(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結された高速度鋼を焼結後の冷却時に０．３℃／ｓｅｃ以上、３．５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して焼き入れを行い、さらに、その焼き入れを行った後に焼き戻しを実施し、その焼き戻しの回数を２回にし、かつ、１回目の焼き戻しでの冷却温度を１００℃〜１８０℃の範囲にして残留オーステナイト量が０〜５ｗｔ％の高速度鋼を得ることを特徴とする焼結高速度鋼の製造方法。
【請求項２】
焼結後の高速度鋼の冷却を０．３℃／ｓｅｃ以上、２．０℃／ｓｅｃ以下の速度で行う請求項１に記載の焼結高速度鋼の製造方法。
【請求項３】
脱ガスゾーンと焼結ゾーンと、この脱ガスゾーン及び焼結ゾーンから独立した熱源を持たない冷却ゾーンを備える製造設備を用い、焼結後の前記冷却ゾーンにおける鋼材の冷却を、不活性ガス、または、不活性ガスに水素を５％以下含ませた混合ガスで行う請求項１または２に記載の焼結高速度鋼の製造方法。
【請求項４】
１回目の焼き戻しでの冷却温度を、１００℃〜１５０℃の範囲とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焼結高速度鋼の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの製造方法で得られる、マトリックス中に平均粒径が５μｍ以下の硬質炭化物が均一に分散しているロックウエル硬さがＨＲＣ２０〜４５である焼結高速度鋼。
【請求項６】
請求項５に記載の焼結高速度鋼で作られた摺動部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐摩摺動部材用の材料として好適な焼結高速度鋼の製造方法、詳しくは、耐摩耗性に優れる焼結高速度鋼を寸法精度の悪化を抑えて低コストで製造するための方法と、その方法で得られる焼結高速度鋼及びその焼結高速度鋼で作られる摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
優れた耐摩耗性を有する一方で相手攻撃性の低いコンプレッサ用鉄基焼結羽根として、本出願人は、鉄をベースとするマトリックス中に平均粒径が５μｍ以下の硬質炭化物が均一に分散した、理論密度比が８０〜９０％、ロックウエル硬さがＨＲＣ１０〜４５の焼結高速度鋼によって形成された羽根を下記特許文献１によって提案している。
【特許文献１】特公平７−２６６２９号公報
【０００３】
このコンプレッサ用鉄基焼結羽根は、耐摩耗性を向上させるために焼結後に焼き入れ、焼き戻しを行っているが、従来の熱処理では冷却速度が速すぎるために（例えば、油で急冷するときの冷却速度は１０℃／ｓｅｃ以上）製品に大きな歪が生じて寸法精度、特に、平面度が悪くなると言う問題があった。
【０００４】
また、急冷によって材料中の残留オーステナイト量が多くなる（３０ｗｔ％以上になる）ため、焼き戻しの条件が厳しくなると言う問題もあった。
【０００５】
例えば、冷凍機用コンプレッサの部品は、−６０℃にも達するような極低温の環境下で使用され、この様な特殊用途の部品については、残留オーステナイトが低温でマルテンサイトに変態して膨張すること(そのために摺動クリアランスを確保できなくなること)が原因となって起こる使用時のロッキング現象などを防止するために、材料の高速度鋼中の残留オーステナイト量を可及的に０％に近づける（１ｗｔ％以下にする）ことが望まれる。また、チラー用部品や除湿器用部品などとして０℃以上の温度下で使用される一般用途の高速度鋼も、残留オーステナイト量を５ｗｔ％以下にすることが望まれる。
【０００６】
３０ｗｔ％以上も残留しているオーステナイトを、上記の要求に応えられるところまで減少させるには、従来の方法では焼き戻しを２〜３回実施する必要がある。これに加えて、従来の焼き戻し処理では、加熱工程と加熱後に室温まで冷却する工程を繰り返しており、そのこともあって、熱処理の時間が長くなっている。
【０００７】
また、焼き戻しは、ワークを１回１回炉から出しながら行っており、さらに、加熱、冷却の均一化のために処理対象部品を整列させて炉に導入せざるを得なかったために１バッチ当たりの処理量も少なく、熱処理の効率が良くなかった。
【０００８】
このほかにも、焼結後に更に真空中で焼き入れ、焼き戻しの熱処理を行うため、熱効率や生産性が悪く、製造コストが高くなると言う問題や、水や油による冷却を行うと寸法精度、特に平面度が悪くなり、極端な場合には製品の割れが発生すると言う問題もあった。
【０００９】
なお、上記特許文献１は、焼結後に１１５０℃からＮ２ガス焼き入れを行うことを述べているが、そのガス焼き入れ法を採用しても上記の問題が生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、特許文献１が開示している組成の焼結高速度鋼を大きな歪を発生させずに作れる製造方法及び残留オーステナイト量の低減を、焼き戻し回数を減少させて実現できる製造方法と、それらの方法によって製造される高硬度で歪の少ない焼結高速度鋼と、その焼結高速度鋼で形成された寸法精度の良い摺動部品を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、この発明においては、焼結後の冷却時に焼結された鋼材（高速度鋼、以下製品とも言う）を０．３℃／ｓｅｃ以上、３．５℃／ｓｅｃ以下の速度、より好ましくは０．３℃／ｓｅｃ以上、２．０℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して焼結後の冷却時に焼き入れを行い、さらに、その焼き入れを行った後に焼き戻しを実施し、その焼き戻しの回数を２回にし、かつ、１回目の焼き戻しでの冷却温度を１００℃〜１８０℃、より好ましくは１００℃〜１５０℃の範囲とする焼結高速度鋼の製造方法を提供する。
【００１３】
この方法によって、この発明の焼結高速度鋼を製造する。なお、残留オーステナイト量が１〜５ｗｔ％の焼結高速度鋼は、一般用途の摺動部品（例えば、チラーや除湿器用の部品）の材料として好適に利用でき、また、残留オーステナイト量が１ｗｔ％以下の焼結高速度鋼は、０℃以下の温度下で使用される特殊用途の摺動部品（例えば、冷凍機用摺動部品）の材料として好適に利用できる。
【００１４】
焼結後の製品の冷却は、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスで行うと好ましい。不活性ガスに水素を含ませたガスを用いてもよいが、水素は高価であるので、水素の使用量は上限を５％程度に止めるのがよい。また、この不活性ガスによる冷却は、熱源を持たない独立した冷却ゾーンを有する製造設備を用いて行うと好ましい。
【００１５】
この発明は、脱ガスゾーンと焼結ゾーンと、この脱ガスゾーン及び焼結ゾーンから独立した熱源を持たない冷却ゾーンを有し、前記冷却ゾーンにおいて、導入した高速度鋼を不活性ガス、または、不活性ガスに水素を５％以下含ませた混合ガスを使用して、０．３℃／ｓｅｃ以上、３．５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却できるようにした焼結高速度鋼の製造設備を用いて、上記の方法で製造された、マトリックス中に平均粒径が５μｍ以下の硬質炭化物が均一に分散している焼結高速度鋼も併せて提供する。その焼結高速度鋼は、重量比でＣ：０．７〜１．５％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：０〜１０％、Ｗ：１〜２０％、Ｖ：０．５〜６．０％、Ｃｏ：０〜１５％、残部Ｆｅと不可避不純物から成り、理論密度比が８０〜９０％で、ロックウエル硬さがＨＲＣ２０〜４５になっている。
【００１６】
この発明は、その焼結高速度鋼で作られた摺動部品も提供する。
【発明の効果】
【００１７】
熱処理時の冷却速度が速すぎると、製品の熱分布が不均一になり、各部の膨張、収縮量に差が生じて歪が発生するが、この発明においては、高速度鋼を焼結し、その焼結後の冷却速度を３．５℃／ｓｅｃ以下にして焼き入れを行うため、製品の熱分布のばらつきが抑制され、寸法精度の良い製品が得られる。
【００１８】
なお、冷却速度を０．３℃／ｓｅｃ以上とすることで、所望の特性（例えば硬度がＨＲＣ２０以上）を満たす製品が得られる。また、その冷却速度を３．５℃／ｓｅｃ以下とすることで製品の寸法精度が十分に高くなる。
【００１９】
また、処理する高速度鋼が、マトリックス中に平均粒径が５μｍ以下の微細な硬質炭化物が均一に分散している組織をもった焼結材であれば、上記の冷却速度で焼き入れを行ってロックウエル硬さがＨＲＣ２０〜４５の材料を得ることができる。
【００２０】
この発明の方法によれば、焼き入れが焼結後、その冷却時に行われるため、焼結後に一旦冷えた製品の再加熱も不要になる。これにより、熱効率が向上し、工程も短縮されて製品コストを低減することが可能になる。
【００２１】
さらに、焼結後の冷却を不活性ガスや不活性ガスに水素を５％以下含ませたガスで行う方法によれば、製品の酸化を防止することができる。また、ガス冷却であれば冷却速度を要求範囲に制御するのも容易である。
【００２２】
また、この発明の方法で焼結高速度鋼を焼き入れすると、残留オーステナイトの量が従来に比べて減少し、そのために、焼き戻しの回数を減少させることも可能になる。従来は、残留オーステナイト量を１ｗｔ％以下となす場合にはその焼き戻しを３回実施していたが、この発明の方法で焼き入れを行ったものは、従来３０ｗｔ％以上あった残留オーステナイト量が１０ｗｔ％程度に減少し、そのために、２回の焼き戻しで残留オーステナイト量を１ｗｔ％以下に減少させることができる。
【００２３】
また、焼き戻しを２回行うため、１回目の焼き戻しでの冷却温度を室温まで下げる必要がなく、処理時間の短縮効果がより顕著に現れる。１回目の焼き戻しでの冷却温度は、部品の冷却が均一になされていれば、部品中の最高温度部の温度が１８０℃でもマルテンサイト変態が起こる。ただし、焼き入れの条件(焼き入れの仕方や部品の形状など)によっては、加熱、冷却がばらつくことが考えられるので、それを考慮して冷却温度は低めに設定するのがよい。例えば、部品をバラ詰めして焼き入れする場合には、加熱、冷却が特にばらつきやすいが、このような場合にも１２０〜１５０℃程度まで部品を冷却すれば、安定した焼き戻しが行える。なお、１回目の焼き戻しでの冷却温度を不必要に下げると処理時間短縮の効果が薄れるので、冷却温度の下限は１００℃程度に止めるのがよい。
【００２４】
この発明の方法で製造される焼結高速度鋼は、高硬度で耐摩耗性に優れ、また、熱処理時の歪が小さくて寸法精度にも優れる。
【００２５】
また、この高速度鋼で形成された摺動部品は優れた耐久性を発揮する一方で相手攻撃性は低く、さらに、寸法精度が良くなっているために機械加工時の取り代が少なくて済む利点も生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
−実施例１−
重量比でＣ：１．１％、Ｗ：６．１％、Ｍｏ：５．０％、Ｃｒ：４．０％、Ｖ：２．０％、残部Ｆｅと不可避不純物から成る平均粒径が１００メッシュの合金粉末に、成形助剤として０．８％のステアリン酸亜鉛を混合し、これを８８２ＭＰａの圧力で成形し、成形体を脱ガス処理後に真空中で、１１８０℃で１時間焼結した。
【００２７】
次いで、焼結後の冷却を、不活性ガス、冷却油及び冷却水を用いて０．１５℃／ｓｅｃ、０．３０℃／ｓｅｃ、１．７５℃／ｓｅｃ、２．０℃／ｓｅｃ、３．５℃／ｓｅｃ、２０〜８０℃／ｓｅｃ、８０〜１４０℃／ｓｅｃの各速度で行い、その後、５８０℃で２回焼戻しを行い、縦３３ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み５ｍｍのテストピースを得た。焼戻しの雰囲気は製品の光輝性を考慮すれば不活性ガス中がよいが大気中でも問題ない。
【００２８】
成形体の脱ガス処理、焼結、及び焼結後の冷却は、図１に示すように、脱ガスゾーン１、焼結ゾーン２、熱源の無い冷却ゾーン３が各々独立している３槽構造の炉を用いて行った。この炉のように、冷却ゾーン３を、熱源を持たない独立のゾーンとして不活性ガスで冷却すると、焼結高速度鋼を安価に製造できる。なお、図１の４は真空ポンプ、５は冷却ガス、６は冷却ファン、７は脱ガス、８はキャリアガスである。ここで、冷却ゾーンを独立に設けているが、ここで云う独立の意味は、焼結ゾーンと冷却ゾーンは断熱されていればよく、例えば、焼結ゾーンと冷却ゾーンを断熱材で断熱して連続的に形成してもよい。
【００２９】
こうして得られた理論密度比８５％の各テストピースの平面度とロックウエル硬さを測定した。
【００３０】
平面度は、テストピースの端面の反り量を求めた。その結果を表１にまとめて示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
この表１からわかるように、この発明の条件を満たす速度で冷却したものは、目標とするＨＲＣ２０以上の硬度が得られ、また、冷却速度が０．３０〜２．０℃／ｓｅｃの範囲にあるものは特に、２０℃／ｓｅｃを越えるものに比べて平面度が非常に良くなっている。
【００３３】
−実施例２−
実施例１と同一条件で同一組成の焼結高速度鋼を製造し、次いで、焼結後の冷却を、不活性ガスを用いて３．５℃／ｓｅｃの速度で行って残留オーステナイト量が約１０ｗｔ％の発明品Ｉを得た。また、従来法で焼結後に一旦室温まで徐冷して製造した焼結材(発明品Ｉと同一組成)を、１１５０℃まで加熱後、冷却して焼き入れを行った比較品Ｉ、IIも準備した。比較品Ｉは、焼き入れでの冷却を、不活性ガスを用いて３．５℃／ｓｅｃ以上の速度で、また、比較品IIは、焼き入れでの冷却を、油を用いて１０℃／ｓｅｃ以上の速度で各々行った。この比較品Ｉ、IIは、いずれも残留オーステナイト量が３０ｗｔ％以上であった。残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折装置にて行った。
【００３４】
次に、発明品Ｉと比較品Ｉ、IIについて焼き戻しを行った。焼き戻しは、発明品については１回および２回実施し、比較品については、２回及び３回実施した。焼き戻しでの加熱温度は、いずれも５８０℃、加熱温度の保持時間は１．５時間とした。また、比較品は、各回の焼き戻しでの冷却を室温までとしたのに対し、発明品の２回焼き戻しでは、１回目の焼き戻しでの冷却温度を１２０℃とし、その後再度５８０℃に加熱してその後に室温まで冷却した。冷却は自然冷却で行い、室温から５８０℃までの昇温時間は１時間、１２０℃から５８０℃までの昇温時間は０．８時間、５８０℃から室温までの冷却時間は３時間、５８０℃から１２０℃までの冷却時間は約１．５時間であった。その比較試験の結果を表２にまとめる。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表２からわかるように、この発明の方法で焼き入れを行うと、焼き入れ段階でのワークの残留オーステナイト量が従来法に比べて大きく減少する。また、その残留オーステナイト量が、従来法では２回の焼き戻しで５ｗｔ％以下、３回の焼き戻しで１ｗｔ％以下となるのに対し、この発明の方法では１回の焼き戻しで５ｗｔ％以下、２回の焼き戻しで１ｗｔ％以下に減少し、工程数と熱処理時間の短縮が図れる。また、従来法では、均一冷却のためにワークをパレット上に列並べして焼き戻しを行う必要があったが、この発明の方法では、パレットにワークを２倍の密度でバラ詰めして焼き戻しを行うことができ、生産性の大幅向上も図れた。それでありながら、焼き入れ、焼き戻し後のワークは、従来法と大差のない硬度が得られている。
【００３７】
−実施例３−
図２に、１回目の焼き戻しでの冷却温度を１２０℃とするこの発明の方法と、各回の焼き戻しでの冷却を室温までとする従来方法でそれぞれ焼き戻しを２回行ったときに費やした時間を比較して示す。焼き戻しでの加熱温度、加熱後の温度保持時間、及び自然冷却による室温までの冷却時間と１２０℃までの冷却時間は実施例２と同じである。
【００３８】
この比較試験では、従来法での焼き戻しの処理時間が１１時間に対し、この発明の方法ではその処理時間が９．３時間に短縮された。従来法では、残留オーステナイト量を１ｗｔ％以下とする場合には３回の焼き戻しが必要であるので、焼き戻しに要する時間はトータルで１６．５時間となる。従って、同一炉を使用してほぼ同一特性の焼結高速度鋼を製造するならば、この発明の方法での処理時間は従来法に比べてほぼ半減することになる。
【００３９】
なお、この発明の方法で製造する焼結高速度鋼は、実施例に示した組成のものに限定されない。重量比でＣ：０．７〜１．５％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：０〜１０％、Ｗ：１〜２０％、Ｖ：０．５〜６．０％、Ｃｏ：０〜１５％、残部Ｆｅと不可避不純物から成り、粉末成形を例えば４９０〜９８０ＭＰａ（５〜１０Ｔｏｎｆ／ｃｍ２）の圧力で行って成形後の理論密度比を８０〜９０％となし、それを焼結後の冷却時に規定範囲の速度で冷却すれば、好ましくは更に焼戻しを行えば、高硬度で寸法精度にも優れた焼結高速度鋼が得られる。
【００４０】
また、この発明の焼結高速度鋼で形成される摺動部品は、耐摩耗性に優れ、長期使用に耐える。また、相手攻撃性が低く、相手摺動部品の摩耗が抑えられる。さらに、寸法精度が高まっているため、機械加工時の取り代が従来品に比べて少なく、加工の効率化、それによるコスト低減が図れる。従って、ベーンなどのコンプレッサ用摺動部品に適する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の製造設備のゾーン配置の一例を示す図
【図２】この発明の方法での２回焼き戻しと従来法での２回焼き戻しの所要時間を比較した図
【符号の説明】
【００４２】
１    脱ガスゾーン
２    焼結ゾーン
３    冷却ゾーン
４    真空ポンプ
５    冷却ガス
６    冷却ファン
７    脱ガス
８    キャリアガス
【図１】
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【図２】
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