(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金的に製造されたスチール材において、
０．５５〜０．６５重量％のＣ、
０．７〜１．５重量％のＳｉ、
０．１〜１．０重量％のＭｎ、
３．５〜４．５重量％のＣｒ、
１．５〜２．５重量％のＭｏ、
１．５〜２．５重量％のＷ、
１．２〜１．８重量％のＶ、
０〜０．２重量％のＮｂ、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなる
ことを特徴とするスチール材。
【請求項２】
以下の基準、すなわち
０．５７〜０．６３重量％のＣ、
０．８５〜１．２重量％のＳｉ、
０．２〜０．５重量％のＭｎ、
３．７〜４．３重量％のＣｒ、
１．７〜２．３重量％のＭｏ、
１．７〜２．３重量％のＷおよび／または
１．３〜１．７重量％のＶ
を含むという基準の一つ、多数または全てを満足する化学組成を有する請求項１に記載のスチール材。
【請求項３】
不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大０．０５重量％のニオブを含む請求項２に記載のスチール材。
【請求項４】
５００℃までの温度で使用するスチール製品の製造用である請求項１〜３のいずれかに記載のスチール材。
【請求項５】
粉末冶金的に製造されたスチール材の硬化及び焼き戻しにより得られ、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチールであって、
０．５５〜０．６５重量％のＣ、
０．７〜１．５重量％のＳｉ、
０．１〜１．０重量％のＭｎ、
３．５〜４．５重量％のＣｒ、
１．５〜２．５重量％のＭｏ、
１．５〜２．５重量％のＷ、
１．２〜１．８重量％のＶ、
０〜０．２重量％のＮｂ、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり、
スチールマトリクス中で均一に分布しているＭＣカーバイド類を１．５〜２．５体積％含有し、かつ該ＭＣカーバイド類には、バナジウムを含むＭＣカーバイドが含まれる
ことを特徴とするスチール。
【請求項６】
５００℃までの温度で使用するスチールである請求項５に記載のスチール。
【請求項７】
前記ＭＣカーバイド類が、最大径２．０μｍを有する球形または球形状を有する請求項５または６に記載のスチール。
【請求項８】
前記最大径が１．５μｍである請求項７に記載のスチール。
【請求項９】
前記ＭＣカーバイド類の少なくとも９０体積％が０．５μｍより大きく１．５μｍ未満の径を有する請求項７に記載のスチール。
【請求項１０】
以下の基準、すなわち
０．５７〜０．６３重量％のＣ、
０．８５〜１．２重量％のＳｉ、
０．２〜０．５重量％のＭｎ、
３．７〜４．３重量％のＣｒ、
１．７〜２．３重量％のＭｏ、
１．７〜２．３重量％のＷおよび／または
１．３〜１．７重量％のＶ
を含むという基準の一つ、多数または全てを満足する化学組成を有する請求項５〜９のいずれかに記載のスチール。
【請求項１１】
不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大０．０５重量％のニオブを含む請求項１０に記載のスチール。
【請求項１２】
５００℃以下までの温度で使用するスチール製品の製造において、該スチール製品の原料としてスチール材を使用する方法であって、
前記スチール材が、粉末冶金的に製造され、
０．５５〜０．６５重量％のＣ、
０．７〜１．５重量％のＳｉ、
０．１〜１．０重量％のＭｎ、
３．５〜４．５重量％のＣｒ、
１．５〜２．５重量％のＭｏ、
１．５〜２．５重量％のＷ、
１．２〜１．８重量％のＶ、
０〜０．２重量％のＮｂ、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなり、
前記スチール材の焼入れおよび焼き戻し後に得られる前記スチール製品が、スチールマトリクス中で均一に分布しているＭＣカーバイド類を１．５〜２．５体積％含有し、該ＭＣカーバイド類には、バナジウムを含むＭＣカーバイドが含まれる
ことを特徴とするスチール材の使用方法。
【請求項１３】
前記スチール製品が、工具または機械部品である請求項１２に記載のスチール材の使用方法。
【請求項１４】
前記スチール材を軟アニール状態として少なくとも最終近くの前記スチール製品の形状への加工と硬化後における加工品において、５０〜５９ＨＲＣ（ロックウェル硬度）および７×１０×５５ｍｍの寸法を有する非切欠き試験片を用いる衝撃試験で１５０〜３００ジュールの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を有し、
前記スチール製品が、９５０〜１１６０℃のオーステナイト化温度からの前記加工品の焼入れ、室温までの冷却および５４０〜５８０℃での焼き戻しによって得ることができるマルテンサイト中に均一に分布した前記ＭＣカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイトの構造を有する、請求項１２または１３に記載のスチール材の使用方法。
【請求項１５】
前記スチール製品が最大２３０ＨＢ（ブリネル硬度）の硬度を有し、この状態は、８５０〜９００℃での前記スチール材の軟アニーリングとその後の室温までの冷却によって得ることができ、少なくとも軟アニーリング温度から７２５℃までの冷却を５〜２０℃／時の冷却速度での緩やかな制御冷却として行う、軟アニール状態のスチール材における加工による、請求項１４に記載のスチール材の使用方法。
【請求項１６】
前記制御冷却が、最高１０℃／時の冷却速度での緩やかな制御冷却である請求項１５に記載のスチール材の使用方法。
【請求項１７】
前記ＭＣカーバイド類が最大で２．０μｍの最大径を有し、少なくとも９０体積％の該カーバイドが０．５μｍ超かつ１．５μｍ未満の径を有する請求項１２ないし１６のいずれかに記載のスチール材の使用方法。
【請求項１８】
前記ＭＣカーバイド類が、最大で１．５μｍの最大径を有する、請求項１７に記載のスチール材の使用方法。
【請求項１９】
スチール材の製造方法において、
０．５５〜０．６５重量％のＣ、
０．７〜１．５重量％のＳｉ、
０．１〜１．０重量％のＭｎ、
３．５〜４．５重量％のＣｒ、
１．５〜２．５重量％のＭｏ、
１．５〜２．５重量％のＷ、
１．２〜１．８重量％のＶ、
０〜０．２重量％のＮｂ、
残りの量の鉄および通常の量の不純物からなるスチール溶融物を製造し、
該スチール溶融物をガス霧化によって微小化して小滴とし；その小滴を冷却して粉末粒子を形成し；該粉末をシート金属カプセル中にガス気密的に封入し、熱間等圧圧縮によって固化させて完全に密なスチール材を形成する
ことを特徴とするスチール材の製造方法。
【請求項２０】
不純物レベル含有量以下のニオブ、すなわち最大０．０５重量％のニオブを含む請求項１９に記載のスチール材の製造方法。
【請求項２１】
５００℃までの温度で使用する、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチール製品の製造用である請求項１９または２０に記載のスチール材の製造方法。
【請求項２２】
前記スチール製品が、工具または機械部品である請求項２１に記載のスチール材の製造方法。
【請求項２３】
請求項１９〜２２のいずれかに記載のスチール材の製造方法により得られた熱間等圧圧縮体であるスチール材を鍛造および熱間圧延によって熱間加工し；前記スチール材を８５０〜９００℃で軟アニーリングし、制御下での冷却によって室温まで冷却して最大２３０ＨＢ（ブリネル硬度）の硬度とし；前記スチール材をそれの軟アニール状態で少なくとも最終近い形状まで加工し、９５０〜１１６０℃の温度から焼入れし、冷却して室温とし、５４０〜５８０℃で焼き戻し；その熱処理によって前記スチール材から、スチールマトリクス中で均一に分布しているＭＣカーバイド類を１．５〜２．５体積％含有し、該ＭＣカーバイド類には、バナジウムを含むＭＣカーバイドが含まれるスチール製品を得る
ことを特徴とするスチール製品の製造方法。
【請求項２４】
請求項２５に記載のスチール製品の製造方法に従って製造されるスチール製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、高耐摩耗性、高硬度および良好な衝撃強度を有するスチールであって、それらの特性の少なくとも一部が望まれる利用分野での製品製造において、好ましくは少なくとも５００℃までの温度での使用を意図した工具の製造において利用可能なスチールに関する。本発明はさらに、そのスチールの使用、そのスチール製の製品およびそのスチールの製造方法に関するものでもある。
【０００２】
（背景技術）
例えば押出、ダイ鋳造用の成形工具などの高い機械的応力および熱疲労応力に曝される成形工具および機械部品に関して、ならびに鍛造工具、バルブなどに関しては、一般に熱間加工鋼または高速度鋼が使用される。熱間加工鋼の中でもそれは主として、ＡＩＳＩ Ｈ１３型のスチールであり、高速度鋼の中では主としてＡＩＳＩ Ｍ２が主として使用される。いずれも従来品であり、５０年以上前から知られている。Ｈ１３およびＭ２も多くの改良品が提案されており、ある程度は使用されているが、従来のＨ１３およびＭ２スチールがやはりその利用分野では支配的である。
【０００３】
（発明の開示）
本発明の目的は、最も一般的な種類の熱間加工鋼であるＨ１３より良好な耐摩耗性を有するスチールを提供することにある。別の目的は、熱間加工用途における従来型の支配的なスチールと比較して高い硬度および靭性をスチールに持たせることにある。さらに別の目的は、高速度鋼の代表的な特性である、高い高温硬度および高温での焼き戻しに対する耐性を有するようにして、熱間加工鋼としておよびＰＶＤ技術を用いるコーティング用基材として好適な材料とすることにある。しかしながら、その点に関してのさらなる本発明の目的は、Ｍ２型の高速度鋼などの従来の高速度鋼より、タングステンおよびモリブデンなどの高価な合金成分の含有量が低いスチールとすることにある。本発明のさらに別の目的は、軟アニール状態でスチールに良好な作業性を持たせ、さらにはスチールを焼入れ状態で加工（例：研磨）することができるようにすることにある。
【０００４】
上記および他の目的は、スチールを粉末冶金的に製造し、それが添付の請求項１に記載の化学組成を有し、それが１．５〜２．５体積％のＭＣカーバイド類を含有し、Ｍは実質的にバナジウムのみからなり、該バナジウムがスチールのマトリクス中で均一に分布しているということで達成することができる。
【０００５】
スチールの粉末冶金的製造は、公知の方法を適用してスチールを製造することで、好ましくはいわゆるＡＳＰ（登録商標）法を用いることで行うことができる。それには、スチールとなるべき化学組成を有するスチール溶融物を製造する段階がある。溶融金属流のガス霧化、すなわち溶融金属流に向かう不活性ガスのジェットによって溶融金属を細かくして小滴とし、その小滴が急速に冷却されることで固化して、不活性ガスからの自由落下時に粉末粒子を形成することにより、公知の方法で溶融物から粉末が製造される。篩い分けした後、粉末をカプセルに入れ、そのカプセルを低温圧縮し、次に高温・高圧での熱等圧圧縮いわゆるＨＩＰ処理に曝露して最大密度とする。ＨＩＰ処理は代表的には、９００〜１１００ｈＰａ（９００〜１１００バール）の静水圧および１０００〜１１８０℃、好ましくは１１４０〜１１６０℃の温度で行う。
【０００６】
スチールにおける各種合金成分の含有量に関して、以下に説明する。
【０００７】
バナジウムを１．２％以上かつ１．８％以下の含有量で存在させて、炭素とともにスチール中で１．５〜２．５体積％のＭＣカーバイド類を形成させる。粉末冶金的製造法によって、これらのカーバイドが代表的にはマトリクス中で球形もしくは球形状および均一な分布を有する実質的に等しい径の微小含有物の形態を獲得する条件が整う。含有物の最も長い長さで計算したＭＣカーバイド類の最大径は２．０μｍである。より正確には、総カーバイド体積の少なくとも９０％が、最大径１．５μｍのＭＣカーバイド類からなり、より正確にはそれらのカーバイドは０．５μｍ超かつ１．５μｍ未満の径を有する。ＭＣカーバイド類はまた、少量のニオブも含有することができる。しかしながら好ましくは、スチールをニオブと意図的に合金とするのではなく、その場合にはＭＣカーバイド類中のニオブカーバイド要素は無視できるものである。炭素と同様に、少量の窒素をバナジウムと結合させて、本明細書でＭＣカーバイドと称する硬含有物を形成することができる。しかしながら、スチール中での窒素含有量は非常に小さいことから、含有物における窒素成分によって、バナジウムカルボニトリル類という名称を考慮するほどではなく、無視することができる。バナジウムの含有量は好ましくは１．３〜１．７％である。スチール中の公称バナジウム含有量は１．５％である。
【０００８】
スチールには、一方でバナジウムと結合して上記の量でＭＣカーバイド類を形成し、他方で０．４〜０．５％の含有率でスチールのマトリクスに溶解した状態で存在するだけの量で炭素を存在させる。したがって、スチール中の炭素の総含有量は、０．５５〜０．６５％、好ましくは０．５７〜０．６３％とする。公称炭素含有量は０．６０％である。
【０００９】
スチールには、最低０．７％、好ましくは少なくとも０．８５％でケイ素を存在させて、スチールの高温焼入れおよび使用時の焼き戻しに対する耐性に寄与させる。しかしながら、ケイ素の含有量は１．５％を超えてはならず、好ましくは最大１．２％とする。
【００１０】
マンガンは本発明によるスチールにおいて必須の元素ではないが、０．２％〜１．０％の量で、好ましくは０．２％〜０．５％の含有量で存在する。
【００１１】
焼入れおよび焼き戻し後、本発明によるスチールは、熱間加工鋼で通常生じるクロムカーバイド、例えばＭ7Ｃ3−またはＭ22Ｃ6−カーバイドをほとんど含まない。したがって本発明によるスチールは、最大５％のクロム、好ましくは最大４．５％のクロムを含有することができる。しかしながらクロム自体はスチールで望ましい元素であり、最低３．５％、好ましくは少なくとも３．７％の含有量で存在させて、スチールの焼入れ性に寄与させ、モリブデン、タングステンおよび炭素とともに焼入れ状態のスチールのマルテンサイトマトリクスに高速度鋼の特性、すなわち硬度および靭性の良好な組合せを与えるようにする。公称クロム含有量は４．０％である。
【００１２】
モリブデンおよびタングステンの両方を、好ましくはほぼ同等量でスチール中に存在させて、炭素およびクロムとともに、特性について上記で説明したばかりのスチールのマトリクスを与えるようにする。タングステンおよびモリブデンはまた、互いに対して適正な均衡が取れている場合、脱炭を防止する上で役立つ。したがって、モリブデンおよびタングステンはそれぞれ、少なくとも１．５％および最大２．５％の含有量、好ましくは１．７％〜２．３％の含有量で存在させる。公称含有量はモリブデンおよびタングステンのいずれについても２．０％である。
【００１３】
窒素はスチールに意図的には加えないが、１００〜５００ｐｐｍの含有量で含まれ得る。
【００１４】
酸素はスチール中で不可避の不純物であるが、スチールの粉末冶金的製造方法により、２００ｐｐｍまでの量で許容できる。
【００１５】
硫黄およびリンなどの他の不純物が入る場合があり、熱間加工鋼および高速度鋼について正常な量では許容できる。その点はまた、スズ、銅および鉛などの金属の形での不純物にも当てはまり、それらの不純物はオーステナイト状態のスチールでオーステナイトに溶解せず、オーステナイト粒が高温で形成される際に固化後に沈殿し、その不純物はオーステナイト粒径が小さいことから広い表面にわたって分布し、そのためにそれら不純物の濃度は逆に低くなって、不純物は有害なものとはならなくなる。しかしながら本発明によるスチールは代表的には、スズ、銅および鉛という形の金属不純物をそれぞれ、０．１０％、０．６０％および０．００５％を超える量では含有せず、合計でそれらまたは他の望ましくない不純物金属を最大で０．８％を超えて含有しない。
【００１６】
当該スチールを使用する製品は、フライス加工、削孔、旋削、研磨などの切削加工によって、または軟アニール状態のスチールにおけるスパーク加工によって加工して、従来の方法で行うことができる最終に近い形状とすることができる。軟アニール状態で当該スチールは、最大２３０ＨＢ（ブリネル硬度）の硬度を有し、それは８５０〜９００℃でのスチールの軟アニーリングと室温までの冷却によって得ることができ、少なくともその冷却は軟アニーリング温度から７２５℃まで、好ましくは少なくとも７００℃までの冷却であり、５〜２０℃／時の冷却速度、好ましくは約１０℃／時の冷却速度での緩やかな制御冷却として行う。少なくとも７００℃またはそれより低い温度からの室温までの冷却は、空気中での自由冷却によって行うことができる。
【００１７】
焼入れおよび焼き戻し後、本発明によるスチールは５０〜５９ＨＲＣ（ロックウェル硬度）および７×１０×５５ｍｍの寸法を有する非切欠き試験片を用いる衝撃試験で１５０〜３００ジュールの吸収衝撃エネルギーに相当する衝撃強度を有し、９５０〜１１６０℃のオーステナイト化温度からの製品の焼入れ、室温までの冷却および５４０〜５８０℃での焼き戻しによって得ることができるマルテンサイト中に均一に分布した前記ＭＣカーバイド類を含む焼き戻しマルテンサイトの構造を有する。スチールから製造される物を何に用いるか、すなわちスチールの利用範囲に応じて、硬度範囲５０〜５９ＨＲＣで至適硬度が選択される。熱間加工ロール、鍛造工具およびダイスならびにアルミニウム押出用の他の部品などの熱間加工用途では、良好な衝撃強度が望まれることを考慮して、至適硬度範囲は５２〜５８ＨＲＣである。この範囲の硬度はまた、室温または５００℃までの温度で使用する機械部品にも最適となり得る。ただし、その種の製品では５０ＨＲＣまでの硬度低下も許容できる。しかしながら本発明によるスチールは、冷間加工工具および摩耗部品にも使用でき、その場合の至適硬度は５６〜５９ＨＲＣとすることができ、５９ＨＲＣ以下の硬度では衝撃強度がある程度低下する可能性がある。その範囲の望ましい硬度は、「オーステナイト化温度が高いほど硬度が高い」という原理およびそれの逆に従って、９５０〜１１６０℃でオーステナイト化温度を選択することで得られる。
【００１８】
本発明のさらなる特徴および態様は、特許請求の範囲および実施した実験についての以下の記載から明らかである。実施した実験についての以下の説明では、添付の図面について言及する。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
調べたスチール合金の重量パーセントでの化学組成と粉末冶金的に製造された材料の体積パーセントでのＭＣカーバイド類の含有量を表１に示してある。
【００２０】
【表１】
0004703005.tif 000002
【００２１】
ＡＳＰ（ASEA-STORA-Powder）法に従って、以下のように粉末冶金的にスチール合金Ａ〜Ｇを製造した。スチール溶融物の窒素ガス霧化によって、各合金から粉末約３００ｋｇを製造した。直径２００ｍｍ長さ１ｍのシート金属カプセルに、溶接によって粉末約１７５ｋｇを封入した。カプセルを加圧媒体としてのアルゴンガスとともに、高温等圧プレスＨＩＰに入れ、１０００ｈＰａ（１０００バール）および１１５０℃の高圧・高温に約１時間にわたって曝露した。粉末の圧密化いわゆるＨＩＰ処理によって孔のない完全に密にされたスチール体を形成した後、カプセルとその内容物を約９００℃〜約７００℃まで１０℃／時でゆっくり冷却して（軟アニーリング）、鋸引きで加工できるようにした。溶融物からのサンプルからならびにカプセルから鋸引きした材料からの両方についてスチールの化学組成を分析した（表１）。次の段階で、全てのカプセルを直径１００ｍｍまで鍛造し、さらに数段階で鍛造および圧延を行うことで最終寸法９×１２ｍｍとした。
【００２２】
スチール合金Ｈ１３は、改良されたＡＩＳＩ Ｈ１３型の従来法で製造された熱間加工鋼であり、表に最後に示したスチールはＡＩＳＩ Ｍ２型の従来の高速度鋼であった。
【００２３】
スチール合金Ａ〜Ｇから、寸法７×１０×５５ｍｍの多くの試験片を製造した。試験片を、９５０〜１１８０℃の６種類の異なる温度で加熱することで、すなわちその温度で加熱し、室温まで冷却し、５６０℃で１時間を３回にわたって焼き戻すことで硬化させた。そして非切欠き試験片の硬度および衝撃強度を室温で測定した。結果を表２および表３ならびに図１の図に示した。
【００２４】
【表２】
0004703005.tif 000003
【００２５】
【表３】
0004703005.tif 000004
【００２６】
表２および３ならびに図１から、広い硬度範囲、詳細には特に興味深い硬度範囲のスチール合金Ｇについて、特に熱間加工用途とある程度は冷間加工工具ならびに摩耗部品について、すなわちそれぞれ硬度範囲５２〜５８ＨＲＣおよび５６〜５９ＨＲＣについて、良好な衝撃強度があることが明らかである。スチール合金Ｆが広い硬度範囲でさらに良好な硬度と衝撃強度の組合せを有すると言えるが、他方でそのスチールはＭＣカーバイド含有量がわずか１．７％であって、低すぎるために所望の耐摩耗性が得られない。
【００２７】
１０００〜１１００℃の３種類の異なる温度で焼入れし、５４０℃で１時間３回焼き戻した後の同じスチール合金についても、硬度と衝撃強度を測定した。これら補足の測定の結果を表４および５に示してあるが、それによって若干高めの温度での焼き戻しを含む加熱処理からの傾向が確認される。
【００２８】
【表４】
0004703005.tif 000005
【００２９】
【表５】
0004703005.tif 000006
【００３０】
基準材料Ｈ１３およびＡＩＳＩ Ｍ２について耐摩耗性を測定し、１１５０℃の温度から硬化させ、５６０℃で１時間、３回焼き戻した後に５８ＨＲＣの硬度を獲得した本発明によるスチールすなわちスチール合金Ｇの耐摩耗性と比較した。耐摩耗性測定は、乾燥ＳｉＯ2紙００型、滑り速度０．３ｍ／秒、負荷９Ｎ、サンプル寸法３×５×３０ｍｍでのピンオンディスク試験で行った。図２に示した図から明らかなように、本発明による材料である合金Ｇは、公知の熱間加工スチールＨ１３よりかなり良好な耐摩耗性を有していた。ＡＩＳＩ Ｍ２について最も高い耐摩耗性が認められたが、高速度鋼ＡＩＳＩ Ｍ２中の適正な合金元素の含有量がかなり高いことを考慮すると、合金Ｇと比較した差はかなり小さい。
【００３１】
合金ＧおよびＨ１３に関しては、焼き戻しに対する耐性すなわち硬度の温度および時間に対する依存性も調べた。試験は５５０℃および６００℃で１〜１００時間にわたって行った。結果は図３および図４の図に示してあり、その図から、合金Ｇにおける硬度の経時的低下が、合金Ｈ１３より緩やかであることがわかる。
【００３２】
合金Ｇについての光学顕微鏡試験では、ＭＣカーバイド類以外のカーバイドは認めることができず、２．０μｍより大きいＭＣカーバイドも認められなかった。光学顕微鏡検査で観察することができたカーバイド類のうち、少なくとも９０体積％が０．５μｍより大きく１．５μｍ未満の粒径のものであると判断された。
【図面の簡単な説明】
【図１】  調べた多くのスチールに関して室温での衝撃強度−硬度を図の形で示したものである。
【図２】  本発明によるスチールと１対の基準材料の硬度に対する耐摩耗性を示す図である。
【図３】  スチール合金ＧおよびＨ１３に関する５５０℃での耐焼き戻し性を示す図である。
【図４】  スチール合金ＧおよびＨ１３に関する６００℃における耐焼き戻し性を示す図である。
【図１】
0004703005.tif 000007
【図２】
0004703005.tif 000008
【図３】
0004703005.tif 000009
【図４】
0004703005.tif 000010