JP2017115177A

JP2017115177A - 高硬度高靭性粉末

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Publication number: JP2017115177A
Application number: JP2015249199A
Authority: JP
Inventors: 澤田　俊之; Toshiyuki Sawada; 俊之澤田; 長谷川　浩之; Hiroyuki Hasegawa; 浩之長谷川
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: CN108368567A; JP6671772B2; US20180371584A1; WO2017110813A1

Abstract

【課題】ショットピーニング用投射材、塩酸耐食性に優れる高硬度粉末冶金材用の原料粉末、硬質摩擦粉末、焼結用硬質粒子などに用いる高硬度高靭性粉末を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｍｏまたは／およびＷを合計で２５〜５０％、Ｃｒを５〜１５％、Ｓｉを０．３％以下含み、残部Ｃｏおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高硬度高靭性粉末。また、上記に加えて、質量％で、Ｍｎを３５％以下、Ｖを２０％以下、Ｆｅを１５％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする高硬度高靭性粉末。
【選択図】なし

Description

本発明は、ショットピーニング用投射材、塩酸耐食性に優れる高硬度粉末冶金材用の原料粉末、硬質摩擦粉末、焼結用硬質粒子などに用いる高硬度高靭性粉末に関する。

従来、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ系の合金は、それぞれの２元状態図からわかるとおり、様々な金属間化合物を生成する。これらの金属間化合物は高硬度を有しており、各種の高硬度材料、耐摩耗材料に適している。また、Ｍｏ、Ｗは、Ｃｏに固溶することにより、耐食性を改善する効果もあり、特に塩酸のような還元性酸に対する耐食性を改善する効果が大きい。また、Ｃｏ自身もベース金属として各種酸に対し高い耐食性も有する。したがって、これら合金組成の粉末は、ショットピーニング用投射材、塩酸耐食性に優れる高硬度粉末冶金材用の原料粉末、硬質摩擦粉末、焼結用硬質粒子などに利用できる。

例えば、ＷＯ２０１２／０６３５１２Ａ１号公報（特許文献１）に開示されている、ＣｏＭｏＣｒＳｉ系合金粉末〔トリバロイ（登録商標）〕が多く用いられている。一方、Ｓｉは合金中で高硬度化のために添加されており、硬質ではあるが脆性な珪化物を生成し、合金の抗折強度が低下するため、特に高い抗折強度が必要な用途においては問題となる場合もあった。これらのことから、ＭｏおよびＷは硬さ、耐食性改善のために、可能な限り多量に添加したい場合でも、抗折強度や靭性を考慮し、添加量を低く留めざるを得ない状況が実状であった。

ＷＯ２０１２／０６３５１２Ａ１公報

そこで発明者らは、Ｃｏをベースとし、Ｍｏ、Ｗを合計で２５％以上含む粉末に関し、Ｓｉ添加量を詳細に検討し、高い靭性（抗折強度）を有する範囲を見出し本発明に至った。なお、本発明合金の組成範囲においては、硬質かつ脆性な珪化物を生成せず、一方、Ｃｏ−Ｍｏ系やＣｏ−Ｗ系の金属間化合物の生成により、時効硬化性を有することも見出しており、例えばＨＩＰ法などにより固化成形した後、熱処理により硬さを変化させることが可能であることから、低硬度の状態で機械加工し、その後、時効処理により硬度を上げて使用することもできる。したがって、機械加工が容易な低硬度の状態で加工し、耐摩耗性に優れる高硬度の状態にして使用することを可能とした。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｍｏまたは／およびＷを合計で２５〜５０％、Ｃｒを５〜１５％、Ｓｉを０．３％以下含み、残部Ｃｏおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高硬度高靭性粉末。
（２）前記（１）に加えて、質量％で、Ｍｎを３５％以下、Ｖを２０％以下、Ｆｅを１５％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする高硬度高靭性粉末にある。

以上述べたように、本発明により、ショットピーニング用投射材、塩酸耐食性に優れる高硬度粉末冶金材用の原料粉末、硬質摩擦粉末、焼結用硬質粒子などに用いる高硬度高靭性粉末を提供できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における最大の特徴はＳｉの添加量を、従来のＣｏＭｏＣｒＳｉ合金より低減することにより、高硬度と高靭性を両立させたことである。また、この成分範囲において、時効硬化性を有することも見出した。さらに、これらの特徴に影響しない添加元素の範囲として、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅの１種または２種以上の添加も可能である。

なお、粉末の製法としては従来より知られている、ガスアトマイズ、水アトマイズ、ディスクアトマイズ、急冷箔帯や鋳造材の粉砕などが利用できる。ガスアトマイズ、ディスクアトマイズ法など球形状が得られる工法（例えば画像解析による円形度が０．８５〜０．７５以上）や、水アトマイズ法など概ね球形状が得られる工法（例えば円形度が０．８０〜０．７０以上）による粉末は、ショットピーニング投射材として用いた場合に被投射材の表面荒れを抑制したり、焼結用原料粉末に用いる場合は成形時の充填率が高くなりニアネットの成形に有利となる。

一方、各種粉砕法などの、不定形状が得られる工法（例えば円形度が０．８０〜０．７０未満）による粉末は、溶射など成膜処理の前処理としてのショットピーニング用投射材として用いた場合に被投射材の表面粗度を上げ皮膜の密着性を改善したり、焼結用原料粉末に用いる場合は成形時の保形性を高める効果がある。

以下、本発明に係る成分組成を規制した理由について説明する。
Ｍｏまたは／およびＷ：２５〜５０％
本発明合金においてＭｏとＷは合金の硬さを増加させるが、抗折強度や靭性を低下させる元素である。しかし、その合計量が２５％未満では、十分な硬さが得られない。一方、５０％を超えると抗折強度が低下する。好ましくは３０％を超え５０％未満、より好ましくは３５％を超え４５％未満である。

Ｃｒ：５〜１５％
本発明合金においてＣｒは、ＭｏやＷとともに硬さを上昇させる元素であり、耐食性改善の効果も有する。しかし、５％未満では硬さ、耐食性が不十分であり、１５％を超えると時効前硬さが高くなり、時効硬化幅が小さくなってしまう。好ましくは６〜１４％、より好ましくは７〜１３％である。

Ｓｉ：０．３％以下
本発明合金においてＳｉは、珪化物生成により抗折強度を低下させ、また時効硬化幅を小さくする元素であるため、上限を規定する必要がある。０．３％を超えて含むと抗折強度の低下が顕著となり、時効硬化幅も小さくなる。好ましくは０．１９％以下、より好ましくは０．１５％未満である。

Ｍｎ：３５％以下、Ｖ：２０％以下、Ｆｅ：１５％以下の１種または２種以上
本発明合金においてＭｎ、Ｖ、Ｆｅは過度に添加しない範囲において本発明の特徴を損なうことのない元素であり、必要に応じて添加することができる。それぞれの元素の添加量が、３５％、２０％、１５％を超えると抗折強度が低下する。一方、Ｍｎ、Ｆｅは原料費の低減に寄与する元素である。したがって、Ｍｎは２０％、Ｆｅは５％をそれぞれ超えて添加することが好ましい。また、Ｖは抗折強度の低下を抑制するため、好ましくは１５％未満である。

以下、本発明について、実施例によって具体的に説明する。
先ず、粉末の作製として、供試粉末は、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、急冷リボン粉砕法、鋳造粉砕法で作製した。アトマイズ法は、２５ｋｇに秤量した溶解原料を、減圧Ａｒ下の耐火物製坩堝内で１７５０℃まで誘導溶解し、坩堝下部の直径７ｍｍのノズルから出湯し、窒素ガスもしくは水を噴霧媒体としアトマイズを行なった。

急冷リボン粉砕法は、３０ｇに秤量した溶解原料を、減圧Ａｒ下の石英管内で誘導溶解し、石英管底の１ｍｍのノズルから、直径３００ｍｍ、回転数５００ｒｐｍの銅ロールに出湯し急冷リボンを得た。これを、Ａｒ置換した遊星ボールミル内で粉砕した。これを、石英管中に真空封入し、加熱炉内で１２００℃で１時間保持した後、空冷する溶体化処理を行った。

鋳造粉砕法は、２００ｇに秤量した溶解原料を、直径５０ｍｍの水冷銅鋳型内で、減圧Ａｒ下でアーク溶解し、凝固させたインゴットを、スタンプミルで粗粉砕した後、Ａｒ置換した遊星ボールミル内で粉砕した。これを、石英管中に真空封入し、加熱炉内で１２００℃で１時間保持した後、空冷する溶体化処理を行った。なお、セイシン企業社製のＰＩＴＡ−１で測定した平均円形度は、ガスアトマイズ粉末が０．８０以上、水アトマイズ粉末が０．７５以上、粉砕粉末は０．７５未満であった。

粉末の硬さについては、１５０μｍ以下に分級した粉末を樹脂に埋め、研磨し、ビッカース硬さを評価した。試験荷重は２．９４Ｎ（３００ｇｆ）、ｎ＝５平均で評価した。また、Ａｒ中において、８００℃で３時間時効処理した粉末についても同様にビッカース硬さを測定した。

粉末冶金体の硬さ、抗折強度については、１５０μｍに分級した粉末を、内径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍのステンレス製カプセルに充填、脱気、封入し、保持温度１１５０℃、保持時間３ｈ、成形圧力１４７ＭＰａでＨＩＰ成形し、その後徐冷した。この成形体について、ビッカース硬さ（粉末と同様の方法）と抗折強度（支点間距離１０ｍｍの三点曲げ試験）を評価した。

各項目の評価については、表１に示す組成の粉末を作製し評価を行なった。粉末の硬さとして、粉末の時効処理後のビッカース硬さが７００ＨＶ以上のものをＡ、７００ＨＶ未満５００ＨＶ以上のものをＢ、５００ＨＶ未満のものをＣとした。

粉末の時効硬化幅としては、「粉末の冶金体の硬さ−時効処理前粉末の硬さ」が２００ＨＶ以上のものをＡ、２００ＨＶ未満１００ＨＶ以上のものをＢ、１００ＨＶ未満のものをＣとした。

粉末冶金体の抗折強度としては、粉末の冶金体の抗折強度が８００ＭＰａ以上のものをＡ、８００ＭＰａ未満４００ＭＰａ以上のものをＢ、４００ＭＰａ未満のものをＣとした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１２は本発明例であり、Ｎｏ．１３〜２３は比較例である。

表１に示す比較例Ｎｏ．１３は、粉末組成であるＭｏ元素とＷ元素の合計量が少ないために、供試粉末での硬さが劣る。比較例Ｎｏ．１４は、粉末組成であるＭｏ元素とＷ元素の合計量が多いために、抗折強度が劣る。比較例Ｎｏ．１５は、粉末組成にＣｒが含有しないために、供試粉末での硬さ、および耐食性が劣る。比較例Ｎｏ．１６は、粉末組成であるＣｒの含有量が多いために、供試粉末での時効前硬さが高くなり、時効硬化幅が小さくなる。

比較例Ｎｏ．１７〜２０は、いずれも粉末組成であるＳｉの含有量が多いために、抗折強度の低下が顕著となり、供試粉末での時効硬化幅が小さくなる。比較例Ｎｏ．２１〜２３は、粉末組成であるＭｎ，Ｖ、Ｆｅの含有量がいずれも多いために、抗折強度が劣る。これに対して、本発明であるＮｏ．１〜１２は、いずれも本発明の条件を満たしていることから供試粉末の硬さ、供試粉末の時効硬化幅、抗折強度に優れていることが分かる。

以上のように、特に、ＭｏとＷを合計で２５〜５０％含有することにより、十分な硬度を得ると同時に、Ｃｒによる耐食性を高め、Ｓｉの上限を規制することで、抗折強度と大きな時効硬化幅の両立を図り、時効硬化性、抗折強度に優れたショットピーニング用投射材、塩酸耐食性に優れる高硬度粉末冶金材用の原料粉末、硬質摩擦粉末、焼結用硬質粒子などに用いる高硬度高靱性粉末を提供することができる。

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

質量％で、Ｍｏまたは／およびＷを合計で２５〜５０％、Ｃｒを５〜１５％、Ｓｉを０．３％以下含み、残部Ｃｏおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高硬度高靭性粉末。
請求項１に加えて、質量％で、Ｍｎを３５％以下、Ｖを２０％以下、Ｆｅを１５％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする高硬度高靭性粉末。