JPH09291346A - 錆発生環境下における耐摩耗性に優れた高靱性材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 錆発生環境下における耐摩耗性に優れ、高周
波焼入れ性の良好な高靱性材料を提供すること。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓ
ｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１５．
０〜３０．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．０％以下、かつ
Ｖ：３．０〜８．０％、Ｎｂ：３．０％以下の１種また
は２種をＶ＋１／Ｎｂで３．０〜８．０％を含有し、錆
摩耗の式、Ｍ＝１０００／｛−７．６３＋７．５３×Ｃ
（％）＋０．４５×Ｃｒ（％）−１．６０×Ｍｏ（％）
＋２．２０×Ｗ（％）＋１．３４×Ｖ（％）−０．５０
×Ｎｂ（％）｝について３４≦Ｍ≦４６を満足し、残部
Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金粉末を各種成形
法により製造したことを特徴とする錆発生環境下におけ
る耐摩耗性に優れた高靱性材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末冶金法により
成形、製造し、所定の焼き入れ、焼き戻しを行うことに
より、特に錆発生環境下における耐摩耗性に優れ、かつ
高周波焼き入れ性の良好な高靱性材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、缶詰めを封印する際のシーミング
ロールや木材廃材の破砕整形用ダイスなどは、水・水蒸
気等の弱腐食環境下で錆の発生し易い状況で使用され、
かつ摺動による摩耗や高面圧による剥離等が問題となる
が、これら特性は、相反する傾向にある。これらの一般
的用途には、冷間ダイス鋼のＳＫＤ１１系の工具鋼が使
用され、耐錆性の必要な用途には、ＳＵＳ４２０Ｊ２、
ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系のステンレス鋼が
使用されてきた。また、これら材料の特性を改善すべく
提案されている材料として、特開昭６３−１６９３５８
号公報、特開平１−７５６５３号公報、特開平３−２７
７７４７号公報、特開平４−２７４４号公報及び特開平
５−８６４３５号公報がある。

【０００３】しかし、これらの材料は、高耐食・高耐摩
工具部品材料としての提案であり、耐食性は、各種強酸
における強腐食環境においての評価であり、弱腐食環境
下の耐発錆性とは、似て異な特性であり、その結果は、
大きく異なってくる。最近の使用環境の厳格化に伴い、
従来の材料では、特に耐発錆性と共に、耐摩耗性および
靱性のバランスが不十分なため、各種工具の短寿命化の
みならず工具表面の発錆および摩耗による製品不良の発
生が問題となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来材は、発錆と摩耗の交互作用を考慮し設計された材
料でないこともあり、特に、耐発錆性と耐摩耗性等に一
長一短があり、十分な特性を満足していない。例えば、
冷間ダイス鋼は、耐発錆性が不十分であり、マルテンサ
イト系ステンレス鋼は、耐摩耗性が劣る等の短所があ
り、また従来の提案材料は、強酸等の耐食用途として開
発された材料であり、発錆環境下では、異なった結果と
なり、十分な目的を達成出来ない。

【０００５】更に、ＳＫＤ１１、ＳＵＳ４４０Ｃ等に
は、数十μｍの巨大共晶炭化物が存在しているため、靱
性不足による割れ・欠け・切損による破損事故や発錆・
摩耗の交互作用から起こる偏摩耗による表面肌の劣化に
より発錆し易い等のほか、高周波焼き入れ性が悪いとい
う欠点があった。発錆と摩耗の交互作用による摩耗量を
評価する方法は従来存在しなかったが、本発明はこの点
に着目し、新しく実験的に評価する方法を見出し、特に
錆発生環境下における耐摩耗性に優れ、更には高周波焼
き入れ性の良好な高靱性材料を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第一は前項で述
べた発錆と摩耗の交互作用を実験的に評価するため実施
例に示すような実験を数多く行い、錆発生環境下におけ
る摩耗量として以下の錆摩耗の式を見出した。すなわ
ち、Ｍ＝１０００／｛−７．６３＋７．５８×Ｃ（％）
＋０．４５×Ｃｒ（％）−１．６０×Ｍｏ（％）＋２．
２０×Ｗ（％）＋１．３４×Ｖ（％）−０．５０×Ｎｂ
（％）｝について３４≦Ｍ≦５０を満足し、同時に化学
成分として重量％で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓｉ：
２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜
３０．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．０％以下、かつＶ：
３．０〜８．０％、Ｎｂ：３．０％以下の１種または２
種をＶ＋１／２Ｎｂで３．０〜８．０％を含有するこ
と、更に第二はＮｉ：０．２〜２．０％、Ｃｏ：０．２
〜８．０％の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不
可避的不純物からなる合金粉末を各種成形法により製造
した材料で、６０ＨＲＣ以上の硬さに焼き入れ、焼き戻
しを行うことによって、前記目的を達成することに成功
したものである。

【０００７】本発明は、錆発生−摩耗−新界面創出−錆
発生の繰り返しにより増長される錆発生環境下での摩耗
量を評価したものは従来に無く、新しく実験的に錆摩耗
として評価し、小さく押さえるための最適特性値を見出
すこと、およびこれの改善のために添加される元素によ
り劣化する靱性をいかにバランスさせるかにある。その
ためには、炭化物の組成、析出状態、析出量、およびマ
トリックス中の固溶成分等について配慮した最適成分設
計を行うと共に、その製造方法についても決めなければ
ならない。

【０００８】各成分の範囲とその限定理由について述べ
る。Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等と結合して炭化
物を形成し、残はマトリックスを固溶強化し、本発明を
構成する重要な元素である。２．０％未満では、炭化物
量、固溶Ｃ量が少ないため耐摩耗性が不足し、３．０％
を越えると炭化物量が多くなり、靱性が劣化するので
２．０〜３．０％とする。Ｓｉは、脱酸剤として添加さ
れ、マトリックスの強化にも寄与するが、２．０％を越
えると靱性が劣化するので２．０％以下とする。Ｍｎ
は、Ｓｉと同様、脱酸剤として使用されると共に焼入性
向上にも寄与するが、２．０％を越えると変態温度を下
げ焼なまし硬さが低下しにくく、焼入れ後の残留オース
テナイトが増加し焼入れ硬さを下げるので、２．０％以
下とする。

【０００９】Ｃｒは、マトリックスに固溶して、焼入れ
性を向上させると共に、特に耐発錆性の向上に大きく寄
与し、かつ、炭化物を形成して耐摩耗性を付与する重要
な成分である。１５％未満では、目的とする耐発錆性を
得るには不十分であり、３０．０％を越えるとマトリッ
クス中のＣが不足し、焼入れ硬さが低下するため耐摩耗
性を下げ、またネット状炭化物が多くなり、靱性も劣化
させるので１５．０〜３０．０％とする。ＭｏとＷは、
Ｃｒと同様、炭化物を生成し、かつマトリックス中にも
固溶して耐摩耗性および耐発錆性の向上に寄与する成分
であるが、Ｖ、Ｎｂ添加によるＣｒ炭化物の粒状化効果
による靱性向上を阻害し、かつ高価な元素であることか
ら、所要特性を満足させるために必要な上限をＭｏ＋１
／２Ｗで２．０％とする。

【００１０】ＶとＮｂは、極めて硬質のＭＣ炭化物を生
成し、高温焼戻し時の二次硬化硬さを上げるため、耐摩
耗性向上に大きく寄与する重要な成分である。また高温
焼入れ時の結晶粒の粗大化を防止し、Ｃｒ炭化物を粒状
化させるため、靱性向上に寄与する。ＶおよびＮｂの上
記効果を出すには、Ｖ＋１／２Ｎｂで３．０％以上必要
であり、それらの添加量が８．０％を越えると炭化物量
が多くなり過ぎ、靱性、機械加工性および熱間加工性を
劣化させる。よってその範囲は、Ｖ＋１／２Ｎｂで３．
０〜８．０％とする。

【００１１】ＮｉとＣｏは、炭化物を作らず、マトリッ
クスに固溶して耐発錆性を向上させる。また、変態点温
度を下げ、より短時間で固溶し易くなるため、高周波焼
入れ性をより改善する効果がある。Ｎｉ：０．２％未
満、Ｃｏ：０．２％未満では、この効果がほとんどな
く、Ｎｉ：２．０％、Ｃｏ：８．０％を越えると焼きな
まし硬さが下がりにくく、かつ、焼入れ時に残留オース
テナイトが多量に生成して硬さが低くなる。よって、Ｎ
ｉは、０．２〜２．０％、Ｃｏは、０．２〜８．０％と
する。

【００１２】本発明の特徴である錆発生環境下における
耐摩耗性に優れた材料、即ち錆発生−摩耗−新界面創出
−錆発生の繰り返しにより増長される摩耗量を小さく押
さえるためには、上記成分範囲で、かつこれらの成分バ
ランスが、錆摩耗の式、Ｍ＝１０００／｛−７．６３＋
７．５８×Ｃ（％）＋０．４５×Ｃｒ（％）−１．６０
×Ｍｏ（％）＋２．２０×Ｗ（％）＋１．３４×Ｖ
（％）−０．５０×Ｎｂ（％）｝について３４≦Ｍ≦５
０の式を満足することにより達成されること、およびＮ
ｉ、Ｃｏの適量添加により、更に高周波焼き入れ性が改
善されることを見出したことにある。

【００１３】次に、本発明材料の製造プロセスについて
述べる。上記発明成分は、高Ｃ、高Ｃｒ、高Ｖ（Ｎｂ）
により構成されているため、溶製法により製造した場
合、巨大共晶炭化物が生成し、靱性が大幅に劣化すると
共に使用中の工具表面の粗度を劣化させ発錆を促進し、
かつ冷間加工性、熱間加工性が悪化し製造困難となる。
よってこの巨大共晶炭化物の析出しないガスまたは水ア
トマイズによる粉末冶金法により材料を製造する。この
合金粉末を既存の各種成形法（ＨＩＰ法、熱間押し出し
法、焼結法等）により固化成形し、所定の形状に粗加工
後、所定の焼き入れ−焼き戻しを行いＨＲＣ６０以上の
硬さとする。焼き戻し温度は、低温戻しが望ましいが、
曲がり等の対策として高温戻しの必要がある場合は、２
回以上の処理を行う。

【００１４】

【実施例】表１に示す粉末法による供試材は、ガスアト
マイズにより合金粉末を製造し、同粉末を直径１５０ｍ
ｍの軟鋼製カプセル内に充填し、脱気後密封してＨＩＰ
（熱間静水圧プレス）処理を行った後、直径３５ｍｍに
鍛伸することにより作成した。また溶製法による供試材
は、ランニング鋼塊からのφ３５圧延材または高周波誘
導炉による１００ｋｇ鋼塊を直径３５ｍｍに鍛伸するこ
とにより作成し、それぞれの試験に供した。

【００１５】

【表１】

【００１６】（１）錆摩耗（錆発生環境下における耐摩
耗性）評価試験 供試材を直径３０ｍｍに加工しロール試験片を作成し、
表１に示す条件にて焼き入れ−焼き戻し処理を行い、仕
上げ加工後、表２に示す試験条件により、水道水を滴下
することで錆発生環境を作り出すと共に、相手ロールと
接触、従動回転させることで摺動摩耗を起こしこれらに
より試験片の重量減を測定し錆摩耗を評価した。試験結
果を表１に示す。錆摩耗量Ｍは、錆摩耗の式、Ｍ＝１０
００／｛−７．６３＋７．５８×Ｃ（％）＋０．４５×
Ｃｒ（％）−１．６０×Ｍｏ（％）＋２．２０×Ｗ
（％）＋１．３４×Ｖ（％）−０．５０×Ｎｂ（％）｝
と強い相関があり、Ｍ値が５０以下において、５０ｍｇ
以下の摩耗量に低位安定することが分かる。

【００１７】

【表２】

【００１８】（２）靱性評価試験 上記供試材から１０Ｒ，２ｍｍＣノッチのシャルピー衝
撃試験用ＴＰを切り出し、表１の熱処理条件により、焼
き入れ−焼き戻し処理を行った後試験に供した。その試
験結果を表１に示す。錆・摩耗の式、Ｍ＝５０以下の成
分系において、溶製材の靱性は特に低いことから、粉末
冶金法による材料が適していることが分かる。また、錆
・摩耗の式が３４を下回る成分系の材料は、シャルピー
衝撃値が１０Ｊ／ｃｍ未満の低い靱性値となる。

【００１９】（３）高周波焼き入れ性評価試験 上記、錆発生環境下の耐摩耗試験用試験片の焼き入れ条
件において、焼き入れ時の加熱時間を通常の２０分から
５分に短縮した時の熱処理硬さの測定結果を表１に示
す。ＮｉまたはＣｏの無添加材料の硬さは、いずれも６
０ＨＲＣ未満であるのに対し、ＮｉまたはＣｏの添加材
料は、６０ＨＲＣ以上の高硬度を示しており、含有量が
増加するにつれ通常熱処理の硬さに近ずいている。即
ち、短時間加熱で高硬さが得られることから、高周波焼
き入れ性に優れていることが分かる。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による材料
は、錆と摩耗の交互作用により増長される摩耗量を抑制
する指標となる錆摩耗の式とその有効範囲を見出すこと
により、錆発生環境下における耐摩耗性に優れ、かつ高
靱性、更には高周波焼き入れ性も良好であることから、
広範囲の用途にその効果を発揮可能であることから、そ
の工業的価値は極めて大きい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：２．０〜３．０％ Ｓｉ：２．０％以下 Ｍｎ：２．０％以下 Ｃｒ：１５．０〜３０．０％ Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．０％以下かつ、 Ｖ：３．０〜８．０％ Ｎｂ：３．０％以下の１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂ
   で３．０〜１０．０％を含有し、錆摩耗の式、Ｍ＝１０
   ００／｛−７．６３＋７．５８×Ｃ（％）＋０．４５×
   Ｃｒ（％）−１．６０×Ｍｏ（％）＋２．２０×Ｗ
   （％）＋１．３４×Ｖ（％）−０．５０×Ｎｂ（％）｝
   について３４≦Ｍ≦５０を満足し、残部Ｆｅおよび不可
   避的不純物からなる合金粉末を各種成形法により製造し
   たことを特徴とする錆発生環境下における耐摩耗性に優
   れた高靱性材料。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ：２．０〜３．０％ Ｓｉ：２．０％以下 Ｍｎ：２．０％以下 Ｃｒ：１５．０〜３０．０％ Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．０％以下かつ、 Ｖ：３．０〜８．０％ Ｎｂ：３．０％以下の１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂ
   で３．０〜１０．０％、更に、 Ｎｉ：０．２〜２．０％ Ｃｏ：０．２〜８．０％の１種または２種を含み、錆摩
   耗の式、Ｍ＝１０００／｛−７．６３＋７．５８×Ｃ
   （％）＋０．４５×Ｃｒ（％）−１．６０×Ｍｏ（％）
   ＋２．２０×Ｗ（％）＋１．３４×Ｖ（％）−０．５０
   ×Ｎｂ（％）｝について３４≦Ｍ≦５０を満足し、残部
   Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金粉末を各種成形
   法により製造したことを特徴とする錆発生環境下におけ
   る耐摩耗性に優れ、かつ高周波焼き入れ性の良好な高靱
   性材料。