(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素の質量百分率［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
シリコンの質量百分率［％Ｓｉ］を０．１０〜３．０［％］、
マンガンの質量百分率［％Ｍｎ］を３．０〜１８．０未満［％］、
クロムの質量百分率［％Ｃｒ］を３．０〜２０．０［％］、
窒素の質量百分率［％Ｎ］を０．１０〜１．２０［％］、
残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
数式１によって計算される積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）（ｍＪ／ｍ２）が、
数式２を満足し、
［数式１］
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２×［％Ｎｉ］＋４１０×［％Ｃ］−０．９×［％Ｃｒ］−３×［％Ｎ］−１３×［％Ｓｉ］−１．２×［％Ｍｎ］・（１）
［数式２］
−２０（ｍＪ／ｍ２）  ≦  ＳＦＥ  ≦  ２０（ｍＪ／ｍ２）・・・・（２）
ここで、数式１において、［％Ｎｉ］は、ニッケルの質量百分率である。
Ｘ線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相及び積層欠陥の体積パーセント［％ε−Ｍｓ相］が、数式３を満足し、
［数式３］
５［体積％］  ≦  ［％ε−Ｍｓ相］  ≦  ５０［体積％］・・・（３）
片持ち梁法によって測定した制振性を表す損失係数（η）が、数式４を満足し、
［数式４］
０．００５  ≦  η  ≦  ０．１０  ・・・・・・・・・（４）
鋼の硬さが、ビッカース硬度（Ｈｖ）で４００〜７００であることを特徴とする高強度制振鋼。
【請求項２】
モリブデンの質量百分率［％Ｍｏ］が０．０１〜３．０［％］であることを特徴とする請求項１に記載された高強度制振鋼。
【請求項３】
製造工程として、
第１工程として、９５０〜１２００℃で、１〜５時間、加熱する工程、
第２工程として、加工仕上がり温度７５０〜９５０℃で、熱間加工する工程、
第３工程として、９００〜１１００℃で、１〜６０分間、溶体化熱処理をする工程、
第４工程として、強度付与のために、３００〜８００℃で加工率１〜５０％の温間加工する工程、
第５工程として、７００〜８５０℃で５〜３０分間のクロム窒化物析出熱処理をする工程、
第６工程として、制振性発現及び強度付与のために、冷間加工率５〜５０％の冷間加工をする工程、
を含む工程を施して製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載された高強度制振鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする切削工具又は削岩ビット。
【請求項５】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするリニアガイド装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする低反発鋼球又は軸受。
【請求項７】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする歯車伝動装置。
【請求項８】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするチエーン伝動装置。
【請求項９】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするばね装置。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするパーツフィーダー装置。
【請求項１１】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする組合せ計量装置又は食品製造・梱包装置。
【請求項１２】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする超電導体冷媒容器。
【請求項１３】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする電力貯蔵装置のフライホイール。
【請求項１４】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする発電機の回転子。
【請求項１５】
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする制振機能付部品又は装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、高強度でかつ制振性に優れた高強度制振鋼及び該鋼を含んで構成される、切削工具、削岩支持具、リニアガイド装置、ボールねじ、低反発鋼球、軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、組合せ計量装置、超電導体用冷媒容器及び振動抑制機能付き回転体等の制振機能部品又は装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】本発明になる高強度制振鋼を切削工具に用いる場合、超硬合金に並ぶ、或いは、それを超える耐びびり性を発揮させるためには、制振性能に加えて高い強度が必要である。本発明になる高強度制振鋼の制振性に優れた特性を生かして、リニアガイド装置、ボールねじ、低反発鋼球、軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、組合せ計量装置、超電導体用冷媒容器及び振動抑制機能付き回転体に適用する場合には、構成する部品の信頼性、耐摩耗性及び軽量化の観点から、制振性能に加えて高い強度が必要である。【０００３】切削工具において、切削時のびびりを抑制する手段として、例えば、特許文献１は、制振性材料と超硬合金を複合させて制振性と剛性を発揮させる技術を提案している。また、特許文献２は、工具ホルダの内部に錘を粘弾性物質又はダンパーで支持する技術を提案している。ここで、特許文献１及び２に例示される方法は、振動吸収機能を持たせる構造が極めて複雑であり、また、耐久信頼性が不十分であるという問題がある。このことから、材料自体が高強度でかつ制振性能をもつ制振性切削工具が求められている。【０００４】リニアガイド装置又はボールねじにおいて、特許文献３は、ボールナット部分に制振金属をはめ込むことによってボールの衝突音を低減する方法を提案している。しかしながら、特許文献３による方法は、ボールねじの構造が複雑となり実用性と信頼性が劣る。特許文献４は、リニアガイドの摺動面の表面粗さを小さくする技術を開示している。しかしながら、特許文献４による方法は、研磨などの工程が必要なので、コストが高くなるという欠点がある。制振性に優れた鋼を、リニアガイド装置又はボールねじに適用するためには、構成する部品の信頼性、耐摩耗性の観点から、制振性能に加えて高い強度が必要である。【０００５】低反発鋼球、軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置及びばね装置において、制振性に優れた鋼を上記装置に適用するためには、構成する部品の信頼性、耐摩耗性の観点から、制振性能に加えて高い強度が必要である。前述の高い強度を得るためには、炭素含有量の高い、Ｓ４５Ｃ等、或いは、ＳＣＭ４４０やＳＵＳ４４０Ｃを焼き入れ・焼き戻し処理をして所望の強度を得る方法が一般的である。しかしながら、これらの材料には制振性能はない。【０００６】磁気浮上列車は、高速走行時に車両側の超電導磁石は、地上の浮上、推進用コイルの間隔から決まる振動を受けることになる。５００ｋｍ／ｈｒの定常走行速度においては、約３００Ｈｚの振動が超電導磁石に発生する。このような超電導磁石の振動は、自身の発熱だけでなく内挿及び外装容器への振動となり、冷媒への発熱・蒸発となり、冷却効果が失われことになる。この対策として、特許文献５においては、超電導磁石の冷却容器に制振性のある部品を配することによって、容器の振動を低減する技術を開示している。しかしながら、特許文献５に記載している技術は、制振部材を冷却容器に取付けるので、構造が複雑となりその保守点検が容易でない。従って、冷却容器自体が、外部からの振動を吸収し低減できる材料が求められている。この材料は、非磁性であり、かつ、車両軽量化の観点から、制振性に加えて高強度が求められている。【０００７】フライホイール式電力貯蔵装置は、高効率、高容量の充電・発電装置である。この場合においても上記と同様に、充電・発電のために回転する回転子とステータとの間の磁気反発力による振動・騒音が発生する。この振動を抑制可能な制振機能を有するフライホイール軸等の材料が求められている。【０００８】交流発電機の回転子は、発電のために回転する回転子とステータとの間の磁気反発力による振動・騒音が発生する。特許文献６においては、上記の振動・騒音を抑制するために、非磁性鋼材の振動抑制材（例えば、ＳＵＳ３０４）が配置されている。しかしながら、上記の振動抑制材は材料の強度のみによって振動を抑制するものである。この材料自体が振動吸収能と所望の強度を有するものであれば、更なる、装置全体の軽量化が可能となることが期待できる。【０００９】制振性のある材料としては、鋳鉄、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等が知られている。これらの内、鋳鉄やＭｇ系合金は強度が低いという欠点がある。Ｍｎ−Ｃｕ系合金は、強度が低い上に１００℃以上では減衰能が極端に減少する欠点がある。Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金は、歪によって制振性が低下するという欠点がある。これらの材料は、制振性能は比較的優れているが、高価な元素を多く含んでいるため、合金材料の価格上昇となるので本願の用途には不適である。【００１０】本発明者の一人は、特許文献７に示すような、制振性能に優れたＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｒ合金（以下、「制振性に優れた特許鋼」という。）を提案して特許登録されている。この「制振性に優れた特許鋼」は、炭素の質量パーセントが０．００１〜０．２０％、シリコンの質量パーセントが０．１０〜３．０％、マンガンの質量パーセントが１８．０未満％、クロムの質量パーセントが２０．０％以下、アルミニウムの質量パーセントが０．００１〜０．１０％、残部が、鉄及び不可避的不純物を含んで成る鋼である。この鋼は、その機械的性質及び製造方法はステンレス鋼と同等であり、かつ、制振性に優れているので、参考に値する材料である。【００１１】上記の「制振性に優れた特許鋼」は、溶体化熱処理後に急速冷却して更に冷間加工を加える工程を採用しているので、制振性と同時に強度が上昇するが、本願の用途に要請されている優れた耐びびり性、耐摩耗性又は軽量化を満足するには、まだ、強度が不足している。【００１２】特許文献８は、高窒素・高マンガン鋼であるが、冷間加工後も非磁性を維持するために、窒素含有量を高くすることによってオーステナイト相を安定にしている。特許文献８に記載している鋼は、制振性発現に必要なε―Ｍｓ相又は積層欠陥を生成していないので制振鋼ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第４５１２６７７号公報
【特許文献２】特許第４１３６９７７号公報
【特許文献３】特開２００３−１９４１７６号公報
【特許文献４】特開２００６−１０５１９７号公報
【特許文献５】特開平６−３３３７３３号公報
【特許文献６】特許第３９０７８０６号公報
【特許文献７】特許第４９８４２７２号公報
【特許文献８】特許第４１２０３５４号公報
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】本発明は、優れた制振性能を有すると同時に耐摩耗性に優れた高強度制振鋼及びこの高強度制振鋼を含んで構成される切削工具、リニアガイド装置、低反発鋼球、軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、組合せ計量装置、超電導体用冷媒容器、振動抑制機能付き回転体等の制振機能を有する部品又は装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】以下に、課題を解決するための手段の要点を示す。
（１）本発明は、本発明者らが一貫して研究してきた高マンガン鋼において、熱誘起又は加工誘起イプシロン・マルテンサイト相（以下、「ε―Ｍｓ相」という。）又は積層欠陥（金属の結晶構造の形態を云う専門用語である。）を適切に生成させて制振性能を発現させる技術を基としている。
（２）本発明は、窒素含有量を高くすることによって、冷間加工、又は、温間加工によって、第１段目の鋼の強度アップを計る。
（３）本発明は、高窒素含有鋼においては、固溶窒素はオーステナイトを安定にするので、クロム窒化物析出処理を行うことによって、固溶窒素をクロム窒化物の形に変えることを重要な要件としている。これによって、所望のε―Ｍｓ相又は積層欠陥の体積パーセントを得ることができる。
（４）本発明は、最終工程の冷間加工によって、制振発現に必要なε―Ｍｓ相、又は積層欠陥を生成させると同時に、第２段目の強度アップを計る。
【００１６】本出願に係る発明は、［特許請求の範囲］の［請求項１］〜［請求項１５］に記載した事項により特定される。
［特許請求の範囲］
［請求項１］
炭素の質量百分率［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
シリコンの質量百分率［％Ｓｉ］を０．１０〜３．０［％］、
マンガンの質量百分率［％Ｍｎ］を３．０〜１８．０未満［％］、
クロムの質量百分率［％Ｃｒ］を３．０〜２０．０［％］、
窒素の質量百分率［％Ｎ］を０．１０〜１．２０［％］、
残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
数式１によって計算される積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）（ｍＪ／ｍ２）が、
数式２を満足し、
［数式１］
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２×［％Ｎｉ］＋４１０×［％Ｃ］−０．９×［％Ｃｒ］−３×［％Ｎ］−１３×［％Ｓｉ］−１．２×［％Ｍｎ］・（１）
［数式２］
−２０（ｍＪ／ｍ２）  ≦  ＳＦＥ  ≦  ２０（ｍＪ／ｍ２）・・・・（２）
ここで、数式１において、［％Ｎｉ］は、ニッケルの質量百分率である。
Ｘ線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相及び積層欠陥の体積パーセント［％ε−Ｍｓ相］が、数式３を満足し
［数式３］
５［体積％］  ≦  ［％ε−Ｍｓ相］  ≦  ５０［体積％］・・・（３）
片持ち梁法によって測定した制振性を表す損失係数（η）が、数式４を満足し、
［数式４］
０．００５  ≦  η  ≦  ０．１０  ・・・・・・・・・（４）
鋼の硬さが、ビッカース硬度（Ｈｖ）で４００〜７００であることを特徴とする高強度制振鋼。
［請求項２］
モリブデンの質量百分率［％Ｍｏ］が０．０１〜３．０［％］であることを特徴とする請求項１に記載された高強度制振鋼。
［請求項３］
製造工程として、
第１工程として、９５０〜１２００℃で、１〜５時間、加熱する工程、
第２工程として、加工仕上がり温度７５０〜９５０℃で、熱間加工する工程、
第３工程として、９００〜１１００℃で、１〜６０分間、溶体化熱処理をする工程、
第４工程として、強度付与のために、３００〜８００℃で加工率１〜５０％の温間加工する工程、
第５工程として、７００〜８５０℃で５〜３０分間のクロム窒化物析出熱処理をする工程、
第６工程として、制振性発現及び強度付与のために、冷間加工率５〜５０％の冷間加工をする工程、
を含む工程を施して製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載された高強度制振鋼の製造方法。
［請求項４］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする切削工具又は削岩ビット。
［請求項５］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするリニアガイド装置。
［請求項６］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする低反発鋼球又は軸受。
［請求項７］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする歯車伝動装置。
［請求項８］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするチエーン伝動装置。
［請求項９］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするばね装置。
［請求項１０］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とするパーツフィーダー装置。
［請求項１１］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする組合せ計量装置又は食品製造・梱包装置。
［請求項１２］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする超電導体冷媒容器。
［請求項１３］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする電力貯蔵装置のフライホイール。
［請求項１４］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする発電機の回転子。
［請求項１５］
請求項１又は２に記載された高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする制振機能付部品又は装置。
【発明を実施するための形態】
【００１７】以下に、本発明に係わる高強度制振鋼について具体的に説明する。
図１に、本発明に係わる高強度制振鋼の製造プロセスを示す。
【００１８】本発明の請求項１において、シリコンの質量百分率を０．１０〜３．０［％Ｓｉ］、マンガンの質量百分率を３．０〜１８．０未満［％Ｍｎ］としている。これは、良好な制振性発現能を持ちながら、微量のシリコンを添加することによってマンガン含有量を低く抑えることができることを開示している。即ち、熱処理或いは冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）の関係式（数式１）において、マンガンの項は−１．２×［％Ｍｎ］であり、シリコンの項は−１３×［％Ｓｉ］であることから、シリコンはマンガンの約十倍のＳＦＥの低下効果があることを示している。即ち、ＳＦＥを２０ｍＪ／ｍ２以下に保持する上で、微量の０．１０〜３．０［％Ｓｉ］のシリコン添加によってマンガン質量百分率を１８．０未満［％Ｍｎ］と少なく抑えられている。これは、高マンガン鋼において、優れた熱間加工性及び冷間加工性を得るために極めて重要な発明である。即ち、マンガン質量百分率が１８．０［％Ｍｎ］以上では熱間加工性及び冷間加工性が悪くなり製造コストが上がるためである。
ここで、積層欠陥エネルギーを２０ｍＪ／ｍ２以下としたのは、急速冷却によるε−Ｍｓ相をより生成し易しくするためであり、この値が２０ｍＪ／ｍ２を超えるとε−Ｍｓ相の生成が不十分となるためであり、好ましくは、１０ｍＪ／ｍ２以下である。更に、シリコンの質量百分率を０．１０［％Ｓｉ］以上としたのは、０．１０［％Ｓｉ］以下ではシリコン添加効果が見られないためであり、３．０［％Ｓｉ］以上はシリコンによる固溶体硬化によって材料が硬くなり過ぎるためであり、好ましくはシリコン質量百分率０．５〜１．５［％Ｓｉ］である。
本発明の請求項１において、クロム質量百分率３．０〜２０．０［％Ｃｒ］としている。これは、本発明の基本となるオーステナイト相（以下、「γ−相」という。）の生成に関するものである。クロム質量百分率が２０．０［％Ｃｒ］を超える領域ではγ−相とフェライト相（以下、「α−相」という。）の２相が生成するので、クロム質量百分率を２０．０［％Ｃｒ］以下、好ましくは、１５．０［％Ｃｒ］以下とする。クロムの下限については、積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）を２０（ｍＪ／ｍ２）以下とする条件を満たす範囲を設定すればよい。これによって、クロムとマンガンの相乗効果によって効果的にγ−相を生成させる領域を広くとることができる。ニッケルのγ−相生成の役割をシリコン、マンガン及びクロムが効果的に果しているので、制振性発現の観点からは高価なニッケルは必ずしも必要なくなっている。即ち、本発明においては、制振性発現以外の必要がない限り、ニッケルの意図的な添加の必要はない。
【００１９】本発明の請求項１において、窒素の質量百分率を０．１０〜１．２０［％Ｎ］としている。これは、窒素含有量を高くした鋼に冷間加工及び熱処理又は温間加工を施すことによって、鋼の強度を上げることを目的にしている。窒素の含有量が、０．１０［％Ｎ］未満では、窒素の効果が小さいためであり、１．２０［％］を超えると窒素に起因するブローホールの欠陥が発生する恐れがあるためである。好ましくは、窒素の質量百分率は、０．２〜０．８［％Ｎ］である。
【００２０】本発明の請求項１において、炭素の質量百分率を０．００１〜０．１０［％Ｃ］としている。炭素の質量百分率が０．１０［％Ｃ］を超えるとクロム炭化物析出処理をしても、良好なε―Ｍｓ相が得られないためである。
【００２１】本発明の請求項２において、モリブデンの質量百分率を０．０１〜３．０［％］としている。これは、モリブデンは、鋼の急速冷却による焼入れ硬化によって強度アップを発揮する元素であり、かつ、本発明に係るε―Ｍｓ相の生成には影響を及ぼさない元素である。従って、本発明の高強度制振鋼の適用先によって適宜使い分けることが得策である。具体的に述べると、切削工具（請求項４）、リニアガイド装置（請求項５）、低反発鋼球又は軸受（請求項６）及び歯車伝動装置（請求項７）には、焼き入れ硬化が要請される用途であるので、モリブデン添加は極めて有効である。
【００２２】一方、チェーン伝動装置（請求項８）、ばね装置（請求項９）及び超電導体用冷媒容器（請求項１２）への適用には、モリブデン添加は、必ずしも必須ではない。モリブデンは、希少元素であり高価なので、上記のように使い分けることが得策である。これが、モリブデンに関して、別に、請求項２として請求した理由である。
【００２３】本発明の請求項３において、
第１工程として、９５０〜１２００℃で、１〜５時間、加熱する工程、
第２工程として、加工仕上がり温度７５０〜９５０℃で、熱間加工する工程、
第３工程として、９００〜１１００℃で、１〜６０分間、溶体化熱処理をする工程、
第４工程として、３００〜８００℃で加工率１〜５０％の温間加工する工程、
第５工程として、７００〜８５０℃で５〜３０分間のクロム窒化物析出熱処理をする工程、
第６工程として、制振性発現及び強度付与のために、冷間加工率５〜５０％の冷間加工をする工程、
を施して製造することを主張している。
【００２４】ここで、重要なのは、第３工程乃至第６工程である。
以下、工程毎に説明する。
第３工程として、９００〜１１００℃で、１〜６０分間、溶体化熱処理をした後、冷却する工程、を主張している。第３工程は、所謂、固溶体化熱処理であり、熱処理温度を９００〜１１００℃としたのは、９００℃未満の温度では冷間加工歪除去及びオーステナイト化が不十分となるためであるために制振性発現が不十分となるためであり、１１００℃を超えるとオーステナイト結晶粒度が粗大化して機械的性質が不良となるためである。
【００２５】第４工程として、強度付与のために、３００〜８００℃で加工率１〜５０％の温間加工する工程、を主張している。
即ち、窒素の重量百分率０．１０〜１．２０［％Ｎ］の鋼に、３００〜８００℃で加工率１〜５０％の温間加工することにより、鋼の強度を上昇させることができることを主張している。ここで、加工率５０％を超えると鋼の延性が損なわれるためであり、１％未満では強度の上昇効果が少ないためである。
【００２６】第５工程として、７００〜８５０℃で５〜３０分間のクロム窒化物析出熱処理をした後、急速冷却をする工程を主張している。窒素の重量百分率０．１０〜１．２０［％Ｎ］の鋼は、冷間加工又は温間加工によって強度を上昇する効果がある。その反面、本発明に必要なε―Ｍｓ相の生成には阻害要因になっている。そこで、第５工程として、クロム窒化物析出熱処理を施すことが必須である。ここで、熱処理温度を７００〜８５０℃としたのは、７００℃未満の温度では、クロム窒化物が生成しないためであり、８５０℃を超えるとクロム窒化物の再溶解が起こるためである。クロム窒化物析出処理を行うとε―Ｍｓ相が生成するが、同時にα’−Ｍｓ相も析出するので、弱い磁性を帯びるようになる場合がある。
【００２７】第６工程として、制振性発現及び強度付与のために、冷間加工率５０％以下の冷間加工を施すことを主張している。この工程は、最終製品の制振性と機械的性質を決めるものなので、用途に応じて選択しなければならない。制振性の観点からは、５〜２０％の冷間加工において最良の状態となり、その後冷間加工が増すと逆に制振性が劣化する。ここで、冷間加工率を５０％以下としているのは、５０％を超えると、ε―Ｍｓ相が多すぎて制振性の発現が逆に阻害され、同時に、鋼の強度はあがるが延性が劣化するためである。好ましい冷間加工率は５〜２０％である。
【００２８】本発明の請求項１において、Ｘ線回折法によって測定されたε−Ｍｓ相及び積層欠陥の体積百分率が５〜５０体積％であることを開示している。これは、本発明の基本的な制振発現の必要条件である金属組織、即ち、ε−Ｍｓ相の定量的表現であり、５体積％未満では制振性が不十分となるためであり、５０体積％を超えると  ε−Ｍｓ相が相互に絡みあって逆に制振特性を低下させることが分かったものである。好ましくは、ε−Ｍｓ相の体積百分率が１０〜４０体積％である。
【００２９】本発明の請求項１において、片持ち梁方式によって測定された損失係数（η）が０．００５〜０．１０であることを開示しているが、これは制振性に優れた鋼材としての基本的な条件である。ここで、本発明になる鋼材の振動減衰能は振動歪依存が大きいので、損失係数（η）測定方法は、振動歪みを約１０−４以上にする必要があるため、これを可能にする方法として片持ち梁方式を選択した。測定値においては、損失係数（η）が０．００５未満であると制振性鋼としての振動減衰機能が不十分であるためであり、０．１０を超えるための製造条件では鋼材の機械的性質が上記記載の用途に適さなくなるためである。
【００３０】本発明の請求項１において、本発明に係る高強度鋼の硬さが、ビッカース硬度（Ｈｖ）で４００〜７００であることを主張している。ここで、ビッカース硬度（Ｈｖ）を４００〜７００とするのは、Ｈｖが４００未満であると本発明の用途に強度が不足であるためであり、Ｈｖが７００を超えると鋼の延性が劣るためである。
【００３１】本発明の請求項４〜請求項１５において、本発明に係る高強度制振鋼を含んで構成されることを特徴とする切削工具、削岩支持具、リニアガイド装置、低反発鋼球又軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、超電導体用冷媒容器及び振動抑制機能付き回転体等の制振機能を有する部品又は装置を個々に請求項として主張している。本発明に係る高強度制振鋼を上記部品或いは装置に適用すると、それぞれが、どのような特性を新規に発揮するかについては、実施例によって個々に説明する。
【発明の効果】
【００３２】本発明に係る高強度制振鋼を切削工具、削岩支持具、リニアガイド装置、低反発鋼球、軸受、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、超電導体用冷媒容器又は振動抑制機能付き回転体等に適用すると、稼働中に発生する振動を抑制することができるので作業効率が向上し、稼働中の振動を抑制するので、エネルギー損失を少なくする省エネルギー部品となることが期待できる。
【００３３】以下、本発明を実施例によって説明する。
【実施例１】
【００３４】実験例１として、表１に示す組成の鋼を溶製した。
ここで、表１に記載されていない元素について説明する。
不可避的不純物である、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）はいずれも０．０１質量％以下とした。ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）は、意図的には添加しなかった。比較例１０（ＳＵＳ３０４）は、表１の化学組成の他に、Ｎｉを８［％Ｎｉ］添加した市販品である。比較例１１（ＳＣＭ４４０）は、高炭素焼入れ鋼である。
この材料の積層欠陥エネルギーＳＦＥを数式１によって計算した。
これを１０００℃で２時間加熱し、仕上げ温度８５０℃で熱間加工によって、１３．５ｍｍφの丸鋼を作製した。次に、真空中で１０５０℃、１時間の溶体化熱処理を行った後に急速冷却した。これを、強度付与を目的として、７００℃で加工率３０％の温間加工を施して１１．０ｍｍφの丸鋼を作製した。さらに、８００℃×３０分でクロム窒化物析出処理を施した後急速冷却した。
そして、制振付与及び第２段の強度付与を目的にして、１０％の冷間引抜加工をして、最終的に１０．０ｍｍφの丸鋼を得た。
片持ち梁方式によって損失係数（η）を測定した。振動部長さを５０ｍｍとして、先端に加速度センサを取付けて、衝撃を与え自由減衰時間及び振動周波数を測定して損失係数（η）を求めた。このときの振動歪は１０−４レベルであった。
硬さ及び磁性を測定した。結果を［表１］にまとめた。
総合評価として、良好（○）及び不可（×）の記号によって表わした。【００３５】
【表１】
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【００３６】以下、表１について詳述する。
本発明例１〜１４は、シリコンを本発明の推奨範囲内である０．１０〜３．０［％Ｓｉ］、マンガンを３〜１７［％Ｍｎ］、クロムを５〜１９［％Ｃｒ］、窒素を０．１０〜１．２０［％Ｎ］を添加し、クロム窒化物析出処理を行った例である。何れも、ＳＦＥ値が２０ｍＪ／ｍ２以下でありε−Ｍｓ相体積％は本発明の請求範囲内であるので、損失係数（η）は良好である。また、実施例１〜１４において、図２に示すように、最終製品丸鋼の硬さは窒素の添加量に従って上昇していることが確認できた。
ここで、本発明例８においては、シリコンを１．００［％Ｓｉ］を添加しているので、各々、マンガンが３．０［％Ｍｎ］、クロムが９．０［％Ｃｒ］でも、ＳＦＥの条件を満たしているので良好な制振性を示すことが確認できた。
本発明例９においては、シリコンを１．００［％Ｓｉ］を添加しているので、各々、マンガンが１２．０［％Ｍｎ］、クロムが３．０［％Ｃｒ］でも、ＳＦＥの条件を満たしているので良好な制振性を示すことが確認できた。
本発明例１〜１４全てに窒素を０．１０［％Ｎ］以上添加して、温間加工によって硬さを高めて、後に、クロム窒化物析出熱処理を施しているので、図３に示すように、ε―Ｍｓ相の生成が確認されている。
比較例１〜７及び比較例１０〜１１については、窒素が０．０１［％Ｎ］なので、いずれも硬さが不足している。
比較例１は、ＳＦＥ、ε−Ｍｓ相体積％及び損失係数（η）の指標からの判断では、良好（○）であるが、マンガン量が１９．０［％Ｍｎ］と高いために材料が硬くなり冷間加工性の観点から量産出来ないので総合評価は不可である。
マンガンと冷間加工性については、実施例３の項において詳述する。
比較例２は、シリコン量が不足しているので制振性が不良である。
比較例３は、シリコン量が過大なので、材料が硬く加工コスト高いので実生産ができない。
比較例４は、炭素量が過大のため、制振性が不良である。
比較例５は、マンガン量が不足しているため制振性が不良である。
比較例６は、クロム量が過大のため、母相がγ−相及びα−相の２相域となっているために、ε−Ｍｓ相の生成量が少ないので制振性も不十分である。
比較例７は、窒素量が０．０１［％Ｎ］なので、硬さが不足している。
比較例８は、窒素を１．３０［％Ｎ］と添加しているが、鋼の凝固時に窒素に起因するブローホールが発生するので、鋼の内部に欠陥が発生し品質上問題がある。この種の欠陥は、［表１］に記載した評価指標には表れてこない。
比較例９は、窒素を０．４９［％Ｎ］と添加しているが、クロム窒化物析出処理をしていないので、固溶窒素［％Ｎ］が多くなり、オーステナイト相が安定となり、ε―Ｍｓ相が生成しないので、制振性はない。
本発明例１４は、比較例７にクロム窒化物析出処理を施すことにより制振鋼とした例であり、図３がこれを示している。
比較例１０は、市販のＳＵＳ３０４であるが、マンガンが少ないので制振性はない。
比較例１１は、焼入れ焼き戻しによって硬さを得る炭素鋼である。母相がフェライト相の高強度鋼であり、制振性能は無い。【００３７】更に、表１をグラフ化した、図４、図５及び図６によって詳述する。
図４は、ＳＦＥとε‐Ｍｓ相体積％との関係を示す。ＳＦＥが２０（ｍＪ／ｍ２）以下において所望のε‐Ｍｓ相体積％を生成する。図５は、ε‐Ｍｓ相体積％と損失係数（η）との関係を示す。ε‐Ｍｓ相体積％が、５体積％以上が必要である。
図６は、［％Ｍｎ］とε‐Ｍｓ相との関係を示す図である。マンガンの質量パーセントの範囲は、３［％Ｍｎ］以上が必要であり、冷間加工性の観点から、１８［％Ｍｎ］未満である。【００３８】図７に示す片持ち梁方式の振動試験装置によって、表１における本発明例１と比較例１１（市販の工具鋼）の制振性の比較を行った。図８は、その振動減衰の時間軸波形であり、同時に共振周波数を計測することができる。
この減衰波形より、損失係数（η）は５及び６式によって求めることができる。
対数減衰率（α）    α＝１／ｎ・Ｌｎ（Ａ０／Ａｎ）  ・・・・（５）
損失係数（η）      η＝α／π                      ・・・・（６）
ここで、ＡｎはＡｏからｎ周期目の振動振幅である。
【実施例２】
【００３９】実施例２は、請求項３に記載されている第６工程に関するものである。
実施例１における本発明例１の組成の鋼を用いた。これを１０００℃で２時間加熱し、仕上げ温度８５０℃で熱間加工によって、１３．５ｍｍφの丸鋼を作製した。次に、真空中で１０５０℃、１時間の溶体化熱処理を行った後に急速冷却した。これを、強度付与を目的とした、加工率３０％で冷間加工を施して１１．２ｍｍφの丸鋼を作製した。さらに、８００℃、３０分にてクロム窒化物析出処理を施した後に急速冷却した。
これに、１，５，１０，２０，３０，４０，５０，６０％の冷間加工を行った。
表２は、上記の冷間加工を施した各々の試験片の機械的性質、硬さ、損失係数（η）を測定した結果である。図９は、表２をグラフ表示したものである。
第６工程は、最終製品の制振性と機械的性質を決めるものなので、用途に応じて選択しなければならない。制振性の観点からは、５〜２０％の冷間加工において最良の状態となり、その後冷間加工が増すと逆に制振性が劣化する。材料の強度が重要な用途には、制振性を犠牲にすることになるが冷間加工率を３０％以下が推奨される。冷間加工が５０％を超えると、ε―Ｍｓ相が多すぎて制振性の発現が逆に阻害される。【００４０】
【表２】
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【実施例３】
【００４１】実施例３は、本発明の制振性に優れた鋼の冷間加工性の評価に関するものである。
表３は、特許文献６に記載した表１における本発明例１（Ｍｎ：１７［％Ｍｎ］）、本発明例８（Ｍｎ：８［％Ｍｎ］）、比較例１（Ｍｎ：１９［％Ｍｎ］）及びＳＵＳ３０４（Ｍｎ：１［％Ｍｎ］）のマンガン質量含有率［％Ｍｎ］の異なる鋼について、試験圧延機（ワークロール径８５ｍｍφの４段圧延機）によって、
２．０ｍｍから約０．０３ｍｍ厚までの冷間圧延における中間熱処理回数と次の熱処理が必要となるまでの冷間圧延率を測定したものである。
本発明例１又は８は、２．０ｍｍから約０．０３ｍｍまでに中間熱処理回数は３回であり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は６３〜７０％である。これはＳＵＳ３０４（比較例１０）と同等であることが確認され、実生産可能との総合評価である。これに対して、比較例１（Ｍｎ：１９［％Ｍｎ］）は、９回の中間熱処理が必要となり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は３５％である。これは、実生産における冷間加工のコストが過大となるために実用化が阻害されていることが明白に示されている。【００４２】
【表３】
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【実施例４】
【００４３】［実施例４］
実施例４は、請求項４に係るものである。
表１に記載した本発明例１の素材を図１０に示すボーリングバイトに加工した。
比較例Ａは、耐びびり性の優れた超硬合金、比較例Ｂは、一般の切削工具に用いられているクロム・モリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）である。この時の被削材は、Ｓ４５Ｃ、切削条件としては、Ｖｃ＝７０ｍｍ／ｍｉｎ、加工代ａｐ＝０．２ｍｍである。切削工具は、１０ｍｍ径（Ｄ）であり、突出し長さを３Ｄ〜７Ｄに変化させた時のびびり評価を行った。
切削加工におけるびびり評価を行った結果を表４に示す。
結果を表４に示すように、本発明例１は、突出し長さ６０ｍｍ（６Ｄ）の条件において、比較例Ａ（超硬合金）に匹敵する優れた耐びびり性を示すことが確認できた。【００４４】
【表４】
0005835677.tif 000005
【実施例５】
【００４５】［実施例５］
実施例５は、請求項５に係るものである。
本発明に係る高強度制振鋼を図１１のようなリニアガイドに適用した。結果を表５及び図１２に示す。本発明例１は、比較例１１（ＳＣＭ４４０）に対して５ｄＢの稼働中における騒音低減効果が確認できた。図１２に示すように、リニアガイドの稼働中の騒音周波数は１〜４ｋＨｚであり、本発明の高強度制振鋼の制振効果を発揮する周波数帯である。また、本発明例は、比較例１１（従来品）と同等の耐摩耗性を示すことが確認された。【００４６】
【表５】
0005835677.tif 000006
【実施例６】
【００４７】［実施例６］
実施例６は、請求項６に係るものである。
実施例１の表１における本発明１の素材を用いて、図１３に示す製造工程によって、直径１０ｍｍの鋼球を作製した。図１４は、低反発鋼球の自由落下試験も模式的に表したものである。図１５は、軸受の外観写真である。表６は、低反発鋼球及び軸受に適用した結果である。低反発鋼球の反発指標を示す対数減衰率（α）は表６に示すように優れている。また、軸受に適用した時の、回転エネルギー損失を比較した結果は、回転エネルギー損失を約２０％低減するという極めて優れた効果が確認できた。【００４８】
【表６】
0005835677.tif 000007
【実施例７】
【００４９】［実施例７］
実施例７は、請求項７に係るものである。
実施例１の表１における本発明１及び比較例１１の素材を用いて、図１６に示す歯車を作成した。表７は、その適用例である。稼働中の騒音を大幅に低減する効果を確認した。また、耐摩耗性は従来材と同等であることが確認された。【００５０】
【表７】
0005835677.tif 000008
【実施例８】
【００５１】［実施例８］
実施例８は、請求項８に関するものである。
実施例１の表１における本発明１及び比較例１０の素材を用いて、図１７に示すチエーンを作成した。表８は、適用例であり、稼働中の騒音を大幅に低減する効果を確認した。また、耐摩耗性は従来材（ステンレス・チエーン）大幅に優れているので、摩耗に起因するチェーンの寿命が改善された。【００５２】
【表８】
0005835677.tif 000009
【実施例９】
【００５３】［実施例９］
実施例９は、請求項９に関するものである。
実施例１の表１における本発明１及び比較例１１の素材を用いて、図１８に示すコイルばねを作成した。図１９はサージング発生の比較したものである。本発明例は、高次周波数の共振現象が抑えられている。
【実施例１０】
【００５４】［実施例１０］
実施例１０は、請求項１０に関するものである。
実施例１の表１における本発明例１及び比較例１１の素材を用いて、図２０に示すパーツフィーダを作成した。表９は、パーツフィーダの稼働時の騒音レベルパーツ損傷率及び総合評価である。パーツフィーダのボール部の振動が抑制されるので、騒音レベルが抑制されると同時に、パーツへの振動衝撃が軽減されるので、パーツの損傷率が低減した、【００５５】
【表９】
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【実施例１１】
【００５６】［実施例１１］
実施例１１は、請求項１１に関するものである。
例えば、組合せ計量装置（図２１）は、食品関係の計量に威力を発揮している。
例えば、ポテトチップやソーセージのように、一つの重さが定まりにくく形状も不揃いでも、定められた重さを取り分けて袋詰めにする装置である。１分間に１００回以上の計量ができるので、従来は人手による人海戦術しか方法がなかったので、所謂、百人力の省力化装置である。しかしながら、ＳＵＳ３０４製のボックスの開け閉めやシュートからの騒音が高いという問題点がある。
この装置に、表１の本発明例１を適用して、比較例１０（従来材）との稼働中の騒音を測定・比較した結果を表１０に示す。その結果、職場環境の改善に効果を発揮することが確認できた。この技術は、物の衝突等に起因する騒音を発生する食品製造・梱包装置においても同様の効果が期待できる。【００５７】
【表１０】
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【実施例１２】
【００５８】［実施例１２］
実施例１２は、請求項１２に関するものである。
磁気浮上列車（リニア鉄道）においては、５００ｋｍ／ｈｒの高速度で走行する場合、約３００Ｈｚの振動が超電導磁石に発生して、液体ヘリウムや液体窒素の超電導維持用冷却媒体が振動エネルギーによって蒸発気体化する。この現実的な対策として、強力な冷凍機によって気化して冷媒を液化して冷却容器に戻す装置を稼働させている。特許文献５は、一つの対策として、図２２及び図２３に示すような制振装置を提案している。
本願になる「高強度制振鋼」は、特許文献５の示す効果と同様な対策技術となることが期待される。
【実施例１３】
【００５９】［実施例１３］
実施例１３は、請求項１３に関するものである。
太陽光や風力の自然エネルギーを利用する場合、発電電力の変動を負荷平準化するための大容量電力貯蔵設備が必要となる。このために、図２４に示すような超電導磁気浮上フライホイール式電力貯蔵が提案されている。フライホイールの３０００ｒｐｍの高速回転に起因する振動による蓄電効率の低減対策が求められている。例えば、特許文献１０は、装置全体をダンパーで支持する方法を提案している。非特許文献１は、フライホイールが回転時に発生する振動を計測している。これによると、１ｋＨｚ以上に振動が発生することが報告されている。
図２５に示すように、本願の発明になる「高強度制振鋼」は、この周波数領域への振動吸収能に優れていることが分っているので、例えば、フライホイール・シャフトへの適用によって、充発電効率の向上が期待できる。
【実施例１４】
【００６０】［実施例１４］
実施例１４は、請求項１４に関するものである。
図２６に示すように、発電のために回転する回転子とステータの間の磁気反力による振動・騒音を抑制するために、非磁性鋼材の振動抑制体が設置されている。この振動抑制体は、凹型の複雑形状なので、高精度・高歩留りの効率的製造方法が求められる。本願の発明になる「高高度制振鋼」をこの部分に使用すると、更なる発電機の高性能・軽量化が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】本発明に係る高強度制振鋼を、切削工具、削岩支持体、リニアガイド装置、ボールねじ、低反発鋼球、軸受、ボールベアリング、歯車伝動装置、チエーン伝動装置、ばね装置、組合せ計量装置、超電導体用冷媒容器、振動抑制機能付き回転体等の制振機能を有する装置に適用すると、稼働中に発生する騒音を抑制することができると同時に騒音源の振動を抑制するので、エネルギー損失を少なくし省エネルギー部品となることが期待できるので産業利用上の効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】  高強度制振鋼の製造工程
【図２】  実験例１における窒素含有量と最終製品鋼の硬さの関係
【図３】  クロム窒化物析出処理有無と金属組織の関係
【図４】  ＳＦＥとε−Ｍｓ相体積％との関係
【図５】  ε−Ｍｓ相体積％と損失係数（η）との関係
【図６】  マンガン質量％とε−Ｍｓ相体積％及び冷間加工性との関係
【図７】  片持ち梁方式の振動試験装置
【図８】  振動減衰時間軸波形、共振周波数（本発明例１及び比較例１１）
【図９】  冷間加工率と硬さ、制振性、鋼の延性との関係
【図１０】  切削工具の例
【図１１】  リニアガイド装置の例
【図１２】  リニアガイド装置の稼働時に発生する振動
【図１３】  高強度で制振性を有する低反発鋼球の製造工程
【図１４】  低反発鋼球の自由落下試験
【図１５】  軸受の例
【図１６】  歯車の例
【図１７】  チエーンの例
【図１８】  ばねの例
【図１９】  サージングの発生比較
【図２０】  パーツフィーダの例
【図２１】  組合せ計量装置の例
【図２２】  磁気浮上列車の駆動部と制振装置の例
【図２３】  制振装置有無と冷媒容器の振動の比較
【図２４】  フライホイール式電力貯蔵装置の例
【図２５】  フライホイールの回転時に発生する振動とモデル試験結果
【図２６】  発電機の回転子と振動抑制体の例
【要約】
【課題】高強度制振鋼及び該鋼を含んで構成される制振機能装置を提供する。
【解決手段】
炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１０〜３．０重量％、マンガン３．０〜１８．０重量％、クロム３．０〜２０．０重量％、窒素０．１０〜１．２０重量％を含んで成る鋼であって、積層欠陥エネルギーＳＦＥが２０（ｍＪ／ｍ２）以下の条件を満たす化学組成の鋼を溶製し、所定の熱処理条件、冷却条件及び冷間加工条件を満たす製造方法によって、イプシロン・マルテンサイト及び積層欠陥の体積％が５〜５０体積％、鋼の硬さ（Ｈｖ）が３５０〜７００となるようにする。
【選択図】図２【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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