JP5225843B2 - Steel produced by powder metallurgy, tool including the steel, and method for producing the tool - Google Patents

Steel produced by powder metallurgy, tool including the steel, and method for producing the tool Download PDF

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Description

技術分野
本発明は、研削性が改良され、良好な硬度、特に高温硬度と共に高靭性が必要とされる、チップ除去用工具、好ましくは歯切り工具、タップ、およびシェービングセパレータ(shaving separator)付きエンドカッターなどの被覆工具に適した新規の鋼、好ましくは粉末冶金製造された高速度鋼に関する。さらに別の適用分野は、その使用が用途に適した硬度および強度と共に高靭性を必要とする工具である。それらの用途の中でも、熱間加工用工具、例えばアルミニウムプロファイルの押出し用ダイおよび熱間圧延用ローラーなど、先進的機械要素(advanced machine element)、ならびにプレスローラー、すなわち金属等のパターンまたはプロファイルのスタンプ用工具が挙げられる。さらに別の適用分野には、良好な研削性および良好な硬度が重要な特性となる冷間加工用工具があり得る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a tip removal tool, preferably a cutting tool, tap and end with a shaving separator, which has improved grindability and requires good hardness, particularly high temperature hardness and high toughness. The present invention relates to a new steel suitable for a coated tool such as a cutter, preferably a high-speed steel produced by powder metallurgy. Yet another field of application is tools whose use requires high toughness with the hardness and strength appropriate for the application. Among these applications are advanced machine elements such as hot working tools, eg aluminum profile extrusion dies and hot rolling rollers, and press rollers, ie stamps of patterns or profiles such as metal Tools. Yet another application area may be cold working tools where good grindability and good hardness are important properties.

例えば、アルミニウムプロファイルの押出し用工具に使用される鋼について最も重要な特性の1つは、その鋼が高い焼戻し耐性を有することであり、そのことは、焼入れ(hardening)および焼戻しによって鋼に付与された硬度を喪失せずに、鋼を長時間高温に曝し得ることを意味する。一方、この硬度は極度に高い必要はなく、適切には50〜55HRCの規模である。   For example, one of the most important properties for steel used in aluminum profile extrusion tools is that the steel has a high tempering resistance, which is imparted to the steel by hardening and tempering. It means that the steel can be exposed to high temperature for a long time without losing its hardness. On the other hand, this hardness need not be extremely high and is suitably on the scale of 50-55 HRC.

代わりに、鋼が先進的機械要素に使用される場合、主な特性は高靭性を伴う高い硬度および強度であり、均質性について厳しい要件もある。この場合、焼戻し後の硬度は、一般に55〜60HRCの範囲であってよい。   Instead, when steel is used for advanced mechanical elements, the main properties are high hardness and strength with high toughness, and there are stringent requirements for homogeneity. In this case, the hardness after tempering may generally be in the range of 55-60 HRC.

ただし、金属等のパターンまたはプロファイルのスタンプ用工具のための鋼、ならびに歯切り工具、タップ、およびエンドカッターなどのシェービングセパレータ付きチップ除去用鋼については、高靭性と共にさらに高い硬度60〜70HRCが要求される。タップは、60〜67HRCの範囲の硬度を有するべきであり、エンドカッターは、62〜70HRCの範囲の硬度を有するべきである。鋼が冷間加工用工具に使用される場合、その鋼には同様の硬度が必要とされる。   However, for steel for stamping tools with patterns or profiles such as metal, and steel for chip removal with shaving separators such as hobbing tools, taps, and end cutters, higher hardness and 60-70 HRC are required. Is done. The tap should have a hardness in the range of 60-67 HRC and the end cutter should have a hardness in the range of 62-70 HRC. When steel is used in a cold work tool, the steel must have similar hardness.

本発明はまた、前記鋼から製造された熱間加工またはチップ除去または冷間加工用の工具、あるいは先進的機械要素、ならびにその製造方法に関する。   The invention also relates to a tool for hot working or chip removal or cold work made from said steel, or an advanced machine element, and a method for its production.

従来技術
切削操作に使用されるあるタイプの鋼は、ASP(登録商標)2052の商品名で市販されている高速度鋼であり、これは以下の公称(nominal)組成を特徴とする。重量%で1.6のC、4.8のCr、2.0のMo、10.5のW、8.0のCo、5.0のV、残部の鉄、および不可避の不純物。別の高速度鋼は、公称組成として1.28のC、4.2のCr、5.0のMo、6.4のW、3.1のV、8.5のCo、残部の鉄、および不可避の不純物を有するASP(登録商標)2030である。さらに別の高速度鋼は、公称組成として、2.3のC、4.2のCr、7.0のMo、6.5のW、6.5のV、10.5のCo、残部の鉄、および不可避の不純物を有するASP(登録商標)2060である。すべて含量は重量%とする。
Prior Art One type of steel used for cutting operations is a high speed steel marketed under the trade name ASP® 2052, which is characterized by the following nominal composition. 1.6% by weight C, 4.8 Cr, 2.0 Mo, 10.5 W, 8.0 Co, 5.0 V, balance iron, and inevitable impurities. Another high speed steel has a nominal composition of 1.28 C, 4.2 Cr, 5.0 Mo, 6.4 W, 3.1 V, 8.5 Co, balance iron, And ASP® 2030 with inevitable impurities. Yet another high speed steel has a nominal composition of 2.3 C, 4.2 Cr, 7.0 Mo, 6.5 W, 6.5 V, 10.5 Co, the balance ASP (R) 2060 with iron and inevitable impurities. All contents are weight%.

本発明の簡単な説明
研削は、チップ除去用工具の製造において時間のかかる操作であるため、このような工具に使用される鋼が研削性を改善することが望ましい。したがって、本発明の目的は、材料の研削性が改善されていることを除いては前述の従来技術の鋼と同じく有益な特性を有する新規な鋼、好ましくは高速度鋼を提供することである。より具体的には、鋼は、以下の特性を有するべきである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION Since grinding is a time consuming operation in the manufacture of a tool for chip removal, it is desirable that the steel used in such a tool improve grindability. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new steel, preferably a high speed steel, which has the same beneficial properties as the prior art steels described above except that the grindability of the material is improved. . More specifically, the steel should have the following properties:

・ 焼入れおよび焼戻しされた条件における良好な研削性、
・ 焼入れおよび焼戻しされた条件における良好な靭性、
・ 焼入れおよび焼戻しされた条件における良好な硬度、
・ 高い降伏点、
・ 高い疲労強度、
・ 高い曲げ強度、ならびに
・ 良好な耐摩耗性。
-Good grindability in quenched and tempered conditions,
Good toughness in quenched and tempered conditions,
Good hardness in quenched and tempered conditions,
High yield point,
・ High fatigue strength,
・ High bending strength, and ・ Good wear resistance.

これらおよび他の要件は、粉末冶金製造され、重量%で1.1〜2.3のC+N、0.1〜2.0のSi、0.1〜3.0のMn、最大20のCr、5〜20の(Mo+W/2)、0〜20のCo、ここでニオブおよびバナジウムの全含量(Nb+V)が、ニオブ含量とバナジウム含量との間の比(Nb/V)に関して平衡を保ち、その結果、これらの元素の含量およびそれら間の比が、図1の座標系の座標A、B、C(A:[4.0;0.55]、B:[4.0;4.0]、C:[7.0;0.55])によって規定される領域内にあり、合計1%以下のCu、Ni、Sn、Pb、Ti、ZrおよびAl、残部の鉄、ならびに鋼の製造からの不可避の不純物を含む化学組成を有することを特徴とする鋼によって実現することができる。   These and other requirements are manufactured by powder metallurgy and are 1.1 to 2.3 C + N by weight%, 0.1 to 2.0 Si, 0.1 to 3.0 Mn, up to 20 Cr, 5-20 (Mo + W / 2), 0-20 Co, where the total content of niobium and vanadium (Nb + V) is in equilibrium with respect to the ratio (Nb / V) between the niobium content and the vanadium content, As a result, the contents of these elements and the ratios between them are shown in coordinates A, B, C (A: [4.0; 0.55], B: [4.0; 4.0] in FIG. , C: [7.0; 0.55]) and from the manufacture of a total of 1% or less of Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr and Al, the balance iron, and steel It can be realized by a steel characterized by having a chemical composition containing unavoidable impurities.

図の簡単な説明
本発明を、添付の図を参照しながら、実施試験の以下の説明によってより詳細に説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The present invention will be described in more detail by the following description of an implementation test with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の鋼について、座標系の形で、一方のNbおよびVの全含量(Nb+V)と、他方のNb含量とV含量との間の関係(Nb/V)との間の関係を示す。   FIG. 1 shows, for a steel according to the invention, in the form of a coordinate system between the total content of one Nb and V (Nb + V) and the relationship between the other Nb content and the V content (Nb / V). Show the relationship.

図2は、MX型炭化物の体積部(volume portion)の関数としてのMX型炭化物のサイズのグラフを示す。   FIG. 2 shows a graph of MX carbide size as a function of the volume fraction of MX carbide.

図3は、M6X型炭化物の体積部の関数としてのM6X型炭化物のサイズのグラフを示す。 Figure 3 shows a graph of the size of M 6 X type carbides as a function of the volume portion of the M 6 X type carbides.

図4は、様々な熱処理およびNb/V比に対する炭化物のサイズの分布のグラフを示す。   FIG. 4 shows a graph of carbide size distribution for various heat treatments and Nb / V ratios.

図5は、Nb/V比の関数としての、d(111)MX型炭化物およびd(331)-0.5Å6X型炭化物の平面d(hkl)における格子面間隔(lattice spacing)のグラフを示す。 FIG. 5 shows a graph of lattice spacing in the plane d (hkl) of d (111) MX type carbide and d (331) -0.5Å M 6 X type carbide as a function of Nb / V ratio. Show.

図6は、番号6の熱処理後の本発明の鋼Fの微細構造(microstructure)の写真を示す。   FIG. 6 shows a photograph of the microstructure of steel F of the present invention after heat treatment of number 6.

図7は、MX型炭化物のサイズの関数としての、研削性G比のグラフを示す。   FIG. 7 shows a graph of grindability G ratio as a function of MX carbide size.

図8は、チップの掘削率(excavation rate)に関する研削中のエネルギー消費のグラフを示す。   FIG. 8 shows a graph of energy consumption during grinding with respect to the excavation rate of the chip.

発明の詳細な説明
様々な合金材料ならびに様々な構造要素の、所望の特性プロファイルの実現における重要性を、いかなる理論にも拘泥することなく、より詳細に説明する。別段の記載がない限り、合金含量の場合、パーセンテージは常に重量%を意味し、構造要素の場合、パーセンテージは常に体積%を意味する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The importance of various alloy materials as well as various structural elements in achieving a desired property profile will be described in more detail without being bound by any theory. Unless otherwise stated, in the case of alloy content, the percentage always means weight percent, and in the case of structural elements, the percentage always means volume percent.

炭素は窒素と共に、マルテンサイトに溶解される場合、焼入れおよび焼戻しされた条件下でその目的に適した硬度を材料に付与するように、少なくとも1.1%、最大2.3%、好ましくは少なくとも1.4%、最大2.0%、さらにより好ましくは1.60および1.90%の間の含量で存在するべきである。さらに、炭素および窒素は、ニオブおよびバナジウムと共に、(Nb,V)X型の一次析出(primary precipitated)MX型−炭化物、−窒化物、−炭窒化物の適量に寄与するべきであり、タングステン、モリブデン、およびクロムと共に、マトリックスにおける一次析出M6X型−炭化物、−窒化物、−炭窒化物の適量の実現に寄与するべきである。簡略化のために、後続の説明ではこのような硬質相粒子を炭化物と呼んでいるが、鋼が窒素を含有する場合、炭化物という用語は、窒化物および/または炭窒化物にも関係することを理解されたい。このような炭化物の目的は、材料に望ましい耐摩耗性を付与することである。さらに、炭化物が粒の成長を制限する機能をし得ることから、それらは、粒子の細かい構造を鋼に付与するのに寄与している。好ましい一実施形態では、鋼は、1.65および1.80%の間の炭素および窒素を含有し、それらは残量(balanced amount)の他の合金元素、特にケイ素、クロム、バナジウム、およびニオブと共に、その目的に十分適した特性プロファイルを鋼に付与することになるが、それは、標準の製造プロセスによって、すなわちその製造が特別な努力を必要とせずに標準法に従って進行するプロセスによって実現することができる。 When carbon, together with nitrogen, is dissolved in martensite, it should be at least 1.1%, up to 2.3%, preferably at least 1.1%, so as to give the material a suitable hardness for that purpose under quenched and tempered conditions. It should be present at a content between 1.4%, max 2.0%, even more preferably between 1.60 and 1.90%. In addition, carbon and nitrogen, together with niobium and vanadium, should contribute to the appropriate amount of (Nb, V) X type primary precipitated MX type-carbides, nitrides, carbonitrides, tungsten, Together with molybdenum and chromium, it should contribute to the realization of the proper amount of primary precipitated M 6 X-type carbides, nitrides, carbonitrides in the matrix. For simplicity, such hard phase particles are referred to as carbides in the following description, but the term carbide relates to nitrides and / or carbonitrides when the steel contains nitrogen. I want you to understand. The purpose of such carbides is to impart the desired wear resistance to the material. In addition, since carbides can serve to limit grain growth, they contribute to imparting a fine grained structure to the steel. In one preferred embodiment, the steel contains between 1.65 and 1.80% carbon and nitrogen, which are other alloyed elements of the balanced amount, in particular silicon, chromium, vanadium, and niobium. At the same time, it will give the steel a property profile that is well suited for its purpose, which is achieved by a standard manufacturing process, i.e. by a process in which the manufacturing proceeds according to standard methods without any special effort. Can do.

通常、窒素含量は0.1%以下であるが、粉末冶金製造技術によって、より高い含量の窒素を鋼に溶かすことができる。したがって、鋼の一実施形態は、最大2.3%もの多量の窒素を含有する鋼を特徴とし、これは、製造された粉末の固相ニトロ化によって得ることができる。ここで、最終的な工具の鋼の一部となる硬質材料中の炭素を、窒素で置き換えることができる。炭素を窒素で置き換えることによって、付着摩耗耐性が低下するという利点が得られ、これは特に、その工具がアルミニウムおよび或るステンレス鋼などの粘着性材料上で動作する場合に利点となる。該鋼は、焼戻しも容易になり、このことは焼戻し温度を低下できることを意味し、有利である。1.1%未満の炭素+窒素含量では、適切な硬度および耐摩耗性が得られないが、2.3%を超える含量では、脆性の問題を生じることがある。   Normally, the nitrogen content is 0.1% or less, but higher powders of nitrogen can be dissolved in the steel by powder metallurgy manufacturing techniques. Thus, one embodiment of the steel features a steel containing as much nitrogen as up to 2.3%, which can be obtained by solid phase nitration of the produced powder. Here, the carbon in the hard material that becomes part of the steel of the final tool can be replaced by nitrogen. Replacing carbon with nitrogen provides the advantage of reduced adhesion wear resistance, particularly when the tool operates on sticky materials such as aluminum and certain stainless steels. The steel is also easy to temper, which means that the tempering temperature can be lowered, which is advantageous. If the carbon + nitrogen content is less than 1.1%, adequate hardness and wear resistance cannot be obtained, but if the content exceeds 2.3%, brittleness problems may occur.

溶融冶金プロセスにおいて重要な鋼の流動性を改善するために、ケイ素を、少なくとも0.1%の含量で鋼に添加する。鋼へのケイ素の添加を増大するほど、鋼溶融物はより流動性となり、このことは造粒に関連する詰まり(clogging)を回避するために重要である。造粒中の詰まりを回避するために、ケイ素含量は、少なくとも0.2%、さらにより好ましくは少なくとも0.4%とするべきである。ケイ素はまた、ケイ素合金の実施形態において炭素活量(carbon activity)の増大に寄与し、約2%までの量で存在することができる。脆性に関する問題は、約2%を超える含量で生じ、したがって鋼は、適切には1.2%を超えるSiを含有するべきではない。というのは、それを超える含量では大型のM6X型炭化物の形成および焼入れされた条件下の硬度低下の危険性が高まるからであり、このことは、ケイ素含量を1.0%以下に制限することがさらにより好ましいことを意味している。好ましい一実施形態では、ケイ素含量は0.55%および0.70%の間であり、この含量では、上記の利点に加えて、鋼にとって好ましい炭素含量と組み合わせて熱処理しやすい鋼を得られることが判明した。そのことは、該鋼をその特性プロファイルを保持しながら幅広い温度範囲内で熱処理しうることを意味し、これは製造に利点を与える。 Silicon is added to the steel in a content of at least 0.1% in order to improve the fluidity of the steel, which is important in the melt metallurgy process. As the silicon addition to the steel increases, the steel melt becomes more fluid, which is important to avoid clogging associated with granulation. In order to avoid clogging during granulation, the silicon content should be at least 0.2%, even more preferably at least 0.4%. Silicon also contributes to increased carbon activity in silicon alloy embodiments and can be present in amounts up to about 2%. Problems with brittleness occur at contents greater than about 2%, and therefore the steel should suitably not contain more than 1.2% Si. This is because the content exceeding that increases the risk of formation of large M 6 X-type carbides and reduced hardness under quenched conditions, which limits the silicon content to 1.0% or less. Means even more preferable. In a preferred embodiment, the silicon content is between 0.55% and 0.70%, which, in addition to the advantages mentioned above, provides a steel that is easy to heat-treat in combination with the preferred carbon content for the steel. There was found. That means that the steel can be heat-treated within a wide temperature range while maintaining its characteristic profile, which provides manufacturing advantages.

マンガンは、主に冶金溶融プロセスに由来する副生成物(residual product)として存在することができ、そのプロセスにおいてマンガンは、硫化マンガンを形成することによって硫黄性不純物を不活化するという公知の効果を有し、これを目的として、マンガンは少なくとも0.1%の含量で鋼に存在するべきである。鋼中のマンガンの最大含量は3.0%であるが、マンガンの含量は、最大0.5%に制限されるのが好ましい。好ましい一実施形態では、鋼は0.2〜0.4%のMnを含有する。   Manganese can exist mainly as a byproduct derived from the metallurgical melting process, in which manganese has the known effect of inactivating sulfurous impurities by forming manganese sulfide. For this purpose, manganese should be present in the steel in a content of at least 0.1%. The maximum manganese content in the steel is 3.0%, but the manganese content is preferably limited to a maximum of 0.5%. In a preferred embodiment, the steel contains 0.2-0.4% Mn.

硫黄は、鋼の製造に由来する副生成物として、鋼の機械特性に影響を及ぼすことなく、最大800ppmの含量で鋼に存在し得る。硫黄は、合金元素として最大1%までは意図的に添加することができ、これによって機械加工性および加工性の改善に寄与することができる。この目的で硫黄を意図的に添加した本発明の一実施形態では、硫黄含量を0.1および0.3%の間にするべきであり、そのときマンガン含量を、非硫黄合金の実施形態よりもいくらか高くなるように、好適には0.5%〜最大1.0%で選択するべきである。   Sulfur can be present in the steel as a by-product from the manufacture of the steel at a content of up to 800 ppm without affecting the mechanical properties of the steel. Sulfur can be intentionally added up to 1% as an alloy element, which can contribute to improvement of machinability and workability. In one embodiment of the present invention in which sulfur is intentionally added for this purpose, the sulfur content should be between 0.1 and 0.3%, when the manganese content is greater than that of the non-sulfur alloy embodiment. Preferably, it should be selected from 0.5% up to 1.0% so that it is somewhat higher.

リンも、鋼の製造に由来する副生成物として、鋼の機械特性に影響を及ぼすことなく、最大800ppmの含量で鋼に存在し得る。   Phosphorus can also be present in the steel at a content of up to 800 ppm as a by-product derived from the production of the steel without affecting the mechanical properties of the steel.

クロムは、鋼のマトリックスに溶解している場合、焼入れおよび焼戻し後に適切な硬度および靭性を実現する鋼をもたらすことに寄与するために、少なくとも3%、好ましくは少なくとも3.5%の含量で鋼に存在するべきである。クロムは、一次析出硬質相粒子、主としてM6X型炭化物に含まれることによって、鋼の耐摩耗性に寄与することもできる。他の一次析出炭化物もクロムを含有するが、同程度ではない。しかしクロムが多すぎると、変換困難となり得る残留オーステナイト(residual austenite)をもたらす危険性がある。 Chromium, when dissolved in the steel matrix, has a steel content of at least 3%, preferably at least 3.5% to contribute to providing a steel that achieves adequate hardness and toughness after quenching and tempering. Should exist. Chromium can also contribute to the wear resistance of steel by being contained in primary precipitated hard phase particles, mainly M 6 X-type carbides. Other primary precipitated carbides also contain chromium, but not to the same extent. However, too much chromium can lead to residual austenite which can be difficult to convert.

材料を深冷凍結(deep freezing)することによって、残留オーステナイト含量を排除することができ、または少なくとも最小限に抑えることができる。このため、鋼には最大約20%のクロム含量が可能であるが、クロムの含量は最大12%に制限されるのが好ましい。鋼に企図された適用分野において所望の特性プロファイルを実現するために、鋼は必ずしも6%を超えるクロムを含有する必要はない。好ましい一実施形態では、鋼は3.5および4.5%の間のCr、最も好ましくは3.8および4.2%の間のCrを含有する。   By deep freezing the material, the residual austenite content can be eliminated or at least minimized. Thus, steel can have a chromium content of up to about 20%, but the chromium content is preferably limited to a maximum of 12%. The steel need not necessarily contain more than 6% chromium in order to achieve the desired property profile in the field of application intended for the steel. In a preferred embodiment, the steel contains between 3.5 and 4.5% Cr, most preferably between 3.8 and 4.2% Cr.

モリブデンおよびタングステンは、クロムと同じく、鋼のマトリックスが焼入れおよび焼戻し後に適切な硬度および靭性を得ることに寄与する。モリブデンおよびタングステンは、M6X型炭化物の一次析出炭化物に含まれることもでき、そのようなものとして鋼の耐摩耗性に寄与する。他の一次析出炭化物も、モリブデンおよびタングステンを含有するが、同程度ではない。他の合金元素に適合させることによって適切な特性を得るように、限度が選択される。原則として、モリブデンおよびタングステンは、互いに部分的にまたは完全に置き換えることができ、そのことは、半量のモリブデンでタングステンを置き換えることができ、または倍量のタングステンでモリブデンを置き換えられることを意味する。しかし経験から、およそ等量のモリブデンおよびタングステンが好ましいことが知られている。というのは、このことが製造技術に、またはより具体的には熱処理技術に幾つかの利点をもたらすからである。モリブデン+タングステンの全含量は5〜20%の範囲とすべきであり、より好ましくは15%以下にするべきである。本目的に適した特性は、他の合金元素と組み合わせて、9および12%の間の含量(Mo+W/2)で実現されよう。かかる範囲内で、モリブデン含量は、好ましい一実施形態においては4.0〜5.1%の範囲から選択されるべきであり、タングステン含量は、5.0〜7.0の範囲から好適に選択されるべきである。モリブデンの公称含量は4.6%であり、タングステンについては6.3%である。 Molybdenum and tungsten, like chromium, contribute to the steel matrix obtaining the appropriate hardness and toughness after quenching and tempering. Molybdenum and tungsten can also be included in the primary precipitation carbides of M 6 X-type carbides, and as such contribute to the wear resistance of the steel. Other primary precipitated carbides also contain molybdenum and tungsten, but not to the same extent. Limits are selected to obtain appropriate properties by adapting to other alloying elements. In principle, molybdenum and tungsten can be partially or completely replaced with each other, which means that half the amount of molybdenum can replace tungsten, or double the amount of tungsten can replace molybdenum. However, experience has shown that approximately equal amounts of molybdenum and tungsten are preferred. This is because this provides several advantages for manufacturing technology or more specifically for heat treatment technology. The total content of molybdenum + tungsten should be in the range of 5-20%, more preferably 15% or less. Properties suitable for this purpose will be realized with a content between 9 and 12% (Mo + W / 2) in combination with other alloying elements. Within such a range, the molybdenum content should be selected from a range of 4.0-5.1% in a preferred embodiment, and the tungsten content is suitably selected from a range of 5.0-7.0. It should be. The nominal content of molybdenum is 4.6% and for tungsten is 6.3%.

鋼における任意選択のコバルトの存在は、その鋼の企図された使用に依存する。鋼が通常室温で使用され、または通常使用の際に特に高温に加熱されない使用に関しては、コバルトが、鋼の靭性および工具を使用する際の欠け(chipping)の危険性を低減することから、その鋼は添加コバルトを意図的には含有するべきではない。さらに、軟化焼きなましされた(soft annealed)条件下の硬度は、コバルト含量が増大すると高まり、約14%を超える含量では、該工具は、機械加工、すなわち旋削、圧延、穿孔、鋸切り等が著しく困難になる。高温硬度が傑出しているチップ切削工具(chip cutting tool)に鋼が使用される場合、その鋼は、好適には相当多量のコバルトを含有し、その場合最大20%の含量が可能であるが、望ましい高温硬度は7〜14%の範囲のコバルト含量で実現することができる。チップ切削工具に使用される場合、本発明の鋼は、さらにより好ましくは8.0および10.0%の間のCo、さらにより好ましくは8.8および9.3%の間のCoを含有するべきである。   The presence of optional cobalt in the steel depends on the intended use of the steel. For applications where steel is usually used at room temperature or not heated to high temperatures during normal use, cobalt reduces the toughness of steel and the risk of chipping when using tools. The steel should not intentionally contain added cobalt. Furthermore, the hardness under soft annealed conditions increases with increasing cobalt content, and at a content above about 14%, the tool is significantly machined, ie turning, rolling, drilling, sawing, etc. It becomes difficult. When steel is used in a chip cutting tool with outstanding high temperature hardness, the steel preferably contains a substantial amount of cobalt, in which case a maximum content of 20% is possible. Desirable high temperature hardness can be achieved with a cobalt content in the range of 7-14%. When used in a chip cutting tool, the steel of the present invention still more preferably contains between 8.0 and 10.0% Co, even more preferably between 8.8 and 9.3% Co. Should do.

ニオブは、本発明の鋼に重要な役割を担う元素である。最大1%という少量のニオブを添加することによって、炭化物のサイズを抑えることができ、このことはとりわけ、材料の靭性および硬度にとって好ましいことが既に知られている。既知の議論によれば、ニオブをバナジウムに置き換えることができる。しかしこうすることによって、耐摩耗性に影響が及び、特に鋼が約4%以上の含量のニオブおよび/またはバナジウムを含有する場合、その材料は研削し難くもなる。   Niobium is an element that plays an important role in the steel of the present invention. It is already known that the addition of as little as 1% niobium can reduce the size of the carbide, which is particularly favorable for the toughness and hardness of the material. According to known arguments, niobium can be replaced with vanadium. However, this affects the wear resistance and also makes the material difficult to grind, especially if the steel contains niobium and / or vanadium in a content of about 4% or more.

既知ではなかった、少なくとも本出願人が知見していなかったことは、一方のバナジウムおよびニオブの全含量と、他方のバナジウムとニオブとの間の比との間に関係があり、驚くべきことにこのような炭化物形成物の含量が多いにもかかわらず、それでもなお該鋼が研削しやすいということである。この関係は、本発明の概念の基礎を成すものであり、以下さらに記載する広範な試験によって本出願人に明らかとなった。本発明の概念によれば、一方のニオブおよびバナジウムの全含量は、他方のニオブ含量とバナジウム含量との間の比(Nb/V)に関して、これらの元素の含量ならびにそれらの間の比が、図1の座標系の座標A、B、Cによって規定される領域内に位置するように、バランスされる(balanced)べきである。より好ましくは、これらの元素の全含量(Nb+V)およびそれらの間の比(Nb/V)は、座標D、E、Fによって規定される領域内で、さらにより好ましくは座標G、H、Iによって規定される領域内でバランスされる。   What was not known, at least not known by the Applicant, is surprisingly related to the total content of one vanadium and niobium and the ratio between the other vanadium and niobium. Despite the high content of such carbide formers, the steel is still easy to grind. This relationship is the basis for the concept of the present invention and has become apparent to the applicant through extensive testing as described further below. According to the concept of the present invention, the total content of one niobium and vanadium is related to the ratio between the other niobium content and the vanadium content (Nb / V), the content of these elements as well as the ratio between them. It should be balanced so that it lies within the area defined by the coordinates A, B, C in the coordinate system of FIG. More preferably, the total content of these elements (Nb + V) and the ratio between them (Nb / V) is within the region defined by coordinates D, E, F, and even more preferably coordinates G, H, I Is balanced within the region defined by

[(Nb+V);(Nb/V)]
A:[4.0;0.55]
B:[4.0;4.0]
C:[7.0;0.55]
D:[4.25;0.55]
E:[4.25;3.5]
F:[6.7;0.55]
G:[4.5;0.55]
H:[4.5;3.0]
I:[6.4;0.55]
ニオブおよびバナジウムの合金含量が高いにもかかわらず、一次MX型炭化物のサイズを制限することができ、そのことが研削性の改善に寄与するということが本発明の範囲内で示された。
[(Nb + V); (Nb / V)]
A: [4.0; 0.55]
B: [4.0; 4.0]
C: [7.0; 0.55]
D: [4.25; 0.55]
E: [4.25; 3.5]
F: [6.7; 0.55]
G: [4.5; 0.55]
H: [4.5; 3.0]
I: [6.4; 0.55]
Despite the high alloy content of niobium and vanadium, it has been shown within the scope of the present invention that the size of the primary MX carbide can be limited, which contributes to improved grindability.

さらに本発明の鋼によって、鋼のNb/V比がより高められ、HIP焼結、鍛造、圧延など、製造中に鋼が受ける様々な熱間加工操作においてMX型炭化物の成長が少なくなることが示された。   Further, the steel of the present invention can further increase the Nb / V ratio of the steel and reduce MX carbide growth in various hot working operations that the steel undergoes during manufacturing, such as HIP sintering, forging, and rolling. Indicated.

また本研究では、形成した炭化物のサイズと、鋼におけるそれらの全含量との間に関係があり、炭化物のサイズが増大するほど鋼の炭化物含量が高くなることが見出された。この関係は、M6X型炭化物およびMX型炭化物の両方で有効である。さらに本研究は、固定した体積部およびプロセスパラメータでは、M6X型炭化物はMX型炭化物よりも大きくなることを示した。このことは、所与の最大サイズの炭化物を有する鋼が望ましい場合、その合金組成は、M6X型炭化物含量の1.5倍から2倍多いMX型炭化物含量をその鋼に与えるようにバランスされ得ることを意味している。 In this study, it was also found that there was a relationship between the size of the formed carbides and their total content in the steel, and that the carbide content of the steel increased with increasing carbide size. This relationship is valid for both M 6 X type carbides and MX type carbides. In addition, this study showed that at fixed volume and process parameters, M 6 X-type carbides are larger than MX-type carbides. This means that if a steel with a given maximum size carbide is desired, the alloy composition is balanced to give the steel an MX type carbide content 1.5 to 2 times greater than the M 6 X type carbide content. Is meant to be able to.

さらに驚くべきことには、ニオブで合金化した鋼は、ニオブを添加していない鋼よりも、MX型炭化物のサイズの増加とMX型炭化物の含量との間に強い関係があることが見出された。この結果は、ニオブの添加が、MX型炭化物のある一定の最大含量までしか有利ではなく、それ以上は有利にならないことを示す。   More surprisingly, steels alloyed with niobium have been found to have a stronger relationship between the increase in MX carbide size and the content of MX carbide than steel without added niobium. It was done. This result shows that the addition of niobium is only advantageous up to a certain maximum content of MX-type carbides and not more.

本発明の概念によれば、靭性および硬度と共に、高い降伏点、高い疲労強度、高い曲げ強度、および相対的に良好な耐摩耗性に対する高い要求を満たし、研削特性も改善された鋼を提供することができる。このことは、該鋼が本発明の請求項1に記載の組成を与えられ、その組成が、ニオブおよびバナジウムの全含量と、ニオブとバナジウムの間の或る比との組み合わせに関してバランスしている場合に実現される。したがって、ニオブおよびバナジウムの全含量は、4.0≦Nb+V≦7.0、好ましくは4.25≦Nb+V≦6.7、さらにより好ましくは4.5≦Nb+V≦6.4という条件を満たすべきであり、それと同時にニオブとバナジウムの間の比は、0.55≦Nb/V≦4.0、好ましくは0.55≦Nb/N≦3.5、さらにより好ましくは0.55≦Nb/V≦3.0という条件を満たすべきである。最も好ましい実施形態では、鋼は、2.0〜2.3%のNbおよび3.1〜3.4%のVを含有すべきである。さらに鋼は、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは11体積%以下のMX型炭化物含量を有するべきであり、MX型炭化物の少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、さらにより好ましくは少なくとも95%は、炭化物の最大伸びで(in the longest extension)3μm以下、好ましくは2.2μm以下、さらにより好ましくは1.8μm以下の炭化物サイズを有する。また鋼の組成は、M6X型炭化物形成元素であるクロム、モリブデン、およびタングステンに関して、鋼におけるM6X型炭化物含量が、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは12体積%以下になり、M6X型炭化物の少なくとも80%、好ましくは90%、さらにより好ましくは少なくとも95%が、炭化物の最大伸びで4μm以下、好ましくは3μm以下、さらにより好ましくは2.5μm以下の炭化物サイズを有するようにバランスされるべきである。 The concept of the present invention provides a steel that meets high demands for high yield point, high fatigue strength, high bending strength, and relatively good wear resistance, as well as toughness and hardness, and improved grinding properties. be able to. This means that the steel is given the composition according to claim 1 of the present invention, which is balanced with respect to the combination of the total content of niobium and vanadium and a certain ratio between niobium and vanadium. Realized in the case. Therefore, the total content of niobium and vanadium should satisfy the condition 4.0 ≦ Nb + V ≦ 7.0, preferably 4.25 ≦ Nb + V ≦ 6.7, and more preferably 4.5 ≦ Nb + V ≦ 6.4. At the same time, the ratio between niobium and vanadium is 0.55 ≦ Nb / V ≦ 4.0, preferably 0.55 ≦ Nb / N ≦ 3.5, and even more preferably 0.55 ≦ Nb / The condition of V ≦ 3.0 should be satisfied. In the most preferred embodiment, the steel should contain 2.0-2.3% Nb and 3.1-3.4% V. Furthermore, the steel should have a MX type carbide content of 15% by volume or less, preferably 13% by volume or less, and even more preferably 11% by volume or less, and at least 80%, preferably at least 90% of MX type carbide. More preferably, at least 95% has a carbide size of 3 μm or less, preferably 2.2 μm or less, and even more preferably 1.8 μm or less, in the longest extension of the carbide. The composition of the steel is such that the M 6 X-type carbide content in the steel is 15% by volume or less, preferably 13% by volume or less, even more preferably 12 with respect to chromium, molybdenum, and tungsten which are M 6 X-type carbide forming elements. Volume% or less, and at least 80%, preferably 90%, even more preferably at least 95% of the M 6 X-type carbides have a maximum carbide elongation of 4 μm or less, preferably 3 μm or less, and even more preferably 2.5 μm. Should be balanced to have the following carbide sizes:

その上、本発明の鋼は、意図的に添加される追加合金元素を含有するべきではない。銅、ニッケル、スズ、および鉛、ならびに炭化物形成物、例えばチタン、ジルコニウム、およびアルミニウムの含量は合計で1%以下にすることができる。これらおよび前述の元素に加えて、鋼は、鋼の冶金溶融処理に由来する不可避の不純物および他の副生成物以外の他の元素を含有しない。
なお、焼入れおよび焼戻しされた条件下のM X型炭化物含量が、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは12体積%以下であり、前記M X型炭化物の少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、さらにより好ましくは少なくとも95%が、炭化物の最大長さで4μm以下、好ましくは3μm以下、さらにより好ましくは2.5μm以下の炭化物サイズを有する鋼が望ましい。
また、鋼の炭素および窒素の全含量が、1.4および2.0%の間、好ましくは1.60および1.90%の間にある鋼が望ましい。
また、0.2〜1.2%のSi、好ましくは0.4〜0.8%のSiを含有する鋼が望ましい。
また、0.1〜0.5%のMn、好ましくは0.2〜0.4%のMnを含有する鋼が望ましい。
また、3〜6%のCr、好ましくは3.5〜4.5%のCrを含有する鋼が望ましい。
また、5〜15%の(Mo+W/2)、好ましくは9〜12%の(Mo+W/2)を含有する鋼が望ましい。
また、5.0〜14.0%のCo、好ましくは8.0〜10.0%のCo、さらにより好ましくは8.8〜9.3のCoを含有する鋼が望ましい。
Moreover, the steel of the present invention should not contain additional alloying elements that are intentionally added. The total content of copper, nickel, tin, and lead, and carbide formers such as titanium, zirconium, and aluminum can be less than 1%. In addition to these and the aforementioned elements, steel does not contain other elements other than inevitable impurities and other byproducts derived from the metallurgical melting process of steel.
Note that the M 6 X-type carbide content under the quenched and tempered conditions is 15% by volume or less, preferably 13% by volume or less, and more preferably 12% by volume or less, and at least 80 % of the M 6 X-type carbides. %, Preferably at least 90%, and even more preferably at least 95% have a carbide size with a maximum carbide length of 4 μm or less, preferably 3 μm or less, and even more preferably 2.5 μm or less.
It is also desirable for the steel to have a total carbon and nitrogen content of between 1.4 and 2.0%, preferably between 1.60 and 1.90%.
Further, steel containing 0.2 to 1.2% Si, preferably 0.4 to 0.8% Si is desirable.
Further, steel containing 0.1 to 0.5% Mn, preferably 0.2 to 0.4% Mn is desirable.
Further, steel containing 3 to 6% Cr, preferably 3.5 to 4.5% Cr is desirable.
Further, steel containing 5 to 15% (Mo + W / 2), preferably 9 to 12% (Mo + W / 2) is desirable.
Also desirable is steel containing 5.0-14.0% Co, preferably 8.0-10.0% Co, and even more preferably 8.8-9.3 Co.

実験室規模の実験
全体で9つの試験材料を製造した。これらの材料の化学組成を以下の表1に示す。
A total of nine test materials were produced in a laboratory-scale experiment. The chemical composition of these materials is shown in Table 1 below.

Figure 0005225843
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ガスアトマイジングによって、鋼から粉末を製造した。それぞれの鋼粉末を、製造用大型カプセル上の試験用小型カプセル中、高速熱間静水圧プレス、いわゆるHIP/QIHによって固めた。試験用小型カプセルからサンプルを取り出し、以下の表2に従って、一般的製造条件をシミュレートするために、それらのサンプルを幾つかの方法で熱処理した。   Powder was produced from steel by gas atomizing. Each steel powder was consolidated by high speed hot isostatic pressing, so-called HIP / QIH, in small test capsules on large production capsules. Samples were removed from the test small capsules and the samples were heat treated in several ways to simulate general manufacturing conditions according to Table 2 below.

Figure 0005225843
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炭化物含量およびサイズ
試験した鋼のMX型炭化物の含量ならびにサイズは、その鋼が曝される表2の熱処理に依存して変わる。このことは、以下の表3から明らかである。
Carbide Content and Size The MX type carbide content and size of the steel tested varies depending on the heat treatment of Table 2 to which the steel is exposed. This is clear from Table 3 below.

Figure 0005225843
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図1は、熱処理番号6のMX型炭化物サイズのグラフを示している。図では、ニオブを添加した鋼を黒丸で印し、ニオブを添加しなかった鋼を白丸で印した。図では、Nb含有鋼のMX型炭化物は、Nbを添加しなかった鋼のものよりもサイズが大幅に小さいことがわかる。   FIG. 1 shows a graph of MX type carbide size for heat treatment number 6. In the figure, steel with niobium added is marked with black circles, and steel without niobium added is marked with white circles. In the figure, it can be seen that the MX type carbide of the Nb-containing steel is much smaller in size than that of the steel to which Nb was not added.

鋼が曝される表2の熱処理に依存する、試験した鋼のM6X型炭化物の含量およびサイズに関して、対応する研究を以下の表4に示す。 A corresponding study is shown in Table 4 below regarding the M 6 X-type carbide content and size of the steels tested, depending on the heat treatment of Table 2 to which the steel is exposed.

ニオブの添加がMX型炭化物のサイズに好ましい効果を与える最大含量は、高速度鋼に一般的な温度において、HIP、圧延、および鍛造などのプロセス中のドウェル時間(dwell time)と、温度とに依存して変わる。本研究による1つの結論は、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは11体積%以下のMX型炭化物含量を有する鋼に対して、ニオブの添加は有利であるが、MX型炭化物部分がそれより多い鋼については、それとは逆に、大型のMX型炭化物をもたらすらしいということである。   The maximum content at which niobium addition has a positive effect on the size of MX-type carbides is the dwell time and temperature during processes such as HIP, rolling, and forging, at temperatures common to high speed steels. It depends on you. One conclusion from this study is that the addition of niobium is advantageous for steels with MX type carbide content of 15% by volume or less, preferably 13% by volume or less, and even more preferably 11% by volume or less. For steels with more type carbides, the opposite is likely to result in large MX type carbides.

Figure 0005225843
Figure 0005225843

図3は、表4の鋼に関する熱処理番号6のM6X型炭化物サイズのグラフを示している。図では、ニオブを添加した鋼を黒丸で印し、ニオブを添加しなかった鋼を白丸で印した。図から、Nbの添加はM6X型炭化物のサイズに対して測定可能な効果を与えていないことがわかる。 FIG. 3 shows a graph of heat treatment number 6 M 6 X carbide size for the steels in Table 4. In the figure, steel with niobium added is marked with black circles, and steel without niobium added is marked with white circles. From the figure, it can be seen that the addition of Nb has no measurable effect on the size of the M 6 X-type carbide.

さらに、図4から明らかなように、本発明の鋼は、鋼のNb/V比が高いほど、HIP、鍛造、圧延などの製造中に鋼が受ける様々な熱間加工操作において、MX型炭化物のサイズに関して受ける影響が小さくなることがわかった。図4は、約0.6以上のNb/V比を有する鋼のMX型炭化物サイズに対して、熱間加工操作は殆ど影響を与えないことを示している。   Further, as is apparent from FIG. 4, the steel of the present invention has an MX type carbide in various hot working operations that the steel undergoes during manufacture such as HIP, forging and rolling as the Nb / V ratio of the steel increases. It was found that the effect on the size of was reduced. FIG. 4 shows that the hot working operation has little effect on the MX type carbide size of the steel having an Nb / V ratio of about 0.6 or more.

図5は、Nb/V比の関数としての、MX型炭化物およびM6X型炭化物の平面d(hkl)における格子面間隔のグラフを示している。MX型炭化物については(111)面間隔を測定し、M6C型炭化物については(331)面間隔を測定した。ここで、ニオブの添加は、M6C型炭化物の格子間の面間隔にはまったく効果を与えないように思われ、そのことは、ニオブの添加がM6C型炭化物の組成にまったく影響を与えないことを示していることが明らかである。MX型炭化物について、格子面間隔とNb/V比の増加との間には直線関係があるように思われ、そのことは、ニオブがMX型炭化物に溶解することを示すものである。しかし、鋼Gはこれから逸脱しており、そのことは、造粒が起きる前に大型のMX型炭化物(>20μm)が溶融物と中に形成されるためである可能性が高く、つまり造粒中または造粒後に形成されるMX型炭化物に対しては、少量のNbが利用可能であることを意味している。 FIG. 5 shows a graph of the lattice spacing in the plane d (hkl) of MX type carbide and M 6 X type carbide as a function of the Nb / V ratio. For the MX type carbide, the (111) plane spacing was measured, and for the M 6 C type carbide, the (331) plane spacing was measured. Here, the addition of niobium does not seem to have any effect on the interstitial spacing of the M 6 C type carbide, which has no effect on the composition of the M 6 C type carbide. It is clear that it shows not giving. For MX type carbides, there appears to be a linear relationship between the lattice spacing and the increase in the Nb / V ratio, indicating that niobium dissolves in MX type carbides. However, steel G deviates from this, which is likely because large MX carbides (> 20 μm) are formed in the melt before granulation occurs, ie granulation. For MX carbides formed during or after granulation, this means that a small amount of Nb is available.

微細構造
本発明の鋼は、焼入れおよび焼戻しされた条件下で、マルテンサイトに均等に分布したMX型炭化物およびM6X型炭化物を含有する焼戻しマルテンサイトの構造からなる微細構造を有し、これは、950および1250℃の間のオーステナイト化温度から生成物を焼入れし、室温に冷却し、480〜650℃で焼戻しすることによって得られる。本発明の鋼は、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは11体積%以下のMX型炭化物含量を有するべきであり、ここでMX型炭化物の少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、さらにより好ましくは少なくとも95%が、炭化物の最大伸びで3μm以下、好ましくは2.2μm以下、さらにより好ましくは1.8μm以下の炭化物サイズを有するべきである。鋼の組成はまた、鋼のM6X型炭化物含量が、15体積%以下、好ましくは13体積%以下、さらにより好ましくは12体積%以下であり、M6X型炭化物の少なくとも80%、好ましくは90%、さらにより好ましくは少なくとも95%が、炭化物の最大伸びで4μm以下、好ましくは3μm以下、さらにより好ましくは2.5μm以下の炭化物サイズを有するように、M6X型炭化物形成元素であるクロム、モリブデン、およびタングステンに関してバランスされるべきである。
Microstructure The steel of the present invention has a microstructure composed of a tempered martensite structure containing MX type carbide and M 6 X type carbide evenly distributed in martensite under the conditions of quenching and tempering. Is obtained by quenching the product from an austenitizing temperature between 950 and 1250 ° C., cooling to room temperature, and tempering at 480-650 ° C. The steel of the present invention should have an MX type carbide content of 15% by volume or less, preferably 13% by volume or less, and even more preferably 11% by volume or less, wherein at least 80%, preferably at least 80% of MX type carbides. 90%, even more preferably at least 95%, should have a carbide size with a maximum carbide elongation of 3 μm or less, preferably 2.2 μm or less, and even more preferably 1.8 μm or less. The composition of the steel is also such that the M 6 X-type carbide content of the steel is not more than 15% by volume, preferably not more than 13% by volume, even more preferably not more than 12% by volume, preferably at least 80% of the M 6 X-type carbide. Is an M 6 X type carbide forming element such that 90%, even more preferably at least 95%, has a carbide size of 4 μm or less, preferably 3 μm or less, and even more preferably 2.5 μm or less at the maximum elongation of the carbide. Should be balanced with respect to some chromium, molybdenum, and tungsten.

図6は、本発明の鋼、すなわち表2の合金Fの微細構造の写真である。この図は、均等に分布したMX型炭化物を黒/暗灰色として示し、それより多少大きいM6X型炭化物は白/明灰色である。この鋼は、平均サイズが0.5μmのMX型炭化物を5.5体積%(約20,000μmの領域内の100個の最大(100 largest)MX型炭化物が、1.1μmの平均サイズを有する)、および平均サイズが1.2μmのM6X型炭化物を11.8体積%(約20,000μmの領域内の100個の最大M6X型炭化物が、2.2μmの平均サイズを有する)含有する。MX型炭化物を囲む明るい領域は、エッチングによって形成され、実際には材料においてこれに相当するものはない。 FIG. 6 is a photograph of the microstructure of the steel of the present invention, ie, alloy F in Table 2. This figure shows evenly distributed MX type carbides as black / dark gray, and slightly larger M 6 X type carbides are white / light gray. This steel has an average size of 5.5 μm MX carbide with an average size of 0.5 μm (100 large MX type carbides in the region of about 20,000 μm have an average size of 1.1 μm) ), And 11.8% by volume of M 6 X-type carbide having an average size of 1.2 μm (100 maximum M 6 X-type carbides in an area of about 20,000 μm have an average size of 2.2 μm) contains. The bright areas surrounding the MX-type carbides are formed by etching and there is actually no equivalent in material.

研削性
本発明の一態様によれば、鋼は良好な研削性を有するべきである。何よりもMX型炭化物のサイズは、鋼の研削性に影響を及ぼし、鋼の炭化物が大きくなるほどその研削性が損なわれる。鋼の研削性は、そのG比として表すことができ、これは材料の研削し難さの測定値である。鋼のG比は、焼入れおよび焼きなましされた条件下、アルミナの市販のディスク、いわゆるホワイトディスクによって、7×7×150mmの試験片を2×7×150mmのサイズに表面研削することによって測定した。G比は通常、消費された研削ディスクの体積に対する、研削された鋼材料の体積として表される。容易に研削される材料は高いG比を有し、研削し難い材料は低いG比の値で特徴づけられる。図7は、MX型炭化物のサイズの関数としての研削性を示している。小さいサイズのMX型炭化物を有する鋼は、同じ体積範囲のMX型炭化物含量を有する他の鋼と比較して、研削性が大幅に改善されることが明らかである。
Grindability According to one aspect of the invention, the steel should have good grindability. Above all, the size of the MX-type carbide affects the grindability of steel, and the grindability is impaired as the carbide of steel increases. The grindability of a steel can be expressed as its G ratio, which is a measurement of the difficulty of grinding the material. The G ratio of the steel was measured by surface grinding a 7 × 7 × 150 mm specimen to a size of 2 × 7 × 150 mm with a commercially available disc of alumina, a so-called white disc, under quenching and annealing conditions. The G ratio is usually expressed as the volume of ground steel material relative to the volume of grinding disk consumed. Materials that are easily ground have high G ratios, and materials that are difficult to grind are characterized by low G ratio values. FIG. 7 shows grindability as a function of MX carbide size. It is clear that steel with small size MX-type carbides has a significantly improved grindability compared to other steels with MX-type carbide content in the same volume range.

以下の組成、1.69%の(C+N)、0.65%のSi、0.3%のMn、4.0%のCr、4.6%のMo、6.3%のW、9.0%のCo、3.2%のV、および2.1のNb、残部の鉄、ならびに不純物を有する、PUD169と呼ばれる本発明の鋼と、以下の組成、1.6のC、4.8のCr、2.0のMo、10.5のW、8.0のCo、5.0のV、残部の鉄、および不可避の不純物を有する、ASP2052と呼ばれる参照の鋼とについて、研削中のエネルギー消費を比較することによって、チップの掘削率の最大値を比較することができた。その結果を図8に示すが、その結果から本発明の鋼は、同じエネルギー消費の参照材料に対して約60%高いチップ掘削率で圧延(mill)できることが明らかであり、このことは製造の面から見てかなり大きな利点である。   The following composition, 1.69% (C + N), 0.65% Si, 0.3% Mn, 4.0% Cr, 4.6% Mo, 6.3% W, 9. A steel of the invention called PUD169 with 0% Co, 3.2% V, and 2.1 Nb, balance iron, and impurities, and the following composition, 1.6 C, 4.8 A reference steel called ASP2052 with a Cr of 2.0, Mo of 10.5, Co of 8.0, Co of 5.0, V of balance, balance iron, and inevitable impurities. By comparing the energy consumption, we were able to compare the maximum excavation rate of the chips. The results are shown in FIG. 8, and it is clear from the results that the steel of the present invention can be milled with a chip drilling rate about 60% higher than the reference material with the same energy consumption. This is a significant advantage from a surface.

本発明の鋼と参照材料とから、TiAlN、いわゆるFuturaコーティングで被覆した幾つかの切削工具インサートを製造した。試験では鋼プレートを使用して、その2つの材料について1時間(1h)の寿命に相当する切削速度を求めた。試験では、以下のパラメータを使用した。   Several cutting tool inserts coated with TiAlN, a so-called Futura coating, were produced from the steel according to the invention and a reference material. In the test, steel plates were used, and the cutting speed corresponding to the life of 1 hour (1 h) was determined for the two materials. The following parameters were used in the test.

半径方向切削深さ=10mm
軸方向切削深さ=3mm
送り速度=0.1mm/歯、乾式機械加工
加工物質=インパックス(Impax)
この試験では、本発明の鋼については83m/分の切削速度が測定され、参照材料の切削速度は77m/分と測定されたが、このことは、本発明の鋼が参照材料よりも大幅に良好な性能を有することを意味している。
Radial cutting depth = 10mm
Axial cutting depth = 3mm
Feed rate = 0.1 mm / tooth, dry machining Processed material = Impax
In this test, a cutting speed of 83 m / min was measured for the steel of the present invention, and the cutting speed of the reference material was measured to be 77 m / min, which means that the steel of the present invention was significantly more than the reference material. It means having good performance.

パイロット規模の実験
焼入れおよび焼戻しされた条件下の硬度
本発明の鋼から、それぞれ約200kgの2種類の変形型(variants)を、ガスアトマイジングおよびHIPによって製造した。この粉末から約10kgのパイロットカプセルを製造し、試験片をカプセルから取り出して、焼入れおよび焼戻し後の硬度を評価した。これらの本発明の鋼の変形型は、高靭性と共に硬度に対する要求が高い用途に企図されるものであるが、例えば金属等にパターンまたはプロファイルをスタンプする工具、ならびにタップおよびシェービングセパレータ付きエンドカッターなどのチップ除去用工具のための鋼にも企図される。鋼が冷間加工用工具に使用される場合、その鋼について同じことが要求される。これらの鋼の化学組成を表5に示す。その結果を表6に示す。
Pilot Scale Experiment Hardness under Quenched and Tempered Conditions From the steel of the present invention, two variants of approximately 200 kg each were produced by gas atomizing and HIP. About 10 kg of pilot capsules were produced from this powder, and test pieces were taken out of the capsules and evaluated for hardness after quenching and tempering. These steel deformation molds of the present invention are intended for applications requiring high toughness and high hardness. For example, tools for stamping patterns or profiles on metal, etc., and end cutters with taps and shaving separators, etc. Also contemplated for steel for other chip removal tools. When steel is used in cold work tools, the same is required for that steel. Table 5 shows the chemical composition of these steels. The results are shown in Table 6.

Figure 0005225843
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Figure 0005225843
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鋼が企図される適用分野によって、50〜70HRCの範囲の硬度から最適な硬度が選択される。50〜55HRCという低い硬度が所望されるものの高い靭性が好ましい適用分野では、主な(primarily)C、ならびに存在するいかなるNおよび少なくともW、V、Nb、MoおよびCoの一部の含量が、鋼のおよそ下限値となるように制限され、焼入れ中のオーステナイト化温度は、1100℃未満になるように選択される。   Depending on the field of application for which the steel is intended, the optimum hardness is selected from a hardness in the range of 50-70 HRC. In applications where low toughness of 50-55 HRC is desired but high toughness is preferred, the primary C and any N and at least some W, V, Nb, Mo and Co content present is steel The austenitizing temperature during quenching is selected to be less than 1100 ° C.

アルミニウムプロファイルの押出しなどの熱間加工用工具に使用される鋼に関して、最も重要な特性の1つは、その鋼が高い焼戻し耐性を有することであり、そのことは、焼入れおよび焼戻しから鋼が得た硬度を失うことなく、長時間高温に曝し得るべきであることを意味している。一方、この硬度は極度に高い必要はなく、好適には50〜55HRCの規模である。代わりに、鋼が先進的機械要素に使用される場合、主な特性は、高靭性を伴う高い硬度および強度である。この場合、焼戻し後の硬度は、一般に55〜60HRCの範囲であってよい。これら2つの適用分野については、鋼は、好適には1000〜1250℃、典型的には1150〜1200℃のオーステナイト化温度で熱処理され、550〜600℃の焼戻し温度で3×1h焼戻しされる。   For steels used in hot working tools such as aluminum profile extrusion, one of the most important properties is that the steel has high tempering resistance, which is obtained from quenching and tempering. This means that it should be able to be exposed to high temperatures for a long time without losing its hardness. On the other hand, this hardness does not need to be extremely high, and is preferably a scale of 50 to 55 HRC. Instead, when steel is used for advanced mechanical elements, the main properties are high hardness and strength with high toughness. In this case, the hardness after tempering may generally be in the range of 55-60 HRC. For these two fields of application, the steel is preferably heat treated at an austenitizing temperature of 1000-1250 ° C., typically 1150-1200 ° C., and tempered 3 × 1 h at a tempering temperature of 550-600 ° C.

金属等にパターンまたはプロファイルをスタンプする工具のための鋼、ならびに歯切り工具、タップ、およびシェービングセパレータ付きエンドカッターなどのチップ除去用工具のための鋼については、高靭性と共に60〜70HRCという硬度がさらに強く要求される。タップは、60〜67HRCの範囲の硬度を有するべきであり、エンドカッターは、62〜70HRCの範囲の硬度を有するべきである。鋼が冷間加工用工具に使用される場合、その鋼に対して同じことが要求される。これら2つの適用分野に関して、鋼は、チップ除去用工具については1000〜1250℃、典型的には1150〜1200℃のオーステナイト化温度で、冷間加工用工具については1000〜1200℃で好適に熱処理され、480〜580℃、典型的には550〜570℃の焼戻し温度で3×1h焼戻しされ、50〜55HRCの範囲の硬度を有する。鋼が窒素を含有する場合、上記の理由に従って焼戻し温度を下げることができる。   Steels for tools that stamp patterns or profiles on metal, etc., and steels for chip removal tools such as hobbing tools, taps, and end cutters with shaving separators, have a hardness of 60-70 HRC with high toughness. Even more strongly required. The tap should have a hardness in the range of 60-67 HRC and the end cutter should have a hardness in the range of 62-70 HRC. When steel is used in cold work tools, the same is required for that steel. For these two fields of application, the steel is preferably heat treated at an austenitizing temperature of 1000-1250 ° C., typically 1150-1200 ° C. for chip removal tools, and 1000-1200 ° C. for cold work tools. And tempered for 3 × 1 h at a tempering temperature of 480-580 ° C., typically 550-570 ° C., and has a hardness in the range of 50-55 HRC. When the steel contains nitrogen, the tempering temperature can be lowered according to the above reason.

好ましい一実施形態では、鋼は以下の公称組成、1.69%の(C+N)、0.65%のSi、0.3%のMn、4.0%のCr、4.6%のMo、6.3%のW、9.0%のCo、3.2%のV、および2.1%のNb、残部の鉄、ならびに不純物を有する。このような鋼は、導入部で述べた材料と比較して、他の特性は同等であるが大幅な研削性の改善が認められた切削用工具に特に良好に適している。その鋼はまた、主にASP2052と比較して、改善された機械加工性を示した。   In a preferred embodiment, the steel has the following nominal composition: 1.69% (C + N), 0.65% Si, 0.3% Mn, 4.0% Cr, 4.6% Mo, 6.3% W, 9.0% Co, 3.2% V, and 2.1% Nb, balance iron, and impurities. Such steels are particularly well suited for cutting tools that are comparable in other properties to the materials described in the introduction, but have shown significant grindability improvements. The steel also showed improved machinability, mainly compared to ASP2052.

本発明の鋼について、座標系の形で、一方のNbおよびVの全含量(Nb+V)と、他方のNb含量とV含量との間の関係(Nb/V)との間の関係を示すグラフである。A graph showing the relationship between the total content of one Nb and V (Nb + V) and the relationship between the other Nb content and the V content (Nb / V) in the form of a coordinate system for the steel of the present invention. It is. MX型炭化物の体積部(volume portion)の関数としてのMX型炭化物のサイズのグラフである。6 is a graph of MX carbide size as a function of the volume fraction of MX carbide. 6X型炭化物の体積部の関数としてのM6X型炭化物のサイズのグラフである。The size graph of M 6 X type carbides as a function of the volume portion of the M 6 X type carbides. 様々な熱処理およびNb/V比に対する炭化物のサイズの分布のグラフである。2 is a graph of carbide size distribution for various heat treatments and Nb / V ratios. Nb/V比の関数としての、d(111)MX型炭化物およびd(331)-0.5Å6X型炭化物の平面d(hkl)における格子面間隔(lattice spacing)のグラフである。FIG. 7 is a graph of lattice spacing in the plane d (hkl) of d (111) MX type carbide and d (331) -0.5Å M 6 X type carbide as a function of Nb / V ratio. 番号6の熱処理後の本発明の鋼Fの微細構造(microstructure)の写真である。It is a photograph of the microstructure of the steel F of the present invention after the heat treatment of No. 6. MX型炭化物のサイズの関数としての、研削性G比のグラフである。FIG. 5 is a graph of grindability G ratio as a function of MX carbide size. FIG. チップの掘削率(excavation rate)に関する研削中のエネルギー消費のグラフである。Figure 5 is a graph of energy consumption during grinding in relation to tip excavation rate.

Claims (29)

粉末冶金によって製造された、熱間加工用の工具鋼、または冷間加工用の工具鋼、またはチップ切削機械加工用の工具鋼のための鋼であって、重量%で
1.1〜2.3のC+N、
0.1〜2.0のSi、
0.1〜3.0のMn、
最大20のCr、
5〜20の(Mo+W/2)、ただし最大7.0のW、
0〜20のCo、
ここでニオブおよびバナジウムの全含量(Nb+V)が、ニオブ含量とバナジウム含量との間の比(Nb/V)に関して、これらの元素の含量ならびにそれらの間の比が、図1の座標系の座標A、B、C
A:[4.0;0.55]
B:[4.0;4.0]
C:[7.0;0.55]
によって規定される領域内にあるようにバランスされ、
1.0%以下のS、
800ppm以下のP、
合計で1%以下のCu、Ni、Sn、Pb、Ti、ZrおよびAl、残部の鉄、ならびに不可避的不純物
からなる化学組成を有し、
かつ、焼入れおよび焼戻しされた条件下のMX型炭化物含量が13体積%以下であり、
MX型炭化物の少なくとも90%が、炭化物の最大長さで1.8μm以下の炭化物サイズを有する
ことを特徴とする鋼。
Produced by powder metallurgy tool steel for hot working or a tool steel for cold working, or a steel for chip cutting machining tool steel, 1.1 to 2 weight%. 3 C + N,
0.1-2.0 Si,
0.1 to 3.0 Mn,
Up to 20 Cr,
5 to 20 (Mo + W / 2), with a maximum of 7.0 W,
0-20 Co,
Here, the total content of niobium and vanadium (Nb + V) is related to the ratio between the niobium content and the vanadium content (Nb / V). The content of these elements and the ratio between them is expressed in the coordinate system of FIG. A, B, C
A: [4.0; 0.55]
B: [4.0; 4.0]
C: [7.0; 0.55]
Balanced to be within the area defined by
S of 1.0% or less,
P of 800 ppm or less,
1% or less total of Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr and Al, balance iron, and inevitable impurities
Having a chemical composition consisting of
And MX type carbide | carbonized_material content under the conditions hardened and tempered is 13 volume% or less,
Steel characterized in that at least 90% of MX type carbides have a carbide size of 1.8 μm or less at the maximum carbide length .
Wの含有量が5.0〜7.0%である請求項1記載の鋼。The steel according to claim 1, wherein the W content is 5.0 to 7.0%. Sの含有量が0.1〜1.0%である請求項1または2記載の鋼。The steel according to claim 1 or 2, wherein the S content is 0.1 to 1.0%. Sの含有量が800ppm以下である請求項1または2記載の鋼。The steel according to claim 1 or 2, wherein the S content is 800 ppm or less. 前記MX型炭化物含量が、11体積%以下であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の鋼。 The steel according to any one of claims 1 to 4, wherein the MX type carbide content is 11% by volume or less. 前記MX型炭化物の少なくとも95%が、炭化物の最大長さで1.8μm以下の炭化物サイズを有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の鋼。 The steel according to any one of claims 1 to 5 , characterized in that at least 95% of the MX-type carbide has a carbide size of 1.8 µm or less with the maximum length of the carbide. 前記焼入れおよび焼戻しされた条件下のMX型炭化物含量が、15体積%以下であり、前記MX型炭化物の少なくとも80%が、炭化物の最大長さで4μm以下の炭化物サイズを有することを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の鋼。 M 6 X type carbide content of conditions wherein is hardening and tempering is a below 15 vol%, at least 80% of the M 6 X type carbides, the carbide size of 4μm or less under the maximum length of the carbides The steel according to any one of claims 1 to 6 , characterized by comprising: 前記MX型炭化物およびMX型炭化物を含む鋼の微細構造が、950〜1250℃のオーステナイト化温度における焼入れおよび480〜650℃の焼戻し温度における3回の1hの焼戻しによって得られることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の鋼。 The microstructure of the steel containing MX type carbide and M 6 X type carbide is obtained by quenching at an austenitizing temperature of 950 to 1250 ° C. and three times of 1 h tempering at a tempering temperature of 480 to 650 ° C. The steel according to any one of claims 1 to 7 . 50〜70HRCの範囲の硬度を有することを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の鋼。 9. Steel according to any of claims 1 to 8 , characterized in that it has a hardness in the range of 50 to 70 HRC. 前記ニオブおよびバナジウムの全含量(Nb+V)が、前記ニオブ含量とバナジウム含量との間の比(Nb/V)に関して、これらの元素の含量ならびにこれらの間の比が、座標D、E、F
D:[4.25;0.55]
E:[4.25;3.5]
F:[6.7;0.55]
によって規定される領域内にあるようにバランスされたことを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の鋼。
The total content of niobium and vanadium (Nb + V) is related to the ratio between the niobium content and the vanadium content (Nb / V), and the content of these elements and the ratio between them are represented by coordinates D, E, F
D: [4.25; 0.55]
E: [4.25; 3.5]
F: [6.7; 0.55]
Steel according to any one of claims 1 to 9 , characterized in that it is balanced so that it lies in a region defined by.
前記ニオブおよびバナジウムの全含量(Nb+V)が、前記ニオブ含量とバナジウム含量との間の比(Nb/V)に関して、これらの元素の含量ならびにこれらの間の比が、座標G、H、I
G:[4.5;0.55]
H:[4.5;3.0]
I:[6.4;0.55]
によって規定される領域内にあるようにバランスされたことを特徴とする、請求項10に記載の鋼。
The total content of niobium and vanadium (Nb + V) is related to the ratio between the niobium content and the vanadium content (Nb / V), and the content of these elements and the ratio between them are represented by coordinates G, H, I
G: [4.5; 0.55]
H: [4.5; 3.0]
I: [6.4; 0.55]
Steel according to claim 10 , characterized in that it is balanced so that it is in the region defined by
前記鋼の炭素および窒素の全含量が、1.4および2.0%の間にあることを特徴とする、請求項1から11のいずれかに記載の鋼。 Total content of carbon and nitrogen in the steel, characterized in that is between 1.4 and 2.0%, the steel according to any one of claims 1 to 11. 前記鋼の炭素および窒素の全含量が、1.65および1.80%の間にあることを特徴とする、請求項12に記載の鋼。 13. Steel according to claim 12 , characterized in that the total carbon and nitrogen content of the steel is between 1.65 and 1.80%. 0.2〜1.2%のSiを含有することを特徴とする、請求項1から13のいずれかに記載の鋼。 Characterized in that it contains 0.2 to 1.2% of S i, steel according to any of claims 1 to 13. 0.55〜0.70%のSiを含有することを特徴とする、請求項14に記載の鋼。 Steel according to claim 14 , characterized in that it contains 0.55 to 0.70% Si. 0.1〜0.5%のMnを含有することを特徴とする、請求項1から15のいずれかに記載の鋼。 Steel according to any of claims 1 to 15 , characterized in that it contains 0.1 to 0.5% Mn . 3〜6%のCrを含有することを特徴とする、請求項1から16のいずれかに記載の鋼。 Characterized in that it contains 3-6% of C r, the steel according to any of claims 1 to 16. 3.8〜4.2%のCrを含有することを特徴とする、請求項17に記載の鋼。 18. Steel according to claim 17 , characterized in that it contains 3.8-4.2% Cr. 5〜15%の(Mo+W/2)を含有することを特徴とする、請求項1から18のいずれかに記載の鋼。 Steel according to any one of claims 1 to 18 , characterized in that it contains 5 to 15% (Mo + W / 2 ) . 4.0〜5.1のMoおよび5.0〜7.0%のWを含有することを特徴とする、請求項19に記載の鋼。 20. Steel according to claim 19 , characterized in that it contains 4.0-5.1 Mo and 5.0-7.0% W. 4.4〜4.9のMoおよび6.1〜6.7%のWを含有することを特徴とする、請求項20に記載の鋼。 Steel according to claim 20 , characterized in that it contains 4.4 to 4.9 Mo and 6.1 to 6.7% W. 5.0〜14.0%のCoを含有することを特徴とする、請求項1から21のいずれかに記載の鋼。 Characterized in that it contains from 5.0 to 14.0% of C o, steel according to any of claims 1 21. 2.0〜2.3%のNbおよび3.1〜3.4%のVを含有することを特徴とする、請求項1から22のいずれかに記載の鋼。 The steel according to any one of claims 1 to 22 , characterized in that it contains 2.0 to 2.3% Nb and 3.1 to 3.4% V. 求項1〜23のいずれか一項に記載の鋼を含むことを特徴とする、熱間加工またはチップ切削機械加工または冷間加工用の工具。 Motomeko characterized in that it comprises any steel according to one of 1 to 23, hot working or chip cutting machining or tool for cold working. 前記鋼が、950〜1050℃のオーステナイト化温度で焼入れされ、550〜600℃の焼戻し温度で1hの焼戻しを3回され、50〜55HRCの範囲の硬度を有することを特徴とする、請求項24に記載の熱間加工用工具。 The steel is hardened at an austenitizing temperature of 950 to 1050 ° C., is three times tempering 1h at tempering temperature of 550 to 600 ° C., and having a hardness in the range of 50~55HRC, claim 24 hot working for engineering tool according to. 前記鋼が、1000〜1250℃のオーステナイト化温度で焼入れされ、480〜580℃の焼戻し温度で1hの焼戻しを3回され、60〜70HRCの範囲の硬度を有することを特徴とする、請求項24に記載のチップ切削機械加工または冷間加工用の工具。 The steel is hardened at an austenitizing temperature of 1000 to 1250 ° C., is three times tempering 1h at tempering temperature of four hundred and eighty to five hundred eighty ° C., and having a hardness in the range of 60~70HRC, claim 24 The tool for chip cutting machining or cold working described in 1. 熱間加工またはチップ切削機械加工または冷間加工用の工具の製造方法であって、
鋼溶融物を製造し、前記鋼溶融物をガスアトマイジングして鋼の粉末を形成し、前記鋼粉末を、熱間静水圧プレス、いわゆるHIPによって固めて、請求項1から23のいずれかに記載の化学組成の、工具のほぼ最終形状を有する鋼素材(blank)または工具素材(blank)を形成し、それを950〜1250℃のオーステナイト化温度で焼入れし、480〜650℃の焼戻し温度で1hの焼き戻しを3回して、前記鋼に、50〜70HRCの範囲の硬度と、MX型炭化物含量が15体積%以下であり、MX型炭化物の少なくとも80%が炭化物の最大長さで3μm以下の炭化物サイズを有し、MX型炭化物含量が15体積%以下であり、MX型炭化物の少なくとも80%が炭化物の最大長さで4μm以下の炭化物サイズを有する焼戻しマルテンサイトからなる微細構造とを与え、前記工具素材を最終寸法に研削することを含むことを特徴とする方法。
A method of manufacturing a hot working or chip cutting machining or engineering tools for cold working,
A steel melt is produced, the steel melt is gas atomized to form a steel powder, and the steel powder is hardened by a hot isostatic press, so-called HIP, according to any of claims 1 to 23. Form a steel blank or tool blank with the stated chemical composition of the tool approximately in the final shape, quench it at an austenitizing temperature of 950-1250 ° C., and at a tempering temperature of 480-650 ° C. After tempering for 1 h three times , the steel has a hardness in the range of 50 to 70 HRC and an MX carbide content of 15% by volume or less, and at least 80% of the MX carbide has a maximum carbide length of 3 μm or less. of having a carbide size, M 6 X type carbide content is not more than 15% by volume, have a following carbide size 4μm up to a length of at least 80% of the carbide M 6 X type carbide That tempering gives a microstructure consisting of martensite, method characterized by comprising grinding said tool material to the final dimensions.
前記鋼素材を、焼入れおよび焼戻しの前に、鋼素材を熱間加工および/または冷間加工して、工具素材を形成することを特徴とする、請求項27に記載の熱間加工またはチップ切削機械加工または冷間加工用の工具の製造方法。 28. Hot working or chip cutting according to claim 27 , characterized in that the steel material is hot worked and / or cold worked before quenching and tempering to form a tool material. method for producing a machining or engineering tools for cold working. 工具が、PVDまたはCVDにより、表面被覆されることを特徴とする、請求項27に記載の熱間加工またはチップ切削機械加工または冷間加工用の工具の製造方法。 Tool, P by VD or CVD, characterized in that it is surface-coated, production method of hot working or chip cutting machining or engineering tools for cold working according to claim 27.
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