(57)【要約】      （修正有）【課題】高レベルの機械的特性、超高伝導率を有する工具鋼を提供する。【解決手段】数字は％ｗｔである以下の組成、Ｃｅｑ０．１５〜０．５８％未満、Ｃ０．１５〜０．５８未満、Ｎ０．５％未満、Ｂ１ｐｐｍ〜０．３５未満、Ｃｒ１．８未満、Ｎｉ〜１２、Ｓｉ〜２．５、Ｍｎ〜３、Ａｌ〜２．５、Ｍｏ〜３．９、Ｗ〜７．８、Ｔｉ〜２、Ｔａ〜３、Ｚｒ〜４、Ｈｆ〜３、Ｖ〜１２、Ｎｂ〜３、Ｃｕ〜２、Ｃｏ〜１２、Ｍｏｅｑ１．２より高く３．９以下、Ｌａ〜２、Ｃｅ〜２、Ｎｄ〜２、Ｇｄ〜２、Ｓｍ〜２、Ｙ〜２、Ｐｒ〜２、Ｓｃ〜２、Ｐｍ〜２、Ｅｕ〜２、Ｔｂ〜２、Ｄｙ〜２、Ｈｏ〜２、Ｅｒ〜２、Ｔｍ〜２、Ｙｂ〜２、Ｌｕ〜２、残りは鉄と微量元素からなり、％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、％Ｍｏｅｑ＝％Ｍｏ＋１／２・％Ｗ、ベイナイトを５０ｖｏｌ％以上、室温での熱拡散率が１２ｍｍ２／ｓ以上であることを特徴とする微細構造を表わす鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の組成を有する鋼、特に熱間加工工具鋼であって、すべてのパーセントは％ｗｔであり、
％Ｃｅｑ＝０．１５〜２．０、  ％Ｃ＝０．１５〜２．０、  ％Ｎ＝０〜０．６、  ％Ｂ＝０〜４、
％Ｃｒ＝０〜１１、  ％Ｎｉ＝０〜１２、  ％Ｓｉ＝０〜２．５、  ％Ｍｎ＝０〜３、
％Ａｌ＝０〜２．５、  ％Ｍｏ＝０〜１０、  ％Ｗ＝０〜１０、  ％Ｔｉ＝０〜２、
％Ｔａ＝０〜３、  ％Ｚｒ＝０〜４、  ％Ｈｆ＝０〜３、  ％Ｖ＝０〜１２、
％Ｎｂ＝０〜３、  ％Ｃｕ＝０〜２、  ％Ｃｏ＝０〜１２、  ％Ｍｏｅｑ＝１．５〜１０、
％Ｌａ＝０〜２、  ％Ｃｅ＝０〜２、  ％Ｎｄ＝０〜２、  ％Ｇｄ＝０〜２、
％Ｓｍ＝０〜２、  ％Ｙ＝０〜２、  ％Ｐｒ＝０〜２、  ％Ｓｃ＝０〜２、
％Ｐｍ＝０〜２、  ％Ｅｕ＝０〜２、  ％Ｔｂ＝０〜２、  ％Ｄｙ＝０〜２、
％Ｈｏ＝０〜２、  ％Ｅｒ＝０〜２、  ％Ｔｍ＝０〜２、  ％Ｙｂ＝０〜２、
％Ｌｕ＝０〜２、     
残りは鉄と微量元素からなり、
％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、および、
％Ｍｏｅｑ＝％Ｍｏ＋１／２・％Ｗであって、
室温での熱拡散率が１２ｍｍ２／ｓ以上であることを特徴とする微細構造を表わす鋼。
【請求項２】
％Ｂが１ｐｐｍより高い、請求項１に記載の鋼。
【請求項３】
％Ｂが３．５％より低い、請求項１〜２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４】
％Ｚｒ＝０．０５〜１．５％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５】
％Ｗ＜１である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６】
％Ｍｏｅｑ＜４．４および％Ｎｉ＜０．７５である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７】
Ｃｅｑ＜０．１である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８】
％Ｍｏ＞１．２である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項９】
％Ｃｒ＜４．８である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１０】
％Ｃ＞０．３２である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１１】
％Ｃｒ＞８．６および％Ｚｒ＞０．８である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１２】
％Ｃｒ＞８．６、％Ｚｒ＞０．８および％Ｃ＞０．２である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１３】
Ｎｂ、Ｈｆを除く鉄よりも強靱な炭化物構成元素を避けるべきであり、％Ｔａ＋％Ｔｉ＜０．８の合計である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１４】
％Ｃｒ＜１．８である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１５】
％Ｂ＞３ｐｐｍおよび％Ｃｏ＜９％ｗｔである、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１６】
％Ｃｒ＜２．８である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１７】
Ｍｎ＜０．８％である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１８】
Ｍｎ＜０．８％およびＣｒ＞２．８である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１９】
Ｍｎ＜０．８％、Ｃｒ＞２．８およびＢ＞５２ｐｐｍである、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２０】
Ｍｎ＜０．８％、Ｃｒ＞２．８、Ｂ＞５２ｐｐｍおよびすべての希土類元素（ＲＥＥ）の合計が＞６０ｐｐｍである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２１】
全ＲＥＥの合計が７ｐｐｍ以上である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２２】
全ＲＥＥの合計が１２ｐｐｍ以上である、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２３】
全ＲＥＥの合計が２２０ｐｐｍ以上である、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２４】
全ＲＥＥの合計が６０３ｐｐｍ以上である、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２５】
％Ｌａが４ｐｐｍ以上である、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２６】
％Ｌａが２３ｐｐｍ以上である、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２７】
％Ｌａが１００ｐｐｍ以上である、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２８】
％Ｃｅが５ｐｐｍ以上である、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項２９】
％Ｃｅが５３ｐｐｍ以上である、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３０】
％Ｃｅが１５０ｐｐｍ以上である、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３１】
％Ｓｍが２ｐｐｍ以上である、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３２】
％Ｓｍが４３ｐｐｍ以上である、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３３】
％Ｓｍが９０ｐｐｍ以上である、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３４】
％Ｙが９ｐｐｍ以上である、請求項１〜３３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３５】
％Ｙが６７ｐｐｍ以上である、請求項１〜３４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３６】
％Ｙが２００ｐｐｍ以上である、請求項１〜３５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３７】
％Ｇｄが２ｐｐｍ以上である、請求項１〜３６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３８】
％Ｇｄが５３ｐｐｍ以上である、請求項１〜３７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項３９】
％Ｇｄが９８ｐｐｍ以上である、請求項１〜３８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４０】
％Ｎｄが１６ｐｐｍ以上である、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４１】
％Ｎｄが９８ｐｐｍ以上である、請求項１〜４０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４２】
％Ｎｄが１６７ｐｐｍ以上である、請求項１〜４１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４３】
％Ｂ＞７ｐｐｍであり、％Ｎｉが０．２〜１．８％ｗｔである、請求項１〜４２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４４】
％Ｂ＞７ｐｐｍであり、％Ｎｉが０．３〜０．８％ｗｔである、請求項１〜４３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４５】
％Ｎｂおよび／または％Ｚｒが１ｐｐｍ〜３０ｐｐｍである、請求項１〜４４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４６】
％Ｎｂおよび／または％Ｚｒが２ｐｐｍ〜１６ｐｐｍである、請求項１〜４５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４７】
％Ｃｒ＜４．８であるとき、％Ｍｏ＞１．２である、請求項１〜４６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４８】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｃｒ＜０．８％である、請求項１〜４７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項４９】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｃｒ＞２．８％である、請求項１〜４８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５０】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｖ＜１２％である、請求項１〜４９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５１】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｖ＞０．２％である、請求項１〜５０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５２】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｍｏ＜１．５％である、請求項１〜５１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５３】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｍｏ＞２．５％である、請求項１〜５１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５４】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｃｅｑ＜０．５６％である、請求項１〜５３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５５】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｃｅｑ＞０．２８％である、請求項１〜５４のいずれか一項
に記載の鋼。
【請求項５６】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｗ＜１．６％である、請求項１〜５５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５７】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｗ＞２．３％である、請求項１〜５６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５８】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｎｉ＜４％である、請求項１〜５７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５９】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｎｉ＞０．１％である、請求項１〜５８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６０】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｍｏｅｑ＜２．３％である、請求項１〜５９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６１】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｍｏｅｑ＞３．７％である、請求項１〜６０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６２】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｂ＜１．６４％である、請求項１〜６１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６３】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｂ＞３ｐｐｍである、請求項１〜６２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６４】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｚｒ＜３％である、請求項１〜６３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６５】
任意のＲＥＥが存在し、％Ｚｒ＞０．０３％である、請求項１〜６４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６６】
％Ｂが１０ｐｐｍ超である、請求項１〜６５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６７】
％Ｂが２５ｐｐｍ超である、請求項１〜６６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６８】
％Ｂが５０ｐｐｍ超である、請求項１〜６７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６９】
％Ｂが７２ｐｐｍ超である、請求項１〜６８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７０】
％Ｂが９４ｐｐｍ超である、請求項１〜６９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７１】
％Ｂが５６０ｐｐｍ超である、請求項１〜７０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７２】
％Ｂが１４００ｐｐｍ未満である、請求項１〜７１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７３】
％Ｂが１４００ｐｐｍ未満である、請求項１〜７２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７４】
％Ｂが５９８ｐｐｍ未満である、請求項１〜７３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７５】
％Ｂが２８５ｐｐｍ未満である、請求項１〜７４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７６】
％Ｂが６８ｐｐｍ未満である、請求項１〜７５のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７７】
％Ｂが４８ｐｐｍ未満である、請求項１〜７６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７８】
％Ｂが２７ｐｐｍ未満である、請求項１〜７７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７９】
０．４＜Ｃｅｑ＜０．６５という条件で、Ｍｏｅｑ＜９．５、またはＶ＞０．１５である、請求項１〜７８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８０】
％Ｃｕ＋％Ｎｉが０．１％より高い、請求項１〜７９のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８１】
％Ｚｒ＋％Ｈｆ＋％Ｔａが０．３％より高い、請求項１〜８０のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８２】
％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋％Ｖが０．２より高い、請求項１〜８１のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８３】
％Ｍｏｅｑ＜４．２であるとき、％Ｖが０．０５％より高い、請求項１〜８２のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８４】
前記鋼の微細構造がベイナイトを５０ｖｏｌ％以上含む、請求項１〜８３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８５】
前記鋼の前記微細構造が高温ベイナイトを２０％以上含み、高温ベイナイトは、ＴＴＴ図においてベイナイト鼻に対応する温度よりも高い温度で、フェライト／パーライト変態が終了する温度よりも低い温度で形成される微細構造を指し、前記ベイナイト鼻のうちの１つを超える温度での等温処理で小量形成されることがある低温ベイナイトを除く、請求項１〜８４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８６】
請求項１〜８５のいずれか一項に記載の鋼の製造工程であって、前記ベイナイトの形成に際して、鋼が５００℃を超える温度で少なくとも１回の焼戻しサイクルにより焼き戻しされて、セメンタイトの相当量部分が、鉄よりも強靱な炭化物構成元素を含む炭化物様構造によって置き換えられるように確保する工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、鋼（ｓｔｅｅｌｓ）に関し、特に、高レベルの機械的特性を維持しつつ、超高伝導性を発揮する熱間加工工具鋼に関する。本発明の工具鋼は、低温硬化処理を経ることができ、低コストで取得することができる。
【背景技術】
【０００２】
概要
工業製品からの熱除去を含む多くの金属成形工業用途にとっては、熱伝達率が極めて重要である。熱除去が不連続であるとき、熱除去が非常に重要になる。熱伝達率は、かさ密度、比熱、熱拡散率などの基本的材料特性に関連する。従来、工具鋼にとって、この性質は、合金含有量を減らすことが唯一の改善方法であるため、硬度と耐摩耗性に対立するものと考えられてきた。中でもプラスチック注入、箔押し、鍛造、金属注入、複合材料硬化などの多くの熱間加工用途において、超高熱伝達率が、耐摩耗性、高温での強度、靱性と同時に要求されることが多い。こうした用途の多くでは、断面の大きな工具が要求され、そのために材料の高焼入性も必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６７５８０Ａ１号
【特許文献２】国際公開第２０１３／１６７６２８Ａ１号
【特許文献３】欧州特許出願公開第１８８７０９６Ａ１号
【特許文献４】欧州特許第２２３６６３９Ｂ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大半の鋳造または軽合金押出成形など、多くの用途では熱疲労が主な故障メカニズムである。熱疲労と熱衝撃は、材料内の温度勾配によって生じる。多くの用途では、温度勾配を引き起こすソースからの低い被爆時間または有限なエネルギー量のせいで、安定した伝導状態が実現されない。工具材料の温度勾配の大きさは、熱伝達率の関数でもある（十分小さなビオ数の場合はすべて反比例が当てはまる）。よって、特定の熱流速密度関数を有する特定用途では、熱伝達率が優れた材料は、結果として生じる温度勾配が低くなるために面荷重が低くなる。熱膨張係数が低く、ヤング率が低いときに、同じことが当てはまる。したがって、熱伝達率の向上は、工具寿命の延長を示唆する。一方、工業製品を金型からの急速な熱除去を通じて迅速に冷却可能であることから、サイクルタイムが減少する。どちらの事実も、生産性の向上につながる。
【０００５】
熱疲労を最小限にとどめるため、靱性（通常は破壊靱性とＣＶＮ）を向上させることも望ましい。今まで、高レベルの靱性は低レベルの硬度で達成されると考えられており、同じことが熱伝達率にも適用されて、耐摩耗性などの他の特性を低下させていた。また、後で窒化処理などの表面硬化処理を経る必要のある金型の場合も、通常、被覆を支持するために、基板材が高い硬度を有することが必要であり、ここでも高レベルの硬度が要求される。発明者らは、驚くべきことに、本発明を実施することで、高靱性、良耐摩耗性、良熱伝達率と共に、高硬度を備えた工具鋼が得られることを発見した。本発明が良好に実施されれば、上記の機械的特性と併せて超高熱伝達率が実現可能である。
【０００６】
自動車産業におけるプラスチック注入の大半など、その他の用途によっては、熱処理を
要するときのように、特に十分な強度が要求されるとき、厚い工具鋼が使用される。この場合、表面、および好ましくは中心に至るまで所望の硬度レベルを達成できるように、良焼入性を有することも非常に都合が良い。焼入性は材料毎に固有であり、フェライト−パーライト領域および／またはベイナイト領域などの安定相領域に入らずに、通常、オーステナイト化温度超の高温から、マルテンサイト化開始温度未満などの低温までに至るまでに費やされる時間に得られる。純マルテンサイト構造は、いったん焼き戻されれば、安定相の混合微細構造よりも高い靱性値を発揮することがよく知られている。そのため、典型的には７００℃超から２００℃未満に下がるまで、超急冷媒体を使用する必要がある。このため、一方で、このような処理は非常にコストがかかる。さらに、ピースの硬化は通常、ダイ製造の最終ステップで実行される。材料はすべての必要な熱機械的処理を経ており、予め機械加工されているうえ、最終形状が複雑であり、様々な厚さや内側溝、さらには急峻な角部を備えているため、このステップは最も高額となる。よって、たとえ材料が良焼入性の恩恵を得るとしても、補修ができないことが多い不所望の亀裂を引き起こしやすい。よって、超急冷は実際には望ましくない。本発明の鋼は、熱処理条件に応じて焼入性が制限される。幸運なことに、発明者らは、超急冷媒体を使用せずに、同レベルまたはそれ以上の靱性を提供することができる特別な熱処理によって実現されるその他の強靱な微細構造の存在について過去研究を重ねてきた。これらの処理は、国際公開第２０１３１６７５８０Ａ１号（特許文献１）または国際公開第２０１３１６７６２８Ａ１号（特許文献２）に記載されている。発明者らは、驚くべきことに、このような処理が本発明の鋼にも適用可能であり、さらに機械的特性の点で優れた性能を発揮することに気づいた。
【０００７】
また、大型工具が使用される用途では、機械的特性を犠牲とせずに決定する際に材料コストが決め手となる。本発明では、断面全体にわたる均一な微細構造と大きな肉厚を有し、中でも、低コスト材料を要する用途、たとえばプラスチック注入に非常に適した、高靱性および高熱伝達率の工具鋼を得ることができる。
【０００８】
工具寿命に必ずしも影響を及ぼさず、機械加工し易さ、溶接または補修全般、被覆への支持など、生産コストに影響を及ぼす、熱間加工鋼にとって必須ではないが望ましい特性は他にも多数存在する。本発明の鋼は、粗加工や切断などの工程を簡易化する柔微細構造を提供する特別な熱処理を経ることができる。
【０００９】
別の側面では、本発明は、鋼、特に熱間加工工具鋼の製造工程に関し、鋼は、５９０℃超の温度で少なくとも１回の焼戻しサイクルによりマルテンサイト、ベイナイト、またはマルテンサイト−ベイナイト処理を経る結果、本発明に規定される原子レベル（原子配列）の構造で４７ＨＲｃ超の硬度を有し、その実施は１２ｍｍ２／ｓ以上の熱拡散率値によって監視することができる。別の実施形態では、本発明に規定される原子レベル（原子配列）の構造で５０ＨＲｃ超の硬度を有する鋼が達成可能であり、その実施は１０ｍｍ２／ｓ以上の熱拡散率値によって監視することができる。本工程の別の実施形態では、鋼は６４０℃超の温度で少なくとも１回の焼戻しサイクルを経る結果、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で４０ＨＲｃ超の硬度を有し、その実施は１７ｍｍ２／ｓ以上の熱拡散率値によって監視することができる。また、鋼は６６０℃超の温度で少なくとも１回の焼戻しサイクルを経て、本発明に規定されるナノメートル以下規模（すべての相における状態密度と担体可動性の最適化に関する）の構造で３５ＨＲｃ超の硬度を有することができ、その実施は１８ｍｍ２／ｓ以上の熱拡散率値によって監視することができる。
【００１０】
著者らは、低コストで高レベルの靱性と同時に非常に高い熱伝達率、耐摩耗性、焼入性を実現するという課題が、組成および熱機械的処理の特定規則を適用することで解決できることを発見した。所望の高熱伝達率、高硬度、耐摩耗性を得るのに必要な範囲および熱機械的処理内での合金の選択規則をいくつか、発明の詳細な説明において提示する。自明なことだが、すべての起こり得る組み合わせを詳細に説明することはできない。熱拡散率
は熱エネルギー担体の可動性によって統制されるため、不都合なことに、単独の組成範囲および熱機械的処理と相関させることができない。
【００１１】
従来技術
高熱伝達率の工具鋼（欧州特許公開ＥＰ１８８７０９６Ａ１号（特許文献３））が開発されるまで、工具鋼の熱伝達率を向上させる唯一の既知の方法は、合金含有量を低く保つことであったが、その場合、特に高温での機械的特性に劣る。６００℃以上の焼戻しサイクル後、４２ＨＲｃを超える工具鋼は、３０Ｗ／ｍＫの熱伝達率に制限されると考えられてきた。本発明に記載される原子レベル（原子配列）の構造は、４２ＨＲｃ超と５２ＨＲｃ超の硬度で、それぞれ８ｍｍ２／ｓと６．５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって実施を監視することができる。本発明の工具鋼は、本発明に規定される原子レベル（原子配列）の構造で、低コストで超高靱性を発揮し、その実施は１２ｍｍ２／ｓ超、５０ＨＲｃ超の硬度では１４ｍｍ２／ｓ超、４２ＨＲｃ超の硬度では１７ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の詳細な説明
著者らは、高レベルの靱性と共に非常に高い熱伝達率、耐摩耗性、焼入性を低コストで実現するという課題が、請求項１の特徴を有する鋼と請求項１５の特徴を有する鋼の製造方法とによって解決できることを発見した。発明の使用法と好適な実施形態は、他の請求項に従う。
【００１３】
本発明によると、鋼、特に超高熱伝達率の工具鋼を得ることが可能となる。また、本発明に記載の規則を正確に適用すれば、鋼、特に、高耐摩耗性や高靱性などの高機械的特性と共に超高熱伝達率を有する工具鋼を得ることができる。また、低コストで上記鋼を得ることも本発明の目標である。
【００１４】
熱間加工用途の場合、製造されたピースの冷却速度が工程のサイクル時間を決定するため、熱除去率が工程の経済性に大きな影響を及ぼす。また、高サイクル時間の場合、金型はより長時間、過酷な条件下に置かれて、さらに侵食され、工具寿命を低減させる。プラスチック注入成形、アルミニウムダイカストまたは箔押しなど、他にも多数の例が見られる。これらの用途では、高熱伝達率を有する工具鋼は、ピースが急速に冷却され、機械が製造サイクルを低減させることができるために、工具寿命と生産性の両方にとって有益なことは明らかである。したがって、この目的の下、高熱伝達率の工具鋼が開発されてきた。射出成形工程における溶融材料（プラスチック、アルミニウムなど）の冷却時間推定には、一般的に熱伝達率が熱力学的特性と併せて使用される。
【００１５】
鋼組成からは、特定の熱拡散率値を導き出すことができない。実際、熱拡散率は、ナノメートル以下規模で構造的特徴を表すパラメータである（すべての相における状態密度と担体可動性の最適化に関する原子配列）。本願を執筆する際、出願人はガイドラインＣ−ＩＩ、４．１１（近年はガイドライン２０１２、Ｆ巻、第ＩＶ章、４．１１項、「パラメータ」）を参照し、ナノメートル以下規模で構造的特徴を表すほぼすべてのパラメータ（利用可能）は例外的パラメータであり、明瞭性の欠如を根拠にして自明に拒絶され得ることに気づいた。ナノメートル以下規模で上記の構造的特徴を明確に記載するための唯一の例外が熱拡散率であり、したがって、このパラメータを、構造的特徴を合理的に記載するために選択する。
【００１６】
本特許出願の意味するところにおいて、熱拡散率値は、特に断りのない限り、室温での測定値を指す。熱拡散率は基本的特性であるが、好適な測定方法の１つは、フラッシュ法による国際規格ＡＳＴＭ−Ｅ１４６１およびＡＳＴＭ−Ｅ２５８５に準拠する。本発明は
、高硬度または低硬度のいずれかで超高熱伝達率を必要とする広範な用途に特に関連する。４０ＨＲｃ未満、好ましくは３９ＨＲｃ未満、より好ましくは３８ＨＲｃ未満、またはさらに好ましくは３５ＨＲｃ未満の硬度が必要とされる用途で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で達成可能であり、その実施は１６ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１７ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１８ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１８．５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。特に良好に本発明を実行すると、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で達成可能であり、その実施は１８．８ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１９ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１９．２ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１９．５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。通常は４０ＨＲｃ超、好ましくは４２ＨＲｃ超、より好ましくは４３ＨＲｃ超、さらに好ましくは４６ＨＲｃ超の中硬度を要するダイカスト用途の場合、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で達成可能であり、その実施は１４ｍｍ２／ｓ、好ましくは１５ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１６ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１６．２ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。特に良好に本発明を実行すると、本発明に記載のナノメートル以下規模の構造が達成可能であり、その実施は１６．５ｍｍ２／ｓ、好ましくは１７ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１７．３ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１７．５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。通常４８ＨＲｃ超、好ましくは５０ＨＲｃ超、より好ましくは５２ＨＲｃ超、さらに好ましくは５４ＨＲｃ超および５８ＨＲｃ超の高硬度を必要とする用途では、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で達成可能であり、その実施は１２．５ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１３．６ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１４．４ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１４．８ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。特に良好に本発明を実行すると、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造で達成可能であり、その実施は１５．２ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。
【００１７】
用途によっては、所望の微細構造は主にベイナイト微細構造である。さほど要求が厳しくない用途では、ベイナイトは、２０％ｖｏｌ％超、好ましくは３０％ｖｏｌ％、より好ましくは５０％ｖｏｌ％、さらに好ましくは８０％ｖｏｌ％超とすべきである。
【００１８】
用途によっては、特に大断面を必要とし、微細構造の均質性が提示される材料が所望される場合、高温ベイナイトが好ましい。本文書では、高温ベイナイトは、ＴＴＴ図においてベイナイト鼻に対応する温度よりも高く、フェライト／パーライト変態が終了する温度よりも低い温度で形成される微細構造を指すが、ベイナイト鼻のうちの１つを超える等温処理で小量形成されることがある、文献に記載の低温ベイナイトを除く。本発明の用途によっては、高温ベイナイトは、２０％ｖｏｌ％超、好ましくは２８％ｖｏｌ％、より好ましくは３３％ｖｏｌ％、さらに好ましくは４５％ｖｏｌ％超とすべきである。微細構造での同質性を要求する用途では、高温ベイナイトは大多数の種類のベイナイト、よって、すべてのベイナイトであるべきであり、５０％ｖｏｌ％超、好ましくは６５％ｖｏｌ％、より好ましくは７５％ｖｏｌ％、さらに好ましくは８５％ｖｏｌ％超が高温ベイナイトであることが好ましい。大抵の場合、高温ベイナイトは主に上部ベイナイトであり、上部ベイナイトは、ＴＴＴ温度−時間−変態図で観察され、鋼組成に依存するベイナイト領域内の高温範囲で形成される粗ベイナイト微細構造を指す。発明者らは、上部ベイナイトを含む高温ベイナイトの靱性を向上させ、粒径を低減する方法を発見した。よって、本発明によると、耐久性のある上部ベイナイトが必要とされるとき、ＡＳＴＭ７以上、好ましくは８以上、より好ましくは１０以上、さらに好ましくは１３以上の粒径が有利である。
【００１９】
本発明では、鋼、特に超高伝導率の工具鋼を得ることを可能にする。発明者らは、組成規則と組成範囲および熱機械的処理に関する概論に従えば、本発明の鋼は、かなり低い合金含有量で、非常に良好な靱性と、良好な耐摩耗性を実現できることを観察した。本発明の鋼の主要微細構造は、マルテンサイトまたはベイナイト、あるいは少なくとも部分的な
マルテンサイトまたはベイナイト（一部はフェライト、パーライト、または残留オーステナイト）から成る。本発明によると、このように特性が向上した鋼を低コストで調達することが可能となる。
【００２０】
固溶体において、小量の元素で魅力的な機械的特性を維持する戦略の１つは、元素の大半を特別に選択されたセラミック強化粒子とし、非金属部（％Ｃ、％Ｂ、％Ｎ）を炭化物、もしくは窒化物、ホウ化物またはその中間に含むことである。このため、Ｍ３Ｆｅ３Ｃ炭化物は、高電子密度であるために最も魅力的な炭化物の１つである。ただし、Ｍは金属元素であるが、最も好ましくはＭｏおよび／またはＷである。しかし、かなり高い電子密度を有し、構造上の瑕疵なく格子上で固体化する他の（Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ）炭化物もあるため、概して、（Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ）炭化物（当然ながら％Ｃの部分は％Ｎまたは％Ｂに置き換えることができる）を通常６０％超、好ましくは７２％超、より好ましくは８２％超、またはさらに好ましくは９２％超有することが望まれる。本特許の意味するところにおいて、元素含有量を指すパーセントは％ｗｔである。熱伝達率を高めるため、ＭはＭｏまたはＷのみであり、固溶体中の他の金属元素は１８％未満、好ましくは１４％未満、より好ましくは８％未満、さらに好ましくは４％未満存在する。ＭｏおよびＷの量は、割合と共に非常に重要である。高熱伝達率を実現し、機械的特性を保有するためにＭｏおよびＷ含有率を固定する通則は、％Ｍｏ＋１／２％Ｗ＞１．２である。概して、超高熱伝達率を得るため、％Ｍｏは好ましくは２．３％超、より好ましくは３．２％超、さらに好ましくは３．９％超とすべきである。熱伝達率のためには％Ｍｏのみを使用することが有益である。したがって、超高熱伝達率を必要とする用途では、％Ｍｏは４．１％超、好ましくは４．４％超、より好ましくは４．６％超、さらに好ましくは４．８％超である可能性がある。％Ｗに関しては、２．５％Ｗ未満、より好ましくは１．５％Ｗ未満、さらに好ましくは１％Ｗ未満であることが望ましい。一方、Ｗ価格に応じて、低コストが要求される用途では、％Ｗは０．９％未満、好ましくは０．７％未満、より好ましくは０．４未満、または意図的にゼロであることが好都合である。熱伝達率を最適化すべきだが、熱疲労を調整する必要がある用途では、ＭｏをＷの１．２〜３倍にすることが通常好適である。しかしながら、Ｗが存在する場合、％Ｍｏは、熱疲労にマイナスの影響を及ぼす高熱膨張係数を発揮するという欠点を有する。また、％Ｗは、原子半径のミスマッチが％Ｍｏの原子半径のミスマッチよりも大きいために、熱処理中の変形という作用も及ぼす。よって、熱処理中の変形が重要である用途では、Ｗが存在する、好ましくは０．４％超、より好ましくは０．８％超、さらに好ましくは１．２％超存在することが望ましい。発明者らは、これらの種類の炭化物に溶解して、結晶構造に歪みをほとんど生じない元素がいくつかあることを発見した。この例がＨｆとＺｒである。これらの元素は、炭素に親和性が非常に高く、マトリックス上で固溶体から炭素を解放する分離ＭＣ型炭化物を形成する傾向がある。このため、Ｈｆは０．０２％以上、好ましくは０．０９％Ｈｆ、より好ましくは０．１８０％超、より好ましくは０．４４％超、さらに好ましくは１％超であることが望ましい。一方、Ｚｒは０．０３％以上、好ましくは０．０９％超、好ましくは０．１８％超、より好ましくは０．５２％超、さらに好ましくは０．８２％超であることが望ましい。強力な炭化物構成元素として機能するＨｆは、粒界に靱性を提供し、酸化抵抗を向上させる。また、Ｈｆは、高温での強度を高めるためにも使用され、ＨｆとＺｒはいずれも元来、耐食性を有する。したがって、いくらかの大気抵抗を必要とする用途では、名目Ｃと組み合わせて、耐食性および耐酸化性を与えるのに必要とされるよりも多くのＨｆおよび／またはＺｒを含むことが望ましい。このような場合、Ｈｆは１％超、好ましくは２％超、時には、用途に応じて３％超であることが望ましい。同じことがＺｒにも当てはまり、Ｚｒは１％超、好ましくは２％超、時には、用途に応じて３％超であることが望ましい。一方、高靱性を要する用途では、％Ｈｆおよび／または％Ｚｒは、応力を高めるように機能する大きな多角形一次炭化物を形成しがちであるため、あまり高い値であってはならない。したがって、このような場合、％Ｈｆは０．５３％未満、好ましくは０．４８％未満、より好ましくは０．３６％未満、さらに好ましくは０．２４％未満であることが望ましい。％Ｚｒに
関しては、０．５４％未満、好ましくは０．４６％未満、より好ましくは０．２８％未満、さらに好ましくは０．１２％未満であることが望ましい。用途に応じて、％Ｈｆおよび／または％Ｚｒは、Ｈｆおよび／またはＺｒの量の好ましくは２５％超、より好ましくは５０％超、および／または、さらに好ましくは７５％超だけ部分的に、あるいはすべて％Ｔａによって置き換えられることが望ましい。
【００２１】
Ｈｆは、Ｚｒ精製の副産物として得られる。化学的特性が類似するため、この行程は極めて難しく、したがってコストが高い。また、Ｈｆは、高い中性子吸収能力を有することも十分に既知であり、そのため原子力用途にとって完璧な候補となる。この限定的な可用性により、Ｈｆは原子力用途以外の材料としてはほとんど使用されないため、純粋な状態では市場で最も高額な元素の１つである。一方で、この精製から生じる不良品がＺｒであり、その結果、実際に低コストで獲得することができる。両元素の類似する化学的特性のため、生産コストが非常に重要である場合には、Ｈｆは用途に応じて、時には熱伝達率を犠牲にして、一部または完全にＺｒと置き換えることができる。このような場合、Ｚｒは０．０６％超、好ましくは０．２２％超、より好ましくは０．３３％超であることが好ましい。特別な場合、Ｚｒは０．４２％超、Ｈｆは０．１５％未満、好ましくは０．０８％未満、より好ましくは０．０５％未満、および全く存在さえしないことが望ましい。
【００２２】
通常、上述のＦｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、および／またはＺｒ以外の金属元素が、炭化物の金属元素の重量パーセントの２０％を超過すべきではない。好ましくは１０％超、さらには５％を超過すべきではない。
【００２３】
驚くべきことに、発明者らは、小量の％Ｂが熱伝達率の上昇にプラスの効果を及ぼすことを発見した。したがって、％Ｂは、１ｐｐｍ超、好ましくは５ｐｐｍ、より好ましくは１０ｐｐｍ超、さらに好ましくは５０ｐｐｍｓ超であることが望ましい。一方、高靱性のマルテンサイト微細構造を求める場合、％Ｂ含有率は５９８ｐｐｍ未満、好ましくは１９６ｐｐｍ未満、より好ましくは６８ｐｐｍ未満、さらに好ましくは２７ｐｐｍ未満に維持しなければならない。
【００２４】
％Ｃｒおよび％Ｖは、炭化物マトリックスに溶解されるときに多くの格子歪みを生じさせるために、高熱伝達率という点でマイナスの効果を及ぼす元素である。高熱伝達率を得るため、％Ｖは０．２３％未満、好ましくは０．１５％未満、より好ましくは０．１％未満、さらに好ましくは０．０５％未満を維持すべきである。超高伝導率を得るため、％Ｃｒはできる限り低く、好ましくは０．２８％未満、より好ましくは０．０８％未満、さらに好ましくは０．０２％未満を維持しなければならない。超高熱伝達率を得るため、％Ｓｉが可能な限り低いことが望ましい。ＥＳＲなどの精製工程の使用によって含有率を少なくとも低減することができるため、％Ｓｉの場合は少々異なる。しかし、プロセスウィンドウが小さいため、％Ｓｉを０．２％未満、好ましくは０．１６％未満、より好ましくは０．０９％未満、さらに好ましくは０．０３％未満に低減すると同時に、低レベルの含有物（特に酸化物）を達成することが技術上非常に難しい。最も高い熱伝達率は、％Ｓｉおよび％Ｃｒが０．１％、さらに好ましくは０．０５％未満であるときのみ得られる。
【００２５】
Ｏ、Ｎ、Ｐ、および／またはＳなどのその他の不所望の不純物は、超高熱伝達率を得るためにできるだけ低く、好ましくは０．１％未満、より好ましくは０．０８％未満、さらに好ましくは０．０１％未満を維持すべきである。
【００２６】
このように手順を進め、本発明に記載する組成規則を適用することで、発明者らは、非常に驚くべきことに、熱伝達率が％Ｃ含有率に影響を受けないことを発見した。これまで、熱伝達率は、炭素含有率に大きく依存し、高Ｃ含有率の場合は低くなっていたため、これは極めて意外な結果である。この発見により、機械的特性を高めつつ、超高熱伝達率お
よび高炭素含有率を有する工具鋼を生産することができる。また、経済的な製造コストにも大きな影響を及ぼし、要求が厳しい用途にとって特に有益である。
【００２７】
さらに、本発明の特徴は、高硬度および超高伝導率を達成することである。この事実は、高硬度を必要とする熱間加工金型にとって非常に有益である。たとえば、大半の鍛造用途は４８〜５４ＨＲｃの範囲の硬度を使用する。プラスチック注入成形は好ましくは、５０〜５４ＨＲｃの硬度の工具を用いて実行され、亜鉛合金のダイカストは４７〜５２ＨＲｃの硬度の工具を用いて実行されることが多く、被覆シートの箔押しは４８〜５４ＨＲｃの硬度の工具、未被覆シートの箔押しは５４〜５８ＨＲｃの硬度の工具を用いて実行される。シート延伸および切断用途では、最も広く使用される硬度は５６〜６６ＨＲｃの範囲である。一部の精細切断用途では、さらに高い６４〜６９ＨＲｃの範囲の硬度も使用される。本発明によると、４８ＨＲｃ超、好ましくは５０ＨＲｃ超、またはさらに好ましくは５３ＨＲｃ超の硬度で、本発明に規定される原子レベル（すべての相における状態密度と担体の可動性の最適化に関する原子配列）の構造を達成することができ、その実施は１３ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１４ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１４．７ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって測定することができる。特に良好に本発明を実行すると、本発明に規定される原子レベル（すべての相における状態密度と担体の可動性の最適化に関する原子配列）の予想外の構造を達成することができ、その実施は１５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって測定することができる。
【００２８】
本発明では、室温だけでなく高動作温度でも超高伝導性を得ることができる。本発明によると、２００℃の温度で、４０ＨＲｃ未満、好ましくは３９ＨＲｃ未満、より好ましくは３８ＨＲｃ未満、さらに好ましくは３５ＨＲｃ未満の硬度の、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、その実施を１３ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１３．９ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１４．５ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。４００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、８．９９ｍｍ２／ｓ超、好ましくは９．６７ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１０．１ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１０．８８ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。６００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、５．４７ｍｍ２／ｓ超、好ましくは６．６４ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは６．９９ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは７．４ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。本発明によると、２００℃の温度で、４０ＨＲｃ超、好ましくは４２ＨＲｃ超、より好ましくは４３ＨＲｃ超、またはさらに好ましくは４６ＨＲｃ超の硬度の、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、その実施は１２．１ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１２．９ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１３．４ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１３．９ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。４００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、その実施は８．２ｍｍ２／ｓ超、好ましくは８．７８ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは９．２３ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは９．８９ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。６００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、その実施は５．０１ｍｍ２／ｓ超、好ましくは５．７９ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは６．３２ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは６．８７ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。本発明によると、２００℃の温度で、４８ＨＲｃ超、好ましくは５０ＨＲｃ超、より好ましくは５４ＨＲｃ超、またはさらに好ましくは５８ＨＲｃ超の硬度の、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、その実施は１１．４７ｍｍ２／ｓ超、好ましくは１２．０１ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは１２．６５ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは１３ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。４００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、７．５８ｍｍ２／ｓ超、好ましくは８．０１ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは８．７６ｍｍ２／ｓ超、
さらに好ましくは９．１ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。６００℃の温度で、本発明に規定されるナノメートル以下規模の構造を達成可能であり、４．１８ｍｍ２／ｓ超、好ましくは４．８７ｍｍ２／ｓ超、より好ましくは５．７０ｍｍ２／ｓ超、さらに好ましくは６．０５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、ホウ素の含有量とホウ素係数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
したがって、本発明の好適な実施形態によると、鋼、特に超高熱伝達率の鋼は、以下の組成を有することができ、すべてのパーセントは重量パーセントで表しており、
％Ｃｅｑ＝０．１５〜２．０、  ％Ｃ＝０．１５〜２、  ％Ｎ＝０〜０．６、  ％Ｂ＝０〜４、
％Ｃｒ＝０〜１１、  ％Ｎｉ＝０〜１２、  ％Ｓｉ＝０〜２．４、  ％Ｍｎ＝０〜３、
％Ａｌ＝０〜２．５、  ％Ｍｏ＝０〜１０、  ％Ｗ＝０〜１０、  ％Ｔｉ＝０〜２、
％Ｔａ＝０〜３、  ％Ｚｒ＝０〜３、  ％Ｈｆ＝０〜３、  ％Ｖ＝０〜１２、
％Ｎｂ＝０〜３、  ％Ｃｕ＝０〜２、  ％Ｃｏ＝０〜１２、  ％Ｌｕ＝０〜２、
％Ｌａ＝０〜２、  ％Ｃｅ＝０〜２、  ％Ｎｄ＝０〜２、  ％Ｇｄ＝０〜２、
％Ｓｍ＝０〜２、  ％Ｙ＝０〜２、  ％Ｐｒ＝０〜２、  ％Ｓｃ＝０〜２、
％Ｐｍ＝０〜２、  ％Ｅｕ＝０〜２、  ％Ｔｂ＝０〜２、  ％Ｄｙ＝０〜２、
％Ｈｏ＝０〜２、  ％Ｅｒ＝０〜２、  ％Ｔｍ＝０〜２、  ％Ｙｂ＝０〜２、
残りは、鉄と微量元素から構成されており、
％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、
であって、
％Ｍｏ＋１／２・％Ｗ
を特徴とする。
【００３１】
なお、冶金学的用語では、鋼の組成は通常Ｃｅｑに換算して与えられ、炭素自体または名目炭素だけでなく、鋼の立方構造に同様の影響を及ぼすすべての元素、通常はＢおよび／またはＮを考慮して構造上の炭素として定義される。
【００３２】
本特許の意味するところにおいて、微量元素は、特に断りのない限り、２％未満の量の元素を指す。用途によっては、微量元素は、１．４％未満、より好ましくは０．９％未満、ときにはさらに好ましくは０、７８％未満であることが好ましい。微量元素と考えられる元素は、Ｈ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｋ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｋｒ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｘｅ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ａｔ、Ｒｎ、Ｆｒ、Ｒａ、Ａｃ、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、Ｎｏ、Ｌｒ、Ｒｆ、Ｄｂ、Ｓｇ、Ｂｈ、Ｈｓ、Ｍｔ単独、および／またはそれらの組み合わせである。用途によっては、一部の微量元素または微量元素全般が、特定の関連特性に関してかなり有害になる可能性がある（熱伝達率および靱性に関して当てはまる場合がある）。上記用途では、微量元素を０．４％未満、好ましくは０．２％未満、より好ましくは０．１４％未満さらには０．０６％未満に維持することが望ましい。これは、特定量未満であることは言うまでもなく、当該元素が含まれていないことを含む。多くの用途では、微量元素がほとんど、あるいは全く含まれないことが自明である、および／または望ましい。上述したように、あらゆる微量元素は単体と考えられるため、所与の用途では、異なる微量元
素は異なる最大重量パーセント許容値をとることが非常に多い。微量元素は、コスト削減などの特定機能を探るために意図的に追加することができる、あるいはその存在（存在する場合）は故意ではなく、主に、合金製造のために使用される合金元素の不純物およびスクラップに関連することがある。様々な微量元素が存在する理由は、単独の同じ合金でも異なる可能性がある。
【００３３】
２つの全く異なる技術的進歩を示し、全く異なる用途を目的とし、一方が他方の客観的用途にとって完全に無益である２つの鋼が、組成範囲に関して偶然合致することが多い。ほとんどの場合、実際の組成は、たとえ組成範囲が幾分重複するとしても決して一致しない。仮に実際の組成が一致する場合では、適用される熱機械的処理から差異が生じる。
【００３４】
上述の鋼は、生産性関連コストが関係する場合、ダイカストなどの形成工程中のサイクル時間を大幅に低減させるため、超高熱伝達率を要求する用途に特に適する。
【００３５】
用途によっては、未被覆シートの箔押しの場合のように、高硬度と超高熱伝達率の組み合わせを必要とする。それらの用途のいくつかは、高レベルの靱性と破壊靱性も必要とし、工具製造コストに非常に影響されやすい。このような用途では、要求が非常に高いため、特にナノメートル以下規模での、非常に厳格な組成規則、および微細構造に対する非常に厳しい要求に従わなければならない。
【００３６】
欧州特許出願公開第１８８７０９６Ａ１号（特許文献３）の教示によると、高熱拡散率は、すべての相で存在する担体の有用性および可動性にのみ関連する。本発明の工具鋼は、２つの主要種類の相：性質が金属であるマトリックス型相と、セラミックである炭化物（窒化ホウ素または酸化物）型相とを有する。よって、状態密度と担体用の中央自由行程は、すべての現行相で最大化されるはずである。上記の最適化の実施と、ナノメートル以下規模の上記構造の獲得は、異なる硬度で達成可能な熱拡散率値によって監視することができる。
【００３７】
欧州特許出願公開第１８８７０９６Ａ１号は、熱伝達率を最大化する最適な方法は、最終的な微細構造において、金属の特徴が高い炭化物が存在すること、さらに重要なのは、その結晶構造が非常に高い品質を備えるべきであることと教示している。マトリックスに関しては、元素を炭化物（あるいは、同じ目的で、窒化物、ホウ化物、酸化物、またはそれらの混合物）と組み合わせることによって、最大の拡散を生じさせる元素を溶液に入れないことが推奨される。原子レベルでのこのような構造的特徴の獲得は、得られる熱拡散率値によって監視することができる。本発明の用途によっては、中レベルの炭素当量を有することが望ましい。
【００３８】
この手順は、炭化物ビルダの含有率と炭素当量（％Ｃｅｑ）の調節を要する非常に厳密な規則を設定し、超高レベルの伝導率を得なければならないときはコストとの関連性が高い。発明者らは、驚くべきことに、炭素当量のレベルと炭化物ビルダのレベルを非常に厳密に調節するための負担および関連コストを生じさせずに、超高レベルの熱拡散率によって明瞭に測定可能となるべく、すべての相における状態密度と担体の可動性の最適化に関する欧州特許出願公開第１８８７０９６Ａ１号の教示を実行して、ナノメートル以下規模またはより最適化された規模で上述の種類の微細構造を実現する特定の元素組み合わせがあることを発見した。この驚くべき発見により、高熱伝達率を達成するのに必要な複雑度が、他の所望の特性を実現する可能性を高めつつ低減される。発明者らは、この驚くべき効果が、中レベルの炭素当量の場合にだけ発生することを発見した。
【００３９】
炭素当量が低すぎると、マトリックス相での固溶体中の炭化物ビルダが担体を大きく拡散する。よって、％Ｃｅｑは０．２７％超、好ましくは０．３２％超、より好ましくは０
．３８％超、さらに好ましくは０．５２％超でなければならない。一方、高すぎるレベルの％Ｃｅｑでは、施される熱処理に関係なく、炭化物（窒化物、ホウ化物、酸化物，またはそれらの組み合わせ）の所要の性質および最高品質を得ることができない。したがって、％Ｃｅｑは、１．２％未満、好ましくは０．７８％未満、より好ましくは０．６７％未満、さらに好ましくは０．５８％未満でなければならない。この驚くべき効果を発揮させるため、正確なレベルの％Ｍｏを含むことが必要である。％Ｍｏは全部ではないが部分的に％Ｗと置き換えることができるため、その値はここでは％Ｍｏ＿ｅｑと称する。この置き換えは％Ｍｏ＿ｅｑに換算して実行されるので、置き換えられる％Ｍｏは％Ｗの約２倍である。％Ｍｏの％Ｗでの置き換えは、７５％未満、好ましくは６４％未満、より好ましくは３８％未満、さらに好ましくは１８％未満である。明らかに、％Ｍｏのコストは％Ｗのコストより低いことが多く、％Ｍｏ＿ｅｑ中の％Ｍｏの置き換えは％Ｗの２倍であるため、最も経済的な選択肢は、置き換えを実行せず、％Ｗを微量元素として残すことである（微量元素とその重量パーセントについては既に完全に定義したが、％Ｗは微量元素とみなしていないが、ここに記載する用途の場合は微量元素とみなす）。微量元素は、コスト削減などの特定機能を求めるために意図的に添加することができる、あるいは、その存在は意図的なものではなく、合金生成のために使用される合金元素およびスクラップの不純物に主に関連する。％Ｗが存在しない場合でも、あるいは単に不純物として存在する場合でも（不純物はその種の微量元素のうちの１つである。％Ｗが存在しないと言うこともできる）、合金コストの最小化を求める場合は非常に有益である。したがって、場合によっては、％Ｗは１％未満であることが望ましい。発明者らは、この驚くべき結果を発揮させ、さほど精密でない製造ルートを可能にする、合金内の名目値からの偏差に対する耐性が高く、高い熱伝達率を有するには、最低レベルの％Ｍｏ＿ｅｑを必要とする。そのレベル未満では、％Ｃｅｑが厳密に調節されないと、形成可能な炭化物が高品質を獲得できないことを発見した。よって、この効果を発揮させるため、％Ｍｏ＿ｅｑは、２．８％超、好ましくは３．２％超、より好ましくは３．７％超、さらに好ましくは４．２％超でなければならない。一方、高すぎるレベルの％Ｍｏ＿ｅｑは、マトリックス相の少なくとも１つにおいて担体の目立った拡散を回避することができる熱処理が存在しない状況を招く。よって、超高熱伝達率は、ＥＰ１８８７０９６Ａ１の教示が適用されるときでさえ、工業規模ではしばしば達成不能な非常に精密なレベルの％Ｃｅｑの場合のみに実現することができる。よって、％Ｍｏ＿ｅｑは、６．８％未満、好ましくは５．７％未満、より好ましくは４．８％未満、さらに好ましくは３．９％未満でなければならない。発明者らは、本発明内で高靱性と併せて高耐摩耗性を要する用途では、以下の規則を適用すべきであることを発見した。
【００４０】
Ｃｅｑは、０．３８％超、好ましくは０．４％超、より好ましくは０．４２％超、さらに好ましくは０．４８％超とすべきである。
【００４１】
Ｃｅｑは、０．７２％未満、好ましくは０．６５％未満、より好ましくは０．６２％未満、さらに好ましくは０．５８％未満とすべきである。
【００４２】
％Ｍｏｅｑは中程度とすべきである、あるいは％Ｖは以下のように存在すべきである。すなわち、％Ｍｏｅｑは９．８％未満、好ましくは９．５％未満、より好ましくは８．９％未満、さらに好ましくは７．６％未満である。％Ｖは０．１２超、好ましくは０．１５％超、より好ましくは０．１８％超、さらに好ましくは０．２３％超となる。
【００４３】
発明者らは、何らかの％Ｎｉ含有率を要する他の用途では、以下の規則を適用すべきであることを発見した。
【００４４】
％Ｍｏｅｑは、４．４％未満、好ましくは３．７％未満、より好ましくは２．５％未満、さらに好ましくは１．２％未満であり、％Ｎｉは０．７５％未満、好ましくは０．６２
％未満、より好ましくは０．５８％未満、さらに好ましくは０．４３％未満とすべきである。
【００４５】
発明者らは、耐摩耗性と併せて強度を要する用途では、以下の規則を適用すべきであることを発見した。
【００４６】
％Ｍｏｅｑは、４．２％未満、好ましくは３．７％未満、より好ましくは２．８％未満、さらに好ましくは１．６％未満とすべきである。
【００４７】
％Ｖは、０．０５％超、好ましくは０．１２％超、より好ましくは０．１８％超、さらに好ましくは０．２９％超の量、存在すべきである。
【００４８】
著者らは、結晶構造の不完全性がほとんど拡散を招かない（Ｍｏ、Ｗ）３Ｆｅ３Ｃ型炭化物で可能である化学量論外の広い範囲に由来すると確信する。また、Ｆｅ含有率は、同じ効果で大幅に変動させることができ、変動にもかかわらず、電子および音子の状態密度は、担体可用性全体に劇的な影響を及ぼさない。実際、炭化物はおそらく（Ｍｏ，Ｗ）３−ｘＦｅ３＋ｘＣと記載する方がよい。ただし、ｘは負の値をとることができ、明らかに他の炭化物構成元素もＭｏ、Ｗおよび／またはＦｅを部分的に置き換えることができる。
【００４９】
著者らは、前の段落に記載する予期せざる効果は、モリブデン炭化物に組み込まれるときに歪みの小さい強靱な炭化物構成元素を使用することによって強く促進できることを発見した。高靱性を必要とする用途を除いて、この強靱な炭化物構成元素は高濃度で存在する場合に自身の一次炭化物を形成し、結果として生じる合金の弾性および破壊靱性に対して顕著なマイナスの効果をもたらす多角形形状を有することが多いため、熱伝導に適した所望のナノメートル以下微細構造に通じる熱処理を施す際、注意が必要である。よって、用途によっては、意図的にそうした炭化物構成元素を追加しないことが望ましいかもしれないが、大半の用途では、％Ｈｆ＋％Ｔａ＋％Ｚｒは０．０２％超、好ましくは０．１％超、より好ましくは０．２％超さらには０．３％超であることが望ましい。高靱性を要する用途では、％Ｈｆ＋％Ｔａ＋％Ｚｒは１．４％未満、好ましくは０．９８％未満、より好ましくは０．８３％未満、さらに好ましくは０．６５％未満であることが望ましい。すべての強靱な炭化物構成元素のうちで、著者らは、本発明にとって好適な炭化物内で歪みなく調和し、比較的低コストであるため、Ｚｒが最も魅力的なものの１つであることに気づいた。よって、本発明を実施する場合、％Ｚｒが最高濃度の強靱な炭化物構成元素であることが多い。上述したように強力な炭化物構成元素の存在が有益であるが、製造コストが重要となる用途では、％Ｚｒが０．０５％超、好ましくは０．１％超、より好ましくは０．２２％超、さらに好ましくは０．４％超であることが多い。要求が非常に厳しい用途では、％Ｚｒは、０．６７％超、好ましくは１．５％超、より好ましくは３．７％超、さらに好ましくは４％超であることが望ましい。一方、靱性が重要であるとき、％Ｚｒの限定は、％０．７８未満、好ましくは０．４２未満、より好ましくは０．２８％未満さらには０．１８％未満であることが多い。用途によっては、％Ｚｒは、部分的または完全に％Ｈｆおよび／または％Ｔａと置き換えることができる。
【００５０】
発明者らは、上述した合金規則は上述した予期せざる結果をもたらすことができるが、高靱性と併せて高機械的強度が求められる場合、フェライト／パーライト形態の焼入性は中程度であるため、中程度の断面でのみ実行可能であることに気づいた。これに関し、著者らは、３つの予想外の事実を発見した。第１の発見は、焼入性向上のための％Ｂの使用に関する。本発明によると、図１に示すように従来の鋼に反して、２．０よりもずっと高い係数（表７に示すように約１０）を２５ｐｐｍ超の％Ｂで達成することができる。図１では、％Ｂの効果は、２０ｐｐｍ超で漸減し、２５ｐｐｍを超えて２．０で一定となる。予期しなかった第２の観察結果は、低濃度％Ｎｉ効果に関係し、この％Ｎｉは、他の元素
の存在下で大幅に上昇させることができ、高硬度のためにマトリックスの拡散に最小の影響しか及ぼさない。第３の驚くべき効果は、％Ｖが、先に証明したように、この形態では焼入性にマイナスの効果をもたらすが、高すぎない場合、特に％Ｎｉおよび／または％Ｂが存在する場合にはプラスの効果をもたらすことである。これら３つの発見は、本発明に規定される原子レベル（原子配列）の所望の構造で高硬度を発揮することができる材料につながる。その実施は、４８ＨＲｃ超の硬度で、８．５ｍｍ２／ｓ超の熱拡散率値によって明確に測定することができ、該材料は、真空Ｎ２硬化工程または国際公開第２０１３１６７５８０Ａ１号（特許文献１）の教示を通じて上記特性を達成できるように、フェライト／パーライト領域における十分な焼入性を有する。
【００５１】
焼入性に関する３つの予想外の発見を詳細に検討し、まずそれらの発見から得られる組成規則に着目すると、以下のことが観察された。
【００５２】
％Ｂのプラスの効果は低％Ｃに限定されると考えられており、実際にほとんどの文献は、％Ｃのプラスの効果は最大０．２％あるいは最終的には最大０．２５％で達成されると報告している。著者らは、本発明によると、表７に示すように、％Ｃｅｑ値が文献で報告されるよりもずっと高いにもかかわらず、％Ｂがプラスの効果を及ぼすことを発見した。また、文献には、図１に示すように、％Ｂの最大のプラスの効果が約２０ｐｐｍで発生すると記載されている。本発明によると、表７に示すように、％Ｂのプラスの効果は高い％Ｂ値で生じる。したがって、本発明の鋼の場合、フェライト／パーライト領域において高焼入性が求められるとき、％Ｂは１ｐｐｍ超、好ましくは２５ｐｐｍ超、より好ましくは４５ｐｐｍ超、さらに好ましくは５８ｐｐｍ超、さらには７２ｐｐｍ超が望ましい場合が多い。余分な％Ｂは、ホウ化物形成元素の可用性に応じて逆の効果を及ぼす可能性がある。また、余分なホウ化物が形成される場合、靱性に非常に不利益な効果を及ぼす可能性もある。よって、高靱性を必要とし、強靱なホウ化物構成元素を提供する本発明の鋼の場合、％Ｂは０．２％未満、好ましくは８８ｐｐｍ未満、より好ましくは６８ｐｐｍ未満、さらには４８ｐｐｍ未満であることが望ましい。
【００５３】
％Ｎｉに関しては、焼入性におけるプラスの効果が既に欧州特許第２２３６６３９Ｂ１号（特許文献４）に記載されている。著者らは、他の元素、主に％Ｂおよび％Ｖと組み合わせて、低い％Ｎｉ値を採用できることに気づいた。モリブデンよりも炭素への親和性が高いすべての炭化物（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ）の効果も認められる。この化合効果または触媒効果の特質を利用することで、低レベルの％Ｎｉで高レベルの焼入性を達成することができ、これを利用して、マトリックス相で本発明にとってより有益なナノメートル以下規模の微細構造を実現することができる。というのは、％Ｎｉは、特に１％超の量存在するとき、焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しベイナイトＦｅ−Ｃ微細構造において強力な拡散体であり、可能な熱機械的処理を通じて有効にこの元素を移動させることは不可能ではないにせよ非常に困難だからである。よって、本発明によると、フェライト／パーライト形態における高焼入性が所望されるとき、％Ｎｉは０．２％超、好ましくは０．３０％超、より好ましくは０．４２％超、ときには０．７５％超存在する。一方、上述したように、余分な％Ｎｉがあれば、マトリックス相の少なくとも１つにおいて担体レベルの超低拡散を実現することができないであろう。このため、超高伝導率が所望される場合、％Ｎｉは２．７％未満、好ましくは１．８％未満、より好ましくは０．８％未満、時には０．６８％未満さらには０．４８％ｗｔ未満存在する。上述したように、％Ｂも焼入性にプラスの効果を及ぼす。高焼入性を求めるとき、％Ｂと％Ｎｉの組み合わせは、効果が相殺されて焼入性の低下を招くために良好なバランスをとらなければならない。％Ｂと％Ｎｉの両方のバランスが取れている場合、驚くべきことに、それらの効果が累積されて、高い焼入性値につながることが観察された。ここに示す中レベルの％Ｎｉを使用する際、％Ｂは７ｐｐｍ超、好ましくは１２ｐｐｍ超、より好ましくは３１ｐｐｍ超、さらに好ましくは４７ｐｐｍ超であることが多い。用途によっては、余分な％Ｂは、中程度の％Ｎ
ｉ含有率であるときも焼入性にとって不利益になる可能性がある。こうした場合、％Ｂは２８０ｐｐｍ未満、好ましくは１８０ｐｐｍ未満、より好ましくは９０ｐｐｍ未満、さらに好ましくは４０ｐｐｍ未満であることが望ましい。
【００５４】
発明者らは、１．５％超の％Ｖが焼入性にマイナスの効果を及ぼす一方で、特に％Ｎｉおよび／または％Ｂが存在するとき、％Ｖが低いほどフェライト／パーライト形態における焼入性が顕著に向上することに気づいた。著者らは、用途によっては、％Ｖは０．１２超、好ましくは０．２２％超、より好ましくは０．４２％超、より好ましくは０．５２％超、さらに好ましくは０．８２％超であることが望ましいことを発見した。
【００５５】
本発明における％Ｗ、％Ｍｏ、％Ｃの含有量のバランスをとる好適な方法の１つは、以下の合金規則に準拠する。
【００５６】
％Ｃｅｑ＝０．４＋（％Ｍｏｅｑ（ｒｅａｌ）−４）×０．０４１７３
ただし、Ｍｏｅｑ（ｒｅａｌ）＝％Ｍｏ＋（ＡＭｏ／ＡＷ）×％Ｗ。
ここで、
ＡＭｏ−モリブデン原子質量（９５．９４ｕ）、
ＡＷ−タングステン原子質量（１８３．８４ｕ）、
式がパラメータＫ＝（％Ｃｅｑ／０．４＋（％Ｍｏｅｑ（ｒｅａｌ）−４）・０．０４１７３）で正規化される場合、％Ｍｏ＜４ｂであるとき、Ｋ＜０であることが望ましい。
【００５７】
表１に示すように、％Ｂの効果は、％Ｎｉと％Ｖの存在によって明らかに影響を受ける。よって、本発明の鋼で所望される量は、％Ｎｉと％Ｖの存在と量に左右される。
【００５８】
著者らは、％Ｎｉと組み合わせて、あるいは％Ｎｉの代わりに使用することができ、フェライト／パーライト領域における焼入性に大きく、または少なくともいくらか貢献する他の元素があることを発見した。最も有効な元素が％Ｃｕと％Ｍｎ、より少ない程度で％Ｓｉである。％Ｃｕは、特定の環境に対して大気抵抗を上昇させるという利点を備えるが、過剰な量存在する場合は、靱性に悪影響を及ぼす。％Ｎｉおよび％Ｃｕの効果は、本発明の鋼では累積するようだが、両方が十分な量存在する場合％Ｎｉおよび％Ｍｎには当てはまらない。用途によっては、％Ｃｕは、０．０５％超、好ましくは０．１２％超、より好ましくは０．５４％超、さらに好ましくは０．７８％超であることが望ましい。場合によっては、１％超、好ましくは２．７％超、より好ましくは７．０１％超、さらに好ましくは５％超であることが好ましい。いくつかの好適な実施形態の場合、％Ｃｕ＋％Ｎｉは、０．１％超、好ましくは０．３４％超、より好ましくは０．４７％超、さらに好ましくは０．６％超であることが好ましい。
【００５９】
著者らは、特定用途と非常に関連性が高いもう１つの驚くべき事実に気づいた。というのは、％Ｂと％Ｎｉの組み合わせが焼入性に及ぼす効果を保持しつつ、小量のＮｂおよび／またはＺｒが熱的および機械的特性の向上を助けることである。％Ｎｂ単独の存在が好ましい用途もあれば、％Ｚｒ単独の存在が好ましい用途もある。これに関しては、１ｐｐｍ以上、好ましくは２ｐｐｍ超、より好ましくは４ｐｐｍ超、さらに好ましくは１２ｐｐｍ超であることが望ましい。それらの元素が大量に使用される場合、マイナスの効果を及ぼす可能性があり、妥協を要する両者間のバランスが失われる。次に、％Ｎｂおよび／または％Ｚｒは、１０５ｐｐｍ未満、好ましくは６４ｐｐｍ未満、より好ましくは３０ｐｐｍ未満、さらに好ましくは１６ｐｐｍ未満を維持することが望ましい。
【００６０】
熱伝達率を向上させるべきだが、特定用途のために％Ｃｒが高く％Ｃが０．２％ｗｔ〜０．８％ｗｔでなければならない場合、この点で％Ｚｒが役立つ。このような場合、大抵、％Ｃｒは、２．４％以上、好ましくは３．７％以上、より好ましくは４．６％以上、さ
らに好ましくは５．７％以上が望ましい。熱伝達率の高値を得るため、％Ｚｒは０．１％超、好ましくは０．８７％超、より好ましくは１．４３％超、さらに好ましくは２．２３％超存在することが望ましい場合が多い。
【００６１】
著者らは、本発明につながる驚くべき観察結果を多数得たが、おそらく最も意外な結果は、微量な元素の存在が、特定の熱処理で達成可能なベイナイト微細構造の形態に大きな影響を及ぼすことである。よって、正確なレベルの％Ｂ、さらに％Ｎｉ（一部または全部を％Ｃｕおよび％Ｍｎで置き換えることができる）を存在させることで、強靱なベイナイト微細構造、さらには、粒径が非常に精細であるときでも強靱である高温ベイナイト微細構造を導くことができる。以下の段落では、この驚くべき観察結果について詳述する。
【００６２】
著者らは、達成可能なベイナイト微細構造に顕著な効果を及ぼすため、％Ｂは、フェライト／パーライト領域における焼入性の向上に必要な含有率よりもやや高い含有率で存在しなければならないことに気づいた。国際公開第２０１３／１６７５８０Ａ１号に記載されるような熱処理に関しては、発明者らは、この特定の効果を得るため、５６ｐｐｍ超、好ましくは６２ｐｐｍ以上、好ましくは８３ｐｐｍ以上、より好ましくは９４ｐｐｍ以上、さらには１１２ｐｐｍ以上の％Ｂが必要であり、正確な最低含有率は具体的な化学的組成および選択した熱処理に左右されることに気づいた。さらに、著者らは、用途によっては、ベイナイト微細構造に及ぼされるプラスの効果が、ホウ化物形成元素の可用性に応じて、ホウ化物の沈殿によって無効にされることを発見した。概して、靱性が耐摩耗性よりも重要な用途では、％Ｂを３９０ｐｐｍ未満、好ましくは２８５ｐｐｍ未満、より好ましくは１４５ｐｐｍ未満、さらには９８ｐｐｍ未満に保つことが望ましい。上述した限定は一般的に適用することができるが、発明者らは、状況によっては、他の限定の方が都合がよい場合のあることを発見した。全般的な限定あるいは特定的な限定のいずれを適用するかは、最適化すべき具体的な用途による。第１のセットの特定的な限定は、合金に％Ｎｉが存在するときに発生する。著者らは、％Ｎｉが、高温ベイナイトの形態だけでなく％Ｂの役割に影響を及ぼし得ることを発見した。つまり、用途によっては、％Ｎｉが存在するとき、ベイナイト形態に最適化効果を及ぼすため、ＷＯ２０１３１６７５８０Ａ１に記載の熱処理が適用される場合は、％Ｂを８２ｐｐｍ超、好ましくは９２ｐｐｍ超、より好ましくは３８０ｐｐｍ超、さらに好ましくは５６０ｐｐｍ超でありながら、３５０００ｐｐｍ未満、好ましくは１４００ｐｐｍ未満、より好ましくは７４０ｐｐｍ未満、より好ましくは５２０ｐｐｍ未満、さらに好ましくは４４０ｐｐｍ未満に維持すべきである。
【００６３】
前の段落で述べたように、％Ｎｉ単独でも、ベイナイトの形態にプラスの効果を及ぼし、所与の粒径で優れた靱性を発揮させることができる。この効果を追求する際、％Ｎｉは０．１％超、好ましくは０．２２％超、より好ましくは０．３５％超、さらに好ましくは０．４８％超であることが推奨される。
【００６４】
他の特定の用途で性能を向上させるため、他の組成規則もいくつか考慮に入れることができる。たとえば、耐摩耗性に関しては、Ｈｆおよび／またはＺｒの存在がプラスの効果を及ぼす。耐摩耗性を大幅に高めなければならない場合、ＴａやＮｂなどの格子歪みがほとんどない他の強力な炭化物構成元素も使用することができる。次に、Ｚｒ＋％Ｈｆ＋％Ｎｂ＋％Ｔａは０．１２％超、好ましくは０．３５％超、より好ましくは０．４１％超、さらに好ましくは１．２％超とすべきである。また、％Ｖは、非常に微細なコロニーを形成する傾向があるが、上記のように他の炭化物構成元素よりも熱伝達率への影響が大きい良好な炭化物構成元素である。次に、熱伝達率は高くあるべきだが、超高耐摩耗性および靱性を要求しない用途では、０．０９％超、好ましくは０．１８％超、より好ましくは０．２８％超、さらに好ましくは０．４１％超の含有率で使用される。実際には、本発明では、中程度の量の％Ｖが使用され、存在する強靱な炭化物構成元素（好ましくはＺｒおよび／またはＨｆ）とのバランスが取れている場合に大きな効果を発揮することを観察した
。％Ｖの量は、一次炭化物をほぼ形成せず（明らかに、Ｃｅｑおよび他の炭化物の存在に左右される。Ｃｅｑの含有率を高めるには、一次炭化物の存在または該炭化物内の大量の溶解を避けるために、Ｖのパーセンテージを最大０．８、さらには０．５または０．４まで低減する必要がある）、かつ、特に強力な炭化物形成元素と同時に使用される場合に炭化物（Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ）内の溶解をほぼ生じさせずに、最大０．９とすることができる、また、マトリックスから多くの炭素を置換させる結果、熱伝達率全体に恩恵がもたらされる（この場合、恩恵は０．１超の％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａで顕著であり、存在する％Ｃｅｑと％Ｖの量に応じて０．４または０．６を超過する場合に極めて大きい）ことが分かった。実際には、そのパーセンテージのＺｒ、Ｈｆ、Ｔａは、炭化物（Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ）のみを含む鋼と比べて、耐摩耗性を大幅に向上させる傾向があるために、上記の組み合わせはＶのパーセンテージにとって非常に望ましい。同じことが％Ｎｂにも適用される。その効果は、％Ｖ＝０．１のときに顕著となり、％Ｃｅｑレベルによっては％Ｖ＝０．３または０．５でも顕著である。
【００６５】
炭化物形成元素の含有率を上昇させる際、それらの元素と組み合わせるため、％Ｃも増加させなければならない。耐摩耗性の向上を必要とする用途では、％Ｃは０．３８％超、より好ましくは０．４％超、さらに好ましくは０．５１％超であることが望ましい。元素の組み合わせは、低％Ｗ含有率で優れた耐摩耗性を提供し、今までこれは予想外であった。
【００６６】
周知されるとおり、％Ｃ含有率は、Ｍｓ＝５３９〜４２３・％Ｃにより、マルテンサイト変態開始温度（以下Ｍｓと称する）を低下させるという強力な効果を有する。よって、％Ｃの高い値は、上述する高耐摩耗性用途にとって望ましい、および／または微細ベイナイトが望まれる用途にとって有効である。このような場合、Ｃｅｑは０．４１％超、大抵の場合０．５２％超、さらには０．８１％超であることが望ましい。
【００６７】
著者らが発見したもう１つの驚くべき結果が、本発明に記載するように希土類元素を使用して得られる予期せざる効果である。ＩＵＰＡＣが定義するように、希土類元素（以下ＲＥＥと称する）または希土類金属とは、周期表内の１７化学元素の組、具体的には、ラニタニド１５元素とスカンジウムとイットリウムである。スカンジウムとイットリウムは、ランタニドと同じ鉱床で見つかる傾向があり、類似の化学的特性を発揮するために希土類元素とみなされる。これまでに既知な１５の希土類元素は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕである。近年、電子光学および航空宇宙産業分野の優れた新装置や要求が厳しい用途において、このような元素の使用が大幅に増えている。冶金学では、希土類元素は、酸素や、溶解工程で固有に存在するその他の不純物のスカベンジャーとして作用することが分かっている。したがって、希土類元素の使用は、このような目的に適すると思われる。特定の所望する最終的特性に応じて、鋼内に存在する包含物の形態を制御できることが非常に有益である。一方では、概して、このような元素は、焼入性にプラスの効果を及ぼさないことも観察された。しかしながら、この事実が正しいにもかかわらず、発明者らは、驚くべきことに、上記元素が正確に他の合金元素と組み合わされる場合、その組み合わせが実際に焼入性に好影響を及ぼすことを発見した。
【００６８】
ＲＥＥの量は注意深く選択しなければならない。発明者らは、量が少なすぎれば、どんな目立つ特性も差をつけることができず、逆に多すぎれば逆効果となり得ることを発見した。したがって、概して、全ＲＥＥの合計は７ｐｐｍ、好ましくは１２ｐｐｍ超、好ましくは５５ｐｐｍ超、より好ましくは２２０ｐｐｍ超、さらに好ましくは３３０ｐｐｍ超、さらには４３０ｐｐｍであることが望ましいことが多い。特別な用途の場合、６０３ｐｐｍ超であることが好ましいかもしれない。一方、他の用途の場合、ＲＲＥの０．６％ｗｔ未満、好ましくは０．３％ｗｔ未満、より好ましくは０．１％ｗｔ未満、さらに好ましく
は６００ｐｐｍ未満であることが望ましい。特別な用途では、３５０ｐｐｍ未満、さらに９０ｐｐｍ未満であることが好ましい。ＲＥＥをさらに大量に、たとえば１％ｗｔ超、好ましくは１．５％ｗｔ超、より好ましくは１．８％ｗｔ超含むことから恩恵を得られる特性がいくつかある。用途によっては、２％ｗｔ超であり、特別な場合には、さらに３．４％ｗｔ超であることが望ましいことがある。
【００６９】
既存のＲＲＥすべての中で、発明者らは、このような目的で最も魅力的な元素は、純粋な形状または酸化物の形状のＣｅ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙ、Ｎｅ、Ｇｅである。％Ｌａの場合、用途によっては、４ｐｐｍ以上、好ましくは１０ｐｐｍ超、より好ましくは２３ｐｐｍ超、さらに好ましくは１００ｐｐｍｓ超であることが望ましい。他の用途の場合、発明者らは、０．１％ｗｔ以上、好ましくは０．５％ｗｔ超、より好ましくは０．９％ｗｔ超、さらに好ましくは１％超であることが望ましいことを発見した。特別な場合、さらに大量に、たとえば１．５％ｗｔ超、２％ｗｔ超、さらには４．５％ｗｔ超であることが望ましい。％Ｌａが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合、％ＬａがＲＥＥ総量の３０％以上、好ましくはＲＥＥ総量の４５％超、より好ましくはＲＥＥ総量の６７％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の８０％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＬａがＲＥＥ総量の９１％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。
【００７０】
％Ｃｅの場合、用途によっては、５ｐｐｍ以上、好ましくは１５ｐｐｍ超、より好ましくは５３ｐｐｍ超、さらに好ましくは１５０ｐｐｍ超であることが望ましい。用途によっては、発明者らは、０．０９％ｗｔ以上、好ましくは０．２％ｗｔ超、より好ましくは０．７％ｗｔ超、さらに好ましくは０．９％超であることが望ましいことを発見した。特別な場合、さらに多い量、たとえば、１％ｗｔ超、１．５％ｗｔ超、さらには３％ｗｔ超であることが望ましい。％Ｃｅが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合、％ＣｅがＲＥＥ総量の２５％以上、好ましくはＲＥＥ総量の４７％超、より好ましくはＲＥＥ総量の７３％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の９１％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＣｅがＲＥＥ総量の９５％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。ＲＥＥの合金である、いわゆるＣｅ−ミッシュメタルまたはミッシュメタルと呼ばれるものも幅広く存在する。これは主にＣｅおよびＬａから成る（典型的な組成は約５０％のＣｅ、約４５％のＬａ、ＮｄおよびＰｒの微量元素である）。この合金の使用が好ましい場合、約０．５％ｗｔ、好ましくは１．６％超、より好ましくは３．１％超、さらに好ましくは４．５％ｗｔ超を使用することが望ましい。
【００７１】
％Ｓｍの場合、用途によっては、２ｐｐｍ以上、好ましくは９ｐｐｍ超、より好ましくは４３ｐｐｍ超、さらに好ましくは９０ｐｐｍｓ超であることが望ましい。用途によっては、発明者らは、０．０２％ｗｔ以上、好ましくは０．２％ｗｔ超、より好ましくは０．５１％ｗｔ超、さらに好ましくは０．９％超であることが望ましいのを発見した。特別な場合、さらに多い量、たとえば、１．０１％ｗｔ超、１．３％ｗｔ超、さらには３％ｗｔ超であることが望ましい。％Ｓｍが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合、％ＳｍがＲＥＥ総量の１０％以上、好ましくはＲＥＥ総量の１５％超、より好ましくはＲＥＥ総量の２２％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の４５％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＳｍがＲＥＥ総量の５３％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。
【００７２】
％Ｙの場合、用途によっては、９ｐｐｍ超、好ましくは３４ｐｐｍ超、より好ましくは６７ｐｐｍ超、さらに好ましくは２００ｐｐｍ超であることが望ましい。用途によっては、発明者らは、０．１２％ｗｔ超、好ましくは０．２２％ｗｔ超、より好ましくは０．９％ｗｔ超、さらに好ましくは１％超であることが望ましいことを発見した。特別な場合、たとえば、１．５％ｗｔ超、２％ｗｔ超、さらには３％ｗｔ超などのより多い量であることが望ましい。％Ｙが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合
、％ＹがＲＥＥ総量の３０％超、好ましくはＲＥＥ総量の４５％超、より好ましくはＲＥＥ総量の６７％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の８０％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＹがＲＥＥ総量の９１％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。
【００７３】
％Ｇｄの場合、用途によっては、２ｐｐｍ超、好ましくは２７ｐｐｍ超、より好ましくは５３ｐｐｍ超、さらに好ましくは９８ｐｐｍｓ超であることが望ましい。用途によっては、発明者らは、０．０１％ｗｔ超、好ましくは０．１％ｗｔ超、より好ましくは０．２９％ｗｔ超、さらに好ましくは０．８８％超であることが望ましいことを発見した。特別な場合、より多い量、たとえば、０．９％ｗｔ超、１．７％ｗｔ超、さらには３％ｗｔであることが望ましい。％Ｇｄが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合、％ＧｄがＲＥＥ総量の１４％超、好ましくはＲＥＥ総量の２６％超、より好ましくはＲＥＥ総量の３７％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の４５％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＧｄがＲＥＥ総量の６９％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。
【００７４】
％Ｎｄの場合、用途によっては、１６ｐｐｍ以上、好ましくは３８ｐｐｍ超、より好ましくは９８ｐｐｍ超、さらに好ましくは１６７ｐｐｍ超であることが望ましい。用途によっては、発明者らは、０．０４％ｗｔ以上、好ましくは０．１４％ｗｔ超、より好ましくは０．４８％ｗｔ超、さらに好ましくは１．３４％超であることが望ましいことを発見した。特別な場合、たとえば、１．５％ｗｔ超、２％ｗｔ超、さらには３％ｗｔ超などのより多い量であることが望ましい。％Ｎｄが唯一のＲＥＥとして使用されず、他のＲＥＥと組み合わされる場合、％ＮｄがＲＥＥ総量の３５％以上、好ましくはＲＥＥ総量の４９％超、より好ましくはＲＥＥ総量の７１％超、さらに好ましくはＲＥＥ総量の８３％超を占めることが望ましい。場合によっては、％ＮｄがＲＥＥ総量の９３％超を占め、残りが微量元素であることが望ましい。
【００７５】
線形熱膨張係数に関しては、発明者らは驚くべきことに、特定のＲＥＥが特に低温でプラスの効果を及ぼすことを発見した。熱膨張係数を最小化すべき場合、％Ｎｄは、最小含有率１００ｐｐｍ、好ましくは２４３ｐｐｍ超、より好ましくは３５０ｐｐｍ超、さらに好ましくは５２０ｐｐｍ超存在することが望ましい。このため、％Ｗも置き換えることができる。
【００７６】
上述したように、発明者らが発見した最も驚くべき観察結果の１つは、ＲＥＥが他の元素と組み合わされるとき、最終的な特性に予期せざる影響を及ぼすという事実である。したがって、ＲＥＥが存在するとき、いくつかの事項を考慮に入れるべきである。たとえば、％Ｍｏの場合、含有率は２．５％超、好ましくは３．５％超、より好ましくは４．６％超、さらに好ましくは６．７％超であることが好ましいことが多い。一方、求められる特性に応じて、％Ｍｏは２．６％未満、好ましくは１．５％未満、より好ましくは０．５％未満またはさらに０．２％未満であることが望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。％Ｗの場合、含有率は１．２１％超、好ましくは２．３％超、より好ましくは２．７％超、さらに好ましくは３．１％超であることが望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｗは１．６％未満、好ましくは０．９％未満、より好ましくは０．４３％未満またはさらに０．１１％未満であることが望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。％Ｍｏｅｑの場合、含有率は２．０％超、好ましくは３．７％超、より好ましくは５．３％超、さらに好ましくは６．７％超であることが望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｍｏｅｑは２．３％未満、好ましくは１．９７％未満、より好ましくは０．６７％未満またはさらに０．３１％未満であることが望ましい。％Ｃｅｑの場合、含有率は０．１８％超、好ましくは０．２８％超、より好ましくは０．３４％、さらに好ましくは０．３９％超であることが望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｃｅｑは時に、０
．６０％未満、好ましくは０．５６％未満、より好ましくは０．４８％未満またはさらに０．４３％未満であることが望ましい。％Ｎｉの場合、含有率は、０．１％超、好ましくは０．５％超、より好ましくは１．３％超、さらに好ましくは２．９％超であることが大抵望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｎｉは、４％未満、好ましくは３．８％未満、より好ましくは３．０１％未満またはさらに２．８％未満であることが大抵望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。％Ｂの場合、含有率が、３ｐｐｍ超、好ましくは１４ｐｐｍ超、より好ましくは５０ｐｐｍ超、さらに好ましくは１５０ｐｐｍ％超であることが大抵望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｂは、１．６４％未満、好ましくは０．４％未満、より好ましくは０．１％未満またはさらに０．０２％未満であることが大抵望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。％Ｃｒの場合、２．９％未満、好ましくは１．７％未満、より好ましくは０．８％未満またはさらに０．３％未満であることが大抵望ましい。精密な用途の場合、０．１％未満であるか、全く存在さえしない。一方、求められる特性に応じて、％Ｃｒは、２．８％超、好ましくは３．７％超、より好ましくは５．７％超、さらに好ましくは９．７％超であることが大抵望ましい。％Ｖの場合、含有率は、０．２％超、好ましくは０．５％超、より好ましくは１．１％超、さらに好ましくは２．０４％超であることが大抵望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｖは、１２％未満、好ましくは８．７％未満、より好ましくは６．４％未満またはさらに４．３％未満であることが大抵望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。％Ｚｒの場合、含有率は、０．０３％超、好ましくは０．２％超、より好ましくは０．８％超、さらに好ましくは０．９９％超であることが大抵望ましい。一方、求められる特性に応じて、％Ｚｒは、３％未満、好ましくは２．４％未満、より好ましくは１．７％未満またはさらに１．２％未満であることが大抵望ましい。場合によっては、全く存在さえしない。
【００７７】
用途によっては、％Ｍｏは、０．９８％ｗｔ超、好ましくは１．２％ｗｔ超、より好ましくは１．３４％ｗｔ超、さらに好ましくは１．５７％ｗｔ超であることが大抵望ましいことが観察された。％Ｃｒの場合、５．２％ｗｔ未満、好ましくは４．８％未満、より好ましくは４．２％ｗｔ未満、さらに好ましくは３．９５％ｗｔ未満であることが大抵望ましい。他の場合、％Ｃｒはさらに低く、２．８％ｗｔ未満、好ましくは２．６９％ｗｔ未満、より好ましくは１．８％ｗｙ未満、さらに好ましくは１．７６％ｗｔ未満であることが望ましい。特定の場合、低％Ｃｒと高％Ｍｏが共存することが望ましい。他のいくつかの用途では、著者らが観察したように、％Ｃｒは中程度、すなわち、０．４％ｗｔ超、好ましくは２．２％ｗｔ超、より好ましくは３．２％ｗｔ超、さらに好ましくは４．２％ｗｔ超であることが望ましい。以下の本発明の指示に従い、％Ｚｒに特に注意を払えば、高レベルの熱伝達率を達成することができる。％Ｚｒは、０．４％ｗｔ超、好ましくは０．８％ｗｔ超、より好ましくは１．２％ｗｔ超、さらに好ましくは１．６％ｗｔ超であることが望ましい。用途によっては、％Ｃｒはあまり高くすべきではないと考えられ、％Ｃｒが高いと、用途にとって不都合となる一次炭化物が形成されがちである。このような場合、％Ｃｒは、８．６％未満、好ましくは７．７％未満、より好ましくは７．２％ｗｔ未満、より好ましくは６．８％ｗｔ未満、さらに好ましくは５．８％ｗｔ未満であることが望ましい。上記実施形態は、低すぎてはならない特定のＣ含有率でのみ作用し、すなわち、好適な％Ｃは０．２６％ｗｔ超、好ましくは０．３２％ｗｔ超、より好ましくは０．３６％ｗｔ超、さらに好ましくは０．４２％ｗｔ超である。この用途では、著者らは、Ｎｂ、Ｈｆを除き、鉄よりも強靱な炭化物構成元素は避けるべきであり、％Ｔａ＋％Ｔｉの合計は１．６％ｗｔ未満、好ましくは０．８％ｗｔ未満、より好ましくは０．４％ｗｔ未満、さらに好ましくは０．１８％ｗｔ未満とすべきであることを発見した。
【００７８】
さらに、著者らは、％Ｂが３ｐｐｍ超、好ましくは１２ｐｐｍ超、より好ましくは６０ｐｐｍ超、さらに好ましくは１００ｐｐｍ超の量で存在する場合、超過の％Ｃｏは用途によっては不利益であることを観察した。次に、％Ｃｏは、９％ｗｔ未満、好ましくは７％
ｗｔ未満、より好ましくは５％ｗｔ未満、さらに好ましくは３％ｗｔ未満であることが望ましい。
【００７９】
著者らは、用途によっては、％Ｚｒは０．０１％ｗｔ未満であるが、０．１％ｗｔ未満、好ましくは０．１２％ｗｔ未満、より好ましくは０．０８％ｗｔ未満、さらに好ましくは０．０６％ｗｔ未満であることが望ましいことを発見した。このレベルの％Ｚｒを有する場合、％Ｃが低すぎない、すなわち、０．２６％ｗｔ超、好ましくは０．３２％ｗｔ超、より好ましくは０．３６％ｗｔ超、さらに好ましくは０．４２％ｗｔ超であることが特に興味深い。用途によっては、％Ｃｏが際だって高くない、すなわち、６％ｗｔ未満、好ましくは４．８％ｗｔ未満、より好ましくは２．８％ｗｔ未満、さらに好ましくは１．８％ｗｔ未満であることが興味深い。用途によっては、％Ｂが６％ｗｔ超、好ましくは１７％ｗｔ超、より好ましくは５２％超、さらに好ましくは２２２ｐｐｍ超存在し、ＲＥＥが６０ｐｐｍ超、好ましくは１２０ｐｐｍ超、さらに好ましくは２２０ｐｐｍ超存在し、％Ｃｒが２．８％ｗｔ超、好ましくは３．８％ｗｔ超、さらに好ましくは４．８％ｗｔ超と高い場合、％Ｍｎが１．２％未満、好ましくは０．８％ｗｔ未満、より好ましくは０．４％ｗｔ未満と低いことが好ましい。
【００８０】
本発明の別の好適な実施形態によると、鋼、特に高熱伝達率および高耐摩耗性の鋼は以下の組成を有することができ、すべてのパーセントは重量パーセントで表す。
【００８１】
％Ｃｅｑ＝０．１５〜２．０、  ％Ｃ＝０．１５〜０．９、  ％Ｎ＝０〜０．６、  ％Ｂ＝０〜２、
％Ｃｒ＝０〜１１．０、  ％Ｎｉ＝０〜１２、  ％Ｓｉ＝０〜２．４、  ％Ｍｎ＝０〜３、
％Ａｌ＝０〜２．５、  ％Ｍｏ＝０〜１０、  ％Ｗ＝０〜６、  ％Ｔｉ＝０〜２、
％Ｔａ＝０〜３、  ％Ｚｒ＝０〜３、  ％Ｈｆ＝０〜３、  ％Ｖ＝０〜１２、
％Ｎｂ＝０〜３、  ％Ｃｕ＝０〜２、  ％Ｃｏ＝０〜１２、  ％Ｌｕ＝０〜２、
％Ｌａ＝０〜２、  ％Ｃｅ＝０〜２、  ％Ｎｄ＝０〜２、  ％Ｇｄ＝０〜２、
％Ｓｍ＝０〜２、  ％Ｙ＝０〜２、   ％Ｐｒ＝０〜２、  ％Ｓｃ＝０〜２、
％Ｐｍ＝０〜２、  ％Ｅｕ＝０〜２、  ％Ｔｂ＝０〜２、  ％Ｄｙ＝０〜２、
％Ｈｏ＝０〜２、  ％Ｅｒ＝０〜２、  ％Ｔｍ＝０〜２、  ％Ｙｂ＝０〜２、であり、
残りは、鉄と微量元素からなり、
％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、
％Ｍｏ＋１／２・％Ｗを特徴とする。
【００８２】
上述の鋼は、特に高レベルの耐摩耗性が望ましいとき、高熱伝達率を有する鋼を要する用途にとって特に興味深い。
【００８３】
熱処理と、どのように熱処理を適用するかも非常に重要である。本発明の多くの用途の場合、好適な微細構造は、主に５０％ｖｏｌ％超、好ましくは６５％ｖｏｌ％、より好ましくは７６％ｖｏｌ％、さらに好ましくは９２％ｖｏｌ％超のベイナイトである。というのは、ベイナイトは通常、大断面を得やすい種類の微細構造であり、適切な焼戻しに際して、最も高い二次的硬度差を発揮する微細構造だからである。本特許の意味するところにおいて、ベイナイトは、マルテンサイト、フェライト、残留オーステナイト、またはトルースタイト、ソルバイトなどのその他の非平衡微細構造以外の熱処理後に得られる微細構造であり、好ましくは７００℃未満だがＭｓ＋５０℃超、より好ましくは６５０℃未満だがＭｓ＋５５℃超、さらに好ましくは６００℃未満だがＭｓ＋６０℃超の熱処理後で形成され、ＴＴＴ温度−時間−変態図において観察され、次に、鋼組成に依存する。大抵の場合、高温ベイナイトは主に上部ベイナイトであり、上部ベイナイトは、ＴＴＴ温度−時間−変態図で観察され、鋼組成に依存するベイナイト領域内の高温範囲で形成される粗ベイ
ナイト微細構造を指す。同じことが、下部ベイナイトとして知られる低温ベイナイトにも適用され、下部ベイナイトは、ＴＴＴ温度−時間−変態図で観察され、ひいては鋼組成に依存するベイナイト領域内の低温領域で形成される微細ベイナイト微細構造を指す。
【００８４】
本発明の鋼が国際公開第２０１３／１６７５８０Ａ１号に記載の特定の熱処理を経る場合、％Ｃ含有率のため、Ｍｓ温度が５３９〜４２３・％Ｃ摂氏に低下させられるという事実と併せて、強靱なベイナイト構造が達成可能である。これらの処理では、４ＨＲｃ以上、好ましくは６ＨＲｃ超、より好ましくは９ＨＲｃ超、さらに好ましくは１２ＨＲｃ超に硬度を高めることができ、オーステナイト化温度未満の低温で硬化する微細構造が取得できる。この事実は、後述するように、オーステナイト化硬化熱処理での変形が小量であるため、最終的な機械加工の量が大幅に低減されるか、あるいはゼロにすることさえできるという大きな利点を備える。一方、上記処理で硬度を高めることができるため、本発明の鋼を低硬度で搬送し、コストに影響を及ぼさずに粗機械加工を実行することができる（高硬度での機械加工はコストが嵩む）。したがって、大量の機械加工を鋼に施さなければならず、かさ高加工硬度が望ましい場合は、国際公開第２０１３／１６７５８０Ａ１号の熱処理を本発明の鋼に施すことが有益である。最終形状に達するために、鋼ブロックの元の重量の１０％超を取り除く必要がある場合に特に有益であり、２６％超を取り除く必要がある場合にさらに有益であり、５４％超を取り除く必要がある場合に一層有益である。その結果、機械加工に関わる大幅なコスト削減を達成することができる。
【００８５】
本発明は、国際公開第２０１３／１６７６２８号に記載される熱処理を適用する際に有効であり、熱処理の後に、望ましくは５００℃超、好ましくは５５０℃、より好ましくは６００℃超、さらに好ましくは６２０℃超の少なくとも１回の焼戻しサイクルを実行することができる。大抵の場合、２回以上のサイクルが望ましく、より好ましくは、合金セメンタイトを分離して、固溶体内にセメンタイトを溶解し、鉄よりも強靱な炭化物構成元素を分離する２回以上のサイクルが望ましい。
【００８６】
あるいは、高温での靱性を必要とする用途では、十分な合金成分の存在と、大半のＦｅ３Ｃを他の炭化物と置き換えて、粗ベイナイトでも高靱性を実現するという適切な焼戻し戦略で課題を解決することができる。ベイナイトの形成に際して、鋼は５００℃超の温度で少なくとも１回の焼戻しサイクルにより焼き戻しされて、セメンタイトの相当量部分が、鉄よりも強靱な炭化物構成元素を含む炭化物様構造によって置き換えられるように確保する。また、ＡｌやＳｉなどの核形成を推進する元素の追加によって粗Ｆｅ３Ｃおよび／または粒界上での粗Ｆｅ３Ｃの沈殿を回避するなど、場合によっては従来の方法を利用することができる。
【００８７】
本発明の方法の別の実施形態では、ベイナイト変態の少なくとも７０％が４００℃未満の温度で実行される、および／または熱処理が５００℃超の温度での少なくとも１回の焼戻しサイクルを含み、強靱な炭化物構成元素炭化物の分離を確保することで、一次炭化物の最終的な存在を例外として、得られた微細構造の大半が粗二次炭化物の最小化によって特徴付けられる。特に、二次炭化物の体積の少なくとも６０％が２５０ｎｍ以下のサイズを有するために、１０  Ｊ  ＣＶＮ以上の靱性が得られる。
【００８８】
本発明の方法の別の実施形態では、組成および焼戻し戦略は、６００℃以上の温度で２時間材料を保持した後でも４７ＨＲｃ超の硬度が得られるように、高温分離二次炭化物型、たとえばＭ４Ｃ３、Ｍ６ＣやＭ２ＣのＭＣ型、ＭＣ様型が形成されるべく選択される。
【００８９】
本発明の鋼は、上述の熱機械的工程後に国際公開第２０１３／１６７５８０Ａ１号の熱処理を施すことで、超高熱伝達率と併せて高靱性を得ることができることが特に興味深い。切欠き感度の意味するところにおいて、５Ｊ  ＣＶＮ超、より好ましくは１０Ｊ  ＣＶ
Ｎ超、さらに好ましくは１５Ｊ  ＣＶＮ超を達成することができる。特に良好に本発明を実行すると、２０Ｊ  ＣＶＮ超、さらに３１Ｊ  ＣＶＮ超の破壊靱性が可能である。
【００９０】
本発明の鋼は、表面硬化処理を施すのに特に適する。中でも窒化処理（プラズマ、ガス・・・）や炭素窒化処理などの拡散工程は薄層厚に適する。溶射技術も適する（プラズマ、ＨＶＯＦ、低温噴射など）。本発明の鋼は、鋼がその用途に合わせて堅い表面を必要とし、窒化または被覆ステップを上述の硬化ステップと一致させるときに特に有益である。
【００９１】
他の場合、最終的な生産コストは、考慮すべき最も重要な点である。上述したように、機械加工ステップが低硬度、通常は４５ＨＲｃ未満、好ましくは４２ＨＲｃ未満、より好ましくは４０ＨＲｃ未満、さらに好ましくは３８ＨＲｃ未満で実行されるため、低温硬化処理は生産コストを大幅に削減する。また、上述の処理は断面に左右されず、工具の全断面にわたって特性を一定に保つことが必要な大型の型にとって大きな利点となる。組成の観点から、ＨｆまたはＷなどの高価な合金元素を使用しないことが望ましい用途では、このような元素は０．５％Ｈｆ未満、好ましくは０．２％Ｈｆ未満、より好ましくは０．０９％未満である、および用途によっては％Ｈｆを含まないことが推奨される。Ｗの価格上昇に応じて、高伝導率および高強度で高合金含有量を要求する用途では、％Ｍｏは４．５％超、より好ましくは４．８％超、さらに好ましくは５．８％超であることが望ましい。このような場合、％Ｗ含有率は、好ましくは３％Ｗ未満、より好ましくは１．５％Ｗ未満に低下させる、用途によっては％Ｗがゼロであることも望ましい。用途によっては、Ｃｅｑは０．１５％超、好ましくは０．１８％超、より好ましくは０．２２％超、さらに好ましくは０．２６％超であることが望ましい。他の場合によっては、Ｃｅｑは、０．６８％未満、好ましくは０．５４％未満、より好ましくは０．４８％未満、さらに好ましくは０．３２％未満であることが望ましい。用途によっては、Ｃは、０．１５％超、好ましくは０．１４％超、より好ましくは０．２４％超、さらに好ましくは０．２８％超であることが望ましい。他の場合によっては、Ｃは、０．７２％未満、好ましくは０．５８％未満、より好ましくは０．４２％未満、さらに好ましくは０．３８％未満であることが望ましい。用途によっては、Ｍｏｅｑは、１．５％超、好ましくは１．８％超、より好ましくは２．２％超、さらに好ましくは２．８％超であることが望ましい。他の場合によっては、Ｍｏｅｑは、５．２％未満、好ましくは４．２％未満、より好ましくは３．６％未満、さらに好ましくは２．８％未満であることが望ましい。用途によっては、Ｍｏは、１．５％超、好ましくは２．１％超、より好ましくは２．９％超、さらに好ましくは３．２％超であることが望ましい。他の場合によっては、Ｍｏは、５．４％未満、好ましくは４．８％未満、より好ましくは３．２％未満、さらに好ましくは２．５％未満であることが望ましい。
【００９２】
本発明の目的は、プラスチック注入成形などのように低コストを要求する用途に適する大断面用の高熱伝達率および超高熱伝達率、高靱性、高微細構造均一性を備える鋼を実現することである。このような場合、本発明を利用すると、コストを非常に大幅に削減することができる。
【００９３】
本発明の別の好適な実施形態によると、鋼、特に高熱伝達率および高耐摩耗性の鋼は以下の組成を有することができ、すべてのパーセントは重量パーセントで表す。
【００９４】
％Ｃｅｑ＝０．１５〜２．０、  ％Ｃ＝０．１５〜０．９、  ％Ｎ＝０〜０．６、  ％Ｂ＝０〜１、
％Ｃｒ＝０〜１１．０、  ％Ｎｉ＝０〜１２、  ％Ｓｉ＝０〜２．５、  ％Ｍｎ＝０〜３、
％Ａｌ＝０〜２．５、  ％Ｍｏ＝０〜１０、  ％Ｗ＝０〜１０、  ％Ｔｉ＝０〜２、
％Ｔａ＝０〜３、  ％Ｚｒ＝０〜３、  ％Ｈｆ＝０〜３、  ％Ｖ＝０〜１２、
％Ｎｂ＝０〜３、  ％Ｃｕ＝０〜２、  ％Ｃｏ＝０〜１２、  ％Ｌｕ＝０〜２、
％Ｌａ＝０〜２、  ％Ｃｅ＝０〜２、  ％Ｎｄ＝０〜２、  ％Ｇｄ＝０〜２、
％Ｓｍ＝０〜２、  ％Ｙ＝０〜２、  ％Ｐｒ＝０〜２、  ％Ｓｃ＝０〜２、
％Ｐｍ＝０〜２、  ％Ｅｕ＝０〜２、  ％Ｔｂ＝０〜２、  ％Ｄｙ＝０〜２、
％Ｈｏ＝０〜２、  ％Ｅｒ＝０〜２、  ％Ｔｍ＝０〜２、  ％Ｙｂ＝０〜２、
残りは、鉄と微量元素からなり、
％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、
％Ｍｏ＋１／２・％Ｗを特徴とする。
【００９５】
上述の鋼は、生産コストを可能な限り低く維持しながら、高熱伝達率の鋼を必要とする鋼にとって特に興味深い。
【００９６】
本発明の工具鋼は、どんな冶金工程でも製造することができ、中でも一般的な工程が、砂型鋳造、ロストワックス鋳造、連続鋳造、電気炉溶融、真空誘導溶融などである。また、粉末冶金工程は、たとえばＨＩＰ、ＣＩＰ、低温または高温圧縮、焼結（液相有りまたは無し）、溶射被覆または熱被覆など、あらゆる種類の微粒子化およびその後の成形と共に使用することができる。合金は、所望の形状で直接取得することができる、あるいは他の冶金工程によって改良することができる。ＥＳＲ、ＡＯＤ、ＶＡＲなどの精製冶金工程も適用することができる。鍛造または圧延は、靱性の向上、さらにはブロックの三次元鍛造のために頻繁に使用される。本発明の工具鋼は、はんだ合金として使用されるバー、ワイヤ、または粉末の形状で実現することができる。さらに、低コスト合金鋼マトリックスを製造することができ、本発明の鋼製のロッドまたはワイヤを溶接することによって、マトリックスの重要部分に本発明の鋼を適用することができる。また、本発明の鋼製の粉末またはワイヤを使用して、レーザプラズマまたは電子ビーム溶着を実行することができる。また、本発明の鋼を溶射技術を用いて使用して、別の材料の表面の一部に適用することができる。自明なことに、本発明の鋼は別相として埋めこまれるときなど、複合材料の一部として使用することができる、あるいは多相材料の相のうちの１つとして取得することができる。また、どんな混合方法であれ（たとえば、機械的混合、磨砕、材料が異なる２つ以上のホッパーでの射出など）、他の相または粒子が埋めこまれるマトリックスとして使用されるときもある。
【００９７】
本発明は、箔押し工具用途の鋼を取得するのに特に適する。本発明の鋼は、プラスチック注入工具に使用されるときに特に良好に機能する。また、ダイカスト用途の工具としても適する。本文書の鋼が関連するもう１つの分野が、シートまたはその他の研磨構成材の延伸および切断である。医療、食物、薬学工具用途でも、本発明の鋼は特に魅力的である。
【実施例】
【００９８】
【表１】
2020111829.tif 000002
2020111829.tif 000003
2020111829.tif 000004
2020111829.tif 000005
【００９９】
【表２】
2020111829.tif 000006
【０１００】
【表３】
2020111829.tif 000007
【０１０１】
【表４】
2020111829.tif 000008
【０１０２】
【表５】
2020111829.tif 000009
【０１０３】
【表６】
2020111829.tif 000010
【０１０４】
【表７】
2020111829.tif 000011
【０１０５】
オーステナイト化温度が１０４０℃〜１１２０℃であることを考慮すると、ｖはフェライト変態がｋ／ｓで発生する冷却速度である。
【０１０６】
【表８】
2020111829.tif 000012
【図１】
2020111829.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月19日(2020.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の組成を有する鋼であって、すべてのパーセントは％ｗｔであり、
％Ｃｅｑが０．１５％以上０．５８％未満であり、 
％Ｃが０．１５％以上０．５８％未満であり、
％Ｎが０以上０．５％未満であり、、  
％Ｂが１ｐｐｍより高く、且つ０．３５％未満であり、
％Ｃｒが０％以上１．８％未満であり、
％Ｎｉ＝０〜１２、  ％Ｓｉ＝０〜２．５、  ％Ｍｎ＝０〜３、
％Ａｌ＝０〜２．５、  ％Ｍｏ＝０〜３．９、  ％Ｗ＝０〜７．８、  ％Ｔｉ＝０〜２、
％Ｔａ＝０〜３、  ％Ｚｒ＝０〜４、  ％Ｈｆ＝０〜３、  ％Ｖ＝０〜１２、
％Ｎｂ＝０〜３、  ％Ｃｕ＝０〜２、  ％Ｃｏ＝０〜１２、  
％Ｍｏｅｑが、１．２％より高く、且つ３．９％以下であり、
％Ｌａ＝０〜２、  ％Ｃｅ＝０〜２、  ％Ｎｄ＝０〜２、  ％Ｇｄ＝０〜２、
％Ｓｍ＝０〜２、  ％Ｙ＝０〜２、  ％Ｐｒ＝０〜２、  ％Ｓｃ＝０〜２、
％Ｐｍ＝０〜２、  ％Ｅｕ＝０〜２、  ％Ｔｂ＝０〜２、  ％Ｄｙ＝０〜２、
％Ｈｏ＝０〜２、  ％Ｅｒ＝０〜２、  ％Ｔｍ＝０〜２、  ％Ｙｂ＝０〜２、
％Ｌｕ＝０〜２、     
残りは鉄と微量元素からなり、
％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６×％Ｎ＋１．２×％Ｂ、および、
％Ｍｏｅｑ＝％Ｍｏ＋１／２・％Ｗであって、
前記鋼の微細構造がベイナイトを５０ｖｏｌ％以上含み、
室温での熱拡散率が１２ｍｍ２／ｓ以上であることを特徴とする微細構造を表わす鋼。
【請求項２】
％Ｗ＜１である、請求項１に記載の鋼。
【請求項３】
％Ｎｉ＜０．７５である、請求項１または２に記載の鋼。
【請求項４】
％Ｃ＞０．３２である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５】
任意の希土類元素（ＲＥＥ）が存在し、％Ｖ＞０．２％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項６】
任意の希土類元素（ＲＥＥ）が存在する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項７】
％Ｂが５９８ｐｐｍ未満である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項８】
前記鋼の前記微細構造が高温ベイナイトを２０％以上含み、高温ベイナイトは、ＴＴＴ図においてベイナイト鼻に対応する温度よりも高い温度で、フェライト／パーライト変態が終了する温度よりも低い温度で形成される微細構造を指し、前記ベイナイト鼻のうちの１つを超える温度での等温処理で小量形成されることがある低温ベイナイトを除く、請求項１〜７のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項９】
％Ｍｏｅｑが２．５％未満である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項１０】
％Ｃｅｑが０．４３％未満である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の鋼。
【外国語明細書】
2020111829000001.pdf