JP7205535B2 - ブラスト加工に用いられるショット - Google Patents

Description

本開示は、ブラスト加工に用いられるショットに関する。

鋳造後の鋳造物の砂落とし、金属製品のバリ取り、錆等のスケールの除去、などに、ショットブラストは用いられている。ショットブラストはショットと呼ばれる粒子を被加工物に向けて投射する加工方法である。ショットとしては、鉄系の粒子を用いることが多い。

特許文献１には、添加元素としてＣ：０．８０～１．１０質量％、Ｓｉ：０．５０～１．００質量％、Ｍｎ：０．５０～１．００質量％、Ｃｒ：０．１０～０．３０質量％を含み、残部がＦｅ（不可避不純物を含む）であるショットが開示されている。ショットは、ショットブラストに適さないサイズに損耗されるまで繰り返し使用されるため、より損耗の少ない（寿命が長い）ショットの登場が望まれている。

また、ショットの硬さは、ワークの物性やショットブラストの目的に合わせて選択されている。多様な硬さを持つショットを製造する製造方法の確立が望まれている。

特開昭５３―７５１５６号公報

本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、研掃効率が損なわれ難いため寿命が長く、かつ多様な硬さを有するショットを提供することを目的とする。

本開示の一形態に係るショットは、ブラスト加工に用いられるショットである。当該ショットは、添加元素としてＣ：０．２０～０．５０質量％、Ｓｉ：０．５０～１．１０質量％、及びＭｎ：０．５０～１．１５質量％を含む鉄基合金からなる。また、当該ショットにおいて、Ｓｉに対するＣの質量比（Ｃ／Ｓｉ）は０．３０～０．７５、Ｍｎに対するＣの質量比（Ｃ／Ｍｎ）が０．３０～０．７５、Ｍｎに対するＳｉの質量比（Ｓｉ／Ｍｎ）が０．７０～１．６０、である。そして、当該ショットのビッカース硬さはＨＶ４００～８００（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９にて規定）である。

一実施形態において、ＣとＳｉとＭｎの合計含有量（Ｃ＋Ｓｉ＋Ｍｎ）は１．８０～２．４０質量％であってもよい。

一実施形態において、鉄基合金は、さらにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．３０～１．０質量％含んでいてもよい。

一実施形態において、ショットは実質的に焼戻マルテンサイト相から形成されていてもよい。

一実施形態において、ブローホールを有する粒子の数はショット全体の５％以下であってもよい。

一実施形態において、粒子の長手方向の長さをＬ、長手方向に直行する方向における最大径をＳとした場合に、Ｌ／Ｓが２．０以上となる粒子の数は、ショット全体の５％以下であってもよい。

本開示の一形態により、研掃効率が損なわれ難いため寿命が長く、かつ多様な硬さを有するショットが提供される。

図１は、参考例１及び比較例それぞれのショットの断面を走査型電子顕微鏡にて観察した結果である。

本開示の一形態に係るショットは、添加元素としてＣ、Ｓｉ及びＭｎを含む４成分系の鉄基合金からなるショットである。あるいは、本開示の一形態に係るショットは、鉄基合金からなる粒子を含み、当該鉄基合金が添加元素としてＣ、Ｓｉ及びＭｎを含む、ショットである、ということもできる。当該ショット（鉄基合金）には、その他の不可避不純物が含まれていてもよい。

以下に、水アトマイズ法にてショットを製造する場合を例に、一実施形態のショットについて詳しく説明する。なお、以下の説明における％は特に断りのない限り、質量％を示す。

＜溶融工程＞
所定の組成となるように秤量したショットの原料（Ｆｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等）を溶解炉に投入し、１６００～１７５０℃に加熱して溶解して溶湯とする。

Ｆｅはショットの基となる元素である。

Ｃは、硬さに影響を及ぼす元素である。Ｃ濃度が高くなるとショットが硬くなるため研掃能力が高くなるが、Ｃの濃度に比例して靱性が低下する。靱性の低下は寿命の低下に繋がる。ショットとして求められる硬さと寿命を考慮し、鉄基合金中のＣの含有量は０．２０～０．５０質量％であるが、０．３０～０．４５質量％であってもよく、０．３５～０．４５質量％であってもよい。

Ｓｉには原料溶湯中の酸素を除去する効果がある。原料溶湯中に含まれる酸素は、アトマイズ法による造粒時に、粒子の球状化を阻害する。Ｓｉ濃度が高いと脱酸効果が高くなるため球状の粒子を得やすくなるが、Ｓｉの濃度に比例して靱性が低下する。また、原料溶湯中の酸素を除去することで、ブローホールと呼ばれる内部欠陥を減少させることができる。Ｃにも脱酸効果はあるが、寿命を考慮すると、脱酸効果を十分に得られる量のＣを添加することは困難である。脱酸効果と寿命を考慮し、鉄基合金中のＳｉの含有量は０．５０～１．１０質量％であるが、０．５５～１．０５質量％であってもよく、０．６０～１．００質量％であってもよい。

Ｍｎには造粒した粒子の焼き入れ性を向上させる効果と、ＴＴＴ線図におけるパーライトノーズを右側にシフトさせて臨界冷却速度を下げる効果とがある。焼き入れを行うことで、ショットとして求められる硬さを得ることができる。焼き入れによって粒子の組織が変態するが、この際に均質かつ微細な結晶粒を有する組織にすることが求められる。このような組織が得られるよう焼き入れ条件を調整するが、ショットのような細かい粒子の場合は、繊細な焼き入れ条件の調整が必要とされている。合金中にＭｎを添加することで、焼き入れ条件の許容値が広がり、条件の調整がし易くなる。これにより、造粒した粒子の全体に亘って、均質かつ微細（例えば、２～１０μｍ）な結晶粒を有する組織を導入し易くなる。その結果、靱性に優れた粒子となるため、ショットの寿命が向上する。しかし、Ｍｎは高価な金属の為、濃度を高くするとショットの製造コストの増大に繋がる。焼き入れ効果とコストを考慮し、鉄基合金中のＭｎの含有量は０．５０～１．１５質量％であるが、０．５５～１．００質量％であってもよく、０．６０～０．９５質量％であってもよい。

さらに、鉄基合金中のＣの含有量をａ質量％、Ｓｉの含有量をｂ質量％、Ｍｎの含有量をｃ質量％とした時に、添加元素であるＣ、Ｓｉ及びＭｎのそれぞれの相乗効果を考慮すると、各質量比等は以下のとおりである。
ａ／ｂ（Ｓｉに対するＣの質量比）は０．３０～０．７５であるが、０．３５～０．６０であってもよく、０．４０～０．５０であってもよい。
ａ／ｃ（Ｍｎに対するＣの質量比）は０．３０～０．７５であるが、０．３５～０．６０であってもよく、０．４０～０．５０であってもよい。
ｂ／ｃ（Ｍｎに対するＳｉの質量比）は０．７０～１．６０であるが、０．８０～１．４０であってもよく、０．９０～１．２０であってもよい。
ａ＋ｂ＋ｃ（ＣとＳｉとＭｎの合計含有量）は１．８０～２．４０質量％であることが好ましいが、１．８５～２．２５質量％であってもよく、１．９０～２．１０質量％であってもよい。

前記鉄基合金は、さらにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含んでいてもよい。これら他の添加元素はＳｉ及びＭｎの効果を補完する目的で添加され、添加によって以下に示す効果が得られる。ただし、これら他の添加元素濃度が高すぎると、硬さの低下、寿命の低下、球状化の不足、などの不具合が発生する傾向がある。そのため、鉄基合金中のこれら他の添加元素の含有量（複数の元素を添加した場合はその合計含有量）を０．３０～１．０質量％となるように調整してもよい。

Ｃｒには、焼き入れ性を向上させる効果と、ＴＴＴ線図におけるパーライトノーズを右側にシフトさせて臨界冷却速度を下げる効果とがある。Ｃｒの濃度が低すぎるとこれらの効果が十分に得られず、高すぎるとショットの靱性が低下する傾向がある。これらを考慮して、鉄基合金中のＣｒの含有量を０．３～１．０質量％となるように調整してもよい。

Ｎｉ及びＣｕには、酸素による球状化阻害を抑制しつつ、焼き入れ性及び寿命を向上させる効果がある。Ｎｉ及びＣｕの濃度が低すぎるとこれらの効果が十分に得られず、高すぎると靱性が低下する傾向がある。これらを考慮して、鉄基合金中のＮｉ及びＣｕの合計含有量を０．４～１．０質量％となるように調整してもよい。なお、Ｃｕに比べてＮｉの方が上記効果の発現に若干優れるが、高価な材料であるため、効果とコストを考慮してＮｉとＣｕの組成比は決定される。

Ｍｏには、組織や硬さの粒子毎のばらつきを低減させる効果と、焼き入れ性の向上の効果と、ＴＴＴ線図におけるパーライトノーズを右側にシフトさせて臨界冷却速度を下げる効果と、がある。Ｍｏの濃度が低すぎるとこれらの効果が十分に得られない傾向がある。また、Ｍｏは高価な材料であるため、Ｍｏの濃度が高すぎると、コストの上昇によるデメリットの方が、これらの効果が得られるメリットよりも大きくなる。これらを考慮して、鉄基合金中のＭｏの含有量を０．１～０．３質量％となるように調整してもよい。

Ａｌには、原料溶湯中の酸素を除去して粒子の球状化を促進する効果と、ブローホールを低減させる効果と、がある。Ａｌの濃度が低すぎるとこれらの効果が十分に得られず、高すぎると逆に球状化が阻害される傾向がある。これらを考慮して、鉄基合金中のＡｌの含有量を０．０４～０．１２質量％となるように調整してもよい。

Ｂには、焼き入れ性を向上させる効果と、寿命を向上させる効果と、がある。Ｂの濃度が低すぎるとこれらの効果が十分に得られず、高すぎると逆に寿命が低下する傾向がある。これらを考慮して、鉄基合金中のＢの含有量を０．０１～０．０５質量％となるように調整してもよい。

Ｖ、Ｎｂ及びＴｉには、寿命を向上させる効果がある。これらの元素の濃度が低すぎると当該効果が十分に得られず、高すぎると逆に寿命が低下する傾向がある。これらを考慮して、鉄基合金中のＶ、Ｎｂ及びＴｉの合計含有量を０．０５～０．５質量％となるように調整してもよい。

＜造粒工程＞
原料溶湯を溶解槽底部のノズルから落下させ、この溶湯に向けて高圧水を噴射することで、造粒物（球状体）を得る。

原料溶湯中の酸素は、造粒の際に粒子の球状化を阻害する要因となる。一実施形態のショットは、原料としてＳｉを含む溶湯から形成される。Ｓｉによって原料溶湯中の酸素が除去されるため、そのような原料を用いることで粒子の球状化を促進することができる。

また、原料溶湯中の酸素は、ブローホールの原因となる。ブローホールとは、原料溶湯中の酸素が原料の凝固時に大気中に放出されず、粒子の内部に気泡として内包されることで生じるものである。原料としてＳｉを用いることで、原料溶湯中の酸素が除去され、ブローホールを低減させることができる。

＜焼き入れ工程＞
上記のとおり生成される造粒物にはＣが含有されているため、Ｆｅに比べて硬い。しかし、ショットとして用いるにはさらに硬さを向上させる必要がある。造粒工程で製造した造粒物をロータリーキルン等により乾燥させた後に、８００～９００℃に加熱し、１時間程度保持した後、水中に投下して焼入れを行う。これにより、造粒物の硬さを増大させることができる。

造粒物にはＭｎが含有されているため、焼き入れ性が改善されている。また、当該造粒物では、ＴＴＴ線図におけるパーライトノーズが右側にシフトしているため臨界冷却速度が低下している。さらに、焼き入れを行った際、造粒物の組織が微細化するため靱性が向上する。即ち、このような造粒物は、損耗の少ない（寿命が長い）ショットとして用ることができる。

＜焼き戻し工程＞
焼き入れ工程を経た造粒物を３００～６００℃で０．５～２．０時間程度加熱し、その後徐冷することにより焼き戻しを行う。これにより、造粒物を所望の硬度に調整することができるとともに、焼入れ工程により低下した造粒物の靭性を向上させることができる。

焼き入れ工程及び焼き戻し工程を経ることで、造粒物には微細で且つ均一な組織が導入される。特に、一実施形態のショットに含まれる粒子の組織は、実質的に焼戻マルテンサイト相から主として形成される。焼戻マルテンサイト相における結晶粒サイズは０．５～１０μｍ程度である。このような組織を持つ粒子は、ブラスト加工の際に衝撃荷重が繰り返し加えられても、靱性が高いため損耗が抑制される。

＜分級工程＞
振動篩等を用いて焼き入れ工程後の造粒物を篩にかける。これにより所定の径を有する粒子を分級する。

＜回収工程＞
分級された粒子の形状や硬度等を検査する工程を経て、所定の径を有する粒子を含むショットが得られる。

一実施形態のショット（粒子）のビッカース硬さは、ＨＶ４００～８００である。なお、ブラスト加工性及び寿命の観点から、ＨＶは４００～６５０であってもよく、４００～５００であってもよい。ＨＶの標準偏差はＨＶ５０以下とすることができる。一実施形態のショットは特定の組成を有するため、ショットとして十分な硬さを有し、かつ粒子毎の硬さのばらつきが極めて小さい。硬さのばらつきが極めて小さいことにより、ブラスト加工の際に仕上がり品質が安定する。

一実施形態のショットにおいて、粒子の長手方向の長さをＬ、前記長手方向に直行する方向における最大径をＳとした場合に、Ｌ／Ｓが２．０以上となる粒子の数はショット全体の５％以下であってもよい。一実施形態のショットは特定の組成を有するため、均等に球状化された粒子が多く含まれており、ブラスト加工の際に仕上がり品質が安定する。当該粒子の数は、ショット全体の１％以下であってもよく、０．１％以下であってもよい。

一実施形態のショットにおいて、ブローホールを有する粒子の数はショット全体の５％以下であってもよい。ここで、ブローホールを有する粒子とは、断面における気泡の面積割合が断面の面積の１０％以上であり、且つ気泡の壁面がなだらかなものを指す。ブローホールはブラスト加工の際にショットが破損する起点となる。一実施形態のショットは特定の組成を有するため、ブローホールを有する粒子の数が極めて少なく寿命が長い。当該粒子の数は、ショット全体の３％以下であってもよく、１％以下であってもよい。

一実施形態のショットにおいて、クラックを有する粒子の数はショット全体の５％以下であってもよい。ここで、クラックを有する粒子とは、断面における亀裂の長さが亀裂の幅の３倍以上であり、且つ亀裂の長さが断面における最少直径の２０％以上の長さであるものを指す。クラックはブラスト加工の際にショットが破損する起点となる。一実施形態のショットは特定の組成を有するため、クラックを有する粒子の数が極めて少なく寿命が長い。当該粒子の数は、ショット全体の３％以下であってもよく、１％以下であってもよい。

一実施形態のショットにおいて、含まれる粒子の平均粒子径は０．１～１．５ｍｍであってもよい。平均粒子径がこの範囲内であるとショットの寿命が長くなる傾向がある。ここで、平均粒子径とは、ＪＩＳ Ｚ ８８０１基準ふるいを使用したふるい分けにより測定される値である。平均粒子径は、０．１～１．０ｍｍであってもよく、０．１５～０．７５ｍｍであってもよく、０．２～０．４５ｍｍであってもよい。

一実施形態のショットの見かけ密度は７．４５ｇ／ｃｍ^３以上であってもよい。これにより、ブラスト加工の際における被加工物への衝突エネルギーを得易くなるため、被加工物を十分に研掃し易い。

［実施例］
次に、一実施形態のショットの効果を確認するための試験結果について説明する。
まず、表１の配合比を有する鉄基合金からなる種々のショットを、水アトマイズ法を用いて作製した。表１におけるＸは、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉからなる群より選択される添加元素の含有量（合計の含有量）を示す。

得られた粒子を分級して所望の粒子径（φ０．３ｍｍ、φ０．６ｍｍ、φ１．０ｍｍ）を有するショットを得た。なお、各粒子径を有するショットはそれぞれ下記のようにして準備した。
φ０．３ｍｍ：０．４２５ｍｍの篩を通過し、０．３５５ｍｍの篩上に残留したもの。
φ０．６ｍｍ：０．７１０ｍｍの篩を通過し、０．６００ｍｍの篩上に残留したもの。
φ１．０ｍｍ：１．１８０ｍｍの篩を通過し、１．０００ｍｍの篩上に残留したもの。

（１）ビッカース硬さの測定
ショットの粒子を樹脂に埋め込んだ後、断面中心が表面に露出するように研磨した。１０個のショットに対して前述の規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９）に準じてビッカース硬さを測定し、その平均値をショットの硬さとした。結果を表２に示す。

（２）見かけ密度の測定
ＪＩＳ Ｚ０３１１：２００４に準じて測定した。具体的には、比重瓶（容積：５０ｍｌ）にショットを約１０ｇ装入し、質量を測定した。次いで、比重瓶に蒸留水を装入し、内部の気泡を除去した後、質量を測定した。これらの質量から見かけ密度を演算した。この操作を２回行い、その平均値をショットの見かけ密度とした。結果を表２に示す。

（３）欠陥（ブローホール）の検証
ショットの粒子を樹脂に埋め込んだ後、断面中心が表面に露出するように研磨した。１００個のショットに対して断面を投影機によって観察し、欠陥として前述のブローホールが存在するショットの数を計測してその割合を算出した。結果を表２に示す。

（４）真球度の検証
ショットの粒子をガラス平板に広げた後、１００個のショットに対して、粒子の長手方向の長さＬ、前記長手方向に直行する方向における最大径Ｓをマイクロスコープにより観察した。そして、Ｌ／Ｓが２．０以上となる粒子の数を計測し、その割合（粒子形状不良率）を算出した。結果を表２に示す。

（５）寿命の評価
製造したショット１００ｇを寿命試験装置（Ｅｒｖｉｎ製：Ｔｈｅ Ｔｅｓｔ Ｅｒｖｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ）に投入し、投射速度６０ｍ／ｓで鋼材（ＨＲＣ６５）に向けて投射した。投射後のショットを回収し、回収したショットを篩（０．３００ｍｍ、０．５００ｍｍ又は０．８５０ｍｍ）で分級し、篩に残ったショットの重さを秤量した。篩上に残ったショットが１０ｇとなるまでこの操作を繰り返し、この試験により得られた衝突回数とショットの残留率の関係を示す曲線を積分し、この数値を寿命値とした。結果を表２に示す。

比較例は、従来の組成をもつショットである。参考例１及び実施例２～１０のショットは、比較例のショットに比べて長寿命であることがわかった。

また、参考例１及び比較例それぞれのショットの断面を走査型電子顕微鏡にて観察した。図１に示すように、実施例のショットにおいては、微細化された焼戻マルテンサイト相から主として形成された組織が観察されたのに対し、比較例のショットにおいては、微細化されていないマルテンサイト相から主として形成された組織が観察された。

一実施形態のショットは、研掃に必要な硬さを有しており、且つ寿命が長いため、工業的価値は極めて大である。このショットは、あらゆるブラスト加工に用いることができる。

一実施形態のショットの製造方法として水アトマイズ法を例に説明したが、ガスアトマイズ法やディスクアトマイズ法等の別の方法を採用してもよい。

Claims (5)

1. ブラスト加工に用いられるショットであって、
   添加元素としてＣ：０．３５～０．５０質量％、Ｓｉ：０．５０～１．１０質量％、及びＭｎ：０．５０～１．１５質量％を含む鉄基合金からなり、
   前記Ｓｉに対する前記Ｃの質量比が０．３０～０．７５、前記Ｍｎに対する前記Ｃの質量比が０．３０～０．７５、及び前記Ｍｎに対する前記Ｓｉの質量比が０．７０～１．６０であり、
   前記Ｃと前記Ｓｉと前記Ｍｎの合計含有量が１．８０～２．４０質量％であり、
   ビッカース硬さがＨＶ４００～８００である、ショット。
2. 前記鉄基合金が、さらにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を０．３０～１．０質量％含む、請求項１に記載のショット。
3. 実質的に焼戻マルテンサイト相から形成される、請求項１又は２に記載のショット。
4. ブローホールを有する粒子の数がショット全体の５％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のショット。
5. 粒子の長手方向の長さをＬ、前記長手方向に直行する方向における最大径をＳとした場合に、Ｌ／Ｓが２．０以上となる粒子の数がショット全体の５％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載のショット。

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