(57)【要約】【課題】  従来のNi基合金やCo基合金の熱間鍛造金型用肉盛材料と比較して同等に近い高温耐摩耗性を有するとともに、被削性を大幅に改善させたFe基合金による肉盛座材料の提供。【解決手段】  上盛材として質量%で、C：0.30〜0.55%、Si：0.2〜1.5%、Mn：0.4〜2.0%、Cr：4.0〜9.0%、V：0.1〜1.0%、Mo：2.0〜5.0%、W：2.0〜11.0%、Ni：0.3〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる溶接材料を用い、必要に応じ下盛材として、質量%で、C：0.05〜0.25%、Si：0.1〜1.0%、Mn：0.2〜2.0%、Cr：0.6〜3.5%と、V：0.1〜0.5%、Mo：0.2〜2.0%、W：0.2〜4.0%、Ni：0.3〜3.0%のうちの1種または2種以上含有し、かつV＋Mo＋W≧0.3%であり、残部Feおよび不可避不純物からなる材料を用いることを特徴とする熱間鍛造金型用肉盛溶接材料。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、C：0.30〜0.55%、Si：0.2〜1.5%、Mn：0.4〜2.0%、Cr：4.0〜9.0%、V：0.1〜1.0%、Mo：2.0〜5.0%、W：2.0〜11.0%、Ni：0.3〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴とする熱間鍛造金型用肉盛溶接材料。
【請求項２】
下盛材として、質量%で、C：0.05〜0.25%、Si：0.1〜1.0%、Mn：0.2〜2.0%、Cr：0.6〜3.5%と、V：0.1〜0.5%、Mo：0.2〜2.0%、W：0.2〜4.0%、Ni：0.3〜3.0%のうちの1種または2種以上含有し、かつV＋Mo＋W≧0.3%であり、残部Feおよび不可避不純物からなる材料を用い、さらに請求項１記載の溶接材料を上盛材として用いることを特徴とする熱間鍛造金型用肉盛溶接材料。
【請求項３】
質量%で、C：0.30〜0.55%、Si：0.2〜1.5%、Mn：0.4〜2.0%、Cr：4.0〜9.0%、V：0.1〜1.0%、Mo：2.0〜5.0%、W：2.0〜11.0%、Ni：0.3〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる溶接材料を母型表面に肉盛溶接したことを特徴とする熱間鍛造用金型。
【請求項４】
質量%で、C：0.05〜0.25%、Si：0.1〜1.0%、Mn：0.2〜2.0%、Cr：0.6〜3.5%と、V：0.1〜0.5%、Mo：0.2〜2.0%、W：0.2〜4.0%、Ni：0.3〜3.0%のうちの1種または2種以上含有し、かつV＋Mo＋W≧0.3%であり、残部Feおよび不可避不純物からなる材料を母型表面に下盛材として肉盛溶接し、さらに請求項１記載の溶接材料を下盛材の上層部に上盛材として肉盛溶接したことを特徴とする熱間鍛造金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過酷な条件で使用される熱間鍛造用金型の寿命を大幅に向上することのできる溶接材料及びそれを用いた熱間鍛造用金型に関するものであり、具体的には工具鋼からなる金型表面に肉盛溶接することによって、表面に靭性、耐ヒートチェック性および高温耐摩耗性の優れた肉盛溶接層を設けることにより、寿命の改善を可能とする金型の肉盛溶接材料及びその溶接材料を用いた熱間鍛造用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間鍛造は、1000〜1300℃に加熱された被加工材を鍛造型に設置して機械力または油圧力の加圧手段によって成形する技術であり、高温に加熱することにより冷間で加工する場合に比べ変形抵抗が低下し、比較的大きな部品であっても高い生産性での部品製造が可能となることから、クランクシャフト、コンロッド等のエンジン部品等多くの機能部品に採用されている。
【０００３】
しかし、熱間鍛造は高温に加熱された被加工材に繰返し加工を加え、一つの金型を使って多数の部品を連続的に製造することを特徴としていること、被加工材は高温に加熱されているため、冷間に比べ変形抵抗は低下しているものの、かなりの高荷重が高温状態にて負荷されること等から、鍛造型には過酷な機械的応力と熱的応力を受け、寿命が比較的短いという問題がある。従って、鍛造型の寿命を改善するためには、以下の特性が特に優れていることが要求される。
【０００４】
(1)繰返し高温の被加工材と接触することに伴う熱負荷に耐えられる耐ヒートチェック性
(2)繰返し衝撃荷重を受けることに耐えられる耐衝撃性(靭性)
(3)繰返し高温で高面圧の負荷がされる条件下での高温耐摩耗性
【０００５】
このような熱間加工時の型に使用される工具鋼としては、JISでSKD61、SKT4などが規格化されており、現在も使用されている。しかしながら、熱間鍛造のような過酷な条件の下で使用した場合、期待する寿命を得られない場合が多いことから、前記した型の表面に母材型材料に比較して高温耐摩耗性、耐ヒートチェック性等耐熱性に優れた材料を、特に摩耗が多くなりそうな箇所について肉盛溶接することにより、型寿命を向上するという方法が一般的に行われている。この肉盛溶接用材料としては、Ni基の合金やCo基の合金が多く用いられている。また、最近では、Cr、Mo、W、V等の元素を適量添加することによって前記性能を改善した鉄合金も使用されている(特許文献１、非特許文献１参照)。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−７７３７５号公報
【非特許文献１】鍛造技報  第７１号  第１０〜１７頁
【０００７】
特許文献１に記載の発明は、従来肉盛用溶接材料として用いられてきたCo基合金で問題となっていた肉盛性を改善することを目的に開発されたCo基合金について記載されている。また、この特許の出願時に既に用いられていたCo基合金についても記載されている。
【０００８】
また、非特許文献１は、ドイツにおいて熱間用金型材に使用されている肉盛溶接材料について記載されたものであり、Ni基合金やCr、Mo、W、V等を適量添加した鉄合金を適用した例が記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、現在まで使用されている前記肉盛溶接材料には以下の問題がある。
通常肉盛溶接した場合、肉盛溶接後に表面形状を修正するための機械加工が行われる。しかしながら、ステライト系Co基合金やNi基合金は、高温での耐摩耗性や耐ヒートチェック性等、高温での諸特性については優れているものの、被削性が大きく劣るため、切削工具の費用が高騰するとともに、合金自体が極めて高価であるという問題がある。従って、高温での各種特性が優れているものの、コスト面での問題を考えると、その採用を躊躇せざるをえない場合があるという問題がある。
【００１０】
また、Cr、Mo、W、V等を適量添加して高温での耐摩耗性等の特性を改善したFe合金については、母材として用いられているSKD61等の熱間工具鋼に比べると高温での特性が改善されているものの、前記したCo基合金、Ni基合金に比べて劣り、改善の程度が十分でないという問題がある。さらに、高温耐摩耗性を向上するために合金元素の添加等を行うと、靭性が大きく低下するため、期待する程の寿命向上効果が得られないという問題がある。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決するために検討した結果見出されたものであり、高温での耐摩耗性等の諸特性の点でステライト系Co基合金や、Ni基合金と同等かかなり近い特性を有しつつ被削性については大幅に優れ、材料価格もCo基合金やNｉ基合金に比較して安価な、肉盛溶接材料として新規のFe基合金を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、質量%で、C：0.30〜0.55%、Si：0.2〜1.5%、Mn：0.4〜2.0%、Cr：4.0〜9.0%、V：0.1〜1.0%、Mo：2.0〜5.0%、W：2.0〜11.0%、Ni：0.3〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴とする熱間鍛造金型用肉盛溶接材料である。
【００１３】
本発明のポイントは、Cr、V、Mo、W等の炭化物形成元素を添加して、微細炭化物を析出させ、高温に加熱された際の焼もどし軟化抵抗を高め、高温強度、高温耐摩耗性を改善したことは勿論であるが、その添加量を適切に調整することで、切削性、溶接性を大きく劣化することなく高温特性をCo基合金、Ni基合金に近いレベルまで改善することに成功したこと、Niの適量添加により高温耐摩耗性の大幅な改善を達成しつつ靭性の低下を最小限に抑えた点にある。
【００１４】
また、請求項１からなる溶接材料は、特に高温での耐摩耗性の改善を重視して成分設計されているため、靭性が優れているとは言えず、母材である工具鋼にそのまま肉盛溶接した場合、激しい材料流れが起きる部分であったり、面圧が高くなる部分では、短寿命で割れが生じる可能性がある。そこで、そのような箇所には、請求項２に示すように、質量%で、C：0.05〜0.25%、Si：0.1〜1.0%、Mn：0.2〜2.0%、Cr：0.6〜3.5%と、V：0.1〜0.5%、Mo：0.2〜2.0%、W：0.2〜4.0%、Ni：0.3〜3.0%のうちの1種または2種以上含有し、かつV＋Mo＋W≧0.3%であり、残部Feおよび不可避不純物からなる溶接材料をまず肉盛溶接し、その上層部に上盛材として前記した請求項１に示す合金を肉盛溶接する複数層からなる肉盛溶接を行うことによって、肉盛箇所の短寿命での割れ発生を抑えることができることを見出したものである。なお、請求項2からなる合金は、C含有率を抑えることによって、高温耐摩耗性については請求項1の合金に比較して劣るものの、靭性については逆に改善したことを特徴とし、高面圧が負荷された際にいわゆるクッションとなる役割を示し、低寿命での割れ発生を防止可能にすることを特徴とするものである。
【００１５】
次に請求項1、2からなる肉盛溶接材料の各成分範囲の限定理由について説明する。
まず、最初に上盛材として用いる請求項1からなる合金について説明する。
【００１６】
C：0.30〜0.55%
本発明は微細炭化物を適量生成させることにより、必要とする高温での特性、特に高温耐摩耗性を確保している。また、Cが少ないと溶接時の湯流れと母材との密着性を低下させるという問題もある。従って、必要とする量の炭化物を生成させるためには一定量以上のCの添加を必要とするため、その下限を0.30%とした。しかしながら、多量に含有させすぎると靭性が低下するため、上限を0.55%とした。
【００１７】
Si：0.2〜1.5%
Siは、鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素であるとともに、高温酸化抵抗を増加し、溶接時の湯流れと密着性を向上させる。従って、そのための効果を十分に得るために、下限を0.2%とした。しかしながら、多量に含有させすぎると靭性が低下し、耐ヒートチェック性が低下するため、上限を1.5%とした。
【００１８】
Mn：0.4〜2.0％
Mnは、溶接時の湯流れと密着性を向上させる効果を有する元素であるため、下限を0.4%とした。しかしながら、多量に含有させると靭性が低下するとともに、溶接後の硬度が高くなって被削性も低下するため、上限を2.0%とした。
【００１９】
Cr：4.0〜9.0％
Crは、高温における耐熱性および耐食性を改善する効果を有するとともに、Cと結合して炭化物を生成し、高温硬さおよび高温加熱に伴う軟化抵抗を増加する効果を有する。従って高温耐摩耗性を重視する上盛材用の溶接材料として十分な特性を確保するためには、4％以上の含有が必要である。しかしながら、多量に含有させすぎると、靭性および機械加工性が低下し、低寿命で割れが発生しやすくなるため、上限を9.0％とした。
【００２０】
V：0.1〜1.0％
Vは、安定な高硬度炭化物を生成し、高温加熱時に析出硬化によって硬度が低下するのを抑制し、高い耐摩耗性を確保するために必要な元素である。また、Vは結晶粒の微細化に効果があり、それにより靭性を向上させる。従って、これらの効果を得るために、最低でも0.1％以上の含有が必要である。しかしながら、多量に含有させると、生成される炭化物が粗大化して逆に靭性が低下するとともに、被削性も低下するため、上限を1.0％とした。
【００２１】
Mo：2.0〜5.0％
Moは、微細な炭化物を形成し、耐摩耗性、靭性および耐軟化抵抗の向上から高温強度を改善する元素であるが、少ない場合にはその効果が十分でなく、多すぎる場合には溶接時に割れを発生しやすくなる。従って、添加範囲を2.0〜5.0%とした。
【００２２】
W：2.0〜11.0％
Wは、炭化物を微細化するとともに、素地を固溶強化し、高温硬度を向上させる効果がある。従って、優れた高温耐摩耗性を要求される上盛材では、その効果を十分に得る必要があるため、下限を2.0％とした。しかしながら、添加しすぎると、溶接時に湯流れが劣化するとともに、機械加工性も低下するため、上限を11％とした。
【００２３】
Ni：0.3〜2.0％
Niは、靭性を向上させる効果のある元素であり、高温で繰返し高荷重が負荷されても割れが生じないようにするために不可欠となる元素である。従って、そのための効果を十分に得るために、下限を0.3％とした。また、多量に添加しすぎた場合には、被削性が低下するため、上限を2.0％とした。
【００２４】
次に、下盛材として使用する溶接材料(請求項２)の各成分範囲の限定理由について説明する。
C：0.05〜0.25％
下盛材については、鍛造時に被加工材と直接接触しないため、上盛材ほど高温耐摩耗性を高める必要はなく、逆に靭性を高め、高温高面圧負荷時においてクッションとなる役割を高める必要があるため、上盛材に比べてC含有率を低めに設定する必要があり、下限を0.05%、上限を0.25%とした。
【００２５】
Si：0.1〜1.0％
Siは、鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素であるとともに、高温酸化抵抗を増加し、溶接時の湯流れと密着性を向上させる。従って、そのための効果を十分に得るために、下限を0.1%とした。下盛材は、クッションの役割をすることにより、繰返し連続的に型として使用され、過酷な条件で使用されても割れを生じないようにすることを目的に使用する。従って、靭性については上盛材よりも優れていることが要求されるため、これらの特性を劣化させる原因となるSi添加量の上限を上盛材に比較して少なめに抑え、1.0％に設定した。
【００２６】
Mn：0.2〜2.0％
Mnは、溶接時の湯流れと密着性を向上させる効果を有する元素であるため、下限を0.2%とした。しかしながら、多量に含有させると靭性が低下するため、上限を2.0%とした。
【００２７】
Cr：0.6〜3.5％
Crは、高温における耐熱性および耐食性を改善する効果を有するとともに、Cと結合して炭化物を生成し、高温硬さおよび高温加熱に伴う軟化抵抗を向上する効果を有する。但し、下盛材では上盛材ほど高温耐摩耗性が要求されない。従って、添加量は上盛材に比較して少量で良いため、その範囲を0.6〜3.5％とした。
【００２８】
また、下盛材ではV、Mo、W、およびNiのうちの１種または２種以上を含有させることにより、下盛材として最低限必要な強度を確保するとともに、靭性を改善する効果も有する。以下、V、Mo、WおよびNiのそれぞれの成分範囲限定理由について説明する。
【００２９】
V：0.1〜0.5％、Mo：0.2〜2.0％、W：0.2〜4.0％
V、Mo、Wは3元素共に炭化物を形成して高温耐摩耗性を改善する元素である。従って、優れた高温耐摩耗性が要求される上盛材では、ある程度多量に添加して優れた耐摩耗性を確保する必要があるが、下盛材では上盛材ほどの高温耐摩耗性は必要なく、逆に靭性(耐衝撃性)についてはより高いレベルが要求される。また、下盛材も使用時に高い負荷を受けることから、室温で最低限HRC30以上の硬度(望ましくはHRC33以上)を確保する必要がある。そこで、必要な硬度と靭性(耐衝撃性)が得られるようにするために、Vは0.1％、Mo、Wは0.2％以上含有させることとした。
【００３０】
前記理由から、上盛材ほどの硬さ、耐摩耗性は必要としないことと、コスト面を考慮して、上限は、上盛材に比較して低めとし、Vは0.5％、Moは2. 0％、Wは4.0％とした。
【００３１】
Ni：0.3〜2.0％
Niは、V、Mo、Wとは異なり炭化物形成元素ではないが、素地の靭性を高める効果の大きい元素である。従って、短寿命での割れ防止のため、靭性を高める必要のある下盛材にとっては、上盛材と同様に必要となる元素である。そこで、上盛材と同様に0.3〜2.0％の範囲で添加することとした。
【００３２】
また、以上のV、Mo、W、およびNiの４元素のうち、V、Mo、Wは、下盛材の靭性の改善のために添加する元素であるだけでなく、下盛材として必要な硬度確保のために必要不可欠な元素でもある。従って、３種類の元素の合計含有率(V＋Mo＋W)の下限を0.3％に規定した。
【００３３】
なお、本発明を実際に適用する際には、前記成分からなる材料を用いて線状又は棒状(溶接棒)からなる溶接材料を製造して、母型となるSKD61やSKT4等の工具鋼で製造した型表面の適当な位置にTIG溶接、アーク溶接、ガス溶接等を行って肉盛溶接することにより可能なことは説明するまでもないが、その他に本発明の成分からなる溶接材料を溶解し、溶湯をガスアトマイズ法を用いて粉末を生成し、粉体プラズマ溶接法によって肉盛溶接した場合であっても同様に優れた効果を得ることができる。
【００３４】
なお、肉盛溶接は、実際の鍛造において特に型への負担が大きく、摩耗が大きくなる部位に限定して行っても良いし、母型は比較的安価な材料を用い、型表面のうち、鍛造時に被加工材と接触する部位全面を肉盛溶接し、全面について耐摩耗性の向上を図るようにしても良い。
【００３５】
また、肉盛溶接の際は、肉盛溶接する母型を300〜500℃程度に予熱後、後熱するまでの間200℃以下に低下しない条件下で溶接し、溶接後も400〜500℃程度で後熱後徐冷することが、溶接後の欠陥生成防止のために重要である。
【００３６】
次に請求項３の発明は、質量%で、C：0.30〜0.55%、Si：0.2〜1.5%、Mn：0.4〜2.0%、Cr：4.0〜9.0%、V：0.1〜1.0%、Mo：2.0〜5.0%、W：2.0〜11.0%、Ni：0.3〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる溶接材料を母型表面に肉盛溶接したことを特徴とする熱間鍛造用金型である。
【００３７】
前記したように、請求項１からなる溶接材料は、優れた高温特性を有していることから、母型のうち、鍛造時において特に耐摩耗性が必要となる部位にあらかじめ肉盛溶接した金型を用いることにより、肉盛溶接しない場合に比較して型の寿命を大幅に延長させることができる。また、肉盛溶接しない場合には、母型自身に優れた耐摩耗性が要求されるため、高価な型材を用いる必要があるが、請求項３で規定したように型表面の中の必要と考えられる位置に肉盛溶接した金型を用いた場合には、母型の材料は、熱間鍛造型として使用した際に塑性変形や割れが生じない程度の高温強度を有していれば良く、肉盛溶接箇所では直接被加工材に接触しないことから高いレベルの耐熱性を必要としないため、母型の材料コストを大幅に低減することも可能となる。
【００３８】
また、使用する母型の材料は、勿論JISに熱間金型用として規定されているSKD61等の合金工具鋼でも良いが、肉盛溶接によって表面の耐摩耗性等の性能が十分に確保できるのであれば、より安価な材料を選択することも可能である。
【００３９】
次に請求項４の発明は、質量%で、C：0.05〜0.25%、Si：0.1〜1.0%、Mn：0.2〜2.0%、Cr：0.6〜3.5%と、V：0.1〜0.5%、Mo：0.2〜2.0%、W：0.2〜4.0%、Ni：0.3〜3.0%のうちの1種または2種以上含有し、かつV＋Mo＋W≧0.3%であり、残部Feおよび不可避不純物からなる材料を母型表面に下盛材として肉盛溶接し、さらに請求項１記載の溶接材料を下盛材の上層部に上盛材として肉盛溶接したことを特徴とする熱間鍛造金型である。
【００４０】
前記したように、請求項１記載の溶接材料を直接母型表面に肉盛溶接するのではなく、請求項２で示した溶接材料を下盛材として用いた場合には、下盛材がクッションとしての役割として働くことにより、高温高面圧という厳しい条件で連続的に鍛造を行う場合に型に生じる割れの発生を防止することができ、耐摩耗性に優れ、割れが生じにくく寿命の優れた熱間鍛造用金型の提供が可能になる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明を適用した場合の効果について、実施例により明らかにする。表１、表２
は、実施例として用いた溶接材料の化学成分を示すものである。
【００４２】
【表１】
2006326609.tif 000002
【００４３】
【表２】
2006326609.tif 000003
【００４４】
表１は、上盛材として準備した合金であり、このうち、No.１〜４が、本発明に該当する合金であり、No.５〜９が一部の成分が発明の範囲外である比較合金である。また、No.10〜14は従来から上盛材として既に使用されている合金であり、10、11は、Cr、Mo、Wを添加して耐摩耗性を高め、使用されていたFe基の肉盛用溶接合金、12はNi基の肉盛用溶接合金、13、14は、ステライトと呼ばれているCo基の溶接合金である。また、15、16は、肉盛溶接合金ではなく、母型用として従来から広く使用されているSKD61、SKT4である。
【００４５】
また、表２は下盛用の溶接合金として準備した合金であり、No.17〜20が、本発明の成分範囲の条件を満足する溶接合金であり、No.21〜22は、一部の成分が範囲外である比較合金である。
【００４６】
これらの供試合金は、成分調整して溶解後、溶湯を鋳型内に鋳造し、棒状に成形して溶接棒を製造することにより準備した。また、No.１合金については、ガスアトマイズ法により粉末も同時に準備した。そして、No.15合金(SKD61)の板厚16mmの鉄板上に深さ10mm、幅15mmの溝加工したものを準備し、その溝部分に前記表１、２に示す合金をTIG溶接によって(No.１合金の粉末については、粉体プラズマ溶接によって)肉盛溶接し、必要な場合には、その肉盛部分を切り出して試験片を作製し、後述の試験を行った。TIG溶接時の条件を表３に示す。また、従来型材である15、16合金は、それぞれの熱処理済の鉄板(15合金は1030℃×30分焼入れ、580℃×90分焼もどし、16合金は、950℃×30分焼入れ、550℃×90分焼もどし)から切り出して、試験片を作製した。
【００４７】
【表３】
2006326609.tif 000004
【００４８】
試験は、耐摩耗性、耐衝撃性(靭性)、耐ヒートチェック性、被削性のそれぞれについて行った。但し、下盛材については、耐ヒートチェック性、被削性は、必須の要求特性ではないので、評価を省略した。
【００４９】
耐摩耗性は、溶接ままの硬さと高温硬さを測定することにより評価した。特に上盛材は高温での耐摩耗性が優れる必要があることから、室温での硬度のみでは正確な評価ができないため、加熱し600℃に達してから温度保持し、2時間経過後の硬度を測定することにより評価した。これは、Fe合金の場合、600℃付近で急激に硬度が低下する傾向があること、室温と600℃とでは硬度に差異があることを考慮したためである。なお、600℃という温度は、通常の熱間鍛造において、繰返し連続して加工を継続した場合に到達する型表面温度よりも若干高い温度(局部的に高温となっている箇所は除く)に相当することから、この温度での硬度測定が評価に適当であると判断した。また、下盛材は、上盛材ほどの耐摩耗性は必要としないため、高温硬さの測定については省略し、負荷される圧縮力に耐える強度を確保する必要があることから、必要とする強度を有していることの確認の目的で、溶接ままの硬さの測定(室温)を行った。
【００５０】
耐衝撃性(靭性)は、４点曲げ試験を行い破断時の荷重によって評価した。曲げ試験は、前記したNo.14合金(SKD61)の鉄板の中央部にそれぞれの溶接合金を肉盛溶接したものの溶接部分を他の部分と高さが同一となるよう機械加工し、さらに5Rの切欠加工を施した200mm×100mm×16mmの寸法の板を準備し、溶接箇所が中央に位置し、かつ下側に向くようにして、下支点間距離が150mm、上支点間距離が40mmとなる条件で4点曲げ試験を行うことにより評価した。なお、5Rの切欠加工を行って試験したのは、平滑のままで評価した場合には、結果が単純に材料の強度に依存する傾向が強くなり、靭性を正しく評価しにくくなるためである。結果は、従来型材であるNo.15合金(SKD61)の破断荷重を100として、比で示したものである。
【００５１】
耐ヒートチェック性は、前記した溶接部分を切り出して、φ10、長さ20mmの円柱型試験片を作製し、この試験片に700℃へ高周波加熱し、2秒間温度保持後水冷という熱処理
を500回実施し、試験後の亀裂発生状況を調査したものである。なお、実際の使用時においては水冷されることはなく、かつ温度も700℃までは上昇しないことから、この試験条件は、実際の条件よりかなり厳しい条件に相当するものである。そして、亀裂発生状況を調査した結果、亀裂が認められないか亀裂が認められた場合でも側面からD/8以下の小さい亀裂であった場合は○、亀裂が側面からD/８〜D/4の中程度であった場合を△、亀裂がそれ以上に大きく進展していた場合を×と判定した。
【００５２】
被削性は、前記したNo.15合金上に肉盛溶接した溶接部分を表４に示す条件でエンドミル加工し、逃げ面コーナ平均摩耗幅が0.08mmとなるまでの切削距離により評価した。また、従来型材であるNo.15、16合金については、型材自身の被削性を同様の方法で評価した。なお、結果は、No.15合金の切削距離を100とした場合の比で値を示した。結果を前記した評価を含めて表５(上盛材)、表６(下盛材)に示す。
【００５３】
【表４】
2006326609.tif 000005
【００５４】
【表５】
2006326609.tif 000006
【００５５】
【表６】
2006326609.tif 000007
【００５６】
表５から明らかなように、比較合金であるNo.５、７合金は、No.５合金はC含有率が低く、No.７合金は炭化物形成元素であるCr、Mo含有率が低いため、炭化物の析出による強度向上効果が不十分となり、溶接ままの硬さ、高温硬さが低く、高温耐摩耗性が低下するとともに、ヒートチェック性が劣るものであり、No.６合金は、C含有率が高いため、靭性が低下し、曲げ試験破断荷重が低下するとともに、被削性が若干低下したものであり、No.８合金は、高温強度向上に大きな効果を有するW含有率が低いため、室温での硬さは十分に高いものの、高温硬さ、ヒートチェック性が大きく劣るものであり、No.９合金は、Ni含有率が低いため、靭性(曲げ試験破断荷重)、耐ヒートチェック性が劣るものである。
【００５７】
また、従来から使用されてきた肉盛材であるNo.10〜14合金のうち、Fe合金の肉盛材であるNo.10、11合金は、高温耐摩耗性を改善するV、Mo、Wの添加量が十分でないため、耐摩耗性、ヒートチェック性が大きく劣り、かつ11合金はNiが未添加であるため、靭性も劣るものであり、Ni基合金、Co基合金であるNo.12〜14合金は、高温に加熱しても硬度が低下せず、ヒートチェック性も優れているが、被削性が著しく劣るものである。
【００５８】
さらに、従来の型材(SKD61、SKT４)であるNo.15、16合金は、600℃での高温硬さがHRCで20.4(SKD61)、15.4(SKT４)と室温での硬さに比べ大きく低下するとともに、ヒートチェック性が劣るものである。
【００５９】
これに対し、本発明の肉盛材であるNo.１〜４合金は、室温での硬さがHRC55以上、600℃での高温硬さもNi基合金、Co基合金と同等以上であるHRC34以上を確保でき、ヒートチェック性も優れ、高温耐摩耗性、ヒートチェック性改善のための成分添加による靭性、被削性の低下も従来型材に比較して小さく抑えることができた。
【００６０】
次に下盛材の評価結果であるが、本発明の成分範囲の条件を満足している下盛材であるNo.17〜20合金は、溶接ままの硬さがHRC33以上であって、かつ曲げ試験破断荷重が従来型材の1.3倍以上の値を示し、クッションの役割を果たすために優れていることが確認できた。それに対し、比較合金であるNo.21、22は、22合金はCr含有率が低く、22合金は、炭化物形成元素であるV、Mo、Wの合計含有率が低いため、靭性の評価結果である曲げ試験破断荷重については優れていたが、溶接ままの硬さが、前記No.17〜20合金に比較して劣るものである。
【００６１】
以上の結果より、高温耐摩耗性と耐ヒートチェック性に優れた上盛材と、靭性の優れた下盛材の化学成分の範囲がほぼ把握できたので、実際に従来型材SKD61を用いて製造したフランジヨークの型表面の摩耗が大きい部位に前記実施例で試験評価した肉盛材を肉盛溶接し、1200℃の温度で加熱及び熱間鍛造を行って、型の摩耗状況及び割れの有無について調査した。肉盛溶接は、型表面のうち、過去の製造で摩耗が大きいことがわかっている箇所を選択し、その箇所に肉盛溶接することによって評価した。また、肉盛溶接の際には、溶接欠陥が生じることのないようにするため、溶接前に400℃×2hrの予熱を行い、後熱までの間250℃以下にならないようにして溶接し、溶接後も450℃×5hrの後熱を行い室温まで徐冷した。そして、肉盛溶接後必要な表面の仕上加工を行い、10000ショット、15000ショットの熱間鍛造を実際に行い、鍛造加工後に肉盛溶接部の割れ発生の有無と摩耗量の測定を行った。
【００６２】
なお、フランジヨークの鍛造による製造によって生じる型表面の各部位毎の摩耗量は、過去の鍛造実績から明らかになっているので、前記した肉盛溶接を行った部位の中から特に摩耗の大きくなる部位を選択し、摩耗量の測定部位を決定した。そして、測定は、鍛造途中に型自身を直接測定するのは困難であることから、100ショット後の鍛造品と10000ショット後の鍛造品を採取し、その鍛造品のうち、前記したように決定した測定部位の表面形状を三次元形状測定器で測定し、両者の表面形状の差異を面積の値として換算することによって摩耗量を算出した。従来型材については肉盛溶接を行っていないが、同じ部位の摩耗量を同様の方法で測定することにより評価した。表７に示した摩耗量(10000ショット後)は、従来型材を肉盛溶接しないで熱間鍛造した場合の摩耗量を100とした場合の値を比で表示したものである。
【００６３】
【表７】
2006326609.tif 000008
【００６４】
表７から明らかなように、比較例であるNo.５、７合金及び従来合金であるNo.10合金からなる肉盛材を用いた型(試験No.９〜11)では、従来型材と比較して高温での耐摩耗性向上の程度が十分でないため、従来型材(SKD61)に肉盛溶接することなく、そのまま用いた場合に比較して若干摩耗量は低減できるものの、その効果は小さく、割れ発生も防止できなかったものである。
【００６５】
それに対し、本発明の肉盛材料を用いた場合には、従来型材に比較して摩耗量が1/2以下に低減できただけでなく、10000ショットまで割れを完全に防止することができたものである。また、この摩耗量は、比較例で示したNi基合金、Co基合金の摩耗量とほぼ同程度の数値が得られており、合金自体のコスト差に加えて被削性の点での大きな差異があることを考慮すると、Ni基合金やCo基合金を用いる場合と比較してコストを大きく低減することが可能になる。
【００６６】
また、本発明の肉盛材を用いた場合でも15000ショット後においては、若干の割れの発生が認められた。しかしながら、15000ショット後においても、あらかじめ下盛材を溶接した後で上盛材を溶接した場合(試験No.５〜８)には、割れ発生がなく、かつ摩耗量も上盛材のみの場合と比較してほとんど差異がなく良好であった。この結果より、下盛材の存在は、割れを防止して寿命を改善するのに効果的であることが確認できた。
【００６７】
以上説明した通り、本発明は、Fe基の合金でCr、V、Mo、W、Niの適量添加によって、被削性を大きく劣化することなく、優れた高温耐摩耗性と耐ヒートチェック性を得ることを可能にしたもので、従来の肉盛材で最も高温特性が優れていたNi基やCo基の肉盛材料がコスト高で被削性が著しく劣るという問題があったのに対し、その問題解決に大きく貢献できるという特徴を有するものである。