JPS6214214B2

JPS6214214B2 -

Info

Publication number: JPS6214214B2
Application number: JP3395583A
Authority: JP
Inventors: Tatsumori Yabuki; Junya Ooe
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1983-03-02
Filing date: 1983-03-02
Publication date: 1987-04-01
Also published as: JPS59159976A

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、したがつてこれらの特性が要求されるZn、
Sn、Al、およびCu、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
チツクの成形などに際して、金型として用いるの
に適した耐熱合金に関するものである。一般に、ダイカストに際して、例えばZn、
Sn、およびPb合金の溶湯は280〜450℃の範囲内
の温度で金型に鋳込れ、またAl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、したがつ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℃にも達するもの
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、プラスチツク用成形金型や、乾電
池、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―
Ni―Al系合金や、Fe―Ｗ―Cr―Ｖ系合金、さら
にCo―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、最近の技術進歩に伴う使用条件のより一層
の苛酷化と合まつて、比較的短時間で使用寿命に
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
べく研究を行なつた結果、重量％で、Ｃ：0.55〜2.5％、 Si：0.1〜３％、 Mn：0.1〜２％、 Cr：10〜39％、 Ni：20〜65％、Ｗ：0.1〜10％、 Mo：0.1〜10％、 Ti：0.01〜4.5％、 Al：0.01〜4.5％、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：0.01〜1.5％、Ｂ：0.001〜0.2％、 Zr：0.001〜0.2％、のうちの１種または２種以上を含有し、残りが
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
がつ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、きわめて長期に亘つてすぐ
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
であつて、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) ＣＣ成分には、高温で素地中に固溶する一方、
Cr、Ｗ、Mo、Ti、Nb、およびTaなどと結合
してM₇C₃MC、およびM₂₃C₆型などの炭化物を
形成し、もつ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るが、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2.5％を越えて含有させると、
炭化物の析出が多くなるばかりでなく、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 Si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0.1％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、また耐熱衝撃性および
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0.1〜２％と定めた。なお、Mn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
0.1％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、もつて高温耐摩耗性（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％未満では所望の作用
効果が得られず、一方39％を越えて含有させる
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) Ni 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、Alお
よびTiと結合して金属間化合物｛Ni₃（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
り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 Ti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MC型の炭化物および窒化物、さらに
上記のようにNi₃（Al、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4.5％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
となつ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0.01〜4.5％と定め
た。 (g) Al Al成分には、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NiおよびTiと結合してNi₃（Al、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0.01％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り
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0.01〜4.5％
と定めた。 (h) ＷＷ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0.1％未満
では所望の作用効果が得られず、一方10％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0.1〜10％と定
めた。 (i) Mo Mo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0.1％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) Co Co成分には、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：0.01％未
満、Ta：0.01％未満、Ｂ：0.001％未満、およ
びZr：0.001％未満では前記作用に所望の向上
効果が得られず、一方Ｎ：0.5％、Nb：1.5％、
Ta：1.5％、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：0.005〜0.5
％、Nb：0.01〜1.5％、Ta：0.01〜1.5％、Ｂ：
0.001〜0.2％、およびZr：0.001〜0.2％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つた溶湯を大気中ま
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：60mmφ×下端部直径：50mmφ
×高さ：150mmの寸法をもつたインゴツトとする
ことによつて本発明耐熱合金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について行ない、他の耐熱合金については
すべて金型鋳造とした。また、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）がこの発明の範囲
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32〜35、比較耐熱
合金１、および従来耐熱合金１、２に対しては、
900〜1250℃の範囲内の温度で熱間加工（鍛造、
圧延、および溝ロール加工）を施して、これを15
mm□×長さ：200mmの寸法をもつたビレツトと
し、かつ本発明耐熱合金１、２および

【表】

【表】 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：1150℃
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、常温シヤルピー衝
撃試験、Al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
つた。なお、硬さ測定試験においては、常温における
ロツクウエル硬さ（Ｃスケール）、並びに800℃お
よび900℃におけるビツ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：10mmφの球面凹みを形成した12mm×12mm×30
mm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り30秒間加熱
して、その温度を約900℃とした後、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つた。さらに、酸化試験は、直径：10mmφ×厚さ：10
mmの寸法をもつた試験片を用い、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30サイクル
の繰返し熱衝撃試験でも球面凹みに

【表】

【表】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
かの特性が劣つ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
わめて長期に亘つて安定的性能を発揮するのであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.55〜2.5％、 Si：0.1〜３％、 Mn：0.1〜２％、 Cr：10〜39％、 Ni：20〜65％、Ｗ：0.1〜10％、 Mo：0.1〜10％、 Ti：0.01〜4.5％、 Al：0.01〜4.5％、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％）を有することを特徴とする成形
金型用耐熱合金。２Ｃ：0.55〜2.5％、 Si：0.1〜３％、 Mn：0.1〜２％、 Cr：10〜39％、 Ni：20〜65％、Ｗ：0.1〜10％、 Mo：0.1〜10％、 Ti：0.01〜4.5％、 Al：0.01〜4.5％、を含有し、さらに、 Co：１〜10％、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％）を有することを特徴とする成形
金型用耐熱合金。３Ｃ：0.55〜2.5％、 Si：0.1〜３％、 Mn：0.1〜２％、 Cr：10〜39％、 Ni：20〜65％、Ｗ：0.1〜10％、 Mo：0.1〜10％、 Al：0.01〜4.5％、を含有し、さらにＮ：0.005〜0.5％、 Nb：0.01〜1.5％、 Ta：0.01〜1.5％、Ｂ：0.001〜0.2％、 Zr：0.001〜0.2％、のうちの１種または２種以上を含有し、残りが
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。４Ｃ：0.55〜2.5％、 Si：0.1〜３％、 Mn：0.1〜２％、 Cr：10〜39％、 Ni：20〜65％、Ｗ：0.1〜10％、 Mo：0.1〜10％、 Ti：0.01〜4.5％、 Al：0.01〜4.5％、を含有し、さらに、 Co：１〜10％と、Ｎ：0.005〜0.5％、 Nb：0.01〜1.5％、 Ta：0.01〜1.5％、Ｂ：0.001〜0.2％、 Zr：0.001〜0.2％、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％）
を有することを特徴とする成形金型用耐熱合金。