JPS59159976A - 成形金型用耐熱合金 - 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】 この発明は、高硬度および高靭性を有し、さらに耐摩耗
性、耐熱衝撃性、および耐酸化性にすぐれ、したがって
これらの特性が要求されるＺｎ、Ｓｎ。

Ｍ、およびＣｕす並びにこれらの合金などのダイカスト
や、乾電池などの製造、さらにプラスチックの成形など
に際して、金型として用いるのに適１〜だ耐熱合金に関
するものである。

一般に、グイカーストに際して、例えばｚｎ、Ｓｎ。

およびｐｂ金合金溶湯は２８０〜４５０℃の範囲内の温
度で金型に鋳込れ、またＡｎやＣｕ合金はそれより高い
５８０〜９２０℃の範囲内の温度で鋳込まれており、シ
たがってダイカストの成形金型は、その表面温度が水冷
状態で２００〜７００℃にも達スるものであり、このよ
うにダイカストの成形金型は繰返しの加熱と冷却、並び
に高圧にさらされるものである。

このことは、プラスチック用成形金型や、乾電池１例え
ばマンガン乾電池用成形金型においても同様である。

従来、上記の各種成形金型の製造には、　Ｆｅ−Ｎ１−
ＡＱ系合金や、Ｆｅ−Ｗ−Ｃｒ−Ｖ系合金、さらにＣ０
−Ｃｒ−Ｗ系合金が用いられているが、これらの従来耐
熱合金は、上記の各種成形金型に要求される特性、すな
わち硬さ、靭性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐酸化
性を具備したものでないため、最近の技術省歩に伴う使
用条件のよシ一層の苛酷化と合まって、比較的短期間で
使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は上述のような観点から、上記の各
種成形金型の製造に適した材料を開発すべく研究を行な
った結果、重量係で、 Ｃ二　　０．５　５　〜２．５　　％。

８１２０１〜３％。

Ｍｎ　’、　０．１〜２％。

Ｃｒ：１０〜３９％。

Ｎｉ　：　２０〜６５％。

Ｗ　　二　　〇、′、　　〜　１０　　％　。

Ｍｏ　’、　０．１〜１０％。

Ｔ１．００１〜４５％。

ＡＡ　：　００１〜４５％。

を含有し、さらに必要に応じて、 Ｃｏ：１−１０％。

Ｎ　：　０．００５〜０．５％。

Ｎｂ：０．０１〜１．５％。

Ｔａ：００１〜１．５％。

Ｂ：Ｏ，ＯＯ１〜０．２％。

Ｚｒ：　０．００１〜０．２％。

のうちの１種または２種以上を含有し、残シがＦｅと不
可避不純物からなる組成を有する耐熱合金は、高硬度お
よび高靭性を有し、さらに耐摩耗性、耐熱衝撃性、およ
び耐酸化性にすぐれ、したがってこれらの特性が要求さ
れる各種の成形金型として用いた場合に、きわめて長期
に亘ってすぐれた性能を発揮するという知見を得たので
ある。

この発明は上記知見にもとづいてなされたものであって
、以下に成分組成範囲を上記の通りに限定した理由を説
明する。

（ａ）Ｃ Ｃ成分には、高温で素地中に固溶する一方、Ｃｒ。

Ｗ　ｚ　ＭＯＪ　Ｔ　ｌ　ｒ　Ｎｂ＋　　およびＴａな
どと結合してＭ　７　Ｃ３Ｍ　Ｃ、およびＭ２３Ｃ６型
などの炭化物を形成し、もって強度と硬さの向上をはか
り、この結果としてすぐれた耐摩耗性のほか、溶接性お
よび鋳造性を確保する作用があ邊が、その含有量が０．
５５　％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方２５係を越えて含有させると、炭化物の析出が多くな
るばかシでなく、その粒径が粗大化して靭性が低下し、
急熱急冷による熱衝撃に耐えられなくなることから、そ
の含有量を０，５５〜２，５％と定めた。

（ｂ）　　Ｓｉ ’＋、＝　Ｓ　ｉ成分には、　Ｃｒと共に耐酸化性を向
上させる作用があるほか、脱酸作用並びに溶湯の流動性
を改善して鋳造性を向上させる作用があり、さらに高温
強度も改善する作用があるが、その含有量が０１係未満
では前記各作用に所望の効果が得られず、一方３％を越
えて含有させると、Ｃｒとの関連において靭性および溶
接性が低下するようになることから、その含有量を０．
１−３％と定めた。

なお、　Ｓｉ成分は、これを脱酸剤として使用した場合
など不可避不純物として０．１％未満の範囲で含有する
場合があるが、この場合には、不可避不純物含有量を含
め、全体含有量が０．１％以上になるようにすればよい
。

（ｃ）　　Ｍｎ Ｍｎ成分には、素地に固溶して素地のオーステナイトを
安定化させ、まだ耐熱衝撃性および高温耐摩耗性（高温
硬さ）を向上させる作用があり、かつ脱酸作用も合せも
つが、その含有量が０．１％未満では所望の作用効果を
確保することができず、一方２％を越えて含有させると
、高温耐酸化性が劣化するようになることから、その含
有量を。１〜２％と定めた。

なお、廂成分も、　Ｓｉ成分と同様に脱酸剤などとして
使用した場合、不可避不純物として０１％未満の範囲で
含有する場合があるが、この場合も不可避不純物含有量
を含め、全体含有量が０．１％以上になるように成分調
整すればよい。

（ｄ）　　Ｃｒ Ｃｒ成分には、その一部が素地に固溶し、残りの部分が
炭化物を形成して合金の硬さを向上させ、もって高温耐
摩耗性（高温硬さ）を改善するほか、高温耐酸化性をも
向上させる作用があるが、その含有量が１０係未満では
所望の作用効果が得られず、一方３９％を超えて含有さ
せると耐熱衝撃性が低下するようになることから、その
含有量を１０〜３９％と定めた。

（ｅ）１匂 Ｎｉ成分には、オーステナイト地を安定にして耐熱衝撃
性および靭性を高めるほか、　ＡＱおよびＴ１と結合し
て金属間化合物（Ｎｉ　３　（Ａｌ！、　Ｔｉ））を形
成し、合金の高温強度および高温耐摩耗性（高温硬さ）
を改善し、さらにＣｒと共に高温耐酸化性を向上させる
作用があるが、その含有量が２０％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方６５％を越えて含有させて
もよシ一層の改善効果は現われず、経済性をも考慮して
、その含有量を２０〜６５％と定めた。

（ｆ）　　Ｔｉ Ｔ１成分には、素地の結晶粒の成長を抑制するばかりで
なく、むしろこの結晶粒を微細化し、かつＭ　Ｃ型の炭
化物および窒化物、さらに上記のようにＮｉ３（ＡＰ、
、　Ｔｉ）の金属間化合物を形成して、高温強度および
高温耐摩耗性（高温硬さ）を向上させる作用があるが、
その含有量が０．０１％未満では前記作用に所望の効果
が得られず、一方４５％を越えて含有させると、高温に
おける炭化物形成が促進されて、合金の靭性が低下し、
さらに高温での酸化物の生成も顕著となって高温耐酸化
性の劣化をまねくようになることから、その含有量を０
０１〜４５％と定めた。

（ｇ）　　ＡＭ ＡＱ酸成分は、　Ｃｒとの共存において高温での耐酸化
性および耐食性を改善し、さらに上記のようにＮ１およ
びＴ１と結合゛してＮｉ３（Ａｌ４．Ｔｉ）の金属間化
合物を形成するほか、窒化物を形成して高温強度および
高温耐摩耗性（高温硬さ）を一段と高め、かつ耐熱衝撃
性および靭性を向上させる作用があるが、その含有量が
００１％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方４．５％を越えて含有させると、溶湯の流動性および
鋳造性が低下して製造が困難となるばかシでなく、靭性
および溶接性も低下して実用的でなくなることから、そ
の含有量を００１〜４５％と定めた。

（ｈ）　　ｗ Ｗ成分にも、素地中に固溶すると共にＣと炭化物を形成
して高温耐摩耗性（高温硬さ）を改善する作用があるが
、その含有量がＯ，’１　％未満では所望の作用効果が
得られず、一方ｌｏ％を越えて含有させると、耐摩耗性
は向上するようになるが、靭性および耐熱衝撃性が劣化
するようになることから、その含有量を０１〜１０％と
定めた。

（ｉ）　　Ｍ。

ＩＡｏ成分には、Ｗと同様に、特に高温耐摩耗性（高温
硬さ）を向上させる作用があるが、その含有量が０１％
未満では所望のすぐれた高温耐摩耗性を得ることができ
ず、一方１０％を越えて含有させると、Ｗと同様に靭性
および耐熱衝撃性が劣化するようになることから、その
含有量を０．１〜１０％と定めた。

（ｊ）　　Ｃ。

ＣＯ酸成分は、素地に固溶して耐熱衝撃性および靭性を
一段と向上させ、かつ高温耐摩耗性を改善する作用があ
るので、特にこれらの特性がさらに要求される場合に必
要に応じて含有されるが、その含有量が１％未満では前
記作用に所望の向上効果が得られず、一方１０％を越え
て含有させてもより一層の向上効果は得られず、経済性
を考慮して、その含有量を１〜１０％と定めた。

（ｋ）　　Ｎ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｂ、およびＺｒこれ
らの成分には、高温強度および高温耐摩耗性（高温硬さ
）を一段と向上させる作用があるので、特にこれらの特
性がさらに要求される場合に必要に応じて含有されるが
、その含有量が、それぞれＮ：０．００５％未満、Ｎｂ
：００１％未満、Ｔａ：　００１％未満、Ｂ：Ｏ，００
１％未満、およびＺｒ：ｏ、ｏｏ１％未満では前記作用
に所望の向上効果が得られず、−万Ｎ：０．５％、　Ｎ
ｂ：　１．５　％、　Ｔａ：１５％、Ｂ：０．２％、お
よびＺｒ：０．２％をそれぞれ越えて含有させると、耐
熱衝撃性および靭性に劣化傾向が現われるようになるこ
とから、その含有量を、それぞれＮ　：　０．００５〜
０５％、　Ｎ１）０．０１〜１．５％、　Ｔａ　、’　
０．０１〜１．５％、Ｂ：０．００１−０．２％、　　
およびＺｒ：Ｏ，００１〜０２％と定めた。

つぎに、この発明の耐熱合金を実施例により具体的に説
明する。

実施例 通常の高周波溶解炉を用い、それぞれ第１表に示される
通りの成分組成をもった溶湯を大気中または真空中で溶
解し、ついで砂型または金型に鋳造して上端部直径＝６
０朋φ×下端部直径：５ＯＮｎφ×高さ：１５０ｍの寸
法をもったインコゝットとすることによって本発明耐熱
合金１〜３７．上比較耐熱合金１〜１１．および従来耐
熱合金１〜３をそれぞれ調製した。

なお、砂型鋳造は、本発明耐熱合金３〜３１および３６
，３７．比較耐熱合金２〜１１．および従来耐熱合金３
について行表い、他の耐熱合金についてはすべて金型鋳
造としだ。また、上比較耐熱合金１〜１１は、いずれも
構成成分のうちのいずれかの成分含有量（第１表に※印
を付す）妙：この発明の範囲から外れた組成をもつもの
である。

さらに、上記の金型鋳造した耐熱合金、すなわち本発明
耐熱合金１，２および３２〜：ｖ５．Ｊ：比較耐熱合金
ｌ、および従来耐熱合金１，２に対しては、９００７−
１２５０℃の範囲内の温度で熱間力ロ工（鍛造、圧延、
および溝ロール加工）を施して、これを１５ＭＸ長さ：
２００ａの寸法をもったビレットとし、かつ本発明耐熱
合金１．２および３２〜３５および比較耐熱合金１には
温度：１２００℃に２時間保持後空冷の熱処理を施し、
また従来耐熱合金１には、温度：１１５０℃に２時間保
持の溶体化処理と、温度：５６０℃に２４時間保持の時
効処理を施し、さらに従来耐熱合金２には、温度：１１
５０℃に加熱後油冷の焼入れ処理と、温度：　７００℃
に２時間保持の焼もどし処理を施した。

つぎに、この結果得られた本発明耐熱合金１〜３７、比
較耐熱合金１〜１１．および従来耐熱合金１〜３につい
て、硬さ測定試験、常温シャルピー衝撃試験、　ＡＱ合
金をダイカストするに際して金型が受ける急速加熱と急
速冷却の繰返しに近い条件での熱衝撃試験、および酸化
試験をそれぞれ行なった。

なお、硬さ測定試験においては、常温におけるロックウ
ェル硬さくＣスケール）、並びに８００℃および９００
℃におけるビッカース硬さを測定した。

また、熱衝撃試験は、一方端面の中心部に直径：１０１
Ｕφの球面凹みを形成した１２ＭＸ１２頭×３０Ｈの角
柱状試験片を用い、この試験片の球面凹みを酸素−プロ
パンガスバーナーによ９３０秒間加熱して、その温度を
約９００℃としだ後、直ちに噴霧水を２０秒間吹付けて
、その温度を約２００℃とする工程を１サイクルとし、
これを繰返し行ない、３サイクル終了ごとに前記球面凹
みを螢光浸透探傷法を用いて観察し、割れが発生するま
でのサイクル数を測定することにより行なった。

さらに、酸化試験は、直径：１０ｍφ×厚さ１１０ｍの
寸法をもった試験片を用い、この試験片を、大気中、温
度：１２００℃に加熱して２００時間連続保持した後空
冷の条件で行ない、試験後、その表面に形成されている
酸化物皮膜を剥離して秤量し、この秤量値を試験片の全
表面積で除して求めた値を酸化減量として表わした。こ
れらの試験結果を第２表に示した。なお、第２表の割れ
発生までのサイクル数の欄における「３０以上」は３ｏ
サイクルの繰返し熱衝撃試験でも球面凹みに割れ発生が
見られないものである。

第２表に示される結果から、本発明耐熱合金１〜３７は
、いずれも従来耐熱合金１〜３に比して、きわめて高い
常温および高温硬さ、並びに高靭性を有し、かつ耐熱衝
撃性および耐酸化性にもすぐれていることが明らかであ
る。これに対して、比較耐熱合金１〜１１に見られるよ
うに、構成成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発
明の範囲から外れると、前記の特性のうち少なくともい
ずれかの特性が劣ったものになることが示されている。

上述のように、この発明の耐熱合金は、著しく高い常温
および高温硬さ、並びに高靭性を有し、さらにすぐれた
耐摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性。

および高温強度を具備しているので、特にこれらの特性
が要求される各種の成形金型の製造に用いるのに適し、
しかもこの結果の成形金型はきわめて長期に亘って安定
的性能を発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｃ：０５５〜２５％。 Ｓｉ：０．１〜３％。 Ｍｎ　’、　０．１〜２％。 Ｃｒ：１０〜３９％。 Ｎｉ　：　２０〜６５俸。 Ｗ：０．１〜１０係。 Ｍｏ　’、　０．１〜１０　％。 Ｔｉ：０．０１〜４．５％。 Ｍ：０．０１〜４５係。 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成（以
   上重量係）を有することを特徴とする成形金型用耐熱合
   金。 （２）Ｃ：○、５５〜２．５％。 Ｓｉ：０．１〜３％。 Ｍｎ　：　　０．１〜２係。 Ｃｒ　：　　ユ　　Ｏ〜　３　９　　％　。 Ｎｉ：２０〜６５　％。 Ｗ　：　０１〜１０　係。 Ｍｏ　：　　０．１〜１０％。 Ｔｉ：０．０１〜４５％。 成　　０．０１〜４５　％。 を含有し、さらに、 Ｃｏ：１〜１０係。 を含有し、残シがＦｅと不可避不純物からなる組成（以
   上重量％）を有することを特徴とする成形金型用耐熱合
   金。 （３）　　Ｃ：　０．５５〜２５％。 ８１．０１〜３％。 Ｍｎ　；、　０．１〜２飴。 Ｃｒ：１０〜３９％。 Ｎ１　二　　２０〜６５％。 Ｗ、０５１〜１０係。 Ｍｏ　、’　Ｏ，１〜ユ○係。 Ａｐ、　　：　　０．０　１〜４．５　％。 を含有し、さらに Ｎ：○Ｏ０５〜０５係。 Ｎｉ）　：　０．０１〜１．５％。 Ｔａ　：　０．０１〜１．５％。 Ｂ：０００１〜０２％。 Ｚｒ：Ｏ，００１〜０２％。 のうちの１種または２種以上を含有し、残りがＦ’ｅと
   不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有すること
   を特徴とする成形金型用耐熱合金。 （４）　　Ｃ：　０．５５〜２．５係。 Ｓｉ：０．１〜３％。 Ｍｎ：０．１〜２％。 Ｃｒ：１０〜３９％。 Ｎｌ　２０〜６−５％。 Ｗ：０１〜１０％。 Ｍｏ：０１〜１０％。 Ｔｉ：０．０１〜４．５％。 Ａ２：００１〜４５係。 を含有し、さらに、 ＣＯ：１〜ｌｏ係と、 Ｎ：０．００５〜０５　係。 Ｎｂ：０．０１〜１．５　　チ。 Ｔａ　：　　０．０　１〜１．５　　％。 Ｂ：Ｏ，ＯＯ１〜０２　％。 Ｚｒ：Ｏ，ＯＯ１〜０２　％。 のうちの１種または２種以上とを含有し、残りがＦｅと
   不可避不純物からなる組成（以上重量係）を有すること
   を特徴とする成形金型用耐熱合金。