JPH0578786A

JPH0578786A - 沈澱硬化性のオーステナイト系高温加工スチールおよびそれを処理する方法

Info

Publication number: JPH0578786A
Application number: JP4058745A
Authority: JP
Inventors: Lars-Ake Norstroem; ノルストレームラールス−オケ; Odd Sandberg; サンドベルグオツド
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1991-02-13
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1993-03-30
Also published as: SE467929B; DE69201981T2; ATE121141T1; DE69201981D1; CA2059853A1; ES2072080T3; SE9100424L; SE9100424D0; EP0499298A1; EP0499298B1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、約 700゜Cの温度で高い高温降伏強
度、優れた焼き戻し耐性および良好な高温延性（靱性）
を有する沈澱硬化性のオ−ステナイト系高温加工スチ−
ルを得ることを目的とする。【構成】このスチ−ルは重量パ−セントで以下の組成
を有する： C 0.35 - 0.60 Si 最高 1 Mn 9 - 17 Cr 2 - 8 Ni 最高 2 Mo 1 - 4 （一部または全量を二倍量（重量
パ−セント）の W で置き換えることができる。） V 1.2 - 1.8 B 0.00I - 0.020 （残りは実質的に Feならびに通常量の不純物類および
微量元素類）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、約 700゜Cの温度で高い
熱降伏強度、優れた焼き戻し耐性および優れた熱延性
（靱性）を有する沈澱硬化性のオ−ステナイトス系高熱
加工スチ−ルに関する。本発明はまたこのようなスチ−
ルの処理法に関する。

【０００２】

【従来の技術】銅、黄銅および鉄鋼を、例えば押し出
し、加圧鍛造等の熱成形を行う場合に成形工具は極めて
高い温度および大きな機械的荷重を受ける。成形すべき
未加工物を一般には前もって約 700゜Cの温度に加熱する
ので被加工物と接触する加工工具の表面は約 700゜Cの温
度に達することもある。そこで工具の寿命は著しく限ら
れることとなり、このことは重要な技術的、経済的問題
を意味している。工具の寿命は通常は以下の損傷のいず
れかの発生により限定をうけ、工具を廃棄することにな
る。

【０００３】高温摩耗塑性変形亀裂／破裂したがって工具に起こりうる損傷は、解決が難しい材料
の技術的問題からなるので、工具材料の性質は工具寿命
にとり意義のある重要なこととなる。

【０００４】重大な損傷要因に対し最高の耐性を得よう
とするのなら、主に工具材料の以下の性質が決定的なも
のとなる。

【０００５】高温降伏強度（高温硬度）焼き戻しに対する耐性高温延性／靱性これらの性質は約 700゜Cの温度で最高値であらねばなら
ない。特に、高温降伏強度および焼き戻し耐性（高温で
時間依存性の軟化に抵抗する性能）が決定的に重要とな
る。

【０００６】現在、これら工具として一部ではタイプ A
ISI H13( Cが約 0.40%、Siが1.0%、Mnが 0.5%、Crが 5
%、Moが 1.3%、Vが 0.9%)等の従来のマルテンサイト系
高温加工スチ−ルが使用されている。これらのスチ−ル
グレ−ドは優れた延性／靱性は有するが、問題の温度
（約 700゜C）ではあいにくと高温強度および焼き戻し耐
性が不十分である。したがって、これら工具の寿命は主
に高温摩耗および塑性変形に関しそれぞれ余りにも短
い。

【０００７】また、通常は金属間相の方法により硬化し
た沈澱である高度合金化金属材であるいわゆる超合金も
次第に使用されている。これらの材料は、確かに多くの
場合に極めて高い高温強度および焼き戻し耐性を有し、
工具寿命は極めて満足するものである。しかし超合金使
用の欠点は、それらの化学的組成および十分に大きな寸
法で得る困難さ（製造する困難さ）により極めて高価で
ある点にある。この点に関連して使用される超合金の例
を挙げると、例えば鉄をベ−スとする合金 A 286( C が
約 0.04%、Crが15%、Niが26%、Moが1.3%、Tiが2.0%、Al
が0.2% )およびニッケルをベ−スとする合金レーネ( Re
ne )41( C が約0.1%、Crが19%、Niが55%、Coが11%、Mo
が10%、Tiが3%、Alが1.5% )である。

【０００８】また最近になり、この分野のより小型の工
具にセラミック材が次第に使用されるようになってい
る。セラミック材は極めて優れた高温強度および焼き戻
し耐性を有する。しかし今までに入手できたセラミック
材では、それらが極めて脆いので亀裂形成／破裂により
容易に工具が破断する問題がある。またそれらは非常に
高価であり、その加工も難しいので非常に費用がかかる
工具となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以下
の性質を兼ね備え、銅、黄銅およびスチ−ルを高温成形
するのに使用する工具用のスチ−ル材を提示することで
ある。

【００１０】このスチ−ルは、決定的特質（高い高温降
伏強度、優れた焼き戻し耐性および良好な高温延性／靱
性）を兼ね備えている。高温降伏強度および焼き戻し耐
性は、従来のマルテンサイト系高温加工スチ−ルが到達
できるそれらより優れる。どちらかといえば独占的な超
合金により到達できると同じ部類に入る。このスチ−ル
は高価合金元素の含有量が低いので、合金の価格は超合
金の価格より遥かに低くなる。価格はむしろ従来のマル
テンサイト系高温加工スチ−ルに比較でき、この点より
安価な工具材とみなせる。

【００１１】このスチ−ルは、従来の工具スチ−ル材用
に設計した加工／方法を使用し、好結果で、また十分大
きな寸法に加工（溶融、鍛造／製棒および熱処理等）で
きる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による上記した特
徴を有するスチ−ル材は、沈澱硬化性のオ−ステナイト
系合金であり、以下の組成範囲（重量パ−セント）を有
す： C 0.35 - 0.60 Si 最高 1 Mn 9 - 17 Cr 2 - 8 Ni 最高 2 MO 1 - 4 （一部または全量を二倍量（重量
パ−セント）の W で置き換えることができる。） V 1.2 - 1.8 B 0.00I - 0.020 （残りは実質的に Fe、不純物および微量元素であ
る）、このスチ−ルの技術的特色は以下のように簡潔に
記すことができる。1100 - 1200゜C の温度範囲で溶液熱
処理を行い次いで室温まで冷却して、オ−ステナイトか
らなるマトリックスおよび約 25 HRC の硬度を得る。

【００１３】650 - 750゜C の温度範囲で熟成処理を行
い、沈澱硬化により硬度を約 45 HRCより越えぬ硬度ま
で増加できる。マトリックスは熟成工程および室温まで
の冷却を経由した後もオ−ステナイト性である。

【００１４】硬度増加として測定した約 20 HRC にも達
する強力な沈澱硬化効果は、熟成の間の微細に分散した
耐熱性の MC 材（炭化バナジウム）の粒子内沈澱により
得られる。

【００１５】このスチ−ルは、その沈澱硬化条件下で比
較的優れた延性／靱性と共に、きわだった高温強度およ
び焼き戻し耐性を保有する。

【００１６】

【作用】バランスのとれた量の合金元素の特異な組合せ
により、本スチ−ル材は最適の特色が与えられる。上記
した合金元素それぞれの重要性を、ここで簡単に記すが
特に優先順位があるのではない。

【００１７】炭素とバナジウムは結合して沈澱硬化相炭
化バナジウム( MC)の主成分を構成する。沈澱硬化の効
果は、溶液熱処理後に溶液に存在する炭素とバナジウム
の量で決まる。有効な硬化の効果を得るには、少なくと
も約 0.35 、好ましくは少なくとも 0.4% の炭素が必要
である。しかしこの種のスチ−ルを溶液熱処理する場合
に、約 0.6% 以上の炭素を溶解することはできない。余
剰の炭素は、溶解炭化バナジウムではない形態で残り、
これはスチ−ルの延性／靱性を減じ望ましいことではな
い。このことより本発明によるスチ−ルでは、炭素含有
は0.35 - 0.60%であるべきであり、最適の炭素含有は
0.4 - 0.5%炭素の範囲である。

【００１８】本発明によれば、ケイ素は必要な合金元素
ではないが、スチ−ル製造の際脱酸化を行った場合に通
常となる量は使用することができる。しかしケイ素はオ
−ステナイト中の炭素活性を誘発する。これは溶液熱処
理の間にケイ素は炭化バナジウムの必要な溶液に反作用
することを意味する。したがって、本発明によればケイ
素含有量は最大 1%に限られる。

【００１９】マンガンは強力なオ−ステナイト安定化元
素であり、本発明によればいずれの温度でもスチ−ルを
オ−ステナイト性にするのに使用する。我々の発見で
は、このためには少なくとも約 9%、好ましくは少なく
とも10%のマンガンが必要である。またマンガンはオ−
ステナイト中の炭素活性を低下させるので、溶液熱処理
の間の炭化バナジウム溶液を同時に改良する。しかしマ
ンガン含有量が高いとスチ−ル製造のさい、ある種の金
相学的複雑化が起きるので、含有量が高過ぎると不要の
問題を生じ価格高となる。したがって、マンガン含有量
は 17%を越えない、好ましくは 15%を越えない量に限ら
れ、最適マンガン含有量は10.5 - 13%の範囲である。

【００２０】クロムとマンガンはオ−ステナイト安定化
および炭素活性化に対し類似した効果をしめす。またク
ロムは望ましい方向にスチ−ルの酸化抵抗を改良する。
そこで、少なくとも 2%のクロム、好ましくは 3%のクロ
ムをスチ−ルに加える必要がある。しかし 10%以上のク
ロム含有量を使用すると、クロムは熟成処理の間に望ま
しくない程度まで炭化クロムの生成を開始する。このも
のは炭化バナジウムからの沈澱硬化にとり好ましくない
効果を示す。したがって、本発明によるスチ−ルのクロ
ム含有量は適合するのは8%を越えぬ量、好ましくは7%を
越えぬ量であり、最適クロム含有量は4 -6%クロムの範
囲である。

【００２１】ニッケルは、マンガンと同様に強力なオ−
ステナイト安定化元素であるのでスチ−ル中のマンガン
を一部置き換えてもよい。しかしケイ素と同様に、ニッ
ケルはオ−ステナイトの炭素活性を誘発して溶液処理を
阻害することになる。そこでニッケルはこの点より望ま
しい合金元素とはいえず、本発明によればニッケル含有
量は 2%を越えない、好ましくは 0.5%を越えない量に限
られる。好ましくはスチ−ルは、避け難い微量元素にと
り標準である量のニッケルしか含有すべきでない。

【００２２】モリブデンは、過熟成の間に炭化バナジウ
ムの劣化を遅延させスチ−ルの焼き戻し耐性を改良す
る。またモリブデンは、部分的に溶液硬化に対する寄与
により高温降伏強度の実質的増大をもたらす。したがっ
て、モリブデンは1%以上の量を使用すべきである。飽和
傾向が現れる約4%までは、モリブデンの量が、増加する
とこの効果は増大する。したがって、モリブデンは 1か
ら4%の量使用すべきであり、最適の含有量は2 - 3%の範
囲となる。

【００２３】タングステンの原子量はモリブデンのそれ
の２倍大きいがタングステンとモリブデンは非常に類似
しており、重量パ−セントで２倍量のタングステンを添
加すると同様な効果が得られる、と考えるのは理にかな
っている。それ故、モリブデンの全量または一部を重量
パ−セントで２倍量のタングステンで置き換えることが
可能かもしれない。しかし製造技術的、スクラップ取扱
技術的およびその結果としての経済的の各理由から、ス
チ−ル中のモリブデン全てをタングステンにより置き換
えるべきでない。したがって、スチ−ルの好ましい組成
物中のタングステン含有量はただ不純物レベルである。

【００２４】バナジウムは沈澱硬化相の炭化バナジウム
( MC )の主成分である。したがって、この物質は本発明
による鍵となる元素であり、目下の炭素含有量が使用さ
れる場合には、正当に有効な硬化効果を得るには少なく
とも約1.2%のバナジウムが必要である。しかしバナジウ
ム含有量が高過ぎると必要な炭化バナジウム溶液を溶液
処理の間に阻害するので、スチ−ルに含まれるバナジウ
ムは1.8%を越えない量であらねばならない。最適なバナ
ジウム含有量は1.3 - 1.7%の範囲にある。

【００２５】上に記したように、優れた高温延性／靱性
が対象とする工具の応用にとり第一に重要なことであ
る。この種の沈澱硬化オ−ステナイト系スチ−ルの延性
／強さについて云えば、ミクロ構造の弱い連結がオ−ス
テナイトの粒界の靱性（凝集）のもとである。粒界は通
常は粒子の内部より弱いので、破裂は粒界に沿って起こ
り易く、延性／靱性を低下することになる。このような
状態は主に、好ましい微細分散した粒子内炭化バナジウ
ムと組み合って、好ましくない粒界炭化物（例えば M₂₃
C₆、M は Cr,Mo,MnおよびFe）の熟成の間の沈澱に左右
される。これらの粒界炭化物はそれらの凝集を低下し粒
界を脆くする。

【００２６】このことに関連し、ホウ素はミクロ合金成
分として極めて重要となる。ホウ素を添加すると、スチ
−ル中のホウ素の溶解度が非常に低いので、ホウ素は主
に最後にはオ−ステナイト粒界になる。このようにホウ
素は粒界の状況を顕著に変え、また粒界炭化物沈澱の条
件を変える。この種のスチ−ルでは、ホウ素の添加によ
り、得られる粒界炭化物の量およびそれらのスチ−ルを
脆くする性能は明らかに低下するが、これは高温延性／
靱性にとり極めて重要なこととなる（ 700゜Cの引っ張り
試験機で断面収縮係数が２倍）。極く僅かのホウ素添加
（千分の数パ−セント）でスチ−ルの粒界を充たすのに
十分であり、その結果十分な効果を生ずる。したがっ
て、本発明によるスチ−ルは少なくとも0.001%のホウ素
を含有すればよいが、確実に望ましい効果を得るために
ホウ素の量は少なくとも0.003%であらねばならない。し
かしホウ素の量が多過ぎるとスチ−ルの加工（鍛造／圧
延）に関連して不利な容易に溶融するホウ化物相を生ず
ることもある。そこでホウ素の量は 0.020%、好ましく
は、0.015% を越えない量である必要がある。

【００２７】

【実施例】表1のスチ−ル No. 1-5の 50Kg程度を実験室
規模で注入した。予備実験室試験の結果、特色を有する
最良の組合せはスチ−ル No.2、4および5 で得られた。
この結果から開始し、次に列記した組成（残量は鉄、不
純物および通常量の微量元素）の6トン製造規模の注入
を行った。

【００２８】 C Si Mn Cr Mo V B 0.45 0.5 12.0 5.0 2.5 1.5 0.009 実質の組成を表1のスチ−ルNo.6に示す。

【００２９】

【表１】表1 製造したスチ−ルの重量パ−セントの化学的組成（残量は主に鉄）スチールNo. C Si Mn P S Cr Ni Mo V Cu N B 1 .44 .46 9.6 .007 .007 5.54 6.0 2.55 1.49 .03 .022 .008 2 .45 .51 11.1 .008 .006 5.68 .04 2.55 1.35 .03 .022 .008 3 .45 1.00 15.8 .010 .007 11.3 .07 2.03 1.65 .02 .025 .009 4 .44 .049 12.5 .008 .006 5.59 .04 2.50 1.51 .02 n.a. .009 5 .44 .45 12.3 .008 .006 5.46 .04 2.60 1.75 .02 n.a. .009 6 .45 .52 11.8 .017 .008 5.14 .17 2.45 1.50 - .047 .008 スチ−ルNo.6から作製した鋳造品を、製造条件に類似し
た条件下に鍛造、圧延した。結果は、30 mmから 150 mm
直径の各種の棒寸法まで優れていた。このことは、この
スチ−ルが、ある寸法範囲内で従来のスチ−ル製造法を
使用して得られることを明瞭に示している。これは意図
した用途に適合している。

【００３０】鍛造した棒の実験室試験（ミクロ構造検
査、強度試験、高温引き抜き試験および衝撃強度試験）
の典型的結果を以下に挙げた。

【００３１】溶液処理条件、1150゜C - 1h- 水硬度： 240 HB ミクロ構造：不溶の MC-型の炭化物の一定量を有す
オ−ステナイト熟成条件、 700゜C - 12h - 空気硬度： 45 HRC ミクロ構造：僅かの粒界炭化物沈澱および粒内炭化バ
ナジウム（MC）の微細分散が加わる以外は上記と同一衝撃強度：室温で 12ジュ−ルシャルピー値（Charpy V）：700゜Cで 25ジュ−ル 700゜Cの高温強度： R_P0.2 Rm A₅ Z (MPa) (MPa) (%) (%) 660 740 8 37 対比するマルテンサイト高温加工スチ−ルの AISI H13
ならびに超合金 A286および Rene 41の 700゜Cの高温降
伏強度の値（R_P0.2）は、概略それぞれ 150 MPa、550 M
Paおよび 850 MPaであることを特記する必要がある。

【００３２】即ち、得られた結果は、本発明によるスチ
−ルは、高温強度、焼き戻し耐性および高温延性（靱
性）の組合せに対して極めて魅力があることをしめして
いる。黄銅製の湾曲管の高温押し出し用マンドレル（60
mm直径×200mm）の工具材として、このスチ−ルを試験
する二分野試験を実施した。このようなマンドレルに
は、マンドレルは押し出される高温黄銅材との接触時間
が長びくことにより、高温および機械的大荷重を受ける
ので技術的に困難な材料問題が介在する。マンドレルは
早い遅いはあるが塑性的に変形（曲がる）されるので、
その寿命は事実上限定され、この点より寿命が高温押し
出しの際の生産を決定する要因となる。つまりこの応用
が、本スチ−ルの用途として予定する典型例である。試
験の一つには比較的容易に押し出される黄銅合金（CuZn
40Pb2）を使用し、もう一方の試験にはより押し出しが
困難な合金（CuZn36Pb2As）を使用した。上記したよう
なマンドレルには、普通はマルテンサイト系の高温加工
スチ−ルAISI H13が使用される。本発明による新規スチ
−ル材に加えて、二種の超合金、A 286およびRene 41な
らびに更に H13よりより高温強度を有し、この理由でこ
の種の応用にしばしば使用されるマルテンサイト系高温
加工スチ−ル、AISIH19の試験を行った。

【００３３】以下の結果が得られた。

【００３４】 CuZn40Pb2についての結果、約 700゜Cのブランク温度マンドレル材料硬度（HRC）マンドレル寿命（ショット数） AISI H13 47 650 AISI H19 48 1050 A 286 35 425 本発明によるスチール 44 2900 CuZn36Pb2Asについての結果、約 775゜Cのブランク温度マンドレル材料硬度（HRC）マンドレル寿命（ショット数） AISI H 13 47 200 Rene 41 41.5 200 本発明によるスチール 44 1700

【００３５】

【発明の効果】この結果によれば、本発明によるスチー
ルが典型的応用の範囲内の予備分野試験において極めて
満足する成果を生ずることが判る。より一般的な結論に
導くには確かに追加の分野試験が必要であるが、上記結
果は、このスチ−ルがマルテンサイト系高温加工スチ−
ルをはるかにしのぎ、さらに既存の超合金と直接対抗を
可能とする潜在力を有することを示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者オツドサンドベルグスウエーデン国エス−683 00 ハーグホルスカールストレームスヴエーグ３アー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量パ−セントで以下の組成から成り、
高い高温降伏強度、優れた焼き戻し耐性および約 700゜C
の温度で優れた延性（靱性）を有する沈澱硬化性のオ−
ステナイト系高温加工スチ−ル： C 0.35 - 0.60 Si 最高 1 Mn 9 - 17 Cr 2 - 8 Ni 最高 2 Mo 1 - 4 （一部または全量を二倍量（重量
パ−セント）の W で置き換えることができる。） V 1.2 - 1.8 B 0.00I - 0.020 （残りは実質的にFeならびに通常量の不純物類および微
量元素類。）
【請求項２】 0.4 から0.5%の Cを含有することから成
る請求項１に記載のスチ−ル
【請求項３】 10から 15%のMnを含有することから成る
請求項１に記載のスチ−ル
【請求項４】 10.5から 13%のMnを含有することから成
る請求項３に記載のスチ−ル
【請求項５】 3 から7%のCr、好ましくは 4から 6％の
Crを含有することから成る請求項１に記載のスチ−ル
【請求項６】 2 から3%のMoを含有することから成る請
求項１に記載のスチ−ル
【請求項７】 1.3 から1.7%の Vを含有することから成
る請求項１に記載のスチ−ル
【請求項８】 0.003 から0.015%の Bを含有することか
ら成る請求項１に記載のスチ−ル
【請求項９】以下の化学的組成から成る請求項１から
８のいずれかに記載のスチ−ル： C 0.42 - 0.48 Si 0.1 - 0.8 Mn 11.6 - 12.4 Cr 4.5 - 5.5 Ni 最高 0.5 Mo 2.2 - 2.8 V 1.2 - 1.6 B 0.003 - 0.015 （残りはFe、不純物類および微量元素）
【請求項１０】重量パ−セントで以下の化学組成： C 0.35 - 0.60 Si 最高 1 Mn 9 - 17 Cr 2 - 8 Ni 最高 2 Mo 1 - 4 （一部または全量を二倍量（重量
パーセント）の W で置き換えることができる。） V 1.2 - 1.8 B 0.00I - 0.020 （残りは実質的に Feならびに通常量の不純物類および
微量元素類）,から成るスチ−ルを処理し、そのスチ−
ルの工具を製造する方法であって、スチ−ルを鍛造およ
び、または高温圧廷して棒又はブロックとし、好ましく
はオーステナイト粒界中に存在するそのスチールのホウ
素含有量が、ホウ素の存在により延性に好ましくない粒
界炭化物沈澱を防害する量存在すること、鍛造および、
または高温圧延されたスチ−ルを 1100 - 1200゜Cの温度
範囲で溶液処理し、室温まで冷却し、そのスチ−ルがオ
−ステナイトマトリックスを保持し、最大 30 HRCの硬
度が得られること、この溶液処理したスチ−ルから工具
を切断成形により少なくともほぼ仕上げ状態で製作する
こと、およびこの工具を 650 - 750゜Cの温度範囲で熟成
処理し、なおオ−ステナイト系であるマトリックス中の
炭化バナジウムの微細に分散した耐熱性の粒内沈澱を
得、硬度が沈澱硬化により 40 HRC以上に増加している
こと、を特徴とするスチ−ルを処理しそのスチ−ルの工
具を製造する方法。