JP7160689B2 - プラスチック成形用金型に適した鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、PH13-8Mo種の合金の代替的な組成物に関する。
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧75体積%である、
マトリックスのδ-フェライト含有率は≦7体積%である、
マトリックスのオーステナイト含有率は2~20体積%である、
マトリックスの硬さは40~56HRCである、
全てのAlN粒子の粒子径は≦4μmである、
衝撃靭性(ノッチなし)は≧200Jである、
圧縮降伏強度Rc0.2は引張降伏強度Rp0.2よりも10~30%高い。
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧80体積%である、
マトリックスのオーステナイト含有率は4~20体積%である。
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧80体積%である、
マトリックスのδ-フェライト含有率は≦5体積%である、
マトリックスのオーステナイト含有率は2~20体積%である、
マトリックスの硬さは34~56HRCである、
全てのAlN粒子の粒子径は≦4μmである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ(Vノッチ付き)は≧5Jである、
造形方向に垂直な方向の引張強度Rmは≧1600MPaである、
造形方向に垂直な方向の降伏強度Rc0.2は≧1500MPaである、
造形方向に垂直な方向の圧縮降伏強度Rc0.2は引張降伏強度Rp0.2よりも少なくとも10%高い。
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧85体積%である、
マトリックスのδ-フェライト含有率は≦2体積%である、
マトリックスのオーステナイト含有率は4~15体積%である、
マトリックスの硬さは40~50HRCである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ(Vノッチ付き)は≧10Jである。
炭素は鋼の強度および硬さを向上するのに有効である。一方、その含有率が高過ぎると、熱間加工後に冷却した後の鋼の切削加工が困難になる可能性がある。Cは、最小含有率を0.02%、好ましくは少なくとも0.025%とすべきである。炭素の上限値は0.04%、好ましくは0.035%である。定比含有率(nominal content)は0.030%である。
ケイ素は脱酸に使用される。Siはまた、フェライトを強化する。したがってSiは0.45%までに限定される。上限値は、0.40、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.30、0.29または0.28%とすることができる。下限値は、0.12、0.14、0.16、0.18または0.20%とすることができる。好ましい範囲は0.15~0.40%および0.20~0.35%である。
マンガンは鋼の焼入れ性の向上に寄与する。含有率が低過ぎると焼入れ性が過度に低下する可能性がある。マンガンは、硫黄含有率が高い場合、赤熱脆化を防止する。したがってマンガンは、最小含有率が0.10%、好ましくは少なくとも0.15、0.20、0.25または0.30%で存在すべきである。鋼のMnの最大含有率は0.5%、好ましくは最大で0.45、0.40または0.35%とすべきである。好ましい範囲は0.20~0.40%である。
クロムは、鋼に耐食性を与えると共に、熱処理中により深くまで焼きが入りやすくなるように、少なくとも11%の含有率で存在すべきである。しかしながら、Crの量が多くなると熱間加工性を低下させる高温フェライトが形成される可能性がある。下限値は11.2、11.4、11.6または11.8%とすることができる。Crの上限値は13%であり、Crの量は12.8、12.6、12.4または12.2%に制限することができる。好ましい範囲は11.5~12.5%である。
ニッケルはオーステナイト安定剤であり、δ-フェライトの形成を抑制する。ニッケルは鋼に良好な焼入れ性および靭性を付与する。ニッケルはまた、切削性および研磨性にも有利である。ニッケルは時効処理中にAlと一緒に微細な金属間NiAl粒子を形成するため、析出硬化に必須である。しかしながら、Niを過剰に添加すると、残留オーステナイトの量が高くなり過ぎる可能性がある。したがって、下限値は7.2、7.4、7、6、7.8、8.0、8.2、8.4、8.6、8.8、9.0または9.1%とすることができる。上限値は10.0、9.8、9.6または9.4%とすることができる。好ましい範囲は8.5~10または9.0~9.5%である。
最適な強度および靭性を得るためには、CrおよびNiの総含有率を19~23%とすることが望ましい。最小量は19.5、20.0、20.5、20.6、20.7、20.8または20.9%とすることができる。上限値は22.8、22.7、22.6、22.5、22.4、22.3、22.2、22.1、22.0、21.9、21.8、21.7、21.6、21.5、21.4または21.3%とすることができる。好ましい範囲は20.5~22.0%、好ましくは20.5~22.0、最も好ましくは20.8~21.7%である。
Moは、固溶体において、焼入れ性に非常に好ましい効果を与えることが知られている。モリブデンは高強度炭化物形成元素であると共に、高強度フェライト形成元素でもある。マトリックス中のMoの量を制御することにより、時効処理中の逆変態オーステナイトの形成が抑制される。こうした理由から、Moの量は1~2%とすべきである。下限値は、1.1、1.2、1.3または1.4%とすることができる。上限値は1.9、1.8、1.7、1.6、または1.5%とすることができる。
アルミニウムはNiと組み合わせて析出硬化に用いられる。上限値は、δ-フェライトが過剰に形成しないように2.0%に制限される。上限値は1.95、1.90、1.85、1.80または1.75%とすることができる。下限値は1.45、1.50、1.55、1.60または1.65%とすることができる。
窒素は、高強度のオーステナイトを形成すると共に、高強度の窒化物も形成する。Nは、窒化物分散強化型(NDS)合金において0.75%以下の量で使用することができる。NDS合金はODS合金と基本的に同じ技術で製造することができる。
Cuは任意の元素であり、鋼の硬さおよび耐食性の向上に寄与することができる。時効処理中に形成されるε-Cu相は、析出硬化により鋼を強化するのみならず、金属間化合物相の析出速度にも影響を及ぼす。これに加えて、Cuを添加することにより、より高い加工温度における金属間化合物相(NiAl)の成長速度がより遅くなることが分かるであろう。Cuの上限値は、2.3、2.1、1.9、1.7、1.5、1.3、1.1、0.9、0.7、0.5、0.3または0.2%にさえすることができる。Cuの下限値は、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8または0.9%とすることができる。
ホウ素はステンレス鋼の焼入れ性を増大させると共に熱間加工性を向上させるために少量で使用することができる任意の元素である。したがって、上限値は、0.007、0.006、0.005または0.004%に設定することができる。
Sは鋼の被削性を改善するために任意に添加される。Sがこの目的で使用される場合、Sは鋼に意図的に0.01~0.25%の量で添加される。硫黄含有率がこれよりも高くなると、赤熱脆化のおそれがある。さらに、硫黄含有率が高いと、鋼の疲労特性および研磨性に悪影響が及ぶ可能性がある。したがって、上限値は0.25%、好ましくは0.1%、最も好ましくは0.03%とすべきである。好ましい範囲は0.015~0.030%である。しかしながら、意図的に添加するわけでない場合、Sの量は後に記載する不純物含有率に制限される。
Nbは高強度の炭化物および窒化物を形成する。したがって、この元素の含有率は、望ましくない炭化物および窒化物の形成を回避するために限定すべきである。したがって、Nbの最大量は0.01%である。Nbは好ましくは0.005%に限定される。
これらの元素は、C、B、Nおよび/またはOと一緒に化合物を形成し得る。これらは酸化物分散強化型(ODS)合金または窒化物分散強化型(NDS)合金の製造に使用される。その上限値は、各元素につき2%である。上限値は1.5、1.0、0.5または0.3%とすることができる。しかしながら、これらの元素がODS合金を製造するために意図的に添加されるわけではない場合、上限値は、0.1、0.05、0.01または0.005%とすることができる。
これらの元素は、様々な理由で、特許請求の範囲に記載の量で鋼に任意に添加することができる。これらの元素は非金属介在物を改質する目的で、ならびに/または鋼の被削性、熱間加工性および/もしくは溶接性をさらに向上させる目的でよく使用されている。その場合、酸素含有率は、好ましくは0.03%に限定される。しかしながら、酸化物分散強化型(ODS)合金を形成するために酸素を使用する場合は、上限値を0.80%と高くすることができる。酸化物は、生成する粉末に、例えば、ガスアトマイズ、特に、ガスアトマイズによる反応合成(Gas Atomizing Reaction Synthesis:GARS)を用いるか、または積層造形(AM)法の最中、特に、溶融金属積層(Liquid Metal Deposition:LMD)における大気中での反応を通して、インサイチュで混合することができる。
P、SおよびOは主要な不純物であり、これらは鋼の機械特性に悪影響を及ぼし得る。したがって、Pは、0.05、0.04、0.03、0.02または0.01%に制限することができる。硫黄を意図的に添加しない場合、Sの不純物含有率は、0.05、0.04、0.003、0.001、0.0008、0.0005または0.0001%にさえ制限することができる。
a)従来の溶融冶金に続く、鋳造および熱間加工
b)粉末冶金(PM)
が挙げられる。
5≦D10≦35
20≦D50≦55
D90≦80。
10≦D10≦30
25≦D50≦45
D90≦70。
従来法による加工
合金を従来法である誘導溶解、鋳造および鍛造により製造した。合金の組成を次に示す(単位:wt.%):C:0.03、Si:0.3、Mn:0.2、Cr:12.0、Ni:9.3、Mo:1.4、Al:1.7、N:0.017、残部:Feおよび不純物。本発明の合金を、市販の鋼種であるPH 13-8Mo(Boehler N709)鋼と比較した。比較用合金は次に示す組成式を有していた(単位:wt.%):C:0.03、Si:≦0.08、Mn:≦0.08、Cr:12.7、Ni:8.1、Mo:2.2、Al:1.1、残部:Fe。
粉末製造
実施例1の合金と類似の組成を有するベース(base)合金を、誘導溶解、鋳造および鍛造による従来法により製造した。この合金をESR再溶解させることにより得られたインゴットを真空誘導溶解に付し、AM加工に適した粉末を得るためにコンファインド型のガスアトマイズ法を実施した。アトマイズにおけるガス対金属の重量比は3:1とした。酸素混入を回避するため、アトマイズには高純度(6N)の窒素ガスを使用した。得られた粒子の粒子径および形状について、ISO 13322-2に準拠する動的画像解析により調査した。50μmを超える粒子および20μmよりも小さい粒子を除去するために粉末を篩別した。篩別後の粉末は次に示す粒子径分布を有していることが分かった:D10:23μm、D50:34μm、D90:49μm。平均真円度は0.95であり、平均アスペクト比は0.93であった。粉末の酸素含有率は0.021%であり、窒素含有率は0.013%であった。この粉末の形態を走査型電子顕微鏡法(SEM)により調査したところ、粉末はほぼ完全な球形であり、サテライトはごく少量であることが分かった。
積層造形
EOS M290システムにおいて、次に示す加工パラメータを用いてSLMにより部品を造形することによりこのAM用粉末の適性を試験した:積層ピッチ30μm、レーザー出力170W、走査速度1250mm/s、ハッチ間隔0.10mm。走査パターン(hatch mode)はストライプとした。
Claims (7)
- 請求項1~3のいずれか一項に記載の組成を有するプレアロイ粉。
- 熱間等方圧加圧法、粉末押出法および積層造形法のいずれかを用いて固体物体を作製するための、または溶射、レーザクラッディング、コールドスプレーもしくは肉盛溶接によって基材に表面層を付与するための、請求項4~6のいずれか一項に記載のプレアロイ粉の使用。
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