(57)【要約】【課題】押出材の表面に生じる疵や割れ等の欠陥を抑制できる押出成形用ビレットおよびその製造方法と、押出成形方法、押出材の製造方法を提供する。【解決手段】ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材が、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納されてなる押出成形用ビレットであり、この容器に収納されている被押出成形材の表面と、この容器の内面との間に、酸化性雰囲気が形成されている押出成形用ビレットである。そして、この押出成形用ビレットの製造方法である。  また、上記の押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱し、この熱間加工温度に加熱した押出成形用ビレットをコンテナに挿入し、このコンテナに挿入した押出成形用ビレットに圧縮力を付与して、コンテナに設置したダイスの孔から押出成形用ビレットを押出す押出成形方法である。そして、この押出成形方法による押出材の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材が、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納されてなる押出成形用ビレットであり、
前記容器に収納されている被押出成形材の表面と、前記容器の内面との間に、酸化性雰囲気が形成されていることを特徴とする押出成形用ビレット。
【請求項２】
ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材を、酸化性雰囲気下で、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納することを特徴とする押出成形用ビレットの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱し、前記熱間加工温度に加熱した前記押出成形用ビレットをコンテナに挿入し、前記コンテナに挿入した前記押出成形用ビレットに圧縮力を付与して、前記コンテナに設置したダイスの孔から前記押出成形用ビレットを押出すことを特徴とする押出成形方法。
【請求項４】
請求項１に記載の押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱する第１の工程と、
前記熱間加工温度に加熱した前記押出成形用ビレットをコンテナに挿入し、前記コンテナに挿入した前記押出成形用ビレットに圧縮力を付与し、前記コンテナに設置したダイスの孔から前記押出成形用ビレットを押出して、押出材を得る第２の工程と、
を有することを特徴とする押出材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル基超耐熱合金を押出成形するための押出成形用ビレットおよびその製造方法、押出成形方法、ならびに、押出材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
押出成形とは、ビレットをコンテナに挿入し、このコンテナに挿入されたビレットに圧縮力を付与して、コンテナに設置されたダイスの孔からビレットを押出すことで、押出材を得るものである（非特許文献１）。図２は、押出成形装置の一例の断面構造を示す概略図である。図２の押出成形装置は、「直接押出」の方式である。直接押出とは、ビレットを挿入したコンテナの一端側よりビレットに圧縮力を付与して、コンテナの他端側に設置したダイスの孔からビレットを押出す方式である。図２において、まず、ビレット５をコンテナ６に挿入する。次に、このコンテナ６に挿入したビレット５に、ダミーブロック７を介して、ステム８により圧縮力を付与する。そして、このことによって、ビレット５は、コンテナ６に設置したダイス９の孔から押出されて、ダイス９の孔形状断面を有した押出材１０に成形される。なお、図２の場合、ビレット５とダイス９との間に、潤滑用のガラスパッド（ガラスディスク）１１を介在させている。直接押出は、プレス機の構造がシンプルで最も基本的な押出成形方式である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】特許庁他、“引抜・押出による金属成形（１．３  押出による金属成形技術［ｐ．７５−７６］）”、［online］、平成１３年、特許庁、［平成２８年１２月３日検索］、インターネット＜URL：http://dl.ndl.go.jp/view/download/digidepo_1249102_po_1-3.pdf?contentNo=40&alternativeNo=＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、各種耐熱部品の補修や３次元成形の求めに応じて、高温強度に優れる「ニッケル基超耐熱合金」のワイヤーが求められている。そして、このニッケル基超耐熱合金のワイヤーを作製するにおいて、ニッケル基超耐熱合金の押出成形は、そのニッケル基超耐熱合金のビレット（被押出成形材）を熱間加工温度に加熱する「熱間押出成形」で行われるところ、一般的に、ニッケル基超耐熱合金は、熱間加工性が悪い材料であり、押出材の表面に疵や割れ等の欠陥が生じて、押出成形が難しい材料であった。
本発明の目的は、ニッケル基超耐熱合金の押出材の表面に生じる疵や割れ等の欠陥を抑制できる押出成形用ビレットおよびその製造方法と、押出成形方法、押出材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材が、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納されてなる押出成形用ビレットであり、この容器に収納されている被押出成形材の表面と、この容器の内面との間に、酸化性雰囲気が形成されている押出成形用ビレットである。そして、本発明は、ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材を、酸化性雰囲気下で、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納する押出成形用ビレットの製造方法である。
【０００６】
また、本発明は、上記の「押出成形用ビレット」を熱間加工温度に加熱し、この熱間加工温度に加熱した押出成形用ビレットをコンテナに挿入し、このコンテナに挿入した押出成形用ビレットに圧縮力を付与して、コンテナに設置したダイスの孔から押出成形用ビレットを押出す押出成形方法である。
【０００７】
そして、本発明は、上記の「押出成形用ビレット」を熱間加工温度に加熱する第１の工程と、上記の熱間加工温度に加熱した押出成形用ビレットをコンテナに挿入し、このコンテナに挿入した押出成形用ビレットに圧縮力を付与し、このコンテナに設置したダイスの孔から押出成形用ビレットを押出して、押出材を得る第２の工程と、を有する押出材の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ニッケル基超耐熱合金の押出材の表面に生じる疵や割れ等の欠陥を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の押出成形用ビレットの一例を示す概略図である。
【図２】押出成形装置の一例の断面構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ニッケル基超耐熱合金を熱間押出成形するとき、そのニッケル基超耐熱合金製のビレットは、例えば、１０５０〜１２００℃の熱間加工温度に加熱される。このような場合において、通常、熱間押出成形の際の押出成形装置のコンテナは、それに挿入されたビレットが冷え過ぎないように（つまり、加熱されたビレットの熱間加工温度が下がり過ぎないように）、予熱されている。しかし、その予熱温度は、例えば、コンテナがＪＩＳ−ＳＫＤ６１製でなるような一般的な押出成形装置で高々５００℃程度であって、上記したニッケル基超耐熱合金の熱間加工温度に比べて大幅に低い。よって、ニッケル基超耐熱合金を熱間押出成形すると、その成形中のビレットの温度が低下して、特に、ビレットの表面温度が上記の熱間加工温度から大幅に低下して、その温度低下したビレット表面局部の変形抵抗が上昇して、熱間加工性が悪くなり、これが押出材の表面に疵や割れ等の欠陥が生じる要因となっていた。
【００１１】
そこで、本発明者は、熱間押出成形中のニッケル基超耐熱合金製のビレットの、表面温度の低下を抑制できる手法を検討した。そして、ニッケル基超耐熱合金製のビレットを被押出成形材として、これを、酸化性雰囲気下で、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納したものを、新たな「押出成形用ビレット」とすることが、他の押出成形特性も維持できた上で、上記したビレットの表面温度の低下抑制に実に有効であることを突きとめた。つまり、ニッケル基超耐熱合金製の被押出成形材が、低炭素鋼製またはオーステナイト系ステンレス鋼製の容器に収納されてなる押出成形用ビレットであり、この容器に収納されている被押出成形材の表面と、この容器の内面との間に、酸化性雰囲気が形成されている押出成形用ビレットである。このとき、上記の被押出成形材の表面と容器の内面との間には、０．２５〜１ｍｍ程度の隙間ができることが好ましい（例えば、後述する図１の押出成形用ビレット１の場合、被押出成形材２の直径と、カップ状容器３の内径との差が、０．５〜２ｍｍということである）。
【００１２】
上記の押出成形用ビレットによって、まず、押出成形時における被押出成形材とコンテナとの間に、容器による「壁」を挟むことで、これが新たな界面を形成して（つまり、界面が増えて）、被押出成形材の表面とコンテナの内面との間での熱伝達を緩慢にし、押出成形中の被押出成形材の表面温度の低下を抑制することができる。
そして、容器に収納されている被押出成形材の表面と、容器の内面との間に、酸化性雰囲気が形成されていることで、押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱したときに、容器内の被押出成形材（ニッケル基超耐熱合金）の表面が酸化されて、被押出成形材の表面に酸化被膜（概ね、クロム酸化物である）が形成される。また、容器（低炭素鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼）の内面も酸化されて、容器の内面にも酸化被膜（概ね、鉄酸化物またはクロム酸化物である）が形成される。そして、これらの酸化被膜もまた、断熱特性を有することから、上記した被押出成形材の表面温度の低下の抑制に効果的である。なお、上記の「酸化性雰囲気」とは、例えば、酸素等の酸化性ガスが存在する雰囲気のことである。そして、上記の酸化性雰囲気として、例えば、上記の酸化性ガスが１０体積％以上含まれた雰囲気であるとか、１５体積％以上含まれた雰囲気であるとかである。そして、上記の酸化性雰囲気として、例えば、大気環境（酸素の体積比が約２０％）を利用することが実に容易である。
【００１３】
さらに、この熱間加工温度に加熱した押出成形用ビレットに押出成形を行っているときには、被押出成形材の表面側で形成された酸化被膜と、容器の内面側で形成された酸化被膜との間で、適度の摩擦抵抗が生じて、被押出成形材と容器とを“一体的に”押出成形することができる。この一体的な押出成形によって、被押出成形材および容器での塑性変形のメタルフローが、その異種材料の界面でも連続的となり、被押出成形材の均一変形に効果的である。
そして、押出成形を終了して、得られた押出材の表面が容器の材質でなる被覆物で覆われていたとしても、上記の酸化被膜が、被押出成形材の表面と容器の内面との間の接着を抑制しているので、この被覆物を“物理的に”除去することが容易である。そして、この被覆物を除去した後の“ニッケル基超耐熱合金でなる”押出材の表面は、疵や割れ等の発生が抑制されており、表面特性の良好な押出材を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の場合、表面の割れや疵の発生が抑制された押出材を得るために、上記した容器の材質を「低炭素鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼」とすることが重要である。
まず、「炭素鋼」とは、ＪＩＳ−Ｇ−０２０３の番号１１０４において、「鉄と炭素の合金で炭素含有率が，通常０．０２〜約２％の範囲の鋼。少量のけい素，マンガン，りん，硫黄などを含むのが普通である。」ことで定義される材質のことである。そして、この炭素鋼の分類の中で、容器の材質を「低炭素鋼」とすることで、低炭素鋼の炭素量は概ね０．２５質量％以下であることから、硬度が低く、この容器は塑性加工性に優れるものである。よって、低炭素鋼製の容器が、押出成形中の押出成形用ビレットの変形抵抗の増加に作用することはなく、円滑な押出成形を促すことができる。
また、「オーステナイト系ステンレス鋼」とは、ＪＩＳ−Ｇ−０２０３の番号３８０４において、「常温においてもオーステナイト組織を示すステンレス鋼。」で定義される材質のことである。そして、容器の材質を「オーステナイト系ステンレス鋼」とすることで、オーステナイト系ステンレス鋼もまた、その硬度が低いので（炭素量は概ね０．１５質量％以下である）、円滑な押出成形を促すことができる。さらに、オーステナイト系ステンレス鋼は、ガラス潤滑剤との濡れ性に優れるので、押出成形時にガラス潤滑剤を使用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼製の容器を用いることが好ましい。
【００１５】
本発明の「押出成形用ビレット」の形態について、その製造方法も合わせて、説明しておく。図１は、本発明の押出成形用ビレット１の一例を示した概略図である。図１において、ニッケル基超耐熱合金でなる被押出成形材２は押出成形装置のコンテナの内形状に即して、略円柱状の形状を有している。そして、この略円柱状の被押出成形材２を内部に納めることができる、有底のカップ状容器３を準備して、このカップ状容器３の内部に上記の被押出成形材２を格納する。そして、その被押出成形材２を格納後のカップ状容器３の上面を、例えば、カップ状容器３と同材質の円盤状の蓋４で封止して、収納する。あるいは、被押出成形材２を無底の筒３’に入れてから、または、被押出成形材２の周面をシート３’’で巻き覆ってから、残る上下面を蓋４で封止して、収納してもよい。封止は、溶接等によって行うことができる。蓋４の縁はテーパー形状を有しており、押出成形用ビレット１の蓋４側の端面が、コンテナに挿入するときのダイス側となる。
【００１６】
そして、上記した押出成形用ビレット１を準備するための一連の収納作業を、大気環境下等の「酸化性雰囲気下」で行うことで、その容器３に収納されている被押出成形材２の表面と容器３の内面との間に「酸化性雰囲気」を形成することができる。つまり、被押出成形材２を容器３に収納した後には、容器３内を「脱気する」工程も必要としない。この収納作業によって、収納後の押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱したときに、容器内の被押出成形材の表面および容器の内面に酸化被膜を形成することができる。
【００１７】
本発明の押出成形用ビレットは、被押出成形材を収納している容器が「通気孔」を有していることが好ましい。つまり、被押出成形材の“全体が”容器に収納されているとしても、それが完全に密封されていない形態である。例えば、図１の形態の場合、蓋４で封止するときに、蓋４の全周を溶接等によって封止するのではなくて、その全周のうちの一部を残して封止する形態である。これによって、被押出成形材を収納した後の「押出成形用ビレット」の状態においても、上記の通気孔を介して、外気（大気）と容器内とが通じており、容器内の被押出成形材の表面と容器の内面との間に空気が侵入して、容器内の「酸化性雰囲気」を維持することができる。そして、押出成形用ビレットを熱間加工温度に加熱したときに、上述した酸化被膜の形成を、さらに促すことができる。
【００１８】
そして、好ましくは、被押出成形材の全体を、実質的に、容器に収納することで（つまり、上記の通気孔を除いて、押出成形中のコンテナ、ダイス、ダミーブロックと接する全表面を容器で覆うことで）、押出成形の初期から終期に掛けて、ダイス（ダイスホルダーを含む）と接触するビレットの表面位置にも、絶えず容器が介在しているので、硬い被押出成形材（ニッケル基超耐熱合金）がダイスと直接接触せず、ダイスの損傷を抑制することができる。そして、ダミーブロックと接触するビレットの表面位置においては、この部分からの抜熱よる被押出成形材の表面温度の低下を抑制することができる。
【００１９】
本発明に係る「ニッケル基超耐熱合金」とは、その組織中に、金属間化合物の析出強化相である「ガンマプライム」を含む合金のことである。組織中にガンマプライムを含む「析出強化型」のニッケル基超耐熱合金は、高温強度に優れるものである。よって、このようなニッケル基超耐熱合金を熱間押出成形するには、その熱間加工温度を、上述した１０５０〜１２００℃といったように、高くする必要がある。そうすると、コンテナとの間で、ビレットの表面温度は低下して、その結果、押出材の表面特性が劣化するという課題が生じる。本発明は、このようなニッケル基超耐熱合金を、押出材の良好な表面特性を達成して、熱間押出成形するものである。
【００２０】
そして、本発明が押出成形するニッケル基超耐熱合金は、一具体例として、７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量が、「３５モル％以上」のものである。好ましくは４０モル％以上、より好ましくは５０モル％以上である。さらに好ましくは６０モル％以上である。ニッケル基超耐熱合金の高温強度（熱間押出成形の難しさ）は、組織中のガンマプライムの平衡析出量（熱力学的な平衡状態において安定なガンマプライムの析出量）で評価できる。そして、この組織中のガンマプライムの平衡析出量は、一般的に、概ね７００℃以下で温度依存性が小さくなるので（略一定値となるので）、上記の「７００℃」のときの値を基準とすることで、ニッケル基超耐熱合金を特定することができる。
なお、本発明において、上記の７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量の上限を設けることは、特に要しない。但し、７５モル％程度が現実的である。
【００２１】
上記のガンマプライムの平衡析出量を「モル％」で表した値は、ニッケル基超耐熱合金が有する成分組成で決めることができる値である。この平衡析出量のモル％の値は、熱力学平衡計算による解析で求めることができる。そして、熱力学平衡計算による解析の場合、各種の熱力学平衡計算ソフトを用いることで、精度よく、かつ、容易に求めることができる。
例えば、７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量が、３５モル％以上のニッケル基超耐熱合金については、既に知られている合金組成がいくつも存在するし、上記のとおり、成分組成があれば算出できるものであるので、本発明におけるニッケル基超耐熱合金の成分組成は特定しないが、以下、いくつかの例を記載する。
７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量が３５モル％以上の析出強化型のニッケル基超耐熱合金として、例えば、質量％で、Ｃ：０．２５％以下、Ｃｒ：８．０〜２５．０％、Ａｌ：０．５〜８．０％、Ｔｉ：０．４〜７．０％、残部Ｎｉおよび不純物でなる基本的な成分組成が挙げられる。そして、さらに、必要に応じて、質量％で、Ｍｏ：８．０％以下を含有することができる。
そして、７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量が４０モル％以上の析出強化型のニッケル基超耐熱合金として、例えば、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．２５０％、Ｃｒ：８．０〜２２．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ａｌ：２．０〜８．０％、Ｔｉ：０．４〜７．０％、残部Ｎｉおよび不純物でなる基本的な成分組成が挙げられる。
また、上記の二つの基本的な成分組成において、さらに、必要に応じて、質量％で、Ｃｏ：２８．０％以下、Ｗ：６．０％以下、Ｎｂ：４．０％以下、Ｔａ：３．０％以下、Ｆｅ：１０．０％以下、Ｖ：１．２％以下、Ｈｆ：１．０％以下、Ｂ：０．３００％以下、Ｚｒ：０．３００％以下のうちから選択される１種または２種以上の元素種を含有することができる。このようなニッケル基超耐熱合金として、例えば、アロイ７１３Ｃや、ＵＤＩＭＥＴ７２０（ＵＤＩＭＥＴはスペシヤル  メタルズ  コーポレーション社の登録商標）、ＩＮ１００が代表的である。
【００２２】
本発明の押出成形方法または押出材の製造方法において、押出成形用ビレットとコンテナとの間には、ガラス潤滑剤を介在させてもよい（いわゆる、潤滑剤封入押出である）。また、押出成形用ビレットとダイスとの間には、潤滑用ガラスパッド（ガラスディスク）を介在させてもよい（いわゆる、ガラス潤滑押出である）。これらのことによって、押出成形時に、押出成形用ビレットとコンテナまたはダイスとの間の摩擦抵抗を減じることができ、さらに円滑な押出成形を促すことができる。また、押出成形用ビレットとコンテナとの間で、先述した「界面」が増えることにも繋がり、被押出成形材の表面温度の低下をさらに抑制することができる。
【実施例】
【００２３】
真空溶解によって準備した所定の成分組成の溶湯を鋳造して、直径１００ｍｍのインゴットを得た。そして、このインゴットに機械加工を行って、直径６６ｍｍ×長さ１４０ｍｍのアロイ７１３Ｃの円柱状の被押出成形材を作製した。被押出成形材の成分組成を表１に示す。
被押出成形材の７００℃におけるガンマプライムの平衡析出量を、熱力学平衡計算ソフト「ＪＭａｔＰｒｏ（Ｖｅｒｓｉｏｎ８．０．１，Ｓｅｎｔｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｌｔｄ．社製）」を用いて求めた。この熱力学平衡計算ソフトに、表１に列挙された各元素の含有量を入力して計算した結果、上記の平衡析出量は「７０モル％」であった。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
次に、外径８２ｍｍ、内径６７ｍｍで、高さ１４０ｍｍの、オーステナイト系ステンレス鋼であるＪＩＳ−ＳＵＳ３０４製のカップ状容器を準備して、この内部に、上記の被押出成形材を格納した。そして、この被押出成形材を格納した後のカップ状容器の上面を、縁にテーパー加工が施されたＳＵＳ３０４製の円盤状の蓋で封止して、上記の被押出成形材が収納された、熱間押出成形に供する本発明例の「押出成形用ビレット」とした（図１参照。テーパー加工がされた方の端面が、コンテナに挿入するときのダイス側となる）。なお、これら一連の収納作業は、大気環境下で行った。そして、蓋による封止は、蓋の全周に対して、そのうちの８ヶ所を、部分的にかつ等間隔で、溶接したものである。
一方で、上記の被押出成形材を容器に収納せずに、そのままの状態とした比較例の押出成形用ビレットも準備した。外寸は、上記した本発明例の押出成形用ビレットと同じである。
【００２６】
そして、上記の押出成形用ビレットを１１５０℃の熱間加工温度に加熱した（第１の工程）。なお、このとき、押出成形用ビレット内部の被押出成形材までが上記の熱間加工温度に達するまで十分に加熱されるように、加熱時間は、３時間以上とした。そして、この加熱した押出成形用ビレットを、５００℃の予熱温度に加熱した図２の押出成形装置のコンテナ（ＪＩＳ−ＳＫＤ６１製）に挿入して、押出比：１０、ステム速度：１６（ｍｍ・ｓ−１）の条件による熱間押出成形を行った（第２の工程）。
なお、コンテナに挿入する前の両方の押出成形用ビレットの周面には、市販の水溶性ガラス潤滑剤を塗布した。また、押出成形用ビレットとダイスとの間には、市販のガラス粉末で作製した潤滑用ガラスパッドを設置した。
【００２７】
本発明例の押出成形用ビレットより得た押出材は、その押出後ままの状態で、その表面を容器の材質でなる被覆物が覆っていた。但し、この被覆物は、容易に剥離して除去することができた。そして、この被覆物を除去した後の、本発明例に係る押出材の表面には、割れや疵等の欠陥が確認されなかった。そして、本発明例に係る押出材は、その内部にも割れ等の欠陥が確認されず、押出成形用ビレットの有効部分の全てを、押出材の分断なく、最後まで押出すことが可能であった。
一方、比較例の押出成形用ビレットによる熱間押出成形でも、押出材の分断なく、最後まで押出すことは可能であった。しかし、この押出材の表面には、円周方向に沿って、顕著な割れや疵等の欠陥が確認された。
【符号の説明】
【００２８】
１  押出成形用ビレット
２  被押出成形材
３  カップ状容器
４  蓋
５  ビレット
６  コンテナ
７  ダミーブロック
８  ステム
９  ダイス（ダイスホルダーを含む）
１０  押出材
１１  ガラスパッド
【図１】
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【図２】
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