JP6658772B2 - 鋳鋼製投射材 - Google Patents

Description

本発明は、ブラスト加工に用いる鋳鋼製投射材に関する。

従来、鋳物に対して、鋳造後に表面に付着した鋳砂や母材表面に形成された錆などのスケールを除去する研掃を行うために、硬質粒子を鋳物に投射するブラスト加工が行われてきた。このような鋳物の研掃は、鉄を主原料とした投射材を用いて行われることが多い（例えば、特許文献１）。

ブラスト装置の操業においては、投射材の「投射→回収→選別→投射」のサイクルが繰り返される。このように、投射材は繰り返し被加工物に向けて投射される。投射材が被加工物に衝突すると、投射材には破砕や摩耗が生じ、遂には投射材は再使用できないサイズとなる。そのため、投射材には、ブラスト加工時に破砕や摩耗が生じにくく（長寿命）、かつ、高い研掃能力（高硬度）の双方の性能が求められている。

特開平６−２９７１３２号公報

ブラスト加工には、高炭素の鋳鋼投射材が用いられることが多い。高炭素の鋳鋼投射材の金属組織は焼戻マルテンサイトが主体である。このような投射材によるブラスト加工の研掃能力を増大させるために投射材の硬さを高くしたり、投射材の粒子径を大きくしたりすると、投射材の靭性が低下する。その結果、破砕や摩耗などの損耗が激しくなり、投射材の寿命が短くなるという問題があった。

そこで、長寿命化と研掃力の向上とを両立させることができる鋳鋼製投射材を提供することが求められている。

一態様では、ブラスト処理を行うための鋳鋼製投射材が提供される。この鋳鋼製投射材は、重量比で
Ｃを０．８％以上１．２％以下、
Ｍｎを０．３５％以上１．２％以下、
Ｓｉを０．４％以上１．５％以下、
含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる過共析組成を有し、微細パーライト組織を主体とした組織からなる。一実施形態では、鋳鋼製投射材が、重量比で０．０５％以下のＰ、及び、０．０５％以下のＳを不可避不純物として更に含有してもよい。

一態様に係る鋳鋼製投射材は上記の過共析組成を有し、実質的に微細パーライト組織を主体とした組織からなる。一態様に係る鋳鋼製投射材は、主体となるパーライト組織を微細化することにより、その微細な層状組織により亀裂の進展を抑制することができるため高い靱性を有する。したがって、ブラスト処理を行ったときに鋳鋼製投射材に破砕や摩耗が生じにくくなり、その結果、鋳鋼製投射材の寿命を長くすることができる。また、パーライト組織を微細化することにより鋳鋼製投射材の硬さを高くすることできるので、高い研掃力を得ることができる。よって、一態様の鋳鋼製投射材によれば、長寿命化と研掃力の向上とを両立させることができる。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材は、微細パーライト組織と初析セメンタイトとの混合組織を有していてもよい。

上記一実施形態に係る鋳鋼製投射材は、初析セメンタイトを含むことにより、更に硬さを高くすることができる。したがって、研掃力をより高めることができる。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材は、ロックウェル硬さがＨＲＣ３５以上ＨＲＣ５０以下であってもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材は、平均粒子径が０．３ｍｍ以上３．５ｍｍ以下の略球状に形成されていてもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材は、鋳物の研掃に用いられてもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材には、表面に不動態皮膜が形成されていてもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材では、前記Ｃの重量比が、０．８％以上１．１％以下であってもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材では、前記Ｍｎの重量比が、０．６％以上１．１％以下であってもよい。

一実施形態に係る鋳鋼製投射材では、前記Ｓｉの重量比が、０．６％以上１．０％以下であってもよい。

一実施形態の鋳鋼製投射材は、Ｃｒを重量比で０．０５以上０．８％以下更に含んでいてもよい。

本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、鋳鋼製投射材の長寿命化と研掃力の向上とを両立させることができる。

不動態皮膜を形成した投射材の断面構造を示す走査電子顕微鏡写真である。 オーステナイト化温度からパーライト変態開始温度までの冷却速度と投射材の硬さとの関係を示すグラフである。 種々の組織を有する投射材の硬さと寿命比率との関係を示すグラフである。 投射材の粒子径と寿命比率との関係を示すグラフである。 投射材の微構造を示す走査電子顕微鏡写真である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。一実施形態の鋳鋼製投射材（以下、「投射材ＳＭ」という）は、重量比で以下の化学組成を有する過共析鋼である。

Ｃ（炭素） ：０．８％以上１．２％以下
Ｍｎ（マンガン）：０．３５％以上１．２％以下
Ｓｉ（ケイ素）：０．４％以上１．５％以下
残部：Ｆｅ（鉄）及び不可避不純物。
ここで、不可避不純物とは、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＦｅ以外の成分であって、意図的に添加されることなく投射材ＳＭ中に混入する成分である。不可避不純物としては、例えばＰ（リン）及びＳ（硫黄）が挙げられる。一実施形態では、投射材ＳＭ中には、投射材ＳＭに対する重量比で、０．０５％以下のＰ（リン）、及び、０．０５％以下のＳ（硫黄）が不可避不純物として含まれていてもよい。

投射材ＳＭは、例えば、下記の工程により製造することができる。

（１）原料となる金属材料を目標の組成比となるように秤量して溶解し、溶湯（鋳鋼）とする工程

（２）前記溶湯を造粒して球形粒子とする工程
例えば、溶湯を水ジェット、高圧ガス及び遠心力などで粉砕して球状粒子を製造するアトマイズ法を用いて球形粒子を生成する。造粒にアトマイズ法を用いることにより、安価に球状粒子を製造することができる。

（３）前記球形粒子の組織をパーライト組織に変態させる工程
投射材ＳＭは過共析組成であるため、適切な条件で投射材ＳＭに熱処理を施すことにより、実質的に微細パーライト組織を主体とした組織、または、実質的に微細パーライト組織を主体とした初析セメンタイトとの混合組織を有する投射材ＳＭを製造することができる。
熱処理は、連続冷却変態線図等を基に、目的とする特性を得るための組織とするために適宜設定される。例えば、球形粒子を８００℃以上のオーステナイト化温度から５〜３５℃／ｓの平均冷却速度で変態開始温度まで冷却し、その後、微細パーライト組織の生成が完了するまで等温で保持もしくは徐々に冷却することで微細パーライト組織を有する投射材ＳＭを得ることができる。

ここで、微細パーライト組織とは、等温変態図におけるパーライトノーズ近傍で冷却したときに形成される微細なパーライト組織であり、例えば、研磨面をエッチングした後に２０００倍に拡大して視認可能な組織である。パーライト組織における層間間隔は、小さい方が硬度が高くなるので、微細パーライト組織を有する投射材は研掃力が向上する。ここで、本願における微細パーライト組織とは、層間間隔が１．０μｍ以下の組織を主体とする微細なパーライト組織を指す。即ち、投射材ＳＭには、部分的に層間間隔が１．０μｍを超えたパーライト組織が含まれていてもよい。

投射材の組織にベイナイトが存在すると、靱性が低下する。一実施形態の投射材ＳＭは、主体となる組織が微細パーライト組織であるため、高靱性とすることができる。これにより、投射材ＳＭが損耗しにくくなるので、ブラスト処理を行ったときの投射材ＳＭの寿命を長くすることができる。

投射材ＳＭの組成について説明する。以下の説明において、含有量は特に断りのない限り重量比（質量％）を指す。

（１）Ｃ：０．８％以上１．２％以下
Ｃは、過共析となる組成に設定されている。過共析とするために、投射材ＳＭ中のＣの含有量は０．８％以上とすることができる。Ｃの含有量が多すぎると初析セメンタイト量が過度に増加して投射材ＳＭの靱性が低下するので、Ｃの含有量は１．２％以下とすることができる。一実施形態では、投射材ＳＭ中のＣの含有量は１．１％以下としてもよい。

（２）Ｍｎ：０．３５％以上１．２％以下
Ｍｎは、溶湯の脱酸および湯流れ性向上のために重要である。Ｍｎが少ないと溶湯の脱酸が不十分となるとともに溶湯の流動性が低下することにより、紡錘状、棒状などの非球状粒子が増加して投射材の形状が悪化する。そのため、投射材ＳＭ中のＭｎの含有量は０．１％以上とすることができ、特に球状化した粒子の収率（歩留まり）の観点から、０．３５％以上とすることができる。また、投射材ＳＭ中のＭｎの含有量が多すぎると微細パーライト組織中にベイナイト組織が混入して投射材ＳＭの靱性が低下するため、投射材ＳＭ中のＭｎの含有量は１．２％以下にすることができる。一実施形態では、投射材ＳＭ中のＭｎの含有量は０．６％以上１．１％以下としてもよい。

（３）Ｓｉ：０．４％以上１．５％以下
Ｓｉは、Ｍｎと同様に溶湯の脱酸および湯流れ性向上のために重要である。投射材ＳＭ中のＳｉが少ないと溶湯の脱酸が不十分となるとともに溶湯の流動性が低下することにより投射材ＳＭの形状が悪化する。そのため、Ｓｉの含有量は０．１％以上とすることができ、特に球状化した粒子の収率（歩留まり）の観点から、０．４％以上とすることができる。また、過度に添加すると投射材の靱性が低下するため、投射材ＳＭ中のＳｉの含有量を１．５％以下とすることができる。一実施形態では、投射材ＳＭ中のＳｉの含有量は０．６％以上１．０％以下としてもよい。

（４）Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下
投射材ＳＭ中のＰ及びＳの含有量が過剰であると投射材ＳＭの靱性が低下するので、投射材ＳＭ中のＰ及びＳの含有量は０．０５％以下とすることができる。なお、Ｐ及びＳは必ずしも投射材ＳＭ中に含有されていなくてもよい。Ｐ及びＳが含有される場合には、例えば、Ｐ及びＳは、投射材ＳＭ中に少なくとも０．００５％以上含有されていてもよい。

一実施形態では、上記の元素に加え、投射材ＳＭ中にＣｒを重量比で０．０５％以上２．００％以下含有することもできる。投射材ＳＭ中にＣｒを含有することにより、パーライト組織を微細化し、セメンタイトのネットワーク形成を抑制することができるので、投射材ＳＭを高靱性にすることができる。ここで、投射材ＳＭ中にＣｒを過度に含有するとＣｒの炭化物が増加して靱性が急激に低下するため、投射材ＳＭ中のＣｒの含有量は２．００％以下にすることができる。Ｃｒの添加は製造コストの増加に繋がるため、Ｃｒの添加量は実用上差支えのない範囲で抑制することができる。例えば、製造コストの観点から、投射材ＳＭ中のＣｒの含有量は０．０５％以上０．８％以下とすることができる。

また、Ｓｉ及びＭｎは、パーライト変態開始点を遅くする（長時間側にずらす）効果があるため、遅い冷却速度でも微細パーライト組織を得ることができる。

また、鋳物に対して鋳造後に表面に付着した鋳砂や母材表面に形成された錆などのスケールを除去する研掃等の用途に用いるには、硬さはロックウェル硬さでＨＲＣ３５（ビッカース硬さＨｖ３４５）以上必要である。投射材ＳＭは、主体となるパーライト組織を微細化しているため、硬さをロックウェル硬さＨＲＣ３５（Ｈｖ３４５）以上にすることができる。また、過共析組成であり冷却過程で初析セメンタイトを析出させた場合には、投射材ＳＭの硬さを更に高くすることができ、ロックウェル硬さＨＲＣ３５以上ＨＲＣ５０以下（Ｈｖ３４５以上Ｈｖ５１３以下）とすることができる。このように投射材ＳＭは、十分な硬さを有しているので、鋳物の研掃、バリ取りなど大きな衝撃力が要求されるブラスト加工において好適に用いることができる。

投射材ＳＭの粒子径は、被加工物の性状に合わせて適宜選択される。一実施形態では、投射材ＳＭは、平均粒子径が０．３ｍｍ以上３．５ｍｍ以下の略球状に形成することができる。一般的に投射材の粒子径は、小さい方が被加工物に衝突する機会が多いので、被加工物全体を均一にブラスト処理することができる。しかしながら、投射材の粒子径が小さいと研掃力が小さくなるので、粒子径が小さすぎると（例えば、０．３ｍｍ未満）被加工物を十分にブラスト加工できる研掃力が得られない。仮にブラスト加工できる研掃力を有している場合であっても、粒子径の比較的小さい投射材はもともとの研掃力が比較的小さいので、損耗しやすい投射材を用いた場合、損耗した後には被加工物を十分にブラスト加工するだけの研掃力を失いやすい。
また、一般的に投射材の粒子径は、大きいほど研掃力が高いが損耗しやすい。損耗しやすい投射材を用いた場合、粒子径分布に及ぼす影響が大きいので研掃力の管理が困難となる場合がある。投射材ＳＭは損耗しにくく、投射材の寸法が小さくなりにくいので（例えば１．０ｍｍ以上）、研掃効率を向上させることができる。

一実施形態の投射材ＳＭには、図１に示すように、投射材の母材Ｂの表面に強固な不動態皮膜Ｆ（例えば黒皮等の酸化皮膜）が形成されていてもよい。一般に、投射材は大気雰囲気中で保管されるため、表面に錆等が形成されることがある。表面に錆等が形成された投射材でブラスト処理を行うと、この錆等が被加工物に付着し、被加工物の品質が低下することがある。パーライト組織を含む鋳鋼は表面が腐食しやすいが、一実施形態の投射材ＳＭでは、母材Ｂの表面に不動態皮膜Ｆが形成されているので、耐食性を向上することができる。したがって、一実施形態に係る投射材ＳＭを用いたブラスト処理では、錆等の付着による被加工物の品質低下を防ぐことができる。
ここで、不動態皮膜Ｆの膜厚が薄すぎると投射材Ｓの表面が露出し、十分な耐食性を得ることができない。反対に、不動態皮膜Ｆが厚すぎると投射材Ｓの表面への付着力が低下して不動態皮膜Ｆが剥離するおそれがある。そこで、不動態皮膜Ｆとして黒皮を形成した場合の投射材ＳＭの平均膜厚は、２μｍ以上５μｍ以下とすることができる。

（変更例）
投射材ＳＭの形状は略球形状（ショット）に限定されるものではなく、鋭いエッジを有する多角形状（グリット）などを用いることもできる。

（実施形態の効果）
一実施形態の鋳鋼製投射材ＳＭによれば、主体となるパーライト組織を微細化することにより、その微細な層状組織により亀裂の進展を抑制することができるため高靱性とすることができる。これにより、ブラスト処理を行ったときに投射材ＳＭに破砕や摩耗が生じにくくなるため、投射材ＳＭの寿命を長くすることができる。また、パーライト組織を微細化することにより硬さを高くすることでき、特に、初析セメンタイトを含むことにより、更に硬さを高くすることができる。これにより、高い研掃力を有する投射材ＳＭを得ることができる。
このように、一実施形態の鋳鋼製投射材ＳＭによれば、長寿命化と研掃力の向上とを両立させることができる。

本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。

（実施例１：冷却速度と硬さとの関係）
オーステナイト化温度からパーライト変態開始温度までの冷却速度と投射材ＳＭの硬さとの関係を調べた。実施例１では、原材料を所望の成分になるように配合し、当該原材料を１６５０〜１６８０℃にて溶解した。そして、溶解された原材料から水アトマイズ法によって球状粒子を作製した。

得られた球状粒子を乾燥した後、篩い分けして２．００ｍｍの篩を通過し、１．７０ｍｍの篩に残ったものについて、８００℃以上でオーステナイト化させた温度域から、種々の平均冷却速度でパーライト変態開始温度まで冷却させ、組織変態完了まで等温保持することで投射材ＳＭを作製した。そして、作製した投射材ＳＭの硬さを評価した。

発光分光分析法により、作製された投射材ＳＭの化学組成の分析を行った。作製された投射材ＳＭの組成は、重量比でＣ：０．９３４％、Ｓｉ：０．９０６％、Ｍｎ：１．０４０％、Ｐ：０．０２７％、Ｓ：０．０２６％，Ｃｒ：０．６７７％であった。

硬さは、日本工業規格であるＪＩＳ−Ｚ０３１１：２００４に定められた方法に準拠し測定した。投射材ＳＭを樹脂中に埋め込んで研磨し、試験荷重９．８Ｎ、荷重負荷時間１２秒で、ビッカース硬さを測定し、有効な２０点の測定値の平均値を求めた。

冷却速度と硬さとの関係を表１及び図２に示す。なお、硬さはロックウェル硬さＣスケール（ＨＲＣ）に換算して示した。

表１及び図２に示すように、冷却速度が早くなるにつれて、投射材ＳＭの硬さが上昇することが確認された。これは、パーライト組織が微細化することによるものである。投射材ＳＭの硬さは、実用上、ＨＲＣ３５以上が必要であるが、冷却速度を５℃／ｓ以上とすることにより、投射材の硬さをＨＲＣ３５以上とすることができた。

（実施例２：投射材の組織と寿命との関係）
実施例２では、まず実施例１と同様の方法で球状粒子を造粒した。次いで、球状粒子に異なる条件で熱処理を施し、以下の組織Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを有する投射材をそれぞれ作製した。
組織Ａ：微細パーライト組織
組織Ｂ：焼戻マルテンサイト組織
組織Ｃ：微細パーライト組織と焼戻マルテンサイト組織との混合組織
組織Ｄ：下部ベイナイト組織
組織Ｅ：下部ベイナイト組織と上部ベイナイト組織との混合組織
組織Ｆ：上部ベイナイト組織と微細パーライト組織との混合組織

微細パーライト組織（初析セメンタイトを含む組織も含む）は、種々の冷却速度でパーライト変態開始温度まで急冷させ、組織変態完了するまで十分等温保持することによって得られた均一な微細パーライト組織である。
焼戻マルテンサイト組織は、オーステナイト化温度域から水焼入を施した後、焼戻温度を変えることにより種々の硬さに調整することで得られた。
微細パーライト組織と焼戻マルテンサイト組織の混合組織は、パーライト変態開始温度まで冷却させ、等温保持パーライト変態が完了する前に冷却水で急冷することによって得られた。
ベイナイト組織及びその混合組織に関しては、組織をオーステナイト化させた後に３００−４００℃の塩浴中に投入し３０分間等温保持することで得られた。

実施例２では、得られた組織Ａ〜Ｆを有する投射材について、硬さ及び寿命の評価を行った。硬さの評価方法は、実施例１と同様である。寿命は寿命損耗値（寿命比率）により評価し、アーヴィン式ライフテスタ（アーヴィン社製）を用い、ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．）Ｊ−４４５に準拠した衝撃破砕試験を行った。
投射材は、篩目２．００ｍｍを通過し、１．７０ｍｍの篩に残るものを１００ｇ用意した。そして、投射材をアーヴィン式ライフテスタに投入し、投射速度は６０ｍ／ｓで硬さＨＲＣ６５（Ｈｖ８３０）のターゲットに投射し、繰り返し衝突させた。そして、一定衝突回数毎に破砕した投射材を篩別除去するとともに、残留した投射材の重量を測定し、残留した投射材が最初の３０％以下となるまで試験を行った。この試験により得た衝突回数と残留投射材の重量割合の関係を示す寿命曲線を積分して求められる数値を寿命値とした。表２に示す寿命比率とは、一般的な組成である焼戻マルテンサイト（表２組織Ｂ：ＨＲＣ４５．５）の寿命値を１００とした場合の比率で表しており、寿命比率の値が大きいほど耐久性が良好であることを示している。

表２及び図３に、組織Ａ〜Ｆを有する投射材の平均硬さと寿命比率との関係を示す。

表２及び図３に示すように、各組織とも、寿命比率は硬さの上昇につれて低下した。これは、硬さが上昇すると、破砕しやすくなるからである。また、一実施形態の投射材ＳＭ（組織Ａ：微細パーライト組織）は、比較的寿命が長いとされているマルテンサイト組織を有する投射材の寿命に比べても、大幅に長寿命であることが確認された。

（実施例３：投射材の粒子径と寿命比率との関係）
一実施形態の投射材、即ち組織Ａを有する投射材ＳＭにおける粒子径と寿命比率との関係を、一般的な組成である焼戻マルテンサイト（組織Ｂ：ＨＲＣ４５．５）と比較した。図４に示すように、投射材の粒子径が大きくなるのにつれて寿命比率は低下することが確認された。また、粒子径に関わらず、組織Ａを有する投射材ＳＭの方が組織Ｂを有する投射材よりも寿命比率が高いことが確認された。この結果から、組織Ａを有する投射材ＳＭは粒子径が大きくなっても長寿命であることが確認された。

（実施例４：微構造）
投射材ＳＭの中央部を研磨、エッチングした後に、走査型電子顕微鏡で組織観察を行った。図５に投射材ＳＭの微構造を示す。図５（Ａ）は低倍率（２０００倍）の投射材ＳＭの写真である。図５（Ａ）に示すように、投射材ＳＭには層状の微細パーライト組織（図中Ｐ）が全体的に形成されていることが確認された。また、投射材ＳＭには、初析セメンタイト（図中Ｃ）が微細パーライト組織を区画するように線状に形成されていることが確認された。図５（Ｂ）は高倍率（５０００倍）で観察した投射材ＳＭの写真である。図５（Ｂ）に示すように、投射材ＳＭには、初析セメンタイト（図中Ｃ）が白い線状に明確に確認された。また、層状の極めて微細なパーライト組織の層間距離は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下程度であると推測され、一実施形態の投射材ＳＭが微細なパーライト組織を主体としたものであることが確認された。

Ｂ…投射材の母材
Ｃ…初析セメンタイト
Ｆ…不動態皮膜
Ｐ…パーライト組織
ＳＭ…投射材

Claims (12)

1. ブラスト処理を行うための鋳鋼製投射材であって、
   重量比で
   Ｃを０．８％以上１．２％以下、
   Ｍｎを０．３５％以上１．２％以下、
   Ｓｉを０．４％以上１．５％以下、
   含有し、残部としてＦｅ及び不可避不純物を含む過共析組成を有し、
   微細パーライト組織を主体とした組織からなり、
   微細パーライト組織と初析セメンタイトとの混合組織を有し、
   平均粒子径が０．３ｍｍ以上３．５ｍｍ以下の略球状に形成されている、鋳鋼製投射材。
2. 重量比で、０．０５％以下のＰ、及び、０．０５％以下のＳを前記不可避不純物として更に含有する、請求項１に記載の鋳鋼製投射材。
3. ロックウェル硬さがＨＲＣ３５以上ＨＲＣ５０以下である、請求項１又２に記載の鋳鋼製投射材。
4. 鋳物の研掃に用いられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
5. 表面に不動態皮膜が形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
6. 前記Ｃの重量比が０．８％以上１．１％以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
7. 前記Ｍｎの重量比が０．６％以上１．１％以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
8. 前記Ｓｉの重量比が０．６％以上１．０％以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
9. Ｃｒを重量比で０．０５％以上０．８％以下更に含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
10. 前記不動態皮膜が、２μｍ以上５μ以下の平均膜厚を有している、請求項５に記載の鋳鋼製投射材。
11. 前記微細パーライト組織の層間距離が１．０μｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。
12. 前記微細パーライト組織の層間距離が０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の鋳鋼製投射材。