合せを与えるようにする。公称クロム含有量は4.0%である。
【0012】
モリブデンおよびタングステンの両方を、好ましくはほぼ同等量でスチール中に存在させて、炭素およびクロムとともに、特性について上記で説明したばかりのスチールのマトリクスを与えるようにする。タングステンおよびモリブデンはまた、互いに対して適正な均衡が取れている場合、脱炭を防止する上で役立つ。したがって、モリブデンおよびタングステンはそれぞれ、少なくとも1.5%および最大2.5%の含有量、好ましくは1.7%〜2.3%の含有量で存在させる。公称含有量はモリブデンおよびタングステンのいずれについても2.0%である。
【0013】
窒素はスチールに意図的には加えないが、100〜500ppmの含有量で含まれ得る。
【0014】
酸素はスチール中で不可避の不純物であるが、スチールの粉末冶金的製造方法により、200ppmまでの量で許容できる。
【0015】
硫黄およびリンなどの他の不純物が入る場合があり、熱間加工鋼および高速度鋼について正常な量では許容できる。その点はまた、スズ、銅および鉛などの金属の形での不純物にも当てはまり、それらの不純物はオーステナイト状態のスチールでオーステナイトに溶解せず、オーステナイト粒が高温で形成される際に固化後に沈殿し、その不純物はオーステナイト粒径が小さいことから広い表面にわたって分布し、そのためにそれら不純物の濃度は逆に低くなって、不純物は有害なものとはならなくなる。しかしながら本発明によるスチールは代表的には、スズ、銅および鉛という形の金属不純物をそれぞれ、0.10%、0.60%および0.005%を超える量では含有せず、合計でそれらまたは他の望ましくない不純物金属を最大で0.8%を超えて含有しない。
【0016】
当該スチールを使用する製品は、フライス加工、削孔、旋削、研磨などの切削加工によって、または軟アニール状態のスチールにおけるスパーク加工によって加工して、従来の方法で行うことができる最終に近い形状とすることができる。軟アニール状態で当該スチールは、最大230HB(ブリネル硬度)の硬度を有し、それは850〜900℃でのスチールの軟アニーリングと室温までの冷却によって得ることができ、少なくともその冷却は軟アニーリング温度から725℃まで、好ましくは少なくとも700℃までの冷却であり、5〜20℃/時の冷却速度、好ましくは約10℃/時の冷却速度での緩やかな制御冷却として行う。少なくとも700℃またはそれより低い温度からの室温までの冷却は、空気中での自由冷却によって行うことができる。
【0017】
焼入れおよび焼き戻し後、本発明によるスチールは50〜59HRC(ロックウェル硬度)および7×10×55mmの寸法を有する非切欠き試験片を用いる衝撃試験で150〜300ジュールの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を有し、950〜1160℃のオーステナイト化温度からの製品の焼入れ、室温までの冷却および540〜580℃での焼き戻しによって得ることができるマルテンサイト中に均一に分布した前記MCカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイトの構造を有する。スチールから製造される物を何に用いるか、すなわちスチールの利用範囲に応じて、硬度範囲50〜59HRCで至適硬度が選択される。熱間加工ロール、鍛造工具およびダイスならびにアルミニウム押出用の他の部品などの熱間加工用途では、良好な衝撃強度が望まれることを考慮して、至適硬度範囲は52〜58HRCである。この範囲の硬度はまた、室温または500℃までの温度で使用する機械部品にも最適となり得る。ただし、その種の製品では50HRCまでの硬度低下も許容できる。しかしながら本発明によるスチールは、冷間加工工具および摩耗部品にも使用でき、その場合の至適硬度は56〜59HRCとすることができ、59HRC以下の硬度では衝撃強度がある程度低下する可能性がある。その範囲の望ましい硬度は、「オーステナイト化温度が高いほど硬度が高い」という原理およびそれの逆に従って、950〜1160℃でオーステナイト化温度を選択することで得られる。
【0018】
本発明のさらなる特徴および態様は、特許請求の範囲および実施した実験についての以下の記載から明らかである。実施した実験についての以下の説明では、添付の図面について言及する。
【0019】
(発明を実施するための最良の形態)
調べたスチール合金の重量パーセントでの化学組成と粉末冶金的に製造された材料の体積パーセントでのMCカーバイド類の含有量を表1に示してある。
【0020】
【表1】
【0021】
ASP(ASEA-STORA-Powder)法に従って、以下のように粉末冶金的にスチール合金A〜Gを製造した。スチール溶融物の窒素ガス霧化によって、各合金から粉末約300kgを製造した。直径200mm長さ1mのシート金属カプセルに、溶接によって粉末約175kgを封入した。カプセルを加圧媒体としてのアルゴンガスとともに、高温等圧プレスHIPに入れ、1000hPa(1000バール)および1150℃の高圧・高温に約1時間にわたって曝露した。粉末の圧密化いわゆるHIP処理によって孔のない完全に密にされたスチール体を形成した後、カプセルとその内容物を約900℃〜約700℃まで10℃/時でゆっくり冷却して(軟アニーリング)、鋸引きで加工できるようにした。溶融物からのサンプルからならびにカプセルから鋸引きした材料からの両方についてスチールの化学組成を分析した(表1)。次の段階で、全てのカプセルを直径100mmまで鍛造し、さらに数段階で鍛造および圧延を行うことで最終寸法9×12mmとした。
【0022】
スチール合金H13は、改良されたAISI H13型の従来法で製造された熱間加工鋼であり、表に最後に示したスチールはAISI M2型の従来の高速度鋼であった。
【0023】
スチール合金A〜Gから、寸法7×10×55mmの多くの試験片を製造した。試験片を、950〜1180℃の6種類の異なる温度で加熱することで、すなわちその温度で加熱し、室温まで冷却し、560℃で1時間を3回にわたって焼き戻すことで硬化させた。そして非切欠き試験片の硬度および衝撃強度を室温で測定した。結果を表2および表3ならびに図1の図に示した。
【0024】
【表2】
【0025】
【表3】
【0026】
表2および3ならびに図1から、広い硬度範囲、詳細には特に興味深い硬度範囲のスチール合金Gについて、特に熱間加工用途とある程度は冷間加工工具ならびに摩耗部品について、すなわちそれぞれ硬度範囲52〜58HRCおよび56〜59HRCについて、良好な衝撃強度があることが明らかである。スチール合金Fが広い硬度範囲でさらに良好な硬度と衝撃強度の組合せを有すると言えるが、他方でそのスチールはMCカーバイド含有量がわずか1.7%であって、低すぎるために所望の耐摩耗性が得られない。
【0027】
1000〜1100℃の3種類の異なる温度で焼入れし、540℃で1時間3回焼き戻した後の同じスチール合金についても、硬度と衝撃強度を測定した。これら補足の測定の結果を表4および5に示してあるが、それによって若干高めの温度での焼き戻しを含む加熱処理からの傾向が確認される。
【0028】
【表4】
【0029】
【表5】
【0030】
基準材料H13およびAISI M2について耐摩耗性を測定し、1150℃の温度から硬化させ、560℃で1時間、3回焼き戻した後に58HRCの硬度を獲得した本発明によるスチールすなわちスチール合金Gの耐摩耗性と比較した。耐摩耗性測定は、乾燥SiO2紙00型、滑り速度0.3m/秒、負荷9N、サンプル寸法3×5×30mmでのピンオンディスク試験で行った。図2に示した図から明らかなように、本発明による材料である合金Gは、公知の熱間加工スチールH13よりかなり良好な耐摩耗性を有していた。AISI M2について最も高い耐摩耗性が認められたが、高速度鋼AISI M2中の適正な合金元素の含有量がかなり高いことを考慮すると、合金Gと比較した差はかなり小さい。
【0031】
合金GおよびH13に関しては、焼き戻しに対する耐性すなわち硬度の温度および時間に対する依存性も調べた。試験は550℃および600℃で1〜100時間にわたって行った。結果は図3および図4の図に示してあり、その図から、合金Gにおける硬度の経時的低下が、合金H13より緩やかであることがわかる。
【0032】
合金Gについての光学顕微鏡試験では、MCカーバイド類以外のカーバイドは認めることができず、2.0μmより大きいMCカーバイドも認められなかった。光学顕微鏡検査で観察することができたカーバイド類のうち、少なくとも90体積%が0.5μmより大きく1.5μm未満の粒径のものであると判断された。
【図面の簡単な説明】
【図1】 調べた多くのスチールに関して室温での衝撃強度−硬度を図の形で示したものである。
【図2】 本発明によるスチールと1対の基準材料の硬度に対する耐摩耗性を示す図である。
【図3】 スチール合金GおよびH13に関する550℃での耐焼き戻し性を示す図である。
【図4】 スチール合金GおよびH13に関する600℃における耐焼き戻し性を示す図である。
Claims (24)
- 粉末冶金的に製造されたスチール材において、
0.55〜0.65重量%のC、
0.7〜1.5重量%のSi、
0.1〜1.0重量%のMn、
3.5〜4.5重量%のCr、
1.5〜2.5重量%のMo、
1.5〜2.5重量%のW、
1.2〜1.8重量%のV、
0〜0.2重量%のNb、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなる
ことを特徴とするスチール材。 - 以下の基準、すなわち
0.57〜0.63重量%のC、
0.85〜1.2重量%のSi、
0.2〜0.5重量%のMn、
3.7〜4.3重量%のCr、
1.7〜2.3重量%のMo、
1.7〜2.3重量%のWおよび/または
1.3〜1.7重量%のV
を含むという基準の一つ、多数または全てを満足する化学組成を有する請求項1に記載のスチール材。 - 不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大0.05重量%のニオブを含む請求項2に記載のスチール材。
- 500℃までの温度で使用するスチール製品の製造用である請求項1〜3のいずれかに記載のスチール材。
- 粉末冶金的に製造されたスチール材の硬化及び焼き戻しにより得られ、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチールであって、
0.55〜0.65重量%のC、
0.7〜1.5重量%のSi、
0.1〜1.0重量%のMn、
3.5〜4.5重量%のCr、
1.5〜2.5重量%のMo、
1.5〜2.5重量%のW、
1.2〜1.8重量%のV、
0〜0.2重量%のNb、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり、
スチールマトリクス中で均一に分布しているMCカーバイド類を1.5〜2.5体積%含有し、かつ該MCカーバイド類には、バナジウムを含むMCカーバイドが含まれる
ことを特徴とするスチール。 - 500℃までの温度で使用するスチールである請求項5に記載のスチール。
- 前記MCカーバイド類が、最大径2.0μmを有する球形または球形状を有する請求項5または6に記載のスチール。
- 前記最大径が1.5μmである請求項7に記載のスチール。
- 前記MCカーバイド類の少なくとも90体積%が0.5μmより大きく1.5μm未満の径を有する請求項7に記載のスチール。
- 以下の基準、すなわち
0.57〜0.63重量%のC、
0.85〜1.2重量%のSi、
0.2〜0.5重量%のMn、
3.7〜4.3重量%のCr、
1.7〜2.3重量%のMo、
1.7〜2.3重量%のWおよび/または
1.3〜1.7重量%のV
を含むという基準の一つ、多数または全てを満足する化学組成を有する請求項5〜9のいずれかに記載のスチール。 - 不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大0.05重量%のニオブを含む請求項10に記載のスチール。
- 500℃以下までの温度で使用するスチール製品の製造において、該スチール製品の原料としてスチール材を使用する方法であって、
前記スチール材が、粉末冶金的に製造され、
0.55〜0.65重量%のC、
0.7〜1.5重量%のSi、
0.1〜1.0重量%のMn、
3.5〜4.5重量%のCr、
1.5〜2.5重量%のMo、
1.5〜2.5重量%のW、
1.2〜1.8重量%のV、
0〜0.2重量%のNb、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり、
前記スチール材の焼入れおよび焼き戻し後に得られる前記スチール製品が、スチールマトリクス中で均一に分布しているMCカーバイド類を1.5〜2.5体積%含有し、該MCカーバイド類には、バナジウムを含むMCカーバイドが含まれる
ことを特徴とするスチール材の使用方法。 - 前記スチール製品が、工具または機械部品である請求項12に記載のスチール材の使用方法。
- 前記スチール材を軟アニール状態として少なくとも最終近くの前記スチール製品の形状への加工と硬化後における加工品において、50〜59HRC(ロックウェル硬度)および7×10×55mmの寸法を有する非切欠き試験片を用いる衝撃試験で150〜300ジュールの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を有し、
前記スチール製品が、950〜1160℃のオーステナイト化温度からの前記加工品の焼入れ、室温までの冷却および540〜580℃での焼き戻しによって得ることができるマルテンサイト中に均一に分布した前記MCカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイトの構造を有する、請求項12または13に記載のスチール材の使用方法。 - 前記スチール製品が最大230HB(ブリネル硬度)の硬度を有し、この状態は、850〜900℃での前記スチール材の軟アニーリングとその後の室温までの冷却によって得ることができ、少なくとも軟アニーリング温度から725℃までの冷却を5〜20℃/時の冷却速度での緩やかな制御冷却として行う、軟アニール状態のスチール材における加工による、請求項14に記載のスチール材の使用方法。
- 前記制御冷却が、最高10℃/時の冷却速度での緩やかな制御冷却である請求項15に記載のスチール材の使用方法。
- 前記MCカーバイド類が最大で2.0μmの最大径を有し、少なくとも90体積%の該カーバイドが0.5μm超かつ1.5μm未満の径を有する請求項12ないし16のいずれかに記載のスチール材の使用方法。
- 前記MCカーバイド類が、最大で1.5μmの最大径を有する、請求項17に記載のスチール材の使用方法。
- スチール材の製造方法において、
0.55〜0.65重量%のC、
0.7〜1.5重量%のSi、
0.1〜1.0重量%のMn、
3.5〜4.5重量%のCr、
1.5〜2.5重量%のMo、
1.5〜2.5重量%のW、
1.2〜1.8重量%のV、
0〜0.2重量%のNb、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなるスチール溶融物を製造し、
該スチール溶融物をガス霧化によって微小化して小滴とし;その小滴を冷却して粉末粒子を形成し;該粉末をシート金属カプセル中にガス気密的に封入し、熱間等圧圧縮によって固化させて完全に密なスチール材を形成する
ことを特徴とするスチール材の製造方法。 - 不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大0.05重量%のニオブを含む請求項19に記載のスチール材の製造方法。
- 500℃までの温度で使用する、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチール製品の製造用である請求項19または20に記載のスチール材の製造方法。
- 前記スチール製品が、工具または機械部品である請求項21に記載のスチール材の製造方法。
- 請求項19〜22のいずれかに記載のスチール材の製造方法により得られた熱間等圧圧縮体であるスチール材を鍛造および熱間圧延によって熱間加工し;前記スチール材を850〜900℃で軟アニーリングし、制御下での冷却によって室温まで冷却して最大230HB(ブリネル硬度)の硬度とし;前記スチール材をそれの軟アニール状態で少なくとも最終近い形状まで加工し、950〜1160℃の温度から焼入れし、冷却して室温とし、540〜580℃で焼き戻し;その熱処理によって前記スチール材から、スチールマトリクス中で均一に分布しているMCカーバイド類を1.5〜2.5体積%含有し、該MCカーバイド類には、バナジウムを含むMCカーバイドが含まれるスチール製品を得る
ことを特徴とするスチール製品の製造方法。 - 請求項25に記載のスチール製品の製造方法に従って製造されるスチール製品。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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