(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化チタン粉末、Cr粉末、Mo粉末、Ni粉末、Co粉末及びAl、Ti又はNbの何れか１の粉末を混合し、質量％で、炭化チタン：20％〜35％、Cr：3.0％〜12.0％、Mo：3.0％〜8.0％、Ni：8.0％〜23％、Co：0.6％〜4.5％及びAl、TiまたはNbの何れか１種：0.6％〜1.0％を含有する混合粉を冷間等方加圧成形、真空焼結及び溶体化処理を行って、
オーステナイト＋マルテンサイトの二相組織からなるマトリックスに、前記炭化チタン粉末に基づく硬質粒子が島状に分散した鉄基焼結合金を製造する鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項２】
摺動する部材は、ダイスとカッター刃に使用される部材である請求項１に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項３】
オーステナイト＋マルテンサイトからなる二相組織のマトリックスに、チタン炭化物、モリブデン炭化物又はチタンとモリブデンの複合炭化物からなる硬質粒子が島状に分散してなる鉄基焼結合金、または、チタン炭化物、モリブデン炭化物及びチタンとモリブデンの複合炭化物からなる硬質粒子が島状に分散してなる鉄基焼結合金。
【請求項４】
マトリックスの組成は、シェフラーの組織図においてオーステナイト＋マルテンサイト領域を形成する組成であることを特徴とする請求項３に記載の鉄基焼結合金。
【請求項５】
硬質粒子の最大円相当径は30μm以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載の鉄基焼結合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂押出機のペレタイザー用のダイス材とカッター刃材のように摺動する部材に使用される鉄基焼結合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂押出機のペレタイザー用のカッター刃等は、腐蝕環境で激しい摩耗を受けるため優れた耐食性と耐摩耗性が要求される。そして、樹脂押出機用カッター刃等に使用される工具材料は、優れた耐食性と耐摩耗性を有するばかりでなく、カッター刃等に加工するための機械加工性をも有するものが望ましい。
【０００３】
このような要請に対し、例えば特許文献１に、TiおよびMoの炭化物をマトリックスに分散させた炭化物分散材料において、重量比で、炭化物として、Ti；18.3〜24％、Mo；2.8〜6.6％、C；4.7〜7％を含有し、マトリックスとして、Cr；7.5〜10％、Ni；4.5〜6.5％、Co；1.5〜4.5％と、0.6〜1％のAl、TiまたはNbの１種以上とを含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる高耐食性炭化物分散材料が提案されている。この高耐食性炭化物分散材料は、樹脂押出機用カッター刃等の工具鋼に使用され、機械加工可能で耐摩耗性及び耐食性に優れているとされる。そして、その組成中のMoは、Mo2C等の炭化物や化合物の形で添加することによりTiとの間で固溶体炭化物が形成されてTiCとマトリックスとのぬれ性が改善され、Crは耐食性を、Niは靱性を、またCoは抗折力を向上させる効果があるとされる。
【０００４】
特許文献２に、FeまたはFe合金を主成分とするマトリックス中にTiCを含む硬質粒が20〜40質量％分散した焼結鋼であって、その鋼表面を撮影した400倍の光学顕微鏡写真内において、長さ20mmの任意の線分上に、必ずTiCを含む硬質粒が存在し、前記マトリックスが、質量％でNi：3〜20％、Co：2〜40％、Mo：2〜15％、Al：0.2〜2.0％、Ti：0.2〜3.0％、Cu：0.2〜5.0％、更にCr：3〜20％を含む焼結鋼が提案されている。この焼結鋼は、均一に硬質粒が分散しているので、耐摩耗性に優れるとされる。
【０００５】
特許文献３に、マルテンサイト系のステンレス（AISI 420、440C）をもとにした機械加工性、耐食性及び耐摩耗性に優れるステンレス鋼合金が提案されている。すなわち、ステンレス鋼合金組成物であって：フェライトとマルテンサイトからなる群から選択される少なくとも一つを含むマトリックスの中の丸みのある炭化物、ここで、この丸みのある炭化物は５ミクロン未満の粒子サイズを有し、第一の量のニオブ含有炭化物と第二の量のクロム炭化物を含み、そして大きくてふぞろいな形状の炭化物が実質的に存在しない；およびマトリックス中の遊離したクロム；を含む前記組成物が提案されている。本組成物において、炭化物はニオブ含有炭化物とクロム炭化物の両者を含み、それら成分の合計は4〜約25重量％であるとされる。
【０００６】
特許文献４に、全体組成が、質量比で、Mo：5.26〜28.47％、Co：1.15〜19.2％、Cr：0.25〜6.6％、Si：0.05〜2.0％、V：0.03〜0.9％、W：0.2〜2.4％、およびC：0.43〜1.56％であって、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、ベイナイト相、またはベイナイトとマルテンサイトとの混合相からなる基地組織中に、Co基合金基地に主としてMo珪化物よりなる析出物が一体化して析出したCo基硬質相が5〜40％分散し、Fe基合金基地に粒状のCr炭化物、Mo炭化物、V炭化物およびW炭化物が析出したFe基硬質相が5〜30％分散していることを特徴とする耐摩耗性焼結合金が提案されている。この耐摩耗性焼結合金は、ベイナイト単相又はベイナイトとマルテンサイトの混合相のみの基地に硬質相が分散した組織を有するため耐摩耗性に優れるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平11-92870号公報
【特許文献２】特開2000-273503号公報
【特許文献３】特表2013-541633号公報
【特許文献４】特開2005-154796号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の高耐食性炭化物分散材料においては、硬さ、抗折力及び腐食試験のデータの記載はあるが、摩耗試験のデータの記載がない。一方、特許文献２に記載の焼結鋼においては、摩耗試験のデータにおいて相手材の摩擦減量の記載がない。また、特許文献３に記載のステンレス鋼合金又は特許文献４に記載の耐摩耗性焼結合金においては、マトリックスに分散した硬質粒子にチタン炭化物は含まれていない。一般に、鉄基合金中の主要な硬質粒子の成分が炭化チタンであるものの例は少なく、特に材質を同一にするものにおける摩耗試験の例は少ない。一方、樹脂押出機に使用される樹脂原料は種々の材質に亘るとともにその適用範囲が拡大しており、ペレタイザー用のカッター刃等に使用される工具材料は、さらに高い耐食性、耐摩耗性、機械加工性又は機械的強度が求められている。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金であって耐摩耗性に優れ摩擦係数が小さい炭化チタンを主要な硬質粒子とする機械加工性、耐食性及び耐摩耗性に優れ、特にペレタイザー用のダイス材とカッター刃材のような摺動する部材に使用される鉄基焼結合金であって相手材の摩耗を抑制することができる鉄基焼結合金及びその製造方法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】
【００１０】
本発明者等は、ペレタイザー用のダイスとカッター刃のように摺動する部材に使用される鉄基焼結合金であって、分散する硬質粒子が主として炭化チタンである鉄基焼結合金は、そのマトリックスがオーステナイトとマルテンサイトの二相組織を有するものが好ましいことを発見した。そして、そのような鉄基焼結合金のマトリックスの組成は、シェフラーの組織図においてオーステナイト＋マルテンサイト（A+M）の領域に属する組成であるとの知見を得て本発明を完成した。
【００１１】
本発明に係る鉄基焼結合金の製造方法は、炭化チタン粉末、Cr粉末、Mo粉末、Ni粉末、Co粉末及びAl、Ti又はNbの何れか１の粉末を混合し、質量％で、炭化チタン：20％〜35％、Cr：3・0％〜12・0％、Mo；3．0％〜8．0％、Ni；8．0％〜23％、Co；0．6％〜4．5％及びAl、TiまたはNbの何れか１種：0．6％〜1．0％を含有する混合粉を冷間等方加圧成形、真空焼結及び溶体化処理を行って、オーステナイト＋マルテンサイトの二相組織からなるマトリックスに、前記炭化チタン粉末に基づく硬質粒子が島状に分散した鉄基焼結合金を製造する鉄基焼結合金の製造方法である。
【００１２】
上記発明において、摺動する部材は、ダイスとカッター刃に使用される部材とすることができる。
【００１３】
本発明に係る鉄基焼結合金は、オーステナイト＋マルテンサイトからなる二相組織のマトリックスに、チタン炭化物、モリブデン炭化物、および／またはチタンとモリブデンの複合炭化からなる硬質粒子が島状に分散してなるものである。
【００１４】
上記鉄基焼結合金において、マトリックスの組成は、シェフラーの組織図においてオーステナイト＋マルテンサイト領域を形成する組成であるのがよい。
【００１５】
また、硬質粒子の最大円相当径は30μm以下であるのがよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、主要な硬質粒子の成分が炭化チタンである鉄基焼結合金であって、摺動する部材に使用され、機械加工性、耐摩耗性及び耐食性に優れた鉄基焼結合金を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】シェフラーの組織図である。
【図２】本発明に係る鉄基焼結合金の組織を示す走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図３】本発明に係る鉄基焼結合金のエッチング写真である。
【図４】図３の一部分を拡大した模式図である。
【図５】本発明に係る鉄基焼結合金の蛍光X線分析を行った硬質粒子部分とマトリックス部分を示したSEM図面である
【図６】図５に示す各部分のEDXによる分析結果を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係る鉄基焼結合金の製造方法は、炭化チタン粉末、Cr粉末、Mo粉末、Ni粉末、Co粉末及びAl、Ti又はNbの何れか１の粉末を混合し、質量％で、炭化チタン：20％〜35％、Cr：3・0％〜12・0％、Mo；3．0％〜8．0％、Ni；8．0％〜23％、Co；0．6％〜4．5％及びAl、TiまたはNbの何れか１種：0．6％〜1．0％を含有する混合粉を冷間等方加圧成形、真空焼結及び溶体化処理を行って、オーステナイト＋マルテンサイトの二相組織からなるマトリックスに、前記炭化チタン粉末に基づく硬質粒子が島状に分散した鉄基焼結合金を製造する方法である。本鉄基焼結合金の製造方法は、摺動する部材、特に同一の素材で加工された樹脂押出機のペレタイザー用のダイスとカッター刃のような部材の製造方法に好適に使用される。
【００１９】
本発明に係る鉄基焼結合金の製造方法は、マトリックスを形成させるためのCr粉末、Mo粉末、Ni粉末、Co粉末及びAl、Ti又はNbの何れか１の粉末と、そのマトリックスに分散した島を形成させるための炭化チタン粉末を用い、これらを混合して混合粉を作製する。その混合粉の組成は、炭化チタン（TiC）の質量比が20〜35％であり、その他Cr等は、Cr当量及びNi当量がシェフラーの組織図においてオーステナイト＋マルテンサイト（A+M）領域に属するようにその質量比を定める。すなわち、図１に示すシェフラーの組織図の（A+M）の領域である。図１に示すようにCr当量は、Cr、Mo、Si及びNbの質量比から定まり、Ni当量は、Ni、C及びMnの質量比から定まる。冷間等方加圧成形、真空焼結及び溶体化処理は、公知の方法を使用することができる。
【００２０】
本鉄基焼結合金の製造方法によれば、オーステナイト＋マルテンサイトからなる二相組織のマトリックスに、チタン炭化物、モリブデン炭化物、および／またはチタンとモリブデンの複合炭化からなる硬質粒子が島状に分散してなる鉄基焼結合金を製造することができる。本発明に係る鉄基焼結合金の例を図２〜６に示す。図２は、本発明に係る鉄基焼結合金の組織を示す走査型電子顕微鏡（SEM）写真であり、黒色の微細な硬質粒子が島状に分散しているのが観察される。
【００２１】
この硬質粒子は、その大きさが10μm以下であり、上述の鉄基焼結合金の原材料として用いた粒径が1μm程度の微細な炭化チタン粉末の凝集体又はこれが崩壊したものに基づくものである。本鉄基焼結合金によれば、硬質粒子の占める面積率が30〜40％のもの、最大円相当径が20〜30μmのものを製造することができる。ここで、最大円相当径は、投影面積円相当径のうち最大の大きさのものをいう。
【００２２】
図３は、本発明に係る鉄基焼結合金のエッチング組織を示す。マトリックスにおいてエッチングが進んだ暗色部分がマルテンサイト相で、白色部分がオーステナイト相である。図４は、図３の一部分を拡大した模式図である、斜線部分がマルテンサイト相で、白色部分がオーステナイト相である。マルテンサイト相とオーステナイト相の比率は、ほぼ同等に観察される。
【００２３】
島状に分散した硬質粒子が炭化チタン粉末の凝集体又はこれが崩壊したものに基づいたものであることは上述したが、この硬質粒子とマトリックスの成分分析を行った結果を図５及び図６に示す。図５は、本発明に係る鉄基焼結合金の硬質粒子部分（分析箇所Ａ）とマトリックス部分（分析箇所Ｂ）を示すSEM写真である。図６は、SEMに備え付けられたエネルギー分散型蛍光X線分光装置（EDX）により分析した、分析箇所Ａ（図６（ａ））と分析箇所Ｂ（図６（ｂ））のスペクトルを示し、横軸はkeVである。図６（ａ）によると、硬質粒子部分からはTi、Mo、Cが検出される。硬質粒子の核を形成するTiCにMoが拡散し、モリブデン炭化物、またはチタンとモリブデンの複合炭化を形成していると解される。なお、硬質粒子部分にFeが存在するが、その詳細は更に分析が必要である。
【００２４】
図６（ｂ）によると、マトリックス部分にはFe、Cr、Ni、Mo、Co及びTiが存在する。このマトリックス部分（分析箇所Ｂ）の成分の定量分析結果を表１に示す。表１には、本鉄基焼結合金を作製した試料の原料粉の質量比を合わせて記載した。表１に示す原料粉の質量比は、原料粉のうちTiC粉を除いて表１に示す原料粉の合計が100%になるときの質量比を示している。また、表１には、表１に記載のデータから求められるシェフラーの組織図におけるCr当量とNi当量を合わせて記載した。このCr当量とNi当量から分析箇所Ｂと原料粉のシェフラーの組織図における位置を求めると図１に示すように、オーステナイト＋マルテンサイト（A+M）領域に属している。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１によると、成分MoとTiにおいて、分析箇所Ｂと原料粉の質量比の相違が顕著である。Moは、島状に点在する硬質粒子（TiC）の方に拡散し、モリブデン炭化物又はチタンとモリブデンの複合炭化を形成したものと解される。一方、TiCの一部はマトリックスに固溶していると解される。
【実施例１】
【００２７】
本発明に係る鉄基焼結合金を作製して各試験片を作製し、ロックウェルCスケールの硬さ測定、3点曲げ抗折試験、水中浸漬腐食試験及びピンオンディスク型摩擦摩耗試験を行った。水中浸漬腐食試験は、試験片を14日間室温水中に浸漬して腐食減量を測定した。ピンオンディスク型摩擦摩耗試験は、ピン側に外径8mm×高さ10mmの発明例又は比較例のピン、ディスク側に外径60mm×厚さ5mmの市販の炭化物粒子分散材（55.4HRC）からなる円板を用い、室温水中において接触面圧が12.7kgf/cm2、周速が4.2m/secで行い、試験時間は1時間であった。なお、上記の比較例は、特許文献１に記載の実施例に従って作製した鉄基焼結合金に基づくものの例である。3点曲げ抗折試験は、JIS R1601に基づく。  
【００２８】
表２に示す粉末の配合粉をボールミルで混合を行い、生成された混合粉をφ100×50の空間を有するゴムモールドに充填し封をした後、CIP法により成形し、得られた成形体を真空下において1400℃×5時間で加熱して真空焼結を行った。そして、溶体化処理を行った後、時効処理を行った。比較例の配合粉の組成は、表３に示す。表３において、TiCとMo2Cの括弧内の数字は、それぞれ構成元素の質量％を示している。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
【表３】
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【００３１】
表４に試験結果を示す。本発明に係る鉄基焼結合金（発明例）は、比較例に対して、硬さはやや低く、抗折力は高くなっている。腐食試験の結果はともに何らの変化もなく、発明例は比較例と同等であった。摩擦摩耗試験の結果は、発明例の摩耗減量は比較例の1/6で、相手側ディスクの摩耗減量も発明例が比較例の1/2である。すなわち、本発明に係る鉄基焼結合金は比較例よりも耐摩性に優れるとともに、相手側の摩耗も抑えることができる。
【００３２】
【表４】
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【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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