(57)【要約】【課題】台金としてＮｉ基合金と比較して安価な熱間金型用鋼を用いつつ、従来以上に金敷の寿命を向上させることのできる熱間鍛造用金敷の製造方法を提供する。【解決手段】熱間金型用鋼からなる台金と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなり被鍛造材の圧下面となる表面層との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層を介在させた鍛造用金敷の製造方法であって、該金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却した後、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことを特徴とする鍛造用金敷の製造方法である。前記中間層の固溶強化型Ｎｉ合金として、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５相当合金を用いることが好ましく、前記表面層のγ′析出強化型Ｎｉ合金として、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当合金を用いることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間金型用鋼からなる台金と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなり被鍛造材の圧下面となる表面層との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層を介在させた鍛造用金敷の製造方法であって、該金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却し、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことを特徴とする鍛造用金敷の製造方法。
【請求項２】
前記中間層の固溶強化型Ｎｉ合金が、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｃｒ：２０．０〜２３．０％、Ｍｏ：８．０〜１０．０％、ＮｂおよびＴａの合計：３．１５〜４．１５％ならびにＦｅ：５．０％以下を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１に記載の鍛造用金敷の製造方法。
【請求項３】
前記表面層のγ′析出強化型Ｎｉ合金が、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：１８．０〜２１．５％：Ｍｏ：５．０〜６．５％、Ｃｏ：１１．０〜１５．０％、Ａｌ：１．８〜２．３％、Ｔｉ：２．９０〜３．１５％、Ｆｅ：５．０％以下およびＷ：０．５〜１．２５％を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造用金敷の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，熱間での鍛造時に使用する鍛造用金敷の製造方法に関し、特に、二方向から平金敷により圧下する自由鍛造用金敷として好適であり、変形抵抗の高い難加工材の鍛造に適した鍛造用金敷の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高Ｃｒ−高Ｎｉ合金などの難加工材を毎分１００回以上の高頻度で圧下し、鍛造するために使用する金敷は、圧下時の衝撃荷重、高温の熱サイクルなどにより激しく磨耗する。このため、金敷は寿命に達すると、圧下表面に手入れや肉盛補修を繰り返し施して使用される。鍛造コストを削減するには、この金敷の寿命を向上させ、補修の工数を削減することが不可欠である。
【０００３】
従来、鍛造用金敷としては、例えば、ＳＫＴ４などの熱間金型用鋼からなる台金に直接に、またはマトリックス強化型Ｎｉ基合金などからなる中間層を介して、表層部にγ′析出強化型Ｎｉ基合金を肉盛りし、作業面部としたものが用いられていた。このγ′析出強化型Ｎｉ基合金を肉盛りした金敷は、作業面部の肉盛り層が使用中の昇温により時効作用を受けて析出強化されることにより、寿命の向上を図るものである。
【０００４】
しかし、使用の極く初期であって析出強化が達成される以前に、圧潰を受け、また、繰り返し加熱冷却による熱疲労に起因した表面亀裂（以下、「ヒートチェック」とも記す）が発生するため、十分な寿命を実現することができない。また、肉盛り後全体を加熱して時効処理する場合に、その処理温度では、作業面部を強固に支持すべき下層、すなわち熱間金型用鋼により構成される台金のオーバーテンパーにより硬度が低下することから、処理温度は約６５０℃程度以下に制限される。その結果、上記の処理温度では作業面部の十分な析出強化がなされず、ヒートチェックによる割れが発生するので十分に長い寿命を得ることができない。
【０００５】
上記のヒートチェックに対する抵抗性を高めた金敷については、特許文献１に、全体が一体のγ′析出強化型Ｎｉ基合金により形成された高速四面鍛造用金敷、およびＮｉ基合からなる台金の作業面（圧下面）部にγ′析出強化型Ｎｉ基合金により肉盛りした高速四面鍛造用金敷が開示されている。しかし、台金に熱間鍛造用金型用鋼を使用する場合に、肉盛り層の析出強化を目的として７００〜９００℃における時効処理を行うと、台金の強度が低下するという問題があった。
【０００６】
この問題に対して、金敷の全体をＮｉ基合金により構成すれば、高寿命化を図ることは可能である。しかし、Ｎｉ基合金は非常に高価であり、重量の大きな金敷を備えた鍛造機において、金敷全体にＮｉ基合金を使用すれば、設備費が増大し、鍛造コストの上昇を招くので、このような対策を講ずることは現実的でない。
【０００７】
また、本発明が対象とする金敷は、平金敷を備える水平対向高速鍛造機にて使用される金敷であり、この水平対向高速鍛造は、高速四面鍛造装置による鍛造に比較して、１ショット当たりの圧下量および材料の伸び量が大きく、また、金敷と材料との接触時間も長い鍛造方法である。このように、水平対向高速鍛造機に使用される金敷は、摩耗が大きな極めて過酷な条件下で用いられることから、経済性を満足しつつ、寿命の向上を図ることのできる鍛造用金敷の製造方法が望まれていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−６２５４１号公報（特許請求の範囲、段落［０００２］〜［０００９］、［００１３］など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のとおり、例えば、台金の作業面にγ′析出強化型Ｎｉ基合金により肉盛りを行った従来の金敷では、肉盛り部を析出強化するために時効熱処理を行うと、台金の強度低下を招くという問題があった。
【００１０】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、台金としてＮｉ基合金と比較して安価な熱間鍛造金型用鋼を用いつつ、従来以上に金敷の寿命を向上させることのできる熱間鍛造用金敷の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決するためになされた研究により得られた知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示す鍛造用金敷の製造方法にある。
【００１２】
（１）熱間金型用鋼からなる台金と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなり被鍛造材の圧下面となる表面層との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層を介在させた鍛造用金敷の製造方法であって、該金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却し、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことを特徴とする鍛造用金敷の製造方法。
【００１３】
（２）前記中間層の固溶強化型Ｎｉ合金が、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｃｒ：２０．０〜２３．０％、Ｍｏ：８．０〜１０．０％、ＮｂおよびＴａの合計：３．１５〜４．１５％ならびにＦｅ：５．０％以下を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする前記（１）に記載の鍛造用金敷の製造方法。
【００１４】
（３）前記表面層のγ′析出強化型Ｎｉ合金が、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：１８．０〜２１．５％：Ｍｏ：５．０〜６．５％、Ｃｏ：１１．０〜１５．０％、Ａｌ：１．８〜２．３％、Ｔｉ：２．９０〜３．１５％、Ｆｅ：５．０％以下およびＷ：０．５〜１．２５％を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の鍛造用金敷の製造方法。
【００１５】
本発明において、「γ′析出強化型Ｎｉ合金」とは、γ′相（Ｎｉ3（Ａｌ、Ｔｉ））の析出を利用して強度の上昇を図る析出強化型のＮｉ合金を意味する。
【００１６】
また、本明細書の以下の記述において、合金成分含有量に関する「％」の表記は、「質量％」を表すものとする。
【００１７】
本発明者らは、台金としてＮｉ基合金と比較して安価な熱間鍛造金型用鋼を用いつつ、従来以上に金敷の寿命を向上させることのできる鍛造用金敷の製造方法について研究を重ね、下記の（ａ）〜（ｄ）の知見を得て本発明を完成させた。
【００１８】
（ａ）表面層のγ′析出強化型Ｎｉ合金は、時効熱処理を行うことにより、その強度（硬度）を上昇させる必要がある。しかし、台金を構成する熱間金型用鋼、中間層、およびγ′析出強化型Ｎｉ合金からなる表面層を肉盛溶接により一体化させた金敷において、通常の時効熱処理を実施すると、表面層の硬度が高くなって中間層と表面層との硬度差が拡大し、割れが発生しやすくなる。
【００１９】
（ｂ）一方、６５０℃程度の比較的低温の熱処理を行った場合には、表面層における十分な析出強化が達成されず、ヒートチェックによる割れが発生して金敷の十分な寿命が得られない。
【００２０】
（ｃ）上記（ａ）および（ｂ）の問題を解消するには、時効処理により表面層の硬度をむやみに高くするよりも、中間層と表面層との硬度差を小さくすることにより、熱間鍛造時における割れの発生を抑制することが可能である。
【００２１】
すなわち、金敷の表面層のみの硬度が高いと、鍛造時の衝撃荷重を、硬くかつ薄い表面層のみで負担することとなるため、表面層に高温延性不足による割れが発生しやすい。一方、表面層と中間層との硬度差を小さくすることにより、表面層と中間層の両層を合計した層厚により衝撃荷重を負担することとなり、衝撃荷重を負担する層厚が増大した分だけ衝撃荷重が緩和される。さらに、表面層の硬度も過度に高くはならないので、表面層に高温延性不足による割れが発生しにくい。
【００２２】
（ｄ）上記（ｃ）の知見に基づき、熱処理条件を種々に変更して割れの抑制効果を調査する予備試験を行った結果、下記に詳述するとおり、６２０〜６７０℃にて１０時間以上均熱後冷却し、その後、さらに６７０〜７５０℃にて１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことにより、鍛造時における割れの発生を抑制できることが確認された。
【００２３】
１）割れの抑制効果に関する予備調査試験に用いた合金材料
熱間金型用鋼のＳＫＤ６１相当鋼からなる縦１００ｍｍ、横１００ｍｍおよび厚さ４０ｍｍの試験片の上表面に、中間層としてＩｎｃｏｎｅｌ６２５相当の合金を用いて厚さ４ｍｍで第１層の肉盛溶接を行い、さらにその上表面に、表面層としてＵｄｉｍｅｔ５２０相当の合金を用いて厚さ６ｍｍで第２層の肉盛溶接を行って、これを供試材とした。
【００２４】
表１に、供試材に用いた各合金材料の代表化学成分組成を示した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
２）熱処理条件および試験結果
上記の供試材を用いて、下記の表２に示す４種類の熱処理条件で熱処理を行い、表面層および中間層の各硬度を測定するとともに、両層の硬度差を求めた。ここで、表面層および中間層の各硬度は、ＪＩＳ  Ｚ２２４４に規定された方法にしたがって、試験力９８．０７ＮにてＨＶ１０の値を測定した。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
同表の結果から、二段熱処理の温度および処理時間を適切に選択することにより、Ｎｉ基合金の析出強化のために通常行われる時効処理温度である８００℃程度よりも低温での熱処理であっても、表面層の硬度が高く、かつ中間層と表面層との硬度差が小さい高寿命の金敷が得られることが確認された。
【００２９】
本発明の鍛造用金敷の製造方法は、上記の（ａ）〜（ｄ）に示された知見に裏付けられて完成されたものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の方法によれば、Ｎｉ基合金と比較して安価な熱間金型用鋼からなる台金と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなる表面層との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層を介在させた金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却した後、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことにより、製造コストが安価で、かつ寿命を向上させた熱間鍛造用金敷を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の方法が対象とする平金敷の形状の一例を示す図である。本発明の方法は、前記のとおり、熱間金型用鋼からなる台金４と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなり被鍛造材の圧下面１となる表面層２との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層３を介在させた鍛造用金敷の製造方法であって、該金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却し、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施す鍛造用金敷の製造方法である。以下に、本発明の方法を前記のように規定した理由および好ましい態様などにつき、さらに詳細に説明する。
【００３２】
１．台金として熱間金型用鋼を使用
鍛造用金敷の台金としては、Ｎｉ基合金と比較して安価な熱間金型用鋼を用いる。本発明の方法では、このような安価な熱間金型用鋼を用いても、従来以上に金敷の寿命を向上させることができる。具体的には、ＪＩＳ  Ｇ４４０４に規定された合金工具鋼鋼材の中の熱間金型用鋼であるＳＫＤ６、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２、ＳＫＤ７、ＳＫＤ８、ＳＫＴ３、ＳＫＴ４およびＳＫＴ６などが該当する。これらの中で、ＳＫＤ６１は焼き入れ焼戻し硬さが比較的高く、台金用の材質として好ましい。
【００３３】
２．表面層としてγ′析出強化型Ｎｉ合金を使用
被鍛造材の圧下面となる鍛造用金敷の表面層には、高い硬度を有する材料を使用する必要があることから、本発明では、時効処理により容易に高い硬度が得られるγ′析出強化型Ｎｉ合金を用いる。ここで、γ′析出強化型Ｎｉ合金とは、前記のとおり、γ′相（Ｎｉ3（Ａｌ、Ｔｉ））の析出を利用して強度を上昇させる析出強化型のＮｉ合金を意味する。
【００３４】
鍛造用金敷の表面層に用いるγ′析出強化型Ｎｉ基合金としては、Ａｌ、Ｔｉ、ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種以上を含むものが好ましい。合金商標名では、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１３Ｃ、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８、Ｍ２５２、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｒｅｎｅ４１、Ｕｄｉｍｅｔ５００、Ｕｄｉｍｅｔ５２０などが該当する。
【００３５】
上記の合金中においても、とりわけ、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当の合金である、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：１８．０〜２１．５％、Ｍｏ：５．０〜６．５％、Ｃｏ：１１．０〜１５．０％、Ａｌ：１．８〜２．３％、Ｔｉ：２．９０〜３．１５％、Ｆｅ：５．０％以下およびＷ：０．５〜１．２５％を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有する合金を用いることが好ましい。
【００３６】
３．中間層として固溶強化型Ｎｉ基合金を使用
鍛造用金敷の台金を構成する熱間金型用鋼に表面層を構成するγ′析出強化型Ｎｉ合金を直接に肉盛溶接した場合には、異材溶接による割れが発生しやすいため、台金の上面に異材溶接の緩衝材として、固溶強化型Ｎｉ基合金を肉盛溶接し、これを中間層としてその上面に、表面層としてγ′析出強化型Ｎｉ合金を肉盛溶接する。
【００３７】
鍛造用金敷の中間層として使用する固溶強化型Ｎｉ基合金としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａのうちの１種または２種以上含むものが好ましい。合金商標名では、Ｉｎｃｏｎｅｌ６１０、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、Ｉｎｃｏｎｅｌ８２などが該当する。
【００３８】
とりわけ、異材溶接によく用いられるＩｎｃｏｎｅｌ６２５相当の合金である、Ｃ：０．１０％以下、Ｃｒ：２０．０〜２３．０％、Ｍｏ：８．０〜１０．０％、ＮｂおよびＴａの合計：３．１５〜４．１５％ならびにＦｅ：５．０％以下を含有し、残部がＮｉおよび不純物からなる組成を有する合金を用いることが好ましい。
【００３９】
４．二段熱処理による表面層および中間層の割れ防止、および台金の強度低下防止
本発明の鍛造用金敷の製造方法においては、下記の（１）および（２）に示すとおり、１段目の熱処理を行った後、さらに２段目の熱処理を行う二段熱処理を施すことにより、表面層と中間層との硬度差を低減し、割れを防止するとともに、台金の強度低下も防止する。
【００４０】
（１）１段目の熱処理
１段目の熱処理は、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後、冷却する処理である。均熱温度が６２０℃未満では、鍛造用金敷の表面層および中間層の時効不足により硬度が不足し、割れが発生する。他方、均熱温度が６７０℃を超えて高くなると、表面層の硬度が上昇し過ぎ、中間層と表面層との硬度差が拡大することに起因して割れが発生する。また、均熱時間が１０時間未満では、中間層および表面層の硬度の不足により割れが発生する。
【００４１】
そこで、１段目の熱処理は、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後、冷却することとした。
【００４２】
（２）２段目の熱処理
２段目の熱処理は、６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後、冷却する処理である。均熱温度が６７０℃未満では、鍛造用金敷の表面層の時効不足により硬度が不足し、割れが発生する。他方、均熱温度が７５０℃を超えて高くなると、表面層の硬度が上昇し過ぎ、中間層と表面層との硬度差が拡大することに起因して割れが発生する。また、均熱時間が１０時間未満では、中間層および表面層の硬度の不足により割れが発生する。
【００４３】
そこで、２段目の熱処理は、６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後、冷却することとした。
【００４４】
５．本発明が対象とする被鍛造材
本発明の方法により製造された鍛造用金敷を用いる熱間鍛造が対象とする被鍛造材は、特に限定されないが、本方法により製造された金敷は、金敷寿命を著しく低下させる変形抵抗の高い下記の難加工材料の鍛造に好適である。例えば、ＣｒやＮｉ含有量の高いＳＵＳ３１６もしくはＳＵＳ３１０などのステンレス鋼、ＮＣＦ８００もしくはＮＣＦ８２５などの高合金鋼、またはＮｉ基合金などの熱間鍛造に好適である。
【実施例】
【００４５】
本発明に係る鍛造用金敷の製造方法の効果を確認するため、下記に示す金敷の製造試験を行い、その結果を評価した。
【００４６】
厚さ１４０ｍｍの熱間金型用鋼ＳＫＤ６１相当鋼の上面（圧下面側）に、中間層としてＩｎｃｏｎｅｌ６２５相当合金を用いて厚さ３〜５ｍｍで第１層の肉盛溶接を行い、その上面に表面層としてＵｄｉｍｅｔ５２０相当合金を用いて厚さ５〜７ｍｍで第２層の肉盛溶接を行って、前記図１に示す形状を有し、厚さ（Ｈ）が１５０ｍｍ、幅（Ｗ）が３６０ｍｍ、長さ（Ｌ）が９００ｍｍの平金敷を得た。ここで、ＳＫＤ６１相当鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５相当合金およびＵｄｉｍｅｔ５２０相当合金としては、それぞれ、前記表１に示される成分組成のものを用いた。
【００４７】
上記のようにして製造された金敷に３種類の条件の熱処理を施した。表３に、金敷の材質および熱処理条件を示した。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
比較例の試験である試験番号１では６５０℃において２４時間の均熱処理を、また、同試験番号２では７００℃において２４時間の均熱処理を行い、そして、本発明例の試験である試験番号３では６５０℃において２４時間の均熱処理を行った後冷却し、さらに７００℃において２４時間の均熱処理を行った。
【００５０】
鍛造試験は、上記の熱処理を行った平金敷を水平対向高速鍛造機に取り付け、難加工性材料である高合金鋼（２５％Ｃｒ−３５％Ｎｉ−３％Ｍｏ鋼）の鋼塊を素材として、鍛造する方法により行った。一辺の長さが５００ｍｍの正方形で、その角部が曲率半径１２０ｍｍの丸みを有する断面形状を有し、長さが２０００ｍｍの鋼塊を鍛造素材とし、この鍛造素材を１２９０℃に加熱した後、表３に示された材質および層構成を有し、さらに熱処理を施された平金敷を用いて、１ショットの圧下量が８０ｍｍの熱間鍛造を行った。ここで、被鍛造材を長手方向の全長にわたり圧下する鍛造を１パスと定義した。
【００５１】
上記の水平対向高速鍛造機を用いた鍛造では、１ショット当たりの圧下量が高速四面鍛造装置による鍛造よりも大きく、被鍛造材料と金敷との接触時間も長く、さらに、被鍛造材料と金敷との摩擦も大きい。したがって、上記の実施例における鍛造条件は、極めて過酷な鍛造条件である。
【００５２】
鍛造試験の結果、判明した金敷の寿命を前記表３に併せ示した。同表中の金敷寿命欄において、○印は、鍛造を２００００パス以上行っても金敷の圧下面に割れが認められなかったことを示し、×印は、２００００パス未満の鍛造により金敷の圧下面に割れが認められたことを示す。
【００５３】
同表の結果から、本発明で規定する熱処理条件を満足しない比較例の試験である試験番号１および２では、２００００パス未満の鍛造にもかかわらず、金敷の圧下面に割れが認められた。これに対して、本発明で規定する条件を満足する本発明例の試験である試験番号３では、２００００パス以上の鍛造を行っても、金敷に割れが認められず、高寿命であることが確認された。
【００５４】
以上のように、本発明の方法によれば、安価な工具鋼を金敷の台金として用いつつ、従来以上に金敷の寿命を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の方法によれば、Ｎｉ基合金と比較して安価な熱間金型用鋼からなる台金と、γ′析出強化型Ｎｉ合金からなる表面層との間に、固溶強化型Ｎｉ合金からなる中間層を介在させた金敷を、６２０〜６７０℃において１０時間以上均熱後冷却した後、さらに６７０〜７５０℃において１０時間以上均熱後冷却する二段熱処理を施すことにより、経済性に優れ、かつ寿命を向上させた熱間鍛造用金敷を製造することができる。したがって、本発明の鍛造用金敷の製造方法は、特に、変形抵抗の高い難加工性材料の水平対向高速鍛造機による熱間鍛造工程に用いる平金敷の製造コストの低減、およびその寿命の向上に大きく寄与できる優れた技術である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の方法が対象とする平金敷の形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：圧下面、  ２：表面層、  ３：中間層、  ４：台金  
【図１】
2010037564.tif 000006