WO2009133920A1 - 高硬度ショット材 - Google Patents

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俊之 澤田
新吾 福本
彰彦 柳谷
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山陽特殊製鋼株式会社
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    • C22C—ALLOYS
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    • B24C11/00—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%

Definitions

  • the present invention relates to a shot material excellent in high hardness, high toughness and high corrosion resistance.
  • This shot peening is an effective surface treatment method that can impart a compressive residual stress to the surface of the material to be treated and improve fatigue strength, and is also applied to automobile parts such as springs and gears or mold materials.
  • materials to be processed such as gears that have undergone carburizing and quenching have been increased in hardness, and shot materials for these members are also required to have increased hardness. That is, a high compressive residual stress cannot be obtained by shot peening using a shot material having a low hardness with respect to a material having a high surface hardness.
  • High-hardness shot materials include ceramics such as zirconia beads and alumina beads, but these ceramics are more brittle than metal powders, so they are easily crushed by shot peening and have a short life span.
  • a carbide shot material having high hardness and toughness exceeding HV1400 has been proposed.
  • carbides such as hafnium carbide, tantalum carbide, and tungsten carbide, and nitrides such as hafnium nitride and tantalum nitride are used.
  • Borides such as hafnium boride, tantalum boride, and tungsten boride are used.
  • JP-A-2002-36115 (hereinafter referred to as Patent Document 2) proposes an iron-based amorphous shot material having high hardness and high toughness.
  • Patent Document 3 proposes a high hardness shot material containing Fe, B and Ti, Cr, Ni, Mo, and also for a high hardness material exceeding 1150 HV. Are listed. In this technique, addition of Cr and Ni has also been proposed in order to improve the corrosion resistance.
  • the projection material as described in Patent Document 1 described above is very expensive compared to a shot material made of cast iron.
  • the iron-based amorphous shot material having high hardness and high toughness disclosed in Patent Document 2 has an upper limit of hardness of HV1100, and in the examples, HV1000 has the highest hardness and exceeds HV1100. It is very difficult to produce metal powder.
  • Cited Document 3 a high-hardness shot material containing Fe, B and Ti, Cr, Ni, and Mo is proposed, but in some cases, it is stored at a very high temperature and high humidity. There were also cases of drowning in the club.
  • the inventors of the present invention have recently added a predetermined amount of B, Al, and optionally Cr to Fe and manufactured an iron-based high hardness shot material by a gas atomization method. It was found that a shot material having high toughness and sufficient corrosion resistance can be manufactured at low cost.
  • an object of the present invention is to provide a shot material excellent in high hardness, high toughness and high corrosion resistance at low cost.
  • B 5 to 8 mass%, Al: 10 mass% or less, Cr: 0 to 25 mass%, and the balance Fe and unavoidable impurities, preferably consisting only of these components, are produced by a gas atomization method.
  • An iron-based high hardness shot material is also provided.
  • the shot material of the present invention contains B: 5 to 8 mass%, Al: ⁇ 10 mass%, and consists of the balance Fe and unavoidable impurities, and preferably consists of only these components. Since this shot material has a composition that is hypereutectic in the Fe—Fe 2 B two-phase region in the Fe—B phase diagram, the high hardness Fe 2 B that becomes the primary crystal is replaced with a high toughness iron-based solid solution. Alternatively, it has a structure surrounded by an eutectic of iron-based solid solution and Fe 2 B. With this microstructure, both high hardness and high toughness can be achieved.
  • Cited Document 3 Cr is added for the purpose of improving corrosion resistance.
  • Cr easily combines with B, most of them are dissolved in Fe 2 B. Accordingly, the amount of solid solution in the iron-based solid solution phase is reduced. Therefore, the corrosion resistance improvement of the iron-based solid solution phase is not always sufficient.
  • the inventors have clarified that the corrosion resistance can be improved efficiently by adding Al.
  • the alloy to which Al is added is gas atomized
  • Al is an element that is difficult to combine with B, so it is mainly dissolved in the iron-based solid solution phase to improve the corrosion resistance. Therefore, it was found that the effect of improving the corrosion resistance was great even with a small addition amount.
  • the alloy of the present invention is produced by the casting and grinding method, due to the coarsening of the solidified structure, when it is used as a shot material suitable for several hundred ⁇ m, Fe 2 B and iron-based solid solution or iron-based solid solution in each powder Since it is difficult to form a microstructure surrounded by an eutectic of Fe 2 B, production by a gas atomization method is optimal.
  • the B content in the shot material of the present invention is 5 to 8 mass%.
  • B is a composition that becomes hypereutectic in the Fe—Fe 2 B two-phase region in the Fe—B phase diagram
  • high hardness Fe 2 B that becomes the primary crystal is changed to high toughness. It has a structure surrounded by an iron-based solid solution or an eutectic of iron-based solid solution and Fe 2 B. With this microstructure, both high hardness and high toughness can be achieved.
  • less Fe 2 B is less than 5 mass%, no sufficient hardness can be obtained and, since too produced many 8mass% by weight, Fe 2 B, no sufficient toughness can not be obtained.
  • the Al content in the shot material of the present invention is 10 mass% or less, preferably 0.5 to 10 mass%, more preferably 1 to 7 mass%, and further preferably 2 to 5 mass%.
  • Al mainly dissolves in the iron-based solid solution phase and has a large effect of improving the corrosion resistance. However, if the amount exceeds 10 mass%, a brittle phase is generated, so the upper limit was set to 10 mass%.
  • the Al content is preferably 0.5% or more.
  • Cr Since Cr has an effect of improving corrosion resistance, it is preferably added in a range of 25 mass% or less in order to supplement Al.
  • the preferable Cr content is 1 to 25 mass%, more preferably 3 to 15 mass%, and further preferably 5 to 10 mass% in order to obtain improved corrosion resistance. If it exceeds 25 mass%, the melting point rises and production by the atomizing method becomes difficult, which is not preferable.
  • the high hardness shot material according to the present invention is manufactured by a gas atomizing method.
  • the atomization method is a production method that can produce a large amount of powder at a low cost, and by rapidly solidifying a molten metal having a Fe—Fe 2 B-based hypereutectic composition (some may be replaced by other elements).
  • the crack resistance was evaluated by using the above-mentioned resin-embedded sample, making an indentation with a load of 200 to 1000 g with a micro Vickers hardness meter, and generating a crack.
  • the powder was spread on a glass plate with a double-sided tape, and a wet test was performed under the conditions of 70 ° C.-95 RH% -96 hours. The case where the entire surface was generated was indicated as “X”, the case where a portion was generated as “ ⁇ ”, and the case where there was no occurrence as “ ⁇ ”.
  • Comparative Example No. No. 13 does not contain Al or Cr as a component composition, and as a result of performing a wet test, glazing occurred on the entire surface.
  • No. which is an example of the present invention Since 14 to 15 did not contain Cr as a component composition, the corrosion resistance was slightly inferior.
  • Invention Example No. No. 16 did not contain Cr, but its corrosion resistance was good due to the high content of Al.
  • Other Invention Example No. It can be seen that 17 to 19 all have good corrosion resistance.

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Abstract

　高硬度、高靱性および高耐食性の優れた、安価に提供可能な鉄基高硬度ショット材が開示されている。このショット材は、Ｂ：５～８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０～２５ｍａｓｓ％、および残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、ガスアトマイズ法によって製造されたものである。

Description

高硬度ショット材 関連出願の相互参照
　この出願は、２００８年４月３０日に出願された日本国出願２００８－１１８１１２号に基づく優先権を主張するものであり、その全体の開示内容が本明細書に参照により組み込まれる。
　本発明は、高硬度、高靱性および高耐食性の優れたショット材に関するものである。
　従来、金属製品の寿命を長くするためにショットピーニング処理をすることは周知である。このショットピーニングは被処理材の表面に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を改善できる有効な表面処理方法であり、ばねやギヤ等の自動車部品、あるいは金型材などにも適用されている。近年、浸炭焼入れ処理を行なったギヤなど、被処理材の高硬度化が進んでおり、これら部材へのショット材にも高硬度化が求められている。すなわち、表面硬度の高い被処理材に対し、低硬度なショット材を用いたショットピーニングでは高い圧縮残留応力が得られない。
　また、自動車等の更なる軽量化に伴い、益々高硬度な被処理材をショットピーニングする必要があるため、さらに高硬度を有するショット材が求められている。高硬度なショット材としてはジルコニアビーズやアルミナビーズなどのセラミックスがあるが、これらのセラミックスは金属粉末と比較し脆性であるため、ショットピーニングにより破砕しやすく、ショット材の寿命が短い。
　上記のような課題に対し、ＨＶ１４００を超えるような高硬度および高靭性を有する超硬製ショット材が提案されている。例えば、特開平８－３２３６２６号公報（以下、特許文献１）に開示されているように、投射材として、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物や、窒化ハフニウム、窒化タンタルなどの窒化物、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化タングステンなどのホウ化物等が使用されている。
　また、特開２００２－３６１１５号公報（以下、特許文献２）には、高硬度および高靭性を有する鉄系アモルファスショット材が提案されている。さらに、特開２００７－８４８５８号公報（以下、特許文献３）には、Ｆｅ，ＢおよびＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含む高硬度ショット材が提案されており、１１５０ＨＶを超える高硬度材についても記載されている。この技術においては、耐食性を改善するためにＣｒ，Ｎｉ添加も提案されている。
　しかしながら、上述した特許文献１のような投射材は、鋳鉄製ショット材などと比較し非常に高価である。また、特許文献２に開示されている高硬度および高靭性を有する鉄系アモルファスショット材は、硬度の上限がＨＶ１１００で、実施例においてはＨＶ１０００が最も高硬度となっており、ＨＶ１１００を超えるような金属粉末を製造するのは非常に困難である。さらに、引用文献３においては、Ｆｅ，ＢおよびＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含む高硬度ショット材が提案されているが、しかし、場合によっては非常に高温高湿下で保管されるため、一部に発銹が見られることもあった。
　本発明者らは、今般、ＦｅにＢ、Ａｌおよび所望によりＣｒを所定量添加してガスアトマイズ法によって鉄基高硬度ショット材を製造することにより、ＨＶ１０００以上の高硬度と、セラミックスショット材以上の高靭性と、十分な耐食性とを有するショット材を安価に製造できるとの知見を得た。
　したがって、本発明の目的は、高硬度、高靱性および高耐食性の優れたショット材を安価に提供することにある。
　本発明によれば、Ｂ：５～８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０～２５ｍａｓｓ％、および残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、好ましくはこれらの成分のみからなり、ガスアトマイズ法によって製造された、鉄基高硬度ショット材が提供される。
　以下、本発明について詳細に説明する。
　本発明ショット材は、Ｂ：５～８ｍａｓｓ％、Ａｌ：≦１０ｍａｓｓ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、好ましくはこれらの成分のみからなる。このショット材は、Ｆｅ－Ｂの状態図においてＦｅ－Ｆｅ2 Ｂの２相領域において過共晶となる組成であるため、初晶となる高硬度なＦｅ2 Ｂを、高靭性な鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ2 Ｂの共晶物が取り囲む組織を有する。このミクロ組織により、高硬度と高靭性を両立させることが出来る。
　さらに、Ａｌを添加することにより耐食性を改善している。引用文献３において、耐食性アップを目的としＣｒを添加しているが、ＣｒはＢと化合しやすいため、多くはＦｅ2 Ｂ中に固溶してしまう。したがって、鉄基固溶体相への固溶量が少なくなってしまう。そのため、鉄基固溶体相の耐食性改善は必ずしも十分ではない。そこで、発明者らは鋭意検討した結果、Ａｌ添加により効率よく耐食性を向上できることを明らかにした。
　このＡｌを添加した合金をガスアトマイズすると、ＡｌはＢと化合しにくい元素であるため、主に鉄基固溶体相に固溶し、耐食性を向上させる。そのため、わずかな添加量においても耐食性向上の効果が大きいことがわかった。また、本発明合金を鋳造粉砕法で製造すると、凝固組織の粗大化により、ショット材として好適な数百μｍで使用する場合、個々の粉末中でＦｅ2 Ｂを鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ2 Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織にはなりにくいことから、ガスアトマイズ法による作製が最適である。
　本発明のショット材におけるＢの含有量は、５～８ｍａｓｓ％である。Ｂは、上述したように、Ｆｅ－Ｂの状態図においてＦｅ－Ｆｅ2 Ｂの２相領域において過共晶となる組成であるため、初晶となる高硬度なＦｅ2 Ｂを、高靭性な鉄基固溶体もしくは鉄基固溶体とＦｅ2 Ｂの共晶物が取り囲む組織を有する。このミクロ組織により、高硬度と高靭性を両立させることが出来る。しかし、５ｍａｓｓ％未満ではＦｅ2 Ｂが少なく、充分な硬度が得られず、また、８ｍａｓｓ％を超えるとＦｅ2 Ｂが多く生成しすぎるため、充分な靭性が得られない。
　本発明のショット材におけるＡｌの含有量は、１０ｍａｓｓ％以下であり、好ましくは０．５～１０ｍａｓｓ％、より好ましくは１～７ｍａｓｓ％、さらに好ましくは２～５ｍａｓｓ％である。Ａｌは主に鉄基固溶体相中に固溶し、耐食性を改善する効果が大きいが、１０ｍａｓｓ％を超えると脆性相が生成してしまうことから、上限を１０ｍａｓｓ％とした。ただし、その耐食性の改善を図るためにはＡｌ含有量が０．５％以上であるのが望ましい。
　Ｃｒは耐食性を改善する効果を有するため、Ａｌを補うため２５ｍａｓｓ％以下の範囲で添加することが好ましい。この場合におけるＣｒの好ましい含有量は、改善された耐食性を得るためには、１～２５ｍａｓｓ％、より好ましくは３～１５ｍａｓｓ％、さらに好ましくは５～１０ｍａｓｓ％である。２５ｍａｓｓ％を超えると融点が上昇しアトマイズ法による製造が困難になるので好ましくない。
　本発明による高硬度ショット材は、ガスアトマイズ法によって製造される。これは、アトマイズ法は安価に大量の粉末を製造できる製造法であり、かつＦｅ－Ｆｅ2 Ｂ系過共晶組成（一部他元素により置換しても良い）の溶湯を急冷凝固させることにより、高硬度なＦｅ2 Ｂを高靭性な鉄基固溶体または鉄基固溶体とＦｅ2 Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織を形成することができ、それによって高硬度と高靭性を両立させた粉末が得られるからである。
　以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
　表１および表２に示す組成に秤量した２５ｋｇの原料をアルミナ製坩堝でＡｒ中にて誘導溶解し、坩堝底部の径５ｍｍ出湯ノズルより、１６５０℃にて出湯し、窒素ガスアトマイズにて粉末を製造した。その結果を表１および２に示す。表１に示す硬度については、各粉末を－１２５／＋４４μｍに分級し、樹脂埋めした試料を用い、ミクロビッカース硬度計により測定した。測定荷重は３００ｇでｎ＝１０の平均を算出した。
　また、耐クラック性については、上記の樹脂埋め試料を用い、ミクロビッカース硬度計にて２００～１０００ｇの荷重で圧痕を打ち、クラックが発生した荷重で評価した。表２に示す耐食性評価については、ガラス板に両面テープで粉末を敷詰め、７０℃－９５ＲＨ％－９６時間の条件で、湿潤試験を実施した。全面発銹したものを×、一部発銹したものを△、発銹のなかったものを○とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１に示すように、Ｎｏ．１～８は本発明例であり、Ｎｏ．９～１２は比較例である。
　比較例Ｎｏ．９は成分組成としてＢ含有量が低いために、硬度（ＨＶ）が低い。Ｎｏ．１０は逆にＢ含有量が高いために、硬度（ＨＶ）が高く、クラック発生荷重が５００ｇと低い値でクラックが発生した。Ｎｏ．１１はＡｌ含有量が高いために、クラック発生荷重が５００ｇと低い値でクラックが発生した。Ｎｏ．１２はＣｒ含有量が高いために、ノズル閉塞が起こった。これに対し、本発明例であるＮｏ．１～８はいずれも本発明の成分組成の条件を満たしていることから、硬度（ＨＶ）も最適硬度であり、かつクラック発生荷重も１０００ｇないし１０００ｇ超でもクラックの発生は見られなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　表２に示すように、Ｎｏ．１３は比較例であり、Ｎｏ．１４～１９は本発明例である。
　比較例Ｎｏ．１３は成分組成としてＡｌ、Ｃｒを含有しないことから湿潤試験を実施した結果、全面に発銹が発生した。これに対し、本発明例であるＮｏ．１４～１５は成分組成としてＣｒを含有していないことから、耐食性がやや劣る結果となった。本発明例Ｎｏ．１６はＣｒを含有しないがＡｌの含有量が高いことから耐食性は良好であった。その他本発明例Ｎｏ．１７～１９はいずれも耐食性は良好であることが分かる。
　以上のように、アトマイズ法により安価に大量の粉末をＦｅ－Ｆｅ2 Ｂ系過共晶組織の溶湯を急冷凝固させることにより、高硬度なＦｅ2 Ｂを高靱性な鉄基固溶体または鉄基固溶体とＦｅ2 Ｂの共晶物が取り囲んだミクロ組織が構成させることができ、その結果、高強度と高靱性を両立させた粉末を製造することを可能となる。

Claims (8)

  1. 　Ｂ：５～８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０～２５ｍａｓｓ％、および残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、ガスアトマイズ法によって製造された、高硬度ショット材。
  2. 　Ｂ：５～８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０～２５ｍａｓｓ％、および残部Ｆｅおよび不可避的不純物のみからなる、請求項１に記載の高硬度ショット材。
  3. 　Ａｌを０．５～１０ｍａｓｓ％含む、請求項１に記載の高硬度ショット材。
  4. 　Ａｌを０．５～１０ｍａｓｓ％含む、請求項２に記載の高硬度ショット材。
  5. 　Ｃｒを１～２５ｍａｓｓ％含む、請求項１に記載の高硬度ショット材。
  6. 　Ｃｒを１～２５ｍａｓｓ％含む、請求項２に記載の高硬度ショット材。
  7. 　ＨＶ１１００を超える硬度を有する、請求項１に記載の高硬度ショット材。
  8. 　ＨＶ１１００を超える硬度を有する、請求項２に記載の高硬度ショット材。
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