(57)【要約】【課題】優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼備した鋼を提供する。【解決手段】炭素０．１０質量％以下、シリコン０．１０〜３．０質量％、マンガン３．０〜１８．０質量％、クロム３．０〜２０．０質量％、窒素０．１０〜１．２０質量％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、冷間加工条件を満たす製造方法によって、優れた疲労特性と優れた制振性を兼備した鋼を提供する。【選択図】図１０
2017075387.tif 000002
【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］
2017075387.tif 000020
［数式２］
2017075387.tif 000021
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。
ＪＩＳ  Ｚ２２７９（ひずみ制御低サイクル疲労試験）に準拠した、±１．０％の歪制御で、０．１Ｈｚのサイクル疲労試験（疲労試験Ａ）において、
１０００回まで破断しなく、破断したサンプルの透磁率（μ）が２００Ｏｅの磁界で、１．０１以下、又は、
±３５０ＭＰａの応力制御で、１０Ｈｚのサイクル疲労試験（疲労試験Ｂ）において、５００，０００回まで破断しなく、試験終了時のサンプルの透磁率（μ）が２００Ｏｅの磁界で、１．０１以下であることを特徴とする耐疲労特性に優れた鋼。
【請求項２】
請求項１記載の鋼について疲労試験を行う際、破断以前に２００℃以上に加熱することによって、疲労試験前の状態に修復することを特徴とする優れた耐疲労特性を有する鋼。
【請求項３】
請求項１又は２記載の鋼に、１０００〜１１００℃の溶体化熱処理を施した後に、断面積減少率、５〜５０％の冷間加工を加えることによって、
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合計体積パーセント［％ε−Ｍｓ相］が、数式３を満足し、
［数式３］
2017075387.tif 000022
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を満足することを特徴とする、優れた耐疲労特性と優れた制振性を兼ね備えた鋼。
［数式４］
2017075387.tif 000023
【請求項４】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする切削工具。
【請求項５】
請求項１乃至３記載の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６】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする建造物免震支持体。
【請求項７】
請求項１乃至３記載の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８】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とするＨＤＤサスペンション。
【請求項９】
請求項乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする超電導コイル支持体。
【請求項１０】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする発電機又は電動機の回転子固定ヨーク材。
【請求項１１】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とするフライホイール式電力貯蔵装置。
【請求項１２】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする耐疲労水素貯蔵容器材料。
【請求項１３】
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする超電導送電の液体窒素容器管。
【請求項１４】
請求項乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする耐疲労制振機能装置又は部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、疲労耐久性に優れた鋼、及びそれに熱処理又は冷間加工を加えて制振性を付与した鋼、及び該鋼を含んで構成される、切削工具、チエーン伝動装置、建造物免震支持体、ばね装置、ＨＤＤサスペンンョン、超電導コイル支持体、発電機又は電動機の回転子固定ヨーク、フライホイール式電力貯蔵装置、水素貯蔵容器、超電導送電ケーブル等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】切削加工、例えば、高速バイト加工、或いは、エンドミルによる深穴加工は、工具断面寸法に対して突出し長さの長いホルダを用いるが、この場合、切削バイト先端での剛性は低下し、びびり振動が発生しやすくなり、加工精度・切削効率の低下等の悪影響を及ぼす。厚みの薄い円板状回転切削工具は、切削中に刃先が被切削材に食込んだときに円板の厚み方向の横振動が生じ、その結果、切削面を悪化させ、切削効率を低下させ、切削工具の寿命を低下させることになる。その対策として、切削加工時のびびりを抑制する手段として、例えば、超硬合金を複合させて制振性と剛性を発揮させる技術等が提案されているが、構造が複雑であり、コスト高である。このことから、材料自体が高強度で耐疲労特性に優れかつ振動吸収能をもつ切削工具ホルダが求められている。【０００３】食品機械の分野では、耐食性や食品衛生の観点から、チェーン用材料にはＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼）が用いられている。ＳＵＳ３０４は、応力負荷によって加工誘起α’−マルテンサイトを生成して稼働中の摺動摩耗を促進させてチエーン寿命を低下させる問題点がある。チェーン伝動装置は、スプロケットとチエーンとのが噛み合う時に不可避的に発生する機械振動に起因する振動音が発生する。対策として、例えば、ローラーチェーンのローラー部の構造の工夫によって振動騒音を低減する技術が提案されているが、チエーンのコスト高となっている。チェーン用材料として、材料自体に振動吸収能があり、耐疲労特性に優れ、使用中の延伸を抑制できる材料が求められている。【０００４】建造物支持体として用いる免震ダンパーは、風や地震により建物に加えられる振動エネルギーを吸収して、振動が構造物本体に及ばないようにする構造体である。この免震ダンパーとしては、性能及びコストの観点から、従来低降伏点鋼を用いた弾塑性ダンパーが普及している。しかし、この材料は、風や地震による繰返し弾塑性変形のための硬化によって機械的性質が変化し早期に破壊に至るという難点があるので、大きい歪での繰返し疲労耐久性の改善が求められている。また、建造物構造材には基本的特性として所定の低歪高サイクルの耐疲労特性が必要である。【０００５】ばね装置は、加えられた大きな振動を、例えばコイル状にして、振動を吸収する構造体である。材料の側から見れば、この局部的歪は大きく、かつ、繰り返される場合がある。これに対応するには、高歪低サイクルでの疲労耐久性が求められる。特に、ＨＤＤは磁気による書込・読取が行われるが、ＨＤは近年垂直磁気記録方式が一般となっているので、更なるＨＤＤの高速読取書込みにおいては、検出端の振動対策が求められている。これに用いられる材料は繰返し振動でも非磁性のままであることが必須である。【０００６】磁気浮上列車やフライホイール式電力貯蔵装置において、超電導磁石の周辺支持鋼材は、非磁性が必須である。この部分は、推力を発現するために、繰返し振動に曝されており、非磁性、制振性及び疲労耐久性が求められている。【０００７】発電機又は電動機の回転子は、発電又は電動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・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疲労耐久性を有する非磁性材料があれば、更なる、装置全体の軽量化と機能向上が可能となる。【０００８】水素社会の到来に伴い、耐疲労と耐水素脆性に優れた水素貯蔵容器材料の研究が進められている。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）がその有力候補であるが、材料自体が高価である。高マンガン・省ニッケル系ステンレス鋼は、Ｎｉを少なくした安価で耐疲労と耐水素脆性及び制振性に優れた材料として注目されている。【０００９】長距離の送電時の送電損失を大幅に低減できる高温超電導送電の実用化が急速に進展している。超電導を得るための冷却媒体には、安価な液体窒素を用いることができる。液体窒素の容器にはステンレス鋼（ＳＵＳ３０６又はＳＵＳ３１６）が用いられるが、ニッケルが高価なので、低ニッケルが望ましい。また、ケーブルには様々な応力が係るので耐疲労特性の優れた低温靱性の材料が求められる。【００１０】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。【００１１】本発明者の一人は、特許文献１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。【００１２】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。【００１３】本発明者らは、この要請に対応するために、特許文献２に示すように、窒素を０．１０〜１．２０［％Ｎ］添加した高強度制振鋼の技術を開示している。
この鋼は、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。そして、制振性発現に必要なε―Ｍｓ相及び積層欠陥は、溶体化熱処理の後に所要の冷間加工を加えることによって発現させることができる（非特許文献１参照）。【００１４】特許文献３が開示する「制振合金」は、Ｆｅ−Ｍｎ‐（Ｃｒ、Ｎｉ）−Ｓｉ系合金である。同特許は、準安定オーステナイトの範疇にあり、±１．０％の大きな歪を与える疲労試験においては、ε−マルテンサイト相に加えて、α‘−マルテンサイト相を生成し易いという問題点がある。【００１５】耐疲労特性評価試験として、材料の用途から要請される特性に従って、高歪低サイクル疲労試験（以下、「疲労試験Ａ」という。）及び低歪高サイクル疲労試験（以下、「疲労試験Ｂ」という。）がある（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第４９８４２７２号公報
【特許文献２】特許第５８３５６７７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１２９５６７号公報
【非特許文献１】小舞忠信、（独）日本学術振興会、第１３３委員会、第２２６回研究会資料、平成２７年４月２５日、ｐ．１−６．
【非特許文献２】ＪＩＳＺ２２７９（ひずみ制御低サイクル疲労試験）
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】本発明は、優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼ね備える鋼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】
【００１８】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提供することを基としている。ここで、［％ε−Ｍｓ相］はε−マルテンサイト相の体積分率と積層欠陥の体積分率の和と定義する。
（２）本発明は、窒素含有量を高くすることによって、外部からの振動歪によっても安定なオーステナイト相を有する技術を提供する。
（３）本発明は、疲労試験Ａ又はＢにおいて、優れた疲労特性を発現する鋼を提供する。
（４）本発明は、疲労試験Ａ又はＢにおいて、破断する前に２００℃以上の温度に加熱することによって、疲労試験によって増殖したε‐Ｍｓ相又は積層欠陥を熱によって消滅させて、疲労試験前の状態に修復させる技術を開示する。
（５）本発明は、疲労試験Ａ又はＢにおいて優れた疲労特性を発現する鋼に冷間加工を加えることによって、優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼ね備えた鋼を提供する。
【００１９】本出願に係る発明は、下記の［特許請求の範囲］の［請求項１］乃至［請求項１４］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］
2017075387.tif 000003
［数式２］
2017075387.tif 000004
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。
ＪＩＳ  Ｚ２２７９（ひずみ制御低サイクル疲労試験）に準拠した、±１．０％の歪制御で、０．１Ｈｚのサイクル疲労試験（疲労試験Ａ）において、
１０００回まで破断しなく、破断したサンプルの透磁率（μ）が２００Ｏｅの磁界で、１．０１以下、又は、
±３５０ＭＰａの応力制御で、１０Ｈｚのサイクル疲労試験（疲労試験Ｂ）において、５００，０００回まで破断しなく、試験終了時のサンプルの透磁率（μ）が２００Ｏｅの磁界で、１．０１以下であることを特徴とする優れた耐疲労特性を有する鋼。
［請求項２］
請求項１記載の鋼について疲労試験を行う際、破断以前に２００℃以上に加熱することによって、疲労試験前の状態に修復することを特徴とする優れた耐疲労特性を有する鋼。
［請求項３］
請求項１又は２記載の鋼に、１０００〜１１００℃で１時間の溶体化熱処理を施した後に、９００℃以下の温度領域で２００℃／分以上の冷却速度で急速冷却、又は、溶体化熱処理を施し冷却後に、断面積減少率、２〜５０％の冷間加工を加えることによって、
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合計体積パーセント［％ε−Ｍｓ相］が、数式３を満足し、
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を満足することを特徴とする優れた耐疲労特性と優れた制振性を兼ね備えた鋼。
［数式３］
2017075387.tif 000005
［数式４］
2017075387.tif 000006
［請求項４］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする切削工具。
［請求項５］
請求項１乃至３記載の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６］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする建造物免震支持体。
［請求項７］
請求項１乃至３記載の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８］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とするＨＤＤサスペンション。
［請求項９］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする超伝導コイル支持体。
［請求項１０］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする発電機又は電動機の回転子固定ヨーク。
［請求項１１］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とするフライホイール式電力貯蔵装置。
［請求項１２］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする水素貯蔵容器。
［請求項１３］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする超電導送電の液体窒素容器管。
［請求項１４］
請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする耐疲労特性に優れた非磁性低温靱性制振機能装置又は部品。
【発明を実施するための形態】
【００２０】以下に、本発明に係わる優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼ね備えた鋼について具体的に説明する。
【００２１】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。
【００２２】ここで、積層欠陥エネルギーを２０ｍＪ／ｍ２以下としたのは、急速冷却或いは冷間加工によるε−Ｍｓ相及び積層欠陥をより生成し易しくするためであり、この値が２０  ｍＪ／ｍ２を超えるとε−Ｍｓ相及び積層欠陥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。
【００２３】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。
【００２４】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、窒素含有量を高くすることによってオーステナイトを安定にすると同時に、積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）を低下させて、ε‐Ｍｓ相及び積層欠陥を生成しやすくするためである。疲労試験Ａにおいて、１０００回のサイクル試験においても破断を促進する、α‘−マルテンサイト相は生成しないことを確認している。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、０．３〜０．８［％Ｎ］である。
【００２５】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、必要な量の［％ε―Ｍｓ相］が得られないためである。
【００２６】本発明の請求項２は、請求項１記載の鋼について疲労試験を行う際、破断以前に２００℃以上に加熱することによって、疲労試験前の状態に修復する技術を開示している。加熱温度は２００℃以上で５００℃まで加熱すれば十分である。
それ以上はエネルギーの点で必ずしも得策ではない。加熱方法は、例えば、ガスによる外部からの加熱による方法があるが、請求項１記載の組成の鋼は比抵抗が高いので通電加熱が可能であり簡略なので推奨できる。
【００２７】本発明の請求項３は、本発明の請求項１又は２に記載した鋼に優れた制振機能を付与する方法を具体的に開示している。即ち、本発明の請求項１又は２に記載した鋼に、１０００〜１１００℃で１時間の溶体化熱処理を施した後に、９００℃以下の温度領域で２００℃／分以上の冷却速度で急速冷却、又は、溶体化熱処理を施し冷却後に、断面積減少率、２〜５０％の冷間加工を加える方法を開示している。これは、結晶粒に歪を付与する手段であり、上記の急速冷却は熱収縮によるものであり、冷間加工によっても同様の歪を付与効果が可能である。
【００２８】本発明の請求項３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相及び積層欠陥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］は、１０〜３０体積％である。
【００２９】本発明の請求項３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。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４乃至請求項１３において、本発明に係る鋼を含んで構成される、切削工具、チエーン伝動装置、建造物免震支持体、ばね装置、ＨＤＤサスペンション、発電機又は電動機の回転子固定ヨーク材、フライホイール式電力貯蔵装置、超電導コイル支持体、水素貯蔵容器、超電導送電の液体窒素容器管については実施例によって説明する。
【発明の効果】
【００３１】本発明に係る優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼備する鋼を、切削工具、チエーン伝動装置、建造物免震支持体、ばね装置、ＨＤＤサスペンション、発電機又は電動機の回転子固定ヨーク、フライホイール式電力貯蔵装置、超電導コイル支持体、水素貯蔵容器、超電導送電ケーブル等適用すると、疲労耐久性に優れ、かつ、稼働中の振動を早期に収斂させる鋼材及び装置を提供できるので産業界に貢献できる。
【００３２】以下、本発明を実施例によって説明する。
【実施例１】
【００３３】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９（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１０（ＳＵＳ３１６）は、Ｎｉを１２％添加した市販品である。比較例１１（ＬＹ２２５）は、市販の免震ダンパー用低降伏点炭素鋼である。
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。
次に、真空中で１０５０℃、１時間の溶体化熱処理を行った後に冷却した。この材料より図１に示す疲労試験用試験片を作成した。一方、溶体化熱処理を行った材料に制振付与を目的にして、上記の材料に１０％の冷間加工をして、切削加工により１０ｍｍφ×１００ｍｍＬの損失係数（η）測定用の試験片を作成した。【００３４】ＪＩＳ  Ｚ２２７９に準拠した疲労試験の様子を図２に示す、インストロン製８８０２型疲労試験機によって、疲労試験Ａ（±１．０％の歪制御で０．１Ｈｚのサイクル疲労試験）によって、破断に至るまでの繰返し回数及びヒステリシス曲線を計測した。疲労試験Ｂ（±３５０ＭＰａの応力制御で１０Ｈｚのサイクル疲労試験）においては、８０万回まで試験を行い未破断の場合はその時点で試験終了として、表１の相当欄に８０万回と記載した。【００３５】図３に示す片持ち梁方式によって損失係数（η）を測定した。振動部の長さを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。その代表例を図４に示す。
図３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９（ＳＵＳ３０４）の制振性の比較を行った。図４は、例示として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。【００３６】上記の結果を表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。【００３７】
【表１】
2017075387.tif 000007
【００３８】以下、表１について詳述する。
本発明例１〜１３は、シリコンを本発明の請求範囲内である０．１０〜３．０［％Ｓｉ］、マンガンを３〜１７［％Ｍｎ］、クロムを３〜１９［％Ｃｒ］、窒素を０．１０〜１．２０［％Ｎ］を添加している。
本発明例１〜１３は、窒素を０．１０〜１．２０［％Ｎ］を添加しているので、疲労試験においてもオーステナイト相が安定なので、疲労試験Ａ及びＢのいずれにおいても優れた疲労耐久性が確認できた。また、ＳＦＥ値が２０ｍＪ／ｍ２以下であるので、ε−Ｍｓ相体積％は本発明の請求範囲内であり、１０％の冷間加工した材料の損失係数（η）は良好である。【００３９】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、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。【００４０】比較例１は、窒素が不足しているので、疲労耐久性が不良である。
比較例２〜７は、窒素を０．１０［％Ｎ］以上であり、本特許請求範囲の例であるが、以下の理由によって総合評価は不可（×）である。
比較例２は、マンガン量が１９［％Ｍｎ］と過大なので、冷間加工性が不良である。
比較例３は、シリコン量が０．０８［％Ｓｉ］と不足しているので制振性が不良である。
比較例４は、シリコン量が３．１０［％Ｓｉ］と過大なので、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５は、炭素量が０．１１［％Ｃ］と過大のため、制振性が不良である。
比較例６は、マンガン量が２［％Ｍｎ］と不足しているため制振性が不良である。
比較例７は、クロム量が２１［％Ｃｒ］と過大のため、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が不十分である。【００４１】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。【００４２】比較例９は、市販のＳＵＳ３０４であり、準安定オーステナイトであり、ＳＦＥは４０（ｍＪ／ｍ２）と高いので、制振性が悪く、疲労試験Ａにおいて、疲労試験中にα‘−Ｍｓ相が生成して破断までのサイクル数は５００回と著しく悪い。
比較例１０は、市販のＳＵＳ３１６であり、Ｎｉによってオーステナイトを安定化しており、ＳＦＥが４８（ｍＪ／ｍ２）と高いので制振性が無い。
比較例１１は、市販の低降伏点鋼であり、疲労試験Ａにおいて、破断までのサイクル数は１００回と不良である。【００４３】更に、図５、図６及び図７は、表１をグラフにしたものである。
図５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％を示す。
図６は、ＳＦＥと損失係数（η）との関係を示す。ＳＦＥが２０（ｍＪ／ｍ２）以下において所望の制振性を示す。
図７は、ＳＦＥと疲労耐久性（破断までのサイクル数）との関係を示す。
ＳＦＥが２０（ｍＪ／ｍ２）以下において所望の疲労耐久性を示す。【００４４】図８は、疲労試験Ａにおける、本発明例１、比較例９及び比較例１１の７０回目のヒステリシス曲線である。このヒステリシス曲線に囲まれた部分が材料に加えられたエネルギー（Ｊ）である。表２は、疲労試験Ａにおいて破断までに加えられたエネルギーを材料が吸収した全エネルギーを試算した結果である。
本発明例１が外から加えられた振動を効果的に吸収していることが判る。
【表２】
2017075387.tif 000008
【００４５】図９は、疲労試験Ｂにおける、本発明例１及び比較例１０の試験中の試験片標点間の変位（伸び）の推移を示す。図１０は、該サンプルの破断近傍の光学顕微鏡組織である。
図９において、本発明例１は、１００回以降では外力に応じて結晶粒内構造の変移（積層欠陥の増殖）によって外部振動エネルギーを吸収することによって、変位伸びは０．１５ｍｍに維持されたままで破断寸前まで持ち耐えて５０万回で破断した。これに対して、比較例１０は、外部振動を吸収することが出来なくて極めて早期の３０００回で破断した。
図１０において、本発明例１は積層欠陥を明瞭に確認できる。これは、本発明において、Ｍｎ、Ｓｉ及びＮによって、積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）を２０（ｍＪ／ｍ２）以下にすることによって達成されたものである。
【実施例２】
【００４６】実施例２は、請求項２に記載されている疲労試験によって生成したε‐Ｍｓ相又は積層欠陥の加熱修復に関するものである。
図１１は、オーステナイト・ステンレス鋼における、γ相、ε‐Ｍｓ相及びα‘‐Ｍｓ相の生成及び消滅の相転移とマンガン量、温度との関係の基礎的データであり、２００℃以上で、ε‐Ｍｓ相からγ相に相転移する（ステンレス鋼便覧より抜粋）。図１２は、表１の本発明例１の材料について、疲労試験における途中段階の試験片を実験室的にソルトバスによって、３００℃、１０分加熱した時の顕微鏡組織を示す。この熱処理によって、疲労試験によって生成した積層欠陥が消滅して、疲労試験前の状態に修復されていることが確認できた。
特に、請求項６にある応用例の建造物免震支持体では大変有効と考えられる。
建造物免震支持体では疲労試験Ａの如く塑性領域を含むような過酷な疲労現象を伴うことがあり、疲労限度を小さくする原因となっている。このような場合、この疲労修復法を用いることにより支持体の使用期間の延長が期待できる。
【実施例３】
【００４７】実施例３は、請求項３に記載されている制振性付与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、又は、通常冷却後に、２，５，１０，２０，３０，４０，５０，６０％の冷間加工を行った。表３は、上記の制振性付与操作を施した各々の試験片（１０ｍｍφに切削加工）の疲労試験Ａの破断までのサイクル数及び損失係数（η）を測定した結果である。
溶体化熱処理後に９００℃以下の温度領域で２００℃／分以上の急速冷却した場合（Ｎｏ．３−０）は、冷却後に５％冷間加工（Ｎｏ３−３）に相当する制振性付与効果がある。制振性付与の操作は、最終製品に要求される制振性と疲労耐久性とに従って選択しなければならない。表３より、２〜５０％の冷間加工において耐疲労特性、制振共に良好であるが、さらに好ましくは、５〜３０％冷間加工が良好である。【００４８】
【表３】
2017075387.tif 000009
【実施例４】
【００４９】実施例４は、本発明に係る鋼の冷間加工性の評価に関するものである。
表４は、表１における本発明例１（Ｍｎ：１７［％Ｍｎ］）、本発明例１０（Ｍｎ：８［％Ｍｎ］）、比較例２（Ｍｎ：１９［％Ｍｎ］）及び比較例９（ＳＵＳ３０４、Ｍｎ：０．５［％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１０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９）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２（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。【００５０】
【表４】
2017075387.tif 000010
【実施例５】
【００５１】実施例５は、請求項４に関するものである。
表１に記載した本発明例１の素材を図１３に示すボーリングバイトシャンクに加工した。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５に示す。
結果を表５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。本発明に係る高強度制振鋼を削岩支持具に適用すると、削岩びびりが軽減されたので、削岩効率が向上した。
【表５】
2017075387.tif 000011
【実施例６】
【００５２】実施例６は、請求項５に関するものである。
表１における本発明１及び比較例９の素材を用いて、図１４に示すチエーンを作成した。図１５に示すチエーン伸び試験装置を作成した。５００Ｎの張力を懸けて６０ｍ／ｍｉｎのライン速度にて稼働させてチエーンの伸びを計測した。表６に、疲労試験Ｂによる材料としての耐疲労特性を表１より転記した計測値、及び、１％チエーン伸びまでの所要時間を比較して記載した。本発明例１の材料によるチエーンは、従来のステンレス・チエーン（比較例９）より優れた耐伸び性を示すことが確認できた。
【表６】
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【実施例７】
【００５３】実施例７は、請求項６に関するものである。
表１の本発明例１及び比較例１１の材料を用いて２０ｍｍφ、１．０ｍ長さ、４本を用いて図１６に示す制振・免震ダンパーを作製した。その時の共振周波数はいずれも３．０Ｈｚであった。表７は、制振・免震ダンパーの特性比較である。制振性評価はいずれも良好である。これは低周波振動を材料形状によって効果的に吸収していることを意味する。地震等で加えられる変形は塑性領域の場合が想定されるので、疲労試験Ａによる評価が必要である。本発明例１は、比較例１１（従来材）に比較して優れた疲労耐久性を示すことが確認できた。
【表７】
2017075387.tif 000013
【実施例８】
【００５４】実施例８は、請求項７に関するものである。
表１における本発明１及び比較例９の素材を用いて、線径１．０ｍｍφを用いて、図１７に示すコイルばねを作成した。図１８に高次周波数のサイジング現象を例示した。表８は、サージング発生の比較及び疲労耐久性を比較したものである。本発明例１は材料が振動を吸収するのでサージングが抑制されており、かつ、疲労耐久性にも優れている。
【表８】
2017075387.tif 000014
【実施例９】
【００５５】実施例９は、請求項８に関するものである。
図１９（左）は、ＨＤＤ（ハードデイスク記録再生装置）の外観である。
図１９（右）は、ＨＤＤサスペンションの外観である。近年、ハードデイスク記録再生機構が、従来の水平磁気記録方式から垂直磁気記録方式になりその機能は飛躍的に改善された。しかしながら、高密度記録及び高速回転するに従ってサスペンション自体の振動が阻害要因になっていることが分かってきた。
表１における本発明例１及び比較例９の素材を用いて図１９（右）に示すサスペンションを作成した。図２０は、模擬振動を加えて振動の周波数依存性を計測した結果の例示である。表９は、ＨＤＤサスペンションへの適用結果である。
本発明例１によるサスペンションの優れた制振性を確認した。これは、ＨＤＤ装置の機能向上に役立つ。
【表９】
2017075387.tif 000015
【実施例１０】
【００５６】実施例１０は、請求項９に関するものである。
例えば、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及びその支持部に発生する（図２１参照）。この場合、一つには、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。二つには、巨大な推力振動が加わるので、車体と超電導磁石部を繋ぐ支持体材料には非磁性、低温靱性に加えて高い耐疲労特性が求められる。
表１０に、本発明例１と比較例１０（ＳＵＳ３１６）との上記特性を比較した。
本願の発明になる鋼は、優れた疲労耐久性と制振性を兼備してかつアルミ合金やチタン系材料に較べて安価なので、更なる高機能化に役立つ。
【表１０】
2017075387.tif 000016
【実施例１１】
【００５７】実施例１１は、請求項１０に関するものである。
図２２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に加えて材料の高性能・軽量化が求められる。本願の発明になる鋼は、疲労耐久性と制振性を兼ね備えているので、更なる発電機の高性能・軽量化が期待できる。実施例１１は、発電機への適用例であるが、電動機にも同じ技術的根拠によって適用可能である。用途としては、風力発電機の発電部分、電気自動車のモーター部分等多い。
【表１１】
2017075387.tif 000017
【実施例１２】
【００５８】実施例１２は、請求項１１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２３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。フライホイールが回転時には、１ｋＨｚ以上に振動が発生するに発生することが報告されている。図２４に示すように、本発明例１は、耐疲労特性に優れた制振鋼であるので、上記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１３】
【００５９】実施例１３は、請求項１２に関するものである。
水素社会の到来に伴い、耐疲労と耐水素脆性に優れた水素貯蔵容器材料の研究が進められている。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、従来材、比較例１０）がその有力候補であるが、材料としての強度が不足しているので、容器に肉厚が大きく重くなっている（図２５参照）。表１２が適用した例である。本発明例１の疲労限は、比較例１０より７０ＭＰａ高いのでより軽量化が可能である。
【表１２】
2017075387.tif 000018
【実施例１４】
【００６０】実施例１４は、請求項１３に関するものである。
図２６は、超電導送電ケーブルの実物写真及びその構造である。該ケーブルは、液体窒素によって極低温に保持されおりその容器は、従来は比較例１０が使用されている。表１３は、本発明例１と比較例１０を適用した例である。
本発明例１は、図２７に示すように疲労限が高く、かつ、Ｎｉを必要としないので安価である。
【表１３】
2017075387.tif 000019
【００６１】本願は、請求項１４に記載しているように、請求項１乃至３記載の鋼を含んで構成されることを特徴とする耐疲労非磁性低温靱性制振機能装置又は部品に適用される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】本発明に係る優れた疲労耐久性と優れた制振性を兼備する鋼を、切削工具、チエーン伝動装置、建造物支持装置、ばね装置、ＨＤＤサスペンション、超電導コイル支持体、発電機・電動機の回転子、フライホイール式電力貯蔵装置、水素貯蔵容器、超電導送電の液体窒素容器管に適用すると、稼働中の振動を早期に収斂させて、かつ、疲労耐久性に優れた鋼材及び装置を提供できるので産業界に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本願疲労試験用試験片の図面と寸法
【図２】疲労試験機
【図３】片持ち梁方式の振動試験装置
【図４】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５】ＳＦＥとε‐Ｍｓ相との関係
【図６】ＳＦＥと損失係数（η）との関係
【図７】ＳＦＥと疲労試験Ａのサイクル数との関係
【図８】疲労試験Ａにおける７０サイクル目の歪―荷重ヒステリシス曲線
【図９】疲労試験Ｂにおける試験中の変位の推移
【図１０】疲労試験Ｂにおける破断したサンプル断面の光学顕微鏡組織
【図１１】ε‐Ｍｓ相及び積層欠陥と加熱温度の関係
【図１２】加熱によるε‐Ｍｓ相及び積層欠陥の修復を示す光学顕微鏡組織
【図１３】切削工具の例
【図１４】チエーンの例
【図１５】チエーン伸び試験装置
【図１６】制振・免震ダンパーの例
【図１７】コイルばねの例
【図１８】コイルのサージング比較
【図１９】ＨＤＤサスペンションの例
【図２０】ＨＤＤサスペンションの振動計測
【図２１】磁気浮上列車の駆動部の例
【図２２】発電機の回転子と振動抑制体の例
【図２３】フライホイール式電力貯蔵装置の例
【図２４】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２５】水素貯蔵容器の例
【図２６】超電導送電ケーブルの例
【図２７】オーステナイト系材料のＳ−Ｎ曲線
【図１】
2017075387.tif 000024
【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】
2017075387.tif 000033
【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】
2017075387.tif 000038
【図１６】
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【図１７】
2017075387.tif 000040
【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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【図２７】
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