(57)【要約】  金属材料、具体的にはアルミニウム若しくはその合金の材料、又は、Ｃｕ及びその合金のような他の非鉄金属の押出用の押出工具又は押出ダイである。ダイは、インサート６，７が設けられたキャビティ４，５を有するダイプレート２，３を備えたモジュール型である。ダイプレート２，３を含み強い熱機械的な要求を有するダイの領域は、ニッケル、鉄又はコバルトベースの超合金で作製されるのに対し、インサート、即ち、ダイのマンドレル６及び／又はベアリング７を含み強い摩擦的な要求を有する領域のダイは、耐摩耗性材料で製造され、この耐摩耗性材料は、高速度工具鋼、析出硬化鋼若しくは熱間加工高合金鋼、又は、ナノ粒子若しくはＣＶＤのような皮膜が与えられる任意の適切な鋼タイプとすることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料、具体的にはアルミニウム若しくはその合金の材料、又は、Ｃｕ及びその合金のような他の非鉄金属を押し出す押出工具又は押出ダイであって、インサート（６，７）が設けられたキャビティ（４，５）を有するダイ本体（２，３）を備えたモジュール型である押出工具又は押出ダイにおいて、
前記ダイ本体（２，３）を含み強い熱機械的な要求を有するダイの領域は、ニッケル、鉄又はコバルトベースの超合金で作製されるのに対し、前記インサート、即ち、マンドレル（６）及び／又はベアリング（７）を含み強い摩擦的な要求を有する領域のダイは、耐摩耗性材料で製造されることを特徴とする押出工具又は押出ダイ。
【請求項２】
前記ダイは、２つ以上のキャビティのダイであることを特徴とする請求項１に記載の押出ダイ。
【請求項３】
前記合金は、Ｎｉを３９〜７８質量％、Ｆｅを０．０〜３６質量％、Ｃｒを１２％〜２５質量％、Ａｌを０．０％〜５質量％、（最小０％、最大２０％の）Ｃｏ、Ｍｏを〜１０質量％まで、Ｎｂを〜５質量％までで含有するニッケルベース超合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の押出ダイ。
【請求項４】
前記合金は、Ｃｏを３４〜５０質量％、Ｎｉを１０〜２９質量％、Ｆｅを３〜２６質量％、Ｃｒを３〜２２質量％、Ａｌを０．０〜６質量％、Ｎｂを０．０〜３質量％、Ｗを０．０〜１５質量％で含有するコバルトベース超合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の押出ダイ。
【請求項５】
前記合金は、Ｆｅを４２〜７４質量％、Ｎｉを０．０〜３８質量％、Ｃｒを０．０〜２０質量％、Ａｌを０．０％〜５質量％、Ｃｏを〜１５質量％まで、Ｍｏを０．０％〜５％、Ｎｂを０．０〜５質量％で含有する鉄ベース超合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の押出ダイ。
【請求項６】
前記耐摩耗性材料は、高速度工具鋼、析出硬化鋼、若しくは熱間加工高合金鋼、及び標準的鍛造法、溶射成形法若しくは粉末冶金技術によって得られる合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の押出ダイ。
【請求項７】
前記耐摩耗性材料は、表面窒化若しくは類似したプロセスによって表面硬化処理されるか、又は、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマアシスト化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）／プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、若しくはフレーム溶射、コールドスプレー／高速、プラズマ溶射、高速フレーム溶射のような他の溶射法に基づく表面皮膜が与えられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の押出ダイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料、具体的にはアルミニウム若しくはその合金の材料、又は、Ｃｕ（銅）及びその合金のような他の非鉄金属の押出のための押出工具又は押出ダイに関する。
【背景技術】
【０００２】
押出は、一定の断面プロファイルの中実又は中空の対象物を生成するために用いられるプロセスである。材料は、所望の断面のダイを通って押し出される。他の製造プロセスを上まわって押出法が有する２つの主な利点は、非常に複雑な断面を生成すると共に良質な表面仕上げを有した最終部品を生成する能力である。
【０００３】
ダイは、もちろん押し出される材料及び温度等に応じて、摩耗を受ける。そして、押出ダイの寿命を向上させるために、例えば、適切なダイ材料、適切な熱処理、及び／又は、ＣＶＤ若しくはナノ粒子タイプの皮膜等の様々なタイプの皮膜を用いた適切なダイの皮膜形成を選択することによって、多数の試みが行われてきている。
【０００４】
米国特許第０４１６９３６６号明細書から、金属、具体的にはアルミニウムの中空又は半中空セクションの押出のための押出装置が既知である。この装置は、ダイの開口内に突出する少なくとも１つのマンドレル支持体を有する。なお、マンドレルヘッドは、連結装置によってマンドレル支持体上の所定の位置に保持される特殊なインサートタイプである。
【０００５】
米国特許第０４７７３２５１号明細書は、１つの部品がベアリング（bearing）を含み且つもう１つの部品が支持体である２部品のダイに関するものである。この解決策の特異性は、２つのダイ部品が粉末冶金技術を用いて原子的に結合されることであると思われる。さらに、「支持」部品（ベアリングを有しない部品）は、材料選択の観点では「ベアリング保持部品の金属材料とは異なる組成の頑丈な非延性耐熱鋼」として比較的曖昧に規定されている。
【０００６】
さらに、特開平０６−３１５７１６号公報は、Ｎｉ（ニッケル）基合金製であり且つＨＲＣ３３よりも高い熱処理後の硬度を有する材料からなる工具を備えた押出ダイに関するものである。このような合金を用いる目的は、工具内へのＺｎ（亜鉛）の侵入を防止すること、即ち、亜鉛脆化を防止することである。
【０００７】
さらにまた、中国特許第２０１２８７１５３号明細書には、アルミニウムプロファイルの押出ダイが記載されているが、ここでは、ダイ工具、即ち、押出プロファイル開口を形成する部品が、交換可能であり、耐摩耗性材料から作製されている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明には、寿命が非常に大幅に延び、それによって交換及びメンテナンスのコストが低減される押出ダイが、備えられる。本出願人の幾つものアルミニウム押出工場にて実施された試験によると、本発明によるダイ材料としてＮｉ基超合金を選択することによって、深刻な亀裂が減少し、そしてダイの寿命が、ダイ部品の交換又はメンテナンスが必要となる前において、１００〜２００個の押出ビレットから１０００個以上の押出ビレットにまで向上することが、示されている。
【０００９】
本発明は、添付の独立請求項１で定義される構成を特徴とする。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項２〜７においてさらに定義される。
【００１０】
以下において、本発明は、例示を目的として以下の図面を参照してさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による押出ダイの一例を示す図であり、ａ）は組み立てられた状態を断面図で示し、ｂ）は同じものを分解図で示している。
【図２】図１のａ）に示されるダイキャビティのうちの１つの拡大部分断面図である。
【図３】マンソン・コフィン（Ｍａｎｓｏｎ−Ｃｏｆｆｉｎ）の図表を示すものであり、この図表では、押出ダイに採用される最も一般的な工具鋼の破断までの塑性ひずみ範囲対サイクルの線形関係が、本発明による超合金の疲労特性と共に、両対数プロットで表されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上述したように、押出は、一定の断面プロファイルの中実又は中空の対象物を生成するために用いられるプロセスである。添付の図面は、下記にさらに説明される中空のプロファイルを押出するための押出工具又はダイ１の一例を示す。図１のａ）及びｂ）に示されるような押出ダイ１は、１つのブリッジダイ本体２と、１つのプレートダイ本体３とを含み、各ダイ本体には、２つのキャビティ４，５がそれぞれ設けられ、各キャビティはさらに、インサート６，７と共に開口を画成する。図１に示されるようなダイは、同時に２つのプロファイルを平行に押出することのできる２キャビティダイとして定義されるものを表している。しかしながら、押出ダイは、押出製品を形成するダイ開口のタイプ、形状（デザイン）及び大きさの他にも、押出設備の能力（図示しないラム及びブロック）に応じて１つ又は３つ以上のキャビティのタイプであってもよい。
【００１３】
図２は、図１のａ）に示されているダイキャビティ４，５のうち１つを拡大し且つ断面で示している。２つのダイ本体２，３は組み立てられた状態であり、これによって、ブリッジダイ本体２上のマンドレル部品１０が、ダイプレート３のキャビティ５の開口内に部分的に突出し、その結果、ダイ３内においてマンドレルとキャビティ開口５との間に開口部１１が形成される。押出されている材料は、この開口部１１を通って圧縮され、それによって最終的な中空押出製品の形状を形成する。
【００１４】
本発明の場合、マンドレル１０は、ねじ８によってブリッジダイ本体２に取り付けられる別個になったマンドレルインサート６で形成される。
【００１５】
一方、本発明によると、ダイプレート３における開口は、同様に第２のねじ９によってダイプレート３に取り付けられる別個になったベアリングインサート７で形成される。ねじ９によって連結される代わりに、ベアリングインサート７は、代替としてダイプレート３の開口５における陥凹部（recess）内に熱によって焼き嵌めされてもよい。
【００１６】
本発明の基本理念は、一方では熱機械的な要求（thermo-mechanical solicitation）にマッチし、他方では摩擦的な要求（tribological solicitation）にマッチする押出ダイの適切な領域において、様々な材料を選択し、これらを組み合わせて利用することである。
【００１７】
強い熱機械的な要求（クリープ−低サイクル疲労型［Creep - Low Cycle Fatigue regime］）の領域では、上述したように、中空プロファイル或いは中実プロファイルのいずれであるかに応じてブリッジ本体２及び／又はダイプレート本体３を含むダイの第１の「モジュール」が、超合金からなる。特に、超合金は、ａ）ニッケル、ｂ）コバルト又はｃ）鉄のうちいずれかをベースとする。ニッケル、コバルト及び鉄ベースの超合金の範囲は、下記のようにそれぞれ規定することができる。
【００１８】
ニッケルベース超合金：Ｎｉ（最小３９％、最大７８％）、Ｆｅ（最小０％、最大３６％）、Ｃｒ（最小１２％、最大２５％）、Ａｌ（最小０％、最大５％）、Ｃｏ（最小０％、最大２０％）、Ｍｏ（最小０％、最大１０％）、Ｎｂ（最小０％、最大５％）
【００１９】
コバルトベース超合金：Ｃｏ（最小３４％、最大５０％）、Ｎｉ（最小１０％、最大２９％）、Ｆｅ（最小３％、最大２６％）、Ｃｒ（最小３％、最大２２％）、Ａｌ（最小０％、最大６％）、Ｎｂ（最小０％、最大３％）、Ｗ（最小０％、最大１５％）
【００２０】
鉄ベース超合金：Ｆｅ（最小４２％、最大７４％）、Ｎｉ（最小０％、最大３８％）、Ｃｒ（最小０％、最大２０％）、Ａｌ（最小０％、最大５％）、Ｃｏ（最小０％、最大１５％）、Ｍｏ（最小０％、最大５％）、Ｎｂ（最小０％、最大５％）
【００２１】
上記で規定された超合金、又は高性能合金は、高温における強力な機械的強度及び耐クリープ性、良好な表面安定性、並びに、耐食性及び耐酸化性を示す合金である。
【００２２】
超合金は、固溶強化又は析出強化を通じて高温強度を向上させるが、まず近似的なのが、超合金の高められた高温強度が、強くなった粒子間第２相（ニッケルベース超合金の場合はγ’であり、コバルトベース超合金の場合は炭化物である）の量及び分散に依存することである。
【００２３】
超合金は、広い温度範囲にわたって強度を保持し、熱によって誘発される結晶空孔が生じる結果として鋼がクリープに屈してしまう高温適用分野にとって魅力的である。
【００２４】
耐クリープ性は、結晶構造内における転位の速度を低減させることに依存する。ニッケル超合金及びニッケル−鉄超合金に存在する体心立方ガンマプライム相［Ｎｉ3（Ａｌ，Ｔｉ）］は、転位に対する障壁を示す。アルミニウム及びチタンのような化学的な添加物がガンマプライム相（γ’）の生成を促進する。ガンマプライム相のサイズは、焼き鈍し（annealing）によって最終的に制御されることが可能である。他の様々な元素が存在でき、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ジルコニウム、ニオビウム、レニウム、炭素又はケイ素が幾つかの例である。
【００２５】
コバルト基超合金における場合に関し、クロム、モリブデン又はタングステンのような耐熱性元素が、固溶強化構造に相当量用いられる。これらの溶質は、抑制性のある回復能力を有し、そして転位移動を妨げる。結晶粒界において析出された炭化物は、結晶粒界滑りを防ぎ、高い破断寿命を生成する。
【００２６】
他の重要な材料の特性は、疲労寿命、相安定性、並びに、耐酸化性及び耐食性である。
【００２７】
一般的に、固溶強化型合金は、増加した滑り抵抗及び高まったひずみ硬化能力のため、疲労クラックに対する強い抵抗性を有するものと予期される。
【００２８】
一般的に、高温疲労は、周期的なクリープ破断プロセスと考えられる。
【００２９】
このような理由から、微細組織とクリープ変形と亀裂との間における上述した関係が適用可能である。
【００３０】
耐食性及び耐酸化性に焦点をあてると、環境影響に対する強い抵抗性が、酸化保護膜が形成されることによってもたらされ、この酸化保護膜は、金属が酸素にさらされるときにアルミニウム及びクロムのような元素によって形成され、そして、材料をカプセル化して封入し、それ故残りの成分を保護する。
【００３１】
即ち、余すところのない完全なものではないが、ＵＮＳ規格、ＩＳＯ規格又はＡＦＮＯＲ規格によって表１において以下で識別される合金は、上述の族に分類される例である。表は、明確に示す目的で、合金の確立された商標名を含む。
【００３２】
【表１】
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表１：本発明に含まれる高温性能超合金の主なリスト
【００３３】
上記に加えて、表２に列挙され且つ商品名及び詳細な化学組成で識別される下記の合金はまた、第１の「モジュール」に、即ちダイの高い熱機械的な要求領域に用いられる、明らかに被膜された材料の１つでもある。表２に列挙された材料は、上記で規定されたＮｉ基超合金の一部である。
【００３４】
【表２】
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表２：詳細な化学組成からなり且つ確立された商標名で識別されるＮｉ基超合金
【００３５】
上記に加えて、商標名及び化学組成で識別される下記の合金はまた、第１の「モジュール」に、即ちダイの高い熱機械的な要求領域に用いられる、明らかに被膜された材料の１つでもある。表３に示された材料は、上記で規定されたＮｉ基超合金の一部である。
【００３６】
【表３】
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表３：Ｎｉ基超合金ＡＥＲＥＸ３５０の化学組成
【００３７】
一方、強い摩擦的な要求の領域、即ち、形成されている合金を通過させることに起因する摩擦及び摩耗の領域においては、（１つ又は複数の）インサートである、つまりインサート６及び７のいわゆるベアリング部であるダイの第２のモジュール（押出されるプロファイルがその最終形状をとるダイの領域）は、耐摩耗性材料で製造される。このような材料は、次のようないかなる既知の耐摩耗性のあるダイ材料であってもよい。つまり、高速度工具鋼、析出硬化鋼若しくは熱間加工高合金鋼、及び、標準的な鍛造法、溶射成形法、若しくは粉末冶金技術によって得られる合金、又は、窒化若しくは類似したプロセスを通じて硬化処理された表面が与えられる任意の鋼若しくは材料タイプ、又は、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマアシスト化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）／プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、若しくは他の溶射法（フレーム溶射、コールドスプレー／高速溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射［high velocity oxyfuel Spray］等）のような表面皮膜形成技術によって与えられる任意の鋼若しくは材料タイプなどであってもよい。
【００３８】
ダイインサート用として、上記に記載のグループに属するニッケル基、鉄基又はコバルト基の超合金とは異なる材料を選択することは、本発明の概念の基本的な要件である。このような特有の組合せは、この概念の全体的な性能に不可欠であり、それは、１）ダイ本体部分２及び３における超合金が、優れた高温での機械的性質を有するものの低い摩擦摩耗特性を有するのに対し、２）インサートベアリング領域６及び７における耐摩耗性材料が、優れた摩擦摩耗特性を有するものの低い高温での機械的性質を有するためである。
【００３９】
従って、本発明によって、局部的な材料選択と局部的な機械的及び摩擦的要求との間において、可能な最善の適合が得られる。
【００４０】
応力が塑性変形を引き起こすほど高い場合は、コフィン・マンソンの関係によって低サイクル疲労に特徴を与えることが好ましい。
【００４１】
【数１】
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【００４２】
上式では、
・Δερ／２は、半減期における塑性ひずみ振幅であり、
・εｆ’は、疲労延性係数として知られた実験定数であって、単一のリバーサル（単一の繰り返し［single reversal］）に対する破断ひずみであり、
・２Ｎは、破断までのリバーサルの数（Ｎサイクル）であり、
・ｃは、疲労延性指数として知られた実験定数である。
【００４３】
熱機械的応力を受けるダイの領域において実行されたＦＥＡ（有限要素解析）のシミュレーションは、マンドレルへの遷移ブリッジが降伏限界を超える応力集中（このゾーンを「ホットスポット」という）を有することを実証した。なお、この応力集中を有することは、非弾性のシミュレーションを通じて確かめられてもいる材料における塑性変形を示す。押出工具の周期的挙動と押出工具の記録されている寿命とが、引張塑性ひずみ及び圧縮塑性ひずみが押出プロセス中に存在していることを示している。このような理由から、塑性ひずみが存在することに関して、ダイ材料の疲労特性を考察し且つダイの他の解決策を基準に従って評価する（benchmark）ために、マンソン・コフィンの関係を採用することが好ましい。
【００４４】
図３は、破断までの塑性ひずみ範囲対サイクルの線形関係を、両対数プロットで示している。この図によって、押出ダイに採用される最も一般的な工具鋼の疲労挙動を、超合金の疲労特性と共に、基準に従って評価することができる。超合金は、高められた温度で適用される同等の塑性ひずみの条件において、工具鋼よりも高い疲労寿命を示すということが、明らかである。その結果は、超合金の優れた耐疲労性を強調し、そして、強い熱機械的な要求を有するダイの領域の実現のために、この材料が良好に適応することができることを裏付ける。
【００４５】
特許請求の範囲に定義されるような本発明は、ダイインサート６及び７に基づく中空のプロファイルを押出するための上述の２つのキャビティのダイの例に限定されるものではなく、１つ又は３つ以上のキャビティのタイプであってよく、そして、中実のプロファイルを押出するための１つ以上のキャビティのダイプレートであってもよい。
【００４６】
さらに、特許請求の範囲に定義されるような本発明は、図面に示され且つ上述されたようなねじによってダイ部品とインサートとを相互連結することに関する設計に限定されるものではなく、焼き嵌め若しくは他の連結手段によって互いに固定される又は相互に連結されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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