JP2017075349A - 繊維機械部品 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
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Abstract
【課題】安価に製造でき、耐摩耗性および靭性が良好な繊維機械部品を提供する。
【解決手段】質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する。この繊維機械部品によれば、Ｎｂ含有炭化物の耐摩耗性向上作用を確保できるとともに、Ｎｂ含有炭化物の過剰生成による靭性の劣化を防止できるため、耐摩耗性および靭性が良好である。
【選択図】なし
【解決手段】質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する。この繊維機械部品によれば、Ｎｂ含有炭化物の耐摩耗性向上作用を確保できるとともに、Ｎｂ含有炭化物の過剰生成による靭性の劣化を防止できるため、耐摩耗性および靭性が良好である。
【選択図】なし
Description
本発明は、耐摩耗性および靭性に優れる繊維機械部品に関する。
編み機に用いられるメリヤス針、ニードルプレート、シンカー、セレクタおよびジャックなどの繊維機械部品は、耐摩耗性が要求されるため、一般的には、高炭素鋼の焼入・焼戻材が用いられている。これら繊維機械部品は、糸に含まれるＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの夾雑物によって、アブレシブ摩耗が生じる。
そして、近年では、編み地を緻密にした衣装の開発によって繊維機械部品が薄肉化される傾向にあり、繊維機械部品が摩耗によって減肉すると編み位置がずれてしまうため、繊維機械部品には、より一層の耐摩耗性の向上が求められている。
一方、編み機が高速稼動すると、繊維機械部品が摺動しながら往復運動する際の衝撃によって、各種部品が折損するおそれがある。
例えば、メリヤス針が折損すると、編んでいる生地をメリヤス針の折損した箇所により傷つけてしまい、生地の商品価値に問題が生じる。
また、糸を選択する部品であるセレクタに誤作動が生じた場合には、セレクタとニードルプレートとが衝突してニードルプレートが折損する。ニードルプレートは、数本のワイヤにて保持された状態で編み機本体に固定されているため、折損したニードルプレートは容易に交換できない。
したがって、繊維機械部品の往復運動による衝撃にて生じる各種部品の折損を防止するため、耐摩耗性が低下してしまうものの硬さレベルを低下させることにより、往復運動における衝撃に対する靭性を確保しているのが現状である。
ここで、例えば特許文献１ないし特許文献４には、フェルト針、ミシン針およびメリヤス針などの用途に用いられる強度や靭性や耐食性に優れた繊維機械用部品が記載されている。これら特許文献１ないし特許文献４では、中炭素鋼をベースとしＣｒやＭｏやＶなどを添加することにより、耐摩耗性を向上させて使用寿命を向上させている。
また、特許文献５ないし特許文献１３には、織機部材に用いられるステンレス鋼が記載されている。これら特許文献５ないし特許文献１３では、マルテンサイト系ステンレス鋼をベースとしＴｉやＮｂなどの炭化物の総析出量を規定することにより、高強度化して繊維と接触する鋼板の摩耗を抑制し、また、Ｃｒによる不動態皮膜の生成により耐食性を向上させている。
繊維機械部品の摩耗の原因は、糸に含まれるＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの直径３μｍ程度の夾雑物であったが、近年では夾雑物の多い粗悪品の糸が使用されることがあり、このような糸にはＫ２ＯやＣａＯなどの従来よりもやや粗大な直径５μｍ程度の夾雑物が含まれており、これら粗大な夾雑物による影響が大きいことが分かった。
そして、特許文献１ないし特許文献４のようにＣｒ、ＭｏおよびＶのいずれかの炭化物または複合炭化物を利用して耐摩耗性を向上するだけでは、耐摩耗性が不十分で粗大な夾雑物による摩耗を抑制できず、繊維機械部品の交換頻度が高くなってしまっている。
特許文献５ないし特許文献１３などの織機部材では、使用する糸を空気流（エアジェット）や水流（ウォータジェット）による吹込み方式で経糸しているため、耐食性を考慮する必要があるため、比較的に高価なステンレス鋼を用いている。
しかしながら、繊維機械部品は、機械的に駆動して経糸するとともに、糸と接触する部分には油を滴下するため、耐食性に関する懸念が少ない。
そのため、繊維機械部品では、数千点にも及ぶ多量の部品に、織機部材のように高価なステンレス鋼を適用する必要がない。
また、織機部材の靭性の評価について、曲げ試験により曲げ性を評価した指数となっている。
しかしながら、繊維機械部品では、摺動の速度が１秒間に数メートルであるため、曲げ試験では靭性の評価として不適切であるため、繊維機械部品としては靭性が低い可能性が考えられる。
ここで、繊維機械部品は、摩耗形態が非常に複雑であるため、摩耗する部位の摩耗原因が明らかにされないまま、単に高強度材を用いることにより耐摩耗性の向上を図っている傾向があり、繊維機械部品として耐摩耗性を適切に向上できていない可能性が考えられる。
また、繊維機械部品の材料寿命については、実機に繊維機械部品を装着し実使用環境下で使用しながら評価しているため、材料選定に長時間を要するだけでなく、適正な材料の選定に苦慮しているのが現状であった。
したがって、安価に製造でき、耐摩耗性および靭性が良好な繊維機械部品が求められて
いた。
いた。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、安価に製造でき、耐摩耗性および靭性が
良好な繊維機械部品を提供することを目的とする。
良好な繊維機械部品を提供することを目的とする。
請求項１に記載された繊維機械部品は、質量％で、Ｃ：０．６０％以上１．２５％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０％以上１．２０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３０％以上１．５０％以下、Ｎｂ：０．１０％以上０．５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する、糸道摩耗試験による比摩耗量が０．６×１０−７ｍｍ３／Ｎｍ未満、シャルピー衝撃試験での２ｍｍＶノッチ衝撃値が５Ｊ・ｃｍ−２以上である、耐摩耗性および靭性に優れるものである。
請求項２に記載された繊維機械部品は、請求項１記載の繊維機械部品において、質量％で、Ｔｉ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｂ：０％（無添加を含む。）以上０．００５％以下を含有するものである。
請求項３に記載された繊維機械部品は、請求項１または２記載の繊維機械部品において、質量％で、Ｍｏ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｖ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｎｉ：０％（無添加を含む。）以上２．０％以下のうちのいずれか１種以上を含有するものである。
本発明によれば、質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるため、安価に製造できる。
また、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上の密度でマトリックス中に存在するため耐摩耗性が良好であり、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するため、靭性が良好である。
以下、本発明の一実施の形態の構成について詳細に説明する。なお、各元素の含有量は
、特に記載しない限り質量％とする。
、特に記載しない限り質量％とする。
繊維機械部品は、０．６０％以上１．２５％以下のＣ（炭素）、０．５０％以下のＳｉ（ケイ素）、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ（マンガン）、０．０３％以下のＰ（リン）、０．０３％以下のＳ（硫黄）、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ（クロム）、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂ（ニオブ）を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる。
また、繊維機械部品は、必要に応じて、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＴｉ（チタン）、および、０％（無添加を含む。）以上０．００５％以下のＢ（ホウ素）を含有することが好ましい。
さらに、繊維機械部品は、必要に応じて、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＭｏ（モリブデン）、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＶ（バナジウム）、および、０％（無添加を含む。）以上２．０％以下のＮｉ（ニッケル）うちのいずれか１種以上を含有することが好ましい。
Ｃは、鋼板の強度の向上に必要な元素であり、繊維機械部品に使用するための強度を確保するには、含有量を０．６０％以上とする必要がある。しかし、Ｃの含有量が１．２５％を超えると粗大な未溶解炭化物が多くなり、衝撃特性などの劣化要因となってしまう。したがって、Ｃの含有量は、０．６０％以上１．２５％以下とした。
Ｓｉは、製鋼段階で脱酸材として添加されるが、無添加でも脱酸不良は生じない。また、Ｓｉの含有量が多くなると靭性が劣化し、０．５０％を超えると繊維機械部品に使用するための靭性を確保できない可能性がある。したがって、Ｓｉの含有量は、０．５０％以下（無添加を含む。）とし、好ましくは０．３０％以下である。
Ｍｎは、鋼の焼入性向上に有効な元素であり、含有量が０．３０％未満では焼入性を十分に向上できない。しかし、Ｍｎの含有量が１．２０％を超えて多量に含有させると、硬質化を招き、製造性や靭性を損なう原因となる。したがって、Ｍｎの含有量は、０．３０％以上１．２０％以下とした。
ＰおよびＳは、どちらも靭性に悪影響を及ぼすので、できるだけ含有量が少ないほうが好ましい。したがって、Ｐの含有量およびＳの含有量は、いずれも０．０３％以下とした。
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させる作用、鋼板の強度を向上させる作用、鋼板の耐摩耗性を向上させる作用、および、焼鈍の際におけるセメンタイトの粗大化を抑制する作用を有する元素である。そして、Ｃｒによる上記各作用を奏するには、Ｃｒの含有量を０．３０％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒは焼入処理の加熱保持においてセメンタイトの溶体化を妨げるという悪影響を及ぼす場合があり、Ｃｒの含有量が１．５０％を超えると、焼入処理の際の未溶解セメンタイト量を増大させる要因となりうる。したがって、Ｃｒの含有量は、０．３０％以上１．５０％以下とした。
Ｎｂは、鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＮｂ含有炭化物を形成し、耐摩耗性、特に耐アブレシブ摩耗性の向上に寄与する。また、Ｎｂは、焼入の際の結晶粒を微細化させて、靭性の向上に寄与する。Ｎｂによるこれら各作用を奏するには、Ｎｂの含有量を０．１０％以上とする必要がある。しかし、Ｎｂを多量に添加すると、Ｎｂ含有炭化物が過剰に生成され、このＮｂ含有炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となり、靭性が劣化する要因となる。また、Ｃ含有レベルが比較的高い用途において調質熱処理後の良好な靭性を確保するには、Ｎｂの含有量を０．５０％以下に抑えることが重要である。したがって、Ｎｂの含有量は、０．１０％以上０．５０％以下とした。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＴｉ含有炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する。また、熱間圧延の際などに再固溶し、熱間圧延中または冷却中に析出したＴｉＣは焼入の際に結晶粒を微細化し、靭性の向上に寄与する。さらに、ＴｉとＮとの結合力が強いため、Ｂを添加した場合にＢＮの生成を防止し、Ｂの焼入性向上作用を引き出すうえで有効である。したがって、必要に応じてＴｉを添加することが好ましく、Ｔｉによる上記各作用を奏するには、Ｔｉの含有量を０．０１％以上とすると効果的である。しかし、Ｔｉの含有量が０．５０％を超えると、Ｔｉ系炭化物が鋼板中に多量に存在して靭性劣化を招きやすいため、Ｔｉを含有させる場合には、Ｔｉの含有量を０．５０％以下とすることが好ましい。
Ｂは、焼入性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｂの効果を得るには、Ｂの含有量を０．０００３％以上とする必要がある。なお、Ｂによる焼入性向上作用は、Ｂの含有量が０．００５％にて飽和する。したがって、Ｂを含有させる場合には、Ｂの含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。
ＭｏおよびＶは、いずれも靭性向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｍｏによる靭性向上作用を奏するには、Ｍｏの含有量を０．１％以上とすると効果的である。しかし、ＭｏおよびＶは、比較的高価な元素であり、過剰な添加はコストの増大を招くため、ＭｏおよびＶの少なくとも１種を含有させる場合には、Ｍｏの含有量およびＶの含有量を０．５０％以下とすることが好ましい。
Ｎｉは、焼入性および低温靭性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｎｉによる焼入性向上作用および低温靭性向上作用を奏するには、Ｎｉの含有量を０．１％以上にすると効果的である。しかし、Ｎｉの過剰添加は経済性を損ねる要因となるため、Ｎｉを添加する場合には、Ｎｉの含有量を２．０％以下とすることが好ましい。
上記化学成分の繊維機械部品にて耐摩耗性を向上させるためには、Ｎｂを含有する炭化物による作用を利用する。なお、Ｔｉを含有する場合にはＴｉの炭化物も耐摩耗性の向上に有効である。ただし、繊維機械部品に使用するための靭性を確保するためには、炭化物の粒径を制御する必要がある。
具体的には、調質熱処理後の最終的な部品である繊維機械部品は、ＮｂまたはＮｂとＴｉとを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する金属組織であると、耐摩耗性が向上するとともに、靭性を損なう弊害を回避できる。
なお、Ｎｂを含有する炭化物とは、ＮｂＣを主成分とする硬質炭化物であり、ＮｂとＴｉとを含有する炭化物とは、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃなどを主成分とする硬質炭化物である（以下、これらのＮｂを含有する炭化物やＮｂとＴｉとを含有する炭化物を硬質炭化物とする。）。
鋼中に含有される析出粒子が硬質炭化物に該当するか否かは、ＥＤＸなどによる微視的分析によって確認できる。また、このように確認した硬質炭化物について、それぞれの面積を測定して同じ面積を有する真円の直径を算出し、この直径を硬質炭化物の粒子径とする。
鋼中の硬質炭化物は、粒子径０．５μｍ以上のものが３０００個／ｍｍ２未満であると、硬質炭化物による耐摩耗性向上作用が不十分で、繊維機械部品用として十分な耐摩耗性を確保できない可能性がある。また、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が９０００個／ｍｍ２より多いと、これら硬質炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となって靭性劣化の原因となってしまう。したがって、繊維機械部品は、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するものとした。
次に、上記繊維機械部品の製造方法を説明する。
繊維機械部品に用いられる鋼板は、鋳造、熱間圧延および冷間圧延、調質熱処理を経て製造される。この鋼板を用いて加工される繊維機械部品の代表例として、メリヤス針の製造方法を説明する。
メリヤス針はプレス打抜した鋼板を成型加工（切削、ミーリング、スウェージング、曲げ加工）し、調質熱処理することで製造される。
鋳造工程では、冷却過程において鋼中にＮｂを含有する硬質炭化物、または、ＮｂとＴｉとを含有する硬質炭化物を析出させる。この析出する硬質炭化物の粒子径および密度を調整するには、Ｃ含有量と、Ｎｂ含有量と、鋳造の際の冷却速度を厳密に制限することが重要である。
次に、上記実施の形態の効果を説明する。
上記繊維機械部品によれば、質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるため、例えば上記特許文献５ないし特許文献１３の従来技術のような比較的高価なステンレス鋼とは異なり、安価に製造できる。
また、繊維機械部品は、上記化学成分において、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するため、Ｎｂを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用を確保できるとともに、硬質炭化物の過剰生成による靭性の劣化を防止できるため、耐摩耗性および靭性が良好である。
繊維機械部品は、必要に応じてＴｉを含有させることにより、Ｔｉを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用および靭性向上作用で、耐摩耗性および靭性を向上できる。
また、繊維機械部品は、必要に応じてＢを含有させることにより、焼入性を向上できる。なお、Ｂを含有させる場合には、Ｔｉを含有させることによりＢとＮとの結合によるＢＮの生成を防止でき、Ｂによる焼入性向上作用を奏しやすい。
さらに、繊維機械部品は、必要に応じてＭｏ、ＶおよびＮｉの少なくとも１種を含有させることにより、靭性や焼入性や低温靭性を向上できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
表１には、繊維機械部品の母材となる鋼板の化学成分を示す。
この表１に示す各鋼スラブを溶製し、溶融および凝固実験用の３０ｋｇ鋼塊を切り出した。また、その鋼塊をるつぼ炉中で溶融させて溶鋼とし、鋳片を模擬した凝固塊を得た。
各模擬鋳片を用いて、熱間圧延、焼鈍、冷延、焼鈍および調質熱処理の順に処理し、板厚１．８ｍｍの衝撃試験片を製造した。
また、この鋼板をさらに冷延および焼鈍を繰り返し行って、板厚０．２ｍｍの摩耗試験片を製造した。
さらに、衝撃試験片および摩耗試験片を調質熱処理によって、調質硬さ６２ＨＲＣに調質した。調質熱処理は、既に調整されている硬質炭化物の分布状態が崩れることがないように溶体化温度を１０００℃以下とする以外は、一般的な条件で行う。
なお、熱間圧延は、加熱温度を１２５０〜１３５０℃として６０分保持後、仕上温度を８５０℃とし、巻取温度を５９０℃として、熱延板厚３．５ｍｍ（研削加工にて３．０ｍｍに調整）の熱延板を得た。焼鈍では、６９０℃に加熱し、１８時間保持した。
調質熱処理は、８３０℃で１５分加熱処理した後、６０℃に油冷し、組成に応じて調質硬さを７４０ＨＶとする調質材を得た。各調質材は、いずれもビッカース硬さ計にて±１５ＨＶの範囲だった。
ここで、調質熱処理前の鋼板について、圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）を鏡面研磨した後、村上試薬（赤血塩のアルカリ溶液）にてエッチングし、共焦点レーザ顕微鏡にて観察した。また、その画像を処理して、視野面積中に存在するＮｂ含有炭化物（硬質炭化物）の数量を測定し、その存在密度を算出した。
Ｎｂを含有する硬質炭化物は、観察面積９０×６０μｍ×２０視野中に存在する粒子径０．５μｍ以上の粒子を個数をカウントし、この結果に基づいて１ｍｍ２あたりの数に換算した。
また、粒径は粒子面積の円相当径の値であり、粒径０．５μｍ以上の粒子を画像処理にてピックアップした。
図１には、糸道摩耗試験方法を模式的に示す。調質熱処理した後、板厚が０．２ｍｍで、長手方向の長さが６０ｍｍで、幅方向の長さが２０ｍｍである短冊状の試験片11を治具にて固定して、重錘にて２Ｎの荷重を負荷した後、試験片11表面に糸12が擦れる状態とした。
また、この糸道摩耗試験では、１１０デシテックスの国産ポリエステル紡績糸を用いて、試験片11と糸12との接触面にミシン用のシリコンオイルを滴下しながら、送り速度を３０ｍ／分とし、摩擦距離を１００００ｍとした。
そして、各試験片11の摩耗痕深さをレーザ顕微鏡で測定し、比摩耗量が０．６×１０−７ｍｍ３／Ｎｍ未満のものを繊維機械部品としての耐摩耗性を合格と判断した。なお、試験片11の摩擦面には繊維機械部品の市場回収品と同様な筋状の摩耗痕が観察された。
図２には、衝撃試験片の形状を示す。衝撃試験における試験片21は、圧延方向に対する垂直方向（Ｔ方向）を長手方向として、板厚が１．８ｍｍで、長手方向の長さが５５ｍｍで、幅方向の長さが１０ｍｍであり、長手方向中心部にＲ０．２５ｍｍ、４５°のＶノッチ22を設けた。
そして、このような試験片21に関して、シャルピー衝撃試験を常温にて実施し、矢印にて示す衝撃方向による衝撃値を求めて、２ｍｍＶノッチ衝撃値５Ｊ・ｃｍ−２以上のものを繊維機械部品用鋼板としての靭性（衝撃特性）を合格と判断した。
表２には、硬質炭化物の密度の測定結果、糸道摩耗試験の結果および衝撃試験の結果を示す。
表２に示すように、所定の化学成分にて、粒径０．５μ以上の硬質炭化物の個数が３０００〜９０００個／ｍｍ２に調整した結果、耐摩耗性に優れているとともに、靭性に優れ高い衝撃特性を有していた。
一方、比較例であるＮｏ．２１、Ｎｏ．２２およびＮｏ．２６〜３２は、Ｎｂを含有していないため、硬質炭化物（Ｎｂ含有炭化物）が存在せず、耐摩耗性が著しく低かった。
比較例であるＮｏ．２３は、Ｎｂの含有量が少なかったため、硬質炭化物の個数が３０００個／ｍ２未満であり、耐摩耗性が不足していた。
比較例であるＮｏ．２４およびＮｏ．２５は、Ｎｂの含有量が過剰であるため、硬質炭化物が過剰に残存し、衝撃特性が著しく低下していた。
本発明は、耐摩耗性および靭性に優れる繊維機械部品に関する。
編み機に用いられるメリヤス針、ニードルプレート、シンカー、セレクタおよびジャックなどの繊維機械部品は、耐摩耗性が要求されるため、一般的には、高炭素鋼の焼入・焼
戻材が用いられている。
戻材が用いられている。
これら繊維機械部品は、糸に含まれるＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの夾雑物によって、アブレシブ摩耗が生じる。
そして、近年では、編み地を緻密にした衣装の開発によって繊維機械部品が薄肉化される傾向にあるが、繊維機械部品が摩耗によって減肉すると編み位置がずれてしまうため、繊維機械部品には、より一層の耐摩耗性の向上が求められている。
一方、編み機が高速稼動すると、繊維機械部品が摺動しながら往復運動する際の衝撃によって、各種部品が折損するおそれがある。
例えば、メリヤス針が折損すると、編んでいる生地をメリヤス針の折損した箇所により傷つけてしまい、生地の商品価値を低下させてしまう問題が生じる。
また、糸を選択する部品であるセレクタに誤作動が生じた場合には、セレクタとニードルプレートとが衝突してニードルプレートが折損する。ニードルプレートは、数本のワイヤにて保持された状態で編み機本体に固定されているため、折損したニードルプレートは容易に交換できない。
したがって、繊維機械部品の往復運動による衝撃にて生じる各種部品の折損を防止するため、耐摩耗性が低下してしまうものの硬さレベルを低下させることにより、往復運動における衝撃に対する靭性を確保しているのが現状である。
ここで、例えば特許文献１ないし特許文献４には、フェルト針、ミシン針およびメリヤス針などの用途に用いられる強度や靭性や耐食性に優れた繊維機械部品が記載されている。これら特許文献１ないし特許文献４では、中炭素鋼をベースとしＣｒやＭｏやＶなどを添加することにより、耐摩耗性を向上させて使用寿命を向上させている。
また、特許文献５ないし特許文献１３には、織機部材に用いられるステンレス鋼が記載されている。これら特許文献５ないし特許文献１３では、マルテンサイト系ステンレス鋼をベースとしＴｉやＮｂなどの炭化物の総析出量を規定することにより、高強度化して繊維と接触する鋼板の摩耗を抑制し、また、Ｃｒによる不動態皮膜の生成により耐食性を向上させている。
繊維機械部品の摩耗の原因は、糸に含まれるＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの直径３μｍ程度の夾雑物であったが、近年では夾雑物の多い粗悪品の糸が使用されることがあり、このような糸にはＫ２ＯやＣａＯなどの従来よりもやや粗大で直径５μｍ程度の夾雑物が含まれており、これら粗大な夾雑物による影響が大きいことが分かった。
そして、特許文献１ないし特許文献４のようにＣｒ、ＭｏおよびＶのいずれかの炭化物または複合炭化物を利用して耐摩耗性を向上するだけでは、耐摩耗性が不十分で粗大な夾雑物による摩耗を抑制できず、繊維機械部品の交換頻度が高くなってしまっている。
特許文献５ないし特許文献１３などの織機部材では、使用する糸を空気流（エアジェット）や水流（ウォータジェット）による吹込み方式で経糸しているため、耐食性を考慮する必要があるため、比較的に高価なステンレス鋼を用いている。
しかしながら、繊維機械部品は、機械的に駆動して経糸するとともに、糸と接触する部分には油を滴下するため、耐食性に関する懸念が少ない。
そのため、繊維機械部品では、数千点にも及ぶ多量の部品に、織機部材のように高価なステンレス鋼を適用する必要がない。
また、織機部材の靭性の評価については、曲げ試験による曲げ性の評価に基づく指数となっている。
しかしながら、繊維機械部品では、摺動の速度が１秒間に数メートルであるため、曲げ試験では靭性の評価として不適切であり、繊維機械部品としては靭性が低い可能性が考えられる。
ここで、繊維機械部品は、摩耗形態が非常に複雑であるため、摩耗する部位の摩耗原因が明らかにされないまま、単に高強度材を用いることにより耐摩耗性の向上を図っている傾向があり、繊維機械部品として耐摩耗性を適切に向上できていない可能性が考えられる。
また、繊維機械部品の材料寿命については、実機に繊維機械部品を装着し実使用環境下で使用しながら評価しているため、材料選定に長時間を要するだけでなく、適正な材料の選定に苦慮しているのが現状であった。
したがって、安価に製造でき、耐摩耗性および靭性が良好な繊維機械部品が求められていた。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、安価に製造でき、耐摩耗性および靭性が良好な繊維機械部品を提供することを目的とする。
請求項１に記載された繊維機械部品は、質量％で、Ｃ：０．６０％以上１．２５％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０％以上１．２０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３０％以上１．５０％以下およびＮｂ：０．１０％以上０．５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板を母材とし、前記鋼板は、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在し、糸道摩耗試験による比摩耗量が０．６×１０−７ｍｍ３／Ｎｍ未満で、シャルピー衝撃試験での２ｍｍＶノッチ衝撃値が５Ｊ・ｃｍ−２以上であるものである。
請求項２に記載された繊維機械部品は、請求項１記載の繊維機械部品において、鋼板は、質量％で、Ｔｉ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下およびＢ：０％（無添加を含む。）以上０．００５％以下を含有するものである。
請求項３に記載された繊維機械部品は、請求項１または２記載の繊維機械部品において、鋼板は、質量％で、Ｍｏ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｖ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下およびＮｉ：０％（無添加を含む。）以上２．０％以下のうちの少なくともいずれか１種を含有するものである。
請求項４に記載された繊維機械部品は、請求項１ないし３いずれか一記載の繊維機械部品において、繊維と接触する部品であるものである。
請求項５に記載された繊維機械部品は、請求項１ないし４いずれか一記載の繊維機械部品において、編み機に用いられるメリヤス針、ニードルプレート、シンカー、セレクタおよびジャックのいずれかであるものである。
本発明によれば、質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板を母材とするため、安価に製造できる。
また、鋼板は、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上の密度でマトリックス中に存在するため耐摩耗性が良好であり、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するため、靭性が良好である。
以下、本発明の一実施の形態の構成について詳細に説明する。なお、各元素の含有量は、特に記載しない限り質量％とする。
繊維機械部品は、０．６０％以上１．２５％以下のＣ（炭素）、０．５０％以下のＳｉ（ケイ素）、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ（マンガン）、０．０３％以下のＰ（リン）、０．０３％以下のＳ（硫黄）、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ（クロム）、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂ（ニオブ）を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる鋼板を母材とする。
また、繊維機械部品を構成する鋼板は、必要に応じて、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＴｉ（チタン）、および、０％（無添加を含む。）以上０．００５％以下のＢ（ホウ素）を含有することが好ましい。
さらに、繊維機械部品を構成する鋼板は、必要に応じて、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＭｏ（モリブデン）、０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下のＶ（バナジウム）、および、０％（無添加を含む。）以上２．０％以下のＮｉ（ニッケル）うちの少なくともいずれか１種を含有することが好ましい。
Ｃは、鋼板の強度の向上に必要な元素であり、繊維機械部品に使用するための強度を確保するには、含有量を０．６０％以上とする必要がある。しかし、Ｃの含有量が１．２５％を超えると粗大な未溶解炭化物が多くなり、衝撃特性などの劣化要因となってしまう。したがって、Ｃの含有量は、０．６０％以上１．２５％以下とした。
Ｓｉは、製鋼段階で脱酸材として添加されるが、無添加でも脱酸不良は生じない。また、Ｓｉの含有量が多くなると靭性が劣化し、０．５０％を超えると繊維機械部品に使用するための靭性を確保できない可能性がある。したがって、Ｓｉの含有量は、０．５０％以下（無添加を含む。）とし、好ましくは０．３０％以下である。
Ｍｎは、鋼の焼入性向上に有効な元素であり、含有量が０．３０％未満では焼入性を十分に向上できない。しかし、Ｍｎの含有量が１．２０％を超えて多量に含有させると、硬質化を招き、製造性や靭性を損なう原因となる。したがって、Ｍｎの含有量は、０．３０％以上１．２０％以下とした。
ＰおよびＳは、どちらも靭性に悪影響を及ぼすので、できるだけ含有量が少ないほうが好ましい。したがって、Ｐの含有量およびＳの含有量は、いずれも０．０３％以下とした。
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させる作用、鋼板の強度を向上させる作用、鋼板の耐摩耗性を向上させる作用、および、焼鈍の際におけるセメンタイトの粗大化を抑制する作用を有する元素である。そして、Ｃｒによる上記各作用を奏するには、Ｃｒの含有量を０．３０％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒは焼入処理の加熱保持においてセメンタイトの溶体化を妨げるという悪影響を及ぼす場合があり、Ｃｒの含有量が１．５０％を超えると、焼入処理の際の未溶解セメンタイト量を増大させる要因となりうる。したがって、Ｃｒの含有量は、０．３０％以上１．５０％以下とした。
Ｎｂは、鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＮｂ含有炭化物を形成し、耐摩耗性、特に耐アブレシブ摩耗性の向上に寄与する。また、Ｎｂは、焼入の際の結晶粒を微細化させて、靭性の向上に寄与する。Ｎｂによるこれら各作用を奏するには、Ｎｂの含有量を０．１０％以上とする必要がある。しかし、Ｎｂを多量に添加すると、Ｎｂ含有炭化物が過剰に生成され、このＮｂ含有炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となり、靭性が劣化する要因となる。また、Ｃ含有レベルが比較的高い用途において調質熱処理後の良好な靭性を確保するには、Ｎｂの含有量を０．５０％以下に抑えることが重要である。したがって、Ｎｂの含有量は、０．１０％以上０．５０％以下とした。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＴｉ含有炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する。また、熱間圧延の際などに再固溶し、熱間圧延中または冷却中に析出したＴｉＣは焼入の際に結晶粒を微細化し、靭性の向上に寄与する。さらに、ＴｉとＮとの結合力が強いため、Ｂを添加した場合にＢＮの生成を防止し、Ｂの焼入性向上作用を引き出すうえで有効である。したがって、必要に応じてＴｉを添加することが好ましく、Ｔｉによる上記各作用を奏するには、Ｔｉの含有量を０．０１％以上とすると効果的である。しかし、Ｔｉの含有量が０．５０％を超えると、Ｔｉ系炭化物が鋼板中に多量に存在して靭性劣化を招きやすいため、Ｔｉを含有させる場合には、Ｔｉの含有量を０．５０％以下とすることが好ましい。
Ｂは、焼入性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｂの効果を得るには、Ｂの含有量を０．０００３％以上とする必要がある。なお、Ｂによる焼入性向上作用は、Ｂの含有量が０．００５％にて飽和する。したがって、Ｂを含有させる場合には、Ｂの含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。
ＭｏおよびＶは、いずれも靭性向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｍｏによる靭性向上作用を奏するには、Ｍｏの含有量を０．１％以上とすると効果的である。しかし、ＭｏおよびＶは、比較的高価な元素であり、過剰な添加はコストの増大を招くため、ＭｏおよびＶの少なくとも１種を含有させる場合には、Ｍｏの含有量およびＶの含有量を０．５０％以下とすることが好ましい。
Ｎｉは、焼入性および低温靭性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｎｉによる焼入性向上作用および低温靭性向上作用を奏するには、Ｎｉの含有量を０．１％以上にすると効果的である。しかし、Ｎｉの過剰添加は経済性を損ねる要因となるため、Ｎｉを添加する場合には、Ｎｉの含有量を２．０％以下とすることが好ましい。
上記化学成分の繊維機械部品にて耐摩耗性を向上させるためには、Ｎｂを含有する炭化物による作用を利用する。なお、Ｔｉを含有する場合にはＴｉの炭化物も耐摩耗性の向上に有効である。ただし、繊維機械部品に使用するための靭性を確保するためには、炭化物の粒径を制御する必要がある。
具体的には、調質熱処理後の最終的な部品である繊維機械部品は、ＮｂまたはＮｂとＴｉとを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する金属組織であると、耐摩耗性が向上するとともに、靭性を損なう弊害を回避できる。
なお、Ｎｂを含有する炭化物とは、ＮｂＣを主成分とする硬質炭化物であり、ＮｂとＴｉとを含有する炭化物とは、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃなどを主成分とする硬質炭化物である（以下、これらのＮｂを含有する炭化物やＮｂとＴｉとを含有する炭化物を硬質炭化物とする。）。
鋼中に含有される析出粒子が硬質炭化物に該当するか否かは、ＥＤＸなどによる微視的分析によって確認できる。また、このように確認した硬質炭化物について、それぞれの面積を測定して同じ面積を有する真円の直径を算出し、この直径を硬質炭化物の粒子径とする。
鋼中の硬質炭化物は、粒子径０．５μｍ以上のものが３０００個／ｍｍ２未満であると、硬質炭化物による耐摩耗性向上作用が不十分で、繊維機械部品用として十分な耐摩耗性を確保できない可能性がある。また、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が９０００個／ｍｍ２より多いと、これら硬質炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となって靭性劣化の原因となってしまう。したがって、繊維機械部品は、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するものとした。
次に、上記繊維機械部品の製造方法を説明する。
繊維機械部品に用いられる鋼板は、鋳造、熱間圧延および冷間圧延、調質熱処理を経て製造される。
この鋼板を用いて加工される繊維機械部品の代表例として、メリヤス針の製造方法を説明する。
メリヤス針はプレス打抜した鋼板を成型加工（切削、ミーリング、スウェージング、曲げ加工）し、調質熱処理することで製造される。
鋳造工程では、冷却過程において鋼中にＮｂを含有する硬質炭化物、または、ＮｂとＴｉとを含有する硬質炭化物を析出させる。
この析出する硬質炭化物の粒子径および密度を調整するには、Ｃ含有量と、Ｎｂ含有量と、鋳造の際の冷却速度とを厳密に制限することが重要である。
そして、このように製造された鋼板は、糸道摩耗試験による比摩耗量が０．６×１０
−７
ｍｍ
３
／Ｎｍ未満で、シャルピー衝撃試験での２ｍｍＶノッチ衝撃値が５Ｊ・ｃｍ
−２
以上である。
次に、上記実施の形態の効果を説明する。
上記繊維機械部品によれば、質量％で、０．６０％以上１．２５％以下のＣ、０．５０％以下のＳｉ、０．３０％以上１．２０％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．３０％以上１．５０％以下のＣｒ、０．１０％以上０．５０％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるため、例えば上記特許文献５ないし特許文献１３の従来技術のような比較的高価なステンレス鋼とは異なり、安価に製造できる。
また、繊維機械部品は、上記化学成分において、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在するため、Ｎｂを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用を確保できるとともに、硬質炭化物の過剰生成による靭性の劣化を防止できるため、耐摩耗性および靭性が良好である。
繊維機械部品は、必要に応じてＴｉを含有させることにより、Ｔｉを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用および靭性向上作用で、耐摩耗性および靭性を向上できる。
また、繊維機械部品は、必要に応じてＢを含有させることにより、焼入性を向上できる。なお、Ｂを含有させる場合には、Ｔｉを含有させることによりＢとＮとの結合によるＢＮの生成を防止でき、Ｂによる焼入性向上作用を奏しやすい。
さらに、繊維機械部品は、必要に応じてＭｏ、ＶおよびＮｉの少なくとも１種を含有させることにより、靭性や焼入性や低温靭性を向上できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
表１には、繊維機械部品の母材となる鋼板の化学成分を示す。
この表１に示す各鋼スラブを溶製し、溶融および凝固実験用の３０ｋｇ鋼塊を切り出した。また、その鋼塊をるつぼ炉中で溶融させて溶鋼とし、鋳片を模擬した凝固塊（模擬鋳片）を得た。
各模擬鋳片を用いて、熱間圧延、焼鈍、冷延、焼鈍および調質熱処理の順に処理し、板厚１．８ｍｍの衝撃試験片を製造した。
また、この鋼板をさらに冷延および焼鈍を繰り返し行って、板厚０．２ｍｍの摩耗試験片を製造した。
さらに、衝撃試験片および摩耗試験片を調質熱処理によって、調質硬さ６２ＨＲＣに調質した。調質熱処理は、既に調整されている硬質炭化物の分布状態が崩れることがないように溶体化温度を１０００℃以下とする以外は、一般的な条件で行う。
なお、熱間圧延は、加熱温度を１２５０〜１３５０℃として６０分保持後、仕上温度を８５０℃とし、巻取温度を５９０℃として、熱延板厚３．５ｍｍ（研削加工にて３．０ｍｍに調整）の熱延板を得た。焼鈍では、６９０℃に加熱し、１８時間保持した。
調質熱処理は、８３０℃で１５分加熱処理した後、６０℃に油冷し、組成に応じて調質硬さを７４０ＨＶとする調質材を得た。各調質材は、いずれもビッカース硬さ計にて±１５ＨＶの範囲だった。
ここで、調質熱処理前の鋼板について、圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）を鏡面研磨した後、村上試薬（赤血塩のアルカリ溶液）にてエッチングし、共焦点レーザ顕微鏡にて観察した。また、その画像を処理して、視野面積中に存在するＮｂ含有炭化物（硬質炭化物）の数量を測定し、その存在密度を算出した。
Ｎｂを含有する硬質炭化物は、観察面積９０×６０μｍ×２０視野中に存在する粒子径０．５μｍ以上の粒子を個数をカウントし、この結果に基づいて１ｍｍ２あたりの数に換算した。
また、粒径は粒子面積の円相当径の値であり、粒径０．５μｍ以上の粒子を画像処理にてピックアップした。
図１には、糸道摩耗試験方法を模式的に示す。調質熱処理した後、板厚が０．２ｍｍで、長手方向の長さが６０ｍｍで、幅方向の長さが２０ｍｍである短冊状の試験片11を治具にて固定して、重錘にて２Ｎの荷重を負荷した後、試験片11の表面に糸12が擦れる状態とした。
また、この糸道摩耗試験では、１１０デシテックスの国産ポリエステル紡績糸を用いて、試験片11と糸12との接触面にミシン用のシリコンオイルを滴下しながら、送り速度を３０ｍ／分とし、摩擦距離を１００００ｍとした。
そして、各試験片11の摩耗痕深さをレーザ顕微鏡で測定し、比摩耗量が０．６×１０−７ｍｍ３／Ｎｍ未満のものを繊維機械部品としての耐摩耗性を合格と判断した。なお、試験片11の摩擦面には繊維機械部品の市場回収品と同様な筋状の摩耗痕が観察された。
図２には、衝撃試験片の形状を示す。衝撃試験における試験片21は、圧延方向に対する垂直方向（Ｔ方向）を長手方向として、板厚が１．８ｍｍで、長手方向の長さが５５ｍｍで、幅方向の長さが１０ｍｍであり、長手方向中心部にＲ０．２５ｍｍ、４５°のＶノッチ22を設けた。
そして、このような試験片21に関して、シャルピー衝撃試験を常温にて実施し、矢印にて示す衝撃方向による衝撃値を求めて、２ｍｍＶノッチ衝撃値５Ｊ・ｃｍ−２以上のものを繊維機械部品用鋼板としての靭性（衝撃特性）を合格と判断した。
表２には、硬質炭化物の密度の測定結果、糸道摩耗試験の結果および衝撃試験の結果を示す。
表２に示すように、所定の化学成分にて、粒径０．５μｍ以上の硬質炭化物の個数が３０００〜９０００個／ｍｍ２に調整された本実施例は、いずれも耐摩耗性に優れているとともに、靭性に優れており、高い衝撃特性を有していた。
一方、比較例であるＮｏ．２１、Ｎｏ．２２およびＮｏ．２６〜３２は、Ｎｂを含有していないため、硬質炭化物（Ｎｂ含有炭化物）が存在せず、耐摩耗性が著しく低かった。
比較例であるＮｏ．２３は、Ｎｂの含有量が少なかったため、硬質炭化物の個数が３０００個／ｍ２未満であり、耐摩耗性が不足していた。
比較例であるＮｏ．２４およびＮｏ．２５は、Ｎｂの含有量が過剰であるため、硬質炭化物が過剰に残存し、衝撃特性が著しく低下していた。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃ：０．６０％以上１．２５％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０％以上１．２０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３０％以上１．５０％以下、Ｎｂ：０．１０％以上０．５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する、糸道摩耗試験による比摩耗量が０．６×１０−７ｍｍ３／Ｎｍ未満、シャルピー衝撃試験での２ｍｍＶノッチ衝撃値が５Ｊ・ｃｍ−２以上であることを特徴とする、耐摩耗性および靭性に優れる繊維機械部品。
- 質量％で、Ｔｉ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｂ：０％（無添加を含む。）以上０．００５％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の繊維機械部品。
- 質量％で、Ｍｏ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｖ：０％（無添加を含む。）以上０．５０％以下、Ｎｉ：０％（無添加を含む。）以上２．０％以下のうちのいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の繊維機械部品。
- 請求項１または２または３に記載の繊維機械用部品は、繊維と接触する部品であり、編み機に用いられるメリヤス針、ニードルプレート、シンカー、セレクタおよびジャックなどである。
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