JPH10510884A - 粉末冶金熱間加工鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 重量％で、炭素0.25-0.45、クローム2.40−4.25、モリブデン2.50−4.40、バナジウム0.20−0.95、コバルト2.10−3.90、シリコン0.10−0.80、マンガン0.15−0.65を含み、残部が鉄と製造工程からの不純物からなる粉末冶金法により製造された熱間加工鋼。上述した組成の粉末チャージは熱間静水圧プレス中で高い固め圧力と高い固め温度に同時に晒される。

Description

【発明の詳細な説明】 粉末冶金熱間加工鋼及びその製造方法 技術分野 同一の化学組成では、粉末冶金で製造された鋼は溶解冶金で製造された鋼より も優れた特性を有していることが古くから知られている。特に、粉末冶金で製造 された鋼は、全ての寸法領域においてその全横断面で同一の顕微鏡組織を有して いるという特性により特徴付けられる。故に、全横断面に渡り機械的特性は実質 上同一である。 熱間加工鋼Ｘ40ＣｒＭｏＶ51は、熱間静水圧プレス成型による粉末冶金プロセ スで製造されていることが知られている。鉄冶金の古記録５５（1984），ページ 169−176 から得られるように、前記熱間加工鋼は0.37〜0.41％のカーボンと1. 0 〜1.07％のシリコンと、0.38〜0.42％のマンガンと、5.3 〜 5.5％のクローム と、1.37〜1.41％のモリブデンと、 1.0 〜1.27％のバナジウムと、微量の窒素 、酸素、硫黄及びリンを含んでいる。 溶融金属から窒素噴霧（窒素アトマイゼーション）により製造された上述した 組成の粉末は、閉鎖される前に10^-4ミリバール以下の真空に排気された鋼のカプ セル中で固められる。この固めは10 75℃〜1225℃の温度において行われる。 上述した粉末冶金により製造された熱間加工鋼は適当な固さを有しているが、 良好な焼き戻し特性の欠如及び温度変化によりクラックが入り易いので、プレス 加工マンドレル、プレス加工金型、押し出し成型用容器、熱間押し出し成型工具 、中空体を形成する工具、スクリュー、ナット、リベット及びボルト製品用工具 、ダイカスト工具、形状部品のプレス金型、金型挿入物あるいは熱間剪断ブレー ド等の高い応力を有する熱間加工工具には向いていない。即ち、この鋼の安定性 は高い応力を有する熱間加工工具の場合には十分ではない。 よって本発明の目的は、十分な靱性を有すると共に、高い熱間硬さ、特に、温 度変化により引き起こされるクラックに対する高い耐性を有する粉末冶金で製造 された熱間加工鋼を提供することである。より詳細には、本発明の目的はプレス 加工マンドレル、プレス加工金型及び容器の押し出し成型プロセスに使用するの に適した、更に特に大きな寸法の鍛圧機及びダイカスト金型に使用するのに適し た粉末冶金で製造された熱間加工鋼を提供することである。 更に、本発明の他の目的は改良された粉末冶金で製造された熱間加工鋼の製造 方法を提供するこ とである。 製造された鋼については、この目的は本願の請求項１により達成される。鋼の 製造方法については、この目的は本願の請求項５により達成される。 更に、本発明はプレス加工マンドレル、プレス加工金型、押し出し用容器、鍛 圧機及びダイカスト金型を製造するための物質として、粉末冶金で製造された熱 間加工鋼を使用することに関する。 本発明により達成される技術的進歩は、本発明の特別な固め方法により増強さ れるコバルト含有組成のために、従来のコバルトを含まない熱間加工鋼と実質上 同等な良好な熱間延性を有すると共に、それに加えて、高い熱間硬さ、及び焼き 割れに対して高い抵抗値を有する粉末冶金で製造された熱間加工鋼を提供するこ とである。 専門家の間では、熱間加工鋼中にコバルトを含有させることについて非常に強 い反対があった。より詳細には、合金にコバルトを添加することは粉末冶金で製 造された熱間加工鋼の靱性を改善しないこと、特に延性特性を改善しないことが 専門家の間で広く認められた考え方であった。 本発明の望ましい実施形態及び更なる発展が従属請求項中に指摘されている。 従来の粉末冶金製法及び本発明の粉末冶金製法の両方において、原料物質とし て高い値のスク ラップ及び合金鉄が採用される。しかし、従来方法においては粉末冶金により製 造された熱間加工鋼中でコバルトを除去していたが、本発明によるとコバルトが 含有されている。従来技術及び本発明の両方において、種合金は好ましくは誘導 炉中で溶解される。 スラグの含有量が正しい値になるまで、本発明の鋼を製造するために誘導熱制 御及び正確な温度制御が採用される。引き続いて、保護雰囲気（好ましくは高純 度窒素）中で、アトマイゼーションが実行される。この目的のために、用意され た粉末中での介在物が避けられるので、ＡＰＭカリダス（calidus）システムが 特に適していることが判明した。 従来の技術においては、電極の助けによりスラグのカバーを通して溶解物を加 熱することにより、高純度の溶解物を達成する努力がなされていた。 襲来の方法においては、溶解物は直接固められるべきカプセル中に噴霧される ため、望ましくない介在物を含む危険性が増大する。 本発明の鋼の製造中においては、最終製品が最大の収率でその目的形状を与え られるように設計されたカプセル中に合金粉末が充填される。よって、本発明に よると、少なくとも相当程度の望ましい形状の製品を提供するためのカプセルが 使用 される。 充填操作の後に、最大充填密度を達成するためにカプセルが振動される。この 方法により充填されたカプセルは引き続いてポンプにより真空排気され、次いで 気密封止される。 上述したように従来の方法においては、アトマイゼーションがカプセル中に直 接行われ、このカプセルは次いで気密に溶接される。従来技術においては、直径 465ｍｍで長さ1600ｍｍの標準サイズの唯１つのカプセルが基本的に使用される 。 従来方法においては、上述した方法により予備処理されたカプセルは、カプセ ル中に収容されている粉末チャージの熱導電性を改善するために、約 3.5キロバ ールの圧力で冷間静水圧プレス成型される。 望ましい熱導電特性が粉末チャージ中に与えられるように粉末チャージは振動 により高い充填密度を有しているので、このような冷間静水圧プレス成型は、本 発明による熱間加工鋼の製造には要求されない。 従来方法においては、上述したカプセルは過剰圧力を有しない予備加熱炉中で 熱間静水圧プレス加工の温度（ＨＩＰ温度）まで加熱され、次いで熱間プレス加 工設備に搬送される。粉末チャージの熱導電性が非常に低いので、従来の冷間プ レス 加工の後においても、予備加熱処理の開始時点において粉末チャージ中に急傾斜 の温度勾配が得られ、この温度勾配が酸素、硫黄及び炭素の偏析に繋がることに なる。このような過剰な程度の偏析はエッチングあるいは化学分析により確認さ れる。更に、急な温度傾斜はある種のカーバイドの成長を発生させる。 本発明の熱間加工鋼を製造するときには、既に述べたようにカプセルは予備加 熱されることなく、冷間プレス加工操作も必要ではない。 本発明の製造方法においては、カプセルは加圧されるのと同時に加熱される。 即ち、第１ステップにおいて圧縮アルゴンの助けにより加圧が約200 バールで実 行される。引き続いて、圧縮アルゴン供給コンプレッサの圧力を実質上一定レベ ルに維持しながら、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス加工）システム中で加熱が実行さ れる。温度が上昇すると、アルゴンコンプレッサの圧力を増加することなく、圧 力が連続的に上昇する。酸素、硫黄及び炭素が輸送される前に、粉末チャージは 比較的低温度の圧力下で固められる。その結果、本発明の熱間加工鋼は偏析とは 無縁である。 所期のＨＩＰ圧力が達成されると、圧力あるいは温度の更なる上昇は適当な制 御機構を採用することにより防止される。 ＨＩＰ温度は1000℃〜1200℃の間であり、1150℃の温度が好ましい。ＨＩＰ圧 力は 0.8〜 3.5キロバールの間であり、１キロバールのＨＩＰ圧力が現在のとこ ろ特に望ましいと判明している。 0.8キロバール以下の圧力では、物質が十分な程度固められず、ガスが残って いる穴中に捕獲される危険性がある。3.5キロバール以上のＨＩＰ圧力は現在の ＨＩＰ設備によっては可能であるが、その努力に見合うだけの品質の向上が見ら れない。 本発明の鋼の製造方法においては、望ましいＨＩＰ温度及び望ましいＨＩＰ圧 力での保持時間は少なくとも３時間である。この保持時間は小さな寸法を有する 製品に適用される。大きな寸法を有する製品は長い固め期間を必要とする。規則 として、従来方法は１時間の保持時間を採用していた。本発明の方法によると、 充填されたカプセルは高温及び高圧に同時に晒されるので、その結果として高密 度の均質物質が達成される。 従来の粉末冶金方法により製造された熱間加工鋼は、最終的な鍛造又は圧延処 理が必要である。加熱下で行われるこのような処理は、望ましくないカーバイド の成長に繋がり、加えて、望ましくないカーバイドの球状化に繋がる。 従来方法と対照的に、本発明により固められ製造された熱間加工鋼は、ブレス 加工後にカプセル から自由にされた状態で使用される。しかし、経済的な理由により、直径60ｍｍ 以下の本発明による丸い物質は平たく圧延されるかあるいは鍛造される。断面比 を有する平たい物質も同様である。 品質制御に関する限り、従来方法においては、粉末チャージを変形されたカプ セルから除去する前においては、例えば不純物の含有チェックはなされいないこ とに注意すべきである。これと対照的に、本発明の鋼物質は粉末状態において既 に重要な品質制御に晒されている。 本発明による粉末冶金方法により製造された熱間加工鋼は以下の組成を有して いる（重量％）。 炭素： 0.25−0.45 クローム： 2.40−4.25 モリブデン：2.50−4.40 バナジウム：0.20−0.95 コバルト： 2.10−3.90 シリコン： 0.10−0.80 マンガン： 0.15−0.65 残部は鉄と製造の結果発生された不純物である。純度Ｋ１が10μｍ未満が好ま しい。 本発明の鋼については、熱間成型温度は 900℃〜1100℃であり、軟焼きなまし 温度は 750℃〜 800℃であり、応力除去温度は 600℃〜 650℃であり、硬化温度 は1000℃〜1070℃である。硬化剤 として熱浴（500℃〜 550℃）中の油が好ましくは使用される。軟焼きなまし後 の固さＢＨはせいぜい 229である。硬化後のロックウェル硬度は52〜56（ＲＨＣ ）である。 本発明によるＰＭ（粉末冶金）熱間加工鋼は上昇温度において以下に示すよう な驚くべき良好な値を有している（標準値）。 １．熱抵抗 ２．熱間硬さ ３．数多くの温度に焼き戻し後の硬さ（RHC） ４．温度変化により引き起こされる耐疲労性 頻繁な温度変化の結果生じるクラックの発生に対する本発明の物質の抵抗は、 研究室において従来方法により決定される。物質は試験温度に周期的に加熱され 、乳濁液中において再び冷却される。引き続いて、所定長さ以上のクラックがカ ウントされる。この方法により決定された焼き割れ量（数）は、比較物質の挙動 に対する試験物質の挙動についての情報を提供する。 図１は本発明の物質及び６つの比較物質について得られたそのような焼き割れ 数調査についての結果である。 （ａ）試験温度 700℃で10³ の温度変化 （ｂ）試験温度 700℃で10⁴ の温度変化 （ｃ）試験温度750 ℃で10³ の温度変化 試験物質は焼き戻し後47ＲＨＣの強さを有していた。 比較物質はそれらの物質番号“鋼キー”で示されている。これらの比較物質は 溶解金属により製造された鋼である。最も好ましい、即ち最も低い焼き割れ数は 全ての試験条件（ａ）〜（ｃ）を通して本発明の熱間加工鋼により得られている 。物質番号 1.2365＋Ｃｏのコバルト含有比較鋼は、これら全て３つの試験条件 （ａ）〜（ｃ）において非常に増加された焼き割れ数を有している。試 験条件（ａ）については、比較物質番号 1.2365＋Ｃｏにより決定された値はほ とんど100％以上大きな値である。 ５．熱間延性 本発明物質の優れた熱間延性値が比較物質により決定された値と共に図２のグ ラフに示されている。本発明の物質は約 600℃〜約 800℃の試験温度領域におい て優れた局部伸びを示している。コバルトを含有している物質番号 1.2365＋Ｃ ｏの比較物質は熱間延性に関しては明らかに劣っている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 粉末冶金法により製造された熱間加工鋼であって、重量％で、 炭素： 0.25−0.45 クローム： 2.40−4.25 モリブデン：2.50−4.40 バナジウム：0.20−0.95 コバルト： 2.10−3.90 シリコン： 0.10−0.80 マンガン： 0.15−0.65 を含み、残部が鉄と製造工程の不純物から構成されることを特徴とする粉末冶金 法により製造された熱間加工鋼。 ２． 純度Ｋ１が１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の粉末冶 金法により製造された熱間加工鋼。 ３． 望ましい化学組成を有する溶解鋼を製造し、 高純度窒素雰囲気中で溶解鋼を噴霧し、 最終製品が最大の歩留りで所望形状となるように設計されたカプセル中に上記 ステップの結果得られた粉末を充填し； 充填されたカプセルを振動することにより最大充填密度を達成し； 充填カプセルを真空吸引して気密に封止し； 前記カプセルを熱間静水圧プレスに導入して、圧力 0.8〜 3.5キロバール及び 温度1000℃〜1230℃が達成されるまで前記カプセルを圧力と熱に同時に晒し； 少なくとも３時間の間圧力及び温度を保持する、 各ステップからなる方法により製造された請求項１又は２記載の粉末冶金法に より製造された熱間加工鋼。 ４． 粉末チャージは圧力１キロバールの熱間静水圧プレスに晒されることを 特徴とする請求項３記載の粉末冶金法により製造された熱間加工鋼。 ５． 炭素0.25−0.45％、クローム2.40−4.25％、モリブデン2.50−4.40％、 バナジウム0.20−0.95％、コバルト2.10−3.90％、シリコン0.10−0.80％、マン ガン0.15−0.65％を含み、残部が鉄と不可避の付随元素からなる溶解鋼を製造し 、 高純度窒素雰囲気中で溶解鋼を噴霧し、 最大の歩留りで最終製品が所望形状となるように設計されたカプセル中に前記 ステップで得られた粉末を充填し、 充填されたカプセルを振動して最大充填密度を達成し、 充填されたカプセルを真空吸引して気密封止し、 前記カプセルを熱間静水圧プレスに導入して、 0.8 〜 3.5キロバール、好ましくは１キロバールの圧力で同時に加圧しながら温 度が1000℃〜1230℃になるまでカプセルを加熱し、 選択された温度及び選択された圧力で少なくとも３時間の間前記チャージを保 持する、 各ステップから構成される熱間加工鋼の粉末冶金製造方法。 ６． 請求項１〜４の少なくとも１つ又は請求項５により製造された鋼を使用 して、プレス加工マンドレル、プレス加工金型、押し出し容器、鍛造プレス及び ダイカスト金型を製造する鋼の使用方法。