JPH1060583A

JPH1060583A - 熱間の耐摩耗性に優れた鋳造工具

Info

Publication number: JPH1060583A
Application number: JP21825096A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Murakawa; 義行村川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 1998-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間の耐摩耗性に優れ、かつ高温強度、靭性
が高く、加えて工具の表面部に形成する酸化皮膜の形成
特性が良好な鋳造工具を提供する。【解決手段】Ｃ０．０８〜０．１８％、Ｓｉ０．
１〜１．５％、Ｍｎ０．２〜１．５％、Ｎｉ０．２
５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜３．０％、ＷとＭｏの１
種または２種を合計で１．５〜４．０％、Ｂ０．２％
以下を含み、さらに、Ｃｕ０．２５〜２．５％とＡｌ
０．２５〜１．０％の１種または２種を含有し、残部
Ｆｅよりなる鋼の工具表面に、鋳造後の加熱処理により
５０μｍ以上の酸化皮膜を形成させた鋳造工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温における被加
工材との間の苛酷な摩擦条件における耐摩耗性が特に大
きく、併せて適度の強度と優れた靭性を有し苛酷な急熱
急冷の繰り返し熱衝撃に耐え、長寿命を有する鋳造工具
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱間における鋼管製造用ピアサプラグ工
具等においては、高温に加熱された金属材料からなる被
加工材との間に苛酷な摩擦作用を生じ、また、それに続
いて表面水冷等の急激な冷却作用を受ける。そのため、
工具の焼付きや変形を生じ易く、かつ繰り返し急熱、急
冷の苛酷な熱応力によるヒートクラックが発達し肌荒
れ、剥離、割れを生じ、その寿命延長が大きな課題であ
る。

【０００３】特に、近年ではステンレス鋼製やＮｉ合金
製の鋼管も増えつつあり、上記問題はより切実となって
きている。これらの用途の工具材料としては、従来、
０．２Ｃ−１Ｃｒ−２Ｎｉ―１．５（Ｗ＋Ｍｏ）鋼や熱
間ダイス鋼ＳＫＤ６２、あるいは、高合金の耐熱鋼ＳＵ
Ｈ３１０等が使用される。しかし、これらは製管の対象
となる被加工材が炭素鋼の場合には、相当の長時間の寿
命に耐えるものの、ＳＵＳ４２０，ＳＵＳ３０４などの
ステンレス鋼管が対象になると、工具の寿命が極めて短
時間となり、補修なしでは安定な生産ができないという
問題があった。これら工具の改良材として特公昭６４―
７１４６号、特公昭６４―７１４７号、特開平４―２７
０００３号、特開平７―６０３１４号などで提案される
ように、合金組成に加えて酸化処理により工具表面に潤
滑性、断熱性に富む酸化スケール層を形成させたものが
提案され、かつ、酸化処理方法や、酸化皮膜厚さ等を規
定して寿命延長を図ろうとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の各公報
に提案される工具も、高温強度や製管工程途中の摩擦に
よる発熱―冷却後の延性、酸化スケール形成特性などが
必ずしも十分と言えず、十分満足できる寿命が得られな
い問題がある。本発明の目的は、ステンレス鋼、Ｎｉ基
合金等のように変形抵抗が高くて焼付きを生じ易い被加
工材料を製管する際に、優れた耐久性を発揮する製管工
具等に使用される熱間の耐摩耗性に優れ、かつ高温強
度、靭性が高く、加えて工具の表面部に形成する酸化皮
膜の形成特性が良好な鋳造工具を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者は、上述した従来
鋼や各公報で提案された工具の諸問題について検討した
結果、鋳造して得られた工具表面に、鋳造後の加熱処理
により強固でかつ潤滑性に優れた酸化皮膜を形成して耐
焼付き性を向上させることが重要であり、上記潤滑性に
優れた酸化皮膜を強固に形成させるのに適した工具材料
を見出した。すなわち本発明の第１発明は、重量％で、
Ｃ０．０８〜０．１８％、Ｓｉ０．１〜１．５％、Ｍ
ｎ０．２〜１．５％、Ｎｉ０．２５〜２．５％、Ｃ
ｒ０．８〜３．０％、ＷとＭｏの１種または２種を合計
で１．５〜４．０％、Ｂ０．２％以下を含み、さらに、
Ｃｕ０．２５〜２．５％とＡｌ０．２５〜１．０％
の１種または２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純
物よりなる鋼の工具表面に、鋳造後の加熱処理により５
０μｍ以上の酸化皮膜を形成させたことを特徴とする熱
間の耐摩耗性に優れた鋳造工具である。

【０００６】また第２発明は、工具本体の高温強度の向
上と、前記工具の表面に強固な酸化皮膜を形成させるの
により好ましいもので、重量％で、Ｃ０．０８〜０．
１８％、Ｓｉ０．１〜１．５％、Ｍｎ０．２〜１．
５％、Ｎｉ０．２５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜３．
０％、ＷとＭｏの１種または２種を合計で１．５〜４．
０％、Ｃｏ０．２５〜２．５％、Ｂ０．２％以下
を含み、さらに、Ｃｕ０．２５〜２．５％とＡｌ０．
２５〜１．０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆ
ｅ及び不可避的不純物よりなる工具表面に、鋳造後の加
熱処理により５０μｍ以上の酸化皮膜を生成せしめたこ
とを特徴とする熱間の耐摩耗性に優れた鋳造工具であ
る。上記の第１発明および第２発明の鋼組成に、必要に
応じてＮｂ０．１％以下、Ｚｒ０．１％以下、Ｖ
０．２％以下、Ｙ０．０１％以下のうち１種以上を合
計で０．２％以下添加することによって、鋳造組織の微
細化と酸化皮膜の緻密性を高めることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明鋼の成分範囲の限定
理由について説明する。Ｃ：０．０８〜０．１８％Ｃは、フェライトの生成を防ぎ、高温強度向上に有効な
元素であるが、その含有量が０．０８％以下では十分な
強度を確保することが出来ない。一方、Ｃは焼入れ性を
高める元素であるため、０．１８％を越えると、製管後
の冷却によって焼きが入るため表面部分の硬度が高くな
り延性が低下し割れを生じ易くするので、０．０８〜
１．８％に限定した。

【０００８】Ｓｉ：０．１〜１．５％Ｓｉは、通常脱酸剤として使用されるが、その他、本発
明ではとくに、Ａｃ１変態点の上昇、酸化皮膜の緻密化
に有効な元素であり、その効果を発揮させるためには
０．１％以上が必要である。一方、多すぎると靭性を劣
化させることと、酸化皮膜の生成を妨げて十分な厚さの
酸化皮膜が得られなくなるので上限は１．５％以下に限
定した。

【０００９】Ｍｎ：０．２〜１．５％Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として使用されるほか、本
発明鋼におけるようにＭｏ、Ｗを多量に含有する場合
は、高温でオーステナイト単相を確保したり、高温強度
を高めるに有効であり、また、δ―フェライトの生成を
抑制して靭性低下を防止しするためにも必要である。そ
の効果を発揮するには０．２％以上が必要であるが、多
すぎると、酸化皮膜の緻密性を阻害したり、酸化皮膜の
融点を高めて潤滑性を劣化させるので０．２〜１．５％
に限定した。

【００１０】Ｎｉ：０．２５〜２．５％Ｎｉは、製管後の冷却によって工具の表面部に形成させ
る焼入れ相の靭性を改善させる作用がある。また、Ｎｉ
は加熱処理で形成された酸化皮膜中に酸化されずに残留
して酸化皮膜を強化し、耐剥離性を向上させる作用も有
しており、この効果を示すには０．２５％以上が必要で
ある。さらにＮｉは、Ｍｎと同様、δ―フェライトの生
成を抑制して靭性の低下や高温強度の低下を防止する作
用も有する。しかし反面Ｎｉは、焼入れ性を高める元素
であり、製管後の冷却によって工具本体の表面部の硬さ
を高くし、逆に靭性を劣化させる作用も有するので上限
は２．５％に限定した。

【００１１】Ｃｒ：０．８〜３．０％Ｃｒは、酸化皮膜層の緻密性を高め強化するのに有効な
元素であり、また工具本体の高温強度の向上にも効果が
あり、０．８％以上の添加が必要である。しかし、３．
０％を越えて含有すると、耐酸化性が向上しすぎて、逆
に酸化皮膜の形成が妨げられ必要厚さが確保出来なくな
る。また、特に酸化皮膜と工具母材の境界部で、酸化皮
膜の一部が母材側に楔状に形成（以下、酸化皮膜の根と
記す）して密着性を高める効果を弱めたり、焼入れ性が
良くなりすぎるため、製管後の冷却による表面硬化層の
硬さが高くなり延性が不足するので、Ｃｒの含有量を
０．８〜３．０％に限定した。

【００１２】Ｗ＋Ｍｏ：１．５〜４．０％ＷおよびＭｏは、ともに炭化物を形成し、さらに一部が
基地中に固溶して強化する効果があり、高温強度の向上
に極めて有効である。また、Ａｃ１点を上昇させて製管
後の冷却で工具表面部の焼の入る部分を浅くし、焼き割
れを防止する作用も有する。これらの効果はＷとＭｏは
等価であり、単独または複合で１．５％以上含有するこ
とにより効果を発揮する。しかし、４．０％を越えると
靭性が低下したり、酸化皮膜の生成も妨げられ有害とな
るので、１．５〜４．０％に規定した。

【００１３】Ｂ：０．２％以下Ｂは、必ずしも添加する必要はないが、製管時に高温に
昇温した時、オーステナイトとなった工具表面の粒界を
強化し、高温での変形抵抗、変形能を改善する作用があ
り必要応じて添加する。しかし、０．２％を越えると脆
化相の析出等で靭性が低下するので、添加する場合には
Ｂの上限は０．２％とするのがよい。

【００１４】Ｃｕ：０．２５〜２．５％、Ａｌ：０．２
５〜１．０％Ｃｕは、加熱処理中に酸化皮膜と母材の境界近傍の母材
中に富化されて酸化皮膜の密着性を改善するに有効な元
素であり、その効果のためには０．２５％以上が必要で
ある。しかしＣｕは、基地中に微細に析出して常温の強
度を高める反面、靭性を低下させたり、酸化皮膜境界近
傍に富化されたＣｕが高温で母材の結晶粒界に浸潤し
て、酸化皮膜を脆弱にする作用をするため２．５％以下
に限定した。一方、Ａｌは、脱酸剤あるいは、結晶粒の
粗大化防止として寄与する元素である。また、加熱処理
中に内部酸化により酸化皮膜と母材の境界にＡｌの酸化
物を形成し固着性と耐凝着性を高める作用がある。その
効果のためには０．２５％以上を必要とするが、１．０
％を越えると却って酸化皮膜の生成を阻害し、また、酸
化皮膜も剥離し易くなる。このようにＣｕとＡｌは、そ
れぞれの特定含有量までは、酸化皮膜の強化や、固着性
を増加させるが、適正量を越えると逆に減少させる。ま
たその効果は、単独あるいは複合的に作用するものであ
り、１種または２種を必須添加させることが重要であ
る。

【００１５】Ｃｏ：０．２５〜２．５％Ｃｏは、固溶強化により工具本体の高温強度を高める作
用と、加熱処理中に選択酸化を促進して酸化皮膜の根の
成長を促進させ、強固な酸化皮膜の形成により潤滑効
果、断熱効果をもたらす。また酸化皮膜と母材の境界に
金属粒を生成分散させて皮膜の固着性を高めるため、高
温での優れた耐凝着摩耗性を付与するために必要に応じ
て添加される。その効果のためには０．２５％以上が必
要であるが、２．５％を越えて含有すると、逆に酸化皮
膜の生成が阻止されるのでＣｏは０．２５〜２．５％に
限定した。

【００１６】Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｙ：合計で０．２％以下Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒ，Ｙは，何れも結晶粒の細粒化に有効な
元素で、工具の靭性改善と酸化皮膜の緻密性を増大させ
る作用を有し、本発明工具の特性をさらに改善する効果
がある。しかし上記の各元素は、それぞれの上限値を越
えて含有すると脆化相が析出して靭性の劣化をきたす。
なお、上記効果を安定して得るためには、各元素の上限
値を、Ｎｂ０．１％以下、Ｚｒ０．１％以下、Ｖ
０．２％、Ｙ０．０１％以下とし、１種または２種以
上添加するのがよいが、添加する場合には合計で０．２
％以下が望ましい。

【００１７】本発明の鋳造工具は、ピアサプラグなどに
使用されるのに先立って、加熱処理により少なくとも５
０μｍの酸化皮膜を形成させておくことが必要である。
酸化皮膜が５０μｍ未満の場合には、使用時に工具本体
への断熱効果が不十分となり工具自身が変形したり、熱
衝撃を受け易くなってヒートクラックの発生などにより
肌荒れ、剥離、割れ等の原因となる。また本発明鋼は、
鍛造など塑性加工が可能であるが、ピアサプラグなど９
００℃付近で使用される工具は鋳造材として使用する方
が安価に生産できる利点がある。

【００１８】（実施例１）１５ｋｇ高周波誘導電気炉に
て表１に示す化学成分組成の鋼を溶製し、鋳型に鋳造し
た。得られた各鋳造材を焼きなまし処理を行ない、次い
で機械加工で試験片を作製した。続いて酸化皮膜を形成
させるために大気中で１０００℃、５時間加熱保持した
後、徐冷する処理を行い、断面ミクロ組織観察により酸
化皮膜の厚さ、および母材との境界部に形成された酸化
皮膜の根の深さを測定して比較した。また、焼なましを
施した鋳造材から引張試験片を採取し、製管工程を想定
した熱処理（９００℃で１時間加熱、５０℃／ｈｒで冷
却）を実施したのち、常温および熱間（９００℃）の機
械的性質を調べた。これらの結果を表２に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】従来鋼Ｎo．２１の０．２Ｃ−１Ｃｒ−２
Ｎｉ−１．５（Ｗ＋Ｍｏ）鋼は９００℃の引張強さが約
３３ＭＰａと低い、また従来鋼Ｎｏ．２２のＳＫＤ６２
は常温伸びが約３％で延性不足であり、また酸化皮膜の
厚さも３０μｍと薄い。一方、本発明鋼と比較鋼につい
て比較すると、Ｎｏ．３１はＣが低いため９００℃での
引張強さが不足し、Ｎｏ．３２は逆にＣが高すぎるため
常温での伸びが低い。さらに、Ｎｏ．３３はＳｉが上限
を越えているため延性不足、Ｎｏ．３４はＮｉが高いた
め焼入れ性が増大し同様に常温の伸びが低い。また、Ｃ
ｒの高いＮｏ．３５は焼入れ性が良好であるため常温伸
びが低いことに加えて酸化皮膜の厚さが薄く、根の生成
も不十分である。

【００２２】さらに、Ｎｏ．６と比較してＣｏが無添加
であることがこの傾向を助長している。Ｃｒの低すぎる
Ｎｏ．３６や３７，Ｍｏの低いＮｏ．３８も９００℃引
張強さが低く、逆にＷ，Ｍｏの高すぎるＮｏ．３７は常
温伸びが低い。Ｎｏ．３９はＡｌ，Ｃｕが低いためスケ
ール厚さが不十分でそれぞれ必要特性を欠いており熱間
工具としての耐摩耗性が期待できない。これに対して、
本発明鋼であるＮｏ．１〜１４は、常温伸びが１３％以
上、９００℃での引張強さは１００ＭＰａ以上が得ら
れ、また酸化処理後のスケールも厚さで１００μｍ以
上、母材との境界の根の深さは４μｍ以上が得られ初期
の目的を達した。

【００２３】（実施例２）実施例１の表１に示す化学成
分組成の鋳造材から試験片を採取して、熱間摩耗試験を
実施し、その結果を表２に併記する。試験片の形状は、
直径が２０ｍｍの棒状で、試験に先立って大気中で１０
００℃、５時間加熱保持後に徐冷した。また、被加工材
を想定した相手材にはＳＵＳ３０４を用い、試験片の端
面と接触させる面の形状を直径１５ｍｍに機械加工し
た。熱間摩耗試験は、高周波コイルにより試験片と相手
材をそれぞれ６５０℃に加熱した後、同心軸位置で回転
する試験片の端面に相手材の端面を一定面圧で一定時間
押し付け、その後相手材を後退させた直後に試験片の端
部側のみ水冷して急冷する過程繰り返す方法で行なっ
た。

【００２４】試験条件は、回転速度が４００ｒｐｍ、押
し付け面圧が１４Ｎ／ｍｍ²、押し付け時間５秒／回で
あり、試験片端面の水冷時間を３．５秒／回とし、繰り
返し回数を５００回で中止して、試験片端面の摩耗量の
最大深さを測定して評価した。なお、試験片端面が相手
材と接触した部分の摩耗状況は、大略Ｗ字形に摩耗して
おり、軸部と円周部はほとんど摩耗が見られなかった。
また、測定は直交方向の２箇所で測定し、その平均値を
示した。表２から、本発明鋼は従来鋼および比較鋼に比
較して摩耗量が少ないことがわかる。なお、従来鋼や比
較鋼の中には、回転摺動による塑性流動やヒートクラッ
クの発生しているものが観察された。

【００２５】

【発明の効果】本発明による工具は、優れた酸化皮膜特
性により高温における被加工材との間の苛酷な摩擦条件
のもとにおける耐摩耗性が大きく、あわせて適度の強度
と優れた靭性を有しているため苛酷な急熱急冷の繰り返
しによる熱衝撃にも耐え得るものであり、製管用工具な
どに適するものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ０．０８〜０．１８％、
Ｓｉ０．１〜１．５％、Ｍｎ０．２〜１．５％、Ｎ
ｉ０．２５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜３．０％、Ｗ
とＭｏの１種または２種を合計で１．５〜４．０％、Ｂ
０．２％以下を含み、さらに、Ｃｕ０．２５〜２．
５％とＡｌ０．２５〜１．０％の１種または２種を含
有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる鋼の工具表
面に、鋳造後の加熱処理により５０μｍ以上の酸化皮膜
を形成させたことを特徴とする熱間の耐摩耗性に優れた
鋳造工具。
【請求項２】重量％で、Ｃ０．０８〜０．１８％、
Ｓｉ０．１〜１．５％、Ｍｎ０．２〜１．５％、Ｎ
ｉ０．２５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜３．０％、Ｗ
とＭｏの１種または２種を合計で１．５〜４．０％、Ｃ
ｏ０．２５〜２．５％、Ｂ０．２％以下を含み、さ
らに、Ｃｕ０．２５〜２．５％とＡｌ０．２５〜
１．０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び
不可避的不純物よりなる工具表面に、鋳造後の加熱処理
により５０μｍ以上の酸化皮膜を生成せしめたことを特
徴とする熱間の耐摩耗性に優れた鋳造工具。
【請求項３】請求項１または２に記載の鋼組成に、さ
らにＮｂ０．１％以下、Ｚｒ０．１％以下、Ｖ
０．２％以下、Ｙ０．０１％以下のうち１種以上を合
計で０．２％以下含有する熱間の耐摩耗性に優れた鋳造
工具。