(57)【要約】      （修正有）【課題】所定組成の鋳造品を深冷（サブゼロ）処理のみにより大部分をマルテンサイト変態させることができるマルテンサイト鋳造材、該マルテンサイト鋳造材による鋳造品の製造方法並びに鋳造品を提供する。【解決手段】Ｎｉ：５〜１５mass％、Mn：０．０１〜５mass％、Ｓｉ：０．０１〜７mass％、Ｃ：０．１５〜４mass％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト変態開始温度が室温付近にあり、マルテンサイト変態完了温度が氷点下であるマルテンサイト鋳造材であり、また、該マルテンサイト鋳造材を溶解して製品に近い形状の鋳造品を作成し、該鋳造品に対して０℃〜−２００℃によるサブゼロ処理を施し、その後所要温度で焼き戻し処理を行い、用途に応じてサブゼロ処理前または焼き戻し処理後に仕上げ処理を行うマルテンサイト鋳造品の製造方法であり、該マルテンサイト鋳造材に適する鋳造方法により得られる各種のマルテンサイト鋳造品である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が室温付近にあり、マルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）が氷点下であることを特徴とするマルテンサイト鋳造材。
【請求項２】
前記マルテンサイト変態が、サブゼロ（深冷）処理のみに依存する特性を有することを特徴とする、請求項１記載のマルテンサイト鋳造材。
【請求項３】
前記サブゼロ処理温度が−５０℃以下の温度であり、ロックウェル硬さＣスケールで２０〜５０ＨＲＣの鋳放し鋳造材から、前記サブゼロ処理によって５０〜６０ＨＲＣの硬さに変化する特性を有することを特徴とする、請求項２記載のマルテンサイト鋳造材。
【請求項４】
サブゼロ処理後に行われる焼き戻し処理により３０〜６０ＨＲＣの範囲の所望硬さとなるように調整可能である特性を有することを特徴とする、請求項３に記載のマルテンサイト鋳造材。
【請求項５】
ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅとなるように成分調整された原材料を溶解し、製品に近い形状の鋳造品を作成し、該鋳造品に対して仕上げ処理を施し、該仕上げ処理の施された鋳造品に対して温度０℃〜−２００℃のサブゼロ処理を施し、その後、所要温度で焼き戻し処理を行うことを特徴とする、マルテンサイト鋳造品の製造方法。
【請求項６】
ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅとなるように成分調整された原材料を溶解し、得られた鋳造材インゴットに対して温度０℃〜−２００℃のサブゼロ処理を施し、その後、所望温度で焼き戻し処理を行い、該焼き戻しされた鋳造材を加工して所望の製品を得ることを特徴とする、マルテンサイト鋳造品の製造方法。
【請求項７】
前記サブゼロ処理温度が、−５０℃以下に設定されることを特徴とする、請求項５又は６のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造品の製造方法。
【請求項８】
前記焼き戻し処理温度が、温度１００℃〜７００℃の範囲内で、製品の種類、所要特性等に応じて選定されることを特徴とする、請求項５又は６のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造品の製造方法。
【請求項９】
前記マルテンサイト鋳造材を鋳込む際に、電熱ヒーター、測温その他センサー類、温調管等の所望部材を鋳包むことにより所望鋳造品を得ることを特徴とする、請求項５ないし８のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造品の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、使用されるワイヤロープの強度および硬さを考慮して決定される硬さに調整されたことを特徴とする、昇降機用シーブ。
【請求項１１】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが５０〜５５ＨＲＣに調整されたことを特徴とする、昇降機用ウェッジ。
【請求項１２】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが４５〜５５ＨＲＣに調整されたことを特徴とする、鋼板プレス加工時に使用されるロケートピン。
【請求項１３】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解して、所望形状の鋳型により金型を鋳造する際に、金型全体の温度分布を最適化する形状の金属製温調管を鋳型内に配置して同時に鋳込んだことを特徴とする、温調管付き金型。
【請求項１４】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解して、所望形状の鋳型によりエンジン部品を鋳造する際に、温調水管、潤滑油配管等の金属製管路を予め鋳型内に配置して同時に鋳込んだことを特徴とする、エンジン部品。
【請求項１５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解して、所望形状の鋳型により高温の金属加熱、金属蒸気生成、半導体加熱等に使用される炉体を鋳造する際に、温度調節用の金属製温調管を鋳型内に配置して同時に鋳込んだことを特徴とする、温調管付き炉体。
【請求項１６】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解して、所望形状の鋳型により半導体加工等精密加工機用の高速摺動部、軸受部、外部からの高温に曝される部材等の自己発熱ないし他部材から高温の伝熱を受ける機械部材を鋳造する際に、温度調節用の金属製温調管を鋳型内に配置して同時に鋳込んだことを特徴とする、耐高温機械部材。
【請求項１７】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが３５〜５５ＨＲＣに調整されたことを特徴とする、半導体ウェハ研磨用ラップ板。
【請求項１８】
請求項１ないし４のいずれかに記載のマルテンサイト鋳造材を溶解し、汎用刃物、事務機向け刃物、農業用刃物、産業機械用刃物等の刃物類を仕上げ品に近似する形状として鋳込み、仕上げ加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが当該刃物類の使用条件に応じて３５〜５５ＨＲＣに調整されることを特徴とする、前記いずれかの刃物類。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低減された工程数並びに消費エネルギーによって得られるマルテンサイト鋳造材、該マルテンサイト鋳造材を利用したマルテンサイト鋳造品の製造方法ならびに該マルテンサイト鋳造材によって製造される鋳造品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種装置類及び機械類等の構成材、構造材、可動部材等には多くの鋳鉄や鋳鋼による鋳造材が用いられる。例えば、高精度の要求される精密装置の架台、支持材、駆動部構成材、鋳造用金型、プラスチックの射出成形用金型等にあっては、熱膨張係数の低い安定した鋳造材が必要となる。特に、寒冷地や高温地域で使用される精密装置類では、熱膨張の影響を最小限に止めることが要求される。このような安定した鋳造材としては少なくとも部分的にマルテンサイト変態を経ている材料が用いられ、これを仕上げ加工したものが多く用いられる。
【０００３】
このような技術的要求に応えるために、特許文献１は、引張強度（ＴＳ）が９００ＭＰａ以上の低温靭性に優れた超高強度熱間圧延鋼の製造に用いられる鋳片の製造方法および得られた鋳片を用いた超高強度鋼の製造方法を開示している。ここでは、ベイナイト及びマルテンサイト組織を９０％以上含有する鋳片をＡc1点以下の温度で焼戻し処理を行うこと、そしてベイナイト及びマルテンサイト組織を９０％以上含有する鋳片を昇温速度が７℃／ｍｉｎ以上でＡc1点以下の温度に再加熱後、熱間圧延することを開示している。ここでは、鋳片に対してＡc1点以下の温度で焼戻し処理、再加熱、熱間圧延等を行い、天然ガス・原油等輸送パイプライン用の管材、圧力容器、溶接構造材などに適する各種溶接用鋼材を開示している。
【０００４】
特許文献２に開示の技術は、寒冷地等の低温下で使用あるいは保管した場合の低熱膨張鉄合金の寸法精度の低下や熱膨張係数の増大を抑制し、低熱膨張鉄合金からなる精密装置用部品の部品設計における寸法精度の確保を容易にすることを目的としている。特許文献２では、このような要求に沿う素材として、炭素Ｃ、珪素Ｓｉ、マンガンＭｎ、マグネシウムＭｇ、ニッケルＮｉ、コバルトＣｏを所定割合で含み、残部が鉄Ｆｅおよび不可避不純物である低熱膨張鉄合金に対して、２４３Ｋ以下の温度まで冷却する、いわゆるサブゼロ処理を施すことにより、低熱膨張鉄合金の一部をマルテンサイト変態させた後、この低熱膨張鉄合金を所望の部品形状に仕上げ加工して得られる精密装置用部品を開示している。このような材料は、Ｎｉの少ない範囲でサブゼロ処理により部分的にマルテンサイト変態が生じるものの、基本的にはオーステナイト主体の材料であり、寒冷地における低温によりマルテンサイト変態が生じることは不都合であるため、前以ってマルテンサイト変態を生起させておくことを前提とするものである。したがって、この場合のサブゼロ処理は、寒冷地で想定される最低温度よりも僅かに低い−３０℃で行われるものである。
【０００５】
特許文献３は、炭素Ｃ、珪素Ｓｉ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、クロムＣｒ、モリブデンＭｏ、タングステンＷ、銅Ｃｕ、バナジウムＶ、ニオブＮｂ、タンタルＴａ、アルミニウムＡｌ、ホウ素Ｂ、チタンＴｉ、ジルコニウムＺｒ、硫黄Ｓ、セレンＳｅ、テルルＴｅ、鉛Ｐｂ、ビスマスＢｉ、カルシウムＣａを含み、残部が鉄Ｆｅおよび不可避不純物からなり、プラスチック成型用金型に適する合金鋼を開示している。このような組成による鋼は、鍛造による金型製造に適し、全体的にマルテンサイトまたはベイナイト組織となるように通常の熱処理を行い、所望硬度を達成しているものである。また、焼き戻し（アニール）処理は、５００℃以上、好ましくは５５０℃以上で鋼のＡｃ1点以下で行うことを開示している。
【特許文献１】特開２００３−２０１５１９号公報
【特許文献２】特開平１０−２３７５９５号公報
【特許文献３】特開平１０−９６０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、所定組成比により得られる鋳造品を処理エネルギーの少ない深冷（サブゼロ）処理のみにより大部分をマルテンサイト変態させることができるマルテンサイト鋳造材、該マルテンサイト鋳造材による鋳造品の製造方法ならびに該マルテンサイト鋳造材から得られる鋳造品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が室温付近にあり、マルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）が氷点下であるマルテンサイト鋳造材であることを特徴とする。なお、ここに示した「マルテンサイト鋳造材」とは、炭素Ｃの含有量からみて鋳鋼から鋳鉄までをカバーする概念として使用しているが、鋳鉄においては、不可避不純物内にマグネシウムＭｇを極微量、例えば０．１mass％以下程度包含することがある。該マルテンサイト鋳造材は、請求項２に記載するように、マルテンサイト変態がサブゼロ（深冷）処理のみに依存する特性を有することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前段落におけるサブゼロ処理温度が−５０℃以下の温度であり、ロックウェル硬さＣスケールで２０〜５０ＨＲＣの鋳放し鋳造材から、前記サブゼロ処理により５０〜６０ＨＲＣの硬さに変化する特性を有するマルテンサイト鋳造材であることを特徴とする。かくして得られたマルテンサイト鋳造材は、請求項４に記述するように、その後行われる焼き戻し処理により３０〜６０ＨＲＣの範囲の所望硬さとなるように調整可能である特性を有するものである。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅとなるように成分調整された原材料を溶解し、製品に近い形状の鋳造品を作成し、該鋳造品に対して仕上げ処理を施し、該仕上げ処理の施された鋳造品に対して温度０℃〜−２００℃のサブゼロ処理を施し、その後、所要温度で焼き戻し処理を行うマルテンサイト鋳造品の製造方法であることを特徴とする。すなわち、鋳造材を予め製品形状に加工した後、サブゼロ処理によってマルテンサイト変態を生じさせ、その後所望硬さを実現するための焼き戻し処理を行うものである。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、ニッケルＮｉ：５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅとなるように成分調整された原材料を溶解し、得られた鋳造材インゴットに対して温度０℃〜−２００℃のサブゼロ処理を施し、その後、所望温度で焼き戻し処理を行い、該焼き戻しされた鋳造材を加工して所望の製品を得るマルテンサイト鋳造品の製造方法であることを特徴とする。この方法では、成分調整後溶解して得られた鋳造材をサブゼロ処理によりマルテンサイト変態を生じさせ、次いで焼き戻し処理後に所望製品に加工するものである。この場合のサブゼロ処理温度としては、請求項７に記載の発明のように−５０℃以下が適当であり、また焼き戻し処理温度としては、請求項８に記載の発明のように、温度１００℃〜７００℃の範囲で、製品の種類、所要特性等に応じて選定される。
【００１１】
請求項９に記載の発明は、前記マルテンサイト鋳造材を鋳込む際に、電熱ヒーター、測温その他センサー類、温調管等の所望部材を鋳包むことにより所要製品を得るマルテンサイト鋳造品の製造方法であることを特徴とする。
【００１２】
請求項１０に記載の発明は、本発明に係るマルテンサイト鋳造材として成分調整された原材料を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、使用されるワイヤロープ強度を考慮して決定される硬さに調整された昇降機用シーブであることを特徴とし、請求項１１に記載の発明は、上記と同様の処理を行ない、仕上げ品の硬さが５０〜５５ＨＲＣに調整された昇降機用ウェッジであることを特徴とする。
【００１３】
請求項１２に記載の発明は、本発明に係るマルテンサイト鋳造材として成分調整された原材料を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが４５〜５５ＨＲＣに調整された鋼板プレス加工用ロケートピンであることを特徴とする。
【００１４】
請求項１３に記載の発明は、本発明に係るマルテンサイト鋳造材として成分調整された原材料を溶解して、所望形状の鋳型により金型を鋳造する際に、金型全体の温度分布を最適化する形状の金属製温調管を鋳型内に配置して同時に鋳込んだ温調管付き金型であることを特徴とし、請求項１４に記載の発明は、同様の構成に係るエンジン部品であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１５に記載の発明は、金属製温調管を鋳込んだ高温使用に適する温調管付き炉体であることを特徴とし、請求項１６に記載の発明は、自己発熱あるいは近接する部材からの伝熱により高温となる部位に使用される耐高温機械部材であることを特徴とする。なお、半導体加工等精密加工機用の摺動部、軸受部は精密温調により熱膨張・収縮を抑えることによって更に寸法精度を向上させることができる。
【００１６】
請求項１７に記載の発明は、本発明に係るマルテンサイト鋳造材として成分調整された原材料を溶解し、仕上げ品に近似する形状として鋳込まれ、仕上げ機械加工の後に−５０℃以下のサブゼロ処理を行い、仕上げ品の硬さが３５〜５５ＨＲＣに調整された半導体ウェハ研磨用ラップ板であることを特徴とし、請求項１８に記載の発明は、上記と同様の処理により、使用条件に応じて硬さが３５〜５５ＨＲＣに調整された刃物類であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により特定された成分比によって得られるマルテンサイト鋳造材は、従来の手法によって必要とされていた、高温による焼入れ処理を経ずに、０℃以下の温度で行われるサブゼロ（深冷）処理のみによりマルテンサイト組織への変態を生起させることができる。
【００１８】
サブゼロ処理によるマルテンサイト変態は、処理温度にのみ依存し、保持時間とは直接関係しないものと解され、対象物の実体温度がマルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）以下になっていればそれ以上の変態は進行しない。このようなマルテンサイト変態は、対象となる鋳造品がＭｆ点に達すれば完了することになり、鋳造品の肉厚の差や冷却速度の差等による硬さのばらつきはほとんど生じない。したがって、予め予想される形状および寸法に近似する形状として鋳込み簡潔な仕上げ加工によって仕上げ品形状とする、いわゆるニアネットシェイプ造形が適用可能であるため、軽微な仕上げ処理によって所望の製品が得られることになり、工程数削減ならびに製品歩留まりの向上等の観点から有利であることはもとより、高温度による焼入れ処理が不要となることから大幅な省エネルギーが達せられる。このような焼入れ用の高温加熱に要するエネルギーは、大型部材を大量に製造するようなケースにあっては膨大なものとなるため、本発明が省エネルギーに資する効果は大きい。したがって、地球温暖化の元凶とされる二酸化炭素排出量の低減にも大きく寄与することが期待される。
【００１９】
また、焼入れのための加熱処理は、製品に対して熱歪や熱変形をもたらす可能性が大きく、焼入れ処理後における仕上げ処理や修正が必要となる可能性があったが、本発明で採用するサブゼロ処理にあっては、このような不都合はほとんど生じない。そのため、鋳造および仕上げ加工をした後にサブゼロ処理によりマルテンサイト変態が生ずるから、その後の修正加工は不要であるかまたは極めて軽微な作業で足り、工程数および所要工数の削減、ひいては製造コストの大幅な削減が可能となる。なお、本発明に係るマルテンサイト鋳造材は、鋳造されたインゴットをマルテンサイト変態させた後、焼き戻しを行ない、必要な加工を行うことも可能である。
【００２０】
本発明に係るマルテンサイト鋳造材によりサブゼロ処理以前に加工を行う用途例を挙げれば、プレス用金型、射出成形用金型、所定レベル以上の硬さや精度が要求される治具類、歯車類、車両用足回りやシャフト等の鍛造製品、軌条走行用車両の部品、アイボルト、工作機械のベッド及び摺動部材、精米機や脱穀機等農業用機械器具類の部品、建設機械類の爪部および切削部等、草刈機、除雪機等の刃または固定刃、無限軌道（キャタピラ）用部品などに応用することができる。
【００２１】
また、焼き戻し処理後のインゴットを加工する用途を挙げれば、銅合金のプレートや摺動部に用いられるウェアプレート、半導体ウェハ研磨用ラップ板、挟み、ニッパー、剃刀刃、包丁・ナイフ等汎用刃物、シュレッダー、裁断機等の事務用機械刃物、リード線用カッター、プラスチック加工用ペレタイザー、粉砕機、紙加工機等の産業用機械の刃物、射出成形用金型、土木・建設機械部品、水車・ポンプ等流体機械のインペラやランナ等が挙げられる。
【００２２】
また、保護管付き電熱ヒーター、各種センサ類、温調管等の所要部材を鋳包む用途としては、プラスチックの溶融混練用押出機のバレル、スクリュー、加熱または冷却により精確な温度制御を必要とする射出成形用金型等に利用可能である。さらに、直管はもとより、曲折した温調配管を鋳込む用途としては、黒体炉、ＰＶＤ・ＣＶＤ・ドライエッチング、ウエットエッチング等の炉体、プラズマ発生装置、半導体加工装置炉体、半導体マスク製造用ステッパー、アライナー、精密加工装置の摺動面の精密温度調節機構、シリンダライナー、エンジンブロックなどの各種エンジン用鋳造部品の温調配管または潤滑油配管等がある。これらの冷却、温度調節、潤滑等の各種配管が容易に鋳込めることから、製造および加工の各工程において、大幅な工数低減、歩留まりの向上、使用エネルギーの節減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明に係るマルテンサイト鋳造材の内容および特性、さらにこのようなマルテンサイト鋳造材の製造方法について開示する。本発明に係るマルテンサイト鋳造材の組成比は、図１のステップＳ１のように、ニッケルＮｉ：３〜１８mass％、好ましくは５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、好ましくは１〜２mass％、珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％、好ましくは１〜３mass％、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％、残部が鉄Ｆｅとなるように成分調整を行い、高周波誘導炉等のよく知られた溶解装置により溶解する（ステップＳ１）。
【００２４】
このように成分調整および溶解工程を経て得られる溶湯は、あらかじめ用意されている所望製品の鋳型に所定量注湯され、鋳放しの鋳造製品（硬さ２０〜４０ＨＲＣ）が得られる（ステップＳ２）。このようにして得られた鋳造品に対して、本発明において重要な意義を有するサブゼロ（深冷）処理を、機械加工以前に実施する手法をとるか、あるいは設計仕様に合わせて機械加工を行った後に実施する手法とするかについて、鋳造品の用途、特性、形状、寸法等を勘案して選択される（ステップＳ３）。サブゼロ処理後に機械加工を行う手法が選ばれた場合には、０℃〜−２００℃によって４５〜６０ＨＲＣとするサブゼロ処理（ステップＳ４）および１００℃〜７００℃により３０〜６０ＨＲＣの所望硬さに調整する焼き戻し処理（ステップＳ５）を行った後に設計仕様に従って機械加工が行われ（ステップＳ６）、所望特性ならびに形状・寸法の鋳造品が得られる。他方、ステップＳ３においてサブゼロ処理を行う前に機械加工を行う手法が選ばれた場合には、設計仕様に合わせて鋳造品の機械加工（ステップＳ７）が行われ、その後０℃〜−２００℃によって４５〜６０ＨＲＣとするサブゼロ処理（ステップＳ８）、１００℃〜７００℃により３０〜６０ＨＲＣの所望硬さに調整する焼き戻し処理（ステップＳ９）を実行して所望特性ならびに寸法・形状の鋳造品が得られる。
【００２５】
上述の組成比範囲によって得られた鋳造材は、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が室温付近にあり、マルテンサイト変態完了温度（Ｍｆ点）が氷点下となっている。したがって、工業上容易に実現可能な冷熱源である通常の冷凍機によって達成可能な、例えば−６０℃〜−８０℃の温度範囲においてサブゼロ処理を行うことが可能であり、簡易な工程ならびに低減されたエネルギー消費のもとでマルテンサイト鋳造品を得ることができる。
【００２６】
図２は、焼入れ処理なしでサブゼロ処理と焼戻し処理を行う場合の温度変化を概念的に例示したものである。従来技術における通常の焼入れ処理は８００℃以上の温度で行う必要があるため、鋳造品の熱容量に応じて多大の熱エネルギーが必要であるが、本発明に係るマルテンサイト鋳造材では焼入れ処理に伴う膨大な熱エネルギーが節減できる。
【００２７】
本発明に係るマルテンサイト鋳造材の組成について、改めて検討する。図３は、横軸にニッケル（Ｎｉ）当量〔％Ni＋２．５％Mn〕を、そして縦軸にロックウェル硬さ（ＨＲＣ)を取ったグラフである。このグラフは、ニッケル当量を調整することにより、下側の鋳放し硬さ曲線からサブゼロ処理を経てマルテンサイト変態を生ぜしめた結果、上側のサブゼロ処理硬さ曲線のような所望特性が得られることを概念的に示すものである。
【００２８】
図４は、横軸にニッケルＮｉ含有量〔mass％〕を、そして縦軸にマンガンＭｎ含有量〔mass％〕をとり、−８０℃でのサブゼロ処理後に得られる組織の状態を示すものである。ニッケルが少ない領域ではパーライト、ニッケル、マンガン共に多い右上領域ではオーステナイト、その下方に右下がりの細長い領域はオーステナイトとマルテンサイトの混在領域で、確実にマルテンサイト鋳造材を示したのは斜線を付した領域であり、この結果よりニッケルＮｉ：３〜１８mass％、好ましくは５〜１５mass％、マンガンMn：０．０１〜５mass％、好ましくは１〜２mass％が適正範囲であることが特定されたものである。なお、ここで示されていない珪素Ｓｉ：０．０１〜７mass％は、含有量が多い方がより高温でのサブゼロ処理のために有利となることが実験的に確かめられている。しかし、多過ぎる場合は脆くなる可能性があり、３mass％は上限と考えられる。また、炭素Ｃ：０．１５〜４mass％は、十分な硬さのマルテンサイト組織を得るためには必要な量と考えられる。０．１５mass％以下ではマルテンサイト鋳造材として不十分である。
【００２９】
図５は、ニッケル含有量が５mass%の場合、図６はニッケル含有量が７．５mass％の場合、そして図７はニッケル含有量が１０mass％の場合、におけるマンガン含有量の変化によるサブゼロ処理温度（横軸目盛）と硬さ（縦軸目盛）の関連を図示したグラフを示すものである。
【実施例１】
【００３０】
ニッケル含有量５mass％の場合、図５のようにマンガン２mass％では−６０℃において６０HRCの十分な硬さを示す。マンガン含有量１mass％では−８０℃において約５５HRCの硬さを示す。しかし、マンガン無添加（０mass%）の場合は、マルテンサイト変態に至らず、鋳放しの硬さに止まっている。本実施例によれば、ニッケル５mass％の場合、マンガンが２mass％のとき最良の結果が得られ、１mass％では硬さがやや不足し、またマンガン無添加では所期の効果が得られないことを示す。
【実施例２】
【００３１】
ニッケル含有量７．５mass％の場合、図６のようにマンガン含有量０〜１mass％では−６０℃において約６０HRCの十分な硬さが得られることを示す。しかし、マンガン含有量２mass％では−８０℃において６０HRC弱であるものの、マルテンサイト変態が生起するため、用途によっては利用可能である。
【実施例３】
【００３２】
ニッケル含有量１０mass％の場合、図７のようにマンガン含有量０〜１mass％では−８０℃において約５８HRC程度の硬さが得られることを示す。また、マンガン含有量２mass％では−８０℃において約５５HRC弱であるものの、マルテンサイト変態が生起するため、用途次第では十分利用可能である。
【実施例４】
【００３３】
＝加熱・冷却配管付き温調金型＝  本発明にかかるマルテンサイト鋳造材は、ほぼ最適の形状としての鋳込みができる、いわゆるニアネットシェイプ造形によりプラスチックの射出成形用金型を得ることができる。この種の金型では、所望範囲の温度調節が可能であれば成形品の表面性状を大幅に改善し得ることが知られている。このような温度調節は、通常、金型内に設けられた温調用配管に対して外部の温調機から水または熱媒体油を循環させることによって行われる。しかし、従来の鋼材を使用する金型にあっては、金型に対して外部からドリル加工を行うことにより温調用配管を形成しなければならなかった。したがって、直線状の温調配管のみとなり、キャビティに沿って微細な温度調節を行う任意形状の温調配管を得ることはできず、温度ムラを的確に解消することはできなかった。これに対して、本発明にかかるマルテンサイト鋳造材は、鋳型内に配置された金属管を鋳込むようにして任意形状の温調配管が形成でき、金型全体に対して温度ムラの生じない射出成形用金型を得ることができる。本実施例においては、所望形状に曲げ加工された温調管を鋳型内に配置し、約１５１０℃の鋳鋼溶湯（０．８％Ｃ、２．６％Ｓｉ、１．０％Ｍｎ、７．５％Ｎｉ）を注湯することにより、所望部位に温調管の埋設された射出成形用金型が得られた。温調管の素材は、当然ながらかかる注湯によって損傷や変形を被らない材質を選ぶ必要がある。本実施例では低炭素鋼パイプを使用したが、前記条件を考慮して他の金属管を使用することができる。
【実施例５】
【００３４】
＝エレベータ用シーブ＝  本発明に係るマルテンサイト鋳造材は、ニアネットシェイプ造形により任意の形状の鋳造品が得られ、かつ適宜温度によりサブゼロ処理を行うことにより所望硬さの製品が得られる。かかる特性を利用して、エレベータのワイヤロープを懸架するためのシーブ（綱車）を形成することができる。エレベータ用シーブは、一対のシーブによりエレベータケージとカウンターウェイトとを水平方向に一定間隔離隔させて、両者のすれ違いの際の接触を防止するための重要な機能を有する。シーブの傾斜溝（Ｖ字溝）にはワイヤロープが側面接触状態で架けられるから、シーブの硬さが勝るとワイヤロープの摩耗が早まるため寿命を短縮し、反対にシーブの硬さが不足すると安定的運用が損なわれる。通常は、ワイヤロープはエレベータ寿命に合わせて強度が決定されていることが多く、シーブは定期点検時に摩耗が所定量進行している場合には交換するように運用される。したがって、シーブの硬さは、溝に架かるワイヤロープを損傷させることなく、予定年数の間は円滑な運用が可能な範囲の硬さが必要となる。現在のシーブは通常の球状黒鉛鋳鉄やねずみ鋳鉄であるが、超高層ビル用の高速かつ大型昇降機（エレベータ）では、強度を高めながら細径化させたワイヤロープを高速運動させることになり、さらに屋上の機械室を小型化しさらには機械室レス化の要請からシーブの小型化が求められる傾向にあり、従来方式のシーブで全ての要求を満たすことは困難になっている。本発明に係るマルテンサイト鋳造材は、鋳放し状態では機械加工が容易で、約−８０℃の冷却により硬さが増し、焼き戻しによって硬さ調節が可能であるから、上述の事情を考慮してより相応しいエレベータ用シーブを提供することができる。
【実施例６】
【００３５】
＝エレベータ用ウェッジ＝  エレベータ用ウェッジ（楔）は、エレベータケージの案内レールと対峙する部位に配置されていて、ワイヤロープが切断した場合等のケージが落下する異常事態発生時に、ウェッジを案内レールに食い込ませて緊急停止させる最終安全装置である。実際にケージが停止するまでにはウェッジは摩擦熱により異常な高温になる。そのため、通常の鋼材または鋳鋼材による素材を焼入れしたウェッジでは焼き戻されてしまい、所要硬さが維持できない。従来は、1回の停止が確実に行えれば足りたが、規制強化により３回の作動が求められるようになっている。本発明に係るウェッジでは仕上げ品の硬さが５０〜５５ＨＲＣであり、赤熱状態で焼き戻されても冷却によって回復するため、３度の作動にも十分耐えることができる。
【実施例７】
【００３６】
＝鋼板プレス用ロケートピン＝  自動車ボディなど厚みのある鋼板により大型部材をプレス加工する際は、予め鋼板の位置決めを行いかつ固定するためのロケートピンが不可欠となる。このロケートピンの硬さは４５〜５５ＨＲＣが要求される。従来は鋼材を機械加工後焼入れ焼き戻しにより製造していたが、本発明に係るマルテンサイト鋳造材では二アネットシェイプで機械加工が軽減され、硬化処理もサブゼロ処理のみで足りるため、大幅なコストダウンが可能となる。
【実施例８】
【００３７】
＝半導体ウェハ研磨用ラップ板＝  半導体ウェハ表面は、後続する半導体製造工程を効率よくかつ高い歩留まりで実現するために極度に精確な研磨処理が求められている。本発明に係るマルテンサイト鋳造材では二アネットシェイプでラップ板が形成されることから機械加工が軽減され、さらに硬化処理もサブゼロ処理のみで足りるため、大幅なコストダウンが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係るマルテンサイト鋳造材は、所定割合の組成比の鋳造材を用いて製品を鋳造し、仕上げ加工後、焼入れ処理を行うことなしに氷点下の温度に冷却するサブゼロ処理によって十分な硬さを得ることができる。また、上記組成比によって得られる鋳造材インゴットを焼き戻し後製品として加工し、その後サブゼロ処理を行うことも可能である。
【００３９】
したがって、鋳造品として所定範囲以上の硬さを必要とする広範な用途、例えばプレス型、射出成形用金型、所定レベル以上の硬さや精度が要求される治具類、歯車類、車両用足回りやシャフト等の鍛造品、軌条走行用車両の車輪、アイボルト、工作機械のベッド及び摺動部材、精米機、脱穀機等農業用機械器具類の部品、建設機械類の爪部および切削部等、草刈機、除雪機等の刃または固定刃などに応用することができる。
【００４０】
また、焼き戻し処理後に加工する用途としては、銅合金のプレートや摺動部に用いられるウェアプレート、水車・ポンプ等流体機械のインペラやランナ等が挙げられる。また、保護管付き電熱ヒーター、熱電対や測温抵抗その他の各種センサ類、温調管等を鋳包む用途としては、プラスチックの溶融混練用押出機のバレル、スクリュー、冷却および過熱の組合わせにより精確な温度制御を行う射出成形用金型等への活用が期待できる。これら応用範囲において従来は膨大な熱エネルギーを要していた焼入れ処理が不要となり、大幅な省エネルギーが可能となる。したがって、環境破壊に大きな影響を及ぼすとされる二酸化炭素排出削減にも大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るマルテンサイト鋳造品の製造方法の主要工程を示すフロー図である。
【図２】本発明に係るサブゼロ処理および焼き戻し処理の典型的温度変化図である。
【図３】本発明に係るニッケルNi当量〔％Ni＋２．５％Mn〕とロックウェル硬さの関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係るサブゼロ処理による組織範囲の説明図である。
【図５】本発明に係る鋳造材のサブゼロ処理温度と硬さの関係を示す実施例１の結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る鋳造材のサブゼロ処理温度と硬さの関係を示す実施例２の結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係る鋳造材のサブゼロ処理温度と硬さの関係を示す実施例３の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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