JPH04235261A - Ｃｏ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Ｃｏ基合金素材の製造方
法に関し、更に詳しくは、表面の耐力は高く内部は靱性
に富んでいて耐熱疲労特性が優れ、反復する熱負荷が表
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Ｃｏ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，ＷまたはＭｏを必須
成分として含み、Ｃｏがバランス成分であるＣｏ基合金
は、摩耗を伴う高温酸化に耐える性質を備えているので
、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Ｃｏ
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。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。

【０００７】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負荷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。

【０００８】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Ｃｏ基合金素材の製造
方法の提供を目的とする。

【０００９】

【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，Ｎｉ：２．０〜４０．０重量％，Ｃｒ：１５．
０〜２５．０重量％，Ｆｅ：１５．０重量％以下，Ｗ＋
２Ｍｏ：５．０〜２０．０重量％，残部：Ｃｏを必須成
分とするＣｏ基合金を、析出している炭化物の大部分が
固溶する温度まで加熱したのち再結晶温度以下の温度に
まで急冷する工程（以下、第１工程という）；ならびに
、前記工程の処理品に、加工率５％以上の熱間加工を施
す工程（以下、第２工程という）；を必須の工程として
備えることを特徴とするＣｏ基合金素材の製造方法が提
供される。

【００１０】本発明方法が適用されるＣｏ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，Ｗまたは／およびＭｏ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０．０８〜０．１５重量％である。

【００１１】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Ｃｏとの間で金属間化合
物を生成して高温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
．５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組織的安定
性を損なう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１．
０重量％以下にする。

【００１２】ＮｉはＣｒと一緒になって基地であるオー
ステナイトを安定化するとともに、加工性の向上にとっ
て有効な成分である。その含有量が２．０重量％未満の
場合は、上記効果が充分に発揮されず、また４０重量％
より多くなっても上記効果が飽和に達するのみであるの
で、その含有量は２．０〜４０．０重量％とする。好ま
しくは１０．０〜１５．０重量％である。

【００１３】Ｃｒは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２０．０〜２３
．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、あまり多く含有させると、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。Ｗまた
は／およびＭｏ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の向上に寄与する成分である
。ＭｏはＷの２倍量と等価であるから、Ｗ＋２Ｍｏとし
て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。好ましくは１０．０〜１５．０重量％であ
る。

【００１５】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Ｗ＋２Ｍｏとして上記範囲にあ
ることが必要である。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、Ａｌまたは／お
よびＴｉ：０．１〜５．０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：０．００１〜
０．０１重量％または／およびＣａ：０．００１〜０．
０１重量％，Ｙまたは／および希土類元素（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】これらの任意成分のうち、Ａｌまたは／お
よび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１．０〜２．０重量％である。

【００１７】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。Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒはいずれも一部は基
地に固溶して強化するとともに、一部はＣとＭＣ型炭化
物を生成し、その分散によって、基地の強度向上に資す
るが、含有量が少なすぎると上記効果は充分に発揮され
ず、また多すぎると加工性の低下を招くので、その含有
量はそれぞれ上記範囲に規制することが好ましい。より
好ましくは、Ｎｂ＋Ｔａ：１．０〜２．０重量％，Ｈｆ
：０．５〜１．０重量％，Ｚｒ：０．０５〜０．１重量
％である。

【００１８】Ｂ，Ｃａ，Ｙ，ＲＥＭ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：０．００
２〜０．００５重量％またはＣａ：０．００３〜０．０
０８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、前記した第１工程
および第２工程を行う前に、まず、上記した組成のＣｏ
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（ＶＡＭ），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仕上げの熱間加
工を施して目的とする素材にする。

【００２１】本発明は、この仕上げの熱間加工を前記し
た第１工程および第２工程の時系列で行うことを特徴と
するものである。第１工程は、基地組織に析出している
炭化物の大部分を固溶して組織全体を均質にすることに
より、後述する第２工程における表層部の熱間加工を比
較的低温で実施できるようにするために行われる。

【００２２】この第１工程においては、まず、基地組織
の溶体化処理が施されて、析出炭化物の大部分を固溶さ
せる。この場合、析出炭化物が多量に残存するような処
理条件であると、組織の均質化が実現されないため、加
工性の低下を招くようになり、材料表層部の耐力向上が
充分に実現されず、また析出炭化物の全てが固溶した状
態になると、結晶粒が粗大化して充分な延性が得られず
、使用時に割れやすくなるという問題が発生するからで
ある。

【００２３】この溶体化処理の条件は、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、その溶体化温度をあまり高
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、加工性の低下を
もたらす。このようなことから、前記した組成の材料の
場合には、その溶体化の条件は、概ね、温度が１０５０
〜１２００℃、処理時間は１時間以上に管理される。

【００２４】溶体化処理後に、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、前記した溶体化処理で実現した組織状態が変調する
からである。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。

【００２５】第２工程は、前記工程で得られた材料に熱
間の仕上げ加工を施し、材料の表層部の耐力を選択的に
向上せしめてその硬度を高めるために行われる。この仕
上げ加工時における加工温度は６５０〜１１００℃であ
ることが好ましい。加工温度が６５０℃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１１００℃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。すなわち後
加工における表面の鏡面性を得ることが困難になるから
である。

【００２６】仕上げ加工は加工率が５〜５０％となるよ
うに行われる。この加工率が５％未満であるような加工
を行っても、材料表層部の耐力は有効に向上せず、また
表面の硬度も高くならない。また、加工率が５０％より
大きい加工を行うと、表層部の耐力は有効に向上するが
、しかし他方では材料の中心部の加工も進むことになっ
てしまい中心部における延性の低下が引き起こされる。

【００２７】以上の工程を経ることによって、前記した
組成のＣｏ基合金の素材は、その表層部のみが選択的に
耐力向上して硬くなり、中心部は延性を保持した状態に
なる。なお、本発明方法においては、前記した第１工程
と第２工程を必須として構成されるが、更に、前記第２
工程に続けて、時効処理を行ってもよい。時効処理によ
って、表層部の耐力は一層向上するからである。

【００２８】この場合、時効処理の条件としては、温度
６５０〜８００℃，時間１時間以上であることが好まし
い。

【００２９】

【実施例】表１に示したような各種組成のＣｏ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
件で溶体化処理→急冷→熱間仕上げを順次行った。得ら
れた各素材につき、その表面と中心部の硬度（ＨＲＣ）
を測定した。また、上記した各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、その外周面をＪＩＳ　　Ｂ０６０１で規定す
るＲａ値で０．０３〜０．０４μｍの鏡面に仕上げた。

【００３２】この中空ロールの内径部を水冷した状態に
し、高周波コイル中において、８００℃で２０秒間加熱
−室温まで３０分間放冷−再び８００℃で２０秒間加熱
を１サイクルとする熱サイクルを５０回反復したのち、
その外周面の鏡面状態の変化を肉眼で観察した。その結
果を、鏡面状態の変化なし：○，多少表面に凹凸（皺）
が発生：△，表面は著しく凹凸になった：として表２に
示した。

【００３３】また、前記した熱サイクルを１００回反復
し、中空ロール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、ロール横断面の表面内に発
生しているクラックの長さ（ｍｍ）の総和で表した。

【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Ｃｏ基合金素材は、その表層部の耐力お
よび表面硬度が高く、中心部は延性に富んでいるので、
表面に反復する熱負荷が加わっても表面の塑性変形が起
こりにくいので長期に亘ってその表面の鏡面性が確保さ
れるとともに、耐熱疲労特性も良好である。

【００３６】したがって、本発明方法で製造されたＣｏ
基合金素材は、ガラス質の溶融物の成形ロールや型材と
してその工業的価値は大である。

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，Ｎ
   ｉ：２．０〜４０．０重量％，Ｃｒ：１５．０〜２５．
   ０重量％，Ｆｅ：１５．０重量％以下，Ｗ＋２Ｍｏ：５
   ．０〜２０．０重量％，残部：Ｃｏを必須成分とするＣ
   ｏ基合金を、析出している炭化物の大部分が固溶する温
   度まで加熱したのち再結晶温度以下の温度にまで急冷す
   る工程；ならびに、前記工程の処理品に、加工率５％以
   上の熱間加工を施す工程；を必須の工程として備えるこ
   とを特徴とするＣｏ基合金素材の製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１のＣｏ基合金に１０５０〜１
   ２００℃の温度域で少なくとも１時間の溶体化処理を施
   したのち急冷し、ついで、１６５０〜１１００℃の温度
   域で加工率５〜５０％の熱間加工を施す請求項１に記載
   のＣｏ基合金素材の製造方法。