JP2005314718A - 熱間加工用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れた熱間加工用工具を提供する。
【解決手段】本発明による熱間加工用工具は、表面に肉盛層を有する。肉盛層は、マトリックス金属と硬質粒子とを含む。マトリックス金属は、遷移金属又は遷移金属を主とする合金であり、ビッカース硬度が３００〜４９０である。硬質粒子は、肉盛層中の体積率が２０％〜７０％であり、粒径が５０μｍ以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱間加工用工具に関し、さらに詳しくは、金属を熱間加工する工程で使用される熱間加工用工具に関する。

鉄鋼材料に代表される金属を熱間で加工する工程では、熱間加工用工具が使用される。熱間加工用工具は、たとえば、継目無管を製造する穿孔圧延機に使用されるガイドシューやディスクロール等である。

これらの熱間加工用工具は、１０００℃〜１２００℃の被加工材と接触又は衝突するため、被加工材から高い負荷を受ける。そのため、熱間加工用工具の表面に摩耗や焼き付きが発生しやすく、場合によっては表面に亀裂や欠落が発生する。たとえば、穿孔圧延機に設置されるガイドシューやディスクロールは、穿孔圧延中に被加工材により滑り摩擦を受ける。この滑り摩擦により、ガイドシューやディスクロールの表面に偏摩耗が発生したり、焼き付きが発生したりする。

熱間加工用工具の表面が大きく摩耗したり、表面に焼き付きが発生した場合、熱間加工用工具は交換される。要するに、表面の摩耗や焼き付きは熱間加工用工具の寿命を短くする。そのため、熱間加工用工具の耐摩耗対策及び耐焼き付き対策は重要である。

近年、耐摩耗及び耐焼き付き対策として、プラズマ粉体肉盛溶接法（Plasma Transferred Arc：ＰＴＡ法）により熱間加工用工具の表面に３〜６ｍｍ程度の肉盛層（ＰＴＡ肉盛層）を形成する技術が報告されている（下記特許文献１及び２参照）。肉盛層は、Ｃｏ基やＦｅ基といったマトリックス金属中にＷＣやＮｂＣといった硬質粒子を含み、これらの硬質粒子が肉盛層の耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させる。そのため、従来熱間加工用工具として使用されていた高Ｃ−高Ｃｒ鋼やＳＫＤ相当鋼等の鋳造品と比較して、肉盛層を有する熱間加工用工具の寿命は向上する。

しかしながら、ＰＴＡ法により熱間加工用工具の表面に肉盛層を形成した場合、製造コストが高くなる。さらに、従来の鋳造品は、摩耗又は焼き付きが発生しても、発生箇所を手入れすれば複数回再使用できるのに対し、肉盛層を有する熱間加工用工具は、摩耗した肉盛層を手入れできないため、再使用できない。そのため、肉盛層を有する熱間加工用工具は従来の鋳造品と比較して、製造コスト当たりの寿命が短い。製造コスト当たりの寿命を延ばすためには、さらに耐摩耗性を向上させる必要がある。
特開平３−２０７５１０号公報 特開平１−１４８４０５号公報

本発明の目的は、耐摩耗性に優れた熱間加工用工具を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明者は、マトリックス金属中に硬質粒子を含有した肉盛層の摩耗のメカニズムについて調査した。調査の結果、本発明者らは、肉盛層の摩耗のメカニズムが２つのステップからなることを見出した。

図１を参照して、硬質粒子のいくつかは、肉盛層の表面に露出している（図１（ａ））。このような肉盛層が被加工材を受ける場合、肉盛層の表面に露出している硬質粒子が被加工材と接触する。このとき、マトリックス金属は被加工材とほとんど接触しない。被加工材と接触した硬質粒子は摩滅する前に破壊される。破壊された硬質粒子はマトリックス金属から抜け落ちる（図１（ｂ））。これが第１のステップである。

硬質粒子が抜け落ちた後、マトリックス金属が被加工材と接触する。マトリックス金属は硬質粒子より強度が低いため、容易に摩耗する。そのため、図１（ｃ）に示すように、肉盛層は表面に硬質粒子が露出するまで摩耗する。これが第２のステップである。第１のステップと第２のステップとを繰り返すことで、肉盛層の摩耗が進行する。

通常、肉盛層中の硬質粒子の硬度はマトリックス金属の硬度よりもはるかに高い。そのため、第１のステップで硬質粒子が破壊されず、マトリックス金属から抜け落ちることがなければ、第１のステップが進行せず、耐摩耗性は向上すると考えられる。

そこで、本発明者は、マトリックス金属の硬度を低くすることで、硬質粒子の破壊及び抜け落ちを防止できると考えた。表面に露出した硬質粒子は被加工材と接触又は衝突し、高い負荷を受ける。マトリックス金属の硬度が高い場合、マトリックス金属は硬質粒子が受けた負荷を吸収できない。そのため、硬質粒子は破壊される。一方、マトリックス金属の硬度が低い場合、硬質粒子が負荷を受けたとき、マトリックス金属が変形する。このとき、硬質粒子が受けた負荷を吸収する。そのため、硬質粒子は破壊されず、マトリックス金属から抜け落ちにくくなる。

一方、第２のステップでは、マトリックス金属の硬度が高い方が、耐摩耗性は向上する。そのため、マトリックス金属はある程度の硬度が必要と考えられる。

以上の検討の結果、本発明者はマトリックス金属の硬度には適正値が存在すると考えた。そこで、肉盛層中のマトリックス金属の硬度と耐摩耗性との関係について調査した。

図２は、後述する摩耗試験を実施して求めた、マトリックス金属の硬度に対する肉盛層の摩耗量を示す図である。摩耗試験には、肉盛層中のマトリックス金属の硬度が異なる供試材を用いた。なお、粒径が５０μｍ以上の硬質粒子の肉盛層中の体積率は、全ての供試材で５０％と同じであった。摩耗試験後に肉盛層の摩耗量を測定した。

図２に示すように、マトリックス金属の硬度には適正値が存在することがわかった。具体的には、マトリックス金属のビッカース硬度が３００〜４９０であれば、摩耗量が４ｍ^３未満となり、優れた耐摩耗性を示すことがわかった。

以上の知見に基づいて、本発明者らは以下の本発明を完成させた。
本発明による熱間加工用工具は、表面に肉盛層を有する。肉盛層は、マトリックス金属と硬質粒子とを含む。マトリックス金属は、遷移金属又は遷移金属を主とする合金であり、ビッカース硬度が３００〜４９０である。硬質粒子は、肉盛層中の体積率が２０％〜７０％であり、粒径が５０μｍ以上である。

好ましくは、硬質粒子は炭化物である。

好ましくは、肉盛層はプラズマ粉体肉盛溶接法により形成される。

ここで、熱間加工用工具とは、金属を熱間加工する工程で使用される工具であって、たとえば継目無管を製造する穿孔圧延機に使用されるガイドシューやディスクロール等である。

また、遷移金属を主とする合金としては、たとえば、質量％で遷移金属が５０％以上含有されている合金を挙げることができる。ビッカース硬度はＪＩＳＺ２２４４に準じて測定する。

肉盛層中の硬質粒子の粒径及び体積率は、たとえば以下の方法で求める。熱間加工用工具の表面の肉盛層の断面のうち、１ｍｍ×１ｍｍより大きい任意の領域を選択する。光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、選択した領域中の全ての硬質粒子について粒径と面積率とを測定する。各硬質粒子の長径と短径とを測定し、（長径＋短径）／２を粒径とする。各硬質粒子の粒径及び面積率の測定には、たとえば画像解析を用いる。

測定した粒径及び面積率より、体積率を以下のように算出する。ある相の体積率は断面での面積率と等しいことが証明されている（たとえば、日本金属学会誌Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．５，２７９〜２８９頁参照）。そのため、粒径が５０μｍ以上の硬質粒子の面積率の合計値を、粒径が５０μｍ以上の硬質粒子の体積率とする。

なお、熱間加工用工具の製造時の種々の要因により、肉盛層に５０μｍ未満の硬質粒子が含まれる場合もある。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

１．肉盛層の組成
本発明の熱間加工用工具は被加工材と接触する表面に肉盛層を持つ。肉盛層はマトリックス金属と硬質粒子とを含有する。

１．１．マトリックス金属
マトリックス金属は、遷移金属又は遷移金属を主とする合金である。マトリックス金属は、たとえばＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金等である。熱間加工用工具が使用される環境は、耐腐食摩耗性を必要とする。そのため、耐腐食摩耗性に優れるＣｏ基合金及びＮｉ基合金をマトリックス金属とするのが好ましい。

Ｃｏ基合金は、たとえばステライトである。Ｎｉ基合金は、たとえばＩＮ６２５、Ｃ２７６、５０Ｃｒ−５０Ｎｉ、コルモノイ等である。

マトリックス金属の硬度は、ビッカース硬度で３００〜４９０とする。硬質粒子が被圧延材から受ける負荷を吸収し、硬質粒子の破壊及び抜け落ちを防止するために、マトリックス金属のビッカース硬度の上限値を４９０とする。一方、マトリックス金属の硬度が低すぎれば、マトリックス金属自体の耐摩耗性が低下する。そのため、マトリックス金属のビッカース硬度の下限値を３００とする。好ましくは、マトリックス金属のビッカース硬度は３５０〜４５０である。

１．２．硬質粒子
硬質粒子は肉盛層の耐摩耗性及び耐焼付性を向上する。硬質粒子の粒径が小さい場合、耐焼き付き性が低下する。そのため、硬質粒子の粒径は５０μｍ以上とする。

また、肉盛層中の硬質粒子の量が少ないと、耐摩耗性が低下する。そのため、肉盛層中の硬質粒子の体積率を２０％以上にする。一方、硬質粒子の過剰な添加は肉盛層の靭性を低下させる。さらに、肉盛層をＰＴＡ法により形成する場合、硬質粒子の過剰な添加は肉盛層の溶接不良を引き起こす。そのため、硬質粒子の体積率の上限値を７０％とする。好ましくは、硬質粒子の体積率は３０％〜６０％である。

硬質粒子は、たとえば炭化物、酸化物、窒化物、硼化物、又はこれらの混合物、若しくはこれらの複合化合物である。硬質粒子のコストを考慮すれば、炭化物が好ましい。

炭化物は、たとえばＮｂＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｍｏ_２Ｃ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、Ｆｅ_３Ｃ等である。（Ｎｂ，Ｃｒ）Ｃ等の複合炭化物でもよい。

２．製造方法
本実施の形態による熱間加工用工具の製造方法の１つとして、本発明者らは、マトリックス金属中のＣ含有量を調整することで、肉盛層中のマトリックス金属の硬度を３００〜４９０にできることを見出した。以下、本実施の形態による熱間加工用工具の製造方法を説明する。

肉盛層のない熱間加工用工具を準備し、その熱間加工用工具の表面にＰＴＡ法により肉盛層を形成する。表面に肉盛層を形成する熱間加工用工具の材質に特に制限はなく、たとえば炭素鋼や工具鋼である。

ＰＴＡ法で形成する肉盛層の原料には、マトリックス金属粉末と硬質粒子粉末とを使用する。このとき、粒径が５０μｍ以上の硬質粒子が体積率で２０％〜７０％肉盛層中に含まれるように、硬質粒子粉末の量を調整する。

さらに、形成される肉盛層中のマトリックス金属のビッカース硬度を３００〜４９０にするために、マトリックス金属粉末のＣ含有量を調整する。具体的には、マトリックス金属としてＣｏ基合金を使用する場合、Ｃ含有量を質量％で０．１〜１．０％とするのが好ましい。マトリックス金属としてＮｉ基合金を使用する場合、Ｃ含有量を質量％で０．０１〜０．３％とするのが好ましい。

なお、上記Ｃ含有量を満たさなくても、マトリックス金属中の他の成分の含有量を調整してマトリックス金属のビッカース硬度を３００〜４９０にしてもよい。また、本実施の形態ではＰＴＡ肉盛溶接により肉盛層を形成するとしたが、ＭＩＧ溶接法やＴＩＧ溶接法等の他の溶接法で肉盛層を形成してもよい。ただし、肉盛層中に硬質粒子を均等に分散させるためにはＰＴＡ法が好ましい。

表１に示す炭化物及びマトリックス金属を含有する肉盛層を有する熱間加工用工具を製造し、耐摩耗性及び耐焼き付き性について調査した。

表１中の供試材１〜３２は以下のように製造した。熱間加工用工具である炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）のブロックの１面に、ＰＴＡ法による肉盛溶接を実施し、ＰＴＡ肉盛層を形成した。ＰＴＡ法による肉盛溶接の諸条件を表２に示す。

ＰＴＡ肉盛層の原料は、以下のものを使用した。供試材１〜３１の硬質粒子には、粒径が７５μｍ〜２５０μｍの炭化物粉末を用いた。各供試材１〜３１の炭化物の成分は表１に示す通りである。ＰＴＡ肉盛層中の５０μｍ以上の硬質粒子の体積率を変化させるために、各供試材で使用する炭化物粉末の量を変化させた。また、供試材３２の硬質粒子には、粒径が４５μｍ以下のＮｂＣ粉末を用いた。

供試材１〜３２のマトリックス金属には、表３に示す組成のＣｏ基合金粉末及びＮｉ基合金粉末を用いた。各供試材に使用したマトリックス金属の種類は表１に示す通りである。

ＰＴＡ肉盛層を形成後、機械加工及び研磨により図３に示す１０ｍｍ×２０ｍｍ×２５ｍｍの供試材を得た。

作成した供試材１〜３２について、ＰＴＡ肉盛層中の炭化物の粒径及び体積率を測定した。具体的には、熱間加工用工具の表面の肉盛層の断面のうち、１ｍｍ×１ｍｍより大きい任意の領域を選択した。光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、選択した領域中の全ての炭化物の各々について粒径と面積率とを測定した。各炭化物の長径と短径とを測定し、（長径＋短径）／２を粒径とした。各炭化物の粒径及び面積率の測定には、画像解析を用いた。粒径が５０μｍ以上の炭化物の体積率は、測定した面積率のうち、５０μｍ以上の炭化物の面積率を合計して求めた。

さらに、ＰＴＡ肉盛層中のマトリックス金属のビッカース硬度をＪＩＳＺ２２４４に準じて測定した。

表１を参照して、供試材１〜１９では、粒径が５０μｍ以上の炭化物の体積率が本発明の規定範囲内であった。なお、ＰＴＡ肉盛層中に粒径が５０μｍ未満の炭化物はほとんどなかった。また、マトリックス金属のビッカース硬度も本発明の規定範囲内であった。

一方、供試材２０〜２５及び３２では、粒径が５０μｍ以上の炭化物の体積率が本発明の規定範囲の下限値（２０％）未満となった。なお、供試材３２は粒径が２０μｍ〜４０μｍの炭化物の体積率が５０％であった。

供試材２６〜３１は、マトリックス金属のビッカース硬度が本発明の規定範囲外となった。具体的には、供試材２６は、原料として使用したＣｏ基合金Ａ粉末のＣ含有量が０．１％未満であったため、その硬度が本発明の規定範囲の下限値（３００）未満となった。供試材２７及び２８は、原料として使用したＣｏ基合金Ｅ粉末及びＣｏ基合金Ｆ粉末のＣ含有量が１．０％を超えたため、その硬度が本発明の規定範囲の上限値（４９０）を超えた。供試材２９は、Ｃ含有量が０．０３％未満のＮｉ基合金Ａ粉末を使用したため、その硬度が本発明の規定範囲の下限値未満となった。供試材３０及び３１は、Ｃ含有量が０．３％より多いＮｉ基合金Ｅ粉末及びＮｉ基合金Ｆ粉末を使用したため、その硬度が本発明の規定範囲の上限値を超えた。

［摩耗試験］
試供材１〜３２を用いて摩耗試験を実施した。摩耗試験は以下のように実施した。図４及び図５を参照して、回転軸１１を中心とした外径が１００ｍｍで、側面の幅が３０ｍｍであるＳ２５Ｃのディスク１０を準備した。ディスク１０の側面であって、回転軸１１を中心に０°、９０°、１８０°及び２７０°に位置する部分は、長さ１０ｍｍの平面とした（以下、平面部１２と称する）。

ディスク１０を高周波加熱により８００℃に加熱し、８００℃に保持したディスク１０を１００ｒｐｍで回転させた。図６に示すように、回転中のディスク１０の側面に供試材のＰＴＡ肉盛層表面を５０ｋｇｆで押し当て、そのまま１時間保持した。ディスク１０の側面に存在する平面部１２により、摩擦試験中のＰＴＡ肉盛層は断続的に衝撃を受けた。図７（ａ）に示すように、摩耗試験後のＰＴＡ肉盛層の表面には凹部が形成された。

試験後、供試材のＰＴＡ肉盛層表面の摩耗量を算出した。摩耗量の算出は以下のように行った。図７（ｂ）に示すように、供試材の表面のうち、摩耗試験中における上面（又は下面）から供試材をみた場合のＰＴＡ肉盛層の摩耗した部分ＡＲ１の面積を測定した。測定したその面積にブロック長（１０ｍｍ）を乗ずることで摩耗量（ｍｍ^３）を算出した。

さらに、摩耗試験後の供試材に焼き付きが発生しているか否かを調査した。具体的には、光学顕微鏡を用いて５０倍の倍率で試験後の供試材の摩耗した面（ＰＴＡ肉盛層表面の凹部）を観察し、ディスク１０（Ｓ２５Ｃ）の移着の有無を判断した。移着が無い場合は合格（表１中の○）と評価し、移着が確認された場合は不合格（表１中の×）と評価した。

［試験結果］
表１を参照して、供試材１〜１９の摩耗量はいずれも４ｍｍ^３未満であった。また、焼き付きも発生しなかった。

一方、供試材２６及び２９はマトリックス金属の硬度が低すぎたため、摩耗量が４ｍｍ^３を超えた。また、供試材２７及び２８はマトリックス金属の硬度が高すぎたため、摩耗量が４ｍｍ^３を超えた。

供試材２０〜２５では、粒径が５０μｍ以上の炭化物の体積率が低かったため、摩耗量が４ｍｍ^３を超え、焼き付きも発生した。供試材３２は、粒径が５０μｍ未満の炭化物の体積率が５０％であったため、摩耗量は４ｍｍ^３未満であったが、炭化物の粒径が小さいため、焼き付きが発生した。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明による熱間加工用工具は、金属を熱間加工する工程に広く利用可能であるが、特に、継目無管を製造するための穿孔圧延におけるガイドシューやディスクロール等として利用可能である。

硬質粒子を含有する肉盛層の摩耗のメカニズムを説明するための概略図である。 硬質粒子を含有する肉盛層におけるマトリックス金属の硬度に対する肉盛層の摩耗量を示す図である。 本実施例中の供試材の形状を示す斜視図である。 本実施例中の摩耗試験に使用するディスクの上面図である。 図４に示したディスクの斜視図である。 実施例中の摩耗試験を説明するための概略図である。 図６の摩耗試験後の供試材を示す斜視図及び上面図である。

Claims (3)

1. 表面に肉盛層を有し、
   前記肉盛層は、
   遷移金属又は遷移金属を主とする合金であり、ビッカース硬度が３００〜４９０であるマトリックス金属と、
   前記肉盛層中の体積率が２０％〜７０％であり、粒径が５０μｍ以上である硬質粒子とを含むことを特徴とする熱間加工用工具。
2. 請求項１に記載の熱間加工用工具であって、
   前記硬質粒子は炭化物であることを特徴とする熱間加工用工具。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱間加工用工具であって、
   前記肉盛層はプラズマ粉体肉盛溶接法により形成されることを特徴とする熱間加工用工具。
   

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