JP6257417B2 - 非磁性遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材及び鋼線 - Google Patents
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Description
本発明は、遊技球用材料に関わり、優れた表面硬化性と非磁性を必要とする遊技球用のオーステナイト系ステンレス鋼線材及び鋼線に関するものである。
従来、遊技球には、Ｆｅ−Ｃ系を代表とする鋼が使用されてきた。しかし、Ｆｅ−Ｃ系の鋼は、耐食性が劣るため、ヘッダー加工により球成形されるステンレス鋼製の遊技球が、検討されている（例えば、特許文献１、２参照）。
しかしながら、Ｆｅ−Ｃ系や成分調整されていないステンレス鋼の遊技球は、着磁性を持つため、ノイズによる遊技機の誤作動やゴト等の不正が生じるため、封入式の遊技機が検討されている。そのときの遊技球として、非磁性のステンレス鋼（例えば、特許文献３参照）を使用した非磁性遊技球が検討されている（例えば、特許文献４参照）。
また、遊技球には、玉同士が衝突しても変化しないことや、摩耗防止のため、球が高硬度であることが求められ、遊技球に、クロムめっき、イオン窒化、ＣＶＤコーティング、無電解Ｎｉめっき等の表面硬化処理が施されてきた（例えば、特許文献５、６参照）。しかしながら、通常、加工されたままのステンレス鋼遊技球表面は、酸化皮膜を有するため、事前に前酸洗処理等が実施されており、表面硬化処理の効率化に問題があった。
一方、表面硬化処理の前酸洗処理を不要とするため、尿素を使用して窒化処理を施して、５〜２５μｍ厚さの表面硬化層を効率良く、３〜１０時間程度で得ること（例えば、特許文献７参照）、フッ素を使用して浸炭又は窒化処理等すること（例えば、特許文献８参照）が検討されている。
しかしながら、従来のステンレス鋼を利用して、浸炭や窒化処理等の従来の表面硬化処理により、遊技球を製造する場合、鍛造加工後に安定して非磁性が得られない、球成形時に加工割れが生じる、球成形後の表面硬化処理時間が長いといった問題がある。
本発明は、球加工性が良好で、尿素、前酸洗等の特殊処理を必要とせず、単時間の従来表面硬化プロセスで効率良く表面硬化層（例えば、２５μｍ厚さで、７５０Ｈｖの表面硬化層）を得ることが可能で、且つ、遊技球で非磁性が得られる素材として好適なオーステナイト系ステンレス鋼線材及び鋼線を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために、オーステナイト系ステンレス鋼において、成分組成を種々検討した。その結果、Ｓ量を規制することで、球加工性を確保することができ、成分調整することで、オーステナイト組織の安定度を加工後も非磁性（着磁性無し）を安定的に保つことができ、更に、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂの含有量から計算される表面活性化指標やＭｎ成分を調整することで、４時間以下（６００℃付近）の窒化、浸炭や浸炭窒化等の一般の表面硬化処理で、Ｈｖ≧７００、厚さ≧２５μｍの表面硬化層を効率的に得ることができることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２０．０％、Ｐ：０．０６％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：３．０〜３０．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｃｕ：４．０％以下、Ｍｏ：４．０％以下、Ｎ：０．４０％以下、Ａｌ：０．００１〜１．０％、Ｂ：０．００５０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で構成され、Ｃ＋Ｎ：０．０２〜０．５０％であり、且つ、下記式（ａ）で表わされるオーステナイト組織の安定度の指標：Ｍｄ３０値が０以下、且つ、下記式（ｂ）で表わされる不動態被膜の安定度の指標：ＦＩ値が２．５未満であることを特徴とする表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ ・・・（ａ）
ＦＩ＝３Ｓｉ＋２０Ａｌ＋Ｃｒ／５０＋１００Ｂ ・・・（ｂ）
ただし、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ ・・・（ａ）
ＦＩ＝３Ｓｉ＋２０Ａｌ＋Ｃｒ／５０＋１００Ｂ ・・・（ｂ）
ただし、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
（２）更に、質量％で、Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｔａ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。
（３）更に、質量％で、Ｃｏ：２．０％以下を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。
（４）更に、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｈｆ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０５％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。
（５）前記（１）〜（４）のいずれかに記載の鋼線材を用いて製造されたことを特徴とする表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線。
本発明のステンレス鋼線材又は鋼線は、遊技球への加工性に優れ、且つ、加工後も非磁性、耐食性を確保でき、窒化等の汎用の硬化処理で効率良く表面硬化することができる。そのため、耐食性と耐摩耗性（表面高硬度）に優れる非磁性の遊技球を安価・大量に提供することができる。
遊技球の用途では、球成形性、非磁性、球同士の衝突時の無変形特性や耐摩耗性が求められる。以下に、上記用途に使用される本発明のオーステナイト系ステンレス鋼線材又は鋼線の成分組成について説明する。なお、特に注記しない場合、「％」は「質量％」を意味する。
Ｃは、球同士が衝突しても変形しないために添加するが、０．１５％を超えて添加するとＣｒ炭化物が生成し、耐食性が劣化するばかりか、球成形時に加工割れが生じる。そのため、上限を０．１５％にする。好ましい範囲は、０．０５〜０．１２％である。
Ｓｉは、脱酸のために０．０５％以上添加する。しかしながら、１．０％を超えて添加すると球成形性が劣るばかりか、表面硬化処理時に表面が非活性化して、表面硬化処理時間が長くなる。そのため、上限を１．０％にする。好ましい範囲は、０．１〜０．５％である。
Ｍｎは、球成形後のオーステナイトの安定度を高めて非磁性を得るために、また、球成形時の加工硬化を促進して表面硬化層の硬さを上昇させるために、０．３％以上添加する。しかしながら、２０．０％を超えて添加すると、球成形性が劣化するばかりか、表面硬化処理時に表面が非活性化して、表面硬化処理時間が長くなる。そのため、上限を２０．０％にする。好ましい範囲は、５．０〜１５．０％である。
Ｐは、球成形性を確保するために０．０６％以下にする。しかしながら、工業的にＰをゼロにすることは困難なことから、好ましい範囲は、０．０１〜０．０４５％である。
Ｓは、線材の熱間製造性及び球成形性を確保するために０．０１％以下にする。しかしながら、工業的にＳをゼロにすることは困難なことから、好ましい範囲は、０．０００１〜０．００６％である。
Ｎｉは、球成型後のオーステナイトの安定度を高めて非磁性を得るために３．０％以上添加する。しかしながら、３０．０％を超えて添加すると非磁性が得られない。そのため上限を３０．０％とする。好ましい範囲は、６．０％超１０％未満である。
Ｃｒは、球成型後のオーステナイトの安定度を高めて非磁性を得ると共に、耐食性を確保するために１４．０％以上添加する。しかしながら、２０．０％を超えてＣｒを添加すると、フェライト組織が生成して非磁性が劣化するばかりか、ＦＩ値が増大し、表面硬化処理時に表面が非活性化して、表面硬化処理時間が長くなる。そのため、上限を２０．０％にする。好ましい範囲は、１５．０〜１９．０％である。
Ｃｕは、オーステナイトの加工硬化を押さえて球成形性を向上させ、且つ、球成形後のオーステナイトの安定度を高めて非磁性を得るために、必要に応じて添加する。しかしながら、４．０％を超えて添加すると、熱間加工性が劣化して、線材製造性が低下する。そのため、上限を４．０％にする。好ましい範囲は、０．２〜３．５％である。
Ｍｏは、製品の耐食性を向上させるために必要に応じて添加する。しかしながら、４．０％を超えて添加すると、球成形性が劣化する。そのため、上限を４．０％とする。好ましい範囲は、０．１〜１．５％である。
Ｎは、球同士が衝突しても変形しないために添加するが、０．４０％を超えるとＣｒ窒化物が生成し、耐食性が劣化するばかりか、球成形時に加工割れが生じる。そのため、上限を０．４０％にする。好ましい範囲は、０．００５〜０．３５％である。更に好ましい範囲は、０．２０〜０．３５％である。
Ａｌは、脱酸元素であり、また、Ｃｕと同様にオーステナイトの加工硬化を抑制して、球成形性を確保するため重要な元素であり、０．００１％以上添加する。しかしながら、１．０％を超えると、ＦＩ値が増大し、表面硬化処理時に表面が非活性化して、表面硬化処理時間が長くなる。そのため、上限を１．０％にする。好ましい範囲は、０．００２〜０．１５％である。
Ｂは、熱間製造性、靭性を高める有効な元素であるが、表面硬化処理時に表面にＢ系酸化皮膜を形成して表面非活性化して、表面硬化処理時間を長くする元素であるため、ＦＩ値と共に０．００５０％以下に規制する。好ましくは、０．００３５％以下、更に、好ましくは、０．００１５％以下に規制する。
ＣとＮは、球同士が衝突しても変形しないために、表面硬化処理を施す時、Ｃ、Ｎの吸着を促進する元素であるため、（Ｃ＋Ｎ）を０．０２％以上にする。しかしながら、０．５０％を超えると球成形性が劣化し、球成形時に加工割れが生じる。そのため、上限を０．５０％にする。好ましい範囲は、０．０５〜０．４０％である。
以上を、本発明が対象とするオーステナイト系ステンレス鋼線材又は鋼線の基本成分とし、残部および不可避的不純物よりなるものとして、必要に応じて以下の成分も含有できる。
Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒは、炭窒化物を形成して耐食性を向上するため、必要に応じて、１種又は２種以上を添加する。Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの１種又は２種以上を含有する場合、各元素の含有量は、好ましくは０．０１％以上、１．０％以下とする。これらの元素は、上限を超えて添加すると、粗大介在物が生成し、球成形性が劣化する。更に、好ましい各元素の含有量は、０．０５〜０．６％である。
Ｃｏは、球製品の靭性を向上させるため、必要に応じて添加する。好ましくは、０．０１％以上、２．０％以下である。上限を超えてＣｏを添加すると、添加効果が飽和し、球成形性が劣化する。
Ｃａ、Ｍｇ、Ｈｆ、ＲＥＭは、脱酸に有効な元素であり、必要に応じて添加するが、過度に添加すると、粗大脱酸生成物のため球成形性が劣化する。そのため、Ｃａは０．０１％以下、Ｍｇは０．０１％以下、Ｈｆは０．０１％以下、ＲＥＭは０．０５％以下に限定する。
これらの元素の含有量の好ましい下限値は、Ｃａは０．０００５％、Ｍｇは０．０００５％、Ｈｆは０．０００５％、ＲＥＭは０．０００５％であり、更に、含有量の好ましい範囲は、Ｃａは０．００１〜０．００４％、Ｍｇは０．０００６〜０．００１５％、Ｈｆは０．００１〜０．００４％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％である。
不可避的不純物とは、通常のステンレス鋼の製造で混入する元素である。例えば、Ｈは０．００２％以下、Ｏは０．００１〜０．０１％、Ｓｎは０．１％以下、Ｐｂは０．０１％以下、Ｂｉは０．０１％以下、Ｚｎは０．０１％以下、Ｇａは０．０１％以下、Ｇｅは０．０１％以下、Ｓｅは０．０１％以下、Ｉｎは０．０１％以下、Ｓｂは０．０１％以下、Ｔｅは０．０１％以下、Ａｇは０．０１％以下、原料や耐火物に含有される。
本発明では、オーステナイト系ステンレス鋼線材又は鋼線に含まれる各種成分の含有量を以上のように規制すると共に、球成形後の非磁性を確保するために、Ｍｄ３０値を制御し、所望の表面硬化層を得るために、ＦＩ値を制御する必要がある。
Ｍｄ３０値は、下記式で表わされる。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ
ただし、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ
ただし、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
Ｍｄ３０値は、冷間加工後の加工誘起マルテンサイト量と成分の関係を調査して得られた指標であり、単相のオーステナイトに対して０．３の引張真歪を与えたときに、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度を意味する指標である。
したがって、球成形後の非磁性を確保するために、Ｍｄ３０値を制御する必要がある。球成形後でも非磁性を示すためには、Ｍｄ３０値を０以下に制御する必要がある。そのため、Ｍｄ３０値を０以下に限定する。好ましくは、Ｍｄ３０値が−２０以下である。更に好ましい範囲は、−４０以下である。
ＦＩ値は、下記式で表わされる。
ＦＩ＝３Ｓｉ＋２０Ａｌ＋Ｃｒ／５０＋１００Ｂ
ただし、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
ＦＩ＝３Ｓｉ＋２０Ａｌ＋Ｃｒ／５０＋１００Ｂ
ただし、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
ＦＩ値は、８％Ｎｉ−５．５％Ｍｎ−０．０２％Ｃ−０．０５％Ｎ−Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ変化系のオーステナイト系ステンレス鋼の６００℃における低酸素分圧下（≦０．０１ａｔｍ）の浸炭ガス（ＣＯガス等）、窒化ガス（ＮＨ３ガス等）中でのガス炭窒化、プラズマ窒化（窒素ガス中）における炭窒化速度（表面硬化層の形成厚さ）を調査して得られた指標である。図１は、鋼材のＦＩ値と表面硬化層厚さの関係を示す図であり、６００℃−４時間の各種表面硬化処理での表面硬化層（Ｈｖ≧７００）の厚さに及ぼす鋼材のＦＩ値の影響を示す。
ＦＩ値が低いほど、鋼材の表面が活性化して、鋼材表面からの炭素や窒素の吸着・進入が容易になり、事前の酸洗処理や尿素等の特殊処理せずに表面硬化が促進される。約６００℃付近の４時間以下の表面硬化処理（浸炭や窒化）で、Ｈｖ≧７００、厚さ≧２５μｍの表面硬化層を得るには、ＦＩ値を２．５未満にする必要があることがわかる。そのため、ＦＩ値を２．５未満に限定する。安定して表面硬化層を得るための好ましい範囲は、２．０以下である。
ここで、本発明における表面硬化処理の効果を発現させるには、窒化や浸炭の温度範囲を５００〜７００℃とし、処理時間を１〜４時間とすることが好ましい。５００℃未満、１時間未満では、表面硬化処理層の形成が不十分であり、４時間超では従来の遊技球用の表面硬化処理との優位性が小さくなる。また、７００℃超では、表面硬化処理時に炭窒化物が形成し、製品の耐食性が劣化する。
なお、特許文献１、２に開示されている鋼は、本発明のＦＩ値及びＭｄ３０値の両方を満足しておらず、これら特許文献に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼球の非磁性と表面硬化性の両特性を具備する知見は開示されていない。
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
（実施例）
表１、表２（表１の続き）に実施例で用いる鋼の組成を示す。
表１、表２（表１の続き）に実施例で用いる鋼の組成を示す。
これらの組成の鋼は、ステンレス鋼の安価溶製プロセスであるＡＯＤ溶製を想定し、１００ｋｇの真空溶解炉にて溶解し、φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造し、その鋳片（ビレット）をφ８．０ｍｍまで熱間の線材圧延を行い、１０５０℃で熱間圧延を終了し、その後、連続して１０５０℃で５分間の溶体化処理を行い、酸洗を行って線材とした。その後、φ７．５ｍｍまで冷間伸線加工を施し、特許文献１、２に記載の如く、冷間鍛造後、バリ取りをして、研磨を施した。
その後、６００℃−４時間で表２に示す表面硬化処理を施した。ガス窒化処理は、アンモニアガス中で実施し、プラズマ窒化、浸炭はプラズマ処理装置を使用して、窒化処理は、Ｎ２：Ｈ２（８０％：２０％）、浸炭処理は、ＣＨ４：Ｈ２：Ａｒ（５：４５：５０）の混合ガスを用いて実施した。
そして、試作した遊技球について、球成形性、球の着磁性、表面硬化層を評価した。その評価結果を表３、表４（表３の続き）に併せて示す。
球成形性は、球への冷間鍛造時に加工割れが生じるか否かで評価し、加工割れを生じない場合を○、生じる場合を×として評価した。本発明の球成形性は○であった。
球の着磁性は、磁石で球を持ち上げることか可能か否かで評価した。着磁性が無く、磁石で球を持ち上げることができない場合を◎、着磁性を有するが、持ち上げることができない場合を○、持ち上げることができる場合を×として評価した。本発明の着磁性は○であった。
表面硬化層は、球を中心断面で埋め込み研磨し、表層からの硬さ分布をマイクロビッカース（Ｈｖ、１０ｇｆ）にて測定し、Ｈｖ≧７００の表面硬化層厚さを測定した。
本発明鋼により作製した球の表面硬化層厚さ（Ｈｖ≧７００）は、４時間以下の表面硬化処理時間で２５μｍ以上を示した。
一方、比較例Ｎｏ．１〜２８では、成分、Ｍｄ３０、ＦＩ値が外れており、球成形性、非磁性、表面硬化性に劣っていた。
次に、表面硬化処理の温度と時間の影響を調査するため、鋼Ａ、Ｃ、ＢＣの前記研磨後の鋼球を用いて、前記表面硬化処理条件にて、処理温度と処理時間を変化させた。その後、表面硬化層を評価した。処理温度、処理時間及び評価結果を表５に示す。
表面硬化処理温度が５００〜７００℃、処理時間が１〜４時間で本発明の鋼の効果が顕著になることがわかる。
本発明によれば、優れた表面硬化性と球成形性及び非磁性に優れる遊技球用のステンレス鋼線材、鋼線を製造・提供することができる。よって、本発明は、産業上極めて有用な発明である。
Claims (5)
- 質量％で、
Ｃ ：０．１５％以下、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜２０．０％、
Ｐ ：０．０６％以下、
Ｓ ：０．０１％以下、
Ｎｉ：３．０〜３０．０％、
Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、
Ｃｕ：４．０％以下、
Ｍｏ：４．０％以下、
Ｎ ：０．４０％以下、
Ａｌ：０．００１〜１．０％、
Ｂ ：０．００５０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で構成され、Ｃ＋Ｎ：０．０２〜０．５０％であり、且つ、下記式（ａ）で表わされるオーステナイト組織の安定度の指標：Ｍｄ３０値が０以下、且つ、下記式（ｂ）で表わされる不動態被膜の安定度の指標：ＦＩ値が２．５未満である
ことを特徴とする表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ ・・・（ａ）
ＦＩ＝３Ｓｉ＋２０Ａｌ＋Ｃｒ／５０＋１００Ｂ ・・・（ｂ）
ただし、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂは、それぞれの元素の含有率（質量％）を示す。
- 更に、質量％で、
Ｎｂ：１．０％以下、
Ｖ ：１．０％以下、
Ｔｉ：１．０％以下、
Ｗ ：１．０％以下、
Ｔａ：１．０％以下、
Ｚｒ：１．０％以下の１種又は２種以上を含有すること
を特徴とする請求項１に記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。 - 更に、質量％で、
Ｃｏ：２．０％以下を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。 - 更に、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｈｆ：０．０１％以下、
ＲＥＭ：０．０５％以下の１種又は２種以上を含有する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線材を用いて製造されたことを特徴とする表面硬化性に優れた遊技球用オーステナイト系ステンレス鋼線。
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