(57)【要約】【課題】粉末冶金（ＰＭ）法によりレデブライト工具鋼を製造し、粉末冶金材料が等方性の機械的特性、改善された耐摩耗性及び高い硬度ポテンシャルを持つようにする。【解決手段】レデブライト工具鋼合金からＰＭ法で合金粉末となるように窒素による液体金属の噴霧によって、かつその高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）によって、ＨＩＰ素材又はＨＩＰブロックが製造され、このＨＩＰブロック又はこれから製造される半製品が、１１００℃より上ただし最低溶融相の溶融温度の少なくとも１０℃下で、１２時間以上の期間完全焼鈍を受け、材料の平均炭化物相の大きさが少なくとも６５％だけ高められ、その表面形状が丸められ、基質が均質にされ、それから高い耐摩耗性を持つ熱処理された工具又は摩耗を受ける部品へのその再処理が行われる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
等方性の機械的特性及び改善された耐摩耗性及び高い硬度ポテンシャルを持つ材料の製造方法であって、レデブライト工具鋼合金からＰＭ法で合金粉末となるように窒素による溶融金属の噴霧によって、かつその高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）によって、ＨＩＰ素材又はＨＩＰブロックが製造され、このＨＩＰブロック又はこれから製造される半製品が、１１００℃より上ただし最低溶融相組織の溶融温度の少なくとも１０℃下で、１２時間以上の期間完全焼鈍を受け、材料の平均炭化物相の大きさが少なくとも６５％だけ高められ、その表面形状が丸められ、基質が均質にされ、それから高い耐摩耗性を持つ熱処理された工具又は摩耗を受ける部品へのその引続く加工が行われる、方法。
【請求項２】
工具鋼合金として、質量％で次の化学的組成を持つ高速度鋼材料
炭素（Ｃ）              ０．８〜１．４
クロム（Ｃｒ）          ３．５〜５．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜１０．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜１０．０
コバルト（Ｃｏ）        １．０〜１２．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄が使用され、熱処理される基質の炭素含有量が０．４５〜０．７５に調節され、この基質における平均炭化物相直径が、２．８μｍより大きく、なるべく３．２μｍより大きく設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工具鋼合金として、質量％で次の組成を持つ冷間加工鋼材料
炭素（Ｃ）              １．０〜３．０
クロム（Ｃｒ）                〜１２．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜５．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜３．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄が使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法により製造されて、レデブライト工具鋼合金から成る高い耐摩耗性を持つ材料であって、この材料が等方性の機械的特性を持ち、熱処理された状態で、基質中に２．８μｍ以上の平均炭化物相大きさにおいて、少なくとも７．０容積％のＭ６Ｃ及びＭＣ炭化物相割合を持ち、この基質が質量％で０．４５〜０．７５の炭素濃度を持っている、即ち
ＣＭａｔｒｉｘ＝（０．４５〜０．７５）Ｃ（質量％）である
材料。
【請求項５】
質量％で
炭素（Ｃ）              ０．８〜１．４
クロム（Ｃｒ）          ３．５〜５．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜１０．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜１０．０
コバルト（Ｃｏ）        １．０〜１２．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄の化学組成を持ち、基質中に炭化物相しかも５．５〜８．５容積％のＭ６Ｃ及び１．５〜３．９容積％のＭＣ炭化物が、丸くされた表面形状で入れられている、請求項４に記載の材料。
【請求項６】
質量％で
Ｓｉ＝０．１〜０．５なるべく０．１５〜０．３
Ｐ  ＝最大０．０３  なるべく最大０．０２
Ｓ  ＝最大０．３    なるべく最大０．０３
Ｎ  ＝最大０．１    なるべく最大０．０８
のうち少なくとも１つの元素を含んでいる、請求項４又は５に記載の材料。
【請求項７】
質量％で
Ｃ  ＝０．９〜１．４  なるべく１．０〜１．３
Ｍｎ＝０．１５〜０．５なるべく０．２〜０．３５
Ｃｒ＝３．０〜５．０  なるべく３．５〜４．５
Ｍｏ＝３．０〜１０．０
Ｗ  ＝１．０〜１０．０
Ｍｏ＋Ｗ／２＝６．５〜１２．０なるべく７．０〜１１．０
Ｖ  ＝０．９〜６．０  なるべく１．０〜４．５
Ｃｏ＝７．０〜１１．０なるべく８．０〜１０．０
のうち少なくとも１つの元素の濃度を持っている、請求項４〜６の１つに記載の材料。
【請求項８】
質量％で
炭素（Ｃ）              ０．８〜３．０
クロム（Ｃｒ）                〜１２．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜５．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜３．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎその代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄を持っている、請求項４に記載の材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、粉末冶金法によるレデブライト工具鋼の製造に関し、粉末冶金（ＰＭ）材料が等方性の機械的特性、改善された耐摩耗性及び高い硬度ポテンシャルを持っている。
【背景技術】
【０００２】  組成のためレデブライトに凝固する高合金工具鋼は、鋳造状態で局部的にしばしば粗い炭化物及び炭化物集積を組織中に持ち、鋳塊の熱変形の際これらの炭化物及び炭化物集積が列状に整列し、最後には変形方向に関係する炭化物列又は変形構造を形成する。この組織構造は、部品のそれぞれの負荷方向に関して材料の異方性の特性特徴を生じる。【０００３】  高合金工具鋼の改善された等方性の材料特性を得るため、基質中に小さい炭化物の均質な分布を保証する粉末冶金製造方法を使用することが公知である。【０００４】  ＰＭ法では、高速ガス流により小さい点滴への溶融鋼の分割が行われ、これらの点滴が高い速度で凝固し、その際これらの点滴内に炭化物相を形成する。それに続いてカプセル中における高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）により、焼結によってＨＩＰブロックが製造され、このブロックは熱変形可能であり、有利に場合によっては材料中における小さい炭化物相の均質な分布を持っている。【０００５】  このように製造される材料は、その機械的特性が十分等方性であり、よく加工可能であるが、基質構造のため限られた硬度ポテンシャルを持っている。硬度ポテンシャルという概念は、当業者にとっては、オーステナイト組織範囲からマルテンサイトに変換されて残留オーステナイトを含む材料の焼戻しの際、硬度上昇の程度に関する。【０００６】  更にわかったように、合金の同じ化学的組成では、従来の製造において同じ大きさの炭化物相の量が存在しても、ＰＭ材料は場合によっては少し耐摩耗が少ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  さて本発明の基礎になっている課題は、最初にあげた種類の方法を提示し、この方法により、機械的特性の等方性を得る際、改善された耐摩耗性及び高められた硬度ポテンシャルが得られるようにすることである。【０００８】  更に本発明は、高い硬度ポテンシャル及び摩耗に対する高い耐久性を提供することを狙っている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明によればこの課題は、レデブライト工具鋼合金の粉末冶金（ＰＭ）法による製造の際解決され、この製造の際高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）ブロック及び／又はこれから製造される半製品が、１１００℃より上ただし最低溶融組織相の溶融温度より少なくとも１０℃下の温度で、１２時間を越える期間完全焼鈍を受け、材料の炭化物相の平均大きさが少なくとも６５％高められ、その表面形状が丸められ、基質が均質化され、その後基質の引続く処理が、高い耐摩耗性を持つ工具又は摩耗を受ける部品となるように行われる。【００１０】  本発明による方法は、拡散により１１００℃を越える温度において、一方では炭化物相が増大され、他方では基質の均質化が行われ、材料の焼入れされない状態で強度特性がほぼ同じに留まり、破断の際の伸び及び特に破断の際の断面収縮が増大され、その結果処理及び特性の利点が生じる。【００１１】  本発明による期間を持つ完全焼鈍後、部品が加工及び／又は処理されると、高い材料負荷の際にも、特に引張りを受けても、亀裂の生じ易さが著しく少なくされる。【００１２】  本発明により製造される高合金材料の焼入れ及び焼戻しによる熱処理の際、既に低い焼入れ温度において高い焼戻し硬度値が得られる。【００１３】  更に驚くべきことに、完全焼鈍されかつ熱処理されるＰＭ材料が、同じ炭化物相の量ただし例えば８４％の著しく増大した炭化物相の大きさで、規定通りの摩耗テストにおいて、完全焼鈍なしの同じ製造の標準試料と比較して、場合によっては３０％以上改善された耐摩耗性を持っていることが、確認された。【００１４】  工具鋼合金として、質量％で次の化学的組成を持つ高速度鋼材料
炭素（Ｃ）              ０．８〜１．４
クロム（Ｃｒ）          ３．５〜５．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜１０．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜１０．０
コバルト（Ｃｏ）        １．０〜１２．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄が使用され、熱処理される基質の炭素含有量が０．４５〜０．７５に調節され、この基質における平均炭化物相直径が、２．８μｍより大きく設定されると、本発明の利点が特に際立って得られる。【００１５】  上記の工具鋼合金において、炭素、最も重要な炭化物形成材、基質延性及び高温硬度を特に助長する元素としてのコバルトの含有量及び基質の炭素濃度が、材料研究においてわかったように、方法にとって重要な限界で示され、本発明により有利な炭化物相直径が設定される。【００１６】  比較的大きいこのような炭化物相直径は、大きい摩耗荷重においても組織構造において維持されるか、又は除去又は剥離されない。なぜならば、これらの硬質相を含む基質も、完全焼鈍により、そのために有利な特性の特徴を得たからである。【００１７】  本発明による方法は、質量％で次の組成を持つ冷間加工鋼材料
炭素（Ｃ）              １．０〜３．０
クロム（Ｃｒ）                〜１２．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜５．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜３．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄においても、有利に使用可能である。【００１８】  本発明の別の目的は、次の材料の創造によって達せられ、この材料が等方性の機械的特性を持ち、熱処理された状態で、基質中に２．８μｍ以上の平均炭化物相大きさにおいて、少なくとも７．０容積％のＭ６Ｃ及びＭＣ炭化物相割合を持ち、この基質が質量％で０．４５〜０．７５の炭素濃度を持っている。【００１９】  同じ大きさの炭化物相割合は、わかったように、増大した平均炭化物相の大きさが均質な基質中に存在する時に、摩耗を少なくするように作用する。【００２０】  従来技術に従って、材料中にできるだけ小さい大きさを持つ炭化物相を設定し、その特性の特徴を一緒に改善するか又は最適化することが今まで試みられた。【００２１】  しかし驚くべきことに、完全焼鈍により均質にされる基質中の増大される平均炭化物相大きさが、材料の著しく改善される耐摩耗性を生じることがわかった。【００２２】  此の改善は科学的にまだ完全には解明されてないけれども、出願人によれば、摩耗を受ける際比較的粗い炭化物が、均質な基質中における結合面又は付着面の危険な縮小を遅らせ、均質化される基質が、形成される一層大きい炭化物への一層大きい結合ポテンシャルを持つ、ということが仮定される。【００２３】  質量％で
炭素（Ｃ）              ０．８〜１．４
クロム（Ｃｒ）          ３．５〜５．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜１０．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜１０．０
コバルト（Ｃｏ）        １．０〜１２．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ、その代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄の化学組成を持ち、基質中に炭化物相しかも５．５〜８．５容積％のＭ６Ｃ及び１．５〜３．９容積％のＭＣ炭化物が、丸くされた表面形状で入れられている材料において、耐摩耗性の改善が特に際立っている。【００２４】  その際材料が、質量％で
Ｓｉ＝０．１〜０．５なるべく０．１５〜０．３
Ｐ  ＝最大０．０３  なるべく最大０．０２
Ｓ  ＝最大０．３    なるべく最大０．０３
Ｎ  ＝最大０．１    なるべく最大０．０８
のうち少なくとも１つの元素を含んでいると、有利であり、機械的特性の程度を増大する。【００２５】  材料が、質量％で
Ｃ  ＝０．９〜１．４  なるべく１．０〜１．３
Ｍｎ＝０．１５〜０．５なるべく０．２〜０．３５
Ｃｒ＝３．０〜５．０  なるべく３．５〜４．５
Ｍｏ＝３．０〜１０．０
Ｗ  ＝１．０〜１０．０
Ｍｏ＋Ｗ／２＝６．５〜１２．０なるべく７．０〜１１．０
Ｖ  ＝０．９〜６．０  なるべく１．０〜４．５
Ｃｏ＝７．０〜１１．０なるべく８．０〜１０．０
のうち少なくとも１つの元素の濃度を持っていると、必要な比荷重に関してその特性パラメータの最適化が行われる。【００２６】  衝撃状作動において前記の利点をもって最大荷重に十分である冷間加工鋼に対して、材料が質量％で
炭素（Ｃ）              ０．８〜３．０
クロム（Ｃｒ）                〜１２．０
モリブデン（Ｍｏ）      ０．１〜５．０
バナジウム（Ｖ）        ０．８〜１０．５
タングステン（Ｗ）      ０．１〜３．０
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎその代わりにＮｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ及び不純物、残部は鉄を持っていると、有利である。【００２７】  開発作業の図と共に例示的にのみ示す試験結果により、本発明を以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】  材料の機械的特性を示す。
【図２】  従来技術により製造されたＰＭ材料（Ｓ５９９ＰＭ）における炭化物相を示す（ＲＥＭ分析）。
【図３】  本発明により製造されたＰＭ材料（Ｓ５９９ＰＭ−Ｈ）における炭化物相を示す（ＲＥＭ分析）。
【図４】  本発明による材料（Ｓ５９９ＰＭ−Ｈ）における炭化物相を示す（ＲＥＭ分析）。
【図５】  図４のＭ６Ｃ相を示す。
【図６】  図４のＭＣ相を示す。
【図７】  従来技術によるＰＭ材料（Ｓ５９９ＰＭ）の相図を示す。
【図８】  本発明により製造されるＰＭ材料（Ｓ５９９ＰＭ−Ｈ）の相図を示す。
【図９】  鋳造されかつ変形された材料（Ｓ５００）の相図を示す。
【図１０】  摩耗特性を検査する装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  ＲＥＭ分析（図３〜４）は走査（Ｒ）電子（Ｅ）顕微鏡（Ｍ）により行われた。
ＲＥＭモデル：  ＪＥＯＬ  ＪＳＭ６４９０ＨＶ
ＥＤＸモｄル：  オックスフォード計器ｓｉｎｃａ−ｐｅｎｔａｆｅｔ  ｘ３  Ｓｉ（                  Ｌｉ）３０ｍｍ２（図５，６）
【００３０】  炭化物相Ｍ６Ｃ及びＭＣは、画像処理ソフトウエア：ＩｍａｇｅＪにより作成された。
【００３１】
【表１】
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表１から、記号Ｓ５００を持つ基準合金（ＡＩＳＩ  形式Ｍ４２）の化学組成、及び粉末冶金で製造される材料Ｓ５９９の化学組成がわかる。
【００３２】  記号Ｓ５００を持つ材料は、通常の製造の比較材料として用いられた。なぜならば、この材料は従来技術に応じて良好な摩耗特性を持っているからである。
【００３３】  Ｓ５９９で示される組成の合金が溶融され、これからＰＭ法の後窒素で溶融物を粉末となるように霧化し、これをカプセルに充填し、高温静水圧圧縮することにより、ＨＩＰブロックが製造される。
【００３４】  このＨＩＰブロックが、一部通常のように試料及び記号Ｓ５９９−ＰＭを持つ工具に加工された。
【００３５】  同じ溶融物から成るブロック材料の第２の部分において、しかも１００ｍｍ２の正方形断面を持つ半製品において、１１８０℃で２４時間の期間、本発明による完全焼鈍が行われ、記号Ｓ５９９ＰＭＨを持つ材料の続く継続処理が行われた。
【００３６】
【表２】
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表２は、比較材料Ｓ５００及び本発明により製造される材料Ｓ５９９ＰＭ−Ｈにおける基質の化学組成及び炭化物相の割合を示す。
【００３７】  図１には、材料Ｓ５００，Ｓ５９９ＰＭ及びＳ５９９ＰＭ−Ｈの機械的特性、しかも伸び限界ＲＰＯ．２、引張り強度Ｒｍ、破断時の伸びＡ、及び破断時の断面収縮Ｚが棒グラフで示されている。
【００３８】  本発明による完全焼純によって、材料Ｓ５９９ＰＭ−Ｈの伸びＡ及び断面収縮Ｚが増大され、それが基質の均質化によって行われる。
【００３９】  図２は、顕微鏡組織図で、軟化焼鈍された状態で基質中に形式Ｍ６Ｃ及びＭＣの炭化物相を持つ材料Ｓ５９９ＰＭを示す。炭化物の相大きさは平均して約２．０μｍである。
【００４０】  微細なＭ２３Ｃ６炭化物は、材料の評価において、約２５８ＨＢの硬度を加算されない
【００４１】  図３は、本発明により製造された材料Ｓ５９９ＰＭ−Ｈを顕微鏡組織図で示す。同じ炭化物相割合で、炭化物が著しく粗くされ、約４．０μｍの平均直径を持っている。
【００４２】  約２５４ＨＢの硬度を持つ基質に、再び微細なＭ２３Ｃ６炭化物が含まれている。なぜならば、材料は軟化焼鈍された状態で存在するからである。
【００４３】  図４は、本発明により製造される材料Ｓ５９９ＰＭ−ＨをＲＥＭ分析（走査電子顕微鏡）において示し、この材料は６８．７ＨＴＣの硬度に熱処理されている。
【００４４】  図４及び５において述べておくべきことは、熱処理後、Ｍ２３Ｃ６炭化物が画像にもはや現れないことである。
【００４５】  図５において、形式Ｍ６Ｃの炭化物相が、分析の前記のグラフィックプログラムにより選択されて見える。
【００４６】  Ｍ６Ｃ炭化物相割合は約７．４容積％であり、この値は６回より多い測定からの平均値として生じた。
【００４７】  図６には、１．８容積％の割合を持つ熱処理された材料の試験からの形式ＭＣの炭化物相が示され、平均値が６回より多い測定から計算された。
【００４８】  図７は、顕微鏡組織図（研磨され、３％のＨＮＯ３溶液でエッチングされた）で、粉末冶金で製造された材料Ｓ５９９ＰＭを、１．６μｍの平均炭化物相大きさを持つ微細炭化物の均質な分布を持つ熱処理された状態で示す。
【００４９】  図８において、同じパラメータで熱処理されているけれども本発明による完全焼鈍を受けた同じ材料が、顕微鏡組織図で示され、平均の炭化物相の大きさの測定が３．６μｍの値を生じた。
【００５０】  図９は、顕微鏡組織図で、鋳塊を使用して製造された材料Ｓ５００の組織を、２３９ＨＢの硬度を持つ焼鈍された状態で示し、この材料は、少し線状に配置されて角のある一層粗い炭化物相を持っている。
【００５１】  材料の摩耗特性に関する試験が、図１０に概略的に示す装置により行われた。
【００５２】  摩耗検査において、ＳｉＣ紙やすりＰ１２０を備えた直径３００ｍｍの円板上で、試料が、試料ごとに０．２６５Ｎ／ｍｍ２の面圧力に相当する１３．３３Ｎの押圧力で押付けられた。円板の回転数は毎分１５０及び３００であった。
【００５３】  それぞれ１２回の試験から、熱処理された試料の摩耗検査の結果が、１００％を持つ比較材料Ｓ５００に対して評価された。
【００５４】  粉末冶金で製造されかつ同じように熱処理されて微細な炭化物相を持つ材料Ｓ５９９ＰＭは、比較において約９８％の摩耗割合を示した。
【００５５】  完全焼鈍による製造において本発明により処理されて同じ熱処理パラメータで製造された材料Ｓ５９９ＰＭ−Ｈの試験は、Ｓ５００及びＳ５９９ＰＭの値の約１３０％へ、３３％の摩耗強度の増大を示した。
【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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