(57)【要約】  質量百分率で、炭素０．５〜２．０％と、クロム１．０〜１０．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物７．０〜１４．０％と、ニオブ０．５〜３．５％と、バナジウム０．５〜３．５％と、コバルト８％未満と、実質的に鉄および準備工程における不可避不純物である残部とからなる合金元素組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置換でき、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置換できる「乾燥組成を有する硬質合金」。炭化物を微細化するための選択肢として、本発明の鋼は、０．０３０％未満に制御された窒素含量、および含量０．００５〜０．０２０％のセリウムまたは他の土類元素の添加を有することができる。同じ目的で、任意で、珪素およびアルミニウムを、共に０．５〜３．０％の含量で添加することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量百分率で、炭素０．５〜２．０と、クロム１．０〜１０．０と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物７．０〜１４．０と、ニオブ０．５〜３．５と、バナジウム０．５〜３．５と、コバルト８未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムと置換することができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置換できることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２】
質量百分率で、基本的に、炭素０．８〜１．５％と、クロム３．０〜７．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．５〜１１．５％と、ニオブ１．０〜２．５％と、バナジウム１．０〜２．５％と、コバルト５．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置換することができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置換できることを特徴とする請求項１に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３】
質量百分率で、基本的に、炭素０．８〜１．５％と、クロム３．０〜７．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．５〜１１．５％と、ニオブ１．５〜２．３％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト５．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムと置換でき、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置換できることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項４】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト２．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項５】
質量百分率で、基本的に、炭素１．０〜１．２％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン３．０〜４．０％と、モリブデン２．８〜４．０％と、ニオブ１．６〜１．９％と、バナジウム１．５〜２．０％と、コバルト１．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項６】
質量百分率で、コバルトを１．０〜１０．０％有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項７】
質量百分率で、コバルトを３．０〜７．０％有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項８】
質量百分率で、コバルトを４．０〜６．０％有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項９】
質量百分率で、セリウムを０．００５〜０．２０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素並びにＬａ、Ａｃ、ＨｆおよびＲｆ元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１０】
質量百分率で、セリウムを０．００５〜０．２０有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期律表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１１】
質量百分率で、セリウムを０．０１０〜０．１０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期律表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合」。
【請求項１２】
質量百分率で、セリウムを０．０３０〜０．０７０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１３】
質量百分率で、窒素を０．０３０％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１４】
質量百分率で、窒素を０．０１５％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１５】
質量百分率で、窒素を０．０１０％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１６】
質量百分率で、基本的に、炭素０．８〜１．５％と、クロム３．０〜７．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．５〜１１．５％と、ニオブ１．５〜２．３％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト５．０％未満と、セリウム０．００５〜０．２０％と、窒素０．０２０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置換でき、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブで置換でき、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期律表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１７】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト２．０％未満と、セリウム０．０１０〜０．１０％と、窒素０．０１５％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１８】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト３．０〜７．０％と、セリウム０．０１０〜０．１０％と、窒素０．０１５％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置換でき、周期律表のランタノイド族またはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１９】
質量百分率で、マンガンを最大０．５、アルミニウムを最大０．２、燐を最大０．０４、硫黄を最大０．００５、窒素を最大０．０１有することを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２０】
質量百分率で、アルミニウムを０．５〜３．０％有することを特徴とする請求項１から請求項１９までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２１】
質量百分率で、アルミニウムを０．８〜１．７％有することを特徴とする請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載された「乾燥組成を有する硬質合金」。
【請求項２２】
質量百分率で、珪素を０．５〜３．０％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２３】
質量百分率で、珪素を０．８〜１．２％有することを特徴とする請求項１から請求項２２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２４】
質量百分率で、アルミニウムを０．５〜２．５％、珪素を０．８〜２．５％有することを特徴とする請求項１から請求項２３までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２５】
質量百分率で、アルミニウムを０．８〜１．７％、珪素を０．８〜１．２％有することを特徴とする請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２６】
質量百分率で、Ｔｉ１部がバナジウム１部またはニオブ０．５部に相当し、ＴａまたはＺｒ１部がバナジウム２部またはニオブ１部に相当する比で、元素ニオブまたはバナジウムを部分的または完全に置換した元素チタン、ジルコニウムまたはタンタルを有することを特徴とする請求項１から請求項２５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２７】
切削および機械加工工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項２６までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２８】
手動機械または鋸において使用される鋸において使用され、前記鋸は、高速度鋼によって完全に形成されており、またはバイメタル型であり、前記バイメタル型は、高速度鋼のみでできた刃部からなることを特徴とする請求項１から請求項２７までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２９】
螺旋ドリル、フライス盤、タップ、ダイスなどの回転切削工具、および金属材料または他の材料を機械加工するために使用される他の工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項２８までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３０】
低生産性工業用工具、家庭用工具などの期待実用寿命が短い機械加工工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項２９までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３１】
自動車部品、一般機械部品などの機械用部品において使用されることを特徴とする請求項１から請求項３０までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３２】
熱間整形、冷間整形によって得られる最終製品、または粗鋳造条件で直接に使用される製品上への従来の鋳造、連続鋳造、または合金断片化および凝集を含む工程、とりわけ、粉末冶金、粉末の噴射および溶射整形によって製造されることを特徴とする請求項１から請求項３１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３３】
熱間整形、冷間整形によって得られる最終製品、または粗鋳造条件で直接に使用される製品上への従来の鋳造、連続鋳造工程によって製造されることを特徴とする請求項１から請求項３２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具および機械加工工具に使用される硬質合金であって、合金元素としてバナジウムおよびニオブを使用することを主な特徴とする硬質合金を対象とする。したがって、この硬質合金は、コストの高いタングステンおよびモリブデン合金元素の含量をより少なく使用することを可能にする。そのマイクロ組織様態に基づく綿密な合金設計は、本発明合金が、切削工具において使用される従来の硬質合金と同等の特性を有すること、加えて、合金のコストをかなり低減化することを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
本発明合金の用途として意図されている切削工具は、多数の機械加工作業で使用されている。このような工具の主な例は、現在このような材料の世界消費の大部分を占めるドリルである。他の重要な工具は、グラインダー、タップ、タック（ｔａｃｋ）、鋸（のこぎり）および工具刃である。このような用途に使用される合金は、いくつかの特性を有する必要があり、以下の３つが最も重要である：摩耗および引裂き抵抗性、高い機械加工温度に対処する耐熱性、および、工具の切削領域の割れまたは破断を防ぐ靭性。
【０００３】
金属機械産業はこの種の工具の最大の消費者である。生産歩留りが最も高い最新の機器は現在、ドリルを主として使用する穿孔作業において、硬質合金に加えて、炭化物ベースの材料を用いて作られた大量の工具を利用している。この材料は、金属セラミック化合物に分類することができる。この材料は、摩耗および引裂きの観点から寿命をかなり延ばすが、コストがかなり高い。一方、例えばアルミニウムまたは他の非鉄合金の穿孔、木材の切断、低歩留り機械加工および同様に重要な家庭での使用など、複雑さの低い作業には主に、硬質鉄基合金が使用される。また、硬質金属のより大きなもろさは、振動によって引き起こされる高い破壊感度をもたらし、したがって、古い機器におけるそれらの使用、およびタップなどのある特定の種類の工具におけるそれらの使用を妨げる。
【０００４】
したがって、切削工具においては、それらの機械およびトライボロジ特性、並びに同じように重要な、硬質金属工具に比べて高いそれらのコスト競争力のために、硬質鉄合金が広く使用されている。しかしながら、鋼および鉄合金の世界的な高消費は、このような合金のコストをかなり増大させた。例えばドリルについては、そのコストの大部分は原材料費、すなわちドリルを製造するために使用される合金のコストによる。したがって、合金コストの増大は、硬質金属の使用、或いは低合金、低性能の鋼に移行するいくつかの状況において、このような材料の競争力を低下させる。
【０００５】
切削工具用の硬質合金の代表例は、ＡＩＳＩ  ＭまたはＡＩＳＩ  Ｔシリーズの組成物であり、ＡＩＳＩ  Ｍ２鋼が最も重要である。より大きな歪を必要とする工具に対してはコバルト合金が使用される。Ｍ４２およびＭ３５鋼がこのクラスの主な例であり、主としてＭ４２鋼が使用されている。これらの合金の基本化学組成を表１に示す。タングステン、モリブデン、バナジウムおよびコバルト元素が最も重要であり、これらの元素は、大部分合金の最終コストに寄与する。このような元素の費用効果を２００６年６月の合金コストによって標準化したものが、表２に示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、工業生産が実行可能であり、コストの高い合金元素の含量を低下させる必要性を満たすことができ、同等の性能を有する新たな硬質合金組成物が求められていることは明らかである。Ｍ２鋼は、最も重要な主要材料であり、それに代わる合金の開発が必要である。コバルトに関係した組成物については、Ｍ４２が、置き換えられるべき主材料であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明合金はこのような全ての必要性を満たす。
【０００８】
表１：従来技術の合金。質量および残部としての鉄の百分率に従って、主合金元素のみが示されている。式Ｍｏ＋０．８Ｖ＋０．６Ｗ＋０．６Ｃｏによって元素の費用効果の和が計算されており、２００６年４月のそれぞれの元素のコスト関連レートがモリブデンの１％コストに対して標準化されている。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
切削工具に使用される硬質鉄合金の特性は、それらのマイクロ組織中に存在する炭化物が、ミクロン程度の大きな非固溶炭化物であるのか、または、ナノメートル程度の非常に細かな炭化物であるのかに密接に関係する。前者は、材料の摩耗および引裂き抵抗性に関して重要であり、後者は、熱処理後の硬度および耐熱性を提供する。このような炭化物の形成におけるこれらの合金元素の挙動を徹底的に調べ、従来の概念に関して変更を加えた。その目的のため、本発明は合金元素としてニオブを利用し、それによってモリブデン、タングステンおよびバナジウムの総量を低減化する。
【００１１】
しかしながら、この仕事は、従来の合金元素の置換に重点を置いたものではない。いくつかの材料科学／化学分野の多くの論文で、同様の特性を有する合金元素による置換が試みられている。本発明に関連する重要な例は、周期律表の４Ｂ族および５Ｂ族の元素、すなわち、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルである。これらの元素は類似する原子構造を有するため、多くの状況では、これらの元素が類似の効果を与える。しかしながら、切削工具用の硬質合金ではかなりの違いが生じる。バナジウムはこれらの材料に対して広く使用されており、バナジウムがニオブで置換されると、バナジウムの重要な有益効果、特に二次硬化に関する効果が失われる。したがって、本発明合金はバナジウムをあまり含まない。バナジウムはニオブに置換されず、むしろ同時に添加される。
【００１２】
バナジウムとは違い、ニオブは、二次硬化をほとんど引き起こさないが、一次炭化物は非常に容易に生じる。このような炭化物は、従来の硬質合金において形成される他の一次炭化物よりもはるかに高い硬度を有するＭＣ型炭化物である。結果的に、他の一次炭化物形成元素、主にタングステンおよびモリブデンの含量を減らすことができ、これが、Ｍ２合金に取って代わることを目的とする本発明の原理である。Ｍ４２の代替としては、他の高コスト元素であるコバルト含量の低減を促進するため、最も有効なニオブの一次炭化物を同様に使用した。
【００１３】
最良の合金の定義を提供することに加えて、本発明は、その材料の工業生産にも関係する。より重いインゴットでは、ニオブが、このような合金中に通常存在する炭化物よりもかなり大きな粒径を有する一次炭化物を形成しやすい。英語文献においてそれらの炭化物は塊状炭化物として知られている。このような炭化物がより分散した場合には、より高い摩耗および引裂き抵抗性を助長すると思われるため、塊状炭化物は、ニオブの有益効果を低下させる可能性がある。粗大な一次炭化物はさらに、研削性、靭性などこれらの合金の他の特性を低下させる。したがって、本発明の他の目的は、凝固時の炭化ニオブの核形成機構に作用し、したがって最終製品における炭化ニオブの微細化を助長することである。
【００１４】
上記の条件を満たすため、本発明合金は、質量百分率で、以下のものからなる合金元素を含む：
０．５〜２．０％のＣ、好ましくは０．８〜１．５％のＣ、代表的には１．０％のＣ。
１．０〜１０．０％のＣｒ、好ましくは３．０〜７．０％のＣｒ、代表的には４．０％のＣｒ。
比Ｗｅｑ＝Ｗ＋２Ｍｏによって得られる７．０〜１４．０％のＷｅｑ（タングステン当量）、好ましくは８．５〜１１．５％のＷｅｑ、代表的には１０．０％のＷｅｑ。
０．５〜３．５％のＮｂ、好ましくは１．０〜２．５％のＮｂ、代表的には１．７％のＮｂ。Ｎｂは、Ｎｂ１．０％がＶ０．５％に相当するような比に従って部分的にＶに置換でき、或いは、Ｎｂ１．０％がＴｉ０．５％またはＺｒ若しくはＴａ１．０％に相当するような比に従って、部分的または完全にＺｒ、ＴｉおよびＴａに置換できる。
０．５〜３．５％のＶ、好ましくは１．０〜２．５％のＶ、代表的には１．８％のＶ。Ｖは、Ｎｂ１．０％がＶ０．５％に相当するような比に従って部分的または完全にＮｂに置換できる。ＶがＮｂに置換される場合には、合金の最終的なＮｂ含量をその比に従って計算し、次いでこれを、既存の合金特定含量に加えなければならない。
【００１５】
後述するように、本発明合金にアルミニウムと珪素を同時に添加し、炭化物の微細化に関する利点を与えることができる。しかしながら、合金製造および提供されるより高い硬度に関してより容易であるため、本発明合金では、アルミニウムを含まない組成物も製造することができる。したがって、アルミニウムおよび珪素含量は、質量百分率で、以下のように添加しなければならない。
・その他の元素としてＡｌおよびＳｉを有する組成物に対して、最大１．０％のＡｌおよび最大１．０％のＳｉ、好ましくは最大０．５％のＡｌおよびＳｉ、代表的には最大０．２％のＡｌおよびＳｉ。このような場合、ＡｌおよびＳｉは介在物として取り扱われなければならない。
・マイクロ組織の微細化のためにＡｌおよびＳｉを必要とする組成物に対して、０．２〜３．５％のＡｌまたはＳｉ、好ましくは、０．５〜２．０％のＡｌまたはＳｉ、代表的には１．０％のＡｌまたはＳｉ。
【００１６】
後述するとおり、上記の組成物にさらにコバルトを添加して、特性に関する追加の利益を提供し、さらに、Ｍ４２などのコバルト関連材料の代替材料とすることができる。したがって、コバルト含量は、意図される用途に応じて、本発明合金に対して任意である。
・添加する場合、コバルトは以下のように添加されなければならない：１．０〜１０．０％のＣｏ、好ましくは３．０〜７．０％のＣｏ、代表的には５．０％のＣｏ。
・よりコストの低い合金、すなわち、Ｍ２など従来の通常合金に取って代わることが意図された合金では、コバルト含量が最大８．０％、好ましくは最大５．０％のＣｏ、代表的には最大０．５０％のＣｏでなければならない。
【００１７】
インゴットの工業生産において重要な炭化ニオブの微細化のため、本発明合金は、以下の制御を有することができる。それらの制御は、全ての用途に対して必ずしも必須ではなく、したがって合金に対して必須というわけではない：
・最大０．０３０％のＮ、好ましくは最大０．０１５％のＮ、代表的には最大０．０１０％のＮ。
・０．００５〜０．２０％のＣｅ、好ましくは０．０１〜０．１０％のＣｅ、代表的には０．０５０％のＣｅ。残りの元素は希土類である。希土類元素は、周期表のランタノイド族またはアクチノイド族元素、およびＬａ、Ａｃ、ＨｆおよびＲｆ元素である。
【００１８】
残部としての鉄および製鋼所工程においては不可避の金属または非金属介在物。このような非金属介在物は、限定はされないが、質量百分率で、以下の元素を含む：
最大２．０％のＭｎ、好ましくは最大１．０％のＭｎ、代表的には最大０．５％のＭｎ。
最大２．０％のＮｉ、好ましくは最大１．０％のＮｉ、代表的には最大０．５％のＮｉ。
最大２．０％のＣｕ、好ましくは最大１．０％のＣｕ、代表的には最大０．５％のＣｕ。
最大０．１０％のＰ、好ましくは最大０．０５％のＰ、代表的には最大０．０３％のＰ。
最大０．２０％のＳ、好ましくは最大０．０５０％のＳ、代表的には最大０．００８％のＳ。
【００１９】
上記の新たな材料組成物の細目の理由を以下に示し、それぞれの合金元素の効果を説明する。百分率は質量百分率である。
【００２０】
Ｃ：炭素は、熱処理に対する反応、マルテンサイト硬度、一次炭化物の形成、および焼戻し時に析出する二次炭化物の主因である。焼入れ後、残留オーステナイトの存在が過大にならないように、また、過度に粗大な一次炭化物の形成を防ぐために、炭素含量は２．０％以下、好ましくは最大１．５％でなければならない。しかしながら、炭素含量は、一次炭化物の形成、主としてニオブに結合したときの一次炭化物の形成、並びに焼戻し時の二次炭化物の形成のために十分でなければならず、焼入れ後にマルテンサイト硬化を提供しなければならない。したがって、炭素含量は０．５％を下回ってはならず、０．８％超であることが好ましい。
【００２１】
Ｃｒ：クロムは、切削工具において使用される硬質合金にとって、焼入れ性を助長するため、すなわち過度な急冷を必要とすることなくマルテンサイトを形成するために非常に重要である。さらに、大きな合金片に対して均一の硬度を提供するためにも重要である。これらの効果のために、本発明合金では、１％超、代表的には３％超の含量でクロムが添加されなければならない。しかしながら、クロム含量が高すぎると、Ｍ７Ｃ３型の粗大な炭化物が形成され、したがって研削性および靭性が低下する。したがって、合金は、１０％未満、代表的には７．０％未満のクロム含量を有していなければならない。
【００２２】
ＷおよびＭｏ：タングステンとモリブデンは、従来の硬質合金において非常によく似た挙動を示し、多くの場合、相互に交換可能である。このような合金では、タングステンおよびモリブデンが２つの効果を有する：１．完全にまたは部分的にＭ６Ｃ型炭化物に変換され、焼入れ中にほとんど固溶しないＭ６ＣまたはＭ２Ｃ型の共晶炭化物を形成する。一次炭化物とも呼ばれるこのような炭化物は、摩耗および引裂き抵抗性にとって重要である。２．かなりの量のタングステンおよびモリブデンが二次炭化物を形成し、それらはオーステナイト化中に固溶し、焼入れ後の焼戻し中に、非常に微細な二次炭化物として再析出する。タングステンおよびモリブデンのこれらの２つの効果は両方ともに重要であり、これらの元素をほぼ同量消費する。例えばモリブデン６％およびタングステン５％を含むＭ２合金では、オーステナイト化および焼入れの後、それらの約半分が固溶状態にあり、残りの半分が非固溶炭化物としての状態を保つ。本発明合金では、一次炭化物の形成のためというよりはむしろ主として二次硬化を意図した含量で、モリブデンおよびタングステンが添加される。後述するように、一次炭化物を形成する役割はニオブが担う。したがって、従来の合金においては一次炭化物を形成するように意図されるタングステンおよびモリブデンの量が節約され、これにより合金のコストがかなり低減される。
【００２３】
Ｖ：バナジウムは、一次炭化物の形成および焼戻し時の二次析出に関して、モリブデン、タングステンと同じくらい重要である。Ｍ２合金に関しては、この元素の含量を事実上不変とした。これが、これらの材料において、二次析出に対するバナジウムの効果が極めて重要な理由であり、これは、融合に対するバナジウム炭化物の抵抗性が非常に高く、したがって、バナジウム炭化物が、切削工程で発生する高温に対する材料の抵抗性にとって決定的に重要なためである。Ｍ２鋼中にはバナジウムの一次炭化物があまり存在しない。しかしながら、これらの炭化物は、（モリブデンおよびタングステンが富有化された）Ｍ６Ｃ型炭化物よりもはるかに高い硬度を有するＭＣ型の炭化物であり、より大きな摩耗および引裂き抵抗性を提供する。したがって、材料の摩耗および引裂き抵抗性に対するＭＣ型炭化物の重要性を考慮して、本発明合金では、オーステナイト化中に固溶しない過剰なバナジウムを低減化することはしなかった。さらに、バナジウムは、オーステナイト化中のオーステナイト粒の成長の制御において重大な影響を有する。このような全ての効果に対して、バナジウム含量は０．５％以上、好ましくは１．２％超でなければならない。過度に粗大な炭化物を形成させないため、また、合金コストを過度に増大させないために、バナジウムの最大含量を制御しなければならず、バナジウムの最大含量は３．５％未満、好ましくは２．５％未満であるべきである。したがって、本発明合金では、後述するように、バナジウム含量がニオブによって置換されない。この合金の概念は、この点をはるかに超えており、形成される一次および二次炭化物からみて全く異なる構成である。
【００２４】
Ｎｂ：共晶または一次炭化物となりうるＭＣ型炭化物を形成するニオブの効果は、本発明合金にとって決定的に重要である。このような炭化物は、モリブデンおよびタングステンが富有化された約１５００ＨＶの硬度を有するＭ６Ｃ型の一次炭化物よりも高い、約２４００ＨＶという高い硬度を示す。Ｍ６Ｃ型炭化物は、Ｍ２鋼などの従来の合金の主炭化物である。本発明では、モリブデンおよびタングステン含量の低減によってこれらの炭化物の体積が低下するが、それらの炭化物は、ニオブの導入によって形成される炭化物によって補充される。
【００２５】
それらの高い硬度に加えて、炭化ニオブは、一次または共晶炭化物へのそれらの凝固からみれば、炭化モリブデンおよび炭化タングステンの共晶反応の前に、スプライン（ｓｐｌｉｎｅ）の形態のより低い濃度を有する。例えばＭ２鋼では、Ｍ６Ｃ型炭化物が、共晶反応において形成されたＭ２Ｃ炭化物の分解に由来し、したがって、歯間隙内に高濃度に濃縮される。金属形成の後、炭化物は、この方向のき裂および断片を可能にするスプラインとして配置される。したがって、ニオブの添加およびタングステンおよびモリブデンの低減は、よく分散された高硬度の炭化物を提供し、したがって非常に望ましい。炭化ニオブは高温で形成され、それらは形成される最初の炭化物であるが、炭化バナジウムとは違い、モリブデンおよびタングステンをあまり大量には固溶しない。したがって、これらの元素の含量は、Ｍ２合金よりも低いが、二次硬化に対して完全に使用可能である。
【００２６】
Ｍ４２合金などのより合金化された金属では、炭化ニオブが、非常に大きな摩耗および引裂き抵抗性を提供し、したがってコバルト含量の低減も可能にする。この変更によって硬度も低下するが、炭化ニオブの有益効果のため、工具の性能は依然として高い。
【００２７】
本発明合金におけるニオブ導入の最終的な成果は、以下の３点にまとめることができる：１．ニオブは、合金の残りの元素をわずかに固溶し、高い硬度を有し、熱間成形後に均一に分布する炭化物を形成する。このような態様は全て、摩耗および引裂き抵抗を向上させる。２．その結果、タングステンおよびモリブデン一次炭化物を無視することができ、これにより、切削工具において使用される合金中の最も高コストの元素であるこれらの元素の総量を低減することができる。３−Ｍ４２などのコバルト関連材料では、コバルト元素の含量を低減化することができる。この変更は、熱処理後の硬度を低下させるが、存在する炭化ニオブのため、摩耗および引裂き抵抗性および工具性能は依然として高い。
【００２８】
全てのこのような効果に関して、ニオブ含量は最低でも０．５％、好ましくは１．０％超でなければならない。しかしながら、ニオブ含量が高すぎると、過度に粗大な炭化物が形成され、これにより材料の靭性および研削性が低下する可能性がある。その結果、ニオブ含量は３．５％未満、好ましくは２．５％未満でなければならない。
【００２９】
Ｎ：本発明合金の製造では、任意で窒素を制御することができる。多くの状況では、これらの材料の工業生産が、製品の品質にとって受け入れがたい粗大な炭化物を最終棒鋼中に形成させる。そのような場合には、ニオブの一次炭化物の凝固、具体的にはニオブの一次炭化物の核形成に作用することが極めて重要である。ニオブを含む４Ｂ族および５Ｂ族元素は、高温で非常に安定な亜硝酸塩を形成する。このような亜硝酸塩は、ＭＣ型炭化物の凝固のための核、したがって炭化ニオブの核の役目を果たす。さらに、ＭＣ型炭化物の形成が早く起こるほど、それらの成長に使用可能な時間は長くなる。ＭＣ型炭化物の成長は共晶温度に達したときにはいつでも起こる。したがって、ニオブの一次炭化物の濃縮の問題を解決する可能な方法は、合金の総窒素含有量を低減させ、これにより炭化ニオブの核形成物質を除去することである。電炉製鋼所による生産では、窒素含量が可能な限り低くなければならず、窒素含量は０．０２５％未満であることが望ましく、０．０１５％未満であることが好ましく、０．０１０％未満であると最適である。
【００３０】
Ｃｅおよび希土類元素：セリウムおよびランタニドまたはアクチニド族の他の希土類元素も炭化ニオブの微細化に作用しうる。このような元素は高温でオキシニトライトを形成し、したがって液体金属中の遊離窒素を低減化する。これらは、窒素含量、次いでニオブの一次炭化物の核形成亜硝酸塩を低減化する第２の方法として機能する。最終結果は、炭化物を微細化し、それらの工業生産を容易にするより強い方法である。
【００３１】
ＳｉおよびＡｌ：炭化ニオブをより微細化する方法として、珪素含量の増大と同時に、アルミニウム添加を試験した。これはある程度の微細化をもたらすが、これらの元素は、熱処理後の硬度を低下させる。したがって、これらの元素は、炭化物の粒径の制御との関係が、上記の元素によって、すなわちセリウムの添加および窒素の低減によって実行可能でない場合にのみ使用されなければならない。このような場合、アルミニウムおよび珪素含量は最低でも０．５％でなければならず、１．０％以上であることが好ましい。しかしながら、高い酸化および介在物を形成する傾向のため、またフェライトに対して引き起こされる硬化のため、これらの元素の最大含量は３．５％未満でなければならず、代表的には２％未満である。
【００３２】
残渣：他の元素、例えばマンガン、ニッケル、銅、および液体鋼生成工程の標準残留物として通常得られる元素は、製鋼所での脱酸素工程に関係した、またはこの製造工程に固有の介在物とみなさなければならない。したがって、マンガン、ニッケルおよび銅含量は、このような元素によって引き起こされる残留オーステナイト形成の増大を考慮して、１．５％、好ましくは２．０％未満に制限される。粒の輪郭線および他の界面には燐および硫黄が偏析し、したがって、燐は、０．１０％未満、好ましくは０．０５％未満でなければならず、硫黄は０．２０％未満、好ましくは最大０．０５０％でなければならない。
【００３３】
前述の合金は、鋼粉末加工、溶射成形、連続鋳造などの従来のまたは特殊な工程によって、圧延または鍛造された製品の形態で、ワイヤロッド、ブロック、バー、ワイヤ、プレート、ストリップなどの製品として製造することができる。
【００３４】
以下において、添付図面を見ながら実施された試験に関する説明を行なう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術のＥＴ１合金溶融物（ａｌｌｏｙ  ｆｕｓｉｏｎ）の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステンおよびモリブデン元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図２】従来技術のＥＴ２合金溶融物の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステンおよびモリブデン元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図３】本発明のＰｌ１合金溶融物の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステン、モリブデンおよびニオブ元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図４】本発明のＰｌ２合金溶融物の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステン、モリブデンおよびニオブ元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図５】本発明のＰｌ３合金溶融物の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステン、モリブデンおよびニオブ元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図６】本発明のＰｌ４合金溶融物の未処理マイクロ組織、並びにバナジウム、タングステン、モリブデンおよびニオブ元素のＸ線マッピングを示す図である。このようなマッピングでは、点密度が高いほど、化学元素の相対濃度も高い。マイクロ組織は電子走査顕微鏡法（ＭＥＶ）二次電子によって、Ｘ線マッピングはＷＤＳによって得た。
【図７】それぞれの曲線の右上隅に示された２つのオーステナイト化温度について、合金の焼戻し曲線を示す図である。示された温度の５分間のオーステナイト化、油焼入れおよび２時間の二重焼戻しを施した断面が８ｍｍの試験片に対する結果である。全ての処理は真空下で実施された。
【図８】ＥＴ１、ＥＴ２、Ｐｌ１、Ｐｌ２およびＰｌ３合金に対する穿孔試験の結果を示す図である。主な試験応答は、工具が故障するまでに実行されたドリルの数であり、それらの値は棒グラフによって示されており、それらの偏差は誤差バーで示されている。試験条件：４１±１ＨＲＣまで改良された４３４０ドリリング、６００ｒｐｍ回転、切削速度１３．５６ｍ／分、進み０．０６ｍｍ／回転。
【図９】粗凝固組織における、Ｐｌ１合金中のセリウム添加および窒素含量低減の効果をまとめた図である。表７に示されているように、残りの元素は事実上一定とした。５００ｇのインゴットからの粗凝固状態の約４０ｍｍの丸い平均断面の試料。ダイヤモンドおよびアルミナで研摩しただけの金属組織に対する作用のない半半径断面（ｓｅｃｔｉｏｎ  ｈａｌｆ−ｒａｄｉｕｓ）の代表的領域の光学顕微鏡写真。
【図１０】従来技術のＥＴ１およびＥＴ２合金並びにＰｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金の未処理凝固マイクロ組織を光学顕微鏡法によって比較した図である。５５ｋｇの試験インゴット・ベースの領域。ダイヤモンドおよびアルミナで研摩しただけの金属組織学的アタックのない代表的顕微鏡写真。
【図１１】４％ナイタールでのディープ・アタック後の硬度ピークにある焼入れおよび焼戻しされた状態のＥＴ１、ＥＴ２、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金の代表的なマイクロ組織を比較した図である。約５００倍。
【実施例】
【００３６】
「例１」
本発明合金組成物を定義するため、いくつかの合金を製造し、当技術分野に含まれる従来技術の合金と比較した。化学組成を表２に示す。以後、本発明合金をＰ１と呼び、従来技術の合金をＥＴと呼ぶ。ＥＴ１合金はＭ２鋼に対応し、ＥＴ２合金はＭ４２に対応する。最もコストの高い元素であるタングステン、モリブデン、バナジウムおよびコバルトのコストを、モリブデンのコストによって標準化したものの和も数量化されている。
【００３７】
表２は、本発明の組成物ではこれらの合金元素がかなり低減化されていることを示しており、本発明の組成物は、表３に示された合金の相対コストによって示されているように、より低いコストに変更されている。合金コストに関して言えば、Ｐｌ１およびＰｌ２組成物は従来技術のＥＴ１合金と比較しなければならず、Ｐｌ３およびＰｌ４組成物はＥＴ２合金と比較しなければならない。これらの新たな組成物は、上記の従来の合金に取って代わることを目的としているためである。したがって、本発明のＰｌ１合金は、合金コストをＥＴ１に比べて３８％低減させ、Ｃｏ組成物については、本発明のＰｌ３合金が合金コストを４７％低減化することが分かる。したがって、本発明合金は、切削工具合金のコストを低減化するという現時点の必要性を効果的に満たす。Ｐｌ２およびＰｌ４合金はそれぞれ、Ｐｌ１およびＰｌ３合金と比べてコストに差がない。これは、組成の違いが、アルミニウムおよび珪素含量に関係するものだけであり、このような合金においてはこれらの元素のコストを無視できるからである。
【００３８】
６つの合金（ＥＴ１、ＥＴ２、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４）ともに同様の手順で、インゴットを真空誘導炉中で溶融させ、鋳鉄インゴット機械を通して漏出させ、約５５ｋｇのインゴットを製造した。凝固後、これらのインゴットを臨界未満で焼鈍し、最初に、図１〜図６に示されているように、これら６つの組成物の未処理溶融物のマイクロ組織を調べた。Ｘ線像中の点密度によって与えられるＥＴ１およびＥＴ２合金の一次炭化物中のバナジウム、モリブデンおよびタングステン元素の濃度は、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金に比べてかなり高いことが明白に分かる。一方、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金は、優勢なニオブ元素と炭化物を形成する傾向がある。これらの炭化物はＭＣ型炭化物であり、高い硬度を有し、したがって、これらの炭化物は、タングステン、モリブデンなどのよりコストの高い元素の炭化物に十分に取って代わることができる。さらに、炭化ニオブは興味深い特性を有する。炭化ニオブは、固溶体中に他の元素、主にモリブデン、タングステンおよびバナジウムをあまり含まない。したがって、炭化ニオブは、これらの元素が、二次炭化物をより自由に形成することを可能にし、このことは、最終的な熱焼戻し処理の後に、その材料を使用するために必要な高い硬度を確証するために重要である。
【００３９】
表２：従来技術の２種類の合金（ＥＴ１からＥＴ４）および本発明合金（Ｐｌ）の化学組成。コストに対するＭｏ、Ｗ、ＶおよびＣｏの寄与の和が、式Ｍｏ＋０．８Ｖ＋０．６Ｗ＋０．６Ｃｏによって計算されており、これらのレートは、２００６年４月のそれぞれの元素のコストをモリブデンのコストによって標準化したものに関する。この和は、絶対値（絶対）およびＥＴ１合金によって標準化された相対値（相対）について示されている。
【００４０】
【表２】
2010514917.tif 000003
【００４１】
まとめると、図１〜図６は、Ｐｌ１、Ｐｌ２およびＰｌ３合金の一次炭化物が主に、ＭＣ型炭化物を形成することが知られているニオブによって富有化されていることを示している。このような炭化物は、従来技術の合金の一次炭化物よりも少量のタングステン、モリブデンおよびバナジウムを消費する。したがって、このような炭化物は、本発明の目的である合金中のこのような元素の総量を低減化することを可能にする。
【００４２】
表３：金属ロード・コスト（ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｌｏａｄ  ｃｏｓｔ）、すなわちＥＴ１、ＥＴ２、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金に含まれる金属合金。値は、ＥＴ１またはＥＴ２合金の金属ロード・コストによって標準化されている。Ｐｌ１とＰｌ２、およびＰｌ３とＰｌ４では、唯一の差が、合金コストに対する影響を無視することができるＳｉおよびＡｌ含量によるものであるため、これらの対のコストは等しい。これらの計算は、電炉製鋼所で生産することを意図したものであり、２００６年６月のデータを用いた。
【００４３】
【表３】
2010514917.tif 000004
【００４４】
切削工具用に意図された合金にとっては、一次炭化物の効果に関する上記の議論の他に、熱処理後の硬度も決定的に重要である。主に二次析出によって提供される硬度は、炭化物をダイに固定されたままにし、炭化物が引き出されることを防ぎ、したがっていくつかの用途において必要な機械抵抗を提供し、材料内への研磨材の侵入を低減化する原因である。このような効果は全て、高い硬度を、材料の摩耗および引裂き抵抗性にとって重要なものにする。そのため、試験インゴットを圧延して８ｍｍの丸鋼にした後、熱処理に対する反応を調べた。全ての組成物の試料を油焼入れ処理にかけた。１１８０〜１２００℃で５分間オーステナイト化し、それらの一部をさらに、４５０〜６００℃の温度で、２時間、二重に焼戻した。
【００４５】
表４は、焼入れおよび焼戻し後のＥＴ１、ＥＴ２、Ｐｌ１、Ｐｌ２、Ｐｌ３およびＰｌ４合金の硬度を、１１８０℃および１２００℃のオーステナイト化温度について示した図である。これらの結果は図７にグラフとして示されている。これらのデータは重要な３つの点を示している。第１に、ＥＴ１合金とＰｌ１合金は硬度に関して同様の挙動を示す。このことは、実際に、Ｐｌ１組成物のモリブデン、タングステンおよびバナジウム含量の低減によって、焼戻し後の硬度が低下しないことを示す。これは、二次硬化に必要なこれらの元素の含量が保持されるためである。このような場合、本発明のＰｌ１合金は、同じ硬度を維持することによって、これらの合金元素の低減を提供するという本発明の重要な成果の１つに到達する。さらに、Ｐｌ１合金は主として、より高い硬度を有し、その結果、高い摩耗および引裂き抵抗性を与えるＭＣ型の一次炭化物を含む。
【００４６】
熱処理後のデータから得られた第２の重要な結論は、Ｐｌ３合金の硬度が、Ｐｌ３合金がそれに取って代わろうとしているＥＴ２合金に比べて低いことである。このようなことが起こるのは、表２に示されているように、Ｐｌ３合金の主にモリブデンおよびコバルト含量が、ＥＴ２合金に比べてかなり低いためであり、これらの元素の含量は、熱処理後に同じ硬度を得るのに十分でない。この意味で、ＥＴ２合金のより大きなモリブデン含量は、炭化物の微細な析出を提供するのに重要であり、コバルトは、炭化物の析出および合体動態において重要な効果を有する。硬度が低いにもかかわらず、相対的に硬い炭化ニオブは、例２に示されているように、依然として十分な性能を生じさせることができる。
【００４７】
上記の硬度結果に関する第３の重要な結論は、アルミニウムおよび珪素の効果についてである。Ｐｌ２およびＰｌ４合金はそれぞれ、Ｐｌ１およびＰｌ３合金と比較されるが、Ｐｌ２およびＰｌ４合金は、はるかに高いアルミニウムおよび珪素含量を有する（約１．０〜１．５％）。図７の曲線および表４のデータは、珪素およびアルミニウム含量が高い合金は焼戻された後の硬度が低いことを示しており、この場合、高い含量は望ましくない。しかしながら、図３〜図６によって比較可能に示され、例３および図１０において説明されるように、高いアルミニウムおよび珪素含量は、炭化物の微細化を提供する。したがって、炭化物の微細化が重要な課題である用途に関して、本発明合金は、高い珪素およびアルミニウム含量の追加を有することができる。
【００４８】
表４：従来技術の合金（ＥＴ１およびＥＴ２）および本発明合金の熱処理に対する反応。１１８０℃および１２００℃でのオーステナイト化、油中での焼入れおよび指示された温度での２時間の二重焼戻し後のＨＲＣ硬度の結果。
【００４９】
【表４】
2010514917.tif 000005
【００５０】
このような合金にとって重要な他のパラメータは、オーステナイトの粒径である。これは常に、マイクロチッピング（ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｐｉｎｇ）のための靭性および摩耗抵抗性に関係する。いくつかのオーステナイト化条件の後、問題の合金の場合のこのようなパラメータを評価し、結果を表５に示す。合金ＥＴ１とその代替合金Ｐｌ１は同様の粒径を有し、同様に、ＥＴ２と代替Ｐｌ３も同様の粒径を有する。合金Ｐｌ２およびＰｌ４に関しては粒径がより小さい。これはおそらく、オーステナイト化中の粒の成長を防ぐそれらの合金のより微細化された炭化物のためである。したがって、これは、このような元素の他の有益効果である。
【００５１】
表５：Ｓｎｙｄｅｒ−Ｇｒａｆｆ切断法によって測定された、１１６０℃〜１２００℃でオーステナイト化された鋼のオーステナイト粒径。添字±は測度の標準偏差を示す。
【００５２】
【表５】
2010514917.tif 000006
【００５３】
「例２」
例１に示したように製造され説明された合金を、工業用途に関して試験した。８．０ｍｍゲージに圧延し、熱間ワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）によってより小さなゲージとした後、パイロット・スケールのバッチからドリル型工具を製造した。次いで、工業用ドリルに対して使用される条件と同様の条件下で穿孔試験を実行し、本発明合金の性能を従来技術の合金と比較した。
【００５４】
穿孔試験の結果を表６に、結果のグラフを図８に示す。実験偏差を考慮すると、合金Ｐｌ１とＥＴ１および合金Ｐｌ３とＥＴ２の結果は同等であることが分かる。この結果は、このような合金に対して説明された全体的な組成調整、すなわち、一次炭化物を形成する元素としてのニオブの使用、この目的のためのモリブデンおよびタングステン含量の低減、および特に二次硬化させることが意図されたこのような元素の使用の妥当性を立証している。強調されるべき結果は、ＥＴ２に対する合金Ｐｌ３の結果である。表４および図７に示されているように硬度がはるかに低いにもかかわらず、合金Ｐｌ３はよく似た性能を示しえた。試験分散を考慮した場合、これは、合金ＥＴ２のそれに対しても同等であった。
【００５５】
表６：いくつかの被試験合金製のドリルを用いて実施した切削試験の結果。数値は、少なくとも３つの工具を試験した結果である。試験条件：６００ｒｐｍ、切削速度１３．５６ｍ／分、進み０．０６ｍｍ／回転、ドリル径６．３５ｍｍ。「±」の後の数字は測定の標準偏差を示す。
【００５６】
【表６】
2010514917.tif 000007
【００５７】
したがって、上で論じた結果は、開発された合金の有効性を示す。表３に示されているように、本発明合金は、３８〜４７％の合金コストの低減を有し、同時に、高い切削性能を維持する。したがって、このような新たな合金は、工具産業における重要な代替合金である。それらは、合金のコストの増大の現在の要件を満たし、したがって、工具用途のこれらの硬質合金から製造された工具の競争力を高める。
【００５８】
「例３」
先に論じたとおり、従来技術の合金に取って代わり、コストをかなり低減化するためには、本発明合金の適当な特性および達成される性能が重要である。これは特に、合金元素としてのニオブの使用および他の合金元素に関する化学組成の徹底的な再調整によって達成される。しかしながら、大きなインゴットの場合、特に過度に大きな炭化物に関して、ニオブは、工業用途について不都合を引き起こしうる。
【００５９】
一次モルフォロジ（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）において、炭化ニオブは液体から直接に形成される。すなわち、炭化ニオブは分離された状態で、或いは共晶状態で成長する。一次炭化物は最初に形成される炭化物であり、したがってより多く成長する。その自形（ｉｄｉｏｍｏｒｐｈｉｃ）のモルフォロジが与えられると、一次炭化物は、共晶炭化物のより針状の態様とは違い、熱間整形中あまり断片化されない。したがって、凝固過程で粗大な炭化物が形成されると、それらは、最終製品においても粗大であり続ける。このような炭化物は、靭性の損失、特に整流特性の損失のため、多くの仕様において受け入れがたい。炭化ニオブは摩耗抵抗性における主役であるため、本発明では、炭化ニオブが分散され微細なままであり続けることが重要である。
【００６０】
炭化ニオブを微細化するために、下表７に示した新たな組成物を調べた。図９に示されているように、得られた結果は凝固マイクロ組織全体に基づく。試料は、浴中に、小さな５００ｇインゴットとして集めた。化学組成は合金Ｐｌ１に基づくものだが、窒素およびセリウムの含量は変更した。
【００６１】
粗大な一次炭化物の問題を回避する主な方法は、ニオブが、共晶炭化物をより多く形成し、より容易に破壊され、一次炭化物をあまり形成しないようにすることであろう。このような目的のためには、このような炭化物の核形成における挙動を通して、高温における一次炭化物の形成を防ぎ、または妨げなければならない。それらがより低い温度で核を形成する（または核を形成しない）と、それらの炭化物の成長は低減し、残りのニオブは、共晶炭化物の形態で析出する。
【００６２】
合金Ｐｌ１からＰｌ４の工業生産をより容易にするために、本発明ではこの戦略を採用した。したがって、窒化バナジウムまたは窒化ニオブの低減を使用した。それらは、より高い温度で形成された炭化物よりも安定であり、したがって、ニオブが富有化された炭化物を形成する核の役目を果たす。このような核を減らすことによって、炭化物の形成が遅れ、したがって炭化物が微細化される。最初に、凝固組織全体に対する窒素低減の効果を調べた。図９に示されているように、窒素含量を低減化すると、粗大な一次炭化物の量が効果的に低下する。
【００６３】
表７：本発明合金Ｐｌ１を基にし、窒素およびセリウム含量を変化させた化学組成物
【００６４】
【表７】
2010514917.tif 000008
【００６５】
この重要な窒素の効果にもかかわらず、非常に低い窒素含量、すなわち１００ｐｐｍよりもはるかに低い窒素含量は、電炉製鋼所において達成することが難しい。したがって、セリウムを添加することによって炭化物を微細化する別の方法を使用した。この元素は、炭化ニオブの析出温度よりもはるかに高い温度で酸窒化物を形成する。したがって、それらは、窒化バナジウムまたは窒化ニオブの核を形成する遊離窒素の含量を低減化する第２の方法として機能する。
【００６６】
したがって、図９に示されているように、本発明合金にセリウムを約０．０５０％の含量で添加することに関連した窒素含量の低減によって、形成される炭化ニオブはかなり微細化する。このことは、凝固速度に対する微細化条件がより決定的に重要な状況、例えばより大きなインゴットの場合に使用することができる。しかしながら、本発明合金は、通常の窒素含量で、セリウムの添加なしで製造することもできる。これは、このような２つの変更が、製鋼所での実施に関するより徹底的で高価な工程を伴うためである。
【００６７】
「例４」
例３では、ニオブの一次炭化物の微細化だけについて論じた。本例では、アルミニウムおよび珪素含量を使用することによってニオブの共晶炭化物を微細化することができることを示す。図１０に示されているように、高珪素およびアルミニウム合金は、細く長い「腕（ａｒｍ）」を有するニオブ共晶を有する。このことは特に、コバルトを含まない合金、すなわち合金Ｐｌ１から合金Ｐｌ２で起こる。このような効果の理由はまだ十分には分かっていないが、おそらくは、一次炭化物中でのアルミニウムおよび珪素の溶解度の効果に関係する。アルミニウムおよび珪素は炭化物中において低い溶解度を有するため、高含量であるときにはこのような元素は凝固前に濃縮され、このことがその成長を困難にし、微細化を伴う。
【００６８】
圧延して８ｍｍゲージとした後、材料のマイクロ組織に対するアルミニウムおよび珪素の効果を比較した。図１１に示されているように、マイクロ組織は、マイクロ組織マトリックスの底で、特に炭化物のより小さな集団に関して、わずかに微細化する。上表５で論じたように、それはより小さなオーステナイト粒を形成するため、このことは興味深い。したがって、本発明合金に対して、高いアルミニウムおよび珪素含量を使用することができる。しかしながら、例１に示したとおり、このような含量は、熱処理後の最終硬度など他の特性に対して不利に働くことがある。さらに、高いアルミニウム含量は、液体金属の反応度を増大させ、より大きなフェライト硬化をもたらし、焼鈍に必要な温度を上昇させるため、製造を困難にする。
【００６９】
まとめると、１．０〜１．５％の高いアルミニウムおよび珪素含量は、本発明合金において興味深く、炭化物をさらに微細化させ、例１に示されているように粒径を低減化する。しかしながら、このような材料の意図される用途は、その結果得られる硬度並びに製造上の困難を考慮して、検討されなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年12月28日(2007.12.28)
【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】
質量百分率で、炭素０．５〜２．０％と、クロム１．０〜７．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物７．０〜１２．０％と、ニオブ０．５〜３．５％と、バナジウム０．５〜３．５％と、コバルト１０．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置き換えることができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置き換えることができ、従来の鋳造または連続鋳造によってインゴットを鋳造し、前記インゴットを最終用途のサイズに熱間鍛造または圧延することによって製造されることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９〜１．５％と、クロム３．０〜６．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．０〜１２．０％と、ニオブ１．０〜２．５％と、バナジウム１．０〜２．５％と、コバルト７．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置き換えることができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置き換えることができることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９〜１．５％と、クロム３．０〜６．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．５〜１１．５％と、ニオブ１．５〜２．３％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト７．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置き換えることができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置き換えることができることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項４】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト２．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有することを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項５】
質量百分率で、基本的に、炭素１．０〜１．２％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン３．０〜４．０％と、モリブデン２．８〜４．０％と、ニオブ１．６〜１．９％と、バナジウム１．５〜２．０％と、コバルト１．０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有することを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項６】
質量百分率で、コバルトを１．０％未満有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項７】
質量百分率で、コバルトを０．５％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項８】
質量百分率で、コバルトを０．２％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項９】
質量百分率で、コバルトを１．０〜１０．０％有することを特徴とする請求項１に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１０】
質量百分率で、コバルトを３．０〜７．０％有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１１】
質量百分率で、基本的に、炭素１．０〜１．２％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン３．０〜４．０％と、モリブデン２．８〜４．０％と、ニオブ１．６〜１．９％と、バナジウム１．５〜２．０％と、コバルト４．０〜６．０％と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有することを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１２】
質量百分率で、セリウムを０．００５〜０．２０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素並びにＬａ、Ａｃ、ＨｆおよびＲｆ元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１３】
質量百分率で、セリウムを０．００５〜０．２０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１４】
質量百分率で、セリウムを０．０１０〜０．１０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１５】
質量百分率で、セリウムを０．０３０〜０．０７０％有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１６】
質量百分率で、窒素を０．０３０％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１７】
質量百分率で、窒素を０．０１５％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１８】
質量百分率で、窒素を０．０１０％未満有することを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項１９】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９〜１．５％と、クロム３．０〜６．０％と、比２Ｍｏ＋Ｗによって与えられるタングステン等価物８．０〜１２．０％と、ニオブ１．５〜２．３％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト５．０％未満と、セリウム０．００５〜０．２０％と、窒素０．０２０％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、ニオブは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にバナジウムに置き換えることができ、バナジウムは、バナジウム各１％に対してニオブ２％の比で部分的または完全にニオブに置き換えることができ、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２０】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト２．０％未満と、セリウム０．０１０〜０．１０％と、窒素０．０１５％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２１】
質量百分率で、基本的に、炭素０．９５〜１．２０％と、クロム３．０〜５．０％と、タングステン２．５〜４．５％と、モリブデン２．５〜４．５％と、ニオブ１．５〜２．０％と、バナジウム１．５〜２．３％と、コバルト３．０〜７．０％と、セリウム０．０１０〜０．１０％と、窒素０．０１５％未満と、実質的にＦｅおよび準備工程における不可避不純物である残部とからなる元素化学組成を有し、セリウムは、希土類として知られている他の元素に、１：１の比で、部分的または完全に置き換えることができ、周期表のランタノイドまたはアクチノイド族の元素は希土類とみなされることを特徴とする乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２２】
質量百分率で、マンガンを最大０．５、アルミニウムを最大０．２、燐を最大０．０４、硫黄を最大０．００５、窒素を最大０．０１％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２３】
質量百分率で、アルミニウムを０．０１〜３．０％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２４】
質量百分率で、アルミニウムを０．８〜１．７％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２５】
質量百分率で、珪素を０．５〜３．０％有することを特徴とする請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２６】
質量百分率で、珪素を０．８〜１．２％有することを特徴とする請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２７】
質量百分率で、アルミニウムを０．５〜２．５％、珪素を０．８〜２．５％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２８】
質量百分率で、アルミニウムを０．８〜１．７％、珪素を０．８〜１．２％有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項２９】
質量百分率で、Ｔｉ１部がバナジウム１部またはニオブ０．５部に相当し、ＴａまたはＺｒ１部がバナジウム２部またはニオブ１部に相当する比で、元素ニオブまたはバナジウムを部分的または完全に置き換えた元素チタン、ジルコニウムまたはタンタルを有することを特徴とする請求項１から請求項２８までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３０】
切削および機械加工工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項２９までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３１】
手動機械または鋸において使用される鋸において使用され、前記鋸は、高速度鋼によって完全に形成されており、またはバイメタル型であり、前記バイメタル型は、高速度鋼のみでできた刃部からなることを特徴とする請求項１から請求項３０までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３２】
螺旋ドリル、フライス盤、タップ、ダイスなどの回転切削工具、および金属材料または他の材料を機械加工するために使用される他の工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項３１までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３３】
低生産性工業用工具、家庭用工具などの期待実用寿命が短い機械加工工具において使用されることを特徴とする請求項１から請求項３２までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３４】
自動車部品、一般機械部品などの機械用部品において使用されることを特徴とする請求項１から請求項３３までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３５】
熱間整形、冷間整形によって得られる最終製品、または粗鋳造条件で直接使用される製品上への合金断片化および凝集を含む工程、とりわけ、粉末冶金、粉末の噴射および溶射整形によって製造されることを特徴とする請求項１から請求項３４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【請求項３６】
熱間整形、冷間整形によって得られる最終製品、または粗鋳造条件で直接使用される製品上への従来の鋳造、連続鋳造工程によって製造されることを特徴とする請求項１から請求項３４までのいずれか１項に記載された乾燥組成を有する硬質合金。
【国際調査報告】
2010514917.tif 000020
2010514917.tif 000021