JP2017525848A

JP2017525848A - 冷間加工工具鋼

Info

Publication number: JP2017525848A
Application number: JP2017502158A
Authority: JP
Inventors: ペッテルダム、; トーマスヒルスコグ、; シェルベングトソン、; スヴェンソン、アンニカエングストレーム; セバスチャンエイネルマーク、; ラルスエクマン、; ヴィクトリアベルグクヴィスト、
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: UA118051C2; KR102417003B1; DK3169821T3; EP3169821A1; BR112017000078A2; US20170233854A1; CN106795611A; TW201606095A; PT3169821T; TWI650433B; ES2784266T3; CN113913679A; CA2948143C; RU2017102699A; BR112017000078B1; JP6615858B2; CA2948143A1; US10472705B2; RU2017102699A3; EP2975146A1

Abstract

本発明は冷間加工工具鋼に関する。この鋼は、次の主な成分を含む（重量％で）：Ｃを０．５〜２、Ｎを１．３〜３、Ｓｉを０．０５〜１．２、Ｍｎを０．０５〜１、Ｃｒを２．５〜５．５、Ｍｏを０．８〜２．２、Ｖを６〜１８、残部は任意選択元素、鉄および不純物。

Description

本発明は、窒素合金化冷間加工工具鋼に関する。

窒素及びバナジウムを合金化した粉末冶金（ＰＭ）工具鋼は、高硬度、高耐摩耗性および優れた耐かじり性の独特の組合せを有するため、かなりの関心を得た。これらの鋼は、主な障害のメカニズムが、凝着磨耗またはかじり（galling）である、広い範囲の用途を有する。典型的な用途の分野には、ブランキング及び成形（forming）、ファインブランキング、冷間押出、深絞り、及び粉末プレスが含まれる。等方性の鋼を製造するために、基本となる鋼組成物はアトマイズされ、窒化処理に供され、その後、この粉末をカプセルに充填して熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）に供する。このようにして製造された高性能鋼は、ＶＡＮＣＲＯＮ（登録商標）４０である。それは、炭素、窒素およびバナジウムの含有量が高く、かつ相当な量のＣｒ、ＭｏおよびＷでも合金化されており、その結果、ＭＸ型（１４ｖｏｌ％）とＭ_６Ｃ型（５ｖｏｌ％）の硬質相を含むミクロ組織がもたらされる。この鋼はＷＯ００／７９０１５Ａｌに記載されている。

ＶＡＮＣＲＯＮ（登録商標）４０は非常に魅力的な特性プロファイルを有しているが、特にかじりが主な問題となる厳しい加工条件下で、製造された製品の表面品質をさらに改善し、また工具寿命を延ばすために、工具材料の改良のための連続的な努力がある、

発明の開示
本発明の目的は、高度な冷間加工のための改善された特性プロフィールを有する、窒素合金化粉末冶金（ＰＭ）冷間加工工具鋼を提供することである。

本発明の別の目的は、製造された部品の表面品質の向上につながる組成及びミクロ組織を有する、粉末冶金（ＰＭ）冷間加工工具鋼を提供することである。

前述の目的、ならびにさらなる利点は、特許請求の範囲に記載されるような組成を有する冷間工具鋼を提供することにより、著しい程度に達成される。

本発明は、特許請求の範囲に定義されている。

本発明による鋼のミクロ組織を示し、鋼のマトリックス中に一様に分布した小さなＭＸ粒（黒色相）が示される。比較のための鋼であるＶＡＮＣＲＯＮ（登録商標）４０のミクロ組織を示し、鋼のマトリックス中のＭＸ粒（黒色相）とＭ_６Ｃ粒（白色相）を示す。

詳細な説明
以下に、特許請求された合金の化学成分の制限についてだけでなく、個々の元素とそれらの相互作用の重要性について、簡単に説明する。鋼の化学組成についての全ての百分率は、明細書全体にわたって重量％（ｗｔ％）で示す。個々の元素の上限及び下限は、請求項１に記載の範囲内で自由に組み合わせることができる。

炭素（０．５〜２．１％）
炭素は、０．５％の最小含量で存在すべきであり、好ましくは少なくとも１．０％である。炭素の上限は１．８％または２．１％であり、好ましい範囲は０．８〜１．６％、１．０〜１．４％および１．２５〜１．３５％を含む。炭素は、ＭＸの形成および硬化のために重要である。ここで、金属Ｍは主にＶであるが、Ｍｏ、ＣｒおよびＷが存在してもよい。Ｘは、Ｃ、Ｎ、Ｂのうちの１つ以上である。好ましくは、炭素含有量は、オーステナイト化温度でマトリックス中に固溶した０．４〜０．６％のＣを得るために、調整される。いずれにしても、鋼中のＭ_２３Ｃ_６、Ｍ_７Ｃ_３およびＭ_６Ｃ型の炭化物量が制限されるように、好ましくは鋼が当該炭化物を含まないように、炭素量を制御するべきである。

窒素（１．３〜３．５％）
窒素は、本発明において、ＭＸ型の硬質炭窒化物の形成に重要である。したがって、窒素は少なくとも１．３％の量で存在すべきである。下限は１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．１％、または２．２％ですらありうる。上限値は３．５％であり、３．３％、３．２％、３．０％、２．８％、２．６％、２．４％、２．２％、２．１％、１．９％または１．７％であってよい。好ましい範囲は、１．６〜２．１％および１．７〜１．９％を含む。

クロム（２．５〜５．５％）
クロムは、十分な焼入れ性を提供するために、少なくとも２．５％の含有量で存在すべきである。Ｃｒは、熱処理中に大きな断面において良好な焼入れ性を提供するために、より高いことが好ましい。クロム含有量が高すぎると、Ｍ_７Ｃ_３のような望ましくない炭化物の形成につながる可能性がある。加えて、これはまた、ミクロ組織における残留オーステナイトの傾向（propensity）を増加させ得る。下限は２．８％、３．０％、３．２％、３．４％、３．６％、３．８％、４．０％、４．２％、４．３５％、４．４％または４．６％であってよい。上限は５．２％、５．０％、４．９％、４．８％または４、６５％であってよい。クロム含有量は、４．２〜４．８％であることが好ましい。

モリブデン（０．８〜２．２％）
Ｍｏは、焼入れ性に非常に有利な効果を有することが知られている。モリブデンは、良好な二次硬化応答性を達成するために重要である。最小含量は０．８％であり、１％、１．２５％、１．５％、１．６％、１．６５％又は１．８％に設定されてもよい。モリブデンは強い炭化物形成元素である。しかし、モリブデンは強力なフェライト形成剤でもある。また、ＭＸ以外の硬質相の量を制限するためという理由によって、Ｍｏを制限する必要もある。特に、Ｍ_６Ｃ−炭化物の量は制限されるべきであり、好ましくは、≦３ｖｏｌ％である。最も好ましくは、Ｍ_６Ｃ−炭化物は、ミクロ組織内に存在しないべきである。したがって、モリブデンの最大含有量は２．２％である。好ましくは、Ｍｏは２．１５％、２．１％、２．０％または１．９％に制限される。

タングステン（≦１％）
タングステンの効果は、Ｍｏの効果と同様である。しかし、同じ効果を達成するためには、重量％基準でＭｏの２倍のＷを添加する必要がある。タングステンは高価であり、また、スクラップ金属の取り扱いも複雑にする。Ｍｏと同様に、ＷもＭ_６Ｃ−炭化物を形成する。したがって、最大量は１％に、好ましくは０．５％に、より好ましくは０．３％に制限され、最も好ましくはＷは意図的には全く添加されない。Ｗを添加せず、Ｍｏを制限することによって、上記のようにＭ_６Ｃ−炭化物の形成を完全に回避することができる。

バナジウム（６〜１８％）
バナジウムは、ＭＸ型の均一に分散した一次析出炭化物及び炭窒化物を形成する。前記析出物は、式Ｍ（Ｎ、Ｃ）で表すことができ、窒素含有量が高いため、これらは一般にニトロ炭化物（nitrocarbides）とも呼ばれる。本発明の鋼において、Ｍは主にバナジウムであるが、Ｃｒ、Ｍｏはある程度存在していてもよい。バナジウムは、所望の量のＭＸを得るために、６〜１８％の量で存在するであろう。上限値は、１６％、１５％、１４％、１３％、１２％、１１％、１０．２５％、１０％または９％に設定することができる。下限は７％、８％、８．５％、９％、９．７５％、１０％、１１％又は１２％であってよい。好ましい範囲は、８〜１４％、８．５〜１１．０％及び９．７５〜１０．２５％を含む。

ニオブ（≦２％）
ニオブは、ＭＸ又はＭ（Ｎ、Ｃ）型の炭窒化物を形成する点で、バナジウムと同様である。しかしながら、Ｎｂは、Ｍ（Ｎ、Ｃ）の、より角ばった形状をもたらす。したがって、Ｎｂの最大添加量は２．０％に制限され、好ましい最大量は０．５％であり、好ましくはニオブは添加されない。

シリコン（０．０５〜１．２％）
脱酸素にシリコンを用いる。Ｓｉはまた、炭素活量（activity）を増加させ、被削性に有益である。従って、Ｓｉは、０．０５〜１．２％の量で存在する。良好な脱酸素のためにＳｉ含有量を０．２％以上に調整することが好ましい。下限値を０．３％、０．３５％又は０．４％に設定することができる。しかし、Ｓｉは強力なフェライト形成剤であり、１．２％に制限されるべきである。上限値は、１．１％、１％、０．９％、０．８％、０．７５％、０．７％または０．６５％とすることができる。好ましい範囲は０．３〜０．８％である。

マンガン（０．０５〜１．５％）
マンガンは、鋼の焼入れ性の向上に寄与し、マンガンは、硫黄と一緒に、硫化マンガンを形成することにより、被削性を向上させるのに寄与する。従って、マンガンは、０．０５％の最小含量で、好ましくは少なくとも０．１％、より好ましくは少なくとも０．２％存在するだろう。より高い硫黄含量において、マンガンは、鋼における赤色脆性を防止する。鋼は、最大１．５％Ｍｎを含むだろう。上限は１．４％、１．３％、１．２％、１．１％、１．０％、０．９％、０．８％、０．７％、０．７％０．６％または０．５％とすることができる。好ましい範囲は０．２〜０．９％、０．２〜０．６、および０．３〜０．５％である。

ニッケル（≦３．０％）
ニッケルは任意選択であり、３％までの量で存在することができ、鋼に良好な焼入れ性および靭性を与える。費用がかかるため、鋼のニッケル含有量は可能な限り制限されるべきである。したがって、Ｎｉの含有量は１％、好ましくは０．３％に制限され、ニッケルの添加は行われないことが最も好ましい。

銅（≦３．０％）
Ｃｕは任選択意の元素であり、鋼の硬度や耐食性を高めるのに寄与することができる。使用する場合、好ましい範囲は０．０２〜２％であり、最も好ましい範囲は０．０４〜１．６％である。しかし、一度添加された鋼から銅を抽出することができない。これにより、スクラップの取り扱いが大幅に困難になる。このため、銅は通常は意図的に添加されない。

コバルト（≦１２％）
Ｃｏは任意選択の要素である。Ｃｏは鉄（フェライトおよびオーステナイト）に固溶し、それを強化すると同時に高温強度を付与する。ＣｏはＭｓ温度を増加させる。溶体化処理の間、Ｃｏは、粒成長に対する抵抗性を助けるので、より高い固溶体温度（solution temperature）を使用することができ、これにより、より高い割合の炭化物が固溶し、その結果、改善された二次硬化応答がもたらされる。Ｃｏはまた、炭化物及び炭窒化物の合体（coalescence）を遅延させ、より高い温度で二次硬化が起こるようにする傾向がある。Ｃｏはマルテンサイトの硬度を高めることに寄与する。最大量は１２％であり、上限は１０％、８％、７％、６％、５％又は４％に設定することができる。下限値は１％、２％、３％、４％または５％とすることができる。しかし、スクラップ処理などの実用的な理由で、Ｃｏを意図的に追加することはない。好ましい最大含量は１％である。

リン（≦０．０５）
Ｐは、固溶体強化要素である。しかし、Ｐは、粒界に偏析し、凝集力を低下させ、それによって靭性を低下させる傾向がある。したがって、Ｐは≦０．０５％に制限される。

硫黄（≦０．５％）
Ｓは、鋼の被削性の向上に寄与する。より高い硫黄含量では、赤色脆性のリスクがある。さらに、高硫黄含量は、鋼の疲労特性に悪影響を及ぼすことがある。したがって、鋼は、≦０．５％、好ましくは≦０．０３％を含むだろう。

Ｂｅ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｃａ、Ｍｇ、ＯおよびＲＥＭ（希土類金属）
これらの元素は、特許請求された鋼の被削性、熱間加工性及び／又は溶接性をさらに向上させるために、特許請求された量で鋼に添加することができる。

ホウ素（≦０．６％）
有意な量のホウ素を任意選択で使用して、ＭＸ硬質相の形成を助けることができる。鋼の硬度を高めるために、Ｂを用いてもよい。そのときその量は、０．０１％に制限され、好ましくは≦０．００４％である。

Ｔｉ、Ｚｒ、ＡｌおよびＴａ
これらの元素は、炭化物形成剤であり、硬質相の組成を変更するために、特許請求された範囲で合金中に存在してもよい。しかし、通常、これらの要素のどれも添加されない。

鋼の製造
特許請求された化学組成を有する工具鋼は、従来のガスアトマイズと、それに続く窒化処理によって製造することができる。窒化は、アトマイズされた粉体を５００〜６００℃でアンモニア系ガス混合物にさらすことによって実施でき、それによって窒素が粉末中に拡散し、バナジウムと反応して微細な炭窒化物の核となる。通常、鋼は、使用される前に焼入れおよび焼戻しを受ける。

オーステナイト化を、９５０〜１１５０℃、典型的には１０２０〜１０８０℃の範囲のオーステナイト化温度（ＴＡ）で行うことができる。典型的な処理は、１０５０℃で３０分間オーステナイト化し、ガス急冷し、５３０℃で１時間の焼戻しを３回し、その後、空冷すること含む。この結果、６０〜６６ＨＲＣの硬度が得られる。

例
本例では、本発明による鋼が、既知の鋼と比較される。両方の鋼は、粉末冶金によって製造された。

基本となる鋼組成物を溶融し、ガスアトマイズ、窒化処理、カプセル化、およびＨＩＰに供した。

このようにして得られた鋼は、以下の組成（重量％）を有していた：
本発明鋼ＶＡＮＣＲＯＮ（登録商標）４０
Ｃ１．３１．２
Ｎ１．８１．８
Ｓｉ０．５０．５
Ｍｎ０．４０．４
Ｃｒ４．５４．６
Ｍｏ１．８３．２５
Ｗ０．１３．８
Ｖ１０．０８．５
残部鉄および不純物。

２つの鋼のミクロ組織を検査したところ、図１に示されているように、本発明の鋼が約２０体積％のＭＸ（黒色相）を含有し、その粒はサイズが小さく、マトリックス内に均一に分散されていることが判明した。

他方、比較鋼は、図２に示すように、約１５体積％のＭＸおよび約６体積％のＭ_６Ｃ（白色相）を含有していた。この図から、Ｍ_６Ｃ炭化物はＭＸ粒子よりも大きく、Ｍ_６Ｃ炭化物の粒度分布に一定の広がりがあることが明らかである。

鋼は１０５０℃で３０分間オーステナイト化され、ガス急冷により焼入れされ、５５０℃で１時間の焼き戻し（３×１ｈ）の後、空冷された。これにより、本発明の鋼では６３ＨＲＣの硬度が得られ、比較材料については６２ＨＲＣが得られた。オーステナイト化温度（１０５０°）における、マトリックスの平衡組成と、一次ＭＸおよびＭ_６Ｃの量とを、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃシミュレーション（ソフトウェアバージョンＳ−ｂｕｉｌｄ−２５３２、およびデータベースＴＣＦＥ６を用いた）にて計算した。この計算は、本発明の鋼がＭ_６Ｃ−炭化物を含まず、１６．３体積％のＭＸを含有していたことを示した。他方で、比較鋼は５．２体積％のＭ_６Ｃおよび１４．３体積％のＭＸを含有することが判明した。

２つの材料は、ステンレス鋼の冷間圧延のためのロールで使用され、本発明の材料は、冷延鋼の改善された表面微小粗さ（micro-roughness）をもたらすことが見出された。これは、より一様なミクロ組織に起因し、また、大きなＭ_６Ｃ−炭化物が存在しないことに起因するだろう。

産業上の利用可能性
本発明の冷間工具鋼は、特に、オーステナイト系ステンレス鋼のブランキングや成形のように、非常に高い耐かじり性を必要とする用途において有用である。ＭＸ−炭窒化物のサイズの小ささと、その一様な分布との組み合わせが、改善された耐かじり性をもたらすと考えられる。

Claims

重量％（ｗｔ％）で、
Ｃ０．５〜２．１
Ｎ１．３〜３．５
Ｓｉ０．０５〜１．２
Ｍｎ０．０５〜１．５
Ｃｒ２．５〜５．５
Ｍｏ０．８〜２．２
Ｖ６〜１８
任意選択で
Ｐ ≦０．０５
Ｓ ≦０．５
Ｗ ≦１．０
Ｃｕ ≦３
Ｃｏ ≦１２
Ｎｉ ≦３
Ｎｂ ≦２
Ｔｉ ≦０．１
Ｚｒ ≦０．１
Ｔａ ≦０．１
Ｂ ≦０．６
Ｂｅ ≦０．２
Ｂｉ ≦０．２
Ｓｅ ≦０．３
Ｃａ０．０００３〜０．００９
Ｍｇ ≦０．０１
ＲＥＭ≦ ０．２
のうちの一つ以上、
残部鉄及び不純物
からなる冷間加工用の鋼。
以下の要件
Ｃ０．６〜１．８
Ｎ１．４〜３．３
Ｓｉ０．２〜１．１
Ｍｎ０．１〜１．１
Ｃｒ２．８〜５．２
Ｍｏ１．２５〜２．１５
Ｗ ≦０．５
Ｖ７〜１６
Ｐ ≦０．０３
Ｓ ≦０．０３
Ｃｕ０．０２〜２
Ｃｏ ≦１
Ｎｉ ≦１
Ｎｂ ≦１
Ｔｉ ≦０．０１
Ｚｒ ≦０．０１
Ｔａ ≦０．０１
Ｂ ≦０．００５
Ｂｅ ≦０．０２
Ｓｅ ≦０．０３
Ｍｇ ≦０．００１
のうちの少なくとも一つを満たす、請求項１に記載の鋼。
以下の要件
Ｃ０．８〜１．６
Ｎ１．６〜３．２
Ｓｉ０．２５〜０．８５
Ｍｎ０．２〜０．９
Ｃｒ３．２〜５．０
Ｍｏ１．５〜２．１
Ｗ ≦０．４５
Ｖ８〜１４
Ｃｏ ≦１
Ｃｕ ≦０．５
Ｎｉ ≦０．３
Ｎｂ ≦０．５
のうちの少なくとも１つを満たす、請求項１又は２に記載の鋼。
以下の要件
Ｃ１．０〜１．４
Ｎ１．６〜２．１
Ｓｉ０．３〜０．８
Ｍｎ０．２〜０．６
Ｃｒ４．２〜４．８
Ｍｏ１．６〜２．０
Ｗ ≦０．４０
Ｖ８．５〜１１．０
のうちの少なくとも１つを満たす、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼。
以下の要件
Ｃ１．２５〜１．３５
Ｎ１．７〜１．９
Ｓｉ０．３５〜０．６５
Ｍｎ０．３〜０．５
Ｃｒ４．３５〜４．６５
Ｍｏ１．６５〜１．９５
Ｗ ≦０．３０
Ｖ９．７５〜１０．２５
のうちの少なくとも１つを満たす、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼。
Ｃ１．０〜１．４
Ｎ１．６〜２．１
Ｓｉ０．３〜０．８
Ｍｎ０．２〜０．６
Ｃｒ４．２〜４．８
Ｍｏ１．６〜２．０
Ｗ ≦０．４０
Ｖ８．５〜１１．０
残部鉄および不純物
からなる、請求項４に記載の鋼。
鋼中に存在する炭化物及び炭窒化物の量が、体積％で以下の要件
ＭＸ１５〜３５
Ｍ_６Ｘ ≦３
Ｍ_７Ｘ_３ ≦１
Ｍ_２３Ｘ_６ ≦１
式中、ＭはＶ、ＣｒおよびＭｏのうちの１種以上であり、ＸはＣ及び／又はＮおよび任意選択でＢである
を満たす、請求項１〜６のいずれかに記載の鋼。
以下の要件
ＭＸ１５〜３０
Ｍ_６Ｘ ≦１
Ｍ_７Ｘ_３ ≦０．２
Ｍ_２３Ｘ_６ ≦０．２
を満たす、請求項７記載の鋼。
炭化物及び炭窒化物の量が、体積％で以下の要件
ＭＸ１５〜３０
Ｍ_６Ｘ ≦０．１
ここでミクロ組織はＭ_７Ｘ_３およびＭ_２３Ｘ_６を含まず、好ましくはミクロ組織はＭ_６Ｘを含まない
を満たす、請求項１〜８の何れかに記載の鋼。
ミクロ組織中の炭化物及び炭窒化物の等価円直径（Equivalent Circle Diameter、ＥＣＤ）が、１．５μｍ未満、好ましくは１．０μｍ未満である、請求項１〜９の何れかに記載の鋼。