JP2009263756A - 高硬度ショット材 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ＨＶ１０００以上の高硬度と、セラミックスショット材以上の高靭性を有し、かつ十分な耐食性があり、安価に製造できる高硬度、高靱性および高耐食性の優れたショット材を提供する。
【解決手段】 Ｂ：５〜８ｍａｓｓ％、Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、ガスアトマイズ法によって製造される鉄基高硬度ショット材。また、上記成分に加えて、Ｃｒ：≦２５ｍａｓｓ％を含む高硬度ショット材。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高硬度、高靱性および高耐食性の優れたショット材に関するものである。

従来、金属製品の寿命を長くするためにショットピーニング処理をすることは周知である。このショットピーニングは被処理材の表面に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を改善できる有効な表面処理方法であり、ばねやギヤ等の自動車部品、あるいは金型材などにも適用されている。近年、浸炭焼入れ処理を行なったギヤなど、被処理材の高硬度化が進んでおり、これら部材へのショット材にも高硬度化が求められている。すなわち、表面硬度の高い被処理材に対し、低硬度なショット材を用いたショットピーニングでは高い圧縮残留応力が得られない。

また、自動車等の更なる軽量化に伴い、益々高硬度な被処理材をショットピーニングする必要があるため、さらに高硬度を有するショット材が求められている。高硬度なショット材としてはジルコニアビーズやアルミナビーズなどのセラミックスがあるが、これらのセラミックスは金属粉末と比較し脆性であるため、ショットピーニングにより破砕しやすく、ショット材の寿命が短い。

上記のような課題に対し、ＨＶ１４００を超えるような高硬度および高靭性を有する超硬製ショット材、例えば、特開平８−３２３６２６号公報（引用文献１）に開示されているように、投射材として、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物や窒化ハフニウム、窒化タンタルなどの窒化物、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化タングステンなどのホウ化物等が使用されている。

また、特開２００２−３６１１５号公報（引用文献２）には、高硬度および高靭性を有する鉄系アモルファスショット材が提案されている。さらに、特開２００７−８４８５８号公報（引用文献３）において、Ｆｅ，ＢおよびＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含む高硬度ショット材を提案しており、１１５０ＨＶを超える高硬度材について記載している。この技術において、耐食性を改善するためにＣｒ，Ｎｉ添加をも提案している。
特開平８−３２３６２６号公報 特開２００２−３６１１５号公報 特開２００７−８４８５８号公報

しかしながら、上述した特許文献１のような投射材は、鋳鉄製ショット材などと比較し非常に高価である。また、特許文献２に開示されている高硬度および高靭性を有する鉄系アモルファスショット材は、硬度の上限がＨＶ１１００で、実施例においてはＨＶ１０００が最も高硬度となっており、ＨＶ１１００を超えるような金属粉末を製造するのは非常に困難である。さらに、引用文献３においては、Ｆｅ，ＢおよびＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含む高硬度ショット材が提案されているが、しかし、場合によっては非常に高温高湿下で保管されるため、一部に発銹が見られることもあった。

上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、本発明はこの引用文献３に記載の技術をさらに進め、より耐食性をアップさせたものである。すなわち、本発明では、上記のような従来例における課題を解決するため、ＨＶ１０００以上の高硬度と、セラミックスショット材以上の高靭性を有し、かつ十分な耐食性があり、安価に製造できるショット材を開発した。

その発明の要旨とするところは、
（１）Ｂ：５〜８ｍａｓｓ％、Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、ガスアトマイズ法によって製造されることを特徴とした鉄基高硬度ショット材。
（２）前記（１）に記載の成分に加えて、Ｃｒ：≦２５ｍａｓｓ％を含むことを特徴とした高硬度ショット材にある。

以上述べたように、本発明により高硬度、高靱性および高耐食性の優れたショット材 を安価に提供することができる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明ショット材は、Ｂ：５〜８ｍａｓｓ％、Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる。このショット材は、Ｆｅ−Ｂの状態図においてＦｅ−Ｆｅ₂ Ｂの２相領域において過共晶となる組成であるため、初晶となる高硬度なＦｅ₂ Ｂを、高靭性な鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ₂ Ｂの共晶物が取り囲む組織を有する。このミクロ組織により、高硬度と高靭性を両立させることが出来る。

さらに、Ａｌを添加することにより耐食性を改善している。引用文献３において、耐食性アップを目的としＣｒを添加しているが、ＣｒはＢと化合しやすいため、多くはＦｅ₂ Ｂ中に固溶してしまう。したがって、鉄基固溶体相への固溶量が少なくなってしまう。そのため、鉄基固溶体相の耐食性改善は必ずしも十分ではない。そこで、発明者らは鋭意検討した結果、Ａｌ添加により効率よく耐食性をアップできることを明らかにした。

このＡｌを添加した合金をガスアトマイズすると、ＡｌはＢと化合しにくい元素であるため、主に鉄基固溶体相に固溶し、耐食性をアップさせる。そのため、わずかな添加量においても耐食性アップの効果が大きいことがわかった。また、本発明合金を鋳造粉砕法で製造すると、凝固組織の粗大化により、ショット材として好適な数百μｍで使用する場合、個々の粉末中でＦｅ₂ Ｂを鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ₂ Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織にはなりにくく、ガスアトマイズ法による作製が最適である。

以下、本発明に係るショット材の成分組成の限定した理由を述べる。
Ｂ：５〜８ｍａｓｓ％
Ｂは、上述したように、Ｆｅ−Ｂの状態図においてＦｅ−Ｆｅ₂ Ｂの２相領域において過共晶となる組成であるため、初晶となる高硬度なＦｅ₂ Ｂを、高靭性な鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ₂ Ｂの共晶物が取り囲む組織を有する。このミクロ組織により、高硬度と高靭性を両立させることが出来る。しかし、５ｍａｓｓ％未満ではＦｅ₂ Ｂが少なく、充分な硬度が得られず、また、８ｍａｓｓ％を超えるとＦｅ₂ Ｂが多く生成しすぎるため、充分な靭性が得られない。したがって、その範囲を５〜８ｍａｓｓ％とした。

Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％
Ａｌは主に鉄基固溶体相中に固溶し、耐食性を改善する効果が大きいが、１０ｍａｓｓ％を超えると脆性相が生成してしまうことから、上限を１０ｍａｓｓ％とした。ただし、その耐食性の改善を図るためには、０．５％は必要なことから、下限値としては０．５％とする。
Ｃｒ：≦２５ｍａｓｓ％
Ｃｒは耐食性を改善する効果があるため、Ａｌを補うため２５ｍａｓｓ％未満の範囲で添加することが好ましい。しかし、２５ｍａｓｓ％を超えると融点が上昇しアトマイズ法による製造が困難になることから、その上限を２５ｍａｓｓ％とした。ただし、耐食性を得るためには１％以上必要なことから、その下限値を１％とする。

アトマイズ法による製造
アトマイズ法は安価に大量の粉末を製造できる製造法であり、かつ本発明においてはＦｅ−Ｆｅ₂ Ｂ系過共晶組成（一部他元素により置換しても良い）の溶湯を急冷凝固させることにより、高硬度なＦｅ₂ Ｂを高靭性な鉄基固溶体または鉄基固溶体とＦｅ₂ Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織にできるため、高硬度と高靭性を両立させた粉末が得られることから、その製造方法としてアトマイズ法とした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１および表２に示す組成に秤量した２５ｋｇの原料をアルミナ製坩堝でＡｒ中にて誘導溶解し、坩堝底部の径５ｍｍ出湯ノズルより、１６５０℃にて出湯し、窒素ガスアトマイズにて粉末を製造した。その結果を表１および２に示す。表１に示す硬度については、各粉末を−１２５／＋４４μｍに分級し、樹脂埋めした試料を用い、ミクロビッカース硬度計により測定した。測定荷重は３００ｇでｎ＝１０の平均を算出した。

また、耐クラック性については、上記の樹脂埋め試料を用い、ミクロビッカース硬度計にて２００〜１０００ｇの荷重で圧痕を打ち、クラックが発生した荷重で評価した。
表２に示す耐食性評価については、ガラス板に両面テープで粉末を敷詰め、７０℃−９５ＲＨ％−９６時間の条件で、湿潤試験を実施した。全面発銹したものを×、一部発銹したものを△、発銹のなかったものを○とした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜８は本発明例であり、Ｎｏ．９〜１２は比較例である。

比較例Ｎｏ．９は成分組成としてＢ含有量が低いために、硬度（ＨＶ）が低い。Ｎｏ．１０は逆にＢ含有量が高いために、硬度（ＨＶ）が高く、クラック発生荷重が５００ｇと低い値でクラックが発生した。Ｎｏ．１１はＡｌ含有量が高いために、クラック発生荷重が５００ｇと低い値でクラックが発生した。Ｎｏ．１２はＣｒ含有量が高いために、ノズル閉塞が起こった。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜８はいずれも本発明の成分組成の条件を満たしていることから、硬度（ＨＶ）も最適硬度であり、かつクラック発生荷重も１０００ｇないし１０００ｇ超でもクラックの発生は見られなかった。

表２に示すように、Ｎｏ．１３は比較例であり、Ｎｏ．１４〜１９は本発明例である。

比較例Ｎｏ．１３は成分組成としてＡｌ、Ｃｒを含有しないことから湿潤試験を実施した結果、全面に発銹が発生した。これに対し、本発明例であるＮｏ．１４〜１５は成分組成としてＣｒを含有していないことから、耐食性がやや劣る結果となった。本発明例Ｎｏ．１６はＣｒを含有しないがＡｌの含有量が高いことから耐食性は良好であった。その他本発明例Ｎｏ．１７〜１９はいずれも耐食性は良好であることが分かる。

以上のように、アトマイズ法により安価に大量の粉末をＦｅ−Ｆｅ₂ Ｂ系過共晶組織の溶湯を急冷凝固させることにより、高硬度なＦｅ₂ Ｂを高靱性な鉄基固溶体または鉄基固溶体とＦｅ₂ Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織が構成させることにより、高強度と高靱性を両立させた粉末を製造することを可能とした。


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (2)

1. Ｂ：５〜８ｍａｓｓ％、Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、ガスアトマイズ法によって製造されることを特徴とした鉄基高硬度ショット材。
2. 請求項１に記載の成分に加えて、Ｃｒ：≦２５ｍａｓｓ％を含むことを特徴とした高硬度ショット材。