(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間加工鋼対象物が、質量％において、
炭素（Ｃ）        ０．４５１ないし０．５９８
けい素（Ｓｉ）    ０．１１  ないし０．２９
マンガン（Ｍｎ）  ０．１１  ないし０．３９
クロム（Ｃｒ）    ４．２１  ないし４．９８
モリブデン（Ｍｏ）２．８１  ないし３．２９
バナジウム（Ｖ）  ０．４１  ないし０．６９
残りとして鉄（Ｆｅ）及び不純物
の組成を有する合金から形成されており、かつ材料の１７０Ｊより大きいか又はこれに等しい衝撃曲げ仕事（ＳＢＰ）、１１Ｊより大きいか又はこれに等しい長手方向切欠き衝撃仕事（シャルピＵ）、及び５８ＨＲＣより大きいか又はこれに等しいかたさを有することを特徴とする、熱間加工鋼対象物。
【請求項２】
比の値即ち合金のＣの含有量でＶの含有量を割った値が０．８２ないし１．３８である
Ｖ／Ｃ＝０．８２ないし１．３８
ことを特徴とする、請求項１に記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項３】
比の値即ち合金のＣの含有量でＣｒ＋Ｍｏ＋Ｖの含有量を割った値が１５．２ないし１８．４である
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／Ｃ＝１５．２ないし１８．４
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項４】
合金のタングステン含有量が、０．１質量％より少ない
Ｗ＜０．１
ことを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項５】
溶融物の硬化の際に形成される炭化物の割合が０．４５容積％より小さいことを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項６】
合金の１つ又は複数の不純物が、質量％において次の最大値を有する個別及び／又は総合含有量を有する
硫黄（Ｓ）          ＝０．００５
りん（Ｐ）          ＝０．００７
（Ｓ＋Ｐ）          ＝０．０１０
ニッケル（Ｎｉ）    ＝０．１５
コバルト（Ｃｏ）    ＝０．１
銅（Ｃｕ）          ＝０．１
（ＮＩ＋Ｃｏ＋Ｃｕ）＝０．２５
アルミニウム（Ａｌ）＝０．０２
マグネシウム（Ｍｇ）＝０．００１
カルシウム（Ｃａ）  ＝０．００１
（Ａｌ＋Ｍｇ＋Ｃａ）＝０．０２
ことを特徴とする、請求項１ないし５の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項７】
合金の窒素（Ｎ）含有量が０．０２５質量％より少ない
Ｎ＜０．０２５質量％
ことを特徴とする、請求項１ないし６の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項８】
５００°Ｃの温度において、機械的な鋼特性の一方又は両方の値が、次の値に等しいか又はこれより大きく、
衝撃曲げ仕事（ＳＢＰ）：１８０Ｊ
長手方向切欠き衝撃仕事（シャルピＵ）：１４Ｊ
及び５９ＨＲＣ又はこれより大きいかたさを持っている
ことを特徴とする、請求項１ないし７の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項９】
合金の１つ又は複数の不純物が、質量％において次の最大値を有する個別及び／又は総合含有量を有する
ひ素（Ａｓ）        ＝０．００５
ビスマス（Ｂｉ）    ＝０．００３
すず（Ｓｎ）        ＝０．００５
亜鉛（Ｚｎ）        ＝０．００２
アンチモン（Ｓｂ）  ＝０．００２
ほう素（Ｂ）        ＝０．００２
（Ａｓ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｓｂ＋Ｂ）＝０．００９
ことを特徴とする、請求項１ないし８の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項１０】
機械的な材料特性を調節するための熱処理のための硬化温度が、１０８０°Ｃより低いことを特徴とする、請求項１ないし９の１つに記載の熱間加工鋼対象物。
【請求項１１】
硬化温度が１０４０℃ないし１０６０℃であることを特徴とする、請求項１０に記載の熱間加工鋼対象物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間加工鋼対象物、とくに高められた温度において金属及び合金を変形するための工具に関する。高い温度において負荷にさらされる構成部分、とりわけ工具、例えば押出しダイ、鍛造工具、圧力鋳造型、プレススタンパ、心棒等のために、場合によっては５５０°Ｃ及びそれ以上の温度において負荷にしたがって相応する機械的な材料特性を有し、かつこれらの特性を長い使用時間にわたって維持する材料が必要である。
【０００２】
【従来の技術】
しかしながら従来の技術によれば、５５０°Ｃを越える温度範囲において熱間加工鋼のきわめて高度な材料特性、及び粘性、極端な負荷の際のきわめてわずかな塑性変形、高い磨耗抵抗、初期耐久性及び良好な永続的耐久性は、同時に合金技術的な処置によって所望の程度には達成することができない。したがって対象物の所定の熱的及び機械的負荷の際、この対象物の化学的組成及び熱処理は、それにより達成可能な材料特性のプロファイルが要求にできるだけ近くなるように選択されており、その際、しばしば対象物又は工具の一層短い寿命を許容しなければならない。
【０００３】
材料の科学は、以前から、熱間加工鋼からなる対象物の高められた温度における長時間使用特性を改善し、かつ熱処理の際に高い高度における高い材料粘性が達成されるので、それにより部分の衝撃的な負荷の際にも破損の危険が、かつ塑性変形及び磨耗が最小になるという問題と対決している。その際、材料の初期耐久性及び熱伝導度も考慮しなければならない。
【０００４】
合金の０．５質量％の範囲における炭素含有量及び３ないし５質量％Ｃｒのクロム含有量において形成される特殊炭化物によって高められた温度において熱処理された鋼対象物の初期耐久性又は機械的な特性の不変の維持が引起こされることは、専門家にとって周知であり、その際、モリブデン−タングステン及びバナジウム−含有量はその熱耐久性をさらに高める。通常の熱間加工鋼は、大体において質量％において０．３５ないし０．６６５のＣ、２．０ないし７．０のＣｒ、１．５ないし８．０のＭｏ及び／又は１．５ないし８．０のＷ及び０．４ないし２．０のＶの含有量を有し、その際、バナジウムは、一層多くのモリブデン又はとくに一層多くのタングステン含有量によって置き換えてもよい。
【０００５】
良好な初期耐久性における熱間加工鋼の多くの耐用年数、及び大きな直径を有する対象物の熱処理の際の耐磨耗性も達成するために、ヨーロッパ特許第０２４９８５５号明細書によれば、大体において質量％においてＣ＝０．４２ないし０．５、Ｍｎ＝０．３５ないし０．６、Ｓｉ＝０．８ないし１．２、Ｃｒ＝５．８ないし６．２、Ｍｏ＝１．８５ないし１．９５、Ｖ＝０．ないし０．９の鋼組成を利用することが提案される。ＡＩＳＩタイプＨ１３による鋼と比較して、前記の合金組成において、粘性、かたさ、剛性及び磨耗抵抗の改善が達成される。しかしながら５８ＨＲＣを越えるかたさへの熱処理は、組織の粗粒子形成及び不利な粘性損失を引起こす。
【０００６】
とくに周期的な負荷の際の機械的な高温特性を改善するために、冶金学的に製造されたコバルトを含有する熱間加工鋼（米国特許第６０１５４４６号明細書）も提案されている。
【０００７】
オーストリア国特許第４０３０５８号明細書によれば、金属及び合金の非切削熱間形成を行なう工具のために、高められたアルミニウム含有量を有する熱間加工鋼を利用することが公知である。この鋼は、一層高い加工温度に対して完全に適しているが、５８ＨＲＣを越えるかたさ値の際、もろくなる傾向を有する。
【０００８】
３５Ｗ／ｍｋを越える熱伝導度を持たなければならない熱間加工工具のための材料として、ヨーロッパ特許第０６３２１３９号明細書によれば、大体において質量％においてＣ＝０．３ないし０．５、Ｓｉ＜０．９、Ｍ＜１．０、Ｃｒ＝２．０ないし４．０、Ｍｏ＝３．５ないし７．０、０．３ないし１．５のＶ及び／又はＴｉ及び／又はＮｂ、Ａｌ＝０．００５ないし０．１からなる合金が提案され、それにより熱衝撃及び応力割れ目を避けるために、工具表面の一層小さな負荷及び工具における一層平らな温度勾配を達成するようにする。
【０００９】
ヨーロッパ特許第０９３９１４０号明細書は、大体において質量％においてＣ＝０．２５ないし０．７９、Ｃｒ＝１．１０ないし７．９５、Ｍｏ＝０．５６ないし３．４９、Ｖ＝０．２６ないし１．４８、Ｆｅ＝残りからなる熱間加工鋼を開示している。高い温度において変形される材料の特性を改善するために、前記の合金において不純物及び付随元素は制限されている。この処置によってＨＲＣ＝５６より小さなかたさへの材料の熱処理の後に、耐熱性、熱粘性及び熱磨耗抵抗に対する大きな値が達成でき、ただし５８ＨＲＣより大きな対象物のかたさへの熱処理の際の高い温度におけるそれぞれの機械的特性の強力なばらつきが確認された。
【００１０】
１．５ないし２．５容積％のタイプＭＣの炭化物含有量により特徴づけられる粉末冶金学的に製造された熱間加工鋼は、ＰＣＴ第ＷＯ００／２６４２７号明細書により公知になている冷間加工のための工具をますます考慮すべき５８ないし５９ＨＲＣの材料かたさにわたって、２．５ないし１．５容積％より高い及び低いＭＣ含有量は、衝撃曲げ粘性に不利に作用する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
冶金学的な専門分野の知的水準及びそれにより容易に推考される技術的な解決策の発端を前提として、本発明の課題は  所定の従来の技術の欠点を除去し、かつ高い材料かたさ及びそのような剛性特性の際に、同時に著しく高められたレベルの粘性値を保証し、かつ良好な熱伝導度の際に、高められた温度における改善された耐磨耗性、及び強力な、場合によっては衝撃的な負荷の際の部分の耐用年数の効果的な延長を提供する、熱間加工鋼対象物を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、初めに述べたような対象物において次のようにして解決される。すなわちこの対象物が、質量％において、
炭素（Ｃ）        ０．４５１ないし０．５９８
けい素（Ｓｉ）    ０．１１  ないし０．２９
マンガン（Ｍｎ）  ０．１１  ないし０．３９
クロム（Ｃｒ）    ４．２１  ないし４．９８
モリブデン（Ｍｏ）２．８１  ないし３．２９
バナジウム（Ｖ）  ０．４１  ないし０．６９
残りとして鉄（Ｆｅ）及び不純物
の組成を有するように形成されており、かつ材料の１７０Ｊより大きいか又はこれに等しい衝撃曲げ仕事（ＳＢＰ）、１１Ｊより大きいか又はこれに等しい長手方向切欠き衝撃仕事（シャルピＵ）、及び５８ＨＲＣより大きいか又はこれに等しいかたさを有する。（衝撃曲げ仕事（ＳＢＰ）は、ＳＴＡＨＬ．ＥＩＳＥＮ−テストシート（ＳＥＰ）１３１４にしたがって検出され、切欠き衝撃仕事は、ＤＩＮ  ＥＮ  １００４５にしたがって行なわなければならない。）
【００１３】
本発明によって達成される利点は、大体において次の点にある。すなわち合金技術によって、又は鋼における炭素の及び炭化物を形成する元素のそれぞれ計量された含有量によって、わずかな炭化物割合を有する混合結晶硬化が可能である。その際、一層容易な炭素溶解に相応して例えば１０８０°Ｃ又はそれより低い一層低いオーステナイト化温度によって、５８ＨＲＣを越える値への硬化を行なうことができ、このことは、材料の微粒子性を促進し、かつ高い材料粘性に関して有利に作用する。換言すれば、熱処理の際に炭素及び特殊炭化物及びモノ炭化物を形成する元素の狭い限界内の所定の含有量によって、所望の混合結晶硬化能力が促進され、かつ炭化物硬化及び一層荒い炭化物のかたさを上昇する分離が、マトリクスかたさの負担でかなりの程度まで抑圧されることがわかった。
【００１４】
本発明によれば、元素の相互作用に基づいて、反応する元素の活性度にこれらを互いに同調することが重要である。マトリクス結晶の格子の支持のための炭素の最小活性度、及び所定のクロム、モリブデン及びバナジウムの含有量の際の炭素形成傾向を保証するために、少なくとも０．４５１質量％の炭素含有量は重要であるが、その際、０．５９８質量％より高い合金の炭素含有量は、磨耗抵抗を促進するが、対象物のかたさ及び粘性に不利に作用する作用を及ぼす。クロム含有量は、共働的に４．２１と４．９８質量％の間の狭い限界内に設定することができる。４．９８質量％より高いＣｒ含有量は、熱間加工鋼の初期耐久性を低い温度の方へずらすことがあり、それに反して４．２１質量％より低いクロム値は、特殊炭化物の形成の傾向の減少を引起こす。その含有量によって決まる炭素に対するモリブデン及びバナジウムの活性度は、熱処理の際のマトリクス硬化に関して特別に重要である。Ｍｏは、Ｖに対して一種のマスク作用を有し、かつ少なくとも２．８１質量％の含有量の際に、ＶＣモノ炭化物析出を、したがってマトリクスディプレッションを遅らせることがわかった。他方において３．２９質量％以上のモリブデン含有量の際、炭素への親和性は、対象物のオーステナイト化の際にその溶解を大幅に遅らせるか又は減少することができるほど大きい。熱間加工鋼対象物の焼戻しの際の二次かたさの相応した発展のために、０．４１質量％のＶの最小含有量が必要であり、０．６９質量％のＶより多い含有量は、明らかになったように、鋼の熱伝導の減少に関しても不利に作用することがあるモノ炭化物形成の傾向を増加する。０．１１と０．２９質量％の間の含有量のけい素は、液状鋼の効果的な脱酸にとって重要である。０．２９質量％より多くのＳｉ含有量は、考慮された適用温度における材料粘性を悪化する。マンガンは、硫黄の結合のために必要である。現代の脱硫法を利用する際、少なくとも０．１１質量％によりマンガン含有量を低く維持することが可能である。０．３９質量％より高いマンガン含有量は、とくに別の粒子限界活性元素によって鋼の熱粘性を悪化することがある。
【００１５】
前記の構成によれば、炭素、けい素、マンガン、クロム、モリブデン及びバナジウムのそれぞれの含有量の共働的な選択が、熱処理によって５８ＨＲＣの高いかたさ及び同時に高い傑出した粘性を有する熱間加工鋼対象物を製造する前提をなしていることが理解できる。
【００１６】
炭素とバナジウムの含有量の選択は、比の値：即ちＣの含有量でＶの含有量を割った値Ｖ／Ｃが０．８２ないし１．３８であるようにすると有利である。狭い限界内におけるこの比によって、形成にとって微妙にモノ炭化物は、マトリクス含有量の希望に抑圧され、かつ混合結晶硬化能力が優先される。
【００１７】
炭素含有量でクロム＋モリブデン＋バナジウムの含有量を割った値が、１５．２と１８．４の間にあると、熱間加工鋼対象物の初期耐久性を増加した際のかたさ上昇、熱磨耗耐性及び寿命の改善が達成できる。
【００１８】
全く驚くべきことに、モリブデンとタングステンは、その炭化物形成の傾向に関して交換可能とみなされるので、タングステンは、一次炭化物形成の傾向を促進し、かつとくに溶離及び場合によっては粒子成長を促進し、その際、熱間加工鋼の白熱による溶離分解は、タングステンによって著しく減少する。それ故に本発明によれば、熱間加工鋼対象物のタングステン含有量が、０．１質量％より少ないようにする。
【００１９】
熱間加工鋼対象物は、なるべく溶融物の硬化の際に形成される０．４５容積％より少ない炭化物の割合を有する。一方においてそれにより炭素に関する混合結晶のディプレッションが防止され、かつそれ以上のかたさ上昇が達成可能であると思われ、他方において明らかになったように、熱間加工鋼材料の熱伝導度の上昇が達成される。材料中における炭化物割合の減少による熱伝導度の改善は、科学的にまだ保証されていないが、炭化物の境界面運動学及び／又は特性に基づくことができる。
【００２０】
本発明の別の構成において、高められた温度における熱間加工鋼対象物の改善された利用特性のために有利なように、不純物及び／又は付随元素の減少を考慮することができる。これに関して考慮される元素の個別及び総合含有量は、特許請求の範囲第６項及び特許請求の範囲第９項の特徴部分に記載されている。
即ち合金の１つ又は複数の不純物が、質量％において次の最大値を有する個別及び／又は総合含有量を有する。
硫黄（Ｓ）          ＝０．００５
りん（Ｐ）          ＝０．００７
（Ｓ＋Ｐ）          ＝０．０１０
ニッケル（Ｎｉ）    ＝０．１５
コバルト（Ｃｏ）    ＝０．１
銅（Ｃｕ）          ＝０．１
（ＮＩ＋Ｃｏ＋Ｃｕ）＝０．２５
アルミニウム（Ａｌ）＝０．０２
マグネシウム（Ｍｇ）＝０．００１
カルシウム（Ｃａ）  ＝０．００１
（Ａｌ＋Ｍｇ＋Ｃａ）＝０．０２
また合金の１つ又は複数の不純物が、質量％において次の最大値を有する個別及び／又は総合含有量を有する。
ひ素（Ａｓ）        ＝０．００５
ビスマス（Ｂｉ）    ＝０．００３
すず（Ｓｎ）        ＝０．００５
亜鉛（Ｚｎ）        ＝０．００２
アンチモン（Ｓｂ）  ＝０．００２
ほう素（Ｂ）        ＝０．００２
（Ａｓ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｓｂ＋Ｂ）＝０．００９
【００２１】
窒素は、炭化物を形成する元素Ｃｒ、Ｍｏ及びＶと安定な窒化物を形成し、それにより熱処理技術的な欠点が生じることがあるので、０．０２５質量％を有する合金の窒素含有量を上方に向かって制限することは、有利とわかった。
【００２２】
とくに高い能力プロファイルを有する熱間加工鋼対象物は、５００°Ｃの温度において、機械的な鋼特性の一方又は両方の値が、次の値に等しいか又はこれより大きいときに、製造することができる：
衝撃曲げ仕事（ＳＢＰ）：１８０Ｊ
長手方向切欠き衝撃仕事（シャルピＵ）：１４Ｊ
またかたさが５９ＨＲＣに等しいか又はこれより大きい。
【００２３】
機械的な特性を調節するための熱処理のための硬化温度が、１０８０°Ｃより低く、とくに１０５０°Ｃプラス／マイナス１０°Ｃであると、同時に高いかたさ値の際に高い材料粘性に関して微粒子組織の決定的な利点は、本発明にしたがって構成された合金において得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明を例によって詳細に説明する。表１に開発作業において研究されたいくつかの材料の化学的組成が記載されている。
【００２５】
0003867272.tif 000002
【００２６】
表１において合金Ｂ及びＥによって示された材料は、本発明による組成を有し、１．２３６７及び１．２８８５によって、ＤＩＮ−鋼−鉄−リストによる材料番号を有する試料が特徴を示されており、その際、後者の試料は、炭素含有量に関して前記の限界の外にある。
【００２７】
種々の合金組成を有する材料の機械的特性を比較研究することができるようにするために、それぞれの試料材料を５８ないし５９ＨＲＣのかたさに熱処理することが実験された。詳細にはこのことは、表２に記載された処置によって行なわれ、その際、焼き入れ媒体として油が利用された。
【００２８】
0003867272.tif 000003
【００２９】
ＤＩＮ材料番号１．２３６７及び１．２８８５による材料は、特殊処置によっても５６ＨＲＣを越えるかたさに熱処理することができなかった。
【００３０】
機械的な材料試験の際に得られた本発明による合金（Ｂ、Ｅ）及び比較材料の値は、数値的に表３から明らかである。
【００３１】
0003867272.tif 000004
0003867272.tif 000005
【００３２】
明確な対照のために、試験の際に得られた特性値を棒グラフとして図１、図２及び図３にグラフ的に示す。
【００３３】
図１及び図２によれば、合金Ａは、明らかにわずかな炭素含有量によって十分なマトリクス剛性が達成されないので、本発明による合金に対して低下したかたさ及び衝撃曲げ粘性及び切欠き衝撃値を有する。それに対して合金Ｃの材料は、大きなかたさを有するが、きわめて小さな粘性を有し、このことは、高いモリブデン含有量に関連するわずかな炭素含有量を、したがってマトリクスディプレッションを指摘している。同じことは、一層わずかな程度において合金Ｄに当てはまり、その際、明らかに高められたバナジウム含有量は、粘性に関して高いモリブデン含有量をマスクしているが、わずかなかたさ効率を示している。熱処理の際の全く良好なかたさ想定の際、合金Ｆの材料は、粘性特性、とくに衝撃曲げ粘性の低下に関して多くのモリブデン含有量の完全な作用を示している。同じことは、大体において合金Ｇの材料にも当てはまる。材料Ｎｏ．１．２３６７を有する鋼は、低いかたさ製品に熱処理できるだけであり、かつ多くのクロム含有量に基づいてわずかな初期耐久性を有するが、全く高い切欠き衝撃仕事の際に、材料のＲＴにおける比較的わずかな衝撃曲げ粘性が得られる。改善された初期耐久性を有する材料Ｎｏ．１．２８８５に対して、きわめて低い特性レベルが検出された。
【００３４】
図３は、合金Ｂ及びＥからなる本発明による材料と材料Ｎｏ．１．２３６７及び１．２８８５を有する材料との５００°Ｃにおける切欠き衝撃粘性（ＩＳＯ−Ｕ）の対照を示している。ＤＩＮ規格材料によるわずかなかたさは、粘性を促進し；材料Ｎｏ．１．２８８５を有する鋼に対して、予想できないほど低いＫＵ値が検出された。
【００３５】
研究された材料のＲＴにおける衝撃曲げ粘性、ＲＴにおける切欠き衝撃仕事（ＩＳＯ−Ｕ）及び５００°Ｃにおける切欠き衝撃粘性（ＩＳＯ−Ｕ）の試験結果の比較から、本発明により構成された材料は、熱処理の後に、５８ＨＲＣより大きい／に等しい大きなかたさ、驚くほど高いレベルの機械的特性を有することを引出すことができ、その際、熱処理の際に有利なように低い硬化温度を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明及び従来の技術による合金の機械的な特性を示すグラフである。
【図２】本発明及び従来の技術による合金の機械的な特性を示すグラフである。
【図３】本発明及び従来の技術による合金の機械的な特性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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