【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高ヤング率高疲労強度鋼の加工方法に係り、特に、そのような材料を熱間鍛造するときの鍛造金型の寿命を向上させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、高いヤング率を示すことにより剛性の向上が図られ、かつ、軽量コンパクト化に好適な剛性の向上が図られる高ヤング率高疲労強度鋼を提案した（特許文献１）。この鉄基合金は、Ｃ：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｎｉ：０．２５〜４．７５ｗｔ％、および適量のＷとＶを含むもので、ＭＣ型炭化物を析出させることにより高ヤング率高疲労強度を達成したものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３２７２５２４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高ヤング率高疲労強度鋼を用いて熱間鍛造を行ったところ、鍛造金型の寿命が短くなることが判明した。したがって、本発明は、高ヤング率高疲労強度鋼を用いて熱間鍛造を行うに際して、鍛造金型の寿命を向上させることができる高ヤング率高疲労強度鋼の加工方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、金型寿命の低下の原因として鉄基合金の高い炭素含有量に着目した。１．５以上の炭素含有量を有する鉄基合金は、熱間においても脆性が残っていることから、一般には熱間鍛造されることはまずありえない。しかしながら、上記高ヤング率高疲労強度鋼は、高ヤング率と高疲労強度を満足させるために固溶析出型の炭化物を用いている。このため、常温では炭素は殆どが炭化物となって基地組織は亜共析組織となる一方、熱間では、炭化物（Ｗ，Ｖ系）は基地組織に固溶され、基地組織は高炭素組成となる。
【０００６】
本発明者等の検討によれば、熱間で炭化物が被鍛造材の基地組織に固溶される結果、熱間加工性が向上する反面、基地組織の炭素が鍛造金型の材料と反応して脆弱なセメンタイトを析出する結果、鍛造金型の型彫り面に焼付きが生じることが判明した。
【０００７】
本発明の高ヤング率高疲労強度鋼の加工方法は上記知見に基づいてなされたもので、Ｃを１．５〜２．５重量％と、Ｗ、Ｖ等の硬質炭化物形成元素とを含む鉄基合金を鍛造金型によって熱間鍛造する高ヤング率高疲労強度鋼の加工方法において、鍛造金型の少なくとも型彫り面に、鉄基合金中のＣと鍛造金型の材料との反応を阻害する被覆層を被覆固着しまたは鍛造金型の表層部に形成したことを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、鍛造金型の型彫り面に被覆層が設けられているから、高ヤング率高疲労強度鋼の基地組織中のＣと鍛造金型の材料との反応が抑制される。したがって、高ヤング率高疲労強度鋼の熱間加工性が良好なことと相俟って金型寿命を大幅に向上させることができる。
【０００９】
なお、従来より熱間鍛造では鍛造金型の型彫り面に離型剤を吹き付けることが行われている。しかしながら、離型剤では、鍛造時の型彫り面と材料との摺接によって離型剤の膜が破れ、その結果、材料と型彫り面との接触は避けることができず、材料中のＣと鍛造金型の材料との反応を抑制することはできない。本発明の被覆層は、離型剤のような一時的な被覆とは異なり、型彫り面に被覆固着されるか、または、鍛造金型の表層部に形成されることにより、早期に剥離または摩滅することなく長期に亘って型彫り面に存在するものをいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について被覆層の構成を主体に説明する。
被覆層は、熱間鍛造温度で鉄基合金に含まれるＣと炭化物を形成しないかまたは炭化物を形成し難い材料であることが望ましい。この態様によれば、被覆層自体の耐久性を向上させることができるので、鍛造金型の寿命を大幅に向上させることができる。
【００１１】
１．Ｃと炭化物を形成しない材料
（１）被覆により固着するもの
Ｃと炭化物を形成しない材料としては、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＢＣなどの炭化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの酸化物、ＴｉＮ、ＢＮ、ＺｒＮなどの窒化物がある。これらの材料の粉末をバインダーや溶剤と混合してペースト状またはスラリー状とし、それを鍛造金型の型彫り面に塗布した後に焼付け乾燥して固着することができる。また、その際には、型彫り面に微細な凹凸を形成しておき、アンカー効果によって固着強度を高めることもできる。あるいは、ニッケルなどのメッキ浴に上記材料の粒子を分散させ、その粒子をメッキ材とともに鍛造金型に固着することもできる。
【００１２】
上記した材料は、溶射によって型彫り面に吹き付けて固着することもできる。また、真空蒸着やイオンプレーティングなどの手段を用いることもできる。あるいは、上記材料をプレート状に形成し、複数のプレートを型彫り面に接着やボルト締結等の手段で被覆固着することもできる。
【００１３】
Ｃと炭化物を形成しない他の材料としては、肉盛り用合金を用いることができる。肉盛り用合金は、金型などの摩耗した部分を肉盛りして補修するために用いられるもので、Ｃｏ基合金とＮｉ基合金が提供されている。Ｃｏ基合金としては、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ基合金としてはＮｉ−Ｃｒ合金があり、それらの成分を表１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
上記のような合金は、粉末やワイヤー等の形態で溶接により肉盛りに供される。溶接方法としては、ガス溶接、レーザ溶接、アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、プラズマアーク溶接などを用いることができる。
【００１６】
（２）鍛造金型の表層部に形成するもの
被覆層は、各種拡散浸透処理によって型彫り面の表層部に形成することができる。たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂを拡散させるアルミナイジング、チタナイジング、シリコナイジング、ボライディングなどがあり、このような拡散浸透処理により、例えばＡｌが鍛造金型の表層部に浸透し、表層部に固溶しているＣ、Ｏ、Ｎ等と反応する。そして、表層部にＣと反応しない炭化物等が分散し、鍛造金型の深部へのＣの浸透を阻止する。
【００１７】
２．Ｃと炭化物を形成する材料
（１）被覆により固着するもの
本発明の被覆層は、Ｃと炭化物を形成する材料であっても良い。そのような材料は、例えば亜鉛メッキの犠牲陽極と類似した機能を発揮して鍛造金型の材料とＣとの反応を抑制することができる。この場合において、被覆層がＣと反応して摩滅したら、被覆層を再度被覆して修復することができる。
【００１８】
Ｃと炭化物を形成する材料としては、ＷＣ、ＭｏＣ、Ｃｒ７Ｃ３、ＶＣなどの炭化物、Ｆｅ３Ｏ４、ＭｎＯ２、ＣｒＯ３などの酸化物、ＣｒＮ、Ｆｅ４Ｎ、Ｍｏ２Ｎなどの窒化物がある。これらの材料の粉末をバインダーや溶剤と混合してペースト状またはスラリー状とし、それを鍛造金型の型彫り面に塗布した後に焼付け乾燥して固着することができる。また、その際には、型彫り面に微細な凹凸を形成しておき、アンカー効果によって固着強度を高めることもできる。
【００１９】
上記した材料は、溶射によって型彫り面に吹き付けて固着することもできる。また、真空蒸着やイオンプレーティングなどの手段を用いることもできる。あるいは、上記材料をプレート状に形成し、複数のプレートを型彫り面に接着やボルト締結等の手段で被覆固着することもできる。あるいは、ニッケルなどのメッキ浴に上記材料の粒子を分散させ、その粒子をメッキ材とともに鍛造金型に固着することもできる。
【００２０】
Ｃと炭化物を形成する他の材料としては、肉盛り用合金を用いることができ、例えば表２に示す成分を有する低合金鉄鋼、高合金鉄鋼、ＷＣ基肉盛り用合金などを用いることができる。
【００２１】
【表２】
【００２２】
（２）鍛造金型の表層部に形成するもの
被覆層は、各種拡散浸透処理によって型彫り面の表層部に形成することができる。たとえば、Ｃｒを拡散させるクロマイジングがあり、このような拡散浸透処理により、上記した炭化物等の層を鍛造金型の表層部に形成することができる。この場合、被覆層では、例えばＣｒが鍛造金型の表層部に浸透し、表層部に固溶しているＣ、Ｏ、Ｎ等と反応する。そして、表層部にＣと反応する炭化物等が分散するため、被鍛造材中のＣが表層部で消費され、鍛造金型の深部へのＣの浸透を阻止する。
【００２３】
また、表層部の基地ではＣの固溶量が少なくなっているから、被鍛造材中のＣを固溶する容量が大きい。このため、表層部の基地中に固溶しているＣが飽和して脆弱なセメンタイトを析出するまでに長時間を要するから、鍛造金型の寿命が延長される。なお、この場合には、被覆層がＣと反応して摩滅した場合には修復することができない。
【００２４】
３．その他
鍛造金型の材料としては、例えば炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ）、高速度鋼（ＳＫＨ）等の工具用鋼を用いることができる。これらの工具用鋼に型彫り等の加工を行った後に熱処理を行い、型彫り面に上記した方法で被覆層を被覆固着する。なお、拡散浸透処理を行う場合には、鍛造金型の全面に被覆層が形成されるが、これは何ら問題はない。
【００２５】
被覆層の厚さは、真空蒸着およびメッキを用いる場合には１〜５０μｍが好ましい。被覆層の厚さが１μｍを下回ると被覆層としての機能を発揮し得ず、また、厚さが５０μｍを超えてもそれ以上の機能の向上は期待できない。被覆層の厚さは、３〜３０μｍがより好ましく、５〜２０μｍであれば製品（金型）の寸法精度の維持を含めた鍛造操業の上でさらに好適である。
【００２６】
拡散浸透処理を用いる場合の被覆層の厚さは、上記と同じ理由により０．１〜３ｍｍが好ましく、０．１〜２ｍｍであればより好ましく、０．２〜０．８ｍｍであればさらに好適である。
【００２７】
肉盛りは摩滅が激しい部位に用いられ、被覆層の厚さは、上記と同じ理由により０．１〜５ｍｍが好ましく、０．２〜４ｍｍであればより好ましく、０．５〜３ｍｍであればさらに好適である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｃを１．５〜２．５重量％と、Ｗ、Ｖ等の硬質炭化物形成元素とを含む鉄基合金を鍛造金型によって熱間鍛造する高ヤング率高疲労強度鋼の加工方法において、鍛造金型の少なくとも型彫り面に、鉄基合金中のＣと鍛造金型の材料との反応を阻害する被覆層を被覆固着しまたは鍛造金型の表層部に形成しているから、高ヤング率高疲労強度鋼の基地組織中のＣと鍛造金型の材料との反応が抑制され、高ヤング率高疲労強度鋼の熱間加工性が良好なことと相俟って金型寿命を大幅に向上させることができるという効果が得られる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for processing high Young's modulus high fatigue strength steel, and more particularly to a technique for improving the life of a forging die when hot forging such a material.
[0002]
[Prior art]
The present applicant has previously proposed a high Young's modulus and high fatigue strength steel in which the rigidity is improved by exhibiting a high Young's modulus and the rigidity suitable for reducing the size and weight is improved (Patent Document 1). ). This iron-based alloy contains C: 1.5 to 2.5 wt%, Ni: 0.25 to 4.75 wt%, and appropriate amounts of W and V, and has a high Young's modulus by precipitating MC type carbide. High fatigue strength is achieved.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-3272524
[Problems to be solved by the invention]
However, when hot forging was performed using the high Young's modulus and high fatigue strength steel, it was found that the life of the forging die was shortened. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of processing a high Young's modulus high fatigue strength steel capable of improving the life of a forging die when performing hot forging using a high Young's modulus high fatigue strength steel. And
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have focused on the high carbon content of the iron-based alloy as a cause of the reduction in the mold life. Since iron-based alloys having a carbon content of 1.5 or more remain brittle even during hot working, they are generally unlikely to be hot forged. However, the above-mentioned high Young's modulus high fatigue strength steel uses solid solution precipitation type carbide in order to satisfy high Young's modulus and high fatigue strength. For this reason, at room temperature, most of carbon becomes carbide and the base structure becomes a hypoeutectoid structure. On the other hand, when hot, the carbide (W, V system) is dissolved in the base structure, and the base structure has a high carbon composition. Become.
[0006]
According to the study by the present inventors, as a result of the carbide being solid-dissolved in the base structure of the forged material during hot, the hot workability is improved, but the carbon of the base structure reacts with the material of the forging die. It was found that sedimentation of brittle cementite resulted in seizure of the die-sculpted surface of the forging die.
[0007]
The method of working a high Young's modulus high fatigue strength steel according to the present invention is based on the above findings, and includes iron containing 1.5 to 2.5% by weight of C and a hard carbide forming element such as W or V. In a method of processing a high Young's modulus and high fatigue strength steel in which a base alloy is hot-forged by a forging die, a reaction between C in the iron-based alloy and a material of the forging die is hindered on at least a die-cut surface of the forging die. A forging die is formed on the surface of the forging die.
[0008]
According to the present invention, since the coating layer is provided on the engraved surface of the forging die, the reaction between C in the base structure of the high Young's modulus and high fatigue strength steel and the material of the forging die is suppressed. Therefore, the life of the mold can be greatly improved in combination with the good hot workability of the high Young's modulus high fatigue strength steel.
[0009]
Conventionally, in hot forging, a mold release agent has been sprayed on a die-sinking surface of a forging die. However, in the case of the release agent, the film of the release agent is broken by sliding contact between the engraved surface and the material during forging. As a result, contact between the material and the engraved surface cannot be avoided, and C in the material cannot be avoided. The reaction between the material and the material of the forging die cannot be suppressed. The coating layer according to the present invention is different from a temporary coating such as a release agent, and is fixed to the die-sinking surface or is formed on the surface layer of the forging die, so that the coating layer is peeled off or early. It is the one that remains on the engraved surface for a long time without wear.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described mainly with respect to the configuration of a coating layer.
It is desirable that the coating layer is a material that does not form carbides or hardly forms carbides with C contained in the iron-based alloy at the hot forging temperature. According to this aspect, since the durability of the coating layer itself can be improved, the life of the forging die can be significantly improved.
[0011]
1. Materials that do not form carbides with C (1) Materials that do not form carbides with C as coatings that do not form carbides with C include carbides such as TiC, NbC, ZrC, TaC, and BC, and oxidations such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and MgO. And nitrides such as TiN, BN, and ZrN. Powders of these materials are mixed with a binder or a solvent to form a paste or slurry, which is applied to the die-sculpted surface of a forging die and then baked and dried to be fixed. In this case, fine irregularities may be formed on the engraved surface, and the fixing strength may be increased by the anchor effect. Alternatively, particles of the above material can be dispersed in a plating bath of nickel or the like, and the particles can be fixed to a forging die together with a plating material.
[0012]
The above-described materials can be fixed by spraying onto the die-sinking surface by thermal spraying. In addition, means such as vacuum evaporation and ion plating can be used. Alternatively, the above-described material may be formed in a plate shape, and a plurality of plates may be covered and fixed to the die-sinking surface by means of adhesion, bolting, or the like.
[0013]
As another material that does not form carbide with C, a build-up alloy can be used. The overlaying alloy is used for overlaying and repairing a worn portion such as a mold, and a Co-based alloy and a Ni-based alloy are provided. As the Co-based alloy, there is a Co-Cr-Fe alloy, and as the Ni-based alloy, there is a Ni-Cr alloy, and their components are shown in Table 1.
[0014]
[Table 1]
[0015]
Such an alloy is provided for overlaying by welding in the form of powder or wire. As a welding method, gas welding, laser welding, arc welding, electroslag welding, plasma arc welding, or the like can be used.
[0016]
(2) What is formed on the surface layer of the forging die The coating layer can be formed on the surface of the die-cut surface by various diffusion and infiltration treatments. For example, there are aluminizing, titanizing, siliconizing, and boriding for diffusing Al, Ti, Si, and B. By such a diffusion and infiltration treatment, for example, Al penetrates into a surface layer portion of a forging die, and a surface layer portion is formed. Reacts with C, O, N, etc., which are in solid solution. And the carbide etc. which do not react with C disperse | distribute to a surface layer part, and permeation of C to the deep part of a forging die is prevented.
[0017]
2. Material Forming C and Carbide (1) Fixing by Coating The coating layer of the present invention may be a material forming C and a carbide. Such a material can exhibit a function similar to, for example, a galvanized sacrificial anode to suppress the reaction between the material of the forging die and C. In this case, if the coating layer reacts with C and is worn away, the coating layer can be coated again and repaired.
[0018]
Examples of the material forming a carbide with C include carbides such as WC, MoC, Cr 7 C 3 and VC, oxides such as Fe 3 O 4 , MnO 2 and CrO 3 , and CrN, Fe 4 N and Mo 2 N. There are nitrides. Powders of these materials are mixed with a binder or a solvent to form a paste or slurry, which is applied to the die-sculpted surface of a forging die and then baked and dried to be fixed. In this case, fine irregularities may be formed on the engraved surface, and the fixing strength may be increased by the anchor effect.
[0019]
The above-described materials can be fixed by spraying onto the die-sinking surface by thermal spraying. In addition, means such as vacuum evaporation and ion plating can be used. Alternatively, the above-described material may be formed in a plate shape, and a plurality of plates may be covered and fixed to the die-sinking surface by means of adhesion, bolting, or the like. Alternatively, particles of the above material can be dispersed in a plating bath of nickel or the like, and the particles can be fixed to a forging die together with a plating material.
[0020]
As other materials forming carbides with C, a build-up alloy can be used. For example, a low alloy steel, a high alloy steel, a WC base build-up alloy having the components shown in Table 2 can be used. .
[0021]
[Table 2]
[0022]
(2) What is formed on the surface layer of the forging die The coating layer can be formed on the surface of the die-cut surface by various diffusion and infiltration treatments. For example, there is chromizing for diffusing Cr, and such a layer of carbide or the like can be formed on the surface layer of the forging die by such a diffusion and infiltration treatment. In this case, in the coating layer, for example, Cr penetrates into the surface layer portion of the forging die and reacts with C, O, N, etc., which are dissolved in the surface layer portion. Then, since carbides and the like that react with C are dispersed in the surface layer, C in the forged material is consumed in the surface layer, and the penetration of C into the deep part of the forging die is prevented.
[0023]
In addition, since the amount of C dissolved in the base of the surface layer portion is small, the capacity of C to be dissolved in the forged material is large. For this reason, it takes a long time until the solid solution of C in the matrix of the surface layer is saturated to precipitate fragile cementite, so that the life of the forging die is extended. In this case, if the coating layer is worn out by reacting with C, it cannot be repaired.
[0024]
3. As other materials for the forging die, for example, tool steel such as carbon tool steel (SK), alloy tool steel (SKS, SKD), and high-speed steel (SKH) can be used. After performing processing such as engraving on these tool steels, heat treatment is performed, and a coating layer is coated and fixed on the engraved surface by the above-described method. When the diffusion and infiltration treatment is performed, a coating layer is formed on the entire surface of the forging die, but this does not pose any problem.
[0025]
When vacuum deposition and plating are used, the thickness of the coating layer is preferably 1 to 50 μm. If the thickness of the coating layer is less than 1 μm, the function as the coating layer cannot be exhibited, and if the thickness exceeds 50 μm, further improvement of the function cannot be expected. The thickness of the coating layer is more preferably 3 to 30 μm, and if it is 5 to 20 μm, it is more suitable for forging operation including maintenance of dimensional accuracy of a product (die).
[0026]
The thickness of the coating layer when using the diffusion and infiltration treatment is preferably 0.1 to 3 mm, more preferably 0.1 to 2 mm, and even more preferably 0.2 to 0.8 mm for the same reason as described above. It is.
[0027]
The build-up is used for a severely worn portion, and the thickness of the coating layer is preferably 0.1 to 5 mm, more preferably 0.2 to 4 mm, and more preferably 0.5 to 3 mm for the same reason as described above. More preferred.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an iron-based alloy containing 1.5 to 2.5% by weight of C and a hard carbide forming element such as W or V is hot forged by a forging die. In a method of processing a Young's modulus high fatigue strength steel, a coating layer that inhibits a reaction between C in an iron-based alloy and a material of the forging die is fixedly applied to at least the die-sinking surface of the forging die, or Since it is formed on the surface layer, the reaction between C in the base structure of the high Young's modulus high fatigue strength steel and the material of the forging die is suppressed, and the hot workability of the high Young's modulus high fatigue strength steel is good. Together with this, the effect that the life of the mold can be greatly improved can be obtained.
