JPH02232304A - 耐食耐熱耐摩部材の製造方法およびその製品部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 この発明は高炭素、高クロム系鋼に対するＴｉの炭、窒
化物の蒸着被覆に関する。

く従来の技術〉 金属材料の耐摩耗性、耐食性、及び耐熱性を向上させる
手段の一つとして、Ｔｉの炭化物或いは窒化物を蒸着さ
せる方法がある。Ｔｉの炭、窒化物の被覆層は極めて高
い硬さ（Ｔｉｃ：Ｈｖ３３００〜４０００，ＴｉＮ：Ｈ
ｖｌ９００〜２０００）と耐食性及び耐熱性を備えてい
るので、特に強化プラスチック押出成形用スクリュー、
耐食耐熱耐摩用工具（例えば成形用及びガイド用ロール
、粉末成形型、塑性加工用工具）等に用いられる。

このＴｉの炭、窒化物被覆の為の母材としては被覆層の
硬さを生かし得る強度を備えたものが選ばれ、特に耐食
耐摩用としてはＪＩＳ　．ＳＵＳ４４０Ｃ等の高炭素高
クロム系鋼が用いられる。高炭素高クロム系鋼は上記被
覆層を支持するに充分な強度、硬さを備え、且つ耐食用
途に用いた場合に、被覆層の破損があった場合にもその
耐食性が被覆眉の耐食性と比較し、さほど劣らない為そ
こから腐食が急速に進み被覆層を破壊させ被覆部材を不
具合にさせることを防止できる好適な材料である。しか
るに従来材にＴｉ炭窒化物被覆を行なったものは比較的
早期に剥離、破損するという難点があり、必ずしも満足
すべきものではなかった。

く解決すべき課題〉 そこで高炭素高クロム系鋼を母材とした場合にも、長寿
命であるＴｉ炭、窒化物被覆層を有する鋼部材と、その
実現手段の出現が望まれていた。

〈課題の解決手段〉 本発明は前記課題を解決するためのもので、その要旨は
、重量％でＣ：０．８〜２．０　、Ｓ　ｉ　：　０．０
５〜１．００、Ｍ　ｎ　＋　０．　０５　〜１，　００
、Ｃｒ：ｌ５〜２５、必要に応じＭＯ、Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，
Ｃｏの１種以上を０．０５〜４．０、その他不可避の不
純物を含み、残部鉄よりなる高炭素高クロム系鋼のアト
マイズ粉末をカプセルに詰め加熱し、押出し加工して、
大きさが直径３μｍを超える炭化物を含まない素材を得
、これを加工し研磨して、その研磨面にＴｉｃ，および
又はＴｉＮの被膜を蒸着させることを特徴とする耐食耐
熱耐摩部材の製造方法であり、更にこの方法により製造
した耐食耐熱耐摩部材である。

〈作　用〉 発明者らは、従来の被覆層の短寿命の原因は母材の炭化
物の粒度や偏析にあるのではないかと推定した。即ち高
炭素高クロム系鋼は一般的に普通の鋼材と同様溶解→鋳
造→圧延（又は鍛造）のプロセスにより製造されるが、
こうして製造された鋼材は、高炭素高クロム系に特有の
、他の鋼材に見られないような大きさで且つ偏析した、
所謂巨大共晶炭化物を多数含み、これがマトリックスよ
りも硬いので、鋼材を研磨した際に研磨面に突出し、あ
るいは突出していたものが脱落して凹みを形成するので
、この上に蒸着させた被覆層も凹凸になり、特に凸出部
分が使用に際して接触相手材との衝撃を受け、破壊され
ることが考えられる。

第２図にその実例を示す。第２図は従来の溶製による４
４０Ｃの母材に対してＴｉＣ＋ＴｉＮのダブルコーティ
ングを行なったものの被覆層部の断面１０００倍顕微鏡
写真で、母材中で白く見えるのが炭化物である。図の通
り巨大炭化物（直径約１０〜１５μｍ）が表面に突出し
、被覆層を持ち上げている。これが接触相手材との衝撃
で破壊することは充分考えられ、さらに凸出部分におけ
る炭化物と被覆層の熱膨張率の差に基づく応力が被覆層
に働き、破壊を助長することも考えられる。

そこでこの点を追究する為、高炭素高クロム鋼の水アト
マイズ粉末およびガスアトマイズ粉末を用い、下記３つ
のプロセスにより母材を得て各種のテストを行なった。

アトマイズ粉末は急冷凝固しているので炭化物は小さく
、平均直径は１〜２μｍ程度で最大でも３μｍを越える
ことは殆どない。これに対し溶解→鋳造材においては、
直径１０〜３０μｍの巨大炭化物が多数存在する。

テスト対象とした母材の製造プロセスとしては（１）溶
製材→圧延、（２）粉末→プレス成形→焼結→ＨＩ　Ｐ
　，　（３）粉末→カプセル充填→ＨＩＰ→鍛伸、｛４
｝粉末→カプセル充填→ガラス潤滑熱間押出、の４つと
し、これら各方法により、炭化物の大きさが異なる供試
母材を作り、これに炭、窒化物の被覆を行なって供試材
とし、テストした。

第１表に供試材の化学成分を示す。いずれもＪＩＳ　　
ＳＵＳ４４０Ｃである。

第１表　　供試材の化学成分 プロセスＮα１、即ち溶製材の供試母材は鋼塊から直径
３５ＩｎＩＩ１の丸棒鋼に圧延して直径３０ｍｍに仕上
げ加工し、熱処理ｃｉｏｓｏ℃×２０分・油冷→２００
℃１時間・空冷）を行なった後研磨仕上げを行なって得
た。

プロセスＮα２の供試母材は、水アトマイズによる粉末
をラバープレスにより直径３５ｍｍＸ長さ３００ｍｍに
成形し、１１９０℃×１時間の焼結を行なった後、Ａｒ
中１１５０℃ＸＩ５００気圧×１時間のＨＩＰ処理を行
ない、これにＮｏ．　１と同様の熱処理と研磨仕上を行
って得た。

プロセスＮα３の供試母材は、窒素ガスアトマイズによ
る粉末を直径１５０ｍｍＸ長さ５００１１１Ｋｆｔの軟
鋼板製カプセルに充填してＮｏ．　２と同様のＨＩＰ処
理を行ない、これを鍛伸して直径３５＋ｎｍの丸棒とし
、以後Ｎｏ．　ｌと同じ処理を行なって得た。

プロセスＮα４は、窒素ガスアトマイズ粉末を直径１５
０ｍｍＸ高さ６００嗣の軟鋼板製カプセルに充填し、こ
れを１０３０℃に昇温後、ただちに２０００ｔの横型押
出プレスにより直径３５ｍｍの丸棒に押し出し、そして
以後Ｎα１と同じ処理を行なって得た。

これらの各プロセスの母材につきそれぞれ多数の供試母
材を用意し、一部は母材の材質テストに、一部はＣＶＤ
法によりＴｉＣの厚さ約３．５μｍの被覆層を形成させ
、残りは同じ＜ＣＶＤ法によりＴｉ　Ｃ＋Ｔ　ｉ　Ｎ　
（厚さ約２．　０　＋１，　５　μｍ）の被覆を重ねて
行なった。そして供試母材のときと同様の仕上熱処理を
行ない、供試材を得た。

以上のごとく調製した各供試材につき、それぞれ最低ｌ
Ｏ個についてローラーピッチング法による被覆層の耐久
寿命テストを行なった。テストの結果を第２表に示す。

第２表に示したとおり、供試母材の最大炭化物径は溶製
母材であるＮα１プロセスでは２４μｍであるのに対し
、粉末を用いたＮα２〜４は６〜２μｍできわめて小さ
い。特に本発明方法のＮα４には３μｍを越えるものは
見られない。Ｎα２，　Ｎα３にはＨ　Ｉ　Ｐ処理中の
成長により５〜６μｍのものが散見される。

供試母材の抗析強度は、Ｎα４が径方向、軸方向とも最
も高く、Ｎα３がこれに次ぎ、ＮＣＬｌとＮα２は低い
。Ｎａ　ｌが低い（特に径方向）のは、炭化物が他にく
らべ極端に大きいのが原因と思われる。Ｎα２は焼結→
ＨＩＰのみで、圧鍛が行なわれていない為、このプロセ
スによる材料に一般的に見られるボア（空所）が存在し
１００％密度になっていないので、このように低いもの
と考えられる。Ｎｏ．４の場合には粉末製品にありがち
なこのボアがないことも大きな特徴である。

次に本発明で最も重視する、被覆供試材のローラーピッ
チングテストの結果では、Ｎ（Ｌ４が他のプロセスの約
３〜８倍の長寿命を示した。Ｎα３は炭化物の最大のも
のが５μｍでＨＩＰ後に圧延を行なっていてほぼ１００
％密度であるがＮα４の約３分の１の寿命である。この
ことは、この差を生ずる最大炭化物の大きさの限界値が
３〜５μｍの位置にあることを示している。

以上に述べたとおり、３μｍを超える大きさの炭化物を
含むもの、即ちプロセスＮα１〜３では満足な結果が得
られず、満足な結果を得たのはプロセスＮｏ．４による
最大直径が３μｍ以下のものだけであった。そして、こ
の炭化物の直径を維持できるのは、粉末をカプセルに充
填し、熱間押出を行なうプロセスＮα４しかないことも
確認された。即ち、粉末を使用しても、Ｎα４以外の方
法では、炭化物の凝集・成長を抑えて小さいままのもの
を得ようとすると、加える熱履歴を小さくせざるを得ず
、そうすると１００％密度のものが得られず、材料自体
の強度が低くなり、母材として不適切なものとなる。

第１図に本発明方法のプロセスを使用したＮα４のダブ
ルコーティング材の被覆層の断面３０００倍顕微鏡写真
を示す。母材部には３μｍを超える大きさの炭化物は見
られず、被覆層はきわめて平滑である。先述の第２図の
、従来材を母材とした被覆層に見られるような、巨大炭
化物による表面の凹凸は存在しない。

以上のとおり、高炭素高クロム鋼系鋼材に対して、満足
すべきＴｉ炭、窒化物の蒸着被覆を形成するには、母材
のクロム炭化物の最大直径が３μｍ以下でなければなら
ず、そのような母材を得る為にはアトマイズ粉末をカプ
セルに充填し、これを熱間ガラス潤滑押出するのが最も
適切であることを見出し、本発明を完成させたものであ
る。

く実施例〉 第３表に化学成分の実施例を示す。

夾樵皿土 第３表のＮα３　（ＳＵＳ４４０Ｃ相当）につき、その
ガスアトマイズ粉末の３５メッシュアンダーのもの（約
５００μｍ以下）を軟鋼板カプセルに充填し、直径２０
５ｍｍＸ長さ６００胴のビレットを作り、これを１０３
０℃に加熱後、２０００トン押出プレスにより押出圧１
　５　０　ｋ　ｇ　ｆ／ｍｍ”で直径６５ｍｍの棒材を
製造した。この棒材を加工して１０５０℃焼入れ、２０
０℃で焼きもどし処理後、研磨し、ＣＶＤによりＴｉＣ
コーティングを施し、更に同様の熱処理を行なってロー
ルを製作した。このロールを線材用ガイドロールに使用
したところ、従来の溶製材の場合、約１０００時間後に
コーティング層が剥離したのに対し、本発明材の寿命は
約２０００時間と、およそ２倍に向上した。

丈施１ 第３表のＮα４の成分のガスアトマイズ粉末を用い、実
施例１と同じ方法で同種のロール材を作製した後、実機
テストを行なったところ、寿命は２５００時間と溶製材
に対し、約２．５倍向上した。

これはＳＵＳ４４０Ｃに比べさらに高０１高Ｃｒ，高Ｍ
ｏの組成であるため、母材硬度がＨＲＣ６３と極めて高
く　（実施例ｌの場合はＨＲＣ５　９）、コーティング
層と母材との密着性が向上したためと考えられる。

犬施■ユ 第３表のＮα１０の成分のガスアトマイズ粉末を用い実
施例１と同じ方法で直径８０ｍｍの棒材を製造した。こ
の棒材を加工して高シリカ含有の強化プラスチック成形
用スクリューを製作し、３．５〜４．０μｍのＴｉＣを
被覆後、１　０　７　０−’Ｃ焼入れ、２５０℃焼戻し
を行ないその後最終研磨して実機テスト用の製品とした
。実機テストの結果は所定の熱処理及び上記ＴｉＣ被覆
処理を施したＳＵＳ４４０Ｃ溶製材及びしばしばこの種
のスクリューに使用されるフエ口チック製に比し、それ
ぞれ１．８倍及び１．　５倍の寿命を示した。寿命に至
った原因はいずれも摩耗による押出し圧力の低下にある
が、溶製材のＳＵＳ４４０Ｃに比べ長寿命を示したのは
、実施例２と同様、被覆の密着性及び表面の凹凸が改善
されたためと考えられる。

実施例４ 第３表のＮａ７の組成のガスアトマイズ粉末を用い、高
シリカ含宵の強化プラスチック用成形機のゲート部（ダ
イス）を作製した。製造条件は実施例３と同じである。

実機テストを行なったところ寿命はＳＵＳ４４０Ｃ溶製
材の２．　１倍であった。

溶製材は、局部的に偏摩耗を起こして寿命に至ったのに
対し、本発明品は均一に摩耗し寿命に至った。寿命の差
は溶製材の組織の不均一性により被覆層の密着性が低下
したことと、凸部の膜厚が使用時に減少剥離したことに
よると考えられる。

実施例５ 第３表のＮα５の成分のガスアトマイズ粉末を用い、実
施例ｌと同じ条件で棒材を製造した。この棒材を加工し
て、１０５０℃焼入れ２００℃焼戻し処理後、研磨し、
ＴｉＣ＋ＴｉＮの被覆処理し、同条件の再熱処理及び再
研磨を行なってビール打栓機用スローｌ・を作製した。

このスロートにより実機テストを行なったところ溶製材
のＳＵＳ４４０Ｃのスロートが約３カ月の寿命であった
のに対し、約７カ月に寿命が延長した。これは溶製材で
はスロートの導入部（アプローチ）に縦キズに伴う被覆
層の剥離が数多く観察されたのに対し、本発明品は均一
に摩耗しており、これは応力集中源となる凹凸部が皆無
になったことによると考えられる。

犬施何亙 第３表のＮα２のガスアトマイズ粉末を用い、実施例ｌ
と同じ条件で棒材を製造した。この棒材を加工して１１
３０°Ｃ焼入れ、２００℃焼戻し処理後研磨し、ＴｉＣ
＋ＴｉＮの被覆処理を行ない更に同条件の再熱処理及び
再研磨を行なって製罐用シーマーロールを作製した。使
用条件が苛酷なため、溶製材との差を明確に出すために
、ロールはそれぞれ１２個作製し、飲料罐の蓋巻き締め
用口−ルとして、実機テストを行なった。テスト結果は
、本発明品の平均巻き締め数が１５０万罐であったのに
対し、溶製材は８０万罐であった。また溶製材は３５万
、４８万及び６９万罐で１２個中３個破損したが、発明
品では破損は零であり、いずれも１２０万罐以上の寿命
であった。溶製材の破損したロールの破断面を調査した
結果、３個共破壊の起源は２０〜３０μｍの粗大炭化物
であった。また溶製材では、８個が部分的に被覆層の剥
離が生じており母材の一部が腐食した結果、寿命となっ
たが、本発明品は１１個が均一に摩耗しており、局部的
にビット状の剥離が生じたのは１個だけであった。この
結果は、本発明品の母材強度が優れると同時に、被覆と
の密着性も優秀であることを示している。

く効　果〉 以上に述べたとおり、従来、高炭素高クロム系鋼にはＴ
ｉＣおよびまたはＴｉＮの蒸着被覆は満足し得るものが
形成できなかったところ、本発明によりこれが行なえる
ようになり、例えば製碓用各種工具，強化プラスチック
成形用工具等の非常に使用条件の苛酷な部材に適用して
、これを使用する機器の信頼性、使用寿命を向上させる
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる耐食耐摩部材の被覆層部の断面の
金属組織を示す３０００倍顕微鏡写真、第２図は母材が
溶製材の場合（比較材）の同じ＜１０００倍顕微鏡写真
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　重量％でＣ：０．８〜２．０、Ｓｉ：０．０５
   〜１．００、Ｍｎ：０．０５〜１．００、Ｃｒ：１５〜
   ２５、必要に応じＭｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏの１種以上
   を０．０５〜４．０、その他不可避の不純物を含み、残
   部鉄よりなる高炭素高クロム系鋼のアトマイズ粉末をカ
   プセルに詰め、加熱後、押出し加工して、３μｍを超え
   る炭化物を含まない素材を得、これを加工し研磨して、
   その研磨面にＴｉＣ、またはＴｉＣ＋ＴｉＮの被膜を蒸
   着させることを特徴とする耐食耐熱耐摩部材の製造方法
   。
2. （２）　特許請求の範囲（１）に記載の方法により製造
   した耐食耐熱耐摩部材。