(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及び耐磨耗性に優れた高速度鋼：
Ｃ：2.2 〜2.7
Si：微量〜最高1.0
Mn：微量〜最高1.0
Cr：3.5 〜4.5
Mo：2.5 〜4.5
Ｗ：2.5 〜4.5
Ｖ：7.5 〜9.5
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】
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請求項１記載の高速度鋼：
Ｃ：2.25〜2.60
Si：微量〜最高1.0
Mn：微量〜最高1.0
Cr：3.7 〜4.3
Mo：2.7 〜3.3
Ｗ：3.7 〜4.3
Ｖ：7.8 〜9
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】
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請求項１記載の高速度鋼：
Ｃ：2.3 〜2.55
Si：最高0.7
Mn：最高0.5
Cr：3.8 〜4.2
Mo：2.8 〜3.2
Ｗ：3.8 〜4.2
Ｖ：7.9 〜8.5
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４】
以下の公称組成を有することを特徴とする請求項１記載の高速度鋼：
Ｃ：2.5
Si：0.4
Mn：0.3
Cr：4
Mo：3
Ｗ：4
Ｖ：8
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５】
以下の公称組成を有することを特徴とする請求項１記載の高速度鋼：
Ｃ：2.4
Si：0.4
Mn：0.3
Cr：4
Mo：3
Ｗ：4
Ｖ：8
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６】
1000〜1250℃の温度から焼入れを行い、室温に冷却し、そして500〜600℃での焼戻しにより58〜60HRCの硬度を有し、かつ前記熱処理後に10〜20容量％の主としてＶ炭化物の形のＭＣ炭化物を含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高速度鋼。
【発明の詳細な説明】
本発明は、新規の合金組成を有する高速度鋼に関する。この鋼は、第一に高耐摩耗性の工具を製造するためのものである。特に、この鋼は紙裁断刃等の木材及び紙を切断するための工具；粉末用のダイ及びドリフト等にするためのものである。他の想到しうる用途には道路に対して摩耗を受ける小部品等の摩耗部品、例えばタイヤスタッド及び耐摩耗性が根本的に必要であるが、靭性に関するかぎりは要求がより寛大である他の用途がある。
これらの用途に対し、＊ＡＳＰR２３の商品名で市販されている、Ｃ：1.29、Si：0.4、Mn：0.3、Cr：4.0、Mo：5.0、Ｗ：6.2、Ｖ：3.1、及び鉄及び通常量の不純物から成る残余の公称組成（nominal composition）を有する高速度鋼が今日使用されている。この鋼の特色は、比較的良好な耐摩耗性及び比較的良好な靭性を有することである。しかしながら、靭性のある程度の低下を我慢してもなおさらに良好な耐摩耗性を有する工具が要望されている。このことは特に序文で述べたような物体にかかるものである。非常に高い耐摩耗性を有する鋼にはＡＳＰR６０の商品名で市販されている、Ｃ：2.30、Cr：4.2、Mo：7.0、Ｗ：6.5、Co：10.5、Ｖ：6.5、及び鉄及び通常量の不純物から成る残余の公称組成を有する高速度鋼がある。この鋼は金属切削工具及び冷間加工工具に使用されているが、序文で述べた種類の工具、すなわち紙及び木材を切断するための工具等には適さない。すなわち、この種の工具は、その鋼が鋼の低い靭性によって機械加工にしくいので製造しにくい形を必要とすることが多い。
＊ＡＳＰはクロスター・スピードスチール・アクチボラーグの登録商標である。
本発明の目的は、序文に述べた種類の工具用の鋼に生じる兼備するのが困難である種々の要件を従来使用された鋼より良好に満足する新規の高速度鋼を提供することにある。
特に、本発明の目的は、ＡＳＰ２３より実質的に良好であり、また好ましくはＡＳＰ６０より実質的に良好であり、好ましくはＡＳＰ２３と同等である非常に良好な靭性を兼備してＡＳＰ６０と同等又はより良好である耐摩耗性を有する高速度鋼を提供することにある。
これら及び他の目的は、鋼を添付請求の範囲に記載されることによって特徴付けることで達成することができる。
以下に、好ましい種々の合金元素をより詳細に説明する。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理解すべきである。
炭素は本発明の鋼において多官能性である。炭素は、まずバナジウムとＭＣ炭化物を形成する。これらの炭化物は未溶解一次炭化物及び析出硬化二次炭化物として存在する。さらに、炭素は、主としてモリブデン及びタングステンと析出硬化Ｍ2Ｃ炭化物を形成する。したがって、第一に炭素含有量を少量のクロム、鉄及びマンガンも含んでいる前記炭化物を形成するためにバナジウム、モリブデン及びタングステンの含有量に適合させる。
したがって、炭素含有量は少なくとも2.2％、好ましくは少なくとも2.25％、適切には少なくとも2.3％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。これらの条件によって、狭い最適な炭素含有量範囲だけが許され、また炭素含有量が2.7％以下、好ましくは最高で2.6％、適切には最高で2.55％でなくてはならないことが示唆される。最適な炭素含有量は2.4又は2.5％でありうる。
ケイ素は融成物の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炭化物の析出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。モリブデンは少なくとも2.5％、好ましくは少なくとも2.7％、適切には少なくとも2.8％の量で存在すべきである。タングステンも少なくとも2.5％の量で、しかし好ましくは3.7％以上、適切には少なくとも3.8％の量で存在すべきである。モリブデン含有量は4.5％を越えるべきではなく、好ましくは3.3％を越えるべきではなく、適切には3.2％を越えるべきではなく、一方タングステンは4.5％を越えるべきではなく、好ましくは4.3％を越えるべきではなく、適切には4.2％を越えるべきではない。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前記合金元素の全量に基づき前記割合で存在すべきであることが経験からわかっている。
バナジウム及び炭素は非常に固い炭化バナジウム、ＭＣを形成する。鋼がバナジウムを多く含有すればするほど、ＭＣ炭化物が多く形成され（但し、対応する量の炭素を供給するという条件で）、また鋼の耐摩耗性が良好になる。したがって、バナジウム含有量は高い。しかしながら、素材を通常のインゴット製造によって製造すると、高バナジウム含有量の高速度鋼も従来の高速度鋼と同等のバナジウム含有量の高速度鋼も脆くなる。なぜならば、この場合、焼入れ操作中に溶解されずに未溶解のままで、脆化を生じる大きな概して不均一に分散された一次炭化物が生成されるからである。
本発明のこの問題は、鋼を粉末冶金によって製造して、確実に一次炭化バナジウムが小さくなり、かつ鋼中に均一に分散されるようにすることによって解決される。
しかしながら、焼入れ中に溶解する小容量の炭化バナジウムが焼戻し操作中にＭＣ炭化物として再析出して、二次硬化の拡大に寄与する。
したがって、バナジウムが鋼の高耐摩耗性を確立するための、そしてその上、本発明の適切な靭性を与えるために重要な役割を担っている。それ故に、バナジウムは少なくとも7.5％、好ましくは少なくとも7.8％、適切には少なくとも7.9％の量で存在する。しかしながら、バナジウムが多過ぎると脆化を生じるので、バナジウム含有量は最高で9.5％、好ましくは最高で９％、適切には最高で8.5％に制限される。公称バナジウム含有量は８％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。ある種の高速度鋼及び他の工具鋼に存在しうるコバルトは通常この鋼に存在しないが、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。しかしながら、鋼は室温で有用であるので、鋼はコバルトを含まないのが適切である。なぜならばこの元素は鋼の靭性を低下させるからである。それらが鋼の合金元素の意図する相互作用に好ましくない影響を与えず、また鋼の所望の特徴並びに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添加することができる。
鋼の技術的特徴は以下のことによって説明することができる：
−  鋼は粉末冶金によって製造された高速度鋼であり、その合金組成はバナジウムの含有量が高いことによってまず特徴付けられる。送出し状態において、鋼は有効容量の炭化物、主として炭化バナジウムを含有する実質的にフェライト状のマトリックスを有している。炭化物類は微粒子状であり、鋼中に均一に分散されている。
−  1000〜1250℃の温度範囲、好ましくは1050〜1220℃の温度範囲での固溶化熱処理及び室温への冷却後に、鋼のマトリックスは主としてマルテンサイト構造を有するが、高含有量の残留オーステナイトを含んでいる。炭化物は部分的に溶解しているが、15〜20容量％の微粒子状の均一に分散した炭化バナジウムが鋼中に残存している。
−  500〜600℃の温度範囲内の温度で焼戻しすることによって、残留オーステナイトが本質的に排除され、かつマルテンサイトに変態されること、及び一方においてＭ2Ｃ炭化物（但し、Ｍは主としてモリブデン及びタングステン並びに少量成分のクロム、マンガン及び鉄から成る）、そして他方においてＭＣ炭化物（但し、Ｍは主としてバナジウムから成る）の二次析出のために硬度が58〜66HRC（この範囲内の硬度は固溶化熱処理温度に依存する）に増大される。
−  多量の炭化バナジウムのために、焼入れ及び焼戻しした鋼は室温で非常に高い耐摩耗性を達成し、また他の観点で合金の化合によって、鋼が硬度及び、例えば以下の種類の工具：紙裁断刃等の紙及び木材切断工具；粉末溶ダイ及びドリフトに適した靭性を兼備することができる。他の想到しうる用途はタイヤスタッド等の道路に対して摩耗を受ける物体用である。
本発明の鋼及びその特徴を実施した実験に関連して以下により詳細に説明する。本明細書において、以下の添付図面を参照する：
図１は焼戻し後の検討鋼の硬度対焼入れ温度を示す曲線を含む図式であり；
図２は検討鋼の硬度対焼戻し温度を示す曲線を含む図式であり；及び
図３は本発明の鋼及び２種類の市販の高速度鋼の靭性及び耐摩耗性を示す図式である。
検討鋼は表１に従う組成を有していた。表１において、番号９及び１０の鋼は参照材料である（公称組成）。
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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。この素材から直径10mmの寸法のロッドを熱間圧延によって製造した。これらのロッドから1050〜1220℃の様々の焼入れ温度で固溶化熱処理を行い、室温に冷却しそして500〜600℃の様々の温度で焼戻しすることによって硬化試験体を製造した。560℃での焼戻し後に異なる焼入れ温度で得られた硬度を図１の曲線によって示し、一方、硬度の焼戻し温度への依存性を図２の曲線によって示す。後者の場合、全ての鋼を1180℃の固溶化熱処理温度から焼入れを行った。これらのグラフから、最高の硬度が本発明の番号１、２及び３の鋼によって得られることが理解される。本発明の組成を有する鋼から紙裁断刃を製造した。これらの刃は現地試験を行った時に約３ケ月間の有効寿命を有していたが、参照材料ＡＳＰR２３から製造した刃は同様の条件で約３週間の寿命であった。このことは、本発明の鋼が紙を裁断するのに使用する場合に非常に良好な耐摩耗性を有し、またこの用途に十分な靭性も有していることを示すものである。
連続試験の間、本発明の番号１の鋼を市販の鋼ＡＳＰ２３（番号９の鋼）及びＡＳＰ６０（番号１０の鋼）と耐摩耗性及び靭性に関して比較した。耐摩耗性の測定はいわゆる「ピン−オン−レシプロケーティング−プレート」測定によって行った。0.2m/秒の速度で移動するアルミナ板に押し当てられた当該鋼から製造した工具から２時間の間に摩滅された材料の量（mg）を測定した。靭性は４点曲げ試験で測定した。円筒状の試験体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。測定値を表２に示す。この表に、試験した鋼の耐摩耗性指数も書き入れてある。耐摩耗性指数はグラムで示した摩滅量の逆数である。
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表２の値は図３にもグラフとして示す。この図は、本発明の番号１の鋼が市販銘柄のＡＳＰ２３（番号９の鋼）及びＡＳＰ６０（番号１０の鋼）の良好な特徴、即ち良好な靭性及び高い耐摩耗性を兼備していることを明確に示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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