JPH0152462B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は高温作業鋼、さらに特別には溶融あ
るいは半溶融条件中の金属からの強力な加熱およ
び消耗にさらされあるいは鍛造温度に加熱される
工具用材料に関する。これらの鋼の適用の典形的
分野は、例えば、ダイカスト、アルミニウムおよ
び銅合金の押出用の工具、銅合金の高温圧縮用工
具、そして鋼鍛造用工具である。これらおよび類
似の適用は工具鋼の高温強さ、焼戻抵抗および高
温延性を要求する。これらの性質は、他のものと
共に、熱疲労に対する鋼の抵抗の面での決定的な
影響を持つ。 1965年10月26日公告のスウエーデン特許明細書
番号199167において、高温強度を有する鋼合金が
開示された。この鋼は重量パーセントで下記を含
有する。

【表】 しかし、この公知の合金は焼戻抵抗が不充分で
ある。現在の工業において求められる常により高
い要求は、よりよい強さの性質に関することに限
つては、また多くの変形の改良および上記合金に
選択を引き起した。例えば、スエーデン特許明細
書番号364997，364998および364999（1974年３月
11日公告）で公表された鋼合金について参照すれ
ば、そこでは、さらに、鉄は以下の成分（重量パ
ーセント）により特徴づけられる。

【表】 最初に言及した合金と比較すると、上記合金は
一般に改良された強度性質を示すが、しかし、高
温作業鋼用には特に最初の組合せを提供しない。
さらに、（これは、また、最初に言及したスウエ
ーデン特許明細書番号199167に関連する）性質は
高価な合金成分の比較的高い含有の値において得
られ、その中でまで第１に高いコバルトの含有は
合金成分の全コストに支配的に影響する。 上記不利および／または上に引用した高温作業
鋼の限界を除去することが本発明の目的である。
さらに特別に、鋼にコバルトあるいは他の非常に
高価な合金元素を合金することを要求することな
しに高温作業鋼に最適である性質の組合せを有す
る高温作業鋼を提供することが本発明の目的であ
る。とりわけ、600℃以上の温度における非常に
高い焼戻抵抗、高い高温強度および良好な高温延
性、熱疲労に対する鋼の抵抗において決定的な影
響をもつと考えられる性質を有する高温作業鋼を
提供することが目的である。 これらおよび他の目的は本発明による下記成分
を含有する鋼により達成できる。下記は重量パー
セントである。

【表】 残余は基本的に単に鉄および通常含有する不純
物よりなる。ここで「基本的に単に」の表現は、
上記表に示される成分の鋼が与えられた他の成分
を含有するかも知れないと云うことを意味し、そ
れらは達成されるために探究された鋼のそれらの
性質をそこなわない。コスト的な理由のみならず
実用に対しては、しかし、多くの合金成分が合金
する理由を複雑化しないために関係する限りでは
ものは制限される。 炭素は少なくとも0.3重量パーセント存在する
必要がある。これは、鋼の焼戻抵抗、高温強度お
よび靭性について好影響を与える。一方、炭素含
量が多すぎると、初析炭化物の生成を引き起こ
し、鋼の靭性を損うに至るので、炭素含量の上限
は0.45重量パーセントを越えてはならない。 シリコンは、この鋼にとつて不可欠な元素では
ないが、鋼の製造時からの残留物として不可避で
ある。但し、シリコンの残存量が多すぎると、鋼
の焼戻抵抗および高温強度を損うようになるの
で、その含量の上限は1.0重量パーセントを越え
てはならない。 鋼の硬化能を改善するために、マンガンはこの
鋼にとつて不可欠な元素である（硬化能とは、大
きな寸法の鋼の場合にも無芯焼入れをすることが
できるという鋼の性能のことであり、自動車工業
などに使用される工具のための工具鋼にとつては
特に重要な特性の一つである）。したがつて、本
発明の鋼は少なくとも0.3重量パーセントのマン
ガンを含んでいる必要がある。一方、マンガンの
含有量が多すぎると、鋼の熱処理に際して種々の
問題が起り、特に鋼の軟焼なまし（soft
annealing）性を損うようになるので、その含有
の上限は2.0重量パーセントを越えてはならない。 鋼の鋼化能改善のためには、クロムが最も重要
な元素である。したがつて、本発明の鋼は少なく
とも2.0重量パーセントのクロムを含有していな
ければならない。一方、クロムの含量が多くなる
すぎると、クロム炭化物が生成して、そのために
鋼の焼戻抵抗および高温強度を損うようになる。
したがつて、クロム含有量は3.5重量パーセント
を越えてならない。 モリブデンの存在は、鋼中の他の元素との協力
で、鋼の焼戻抵抗および高温強度の改善に役立
つ。このためには少なくとも1.5重量パーセント
のモリブデンの存在が必要である。一方、モリブ
デンの含有量が多すぎると、モリブデン炭化物の
生成量が増大し、その結果鋼の靭性を損うように
なる。したがつて、モリブデン含有量の上限は
2.5重量パーセントを越えてはならない。 バナジウムは鋼にとつて重要な元素であり、そ
れは炭素との協力で鋼に所望の焼戻抵抗および高
温強度を与えるはたらきをする。しかし、バナジ
ウム含量が多すぎると、初析炭化物の生成を引き
起こし、鋼の靭性を損うようになる。したがつ
て、本発明の鋼は0.8ないし1.5重量パーセントの
バナジウムを含有しなければならぬ。 鋼中の、上記各元素の含有量を、上記の範囲に
保ちつつ、本発明の鋼の硬化能の改善の目的を達
成するためには、ホウ素の含有量は0.001ないし
0.005重量パーセントに保つ必要がある。その含
有量が0.005重量パーセントを越えると、鋼の熱
間加工時に起る脆性の問題に直面するようになる
ので避けなければならない。 他のもののうちで、あまりに複雑である合金は
これらの鋼からのスクラツプは低価を表わす不利
を有する。まづ第１におよびコスト的理由のため
に、それ故、鋼はコバルトの重要な含有を通常含
有すべきではない。しかしながら、コバルトの微
量の存在は本発明の鋼の焼戻抵抗、高温強度およ
び靫性の特性に何等の悪影響も及ぼさないので、
不純物量程度のわずかな量のコバルトが不可避的
に混入することはありうる。但し、コバルトは元
来高価な元素であり、かつその存在は、鋼のスク
ラツプとしての価値を低下させるので、本発明の
鋼は、不純物量を越えるコバルトの含有は通常避
けるべきである。さらに、鋼はバナジウムにくら
べて他の強力な炭化物生成物を含有しない。それ
故、ニオビウム、タンタル、チタンおよびアルミ
ニウムの全含有量は0.5％をこえるべきでなく、
望ましくは0.2％をこえず、適当なのは0.1％をこ
えるべきでない。 本発明による鋼のために達成された顕著な性質
は異なつた合金成分の間の有利な共同利用によ
る。まづ最初に、比較的高いバナジウム含有量、
バナジウムの含有に適応するモリブデンの含有
量、クロムの中位の含有量および炭素の適当な含
有量が高い高温強度のみならず良好な焼戻抵抗を
促進する。 この明細書において、バナジウムおよびモリブ
デン含有量の互の適応はＶ％、Mo％の比率が0.4
−0.8望ましくは0.5−0.7であるべきであることを
意味する。これらの条件のもとで、焼戻炭化物は
非常に高い安定性を示す。同時に、実現性は結晶
粒成長を減少する形式の粒子の量を増加すること
による硬化手順の間に微細なオーステナイト結晶
粒を得るために、改良される。これは交互に良好
な高温延性を提供する。この発明を特徴づける合
金成分の相互作用を通して、それ故、硬化および
焼戻条件における鋼は微細な結晶レースマルテン
サイトあるいは部分的ベイナイト顕微鏡組織を有
し、その組織はパーライトがなくまた基本的に残
留オーステナイトがなく、また炭化物の非常に微
細な分散した結晶粒界沈着を含有し、その中でバ
ナジウム炭化物は支配的な炭化物相である。ここ
で“微細結晶粒”はグレンサイズがASTM−ス
ケールによるグレンサイズ７より小さいことを意
味する。焼戻マルテンサイト中のバナジウム炭化
物は最大0.1μmの直径を有する。軟化焼鈍条件に
おいて鋼は球状バナジウム炭化物を含有するフエ
ライト組織を有する。 1050℃で1/2時間油焼入、それから700℃および
750℃で２度焼鈍（１時間＋１時間）後、本発明
による鋼は室温において２つの温度に対し、それ
ぞれ約375および300HV10の硬さを達成した
（HV＝ヴイツカース硬度）。約175N／ｍm²の降
伏点が達成された。 実施された実験上の以下の報告において、達成
された結果を示すグラフ形式の添付図面が参照さ
れる。 下記物質中の重量％の合金成分の含有量は第１
表に示され、残余は鉄およびこの形式の鋼に対す
る通常の不純物含有量である。

【表】 鋼番号１，３および４は比較した合金であり、
一方鋼番号２はドイツベルクストフ番号12367に
相当する商品鋼である。鋼番号４は本発明による
組成を有し、しかしながらマンガンの含有量は望
ましい範囲より幾分高い。 研究された材質から18mm厚さの平棒が鍛造およ
び圧延によつて作られた。その棒はそれから865
℃／５時間軟化焼鈍され、その後600℃迄７℃／
hrsで制御冷却され、そして室温へ最終空気冷却
された。軟化焼鈍された鋼の組成は全部、変化し
た炭化物の量および形を伴なつたフエライトであ
つた。本発明の鋼番号４において、支配的な炭化
物相は球形バナジウム炭化物であつた。 圧延棒から試験材は1020℃／20分にてオーステ
ナイト化された。その後試験材は800，750，700，
650および600℃の炉に移された。保持時間は５，
10，30，60および120分であつた。等温処理後、
試験材は室温に油中で冷却された。鋼番号２以
外、どの試験条件でもパーライト生成は得られな
かつた。鋼番号２では、パーライト生成の開始が
認められた。鋼がパーライト生成をおこすことな
しに冷却されることができる最低速度は鋼の硬化
能における尺度である。かくして硬化能は鋼番号
２より鋼番号１，３および４がよりよいというこ
とが言明できる。硬化能は実質的に炭素含有量お
よび他の合金による。研究された材質に用いられ
たすべての合金成分はコバルト以外はパーライト
生成を遅くさせる。鋼番号１，２および４の結晶
粒度は大略等しかつたが、しかし結果粒度のひど
い粗大化は鋼番号３において発生した。継続実験
は、他のもの中で熱疲労に対する抵抗における臨
界衝撃を有する材料の性質を比較することをねら
つた。それ故この点における影響をもつために決
定された下記の性質は発見された結果の下記の報
告中に含まれ、その結果は、しかし、解説あるい
は理論的根拠によつて固めらることなく、しかし
改良された性質を発揮する現実結果において初歩
的に確かめる。 −焼戻に対する抵抗 −高温における降伏点 靫性、高温延性 高温における異つた焼戻処理後の室温における
硬さは、比較のための、焼戻に対する抵抗におけ
るよい尺度である。それ故、軟化焼鈍試験材はオ
ーステナイト化温度1050℃／1/2時間から、油中
に焼入され、それから、550および750℃の間の温
度範囲において２回焼戻（１時間＋１時間）され
た。結果は第１図中の曲線により示される。曲線
は鋼番号１および４が全焼戻後近似の硬さを有す
ることを示す。鋼番号３は650℃以上の焼戻温度
において鋼番号１および４より同等かあるいは幾
らか低めの硬さを有する。しかし、低めの温度に
おいて、鋼番号３の硬さはより高かつた。鋼番号
２のための焼戻曲線は他の鋼の曲線から離れてお
り、それにともなつて硬さは550−600℃において
の焼戻後は高く（他の鋼より）、しかし、高温に
おける焼鈍後は低い（他の鋼の硬さより）。鋼番
号２の低い硬さは、焼戻時のバナジウム炭化物の
前にクロム炭化物の沈澱を助ける鋼のより高いク
ロム含有量にたいし部分的に帰することができ
る。焼戻しない条件において鋼番号１および４は
鋼番号２および３より低い硬さを有する。この理
由は後者の鋼の炭化物は低い炭化物安定性のため
オーステナイト化においてより容易に溶解するこ
とであつた。さらに硬化後より高い硬さを発生
し、この効果はまた550および600℃の低温度にお
けるこれら鋼を焼戻し後より高い硬さを発生す
る。要するに試験した鋼の中で、鋼番号１および
４は600−650℃以上の温度において最良の焼戻抵
抗を有する。 引張試験が室温および500，600，650，700およ
び750℃で実施された。試験材は1050℃1/2時間に
おいてオーステナイト化され、油中焼入され、硬
さ47HRCに焼戻されることにより硬化された。
引張試験からの結果は第２回の曲線により示され
る。 第２図の曲線から明らかであるごとく、鋼番号
１および４はおおよそ等しい室温および昇温時の
降伏点を有する。鋼番号３および特に鋼番号２は
明らかに全試験点において低い価を有する。鋼番
号１および４の昇温時における高い降伏点の理由
は、これら合金組成が高温操作において微細な分
散したバナジウム炭化物の沈澱を促進するという
事によるものであると想像される。これは昇温時
の高降伏点のためにみられる焼戻しに対する良好
な抵抗のために好都合であり、それは微細な分散
したバナジウム炭化物が有効で温度に安定な分散
硬化をもたらすからである。それ故結論は昇温時
の最良強さは鋼番号１および４により達成される
が、しかし昇温した温度における等しい高降伏点
は本発明による鋼番号４および鋼番号１に対し到
達されることは注目すべきことであり、たとえ後
者の鋼が高温性質に対する寄与に対して知られた
高価な合金成分であるコバルトの高い含有量を有
していてもである。 高温引張試験における破面の面積の減少は鋼の
靭性あるいは高温延性の通常の尺度である。第３
図において、４種の鋼の高温引張試験における断
面収縮が曲線の形で示された。この曲線から鋼番
号３の断面収縮が他の鋼のそれより顕著に相違し
ていることの結果を引き出すことが可能で、それ
は室温および500および600℃にて非常に低い値を
有している。本発明による鋼である鋼番号４は約
600℃以下で最もよい値を有する。高温において
曲線はこれらは互に単に非常にわずかに離れてい
るように集中している。鋼番号３の低位の高温延
性はこの鋼の粗い結晶粒がその主な原因であると
考えられ、交互に鋼の低クロムおよび低バナジウ
ム含有量におそらく原因しているものである。結
果として、炭化物の大部分は、炭化物粒子が結晶
粒成長抑止剤として働くことがないように、オー
ステナイト化において解決する。組織試験は微細
なオーステナイト結晶粒が延性の観点から望まし
く、また、バナジウムの含有およびバナジウム含
有と調和するモリブテンの含有とは結晶成長にお
ける重要な効果を有することを示す。 この明細書における効果を有することを示す。 この明細書における部分的ベイナイトとは、与
えられた視野中に観察された顕微鏡組織の通常は
25％以下極端な場合約50％以下で残部が細かいマ
ルテンサイト組織であるベイナイト顕微鏡組織で
あることを意味する。バナジウム炭化物およびそ
れらの直径はトランスミツシヨン電子顕微鏡試験
による最大直径として測定された。本明細書にお
いて使用された用語「R_p0.2」は前に使用された
σ0.2に相当する0.2％オフセツト応力として国際
的に標準化された符号である。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度に対する硬度の各鋼の曲線として
画かれた調査した鋼の焼戻の図表（１時間＋１時
間）、第２図は最初の硬さが47HRC（HRC＝ロツ
クウエル硬度Ｃ）であつた異つた温度において測
定された降伏点（降伏強さ）を示す第１図におい
て示された同じ鋼の図表、第３図は最初の硬さが
47HRCである異つた温度における第１図中の鋼
の断面収縮の図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 特に600℃以上の温度において使用される高
   温作業工具鋼において、化学成分が重量パーセン
   トでC0.30−0.45％、Si0.20−1.0％、Mn0.3−2.0
   ％、Cr2.0−3.5％、Mo1.5−2.5％、V0.8−1.5％、
   B0.001−0.005％、残部Feおよび通常の不純物よ
   りなることを特徴とする高温作業鋼。 ２ 重量パーセントで、0.35−0.45C，0.2−
   1.0Si，0.3−1.5Mn，2.2−3.0Cr，1.7−2.3Mo，
   1.0−1.4V，0.001−0.005Bの含有量であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温作業
   鋼。 ３ 重量パーセントで、0.37−0.43C，0.2−
   1.0Si，0.3−1.0Mn，2.4−2.8Cr，1.8−2.2Mo，
   1.1−1.3V，0.001−0.005Bの含有量であることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の高温作業
   鋼。 ４ ％Ｖ／％Moの比率が0.4と0.8の間にあるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温
   作業鋼。 ５ ％Ｖ／％Moの比率が0.5と0.7の間にあるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温
   作業鋼。 ６ 結晶寸法がASTM−スケールによる結晶寸
   法７より小さく、またバナジウム炭化物は基本的
   に0.1μmをこえない断面平均直径を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温作業
   鋼。 ７ 鋼が軟化焼鈍された条件において、支配的な
   酸化物相として円形のバナジウム炭化物を含有す
   るフエライト組成を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の高温作業鋼。