JPH03229837A

JPH03229837A - 熱間加工工具用Ｔｉ基合金とその製造方法

Info

Publication number: JPH03229837A
Application number: JP2281090A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Sugimoto; 杉本　由仁; Wataru Takahashi; 渉高橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1991-10-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、金属材料の熱間加工の際に使用する工具用
の合金、特に、ステンレス鋼等の鉄鋼材料、Ｎｉ基耐熱
合金などの熱間加工に用いて、被加工材との焼付、凝着
等に対する優れた抵抗性と高い靭性を有する工具用Ｔｉ
基合金とその製造方法に関する。

（従来の技術）金属材料の熱間加工用工具としては、例えば、熱間圧延
用ロール、熱間押出用ダイス、鍛造用金型、更に継目無
鋼管製造用工具（ピアサプラグ、ガイトンニー、エロン
ゲータ−プラグ）などが代表的なものであり、被加工材
の種類や加工条件などに応して種々の材質の工具が用い
られている。

金属材料を高温域で加工する場合、被加工材と工具の間
では高い面圧が加わりながら相対すべりを生ずるため、
焼付が発生する場合がある。この焼付により工具寿命は
短くなり、工具の補修、交換に伴う製造コストの上昇の
みならず被加工材（加工製品）に致命的な表面欠陥を生
しさせる場合がある。

近年、高い耐食性や高温強度を有する材料の需要が増し
てきていることから、合金成分を多量に含むステンレス
鋼やＮｉ基耐熱耐食合金のような加工の難しい金属材料
の使用が多くなってきた。このような材料の継目無管や
板材の大量生産化が望まれているものの、これらの材質
は高温変形抵抗が高いため、熱間加工の際には、従来の
炭素鋼の加工の際より著しく高い面圧が加わる。そのた
め、従来の炭素鋼程度の変形抵抗レベルの材料の加工で
は問題とならなかった焼付、凝着等の問題が重要視され
てきた。

そこでこの焼付等に対して優れた抵抗性を有する工具お
よび工具用合金の開発が試みられ、下記のような幾つか
の提案がある。

例えば、継目無鋼管の製造設備であるピアサのプラグで
は、表面に酸化スケールを付着した３Ｃｒ］Ｎｉ鋼等の
低合金鋼製のプラグが知られている（特開昭６０−８６
２６２号公報）。このプラグは、炭素鋼の継目無管製造
には有用であるが、ステンレス鋼の製管時には酸化スケ
ールが取れてプラグ表面で焼付、溶損等が発生し、また
変形も伴い著しく寿命が低下する。そのため、最近では
Ｃｏ基合金粉末とＦｅ基合金粉末にＷＣ粒子を混合して
焼結したプラグが提案されている（特開昭６３−２０４
３０号公報）。

また、ガイドシューとしても、高Ｃｒ−高Ｎｉ　−Ｆｅ
の炭化物析出合金（特公昭６２−６６３０号公報）や、
Ｃｏ基、Ｎ１基の基地にＣｒ５Ｃｚを分散させたサーメ
ットを溶射したもの（特開昭６３−１８０４４号公報）
が提案されている。

熱間圧延用ロールとしても、高Ｃｒ鋳鉄等のＦｅ基炭化
物分散合金が使われるようになっている。

上８己のように、これまでステンレス鋼の継目無管や板
材の製造に用いる熱間加工工具の材質としては、Ｎｉ基
、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｃｒ基の炭化物分散合金や酸化物分
散合金が検討されてきた。更にまた、近年、Ｎｉ基、Ｃ
ｏ基、Ｆｅ基、Ｃｒ基以外の工具材料としてＭｏ４合金
（ＴＺＭ）がピアサ−プラグや恒温鍛造金型の材料とし
て注目されつつある（特開昭６２２０７５０３号公報、
「製鉄研究」第３３０号（１９８Ｂ）　、　５９）。

（発明が解決しようとする課題）Ｎ１基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｃｒ基の炭化物分散型合金の
工具用合金や酸化物分散型合金の工具用合金は、ステン
レス鋼やＮｉ基耐熱合金の熱間加工用工具用合金として
はまだ焼付に対して充分な抵抗性を有しているとは言え
ない。また、Ｍｏ基合金製の工具は、ステンレス鋼やＮ
ｉ基耐熱合金との焼付に対して優れた抵抗性を有してい
るものの、靭性が低く、このような工具用合金は４００
°Ｃ位に予熱して使用しなければ割損が生ずるという問
題がある。

本発明の目的は、従来の工具用合金であるＮｉ基、Ｃｏ
基、Ｆｅ基、Ｃｒ基の炭化物分散合金や酸化物分散合金
よりもさらにステンレス鋼やＮｉ基耐熱合金との焼付に
対する抵抗性に優れ、かつ予熱せずとも割損しないよう
な高い靭性を有し、優れた耐久性を有する熱間工具用合
金とその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者は、種々の材料間の摩擦熱の発生について検討
を重ね、例えば、継目無管製造の際の穿孔時のガイドシ
ューと被加工材との焼付きを、摩擦圧接試験の摩擦熱で
評価できることを見出し、この評価方法により下記の事
実を確認した。即ち、（ａ）　　材料間（工具と被加工
材）で相互固溶が小さい場合、言い換えれば、両材料を
構成する元素が金属間化合物を生成する関係にある場合
に摩擦熱の発生が小さい。

（ｂ）　　また被加工材と上記の関係（金属間化合物を
生成する関係）にある元素を主とするマトリクス中に炭
化チタンが晶出または析出分散した材質は、これらの粒
子の潤滑効果と接触面積の低減効果により、さらに摩擦
熱の発生が小さい。

上記の知見を基に、本発明者は熱間加工用工具合金とし
て、Ｔｉ基合金を選んだ。Ｔｉ基合金は、前記Ｍｏ基合
金に比べ、靭性が蟲かに高いという大きな利点がある。

本発明は、下記の（１）と（２）の熱間加工工具用Ｔｉ
基合金ならびに（３）、（４）および（５）の製造方法
をその要旨とする。

なお、本明細書において％は特に断らない限り重量％を
意味する。

（１）少なくともＭｏ、■およびＷの１種以上を含み、
Ｍｏ（χ）−１−０，８Ｖ（χ）＋１．５（Ｘ）Ｗが８
〜６０％、ただし、Ｗの含有量の上限は３５％、である
ことを特徴とする熱間加工工具用Ｔｉ基合金。

（２）更に、２．０％までのＣを含み、ＴｉＣを主体と
する炭化物粒子が分散していることを特徴とする上記（
１）の熱間加工工具用Ｔｉ基合金。

（３）　　Ｗ［としてＷ２Ｃまたは／およびＷＣを使用
し、溶解法によって製造することを特徴とする上記（１
）または（２）の熱間加工工具用Ｔ１基合金の製造方法
。

（４１Ｗ　’ｔｆ９としてＷ粉末を用い粉末焼結法によ
り製造することを特徴とする前記（１）または（２）の
熱間加工工具用Ｔｉ基合金の製造方法。

（５）炭素を含むるつぼを使用して溶解することを特徴
とする上記（１）または（２）の熱間加工工具用Ｔ基合
金の製造方法。

本発明の（１）のＴｉ基合金は、Ｍｏ、■およびＷの少
なくとも１種を必須の成分とし、その含有量が８（χ）
≦　Ｍｏ（χ）＋０．８Ｖ（χ）＋１．５（χ）Ｗ≦６
０（χ）・・・■の式を満たすことを特徴とする。

上記のＭｏ、■、Ｗの外にＴｉ合金に通常含有されるＡ
Ｐ、Ｓｎ、　Ｚｒ等のα相形成元素、Ｆｅ、　Ｃｒ、　
Ｍｎ等のβ相形成元素を含有していてもよく、また０、
Ｎ、Ｓｉ等の不純物元素は通常のレベルで含まれていて
も熱間工具用合金としての性能には大きな悪影響は与え
ない。

前記０式から明らかなように、実質上Ｗが含まれない場
合は、Ｍｏ（χ）＋０．８Ｖ（χ）が８〜６０％でなけ
ればならない。

Ｍｏと■が実質的に含有されていない場合は、Ｗの含−
１１量は■弐から５．３３〜４０．００％となるが、後
述する理由で、Ｗ含有量の上限は３５％までとしなけれ
ばならない。

（２）の合金は、上記（１）の組成を基本とし、さらに
２．０％までのＣを含み、ＴｉＣを主体とする炭化物が
晶出または／および析出して分散していることを特徴と
する。この場合、Ｃは０．４％以上含有されていること
が望ましい。

本発明合金の製造方法としては、これに限定されるわけ
ではないが、前記の（３）、（４）および（５）の方法
が推奨される。即ち、溶解法で製造する場合は、Ｗ源と
して一２Ｃまたは／およびＷＣを使用して溶製するのが
よい。また、粉末焼結法による場合は、ｗｌとしてＷ粉
末を用いのが望ましい。

以下、本発明合金とその製造方法について更に詳しく説
明する。

（作用）本発明において熱間加工工具用合金としてＴｉ基合金を
選んだのは、Ｆｅ基合金またはＮ１基合金の熱間加工に
おいて、そのＦｅまたはＮ１とＴｉとが金属間化合物生
成関係にあるからである。先に述べたように、工具を構
成する元素と被加工材を構成する元素とが、金属間化合
物を生成する関係にある場合、摩擦熱の発生が小さく、
焼付が発生し難い。

必須の合金元素としてＭｏ、■、Ｗを選んだ理由は、こ
れらの元素は熱間加工用工具が曝される１０００″Ｃ以
上の高温でのＴｉ合金の強度を上げるのに有効であり、
これらの元素が少ないと熱間工具用合金としての高温強
度が不足し、例えばピアサプラグにおいては、先端部に
へたり　（変形）が生じ、例えばガイドシューにおいて
は摩耗が激しくなり、ともに熱間工具としての寿命が著
しく短くなる。

高温強度を向上させる各重量％当たりの効果はＷが最も
大きく、次いでＭｏ、続いて■であり、その影響度はＭ
ｏ（り　＋０．８Ｖ　（χ）＋１．５（χ）Ｗで表され
る。

本発明において、Ｍｏ（り＋０．８Ｖ［り＋１．５（Ｘ
）Ｗの下限を８％としたのは、使用中に加わる面圧が比
較的低いガイドシューなどでは、８％未満でも焼付は発
生しないものの摩耗が激しくなるためである。

一方、上限を６０％としたのは、これを超えると工具の
焼付、摩耗には問題がないが、早期にクランクが発生し
寿命が短くなるからである。またピアサプラグにおいて
は、穿孔後のピアサプラグのへたり（変形）を防止する
という点から、Ｍｏ（χ）十０．８Ｖ（χ）＋１．５（
χ）Ｗを３０％以上とするのが望ましい。

Ｍｏ、■を添加しない場合は、前記の０式の下限を満足
するＷの含有量は５．３３％である。それより低いｗｌ
では高温強度が不足する。しかし、Ｗの含有量が３５％
を超えると脆弱な析出相が出るために、例えばガイトン
ニーとして使用した場合には靭性不足で割損することが
多くなる。従って、Ｗの場合は、含有量の上限を３５％
とするのがよい。

なお、その他の許容できる添加成分としては、ＡＩ、Ｓ
ｎ、　Ｚｒ、　Ｆｅ、　Ｃｒ、　Ｍｎがあり、それぞれ
の許容範囲は、ＡＩ：２０％以下、Ｓｎ　：　１０％以
下、Ｚｒ：１０％以下、Ｆｅ　：　１０％以下、Ｃｒ　
：　１５％以下、Ｍｎ　：　１５％以下である。

Ｔｉ基合金においてはＣの固溶量は小さく、Ｃが０．４
％以上入るとＴｉＣが晶出または析出する。また、Ｚｒ
を含む場合もＺｒＣが晶出または析出する。

前記の組成を持つ本発明のＴｉ基合金のマトリックスに
ＴｉＣが晶出、析出するとさらに焼付きにくくなり、例
えばガイドシューとして使用した場合には、その寿命が
一層長くなる。Ｃの含有量が高くなるにつれ耐焼付性は
向上するが、２．０％を超えると、例えばガイドシュー
等として使用した場合にクラックが発生することがあり
、被加工材の外面にきすがつく。したがってＣの含有量
は２．０％までにとどめるのがよい。なお、前記のよう
に、この種のＴｉ基合金のＣの固溶限はおよそ０．４％
であるから、ＴｉＣの積極的な晶出、析出を図る場合は
、０．４％以上のＣを含有させるのがよい。

ＺｒＣの存在もまた耐摩耗性の改善に寄与する。

次に本発明合金の製造方法について述べる。

本発明の合金は、Ｔｉ合金についての周知の溶解法、す
なわち水冷銅鋳型を用いる消耗電極式真空溶解法、非消
耗電極式真空溶解法、プラズマ溶解法等による多重溶解
により製造することができる。

合金成分であるＷは特に高融点金属であるため、ｗ６と
して金属Ｗを用いれば、例えば５％以上のＷを含む合金
を前記の溶解法にで製造する場合は、へ重溶解以上の多
重溶解を必要とする。しかしＷａとしてＷ２ＣまたはＷ
Ｃを使用する場合は、四重溶解以下で均質とすることが
できる。これは金属Ｗの融点が３３８２°Ｃと金属中で
最高であるのに対して、Ｗ２ＣとＷＣの融点はそれぞれ
２８５０°Ｃおよび２７００°Ｃであるため溶けやすく
、溶は残りや偏析が少ないことによる。

Ｍｏや■を含む合金を溶解する場合、ｌ／！−Ｍｏ母合
金やへ〇−Ｖ母合金を用いればＭｏや■の溶は残りや偏
析を抑制することができる。

なおＷａとして金属粉末Ｗを用いる場合、粉末焼結法に
よっても製造することができる。この方法によれば溶解
コストを大幅に低下させることができる。

なお、粉末冶金法によって本発明合金を製造する場合は
、原料粉末としては、Ｔ１粉、Ｔ基合金粉、Ｍｏ粉、■
粉、Ｗ粉などを適宜配合して、プレス成形し、およそ１
２００〜１６００°Ｃで焼結する。ＣＩＰ後の焼結やＨ
ｉ　ｐの技術を用いて焼結材を製造することもできる。

さらに炭素を含有する合金を溶解する場合、前記の熔解
法において炭素を含むるつぼ、例えば黒鉛るつぼや炭素
るつぼ、を用いることができる。

一般のＴｉ基合金の溶製では、炭素による汚染を避ける
ため、水冷銅鋳型を使用するのであるが、本発明合金は
炭素を添加する場合があるため、炭素を含むるつぼの使
用も可能である。即ち、本発明合金は、溶解法として極
めて特殊な水冷鋳型を用いる消耗電極式真空溶解炉、非
消耗電極式真空溶解炉、プラズマ溶解炉などを必須とせ
ず、周知の高周波真空溶解炉でも製造できるのである。

そのため使用しうる溶解炉の種類が多岐にわたり、設、
備コストや溶解コストを大幅に低下させることができる
。

第１図は、摩擦圧接試験機によって、本発明の熱間工具
用合金と、従来の工具用合金との摩擦熱による温度上昇
傾向を調べた結果を示すグラフである。

本発明の工具用合金は、Ｔｉ−３Ａｊ２−８Ｖ−６Ｃｒ
４Ｍｏ−４Ｚｒの組成のもの（第１表のＮｏ、２９　）
、従来の工具用合金は、３６Ｃｒ　−３３Ｎ　ｉ　−２
５Ｆｅ合金である。

圧接前温度は常温、圧接時の回転数２４０Ｏｒｐｍ、回
転時間４秒、回転停止後の押付時間１秒、試験片寸法φ
２０Ｘ　４２４０　（ｍｍ）　、相手材はオーステナイ
トステンレス１ｌｉ（ＳＯ５３０４）のφ２０　Ｘ　１
２１２０（ｍｍ）の棒である。温度上昇は圧接界面部の
温度を放射温置針を用いて測定した。

第１図に示すように、本発明の工具用合金は、従来のＣ
ｒ−Ｎｉ−Ｆｅ合金より明らかに摩擦熱による温度上昇
が小さく、摩擦熱による焼付が起こりにくいことがわか
る。

（実施例１］消耗電極式真空溶解法、黒鉛るつぼを用いた高周波真空
熔解法および粉末焼結法により、第１表に示すＮｏ、　
１〜４０の本発明合金とＮｏ、４１〜６１の比較合金を
製造した。また、真空高周波溶解によりＮｏ、６２の従
来のＣｒ−Ｎｉ−Ｆｅ合金を溶製した。いずれも、ｔ　
７０Ｘｗ　３００　ＸＬ　７００　（ｍｍ）の塊を各２
個ずつ１！備した。第１表の製法欄の（ａ）は消耗電極
式真空溶解法、（［））は粉末焼結法、（Ｃ）は黒鉛る
つぼを用いた高周波真空溶解法によって製造したことを
示す。

ここで、Ｗを含む低Ｃの本発明合金のうちＮｏ、　７〜
９．１３〜２１．２４．２６〜２８と比較合金のうちＮ
０４５．４６．４９〜６０はＷ粉末と他の合金元素の粉
末を混合した後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行い、
１２５０°Ｃにおいて真空炉内で焼結を行って製造した
。また、Ｗを含む高Ｃの本発明合金（Ｎｏ、３４．３６
〜３８）は、Ｗ２Ｃを使用し、黒鉛るつぼを用いた高周
波真空溶解法によって製造したものである。

一方、Ｍｏ、■を含む合金については、これらの量が多
い場合にはＡｌ−Ｍｏの母合金、Ａｌ−Ｖの母合金と、
微調整のための粉末Ｍｏ、粒状■を用い、Ｍｏ、■量が
少ないものについては粉末Ｍｏ、粒状■を用い他の溶解
原料と混合した後冷間プレスで成形し、その成形体を２
３個つなぎ合わせて電子ビム溶接し、消耗式電極を作製
して真空アーク溶解を２回繰り返して行い、本発明合金
（Ｎｏ、１〜６．１０〜１２．２２．２３．２５．２９
〜３３．３５．３９．４０）を準備した。ここで用いた
母合金は、Ａｎ−Ｍｏ、ＡｆｆｉＶとも重量比で＋５：
　８５の組成のものである。

Ｎｏ、４１〜６１の比較合金は、本発明で規定する組成
範囲から外れる合金である。

なお溶解法で製造する場合、Ｗが５％以下の合金は二重
溶解、Ｗが５％を超える合金は四重溶解とした。Ｗ＃は
ＬＣである。

これらの塊より、マンネスマン製管の穿孔機用のガイド
シューを削り出しにより作製し、オーステナイトステン
レスｌｉｉ！　（ＳＵＳ３０４）を穿孔する場合のガイ
ドシューとして使用し、その寿命（製管材の外面きずが
著しくなり、使用できなくなるまでの穿孔回数）を調査
した。

穿孔工程のビレットの加熱温度は、１２００°Ｃ、ビレ
ット長さφ１８３　Ｘ　４２２０００　（ｍｍ）、穿孔
比３．０であり、穿孔本数の最大は２００本とした。各
ガイドシューの試験でのＮ数は２である。

第１表に示すごとく、本発明の合金から作製したＮα１
〜４０のガイトンニーは、焼付が発生することなく２個
とも寿命は著しく長い。これに対して、従来の合金（Ｎ
ｏ、６２　）のガイドシューでは、２個とも早期に焼付
が生し、著しく寿命が短い。

また、Ｍｏ（χ）＋０．８Ｖ（χ）＋１．５Ｗ（χ）が
８％に満たない比較合金（Ｎｏ、４１．４３．４５．４
７．４９．５２．５５）では、摩耗により、一方、Ｍｏ
（χ）＋０．８Ｖ　（Ｘ）　＋１．５Ｗ（χ）が６０％
を超える比較合金（Ｎｏ、４２．４４．４８．５０．５
３．５６．５８．５９．６０）と、Ｗの高すぎる比較合
金（Ｎｏ、４６．５１．５４．５７）およびＣの高すぎ
る比較合金（Ｎα６１）ではクラックが発生して寿命が
短い。

実施例として示したのは、熱間加工でも最も苛酷な摩擦
をうける部類に属する継目無管製造の穿孔用ガイドシュ
ーの使用例である。ここで上記のように４１れた性能を
示すということは、本発明の合金が熱間圧延や鍛造用の
工具用材料としても掻めて好適であることを実証するも
のである。

（以下、余白）〔実施例２〕真空アーク溶解法により第２表に示す組成を有する本発
明合金を製造した。Ｎα６３〜６６は本発明のＷ源とし
てｕ２０あるいはＷＣを用いて製造したもの、Ｎｏ、６
７．６８は粉末Ｗをｗｌとして用い製造したものである
。

これらの合金の製造に当たっては、実施例１の真空アー
ク溶解したものと同しく、上記のＷ源、スポンジＴｉお
よび他のＡｌ１．Ｓｎ等の溶解原料を混合した後、φ２
００　Ｘ　ｈ　１００　（ＩＩｌｍ）の寸法に冷間ブレ
スで成形し、この成形体を２３個つなぎ合わせて電子ビ
ーム溶接し、消耗式電極を作製して真空アーク溶解を実
施した。熔解後インゴットの中央部を切断し、硝酸と弗
酸の混酸でエツチングを行い、Ｗの溶は残り、偏析の有
無を１０倍の倍率の顕微鏡でチエツクした。溶は残り、
偏析が検出された場合には、切断したところを電子ビー
ム溶接でつなぎ電極とした後、再度真空アーク溶解を行
い、同様に溶は残り、偏析のチエツクを行った。このよ
うにして溶は残り、偏析が検出できないところまで均質
化した時の熔解回数を調査した。

第２表に示すごと＜、Ｗ、ＣまたはＷＣを用いて溶製し
た場合（Ｎα６３〜６６）は、均質化に至るまでの溶解
回数がＷ粉末を用いた場合（Ｎα６７．６８）に比べ著
しく少なくなることがわかる。このようにＷを含む本発
明合金を溶解法によって製造する場合には、ｗＢとして
一２Ｃまたは／およびＷＣを使用すれば、少ない溶解回
数で製造することが可能となり、電力費をはじめとする
コストを下げ、また短い工程で済ませることができる。

（発明の効果）本発明の熱間工具合金はステンレス鋼やＮｉ基合金など
の被加工材に対して、摩擦熱の発生が小さく、工具とし
て使用しても焼付に対しての抵抗性が高い。従って、工
具自体の寿命が長くなり、かつ製品に疵などを発生させ
ることも少なくなる。

また、予熱せずとも割れずに使用できるため、特に高い
変形抵抗を有するステンレス鋼のような高合金網やＮ１
基耐熱合金などを加工する熱間加工工具用合金として広
く利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の工具用合金および従来の工具用合金
と、オーステナイトステンレス鋼との摩擦圧接の際の温
度上昇を測定した結果を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくともＭｏ、ＶおよびＷの１種以上を含み、
重量％で、Ｍｏ（％）＋０．８Ｖ（％）＋１．５（％）
Ｗが８〜６０％、ただし、Ｗの含有量の上限は３５％、
であることを特徴とする熱間加工工具用Ｔｉ基合金。
（２）更に、２．０重量％までのＣを含み、ＴｉＣを主
体とする炭化物粒子が分散していることを特徴とする請
求項（１）の熱間加工工具用Ｔｉ基合金。
（３）Ｗ源としてＷ＿２Ｃまたは／およびＷＣを使用し
、溶解法によって製造することを特徴とする請求項（１
）または（２）の熱間加工工具用Ｔｉ基合金の製造方法
。
（４）Ｗ源としてＷ粉末を用い粉末焼結法により製造す
ることを特徴とする請求項（１）または（２）の熱間加
工工具用Ｔｉ基合金の製造方法。
（５）炭素を含むるつぼを使用して溶解することを特徴
とする請求項（１）または（２）の熱間加工工具用Ｔｉ
合金の製造方法。