(57)【要約】本発明は、最小限の密度、良好な耐摩耗性、同時に、極端な温度変化に対する耐性が最大化され、同様に耐食性が最適化された長い耐用年数を有する鋼材料を提供する。本発明に係るこうした材料は、実際の使用において高い機械荷重、腐食荷重、熱荷重及び研磨荷重にさらされる部品の製造に特に適している。この目的のために、本発明に係る鋼材料は、粉末冶金によって製造され、以下のように構成される（重量％）。Ｃ：１．５〜５．０％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０〜＜０．０３５％、Ｓ：０〜＜０．３５％、Ｎ：０〜＜０．１％、Ｃｒ：３．０〜１５．０％、Ｍｏ：０．５〜２．０％、Ｖ：６．０〜１８．０％、それぞれ場合によっては群「Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素、ここで、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの含有量はそれぞれ最大１．０％であり、Ｎｂの含有量は最大２．０％である、残りの鉄及び不可避不純物、ここで、含有量２．５〜３０重量％の個々に添加された硬質材料粒子が鋼マトリックス中に埋め込まれている。このようにして合金化された鋼合金粉末から、固体半完成製品が焼結プロセス又は付加プロセスによって形成され、熱処理を受け、次いで仕上げをして、それぞれの部品を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金によって製造され、（重量％で）以下のように構成される鋼マトリックスを有する、鋼材料であって、
Ｃ：１．５〜５．０％
Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｐ：０〜＜０．０３５％
Ｓ：０〜＜０．３５％、
Ｎ：０〜＜０．１％、
Ｃｒ：３．０〜１５．０％、
Ｍｏ：０．５〜２．０％、
Ｖ：６．０〜１８．０％、
それぞれ場合によっては群「Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素、ここで、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの含有量はそれぞれ最大１．０％であり、Ｎｂの含有量は最大２．０％である、
残りの鉄及び不可避不純物、
ここで、含有量２．５〜３０重量％の個々に添加された硬質材料粒子が前記鋼マトリックス中に埋め込まれた、
鋼材料。
【請求項２】
最高８．０重量％のＣｒ含有量において、最大偏差が最大０．２重量％の前記鋼マトリックスのＣ含有量が目標量％Ｃ目標に対応し、％Ｃ目標＝０．２×％Ｖ＋０．４重量％であり、％Ｖが前記鋼マトリックスのそれぞれのＶ含有量を表すことを特徴とする、請求項１に記載の鋼材料。
【請求項３】
少なくとも１１．０重量％のＣｒ含有量において、最大偏差が最大０．２重量％の前記鋼マトリックスのＣ含有量が目標量％Ｃ目標に対応し、％Ｃ＝（０．２×％Ｖ＋０．４重量％）×１．３であり、％Ｖが前記鋼マトリックスのそれぞれのＶ含有量を表すことを特徴とする、請求項１に記載の鋼材料。
【請求項４】
８重量％を超え１１重量％未満のＣｒ含有量において、前記鋼マトリックスのＣ含有量が、請求項２及び３に従って求められる％Ｃ目標含有量の間にあることを特徴とする、請求項１に記載の鋼材料。
【請求項５】
そのＳｉ含有量が少なくとも０．７重量％又は最大１．５重量％であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項６】
そのＭｎ含有量が少なくとも０．７重量％又は最大１．５重量％であることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項７】
そのＳ含有量が少なくとも０．０３５重量％であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項８】
そのＭｏ含有量が少なくとも０．９重量％又は最大１．５重量％であることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項９】
群「Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素の存在下で、以下がそれぞれの元素Ｎｉ、Ｃｏ又はＷの含有量（重量％）に当てはまることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の鋼材料。
Ｎｉ：０．２〜０．４％、
Ｃｏ：０．３〜０．５％、
Ｗ：０．３〜０．５％。
【請求項１０】
前記硬質材料粒子がＴｉＣ粒子であることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項１１】
前記硬質材料粒子が最大５０μｍのＤ５０粒径で存在することを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の鋼材料。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に従って得られた鋼を含む部品を製造する方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ）（重量％で）１．５〜５．０％のＣ、０．３〜２．０％のＳｉ、０．３〜２．０％のＭｎ、＜０．０３５％のＰ、＜０．３５％のＳ、＜０．１％のＮ、３．０〜１５．０％のＣｒ、０．５〜２．０％のＭｏ、６．０〜１８．０％のＶ、それぞれ場合によっては群「Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素を含み、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの含有量がそれぞれ最大１．０％であり、Ｎｂの含有量が最大２．０％であり、残りが鉄及び不可避不純物である、鋼合金粉末が調製される、
ｂ）得られる鋼合金粉末と硬質材料粒子の混合物中の硬質材料粒子の含有量が２．５〜３０重量％であるという条件で、前記鋼合金粉末が硬質材料粒子と混合される、
ｃ）場合によっては、前記鋼合金粉末又は前記鋼合金粉末と硬質材料の混合物が乾燥される、
ｄ）前記鋼合金粉末又は前記鋼合金粉末と硬質材料の混合物から、固体半完成製品が焼結プロセス、特に熱間静水圧プレス、又は付加プロセスによって形成される、
ｅ）生成した半完成製品が前記部品に加工される、
を含む方法。
【請求項１３】
前記作用ステップａ）で前記鋼合金粉末の合金構成成分がそれぞれ粉末形態で供給され、前記鋼合金粉末中に混合されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
仕上げ（ステップｅ））が、前記半完成製品の材料除去機械加工を含むことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
実際の使用において高い加速度又は速度を含む移動を行う、請求項１〜１１の何れか一項に従って得られた鋼材料から製造された部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末冶金によって製造され、硬質材料粒子を含む鋼材料に関する。こうした鋼材料は、技術用語で金属基複合材料とも称される。
【０００２】
同様に、本発明は、こうした鋼材料を製造する方法に関する。
【０００３】
最後に、本発明は、本発明に係るタイプの鋼材料から製造される部品にも関する。
【背景技術】
【０００４】
特に、発明の目的は、実際の使用において極めて高い面荷重を受け、同時に高速で移動する部品の製造に適した鋼材料である。こうした部品の一例は、線圧延用機械（圧延機）に使用される圧延ガイドローラーである。これらのローラー上では、圧延され、高搬送速度で移動する線が、１０００℃を超える温度で熱い内に行われる。その高温のために、スケール層が線上に生成する。線の高搬送速度に伴うそれらの高回転速度のためにローラーがさらされる高温荷重及び高動荷重に加えて、圧延ガイドローラーは、したがって、それらの表面が線と接触しながら高研磨荷重にもさらされる。
【０００５】
このような荷重の組合せに耐えることができるように、耐摩耗性、特に耐研磨性、耐食性、熱衝撃応力耐性、並びに実際の使用において同等の応力を受ける圧延ガイドローラー及び他の部品が製造される鋼の重量に対する高い要求が存在する。
【０００６】
この要求プロファイルを満たす種々の試みが知られている。すなわち、特許文献１は、強化プラスチック並びに他の研磨材料及び腐食性材料を加工するのに使用される部品の製造のための耐摩耗性及び耐食性粉末冶金工具鋼を記述している。鉄に加えて、鋼は、（重量％で）Ｍｎ含有量が０．２〜２．０％、Ｐ含有量が最高０．１％、Ｓ含有量が最高０．１％、Ｓｉ含有量が最高２．０％、Ｃｒ含有量が１１．５〜１４．５％、Ｍｏ含有量が最高３．０％、Ｖ含有量が８．０〜１５．０％、Ｎ含有量が０．０３〜０．４６％、Ｃ含有量が１．４７〜３．７７％であるはずである。Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮの含有量は、一方では、鋼製部品の構造中でフェライトが形成されないように２つの式によって関連づけられる。一方、部品がその製造の過程で受ける熱処理中の過剰な量の残留オーステナイトの形成が防止されるべきである。同様に、金属の耐摩耗性、耐摩滅性及び耐食性の最適化された組合せは、式によって決定される組成から得られる。工具鋼の製造の過程で、鋼の合金元素は、析出によってＭ７Ｃ３及びＭＣ炭化物を形成し、これは鋼の体積の１６〜３５％の割合を構成し得る。熱間加工、焼鈍及び硬化後の析出硬化鋼の最大硬度は５８ＨＲＣである。
【０００７】
問題のタイプの部品の製造用粉末冶金製造鋼材料の別の群は、例えば、特許文献２に記述されている。好ましい一実施形態においては、これらの鋼は、０．１〜１重量％のＭｎ、最高２重量％のＳｉ、４．５〜５．５重量％のＣｒ、０．８〜１．７重量％のＭｏ、最高０．１４重量％のＳ、８〜１０．５重量％のＶ、２．２〜２．６重量％のＣを含む、残りが鉄及び不可避不純物である、鋼マトリックスを有し、１３．３〜１７．３体積％の炭化バナジウムを含む。鋼の硬度は最高６３ＨＲＣである。
【０００８】
最後に、特許文献３は、高Ｍｏ含有量及び／又は高Ｗ含有量の鋼マトリックスが使用され、さらに硬質材料２〜１２％がマトリックスに埋め込まれた、鋼材料の粉末冶金製造プロセスを開示している。硬質材料は、窒化物、炭化物又は炭窒化物とすることができる。マトリックス材料は、条件１８％＜Ｗ＋２Ｍｏ＜４０％を満たす含有量のＭｏ及びＷを含む。
【０００９】
同時に、マトリックス材料のＣ含有量は、マトリックス材料自体が炭化物の析出によって高い硬度を生じることができるように、高Ｍｏ含有量及び高Ｗ含有量と適合する。こうして製造された材料の最大硬度は７０ＨＲＣを超える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第０  ７７３  ３０５（Ｂ１）号
【特許文献２】米国特許第４，２４９，９４５（Ａ）号
【特許文献３】米国特許第４，８８０，４６１（Ａ）号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上で説明した先行技術の背景に対して、目的は、高い機械荷重、腐食荷重、熱荷重及び研磨荷重に実際にさらされる部品の製造のために更に最適化された性質の組合せを与える鋼材料を提供することであった。
【００１２】
同様に、こうした鋼でできた部品の製造方法も与えられる。
【００１３】
最後に、本発明に係る鋼がその製造に特に適している部品が明示されるはずである。
【００１４】
鋼に関して、本発明は、請求項１に従って得られた鋼によってこの目的を達成した。
【００１５】
方法に関する上記目的の本発明による解決策は、本発明に係る鋼からの部品の製造中に少なくとも請求項１２に記載の作用ステップが行われることにある。
【００１６】
最後に、本発明に係る鋼は、実際の使用において高加速度又は速度で移動する、特に高い表面応力及び温度応力にさらされる、部品の製造に特に適している。
【００１７】
こうした部品の例は、線製造用圧延機の圧延ガイドであり、機械的応力下の高い安定性及び耐摩耗性だけでなく、高い動力の作用下で最適化された挙動も有する必要がある種々の工具及び他の部品である。内燃機関のピストンピン及び押し棒もこの状況で挙げることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に定義され、本発明の一般的概念同様、以下で詳細に説明される。
【００１９】
本発明に係る鋼材料は、粉末冶金によって製造され、以下の組成（重量％）を有する。
Ｃ：１．５〜５．０％
Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｐ：０〜＜０．０３５％
Ｓ：０〜＜０．３５％、
Ｎ：０〜＜０．１％、
Ｃｒ：３．０〜１５．０％、
Ｍｏ：０．５〜２．０％、
Ｖ：６．０〜１８．０％、
それぞれ場合によっては群「Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素、ここで、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの含有量はそれぞれ最大１．０％であり、Ｎｂの含有量は最大２．０％である、
残りの鉄及び不可避不純物、
ここで、含有量２．５〜３０重量％の個々に添加された硬質材料粒子が鋼マトリックス中に埋め込まれている。
【００２０】
本発明に係る鋼材料の機械的性質を最大にするために、本発明に係る複合鋼マトリックスにおいては、２．５〜３０重量％の個々に添加された硬質材料粒子が存在する。当該硬質材料粒子は、特に炭化チタンＴｉＣ粒子とすることができる。
【００２１】
本発明に係る鋼は、したがって、最小限の密度で、良好な耐摩耗性及び同時に長い寿命に加えて、極端な温度変化に対する最大の耐性及び最適化された耐食性を有するように構成される。
【００２２】
鋼材料及び鋼材料の合金含有量に関して本明細書で記述する場合、これらは、各場合において、特に明示しない限り重量による。
【００２３】
本発明に係る鋼材料においては、合金の全長は、より広い領域がバナジウム合金化高強度耐摩耗性材料で利用可能であるように選択される。前記領域は、技術用語で金属基複合材料（「ＭＭＣ」）とも称される硬質材料粒子を使用するのにより有用である。この合金系における２つの最も重要な合金元素は、炭素及びバナジウムである。
【００２４】
炭素は、マルテンサイト硬化の原因であり、硬質炭化バナジウムの形成の原因でもあり、高硬度及び高強度と組み合わせて耐摩耗性が最適化される。したがって、Ｃは本発明に係る鋼中に１．５〜５．０重量％の含有量で存在する。ここで、炭素は２つの主要な役割がある。すなわち、一方では、Ｃは金属マトリックスのマルテンサイト硬化に必要とされる。他方では、十分な量のＣの存在は、既存の合金元素、特にＶ、Ｃｒ及び、存在する場合には、Ｎｂとの硬質炭化物の形成をもたらす。鋼マトリックスの合金中のＣが少なすぎる場合、マルテンサイトの形成が起こらない。Ｃが多すぎる場合、残留オーステナイトが安定化される。両方の効果は、硬度及び耐摩耗性を低下させ得る。炭素と炭化物形成元素の比は、したがって、常に重要である。
【００２５】
一方、ケイ素は、本発明に係る部品の製造のために本発明に従って合金化された鋼合金粉末の一部である出発材料の融解中に脱酸素に使用される。さらに、ケイ素の存在は、炭素活性を高め、したがって、融解温度を低下させる。少なくとも０．３重量％のＳｉ、特に少なくとも０．７重量％のＳｉの標的添加なしでは、より高いＣ含有量が必要であろう。低融点は、微粒化プロセスを容易にする。ケイ素は、溶融金属の粘度も低下させ、それは、粉末微粒化プロセスの単純化にも寄与する。同時に、時間−温度図における転化プロジェクション(独：Umwandlungsnasen，英：conversion projections)が長時間側にシフトするので、ケイ素は、鋼材料の無心焼入性を高める。硬化温度に対するオーステナイトの強度は、Ｓｉの溶解量によって増加し、それは、オーステナイトのより高い安定性を説明し、より長い冷却期間を可能にする。これらの効果は、最高２．０重量％、特に最高１．５重量％のＳｉ含有量で得られる。高すぎるＳｉ含有量はフェライトを安定化し、それは硬化後に鋼の構造中に存在するマルテンサイトの量を減少させ、したがって本発明に係る鋼材料の硬度及び耐摩耗性も低下させるであろう。
【００２６】
マンガンは、鋼の硬度、及び鋼粉末の製造中のその微粒化能を最適化するために、本発明に係る鋼材料中に存在する。したがって、十分な含有量のＭｎの存在によって、Ｓｉの存在と同様に、鋼の融点が低下し、溶融金属の粘度が低下し、その結果、Ｍｎの標的添加も微粒化プロセスの単純化に寄与する。同時に、マンガンは、鋼材料の無心焼入性も高める。同様に、Ｍｎの溶解部分は、オーステナイトの安定化に寄与する。さらに、Ｍｎは、ＭｎＳを形成することによって硫黄に結合し、高温割れのリスクを低減し、機械加工性を向上させる。これらの効果は、少なくとも０．３重量％、特に少なくとも０．７重量％のＭｎ含有量、及び最高２．０重量％、特に最高１．５重量％のＭｎ含有量で確実に得られる。一方、過剰な含有量のマンガンは、軟化焼鈍時間がかなり増加する程度にオーステナイト相を安定化する。他方、オーステナイト相は、過剰に高いＭｎ含有量によって、硬化後に残留オーステナイトが微細構造中に残る程度に安定化される可能性もある。この微細構造は、マルテンサイトよりもかなり軟質であり、硬度及び耐摩耗性を低下させるであろう。本発明に係る鋼材料のＭｎ含有量約１．２重量％は、特に実際的であることがわかる。
【００２７】
クロムは、Ｍｏ及びＶと組み合わせて本発明に係る鋼に使用されて、耐焼戻性、耐食性及び硬化性を調節する。その結果、Ｃｒ含有量を変えることによって、これら３つの性質をそれぞれの要件に従って適合させることができる。低Ｃｒ含有量３．０〜８．０重量％では、Ｃｒは、特に耐焼戻性及び無心焼入性に対して正の影響を有する。Ｃｒ含有量の増加につれて、耐食性が増し、炭化物形成に対するＣｒの寄与が増す。したがって、８．０重量％を超え１１．０重量％未満の平均Ｃｒ含有量が遷移領域を構成する。耐食性に対する要求が高い場合、ここでのＣｒ含有量は不十分である。しかし、鋼マトリックスのより高い硬度は、炭化Ｃｒ形成の増加の結果として生じる。少なくとも１１．０重量％、特に少なくとも１２．０重量％のＣｒ含有量では、本発明に係る鋼材料においては、焼戻し及び耐食性は、最高の要求に耐える最大硬度及び強度で得られる。この場合、Ｃｒの有利な効果は、Ｃｒ含有量が少なくとも１２．５重量％に設定されるので、特に確実に利用することができる。高すぎるＣｒ含有量は、より多量の炭化Ｃｒを形成させるであろう。しかし、炭化Ｃｒの形成はＣを結合させ、それはマルテンサイトの形成を抑制し、その結果、マルテンサイトの所望の高い硬度をもはや得ることができない。さらに、Ｃｒ含有量が本発明に規定された上限を超えて大きく増加した場合、フェライト相が安定化され、この場合も必要な硬度及び耐摩耗性が得られないであろう。したがって、本発明によれば、Ｃｒの最大含有量は１５．０重量％、特に最大１４．０重量％に限定され、最高１３．５重量％のＣｒ含有量が実際には特に適していることが判明した。
【００２８】
炭化バナジウムＶＣの形成に関して本発明に係る鋼材料の鋼マトリックスの炭素含有量の最適な効果は、鋼マトリックスのＣ含有量％Ｃが以下のように計算される目標含有量％Ｃ目標である点で、最高８重量％の低Ｃｒ含有量において確保することができる。
【数１】
2020501027.tif 000002
式中、％Ｖは、鋼マトリックスの合金のそれぞれのＶ含有量である。
【００２９】
他方、Ｃｒが１１．０〜１５．０重量％の範囲で使用される場合、Ｃ含有量％Ｃは、上式で求められる目標含有量％Ｃ目標よりも約３０％高いはずである。この場合、鋼マトリックスのＣ含有量は、したがって、以下のように計算される目標含有量％Ｃ目標に対応するように最適に調節される。
【数２】
2020501027.tif 000003
式中、％Ｖは、やはり鋼マトリックスの合金のそれぞれのＶ含有量を示す。
【００３０】
したがって、平均Ｃｒ含有量＞８．０重量％〜＜１１．０重量％の場合には、２つの前述の式に従って低Ｃｒ含有量と高Ｃｒ含有量に対して求めることができるＣ最小含有量の間にあるＣ含有量を選択することが有利である。
【００３１】
含有量％Ｃ目標は、各場合において、合金粉末の製造におけるＣ含有量として最適に求められるべき目標量である。言うまでもなく、この目標含有量は、実際のＣ含有量％Ｃが、従来又は所定の合金化技術によって規定される許容度内で本発明に係るそれぞれの鋼材料の目標含有量％Ｃ目標と同じであるときに達せられたとみなされる。この点で依然として許容される目標含有量％Ｃ目標からの実際のＣ含有量％Ｃの偏差の実際的な値は、０．２重量％である。鋼マトリックスの実際のＣ含有量％Ｃには以下が当てはまるはずである。
％Ｃ＝％Ｃ目標±０．２重量％
【００３２】
上記条件に従って調節されるＣ含有量は、炭化Ｃｒ形成によりＣｒが結合した炭素を補う。このようにして、十分なＣがマルテンサイトの形成に常に利用可能であり、大部分の用途に十分である最適化された硬度及び耐摩耗性を確実に得ることができる。
【００３３】
したがって、目標含有量％Ｃ目標に対する最高８重量％のＣｒ含有量におけるそれぞれのＶ含有量％Ｖに応じて、例えば、以下の値が得られる（重量％でのデータ）。
【００３４】
【表１】
2020501027.tif 000004
【００３５】
最高８重量％のＣｒ及び名目Ｖ含有量１５重量％を有する鋼材料Ｖ１５の場合、例えば±０．５重量％のＶ含有量の許容範囲が容認され、その結果、その実際のＶ含有量を１４．５〜１５．５重量％とすることができる。同時に、実際のＣ含有量の±０．２重量％の許容が目標値％Ｃ目標によって容認される。したがって、鋼材料Ｖ１５の実際のＣ含有量を３．２〜３．６重量％とすることができる。
【００３６】
モリブデンは、クロムのように、少なくとも０．５重量％、特に少なくとも０．９重量％のＭｏ含有量であるとき、本発明に係る鋼から製造された部品の耐食性、硬化性及び耐焼戻性を高める。しかし、Ｍｏ含有量が高すぎると、高温強度がかなり増加するので、鋼の成形性が悪化する。さらに、Ｍｏ含有量が高いと、やはりフェライト相を安定化するであろう。したがって、本発明に係る鋼中のＭｏの最大含有量は、２．０重量％、特に最大１．５重量％に限定される。本発明の目的に特に適している本発明に係る鋼のＭｏ含有量は、したがって、１．２重量％の領域である。
【００３７】
バナジウムは、本発明に係る鋼中に６．０％〜１８．０重量％の含有量で存在して、バナジウムに富む炭化物又は炭窒化物を形成して耐摩耗性を最適化する。さらに、バナジウムは、二次硬度最大値(独：Sekundaerhaertemaximum，英：secondary hardness maximum)において焼戻し中に炭化物の形成に次第に関与する。これらの効果はＶ含有量とともに増加し、その結果、Ｖ含有量を変えることによって、本発明に係る鋼材料の性質プロファイルをそれぞれの要件に適合させることもできる。Ｖの存在の最大の正の効果は、少なくとも１４．５重量％のＶが本発明に係る鋼中に存在するときに得ることができる。少なくとも１６重量％の高Ｖ含有量は、特に高い耐摩耗性をもたらし、その結果、こうした高いＶ含有量の本発明に係る鋼材料は、使用中に最大荷重にさらされる圧延ガイドローラー用材料として使用するのに特に適している。他方、Ｖ含有量を１７．４重量％又は１７．０重量％に、１６．０重量％又はより好ましくは最大１５．５重量％に制限することによって、過剰の炭素が炭化物形成によって結合するのを確実に回避することができる。本発明によってＶに対して示された含有量範囲の下限に向かう低Ｖ含有量及びそれに応じた低Ｃ含有量では、本発明に係る鋼材料をより高いＶ含有量及びＣ含有量よりも容易に機械加工によって加工することができる。Ｖ含有量が最大１２重量％、特に最大１０重量％に限定され、したがってＶ含有量に依存するＣ含有量も上記のように限定されると、単純化された機械加工性がそれに応じてもたらされる。
【００３８】
ニオブは、場合によっては、本発明に係る鋼中に最高２．０重量％の含有量で存在する。Ｎｂは、バナジウムと極めて類似した作用態様を有する。それは、硬質耐摩耗性一炭化物の形成に主に関与する。したがって、各場合において、ａｔ．％単位のそれらの含有量に基づいて、ＮｂとＶは、例えばこれらの合金元素の有効性に関して、好都合であるとわかった場合、１：１の比で交換することができる。
【００３９】
ニッケルは、場合によっては、Ｍｎと同様にオーステナイト部分を安定化し、したがって硬化性を改善するために、最高１．０重量％の含有量で本発明に係る鋼材料中に存在することができる。したがって、Ｎｉの存在は、オーステナイトがそれぞれの硬化温度で実際に確実に形成され、望ましくないフェライトが鋼の構造中に確実に形成されないようにする。しかし、過剰に高いＮｉ含有量は、マルテンサイト形成に必要な冷却時間を増加させる。同時に、硬化後に残留オーステナイトが微細構造中に存在するリスクがあるので、Ｎｉ含有量は高すぎるべきではない。Ｎｉを添加する場合、Ｎｉ含有量は好ましくは少なくとも０．２重量％であり、Ｎｉの存在の最適な効果は、Ｎｉ含有量を最高０．４重量％に調節して調整される。
【００４０】
コバルトも、場合によっては、本発明に係る鋼材料中に最高１．０重量％の含有量で存在することができる。ニッケル同様、Ｃｏは、オーステナイト形成及び硬化温度に対して安定化効果を有する。しかし、ニッケルやマンガンとは異なり、Ｃｏは、マルテンサイトの最終温度を低下させず、その存在は、残留オーステナイトの形成に関してさほど重要ではない。さらに、コバルトは、耐熱性を高める。これらの正の効果がＣｏの添加によって利用される場合、Ｃｏの少なくとも０．３重量％の含有量が特に好都合であることがわかり、最適な効果は最高０．５重量％のＣｏ含有量で生じる。
【００４１】
タングステンは、Ｃｏ及びＮｉ同様、場合によっては、最高１．０重量％の含有量で鋼に添加することができる。とりわけ、タングステンは、耐焼戻性を高め、とりわけ、焼戻し中に二次硬度最大値における炭化物形成に関与する。Ｗの存在は、焼戻し温度をより高温にシフトさせる。さらに、コバルト同様、耐熱性はＷによって高くなる。しかし、過剰なＷ含有量は、やはりフェライト相を安定化するであろう。Ｗの正の効果が利用される場合、したがって、少なくとも０．３重量％のＷ含有量が特に好都合であることがわかり、最適な効果は最高０．５重量％のＷ含有量で生じる。
【００４２】
鋼の残りはそれぞれ鉄及び製造プロセス又は原料のために鋼中に入る不可避不純物を含み、鋼合金粉末の構成成分はそこから回収されるが、性質の点で効果はない。
【００４３】
硫黄は、鋼材料中に最高０．３５重量％の含有量で存在して、機械加工性を向上させることができる。しかし、より高いＳ含有量では、本発明に係る複合鋼材料の性質が悪化する。Ｓの存在の好都合な効果を安全に利用するために、少なくとも０．０３５重量％が本発明に係る鋼材料中に存在することができる。他方、機械加工性がＳの標的添加によって改善されない場合、Ｓ含有量をそれに応じて０．０３５重量％未満に制限することができる。
【００４４】
不可避不純物は、最高０．０３５重量％の含有量のＰも含み、例えば、合計で最高０．２重量％の酸素も含む。
【００４５】
窒素もまた、本発明に係る鋼材料と狙い通りに合金化されないが、合金構成成分の窒素親和性のために、微粒化プロセス中に鋼材料中に移行する。鋼材料の性質に対するＮの負の効果を回避するために、Ｎ含有量は０．１２重量％未満、特に最大０．１重量％に制限されるべきである。
【００４６】
本発明に係る鋼材料の密度は一般に６．４〜７．６ｇ／ｃｍ３の範囲であり、純粋な鋼マトリックス材料の密度は一般に７．０〜７．６ｇ／ｃｍ３である。
【００４７】
その最小化された密度及びその結果としての低重量によって、本発明に係る鋼材料は、実際の使用において急な加速度に繰り返しさらされ、その結果、より低い質量慣性が特に好都合な効果を有する部品の製造に適したものになる。
【００４８】
粉末冶金製造は、それぞれの用途に従った低密度硬質相の標的添加によって、それが特別な意図された性質に関して望まれる場合に、本発明に係る鋼の密度及び耐摩耗性の更なる最適化を可能にする。ここで、上記の鋼マトリックスのようにその複合体で製造される完成した鋼に埋め込まれた硬質材料粒子２．５〜３０重量％を鋼材料が含むので、本発明に係る鋼材料の性能特性が高められることが示された。
【００４９】
硬質材料は、鋼マトリックスを形成する鋼合金粉末のように、初期状態で粉末として存在する。
【００５０】
硬質材料は、技術用語で「硬質相」としても知られ、炭化物、窒化物、酸化物又はホウ化物とすることができる。したがって、適切な硬質材料の群としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、Ｍｏ２Ｃ、Ｖ２Ｃ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＮｂＮ又はＴｉＮが挙げられる。
【００５１】
炭化チタンＴｉＣは、本発明に係る目的に特に適していることが判明した。炭化チタンは、硬度が３２００ＨＶであり、したがって鋼の硬度及び耐摩耗性を特に効果的に高める。同時に、ＴｉＣは、化学的に耐性があり、耐食性に悪影響を及ぼさない。同様に、ＴｉＣの低密度は有利な効果を有する。
【００５２】
鋼材料と合金化された硬質材料含有量２．５重量％未満においては、耐摩耗性の向上はない。硬質材料の効果を特に確実に利用するために、したがって、本発明に係る鋼材料中の合金化硬質材料粒子の少なくとも５重量％を供給することが有利であり、少なくとも７．５重量％の含有量が特に有効であることが判明した。硬質材料粒子の存在の結果として材料の過剰な脆化を確実に回避するために、合金化硬質材料粒子の含有量を本発明に係る材料中で２５重量％以下に限定することができる。本発明に係る鋼材料中の本明細書に記載の硬質材料粒子の含有量は、合金化硬質材料が炭化チタンＴｉＣであるときに、特に好都合であることがわかる。
【００５３】
本発明に係る鋼は、硬化及び焼戻し後に、一般に５８〜７０ＨＲＣの範囲で硬度値になる。
【００５４】
一般に機械加工のために行われる軟化焼鈍後、本発明に係る鋼材料の一般的な軟化焼鈍硬度は、本発明によって提供される硬質材料粒子の存在のために、一般に最高６５ＨＲＣである。
【００５５】
本発明に係る鋼からの本発明に係る部品の製造においては、少なくとも以下の作用ステップが行われる。
【００５６】
ａ）（重量％で）１．５〜５．０％のＣ、０．３〜２．０％のＳｉ、０．３〜２．０％のＭｎ、＜０．０３５％のＰ、＜０．３５％のＳ、＜０．１％のＮ、３．０〜１５．０％のＣｒ、０．５〜２．０％のＭｏ、６．０〜１８．０％のＶ、それぞれ場合によっては群「Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ」からの１種以上の元素を含み、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの含有量がそれぞれ最大１．０％であり、Ｎｂの含有量が最大２．０％であり、残りが鉄及び不可避不純物である、鋼合金粉末が供給される。
【００５７】
ｂ）得られる鋼合金粉末−硬質材料粒子混合物中の硬質材料粒子の含有量が２．５〜３０重量％であるという条件で、鋼合金粉末が硬質材料粒子と混合される。
【００５８】
ｃ）場合によっては、鋼合金粉末又は鋼合金粉末と硬質材料の混合物が乾燥される。
【００５９】
ｄ）鋼合金粉末又は鋼合金粉末と硬質材料の混合物から、固体半完成製品が焼結プロセス、特に熱間静水圧プレス、又は付加プロセスによって形成される。
【００６０】
ｅ）生成した半完成製品が部品に加工される。
【００６１】
本発明に係る方法のステップａ）〜ｅ）の実際的な実施及び実施形態に関して、以下の情報が適用される。
【００６２】
ステップａ）
【００６３】
粉末製造は、従来の様式で、例えば、ガス噴霧又は任意の他の適切な方法によって、行うことができる。この目的のために、合金粉末を、例えば、ガス若しくは水噴霧又はこれら２つの噴霧法の組合せによって、製造することができる。合金粉末のための本発明に従って合金化された溶融物の噴霧が考えられる。
【００６４】
あるいは、しかしながら、最初にそれぞれの合金元素に対して規定される含有量割合に対応する量の個々に粉末形態の鋼合金粉末の合金元素を用意し、次いでこれらの量の粉末を本発明に従って構成された鋼合金化粉末中に混合することも可能である。
【００６５】
必要に応じて、平均直径５００μｍ未満のものを本発明に係る更なる加工のためにふるい分けによって粉体粒子から選択する。平均粒径２５０μｍ未満、特に１８０μｍ未満の粉末が特に適していることがわかる。
【００６６】
その製造様式にかかわらず、本発明によって提供される合金粉末は、最適には、嵩密度２〜６ｇ／ｃｍ３（ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ３９２３−１に従って測定）及びタップ密度３〜８ｇ／ｃｍ３（ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ３９５３に従って測定）である。
【００６７】
ステップｂ）
【００６８】
ステップａ）で用意された鋼合金粉末をそれぞれ選択された硬質材料粉末と混合する。完成した混合物中の硬質材料粒子の含有量が２．５〜３０重量％の範囲であるように、硬質材料の含有量の最適選択に関する上記情報を考慮して、混合硬質材料粒子の量を決定する。
【００６９】
ステップｃ）
【００７０】
必要に応じて、ステップａ）又はステップｂ）で調製された合金粉末を従来の様式で乾燥させて、後続の成形プロセスを妨げ得る液体及び他の揮発性物質の残留物を除去することができる。
【００７１】
ステップｄ）
【００７２】
硬質材料粒子を含む合金粉末から、ブランク（半完成製品）を次いで形成する。この目的のために、合金粉末をそれ自体公知の様式で適切な焼結プロセス、特に熱間静水圧プレス（「ＨＩＰｉｎｇ」）によって、それぞれの形態にすることができる。一般に、ＨＩＰｉｎｇが行われる。ＨＩＰｉｎｇ中の一般的な圧力は、温度１０５０〜１２５０℃、特に１０８０〜１２００℃で９００〜１５００バールの範囲、特に１０００バールである。硬化の過程で、オーステナイト、ＶＣ及び炭化Ｃｒが鋼材料の微細構造中に生成する。
【００７３】
あるいは、それぞれの部品を付加プロセスにおいて本発明に従って調製及び提供される合金粉末から製造することもできる。「付加」という用語は、材料を付加して部品を製造するすべての製造プロセスを要約したものであり、この付加は一般に複数の層で起こる。「付加製造プロセス(独：Additive Herstellverfahren，英：Additive manufacturing processes)」は、技術用語でしばしば「生産的プロセス(独：generative Verfahren，英：generative processes)」と称され、それぞれ製造される部品に形を付与するために材料が除去される機械加工プロセス（例えば、粉砕、穿孔及び旋盤）などの従来の減法製造プロセスと対比される。付加設計原理は、上記機械加工プロセス若しくは一次成形プロセス（鋳造、鍛造）などの従来の製造プロセスを用いて実現することができない、又はやっとのことでしか実現することができない、幾何的に複雑な構造体の製造を可能にする（社団法人ドイツ技術者協会（独：Verein Deutscher Ingenieure e.V.，英：Association of German Engineers）、生産技術および製造方法部門（独：Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren，英：Production Technology and Manufacturing Methods）によって出版されたＶＤＩステータスレポート「付加製造（独：Additive Verfahren，英：Additive Manufacturing）」、２０１４年９月、www.vdi.de/statusadditiv参照）。「付加法」という総称で要約された該方法の更なる定義は、例えば、ＶＤＩガイドライン（独：VDI-Richtlinien，英：VDI Guidelines）３４０４及び３４０５に見ることができる。
【００７４】
ステップｅ）
【００７５】
ステップｄ）後に得られた半完成製品は、一方では所望の性能特性、他方では必要な最終形状をそれに与えるために仕上げをまだ必要とする。仕上げとしては、例えば、半完成製品の機械、特に材料除去機械加工、並びに硬化及び焼戻しを含み得る熱処理が挙げられる。
【実施例】
【００７６】
本発明を例示的実施形態に基づいて以下でより詳細に説明する。
【００７７】
上で説明したように、本発明に従って構成された合金粉末を、例えば、熱間静水圧プレス又は別の適切な焼結プロセスによって、ブランク（半完成製品）に成形する。この目的のために、それぞれの合金粉末を適切な型、例えば、円柱状カプセルに充填し、次いで温度１０５０〜１２５０℃、特に１１５０℃で一般的な圧力９００〜１５００バール（９０〜１５０ＭＰａ）、特に１０００バール（１００ＭＰａ）で固形物が形成されるまで十分な時間保持することができる。一般に、熱間静水圧プレスにおいては、圧力は１０２〜１０６．７ＭＰａの範囲であり、加熱は一般に目標温度１１５０〜１１５３℃であり、一般に２００〜３００分間、特に２４５分間維持され、一般に加熱速度３Ｋ／ｍｉｎ〜１０Ｋ／ｍｉｎでもある。
【００７８】
半完成製品の製造後に熱処理が続く。この場合、それぞれの半完成製品を一般に５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で硬化温度（オーステナイト化温度）１０５０〜１２００℃に加熱し、完全に熱くなるまで保持する。一般に、これには３０〜６０分かかる。続いて、こうして加熱された半完成製品を急冷する。それらを適切な急冷媒体、例えば、水、油、ポリマー浴、動的若しくは静的空気で、又は冷却を真空乾燥機で行う場合にはガス状窒素で、５〜３０分の範囲で室温に冷却する。特に、大きい半完成製品の場合、硬化温度まで幾つかの予熱段階、例えば、４００℃、６００℃及び８００℃、又は６００〜８００℃の範囲の予熱温度で加熱して、均一な加熱を確保することが好都合な場合もある。
【００７９】
周囲雰囲気で反応しないようにするために、真空乾燥機中の硬化をそれ自体公知の様式で行うこともできる。しかし、これは、本発明に係る方法の成功の前提条件ではない。
【００８０】
硬化後、焼戻しを行うことができ、半完成製品を例えば９０分間それぞれの焼戻し温度、一般には４５０〜５５０℃に保持する。焼戻し条件は、それぞれの硬化温度及び所望の硬度レベル、すなわち選択された所望の強度に応じて、それ自体公知の様式で決定される。加熱及び冷却速度は、焼戻しの場合、通常、約１０Ｋ／ｍｉｎである。硬化とは対照的に、焼戻し中の加熱及び冷却速度は重要ではない。焼戻しによって、脆性マルテンサイトは、炭素の拡散によって緩和する。例えばＶ、Ｃｒ及びＭｏと一緒に、これは、「焼戻し炭化物」として知られるものを形成する。これは、靭性を高める。同時に、鋼材料の強度及び硬度は、これらの性質が炭化物形成によって再度高められるので、わずかしか減少しない。
【００８１】
通常、こうした合金系においては狭い温度範囲（約４５０〜６５０℃の間の約５０℃）が存在するので、これは二次硬度最大値と称される。というのは、これよりも低い又は高い温度は硬度の低下を招くからである。
【００８２】
本発明に係る鋼材料及びそれから製造される部品の実際の製造に上記一般的手順を用いて、円柱状半完成製品を本発明に係る４種の鋼材料Ｖ１０ａ〜Ｖ１０ｄから製造した。
【００８３】
鋼材料Ｖ１０ａ、Ｖ１０ｂ、Ｖ１０ｃ及びＶ１０ｄの鋼マトリックスはそれぞれ（重量％で）２．５％のＣ、０．９％のＳｉ、０．９％のＭｎ、４．５％のＣｒ、１．２％のＭｏ及び１０．０％のＶ、残りの鉄及び不可避不純物を含んだ。さらに、ＴｉＣ５重量％を鋼材料Ｖ１０ａと合金化し、ＴｉＣ１０．０重量％を鋼材料Ｖ１０ｂと合金化し、ＴｉＣ１５重量％を鋼材料Ｖ１０ｃと合金化し、ＴｉＣ２０重量％を鋼材料Ｖ１０ｄと合金化した。
【００８４】
以下を表２に示す。オーステナイト化温度ＡＴ、後続の熱処理ステップの前に存在する硬度ＨＲＣ（「ＨＲＣ＿ｖ」）、焼戻しが行われた場合、焼戻し温度ＳＴ及び焼戻し時間Ｓｔ、又は軟化焼鈍が行われた場合、均熱温度ＷＴ及び均熱焼鈍時間Ｗｔ、前の熱処理ステップ後の硬度ＨＲＣ（「ＨＲＣ＿ｎ」）、並びに試料Ｖ１〜Ｖ８の密度ρ。
【００８５】
それぞれのオーステナイト化温度ＡＴへの加熱を真空乾燥機で行った。そこで、試料Ｖ１〜Ｖ８をオーステナイト化温度ＡＴにオーステナイト化時間Ａｔ保持した。続いて、試料を真空乾燥機中で圧力３．５バールで施されたガス状窒素にさらして室温に冷却した。
【００８６】
硬化後、試料１〜８を焼戻し又は焼鈍処理に供した。焼戻し処理においては、試料１、３、５、７を焼戻し温度ＳＴに焼戻し期間Ｓｔ保持した。この焼戻し処理を２回行って、最適な焼戻し結果を得た。
【００８７】
軟化焼鈍中、試料２、４、６、８を焼鈍温度ＷＴで時間Ｗｔ保持した。焼鈍時間終了後、乾燥機のスイッチを切り、スイッチを切った乾燥機中で試料２、４、６、８を室温に徐冷した。
【００８８】
【表２】
2020501027.tif 000005
【国際調査報告】
2020501027.tif 000006
2020501027.tif 000007
2020501027.tif 000008
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