JPH04235260A - Ｎｉ基合金素材の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＮｉ基合金素材の製造方
法に関し、更に詳しくは、表面硬度は高く内部は靱性に
富んでいて耐熱疲労特性が優れ、反復する熱応力が表面
に加わっても、その表面に亀裂や皺などの熱損傷を起こ
すことのないＮｉ基合金素材を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｃを０．０３〜０．２０重量％含み、更
にＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＡｌおよびＴｉを必
須成分として含み、Ｎｉがバランス成分であるＮｉ基合
金は析出硬化型の耐熱合金であり、摩耗を伴う高温酸化
に耐える性質も備えているので、溶融ガラスや溶融合金
のような溶融物の成形用ロール，成形用の型などの材料
として使用されている。

【０００３】ところで、ロール部材や型部材の場合、そ
の表面状態は略正確に溶融物の成形品の表面に転写され
るので、表面の鏡面性が要求される成形品を製造する際
には、用いるロール部材や型部材の表面も鏡面状態にな
っていることが必要になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、前記したＮｉ
基合金のロール部材の場合、ロール成形する前はその表
面が鏡面状態になっていても、使用している過程で、次
第に当初の鏡面性が失われていく。そして、比較的短時
間のうちにロール部材の表面の変形が進み、微細クラッ
クや皺などが発生してくる。

【０００５】このような熱損傷が起こると、それが溶融
物の成形品の表面に転写されるので、得られた成形品は
不良品になってしまう。したがって、良好な成形品を得
るためには、ロール部材に上記熱損傷が発生する前の適
宜な時期に、全体の製造ラインを一旦停止して新規なロ
ール部材と交換することが必要になる。

【０００６】しかしながら、このような処置は生産性の
低下を招くことになり、結果として製造コストの上昇を
もたらす。本発明は上記したような問題を解決し、耐熱
疲労特性が優れていて反復する熱応力を受けても破断や
表面の熱損傷が起こりづらく、したがって、仕上げ加工
時における表面の鏡面状態が長期に亘って維持されるＮ
ｉ基合金素材の製造方法の提供を目的とする。

【０００７】ところで、ロール部材の表面鏡面性が使用
過程で失われていく現象や表面破断などは次のような理
由に基づくものと考えられる。すなわち、ロール部材の
稼動時には、その表面に瞬間的に大きな熱応力が加わる
。この熱応力がロール部材を構成する材料の耐力以上で
ある場合には、ロール表面が塑性変形する。そして、ロ
ール表面の耐力が一様ではなく、場所によって異なる場
合には、表面における上記塑性変形の不均一な発生によ
ってロール表面に皺が発生する。また、ロール部材の冷
却時には、その表面に引張応力が発生すると同時に、部
材内部には圧縮応力が発生する。

【０００８】ロール部材の使用時には、ロール部材表面
に上記した加熱−冷却の熱サイクル負荷が反復して加わ
るので、ロール部材は時間の経過とともに熱疲労し、最
後にはその表面が破断してしまうことになる。したがっ
て、表面に反復して加わる熱応力に基づく表面の熱損傷
を防ぐためには、ロール部材表面の耐力を高め、同時に
内部は延性が大きい状態にすることが有効であると考え
られる。

【０００９】本発明は上記推考に基づいてなされたもの
であって、表面硬度は高く（表面の耐力は高く）、内部
は延性に富み、したがって耐熱疲労特性が優れているＮ
ｉ基合金素材の製造方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、Ｃ：０．０３〜０．２０重
量％以下，Ｓｉ：１．０重量％以下，Ｍｎ：３．０重量
％以下，Ｃｒ：１５．０〜２５．０重量％，Ｆｅ：１５
．０重量％以下，Ａｌ＋Ｔｉ：０．１〜５．０重量％，
残部：Ｎｉを必須成分とするＮｉ基合金に、析出炭化物
が固溶する温度で加熱処理を施したのち急冷し、ついで
、表層部と中心部に温度勾配がつくように加熱して前記
表層部のみを時効硬化することを特徴とするＮｉ基合金
素材の製造方法が提供される。

【００１１】本発明方法が適用されるＮｉ基合金は上記
した成分を溶製したものである。これら成分のうち、Ｃ
は他の成分であるＣｒと高強度の炭化物を生成して基地
に分散し、そのことによって基地の強度を高める成分で
ある。その含有量が０．０３重量％未満の場合は上記効
果が充分に発揮されず、また０．２０重量％を超えると
合金の熱間加工性が低下してしまうので、含有量は０．
０３〜０．２０重量％にする。好ましい含有量は０．０
５〜０．１０重量％である。

【００１２】Ｓｉは溶製の脱酸に寄与する成分であるが
、あまり多く含有されているとＮｉ，Ｔｉとの間で金属
間化合物を生成してクリープ強度のような特性の低下を
招くので、その含有量の上限は１．０重量％とする。好
ましくは０．３重量％以下にする。ＭｎはＳｉと同様に
溶製の脱酸に寄与するとともに、熱間加工性の改善にと
って有効な成分である。しかしその含有量が多すぎると
高温強度の低下のような問題が生ずるので、含有量の上
限値は３．０重量％とする。好ましくは０．５重量％以
下にする。

【００１３】ＣｒはＮｉと一緒になって基地のオーステ
ナイト組織を安定化するとともに、耐酸化性の確保にと
って不可欠な成分である。その含有量が１５．０重量％
未満の場合は、上記効果が充分に発揮されず、また２５
．０重量％より多くなると熱間加工性が低下するので、
その含有量は１５．０〜２５．０重量％とする。好まし
くは１８．０〜２２．０重量％である。

【００１４】Ｆｅは熱間加工性の向上に寄与する成分で
あるが、あまり多く含有していると、高温強度の低下が
起こりはじめるので、その含有量の上限値は１５．０重
量％とする。好ましくは５．０重量％以下にする。Ａｌ
とＴｉは、Ｎｉと反応して金属間化合物Ｎｉ３（Ａｌ，
Ｔｉ）を生成し、これが析出することにより基地の強度
向上に寄与するが、その含有量が少なすぎると上記効果
が充分に発揮されず、また多すぎると加工性の低下を招
くので、その含有量は上記範囲にすることが好ましい。 より好ましくは２．５〜４．０重量％である。

【００１５】なお、Ｔｉは、その一部がＭＣ型炭化物を
生成し、この炭化物が基地に分散して基地の強度向上に
寄与する。本発明で使用する合金は上記した成分を必須
とするものであるが、更に、Ｗまたは／およびＭｏ：５
．０〜２０．０重量％，ＮｂとＴａが合量で０．０５〜
７．０重量％，Ｈｆ：０．０１〜５．０重量％，Ｚｒ：
０．０１〜０．５重量％，Ｂまたは／およびＣａ：０．
００１〜０．０１重量％，Ｙまたは／および希土酸元素
（ＲＥＭ）：０．００５〜０．１重量％の少なくとも１
種が任意成分として含有されていてもよい。

【００１６】Ｗまたは／およびＭｏはその一部が基地に
固溶して強化するとともに、一部はＣと反応して高硬度
の炭化物となり、それが基地に分散して硬度向上に寄与
する。その含有量が５．０重量％未満の場合は上記効果
が充分に発揮されず、また２０．０重量％よりも多くな
ると熱間加工性の低下を招く。より好ましくは３．０〜
６．０重量％である。

【００１７】なお、Ｗ，Ｍｏはそれぞれ単独で含有され
ていてもよいし、また一緒に含有されていてもよい。後
者の場合は、その合量が上記範囲になることが必要であ
る。Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒはいずれも一部は基地に固
溶し、他は化合物を生成して、その分散により基地の強
度向上に資する。とくに、Ｎｂ，Ｔａは、その一部が基
地に固溶して強化するとともに、一部は時効処理時に、
前記したＡｌ，Ｔｉの場合と同様にＮｉと反応して金属
間化合物Ｎｉ３　Ｎｂ，Ｎｉ３　（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ）
を生成し、その析出強化により基地を強化する。その含
有量が含量で０．０５重量％より少ない場合には上記し
た効果が充分に発揮されず、また７．０重量％より多く
なると熱間加工性の低下が引き起こされる。好ましい含
有量は、含量で３．０〜５．０重量％である。

【００１８】また、Ｈｆ，Ｚｒは、その一部が基地に固
溶し、他はＣとＭＣ型炭化物を生成する。Ｈｆ，Ｚｒの
好ましい含有量は、Ｈｆ：０．５〜１．０重量％、Ｚｒ
：０．０５〜０．１重量％である。Ｂ，Ｃａ，Ｙ，ＲＥ
Ｍはいずれも熱間加工性の向上に寄与する成分であるが
、これらのうち、Ｃａ，Ｙ，ＲＥＭは更にスケールの耐
スポーリング性の向上にも資する。含有量が少なすぎる
と上記効果は充分に発現せず、また多すぎると逆に熱間
加工性の低下を招くようになるので、それぞれの含有量
は上記した範囲内に規制することが好ましい。より好ま
しくは、ＢまたはＣａ：０．００３〜０．００５重量％
，Ｙまたは／およびＲＥＭ：０．００５〜０．０１重量
％にする。

【００１９】本発明方法においては、まず、上記した組
成のＮｉ基合金を溶製し、そのインゴットを製造する。 このときの溶製の方法は格別限定されないが、例えば、
常用の真空誘導溶解（ＶＩＭ），真空アーク溶解（ＶＡ
Ｍ），エレクトロスラグ溶解（ＥＳＲ）などを適用でき
る。これらの溶解法のうち、ＥＳＲは、外系からの不純
物が混入しにくいこと、偏析の少ない鋳造組織を得るこ
とができること、経済性に優れることなどの点で好適で
ある。

【００２０】ついで、得られたインゴットに、常用の分
塊鍛造または分塊圧延を行なってその鋳造組織を破壊し
たのち、所定の熱処理を施して組織を均質化したビレッ
トにする。その後、得られたビレットに後述する処理を
順次施して表層部のみが選択的に時効硬化し中心部は高
延性になっている素材にする。

【００２１】本発明は、この表層部の選択的な時効硬化
をつぎの時系列で行うことを特徴とするものである。ま
ず、ビレットの基地組織に析出している炭化物を固溶し
て組織全体を均質にする。この固溶化処理の条件は、ビ
レット材料の組成，材料のサイズなどによって変えるこ
とになるので一義的に決めるわけにはいかないが、その
固溶化温度をあまり高くしすぎると粗大な結晶粒が成長
しはじめ、また逆に低すぎると炭化物の固溶が円滑に進
まず、基地組織の均質化が実現しない。

【００２２】このようなことから、前記した組成の材料
の場合には、その固溶化の条件は、概ね、温度が１００
０〜１１５０℃、処理時間は２時間以上に管理される。 固溶化処理後に、材料は急冷されてその組織が凍結され
る。このときの急冷温度はその材料の再結晶温度以下に
設定される。この温度より高い温度であると、前記した
固溶化処理で実現した組織状態が変調するからである。

【００２３】また、この急冷時における冷却速度は大き
ければ大きいほど効果的で、例えば水冷，油冷などの手
段を採用することが好ましい。その後、ビレットの表層
部にのみ時効処理が施される。この場合、表層部は時効
硬化の起こる温度となるように、また中心部は時効硬化
が起こらない温度となるように、表層部から中心部には
温度勾配が生ずるような加熱処理が行われる。

【００２４】例えば、ビレットが中空体である場合には
、その中空部に冷却水や冷却油のような冷媒を常時流し
続けた状態で、ビレット全体を時効硬化が起こる所定温
度雰囲気に曝せばよい。このような方法によって、中空
体の肉厚部における表層部は時効温度に達するのでその
部分が時効硬化する。しかし、肉厚部における冷媒側の
部分は時効温度に達しないので時効硬化しない。すなわ
ち、この中空体の肉厚部において、表層部側は硬度が高
くなるが、中心部側にいくほど硬度は高くならず、逆に
延性が確保されることになる。

【００２５】また、ビレットが板体である場合は、その
一方の面を例えば冷媒で冷却されている治具と接触させ
た状態で、他方の面のみを時効硬化が起こる温度に加熱
すればよい。この場合も、前記中空体の場合と同じよう
に、板体の厚み方向で温度勾配が生ずるので、表層部（
他方の面）のみが選択的に時効硬化し、残りの面は延性
が確保された状態になる。

【００２６】この表層部の選択的な時効処理時の条件は
、ビレット材料の組成によって変えることが必要になる
が、概ね、表層部に対し、温度６５０〜８５０℃で４時
間以上の時効処理となるような条件に管理される。温度
が６５０℃より低いと時効硬化が起こらず、また８５０
℃より高くなると、過時効となって軟化が早く生じて、
所望する性能が得られなくなるからであり、更に、上記
温度域における処理時間が４時間より短いと、充分な時
効硬化が起こらないからである。

【００２７】なお、本発明においては、固溶化処理と時
効処理の中間で、時効硬化を一層有効に発揮させるため
に、材料に熱間の仕上げ加工を施してもよい。この仕上
げ加工時における加工温度は９５０〜１０５０℃である
ことが好ましい。加工温度が９５０℃より低い場合は、
材料の変形抵抗が大きくなって加工が著しく困難となり
、また１０５０℃より高い温度の場合は、これまでの過
程で蓄積されてきた加工歪みの全てが開放されてしまっ
て緻密な組織を得ることができなくなる。すなわち充分
な硬さが得られず、したがって表面の鏡面性を維持する
ことが困難になるからである。

【００２８】仕上げ加工は加工率が５〜４０％となるよ
うに行われていることが好ましい。この加工率が５％未
満であるような加工を行っても、時効処理時における表
層部の時効硬化の更なる向上は認められない。また、加
工率が４０％より大きい加工を行うと、時効処理時にお
ける表層部の硬度は有効に向上するが、しかし他方では
材料の中心部にも加工歪みが蓄積されて、時効処理時に
中心部も時効硬化が起こりはじめ、その結果、中心部の
延性低下が引き起こされるようになる。

【００２９】

【実施例】表１に示したような各種組成のＮｉ基合金を
溶製した。

【００３０】

【表１】

【００３１】これらのビレットに対し、表２で示した条
件で固溶化処理→急冷→仕上げ鍛造を行い、得られた素
材を切削加工して、外径３０ｍｍ，内径１０ｍｍ，長さ
８０ｍｍの中空ロールを製作し、この中空ロールの中に
温度約２０℃の水を流しながら表面を表２の条件で高周
波加熱した。なお、表２中の比較例１，２に関しては、
中空部を水冷することなく全体の表面を表２の時効処理
の条件で熱処理した。

【００３２】処理後の中空ロールの表面と中空部内面の
硬度（Ｈｖ）を測定し、その結果を表２に示した。また
、各中空ロールの中空部を水冷（約２０℃）状態にし、
８００℃で２０秒間保持→室温まで冷却→再び８００℃
で２０秒間保持を１サイクルとする熱処理を１００回反
復し、中空ロールの横断面の表面におけるクラックの発
生状況を顕微鏡観察してそれら素材の耐熱疲労特性を判
断した。なお、クラックの発生状況は、ロール横断表面
の単位面積（ｃｍ２）に発生しているクラックの長さ（
ｍｍ）の総和で表した。

【００３３】その結果を表２に示した。

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法で製造されるＮｉ基合金素材は、その表層部だけが選
択的に時効硬化していて、中心部は延性に富んでいるの
で、表面に反復する熱応力が加わっても表面クラックの
発生は抑制され、耐熱疲労特性に優れている。

【００３６】したがって、本発明方法で製造されたＮｉ
基合金素材は、溶融ガラスや溶融金属などの成形ロール
，押出しダイスの材料として有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｃ：０．０３〜０．２０重量％以下，
   Ｓｉ：１．０重量％以下，Ｍｎ：３．０重量％以下，Ｃ
   ｒ：１５．０〜２５．０重量％，Ｆｅ：１５．０重量％
   以下，Ａｌ＋Ｔｉ：０．１〜５．０重量％，残部：Ｎｉ
   を必須成分とするＮｉ基合金に、析出炭化物が固溶する
   温度で加熱処理を施したのち急冷し、ついで、表層部と
   中心部に温度勾配がつくように加熱して前記表層部のみ
   を時効硬化することを特徴とするＮｉ基合金素材の製造
   方法。
2. 【請求項２】　　請求項１のＮｉ基合金に１０００〜１
   １５０℃の温度域で少なくとも２時間の固溶化処理を施
   したのち急冷し、ついで、表層部のみを６５０〜８５０
   ℃の温度域で少なくとも４時間加熱して前記表層部を選
   択的に時効硬化する請求項１に記載のＮｉ基合金素材の
   製造方法。