JP5749026B2 - ショットピーニング用高硬度投射材 - Google Patents

Description

一般にショットピーニングは被処理材の表面に投射材と呼ばれる粒子を投射し、圧縮残留応力を付与させて、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、これら部材への投射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、低硬度な投射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、自動車部品等の更なる軽量化要求に伴い、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投射材が求められている。例えば高硬度な投射材としては、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系の投射材があるが、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、投射材としての寿命が短いという問題がある。

上記のような課題に対し、１４００ＨＶを超えるような高硬度および高靭性を有する超硬製投射材として、例えば特開平８−３２３６２６号公報（特許文献１）に開示されているように、炭化ハウニウム、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物、窒化ハウニウム、窒化タンタルなどの窒化物、ホウ化ハウニウム、ホウ化タンタル、ホウ化タングステンなどのホウ化物、これら相互の複合化合物、固溶体およびこれらを主成分とする超硬合金、サーメットなどが使用されているが、汎用の鋳鋼製投射材などと比較し非常に高価である。

また、特開２００２−３６１１５号公報（特許文献２）に開示されているように、高硬度および高靭性を有する鉄系アモルファス投射材が提案されているが、硬度の上限は１１００ＨＶで、実施例においては１０００ＨＶが最も高硬度となっており、１１００ＨＶ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という問題がある。

一方、高硬度なセラミックス相を、高靱性な金属相で結合した材料としてサーメットがあるが、一般的に造粒、焼結により製造するため、アトマイズ法等と比較すると製造コストが高くなってしまう。また、アトマイズ法等は安価、かつ大量に粉末を製造できる手段であるが、耐火物中で溶解するため、ＷＣやＴｉＣのような高融点セラミックスを製造することは不可能であるという問題がある。
特開平８−３２３６２６号公報 特開２００２−３６１１５号公報 特開２００７−８４８５８号公報

上述のような問題を解消するために、高硬度、高靭性で安価な投射材として、発明者らは、特開２００７−８４８５８号公報（特許文献３）に開示されているような、アトマイズ法または急冷リボン粉砕法により製造した、面積率で５０〜９０％のＦｅ₂ Ｂ系硼化物と１０〜５０％のｂｃｃおよび／またはｆｃｃの鉄基固溶体よりなる、Ｂを５〜８質量％含む鉄基高硬度投射材を提案してきた。この投射材は、Ｆｅ₂ Ｂを共晶組織が結合するミクロ組織とすることができ、高い硬度と靭性を有し、実用レベルのコストで製造できる優れた投射材であるが、より投射材の高硬度化要求に応えるべく、高硬度を実現する添加元素が要求されてきた。

上記要求に応じるべく、発明者らは鋭意検討した結果、Ｃ添加が効果的であり、かつＢ添加量との合計を規制することにより、高靭性も両立できることを見出し、本発明に至った。これにより、高硬度、高靭性で、しかも安価なショットピーニング用投射材を提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｂ：５〜８％、Ｃ：０．０５〜１％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、ＢとＣの合計が８．５％以下であることを特徴とするショットピーニング用高硬度投射材。
（２）前記（１）に加えて、Ｃｒ：２５％以下含むことを特徴とするショットピーニング用高硬度投射材にある。

以上述べたように、本発明により、高硬度、高靭性でしかも安価なショットピーニング用投射材を提供することを可能とした工業的に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。
上述したように、本発明の特徴は、Ｆｅを主成分とし、Ｂを５〜８％添加することで鉄基固溶体相とＦｅ₂ Ｂ相の過共晶組織とし、かつＣ添加することで、更なる高硬度化を狙ったもので、しかも、アトマイズ法により粉末を作製する際、Ｃが無添加の合金と比較し、溶解母材装入量に対する粉末回収量の割合が多くなり、粉末製造歩留まりが向上するとの予想外な効果も得られることがわかった。この効果の要因について、詳細は定かではないが、Ｃ添加により合金溶湯が脱酸されるなどして粘性が下がり、アトマイザーの炉壁の耐火物への合金溶湯の付着などが減るためではないかと推測される。

さらに加えて、一般に、アトマイズにより粉末を製造すると、合金溶湯中に溶け込んでいたガス成分が、凝固過程においてガス化するためと考えられるが、かかる粉末には内部にガスによるポアが発生することがある。このため得られた粉末の一部ではあるが、内部にポアを有する粉末が混在する。このような内部にポアのある粉末の比率が高いロットから計量した粉末をショットピーニングの投射材に用いると、被処理材との衝突により、このポアを起点に投射材が割れやすく、かかる粉末の消耗が激しくなる。しかし、Ｃを添加することによりこのポアが残存する粉末が作成される比率が減少するため、投射材として使用する粉末の消耗を減じることができる。この詳細な原理は不明であるが、上述したように、Ｃ添加によりアトマイズ時の合金溶湯が脱酸されるなど、溶湯のガス成分が低下するためでないかと推察される。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由を述べる。
Ｂ：５〜８％
本合金において、ＢはＦｅ₂ Ｂを生成し、高硬度化を図るための必須元素である。しかし、５％未満では十分な硬度が得られず、また、８％を超えると脆くなる。したがって、その範囲を５〜８％とした。

Ｃ：０．０５〜１％
本合金において、Ｃは高硬度化の効果があるとともに、粉末製造歩留まりを改善するための必須元素である。しかし、０．０５％未満ではその効果が得られず、また、１％を超えると脆くなる。したがって、その範囲を０．０５〜１％とした。好ましくは０．０８〜０．７％、より好ましくは０．１〜０．３％とする。

ＢとＣの合計が８．５％以下
本合金において、ＢとＣはいずれも硬度を上げる必須元素であるが、その合計が８．５％を超えると脆くなる。したがって、その上限を８．５％とした。

Ｃｒを２５％以下
投射材は大気中で保管されることが多く、保管および使用環境下で発錆しないことが必要である。特に発錆が問題とする場合には、本合金においては、Ｃｒを添加する。Ｃｒは耐食性改善に効果のある元素であり、必要に応じて添加することができる。ただし、２５％を超えて添加するとアトマイズ時にノズル閉塞を起こすことから、その上限を２５％とした。好ましくは５〜２０％とする。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す組成に秤量した原料を耐火物製坩堝でＡｒガス中にて誘導溶解し、坩堝底部の出湯ノズルより出湯し、窒素ガスアトマイズにて粉末を製造した。また、表１に記載の組成については、Ｃは無添加で他の元素量が同じ組成の粉末も作製し、Ｃ添加組成との比較材とした。

得られた粉末を４５〜１２５μｍに分級し、樹脂埋め、研磨した試料を用い、ミクロビッカース硬度計により硬さを測定した。この時、Ｃは無添加で他の元素量が同じ組成の粉末の硬さと比較し、Ｃ添加により５０ＨＶ以上の上昇が見られたものを○、５０ＨＶ未満の硬さ上昇であったものを×とした。

また、クラック発生荷重については、前述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。この荷重が小さい粉末は脆いと判断し、５００ｇ以上を○、３００ｇ以下を×とした。

アトマイズの原料装入量に対する粉末回収量の割合（以下、回収量／装入量と記す）
回収量／装入量により、粉末製造歩留まりを評価した。この時、Ｃは無添加で他の元素量が同じ組成の粉末の回収量／装入量と比較し、Ｃ添加により１０％以上の歩留まり上昇が見られたものを○、１０％未満の歩留まり上昇であったものを×とした。

耐食性について、ガラス板に貼った両面テープ上に粉末を敷詰め、これを雰囲気温度が７０℃で湿度が９５％の雰囲気に９６時間暴露した条件で、湿潤試験した。全く発銹なしのものを◎、一部の発銹に留まったものを○とした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１３は本発明例であり、Ｎｏ．１４〜２０は比較例である。

表１に示すように、比較例Ｎｏ．１４は、Ｃ無添加と比較し、硬度５０ＨＶ以上が改善し、回収量と装入量の比（以下、「回収量／装入量」という）が１０％以上改善したことが認められ、かつクラック発生荷重も５００ｇ以上であるが、Ｂが４％と低いため硬度の絶対値が９００ＨＶと低くなった。比較例Ｎｏ．１５は、Ｂ量が９％と高く、かつＢ量とＣ量の和が９．５％と高いために、クラック発生荷重が低い。

比較例Ｎｏ．１６、１７は、Ｃ添加量が０．０１％と低いため、段落［００１１］で推察したとおりＣ無添加組成と比較し、硬度改善および回収量／装入量改善が十分ではない。比較例Ｎｏ．１８は、Ｃ量が高く、比較例Ｎｏ．１９は、ＢとＣの合計量が高いため、いずれもクラック発生荷重が低い。比較例Ｎｏ．２０は、Ｃｒ含有量が３０％と高いために、アトマイズ時にノズル閉塞し、粉末が作製できず、評価も実施できなかった。

本発明例Ｎｏ．１〜１３は いずれもＣは無添加で他の組成が同じ合金粉末と比較し、５０ＨＶ以上の硬度改善と１０％以上の回収量／装入量の改善が見られた。さらに、クラック発生荷重も５００ｇ以上と高いことがわかる。一方、本発明例Ｎｏ．８〜１３は、Ｃｒを添加しないものに比較して、耐食性に優れていることが分かる。

以上のように、本発明によるＣ添加により従来より高硬度が可能となり、投射材の消耗を減じ、粉末製造歩留まりを向上させることができ、かつ、Ｂ量とＣ量との和の上限を規制することにより脆化を抑制することで、高靱性で、しかも安価に製造することが出来る工業的に極めて優れた効果を奏するものである。


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 (2)

1. 質量％で、
   Ｂ：５〜８％、
   Ｃ：０．０５〜１％、
   を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、ＢとＣの合計が８．５％以下であることを特徴とするショットピーニング用高硬度投射材。
2. 請求項１に加えて、Ｃｒ：２５％以下含むことを特徴とするショットピーニング用高硬度投射材。