JP6658772B2 - 鋳鋼製投射材 - Google Patents

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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〜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〜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〜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〜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〜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〜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。

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