(57)【要約】  平均以上の耐摩耗性、６０ＨＲｃを超える硬さ及び非常に良好な靱性を有するが、高度に改善された溶接性をもたらすかなり低い炭素含有量を有する冷間工具鋼が、一次炭化物（又は代替として窒化物及び／若しくはホウ化物）の存在と析出物硬化又はさらに固溶体のような他の強化機構とを組み合わせることにより得られる。対熱性金属の添加により改質された高バナジウムＭＣ型炭化物は、数種類の用途に対して硬さと破壊靱性との最良の均衡を示し、一方他の用途に対しては、Ｔｉ炭化物又は（主としてＶ、Ｍｏ及び／若しくはＷと）Ｔｉとの複合炭化物などのより硬い炭化物が好ましいものであり、或いはＺｒ及びＨｆの複合炭化物を使用する。
2010515824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的にマルテンサイトの冷間工具鋼であって、該冷間工具鋼は、すべてのパーセンテージが重量パーセントで以下の組成を有し、
％Ｃｅｑ＝０．２５〜２．５      ％Ｃ＝０．２５〜２．５
％Ｎ＝０〜２                    ％Ｂ＝０〜２
％Ｃｒ＝０．１〜１０            ％Ｎｉ＝３〜１２
％Ｓｉ＝０．０１〜２            ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝０．５〜５              ％Ｍｏ＝０〜１０
％Ｗ＝０〜１５                  ％Ｔｉ＝０〜３
％Ｔａ＝０〜２                  ％Ｚｒ＝０〜２
％Ｈｆ＝０〜２                  ％Ｖ＝０〜１２
％Ｎｂ＝０〜２                  ％Ｃｕ＝０〜４
％Ｃｏ＝０〜８                  ％Ｓ＝０〜１
％Ｓｅ＝０〜１                  ％Ｔｅ＝０〜１
％Ｂｉ＝０〜１                  ％Ａｓ＝０〜１
％Ｓｂ＝０〜１                  ％Ｃａ＝０〜１
鉄及び不可避の不純物からなる残部、
ここで、％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６＊％Ｎ＋１．２＊％Ｂ
である、冷間工具鋼において、
％Ｃｅｑ＝０．４５〜２．５の場合に、％Ｖ＝０．６〜１２であるか、又は
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４５の場合に、％Ｖ＝０．８５〜４であるか、又は
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４５の場合に、％Ｔｉ＋％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＝０．１〜４
であることを条件として
％Ｃｒ＋％Ｖ＋％Ｍｏ＋％Ｗ＞３及び
％Ａｌ＋％Ｍｏ＋％Ｔｉ＞１．５
であることを特徴とする冷間工具鋼。
【請求項２】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜２．５及び％Ｃｒ＜２．５の場合に、％Ｖ＝０．６〜１２が％Ｍｏ＋１／２％Ｗ＝１．５〜１７により置換される、請求項１に記載された冷間工具鋼。
【請求項３】
％Ａｌ＝１〜５である、請求項１又は請求項２に記載された冷間工具鋼。
【請求項４】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜１．９５      ％Ｃｒ＝１〜８
％Ｖ＝０．６〜６                  ％Ｎｉ＝４〜９
％Ｓｉ＝０．０１〜２              ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝１〜３．５                ％Ｍｏ＝０〜６
％Ｗ＝０〜１２                    ％Ｔｉ＝０〜３
％Ｃｏ＝０〜６                    ％Ｃｕ＝０〜２
及び％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項５】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｃｒ＝０．１〜８
％Ｖ＝０．８５〜４                ％Ｎｉ＝４〜９
％Ｓｉ＝０．０１〜２              ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝１〜３．５                ％Ｍｏ＝０〜６
％Ｗ＝０〜１２                    ％Ｔｉ＝０〜３
％Ｃｏ＝０〜６                    ％Ｃｕ＝０〜２
及び％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項６】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．６      ％Ｖ＝０．６〜４
％Ｎｉ＝４〜８                  ％Ｓｉ＝０．０５〜１．５
％Ｍｎ＝０．０８〜２            ％Ａ１＝１〜２．５
％Ｍｏ＝０．３〜３              ％Ｗ＝０〜２
％Ｔｉ＝０．１〜１．５          ％Ｃｏ＝１〜３．５
％Ｃｕ＝０〜２、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜０．５である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項７】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝０．８５〜４
％Ｎｉ＝４〜８                    ％Ｓｉ＝０．０１〜１．５
％Ｍｎ＝０．０８〜２              ％Ａ１＝１〜２．５
％Ｍｏ＝０．３〜３                ％Ｗ＝０〜２
％Ｔｉ＝０．１〜１．５            ％Ｃｏ＝１〜３．５
％Ｃｕ＝０〜２、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項８】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜１．２      ％Ｃｒ＝０．１〜８
％Ｖ＝０．６〜４                ％Ｎｉ＝４〜１０
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５        ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１〜３                  ％Ｍｏ＝０．３〜５
％Ｗ＝０〜５                    ％Ｔｉ＝０．１〜３
％Ｃｏ＝０〜８                  ％Ｃｕ＝０〜４
及び％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項９】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝０．８５〜４
％Ｃｒ＝０．１〜８                ％Ｎｉ＝４〜１０
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１〜３                    ％Ｍｏ＝０．３〜５
％Ｗ＝０〜５                      ％Ｔｉ＝０．１〜３
％Ｃｏ＝０〜８                    ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１０】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．５５      ％Ｃｒ＝１〜４
％Ｖ＝０．６〜３                  ％Ｎｉ＝４〜９
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜０．５
％Ａｌ＝１．５〜２．５            ％Ｍｏ＝０．８〜１．５
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｔｉ＝０．１〜１．２
％Ｃｏ＝０〜８                    ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１１】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝０．８５〜４
％Ｃｒ＝１〜４                    ％Ｎｉ＝４〜９
％Ｓｉ＝０．０１〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜０．５
％Ａｌ＝１．５〜２．５            ％Ｍｏ＝０．８〜１．５
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｔｉ＝０．３〜１．２
％Ｃｏ＝０〜８                    ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１２】
％Ｃｅｑ＝０．８〜２．５      ％Ｃｒ＝２〜８
％Ｖ＝２〜１２                ％Ｎｉ＝５〜８
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５      ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１．５〜３            ％Ｍｏ＝１〜１０
％Ｗ＝０〜１５                ％Ｔｉ＝０．３〜３
％Ｃｏ＝０〜１４              ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１３】
％Ｃｅｑ＝１．２５〜２．５      ％Ｃｒ＝２〜８
％Ｖ＝３〜６                    ％Ｎｉ＝５〜８
％Ｓｉ＝０．０５〜１．２        ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１．５〜３              ％Ｍｏ＝２〜４
％Ｗ＝１〜１５                  ％Ｔｉ＝０．３〜３
％Ｃｏ＝０〜７                  ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１４】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．５５      ％Ｃｒ＝２〜５
％Ｖ＝１〜３．５                  ％Ｎｉ＝３〜７
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝０．５〜２                ％Ｍｏ＝０〜３
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｔｉ＝０〜１．５
％Ｃｏ＝０〜２．５                ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１５】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝１〜４
％Ｃｒ＝２〜５                    ％Ｎｉ＝３〜７
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝０．５〜２                ％Ｍｏ＝０〜３
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｔｉ＝０〜１．５
％Ｃｏ＝０〜２．５                ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１６】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．５５      ％Ｃｒ＝２〜５
％Ｖ＝１〜３．５                  ％Ｎｉ＝３〜６
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝０．５〜２                ％Ｍｏ＝０〜３
％Ｗ＝０〜２、及び％Ｃｕ＝０〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１７】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝１〜４
％Ｃｒ＝２〜５                    ％Ｎｉ＝３〜６
％Ｓｉ＝０．０５〜１．５          ％Ｍｎ＝０．０８〜２
％Ａｌ＝０．５〜２                ％Ｍｏ＝０〜３
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｃｕ＝０〜４、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１８】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．６      ％Ｃｒ＝２〜８
％Ｖ＝１〜３．５                ％Ｓｉ＝０．０１〜１．４
％Ｍｎ＝０．２〜３              ％Ａｌ＝１．５〜４
％Ｍｏ＝１〜３                  ％Ｗ＝０．５〜２
％Ｔｉ＝０．２〜２              ％Ｃｏ＝１〜６
％Ｃｕ＝０〜２                  ％Ｎｉ＝６〜１２、及び
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜１である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項１９】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝１〜４
％Ｃｒ＝２〜８                    ％Ｓｉ＝０．０１〜１．４
％Ｍｎ＝０．２〜３                ％Ａｌ＝１．５〜４
％Ｍｏ＝１〜３                    ％Ｗ＝０．５〜２
％Ｔｉ＝０．２〜２                ％Ｃｏ＝１〜６
％Ｃｕ＝０〜２                    ％Ｎｉ＝６〜１２、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項２０】
％Ｃｅｑ＝０．４５〜０．８      ％Ｃｒ＝０．１〜４
％Ｖ＝０．６〜２                ％Ｎｉ＝５〜１２
％Ｓｉ＝０．０１〜１            ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１．５〜５              ％Ｍｏ＝１〜５
％Ｗ＝０〜２                    ％Ｔｉ＝０．５〜３
％Ｃｕ＝０〜２                  ％Ｃｏ＝１．５〜３．２であって、
％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＝０〜２、及び
％Ｔｉ＋％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＋％Ｎｂ＞０．７である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項２１】
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４３      ％Ｖ＝０．８５〜４
％Ｃｒ＝０．１〜４                ％Ｎｉ＝５〜１２
％Ｓｉ＝０．０１〜１              ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝１．５〜５                ％Ｍｏ＝１〜５
％Ｗ＝０〜２                      ％Ｔｉ＝０．５〜３
％Ｃｕ＝０〜２                    ％Ｃｏ＝１．５〜３．２、及び
％Ｔｉ＋％Ｚｒ＋％Ｈｆ＝０．１〜４である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項２２】
％Ｃｅｑ＝％Ｃであり、意図的に添加されたＢ又はＮを含まない、請求項１から請求項２１までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項２３】
硬さが少なくとも５８ＨＲｃである、請求項１から請求項２２までのいずれか一項に記載された冷間工具鋼。
【請求項２４】
請求項１から請求項２３までのいずれか一項に記載された少なくとも１種の鋼を含む、金型、工具又は部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた溶接性及び高硬度を有する、マルテンサイトの又は少なくとも部分的にマルテンサイトの冷間加工用工具鋼に関するものである。この鋼は、最も関連性のある冷間工具鋼特性、即ち、硬さ、靱性、耐摩耗性の優れた組合せを有する。
【背景技術】
【０００２】
薄板成形（切断、縁取り、打抜き、曲げ加工、型押又は絞り加工）、圧印、冷間バルク圧縮加工、プラスチック切削ナイフ、熱間圧縮加工用剪断ナイフに使用される、又はねじ切り加工ロールなどにさえ使用される冷間工具鋼は、溶接する必要があることが多い。焼なまし状態の工具の加工中に、その鋼を加工しようとする前でさえ、加工の誤りを補正するために得ようとする部品に合わせた変更又は金型の形状寸法に合わせた修正を設計するため、スプリングバックを克服するため及び所望の部品形状を得るために、既に溶接する必要がある。
【０００３】
工具がひとたび硬化されて加工された場合でも、金型の正常な使用によるか又は事故による摩耗、欠け落ち若しくは破損を修復するために、溶接は非常によく行われる。溶接によるこの修復は、ある場合には、必要とされる多くの異なる緩衝層を使用して工具部分を加熱し、溶接が完了した後に、金型に溶接後の熱処理（通常、全焼戻しサイクルからなる）を行うことにより適切に行うことができる。他の場合には、修復を実施する時間が不足であるため、部品を加熱せず、溶接後の熱処理をせずに、１つの特別な電極で溶接することが望ましい。
【０００４】
溶接により修復する数種類の技法がある。アーク溶接（消耗電極、ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧ）、レーザ、プラズマ、電子ビーム等である。それらは、エネルギー密度が異なり、したがって基材溶融領域及びＨＡＺ（熱影響部）のサイズが異なる。最も広く使用される技法は、供給式消耗電極及びＴＩＧであり、その場合外来の材料が溶融される。これらの「充填材」には、異なる用途及び基材（工具の材料）のために数千種の組成が開発されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
材料の溶接性能は、以下のカテゴリーに分類することができるいくつかの要因に依存する。即ち、物理学的、冶金学的、及び機械的要因である。本発明の主要な目的は、優れた溶接性能を有する冷間工具鋼ファミリを提供することである。
【０００６】
材料は、以下の場合に、優れた溶接性能を有すると考えられる。即ち、亀裂を起こさずに、より広範囲の使用充填材を許容する、すなわち、
・部品の加熱がなく、台の鍛造がなく、加工後の応力解放又は焼戻しがないという最適でない条件が使用されているときに亀裂を生じることがなく、
・溶接部の機械的性質が、溶融充填材、溶融拡散領域、溶融基材及びＨＡＺのすべての層で改善される。
【０００７】
組成元素のいくつかは、物理的溶接性に悪影響を及ぼすので、良好な溶接性が所望であれば、避けるべきである。大部分の加工性を向上させる元素に特に言及することができ、最も一般的に使用されるものはイオウである。
【０００８】
機械的及び冶金学的溶接性に最も強い影響を有する元素の１つは炭素（そしてさらには、窒素又はホウ素など使用される任意の他の格子間元素）である。したがって、低含有量のＣ＋Ｎ＋Ｂを含む工具鋼が望ましい。
【０００９】
冷間加工用途については、要求が高度であるため、硬さの大きい場合での靱性と耐摩耗性との適当なバランスが望まれる。即ち、大部分の用途に対しては、良好な耐摩耗性を有し、５８ＨＲｃを上回る硬さが必要とされる。高硬度及び耐摩耗性を得る安価な方法は炭化物によるが、炭化物の存在は高炭素含有を、そのために溶接性が比較的低いことを意味する。炭化物は、窒化物又はホウ化物により置換できるが、それらの溶接性に対する負の効果は、炭素の負の効果よりもとりわけ小さいものではない。
【００１０】
最も広く使用されている冷間工具鋼の１つは、１．５５％Ｃのレデブライト高クロム鋼であるＡＩＳＩ  Ｄ２（Ｗ．Ｎｒ．１．２３７９）である。比較目的のために、及びこの明細書において後で使用される比較用語（良好な、劣る、など）に意味を与えるために、本発明者らは、この鋼を標準とする。したがって通常の使用硬さ（５６〜６２ＨＲｃ）で、平均的靱性及び平均的耐摩耗性を有すると考えることができる。この標準鋼の溶接性は非常に劣っていると考えられる。それは、これが本発明の鋼でより劇的に改善された性質であるからである。
【００１１】
炭素、窒素又はホウ素のような格子間元素を使用せずに必要とされる硬さを得るために、置換型固溶体、結晶粒微細化及び粒子強化（しかし、二次炭化物でなく、金属間化合物均質析出が使用できる）のような他の代替強化が利用されるべきである。
【００１２】
そのような溶体は、５０年以上前に開発された。いわゆる「マルエージング」鋼は、炭素及び他の格子間元素を不純物元素として有し、それらの含有量は、ｐｐｍの値に低く抑えられている。それらは、主としてＣｏの置換型固溶により、並びに金属間化合物析出物として主にＮｉ３Ｔｉ、Ｎｉ３Ｍｏ及びＮｉ３Ａｌの析出強化により強化される。あるグレードのものは、適切な析出熱処理により最大６２ＨＲｃに達することができる。それらの溶接性は優れているが、耐摩耗性は、大部分の冷間加工用途には不十分である。ときには、耐摩耗性の不足は、硬質被覆により克服できるが、被覆のために提供する支持が不十分であり、被覆後に溶接性がしばしば損なわれる。耐摩耗性が小さいことは、従来の冷間工具鋼と比較すると、炭化物、ホウ化物又は窒化物などの非常に硬質二次相粒子の不在に直接関係している。同じ理由が、被覆が利用された場合でさえ性能がより劣っている原因である。
【００１３】
本発明の工具鋼には、格子間固溶元素Ｃ、Ｎ及びＢ（それらは炭化物形成元素としても使用されるであろう）の他に、いくつかの他の典型的置換型固溶元素を利用することができる。それらの大部分は、いずれにしても存在するであろう。その理由は、それらが、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの場合のように炭化物形成元素として使用され、それほどではないが、Ｃ、Ｎ及び／又はＢの比率（％）が低くても溶解度積が低下したより強力な炭化物形成元素として使用されるからである。Ｃｕ（最大４％）及びＣｏ（最大８％）のような、炭化物形成元素ではない他の置換型固溶体元素が、合金を強化するために使用することができる。Ｃｏは、Ｎｉ金属間化合物の析出のための析出促進剤としてもしばしば使用されるであろう。これらの元素の存在の利便性は用途特異的であり、そのため本発明の合金が異なれば、これらの固溶体強化元素の量も異なり、それらすべての存在は明らかに必須ではなかろう。したがって、本発明の合金のいくつかは、格子間固溶元素としてＣを、並びに置換型固溶元素としてＶ及びＣｒを有するだけでもよいと考えられる。
【００１４】
既に説明したように、本明細書において興味ある最も関連する性質、即ち溶接性、耐摩耗性、靱性及び硬さに対して、炭化物、ホウ化物及び窒化物は効果が類似であるから、炭素含有量は、一部又は全部を窒素又はホウ素で置換することができる。このために、本発明者らは炭素当量（Ｃｅｑ）という概念を使用する。この場合：％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６＊％Ｎ＋１．２＊％Ｂである。
【００１５】
耐衝撃性のものを除き、大部分の冷間工具鋼は、特に５８〜６０ＨＲｃを超える硬さが必要である場合は、Ｃｅｑ＞１％を有する。平均以上の耐摩耗性を有する冷間工具鋼については、常にその通りである。一般的に言って、二次（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）硬さと良好な耐摩耗性で６０ＨＲｃを超えるためには、１％を超えるＣｅｑが必要であり、６５ＨＲｃを超えるためには２％を超えるＣｅｑが必要であり、３％Ｃｅｑは二次硬さを最大７０ＨＲｃにすることができる。二次硬さは、工具鋼表面の（窒化、浸硫窒化、ホウ化などの）表面処理及び（ＰＶＤ、ＣＶＤ又はイオン注入などの）被覆を行うために必要とされる。新しく開発された工具鋼が熱処理中のひずみが非常に小さいことも、ＣＶＤ被覆にとって非常に重要である。
【００１６】
本発明の目的は、平均以上の耐摩耗性（一次炭化物又は代替として窒化物及び／又はホウ化物の存在により達成される）、６０ＨＲｃを超える硬さ及び非常に良好な靱性を有するが、かなり低い炭素含有量（したがって、二次炭化物強化は、析出物硬化又はさらに固溶のような他の強化機構により、可能な最大の程度まで置き換えられるべきである）を、例えば６２ＨＲｃ（当技術分野の状態においては、少なくとも１％Ｃｅｑが必要とされ、組成範囲が同様であるＪＰ０１−１５９３５３においては、５５及び５８ＨＲｃをそれぞれ得るために０．９〜１％Ｃが必要とされ、本発明において使用される強化機構のあるものが使用されるＵＳ２７１５５７６Ａにおいては、４８ＨＲｃを得るために１％Ｃが必要である）を得るためには０．５％Ｃｅｑを有する、又は６７ＨＲｃ（技術の現状では、１．５％を超える、又は２％さえ超えるＣｅｑが必要とされる）を得るためには０．９％Ｃｅｑを有する、冷間加工用のマルテンサイトの又は少なくとも部分的にマルテンサイトの工具鋼を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、今回、この問題の解決が、以下の組成を有する冷間工具鋼により提供されることを見出した。すべてのパーセンテージは重量パーセントである。
％Ｃｅｑ＝０．２５〜２．５      ％Ｃ＝０．２５〜２．５
％Ｎ＝０〜２                    ％Ｂ＝０〜２
％Ｃｒ＝０．１〜１０            ％Ｎｉ＝３〜１２
％Ｓｉ＝０．０１〜２            ％Ｍｎ＝０．０８〜３
％Ａｌ＝０．５〜５              ％Ｍｏ＝０〜１０
％Ｗ＝０〜１５                  ％Ｔｉ＝０〜３
％Ｔａ＝０〜２                  ％Ｚｒ＝０〜２
％Ｈｆ＝０〜２                  ％Ｖ＝０〜１２
％Ｎｂ＝０〜２                  ％Ｃｕ＝０〜４
％Ｃｏ＝０〜８                  ％Ｓ＝０〜１
％Ｓｅ＝０〜１                  ％Ｔｅ＝０〜１
％Ｂｉ＝０〜１                  ％Ａｓ＝０〜１
％Ｓｂ＝０〜１                  ％Ｃａ＝０〜１
であり、残部は鉄及び不可避不純物からなり、
ここで％Ｃｅｑ＝％Ｃ＋０．８６＊％Ｎ＋１．２＊％Ｂであり、
％Ｃｅｑ＝０．４５〜２．５の場合に、％Ｖ＝０．６〜１２であるか、又は
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４５の場合に、％Ｖ＝０．８５〜４であるか、又は
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４５の場合に、％Ｔｉ＋％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＝０．１〜４
であることを条件として
％Ｃｒ＋％Ｖ＋％Ｍｏ＋％Ｗ＞３及び
％Ａｌ＋％Ｍｏ＋％Ｔｉ＞１．５
であることを特徴とする。
【００１８】
このようにして、所定の硬さに対してはるかによい溶接性が得られるが、しかも耐摩耗性をそれほど又はまったく犠牲にせず、配合物中の特定の元素の値に応じて靱性を一般に有意に改善する。
【００１９】
本発明の目的の１つは、当技術分野の現状に比較して低い炭素含有量で高硬度を得ることである。そのために、本発明の工具鋼を作製するためには、鋼がマルテンサイト若しくはベイナイト又は少なくとも一部がマルテンサイト若しくはベイナイト（若干のフェライト又はパーライトを含むか、又は若干の残留オーステナイトさえも含む）であることを確実にするために、組成範囲中の１つの厳密な組成が、加工熱処理と一緒に選択されなければならない。非常に異なる２種の技術的進歩を代表し、それ故、非常に異なっているうえに、各々が他方の目的用途にとってまったく無用の用途を目的とする２種の鋼が、一致する組成範囲を有することはしばしば起こる。大部分の場合、実際の組成は、たとえ組成範囲が多少とも重なることが確かであっても、一致することはないであろうし、他の場合には、実際の組成が一致することが可能でも、適用される加工熱処理から差が生ずるであろう。本発明に関係するそのような例は、ＪＰ−０１−１５９３５３Ａに関して見出すことができる。その場合、プラスチック磁石を成形するためにオーステナイト非磁性工具鋼が作製され、組成範囲は本発明と多少一致できる。この特別の場合、オーステナイト鋼を得るためには、オーステナイト安定剤、通常はクロム（Ｃｒ）をはるかに高く含有する必要があり、それは本発明に取っては有害になるので、実際の組成は決して一致し得ない。本発明の鋼は、すべて磁性を有し、したがって、ＪＰ−０１−１５９３５３Ａの狙った目的にはまったく無用であり、同様に、オーステナイト工具鋼は、本発明にとってほとんど最も望ましくない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ナノインデンテーション法による一次炭化物の硬さ及び破壊靭性の評価。
【実施例】
【００２１】
所望の性質を得るために、一次炭化物、置換型固溶及び金属間化合物析出強化の組合せが利用される。他の用途に対する他の研究者は、二次炭化物強化（本発明にとっては望ましくない強化機構）が熱間工具鋼のために析出強化と組み合わされたＡＴ４１１９０５Ｂ、及び一次炭化物を除くすべての強化機構がプラスチック射出成形鋼のために組み合わされているＪＰ−１−１０４７４９又は周知の大同製鋼（株）のＮＡＫ５５及びＮＡＫ８０におけるように、この強化機構のいくつかの組合せを既に最適化している。鋳造又は温間鍛造を意図した同じ強化機構は、ＵＳ２７１５５７６に見出すことができる。これらの場合に、得られる鋼の耐摩耗性は、一次炭化物が事実上存在しないために劣っている。すべて３つの強化機構のそのような組合せが、冷間加工用途に適した工具鋼を提供するために使用されたことはなく、また強化機構の他の組合せが、所望の性質、即ち優れた溶接性を有する硬さ、耐摩耗性及び靱性のそのような卓越した組合せを提供すると報告されたこともない。
【００２２】
一次炭化物の存在が耐摩耗性を提供するために必要であるとしても、本発明者らは、析出強化マトリックスがもたらし得る靱性の増大から利益を得ることを欲し、溶接性能を増大させるために、％Ｃｅｑをできるだけ低く抑えることを欲し、存在する炭素を上手に使用して、その結果、形成される一次炭化物が硬さと靱性とを最もよく均衡したものであることを確実にすることを欲する。ナノインデンテーション法で一次炭化物の硬さ及び破壊靱性を評価した後（図１を参照されたい）、耐熱性金属添加により改質された高バナジウムＭＣ型炭化物が、数種類の用途に対して硬さと破壊靱性との最良のバランスを示すことが見出された（図１中の赤丸）ので、これらは選択される一次炭化物であることが多いであろう。いくつかの用途において、マトリックスの破壊靱性は一次炭化物の破壊靱性よりも重要であり、これらの場合、より強い炭化物形成能を有する金属による炭化物が選択されて、より強靱なマトリックスを残し、及びより硬い炭化物、この場合、Ｔｉ炭化物又はＴｉ混合炭化物（主としてＶ、Ｗ及び／又はＭｏとの）が好ましいものであり、代替としては、ＺｒとＨｆとの混合炭化物を使用することができる。マトリックス中の二次炭化物をできるだけ少なくすることも有利である。析出物が硬さと靱性とをよりよく調和させ且つ％Ｃｅｑを増大させないならば、強い炭化物形成元素は弱い炭化物形成元素よりも好ましいであろう。
【００２３】
本発明の鋼が鋳造された状態で使用される場合は、それは、鍛造、押し出し又は圧延が鋼に施されることはなく、ただ熱処理だけが行われることを意味し、したがって一次炭化物の存在は非常によく制御されなければならない。これは、本発明の工具鋼が、合金を鋳造して所望の形状を有する受器に注入することにより、部品、金型又は任意の他の種類の工具を得るために使用される状況であり、また、合金粉末が局所焼結又は溶融にさえよって所望の形状を作製するために使用される状況である。この状況は、本発明合金が溶接材料（レーザ、プラズマその他の溶接ための粉末又はアーク溶接のための線材、棒材、電極としてのいずれか）として使用される場合にも典型的である。まとめると、これは、本発明の合金が全体的又は部分的に溶融され、鍛造、圧延又は押し出しがその後に行われない（上記の段落で一次炭化物の所望量及び型を、鍛造、押し出し又は圧延が実施される場合について記載した）場合はいつでも該当する。靱性が高いことが必要である場合、より少ない一次炭化物が使用されるべきであり、一次炭化物が粒界に析出する傾向がないとき、それは非常に興味深い。この目的に対して、Ｔｉ−Ｖ複合炭化物がしばしば使用される。使用される一次炭化物の合計量は、若干低めであり、したがってＣｅｑも低めである。本発明の合金を使用して、４倍超高い耐摩耗性及び６０ＨＲｃの硬さとともに、３０Ｊを超える靱性を有する鋳造体又は溶接体を得ることができる（これは、現在使用されている従来の冷間工具鋼よりも５０％超大きい）。高い靱性により、コード部（ｃｏｒｄ）の亀裂なしに、長い溶接を実施することができる。５８ＨＲｃを超える硬さを得られる現在使用されている溶接電極では、１０Ｊ未満の非常に劣った靱性しかえられない。
【００２４】
金属間化合物析出物については、いくつかのものを使用できる。最もよく知られているのを挙げると、Ｎｉ３Ｔｉ、Ｎｉ３Ｍｏ、Ｎｉ３Ａｌ、ＮｉＴｉ、ＮｉＭｏ及びＮｉＡｌである。高ニッケル含有の析出物を得るためには、この元素が非常に大量に必要とされるが、Ｎｉは、非常に高価な元素である。Ｎｉとともに析出物を形成する素としてＴｉ、Ａｌ又はＭｏを使用することについては、Ｔｉは、合金に与える機械的特性は好ましいが、Ａｌは炭化物を容易に形成しないので、単純で好ましいことに留意すべきである。問題は、耐摩耗性の一次炭化物、窒化物又はホウ化物を形成する、炭素又は他の格子間元素の存在である。炭素は、Ｔｉと非常に強く反応して、Ｔｉにニッケルとの金属間化合物析出物を形成させるのでなく、チタン炭化物を形成する。これを回避するには、炭素は、Ｔｉよりも強い炭化物形成元素により固定されなければならない。同じことがＭｏについて言えるが、Ｔｉよりも弱い炭化物形成元素であるので、Ｔｉの場合よりも多くの炭素を固定するための元素があり、それらの中に、バナジウムのような比較的安価な元素がある。Ｔｉ又はＭｏのいずれかをＮｉと組み合わせたい場合、どの元素が炭素を固定するために使用できるか明確になるように、強度が増大する順に並べた炭化物形成元素を下に示す。
Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ
【００２５】
この強化戦略で、非常に良好な硬さ対靱性の均衡が達成できる。二次炭化物の存在量がより小さいと、マトリックスは、よりよい硬さ対靱性比率を有する。チタンは、一次炭化物形成元素として、特にバナジウムと一緒に残すことができ、その場合、他の元素、主としてＭｏ及びＡｌがマトリックスの析出物硬化のために利用されなければならない。Ｔｉ及び他の強い炭化物形成元素を使用すると、本発明の工具鋼にとって望ましくないマトリックス強化機構である二次炭化物の存在が減少する。析出物硬化がより望ましいからである。
【００２６】
したがって、本発明の合金は常に、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ及びＷからなる群のうちのいくつかの炭化物形成元素を有する。事実、図１で見られるように、通常、バナジウムの多い（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗとの）複合炭化物が利用されることが好ましい。したがって、バナジウムは本発明の工具鋼中に常に存在する。例外としては、極めて高い靱性とともに高い溶接性が望まれ且つ靱性を増大させるために耐摩耗性は犠牲にすることができる用途のための非常に特殊な高硬度の例である。この場合も、図１で見られるように、Ｍｏ／Ｗ一次炭化物がバナジウムに代わりに利用され、また、それらの破壊靱性が不純物の存在に非常に強く依存するので、Ｃｒ及びＶを低含有量にすること、さらにこれら２元素をできるだけ低含有にすることが行われる（それらは不可避の不純物としてのみ存在する）。そのため、上記用途のための本発明の好ましい実施例は、以下の構成を有する鋼である。
％Ｃｅｑ＝０．４５〜２．５及び％Ｃｒ＞＝２．５の場合は、％Ｖ＝０．６〜１２；
％Ｃｃｑ＝０．４５〜２．５及び％Ｃｒ＜２．５での場合は、％Ｍｏ＋１／２％Ｗ＝１．５〜１７。
析出強化を考えると、本発明の工具鋼は、十分なニッケル、並びにＡｌ、Ｍｏ及び／又はＴｉのようなＮｉ金属間化合物形成元素を常に有する。
【００２７】
本発明の非常に低炭素の実施例として、高硬度で例外的な溶接性が、炭化物を得る際の、用途による２つの異なった戦略に従って達成できる。工具鋼の価格が重要である用途について、及び耐摩耗性が靱性よりも重要な用途については、炭化物は、主としてバナジウムにより形成される。一方、溶接性に加えて靱性がより重要な用途については、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ及び／又はＴａのような強い炭化物形成元素が利用される。そのため、上記用途のための本発明の別の実施例は、以下の構成を有する鋼である。
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４４の場合、％Ｖ＝０．８５〜４；又は
％Ｃｅｑ＝０．２５〜０．４４の場合、％Ｔｉ＋％Ｈｆ＋％Ｚｒ＋％Ｔａ＝０．１〜４。
特殊な事例はＮｂの場合であり、本発明の工具鋼について、靱性に対する効果はまったく負であり、したがってその存在は不可避の不純物としてのものであるが、結晶粒成長制御が望ましいいくつかの特殊な用途では、本発明の範囲内で２％まで使用できる。
【００２８】
工具構成費用を低減させるため、加工性増強剤の添加も本発明において実施可能である。最も一般的に使用される元素は濃度が１％未満のイオウ（Ｓ）であり、イオウが、靱性をひどく損なう硫化鉄としてではなく、硫化マンガンとして存在することを確実にするために、通常Ｍｎの含有量も増大させる。Ａｓ、Ｓｂ、ＢｉＴｅ、及びさらにＣａもこの目的のために使用できる。
【００２９】
所定の組成について、工具鋼の硬さ、靱性及び耐摩耗性の値及び、程度は小さいが溶接性も、表３で認められるように、熱処理により強く影響され得る。本発明の工具鋼では、異なる用途のために異なる熱処理が使用できる。
【００３０】
本発明の工具鋼は、最も一般的な任意の冶金学的経路により製造することができる。即ち、砂型鋳造、精密鋳造、連続鋳造、電気炉溶融、真空誘導溶融などである。任意の種類のアトマイズの後圧縮成形法を含む粉末冶金法も使用できる。圧縮成形法は、いくつか例示すれば、ＨＩＰ、ＣＩＰ、コールドプレス若しくはホットプレス、焼結、溶射又はクラッド法である。合金は、所望の形状で直接的に得ることができ、又はさらに冶金学的に改善することができる。ＥＳＲ、ＡＯＤ、ＶＡＲ等のような任意の精錬を行う冶金学的方法が適用可能であり、鍛造又は圧延も靱性を改善するために利用できる。本発明の工具鋼は、溶接における溶接合金として使用する棒、線材又は粉末として得ることができる。さらに金型も、低原価の鋳造合金を使用し、且つ本発明の鋼で作製された棒又は線材を用いて溶接することによって、本発明の鋼を金型の最重要部品に供給することにより構成することができ、又は本発明の鋼で作製された粉末を使用して、さらにレーザ、プラズマ若しくは電子ビーム溶接することができる。本発明の工具鋼は、他の材料の表面部分に供給するために、任意の熱射出技法を用いて使用することもできる。
【００３１】
本発明の鋼は、シャフト、ギヤ、連接棒、ベアリングのような構造部品を組み立てるためにも、及び自動車の車枠のような、支柱、補強材、ウィンドサーフィン用ボード等のような耐久性構造物を構築するために薄板態様でも使用することができる。
【００３２】
実施例
本発明の鋼組成が、異なる典型的冷間加工用途に対して、どのようにより厳密に規定されるかについていくつかの実施例を示す。
【００３３】
「実施例１」
機械的要求性能が低く、従来の冷間工具鋼で達し得るので、本発明の工具鋼による利益が、溶接性の改善のみである大部分の用途については、組成は、最適溶接性を達成しながら価格を最小化するように選択すべきである。安価な炭化物形成元素が使用され、金属間化合物析出物は主としてＡｌ及びＭｏにより形成されるであろう。組成は、以下の範囲に入るべきである。
Ｃｅｑ：０．４５〜０．５５      Ｃｒ：２．０〜５．０
Ｖ：１．０〜３．５              Ｎｉ：３．０〜６．０
Ｓｉ：０．０５〜１．５          Ｍｎ：０．０８〜２
Ａｌ：０．５〜２．０            Ｍｏ：０〜３
Ｗ：０〜２                      Ｃｕ：０〜４
すべての値は重量パーセントである。
【００３４】
「実施例２」
靱性要求が非常に高い（薄板の非常に高い強度、未加工の又は複雑な外形の厚肉による）切断、打抜き又は縁取り用途。この場合、修復後靱性が高くあるべきなので、非常に低量の炭素が望ましい。鋼の靱性も、非常に重要であり、価格はそれほど不利益ではない。析出物硬化が、全体のより大きな比率を占めなければならず、強い炭化物形成元素を、たとえ高価でも使用すべきである。一次炭化物は小さめにすべきであり、そのためにＣｒ、Ｍｏ及びＷは好ましい合金元素ではない。組成は、以下の値を取るべきである。
Ｃｅｑ：０．４５〜０．６      Ｃｒ：２〜８
Ｖ：１〜３．５                Ｎｉ：６〜１２
Ｓｉ：０．０１〜１．４        Ｍｎ：０．２〜３
Ａｌ：１．５〜４              Ｍｏ：１〜３
Ｗ：０．５〜２                Ｔｉ：０．２〜２
Ｃｏ：１〜６                  Ｃｕ：０〜２
及びＨｆ＋Ｚｒ＋Ｔａ＋Ｎｂ：０〜１。
【００３５】
「実施例３」
さらに高い溶接性が望まれ又は靱性がさらに高いことが必要であり且つ若干の耐摩耗性は犠牲にできるならば、％Ｃｅｑのさらに低いタイプが使用されよう。この場合、Ｔｉ、Ｚｒ又はＨｆのような非常に強い炭化物形成元素の１つが使用されなければならず、さもなければ、炭素の大部分は、さほど望ましくない二次炭化物を形成してしまうであろう。Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆは一次炭化物の形成を促進する。Ｔｉは特に望ましい。それは、ＴｉがＶと非常にうまく組み合わさって、非常に高硬度で且つ許容される靱性の複合一次炭化物を形成するからである。少し低い一次炭化物含有量のこの組成範囲は、合金を鍛造なしで熱処理のみによる鋳造物として使用しようとする場合にも、非常に興味深い。このことは、原型又は無原型バルク鋳造の両者において、及びこの応用実施例の鋼組成物が溶接材料（レーザ、プラズマ等による溶接のための粉末として、又はアーク溶接のための線材、棒、又は電極として）として使用される溶接においても起こる。
Ｃｅｑ：０．２５〜０．４３      Ｃｒ：０．１〜８
Ｖ：０．９〜２                  Ｎｉ：４〜１２
Ｓｉ：０．０１〜１              Ｍｎ：０．０８〜３
Ａｌ：１．５〜３                Ｍｏ：１〜１０
Ｗ：０〜１５                    Ｔｉ：０〜３
Ｈｆ：０〜２                    Ｚｒ：０〜２
Ｃｏ：０〜１０                  Ｃｕ：０〜４
及びＴｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ：０．２〜２
【００３６】
「実施例４」
非常に要求の強い用途について、合金化の好ましい方法は、炭化物としてＺｒＣ、ＨｆＣ又は（Ｔｉ−Ｖ）Ｃ、及び析出物としてのＮｉＴｉ及びできるだけ多くのＮｉ３Ｔｉを使用することである。そのため、最終的組成は、以下の範囲に入るべきである。
Ｃｅｑ：０．４５〜０．８      Ｃｒ：０．１〜４
Ｖ：０．６〜２                Ｎｉ：６〜１２
Ｓｉ：０．０１〜１            Ｍｎ：０．０８〜３
Ａｌ：１．５〜５              Ｍｏ：１〜５
Ｗ：０〜１                    Ｔｉ：０．５〜３
Ｈｆ、Ｚｒ：０．２〜２        Ｔａ、Ｎｂ：０〜１
Ｃｏ：１．５〜１４            Ｃｕ：０〜２
【００３７】
「実施例５」
耐摩耗性が非常に高くなければならない用途については、ＶＣ、おそらくはさらにＷＢ又はＴｉＢ２などのホウ化物のような高耐摩耗性粒子を使用すべきである。この場合、％Ｃはより高く、したがって溶接性はより低いであろう。
Ｃｅｑ：０．８〜２．５      Ｃｒ：２〜８
Ｖ：２〜１２                Ｎｉ：５〜８
Ｓｉ：０．０５〜１          Ｍｎ：０．０８〜３
Ａｌ：１．５〜３            Ｍｏ：１〜１０
Ｗ：１〜１５                Ｔｉ：０．３〜３
Ｈｆ：０〜２                Ｚｒ：０〜２
Ｃｏ：０〜１４              Ｃｕ：０〜４
【００３８】
「実施例６」
本発明の工具鋼を、溶接合金として使用しようとするならば、かなりの程度の靱性を有するために、組成が、「鋳造したまま」の状態における偏析又は一次炭化物の粒界析出の原因とならないことを確実にしなければならない。
Ｃｅｑ：０．４５〜１．２      Ｃｒ：１〜８
Ｖ：０．６〜４                Ｎｉ：４〜１０
Ｓｉ：０．０５〜１．５        Ｍｎ：０．０８〜３
Ａｌ：１〜３                  Ｍｏ：０．３〜５
Ｗ：０〜５                    Ｔｉ：０〜３
Ｈｆ：０〜２                  Ｚｒ：０〜２
Ｃｏ：０〜８                  Ｃｕ：０〜４。
【００３９】
本発明により製造される鋼の他の実施例
数種の溶鋼を製造した後、性質を従来の冷間工具鋼と比較した。表Ｉに、いくつかの最も関連性のある溶鋼の組成が示され、溶鋼を得る冶金学的方法も特定されている。表ＩＩでは、冷間加工用途に最も関連性のある性質が比較されている。本発明の工具鋼について、後に溶接性との関わり合いが生じる％Ｃｅｑの相当な低下により、同じ硬さが得られるだけでなく、硬さ／靱性の比がかなり改善されることが認められる。
【００４０】
【表１】
2010515824.tif 000003
【００４１】
【表２】
2010515824.tif 000004
【００４２】
【表３】
2010515824.tif 000005
【００４３】
本発明の別の実施例は、従属請求項に開示されている。
【００４４】
本発明の工具鋼は、６０ＨＲｃを超える硬さで極めて良好な溶接性を有する。本発明の工具鋼は、最も関連性のある冷間工具鋼特性、即ち、硬さ、靱性、耐摩耗性の優れた組合せを有する。
【図１】
2010515824.tif 000006
【国際調査報告】
2010515824.tif 000007
2010515824.tif 000008
2010515824.tif 000009
2010515824.tif 000010