(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金化された金属粉末の圧密により形成された本体の形の中に高い窒素含有量を有する粉末冶金で製造された高速度鋼であって、その高速度鋼は、その化学組成に関して、質量％で、
１〜２．５のＣ
１〜３．５のＮ
０．０５〜１．７のＭｎ
０．０５〜１．２のＳｉ
３〜６のＣｒ
２〜５のＭｏ
０．５〜５のＷ
６．２〜１７のＶ
残部の鉄および通常の量の不可避な不純物を含み、その中において、
【数１】
0005045972.tif 000012
として表される炭素当量の量Ｃｅｑと、Ｖｅｑ＝Ｖとして表されるバナジウム当量の量Ｖｅｑは、点Ａ１〜Ｄ１のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ１：４．５／１７
Ｂ１：５．５／１７
Ｃ１：２．５／６．２
Ｄ１：１．５／６．２
である図１の座標系のＡ１−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ１−Ａ１の範囲内にあること、そして、鋼の焼入れおよび焼戻し条件でのその構造に関して、その高速度鋼は、鋼のマトリックス中に均一に分布しているＭＸ型の粒子から成る１２〜４０体積％の硬化物を含み、前記ＭＸ型の硬化物のＭはバナジウムから成り、そしてＸは３０〜５０質量％の炭素と５０〜７０質量％の窒素から成ることを特徴とする高速度鋼。
【請求項２】
その炭素およびバナジウムの当量の係数は、点Ａ２およびＤ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ２：４．６／１７
Ｄ２：１．６／６．２
である図１の座標系のＡ２−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ２−Ａ２の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の高速度鋼。
【請求項３】
炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、点Ａ３およびＤ３のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ３：４．７５／１７
Ｄ３：１．７５／６．２
である図１の座標系のＡ３−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ３−Ａ３の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の高速度鋼。
【請求項４】
炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２およびＤ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ２：４．６／１７
Ｂ２：５．３／１７
Ｃ２：２．３／６．２
Ｄ２：１．６／６．２
である図１の座標系のＡ２−Ｂ２−Ｃ２−Ｄ２−Ａ２の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の高速度鋼。
【請求項５】
炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、図１の座標系のＡ３−Ｂ２−Ｃ２−Ｄ３−Ａ３の範囲内にあり、
ただしこれらの点のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ３：４．７５／１７
Ｂ２：５．３／１７
Ｃ２：２．３／６．２
Ｄ３：１．７５／６．２
であることを特徴とする請求項３または４に記載の高速度鋼。
【請求項６】
６．２〜９．５のＶを含むこと、およびその炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、点Ｇ１およびＨ１のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ｇ１：２．４／９．５
Ｈ１：３．４／９．５
であるＧ１−Ｈ１−Ｃ１−Ｄ１−Ｇ１の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の高速度鋼。
【請求項７】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、コーナー点Ｇ２およびＤ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ２．５／９．５および１．６／６．２である図１の座標系のＧ２−Ｈ１−Ｃ１−Ｄ２−Ｇ２の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の高速度鋼。
【請求項８】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、コーナー点Ｈ２およびＣ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ３．２／９．５および２．３／６．２である図１の座標系のＧ２−Ｈ２−Ｃ２−Ｄ２−Ｇ２の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の高速度鋼。
【請求項９】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、コーナー点Ｇ３およびＤ３のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ２．６５／９．５および１．７５／６．２である図１の座標系のＧ３−Ｈ１−Ｃ１−Ｄ３−Ｇ３の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の高速度鋼。
【請求項１０】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数は、図１の座標系のＧ３−Ｈ２−Ｃ２−Ｄ３−Ｇ３の範囲内にあり、
ただし点Ｈ２およびＣ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ３．２／９．５および２．３／６．２である
ことを特徴とする請求項９に記載の高速度鋼。
【請求項１１】
７〜９のＶを含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項１２】
７．４〜８．６のＶを含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項１３】
１３．５〜１７のＶを含むこと、およびその炭素およびバナジウムの当量の座標は、コーナー点Ｅ１およびＦ１のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ｅ１：４．５５／１３．５
Ｆ１：３．５５／１３．５
である図１の座標系のＡ１−Ｂ１−Ｅ１−Ｆ１−Ａ１の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の高速度鋼。
【請求項１４】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の座標は、コーナー点Ａ２およびＦ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ４．６／１７および３．６５／１３．５である図１の座標系のＡ２−Ｂ１−Ｅ１−Ｆ２−Ａ２の範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載の高速度鋼。
【請求項１５】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の座標は、コーナー点Ａ３およびＦ３のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ４．７５／１７および３．８／１３．５である図１の座標系のＡ３−Ｂ１−Ｅ１−Ｆ３−Ａ３の範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の高速度鋼。
【請求項１６】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の座標は、Ａ２−Ｂ２−Ｅ２−Ｆ２−Ａ２の範囲内にあり、
ただし点Ｂ２およびＥ２のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標がそれぞれ５．３／１７および４．３５／１３．５である
ことを特徴とする請求項１４に記載の高速度鋼。
【請求項１７】
その炭素およびバナジウムの当量の含有量の座標は、図１の座標系のＡ３−Ｂ２−Ｅ２−Ｆ３−Ａ３の範囲内にあり、
ただしこれらの点のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ３：４．７５／１７
Ｂ２：５．３／１７
Ｅ２：４．３５／１３．５
Ｆ３：３．８／１３．５
であることを特徴とする請求項１５および１６のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項１８】
１４〜１６．５のＶを含むことを特徴とする請求項１３から１７のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項１９】
１４．５〜１６のＶを含むことを特徴とする請求項１３から１７のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２０】
０．１〜１．２％のＳｉを含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２１】
最大１．０のＭｎを含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２２】
３．５〜５のＣｒを含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２３】
少なくとも２．５のＭｏ、および少なくとも２．０のＷを含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２４】
ＭｏおよびＷそれぞれの含有量が５％を超えないことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２５】
【数２】
0005045972.tif 000013
が、２．２５〜７．５％の範囲内にあることを特徴とする請求項２３および２４のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２６】
焼入れされ焼戻されたような条件でのその鋼は、その鋼のマトリックス中に均一に分布しているＭＸ型の粒子から成る硬化物を１４〜２３体積％含むことを特徴とする請求項６から１２のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２７】
焼入れされ焼戻されたような条件でのその鋼は、その鋼のマトリックス中に均一に分布しているＭＸ型の粒子から成る硬化物を２３〜３８体積％含むことを特徴とする請求項１３から１９のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２８】
焼入れされ焼戻されたような条件での高速度鋼は、ＭがＭｏまたはＷであるＭ６Ｃ炭化物を３〜５体積％含んでいることを特徴とする請求項１から２７のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項２９】
ＭがＶであるＭＸ型の炭窒化物の他に、ＭがＭｏおよびＷであるＭ６Ｃ型炭化物をも含み、Ｍ６Ｃ炭化物の総量が（ＭＸ＋Ｍ６Ｃ）相の総量の１０〜３０体積％に相当することを特徴とする請求項１から２７のいずれかに記載の高速度鋼。
【請求項３０】
焼入れされ焼戻されたような条件での高速度鋼は、そのマトリックスに溶解している０．４０〜０．６０質量％の炭素を含むことを特徴とする請求項１から２９のいずれかに記載の高速度鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、合金化された金属粉末の圧密により形成される本体の形の中で窒素の含有量が高い粉末冶金で製造された高速度鋼に関する。本発明は、特に、工具がその加工材料と工具の間で大きな摩擦を受けて結果として凝着摩耗の危険を生じる用途向けの冷間加工工具に適した高速度鋼に関する。
【０００２】
（発明の背景）
冷間加工には、通常室温で、普通はシートまたはプレートの形をしている金属加工材料の打ち抜き、穿孔、深絞り、および他の成形がたびたび含まれる。この型の作業のためには、冷間加工工具が使用され、その工具には組み合わせるのが難しい多くの必要条件が生じている。その工具材料は摩損に対して高い抵抗力を持っていなければならず、そのことは、特に、充分な硬度を持つべきことを意味している。つまり、その工具材料はある種の用途では凝着摩耗に対してよい抵抗力を持たなければならないし、その使用条件で十分な靱性も持たなければならない。
【０００３】
前述の用途および他の用途では、商品名Ｓｖｅｒｋｅｒ  ２１（登録商標）で知られている冷間加工鋼が大いに使用されており、その鋼は炭素が１．５５、ケイ素が０．３、マンガンが０．３、クロムが１２．０、モリブデンが０．８、バナジウムが０．８、残りが鉄、そして通常の量の不純物という組成を有する従来通りの方法で製造された鋼である。冷間加工工具には、商品名Ｖａｎａｄｉｓ  ４（登録商標）によって知られている粉末冶金で製造される工具鋼も使用されており、その鋼は炭素を１．５、ケイ素を１．０、マンガンを０．４、クロムを８．０、モリブデンを１．５、バナジウムを４．０、残りを鉄、そして通常の量の不純物を含んでいる。商品名ＡＳＰ（登録商標）２０２３およびＡＳＰ（登録商標）２０５３で知られている高速度鋼のような、高速度鋼も利用されている。前者の高速度鋼は、炭素が１．２８、クロムが４．２、モリブデンが５．０、タングステンが６．４、バナジウムが３．１の公称組成を有するが、後者の高速度鋼は炭素が２．４５、クロムが４．２、モリブデンが３．１、タングステンが４．２、バナジウムが８．０の公称組成を有する。そして、いずれの鋼も残部は鉄、通常の量のマンガンおよびケイ素であり、そして不純物が普通に存在している。
【０００４】
市場に出ている前述の鋼および他の鋼は、摩損抵抗、靱性、および他の特徴についての高い必要条件を満たしている。しかしながら、それらの鋼は凝着摩耗抵抗についての高い必要条件を満たしておらず、そのことが、シートの圧縮成形、パイプの曲げ加工、および、冷間押出しのようなさまざまな種類の冷間成形工具の用途に関して、しばしば、支配的な問題になっている。これらの問題は、特に、オーステナイトステンレス鋼、フェライトステンレス鋼、銅、黄銅、アルミニウム等のシートの冷間加工に関して生じる可能性がある。それらの問題は、潤滑および／または例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）または化学蒸着（ＣＶＤ）の技術による、表面の窒化による窒化チタン（ＴｉＮ）の摩擦を減らすセラミック層で、または硬質クロムメッキにより、その工具表面を被覆することによって減らすことができるが、それらは高価であり、しかも時間のかかる解決策である。その上、その沈積物の損傷および／または剥離の危険性が大きい。もし摩損または凝着摩耗による損傷が生じると、その修理は複雑になるであろう。なぜなら、どの欠陥も、いつも、工具の非常に応力のかかる部分にあるからである。
【０００５】
（発明の簡単な開示）
充分な靱性、硬度、および摩損に対する抵抗性のような冷間加工工具の他の望ましい特徴と組み合わせて、凝着摩耗に対する非常に高い抵抗性を持つ冷間加工工具用の高速度鋼を提供するのが本発明の目的である。熱間均衡圧縮（hot isostatic compaction : HIP）によりその粉末を圧縮成形して圧密された本体を成形した後に、その鋼を、鍛造、圧延、および押出しにより熱間加工することができるし、または熱間均衡圧縮成形したような条件で使用することができる。
【０００６】
これらの目的および他の目的を達成できるのは、その高速度鋼が、その化学組成に関して、質量％で
１〜２．５のＣ
１〜３．５のＮ
０．０５〜１．７のＭｎ
０．０５〜１．２のＳｉ
３〜６のＣｒ
２〜５のＭｏ
０．５〜５のＷ
６．２〜１７のＶ
残部の鉄および通常の量の不可避な不純物を含み、その中において、
【０００７】
【数３】
0005045972.tif 000002
【０００８】
として表される炭素当量の量Ｃｅｑと、Ｖｅｑ＝Ｖとして表されるバナジウム当量の量Ｖｅｑは、点Ａ１〜Ｄ１のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標が
Ａ１：４．５／１７
Ｂ１：５．５／１７
Ｃ１：２．５／６．２
Ｄ１：１．５／６．２
である図１の座標系のＡ１−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ１−Ａ１の範囲内にあること、そして、鋼の焼入れおよび焼戻し条件でのその構造に関して、その高速度鋼は、鋼のマトリックス中に均一に分布しているＭＸ型の粒子から成る１２〜４０体積％の硬化物を含み、前記ＭＸ型の硬化物のＭは本質的にバナジウムから成り、そしてＸは３０〜５０質量％の炭素と５０〜７０質量％の窒素から成っているということの中においてである。
【０００９】
下記に、多くのより限定された範囲が定義され、炭素当量とバナジウム当量の関係に関連して本発明のいろいろな実施形態および変形を明示するであろう。下のリストに、図１のグラフに表されている全ての点のＣｅｑ／Ｖｅｑ座標を示してある。
【００１０】
この明細書のパーセンテージは、別途言及されていない限り、質量％のことをいう。
【００１１】
【表１】
0005045972.tif 000003
【００１２】
全体の範囲Ｖｅｑ＝６．２−１７Ｖ以内にある鋼の炭素当量とバナジウム当量の間の関係に関して本発明の多くの好ましいまたは考えられた実施形態は従属項２〜５に述べられている。
【００１３】
下記において、いろいろな合金元素の選択、およびそれらの含有量をより詳細に説明する。
【００１４】
炭素は、本発明の鋼で２つの重要な機能を持っている。一方で、炭素は、窒素とバナジウムおよび／またはニオブとともに、バナジウムおよび／またはニオブの炭窒化物を生成する。他方、炭素は、焼入れおよび焼戻しの後に得られるマルテンサイトの望ましい硬度を与えるために鋼のマトリックス中に充分な量存在しなければならない。より詳細には、そのマトリックスに溶解している炭素の含有量は、０．４０〜０．６０％、好ましくは０．４７〜０．５４％に達すべきである。これらの理由から、炭素は少なくとも１質量％そして最大２．５質量％の量存在しなければならない。
【００１５】
前記ＭＸ型の硬化物、すなわち、バナジウムおよび／またはニオブの炭窒化物では、Ｘは３０〜５０質量％の炭素および５０〜７０質量％の窒素から成っていなければならず、そこでは前記ＭＸ型炭窒化物に存在する窒素と炭素の量の質量％窒素／質量％炭素比は、
【００１６】
【数４】
0005045972.tif 000004
【００１７】
という条件を満足させなければならない。
【００１８】
ガス粒状化の前に溶融状態の鋼に存在する窒素の量と、大きな部分であるそのガス粒状化した鋼の粉末を窒化することによりその鋼に加えられる窒素の量が、バナジウムおよび／またはニオブと本質的に結合して前記炭窒化物を生成する。鋼のマトリックスに残る窒素および／または存在している他の元素と窒化物を生成すると考えられる窒素の量は、前記炭窒化物中の窒素の量と比較すると、実際には無視されることになるだろう。ＭＸ型の望ましい炭窒化物を達成するために、窒素の含有量は、したがって、少なくとも１質量％、そして最大３．５質量％に達すべきである。
【００１９】
ケイ素は、鋼の溶融物の脱酸素による副生成物として少なくとも０．０５％、好ましくは少なくとも０．１％の量存在し、１．７％、好ましくは最大１．２％、通常最大０．７％までの量許容することができる。
【００２０】
マンガンは、先ず、溶融物の冶金処理技術による副生成物として少なくとも０．０５％、好ましくは少なくとも０．１％の量存在する。その場合マンガンは、それ自体が、知られている方法で硫化マンガンの生成によって硫黄化合物を無害にするために重要である。最大限に許容されるマンガン含有量は１．７％、好ましくは最大１．０％、通常は最大０．５％である。
【００２１】
クロムは、鋼のマトリックスの十分な焼入れ性の達成に寄与するために、鋼中に少なくとも３％、好ましくは少なくとも３．５％の量存在すべきである。しかしながら、クロムが多すぎると、変えるのが困難なオーステナイトを保留するという危険性、およびあまり望ましくないＭ7Ｃ3炭化物の生成を引き起こす可能性がある。したがって、クロム含有量は、最大６％、好ましくは最大５％、そして望ましくは最大４．５％に制限される。
【００２２】
モリブデンとタングステンは、焼戻し中に二次硬化を提供するために、そしてその焼入れ性に寄与するために、鋼に存在すべきである。その限度は、他の合金元素に適応させる前記元素が、焼入れおよび焼戻しの後に最適の硬度を与え、そしてまた少量の硬いＭ6Ｃ粒子を提供するように選択される。モリブデンは、少なくとも２％、好ましくは少なくとも２．５％、そして適当なのは少なくとも３．０％の量存在すべきである。タングステンは、少なくとも０．５％の量、好ましくは少なくとも２．０％の量、そして適当なのは少なくとも２．５％および最も都合のいいのは少なくとも３．０％存在すべきである。モリブデンおよびタングステンのそれぞれの含有量は、５％を超えるべきではなく、好ましくは４．０％を超えるべきではない。モリブデンとタングステンに関する限り、式
【００２３】
【数５】
0005045972.tif 000005
【００２４】
は２．２５〜７．５％の範囲にあり、好ましくは４〜６％の範囲内にあるべきである。Ｍが実質的にモリブデンとタングステンから成るＭ6Ｃ−炭化物の含有量は、合計して、３．５体積％、または（ＭＸ＋Ｍ6Ｃ）相の合計体積含有量の１０〜３０％に達すべきである。
【００２５】
バナジウムは、非常に硬いバナジウム炭窒化物、すなわち、ＭＸ型の硬化物を生成するために、炭素および窒素と共に、６．２％の最少量、そして最大１７％の量鋼中に存在すべきである。その場合、Ｍは本質的にバナジウム、そしてＸは上記で述べた質量比の炭素および窒素である。おそらく、バナジウムは完全にまたは部分的にニオブで置き換えることもできる。最大限に許容できるニオブの含有量は１．０％、好ましくは最大０．５％である。しかしながら、適切には、その鋼は意図的に添加されたニオブを含まない。なぜなら、それは鋼工作物中のスクラップの取扱をより複雑にする可能性があるが、中でも、ニオブは、ＭＸ型の代表的なバナジウム炭窒化物よりもより好ましくない、先のよりとがった炭化物構造のために鋼の靱性を損なうことになるかもしれないからである。
【００２６】
前文で述べたように、冷間加工工具に適した新しい高速度鋼を提供することが先ず本発明の目的である。冷間加工鋼は室温で使用可能であるべきなので、鋼は、高価でしかも鋼の粘性を下げる可能性があるコバルトを含まないのが好都合である。意図した使用分野、冷間加工鋼のために、その鋼は、高速度鋼を製造する鋼工作物に使用される原料からの残留元素として通常発生するこれらの不純物の含有量よりも多い量のコバルトを含むべきではない、すなわち、最大１％のコバルト、好ましくは最大０．５％のコバルトである。
【００２７】
本発明の第１の変形によれば、バナジウム含有量は６．２〜９．５％であろう。これは、この第１の変形についての最も広い態様によれば、炭素およびバナジウムの当量の座標が図１の座標系のＧ１−Ｈ１−Ｃ１−Ｄ１−Ｇ１の範囲内にあるであろうということを意味している。
【００２８】
この第１の変形についての態様を限定することを、後の請求項７〜１２で述べてある。この第１の変形についての最も限定された態様の枠内には、次の好ましい公称組成、すなわち、１．３の炭素、１．４の窒素、（Ｃｅｑは約２．５）、０．５のケイ素、０．３のマンガン、４．２のクロム、３．０のモリブデン、４．０のタングステン、８．０のバナジウム、残りは鉄および通常存在する不純物を有する鋼がある。その鋼の使用を目的としていると述べた分野の大部分に、そのような鋼を使用することができる。
【００２９】
本発明の第２の変形によれば、その鋼は１３．５〜１７Ｖを含むであろう。これは、この変形についての最も広い態様によれば、炭素およびバナジウムの当量の座標が図１の座標系のＡ１−Ｂ１−Ｅ１−Ｆ１−Ａ１の範囲内にあるであろうということを意味している。この第２の変形の態様を限定することを、後の請求項１４〜１９で述べてある。この第２の態様によるこの最も限定された好ましい組成の枠内には、次の好ましい公称組成、すなわち、２．０の炭素、３．０の窒素、（Ｃｅｑは約４．６）、０．５のケイ素、０．３のマンガン、４．２のクロム、３．０のモリブデン、４．０のタングステン、１５．０のバナジウム、残りは鉄および通常存在する不純物を持つ鋼がある。この組成を有する鋼は、特に大きな凝着摩耗を受ける工具の製造に使用するのに特に適しており、バナジウム、炭素、および窒素の含有量が高いことによって、前述の好ましい組成とは異なり、その結果、ＭＸ−相のフラクシヨンが約２倍高くなる。
【００３０】
第３の変形（参考用）によれば、その鋼は、炭素およびバナジウムの当量の含有量の係数がＦ１−Ｅ１−Ｈ１−Ｇ１−Ｆ１の範囲内にある９．５〜１３．５Ｖを含むであろう。この第３の変形によるこの最も限定された好ましい組成の枠内には、次の好ましい公称組成、すなわち、１．５の炭素、２．０の窒素、（Ｃｅｑは約３．２）、０．５のケイ素、０．３のマンガン、４．２のクロム、３．０のモリブデン、４．０のタングステン、１１．０のバナジウム、残りは鉄および通常存在する不純物を有する鋼がある。その種類の鋼は、前記第２の変形による高度に合金化された鋼よりも良い熱間加工性を与え、前記第１の変形による合金化の低い鋼よりも良い耐摩耗性をも与える。
【００３１】
その鋼の技術的な特徴を次の通りに記述することができる。
【００３２】
−  その鋼は、粉末冶金で製造される高速度鋼から成り、その合金組成の特徴は、先ず、高いバナジウム含有量である。その吐出条件では、その鋼は、微粒子化されしかも鋼中に均一に分布しているかなりの量の炭窒化物、先ずバナジウム炭窒化物を含んでいる、実質的にフェライト系マトリックスを有している。
【００３３】
−  １０００〜１１８０℃の温度範囲、好ましくは１０５０〜１１５０℃の温度範囲で溶解処理した後に、室温まで冷却すると、その鋼のマトリックスは主にマルテンサイト組織を持っているが、高い含有量でオーステナイトが残留している。同じく鋼に存在している炭窒化物および炭化物の一部は、溶解しているけれど、１５〜３０体積％の微粒子化し均一に分布したバナジウム炭窒化物が鋼中に残留している。
【００３４】
−  硬度は、５００〜６００℃の温度範囲内の温度に焼戻しすることにより５８〜６６ＨＲＣまで増加する（この範囲内の硬度はオーステナイト化温度によって決まる）。なぜなら、残留したオーステナイトは本質的に除かれ、そして先ずバナジウム炭窒化物の二次析出によってマルテンサイトに変換されるからである。
【００３５】
−  先ず、バナジウム炭窒化物の含有量が多いために、焼入れされ焼戻された鋼は室温で非常に高い耐摩耗性を与えられる。そして、その合金元素の組合せのために、その鋼は、他の点では、本文の前文で言及されている冷間加工工具の型にとって充分な硬度と靱性の組合せを与えられている。
【００３６】
本発明の高速度鋼は次の方法で製造することができる。溶融物は従来の溶融冶金方法で調製され、そこでは、その溶融物は溶融した鋼に溶かすことができる窒素の最大含有量を超えない窒素含量を得るが、それに対して他の合金元素は請求項１に述べられている含有量、または従属請求項に述べられている特定の含有量のどれかに調整される。この溶融物から、金属粉末が生成される。その金属粉末は、窒素および／またはアルゴンのガス噴射によって、すなわち、いわゆるＡＳＰ−プロセス（Ａｓｅａ  Ｓｔｏｒａプロセス）の最初の部分を形成する技術により、溶融した金属の流れの粒状化による知られた方法で実施することができる。その粉末を、適当な粉末ゲージ、例えば、最大２５０μｍに篩う。その粉末の一部は、窒素を運ぶガス、例えば、同じく知られているであろう任意の技術による窒素および／またはアンモニアガスによって、固相窒化を通して窒素で合金化される。使用可能な知られた技術の中で、例えば、ＳＥ−Ｃ−４６２８３７に開示されている技術、またはＭＰＲの１９８６年７月号の５２７〜５３０頁に記述されている技術に言及することもできる。そこでは、５５０〜６００℃で回転している反応器の熱い粉体層を通して流されているアンモニアと水素ガスのガス混合物が好んで使用されている。アンモニアは、この温度で、２ＮＨ3→３Ｈ2＋２Ｎ（鋼）の反応に従って、鋼の粉末の表面で反応する。次いで、溶解した窒素はその表面から粉末粒子の中へ拡散することになる。反応器の出口では、ガスは窒素、水素および少量の残留アンモニアの混合物から成る。その方法は、窒素含有量の非常に正確な制御により、窒化物の製造を可能にする。この方法または他のどんな方法でも窒素を用いて合金化される粉末は、窒素を用いて合金化されないけれども他の点では窒素で合金化された粉末となるべくなら同じ組成である粉末と混合される。したがって、その混合物は本発明による望ましい平均窒素含有量を得ることになる。本発明の窒素で合金化された高速度鋼の圧密された本体を達成するために、この混合物を、知られた技術により、好ましくは前記で述べた、そしてＡＳＰ（Ａｓｅａ  Ｓｔｏｒａプロセス）という名で知られている技術により、密閉されて、熱間均衡的に圧縮固化されたシートカプセルに満たす。この本体を、圧延および／または鍛造により熱間加工して望ましい寸法にすることができる。圧密のプロセス中、およびその後の熱間加工で、熱間加工の出発材料中の窒素含有量に関する限り存在する変動を、その本体の全ての部分が本質的同様に高い窒素含有量を得るように、一様にする。
【００３７】
（実施した実験の説明）
検討した鋼の質量％で表現される化学組成を下記の表１に示す。表に示されている元素の他に、鋼合金は、鋼の製造で通常発生する量の不純物を含んでいるだけである。鋼合金１〜６は実験合金であるが、合金３〜６は本発明による鋼の実施例である。鋼合金７および８は参考材料、より詳しくは、それぞれ市販されている鋼のＡＳＰ（登録商標）２０２３およびＡＳＰ（登録商標）２０５３の分析組成である。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
【数６】
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【００４０】
実験合金Ｎｏ．１〜６の出発材料は、実験室規模で作り出された鋼の溶融物のガス噴霧（造粒化）によって製造された粉末から成る。その溶融物を、実験室規模で粉末製造装置の窒素ガスによって噴霧して、２５０μｍよりも小さい粉末粒のサイズを有する粉末分級品が得られるように篩い分けられた微粉を作り出す。それぞれの粉末合金について製造された粉末の一部を、窒化ガスが流される反応器の粉体層で、アンモニアと窒素ガスの混合物によってバッチ方式で窒化した。その反応器の温度は約５７０℃であった。前記温度そのままで反応したアンモニアは、その粉末層を通って流れるアンモニア、窒素、および水素ガスの混合物が達成されるように、その層を通して輸送された。これらの条件の間、窒素の活性は非常に高く、鋼の粉末への窒素の吸収は非常に良かった。
【００４１】
その後、その窒素で合金化された粉末を、窒素の含有量が変化している粉末混合物を生成させるために、窒素を用いて合金化されていない相当する鋼粉末と混合させた。次いで、これらの粉末混合物を、カプセルに詰めて１１５０℃および１０００バールの圧力で、熱間均衡的に圧縮固化して、窒素で合金化した高速度鋼合金の圧密した本体を形成した。
【００４２】
熱間均衡圧縮の後で、そのブランクは約１３０ｍｍの直径および約６００ｍｍの長さを持っていた。その材料を鍛造し、その後、柔らかに焼きなましし、硬化し、そして焼戻した。それから、上記の表１に示されたように、その材料をその化学組成に関して分析した。
【００４３】
初期の研究の間、鋼のＮｏ．１および２は望ましい特性を達しなかったと言われ、そしてそのために、より詳細には研究されなかった。他方、その初期の研究では、鋼のＮｏ．３〜６に関する限り、有望な結果を示した。これらの鋼の中で、鋼合金Ｎｏ．５および６で作られた材料が、より綿密に研究され、機械的試験、摩耗試験、切欠きなし衝撃試験および金属組織学的構造研究にかけられた。同じく、鋼合金Ｎｏ．７および８で作られた参考材料も前記材料試験にかけられた。
【００４４】
鍛造試験の結果を表２に示す。
【００４５】
【表３】
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【００４６】
鋼Ｎｏ．５は問題なく鍛造できたが、実質的により合金化された鋼Ｎｏ．６は鍛造性がかなり損なわれていることを示した。第２段階で、その材料は亀裂が入り、部分的に破片になった。この理由は、その材料のＭＸ型の多量の硬化物、すなわち、その材料の体積の約３分の１によるのかもしれない。
【００４７】
次いで、鋼Ｎｏ．５およびＮｏ．６の硬度に対する深冷却の有りおよび無しでオーステナイト化温度の影響を調査した。次の結果が得られた。
【００４８】
【表４】
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【００４９】
その表から明らかなように、１０００℃から焼入れした後に、深冷却の後でかなり硬度が増加したのは鋼Ｎｏ．６だけである。
【００５０】
さまざまな焼戻し温度に依存する硬度についてのその後の調査のために、１０００℃から３０分間焼入れし、そして室温に冷却された材料を選んだ。その結果を図２に示す。この図から明らかなように、Ｎｏ．６の鋼の硬度だけでなく鋼Ｎｏ．５の鋼の硬度も、５００〜５２０℃の焼戻し温度までわずかに減少しているが、それより高い焼戻し温度では激しく減少している。
【００５１】
それから、切欠きなし試験片について衝撃エネルギーによって衝撃靱性を調査した。鍛造した材料の縦方向に試験片を採取した。材料を１０００℃／３０分でオーステナイト化し、続いて室温に冷却することによって硬化させた。そして空気中での中間冷却により５２５℃で２時間にわたり２回焼戻しした。実験材料の硬度と衝撃エネルギーを表４に示す。同じく、それぞれ１１００℃／３０分および１０７５℃／３０分から焼入れし、５６０℃／１時間×３回の焼戻し後の参考材料、鋼Ｎｏ．７およびＮｏ．８の測定値もその表に示す。
【００５２】
【表５】
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【００５３】
窒化した実験材料Ｎｏ．５およびＮｏ．６は、実生産から採取した参考材料Ｎｏ．７およびＮｏ．８と比較して、低い破壊エネルギーを示す。この理由は、その実験材料の非常に高い硬化物の含有量による可能性があり、そしてまた実験室規模で製造されたその実験材料は、製造材料のより代表的な酸素含有量である５０ｐｐｍと比較して、それぞれ４９５ｐｐｍおよび５７０ｐｐｍという異常に高い酸素含有量を持っているという事実にもよる可能性がある。しかしながら、その実験材料の測定した衝撃エネルギーは、本発明の高速度鋼が意図されている用途から見て、特に、その材料の実生産で予測できるそのより高い衝撃エネルギーを考えると、容認できる可能性がある。
【００５４】
鋼の耐摩耗性を評価する、特に凝着摩耗に対するその材料の耐性を評価するために、ポンプハウジング用のオーステナイトステンレス鋼のシートを冷間加工するための工具、より詳細にはポンプの深絞り用工具、ロータースリーブを作った。その工具を取り付けたプレスは多くの別々のプレス位置を持っていた、ここでは位置１および２が支配的である。位置２は、凝着摩耗に関しては位置１の約３倍もある応力を実験によって与える位置であった。調査した材料から作られているその作動部は、外径９０ｍｍ、内径６４ｍｍ、そして高さが４６．５ｍｍのリングから成っていた。結果を表５に示す。
【００５５】
【表６】
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【００５６】
本発明の窒素で合金化した鋼Ｎｏ．５のプレス結果は、参考材料Ｎｏ．７と比較すると少なくとも３０倍という工具の実用寿命の増加を意味した。その工具はその後もプレスとして有効であり、寿命試験が続けられた。同じく、本発明の材料Ｎｏ．６も優れた耐摩耗性、すなわち、参考の材料Ｎｏ．７よりも少なくとも４０倍長い寿命を持っていた。これに関連して、本発明の材料が参考材料と比較して衝撃エネルギーが低くても、非常に要求の厳しい用途で何の問題も引き起こさなかったということも注目すべきである。
【００５７】
その材料のミクロ構造を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって調査した。図３は、熱間均衡圧縮成形し、続いて鍛造した後の鋼Ｎｏ．６のミクロ構造を示す。その図に中に、バナジウム炭窒化物が、灰色のオーステナイトの中で、黒い均一に分布した島のように見える。鋼Ｎｏ．５の構造を検査した結果、バナジウム炭窒化物について同様の分布を示した。構造の視点から本発明の２つの材料５および６が互いに異なる唯一のことは、鋼Ｎｏ．６が鋼Ｎｏ．５よりも約７０％多いＭＸ−相を含んでいるということである。その炭窒化物の大部分は１〜２μｍの間の直径を有していた。その上、鋼Ｎｏ．４およびＮｏ．５の両方で、Ｍ６Ｃ炭化物の小さな相の部分が見つかった。その部分は約２〜３μｍの範囲であるが非常に厚さが薄い、すなわち、１μｍの１０分の１または１０分の２〜３の厚さの層状の堆積物の形をしていた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の高速度鋼のＭＸ型の硬化物中の主成分である、鋼のそれら元素の含有量を示している図表である。
【図２】  本発明による一組の鋼についての硬度対さまざまな焼戻し温度を示している図表である。
【図３】  熱間加工の後であるが焼入れ前の本発明の鋼のミクロ構造を示すマイクロ写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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