JP2011220988A - 組合せ計量装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
炭素0.001〜0.10重量%、シリコン0.1〜3.0重量%、マンガン5.0〜18.0重量%、クロム0.01〜20.0重量%、アルミニウム0.001〜0.1重量%、残部鉄を含んでなる鋼であって、積層欠陥エネルギーSFE(mJ/m2)を20以下の条件を満たす化学組成になるように溶製し、所定の熱処理条件、冷却条件及び冷間加工条件を満たす製造方法によってε−Ms相が10〜50体積%とした制振に優れた鋼を組合せ計量装置の機械振動が発生する部分に配する。
【選択図】図1
Description
この対策として、特許文献1によると、ゲートをホッパ本体に対して片持ち状態にて取り付けることにより、ゲートの開閉する際に発生する振動を低減させることができ、振動に起因して生じる騒音を低減させる技術を開示している。
また、対象物の計量精度を維持する目的で、装置から発生する振動の影響を最小限に抑えるため振動の高周波部分のフィルタリング処理する方法が提示されている。
しかしながら、上記のような構造や機構の工夫のみでは、組合せ計量装置の各部分の接触・衝突による機械的振動の低減には限界があるので、構成材料を含めた抜本的な対策が求められている。また、この部分を樹脂にする方法も提案されているが、製造コストや機械的性質の点で工業的な製品とはなり難い。
即ち、「組合せ計量装置」用材料として、材料自体に騒音低減能があり、かつ、機械的性質及び価格の面からの要請を満足する材料が今までに想到され得なかったものである。
これらを「組合せ計量装置」用材料の観点から見れば、鋳鉄やMg系合金は強度が低いという欠点がある。Mn−Cu系合金は所望の強度が得られないという欠点がある。
Fe−Al−Cr合金は歪によって振動減衰能が低下するという欠点がある。
これらの材料は、振動減衰能は比較的優れているが、高価な元素を多く含んでいるため合金材料の価格上昇となり上記のような「組合せ計量装置」用途には不適である。
しかしながら、特許文献3においては、冷間加工による方法によって高強度高減衰能合金を推奨しているが、これは振動減衰能が安定して得られないことが判った。
該鋼の炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント[%C]を0.001〜0.10[%]、
シリコンの重量パーセント[%Si]を0.01〜3.0[%]、
マンガンの重量パーセント[%Mn]を5.0〜18.0[%]、
クロムの重量パーセント[%Cr]を0.01〜20.0[%]
アルミニウムの重量パーセント[%Al]を0.001〜0.10[%]
残部を鉄の重量パーセント[%Fe]として含み、
X線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相の体積%[%ε−Ms相]が、数式1を満足することを特徴とする。
[数式1]
10[体積%] ≦ [%ε−Ms相] ≦ 50[体積%] (1)
[数式2]
0.005 ≦ η ≦ 0.10 (2)
炭素の重量パーセント[%C]、シリコンの重量パーセント[%Si]、マンガンの重量パーセント[%Mn]、クロムの重量パーセント[%Cr]、ニッケルの重量パーセント[%Ni]及び窒素の重量パーセント[%N]によって、
数式3によって計算される積層欠陥エネルギー(SFE)(mJ/m2)が、
数式4を満足する制振性に優れた鋼を含んで構成されることを特徴とする。
[数式3]
SFE(mJ/m2)=25.7+2×[%Ni]+410×[%C]−0.9×[%Cr]−77×[%N]−13×[%Si]−1.2×[%Mn] (3)
[数式4]
−20(mJ/m2)≦ SFE ≦ 20(mJ/m2) (4)
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント[%C]を0.001〜0.10[%]、
シリコンの重量パーセント[%Si]を0.01〜3.0[%]、
マンガンの重量パーセント[%Mn]を5.0〜18.0[%]、
クロムの重量パーセント[%Cr]を0.01〜20.0[%]
アルミニウムの重量パーセント[%Al]を0.001〜0.10[%]
鉄の重量パーセント[%Fe]として含んでなる鋼を、
第1工程として、950〜1200℃で、1〜5時間、加熱する工程、
第2工程として、加工仕上がり温度750〜950℃で、熱間加工する工程、
第3工程として、700〜950℃で、1〜60分間、熱処理する工程、
第4工程として、500℃から20℃までの温度領域を、10〜50(℃/秒)の冷却速度で急速冷却する工程、
第5工程として、必要に応じて、冷間加工率1〜20%の冷間加工を施す工程
を含んで構成されることを特徴とする。
図1は、本発明に係わる低騒音高精度「組合せ計量装置」のホッパ部の模式図である。
上記の「制振性に優れた鋼」は、機械的振動によって発生する騒音を効果的に抑制することができる。また、機械的振動に起因する計量精度の低下、或いは、計量値の特定に至る時間の遅延を改善することができる。
シリコン重量パーセント0.01〜3.0重量%、マンガン重量パーセント5.0〜18.0重量%としている。
これは、良好な制振性発現能を持ちながら、微量のシリコンを添加することによってマンガン量を低く抑えることができることを示してしいる。
即ち、請求項4記載事項において、熱処理或いは冷間加工によってε−Ms相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーSFE(mJ/m2)(数式3)の関係式において、マンガンの項は−1.2×[%Mn]であり、シリコンの項は−13×[%Si]であることから、シリコンはマンガンの約十倍のSFEの低減効果があることを示している。
即ち、SFEを20mJ/m2以下に保持した上で、微量の0.01〜3.0重量%のシリコン添加によってマンガン重量パーセントを5.0〜18.0重量%と少なく抑えられている。
X線回折法によって測定されたε−Ms相の体積%が10〜50体積%であることを開示している。
これは、本発明の基本的な制振発現の必要条件である金属組織、ε−Ms相の定量的表現であり、10体積%未満では制振性が不十分となるためであり、50体積%を超えるとε−Ms相が相互に絡みあって逆に上記の制振性を低下させるためである。好ましくは、ε−Ms相体積%が20〜40体積%である。
クロム重量パーセント0.01〜20.0重量%としている。
これは、本発明の基本となるγ−相生成に関するものである。
図2に、Fe−Cr−Mn−Ni鋼の状態図を示した。
図2から明らかなように、クロム重量パーセントが20.0重量%を超える領域ではオーステナイト相(γ−相)とフェライト相(α−相)の2相が生成するので、クロム重量パーセントを20.0重量%以下、好ましくは、15.0重量%以下とする。
クロム組成比の下限については、積層欠陥エネルギーSFE(mJ/m2)(数式1)を20mJ/m2以下とする条件を満たす範囲を設定することによって、クロムとマンガンの相乗効果によって効果的にγ−相を生成させる領域を広くとることができる。
ここで、特許文献3との比較で、ニッケルのγ−相生成の役割をマンガン及びクロムが効果的に果しているので、制振性発現の観点からは高価なニッケルは必ずしも必要なくなっている。即ち、本発明に於いては制振性発現以外の必要がない限りニッケルの意図的な添加の必要はない。
化学組成の内、炭素重量パーセントを0.10重量%以下とするのは、振動減衰能を発現するγ−相とε−Ms相間の相互作用に悪影響を及ぼす固溶元素、特に、炭素重量パーセントの上限を定めることによって振動減衰能の向上及び安定を計るためであり、炭素重量パーセントが0.10重量%を越えると振動減衰能を示す損失係数(η)が低下しかつ不安定になるためである。
炭素と同様の影響を及ぼす窒素は、溶解製造時に大気中より0.020〜0.100重量%程度不可避的に混入して振動減衰能を低下させるものであるが、アルミニウム重量パーセントを0.01〜0.10重量%とすることによって鋼中の窒素をAlNの大きい介在物の形にすることによって制振性を阻害する作用をなくするためである。
即ち、アルミニウム重量パーセントが0.01重量%未満であると上記の鋼中窒素と結合するに必要なアルミニウム重量パーセントが不足する場合がり、0.10重量%を越えると過剰のアルミニウムによって鋼材の表面や内部にAl2O3系の欠陥が発生しやすくなる危険があるためである。
0.005〜0.10であることを開示しているが、これは制振性に優れた鋼としての基本的な条件である。
ここで、本発明になる鋼の振動減衰能は振動歪依存性が大きいので、損失係数(η)測定方法は、振動歪みを約10−4以上にする必要があるため、これを可能にする方法として片持ち梁方式を選択した。
測定値においては、損失係数(η)が0.005未満であると制振性に優れた鋼としての振動減衰機能が不十分となるためであり、0.10を超えるための製造条件では鋼材の機械的性質が上記記載の用途に適さなくなるためである。
1〜5時間、950〜1200℃に加熱する第1工程、
仕上げ温度750〜950℃にて熱間加工する第2工程、700〜950℃で1〜60分間熱処理する第3工程、
500℃から20℃までの温度領域を10〜30℃/secで急速冷却する第4工程
及び、更に必要に応じて常温で1〜30%の範囲で冷間加工を施す第5工程を含んで構成される制振性に優れた鋼の製造方法を開示している。
ここで、重要な工程は、第3工程、第4工程及び第5工程である。
第3工程において、熱処理温度を700〜950℃としたのは、700℃未満の温度では冷間加工歪除去及びオーステナイト化が不十分であるために制振性発現が不十分となるためであり、950℃を超えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して機械的性質が不良となるためである。
第4工程においては、γ−相からε−Ms相へ効果的に熱誘起ε−Ms相を生成させるため、500℃から常温までの冷却速度が重要であり、これを 10〜50℃/secとした。10℃/sec未満の冷却速度では熱誘起ε−Ms相の生成が不十分となる為である。
第5工程において、この鋼を更に1〜20%の冷間加工を施すことによってε−Ms相の体積パーセントを増大させること又は冷間加工によって鋼の強度を上げる製造方法を開示している。これは、用途によって必要な制振性や機械的性質或いは硬さを得るために必要に応じて選択することができる。
ここで、冷間加工率を1〜20%としたのは、20%を超えると生成するε−Ms相の体積パーセントが50体積%を超えるために逆に有効なε−Ms相の振動が阻害されるので制振性が低下するためである。
実験例1は、本発明の請求項1に関するものであり、本発明に係わる「制振性に優れた鋼」の騒音低減能の評価のための実験である。
図3は、「組合せ計量装置」において、計量対象物とホッパ部との衝突やゲート部の開閉に起因して発生する騒音を模擬的に発生させる方法を示す。
即ち、実験例1では、本発明例として表2記載の本発明例1の材料及び比較例として市販炭素鋼を用いて、10mm角×300mm高さの棒状として、糸で吊るしてハンマーで軽く叩くことによって発生する振動を先端に貼付けた加速度センサで計測した。
表1にその結果を示す。各々、上段は自由減衰時間軸波形、下段は振動の共振周波数解析結果である。
ここで、自由減衰時間が短い程、機械的振動に起因する騒音を低減することができることを示している。
また、上記の方法によって発生する振動音の周波数解析によると、いずれの供試鋼とも200〜2000Hzの比較的高い共振周波数の重畳したものである。
本発明に係る「制振性に優れた鋼」は上記の共振周波数の帯域において良好な振動吸収能を発揮することが明らかになった。
また、「組合せ計量装置」のホッパ部の騒音も同様の周波数帯域なので、本実験例によって本発明の有効性が確認できた。
実験例2は、本発明の請求項2、3及び4に関するものであり、本発明に係る制振性に優れた鋼の化学組成の特定に関する実験である。
実験例2として、表2に示す組成の鋼を溶製した。
ここで、表2に記載されていない元素について説明すると、窒素は、溶製時に不可避的に侵入するもので0.008〜0.100%の範囲とした。
リン(P)及び硫黄(S)はいずれも0.01%以下であった。
ニッケル(Ni)は、意図的には添加しなかった。
溶製した鋼を1000℃で2時間加熱し、仕上げ温度850℃で熱間加工して11mm厚の熱延板とした。これを、真空中にて800℃、1時間の熱処理を行い常温の油中に急速冷却した。この時、500℃から常温までの冷却速度は20℃/秒であった。これを、さらに制振性を付与するために10%の冷間圧延加工を施した。この材料の積層欠陥エネルギーSFE(mJ/m2)を数式3によって計算した。鋼中のε−Ms相の体積%をX線回折法によって求め、更に片持ち梁方式によって損失係数(η)を測定した。この測定方法は一端をクランプで固定し振動部のサイズは10mm角×300mm長であり固定部を3G(3×980mm/sec2)の加速度で衝撃を与え自由減衰時間及び振動周波数を測定して損失係数(η)を求めた。この時の振動歪は10−4レベルであった。
表2に、総合評価として優良(◎ )、良好(○ )及び不可(×)の記号を付した。
本発明例1〜15は、シリコン重量パーセントを本発明の推奨範囲内である0.5〜 1.0重量%を添加した例である。
ここで、本発明例1〜3は、SFE値は、10mJ/m2以下でありε−Ms相体積%は、本発明範囲内であるので損失係数(η)及び低温靭性は極めて良好である。
特に、本発明例3においては、シリコンを0.8重量%添加しているので、クロムが 7.0重量%でもSFEの条件を満たせば、極めて良好な損失係数(η)を示すことが確認できた。
次に、本発明例4〜12は、SFE値が10〜20mJ/m2以下でありε−Ms相体積%は本発明の請求範囲内であるので、損失係数(η)は良好である。
特に、クロムについては、SFEの条件を満足する範囲である、7.0重量%(本発明例5、7及び9)、或いは、5.0重量%(本発明例12)においても良好な制振性発現が確認された。
本発明例13〜15及び比較例1は、本発明例1をベースにした化学組成に、鋼の強度及び耐摩耗性を改善することを目的にしてモリブデンを重量パーセントで0.1、2.0、3.0及び3・5重量%添加したものである。これによると、モリブデンの添加によって、制振性は阻害されない。また、制振性付与のために行う急冷によって焼き入れ効果によって、硬さ(Hv)が向上している。しかし、比較例1のように、モリブデンを3.5重量%添加すると過多となり加工性が悪化する。
比較例2及び3については、SFE、ε−Ms相体積%及び損失係数(η)の指標からの判断では、良好(○)であるが、マンガン重量%が22.0及び19.0重量%と高いために材料が硬く冷間加工性が不良のために量産に当たっては製造コストが高くなるので総合評価は不可(×)となるものであり、これは実験例3の項において詳述する。
比較例4は、シリコン無添加のために制振性が不良である。
比較例5は、シリコン量が過大のため、材料が硬く加工コストが高くなるので実生産ができない。
比較例6は、マンガン量が不足しているため制振性が不良である。
比較例7は、クロム量が過大のため、母相がγ−相とα−相の2相域となっているために、ε−Ms相の生成量が少ないので損失係数(η)が不十分である。
比較例8は、アルミニウムが不足しているため、固溶窒素のAlNとしての固定が不十分なため、制振性が不十分である。
比較例9は、炭素量が過多であるので、制振性が不良である。
実験例3は、本発明の請求項2に関して、本発明に係る「制振性に優れた鋼」のマンガン量を冷間加工性の観点から評価したものである。
表3は、実験例2の表2記載の本発明例1(Mn:17%)、本発明例8(Mn:8%)、比較例2(Mn:22%)及びSUS304(Mn:1%)のマンガン(Mn)含有量の異なる鋼について、試験圧延機(ワークロール径85mmφの4段圧延機)によって、2.0mmから約0.03mm厚までの冷間圧延における中間熱処理回数と熱処理が必要となるまでの冷間圧延率を測定したものである。
本発明例1又は8は、2.0mmから約0.03mmまでに中間熱処理回数は3回であり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は63〜70%である。
これに対して、比較例2(Mn:22%)は、9回の中間熱処理が必要となり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は、35%である。これは、冷間加工のコストが実生産における圧延コストが過大となるために実用化が阻害されていることが明白に示されている。
実施例1及び8は、SUS304と同等の冷間加工性であることが確認され、実生産可能との総合評価である。
実験例4は、本発明の請求項5に関するものである。
即ち、制振性を発現するε−Ms相を効果的に生成させることによって、良好な制振性と機械的性質を持つ鋼を得るための製造条件に関するもので、本発明の主要な要件を実証するものである。
表2に記載した本発明例1の材料を用いた。これを1000℃で2時間加熱し、仕上げ温度850℃で熱間加工して3mm厚の熱延鋼板とした。これを、真空中で800℃× 10分の熱処理を行った。これらを表4の処理条件で冷却或いは冷間加工を行った。表4に、これらの機械的性質及び損失係数(η)の測定結果を示す。
総合評価は、良好(○)及び不可(×)で表示した。
試験No.1−1〜1−5は、800℃で熱処理後に油中に急速冷却した場合である。
試験No.2−1〜2−5は、800℃で熱処理後に空冷した場合である。
油中に急冷した場合は、急冷によってε−Ms相が生成しているので、軽加工で優れた制振性と所望の機械的性質を得ることができる。
一方、空冷した場合は、冷間加工度を上げてゆくことによって制振性は付与されるが逆に延性が低下することになり、制振性と機械的性質を全て満足させる製造条件を見出し難い。
本発明により、制振性にすぐれた鋼を製造するためには必須な元素であるマンガンの組成比を顕著に低減することが実現できることから、製造コストを顕著に低減することを可能としているので産業上の利用価値が高い。
Claims (6)
- 機械的振動が発生する部分が、「制振性に優れた鋼」を含んで構成されることを特徴とする組合せ計量装置。
- 「制振性に優れた鋼」が、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄を含んでなり、炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント[%C]が0.001〜0.10[%]、
シリコンの重量パーセント[%Si]が0.01〜3.0[%]、
マンガンの重量パーセント[%Mn]が5.0〜18.0[%]、
クロムの重量パーセント[%Cr]が0.01〜20.0[%]
アルミニウムの重量パーセント[%Al]が0.001〜0.10[%]
鉄の重量パーセント[%Fe]が残部であり、
X線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相の体積パーセント[%ε−Ms相]が、
数式(1)を満足することを特徴とする鋼であることを特徴とする組合せ計量装置。
[数式1]
10[体積%] ≦ [%ε−Ms相] ≦ 50[体積%] (1) - 「制振性に優れた鋼」が、
片持ち梁法によって測定した制振性を表す損失係数(η)が、数式(2)を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載した組合せ計量装置。
[数式2]
0.005 ≦ η ≦ 0.10 (2) - 「制振性に優れた鋼」が、
ニッケルの重量パーセントを[%Ni]としたときに、
数式(3)によって計算される積層欠陥エネルギー(SFE)(mJ/m2)が、数式(4)を満足することを特徴とする鋼であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載した組合せ計量装置。
[数式3]
SFE(mJ/m2)=25.7+2×[%Ni]+410×[%C]−0.9×[%Cr]−77×[%N]−13×[%Si]−1.2×[%Mn] (3)
[数式4]
−20(mJ/m2)≦ SFE≦ 20(mJ/m2) (4) - 「制振性に優れた鋼」が、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、鉄を含んでなり、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント[%C]が0.001〜0.10[%]、
シリコンの重量パーセント[%Si]が0.01〜3.0[%]、
マンガンの重量パーセント[%Mn]が5.0〜18.0[%]、
クロムの重量パーセント[%Cr]が0.01〜20.0[%]
アルミニウムの重量パーセント[%Al]が0.001〜0.10[%]
鉄の重量パーセント[%Fe]が残部である鋼を、
第1工程として、950〜1200℃で、1〜5時間、加熱する工程、
第2工程として、加工仕上がり温度750〜950℃で、熱間加工する工程、
第3工程として、700〜950℃で、1〜60分間、熱処理する工程、
第4工程として、500℃から20℃までの温度領域を、10〜50(℃/秒)の冷却速度で急速冷却する工程、
第5工程として、必要に応じて、冷間加工率1〜20%の冷間加工を施す工程
を含んで構成される製造方法により製造された鋼であることを特徴とする
請求項1乃至4の何れかに記載した組合せ計量装置。 - 「制振性に優れた鋼」が配される部分が、
ホッパ部、ゲート部、及び、シュート部からなる群から選択された少なくとも1つであることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載した組合せ計量装置。
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