JP6566255B2

JP6566255B2 - 熱間鍛造用金型

Info

Publication number: JP6566255B2
Application number: JP2015191751A
Authority: JP
Inventors: 翔悟鈴木; 友典上野; 宙也青木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP2017064741A

Description

本発明は、優れた耐酸化性を有する熱間鍛造用金型に関するものである。

耐熱合金からなる製品の鍛造において、鍛造素材は変形抵抗を低くするため加熱される。しかしながら、耐熱合金は高温でも高い強度を有するため、その鍛造に用いる熱間鍛造用金型には高温での高い機械的強度が必要である。
また、熱間鍛造において熱間鍛造用金型の温度が鍛造素材に比べて低い場合、抜熱により鍛造素材の加工性が低下するため、例えばＡｌｌｏｙ７１８やＴｉ合金等の難加工性材からなる製品は、素材とともに熱間鍛造用金型を加熱して鍛造することにより行われる。従って、熱間鍛造用金型は、鍛造素材と同じかもしくはそれに近い高温で、高い機械的強度を有したものでなければならない。この要求を満たす熱間鍛造用金型として、大気中での金型温度１０００℃以上の熱間鍛造に使用できるＮｉ基超耐熱合金が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
なお、本発明で言う熱間鍛造とは、熱間鍛造用金型の温度を鍛造素材の温度まで近づけるホットダイ鍛造と同じ温度にする恒温鍛造を含むものである。

特開昭６２−５０４２９号公報特公昭６３−２１７３７号公報米国特許第４７４０３５４号明細書

上述したＮｉ基超耐熱合金は、高温圧縮強度が高いという点では有利であるものの、耐酸化性の点では大気中で加熱した後の冷却時に金型表面から酸化ニッケルの細かなスケールが飛散するため作業環境の劣化及び形状劣化の恐れがあるという問題があった。金型表面の酸化とそれに伴うスケールの飛散の問題は、大気中で使用できるという効果を最大限に生かす上で大きな問題となる。
本発明の目的は、上述したＮｉ基超耐熱合金の金型表面の酸化を防止することで作業環境の劣化及び形状劣化の問題を解決し、更に繰り返しの使用による耐酸化性の低下を抑制した熱間鍛造用金型を提供することである。

本発明者は、金型表面の酸化とそれに伴うスケール飛散の問題を検討し、金型表面に酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌである酸化物層を有することでこれらの問題を大きく改善できることを見出し本発明に到達した。
すなわち本発明は、質量％で、Ｗ：１０．３〜１１．０％、Ｍｏ：９．０〜１１．０％、Ａｌ：５．８〜６．８％であり、且つ、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるＮｉ基超耐熱合金からなる熱間鍛造用金型の少なくとも成形面または側面の何れかまたは両方の表面に酸化物層を有し、更に、前記酸化物層の下層に、前記酸化物層とは異なる被覆層を有し、前記酸化物層は酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌであり、前記被覆層がＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金である熱間鍛造用金型である。
また、熱間鍛造用金型は、表面全面に前記酸化物層を有すること、または前記被覆層と前記酸化物層とを有することが好ましい。

本発明の熱間鍛造用金型は、耐酸化性に優れているため金型表面の酸化とそれに伴うスケールの飛散を防止する効果があり、また、繰り返しの使用においてもその効果の低下を抑制でき、これを用いる大気中の熱間鍛造において作業環境の劣化や形状劣化を抑制する効果を奏するものである。

本発明の実施例と比較例との断面模式図である。本発明の実施例と比較例との酸化とそれに伴うスケール飛散の状態を観察した外観写真である。本発明の実施例と比較例との加熱と冷却の繰り返しに対する耐酸化性の低下の抑制状態を観察した外観写真である。

先ず、本発明の熱間鍛造用金型の化学組成について説明する。本発明で規定する下記の合金組成を有するＮｉ基超耐熱合金は、高温圧縮強度が、他の熱間鍛造用金型材料に比べて優れており、大気中で恒温鍛造やホットダイ鍛造等の熱間鍛造を行うことに適している。単位は質量％である。
Ｗは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるＮｉ_３Ａｌを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。また、Ｗは、粒界にＷとＭｏの固溶体からなる体心立方晶のα−（Ｍｏ、Ｗ）相を晶出し、合金の粒界強度を高め、合金の被削性を高める作用がある。一方、Ｗは、耐酸化性を低下させる作用も有し、且つ、１１．０％を超えて添加すると割れが発生し易くなる。高温強度を高め、耐酸化性の低下を抑制し、且つ、割れの発生をより抑制する観点から、本発明におけるＮｉ基超耐熱合金中のＷの含有量は１０．３〜１１．０％とする。Ｗの効果をより確実に得るための好ましい下限は１０．４％であり、好ましいＷの上限は１０．７％である。
Ｍｏは、オーステナイトマトリックスに固溶するとともに、析出強化相であるＮｉ_３Ａｌを基本型とするガンマプライム相にも固溶して合金の高温強度を高める。一方、Ｍｏは、耐酸化性を低下させる作用を有する。高温強度を高め、且つ、耐酸化性の低下をより抑制する観点から、本発明におけるＮｉ基超耐熱合金中のＭｏの含有量は９．０〜１１．０％とする。Ｍｏの効果をより確実に得るための好ましい下限は９．５％であり、更に好ましくは９．８％である。また、好ましいＭｏの上限は１０．５％であり、更に好ましくは、１０．２％である。

Ａｌは、Ｎｉと結合してＮｉ_３Ａｌからなるガンマプライム相を析出し、合金の高温強度を高め、合金の表面にアルミナの被膜を生成し、合金に耐酸化性を付与する作用がある。一方、Ａｌの含有量が多過ぎると、共晶ガンマプライム相を過度に生成し、合金の高温強度を低める作用もある。耐酸化性及び高温強度を高める観点から、本発明におけるＮｉ基超耐熱合金中のＡｌの含有量は５．８〜６．８質量％とする。Ａｌの効果をより確実に得るための好ましい下限は６．０％であり、更に好ましくは６．１％である。また、好ましいＡｌの上限は６．６％であり、更に好ましくは６．４％である。

合金は、基本的に、必須成分であるＡｌ、Ｗ、Ｍｏと、さらに不可避的不純物を除く残部がＮｉで構成される。本発明におけるＮｉ基超耐熱合金においてＮｉはガンマ相を構成する主要元素であるとともに、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗとともにガンマプライム相を構成する。
本発明におけるＮｉ基超耐熱合金は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌのほか、不可避的不純物として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ以外の成分を含むことができる。

本発明では、上記の合金組成を有する熱間鍛造用金型の少なくとも成形面または側面の何れかまたは両方の表面に酸化物層を有する。これは、熱間鍛造用金型の表面を緻密な保護被膜で覆うことで高温での大気中の酸素と金型母材との直接的な接触を遮断させ、金型母材の酸化を防止するものである。その酸化物層は酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌを含むものとする。このＡｌを主成分とする酸化膜とすることで高温雰囲気の耐酸化性を高めて、スケール剥離を防止する効果を得ることができる。尚、Ａｌを主成分とするとは、酸化物を構成する酸素以外の元素において質量％で５０％以上がＡｌであることを言う。
このＡｌを主成分とする酸化物層は、例えば、熱間鍛造用金型母材上にＡｌを主成分とする酸化膜を塗布や蒸着によって形成しても良いが、熱間鍛造用金型母材に含まれるＡｌを利用することが好ましい。但し、上述したように、通常、上述した組成の合金は、ニッケル酸化物のスケールが発生する。そのため、特殊な雰囲気でＡｌを主成分とする酸化物層を形成させる。具体的には、例えば、酸素分圧１．０×１０^−５〜１．０×１０^−３Ｐａ、温度１２００〜１３００℃、保持時間５〜１０時間の熱処理でＡｌを主成分とする酸化物層を形成させると良い。
本発明で成形面または側面の何れかまたは両方の表面に酸化物層を形成するのは、通常、この２つの面が高温の大気雰囲気に曝されるからである。本発明では、成形面と側面の何れかまたは両方に被覆層を形成するが、スケール剥離の効果をより確実にするには、成形面と側面の両方を被覆層を形成することが良い。なお、本発明で言う「成形面」とは、被鍛造材を熱間鍛造するために被鍛造材を押圧する面を言い、例えば、所謂金敷のようにその表面形状が平坦であっても良いし、型彫り面が形成されていても良い。

また、本発明では、熱間鍛造用金型の酸化物層の下層に、その酸化物層とは異なる被覆層を形成するのが好ましい。尚、酸化物層の下層とは、酸化物層と熱間鍛造用金型母材との間を言う。上述したように、熱間鍛造用金型母材上にＡｌを主成分とする酸化物層を形成する場合、特殊な雰囲気で酸化物層形成処理が行われることが選択される。これに対し、熱間鍛造用金型母材上に被覆層を形成し、その後酸化物層を形成した方が経済的である場合がある。また、被覆層を形成すると、被覆層上のＡｌを生成分とする酸化物層と相まって、より一層、金型母材と大気中の酸素との直接的な接触を遮断させ、金型母材の酸化を防止することができる。なお、この被覆層を形成した場合においても、被覆層上の酸化物層は酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌを含むＡｌを主成分とする酸化膜が形成されることになる。
この被覆層を設けた場合の酸化物層の形成は、例えば、被覆層上にＡｌを主成分とする酸化膜を塗布や蒸着によって形成しても良いが、被覆層にＡｌを含有させて被覆層を酸化させてＡｌを主成分とする酸化物層を生成させることが好ましい。被覆層の酸化の方法としては、例えば、予備酸化しても良いし、熱間鍛造前の金型予熱によって被覆層を自己酸化させても良い。作業の効率の観点からすると、熱間鍛造前の金型予熱によって被覆層を自己酸化させる方法が好ましい。

上記のように被覆層の自己酸化を促すために、被覆層にはＡｌを含む被覆層の形成が好ましく、中でも、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を選択するのが好ましい。Ｃｒ、Ａｌ、Ｙは親和力が高く、高温での耐酸化性に優れる。Ｎｉは被覆層の延性を高める効果があり、この成分系では表面にＡｌ酸化物を優先的に生成されることができ、また、金型母材との良好な密着性も得ることができる。なお、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を被覆層とする場合、この被覆層を単層としても良いし、異なる組成の被膜層の組み合わせからなる積層構造としても良い。この場合、１層あたり５０〜１００μｍの膜厚とするのが好ましい。１層あたりの厚さが過度に薄いと、被覆層形成の効果が乏しくなる場合がある。また、被覆層の厚さを過度に厚くしても効果が飽和したり、コストが上昇するおそれがあるためである。
なお、上述したＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金の被覆層は、金型表面に溶射によって形成するのが最も経済的である。また、この被覆層と酸化物層は熱間鍛造用金型表面全体に形成することが好ましく、これにより、熱間鍛造用金型全体のスケール剥離を防止することができる。

なお、本発明において、スケール剥離の効果を更に確実なものとするには、熱間鍛造用金型の全ての面（成形面、側面、底面）に酸化物層または被覆層と酸化物層を形成することが好ましい。これにより、高温での大気中の酸素と金型の母材の接触による金型表面の酸化とそれに伴うスケール飛散を確実に防止し、作業環境の劣化及び形状劣化を防止できる。

以下の実施例で本発明をさらに詳しく説明する。真空溶解にて表１に示すＮｉ基超耐熱合金のインゴットを製造した。なお、作製したインゴットの組成を有する合金は表２に示すような優れた高温圧縮強度の特性を有するものであり、熱間鍛造用金型として十分な特性を有するものである。なお、高温圧縮強度は１１００℃で行ったものである。

上記のインゴットから直径５０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円盤状の試験片を切出し、その試験片の円状の表面の片方を５００番相当に研磨した後、研磨面にＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を溶射により被覆して試験片を作製した。膜厚は８０μｍ程度である。この試験片を用いて、被覆層の形成による金型の表面の酸化及びスケール飛散の防止効果の評価を行った。今回作製した試験片は、成形面（押圧面）が平坦な金敷状の熱間鍛造用金型を模擬したものである。

上記のＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を被覆した試験片及びその被覆層を形成しない比較材を用いて、大気中、１１００℃に加熱された炉に投入して復熱した後３時間保持し、その後炉から取り出して空冷させる加熱試験を行った。この加熱試験は、被覆層を酸化させて、Ａｌを主成分とする酸化物層を形成させることを兼ねている。加熱試験は、繰り返しの使用による耐酸化性の低下を評価するため、冷却した後再投入することで繰り返し行った。被覆層が完全に剥離した時点でその試験片については試験を中止することとし、最大１０回まで繰り返した。図１に、本発明の実施例と比較例とになる試験片の被覆層および酸化物層の模式図を示す。Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金の表面の酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３）は、１回目加熱試験中に表面に形成されたものである。また、表面の酸化物層は、エックス線分析装置での定量分析と同定により、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化物を構成する酸素以外の元素が実質的に質量％で１００％Ａｌである）であることを確認した。なお、用いた比較材は、上記試験片と同形状で、同じ研磨を施したものである。また、比較例には酸化物層（酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌを含む）が形成されていなかった。

図２（ａ）に加熱試験を１回行った後のＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を被覆した試験片（本発明の実施例）の評価面、（ｂ）に比較材の評価面の写真を示す。比較材の表面は、加熱前に銀色の金属光沢であったものが酸化により緑色を呈しており、また、細かなスケールに覆われている。一方、本発明の実施例の試験片は、被覆層および酸化物層により表面の酸化が抑制され、評価面における金型の母材の酸化とそれに伴うスケールの飛散が防止されていることがわかる。
図３（ａ）にＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を被覆した試験片（本発明の実施例）の加熱試験１０回目後の写真を示す。この実施例の被覆層および酸化物層は１０回の繰り返し加熱試験でも剥離しなかった。図３（ｂ）に比較材の加熱試験１０回目後の写真を示す。比較材では、１乃至１０回目まで、表面の酸化とそれに伴うスケールの飛散が同様に見られた。これらの結果から、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金を被覆した試験片（本発明の実施例）において、１乃至１０回目まで、被覆層の剥離による酸化防止効果の低下が生じていないことがわかる。

以上の結果から、酸化物層を有する本発明の熱間鍛造用金型は耐酸化性が高く金型表面の酸化とそれに伴うスケールの飛散を防止できることが分かる。特に加熱と冷却の繰り返しを受けても被覆層はと酸化物層剥離せず耐酸化性の低下が抑制されている点で有利であることがわかる。

Claims

質量％で、Ｗ：１０．３〜１１．０％、Ｍｏ：９．０〜１１．０％、Ａｌ：５．８〜６．８％であり、且つ、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるＮｉ基超耐熱合金からなる熱間鍛造用金型の少なくとも成形面または側面の何れかまたは両方の表面に酸化物層を有し、更に、前記酸化物層の下層に、前記酸化物層とは異なる被覆層を有し、前記酸化物層は酸化物を構成する酸素以外の元素が質量％で５０％以上のＡｌであり、前記被覆層がＣｒ、Ａｌ、Ｙ及びＮｉを含む合金であることを特徴とする熱間鍛造用金型。
前記熱間鍛造用金型は、表面全面に前記酸化物層を有することを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型。
前記熱間鍛造用金型は、表面全面に前記被覆層と前記酸化物層とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造用金型。