JP2010024544A - 温熱間鍛造用金型 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.1%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:35〜40%、Al:3.0〜4.5%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物であるNi基合金Ni基合金より形成されるとともに、下記式(1)で示される溶体化温度T±20℃が1000〜1250℃の範囲内で溶体化処理が施された後、700〜820℃の範囲内で時効処理が施されており、45〜55HRCの硬さを有する温熱間鍛造用金型とする。
式(1):T =−348.06+32.04Cr+71.53Al
(T:溶体化温度(℃)、Cr、Al:含有率(質量%))
【選択図】図6
Description
式(1):T =−348.06+32.04Cr+71.53Al
(T:溶体化温度(℃)、Cr、Al:含有率(質量%))
本金型は、特定成分の含有率が下記に規定される範囲内とされており、残部がNiおよび不可避的不純物よりなるNi基合金を用いて形成されている。上記Ni基合金において、特定成分の種類および含有率を規定した理由は、次の通りである。なお、以下の含有率の単位は、質量%である。
Cは、溶解時に脱酸剤として作用する。また、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Taが存在する場合には、これら元素と炭化物を形成し、固溶化熱処理時の結晶粒粗大化を抑制するとともに、粒界の強化に寄与する。C含有率が0.1%を越えると、金型の強度および靱性の低下を招く。そのため、C含有率の上限を、0.01%以下とする。C含有率の上限は、好ましくは、0.08%以下であると良い。
Siは、溶解時に脱酸剤として作用する。その効果を得るため、Si含有率の下限は、好ましくは、0.05%以上、より好ましくは、0.2%以上であると良い。
MnもSiと同様に、脱酸剤として有用な元素である。その効果を得るため、Mn含有率の下限は、好ましくは、0.05%以上、より好ましくは、0.2%以上であると良い。
Crは、α相を形成する主要な元素である。α相がγ相とラメラ状に析出することで高強度および高硬度が得られる。もちろん、Crは、耐食性の向上にも寄与する。その効果を得るため、Cr含有率の下限を、35%以上とする。Cr含有率の下限は、好ましくは、37%以上であると良い。
Alは、γ’相を形成する重要な元素であり、さらに、耐高温腐食性の向上にも寄与する。図2にAl含有量と時効処理材の最大硬さの関係を示す。Alの含有量が3.8%のときに最大硬さのピークを示す。したがって、金型に必要な硬さを得るため、Al含有率の下限を、3.0%以上とする。Al含有率の下限は、好ましくは、3.4%以上であると良い。
Feは、不純物として混入する可能性が高い元素である。Feは、金型の高温強度を低下させる傾向があるので、原料を吟味するなどして、できる限りその混入量を低く抑えることが好ましい。但し、Fe含有率を過度に少なくしようとすると金型の高コスト化を招く。許容できるFe含有率の上限は、5%以下である。Fe含有率の上限は、好ましくは、3.0%以下に留めたい。なお、Feは、1.0%以下であれば、不可避的不純物として含まれうる。
Coは、固溶強化により合金の強度を高める。また、Coは、γ’相の析出量を増大させるのにも寄与する。その効果を得るため、Co含有率の下限は、好ましくは、0.05%以上、より好ましくは、0.2%以上であると良い。
B、Mg、Caは、いずれも熱間加工性を改善するのに役立つ。また、Bは、結晶粒界に偏析して粒界を強化し、クリープ強度を高めるのにも役立つ。また、Mg、Caは、溶解時における脱酸および脱硫を考慮して添加することも可能である。その効果を得るため、Bの含有率の下限は、好ましくは、0.0005%以上、より好ましくは、0.001%以上であると良い。Mgの含有率の下限は、好ましくは、0.0005%以上、より好ましくは、0.001%以上であると良い。Caの含有率の下限は、好ましくは、0.0005%以上、より好ましくは、0.001%以上であると良い。
Ti、Zr、Hfは、γ’相を形成するAlと置換することにより、γ’相の固溶強化に寄与し、合金の強度をさらに高める作用がある。そのため、Alと複合して添加すると良い。その効果を得るため、これら元素の含有率の下限は、好ましくは、0.05%以上、より好ましくは、0.2%以上であると良い。
V、Nb、Taは、γ’相を形成するAlと置換することにより、γ’相の固溶強化に寄与し、合金の強度をさらに高める作用がある。そのため、Alと複合して添加すると良い。その効果を得るため、V、Nb、Taの含有率の下限は、好ましくは、0.2%以上であると良い。
Cuは、冷間加工性を改善する。さらに、耐硫酸腐食性を顕著に向上させる効果もある。但し、Cuの多量の添加は、熱間加工性の悪化を招く。そのため、Cu含有率の上限を、2%以下とする。Cu含有率の上限は、好ましくは、1%以下であると良い。なお、Cuは、0.1%以下であれば、不可避的不純物として含まれうる。
式(1):T =−348.06+32.04Cr+71.53Al
(T:溶体化温度(℃)、Cr、Al:含有率(質量%))
より詳細には、本金型を使用する場合の鍛造条件として、潤滑剤が必要な成形および型部位では、必要最小限の潤滑剤塗布量とすることができる。すなわち、本金型の潤滑材塗布量を、従来の潤滑剤塗布量に比べ3〜4割程度削減することができる。一方、潤滑剤が不要な成形および型部位では、金型冷却のための水冷、空冷を実施しなくても済むという効果が得られる。
次に、本金型の製造方法の一例について説明する。先ず、本金型の素材として、上述した化学組成を有するNi基合金を準備する。
式(1):T =−348.06+32.04Cr+71.53Al
(T:溶体化温度(℃)、Cr、Al:含有率(質量%))
図13に本第2金型を模式的に示す。本第2金型RPは、鍛造部Aと、胴体部Bと、接合部Cとを有している。鍛造部Aは、一端に鍛造面A1を有している。胴体部Bは、金型胴体の一部を構成する。接合部Cは、接合界面C1を含んでいる。
Fe:5%以下、
Co:2.0%以下、
Mo:2.5%以下、
W:2.5%以下、
B:0.015%以下、
Mg:0.01%以下、
Ca:0.01%以下、
Ti、ZrおよびHfから選択される少なくとも1種:2.0%以下、
V、NbおよびTaから選択される少なくとも1種:2.0%以下、
Cu:2%以下、
REM:0.1%以下、
但し、Mo+0.5W:2.5%以下
1.実験1
表1に示す化学組成(質量%)の合金インゴット150kgを真空溶解により溶製した。次いで、得られた合金インゴットを均熱処理した後、鍛伸して直径32mmの棒材とした。
結晶粒度の微細化が靭性に及ぼす効果を確認するため、シャルピー衝撃試験を次のようにして行った。供試材は、表1の実施例1、2、6に示される成分の合金を用い、上記の32mmの棒材に対して、2水準の溶体化処理を施した。すなわち、前述の式(1)で計算されるT±20℃内の温度およびT+20℃を超える温度の2水準で行い、結晶粒度を変化させた。溶体化処理を施した素材を粗加工した後、550〜900℃の時効処理によって、40〜59HRCまでの硬さに調質した。その後、10mm×10mm×長さ55mmの形状の10Rノッチの衝撃試験片に精加工してシャルピー衝撃試験を行った。
表2に、計算値T、施した溶体化処理温度、溶体化処理後の結晶粒度を示す。表2より各試験材の結晶粒度は、新たに付した記号A1、B1、C1では2番以上であり、A2、B2、C2では1番未満であることを確認した。
衝撃試験の結果を、図6に示す。温熱間鍛造金型として必要な衝撃値は最低40J/cm2である。この値をクリアするのは結晶粒度が2番以上かつ硬さが55HRC以下の条件を満たすときである。結晶粒度が1番未満の試験材の破面は、粒界破壊の様相を呈しており、これが低衝撃値となる原因と考えられる。また、56HRC以上では粒内破壊した破面にディンプルがほとんど認められず、延性の不足により低衝撃値となったと考えられる。
各合金の軟化抵抗性を次のようにして測定した。すなわち、上述の鍛伸した各棒材に対して前述の式(1)で与えられる温度T℃、保持時間1時間の条件で溶体化処理を施した。これより、15mm角の立方体状の試験片を切り出した。次いで、本発明の金型に適用される実施例合金を用いた試験片については、温度750℃、保持時間16時間の時効処理を施し、硬さがHRC54となるように調質した。一方、従来の金型に適用される比較例合金を用いた試験片については、最高硬さとなるように調質した。そして、これら各試験片につき、ロックウェル硬度計を用いて、軟化処理前のロックウェル硬さ(冷間)を予め測定した。
上述した鍛伸により直径32mmの各棒材を、前述の式(1)で与えられる温度T℃、保持時間1時間の条件で溶体化処理を施した。この溶体化処理材を粗加工した後、750℃で時効処理を施し、精加工することにより、実施例および比較例に係る各小パンチを作製した。作製した小パンチは、長さ104mm、胴体部直径16.2mmであり、パンチ先端の評価部には15°のテーパー加工が施されている。なお、鍛造前に、ロックウェル硬度計を用いて、各小パンチの素材硬さを予め測定した。
本実施例では、さらに、自動車部品(等速ジョイント部品)を成形可能な大パンチを作製し、実生産の温熱間鍛造を以下の通りに実施した。
図13(a)に例示するように、鍛造部A、接合部C、胴体部Bを順に有する実施例および比較例に係る各小パンチを作製した。作製した小パンチは、全長104mm、直径16.2mm、鍛造部Aの長さ30mm、接合部Cの長さ3mm、胴体部Bの長さ71mmであり、鍛造部Aの鍛造面には、15°のテーパー加工が施されている。なお、鍛造部A、胴体部Bの合金組成、鍛造部Aと胴体部Bとの接合方法、鍛造部A、接合部C、胴体部Bの硬さ、小パンチ整形後の熱処理条件は、後述の表5〜表8に示す通りである。
「1.実験1」の(耐摩耗性試験)と同様にして、鍛造部Aの耐摩耗性試験を行った。摩耗量Rが0.15mm未満を「耐摩耗性が良好である」として「A」、摩耗量Rが0.15mm以上を「耐摩耗性に劣る」として「B」と評価した(後述の表9)。
上記小パンチと同条件で、鍛造部A、接合部C、胴体部Bを順に有する実施例および比較例に係る直径25mm、長さ120mmの丸棒を作製し、そこから接合部Cが試験部に位置するように、試験部の直径が8mm、標点間距離が34mmの引張試験片を加工した。引張試験は、JIS4号に準じて実施した。引張強さが1750MPa以上であった場合を「接合強度に優れる」として「A+」、引張強さが1150MPa以上1750MPa未満の範囲内であった場合を「接合強度が良好であるとして「A」、引張強さが1000MPa以上1150MPa未満の範囲内であった場合を「接合強度がやや良好であるとして「B」、引張強さが1000MPa未満の範囲内であった場合を「接合強度不足である」として「C」と評価した(後述の表9)。
胴体部Bの硬さが45HRC以上のものを「耐圧縮変形性に優れる」として「A」、 胴体部Bの硬さが45HRC未満のものを「耐圧縮変形性に劣る」として「B」と評価した(後述の表9)。
Claims (14)
- 質量%で、
C :0.1%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:2.0%以下、
Cr:35〜40%、
Al:3.0〜4.5%を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物であるNi基合金より形成されるとともに、
下記式(1)で示される溶体化温度T±20℃が1000〜1250℃の範囲内で溶体化処理が施された後、700〜820℃の範囲内で時効処理が施されており、
45〜55HRCの硬さを有することを特徴とする温熱間鍛造用金型。
式(1):T =−348.06+32.04Cr+71.53Al
(T:溶体化温度(℃)、Cr、Al:含有率(質量%)) - 前記溶体化処理後のJIS G0551で規定する結晶粒度が2番以上であることを特徴とする請求項1に記載の温熱間鍛造用金型。
- 被鍛材がビレットであることを特徴とする請求項1または2に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、質量%で、Fe:5%以下を含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、質量%で、Co:2.0%以下、Mo:2.5%以下、および、W:2.5%以下から選択される1種または2種以上の元素を含有し、Mo+0.5W:2.5%以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、質量%で、B:0.015%以下、Mg:0.01%以下、および、Ca:0.01%以下から選択される1種または2種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、Ti、ZrおよびHfから選択される1種または2種以上の元素を、質量%で2.0%以下含有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、V、NbおよびTaから選択される1種または2種以上の元素を、質量%で2.0%以下含有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記Ni基合金は、質量%で、Cu:2%以下、および、REM:0.1%以下から選択される1種または2種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 一端に鍛造面を有する鍛造部と、金型胴体を構成する胴体部と、接合界面を含む接合部とを備え、前記鍛造部は、
質量%で、
C :0.1%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:2.0%以下、
Cr:35〜40%、
Al:3.0〜4.5%を含有するNi基合金より形成され、
前記鍛造部が50HRC以上、前記胴体部が45HRC以上、前記接合部が350Hv以上の硬さを有することを特徴とする温熱間鍛造用金型。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型を用いて再生された再生金型であることを特徴とする請求項10に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記胴体部は、前記鍛造部と同系のNi基合金またはマトリクスハイス鋼より形成されていることを特徴とする請求項10または11に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記接合部は、前記接合界面における酸化物系および/または窒化物系の異物の存在率が35%以下であることを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の温熱間鍛造用金型。
- 前記胴体部がNi基合金である場合には、550〜800℃の範囲内で熱処理が施され、
前記胴体部がマトリクスハイス鋼である場合には、550〜625℃の範囲内で熱処理が施されていることを特徴とする請求項12または13に記載の温熱間鍛造用金型。
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