JP4679942B2

JP4679942B2 - 熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末および熱間用金型

Info

Publication number: JP4679942B2
Application number: JP2005079047A
Authority: JP
Inventors: 俊之澤田; 新吾福本; 彰彦柳谷
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006255767A

Description

本発明は、高温で高耐力、高延性、低熱膨張性を有し、耐熱き裂性に優れた金型用Ｎｉ基肉盛粉末およびその粉末を用いてなる熱間用金型に関するものである。

従来より熱間鍛造用工具として、ＪＩＳ規格によるＳＫＤ６やＳＫＤ６１などの工具鋼が多く使用されている。これらは繰返し応力負荷や熱サイクルを受ける過酷な環境で使用されるため、熱き裂性や摩耗による損傷を受ける。特に熱き裂性による損傷は激しく、耐熱き裂性を改善することが熱間鍛造用工具の補修費に大きく影響している。この耐熱き裂性を改善するためには、高温において、高耐力、高延性、低熱膨張特性を有する材料が有効であり、それらの特性に優れた鋼種の開発が盛んに行われている。ただし、一般に高温耐力と高温延性は相反することが多く、両特性の両立は非常に困難である。

また、このような過酷な環境に耐えるため、工具鋼の表面に耐熱性に優れたＮｉ基超合金やＣｏ基合金を肉盛した肉盛工具が開発され実用化されている。しかしながら、Ｎｉ基超合金はＮｉ₃Ａｌを基本としたγ´相を強化相として析出しており高温耐力に優れる一方で、熱膨張係数が大きいため、耐熱き裂性が不十分であり、Ｃｏ基合金は炭化物析出やＣｒ，Ｍｏ，Ｗの固溶などによる強化を主としているため、５００℃を超えるような環境では高温耐力の低下が著しく、耐摩耗性、耐熱き裂性がまだ不十分である。

一方、Ｎｉ基超合金は各種市販されているが、これらは主にガスタービンおよびその周辺用材料として開発されており、１０００℃近い温度域での使用を前提に開発されているものが多く、熱間鍛造用工具の使用温度である６００℃前後での使用を前提に開発されたものでないことが多い。また、一般的に凝固偏析や脆性相を解消するため、１１００℃近い温度で固溶化処理を行い使用される。しかしながら、熱間鍛造用として肉盛された肉盛工具においては、界面割れ等の問題もあり十分な高温での固溶化処理が困難である。

従って、固溶化処理を省略した工程においても良好な特性を有することが重要となる。Ｎｉ基超合金を熱間鍛造工具の肉盛材として使用した例として、例えば特開平５−２６９５９１号公報（特許文献１）に開示されているように、熱間加工面にγ´析出相を含有するＮｉ基合金粉からなる粉末をプラズマ粉体溶接により肉盛することによりＡｌと０．８４Ｔｉを６〜１０重量％含有するＮｉ基合金からなる肉盛層を有する熱間鍛造用肉盛工具が提案されている。

また、特開２００１−７１０８６号公報（特許文献２）に開示されているように、肉盛り時の応力を肉盛り層内に均等に分散させ、ヒートチェックの発生および進行を抑制して使用寿命に優れた高速四面鍛造装置用金敷および装置であって、金敷本体はＮｉ基合金であり、粉体肉盛りされたＮｉ基合金は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの１種または２種以上を、Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｔａの合計で３重量％以上含む作業面部がＮｉ基合金の粉体肉盛り層からなる高速四面鍛造装置用金敷およびこの金敷が組み込まれた高速四面鍛造装置について提案されている。

特開平５−２６９５９１号公報特開２００１−７１０８６号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２は確かに高耐力、高延性が実現されているが、これら特許文献におけるＮｉ基耐熱合金においても肉盛のままの状態では凝固偏析や脆性相生成があり高温延性についてはいまだ本来の特性を十分に発揮することが出来ない状況にある。さらに、耐熱き裂性に影響する熱膨張係数についても記載されていない。

上述した問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、使用温度が６００℃前後で、固溶化処理を省略した工程においても脆性相の生成を抑制し、高耐力、高延性を発揮でき、かつ低熱膨張特性を有するＮｉ基超合金を提供するものである。
その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１５％、Ｗ：５％以下、Ｃｏ：１５％以下、Ａｌ：１〜５％、Ｔｉ：１〜５％を含み、残部Ｎｉおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。

（２）前記（１）に記載の成分組成に加え、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下とすることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
（３）前記（１）または（２）に記載の成分組成において、Ｓ：０．００５％以下に抑えたことを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
（４）前記（１）または（２）に記載の成分組成に加え、Ｎｂ：３％以下、Ｔａ：６％以下とすることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
（５）前記（１）〜（４）に記載の粉末を用いたことを特徴とする熱間用金型にある。

以上述べたように、本発明により肉盛材においても脆性相の生成を抑制し、耐熱き裂性に優れた熱間鍛造用Ｎｉ基耐熱合金を得ることができる。

以下、本発明に係る合金成分組成の限定理由について述べる。
Ｃ：０．１％以下
Ｃは、結晶粒界にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等と炭化物を形成し粒界強化を図るものである。しかし、０．１％を超えると粒内のＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ濃度が低下し、耐力、耐酸化性に悪影響を及ぼす。従って、その上限を０．１％とした。

Ｃｒ：１０〜１５％
Ｃｒは、高温における耐酸化性を確保するため、１０％以上の添加が必要である。しかし、１５％を超えると脆性な金属間化合物が析出し延性が低下する。従って、その範囲を１０〜１５％とした。
Ｍｏ：８〜１５％
Ｍｏは、γ相中に固溶し高温耐力を向上する効果、熱膨張係数を低くする効果をもつ元素である。しかし、８％未満ではその効果が小さく、また、１５％を超えると脆性な金属間化合物が析出し延性が低下する。従って、その範囲を８〜１５％とした。

Ｗ：５％以下
Ｗは、γ相中に固溶し高温耐力を向上する効果、熱膨張係数を低くする効果があるため、５％以下の範囲で添加してもよい。しかし、５％を超えると脆性な金属間化合物が析出し延性が低下する。従って、その上限を５％とした。
Ｃｏ：１５％以下
Ｃｏは、延性を改善する効果をもつ元素である。しかし、１５％を超えるとその効果が飽和し、コストアップとなる。従って、その上限を１５％とした。

Ａｌ：１〜５％
Ａｌは、γ´相を形成し高温耐力を向上する元素である。しかし、１％未満では効果が十分でなく、また、５％を超えると延性が低下する。従って、その範囲を１〜５％とした。Ｔｉ：１〜５％
Ｔｉは、γ´相中のＡｌと置換しγ´相を強化する。しかし、１％未満ではその効果が十分でなく、また、５％を超えると延性が低下する。従って、その範囲を１〜５％とした。

Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下
Ｓｉ、Ｍｎは、肉盛時の湯流れ性をよくするが、しかし、０．５％を超えると酸化物等の介在物が析出し衝撃値等の機械特性を低下させる。従って、その上限をそれぞれ０．５％とした。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、０．００５％以下に抑えることで、肉盛時の高温割れを抑制することができる。それ故に、その上限を０．００５％とした。

Ｎｂ：３％以下、Ｔａ：６％以下
Ｎｂ、Ｔａは、γ´相中に固溶し、耐力を向上する効果がある。しかし、それぞれ３％、６％を超えると延性が低下する。従って、その上限をそれぞれ３％、６％とした。
上述したＮｉ基肉盛粉体を用いて製造された熱間で使用される金型の代表例としては、例えばダイス、パンチ、マンドレル、ダイキャスト用金型、さらには、鍛造用マンマー等に使用される。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
供試材として、２５ｋｇの母材をＡｒ雰囲気中にて誘導溶解し、φ５のノズルから１６００℃にて出湯し、Ａｒガスでアトマイズし、表１に示す成分の粉末を得た。これを−２５０／＋６３μｍに分級し低合金基材に粉体プラズマアーク肉盛溶接した（１０層）。この肉盛層より引張試験片、熱膨張試験片を作製し、６００℃−４ｈの熱処理を行った。引張試験（６００℃）として、０．２％耐力（ＭＰａ）、および伸び（％）を、また、熱膨張特性（ＲＴ〜６００℃）として、熱膨張係数を示す。その結果を表１に示す。

評価結果として、０．２％耐力については、６００℃における引張試験の結果、７００ＭＰａ以上を○、７００ＭＰａ未満を×とした。また、伸びについては、６００℃にける引張試験の結果、６％以上を○、６％未満を×とした。さらに、熱膨張特性については、ＲＴ〜６００℃における熱膨張係数が１４×１０^-6未満を○、１４×１０^-6以上を×とした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、Ｎｏ．７〜１４は比較例である。比較例Ｎｏ．７はＣｒ含有量が低く、かつＭｏ含有量が低いために、引張強度が低く、かつ熱膨張係数が大きい。比較例Ｎｏ．８はＭｏ含有量が高いために、伸びが劣る。比較例Ｎｏ．９はＷ含有量が高いために、伸びが劣る。比較例Ｎｏ．１０はＣ、ＡｌおよびＳｉ含有量が高いために、伸びが劣る。

比較例Ｎｏ．１１はＴｉ、ＭｎおよびＳ含有量が高いために、伸びが劣る。比較例Ｎｏ．１２はＡｌ含有量が低いために、引張強度が劣る。比較例Ｎｏ．１３はＮｂおよびＴａ含有量が高いために、伸びが劣る。比較例Ｎｏ．１４はＴｉ含有量が低いために、引張強度が劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜６はいずれの特性についても優れていることが分かる。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１％以下、
Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｍｏ：８〜１５％、
Ｗ：５％以下、
Ｃｏ：１５％以下、
Ａｌ：１〜５％、
Ｔｉ：１〜５％
を含み、残部Ｎｉおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
請求項１に記載の成分組成に加え、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下とすることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
請求項１または２に記載の成分組成において、Ｓ：０．００５％以下に抑えたことを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
請求項１または２に記載の成分組成に加え、Ｎｂ：３％以下、Ｔａ：６％以下とすることを特徴とする熱間で使用する金型用Ｎｉ基肉盛粉末。
請求項１〜４に記載の粉末を用いたことを特徴とする熱間用金型。