(57)【要約】      （修正有）【課題】冷間において耐摩耗性と耐腐食性の両方の性質を兼ね備えた従来は存在しなかった合金と鋼材とそれらの製造方法、並びにこの合金や鋼材から製造される比較的安価な冷間工具の提供。【解決手段】母材２となる金属材の表面にプラズマ粉体肉盛溶接法等の溶接技術により肉盛溶接層３を形成した鋼材１として、肉盛溶接層が、溶接の際に、ハステロイに平均粒径が４５μｍ未満のニオブ炭化物の細粒を少量分散させた混合物を適用することで、鋼材１の肉盛溶接層３に、ハステロイが本来具える耐腐食性を損なうことなく、ニオブ炭化物が具える耐摩耗性と付与した。また、ハステロイ中に平均粒径が４５μｍ未満のニオブ炭化物の細粒を分散させた合金として、耐腐食性と耐摩耗性を兼ね備えた新規なＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハステロイ中に、平均粒径が４５μｍ未満のニオブ炭化物の粉末を分散させてなることを特徴とするＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金。
【請求項２】
請求項１に記載のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の製造方法であって、
前記ハステロイの粉末と、粒径が４５μｍ未満の前記ニオブ炭化物の粉末との混合物を原料として、鋳造又はプラズマ溶接により合金を製造することを特徴とするＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の製造方法。
【請求項３】
前記混合物中に占める前記ニオブ炭化物の粉末の重量比を、０％よりも多く５０％以下としている請求項２に記載のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の製造方法。
【請求項４】
前記混合物中に占める前記ニオブ炭化物の粉末の重量比を、５％以上３０％以下としている請求項３に記載のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の製造方法。
【請求項５】
母材となる金属材の表面に、肉盛溶接層を形成した鋼材であって、
前記肉盛溶接層が、請求項１に記載のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金からなるものであることを特徴とする鋼材。
【請求項６】
前記肉盛溶接層の平均厚さを、２ｍｍ以上４ｍｍ以下としている請求項５に記載の鋼材。
【請求項７】
前記母材は、ニッケルを８％以上５７％以下の重量割合で含有する合金からなる金属材である請求項５又は６の何れかに記載の鋼材。
【請求項８】
請求項５乃至７の何れかに記載の鋼材の製造方法であって、
前記母材となる金属材の表面に、前記ハステロイの粉末と前記ニオブ炭化物の粉末との混合物をプラズマ粉体肉盛溶接法により溶接する溶接工程を含むことを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項９】
当該溶接工程において、前記混合物中の前記ニオブ炭化物の粉末の重量比を、０％よりも多く５０％以下としている請求項８に記載の鋼材の製造方法。
【請求項１０】
前記混合物中の前記ニオブ炭化物の粉末の重量比を、５％以上３０％以下としている請求項９に記載の鋼材の製造方法。
【請求項１１】
請求項１に記載のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金により形成されたことを特徴とする冷間工具。
【請求項１２】
請求項５乃至７の何れかに記載の鋼材により形成され、前記肉盛溶接層を摩擦面として設定したものであることを特徴とする冷間工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高い耐腐食性と耐摩耗性を有する新規合金と、この合金からなる肉盛溶接層を母材の表面に有し高い耐腐食性と耐摩耗性を具えた鋼材と、これらの合金と鋼材から製造される冷間工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強い腐食環境下で使用される合金材料としては、現在のところ事実上、高ニッケル（Ｎｉ）基合金であるハステロイしか存在しないといわれている。しかしながら、ハステロイは耐摩耗性に乏しく、強い摩擦力で接触対象と接する摺動部材としては利用することができないという問題がある。一方、耐摩耗性に優れた合金としては、ステライト等のコバルト（Ｃｏ）基合金が知られているが、ステライト等は耐食性に乏しく、腐食環境下では利用することができないという問題がある。
【０００３】
強腐食環境下で使用される工具・装置としては、合成ゴム混練機用ロータを例示することができる。合成ゴム混練機用ロータの分野においては、炭素鋼母材の表面に、Ｎｉ系やＣｏ系の自溶合金を溶射被覆したものが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、溶射技術では、母材表面に比較的薄い溶射被膜を形成することしかできず、しかも母材との冶金的接合性が悪く、剥離を起こしやすいという大きな問題がある。
【０００４】
このような事情もあり、合成ゴム混練機用ロータには、耐腐食性を優先し短期間での交換を前提としてハステロイが利用されることが多い現状にある。換言すれば、強い腐食環境下において好適に利用することができる耐摩耗性を有する合金、特に溶接金属は存在しない、とこれまで考えられてきた。そのため、高耐腐食性と高耐摩耗性の両方の性質を備えた溶接金属系の設備素材や工具素材は、存在していないのが現状であり、現実的には設備や工具の早期交換しか対応策がなく、設備コストや工具コストが極めて高くついている。しかしながら、素材加工産業での設備運転環境は過酷化しており、設備や工具の強腐食環境下での耐摩耗性の要求が高度化している。そのため、従来にない高耐腐食性と高耐摩耗性を兼ね備えた合金素材が求められている。
【０００５】
合金の母材表面の硬度を向上させる手法の一つとして、硬質物質であるニオブ炭化物（ＮｂＣ）を含む金属−炭化物複合皮膜を金属表面に溶接により形成する技術が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。特許文献２に開示された技術は、継目無管のプラグミル圧延に使用されるプラグとして、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等の母材表面に、ＮｂＣ粉末とステンレス鋼粉末からなるマトリックス金属の混合粉末をプラズマ粉体肉盛法によって金属−炭化物複合皮膜を形成するものである。一方、特許文献３に開示された技術は、熱間加工用工具及び継目無管鋼のプラグとして、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金等の母材表面に、ＮｂＣ粉末とＣｏ基合金又はＮｉ基合金からなるマトリックス金属の混合粉末を、プラズマ粉体肉盛法等によって金属−炭化物複合皮膜を形成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７７８６１号公報
【特許文献２】特開平９−５２１０５号公報
【特許文献３】特開２００７−１６０３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２、３に開示された技術は、熱間工具に適用されるものであり、熱間での耐摩耗性評価と冷間での耐摩耗性評価は、使用環境、特に温度環境の相違から摩耗部分の様相と形態が全く異なるため、熱間工具に適用される条件を冷間工具に適用される条件に転用することはできない。その理由の一つとしては、特許文献２、３に記載の技術では、１００μｍ程度の巨大なＮｂＣの粒が用いられているが、ＮｂＣの硬度は極めて高く、このように巨大な硬質物質が表面に存在する工具を冷間で用いると、工具と接触する被加工材表面に擦過痕をつけてしまうのに対して、熱間では、被加工材が高温であり、加工後に表層部分は酸化物として落剥してしまうので、たとえ疵がついても実害が無い、ということが挙げられる。すなわち冷間では、被加工材はそのまま製品として出荷されるので、擦過痕が残存することは許されないという、熱間との顕著な相違がある。また、冷間工具の材料として、ハステロイ中にＮｂＣを分散させた合金や、このような合金を表面肉盛層として母材の表面に形成した鋼材については、過去に報告の事例が存在しない。
【０００８】
さらに、特許文献２、３では、使用されるＮｂＣの平均粒径が６５〜１３５μｍ程度のものが好ましい、と開示されており、実施例では平均粒径が１００μｍ（特許文献２、３）と１２０μｍ（特許文献２）のＮｂＣを用いた実験例が開示されているが、この平均粒径は比較的大きいものであるとはいえ、この範囲よりも小さく市販もされていないＮｂＣ粉末を用いた場合の耐摩耗性についてはこれまで検討すらされてこなかった。その理由としては、比較的粒径の小さいＮｂＣの粉末は、プラズマ粉体肉盛溶接を含む溶接をすることができないと当業者の間で言われてきており、それが当然のこととして信じられてきたことによるものと考えられる。
【０００９】
以上のような問題に鑑みて本発明は、耐腐食性と耐摩耗性の両方の性質を兼ね備えた冷間工具に適した斬新な合金及び鋼材として、ハステロイ中に比較的細かいＮｂＣ粉末を分散させた構成を有する合金とその製法、斯かる合金を表面肉盛層として備えた鋼材とその製法、並びにこれらの合金若しくは鋼材からなる有用な冷間工具の提供を主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の新規合金は、ハステロイ中に、平均粒径が４５μｍ未満のニオブ炭化物粉末を分散させてなることを特徴とするＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金である。
【００１１】
斯かる本発明は、細かい粒子のＮｂＣを溶接することができないと考えられていたこれまでの常識を覆して、耐腐食性を具えたハステロイに、硬質で耐摩耗効果があるＮｂＣの細かい粉末を分散させることに初めて成功したものであり、耐腐食性と耐摩耗性の両方の特性を兼ね備えた新規な合金を創出したものである。このＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金は、耐腐食性と耐摩耗性を有するという、強腐食環境で長期間使用することができるこれまでにない冷間工具の材料として使用することができる極めて有用なものとなる。
【００１２】
ここで、ハステロイは、ニッケル（Ｎｉ）基にモリブデン（Ｍｏ）やクロム（Ｃｒ）を比較的多く混合することによって耐腐食性や耐熱性を高めた合金の総称であり、本発明のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金には、最も一般的なハステロイ・Ｃ２７６やハステロイ・Ｃ２２を始めとするあらゆるハステロイ系合金を、要求される腐食環境やコストに応じて適宜選択し、適用することができる。
【００１３】
このＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金は、ハステロイの粉末と、粒径が４５μｍ未満のＮｂＣの粉末との混合物を原料として、鋳造又はプラズマ溶接により合金として製造することができる。鋳造の場合は、合金の原料となるハステロイを溶かした溶解炉にＮｂＣの粉末を投入したものを型に流して鋳込む方法を採用することができる。プラズマ溶接による場合、高温を供給することができるプラズマ粉体溶接（Ｐｌａｓｍａ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ  Ａｒｃ  溶接：以下、ＰＴＡ溶接）法を用いて適宜の母材にハステロイとＮｂＣの粉末の混合物を肉盛溶接し、その肉盛溶接層のみを抽出するという方法を採用することができる。
【００１４】
本発明のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の製造にあたっては、ハステロイとニオブ炭化物の粉末混合物中に占めるニオブ炭化物の粉末の重量比を０％よりも多く５０％以下とすることが望ましい。ニオブ炭化物の粉末は、重量比で０％を超える値とすることが前提（ニオブ炭化物の粉末をハステロイ粉末に混合することが必須）であるが、重量比５０％を超えた場合には、得られた合金がハステロイ本来の耐腐食性を十分に発揮できず、強腐食環境下での使用に適さなくなる可能性が高いと考えられることから、本発明においては、ニオブ炭化物の粉末は、ハステロイの粉末との混合物の０〜５０重量％とすることが適切であるといえる。この範囲であれば、要求される耐摩耗性能と耐腐食性能に応じてニオブ炭化物の粉末を適宜割合とすればよいが、ハステロイとの混合物に占めるニオブ炭化物の粉末の重量比を５％以上３０％以下とすれば、比較的少量のニオブ炭化物粉末であっても十分な耐摩耗性と耐腐食性を有するＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金を得ることができる。
【００１５】
このようにハステロイの粉末をマトリックスとして、４５μｍ未満という細かいＮｂＣの粉末を比較的少量だけ添加して溶接した場合、得られた合金中ではＮｂＣの粉末の一部は、プラズマ溶接等の溶接時の熱によってＮｂＣの表層部が（あるいは場合によっては芯部までが）融け、隣り合った同種のＮｂＣの粒と結合して４５μｍ以上の塊となるものも存在する可能性があるものの、大半のＮｂＣの粉末は投入された際の大きさ（４５μｍ）よりも小さい粒子として存在し、しかもニオブ（Ｎｂ）と炭素（Ｃ）とが分離せずＮｂＣとして存在したままの状態であり、ハステロイ中にほぼ均一に分散しているため、ハステロイの耐腐食性を損なうことなくＮｂＣによる耐摩耗性を獲得できることになるのである。
【００１６】
また、本発明に係る鋼材は、母材となる金属材の表面に、肉盛溶接層を形成した鋼材であって、この肉盛溶接層が、上述したＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金、すなわちハステロイに平均粒径が４５μｍ未満のニオブ炭化物の粉末を分散させた合金からなるものであることを特徴としている。
【００１７】
本発明の係る鋼材は、ハステロイによる耐腐食性に加えて、ハステロイにはない耐摩耗性をニオブ炭化物によって兼ね備えた肉盛溶接層を母材の表面に有する鋼材である。特に、平均粒径４５μｍ未満という非常に小さいニオブ炭化物の粉末をハステロイに混在させた合金は上述の通りこれまで存在せず、またこの合金を肉盛溶接層として有する鋼材としても従来にない全く新規なものであり、上述したＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金と同様に、強い腐食環境下で使用される鋼材として、特に冷間において耐摩耗性能が要求される鋼材として、極めて有用なものである。
【００１８】
肉盛溶接層は、溶射被膜の形成技術と異なり、比較的厚い層を形成することができる上に、肉盛溶接層と母材とが部分的に混ざり合うため剥離の問題も生じ難いといえる。このことと、一般的な腐食環境下での摩耗に対する肉盛溶接層の耐久性を考慮すると、肉盛溶接層の平均厚さを、２ｍｍ以上４ｍｍ以下とすれば十分である。一層盛りの肉盛溶接では、２ｍｍ程度の肉盛溶接層を形成するのが限界であるため、二層盛りの肉盛溶接層を形成する場合には、肉盛溶接層の総厚さの上限は４ｍｍとなる。
【００１９】
一方、本発明の鋼材において母材に適用される金属材は特に限定されるものではないが、肉盛溶接層の形成時に、肉盛溶接層のハステロイ中のニッケルが希釈されて耐腐食性が低下することは避けるべきである。そこで母材には、ニッケルを８％以上５７％以下の重量割合で含有する合金からなる金属材が適切であるといえる。このようにニッケル（Ｎｉ）を比較的多く含有する金属材としては、ニッケルを比較的多く含有する合金として、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４（Ｎｉ含有率８〜１０．５％）、ＳＵＳ３１６Ｌ（Ｎｉ含有率１０〜１４％）、ＳＵＳ３０９Ｓ（Ｎｉ含有率１２〜１５％））や、ハステロイ（Ｎｉ含有率５７％）等を例示することができる。すなわち、ニッケルの含有率が少ないと、肉盛溶接時にハステロイ中のニッケルが母材と混合された希釈され、肉盛溶接層の耐腐食性が低下するおそれがある一方、安価に製造できるという利点があることから、ニッケル含有率の下限値は８％が限界であり、肉盛溶接層のハステロイとの希釈の問題を生じない素材として、ハステロイを母材とした場合のニッケル含有率（５７％）が上限となる。
【００２０】
斯かる本発明の鋼材は、母材となる金属材の表面に、ハステロイの粉末とニオブ炭化物の粉末との混合物をプラズマ粉体肉盛溶接法により溶接する溶接工程を経て製造することができる。
【００２１】
このようなＰＴＡ溶接法による鋼材の製造方法においては、ハステロイの粉末との混合物中に占めるニオブ炭化物の粉末の重量比を０％よりも多く５０％以下とすることが望ましい。ニオブ炭化物の粉末は、溶接時に添加する粉末の混合物中に重量比で０％を超える値とすることが前提（ニオブ炭化物の粉末をハステロイ粉末に混合することが必須）であるが、重量比５０％を超えた場合には、肉盛溶接層がハステロイ本来の耐腐食性を十分に発揮できず、強腐食環境下での使用に適さなくなる可能性が高いと考えられることから、本発明においては、ニオブ炭化物の粉末は、粉末混合物中で０〜５０％とすることが適切であるといえる。この範囲であれば、要求される耐摩耗性能と耐腐食性能に応じてニオブ炭化物の粉末を適宜割合とすればよいが、ハステロイの粉末との混合物に占めるニオブ炭化物の粉末の重量比を５％以上３０％以下とすれば、比較的少量のニオブ炭化物粉末であっても十分な耐摩耗性と耐腐食性を有する肉盛溶接層を得ることができる。
【００２２】
ただしこの他にも、本発明に係る上述した鋼材の製造方法においては、ハステロイの種類、ハステロイの粉末とニオブ炭化物の粉末の混合割合、ニオブ炭化物の粉末のサイズ、母材の種類等については、求められる腐食環境、耐摩耗性の程度、耐久性、コスト等によって、上述した通り種々アレンジすることができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る冷間工具は、上述のＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金からなるもの、若しくは上述の鋼材により形成されて肉盛溶接層を摩擦面として設定したものである。このような冷間工具は、例えば次の様にして作製することも可能である。先ず、ＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金の溶接棒を、鋳造等の方法で、事前に製造しておく。その後、工具強度を保たせるために、炭素鋼等の安価な強度部材を用いて、これを工具形状に近い形に予め成形あるいは加工する。その上で、その表面の必要な場所に、前記の溶接棒を用いて肉盛溶接を行う。もちろん、この肉盛溶接を直接ＰＴＡ肉盛溶接によって行っても何ら問題はない。肉盛溶接完了後は、溶接表面にある溶接起因の凹凸を、切削などの加工によって除去し、所定の工具形状に仕上げる。以上のような工程で冷間工具を作製することも可能である。このような本発明の冷間工具では、摩擦面がハステロイ中にニオブ炭化物の細かい粒を適度に分散させた状態にあることから、従来のニオブ炭化物の巨大な粒を用いた場合のように工具と接触する被加工材表面に擦過痕をつけてしまう虞がなく、製品となる被加工材の品質や価値を向上することができる。また、耐腐食性と耐摩耗性を兼ね備え、耐久性のある冷間工具はこれまで存在していないことから、本発明は特に素材加工産業において全く新しく有用な冷間工具を提供することができるものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、ハステロイ中にニオブ炭化物の小さい粒子を分散させた合金、もしくはハステロイとニオブ炭化物の合金から構成された肉盛溶接層を母材の表面に形成したものであるため、ハステロイの耐腐食性とニオブ炭化物の耐摩耗性の両方の特質を兼ね備えた全く新しい合金と鋼材を提供することができるものである。またそれにより、斯かる合金や鋼材から製造される有用な冷間工具であれば、強腐食環境下において耐摩耗性を発揮することができ、従来は頻繁に交換するほかなかったという状況を一変させ、このような状況で用いられる冷間工具として耐久性のあるものを新たに供給することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋼材及びその製造工程をＰＴＡ溶接装置と共に示す概観図。
【図２】同実施形態に係る鋼材と比較例の肉盛溶接層の組織の状態を示す光学顕微鏡写真。
【図３】同実施形態に係る鋼材と比較例の試験片の冷間摩耗試験の概要を示す図。
【図４】同冷間摩耗試験を行った試験片と摩耗深さの計算概要を示す図。
【図５】同冷間摩耗試験の結果を示すグラフ。
【図６】同実施形態に係る鋼材と比較例の試験片の冷間腐食試験の結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る鋼材１は、図１に示すように、母材２と、この母材２の表面に形成された肉盛溶接層３とから構成されるものであり、同図の通り、プラズマ粉体肉盛溶接（Ｐｌａｓｍａ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ  Ａｒｃ  溶接：以下、ＰＴＡ溶接）法により製造されるものである。
【００２７】
図１は、本実施形態に適用されるＰＴＡ溶接装置４の要部の概観と、母材２への肉盛溶接層３の形成過程を示す模式的な縦断面図である。この溶接装置４は、主としてＰＴＡ装置（トーチのみを図示している）を備えた通常のものであるので、以下に簡単に説明する。トーチ４は、適宜の駆動手段（図示省略）により、例えば図中の左右方向に移動可能とされている。具体的にトーチ４は、内側から順にタングステン電極４１、内壁４２、中壁４３、外壁４４により構成されている。内壁４２は水冷式ノズルとして機能している。タングステン電極４１と内壁４２とによりプラズマガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるプラズマガスＰＧをトーチ４の先端部に向けて送出するようにしている。また、内壁４２と中壁４３とによりプラズマアーク収束及び粉体供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるキャリアガスＣＧと、マトリックスとなるハステロイの粉末と、ニオブ炭化物（ＮｂＣ）の粉末の混合物３ａをトーチ４の先端部から放出するようにしている。さらに中壁４３と外壁４４とによりシールドガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるシールドガスＳＧをトーチ４の先端部から噴射するようにしている。また、符号４５及び４６はそれぞれパイロットアーク電源、プラズマアーク電源を示している。パイロットアーク電源４５は、タングステン電極４１と母材２との間に電圧を発生させるためのものであり、プラズマアーク電源４６は、発生した電圧を安定させるように制御するものである。プラズマガスＰＧ、キャリアガスＣＧ、シールドガスＳＧには、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを適用することが好ましい。
【００２８】
本実施形態の鋼材１において、母材２には、ニッケルを比較的多く含有する金属材として、ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ（極低炭素鋼、Ｎｉ含有割合は１０〜１４重量％）を適用しているが、その他にも、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０９Ｌ等のオーステナイト系ステンレスや、ハステロイ等の比較的Ｎｉ含有率が高い金属材を母材２として適用することができる。
【００２９】
肉盛溶接層３のマトリックスとなるハステロイとしては、本実施形態ではハステロイ・Ｃ２７６（Ｎｉ：５７％、Ｍｏ：１７％、Ｃｒ：１６％、Ｆｅ：４〜７％、Ｗ：３〜４．５％。何れも重量％）を適用している。その他、ハステロイ・Ｃ２２（Ｎｉ：５２％、Ｍｏ：１３％、Ｃｒ：２２％、Ｆｅ：３％、Ｗ：３％。何れも重量％）や、他のハステロイと総称される合金に含まれるものを利用することができる。ＰＴＡ溶接法では、ハステロイを粉末として供給している。
【００３０】
肉盛溶接層３のハステロイに混合されるニオブ炭化物（ＮｂＣ）は、粒径４５μｍ未満の粉末（以下、このサイズの粉末を「細粒」という）を適用している。市販されているＮｂＣ粉末は、公称値では最小でも粒径１５０μｍの粗大粒主体の粉末であるため、本実施形態では、市販の１５０μｍまでのＮｂＣ粉末を目の粗さが４５μｍの篩にかけることにより細粒を得ている。本実施形態では、ハステロイの粉末との混合物３ａに対するＮｂＣの細粒の重量比を変化させて複数の試験片を作成している。具体的には、ハステロイの粉末との混合物３ａ中に１０〜５０重量％の範囲でＮｂＣの細粒を添加した５種類の肉盛溶接層３を備えた鋼材１の試験片を作成した。
【００３１】
また、ＮｂＣの細粒をハステロイに混合した肉盛溶接層３との比較のために、比較例として、細粒に代えて、粒径４５μｍ以上７５μｍ未満の粉末（以下、このサイズの粉末を「中粒」という）をハステロイに混合して肉盛溶接層を母材の表面に形成した試験片と、粒径７５μｍ以上１５０μｍ未満の粉末（以下、このサイズの粉末を「粗粒」という）をハステロイに混合して肉盛溶接層を母材の表面に形成した試験片も形成した。細粒の場合と同様に、市販の１５０μｍ程度のＮｂＣ粉末を目の粗さが７５μｍの篩にかけることにより中粒を得て、残ったものを粗粒として使用した。図２に、肉盛溶接時に添加する粉末の混合物３ａにおいて、ＮｂＣの細粒を３０％（ａ）、中粒を３０％（ｂ）、粗粒を４０％（ｃ）でそれぞれ混合して得られた肉盛溶接層の光学顕微鏡写真による肉盛溶接組織の写真を示す。各写真中、灰色部分がハステロイであり、ハステロイ中に分散している歪な粒形状の塊がＮｂＣの粒である。ＮｂＣの細粒を用いたＰＴＡ溶接後の肉盛溶接層３の平均粒径は、投入時の粒径よりも小さい４５μｍ以下（同図（ａ））であり、ＮｂＣの中粒、粗粒をそれぞれ用いたＰＴＡ溶接後の肉盛溶接層３の平均粒径は、同じく投入時の粒径よりも小さい４５μｍ以上７５μｍ未満（同図（ｂ））、７５μｍ以上１５０μｍ未満（同図（ｃ））である。ハステロイ中のＮｂＣの粒子のなかには近くのＮｂＣ粒子同士が大きく凝集しているものもあるが、大半は投入時の粒径よりも小さい粒となって存在している。同図（ｃ）に示されるように、ＮｂＣの粗粒を用いた場合には、溶接は可能であるが、溶接されたＮｂＣの粗粒に大きな軽石状態の穴の欠陥（写真中、黒い部分）が極めて多く観測されたため、ＮｂＣの粗粒は溶接不良発生率が高いと判断されたことにより、以下の摩耗試験や腐食試験を行わなかった。同図（ａ）（ｂ）のＮｂＣの細粒や中粒の写真でも黒い部分が見受けられるが、溶接組織全体でみると、溶接不良が高いといえるようなレベルではない。特に本実施形態の肉盛溶接層３では、ＮｂＣの細粒が溶接組織全体に亘ってほぼ均一に分散していることがわかる。
【００３２】
本実施形態の鋼材１の冷間摩耗試験、冷間腐食試験のために、縦３０ｍｍ、横１０ｍｍ、高さ２５ｍｍの鋼片Ａを作成した（図３参照）。高さ方向のうち、下から２２〜２４ｍｍ（平均厚さ２３ｍｍ）の領域は、ステンレス・ＳＵＳ３１６Ｌからなる母材Ａａ（２）であり、表面から１〜３ｍｍ（平均厚さ２ｍｍ）の領域は、ハステロイ・Ｃ２７６の粉末とＮｂＣを母材Ａａ（２）の表面に形成した肉盛溶接層Ａｂ（３）である。このような鋼材１を、肉盛溶接層Ａｂ（３）におけるＮｂＣの細粒が１０〜５０重量％（１０％刻み）である５種類について作成した。
【００３３】
また、比較例として、肉盛溶接層ＡｂにおけるＮｂＣの中粒が１０〜５０重量％（１０％刻み）である５種類について試験片Ａを作成し、さらにＮｂＣを含有しないハステロイ・Ｃ２７６のみを母材の表面に肉盛溶接した試験片Ａと、コバルト基合金であるステライトを母材Ａａの表面に肉盛溶接した試験片も同様に作成した。各試験片Ａの母材Ａａは、本実施形態の鋼材１と同じくステンレス・ＳＵＳ３１６Ｌであり、肉盛溶接層の形成方法も上述したＰＴＡ法を用いている。
【００３４】
図３は、冷間摩耗試験の概要図である。本実施形態の５種の鋼材１を含む試験片Ａの肉盛溶接層Ａａを、直径１２５ｍｍの摺動面がステライト製であるディスク５に室温２５℃（冷間）で押し付けた。ディスク５の回転速度は毎分３０回転、押し付け荷重は３５０ｋＰａ、押し付け時間を３分として、図４に示すような摩耗痕Ａｘを試験片Ａに形成した。摩耗痕Ａｘの測定方法は、摩耗試験後の試験片Ａを両側面から観測し、摩耗痕長さＬ１、Ｌ２の平均値を平均摩耗長さＬとし（同図中（１）式）、そのＬの値とディスク５の半径ｒを用いて摩耗痕深さｄを計算した。
【００３５】
各試験片Ａについての摩耗痕深さの測定結果を図５にグラフとして示す。同図の横軸は、肉盛溶接層Ａｂ（３）を形成する際のハステロイ・Ｃ２７６の粉末との混合物３ａにおけるに対するＮｂＣの粉末の投入率（重量割合、％）を示し、縦軸は計算により得られた摩耗痕深さ（μｍ）を示している。横軸０％の位置に、比較のために作成したハステロイ・Ｃ２７６のみからなる肉盛溶接層（▲Ｃ２７６）と、ステライトのみからなる肉盛溶接層（●ＳＴＬ）の摩耗痕深さがプロットされている。耐摩耗性を有さないハステロイ・Ｃ２７６の肉盛溶接層では、４００μｍ以上の摩耗痕深さとなったのに対して、耐摩耗性に優れたステライトの肉盛溶接層では、殆ど摩耗が生じていないことが分かる。一方、ＮｂＣの中粒をハステロイ・Ｃ２７６に添加した肉盛溶接層（■ＮｂＣ中粒）では、ＮｂＣの中粒の低投入率領域で摩耗深さの値に乱れが認められたが、ＮｂＣが２０〜５０％の領域ではステライトには劣るものの、１００μｍ前後の摩耗深さとなり、ハステロイ・Ｃ２７６単体の肉盛溶接層と比較すると良好な耐摩耗性が認められた。本実施形態の鋼材１であるＮｂＣの細粒をハステロイ・Ｃ２７６に添加した肉盛溶接層（◆ＮｂＣ細粒）では、投入率にあまり関係せず、摩耗深さが低位で安定し、５０％以下の全領域で概ね１００μｍ若しくはそれ以下の摩耗深さであった。すなわち、ハステロイ・Ｃ２７６にＮｂＣの細粒を添加すると、ステライトとほぼ同等の冷間耐摩耗性が得られるといえる。特に、ＮｂＣの細粒が１０％という少量での耐摩耗効果が良好であることから、ＮｂＣの細粒をごく少量でもハステロイ・Ｃ２７６の粉末に混合しても、肉盛溶接層の冷間での高い耐摩耗性が得られることが初めて実証された。
【００３６】
次に、上述した各試験片Ａを用いて、冷間での腐食試験を行った。冷間腐食試験は、ＪＩＳ  Ｇ０５７７「ステンレス鋼の孔電電位測定方法」に準拠した。ＰＨ３．０に保った８０℃（冷間）の腐食溶液（ＣａＣｌ２をＨＣｌにてＰＨ調整）に試験片Ａを浸漬し、電位差を増加させながら電流が流れ出し腐食が一気に進むまでの時間を調査した。各試験片Ａについての腐食試験の結果を図６にグラフとして示す。同図の横軸は、肉盛溶接層Ａｂ（３）を形成する際のハステロイ・Ｃ２７６の粉末との混合物３ａにおけるに対するＮｂＣの粉末の投入率（重量割合、％）を示し、縦軸は電位（孔電電位）を示している。縦軸の値が大きいほど腐食が生じにくいため電流が流れにくく、小さいほどすぐに腐食が進んで一気に電流が流れることが表される。横軸０の位置にプロットされたハステロイ・Ｃ２７６のみからなる肉盛溶接層（▲Ｃ２７６）と、ステライトのみからなる肉盛溶接層（●ＳＴＬ）の電位は、それぞれ０．８と０．６であった。一方、ＮｂＣの中粒をハステロイ・Ｃ２７６に添加した肉盛溶接層（■ＮｂＣ中粒）では、ＮｂＣの中粒の低投入率によって電位（すなわち腐食の進展速度）に乱れが認められ、ＮｂＣの投入率を増やすに従って、腐食が早く進みやすくなることが示された。本実施形態の鋼材１であるＮｂＣの細粒をハステロイ・Ｃ２７６に添加した肉盛溶接層（◆ＮｂＣ細粒）では、投入率が１０％、３０％、４０％の場合にステライトとハステロイ・Ｃ２７６の中間の値の電位となり、５０％ではステライトよりもやや低い電位となり、２０％ではハステロイ・Ｃ２７６よりも高い電位となった。すなわち、ＮｂＣの細粒では、１０〜５０％の全般に亘って腐食進展速度が抑えられているが、特に投入率が１０〜３０％の間で腐食進展速度が強く抑えられており、ハステロイ・Ｃ２７６単体の値に近く、少投入率の領域で投入率の増加に伴う腐食進展速度の減少が少ない、換言すれば高い耐腐食性を有しているということが初めて実証された。
【００３７】
以上の冷間摩耗試験と冷間腐食試験の結果を総合的に勘案すると、母材１の表面に肉盛溶接層３を形成する場合、ハステロイ・Ｃ２７６の粉末にＮｂＣの細粒又は中粒を添加した肉盛溶接層３であれば、冷間での耐摩耗性と耐腐食性の両方を兼ね備えた鋼材１を得ることができ、特にＮｂＣは粒径４５μｍ未満の細粒とすることが好ましく、ハステロイ・Ｃ２７６単体の肉盛溶接層の結果も鑑みると、肉盛溶接時の粉体の混合物３ａに占める重量比が５０％以下、とりわけ５％以上３０％以下のＮｂＣの細粒を添加した場合に冷間耐摩耗性能と冷間耐腐食性能が得られることが明らかとなった。すなわち、本実施形態の鋼材１における肉盛溶接層３は、全く新しいタイプの冷間における耐摩耗性と耐腐食性を有するＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金、換言すればＮｂＣ分散強化型ハステロイ溶接被膜であるといえる。
【００３８】
したがって、本実施形態の鋼材１により冷間工具を製造すれば、摩擦面となる肉盛溶接層には少量のＮｂＣの細粒をハステロイ中に分散させればよいことから、これまで両立しなかった耐摩耗性と耐腐食性を兼ね備えた斬新且つ有用な冷間工具を、比較的安価で市場に提供することができる。冷間加工用工具に硬質物質を分散させると、被加工材の表面に疵をつけるとこれまで考えられており、その様な工具は作製されて来なかったという業界の事情があったが、強腐食環境下で用いられる冷感加工工具においても事情は同じである。また、本発明において、ＮｂＣの細粒をハステロイに投入し分散させると、当初予想した以上の効果が得られたことは、当該技術分野において画期的なことであるといえる。このような冷間工具としては、例えば前述した強腐食環境下で使用される合成ゴム生成分野で用いられる混練機用ロータや、押出機や乾燥機のスクリューやシリンダ等を挙げることができ、その他にも、カーボン生成分野、セラミック生成分野などの従来からハステロイが利用されてきた腐食環境で使用される工具に適用することができる。
【００３９】
なお本発明の構成は、上述した実施形態に限られるものではない。以上の実施形態では、ハステロイ中にＮｂＣの細粒を分散させた肉盛溶接層を母材の表面に形成した鋼材について説明したが、この肉盛溶接層と同様の構成からなるＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金とすることもできる。さらに、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で鋼材における母材や肉盛溶接層若しくはＮｂＣ分散強化型ハステロイ系合金のマトリックスの材料を変更したり、同合金や肉盛溶接層に添加されるＮｂＣの粒径や投入率を変更することは、冷間工具として使用される環境や要求される仕様に応じて適宜変更することができる。その他、肉盛溶接層を含む鋼材や合金の製造方法、適用される冷間工具についても上記実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ハステロイ中にニオブ炭化物を分散させた合金や、この合金を肉盛溶接層として母材の表面に形成した鋼材により、耐腐食性と耐摩耗性とを兼ね備えた新たな合金及び鋼材とそれらの製法、並びに斯かる鋼材から製造される冷間工具を創出するものであり、金属材料分野やその用途としての素材加工産業などにおいて、極めて有益なものとなり得る。
【符号の説明】
【００４１】
１…鋼材
２…母材
３…肉盛溶接層
【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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