JPH0699780B2 - 鏡面仕上げ性に優れた硬質耐食合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はFe基耐食合金に係り、特に鏡面仕上げ性に優れ
た時効硬化型のFe基耐食合金に関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする問題点） 近年、光ディスクやプラスチックレンズなどの普及に伴
って、これらを樹脂から成形すると同時に平滑で光沢の
ある表面を得るための鏡面仕上げ性に優れた樹脂成形金
型材料のニーズが急増してきている。

従来より、この種の鏡面仕上げ用金型材料としては、13
Crマルテンサイト系ステンレス鋼、マルエージング鋼な
どが用いられている。

しかし、前者の13Crマルテンサイト系ステンレス鋼の場
合には、Ｃを含むため、金型を製造する際の熱処理時に
寸法変化が生じ易く、また製造された金型で樹脂成形す
ると金型表面の粗大析出相である炭化物が樹脂に転写さ
れ、鏡面仕上げ性が劣るという問題がある。そこで、こ
の問題を解決するため、得られた金型表面にCVD法でTiN
をコーティングする方法が試みられているが、母材とコ
ーティング層の境界部に歪が発生してコーティング層が
剥離するという問題があり、更にはコーティング処理費
が高くついてコスト高になる等の欠点がある。

一方、後者のマルエージング鋼の場合には、得られた金
型に炭化物を含まないため、鏡面仕上げ性に優位性を備
えてはいるものの、硬さが充分でなく、また加熱された
樹脂から発生する腐食ガスに対する耐食性が不足すると
いう問題がある。

このように、いずれの金型材料も鏡面仕上げ性、耐食性
等々の所要の特性を充分備えた材料とは伝い難く、或い
は特殊な表面処理を必要とするなど製造コスト上の問題
もある。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、コーティング
処理等の表面処理を必要とせず、表面に炭化物等の粗大
析出相を含まないで優れた鏡面仕上げ性を有し、しかも
硬質で耐食性も優れている新規な合金を提供することを
目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明者は、従来の炭化物
（セメントタイト、クロムカーバイド等）析出による硬
質化機構ではコーティング処理しなければ鏡面仕上げ性
を確保できないことに鑑みて、時効硬化型の合金とし、
しかし、従来の時効硬化型とは異なる機構により硬度及
び耐食性ともに充分に備えた合金を開発すべく鋭意研究
を重ねた結果、Moのクラスター化により合金を硬質化で
き、かつ、優れた鏡面仕上げ性と共に耐食性を充分兼ね
備え得る時効硬化型のFe基合金を見い出すに至り、ここ
に本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、Mo:2〜22％、Cr:2〜19％及びCo:2
〜48％を含み、残部が実質的にFeからなる組成におい
て、Coの含有量の１部をＶ≦10％及びMn≦10％の１種又
は２種で置換してなり、かつ、各元素の含有量として、
第１図に示すMo＋Cr量（横軸）とCo＋Ｖ＋Mn量（縦軸）
が斜線部領域内にあり、第２図に示すMo量（横軸）とCr
量（縦軸）が斜線部領域内にあるように調整してなるこ
とを特徴とする鏡面仕上げ性に優れた硬質耐食合金を要
旨とするものである。

以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

まず、本発明合金における各成分の作用について説明す
る。なお、各成分とも後述の適量範囲内においてその固
有な作用を発揮するものであることは云うまでもない。

Moは、本発明においてクラスター化による硬化機構を活
用するために最も重要な成分であって、溶体化処理後の
時効によりMoの原子同志が集合してクラスターを形成す
るが、Moのクラスターのサイズ及び平均間隔は非常に微
細であるため、クラスターによる周期的格子歪によって
合金を硬質化させることができる。この機構は、第３図
に図解するように、鉄（Fe）の格子面にMo原子を集団的
に配列させて周期的な格子歪を作るもので、例えば10個
のFe原子毎にその格子面に多数のMo原子の集合体が形成
されている。このような作用を得るためには少なくとも
２％以上のMoが必要である。しかし、22％を超えると高
温でも合金を塑性加工できなくなる。なお、このクラス
ター化はCr等のMo以外の異種原子が必要以上に増加する
とFe原子とMo原子との反発が弱められ、硬化機構の作用
が低下するので、後述の如く他の添加元素との関連で更
にその含有量が規制されるものである。

Crは上記硬化機構においてMoのクラスターにて前記集合
体であるMo原子の一部と置換する傾向を有し、Moと共に
硬化機構を発揮する主要な成分であり、しかも合金の耐
食性を改善する作用もある。これらの作用のためには少
なくとも２％以上のCrを必要とするが、19％を超えると
熱間加工性が悪化する。

また、CoはMoのクラスターの形成を促進する作用があ
り、また熱間加工性を良好にするのに効果がある。その
ためには少なくとも２％以上のCoが必要であるが、48％
を超えると硬化作用が弱まる。

Ｖも、Coと同様、Moクラスターの形成を促進させる作用
があり、更には硝酸などの酸化性酸に対する耐食性を改
善するのに効果がある。Mnは脱酸剤として介在物の除去
に有効な元素であり、またCoやＶと同様、Moのクラスタ
ーの形成を促進させる作用がある。このようにＶ及びMn
はCoと同様、Moのクラスターの形成を促進させる作用が
あるので、Coの一部をＶ及びMnの少なくとも１種で置換
することができる。その場合、熱間加工性を考慮してＶ
量及びMn量とも10％以下の範囲とする。

したがって、Moのクラスターによる硬化機構を有効に機
能し、更に熱間加工性、耐食性、脱酸作用等を必要限度
で得るためには、MoのほかCr及びCoを適量で含有させる
と共にCoの一部をＶ及びMnの少なくとも１種で置換させ
て適量で含有させるのがよい。

但し、上記作用を有するMo、Cr、Co、Ｖ及びMnの含有量
は、本発明者の研究によれば、第１図及び第２図に示す
斜線部領域内に属するように規制し調整する必要がある
ことが判明した。

すなわち、第１図は硬化機構の主要成分であるMo＋Cr量
（横軸）と硬化を促進させる成分であるCo＋Ｖ＋Mn量
（縦軸）の関係を示したものである。同図中、領域Ａ
（斜線部）はａ（４％、48％）、ｂ（４％、24％）、ｃ
（15％、２％）、ｄ（24％、16％）ｅ（24％、30％）、
ｆ（18％、30％）及びｇ（12％、48％）の各点を順次結
ぶ線で囲まれた領域で、本発明範囲内の組成であること
を示している。この領域Ａ内の成分量であれば、熱間加
工が可能であり、時効によりビッカース硬度（mHv）で5
50以上に硬化する。したがって、鏡面仕上げ性が優れて
いることは云うまでもない。

図示のように、領域Ａにおいては、特に、硬化を促進さ
せる元素であるCo、Ｖ、Mnの添加量が20％以上の如く増
加すると、Mo及びCrが少量でも硬質合金を得ることがで
きる。

しかし、領域Ｂでは、Mo＋Cr量が少なく、しかもCo＋Ｖ
＋Mn量も少ないためにクラスターが充分に形成されず、
硬度550未満で合金が硬質化しない。またCo＋Ｖ＋Mn量
が少ない場合でも、領域ＣではMo＋Cr量が多すぎるた
め、高温でσ相、μ相などが形成され易くなり、脆くな
って熱間圧延など熱間加工が不可能となる。

一方、領域Ｄのように、Co＋Ｖ＋Mn量が多すぎても硬度
が550未満に低下する領域が存在する。これは、CrやC
o、Ｖ、Mn等のMo以外の異種原子が増加することによりF
e原子とMo原子との反発が弱まり、熱力学的にMo、Crの
クラスターが減少し或いは生じない組成になっているも
のと推定される。

第２図は硬化機構の主要成分であるMo量（横軸）とCr量
（縦軸）の関係を示したものである。図中、斜線部はｈ
（２％、19％）、ｉ（２％、11％）、ｊ（10％、２％）
及びｋ（22％、２％）の各点を順次結ぶ線で囲まれた領
域で、本発明範囲内の組成であることを示している。第
１図に示したように、MoとCrとの合計量が24％を超える
と（領域Ｃ）、熱間加工が不可能となるため、MoとCrの
合計量は24％以下とする必要がある。しかし、Mo、Cr量
があまり少ないと硬化作用がないので、それぞれ２％以
上とするが、合計量が第１図に示した領域Ａ内にあるよ
うにすることは云うまでもない。

上記化学成分を有する本発明合金は、通常は、常法によ
り溶解、鋳造し、均質化焼純、熱間圧延等の熱間加工を
行って素材を製造し、次いで溶体化処理を施した後、所
望の寸法、形状の製品に塑性加工を行う。その場合、溶
体化処理状態では塑性加工が容易であり、その後、時効
により硬質化するので成形加工に支障はない。特に、組
織的には粗大な析出相を含まない状態で硬質化されるの
で、金型材料に用いた場合、表面粗度3/1000μｍを達成
でき、優れた鏡面仕上げ性が得られる。このため、光デ
ィスクなどの樹脂成形に高性能を発揮する金型を得るこ
とが可能である。勿論、本発明合金は金型材料用だげで
はなく、その特性を活かしてプラスチック射出成形機の
シリンダー、スクリューなどの各種部材に適用可能であ
る。

また、本発明合金は上述の鋳造合金としての利用態様の
みならず、粉末冶金法による硬質焼合金としても利用可
能であって、例えば、溶融状態よりアトマイズ法を用い
て粉末（アトマイズ粉）を製造し、これを焼結法により
成形した後、溶体化処理を施すならば、結晶粒が微細な
硬質焼結合金が得られるし、更に、アトマイズ粉にWC、
TiC、TiB₂などの硬質粒子を混合し、焼結すれば、超硬
質耐摩耗合金が得られる。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 第１表及び第２表に示す化学成分（at%）を有する合金
を溶製、鋳造し、鋳塊に1250℃×5hrの均質化焼純を施
した後、1250〜1000℃の温度で熱間圧延を行った。

熱間圧延後、1250℃×20minの溶体化処理を施し、500℃
×7hrの時効処理を施して共試合金とした。

各共試合金について時効硬さ（mHv）を測定すると共に
加工性を調べた。それらの結果を第１表及び第２表に併
記する。なお、加工性は熱間圧延時に割れが発生したか
どうかにより評価し、表中の×印は割れが発生した場合
を表わし、無印は割れの発生がなかったことを表してい
る。

第１表及び第２表から明らかなとおり、本発明合金No.1
7〜No.31はいずれも充分な硬さを有すると共に熱間圧延
で割れが発生せず、良好な加工性を有している。

これに対し、比較合金No.1〜No.16は硬さが不充分であ
るか或いは加工性が劣っている。特にNo.1〜No.4は第１
図の領域Ｂに属する組成のため、硬質化が不充分であ
り、No.5〜No.8は領域Ｃに属する組成を有するため、熱
間圧延が不可能であった。また、No.9〜No.12は領域Ｄ
に属する組成を有し、硬質化が不充分である。No.13は
第２図に示したMoとCrの関係を満足しないため、硬質化
が不充分である。No.14はMn量が多すぎ、No.15はＶ＋Mn
量が多すぎるため、それぞれ熱間圧延が劣化している。
またNo.16は硬さは充分であるが、Crが含まれていな
い。

次に、第２表に示した本発明合金のうち、No.19〜No.22
の４種類の合金について、50℃、５％HCl溶液を用いて
耐食テストを実施した。その結果を第３表に示す。な
お、比較のため、プラスチック成形金型材料として用い
られている従来材の13Crマルテンサイト系ステンレス鋼
（No.32）とマルエージング鋼（No.33）、並びに第１表
に示した比較合金No.16についても同様の腐食テストを
実施した。

第３表から明らかなとおり、本発明合金はいずれも優秀
な耐食性を有しているのに対し、従来材のNo.32及びNo.
33はいずれも耐食性が劣り、また比較合金No.16はCrが
含まれていないために耐食性が充分とは云えない。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、従来の炭化物析
出による硬化機構に代え、時効によりMoのクラスターを
形成して硬化する硬化機構を利用するべく化学成分を調
整したので、時効処理前の状態では塑性加工が容易であ
り、時効処理により充分な硬さを付与でき、したがっ
て、粗大な析出相を含まないで硬質化されるので優れた
鏡面仕上げ性を有し、しかも耐食性の優れた合金を提供
することができる。特に光ディスク、プラスチックレン
ズなどの樹脂成形金型材料に好適である。また、鋳造合
金としてだけでなく、粉末冶金法により硬質焼結合金又
は超硬質耐摩耗合金としても利用することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明合金におけるMo＋Cr量とCo＋Ｖ＋Mn量の
関係を示す図、 第２図はMo量とCr量の関係を示す図、 第３図はFe原子の格子面に形成されたMoのクラスターを
示す説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子％で（以下、同じ）、Mo:2〜22％、C
   r:2〜19％及びCo:2〜48％を含み、残部が実質的にFeか
   らなる組成において、Coの含有量の１部をＶ≦10％及び
   Mn≦10％の１種又は２種で置換してなり、かつ、各元素
   の含有量として、第１図に示すMo＋Cr量（横軸）とCo＋
   Ｖ＋Mn量（縦軸）がａ（４％、48％）、ｂ（４％、24
   ％）、ｃ（15％、２％）、ｄ（24％、16％）、ｅ（24
   ％、30％）、ｆ（18％、30％）及びｇ（12％、48％）の
   各点を順次結ぶ直線で囲まれた領域内にあり、第２図に
   示すMo量（横軸）とCr量（縦軸）がｈ（２％、19％）、
   ｉ（２％、11％）、ｊ（10％、２％）及びｋ（22％、２
   ％）の各点を順次結ぶ直線で囲まれた領域内にあるよう
   に調整してなることを特徴とする鏡面仕上げ性に優れた
   硬質耐食合金。