JP5075575B2 - 高温加工用工具 - Google Patents
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Description
[2]前記金属粒は、金属タングステンまたはその合金からなる1種以上の金属粒であり、前記金属粒と異なる材質の金属粒は、モリブデン、タンタル、ニオブおよびそれらの合金からなる金属粒のうち1種以上の金属粒であり、前記肉盛層は、前記金属粒全てを合算した存在密度が体積%に換算して55%以上80%以下であり、かつ、前記金属粒の粒度はいずれも50μm〜200μmであることを特徴とする上記[1]に記載の高温加工用工具であってもよい。
[3]また、前記肉盛層は、工具基材の表面に形成された厚みが1mm以上であることを特徴とする上記[1]または[2]に記載の高温加工用工具であってもよい。
[4]また、前記結合材は、コバルトまたはニッケル基の耐熱合金であることを特徴とする上記[1]または[2]に記載の高温加工用工具であってもよい。
[5]また、前記工具基材と前記肉盛層との間に1mm以上の厚みの中間層を有し、前記中間層は、前記肉盛層で用いた結合材と同一の結合材で形成されていることを特徴とする上記[1]から[4]のいずれかに記載の高温加工用工具であってもよい。
図3は、高温加工用工具の構成を示す断面図である。本発明に係る高温加工用工具である穿孔プラグ132は、工具基材133と、工具基材133の表面に形成された肉盛層134とを有して構成され、肉盛層134は、金属粒およびこの金属粒と異なる材質の金属粒を含む結合材から形成されている。
本発明の第1の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
(1)肉盛層134は、金属粒およびこの金属粒と異なる材質の金属粒を含む結合材から形成されている。金属粒として使用する、例えば、金属タングステンは比重が大きいので、PTA溶接中に重力の影響により、その分布が偏って、金属タングステン粒の分布が局部的に低くなっている箇所で延性破壊が発生し、穿孔圧延で穿孔プラグ頭部が激しく焼付き、PTA肉盛層が損傷するという問題が従来は生じていた。しかし、本発明の第1の実施の形態では、新たに、金属粒(金属タングステン粒)と異なる材質の金属粒(金属モリブデン粒)を加えているので、PTA肉盛層内で金属粒が均一に分布し易くなり、特に、延性破壊、焼付き、肉盛層の損傷、熱亀裂等の発生を効果的に抑制できる。
(2)金属粒として、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブまたはその合金を用いているので、それらの金属粒の溶融点が高く、溶接後も金属粒として残存し、かつ高温での強度が高いので、強化粒子として有効に作用する。
(3)金属粒を全てを合算した存在密度は、体積%に換算して55%以上、好ましくは60%以上に設定されているので、肉盛層134の耐摩耗・耐溶損性に優れると共に、80%以下に設定されているので、溶接性が著しく劣化して溶接施工が困難となることがなく、溶接性が良好である。
(4)すべての金属粒の粒度を50μm〜200μmに規定しているので、溶接後も金属粒として残存しやすい。また、200μmより大きくなると、溶接時の作業性に著しい問題が生じ溶接が困難となるが、200μm以下に規定しているので、溶接性も良好である。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る高温加工用工具の構成を示す断面図である。本発明に係る高温加工用工具である穿孔プラグ132は、工具基材133と、工具基材133の表面に形成された中間層135、この中間層135の表面に形成された肉盛層134とを有して構成され、肉盛層134は、金属粒およびこの金属粒と異なる材質の金属粒を含む結合材から形成されている。また、中間層135は、結合材と同一材質で構成されている。
本発明の第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、次のような効果を有する。すなわち、工具基材133と肉盛層134との熱収縮率に違いがある場合に、工具基材133と肉盛層134との間に中間層135が存在するので、工具基材133と肉盛層134の熱収縮の差が緩和されることで、熱亀裂を大幅に抑制することができる。
本発明の第1の実施の形態に示した構成の高温加工用工具として、金属粒を、金属タングステン、および金属モリブデンとして構成とした。金属タングステンは比重が大きいので、PTA溶接中に重力の影響により、その分布が偏ってしまうが、新たに金属モリブデン粒を加えれば、PTA肉盛層内で金属タングステン粒と金属モリブデン粒が均一に分布することを見出した。そこで、強化粒子として金属タングステン粒と金属モリブデン粒、結合材としてハステロイCを用いたPTA肉盛層を有する穿孔プラグ132を試作し、被圧延材102を13%クロム鋼として熱間穿孔圧延実験を行った。
図6は、強化粒子としてNbC粒を、結合材として高速度工具鋼を用いたPTA肉盛層を施した穿孔プラグ132の、(a)実験前、(b)1回圧延後の外観写真である。NbCが高硬度であるため、PTA溶接後に旋盤加工を適用できず、グラインダ加工のみによって整形したため肉盛溶接後の形状がうまく整わなかった。実験の結果、わずか1回の穿孔圧延でPTA肉盛層が破壊された。破壊面付近のPTA肉盛層を詳細に調べると、まだ破壊に至っていないPTA肉盛層において、既に破壊したNbC粒が幾つか観察された。よって、高硬度で破壊靭性値が劣る窒化物や炭化物系の強化粒子を含むサーメット層は、穿孔プラグには不適である。
図7は、金属タングステン粒とハステロイCからなるPTA肉盛層を施した穿孔プラグの、穿孔圧延実験機にて13%クロム鋼を用いて実験した場合の、(a)実験前、(b)1回圧延後の外観写真である。
次に、経済的な面を考慮し、強化粒子の量、すなわち肉盛材料において金属タングステン粒と金属モリブデン粒の合計が占める割合を、体積%で40、60、80%の3条件とした穿孔プラグを試作し、次式により得られる無次元穿孔プラグ長さLiを用いて穿孔プラグの性能評価を行った。
Li = li / lo
最後に、実生産ラインにおいて熱間穿孔圧延実験を行った。実験条件は、穿孔プラグの寸法を直径134mmで長さが300mm、PTA肉盛層の厚さは3mmとした。最終的に6回の実生産ラインにおける熱間穿孔圧延実験を通して、前述してきた全ての問題を解決できることを確認した。すなわち、熱間継目無管製造ラインのマンネスマン穿孔機にて、本発明による穿孔プラグ132を用い、1200℃の13%クロム鋼を延伸比2.24、穿孔圧延時間11秒の圧延設定にて圧延した。その結果、本発明による穿孔プラグは従来型穿孔プラグの10倍以上の耐用度、具体的には従来型プラグで4回の耐用度であったところを40回の穿孔圧延に耐え、更に継続して使用可能な表面状態であることを確認した。
102 被圧延材
103 ピアサー
104 マンドレルミル
105 ストレッチレデューサ
106 矯正機
131 バレル形状ロール
132 穿孔プラグ
133 工具基材
134 肉盛層
135 中間層
Claims (5)
- 工具基材と、
前記工具基材の表面に形成された肉盛層と、を有し、
前記肉盛層は、金属粒、前記金属粒と異なる材質の金属粒、及び結合材から形成され、当該複数種の金属粒は前記肉盛層に溶接後も金属粒として残存していることを特徴とする高温加工用工具。 - 前記金属粒は、金属タングステンまたはその合金からなる1種以上の金属粒であり、
前記金属粒と異なる材質の金属粒は、モリブデン、タンタル、ニオブおよびそれらの合金からなる金属粒のうち1種以上の金属粒であり、
前記肉盛層は、前記金属粒全てを合算した存在密度が体積%に換算して55%以上80%以下であり、かつ、前記金属粒の粒度はいずれも50μm〜200μmであることを特徴とする請求項1に記載の高温加工用工具。 - 前記肉盛層は、工具基材の表面に形成された厚みが1mm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の高温加工用工具。
- 前記結合材は、コバルトまたはニッケル基の耐熱合金であることを特徴とする請求項1または2に記載の高温加工用工具。
- 前記工具基材と前記肉盛層との間に1mm以上の厚みの中間層を有し、前記中間層は、前記肉盛層で用いた結合材と同一の結合材で形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の高温加工用工具。
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