JPH03294464A - 熱間加工用工具とその製造方法 - Google Patents

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、
特に、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、ガイドシュー、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させたｓＣｒ　　ＩＮｉ
鋼等の似合、金鋼製プラグが知られている（特開昭６０
−８６２６２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プ
ラグ表面で焼付、溶損等が発生し著しく寿命が低下する
。そのため、最近ではＣ。

基台金粉末と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６３−２０４３０
号公報）。また、ガイドシューとしても、高Ｃｒ−高Ｎ
ｉ−Ｆｅの炭化物析出合金（特公昭６２−６６３０号公
報）や、Ｃｏ基、Ｎｉ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。

上記のように、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、Ｃｏ
基、Ｆｅ基、Ｃｒ基以外の工具材料としてＭｏ基合金（
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６２−２０７５０３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） Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｃｒ基の炭化物分散型合金の
工具や酸化物分散型合金の工具は、ステンレス鋼やＮｉ
基耐熱合金の熱間加工用工具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
会合金製工具は、ステンレス鋼やＮｉ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、従来の工具材料であるＮｉ基、Ｃｏ基
、Ｆｅ基、Ｃ「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
高い靭性を有する熱間工具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プラグと
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＊ａ
’熱の発生が小さい。

（ｂ）　　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に炭化物、
窒化物、酸化物、硼化物等の硬質粒子、特に炭化チタン
、が分散した工具は、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、熱間加工用工具の少なくとも被加工
材と接触する表面を構成する母材（マトリクス）として
Ｔｉ合金を選んだ。Ｔｉ合金は、前記Ｍｏ基合金に比べ
、靭性が迩かに高いという大きな利点がある。

本発明は、下記■の熱間加工用工具と、■および■の製
造方法をその要旨とする。

■　少なくとも被加工材と接触する表面にマトリックス
がＴｉ合金であって硬質粒子が分散する層が存在するこ
とを特徴とする熱間加工用工具。

■　ＴｉまたはＴｉ合金の粉末と金属炭化物、金属酸化
物、金属窒化物、金属硼化物、金属間化合物および硼化
炭素の中の１種以上の粉末とを用いて工具素形材表面に
溶射または肉盛することを特徴とする請求項（１）の熱
間加工用工具の製造方法。

■　少なくとも被加工材と接触する表面がＴｉ合金製で
ある工具素形材表面に浸炭処理を施すことを特徴とする
請求項（１）の熱間加工用工具の製造方法。

本発明において、硬質粒子とは凝固過程でマトリックス
中に晶出、析出する物質および凝固の当初から固相のま
までマトリックス中に閉じ込められた金属炭化物、金属
酸化物、金属窒化物および金属硼化物、金属間化合物等
の粒子を意味する。

また、素形材とは最終製品に近い形状の中間製品をいい
、これは全部がＴｉ合金であってもよいが、被加工材と
接触する部分がＴｉ合金でその他の部分が他の材料で作
製されていてもよい。

（作用） 本発明の工具において、少な（とも被加工材に接触する
表面（以下、単に「表面」ともいう）のマトリックスを
Ｔｉ合金とするのは、この工具の使用目的が主にＦｅ合
金またはＮｉ合金製部材の加工であり、そのＦｅまたは
Ｎｉ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、工具表面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
。

Ｔｉ合金の種類としては、工具の使用温度で高強度のも
のが望ましい０例えば、Ｔｉ　　１１．５Ｃｒ　−３Ｖ
−５Ａｆｆｉ、Ｔｉ−６＾ｆｆ１−４　Ｖ、Ｔｉ−６八
〇−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ（以上、α十β合金）、Ｔ
ｉ−１５Ｖ　　３＾ｌ−３Ｓｎ−３Ｃｒ、　Ｔｉ−３Ａ
ｆｆｉ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒ　（以上β合金
）等のα＋β型合金やβ型合金が使用できる。　Ｍｏ、
Ｖ、　Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｗ等の合金成分が合計で１０〜
５０％（特にことわらない限り「％」は「重量％」を意
味する）含まれていることが望ましい。

表面のマトリックスがＴｉ合金であるから、例えば被加
工材がステンレス鋼やＮｉ基合金である場合、マトリッ
クスが摩擦により高温になって固相反応により金属間化
合物が生成しても、次に述べる分散している硬質粒子と
同様に作用を有する。

マトリックス中の硬質粒子は、耐摩耗性を有しマトリッ
クスの摩耗を軽減する。従って、硬質粒子の種類は、金
属炭化物、金属酸化物、金属窒化物、金属硼化物、金属
間化合物あるいは硼化炭素等の硬質粒子であればよい、
これらは１種でもまた２種以上でも使用できる。ＴｉＣ
はマトリックスとの密着性がよく優れた硬質粒子である
。これらの硬質粒子は微細であるのが望ましい。

硬質粒子を分散させるためには、ＴｉまたはＴｉ合金粉
末と硬質粒子の粉末を別々に、または混合してノズルか
ら供給しながら、例えばプラズマアークを用いて素形材
表面の必要箇所に肉盛すればよい。肉盛部が凝固したと
き、晶出または析出した硬質粒子の分散状態が得られる
。肉盛した後は、必要に応して残留応力を除去の熱処理
や、切削、研磨等の工程を経て最終製品形状に仕上げる
。

肉盛層にＴｉＣを分散させる方法としては、ＴｉＣを直
接肉盛する方法もあるが、Ｃｒ３　Ｃ，を肉盛すればＣ
ｒがＴｉ合金中に固溶しＣがＴｉと反応してＴｉＣとな
る現象を利用することもできる。

表層部にＴｉＣを分散させる他の方法として、少なくと
も表面がＴｉ合金製である素形材に浸炭処理を施す方法
がある。研摩代を付与した素形材を、炭素を主成分とす
る公知の浸炭剤中に入れ、高温に保持するとＣがマトリ
ックス中に侵入しＴｉと結合してＴｉＣとなる。浸炭温
度は７００〜１１００°Ｃが望ましい。

工具素形材の材質は、前記のようにα＋β型またはβ型
のＴｉ合金が望ましいが、これは肉盛する対象部分の材
質として望ましいのであって、工具全部がこれらの材質
である必要はない。肉盛部分を上記の材質とし、他は別
の材料とした複合或いは複層の材料で工具素形材を作製
してもよい。

硬質粒子の分散量は３０体積％以下であるのが望ましい
、硬質粒子の分散密度が過度になると、分散層の靭性が
低下する。硬質粒子分散層の厚さは、素形材を切削、研
磨等の手段で仕上げるための仕上代および摩耗による減
肉化を考慮して定めればよい、工具全体に硬質粒子を分
散させて硬化させるのは工具の靭性を低下させるから好
ましくない。

（実施例１） 第１図は、本発明の工具材料と従来の工具材料との摩擦
熱による温度上昇傾向を摩擦圧接試験機によって調べた
結果を示すグラフである。

本発明の工具材料は、Ｔｉ−３Ａｆｆｉ−８Ｖ−６Ｃｒ
４Ｍｏ−４Ｚｒに８５０°Ｃで２０時間浸炭したもの、
従来の工具材料はＣｏ基合金（５８１６）である。

圧接前温度は常温、圧接時の回転数２４０Ｏｒｐｍ、摩
擦時間４秒、試験片寸法φ２０Ｘ　ｆｆ１４０　（ｍｓ
＋）、相手材はオーステナイトステンレス鋼Ｃ３ｌＪＳ
　３０４）のφ２０Ｘ　ｆｆｉ１２０（ａｍ）の棒とし
、種々の摩擦圧力（押しつけ圧力）で摩擦界面部の温度
上昇を放射温度針を用いて測定した。

第１図に示すように、本発明の工具材料は、従来のＣｏ
基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２） 第１表に示すとおり、本発明例として種々のα＋β型ま
たはβ型合金の表面に、Ｔｉ−６ＡＩ！−４Ｖ合金とＴ
ｉ　Ｃ（Ｎｏ、　１　）、ＴｉＣおよびＺｒ０ｔ　（ｋ
　２　）、Ａ　ｌ　２ｏｓ（Ｎ（Ｌ３）、ＴｉＮ（Ｎｌ
１４）、Ｚｒ０ｔ　（Ｎ［Ｌ　５　）を混合し、プラズ
マＰＴＡ）−チにより２蒙醜厚に肉盛したマンネスマン
製管用穿孔プラグを作製し、製管時の穿孔回数（寿命）
およびプラグ表面の損傷状態を調べた。

比較例として表面肉盛をしないもの（階７）、従来例と
してＣｏ基合金粉末とＣｏ粉末とＷＣ粉末とを焼結した
もの（Ｎα８）、高Ｃｒ−高Ｎｉ−Ｆｅの炭化物析出合
金にマグネタイトスケールを付着させたもの（阻９）、
およびＭｏ基合金（Ｔ　Ｚ　Ｍ、　Ｎｌｌｌ０）を準備
した。なお、Ｎ１１６はプラグ表面に浸炭処理を施した
ものであり、浸炭深さは０．５ｍｍである。

準備したプラグを使用し、ただしプラグの予熱をせず、
最大径５０ｍｍ、長さ１００　ｍｍで、φ６０×１１０
００　（−請）のＳＵＳ　３０４のビレットを１２００
°Ｃ加熱でマンネスマン穿孔し耐久性を評価した。１０
回の穿孔までは各穿孔後は放冷したが、１１回目以降は
水冷し、急冷に対する耐久性も調べた。

（以下、余白） 第１表に示すごとく、本発明例であるＮ１１ｌ　−Ｎａ
６のプラグはすべて３０回の７孔を行っても焼付、溶損
、割損等の欠陥は発生しなかったが、従来のプラグであ
るＮα８のＣＯ基合金プラグでは焼付、Ｎα９のＦｅ基
合金プラグでは溶損、階１０のＭＯ基合金プラグでは割
損のため、著しく寿命が短かった。また、比較例の阻７
は１１回目の穿孔後の水冷で割損した。

実施例として示したのは、熱間加工でも最も苛酷な部類
に属する継目無管製造の穿孔用プラグの使用例である。

ここで上記のように優れた性能を示すということは、本
発明の工具が熱間圧延や鍛造用の工具としても極めて好
適であることを実証するものである。

（発明の効果） 本発明の熱間工具はステンレス鋼や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
な高合金鋼やＮｉ基耐熱合金などを加工する熱間加工用
工具として広く利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の工具および従来の工具と、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 (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも被加工材と接触する表面にマトリック
   スがＴｉ合金であって硬質粒子が分散する層が存在する
   ことを特徴とする熱間加工用工具。
2. （２）ＴｉまたはＴｉ合金の粉末と金属炭化物、金属酸
   化物、金属窒化物、金属硼化物、金属間化合物および硼
   化炭素の中の１種以上の粉末とを用いて工具素形材表面
   に溶射または肉盛することを特徴とする請求項（１）の
   熱間加工用工具の製造方法。
3. （３）少なくとも被加工材と接触する表面がＴｉ合金製
   である工具素形材表面に浸炭処理を施すことを特徴とす
   る請求項（１）の熱間加工用工具の製造方法。