(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その組成が
【表１】
0004523230.tif 000007
（表中の割合は質量％で表示）を含み、組成の残分が鉄および不可避的不純物からなり、さらに、２．５×１０−４％２≦（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）×Ｎである工具鋼。
【請求項２】
その組成が
【表２】
0004523230.tif 000008
（表中の割合は質量％で表示）を含み、組成の残分が鉄および不可避的不純物からなり、さらに、２．５×１０−４％２≦（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）×Ｎであることを特徴とする請求項１に記載の鋼。
【請求項３】
ニオブ含有率が０．０２質量％以下であることをさらに特徴とする請求項１または２に記載の鋼。
【請求項４】
窒素含有率が０．００６〜０．０２質量％であることをさらに特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋼。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の組成の鋼でできた部材の製造方法であって、
チタンおよび／またはジルコニウムを除いて、前記組成を有する液体鋼を精錬し、次いで、液体鋼の浴中でチタンおよび／またはジルコニウムの局部的な過剰濃度を常に防止しながら、チタンおよび／またはジルコニウムを液体鋼浴に加え、
インゴットまたはスラブを得るために前記液体鋼を鋳造し、かつ
前記インゴットまたはスラブを熱間塑性変形による成形処理にかけ、次いで、場合により熱処理にかけて、前記部材を得ることを特徴とする方法。
【請求項６】
チタンおよび／またはジルコニウムを、液体鋼浴を覆うスラグに連続的に加え、次いで、チタンおよび／またはジルコニウムが次第に前記鋼浴中にこぼれ出すことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
液体鋼浴を撹拌しながら、チタンおよび／またはジルコニウムからなる線材を前記浴中に連続的に導入することによって、チタンおよび／またはジルコニウムの添加を実施することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
液体鋼浴を撹拌しながら、チタンおよび／またはジルコニウムを含有する粉末を前記浴中に吹き込むことによって、チタンおよび／またはジルコニウムの添加を実施することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来技術の鋼より、より大きな靭性を有する工具鋼の組成物、その組成物の製造方法、およびその得られた部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
工具鋼は多くの応用分野、特に、互いに接触する金属部材間で相対的な動きを伴い、そこで、部材の１つが可能な限り長く形状安定性を保持しなければならない分野で広く使用されている。例示的なものとしては、機械工具および切削工具、ならびに度量衡用器具を挙げることができる。
【０００３】
こうした部材の形状安定性の保持には、良好な耐摩耗性、良好な変形抵抗性および静的または動的負荷のもとでの良好な強度を必要とし、それは、使用される鋼が高い靭性と高い硬さを有していなければないことを意味する。
【０００４】
さらに、焼入れ後に、組織が広い厚みにわたってできる限り均質であるように、鋼は良好な焼入れ性を示さなければならない。
【０００５】
しかし、こうした様々な要件はしばしば両立しないことがある。したがって、ＡＩＳＩ  Ｄ２と称される冷間加工用の工具鋼が知られており、広く使用されていが、この鋼は、１．５重量％の炭素と１２重量％のクロムを含有し、さらに、硬さを高めるＭｏまたはＶなどの炭化物形成元素が添加されている。炭素とクロムの含有率が高いと、Ｍ７Ｃ３形の共晶炭化物が多量に析出してくる。この炭化物は、高温での凝固の末期に形成され、その結果、粗大なものであり、金属マトリックス内で不均一に分散している。
【０００６】
鋼の中に大容積の硬い炭化物の部分が存在することは、耐摩耗性の増大には好都合であるが、分布が不良なことが靭性に不都合である。
【０００７】
したがって、この問題を軽減するために、このタイプの鋼の炭素とクロムの含有率を、それぞれ、約１％と８％の含有率に低下させ、それを埋め合わせて、モリブデン含有率を約２．５％（欧州特許第０  ９３０  ３７４号）高くすることが提案されてきた。炭素含有率の低下が共晶炭化物の容積部分を減少させるが、これは靭性のためには好都合である。硬さを増大させる、このモリブデン炭化物の割合の増加により、鋼の硬さおよび耐摩耗性の維持も可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、鋼の硬さや耐摩耗特性を低下させることなく靭性を増大させるために、この炭化物の分布をさらに微細化させることが依然必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、予想外にも、チタンおよび／またはジルコニウム含有率を最小にするのと併せた十分な窒素含有率により得られる、靭性と機械的強度および耐摩耗性との間の折合いを改善する新たな方法を発見した。その折合い自体は窒素含有率によって決まる。
【００１０】
より具体的には、本発明者等は、
一方で、Ｎ≧０．００４％、好ましくは０．００６％であり、かつ、
他方で、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）×Ｎ≧２．５×１０−４％２（ここで、Ｔｉ、ＺｒおよびＮの含有率は質量％で表す）である場合、靭性の増大と一緒に、クロム、モリブデンおよびタングステンの炭化物が微細化することを確認した。
【００１１】
窒素およびチタンまたはジルコニウムに関するこの連結した必要条件は、積極的な因子がチタンおよび／またはジルコニウムの炭化物の存在であることを示唆しており、これらは、クロム、モリブデンおよびタングステンの炭化物の粒径を微細化する機能を有すると考えられる。すなわち、粗大なクロム、モリブデンおよびタングステンの炭化物の平均粒径は、従来技術による典型的な値の約１０μｍから、本発明による値の約４μｍとなる。
【００１２】
したがって、本発明の第一の主題は、その組成が
【００１３】
【表１】
0004523230.tif 000002
（表中の割合は質量％で表示）を含み、組成の残分が鉄および不可避的不純物からなり、さらに、２．５×１０−４％２≦（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）×Ｎである鋼からなる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態では、
鋼の組成は
【００１５】
【表２】
0004523230.tif 000003
（表中の割合は質量％で表示）を含み、組成の残分が鉄および不可避的不純物からなり、さらに、２．５×１０−４％２≦（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）×Ｎである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明による鋼のチタンおよび／またはジルコニウム含有率は０．０６〜０．１５質量％でなければならない。０．１５質量％を超えると、チタンおよび／またはジルコニウムの炭化物の析出物が合体する傾向があり、その効果が失われるからである。他方、含有率が０．０６質量％未満であると、チタンおよび／またはジルコニウムの炭化物を形成させて靭性および耐摩耗性の所望の改善を得るには、存在するチタンおよび／またはジルコニウムの量が不十分である。ジルコニウム２部に対してチタン１部の割合で、ジルコニウムをチタンで、完全にまたは部分的に置き換えることができることを留意されたい。
【００１７】
本発明による鋼の窒素含有率は０．００４〜０．０２質量％、好ましくは０．００６〜０．０２質量％でなければならない。含有率が０．０２質量％を超えると靭性が低下する傾向があるので、これを限度とすべきである。
【００１８】
本発明による鋼の炭素含有率は、０．８〜１．５質量％、好ましくは０．８〜１．２質量％でなければならない。炭素は、炭化物を形成させ、鋼を得るのに望ましい硬さのレベルに達するのに十分な量で存在しなければならない。
【００１９】
他の好ましい実施形態では、本発明による鋼の炭素含有率は、０．９〜１．５質量％である。それによって、同じ熱処理に対して、硬さの向上を確実ものとし、かつ硬い炭化物の容量部分を増大させることによって耐摩耗性を高める。
【００２０】
本発明による鋼のクロム含有率は、５〜１４質量％、好ましくは７〜９質量％でなければならない。この元素は、一方では鋼の焼入れ性を増大させ、他方では焼入れ炭化物を形成させることができる。
【００２１】
本発明による鋼のマンガン含有率は、０．２〜３質量％、好ましくは０．２〜１．５質量％でなければならない。マンガンは焼入れ用の元素として、本発明による鋼に添加するが、鍛造性の悪化と靭性の過度の低下をもたらす可能性のある偏析を制限するために、その含有率は限定する。
【００２２】
鋼はニッケルを最大で５質量％まで含むことができる。好ましくは、この元素の含有率は１質量％未満に留めるべきである。焼入れ用の元素として、ニッケルを本発明による鋼に添加することができる。この元素は偏析の問題を起こさない。しかし、ニッケルは残留オーステナイトの生成に有利に働くγ相を形成する元素であるので、その含有量は制限する。
【００２３】
よくあることだが、鋼を使用前に焼き戻す場合、軟化抵抗性を改善するために、焼き戻しの際にＭＣ形の微細な炭化物を形成する、強力な炭化物形成元素をその組成物に加えることが有用である。
【００２４】
中でもバナジウムが好ましく、この場合、含有率は少なくとも０．１％、しかし１％を超えず、好ましくは０．６％未満で使用する。
【００２５】
高温で析出する傾向があり、したがって、鋼の鍛造性を著しく損なうニオブは、避けるべきで、いかなる場合でも０．１％を超えるべきではなく、好ましくは０．０２質量％未満であろう。
【００２６】
本発明による鋼のケイ素および／またはアルミニウム含有率は２質量％未満でなければならない。鋼を脱酸素する機能以外に、この元素はその温度での炭化物の合体を遅らせ、その結果、焼き戻しの間の軟化速度を低下させることができる。２質量％を超えると鋼を脆化させるので、その含有量は制限する。
【００２７】
本発明による鋼のモリブデンおよび／またはタングステン含有率は、１〜４質量％、好ましくは２．４〜３質量％でなければならない。タングステン２部に対してモリブデン１部の割合で、タングステンをモリブデンで、完全にまたは部分的に置き換えることができることを留意されたい。この２つの元素は、鋼の焼入れ性を改善し焼入れ炭化物の生成を可能にする。偏析の原因となるのでその含有量は制限する。
【００２８】
鋼中に銅が存在してもよいが、鋼の鍛造性を損なわないように１％未満の量とする。
【００２９】
さらに、鋼の機械加工性を改善するために、０．３％を超えない含有率でイオウを加えることができる。カルシウム、セレンまたはテルルを、各０．１％未満の含有率で一緒に加えることもできる。
【００３０】
チタンおよび／またはジルコニウムの添加方法を含む本発明による鋼の溶融精錬は、通常の方法によって実施することができるが、本発明の第二の主題を構成する本発明の方法によって有利に実施することができる。
【００３１】
この部材製造方法は、チタンおよび／またはジルコニウム以外の本発明による鋼のすべての元素を溶融することによって液体鋼を溶融精錬し、次いで、溶融鋼の浴中での、チタンおよび／またはジルコニウムの局部的な過剰濃度を常に防止しながら、チタンおよび／またはジルコニウムを溶融鋼浴に加えることからなる第一ステップを含む。
【００３２】
これは、本発明者らが、チタンおよびジルコニウムを固体の鉄合金もしくは金属元素の形で添加する従来技術による通常の方法は、粗大（ｃｏｕｒｓｅ）な、したがって数少ないチタンおよび／またはジルコニウムの窒化物を生成すること、その窒化物の一部がその時に沈降まですると、なおさらそうなることを発見したからである。この状態は、添加された元素の近傍で、この添加方法がチタンおよび／またはジルコニウムの液体中での著しい局部的過剰濃度を引き起こすという事実と関連しているようようである。
【００３３】
本発明による方法の第一ステップを実行する１つのやり方は、チタンおよび／またはジルコニウムを、溶鋼浴を覆うスラグに連続的に添加し、次いで、チタンおよび／またはジルコニウムを次第に鋼浴中へこぼれさせることである。
【００３４】
本発明による方法のこの第一ステップを実行する他のやり方は、浴を気泡または他の適切な任意の方法で撹拌しながら、このチタンおよび／またはジルコニウムの元素からなる線材を溶融した鋼の中に連続的に導入することによって、これを添加することである。
【００３５】
本発明による方法のこの第一ステップを実行する他のやり方は、浴を気泡または他の適切な任意の方法で撹拌しながら、このチタンおよび／またはジルコニウムの元素を含有する粉末を溶融した鋼の中に吹き込むことによって、これを添加することである。
【００３６】
本発明の文脈の中で、上記の様々な実施方法を用いることが好ましいが、局部的なチタンおよび／またはジルコニウム過剰濃度を回避できるどんな方法も用いられることを理解されたい。
【００３７】
溶融精錬は一般にアーク炉中または誘導加熱炉中で実施する。
【００３８】
この溶融精錬操作の後、液体鋼をインゴットまたはスラブに鋳造する。組織を微細化させるために、鋳型の中で撹拌するか、あるいは、市販の電極によるエレクトロスラグ再溶解法を用いることができる。
【００３９】
次いで、このインゴットまたはスラブを、例えば鍛造または圧延などの熱間塑性変形による適当な成形処理によって加工する。
【００４０】
次いで、工具鋼のための通常の手段を用いて鋼を熱処理にかける。そうした熱処理は、切削加工および機械加工をより容易にするために、場合によって焼きなましステップを含むことができ、次いで、オーステナイト化ステップにかけ、続いてその厚さに応じて空冷および油冷などの冷却ステップにかける。達成しようとする望ましい硬さのレベルにもよるが、続いて、焼きなましステップにかけることも可能である。
【００４１】
本発明の第三の主題は、本発明による組成を有する鋼、または本発明による方法を実施することによって得られる鋼であって、凝固によって得られるクロム、モリブデンまたはタングステンの炭化析出物の平均径が２．５〜６μｍ、好ましくは３〜４．５μｍである鋼でできた部材からなる。
【００４２】
本発明を以下の観察および実施例によって示す。表１は試験した鋼の化学的組成を示す。ここでヒート１は本発明によるものであり、ヒート２は比較として示す。
【００４３】
【表３】
0004523230.tif 000004
【００４４】
使用した略号：
ＶＬ：容量損失であり、ｍｍ３で示す。
ＫＶ：破壊エネルギーであり、Ｊ／ｃｍ２で示す。
Ｔ：靭性であり、Ｊ／ｃｍ２で示す。
【実施例１】
【００４５】
靭性
これらの組成から製造されたインゴットを１１５０℃で圧延して、本発明によるヒート１、および比較例のヒート２からの２つの部材を作製した。次いで、ロックウェルＣ硬さ６０を得るために、試験片を１０５０℃で１時間オーステナイト化し、油焼入れを行い、次いで５２５℃で１時間二重焼き戻しを行った。
【００４６】
次に、靭性を測定するための２つの異なる方法を用いて、２つのシリーズの試験を実施した。
【００４７】
ＮＦ  ＥＮ１００４５−２標準による、Ｖ型切欠きバーの形状を有するシャルピー試験ピースでの衝撃曲げ試験。これにより破壊エネルギーＫｖが得られる。
【００４８】
Ｖ型切欠きのないバー（１０ｍｍ×１０ｍｍのバー）での衝撃曲げ試験。これにより靭性Ｔが得られる。
【００４９】
得られた結果を以下の表に示す。
【００５０】
【表４】
0004523230.tif 000005
【００５１】
どの方法を用いても、本発明によるヒート１が、比較例ヒート２より良好な靭性を示していることが分かる。
【実施例２】
【００５２】
耐摩耗性
実施例１で用いたのと同様の方法で２つの部材を作製し、ＡＳＴＭ  Ｇ５２標準によって耐摩耗性を測定した。これは試験した試験片が受けた容積損失を測定することができる。この試験は、ケイ砂流による磨砕性の磨耗を受けた試験片の重量ロスを測定するものである。このケイ砂は、検定された粒子径を有し、ゴムでコーティングしたホイールと固定した試験片との間に導入される。
【００５３】
得られた結果を以下の表に示す。
【００５４】
【表５】
0004523230.tif 000006
【００５５】
本発明によるヒート１は、比較例ヒート２より若干良好な耐摩耗性有していることが分かる。