JPH0140904B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、マンガン0.2〜1.5重量％、ケイ素
0.95重量％以下、クロム5.0〜6.0重量％、モリブ
デン0.50〜1.33重量％、バナジウム7.0〜9.75重量
％、炭素0.87〜1.96重量％、残部鉄及び不可避不
純物からなる押固められた予め合金組成にしてお
いた粒子からなる合金粉末から形成される。せん
断刃やスリツターナイフのような高靭性冷間加工
用工具だけでなく熱間加工ロールや工具の製造に
特に適した粉末冶金物品であつて、該物品は、炭
化バナジウムを形成し完全なマルテンサイト組織
を保証するために、存在するバナジウムと結合す
るに必要な炭素以上の過剰な炭素が鋼のマトリツ
クス中に実質的には存在しない完全なマルテンサ
イト組織を特徴としている。 例えば、加熱金属を圧延する時に用いる熱間加
工ロールや工具の製造時のような工具鋼の使用時
に、工具は、製品と接触する結果として起る極度
の摩耗、加熱製品と接触している時は高温となり
製品と接触していない時は急冷される結果として
起る熱衝撃、及び圧延中に遭遇するロール分離力
の結果として起る高圧縮応力の状況下にさらされ
る。これらの運転状況を考慮して、加工ロールや
その他の同じような熱間加工工具をつくるための
工具鋼は、良好な耐摩耗性、靭性、強さ及び耐熱
疲れと衝撃を特徴とすることが好ましい。このタ
イプの工具鋼においては、合金に耐摩耗性を付与
する炭化バナジウムをつくるために、バナジウム
と、バナジウムと結合するに十分な炭素を添加す
ることが知られている。強さのために、典型的に
は、強さに重要な貢献をする合金マトリツクス中
の炭素が存在するように、バナジウムと結合する
に必要な炭素以上の過剰な炭素を添加する。それ
ぞれ１％のバナジウムの存在に対して0.2％の炭
素を添加することにより炭化バナジウムをつくる
ように炭素をバナジウムと化学量論的にバランス
させるとよいことが熟練者達によつて一般に信じ
られている。このタイプの合金は十分な強さと耐
摩耗性を有するけれども、使用中に激烈な温度サ
イクルをうける時、熱疲れと衝撃のために割れを
生じる傾向があるから、例えば熱間加工ロール及
び工具の製造のための使用には不十分であつた。 したがつて、この発明の第１の目的は、耐摩耗
性、靭性、強さ及び耐熱疲れと衝撃とをあわせも
ち、特に熱間加工応用製品に適用する粉末冶金工
具鋼物品を提供することである。 この発明のもう１つの目的は、スリツターナイ
フやせん断刃のような臨界的に要求される応用製
品のために高靭性や優れた耐摩耗性をあわせ持た
せることにより冷間加工工具用品を提供すること
である。 より完全な理解のみならず、この発明のこれら
及びその他の目的は、次の記載及び固有の実施例
から得られるであろう。 広くこの発明に従つて、熱間加工ロールや工具
の製造に特に適した工具鋼粉末冶金製品が提供さ
れ、その製品の炭素含有量は、必要な耐摩耗性を
付与するところの炭化バナジウムを形成するため
に、バナジウムと結合するに十分な炭素が存在す
るようにバナジウムとの関係において調節され
る。さらに言うならば、オーステナイト化温度か
ら冷却する時に完全なマルテンサイト組織を形成
し付与するに十分な炭素が存在はしても、合金マ
トリツクス中には実質的に過剰な炭素が存在しな
いことである。典型的には、合金は、オーステナ
イト化し空冷または油焼入することにより熱処理
され、その冷却中に完全なマルテンサイト組織が
得られる。さらに詳細に述べると、この発明に一
致する工具鋼は、炭化バナジウム含有による優れ
た耐摩耗性、完全なマルテンサイト組織を保証す
るに必要な量以上の過剰な炭素がマトリツクス中
に存在しないことによる良好な靭性、マルテンサ
イトの効果を強化することによる強さ、及びマル
テンサイト形成に必要な炭素以外の炭素がマトリ
ツクス中に存在しないことによる耐熱疲れと衝撃
を特徴とすることがわかつた。 この発明に一致する合金の組成範囲は次の通り
である。 マンガン 0.2〜1.5重量％ ケイ素 0.95重量％以下 クロム 5.0〜6.0重量％ モリブデン 0.50〜1.33重量％ バナジウム 7.0〜9.75重量％ 炭素 0.87〜1.96重量％ 鉄 残部及び製鋼作業に特有の不可避元素と
不純物 この合金は、粉末冶金技術によつて従来の方法
で処理され、炭化バナジウムを形成し完全なマル
テンサイト組織を保証するために、存在するバナ
ジウムと結合するに必要な炭素以上の過剰な炭素
が鋼マトリツクス中に実質的に存在しない完全な
マルテンサイト組織を特徴とする。オーステナイ
ト化温度からの焼入れ後、熱間加工適用製品に対
する硬さは少くとも50HRCであろうし、冷間加
工工具用品には少し低い硬さを与えてもよい。炭
化バナジウムを比較的多く含有する合金では、粉
末冶金工程が靭性と被研削性に必要な微細で均一
な炭化物分布を保証するために必要である。 ここで用いる“粉末冶金物品”という用語は、
最終形態で理論密度の99％以上の密度をもつ凝集
質量（Coherent mass）に熱と圧力の結合により
形成されたところの押し固められた予め合金組成
にしておいた粒子装入物を示すのに用いられる。
これは、例えばロールを含む工具鋼部品、パン
チ、ダイス、摩耗板、スリツターナイフ、せん断
刃等のような最終製品のみならず、ビレツト、ブ
ルーム、ロツド、バー等のような中間製品も含
み、これらの部品は最初の予め合金組成にしてお
いた粒子装入物から中間製品形態をへてつくられ
る。粒子装入物は、従来のガス噴霧によつて作つ
てもよい。 ここで用いられる“MC−型炭化バナジウム”
という用語は、実質的にはバナジウムである炭化
物形成元素を表わしているＭをもつた体心立方結
晶構造を特徴とする炭化物を指している。これ
は、また、M₄C₃型炭化バナジウムを含み、例え
ば鉄、モリブデン、クロムのような他の炭化物形
成元素によるバナジウムの一部置換及び炭素窒化
物と称されるものを含むために窒素による炭素の
一部置換をも包括する。この発明の粉末冶金物品
は、ここではすべてMC型とM₄O₃炭化バナジウ
ムを含むものとして定義されているけれども、
M₆C，M₂C及びM₂₃C₆炭化物のような他の炭化物
もまた少量存在してもよい。しかし、この発明の
目的を達成する観点から特に耐摩耗性という観点
から重要ではない。この発明の合金に対する最適
な組成を決定するために、実験的組成が粉末冶金
技術によつて用意され、顕微鏡組織的研究が熱処
理された試料に対してなされ、完全なマルテンサ
イト組織に発達するに必要なバナジウムと炭素に
関する組織平衡を決定した。顕微鏡組織的観点と
組成との間の関係の概要は表に示されている。

【表】 ＊ 発明の合金
これらの結果を検討すると、本発明のCPM
9Vのような熱処理後の顕微鏡組織で完全なマル
テンサイトを得るためには、ケイ素が0.95重量％
以下、クロムが5.00重量％以上、モリブデンが
1.33重量％以下及びバナジウム9.75重量％以下で
なければならない。 即ち、マンガン成分は、耐熱衝撃性及び高温耐
熱性を向上させる作用があり、0.2重量％以下で
は上記作用が得られず、1.5重量％以上では高温
耐食性が劣化する。ケイ素成分は、クロムと共に
耐熱性及び鋳造性を向上させる作用があり、0.95
重量％以上では靭性及び熔接性が低下する。クロ
ム成分は、合金の硬さ、高温耐摩耗性及び耐食性
を向上させる効果があり、5.0重量％以下ではこ
れらの効果が得られず、6.0重量％以上ではケイ
素と関連して耐熱衝撃性が低下する。モリブデン
成分は高温耐摩耗性を向上させる効果があり、
0.50重量％以下で高温耐摩耗性向上効果が得られ
ず、1.33重量％以上では靭性及び耐熱衝撃性が劣
化する。バナジウム成分は、高温高圧水素による
脱炭及び脆弱化を防止し、7.0重量％以下ではこ
れら効果が得られず、9.75重量％以下では完全な
マルテンサイトが形成されない。炭素成分は、バ
ナジウムと協働して、種々の炭化物を形成し、合
金の強度、硬さ、耐摩耗性、熔接性及び鋳造性を
向上させる効果があり、0.87重量％以下ではバナ
ジウムと十分に協働せず、1.96重量％以上ではバ
ナジウムの持つ効果を損なう恐れがある。 また、1.78炭素−8.80バナジウム合金が我々の
発明で好ましい数少い組成であることを示してい
る。少くとも約0.25％炭素は、MCまたはM₄C₃炭
化物の形で残存する完全なマルテンサイト組織を
発達させるために、マトリツクス中に必要であ
り、そしてその上約0.40％を越えてマトリツクス
中に炭素が存在することは靭性に有害である。こ
の発明の合金に対する基本的性質についての同じ
組成的変化の効果をさらに査定するために、Ｃ−
ノツチ衝撃試験がHRC48−50硬度範囲に熱処理
された試験片に施された。表の結果から、重要
な靭性の優位性は本発明の1.78炭素−8.80バナジ
ウム合金（CPM9V）によつて与えられることを
示している。特にこの発明の1.78炭素−8.80バナ
ジウム合金は、HRC49.5でＣ−ノツチ衝撃強さ
の値（kg−ｍ）が10.2であつたが、これは表に
示された従来の合金の硬さに比して同一水準の硬
さでの靭性に著しい改良を示している。

【表】 いろいろな熱処理と硬さでのこの発明の
CPM9V合金に対するシヤルピーＣ−ノツチ衝撃
試験結果が表に示されている。

【表】 比較のために、表は、重量％で炭素2.4、マ
ンガン．45、ケイ素．89、クロム5.25、バナジウ
ム9.85、モリブデン1.25、残部鉄からなる規準組
成からなる従来の粉末冶金でつくられた工具鋼に
対する硬さ（ロツクウエルＣ目盛）及びＣ−ノツ
チ衝撃値を示している。この組成と前記CPM9V
の組成との間の著しい特徴は、この後者に対して
従来組成は、強化しようとするマトリツクス中に
過剰な炭素が存在することである。同じ熱処理条
件で表に示したこの発明の材料に対する靭性値
の比較からもわかるように、この発明の材料は、
従来の材料よりもはるかに優れたシヤルピーＣ−
ノツチ衝撃試験値を示し、この試験結果は
CPM9Vに対する比較値といつしよに表に現わ
されている。従来合金のバナジウム含有量と比べ
てバナジウム含有の比較的低いこの発明の合金で
は、もし炭素がそれぞれ１％バナジウムに対して
0.2％炭素等量で存在するならば、炭素が完全な
マルテンサイト組織を保証するに必要な量以上の
量でマトリツクス中に存在する結果となり、こう
して靭性が害されることがこの発明に従つて決定
された。それ故に、この発明に従つて、炭素の含
有量は、下限値がバナジウムの含有量を0.16倍し
た値に0.25を加算した値であり、上限値がバナジ
ウムの含有量を0.16倍した値に0.40を加算した値
である。即ち、バナジウムが７〜9.75重量％含有
されているので、炭素が0.87〜1.96重量％含有さ
れることとなる。

【表】 この発明に一致する材料の硬さの値を与える表
Ｖからみてもわかるように、その硬さは、この発
明の鋼物品の適用予想最大温度範囲より幾分高い
温度にさらした後で従来の熱間加工工具材料の硬
さと比較されている。

【表】 表からで示されたデータからわかるよう
に、0.87〜1.96重量％に炭素を調節することによ
り、１つは必要な強さと硬さを犠性にすることな
くこの発明の材料のシヤルピーＣ−ノツチ衝撃試
験結果によつて示されるような靭性についての重
要な改良をすることができる。それに加えて、炭
化バナジウムを形成するためにバナジウムとそれ
と結合するために十分な炭素の存在によつて材料
はすばらしい耐摩耗性を得る。表は、この発明
のCPM9V材料と従来の鋳鍛造製品のための従来
の高合金熱間加工工具鋼との熱処理後の耐摩耗性
の比較である。表からわかるように、この発明
のCPM9V材料は、CPM9V材料の硬さが従来鋼
の硬さよりもかなり低い場合においてさえも、
AISIH13，AISIH19及びAISIH29鋼以上の著し
く改良された耐摩耗性を示している。

【表】

【表】 耐摩耗性を数値に表わすために、断面シリンダ
ー摩耗試験が用いられた。この試験でそれぞれ冷
間加工または温間加工材料のシリンダー状試料
（15.9cm径）及び炭化タングステン（６％コバル
トバインダーを含む）のシリンダー状試料（12.7
cm径）が互いに垂直に置かれている。6.8Kgの荷
重がレベラーアームにかけられる。それから炭化
タングステンシリンダー試料を毎分667回転のス
ピードで回転させる。潤滑剤は使用しない。試験
が進むにつれて、摩耗スポツトが工具材料の試料
の上に発達する。時々、試料の摩耗点の深さを測
定し、この目的のために特別に導き出された関係
式によつて摩耗体積に変換することにより摩耗の
大きさを決定する。 この試験は、実際に遭遇する摩耗状態とすばら
しい相関関係がある。 従来の粉末冶金法でつくられた冷間加工工具鋼
とこのタイプの従来の鋳鍛造鋼と比較した時のこ
の発明の鋼の熱疲れ特性が表に示されている。
この表でこの発明鋼であるCPM9Vは、246％炭
素及び9.75％バナジウムを含む従来の粉末冶金で
造られた工具鋼及びAISI H13として規定される
このタイプの従来の鋳鍛造鋼と比較されている。

【表】 表からわかるように、この発明のCPM9V材
料の耐熱疲れ性は、冷間または温間加工工具のた
めに設計された粉末冶金法でつくられた鋼である
ところの2.46炭素−9.75バナジウム材料を含むそ
の他の試験した従来の鋼の双方の耐熱疲れ性より
も非常に大きい。 熱疲れ試験は、電気加熱鉛るつぼ、熱温焼入浴
と操作電磁弁、鉛るつぼと浴との間を試料を移送
するための空気操作される機械的トランスフアの
使用を含む。試料は、４秒の加熱時間の間に鉛浴
に移送される。試料はそれから水浴上にすばやく
移され、そこで82.2℃（180゜F）の温度の水浴で
２秒間焼入れされる。このサイクルは毎分３サイ
クルの割合でくり返される。各サイクル中の各試
料は、５秒間鉛るつぼ上で乾燥される。移送時間
を含めると各サイクルは約20秒かかる。各サイク
ルの差別的加熱が各試料のリムやハブに起り、そ
のために熱膨張によりリム周辺は機械的な歪をう
け、この領域に圧縮応力を生じせしめる。焼入れ
中にその現象の逆の現象が起る。サイクルのこの
部分の期間中、ハブは、残留（周辺）引張応力が
原因で起るリムの熱収縮を妨害する。典型的に
は、疲れは、試験された鋼の熱疲れ抵抗によつて
決められる割れ率とともに、ハブに向つて伝播す
るサンプルのリム周辺における割れの開始によつ
て表示される。優れた冷間加工工具鋼の銘柄であ
るAISID2よりもCPM9Vで与えられる靭性と耐
摩耗性の方が優れていることに関して、表で
は、これらの鋼のシヤルピーＣ−ノツチ衝撃と耐
摩耗性の比較で示されている。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マンガン0.2〜1.5重量％、ケイ素0.95重量％
   以下、クロム5.0〜6.0重量％、モリブデン0.50〜
   1.33重量％、バナジウム7.0〜9.75重量％、炭素
   0.87〜1.96重量％、残部鉄及び不可避不純物から
   なる耐摩耗性、靭性、強さ、耐熱疲労及び耐衝撃
   性粉末冶金物品。 ２ 加工ロールを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の粉末冶金物品。 ３ オーステナイト化温度から焼き入れた後の硬
   さが少なくとも50HRCであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項或は第２項記載の粉末冶金
   物品。