(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた高温強度を確保しつつ被削性が改善され、熱間金型用の材料等として適用可能なNi基耐熱合金を提供する。【解決手段】Ni基耐熱合金を質量％でCr：14〜25％，Fe：0.1〜20％，Nb：0.5〜6％，Ti：0.2〜4％，Ti＋Nb：2.5〜8％，Al：0.2〜2％，C：0.03％以下，残部Ni及び不可避的不純物の組成を有するものとする。また、更に質量％でMo:0.1〜15％、Co:0.1〜15％の何れか１種又は２種を含有するものとする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Cr：14〜25％
Fe：0.1〜20％
Nb：0.5〜6％
Ti：0.2〜4％
Ti＋Nb：2.5〜8％
Al：0.2〜2％
C ：0.03％以下
残部Ni及び不可避的不純物の組成を有する被削性に優れた熱間金型用Ni基耐熱合金。
【請求項２】
請求項１において、質量％で
Mo：0.1〜15％
Co：0.1〜15％
の何れか１種又は２種を更に含有する被削性に優れた熱間金型用Ni基耐熱合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は被削性に優れた熱間金型用のNi基耐熱合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のエンジンバルブその他の高温強度の要求される部品用の材料としてTiやAl，Nb等の合金成分を含有した析出強化型のNi基耐熱合金が使用されている。
【０００３】
このNi基耐熱合金は、母相であるγ相に加えてγ′相（ガンマプライム相）と称される金属間化合物が析出し、その金属間化合物の相が析出強化相となって材料の高温強度を高めるものであるが、従来、このNi基耐熱合金にあっては、結晶の粒界に沿って析出する炭化物の相もまた高温強度を高める上で寄与するものと考えられており、そのため従来にあっては炭化物の析出相を生ぜしめるために合金にCを添加することが行われていた。
【０００４】
このNi基耐熱合金は、優れた高温強度を有する一方で被削性が悪く、所望形状に削り難いことに起因してその用途が自ずと限定されていた。
例えばこのNi基耐熱合金を熱間金型に適用できれば、従来のJIS SKD61等から成る熱間金型に比べて使用寿命を著しく延ばすことができるが、従来のNi基耐熱合金の場合、これを所望形状に切削加工することが極めて困難であり、そうした用途には適用されていないのが実情である。
【０００５】
尚、本発明に対する先行技術として下記特許文献１に開示されたものがある。
このものは、Ni基耐熱合金の被削性を高めることを目的としたものであるが、その解決手段は本発明とは異なっており、合金の成分としてS，Se等を必須とするもので本発明とは異なっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６３６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上のような事情を背景とし、優れた高温強度を確保しつつ被削性が改善され、熱間金型用の材料として適用可能なNi基耐熱合金を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
而して請求項１の熱間金型用Ni基耐熱合金は、質量％でCr：14〜25％，Fe：0.1〜20％，Nb：0.5〜6％，Ti：0.2〜4％，Ti＋Nb：2.5〜8％，Al：0.2〜2％，C ：0.03％以下残部Ni及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の熱間金型用Ni基耐熱合金は、請求項１において、質量％でMo：0.1〜15％，Co：0.1〜15％の何れか１種又は２種を更に含有することを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１０】
本発明の熱間金型用Ni基耐熱合金は、合金成分としてCr，Alの他にTi＋Nbを2.5〜8％含有するNi基耐熱合金において、Cの含有量を0.03％以下（望ましくは0.02％以下、より望ましくは0.01％以下）の低いレベルに規制した点を特徴とするものである。
【００１１】
本発明者は当初、この種Ni基耐熱合金の被削性が悪いのは強化相である金属間化合物の析出相が硬いことによるものと考えていた。
ところが研究を進める中で、Ni基耐熱合金の被削性を悪化させている原因が、合金の鋳造時の凝固過程で析出する１次炭化物であることを突き止めた。
【００１２】
この凝固過程で生じる１次炭化物は合金の結晶粒内に満遍なく微細に分散状態で析出し、またこの炭化物は３μｍ程度の極めて微細なものであるが、切削時にこの微細な炭化物、とりわけ極めて高硬度のTiの炭化物が工具の刃先を損傷し、そのことが被削性を悪化する原因であることが判明した。
【００１３】
因みに図１（イ）は、Ni：43％，Ti：1％，Nb；3％（何れも質量％），残部Feを主成分としたNi基合金において、本発明者が合金へのCの添加量を変化させることによって調べた、合金中の１次炭化物の量と工具寿命との関係を示している。
但し図１（イ）では横軸に合金の清浄度を表す後述のミシュランポイントを、また縦軸に工具寿命の指数（具体的には同一の部品を加工したときの加工可能な個数）をとって表している。
【００１４】
ここで横軸のミシュランポイントは、合金中の介在物量をその大きさに応じて重み付けして表したもので、その値が大きいほど介在物量が多く（清浄度が悪く）、また値が小さいほど介在物量が少ない（清浄度が高い）ことを表している。
図１（イ）では、ミシュランポイントが１００を超えたあたりで工具寿命が急激に低下している。
【００１５】
図１（ロ）は、（イ）の特性曲線ＡにおけるＡ-１（ミシュランポイントが４３０）のサンプルのミクロ写真（倍率１００）を、また図１（ハ）はＡ-２（ミシュランポイントが１０）のサンプルのミクロ写真をそれぞれ示したものである。
また図１（ニ）は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により、図１(ロ)に表われている介在物の成分測定を行った結果を示している。
図１(ニ)に示しているようにこの介在物は主としてTiの炭化物（厳密には炭窒化物）であった。
図１（ニ）に示されるように、この介在物はTiとCとNが主に含まれているため、Tiの炭化物或いは炭窒化物であることが分る。
【００１６】
以上の結果からすれば、合金中のC量を低量とすれば１次炭化物の量も少なくなり、その結果工具寿命がこれに応じて向上すると考えられる。
【００１７】
しかしながらNi基耐熱合金にあっては、上記のように合金成分として積極的に添加したCが、金属間化合物の析出のための時効熱処理によって粒界に沿って炭化物として析出し、その炭化物の析出相が結晶粒界を強化してNi基耐熱合金の高温強度（６００℃以上の高温強度）を高める働きをするものと考えられており、従って単純にC量を低減するとNi基耐熱合金の高温（熱間）強度特性が損なわれてしまうことが危惧される。
【００１８】
しかしながら本発明者らの研究の結果、Ti＋Nbを2.5〜8％含有した上記組成のNi基耐熱合金にあっては、Cを積極的に添加した場合とC無添加の場合とで合金の高温強度特性にほとんど影響の無いことが判明した。即ちCを無添加としても高温強度特性をC添加したのと同程度に維持し得ることが判明した。
本発明はこうした知見に基いてなされたものである。
【００１９】
かかる本発明のNi基耐熱合金にあっては、高温強度特性を従来と同様に確保しつつ被削性を著しく高めることが可能となり、従って本発明のNi基耐熱合金は、従来では適用できなかった熱間金型用材料としての適用が可能となるといった意義ある効果を奏するものである。
【００２０】
本発明ではまた、Ni基耐熱合金の組成を、請求項２に従ってMo：0.1〜15％，Co：0.1〜15％の何れか１種又は２種を含有した組成となしておくことができる。
【００２１】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
Cr：14〜25％
Crは耐酸化性，耐食性，高温強度を高める上で必要な成分で、その含有量が14％未満であると、十分な効果を得ることができない。
逆に25％を超えて過剰に含有させると合金中のNiの比率が下がってしまい、却って熱間強度が低下してしまう。従って本発明ではCrを上記の範囲内で含有させる。
【００２２】
Fe：0.1〜20％
FeはNiに置換する形でγ′相を形成する元素で、Feを一定量含有させることでNi量を減らすことができ、合金のコストを低廉化することができる。その効果を得るためには最低でも0.1％以上含有させる必要がある。
一方で20％を超えて含有させるとNi量が少なくなって、所要の高温強度が得られなくなってしまう。
【００２３】
Nb：0.5〜6％，Ti：0.2〜4％，Ti＋Nb：2.5〜8％
Ti，Nbは高温域でNiとの金属間化合物（γ′相）を析出し、高温域での変形を抑制して高温強度を高める元素で、本発明はこれらを合計量で2.5〜8％含有したものを対象とするものである。即ち本発明はTi＋Nbを2.5〜8％で含有したNi基耐熱合金において、C量を0.03％以下とした場合においても、高温強度を維持しつつ被削性を高めることができる効果を奏する。
【００２４】
Al：0.2〜2％
Alもまた高温域でNiとの金属間化合物を析出し、高温域で変形を抑制して高温強度を高める働きをなす元素で、その目的のために0.2〜2％の範囲で含有させる。
【００２５】
C：0.03％以下
CはTi，Nb、とりわけTiと１次炭化物を析出させて被削性を悪化させる原因となる元素である。従って本発明ではCはできるだけ少量であることが望ましいが、その含有量を著しく低含有量とすると原料を厳選しなければならず、合金コストが高くなってしまうため、本発明では0.03％まで許容できるものとする。望ましくはCの含有量は0.02％以下であり、より望ましくは0.01％以下である。
【００２６】
Mo：0.1〜15％
Moはマトリックスに固溶して合金を強化する働きを有する元素で、必要に応じて0.1〜15％の範囲内で含有させておくことができる。
【００２７】
Co：0.1〜15％
CoもまたMoと同様にマトリックスに固溶して合金を強化する働きをなす元素である。またCoは併せてNiとAl，Ti，Nbとの金属間化合物の析出量を高め、その結果として合金の高温強度を高める働きをなす。その目的のため本発明ではCoを添加する場合には0.1〜15％の範囲内で添加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に本発明の実施形態を以下に詳述する。
表１に示す化学組成（表中残部はNiで各数値は質量％）の合金５０ｋｇを真空誘導溶解し、そしてφ４０ｍｍの丸棒に１１００℃で熱間鍛造し、その後１０５０℃，３０分の条件で固溶化熱処理を行った。
続いて表面を切除加工してφ３０ｍｍの丸棒となし、以下に示す条件で旋削試験を行って被削性評価（工具磨耗量測定）を行った。
【００２９】
＜旋削試験条件＞
図２（イ）に示しているように被削材１０を回転させながら工具１２を図中左方向に送って旋削試験を行い、工具１２のコーナー磨耗量を測定した。
同図（ロ）において１２-１は主切刃を、１２-２は前切刃を、また１２-３はコーナー部を表している。この旋削試験ではコーナー部での磨耗量が最も著しかったので、ここではコーナー部１２-３の磨耗量によって被削性評価を行った。
尚旋削試験の条件は以下とした。
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．５ｍｍ
切削時間：１０ｍｉｎ
潤滑：湿式
工具のチップ材種：三菱マテリアル社製のＶＰ１５ＴＦ−ＦＪ(商品名)，ＰＶＤコーティングされたチップを使用した。
結果が合金の清浄度を表すミシュランポイントとともに表１に併せて示してある。
【００３０】
ここでミシュランポイントはＡＳＴＭ−Ｅ４５に準拠したもので、被検面積を６０．５ｍｍ２とし、４００倍の倍率で非金属の介在物の大きさを測定した。このとき非金属介在物の縦横比（アスペクト比）が２以下で、幅が５μｍ以上の介在物のみを測定対象とし、そして測定視野が重ならないように全被検面を測定した。
そして表２に示すようにして介在物の大きさ（長さ）ごとに係数を定め、そして観察された介在物の個数に係数を乗算して、それぞれの値の総和を求め、これをミシュランポイントとした。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
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【００３３】
表１に示しているようにC量が0.05％の比較例のものではミシュランポイントが３００と大きいのに対して、C量が0.03％以下の各実施例のものは何れもミシュランポイントが１００以下と小さく、即ち合金の凝固時に生ずる１次炭化物の量が少なく、その結果として各実施例のものは、比較例のものに比べて工具磨耗量が少なく、被削性が大きく改善されている。
【００３４】
因みに、図３に比較例３，実施例５及び実施例６についての鋳造後のミクロ写真を示している（倍率は４０倍）。
同図に示しているようにC量を通常レベルで含有した比較例３では、多数の１次炭化物が析出分散している。これに対してC量を0.02％とした実施例６のものでは１次炭化物の析出分散量が少なく、またC量を0.005％と極低量とした実施例５では１次炭化物の析出がほとんど認められない。
【００３５】
この実施形態では、工具磨耗量１５０μｍ以下を目標とした。
その理由は、工具磨耗量が１５０μｍ以下であれば熱間金型用材料として使用可能であることによる。
【００３６】
次にC量を0.03％以下とすることによって高温強度特性に悪影響が生じていないかを確認するため、金属間化合物を析出させるための時効熱処理を行った上で、高温度での引張試験を行った。
尚金属間化合物を析出させるための時効熱処理は、７２０℃で８時間保持した後冷却して６２０℃にし、６２０℃で８時間保持、その後空冷の条件で行った。
【００３７】
ここで高温引張試験は、C量のそれぞれ異なった実施例５，実施例６及び比較例３について行った。また引張試験はJIS G 0567に準拠して行った。
結果が図４に示してある。
【００３８】
図４に示しているようにC量を0.05％としたもの、0.02％としたもの、また0.005％としたものの何れもほぼ同一の高温強度を示していることが分る。
即ち本発明のNi基耐熱合金種においては、C量を変化させても高温強度に特段の影響が生じないことがこの図４から見て取れる。
【００３９】
図５は、実施例５の合金の高温引張強度を、従来熱間工具鋼として使用されているJIS SKD61と比較して表したもので、図に示しているように本発明のNi基耐熱合金は、従来の熱間工具鋼に比べて高温強度が優れていることが分る。
【００４０】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（イ）Ni基合金におけるミシュランポイントと工具寿命との関係を表す図である。（ロ）図（イ）のＡ-１のサンプルのミクロ写真である。（ハ）Ａ-２のサンプルのミクロ写真である。（ニ）（ロ）における介在物の成分測定結果の図である。
【図２】実施形態における被削性試験の方法の説明図である。
【図３】表１中の比較例３，実施例５，実施例６の鋳造後のミクロ写真である。
【図４】表１中の比較例３，実施例５，実施例６におけるC量と高温特性との関係を示す図である。
【図５】実施例５における各試験温度での引張強度を比較例と対比して示した図である。
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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