JP2819906B2 - 室温および高温強度に優れた工具用Ni基合金 - Google Patents
室温および高温強度に優れた工具用Ni基合金Info
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- JP2819906B2 JP2819906B2 JP3346878A JP34687891A JP2819906B2 JP 2819906 B2 JP2819906 B2 JP 2819906B2 JP 3346878 A JP3346878 A JP 3346878A JP 34687891 A JP34687891 A JP 34687891A JP 2819906 B2 JP2819906 B2 JP 2819906B2
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Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〜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。
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。
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。
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。
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 (V E20) 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3346878A JP2819906B2 (ja) | 1991-12-27 | 1991-12-27 | 室温および高温強度に優れた工具用Ni基合金 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3346878A JP2819906B2 (ja) | 1991-12-27 | 1991-12-27 | 室温および高温強度に優れた工具用Ni基合金 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05179378A JPH05179378A (ja) | 1993-07-20 |
JP2819906B2 true JP2819906B2 (ja) | 1998-11-05 |
Family
ID=18386433
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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