(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金によって製造され、以下の重量％で示す化学組成を有することを特徴とする靭性に優れた高速度鋼：
Ｃ：０．６〜０．９
Ｓｉ：微量〜最高１．０
Ｍｎ：微量〜最高１．０
Ｃｒ：３〜５
Ｍｏ：最高５
Ｗ：２〜４［但し、（Ｍｏ＋Ｗ／２）は少なくとも４］
Ｖ：０．７〜１．５
Ｃｏ：最高１４
Ｎｂ：０．７〜１．５
及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余。
【請求項２】
重量％表示で以下の元素を含有することを特徴とする請求項１記載の高速度鋼：
Ｃ：０．６〜０．８５
Ｓｉ：微量〜最高１．０
Ｍｎ：微量〜最高１．０
Ｃｒ：３〜５
Ｍｏ：２〜４
Ｗ：２〜４
Ｖ：０．７〜１．５
Ｃｏ：最高１．０
Ｎｂ：０．７〜１．５
及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余。
【請求項３】
０．６〜０．８％のＣ、最高１．０％のＳｉ、最高１．０％のＭｎ、３．５〜４．５％のＣｒ、２．５〜３．５％のＭｏ、２．５〜３．５％のＷ、０．８〜１．３％のＶ、最高１．０％のＣｏ、０．８〜１．３％のＮｂを含有することを特徴とする請求項１記載の鋼。
【請求項４】
０．６５〜０．８％のＣ、最高１．０％のＳｉ、最高１．０％のＭｎ、３．７〜４．３％のＣｒ、２．７〜３．３％のＭｏ、２．７〜３．３％のＷ、０．８〜１．３％のＶ、０．８〜１．３％のＮｂを含有することを特徴とする請求項３記載の鋼。
【請求項５】
０．６７〜０．７８％のＣを含有することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の鋼。
【請求項６】
最高０．５％のＳｉ及び最高０．５％のＭｎを含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋼。
【請求項７】
重量％表示で以下の元素を含有することを特徴とする請求項１記載の鋼：
Ｃ：０．６〜０．９
Ｓｉ：微量〜最高１．０
Ｍｎ：微量〜最高１．０
Ｃｒ：３〜５
Ｍｏ：２〜５
Ｗ：２〜４
Ｖ：０．７〜１．５
Ｃｏ：２．５〜１４
Ｎｂ：０．７〜１．５
及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余。
【請求項８】
以下の元素を含有することを特徴とする請求項７記載の鋼：
Ｃ：０．７５〜０．８５
Ｃｒ：３〜５
Ｍｏ：２〜４
Ｗ：２〜４
Ｖ：０．７〜１．５
Ｃｏ：２．５〜１０
Ｎｂ：０．７〜１．５
及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余。
【請求項９】
タングステンを全部又は一部半量のモリブデンで置き換えるか、又はモリブデンを全部又は一部二倍量のタングステンで置き換えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の鋼。
【請求項１０】
０．７５％のＣ、０．２〜０．５％のＳｉ、０．２〜０．５％のＭｎ、４％のＣｒ、３％のＭｏ、３％のＷ、１％のＶ、１％のＮｂ、及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余の公称組成を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼。
【請求項１１】
０．７３％のＣ、０．２〜０．５％のＳｉ、０．２〜０．５％のＭｎ、４％のＣｒ、３％のＭｏ、３％のＷ、１％のＶ、１％のＮｂ、及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余の公称組成を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼。
【請求項１２】
０．７％のＣ、０．２〜０．５％のＳｉ、０．２〜０．５％のＭｎ、４％のＣｒ、３％のＭｏ、３％のＷ、１％のＶ、１％のＮｂ、及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余の公称組成を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼。
【請求項１３】
０．８０％のＣ、０．２〜０．５％のＳｉ、０．２〜０．５％のＭｎ、４％のＣｒ、３％のＭｏ、３％のＷ、１％のＶ、１％のＮｂ、８％のＣｏ、及び実質的に鉄並びに通常量の不純物から成る残余の公称組成を有することを特徴とする請求項７又は８記載の鋼。
【請求項１４】
９２５〜１２５０℃の温度で固溶化熱処理を行い、室温に冷却し、そして５００〜６００℃で焼戻しすることによって硬化させた後の鋼が、二次析出Ｍ2Ｃ及びＭＣ炭化物及び炭化ニオブを除いて実質的に炭化物を含まず、かつ微細な実質的にマルテンサイトのマトリックス中に１〜３容量％の前記Ｍ2Ｃ及びＭＣ炭化物を含んでいる微細構造を有する請求項１〜１３のいずれかに記載の鋼。
【請求項１５】
前記マトリックスがオーステナイト粒がシナイダー−グラフに従って切片＞２０に対応する大きさである微細構造を有することを特徴とする請求項１４記載の鋼。
【発明の詳細な説明】
本発明は、硬度及び強度と共に高靭性を必要とする工具に適した新規の高速度鋼に関する。代表的な用途はアルミニウム異形材の押出し用ダイ、検定機械要素及び圧カロール、すなわち金属に模様又は輪郭を型押しするための工具等である。他の分野の用途は切削加工用工具、例えば、高硬度、特に高高温硬度と共に高靭性を必要とするねじ切りタップ及びチップブレーカを有するエンドカッターである。
例えば、アルミニウム異形材の押出し用工具に使用する鋼の最も重要な特徴の１つは、鋼が耐焼戻し性であることである。このことは、焼入れ及び焼戻し後に得た鋼の硬度を低下することなく鋼を長時間高温にさらすことができることを意味している。一方、この硬度は極端に高い必要はなく、適切には50〜55HRCの範囲である。
それよりも、鋼を検定機械要素に使用する場合には、高靭性と共に高硬度及び高強度を兼備することが第一の特徴となる。この場合、焼戻し後の硬度は代表的に55〜60HRCの範囲でありうる。
高靭性を兼備する場合でさえ60〜67HRCとさらに高い硬度が金属に模様又は輪郭を型押しするための工具等に使用する鋼及び切削加工用工具、すなわちねじ切りタップ及びチップブレーカを有するエンドカッターに使用する鋼に要望される。ねじ切りタップは60〜65HRCの範囲の硬度を有すべきであり、一方エンドカッターは62〜67HRCの範囲の硬度を有すべきである。
上記したような用途には、高温加工用鋼、検定構造用鋼及び時には高速度鋼のような工具鋼が現在通常使用されている。この種の用途に使用される高速度鋼の例としては以下の重量％で示した公称組成によって特徴付けられるＡＳＰ＊２３の商品名で知られる市販の高速度鋼がある。Ｃ：1.29、Si：0.4、Mn：0.3、Cr：4.0、Mo：5.0、Ｗ：6.2、Ｖ：3.1、及び鉄及び不可避の不純物から成る残余。例えば、切削加工に使用される他の高速度鋼はＣ：1.28、Cr：4.2、Mn:5.0、Ｗ：6.4、Ｖ：3.1、Co：8.5、及び鉄及び不可避の不純物から成る残余の公称組成（nominal composition）を有するＡＳＰ＊３０である。パーセントは全て重量％である。
前記鋼ＡＳＰ２３及びＡＳＰ３０は他の高速度鋼と比べてかなり高い靭性を有しているが、例えば上述の用途用の素材になされる要求を完全に満たしていないし、また前記要求全てを完全に満足するいかなる他の市販の鋼も目下存在しない。本発明の目的はこれらの要求をより十分に満たす新規の高速度鋼を提供することにある。さらに詳細には、この鋼は以下の特徴を有している：
−  焼入れした状態で高靭性を有する；
−  焼入れ前に最高250 HBの硬度を有する；
−９２５〜１２２５℃の焼入れ温度を選択し、引き続き焼戻しすることによって当該用途に適した５０〜６７ＨＲＣの硬度に析出硬化可能なことを含めて良好な焼入れ性を有する；
−  ９２５〜１２５０℃の温度で固溶化熱処理を行い、室温に冷却し、そして５００〜６００℃で焼戻しすることによって硬化させた後の鋼が、二次析出Ｍ2Ｃ及びＭＣ炭化物及び炭化ニオブを除いて実質的に炭化物を含まず、かつ微細な実質的にマルテンサイトのマトリックス中に１〜３容量％の前記Ｍ2Ｃ及びＭＣ炭化物を含んでいる微細構造を有する；及び
−  鋼の全炭化物含有量が比較的少なく、最高で５重量％であり、炭化物が小さくかつ均一に分散しており、微細構造（microstructure）が微粒子状であり（シナイダー−グラフに従って切片＞20に対応する大きさのオーステナイト粒に対応する）、そして残留オーステナイトの含有量が少ないことによって焼入れ及び焼戻しした状態で高靭性を有する。
＊ＡＳＰはクロスター・スピードスチール・ＡＢの登録商標である。
鋼に添付請求の範囲のバランスされた合金組成を与えれば、これら及び他の条件を満たすことができる。以下に、好ましい種々の合金元素を説明する。本明細書において、いくつかの理論を達成される効果の基礎であると考えられる機構に関して述べる。しかしながら、請求した特許権保護はいかなる特定の理論にも拘束されないことを留意すべきである。
炭素は本発明の鋼においていくつかの機能を有している。第一に、炭素は、溶解温度から冷却することによるマルテンサイトの形成によって適切な硬度をマトリックスに与えるために一定の量で、またＭ2Ｃ及びＭＣ炭化物それぞれの形成による析出硬化を達成するための溶解処理後の焼戻し中に炭素の主としてモリブデン／タングステン及びバナジウムとの化合に十分な量でマトリックス中に存在する。焼入れ操作で溶解しない炭化ニオブの形でも炭化物は鋼中に存在するが、これは鋼の微細構造の粒界中で粒の成長抑制剤として作用することができる。従って、鋼の炭素含有量は少なくとも0.6％、好ましくは少なくとも0.65％、適切には少なくとも0.67％である。一方、炭素含有量は脆化を生じるほど高くてはならない。したがって、鋼の最高炭素含有量は少なくとも鋼に高熱間強度を与えるために多量のコバルトを必要としない用途に対しては一般に0.85％、好ましくは最高で0.8％、適切には最高で0.78％である。鋼が所望の高熱間強度を得るために多量のコバルトを含有する場合、例えば鋼を切削加工用工具に使用する場合、コバルトが残留オーステナイトの含有量に影響を及ぼし、焼戻しした時に容易にマルテンサイトに変態することができるすので、炭素含有量はいくぶん高いレベルにあり、適切には最高で0.9％である。鋼を58〜65HRCの範囲、好ましくは少なくとも60HRCの硬度が望ましい用途の製品、例えば型押し工具に使用する場合、公称炭素含有量は0.75％である。それよりも、鋼を、例えばアルミニウム異形材の押出し用工具に使用する場合、50〜58HRC、好ましくは最高で55HRCより高い硬度は必要としない。この場合、公称炭素含有量は0.70％であるのがさらに適切である。また、これらの極値、すなわち55〜60HRCの間の又はそれらに重複する硬度を有する製品、例えば検定機械要素には0.73％の公称炭素含有量が想到しうる。鋼を鋼が多量のコバルトを含有せねばならないような高高温硬度及び62〜67HRCの範囲の硬度を必要とする切削加工用工具に使用する場合、公称炭素含有量は適切には0.80％である。
ケイ素は冶金学的脱酸素法において通常の量で、すなわち最高で1.0％、通常は最高で0.7％の量で鋼融成物の脱酸素の残留分として鋼中に存在しうる。
マンガンも融成物の冶金学的プロセス技術の残留分として主として存在しうる。この場合、マンガンは硫化マンガンを形成することによってそれ自体公知の方法で硫黄不純物を無害にするために重要である。鋼におけるマンガンの最高含有量は1.0％、好ましくは最高で0.5％である。
クロムは、鋼のマトリックスの十分な硬度に寄与するために少なくとも３％、好ましくは少なくとも3.5％の量で鋼中に存在する。しかしながら、クロムが多過ぎると、変態することが困難になりうる残留オーステナイト形成の危険性を生じる。したがって、クロム含有量は最高で５％、好ましくは最高で4.5％に制限する。
モリブデン及びタングステンは、鋼の所望の耐摩耗性に寄与するＭ2Ｃ炭化物の形成のための固溶化熱処理後の焼戻し中の二次硬化効果をもたらすために鋼中に存在する。適切な二次硬化効果をもたらすためにそれらの範囲を他の合金元素に適合させる。モリブデンの含有量は最高で５％であり、またタングステンの含有量は最高で10％、好ましくは最高で６％でありうる。また、それらを合せてMo+W/2は少なくとも４％である。通常、モリブデン及びタングステンはそれぞれ２〜４％、適切には2.5〜3.5％の量で存在すべきである。理論上、モリブデン及びタングステンはお互いに全体的に又は部分的に置き換えることができる。このことは、タングステンを半量のモリブデンで置き換えることができ、またはモリブデンを二倍量のタングステンで置き換えることができることを意味する。しかしながら、そうすることによってある種の製造における技術的利益、より詳細には熱処理技術に関する利益が付与されるので、モリブデン及びタングステンはこれらの合金元素の該全量に基づきほぼ等割合であるのが好ましいことが経験からわかっている。
析出硬化処理で鋼組織中に生じることができるＭ2Ｃの合計量は限定される。したがって、焼戻し後の鋼の硬度及び耐摩耗性をさらに増大するために、この合金鋼は焼戻し操作において炭素と化合してＭＣ炭化物を形成するバナジウムも含んでいる。この場合、析出硬化によって二次硬化が拡大される。十分な効果を得るために、バナジウムの含有量は少なくとも0.7％、適切には少なくとも0.8％であるべきである。しかしながら、未溶解一次炭化バナジウムを固溶化熱処理後に残存させないためにバナジウムの含有量は高すぎてはならない。この残留一次炭化物は靭性を損ない、また同時に析出硬化のための炭素に結合する。したがって、バナジウム含有量は最高で２％、好ましくは最高で1.5％、適切には最高で1.3％に制限される。
炭化物の大部分は固溶化熱処理で溶解するので、本発明の鋼と同等の組成を有する当業界で公知の高速度鋼のマトリックスは高温からの焼入れにおける粒の成長のために脆くなる。したがって、従来は、十分な量の炭化物が鋼中に存在して粒の成長を阻害するように低温から焼入れすることによって高靭性を達成している。しかしながら、このことは同時に低硬度を受け入れねばならなかったことを意味する。本発明によれば、この問題は２つの手段、すなわち、
−  第一に、上述の高温で実質的に溶解しないで、粒の成長抑制剤として作用するように未溶解のままである十分な量の炭化ニオブ、MbＣを得るために、鋼をニオブで、そして十分な量の炭素で（炭素に関しては上記参照）合金化する；
−  第二に、粒の成長抑制剤として作用する能力の条件である一次炭化ニオブが小さく、鋼中に均一に分散するように寸法を取る。この条件は、炭化ニオブが小さく、均一に分散することを可能とする粉末冶金的製造によって満足させられる。
上述の条件下に粒の成長抑制剤としてニオブを作用させるために適した鋼中のニオブの量は0.7〜1.5％、適切には0.8〜1.3％である。ニオブの量が少な過ぎると、十分な粒の成長抑制効果が得られないし、一方多過ぎると、脆化を生じる。
鋼中にコバルトが存在する可能性は鋼の目的用途によって決まる。鋼を通常室温で使用するか又は鋼を使用中特に高温に加熱しない用途に対しては、コバルトは鋼の靭性を低下させるので、鋼は故意に添加したコバルトを含むべきではない。しかしながら、コバルトは最高で1.0％、好ましくは最高で0.5％までの量で寛容することができる。一方、鋼を高温硬度が主として重要である切削加工用工具に使用する場合、鋼が多量のコバルトを含有することが好適である。この場合、所望の高温硬度を得るために、2.5〜14％、適切には最高で10％の量のコバルトを含有すべきである。
上述の元素のほかに、鋼は窒素、不可避の不純物及び上述のもの以外の鋼の融成物の冶金学的処理から得られる通常量の残留分も含有する。それらが鋼の合金元素の意図する相互作用を不利益に変化させず、また鋼の意図した特徴及び意図する用途に対するその適性を損なわないならば、他の元素を少量鋼に故意に供給することができる。
本発明を実施した実験及び得られた結果に関連して以下にさらに説明する。本明細書において、以下の添付図面を参照する：
図１は焼戻し後の硬度対焼入れ温度を示し；
図２は硬度対温度を示し；
図３は曲げ強さ対硬度を示し；及び
図４は破壊前の撓みとして表現した靭性対硬度を示している。
試験鋼の組成を表１に示す。表に示した合金元素のほかに、これらの鋼は鉄及び通常量の不純物及び付帯元素だけを含んでいた。番号２の鋼を除いて番号１〜７の全ての鋼を1150℃、１時間及び1000バールで熱間等静圧圧縮成形することによって十分な密度に圧縮された200kgのカプセル状に粉末冶金によって製造した。番号２の鋼をインゴット状に従来通り製造した。これらのカプセル及びインゴットからそれぞれ直径100mmの寸法のロッドを通常の熱間圧延によって製造した。番号８及び９の鋼は対比の材料であり、それぞれ市販銘柄の鋼ＡＳＰR２３及びＡＳＰR３０である。
0003771254.tif 000002
番号３〜９の鋼を1050〜1250℃（番号４の鋼は950〜1250℃）の様々な焼入れ温度で固溶化熱処理を行い、室温に冷却しそして560℃で焼戻しすることによって硬化させた。固溶化熱処理は３分間行い、一方、３回繰り返した焼戻しは60分の保持時間で行った。得られた硬度対焼入れ温度（固溶化熱処理温度）を図１に示す。
同じ鋼を用いた第二の一連の実験において、焼戻し温度は500〜600℃で変化させた。この場合、1180℃から焼入れを行った試験体を使用した。硬度対焼戻し温度を図２に示す。
第三の一連の実験において、番号２〜５及び７〜９の鋼の曲げ強度対硬度を試験した。結果を図３に曲線で示す。
最後に、４点曲げ試験において同じ鋼の靭性対硬度を試験した。円筒状の試験ロッドを破壊するまで折り曲げた。靭性の測定値である破壊点撓みを測定した。結果を図４にグラフで示す。
図１及び２は、925〜1250℃の適切な焼入れ温度を選択すれば、本発明の鋼が焼戻し後に意図した用途に適した硬度を得ることができることを示している。図３及び４は、最高の強度及び靭性が本発明のニオブ含有鋼、特に番号４、５及び７の鋼で得られることを示している。
【図１】
0003771254.tif 000003
【図２】
0003771254.tif 000004
【図３】
0003771254.tif 000005
【図４】
0003771254.tif 000006