JPH0953140A - 熱間ダイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加熱冷却の繰り返し熱サイクルを受けても表面
に亀裂が発生しにくく、工具寿命の長い熱間ダイスを提
供すること。 【解決手段】重量％で、Ｎｉ：３０〜６０％およびＷ：
４０〜７０％を含み、α−Ｗ相が分散している金属組織
を有する熱間ダイスであって、その表層に、入熱量を１
５０００〜３００００Ｊ／ｃｍ、予熱およびパス間温度
を２００℃以下とし、かつ溶融速度を１５ｃｍ／ｍｉｎ
以下として溶融した後、急速凝固させる表面改質が施さ
れた熱間ダイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｎｉ−Ｗ合金製の
熱間プレス加工用ダイス（以下、単に「熱間ダイス」と
いう）に関し、より詳細には加熱冷却の繰り返し熱サイ
クルによる亀裂が生じにくい表面改質処理が施された熱
間ダイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｗを２０〜６０重量％含むＮｉ基合金は
高温強度が高く、熱間工具等の材料として好適である。
特に継目無鋼管の製造では、圧延方式（例えば、マンネ
スマン方式）による製管を行う場合の穿孔プラグやガイ
ドシュー、あるいは押出しプレス方式（ユジーンセジュ
ルネ方式）により製管する場合のダイス、マンドレルバ
ーの素材として用いられている。中でも、Ｗが３５重量
％以上（以下、合金元素の「％」は「重量％」を意味す
る）含まれるものは、α−Ｗ相（Ｗが主体で他の元素が
ほとんど固溶していない相）が分散し、高温強度が一段
と高い。

【０００３】本出願人は先にこのようなＮｉ基合金製の
熱間工具を提案した（特開平３−６１３４５号公報）。
この熱間工具は、Ｃ＋Ｎ：０．１％以下、Ｓｉ：３％以
下、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｗ：２０〜６０％を含
み、残部が実質的にＮｉからなるＮｉ基合金製熱間工
具、または、これらの合金成分に加えて、さらに、〔Ａ
群〕１〜１０％のＭｏ、〔Ｂ群〕１０％以下のＦｅ、２
０％以下のＣｏ、３％以下のＴｉ、３％以下のＡｌ、３
％以下のＶ、１０％以下のＣｒ、および〔Ｃ群〕０．０
５％以下の希土類元素他、のなかから選ばれた１種以上
の成分を含有するＮｉ基合金製熱間工具で、高温靭性、
高温延性、および室温靭性に優れ、変形抵抗の高いステ
ンレス鋼のような合金鋼やＮｉ基合金、Ｔｉおよびその
合金、Ｚｒおよびその合金等の高合金を加工しても、変
形、焼き付き、溶損等が少なく、工具寿命が長いという
利点を有している。

【０００４】さらにその後、本出願人は、Ｗを単独また
はＭｏと複合で１５．０〜５５．０％（但し、複合の場
合Ｍｏは２０．０％以下）を含有し、Ｎｂおよび／また
はＴｉを含む、室温から高温までの広い領域において、
高い強度を有し、しかも靭性・延性をも兼ね備えたＮｉ
基合金を開発した（特開平５−１７９３７８号公報）。
この合金は、マンドレルバー、プラグ、ダイス等の工具
の他、広い温度範囲で各種構造部材に適用することがで
きる。

【０００５】しかしながら、これらのＮｉ−Ｗ系合金を
素材として用いた熱間ダイスにおいて問題となっている
のは、加熱冷却の繰り返し熱サイクルによるダイス表面
での亀裂（熱亀裂）の発生である。割れはα−Ｗ相に発
生し、それらが進展、合体し、亀裂に到る。従って、Ｗ
の含有量を増加させて高温強度を高めた場合はα−Ｗ相
の分散量が多いため熱亀裂が生じやすく、特に粗大なα
−Ｗ相が分散している場合は、その傾向が一層顕著にな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、加熱冷却の繰り返し熱サイクルを受けても表
面に亀裂が発生しにくく、工具寿命の長い熱間ダイスを
提供することを目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明者らは、ダイスの表層を溶融した後、急速に
冷却凝固することにより、表層の組織を微細化し、α−
Ｗ相の存在に起因して発生する割れを防止することの可
能性について検討した。

【０００８】材料の表層を電気アーク、レーザー光線、
電子ビームなどを用いて溶融した後、急速凝固組織を形
成することにより表面改質を行う技術については、種々
検討されており、例えば、ステンレス鋼の表面にレーザ
ー光線を照射することにより粒界におけるＣｒ炭化物の
析出が抑制され、粒界腐食の防止が可能であるという報
告がなされている（「溶接技術」Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．
８（１９９０年８月）７１〜７４頁）。また、球状黒鉛
鋳鉄のチル組織形成による耐摩耗性の改善にも応用され
ており、アモルファス化についての研究発表もなされて
いる。

【０００９】本発明者らは、上記の課題を解決するため
にこの表面改質技術の応用を試みたのであるが、合金の
組成、溶融層の厚み、溶融方法、冷却速度の確保等につ
いて詳細な検討を重ねた結果、加熱冷却の繰り返しによ
り表面に発生する熱亀裂の防止が可能であることを確認
し、本発明をなすに至った。

【００１０】本発明の要旨は、下記の熱間ダイスにあ
る。

【００１１】重量％で、Ｎｉ：３０〜６０％およびＷ：
４０〜７０％を含み、α−Ｗ相が分散している金属組織
を有する熱間ダイスであって、その表層に、入熱量を１
５０００〜３００００Ｊ／ｃｍ、予熱およびパス間温度
を２００℃以下とし、かつ溶融速度を１５ｃｍ／ｍｉｎ
以下として溶融した後、急速凝固させる表面改質が施さ
れていることを特徴とする熱間ダイス。

【００１２】

【発明の実施の形態】上記本発明によって前記の課題が
どのように解決されるか、以下に説明する。

【００１３】本発明の熱間ダイスは、Ｎｉ：３０〜６０
％およびＷ：４０〜７０％を含む合金が素材として用い
られたものである。これは以下の理由による。

【００１４】図２に示したＮｉ−Ｗ二元系状態図にみら
れるように、Ｗが約４０％以上で凝固時に他元素を固溶
せず、純Ｗに近い相であるα−Ｗ相が晶出する。その他
の相は、ＮｉにＷが最大約４０％固溶したＮｉ固溶体で
ある。また、融点はＷ含有量が４０〜４５％で１５００
℃、４５％を超えると次第に上昇し、７０％で２２００
℃となる。このように、ダイスの高温強度を一段と高め
る上で有効なα−Ｗ相を晶出させるためには、Ｗの含有
量を４０％以上（Ｎｉ含有量は６０％以下）とすること
が必要であり、また、Ｗが７０％を超えて含まれると
（Ｎｉは３０％未満）、融点が２２００℃を超えて溶融
が困難となる。従って、Ｗの含有量は４０〜７０％（Ｎ
ｉは６０〜３０％）とする。

【００１５】本発明の熱間ダイスにはＮｉおよびＷ以外
の合金成分が含まれていてもよい。

【００１６】α−Ｗ相に固溶する元素（Ｗと全率固溶す
る元素）としてはＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ等
があり、これらの元素はα−Ｗ相の生成についてはＷと
等価と考えられるので、Ｗとそれらの元素の合計が４０
〜７０％であればよい。また、Ｎｉ固溶体に固溶する元
素（α−Ｗ相にあまり固溶しない元素）としてＣｏ、Ｆ
ｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ等があり、これらの元素はＮｉと
等価と考えと考えられるので、Ｎｉとそれらの元素の合
計が６０〜３０％であればよい。

【００１７】ＷはＮｉに固溶してこれを強化する。Ｗの
含有量を増加していくと、前記のように固溶限以上のＷ
はα−Ｗ相となって分散晶出し、更に高温強度が向上す
るが、分散量が増大すると繰り返し熱サイクルによる熱
亀裂が発生し易くなる。特に、分散形態が粗大であると
有害である。

【００１８】本発明の熱間ダイスは、上記の組成を有
し、α−Ｗ相が分散しているダイスに対して、表層を溶
融した後、急速凝固させてα−Ｗ相を微細に再晶出させ
る表面改質処理が施されたダイスである。

【００１９】上記組成のダイスの表面に、電気アーク、
レーザー光線、電子ビームなどの熱源を用いてエネルギ
ーを投与すると、表層のみが溶融する。その後、熱源を
移動すると溶融部は自己冷却により急速に凝固するが、
このとき再晶出するα−Ｗ相の凝固組織は微細なデンド
ライト（樹枝状晶）組織となる。熱亀裂に対しては、α
−Ｗ相のデンドライトセルの幅が細かい方が有利であ
り、そのためには溶融深さが浅く、凝固速度が速い方が
望ましい。溶融深さを浅くし表層のみを溶融させるには
パワー密度（単位時間および単位面積当たりのエネルギ
ー（Ｗ／ｃｍ² ））の高いエネルギーを短時間投与する
のが有効で、ＴＩＧアーク、プラズマアーク、炭素アー
クなどの電気アーク、レーザー光線、電子ビーム等を熱
源として使用することができる。

【００２０】凝固組織のデンドライトセルの微細化は融
点での冷却速度により決まるが、表面溶融層の融点での
冷却速度の測定は困難である。そこで、凝固後の高温
（１２００℃）における冷却速度を指標とし、凝固組織
と熱亀裂の発生との関連を検討した結果、１２００℃で
５０℃／秒以上の冷却速度が確保されれば、デンドライ
トセル幅は１０μｍ以下となり、熱亀裂が発生しにくく
なることが判明した。

【００２１】熱間ダイスのような熱間工具の表面は高温
の被加工材と接し、加工完了後、放冷または水冷される
ので、急速な加熱、冷却を繰り返し受けることとなり、
熱亀裂が発生する。したがって、表面改質する層の厚
み、すなわち溶融深さは、前記の急速な加熱、冷却を受
けて温度変化する表層部分を含む必要がある。必要な厚
みが確保されていないと溶融層の下の非改質部（ダイス
の内部側）で亀裂が発生するからである。この必要な厚
みは熱間工具の種類により異なるが、一般的には２ｍｍ
程度である。

【００２２】必要な溶融深さを確保するためには、入熱
量、すなわち用いる熱源による単位長さあたりの投与熱
量が１５０００Ｊ／ｃｍ以上であることが必要である。

【００２３】一方、前記の冷却速度の点から入熱量には
上限がある。冷却速度は入熱量と予熱およびパス間温度
により決まり、１２００℃で５０℃／秒以上の冷却速度
を確保するためには、入熱量を３００００Ｊ／ｃｍ以下
とし、予熱およびパス間温度を２００℃以下とすること
が必要である。

【００２４】更に、溶融速度（トーチ走行速度）を１５
ｃｍ／ｍｉｎ以下として溶融することが必要である。本
発明の熱間ダイスは、Ｎｉ−Ｗ固溶体と塊状のα−Ｗ相
からなる母材を均一な溶融状態にした後、急速に冷却し
て熱亀裂が発生しにくい微細なα−Ｗ相を晶出させたも
のであって、溶融時にＮｉ−Ｗ固溶体のみが溶融して、
α−Ｗ相が固体のまま残存していてはその目的が達成さ
れない。従って、α−Ｗ相を十分に溶解するには、溶融
状態のＮｉ−Ｗ固溶体中にα−Ｗ相を一定時間滞留させ
ることが必要になる。いま、溶融速度（トーチ走行速
度）をｖｃｍ／ｍｉｎ、溶融池の長さをｌ（エル）ｍｍ
とすると、溶融池の任意のある点の溶融時間は６×ｌ／
ｖ秒となる。ｌは入熱量と予熱およびパス間温度により
決定されるので、前記の入熱量と予熱およびパス間温度
の範囲で、α−Ｗ相を十分に溶解するために必要なｖを
求めると、１５ｃｍ／ｍｉｎ以下となる。

【００２５】ダイスの表層に実際に溶融処理を施すに
は、電気アーク、レーザー光線、電子ビームなどパワー
密度の高いエネルギーをダイスの表面に照射しつつ照射
部位を移動させ、ダイスの表層を線状に溶融し、順次溶
融部（これを「パス」という）を重ねて所定の領域に溶
融部を形成していけばよい。

【００２６】上述したように、本発明の熱間ダイスは、
所定の化学組成を有する素材からなり、かつ上記のよう
な表面改質処理が施された結果、表層部がα−Ｗ相の微
細なデンドライト（樹枝状晶）組織となっているので、
加熱冷却の繰り返し熱サイクルを受けても表面に熱亀裂
が発生しにくい。なお、上記の表面改質処理は、熱間ダ
イスに限らず、α−Ｗ相に起因する熱亀裂が生じやすい
他の熱間工具にも勿論適用することができる。

【００２７】

【実施例】図１に示す形状のシームレス鋼管熱間押し出
し用ダイスを用いてＳＵＳ３０４シームレス鋼管（外
径：６０．５ｍｍ、肉厚：３．９ｍｍ、長さ：２０ｍ）
を製管し、ダイスのビレットと接する内面に亀裂が発生
するまでの製管回数を調査した。押し出し温度（ビレッ
ト温度）は１２００℃である。

【００２８】ダイスは表１に示す組成を有するＮｉ−４
５％Ｗ合金の鍛造品で、ビレットと接する内面全面を表
２に示す条件でＴＩＧアークによって溶融処理し、その
後、溶融深さを確保しつつ内面を図１に示した形状に機
械加工したものである。それぞれのダイスの溶融深さを
表２に示した。

【００２９】調査結果を表２に併せて示す。この結果か
ら明かなように、本発明で定める条件で溶融処理を施し
たダイスでは製管回数が３０回に達しても亀裂の発生は
認められなかった。

【００３０】これに対して、入熱量またはパス間温度が
本発明で規定する条件を超えるダイス（Ｎｏ．１、１３
および１４）ではα−Ｗ相が微細に晶出せず、製管回数
が１２回もしくはそれ以下で熱亀裂が発生した。入熱量
が過小で必要な溶融深さが得られなかった場合（Ｎｏ．
１０）は、溶融処理層の下層部で熱亀裂が発生し、その
亀裂が表面にまで達した。また、溶融速度（トーチ走行
速度）が規定を超えたダイス（Ｎｏ．１８）ではα−Ｗ
相が溶融処理後も固体のまま残存していて表面改質の目
的が達成されず、やはり熱亀裂が発生した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】本発明の熱間ダイスは、表層部がα−Ｗ
相の微細なデンドライト（樹枝状晶）組織となっている
ので、加熱冷却の繰り返し熱サイクルを受けても表面に
熱亀裂が発生しにくく、従来のものに比べて工具寿命が
格段に長い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いたシームレス鋼管の熱間押し出し
用ダイスの形状を示す断面図である。

【図２】Ｎｉ−Ｗ二元系状態図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｎｉ：３０〜６０％およびＷ：
   ４０〜７０％を含み、α−Ｗ相が分散している金属組織
   を有する熱間ダイスであって、その表層に、入熱量を１
   ５０００〜３００００Ｊ／ｃｍ、予熱およびパス間温度
   を２００℃以下とし、かつ溶融速度を１５ｃｍ／ｍｉｎ
   以下として溶融した後、急速凝固させる表面改質が施さ
   れていることを特徴とする熱間ダイス。