(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０５〜１．５０質量％，Ｓｉ：０．０２〜２．５質量％，Ｍｎ：０．０２〜３．０質量％，Ｃｒ：８〜３５質量％，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ及びＷの少なくとも１種：０．０５〜３．０質量％含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をもち、マトリックスに分散しているＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ及びＷの炭化物が総析出量で０．２質量％以上に調整されている耐摩耗性に優れた鋼。
【請求項２】
さらに、Ｎｉ：０．２〜５．０質量％を含む請求項１に記載の耐摩耗性に優れた鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アブレッシブな摩耗に曝される環境で使用され、優れた耐摩耗性及び耐食性を示す鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐摩耗性が要求される用途では、具体的には糸との接触で摩耗する織機部材，他の部品との摺動摩擦で摩耗する電気・電子機器部材等、多岐の分野にわたって刃物鋼，工具鋼等の高強度材料が使用されている。使用環境によっては、耐食性に優れていることも要求特性の一つである。
刃物，工具類，織機部材，電子・電気機器部材等の寿命は、使用環境によっても異なるが、材料のもつ耐摩耗性の如何で大きく影響される。そこで、耐摩耗性が要求される部材には、炭素鋼を焼き入れして組織を強化した材料，冷間加工等で強度を向上させた加工強化材等が使用されている。
【０００３】
摩耗は非常に複雑な機構をとる現象であることから、摩耗する部位での摩耗原因が明らかにされないまま、高強度材を用いて耐摩耗性の向上を図っているのが現状であり、実使用環境で実機に材料を装備させ、使用しながら材料の寿命を評価している。そのため、材料の選定に長時間を要することを始めとして、適正な材料の選定に苦慮している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
組織強化，加工強化等によって耐摩耗性が改善されるものの、生産能率向上による高速度化や取り扱う素材の強度化等に応じて摩耗環境が苛酷になり、部品の寿命低下，補修部品の煩雑な交換，摩耗に起因する損傷等が顕在化している。摩耗に起因する損傷は、摩耗形態によって異なり、材料強度の優劣と寿命の如何とは必ずしも関連していない傾向がある。そこで、使用環境における摩耗機構を十分理解した上で、その環境に合った材料の開発が必要と考えられる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような必要に応える開発されたものであり、マトリックスに硬質炭化物を分散析出させることにより、アブレッシブな摩耗に対しても十分な耐摩耗性を呈する鋼材を提供することを目的とする。
本発明鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０５〜１．５０質量％，Ｓｉ：０．０２〜２．５質量％，Ｍｎ：０．０２〜３．０質量％，Ｃｒ：８〜３５質量％，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ及びＷの少なくとも１種：０．０５〜３．０質量％、更に必要に応じてＮｉ：０．２〜５．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をもち、マトリックスに分散しているＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ及びＷの炭化物が総析出量で０．２質量％以上に調整されていることを特徴とする。
【０００６】
【作用】
本発明者等は、摩耗損傷した部材や摩耗テストした対象物等を多数取り寄せ、摩耗損傷部位や対象物をミクロ的な観点から調査した。その結果、摩耗した部材の大半では、研削されたような疵が摩耗部分に観察された。また、摩耗損傷部材の周囲や対象物等には、アルミナ，炭化ケイ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、このときの摩耗現象は、硬質粒子が介在した摩耗であることが判った。なお、本明細書では、同材又は異材相互の接触面に硬質粒子が介在し、振動又は摺動過程で接触面が硬質粒子等で擦過・研削される摩耗をアブレッシブな摩耗という。
【０００７】
アブレッシブな摩耗は、種々の摩耗現象の中でも最も激しい摩耗であり、この摩耗に耐える材料の開発が望まれている。
耐摩耗性を向上させる方法として、炭素含有量を高めた鋼材を焼き入れして高強度化する方法を検討した。焼入れ硬さが高くなるとアブレッシブな摩耗量は若干低下するものの、顕著な摩耗抑制効果は発現せず、炭素添加による組織強化では耐摩耗性を大幅に改善できないことが判った。冷間加工で加工硬化させた材料も、組織強化材と同様に耐摩耗性の向上は図れなかった。
【０００８】
アブレッシブな摩耗に対する抵抗力が組織強化，加工強化等で高められないことは、アルミナ，炭化ケイ素等の硬質粒子が非常に硬く、組織強化，加工硬化等で得た硬さよりも硬いことに原因があるものと推察される。すなわち、組織強化，加工硬化等で得た硬さは、アルミナ，炭化ケイ素等の硬質粒子の硬さに比較するとごく僅かであり、アブレッシブな摩耗を抑制する作用は少ないものと考えられる。
【０００９】
摩耗機構の解明及び摩耗に耐えうる材料の調査を重ねる過程で、鋼のマトリックスに硬質炭化物を所定量以上分散析出させると、耐摩耗性が飛躍的に向上することを見出した。具体的には、アルミナ，炭化ケイ素等の硬質粒子とほぼ同じ硬さをもつ炭化物としてＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等の炭化物に着目し、これら炭化物の析出量とアブレッシブな摩耗に対する耐摩耗性の関係を調査した。その結果、同じ硬さの素材であっても、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等の炭化物を分散析出させると、図１に示すようにアブレッシブな摩耗が抑制されることが判った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明鋼は、耐食性を付与するために８〜３５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。しかし、３５質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、熱間加工性が低下し、製造コストの上昇を招く。
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等は、炭化物の総析出量が０．２質量％以上となるように少なくとも１種が０．０５〜３．０質量％添加される。炭化物総析出量０．２質量％以上は、後述する実施例でも説明しているように、耐摩耗性に及ぼす析出炭化物の影響調査から見出された臨界値であり、０．１質量％以上の総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摩耗性が得られる。Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等の添加量を０．０５質量％以上に設定するとき、マトリックスに分散析出した炭化物の総析出量が０．２質量％以上になる。しかし、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等の成分は、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、上限を３．０質量％に設定した。
【００１１】
本発明鋼は、靭性，焼入れ強度等の改善のため０．２〜５．０重量％のＮｉを添加してもよい。また、製造上から混入する成分に関しては、Ｃを０．０５〜１．５０重量％，Ｓｉを０．０２〜２．５重量％，Ｍｎを０．０２〜３．０重量％の範囲にすることが好ましい。
【００１２】
【実施例】
表１に示す各種鋼を常法に従って溶製し、スラブに鋳造した。溶体化処理後、スラブを板厚５ｍｍまで熱間圧延した。熱延板に８７０℃×９時間の熱処理を施し、炉冷した。
【００１３】
0003946369.tif 000002
【００１４】
得られた熱延焼鈍板から摩耗試験用の試験片を切り出し、１１００℃に１５分間加熱保持した後、室温まで空冷した。試験片に分散析出した炭化物を定量分析すると共に、アブレッシブな摩耗に対する耐摩耗性及び耐食性を調査した。
炭化物の析出量は、固溶・析出処理で炭化物量を制御した試験片を沃素アルコール溶液に浸漬し、超音波を加えて鋼材を溶解した後、液中に残った炭化物の残渣量から求めた。炭化物の形態は残渣のＸ線回折で同定し、個々の金属元素量は湿式分析及びガス分析で求めた。
【００１５】
アブレッシブな摩耗に対する耐摩耗性は、ピンオンディスク型の摩擦摩耗試験機を用いて調査した。接触面が直径５ｍｍの円柱状試験片をピンに取り付け、炭化ケイ素粉末を塗布した研磨紙をディスクに貼り付けた。ピン側の試験片に４０００ｇｆの負荷荷重Ｆ（ｋｇｆ）を加え、回転しているディスクに摩擦速度０．７ｍ／秒で摩擦距離Ｌ＝０．５ｋｍを摺動させた後、試験片の摩耗量Ｗ（ｍｍ3 ）を測定した。測定値から次式に従って比摩耗量Ｃを算出し、比摩耗量Ｃで耐摩耗性を評価した。
比摩耗量Ｃ＝Ｗ／（Ｌ×Ｆ）
耐食性に関しては、５％塩水を７２時間噴霧する試験に試験片を供した後、試験片の表面を観察し、錆発生の有無を調査した。
【００１６】
表２の調査結果にみられるように、Ｃｒ含有量８質量％未満の比較鋼１１〜１３では試験片表面に錆が観察されたが、８質量％以上のＣｒを含む比較鋼１４〜１７，本発明鋼１〜１０では何れの試験片表面にも錆が検出されなかった。このことから、耐食性確保のために８質量％以上のＣｒが必要であることが判る。
比摩耗量Ｃは、炭化物が析出していない比較鋼１１〜１５にあっては１８００ｍｍ2 ／ｋｇｆ×１０-8以上の大きな値を示したが、炭化物が多量に析出するほど小さくなった。そこで、比摩耗量Ｃと炭化物総析出量とをグラフ化したところ、両者の間に図２に示す関係が成立していた。図２から明らかなように、炭化物の総析出量が増加すると比摩耗量Ｃが減少し、総析出量が０．０５質量％以上になると比摩耗量Ｃが急激に減少した。そして、炭化物の総析出量を０．２質量％以上に調整すると、比摩耗量Ｃが約１０００ｍｍ2 ／ｋｇｆ×１０-8以下になり、炭化物無添加の鋼材に比較して比摩耗量Ｃで半分以下の優れた耐摩耗性を示すことが判った。
【００１７】
0003946369.tif 000003
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明鋼は、アブレッシブな摩耗の原因であるアルミナ，炭化ケイ素等の硬質粒子とほぼ同じ硬さのＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗ等の炭化物を総析出量０．２質量％以上の割合でマトリックスに分散析出させることにより、焼入れによる組織強化材や冷間加工等による加工強化材に比較して格段に優れた耐摩耗性が付与されている。そのため、織機類の部材，縫針，草刈り歯等の農業用機器，刃物類等として使用するとき、寿命の長い各種機械器具が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  硬さと比摩耗量との関係を示すグラフ
【図２】  比摩耗量に及ぼす炭化物総析出量の影響を示すグラフ
【図１】
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【図２】
0003946369.tif 000005