(57)【要約】【課題】比較的安価で鋼製ダイスの一層の長寿命化を図ることができるＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスを提供することにある。【解決手段】鋼製のダイス表面の所要部分にはＣｏ基合金，Ｎｉ基合金，Ｃｒ基合金その他の耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜を形成し、当該合金被膜と母材の鋼との間には厚さ２μｍ以上の拡散層を形成したことを特徴としている。前記合金被膜は、アーク放電被覆法によって形成するのが好ましい。【選択図】　　　　図１
2004058061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製のダイス表面の所要部分にはＣｏ基合金，Ｎｉ基合金，Ｃｒ基合金その他の耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜を形成し、当該合金被膜と母材の鋼との間には厚さ２μｍ以上の拡散層を形成したことを特徴とする、Ｚｎ含有Ａｌ合金押出用ダイス。
【請求項２】
前記合金被膜は厚さ２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイス。
【請求項３】
前記合金被膜はプラズマアーク放電によって形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば７０００系Ａｌ合金のように所定量以上のＺｎを含有するＡｌ合金の形材を熱間押出しするのに使用される押出用ダイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ又はＡｌ合金を熱間押出し加工するダイスは、高温かつ高摩擦環境下で使用されるので、その材質にはＪＩＳ　ＳＫＤ６１に代表される熱間加工用工具鋼が使用されている。
しかし、前述のような工具鋼のみで製造されたダイスを用いて、航空機や車両の強度部品に使用される７０００系Ａｌ合金（ＪＩＳ７００３、７Ｎ０１等）の形材を熱間押出しすると、特にダイスの引張応力が発生する部位に、加工中極めて早期にクラックが発生し、押出加工の繰り返しにより前記クラックが成長してダイス割れに至ることが少なくない。このようなダイスのクラックの発生やダイス割れの原因は、Ａｌ合金中に含まれているＺｎが、引張応力の発生したダイス鋼の結晶粒界に拡散浸透して粒界脆化を引き起こすためと考えられているが、現象としては応力腐食割れに類似している。
いずれにしても、Ｚｎ含有Ａｌ合金形材の押出しにおいては、前述のダイス割れにより、ダイスの交換を頻繁に行う必要上製造コストが増大して生産性が低下するほか、製品品質の低下を招く。
【０００３】
前述のような課題を解決するために種々の提案がなされている。
特開平６−３１５７１６号公報には、Ｚｎ拡散が起こり難くＺｎによる粒界脆化が生じないＮｉ基合金又はＣｏ基合金によってダイスを製造するか、あるいは、これらの合金を鋼製ダイスの所要の表面に肉盛溶接することが提案されている。
特開平７−１５５８２８号公報には、ダイスにおけるマンドレルのブリッジ部表面にＮｉ基合金，Ｍｏ基合金，Ｃｏ基合金等を肉盛溶接又は溶射することにより、耐Ｚｎ脆化性を有する被膜を形成し、前記被膜によりＡｌ合金中のＺｎがダイス鋼の結晶粒界に拡散するのを防止する技術が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来の技術には、それぞれ以下のような課題があった。
第１に、Ｎｉ基合金又はＣｏ基合金によってダイスを製造するのは、ダイスが非常に高価になる。
第２に、鋼製ダイスの所要の表面にＮｉ基合金，Ｍｏ基合金，Ｃｏ基合金等を肉盛溶接した場合には、ある程度ダイス寿命を延長させることができるが、押出しの繰り返しにより、ダイス表面に肉盛溶接した合金とダイスの母材である鋼との接合部分にクラックが発生し、その成長によりダイス割れに至るので、ダイス寿命を十分に長期化することはできなかった。
第３に、鋼製ダイスにおけるマンドレルのブリッジ部表面にＮｉ基合金，Ｍｏ基合金，Ｃｏ基合金等を溶射することにより、耐Ｚｎ脆化性を有する被膜を形成した場合も、ある程度ダイス寿命を延長することはできるが、ダイス表面の溶射した合金被膜と鋼との密着性が悪く、押出し加工の繰り返しにより合金被膜が剥離し、やはりダイスにクラックが発生してダイス割れに至るので、ダイス寿命を十分に長期化することはできなかった。
【０００５】
本発明は前述の課題を解決するために提案されるもので、その目的は、比較的安価で鋼製ダイスの一層の長寿命化を図ることができるＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスは、前述の課題を解決するため以下のように構成したものである。
すなわち、請求項１に記載のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスは、鋼製のダイス表面の所要部分にはＣｏ基合金，Ｎｉ基合金，Ｃｒ基合金その他の耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜を形成し、当該合金被膜と母材の鋼との間には厚さ２μｍ以上の拡散層を形成したことを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスは、請求項１の押出用ダイスにおいて、前記合金被膜が厚さ２μｍ以上であることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスは、請求項１又は２の押出用ダイスにおいて、前記合金被膜がプラズマアーク放電によって形成されていることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照しながら本発明に係るダイスの好適な一実施形態を説明する。
図１の（ａ）図はダイスの縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のダイスの雄型の正面図、（ｃ）図は（ｂ）図の矢印Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【００１０】
図１において、１は軸心部に穴１０が形成されたダイスの雌型、２は円筒部の軸心部にマンドレル２０が形成された雄型であり、雌型１，雄型２ともに材質はＪＩＳ　ＳＫＤ６１の工具鋼である。
雄型２の開口部は、マンドレル２０を一体的に支持するブリッジ２１により複数のポート２２，２３に区分されている。マンドレル２０の先端外周はベアリング部２０ａであり、このベアリング部２０ａと雌型１の穴１０の縁とで断面長方形に連続するオリフィスを形成している。
マンドレル２０が突出している雄型２の正面側において、マンドレル２０の根元部分周辺、すなわちブリッジ２１の表面には、耐Ｚｎ脆化性合金からなる厚み２μｍ以上の合金被膜２ａが形成され、この合金被膜２ａとダイスの母材である鋼との間には厚さ２μｍ以上の拡散層２ｂが形成されている。
【００１１】
耐Ｚｎ脆化性合金には、例えば５８ｍａｓｓ％（以下同じ）Ｃｏ−２５％Ｃｒ−１５％Ｗ−２％Ｃや、６５％Ｃｏ−２６％Ｃｒ−６％Ｍｏ−３％Ｎｉ等のＣｏ基合金が好ましく使用される。その他、６０％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−１８％Ｃｏ−４％Ｍｏ等のＮｉ基合金或いはＣｒ基合金等を使用することもできる。
このような耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜の膨張係数は、ＴｉＣ等の炭化物被膜やセラミックス被膜に比べ、ＪＩＳ　ＳＫＤ６１等のダイス鋼の熱膨張係数と比較的近い値であるため、ダイスを押出温度である５００℃前後に加熱しても合金被膜２ａは剥離し難い。
【００１２】
ダイスのブリッジ２１（母材）の表面に耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａとその下の拡散層２ｂとを、好ましい状態に同時に形成するには、プラズマアーク放電（アーク放電被覆法）によって前記合金被膜２ａを被覆するのが最適である。
すなわち図２で拡大して示すように、耐Ｚｎ脆化性合金（この例では前記Ｃｏ基合金）からなる電極棒３を母材（ブリッジ２１）表面に接触移動させながら高圧パルス電圧を負荷し、母材の鋼と電極棒３との間のアーク放電により瞬間的に高温（８０００〜２５０００℃）を発生させ、両者の接触界面に生ずるプラズマアーク３ａをプラズマイオン化した状態で母材表面に堆積定着させることにより、合金被膜２ａを形成する。
【００１３】
前述のアーク放電被覆法によれば、前述のように瞬間的に発生する高温により、ダイス表面に耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａが形成されるとともに、合金被膜２ａの層とダイス鋼との界面に十分かつより均一な厚みの拡散層（耐Ｚｎ脆化性合金とダイス鋼との組成元素が混合した層）２ｂが形成され、耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａのダイス表面への密着性が格段に強力となる。これに対し、溶射法によってダイス表面に合金被膜２ａを形成した場合は、拡散層２ｂが形成されないかあるいは部分的に形成されたとしても厚みが不十分になり、合金被膜２ａの密着性が乏しい。
図３は、アーク放電被覆法により、ダイス表面にＣｏ基合金からなる合金被膜２ａを形成し、このダイス表面を切り出してＸ線マイクロアナライザーにより線分析し、縦軸方向にＸ線強度（ｃｐｓ）を、横軸方向に層厚（μｍ）をそれぞれ示したものであるが、同図によれば、鋼の表面に十分な厚みの拡散層を介してＣｏ基合金被膜２ａが形成されている状態が分かる。
【００１４】
前記実施形態のＺｎ含有Ａｌ合金押出用ダイスによれば、引張応力が集中してクラックが発生し易いダイス雄型２のマンドレル２０の根元部及びその近傍の面に、耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａを形成し、その合金被膜２ａと母材との間に厚み２μｍ以上の拡散層２ａを形成したので、前記合金被膜２ａにより形材の押出中にＡｌ合金中のＺｎが当該部分のダイス鋼中に拡散するのを防止し、ダイスにおける当該部分の粒界脆化割れを抑制することができる。また、前記合金被膜２ａはその下の拡散層２ｂにより母材表面に強く密着しているので
、ダイスの長寿命化（当該ダイスの限界押出量の増大化）を達成することができる。
さらに、耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａは高温環境下の耐摩耗性に優れているので、押出の繰り返しによる磨耗も抑制される。
【００１５】
耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜２ａと母材との間の拡散層は、その厚みが２μｍ未満では合金被膜２ａの母材への密着性が不十分であり、ダイス寿命の長期化を達成することができないおそれがある。
耐Ｚｎ脆化性の合金被膜２ａは２μｍ以上の厚みであるのが好ましい。その厚みが２μｍ未満では、Ａｌ合金中のＺｎのダイス鋼中への拡散防止効果が発揮される期間（ダイス寿命）が短くなるおそれがあるほか、被膜２ａ中に存在する気孔を通じて合金中のＺｎがダイス鋼中に拡散し、脆化割れを起こすおそれがある。合金被膜２ａの厚みの上限は特に考慮する必要はないが、３０〜６０μｍ程度の被膜を形成しておけば、通常の操業では十分なダイス寿命が得られる。
【００１６】
その他の実施形態
ダイス表面に前述のような合金被膜２ａを形成した後、当該被膜２ａの表面にショットブラスト処理や研磨処理その他の仕上げ処理を施すことができる。
前記実施形態ではホローダイスについてのみ説明したが、本発明はソリッド押出形材を製造するソリッドダイスについても有効に実施することができる。ソリッドダイスにおいて、部分的に合金被膜を形成する場合にはダイス穴の押出口及びその周辺領域を対象とするのが好ましい。
前記実施形態では、ホローダイスの雄型側のマンドレル根元部及びその周辺部分のブリッジ表面に対してのみ耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜を形成したが、ホローダイス及びソリッドダイスの種別を問わず、押出時に材料（Ａｌ合金）が接触する部分全面に前記合金被膜を同様な要領で形成するのがより効果的である。
【００１７】
試験例
ＳＫＤ６１鋼を母材とする図１に示す形態のホローダイスであって、表１のような実施例Ｎｏ．１〜４のダイス（雄型）と、比較例Ｎｏ．５〜８のダイス（雄型）を、それぞれ二個ずつ試作した。比較例のＮｏ．５を除く各ダイスの合金被膜の形成個所は、図１のブリッジ２１の被膜２ａの部分である。
合金被膜をアーク放電被覆法によって形成した例（実施例４例と、比較例Ｎｏ．７）では、プラズマアーク放電装置により、表１に示した合金の電極棒（φ２ｍｍ）とダイス母材との間でアーク放電させ、それらの電極棒の合金をプラズマ化してダイス鋼表面に堆積定着させた。合金被膜の厚さは、アーク放電電圧と放電時間を加減することにより適宜調整した。
なお、比較例Ｎｏ．８のダイスは、ブリッジの合金被膜を形成しようとする部分の表面を厚さ２ｍｍ程度研削し、その研削跡に合金を肉盛り溶接することにより合金被膜を形成したものである。
各例二個のダイスの中の一方は、その合金被膜形成部分を切り出し、当該切り出し部分についてＸ線マイクロアナライザーで線分析を実施することにより、合金被膜の厚さ（被膜合金の組成元素が検出される範囲）と拡散層の厚さ（被膜合金の組成元素と母材中のＦｅとの混在領域）を測定した。
【００１８】
合金被膜及び拡散層の厚みの測定に供さなかった各例のダイスを使用し、次の条件で形材の押出試験をおこなった。
押出条件
材質：ＪＩＳ　７Ｎ０１合金
ビレット径：φ２１９ｍｍ
押出速度：５ｍ／分
押出温度（ビレット温度）：４８０℃
押出形材断面及び断面外形：６０×８０ｍｍ、厚み２ｍｍの矩形
最大押出量：２０ｔｏｎ（２０ｔｏｎ押出完了時点で停止）
【００１９】
前記押出過程において、押出量５００ｋｇ毎に当該ダイスに付着しているＡｌ合金を苛性ソーダで溶かし、ダイスの割れや被膜剥離の有無を調べ、これらが発生した時点で押出しを中止した。
その試験結果をあわせて表１に示した。
表１で示すように、実施例のダイスは最少限界押出量が１２ｔｏｎ（合金被膜厚さと拡散層厚さがともに比較的小さいＮｏ．１）であり、合金被膜厚さと拡散層厚さがそれぞれ３０μｍ，７μｍ以上である実施例Ｎｏ．２，４は限界押出量が２０ｔｏｎ以上であった。
これに対し、比較例のダイスでは、合金被膜の無いＮｏ．５のダイスは限界押出量が僅か０．５ｔｏｎであり、合金被膜が最も厚いＮｏ．８でも限界押出量は３ｔｏｎに過ぎなかった。また、Ｎｏ．６は合金被膜形成法がガス溶射であって拡散層が不均一かつ薄いため、Ｎｏ．６は合金被膜及び拡散層がともに薄過ぎるため、いずれも限界押出量が２．５ｔｏｎであった。
【００２０】
【表１】
2004058061.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る押出用ダイスによれば、ダイス表面の所要部分にＣｏ基合金，Ｎｉ基合金，Ｃｒ基合金その他の耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜を形成したので、形材の押出中にＡｌ合金中のＺｎが当該部分のダイス鋼中に拡散するのを防止し、ダイスにおける当該部分の粒界脆化割れを抑制することができる。
また、前記合金被膜と母材との間に厚み２μｍ以上の拡散層を形成したので、前記合金被膜は前記拡散層により母材表面に強く密着し、ダイスの長寿命化（ダイスの限界押出量の増大化）を達成することができる。
さらに、耐Ｚｎ脆化性を有する合金被膜は高温環境下の耐摩耗性に優れているので、押出の繰り返しによる磨耗も抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る押出用ダイスの一実施形態を示すものであって、（ａ）図はダイスの縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のダイスの雄型の正面図、（ｃ）図は（ｂ）図の矢印Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図２】アーク放電被覆法を説明するための概略断面図である。
【図３】アーク放電被覆法により合金被膜を形成したダイス表面を切り出し、これをＸ線マイクロアナライザーにより線分析した結果を示した線図である。
【符号の説明】
１　雌型
１０　穴
２　雄型
２０　マンドレル
２０ａ　ベアリング部
２１　ブリッジ
２２，２３　開口部が区分されたポート
２ａ　合金被膜
２ｂ　拡散層
３　電極棒
３ａ　プラズマアーク
【図１】
2004058061.tif 000004
【図２】
2004058061.tif 000005
【図３】
2004058061.tif 000006