(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024150339
(43)【公開日】2024-10-23
(54)【発明の名称】投射用金属粉末
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20241016BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20241016BHJP
B22F 1/065 20220101ALI20241016BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20241016BHJP
【FI】
C22C38/00 302Z
B22F1/00 T
B22F1/065
C22C38/58
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023063712
(22)【出願日】2023-04-10
(71)【出願人】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100076473
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100112900
【弁理士】
【氏名又は名称】江間 路子
(74)【代理人】
【識別番号】100198247
【弁理士】
【氏名又は名称】並河 伊佐夫
(72)【発明者】
【氏名】近藤 鉄也
(72)【発明者】
【氏名】水野 史人
(72)【発明者】
【氏名】西田 侑樹
(72)【発明者】
【氏名】松岡 佑輝
【テーマコード(参考)】
4K018
【Fターム(参考)】
4K018BA16
4K018BB03
4K018BD10
(57)【要約】 (修正有)
【課題】高硬度で且つ安価な投射用金属粉末を提供する。
【解決手段】投射用金属粉末は、質量%で、C:2.0~5.0%、Si:3.5%以下、Mn:3.0%以下、Cr:25.0~37.0%、B:0.5~3.0%、Ni:3.0%以下、を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる。この投射用金属粉末は、硬さが950~1300HVである。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%で
C:2.0~5.0%
Si:3.5%以下
Mn:3.0%以下
Cr:25.0~37.0%
B:0.5~3.0%
Ni:3.0%以下
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
硬さが950~1300HVである、投射用金属粉末。
【請求項2】
円形度の平均が0.7以上、0.95未満である、請求項1に記載の投射用金属粉末。
【請求項3】
請求項1または請求項2において、質量%で
Mo:3.0%以下
W:3.0%以下
V:3.0%以下
の何れか1種若しくは2種以上を更に含有する、投射用金属粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、投射用金属粉末に関し、特にショットピーニングやショットブラストの投射材として好適に用いられる投射用金属粉末に関する。
【背景技術】
【0002】
ショットピーニングは、投射材としての多数の粒子を、被処理材の表面に高速で投射し、被処理材の表面近傍に圧縮残留応力を付与して、その疲労強度を改善する表面処理方法で、ギヤ等の自動車部品、金型等に用いられている。
【0003】
ショットピーニングに使用される投射材としては、被処理材の表面を圧縮するだけの硬さのものを使用するのがよく、近年においては、被処理材の軽量化に伴う高強度化により、投射材自身にも一層の高硬度(例えばHV1000以上)が求められている。また、表面研磨やスケール除去などを目的とした場合でも、高硬度であれば、それだけ処理時間や処理回数を短縮できるなどの能率改善効果を得ることが可能である。
【0004】
高硬度の投射材を製造するに際しては、その材料にハフニウムやジルコニウムなどの高価な元素を用いたり、また別途の熱処理を追加するなどの方法が知られているが、これらはいずれも投射材の製造コストを上昇されてしまう。このため高硬度な投射材が安価に提供されることが望まれていた。
【0005】
尚、下記特許文献1は本発明に関連する技術を開示している。この特許文献1では、BおよびAlを所定量含有させたFe基合金からなる高硬度ショット材が開示されている。しかしながらこの特許文献1に記載のものは、Alを必須の元素とする一方、Cを含有しておらず、本発明の投射用金属粉末の化学組成を具体的に開示するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は以上のような事情を背景とし、高硬度で且つ安価な投射用金属粉末を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
而してこの発明の第1の局面の投射用金属粉末は次のように規定される。即ち、
質量%で、C:2.0~5.0%、Si:3.5%以下、Mn:3.0%以下、Cr:25.0~37.0%、B:0.5~3.0%、Ni:3.0%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、硬さが950~1300HVである。
【0009】
ここで、円形度の平均を0.7以上、0.95未満とすることができる(第2の局面)。
【0010】
また、この発明の第3の局面の投射用金属粉末は、
第1または第2の局面において、質量%で、Mo:3.0%以下、W:3.0%以下、V:3.0%以下の何れか1種若しくは2種以上を更に含有する。
【0011】
このように規定された投射用金属粉末は、ハフニウムやジルコニウムといった高価な元素を使用しない合金組成からなり、また別途の熱処理を必要としないアトマイズままの粉末でありながら高い硬度(950~1300HV)を備えており、高硬度且つ安価な投射用金属粉末として提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に本発明の一実施形態の投射用金属粉末について具体的に説明する。
【0013】
本実施形態の投射用金属粉末は、多数の粒子からなり、ショットピーニングやショットブラストの投射材として使用される。粉末硬さが950~1300HVで、円形度の平均が0.7以上、0.95未満である。
本投射用金属粉末は、Cと、Crと、Bとを所定量含有し、残部がFe及び不可避的不純物のFe基合金からなる。また、Si、Mn、Ni、Mo、W、Vを更に含有してもよい。
【0014】
本投射用金属粉末における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「%」は「質量%」を意味するものとする。
【0015】
C:2.0~5.0%
Cは粉末硬さを高める元素である。この効果を得るため本実施形態ではCを2.0%以上含有させる。好ましくは3.0%以上、更に好ましくは3.5%以上である。
但し、過剰にCを添加すると、アトマイズの際にCr炭化物による出湯ノズルの閉塞が生じて粉末製造性の悪化を招く。このためCの含有量は5.0%以下とする。好ましくは4.6%以下、更に好ましくは4.3%以下である。
【0016】
Si:3.5%以下
Siは粉末硬さを高める元素である。またSiは脱酸元素として出湯ノズルの閉塞回避に寄与し、粉末製造性を向上させることができる。Siは含有されなくてもよいが、これらの効果を得るために、Siの含有量は0.5%以上であることが好ましい。更に好ましくは1.0%以上である。
但し、過剰にSiを添加すると靭性の低下や円形度の低下を招き、投射時に割れ易くなり、投射材としての寿命が短くなる。このためSiの含有量は3.5%以下とする。好ましくは3.0%以下、更に好ましくは2.5%以下である。
【0017】
Mn:3.0%以下
Mnは粉末硬さを高める元素である。Mnは含有されなくてもよいが、上記効果を得るために、Mnの含有量は0.3%以上であることが好ましい。更に好ましくは0.6%以上である。
但し、過剰にMnを添加すると、アトマイズの際にMn酸化物による出湯ノズルの閉塞が生じて粉末製造性の悪化を招く。このためMnの含有量は3.0%以下とする。好ましくは2.5%以下、更に好ましくは2.0%以下である。
【0018】
Cr:25.0~37.0%
Crは粉末硬さを高める元素である。また耐食性に優れた不働態被膜を形成するため、粉末の耐磨耗性および耐食性を高めることができる。このため本実施形態ではCrを25.0%以上含有させる。Crの含有量は27.0%以上であることが好ましく、更に好ましくは28.0%以上である。
但し、材料コストの観点からCrの含有量は37.0%以下とする。好ましくは35.0%以下、更に好ましくは33.0%以下である。
【0019】
B:0.5~3.0%
Bは、含有量が少ないと十分な硬度が得られない。また粉末粒子の形状が異形化して投射の際に割れが生じ易くなる。このため本実施形態では、Bを0.5%以上含有させる。好ましくは0.7%以上、更に好ましくは0.9%以上である。
但し、過剰にBを添加するとホウ化物の量が増え過ぎて靭性が低下し、投射の際の割れを招き易くなる。このためBの含有量は3.0%以下とする。好ましくは2.4%以下、更に好ましくは2.0%以下である。
【0020】
Ni:3.0%以下
Niは耐食性の向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有させることができる。
但し、Niは粉末粒子の硬さを低下させるため、Niの含有量は3.0%以下とする。好ましくは2.0%以下、更に好ましくは1.0%以下である。
【0021】
Mo:3.0%以下、W:3.0%以下、V:3.0%以下
Mo、W、Vは粉末粒子の硬度を高める元素であり、必要に応じて含有させることができる。
但し、過剰に添加すると靭性の低下し、投射時に割れ易くなり、粉末の寿命が短くなる。このためこれら元素の含有量はそれぞれ3.0%以下とする。好ましくは2.0%以下、更に好ましくは1.0%以下である。
【0022】
粉末硬さ:950~1300HV
被処理材の高強度化に対応するためには、金属粉末をより硬くすることが望ましいが、過度に粉末硬さが高くすると、投射時の割れが生じ易くなり投射材としての寿命(繰り返し使用できる回数)が短くなってしまう。このため本実施形態では、粉末硬さを950~1300HVとしている。
【0023】
円形度平均:0.7以上、0.95未満
円形度は、Aを粉末粒子の投影面積、Pを周囲長としたとき、4πA/P2で定義される。真円形状粉末粒子の円形度は1であり、形状が複雑になるほど、円形度は1より小さくなる。
投射材として使用する場合、粉末粒子の円形度を高くする(1に近くする)ことは投射時に割れ難くなるメリットがある一方、過度に円形度が高い(真円に近い)と対象物を削る能力が低下してしまうため、本実施形態では円形度の平均を0.7以上、0.95未満としている。
【0024】
(投射用金属粉末の製造方法)
本投射用金属粉末は、所定の化学組成を有する合金溶湯を、アトマイズ法などを用いて粉末状とすることで製造することができる。
【0025】
上記製造方法において、合金溶湯は所定の化学組成となるように各原料を量り取り、量り取った各原料を、アーク炉、高周波誘導炉、加熱炉などの溶解手段を用いて溶解させるなどして得ることができる。
【0026】
合金溶湯から粉末を得る方法としては、例えば、アトマイズ法(ガスアトマイズ法、水アトマイズ法など)を例示することができる。出湯ノズルの先端から噴霧チャンバ内に出湯されて連続的(棒状)に下方に流れ落ちる合金溶湯に対し、N2、Ar、He等によるガスもしくは水を高圧で噴き付け、溶湯を粉砕しつつ冷却することで粉末が得られる。
上記で規定した円形度(0.7以上、0.95未満)を得るにあたっては、ガスアトマイズ法では円形度が高くなり過ぎるため、水アトマイズ法が好適である。水アトマイズ法は、製造コストの点においてもガスアトマイズ法よりも優れている。
【0027】
なお、アトマイズ法により製造される粉末粒子の円形度は、溶湯中に含まれる元素の含有量に基づいても変化する。例えば、B量を増やすことで溶湯の表面張力が高くなり粉末粒子の円形度を高めることができる。逆にSi量が増加した場合には異形化し易くなる(円形度が低下する)。このため、各合金元素が円形度に及ぼす影響を勘案し、各合金元素の添加量を適正にバランスさせることで、所望の円形度を確保することが可能となる。
【0028】
このようにして製造された投射用金属粉末は、主にマルテンサイト組織のマトリクス中にCr系の炭ホウ化物が分散析出し、アトマイズままで所定の硬さ(950~1300HV)を得ることができる。
【実施例0029】
次に本発明の実施例を詳述する。ここでは、下記表1に示す実施例および比較例(計25種)の金属粉末を用いて、各種評価を行った。
【0030】
1.金属粉末の作製
下記表1に示す合金組成となるように各原料を秤量した。秤量した各原料を、高周波誘導炉を用いて加熱、溶解し、合金溶湯とした。そして得られた各合金溶湯から水アトマイズ法を用いて金属粉末を得た。
【0031】
【0032】
2.金属粉末の特性評価
得られた金属粉末について、(1)粉末硬さ、(2)製造性、(3)投射時の割れ、(4)円形度を評価した。
【0033】
<粉末硬さ>
金属粉末を樹脂埋め研磨し、ビッカース硬度計で測定をした。硬さ測定はJIS Z 2244ビッカース硬さ試験を参考とし、試験力は0.4903Nとした。
硬さの判定は、10点(粉末粒子10個について各1点)の平均値で行ない、平均値が950~1300HVの範囲内であった場合を合格(〇)とし、範囲外であった場合を不合格(×)とした。
【0034】
<製造性の評価>
製造性は、上記金属粉末をアトマイズ装置を用いて作製した際における、アトマイズ装置の出湯ノズルからの出湯状態を観察して評価した。
製造性の判定は、300kgを出湯する間、ノズル閉塞が観察されなかった場合を合格(〇)とし、ノズル閉塞が認められた場合を不合格(×)とした。
【0035】
<投射時の割れの評価>
投射材循環式の投射装置を用い、以下の条件で上記金属粉末の投射を行なった。
被処理材:SKD11(硬さ:HRC60)
投射距離:約100mm
投射角度:45°
投射時間:8時間
投射材量:20kg
投射圧:0.6MPa
投射前と投射後とで金属粉末の平均粒径(d50)をレーザー回折式粒子径分布測定装置を使用して測定し、割れの判定は、投射後の平均粒径が投射前の平均粒径の50%超であった場合を合格(〇)とし、50%以下であった場合を不合格(×)とした。
【0036】
<円形度の評価>
円形度は、下式の数式にて算出される。
円形度=4πA/P2
この数式において、Aは粒子またはその断面の投影面積で、Pは投影像の外周長さである。AおよびPの測定には、画像式解析装置が用いられる。例えば、マイクロトラック・ベル社製CAMSIZER(CAMSIZERは登録商標)を用いることができる。
測定サンプル数(測定粒子数)は、各例で1万個以上となるよう測定を実施し、その体積平均をもって円形度(円形度平均)とした。
これら各評価の結果は表1で示す通りである。
【0037】
表1で示す評価結果から次のことが分かる。
比較例1は、Cが1.4%で本実施形態における規定範囲の下限値を下回っており、目標の硬さが得られなかった。
【0038】
比較例2は、Siが4.0%で規定範囲の上限値を上回っており、粉末粒子は円形度が小さい異形状となり、割れ評価が「×」であった。
比較例3は、Crが15.5%で規定範囲の下限値を下回っており、目標の硬さが得られなかった。
【0039】
比較例4,5は、Bを含有しない粉末であり、いずれも目標の硬さが得られておらず、割れ評価も「×」であった。
比較例6は、Bが4.5%で規定範囲の上限値を上回っており、硬度が過度に高く、割れ評価が「×」であった。
【0040】
比較例7は、Niが4.4%で規定範囲の上限値を上回っており、目標の硬さが得られなかった。
比較例8は、Moが4.8%で規定範囲の上限値を上回っており、硬度が過度に高くなり、割れ評価が「×」であった。
【0041】
比較例9はCを過剰に含有した例、比較例10はMnを過剰に含有した例である。いずれの例もノズル閉塞が生じ製造性の評価が「×」であった。
【0042】
以上のようにいずれの比較例においても、硬さ、製造性、投射時の割れおよび円形度の少なくとも1つの評価が目標未達であった。
【0043】
これに対し、各元素の含有量が本実施形態で規定する範囲内で、且つ、アトマイズままで作製された実施例1~15の金属粉末は、硬さ、製造性、投射時の割れおよび円形度のいずれの評価も良好な結果が得られており、硬度の高い投射用金属粉末として好適であることが分かる。
【0044】
以上本発明の実施形態及び実施例について詳しく説明したが、これはあくまで一例示である。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。