JP2019014921A - 機械部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた硬度および靭性を兼ね備え、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供する。【解決手段】Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１４〜２０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末、または、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｗ：２０〜２６質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末、または、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１０〜１５質量％と、Ｗ：５〜７質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成っている。【選択図】図１
Description
本発明は、機械部品に関する。
従来、刃物などの機械部品の材料として、ダイス鋼(ＳＫＤ材)、高速度工具鋼（ハイス）、セラミックス、超硬合金等が用いられている。これらの材料を用いたものとして、例えば、高速度工具鋼系、ダイス鋼系、または合金工具鋼系の粉末材料を用いて、熱間静水圧プレスにより成形体を作成し、この成形体を所望の寸法に切断して最終形状に加工して製造された刃物類が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
また、セラミックスを用いたものは、非金属で腐食が発生することはないが、薄厚の刃物の場合や刃先が鋭利な場合には、刃先が割れやすいため加工性が悪いという問題があった。また、例えば、厚さや硬さが均一でない水産物のなどを切断する際、切断負荷が絶えず変化するため割れやすいという問題もあった。これらの問題を解決するために、耐摩耗性および耐チッピング欠け性を兼ね備えたセラミック刃物として、多結晶セラミックから成るセラミックマトリックスと、そのセラミックマトリックスを構成する多結晶セラミックの焼結温度より高い融点を有する第二相とで構成されたものが開発されている（例えば、特許文献２参照）。
また、本発明者等により、Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末を材料として、積層造形法を利用して形成された機械部品が開発されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献１に記載の刃物類は、材料として粉末ハイスを用いた場合には、シャルピー衝撃値が約３０〜４２Ｊ/ｃｍ2であり、比較例の超硬合金（約３Ｊ/ｃｍ2）と比べて靭性に優れるが、硬度はＨＲＣ（ロックウェル硬さ）６２〜６４であり、超硬合金（ＨＲＣ＞７０）と比べてやや低くなっている。また、ダイス鋼のＳＫＤ１１を用いた場合にも、シャルピー衝撃値が約１８〜２０Ｊ/ｃｍ2であり、超硬合金と比べて靭性は優れているが、硬度はＨＲＣ６２であり、超硬合金と比べてやや低くなっている。このように、硬さが高いほど靭性（シャルピー衝撃値：動的靱性）は低下しており、超硬合金に近い高硬度領域で、ダイス鋼や高速度工具鋼の鉄鋼材料並みの靭性を有するものは得られていないという課題があった。
特許文献２に記載のセラミック刃物は、セラミックス材料に耐摩耗性、耐チッピング欠け性を付与するために、焼結温度を２段階にする等の複雑な製造工程が必要であるという課題があった。また、セラミックスや超硬合金を用いた機械部品は、材料自体が高価であるという課題があった。
特許文献３に記載の機械部品は、耐食性に優れており、容易かつ安価に製造することができ、硬度もＨＲＣ６３と比較的高くなっているが、さらに硬度および靭性を向上させることが期待されている。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、優れた硬度および靭性を兼ね備え、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第１の本発明に係る機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１４〜２０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする。
第２の本発明に係る機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｗ：２０〜２６質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする。
第３の本発明に係る機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１０〜１５質量％と、Ｗ：５〜７質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする。
第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されているため、硬度が高く、ＨＲＣ≧７０となり、超硬合金並みの高硬度を有している。このため、刃先などの薄く形成された部分等の強度を高めることができる。積層造形法を利用して形成することにより、炭化物などの析出物を１０μｍ以下まで容易に微細化することができ、硬度を高めることができる。また、各組成をそれぞれの割合で配合することにより、ダイス鋼や高速度工具鋼並みの比較的高い靭性を得ることができる。このように、第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、積層造形体であり、優れた硬度および靭性を兼ね備えている。
第１の本発明に係る機械部品は、Ｃが２．５質量％より少ないとき、Ｃｒが２６質量％より少ないとき、および、Ｍｏが１４質量％より少ないときの、少なくともいずれか１つのときには、硬度がＨＲＣ７０より低くなる。また、Ｃが５．０質量％より多いとき、Ｃｒが３５質量％より多いとき、および、Ｍｏが２０質量％より多いときの、少なくともいずれか１つのときには、靭性が著しく低下し、脆くなって使用できなくなる。第１の本発明に係る機械部品で、不可避不純物は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａなどである。また、分散している炭化物は、主にＣｒおよびＭｏの炭化物である。
第２の本発明に係る機械部品は、Ｃが２．５質量％より少ないとき、Ｃｒが２６質量％より少ないとき、および、Ｗが２０質量％より少ないときの、少なくともいずれか１つのときには、硬度がＨＲＣ７０より低くなる。また、Ｃが５．０質量％より多いとき、Ｃｒが３５質量％より多いとき、および、Ｗが２６質量％より多いときの、少なくともいずれか１つのときには、靭性が著しく低下し、脆くなって使用できなくなる。第２の本発明に係る機械部品で、不可避不純物は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａなどである。また、分散している炭化物は、主にＣｒおよびＷの炭化物である。
第３の本発明に係る機械部品は、Ｃが２．５質量％より少ないとき、Ｃｒが２６質量％より少ないとき、Ｍｏが１０質量％より少ないとき、および、Ｗが５質量％より少ないときの、少なくともいずれか１つのときには、硬度がＨＲＣ７０より低くなる。また、Ｃが５．０質量％より多いとき、Ｃｒが３５質量％より多いとき、Ｍｏが１５質量％より多いとき、および、Ｗが７質量％より多いときの、少なくともいずれか１つのときには、靭性が著しく低下し、脆くなって使用できなくなる。第３の本発明に係る機械部品で、不可避不純物は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａなどである。また、分散している炭化物は、主にＣｒ、ＭｏおよびＷの炭化物である。
第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、積層造形法を利用することにより、材料として炭素を含んで硬度が高いＣｏ基合金粉末を使用しても、容易に製造することができる。また、第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、特に、前記積層造形法により、前記Ｃｏ基合金粉末に電子ビームまたはレーザービームを照射して焼結溶解することでニアネットシェイプに成形した後、仕上げ加工して形成されていることが好ましい。この場合、鍛造、圧延等の機械加工や、原材料からの切り出し工程、生加工（内径孔加工）、焼入れ・焼き戻し等の複雑な製造工程が不要となり、さらに容易かつ安価に製造することができる。また、様々な形状・種類のものを製造することができ、多種少量生産を行うことができる。
第１乃至第３の本発明に係る機械部品で、前記Ｃｏ基合金は、前記炭化物が立体的に網目状に繋がっていることが好ましい。この場合、より優れた硬度および靭性が得られる。
第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、いかなる用途の部品であってもよい。第１乃至第３の本発明に係る機械部品は、優れた硬度および靭性を有し、耐食性および耐摩耗性も高いため、特に刃物から成ることが好ましい。この場合、刃先の強度が高く、刃先が割れたり欠けたりしにくい。
本発明によれば、優れた硬度および靭性を兼ね備え、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供することができる。
以下、実施例を挙げながら、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の第１の実施の形態の機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１４〜２０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されている。本発明の第１の実施の形態の機械部品は、積層造形体であり、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成っている。
本発明の第１の実施の形態の機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１４〜２０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されている。本発明の第１の実施の形態の機械部品は、積層造形体であり、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成っている。
本発明の第２の実施の形態の機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｗ：２０〜２６質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されている。本発明の第２の実施の形態の機械部品は、積層造形体であり、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成っている。
本発明の第３の実施の形態の機械部品は、Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１０〜１５質量％と、Ｗ：５〜７質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されている。本発明の第３の実施の形態の機械部品は、積層造形体であり、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成っている。
本発明の第１の実施の形態の機械部品に対応する粉末試料１として、Ｃｒ：２７質量％、Ｍｏ：１６質量％、Ｃｏ：残部を含むＣｏ基合金組成物に、炭素を３質量％添加した原料を真空溶解し、窒素ガス中でガスアトマイズして、Ｃｏ基合金粉末を作製した。これらの粉末の平均粒径は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、１μｍから２００μｍとした。
本発明の第２の実施の形態の機械部品に対応する粉末試料２として、Ｃｒ：２７質量％、Ｗ：２２質量％、Ｃｏ：残部を含むＣｏ基合金組成物に、炭素を３質量％添加した原料を真空溶解し、窒素ガス中でガスアトマイズして、Ｃｏ基合金粉末を作製した。これらの粉末の平均粒径は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、１μｍから２００μｍとした。
本発明の第３の実施の形態の機械部品に対応する粉末試料３として、Ｃｒ：２７質量％、Ｍｏ：１２質量％、Ｗ：６質量％、Ｃｏ：残部を含むＣｏ基合金組成物に、炭素を３質量％添加した原料を真空溶解し、窒素ガス中でガスアトマイズして、Ｃｏ基合金粉末を作成した。これらの粉末の平均粒径は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、１μｍから２００μｍとした。
粉末試料１〜３を材料として、積層造形法を利用して、それぞれ試験試料１〜３の積層造形体を作製した。積層造形法では、真空チャンバー内でＣｏ基合金粉末に電子ビームを照射して焼結溶解することにより、ニアネットシェイプに成形した。このとき、７０μｍの１層の厚さごとに、ステージＸ軸およびＹ軸に垂直な方向に交互に電子ビームをスキャンして、焼結溶解した。ニアネットシェイプに成形後、Ｈｅガス雰囲気で冷却を行い、さらに仕上げ加工を行って、一辺が１０ｍｍの立方体形状の試験試料１〜３を作製した。
なお、使用した電子ビーム積層造形（ＥＢＭ）装置は、Arcam EBM A2X system（Arcam AB, Molndal, Sweden）である。積層造形の条件として、加速電圧を60kV、予備加熱温度域を750〜850℃とした。また、試験試料１〜３には、それぞれの主成分以外にも、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ等の不可避不純物が含まれている。なお、ここでは、積層造形に電子ビームを用いたが、レーザービームを用いても同様に試料を作製することができる。作製した試験試料１〜３の組成を、表１に示す。
試験試料１〜３について、シャルピー衝撃値およびロックウェル硬度（ＨＲＣ）の測定を行った。それらの測定結果を、表１に示す。表１に示すように、試験試料１〜３のいずれも、硬度がＨＲＣ７０以上であり、超硬合金並みの硬度であることが確認された。また、試験試料１〜３のシャルピー衝撃値は、８〜１２Ｊ/ｃｍ2であり、超硬合金の約３〜４倍となり、鉄鋼材料に近い靭性を有することが確認された。
次に、試験試料１〜３について、積層造形の際の積層面に沿った水平断面、および、積層方向に沿った垂直断面に対して、電子顕微鏡写真による組織観察を行った。水平断面および垂直断面は、それぞれ一辺１０ｍｍの立方体形状を成す試験試料１〜３の中心を通る断面とした。試験試料１の水平断面および垂直断面の電子顕微鏡写真を、それぞれ図１（ａ）および（ｂ）に、試験試料２の水平断面および垂直断面の電子顕微鏡写真を、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）に、試験試料３の水平断面および垂直断面の電子顕微鏡写真を、それぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示す。
なお、比較のため、試験試料１〜３と同じ成分の原料を真空溶解し、その溶湯を金型に鋳込んで作成したインゴット（以下、「鋳造材」という）についても、電子顕微鏡写真による組織観察を行った。試験試料１〜３に対応する成分の鋳造材をそれぞれ比較例１〜３とし、それぞれの断面の電子顕微鏡写真を、図４（ａ）〜（ｃ）に示す。
図１〜３に示すように、試験試料１〜３は、いずれも組織中に微細化された炭化物が析出していることが確認された（図中の白色および灰色の部分）。また、これらの炭化物は、１０μｍ以下であり、組織中にほぼ均一に分散されていることも確認された。これらの炭化物は主に、図１ではＣｒおよびＭｏの炭化物であり、図２ではＣｒおよびＷの炭化物であり、図３ではＣｒ、ＭｏおよびＷの炭化物である。なお、図中の黒色部分は、Ｃｏマトリックスである。
また、図１〜３では、析出した炭化物が、水平断面および垂直断面のどちらにも、１０μｍ以下で網目状に微細分散していることから、図５に示すように、炭化物は立体的に網目状に繋がって強く結びついて存在しているものと考えられる。このように、試験試料１〜３は、積層造形法を利用して形成することにより、炭化物などの析出物が１０μｍ以下まで微細化されるとともに、その炭化物が立体的に網目状に繋がるため、表１に示すような非常に優れた硬度および靭性を有していると考えられる。
表１に示す硬度とシャルピー衝撃値の結果、および図１〜３の組織観察の結果から、本発明の第１乃至第３の実施の形態の機械部品は、耐摩耗性や、刃先などの薄く形成された部分の強度（靭性）を高めることができる。このため、摺動部品（ベアリング、ガイドレール等）や刃物などにしたときでも、長寿命で、割れたり欠けたりしにくい。
これに対し、鋳造材の比較例１〜３は、図４に示すように、析出した炭化物が組織中に均一に分散しておらず、互いに立体的に強く結びついていない。このため、脆くて崩れやすく、構造物として成り立たず、シャルピー衝撃値を測定することはできなかった。このことから、同じ成分であっても、鋳造材では靭性は得られず、機械部品として使用することは不可能であるといえる。
Claims (6)
- Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１４〜２０質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする機械部品。
- Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｗ：２０〜２６質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする機械部品。
- Ｃ：２．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：１０〜１５質量％と、Ｗ：５〜７質量％と、不可避不純物とを含み、残部がＣｏから成るＣｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成された、１０μｍ以下の炭化物が均一に分散されたＣｏ基合金から成ることを特徴とする機械部品。
- 前記Ｃｏ基合金は、前記炭化物が立体的に網目状に繋がっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械部品。
- 前記積層造形法により、前記Ｃｏ基合金粉末に電子ビームまたはレーザービームを照射して焼結溶解することでニアネットシェイプに成形した後、仕上げ加工して形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機械部品。
- 刃物から成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の機械部品。
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