JP2819906B2

JP2819906B2 - 室温および高温強度に優れた工具用Ｎｉ基合金

Info

Publication number: JP2819906B2
Application number: JP3346878A
Authority: JP
Inventors: 康孝岡田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH05179378A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度だけでなく、
室温においても高い強度と靱性を必要とする、各種工具
（マンドレルバー、プラグ、ダイス、ロール、鍛造金型
等）に好適な合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】既存の代表的なNi基合金であるアロイ71
8(商品名) は、 800℃までは優れた強度と靱性を示す
が、1000℃以上の高温では Ni-Ｗ合金に比較して強度が
著しく低下する。また、このアロイ718 は室温における
硬さはロックウェル (ＨＲＣ)43程度が限界であり、こ
の値は既存の代表的な熱間工具鋼合金の JIS・ＳＫＤ61
のレベルにも達しないため、室温から高温まで広い範囲
で使用するのに十分な性能を有していない。

【０００３】特開昭54-24214号公報では、NiおよびCrを
主成分とする耐熱鋼が提案されている。この発明の鋼は
優れた熱疲労特性を有しているが、Mo＋Ｗ＋Nb＋Taの総
和が10.0％以下で比較的少なく、したがって高温強度も
低く、その適用範囲は1100℃程度までと推定される。本
発明者は、特開平２-153035 号公報および特開平３-613
45号公報において、例えば 1200 ℃の高温でも高い強度
と延性を有する優れたNi-Ｗ合金を提案したが、これら
の先願発明の合金は、室温における硬さがＨＲＣで高々
30程度であり、マンドレルバー等の用途としては、上記
の JIS・ＳＫＤ61と比較して室温強度が低く、また工具
として用いた場合は、へこみ、伸びあるいは引きちぎれ
等の問題がある。

【０００４】以上のように、室温から1200℃程度の高温
まで常に高い強度を維持し、しかも靱性・延性ともに良
好な合金は未だ開発されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、室温
から高温までの広い領域において、高い強度を有し、し
かも靱性・延性をも兼ね備えた工具に好適な合金を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
Ni基合金にある。なお、合金成分含有量に関する％は全
て重量％を意味する。

【０００７】(1) Ｃ:0.1％以下、Si:1.0％以下、Mn:0.1
〜2.0 ％、Al：0.03〜15.0％、Fe: 10.0％以下、Ｗを単
独またはMoと複合で25.0〜55.0％( 但し、Ｗは25.0％以
上で、複合の場合のMoは20.0％以下) を含有し、さらに
Nb:3.0〜15.0％およびTi： 3.0％超え10.0％以下のうち
の１種または２種を含有し、残部はNiおよび不可避不純
物からなり、不純物中のＰは0.030 ％以下、Ｓは0.010
％以下であることを特徴とする室温および高温強度に優
れた工具用Ni基合金。

【０００８】(2) さらに、15.0％未満のCrを含有する上
記（1）の合金。

【０００９】(3) さらに、各々0.01％以下のMg、Ｙ、L
a、CeおよびＢを１種以上含有する上記(1) または(2)
の合金。

【００１０】

【作用】前記のような各種用途をもつ材料は、室温から
1000℃以上、望ましくは1200℃の高温までの広い温度領
域で、強度・靱性及び延性を同時に備える必要がある。

【００１１】すなわち、室温でＳＫＤ61のようなダイス
鋼と同等の強度とダイス鋼以上の靱性を有し、さらに高
温ではアロイ718 以上の高強度を必要とする。具備すべ
きこれらの諸特性値を具体的に示すと下記の通りであ
る。

【００１２】室温硬さ（ＨＲＣ)40 以上 (好ましくは45以上）室温靱性 (_VＥ₂₀) ２kgm/cm²以上 1000℃における引張強さ 40kgf/mm²以上 1200℃における引張強さ 30kgf/mm²以上 1200℃における延性 60％以上本発明者は、前記のアロイ718 に通常含有されているN
b：5.5 ％及びTi：1.5％の上限を超える範囲で含有さ
せ、種々の検討を行ったが、この範囲では、靱性・熱間
加工性が劣化し、また、室温および高温強度の向上は得
られなかった。しかし、CrおよびFeの含有量を限定し、
しかもＷまたはＷ＋Mo、Nb、Ti、Alを多量に含有させる
ことにより、上記の機械的諸特性が得られる。このよう
な組成の合金において、なかでもNbはその融点を高め、
靱性についても好ましい改善効果を示すことを確認し
た。

【００１３】本発明は、以上のような新しい知見に基づ
いてなされたものである。以下、本発明の合金を構成す
る成分の作用効果と適正含有量について説明する。

【００１４】Ｃ：0.1 ％を超えると、合金の融点が低下
し、このため鋳造時に割れ、偏析などの問題が発生す
る。また高温延性、室温延性も著しく劣化するので、Ｃ
は0.1 ％以下とする。

【００１５】Si：合金の脱酸剤として、合金の諸性能を
改善するのに有効な成分であるが、1.0％を超えると鋳
造時の偏析および非金属介在物の生成を助長するので、
上限を1.0 ％とする。

【００１６】Mn：合金の脱酸剤および本発明合金を基本
的にγ( オーステナイト) 組織に維持する成分の一つと
して有効である。またMnは、合金中のＳをMnS として固
定し、熱間加工性を改善する。0.1 ％未満ではこれらの
作用効果を期待することができない。Mnが 2.0％を超え
ると合金の融点が低下するため、再び熱間加工性が劣化
する。したがってMnの適正な範囲は 0.1％から 2.0％で
ある。

【００１７】Al：合金の脱酸剤として添加する。さらに
Al含有量が0.03％以上であれば、本発明合金の組成範囲
では基地の中に金属間化合物 (Ni₃Al)相が有効に析出
し、室温および高温強度を改善する。15.0％を超えると
合金の融点低下および脆化相や介在物の析出を招き、延
性、靱性等の機械的性質が劣化する。したがってAlの適
正範囲は0.03％から15.0％である。

【００１８】Fe：Ni基合金の中ではNiに置換し、合金の
経済性を高めるのに有効であり、また少量の含有は熱間
加工性および肉盛溶接時の割れ感受性を低下させるのに
有効であるが、10.0％を超えると脆化相が析出し靱性が
劣化する。このためFeの含有量を10.0％以下とする。

【００１９】Cr：Crは、本発明合金のように、Nb、Tiあ
るいはAlを多量に含有する場合、脆化相の析出を招き、
かえってNb、Ti、Alによる強度改善効果を妨げるため含
有させなくてもよい。しかし、高温酸化の防止も考慮し
なければならない場合は、脆化相の析出を抑制して、強
度の低下を招かない範囲で含有させる必要があり、この
Crの範囲は、15.0％未満である。

【００２０】Ｗ：多量に含有させても室温における靱性を劣化させること
なく基地の強度を著しく上昇させ、さらに脆化相の析出
を抑制する効果があるが、25.0％未満では所望の強度を
得ることはできない。

【００２１】一方、55.0％を超えると結果的にNi含有量
が低下するため、γ相の維持も困難となって脆化相の析
出が助長される。さらに合金の融点が高温となるため通
常の手段による溶製が不可能となるが、Ｗが55.0％まで
はその融点を1650℃以下に抑制することができ、一般的
な電気炉などによる溶製が可能である。したがってＷの
適正な範囲は25.0％から55.0％までである。

【００２２】Mo：Ｗと同様の効果があるから、Ｗの一部
に置換して用いることができる。ただし、Ｗよりも合金
の融点を低下させ、したがって過剰に含有すると高温延
性も低下する。また長時間の使用中に脆化相の析出を助
長し、靱性および耐食性を劣化させるためMoの含有量の
上限は20.0％である。

【００２３】NbおよびTi：Nbは、前記のFeおよびCrの含
有量を適正な範囲にした場合に、室温靱性の改善に寄与
する。さらに合金の融点を比較的高温に維持し、また炭
化物・窒化物として基地に析出し、高温強度の維持に寄
与する。Tiは前記のAlと同様に、金属間化合物(Ni₃Ti)
として、またNbと同様に炭化物・窒化物としても析出
し、高温強度の改善に寄与する。しかし、Nbが３.0％未
満、Tiが3.0 ％以下の場合、いずれもその効果はない。
Nbが15.0％を、Tiが10.0％をそれぞれ超えると合金の融
点低下および脆化相析出を招き、延性、靱性、さらに加
工性も劣化する。したがってNbは3.0 ％から15.0％、Ti
は3.0 ％を超えて10.0％までが、それぞれ適正範囲であ
る。

【００２４】なお、一般に原料Nb中にはTaが含まれてい
ることが多いが、Taの効果はNbと同等である。したがっ
てNbに付随してTaが含有されてもかまわない。

【００２５】Mg、Ca、Ｙ、La、Ce、Ｂ：これらの成分の
含有は合金中のＯ (酸素）の低下およびＳの固定に有効
であり、その結果、室温における靱性および高温延性を
改善するため、１種以上含有させてもよい。しかし、高
温における延性の劣化を防止するために、各々0.01％以
下に抑えるべきである。

【００２６】不純物：本発明合金に不純物として不可避
的に混入するものに、上記Taの他、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏ (酸
素) およびNiに付随するCo等がある。

【００２７】ＰとＳは、鋳造時に偏析して割れの原因と
なり、また熱間加工性を劣化させる成分である。したが
って室温靱性や高温強度で一段と高い水準を目標とする
本発明合金では、少ない程よく、Ｐは0.030 ％以下 (望
ましくは0.01％以下）、Ｓは0.010 ％以下（望ましくは
0.005％以下）とすべきである。

【００２８】Ｎは、重量％で 0.2％程度まで本発明合金
の溶解原料・製造方法等によって含有される可能性があ
るが、この程度であれば本発明合金の性能を劣化させる
ことはない。

【００２９】Ｏ (酸素) は本発明合金の性能を維持する
ために重量％で0.01％以下とすることが望ましい。

【００３０】本発明合金は通常の溶解および精錬工程で
溶製したのち鋳造し、鋳造のままあるいは鍛造、圧延、
押し出しなどの加工工程を経て前記の製品として製造さ
れるが、鋳塊の偏析あるいは割れを軽減ないし回避し、
また内部清浄度や製品の性能を向上させるためＥＳＲお
よびＶＡＲなどの２次溶解工程を実施することが望まし
い。通常のNi基およびCo基合金などと同様に、1050〜12
50℃の間での固溶化熱処理、 600〜800 ℃の間での時効
硬化熱処理は本発明合金の特性の向上に寄与するが、加
工のままでの使用も可能である。

【００３１】

【実施例】表１(1) 〜表１(3) に示す組成の150kg 合金
鋳塊を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、真空鋳込により製造
した後、φ50〜100mm の丸鋼または25mm厚の板材に鍛造
加工し、1050〜1200℃で固溶化処理を行った。これらの
うちNb、TiおよびAlを多量に含有する合金の一部につい
ては、さらに 650〜750 ℃で２〜50時間の時効硬化処理
を追加した。表１(1) および表１(2) の No.1 〜35が本
発明合金であり、表１(3) のNo.36 〜51が比較合金であ
る。また表１(2) のNo.52 、53は既存合金であり、No.5
2 がアロイ718 に、No.53 がＳＫＤ61に、それぞれ相当
している。

【００３２】これらの供試材を用いて、室温におけるロ
ックウエル硬さ（ＨＲＣ）と靱性、1000℃における引張
強さおよび1200℃における引張強さと延性 (絞り) を、
それぞれ測定した。これらの試験結果を表２(1) 〜表２
(3) に示す。

【００３３】この結果を、本発明合金、比較合金および
既存合金とで比較すると、表２(1)および表２(2) から
明らかなように、本発明合金は全て前記〜のいずれ
の特性をも同時に満足しており、一方、表２(3) に示す
比較合金と既存合金は、ほとんどのもので室温靱性と10
00℃の引張強さが不十分であり、また〜の特性を同
時に満たすものはない。

【００３４】本発明合金における、Cr含有とCr非含有と
の特性の差は、表２(1) および表２(2) に示すように、
それほど大きくない。しかし、Crの含有量が高い合金N
o.6、No.10 およびNo.16 は、1000℃、1200℃の機械的
特性値が目標下限値近くまで低下している傾向が認めら
れる。また、Cr含有量が、本発明の上限値をこえる比較
合金No.45 は、表２(3) に示すように室温靱性を除く全
ての特性値が目標値に達しない。

【００３５】

【表１（１）】

【００３６】

【表１（２）】

【００３７】

【表１（３）】

【００３８】

【表２（１）】

【００３９】

【表２（２）】

【００４０】

【表２（３）】

【００４１】

【発明の効果】本発明の合金は、室温靱性、高温引張強
さおよび高温延性のいずれの特性も兼ね備えており、室
温から1200℃までの広い範囲で工具に適用することがで
きる。

【００４２】

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ:0.1％以下、Si:1.0％以下、
Mn:0.1〜2.0 ％、Al：0.03〜15.0％、Fe: 10.0％以下、
Ｗ単独またはMoと複合で25.0〜55.0％( 但し、Ｗは25.0
％以上で複合の場合のMoは20.0％以下) を含有し、さら
にNb:3.0〜15.0％およびTi：3.0 ％を超え10.0％以下の
うちの１種または２種を含有し、残部はNiおよび不可避
不純物からなり、不純物中のＰは0.030 ％以下、Ｓは0.
010 ％以下であることを特徴とする室温および高温強度
に優れた工具用Ni基合金。
【請求項２】さらに、重量％で、15.0％未満のCrを含有
する請求項１に記載の合金。
【請求項３】さらに、重量％で、各々0.01％以下のMg、
Ｙ、La、CeおよびＢを１種以上含有する請求項１または
請求項２に記載の合金。