(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：１０〜１８質量％、Ｃ：０．２１〜０．５質量％を含有し、さらにＴｉおよび／またはＮｂを、Ｔｉ：単独で０．０５〜１質量％、Ｎｂ：単独で０．０５〜１質量％或いはＴｉ＋Ｎｂ：合計量で０．０５〜１質量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成からなる鋼に、下記（１）、（２）式により求まるＴに対して、焼入れ温度がＴ±５０℃、焼戻し温度が１５０〜５００℃で熱処理を施し、鋼の組織をマルテンサイト相とするとともに、鋼のマトリックス中にＴｉおよび／またはＮｂの炭化物を０．１質量％以上分散析出させることを特徴とする耐食性と靭性および耐繊維磨耗性に優れた高強度鋼製織機部材用素材の製造方法。
ここで、 Ｔ＝２８０×ｋ*＋１２００ ‥‥‥（１）
ｋ*＝ｌｏｇ｛Ｃ％−０．１６（Ｎｂ％＋Ｔｉ％）｝‥‥‥（２）
（２）式右辺の各項は合金元素の含有量（質量％）である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、繊維との接触で磨耗し易いフラットヘルド、ドロッパー、筬羽、変形筬、リード等の織機部材であって、耐食性と靭性および耐繊維磨耗性に優れたに優れた高強度鋼製織機部材用素材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラットヘルド、ドロッパー、筬羽、変形筬、リード等の織機部材にはステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２を焼入れした組織強化材が使用されている。この種の織機部材は、織物に使用される繊維の材質改善、生産能率を向上させるために高速度化等にともなって、磨耗環境が過酷になってきている。その結果、部品寿命が低下し、補修部品の煩雑な交換が余儀なくされている。また、使用環境によっては、織機部材が腐食し織りあがった織物が汚染される問題も発生している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、そのような問題を解消すべく案出されたものであり、耐繊維磨耗については、硬質なＴｉ炭化物やＮｂ炭化物をマトリックスに分散させることにより耐摩耗性と、適正な焼入れ・焼戻し温度で造り込んだ高耐食性材により、長期にわたって使用される耐食性と靭性および耐繊維磨耗性に優れた高強度鋼製織機部材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐食性と靭性および耐繊維磨耗性に優れた高強度鋼製織機部材用素材の製造方法は、その目的を達成するため、Ｃｒ：１０〜１８質量％、Ｃ：０．２１〜０．５質量％を含有し、さらにＴｉおよび／またはＮｂを、Ｔｉ：単独で０．０５〜１質量％、Ｎｂ：単独で０．０５〜１質量％或いはＴｉ＋Ｎｂ：合計量で０．０５〜１質量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成からなる鋼に、下記（１）、（２）式により求まるＴに対して、焼入れ温度がＴ±５０℃、焼戻し温度が１５０〜５００℃で熱処理を施し、鋼の組織をマルテンサイト相とするとともに、鋼のマトリックス中にＴｉおよび／またはＮｂの炭化物を０．１質量％以上分散析出させることを特徴とするものである。
ここで、 Ｔ＝２８０×ｋ*＋１２００ ‥‥‥（１）
ｋ*＝ｌｏｇ｛Ｃ％−０．１６（Ｎｂ％＋Ｔｉ％）｝‥‥‥（２）
（２）式右辺の各項は合金元素の含有量（質量％）である。
【０００５】
【作用】
本発明者等は、磨耗損傷した織機部材や実際に使用した繊維等を多数取り寄せ、磨耗損傷部分や繊維をミクロ的な観点から調査した。その結果、磨耗した部材の大半では、細かい線状に研削されたような疵が磨耗部分に観察された。また、使用された繊維には、アルミナや炭化珪素等の硬質粒子の付着が検出された。研削されたような疵や硬質粒子の付着から、この時の磨耗現象は、硬質粒子が介在した磨耗であることが分かった。なお、本明細書では、繊維と織機部材の接触面に硬質粒子が介在し、振動または摺動過程で織機部材の接触面が硬質粒子等で擦過・研削される磨耗をアブレッシブな磨耗と言う。
アブレッシブな磨耗は、種々の磨耗現象の中で最も激しい磨耗であり、この磨耗に耐える材料の開発が望まれている。
【０００６】
これまでの鋼製織機部材は、鋼の組織強化、加工硬化等により得られる硬さと比較してアルミナ、炭化珪素等の硬質粒子が硬いために、アブレッシブな磨耗に対しては耐えられなかった。
そこで、本発明者等は、アルミナや炭化珪素と同等の硬さを有する炭化物に着目し、鋼のマトリックス中に硬質炭化物を分散析出させ、アブレッシブな磨耗に対する耐磨耗性の検討を行った。その結果、Ｔｉ炭化物またはＮｂ炭化物の単独または複合炭化物を分散析出させることで、アルミナや炭化珪素によるアブレッシブな磨耗を抑制する効果があることを見出し、耐磨耗性に優れた織機部材用耐磨耗鋼の開発を行った。
本発明者等は、さらに耐食性の改善、靭性の向上についても検討したところ、添加元素とその添加量、および焼入れ・焼戻し温度の関係において耐食性、靭性が向上することを見出した。
【０００７】
なお、ここで、本発明方法で得られる鋼材の特性評価に使用した各種の評価・測定方法について、説明しておく。
[炭化物析出量の測定]
炭化物の固溶・析出処理によって、炭化物量を制御した試料を沃化アルコール液に浸漬し、超音波を加えて鋼を溶解した後、液中に残った炭化物量の残渣量より求めた。炭化物の形態は残渣のＸ線解析で固定して求め、個々の金属元素量は湿式分析およびガス分析装置で求めた。
【０００８】
[耐食性の評価]
耐食性の評価は、ＪＩＳＺ２３７１による塩水噴霧試験を７２時間実施し、試験後の錆発生の有無で評価した。
[靭性の評価]
焼入れ・焼戻し後の靭性の評価は、ＪＩＳＺ２２４８の押し曲げ法により、密着または曲げ、曲げ部での破断の有無で評価した。
【０００９】
[耐摩耗性の評価]
試験は、フラッドヘルドのメール穴に、織物の化学繊維（ＴＦＤ７５／３６Ｆ外径約１２０μｍ）を通し、接触摺動させ接触部の磨耗深さを測定した。試験の条件は、繊維の張力：約５０ｇで、試験の回転速度：８０ｒｐｍ（摺動速度：０．１ｍ／ｓ）、試験時間：１０時間である。
試験片フラッドヘルドのメール部の耐摩耗性評価は、繊維と接触磨耗した部分の磨耗量を求め、ＳＵＳ４２０Ｊ２の磨耗深さを基準とし、下記（３）式に基づいて求めた耐磨耗指数Ｍ（％）で行った。耐磨耗指数Ｍが小さいほど耐磨耗性に優れていることを示す。
耐磨耗性指数Ｍ（％）＝Ｄｉ÷Ｄｏ×１００      ‥‥‥（３）
ここで、ＤｏはＳＵＳ４２０Ｊ２の磨耗深さ
Ｄｉは評価対象鋼の磨耗深さ
【００１０】
次に、本発明方法の内容を具体的に説明する。
本発明で対象とされる鋼材は、耐食性を付与するために１０〜１８質量％のＣｒを含んでいる。Ｃｒ含有量が８質量％を下回ると、Ｃｒ添加による防食効果が低減する。１０質量％以上にＣｒを添加するほど耐食性は向上するが、１８質量％を越えると熱間加工性が低下し、製造上問題となる。本発明材が用いられる腐食環境を考慮し、また材料の低コスト化を図ることからＣｒの上限は１８質量％とした。
【００１１】
Ｔｉおよび／またはＮｂは、炭化物の合計析出量が０．１質量％以上になるように、Ｔｉ：単独で０．０５〜１質量％、Ｎｂ：単独で０．０５〜１質量％またはＴｉ＋Ｎｂ：合計量で０．０５〜１質量％の割合で添加される。
炭化物合計析出量０．１質量％以上は、後述する実施例に記載しているように、耐磨耗性に及ぼす析出物の影響調査から見出された臨界値である。０．１質量％以上の合計析出量を確保することにより、炭化物のない鋼材に比較して格段に優れた耐磨耗性が得られる。
Ｔｉ：０．０５質量％以上、Ｎｂ：０．０５質量％以上またはＴｉ＋Ｎｂ：０．０５質量％以上に設定するとき、マトリックス中に分散析出した炭化物の合計析出量が０．１質量％以上になる。しかし、Ｔｉ、Ｎｂの成分は溶製時の湯流れ性の低下、金属間化合物生成による靭性の低下、素材コストの上昇等のため、Ｔｉ含有量の上限を１．０質量％、Ｎｂ含有量の上限を１質量％、Ｔｉ＋Ｎｂ合計含有量の上限を１質量％に設定した。
【００１２】
０．１質量％以上の炭化物を析出させるためには、Ｃを０．０５質量％以上含有させる必要がある。そして、Ｃは炭化物の生成に消費されるだけでなく、組織強化にも有効な成分であるが、０．５質量％を越える多量のＣの添加は共晶クロム炭化物の多量の析出を招き、材料品質の低下や熱間加工性等の低下を引き起こすため、Ｃ含有量の上限は０．５質量％とした。
本発明で対象とされる鋼材には、耐磨耗性向上のための硬質な炭化物形成元素のＺｒ、Ｖ、Ｗ等を、Ｔｉ、Ｎｂとの一部置換または複合添加として、Ｔｉおよび／またはＮｂと合量で総和が１質量％まで添加することができる。
【００１３】
さらに、本発明で対象とされる鋼材には、他の合金成分としてＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ等を含有させることもできる。例えば、焼入れ後のマルテンサイト相の確保やさらなる靭性等の改善のため０．１〜４質量％のＮｉ、耐食性改善のため０．１〜３質量％のＭｏ、耐食性、耐応力腐食割れ性等の改善のため０．２〜３質量％のＣｕの1種または２種以上を含有させても良い。
なお、製鋼過程での脱酸を目的とするＳｉ、Ｍｎの添加については、Ｓｉを０．０２〜２．５質量％、Ｍｎを０．０２〜３質量％の範囲で調整することが好ましい。
【００１４】
一方、織機部材用素材への多量のＣの添加や低温焼き入れ或いは高温焼戻し等の製法によっては、耐食性が損なわれることが確認され、その改善方法について検討した。これらの耐食性低下の原因を調査した結果、鋼中のＣｒがＣと結合してＣｒ23Ｃ6のクロム炭化物が析出していた。このクロム炭化物の析出によって耐食性向上に有効なＣｒが炭化物に取り込まれ、析出物近傍のＣｒが欠乏したため、耐食性が損なわれ腐食していることが分かった。また、焼入れ温度や焼戻し温度が不適切であれば耐食性のみならず靭性に大きな悪影響をもたらす。
【００１５】
本発明者等は、これらのことから、本発明鋼の耐食性および靭性を損なうことなく製造できる最善の製造方法について種々検討した。
種々の組成を有する鋼材について、焼入れ温度と耐食性および靭性の関係を検討した。種々の焼入れ温度で焼入れ熱処理した後、さらに４００℃の焼戻し処理を施した試料の耐食性と靭性を調査し、その結果を焼き入れ温度と未結合ｋ*（ＴｉおよびＮｂと結合できなかったＣ量を表す指標）の関係で整理し、プロットしたものが図１である。
【００１６】
図１のマップ図で明らかなように、耐食性および靭性の両特性に優れる領域が認められた。この、耐食性および靭性の両特性に優れる中心線を回帰計算して求めた結果、回帰計算値：Ｔとして（１）式が得られた。
Ｔ＝２８０×ｋ*＋１２００                            ‥‥‥（１）
ここで  ｋ*＝ｌｏｇ｛Ｃ％−０．１６（Ｎｂ％＋Ｔｉ％）｝‥‥‥（２）
【００１７】
さらに、(１)式の回帰直線より、±５０℃以上離れると、優れた耐食性や靭性が得られない。すなわち、回帰計算値：Ｔよりも、±５０℃以上離れると、低温側では耐食性が低下し、高温側では靭性が劣っている。
下限値を下回ると、Ｃｒ炭化物が固溶しきらず、未固溶のＣｒ炭化物が腐食の起点となって、耐食性を低下させる。一方、上限を上回ると、Ｃｒ炭化物が完全に固溶し耐食性が維持されるものの、オーステナイト粒が粗大化し、焼入れ後の靭性に悪影響を及ぼす。
以上の結果から、優れた耐食性および靭性を得るための適正な焼入れは、回帰計算値Ｔの±５０℃の温度範囲で行う必要がある。
【００１８】
また、回帰計算値Ｔの±５０℃の最適温度範囲で焼入れしても焼戻し温度によって、耐食性や靭性が低下する場合があることも分かった。
最適組成（Ｃ：０．３２質量％、Ｃｒ：１５．５６質量％、Ｎｂ：０．４５質量％）を有する鋼について、焼入れ温度を３水準（何れもＴの±５０℃の最適温度範囲内）変えて、焼戻し温度の耐食性および靭性に対する影響について調査した結果を、図２に示す。
【００１９】
１００℃以下の焼戻し温度では、曲げ試験で破断し、充分な靭性が得られておらず、１５０℃以上で、密着曲げで破断せず靭性の改善が認められた。１５０℃未満の焼戻しでは、高温からの焼入れ時に変態・生成したマルテンサイト相の歪みが十分に除去できず、織機部材で要求される靭性まで回復できない。しかし、５００℃を越えると、塩水噴霧試験で錆が発生し耐食性の低下が認められた。この結果から、最適な焼入れ温度範囲で処理しても、焼戻し温度によっては、耐食性および靭性が損なわれる領域が存在することが確認できる。
【００２０】
すなわち、本発明は、最適な焼入れ温度で熱処理し、さらに、１５０〜５００℃の範囲で焼戻し熱処理を施すことによって、優れた耐食性と靭性を得ることになる。
以上、本発明方法で優れた耐食性と靭性を得るための最適な製造条件は、焼入れ温度が回帰計算値Ｔの±５０℃で、焼戻し温度が１５０〜５００℃で熱処理を施すことになる。ここでＴは上記（１）式により求まる。
【００２１】
【実施例】
以下に、実施例について説明する。
表１に比較鋼および発明鋼の主要成分を示す。材料は溶製後溶体化処理して板厚５ｍｍまでに熱間圧延し、さらに７８０℃で９時間加熱後炉冷し、酸洗、冷間圧延、焼鈍を繰り返し、板厚０．３ｍｍに仕上げ、試験用素材とした。繊維によるアブレッシブな磨耗に対する耐摩耗性の評価用の試験片は、比較鋼および発明鋼の板厚０．３ｍｍの素材を、温度が回帰計算値Ｔの上下の各温度からの焼入れ処理と、５０〜６００℃各温度での焼戻し処理の所定の焼入れ・焼戻しの熱処理を施し、織機部材のフラッドヘルドに加工して試験片とした。
【００２２】
0004789225.tif 000002
【００２３】
前記した方法により、炭化物の析出量を測定し、耐食性、靭性、および耐摩耗性を評価した。
まず表２に、本発明鋼および比較鋼のＴｉ炭化物、Ｎｂ炭化物の析出量と耐摩耗性指標Ｍ（％）の評価結果を示す。比較鋼種６、７のようにＴｉおよびＮｂの添加量が少ないとＴｉ炭化物やＮｂ炭化物の析出も少なく、耐摩耗性指標Ｍが大きくなって耐摩耗性は得られなくなる。Ｔｉ炭化物やＮｂ炭化物の総析出量が多くなると、耐摩耗性指標Ｍが小さくなって、優れた耐摩耗性を示している。
このＴｉ炭化物とＮｂ炭化物の合計析出量と耐磨耗性指標Ｍの関係をグラフ化すると図３のようになる。炭化物の合計析出量が増加すると耐磨耗性指標Ｍは急激に小さくなり、炭化物の合計析出量０．１質量％を境に耐磨耗性指標Ｍは５０％未満に、すなわち、従来品と比較して２倍以上の寿命を持つフラッドヘルドが得られるので、前記したように本発明方法における炭化物の合計析出量を０．１質量％以上と規定したのである。
【００２４】
0004789225.tif 000003
【００２５】
次に焼入れ温度・焼戻し温度と耐食性、靭性の関係について評価した。
その結果を、表３に示す。所定の合金組成を有し、本発明で規定する（１）式を満たす温度で焼入れ、１５０〜５００℃の範囲で焼戻しを行ったものは、耐摩耗性を有することは勿論、耐食性および靭性にも優れていた。これに対し、焼入れ温度が規定値よりも高い比較例では、靭性の点で満足できるものは得られなかった。また、焼入れ温度が低い比較例では、耐食性の点で満足できるものが得られなかった。さらに、焼戻し温度が高い比較例では耐食性の点で、焼戻し温度が低い比較例では靭性の点で満足できるものが得られなかった。
なお、鋼種６、７は、前記したように硬質炭化物を形成するＴｉ、Ｎｂ含有量が少ないために、Ｔｉ炭化物、Ｎｂ炭化物の析出も少なく、耐磨耗性の点で所期の目的を達成できていない。
【００２６】
0004789225.tif 000004
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明方法によれば、Ｔｉおよび／またはＮｂを含有させて硬質の炭化物を所定量以上析出させることにより、繊維によるアブレッシブな磨耗に対して優れた耐摩耗性を持たせるとともに、焼入れおよび焼戻しの処理を最適な温度で行うことにより、耐食性と靭性を向上させることができる。
これにより、織物の繊維による磨耗が問題になっている織機類の部材、特に、フラットヘルド、ドロッパー、筬羽、変形筬、リード等、アブレッシブな磨耗に対する耐摩耗性が要求される部位での磨耗対策が可能になるとともに、織機機械を始めこの種の関連機器そのものの寿命延長に多大な貢献が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  焼入れ温度と耐食性および靭性の関係を示す図。
【図２】  焼戻し温度と耐食性および靭性の関係を示す図。
【図３】  Ｔｉ炭化物およびＮｂ炭化物の合計析出量と耐摩耗性の関係を示す図。
【図１】
0004789225.tif 000005
【図２】
0004789225.tif 000006
【図３】
0004789225.tif 000007