(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品表面に厚さが３ｍｍ以上で表面硬度がＨＶ５００以上の加工変質層を少なくとも２段階の異なる加工手段によって形成する高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法であって、まず、物品の加工しようとする所要表面に対して、その部分に対しては、先端が球形の圧子を物品に食込ませて加工変質層を形成する押込法、物品全体に対しては、物品の幅より大きな幅のローラを使用して所定圧力で物品の全面を加圧するローラ法による２０００ＭＰａ以上の静圧力を、表層に厚さ３ｍｍ以上で表面硬度ＨＶ４００程度の加工変質層が形成されるまで加える第１の加工手段を施したのち、この第１の加工手段によって形成された加工変質層の表面硬度がＨＶ５００以上となるまで前記加工変質層の表面に対してブラスティング装置を用いて表面硬度ＨＶ４００〜ＨＶ８００の硬質金属粒体を３０ｍ／秒〜９０ｍ／秒の速度で衝突させる第２の加工手段を施すことを特徴とする高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法。
【請求項２】
油圧プレスを使用して先端が球形の圧子を物品に食込ませる請求項１に記載の高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法。
【請求項３】
第２の加工手段が施されて表面硬度がＨＶ５００以上に高められた加工変質層の表面に対して、ブラスティング装置を用いて前記した第２の加工手段に用いた硬質金属粒体よりも細かい表面硬度ＨＶ１０００以上の硬質金属粒体を３０ｍ／秒以上の速度で衝突させる第３の加工手段を施して前記加工変質層の表面硬度をさらに高める請求項１または２に記載の高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木建築機械のような激しい摩耗環境に使用される耐摩耗性の改善された高マンガン鋼製耐摩耗物品、特に、表面に加工変質層を形成することにより耐摩耗性を改善した高マンガン鋼製耐摩耗物品及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
土木工事や建築工事などに使用される物品は、土砂などにより激しい摩耗作用を受けるため、その耐摩耗性は極めて重要である。しかしながら、前記のような用途に使用される物品は、安価であるうえに大きく且つ破損し難い特性を求められるために、耐磨耗性に優れたセラミックス等の所謂新素材を産業規模で採用した例は見受けられず、例えば、ＪＩＳでＳＣＭＮＨ１〜２１として規定される所謂高マンガン鋼で造られることが一般的である。ところが、高マンガン鋼はＳＳ材やＳＫ材等の一般的に使用される鉄系の構造材料に比べると耐摩耗性に優れてはいるものの、前記のような激しい摩耗環境において使用される場合にはその耐摩耗性はなお充分ではなく、安価であって且つ摩耗の少ない材料の開発が待望されている。
【０００３】
一般に高マンガン鋼製物品の表面を強化する方法としては、例えば、室化処理や窒化チタンコーティング処理等を施す物理化学的処理法や、超硬或いはセラミックス等の耐摩耗性の高い材料で物品表面を覆う方法が採用されているが、従来行われているこれら方法はおしなべて製造コストの高騰を招くものであって、土木工事や建築工事などに使用される物品のような大型の物品には採用することができない。また、高マンガン鋼製物品の表面に物理力伝達媒体を作用させて被処理物品の表面に母材よりも硬度の高い加工変質層を形成し、物品の耐摩耗性を改善する方法も知られているが、この目的には所謂物理的効果を生ぜせしむるための一般的な加工方法を採用し得るが、後に例示するようにそれらには―長―短があって何れも一層の改善が求められているのである。
【０００４】
すなわち、加工変質層の形成法は、比較的小さな速度で物理力を加える方法（静圧法と呼ぶ）と、比較的大きな速度で物理力を加える方法（動圧法と呼ぶ）に大別することができる。そして、静圧法の代表的なものには、ローラを物品の表面に抑圧せしめて加工変質層を形成するローラ処理法がある。この方法によれば、比較的安価に例えば深さ３mm程度の深い加工変質層を形成できるが、加工変質層の表面硬度は所詮Ｈｖ４００程度であって、その耐摩耗性向上効果は満足できるものではなかった。一方、動圧法の代表的なものには、硬質の小粒体を高速で被処理物品の表面に衝突させて加工変質層を形成する所謂ショットピーニング法がある。この方法によれば、比較的安価に例えばＨｖ５００程度の加工変質層を形成できるが、その深さは所詮１mm程度以下であって、その耐摩耗性向上効果も満足できるものではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとするところは前記のような問題を解決して、特殊な材料を用いることなく耐摩耗性を著しく改善して土木・建築機械のような激しい摩耗環境における使用にも適したものを安価に製造できる高マンガン鋼製耐摩耗物品及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決した本発明は、物品表面に厚さが３ｍｍ以上で表面硬度がＨＶ５００以上の加工変質層を少なくとも２段階の異なる加工手段によって形成する高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法であって、まず、物品の加工しようとする所要表面に対して、その部分に対しては、先端が球形の圧子を物品に食込ませて加工変質層を形成する押込法、物品全体に対しては、物品の幅より大きな幅のローラを使用して所定圧力で物品の全面を加圧するローラ法による２０００ＭＰａ以上の静圧力を、表層に厚さ３ｍｍ以上で表面硬度ＨＶ４００程度の加工変質層が形成されるまで加える第１の加工手段を施したのち、この第１の加工手段によって形成された加工変質層の表面硬度がＨＶ５００以上となるまで前記加工変質層の表面に対してブラスティング装置を用いて表面硬度ＨＶ４００〜ＨＶ８００の硬質金属粒体を３０ｍ／秒〜９０ｍ／秒の速度で衝突させる第２の加工手段を施すことを特徴とする高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法を請求項１に係る発明とし、この請求項１の発明において、油圧プレスを使用して先端が球形の圧子を物品に食込ませる高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法を請求項２に係る発明とし、前記した請求項１または請求項２の発明の第２の加工手段により表面硬度がＨＶ５００以上に高められた加工変質層の表面に対してブラスティング装置を用いて前記した第２の加工手段で用いた硬質金属粒体よりも細かい表面硬度ＨＶ１０００以上の硬質金属粒体を３０ｍ／秒〜９０ｍ／秒の速度で衝突させる第３の加工手段を施して前記加工変質層の表面硬度をさらに高める高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法を請求項３に係る発明とするものである。
【０００７】
前記したような高マンガン鋼製耐摩耗物品は、耐摩耗性を改善するため、物品表面に厚さが３mm以上の加工変質層を形成してあるので、加工変質層の厚さが１mm以下、数百ミクロンであるに過ぎないショットピーニング法により加工された耐摩耗物品に比ベて著しく耐摩耗性が改善されており、また、その表面硬度がＨＶ５００以上に高められているので、せいぜいＨＶ４００程度に過ぎないローラ処理法により加工された耐摩耗物品に比べても著しく耐摩耗性が改善できるのである。また、前記したような高マンガン鋼製耐摩耗物品の製造方法は、少なくと２段階の異なる簡単な加工手段を採用することとしたので、新たに特別の大型機械を開発することなしに従来の製造設備を利用して加工変質層を形成することが可能となるのである。そして、第１の加工手段として到達表面硬度はＨＶ４００程度ではあるが加工変質層を深く形成することができる静圧法を採用したうえにその加工圧力を２０００ＭＰａ以上としたので、先ず、第１手段により加工変質層の深さを３mm以上とすることができる。このように第１の加工手段としては、２０００ＭＰａ以上の静圧力を被加工物品の表面に加えるのであるが、このような静圧法としては、単純な形状の物品に対しては例えばローラプレスが好適に利用できる。なお、ここで第１の加工手段として静圧法を採用せずに動圧法を採用すると、物品には静圧法による到達硬度以上の表面硬度の浅い加工変質層が形成されることとなってしまうので、所期の目的を達成することができず、従って、第１の加工手段としては静圧法に限定する必要がある。
【０００８】
次に、第２、第３の加工手段に採用する動圧法は、多数の硬質の小粒体を高速で物品の表面に衝突させさせるものであって、加工変質層の厚さを１mm以上とすることは困難であるものの、物品の形状によらずに安価にその表面硬度を高めることが可能であり、表面硬度がＨＶ４００の硬質金属粒体を採用すると著しい粒体の損耗を招くことなしに物品の表面硬度をＨＶ４００以上に高めることが可能となる。なお、衝突させる小粒体を硬質金属粒体に限定したのは、金属粒体はガラスビーズ等に比べて靱性が高くて損耗が少ないので安価な製造に好適であるからであり、また、セラミックスビーズより安価に購入することができるからであって、一般的に市販されている直径２mm前後の鋳鉄製の球体等がこの目的に利用できる。また、衝突速度を３０ｍ／秒以上としたのは、それ以下ではＨＶ５００以上の表面硬度を得ることが困難であるという経験的に導かれた限界速度であって、それ以上であれば構わないが、衝突速度に伴った物品の表面硬度改善の幅はさほど大きくなく、一方、衝突速度の高速化は金属粒体の激しい損耗を招くので７０ｍ／秒〜９０ｍ／秒程度とすれば好適に本発明を実施することができる。
【０００９】
また、前記した少なくとも３段階の異なる加工手段を採用する方法では、第２の加工手段において安価で損耗の少ない表面硬度がＨＶ４００〜ＨＶ８００の硬質金属粒体を採用して加工変質層の表面硬度をＨＶ５００〜６００程度に高め、続いて、第３の加工手段として、表面硬度がＨｖ１０００以上の硬質金属粒体を３０ｍ／秒以上の速度で被加工物品の表面に衝突させるようにしたので、これにより第２の加工手段でＨＶ５００〜６００程度に高められた加工変質層の表面硬度をＨＶ７００以上にまで高めることができることとなるのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を実施例により示す。
〔実施例１〕
加工変質層の厚さ及び表面硬度と、物品の寿命に付いて行った実験結果を表１に示した。
【表１】
0004079202.tif 000002
ここで、「寿命比」とは、後に詳しく説明する使用に供した物品の重量減を測定し、比較例Ａに記した加工変質層を形成しない状態の高マンガン鋼製耐摩耗物品の重量減との比を計算した値であって、加工変質層の耐摩耗性改善の程度を示し、その数値が大きいほど耐摩耗性が高いことを示す。
この表１によれば、厚さ３mmの加工変質層を形成しても表面硬度がＨｖ５００未満であれば物品の寿命比は殆ど改善されず（比較例Ｂ）、また、表面硬度をＨｖ５００以上としても加工変質層の厚さが３mm未満であれば物品の寿命比は改善されない（比較例Ｃ）が、実施例No.1の結果から明らかなように、３mm以上の厚さでＨｖ５００以上の表面硬度である加工変質層を形成すれば、物品の寿命比は大幅に改善されることが判る。
また、実施例No.2乃至No.4の結果から明かなように、更に加工変質層を厚くすることにより寿命比は改善され、或いは、実施例No.5乃至No.7の結果から明らかなように、更に加工変質層の表面硬度を高めることにより寿命比は改善される傾向があり、価格の上昇を補い得る用途に対しては、所定の加工変質層の厚さ及び表面硬度が得られる加工条件を適宜選定すれば足りるのである。
【００１１】
なお、前記した実施例および比較例では、表２に示した化学成分を含み、残部は実質的にFeである高マンガン鋼を採用して鋳造法により衝撃式破砕機の打撃板を形成し、所定の加工変質層を形成したのち、平均直径１５mmの石灰岩破砕作業を行い、その結果の打撃板の重重減少量を比較する方法により表１の結果を得たものであり、また、加工変質層の形成には後に詳しく説明するような少なくとも２段階の異なる加工手段を採用した。
【表２】
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【００１２】
〔実施例２〕
第１の加工手段における静圧力と加工変質層の厚さの関係の実験結果を表３に示した。
【表３】
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表３によれば、比較例Ｄのように１０００ＭＰａの静圧力を加えても、比較例Ｅのように１５００ＭＰａの静圧力を加えても、３mm以上の厚さの加工変質層を形成することはできず、３mm以上の厚さの加工変質層を形成するには、実施例No.8〜１２のように２０００ＭＰａ以上の静圧力が不可欠であることが明らかである。
なお、加工変質層の形成には、後に具体的に説明する押込法によってもローラ法によっても２０００ＭＰａ以上の静圧力であれば同じように厚さが３mmの加工変質層を形成することができ、従って、静圧を加える手段は加工形態に応じて適宜選定すれば足りる。
また、実施例No.8〜１２から明かなように、更に加える静圧力を大きくすることにより加工変質層を厚くすることができるから、そのための価格の上昇を補い得る用途に対しては適宜所定の加工変質層の厚さに応じた静圧力を選定すれば足りるのである。
なお、前記した実施例および比較例では、表２に示した化学成分を含み、残部は実質的にFeである高マンガン鋼を採用し、また、押込法は、油圧プレスを使用して先端が球形である圧子を物品に食込ませて加工変質層を形成する方法であって、その１個当りの投影面積が２０mm2 、総面積割合が７８％となるように条件を選んで加工した。また、ローラ法は、物品の幅より大きな幅であるローラを使用して所定圧力で物品の全面を加圧する方法を採用した。
【００１３】
〔実施例３〕
前記した第１の加工手段により加工して厚さが３ｍｍ以上で表面硬度がＨｖ４００とした後に施す第２の加工手段および第３の加工手段における加工条件と加工変質層の表面硬度と寿命比の関係を表４に示した。なお、表中の実施例１３、１４、１５と、比較例Ｆ、Ｇはいずれも第１の加工手段後に第２の加工手段を施した場合であり、実施例１６、１７は第２の加工手段後にさらに第３の加工手段を施した場合である。
【表４】
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なお、上表において、「金属粒体種類」のイ、ロ、ハ、ニは、表５に示す。
表４によれば、第１の加工手段による加工を施した高マンガン鋼製耐摩耗物品に第２の加工手段として表面硬度ＨＶ４００以上の金属粒体を３０ｍ／秒以上の速度で衝突させれば、表面硬度がＨＶ４００以上の加工変質層を形成することができ、その結果、寿命比で１．５以上に耐摩耗性が改善されることが明かである。なお、物品表面に衝突させる金属粒体の表面硬度の影響に付いて詳しく比較すれば、表面硬度がＨＶ４６０である金属粒体イを用いた場合（実施例No.14 ）や表面硬度がＨＶ７１０である金属粒体ロを用いた場合（実施例No.15 ）は、何れも物品の表面硬度がＨＶ５００以上であって、寿命比が１．５以上であるに対して、表面硬度がＨＶ２００である金属粒体ニを用いた場合（比較例Ｇ）では寿命比が全く改善されない。
また、金属粒体の物品への衝突速度に付いて詳しく比較すれば、衝突速度が２０ｍ／秒である比較例Ｆでは加工変質層の表面硬度がＨＶ４５５でＨＶ５００に達しておらず、一方、衝突速度が３０ｍ／秒である実施例No.13 では、加工変質層の表面硬度がＨＶ５１０で、寿命比も１．５と高くすることが可能となった。従って、衝突速度は３０ｍ／秒以上であれば構わないが、衝突速度が大きくなるに連れて表面硬度の向上がみられるものの、金属粒体の損耗が激しくなる理由から、経験的に採用されることの多い７０ｍ／秒であっても構わない。
【００１４】
次に、第３の加工手段を採用した実施例No.16 及び実施例No.17 についてその効果を見てみれば、表面硬度がＨＶ１４００である超硬粒体ハを３０ｍ秒以上の速度で物品に衝突させれば、表面硬度をＨＶ７００程度にまで高めることが可能で、寿命比にも２〜３倍と大きく故善することが可能となる。
なお、前記した実施例および比較例では、表２に示した化学成分を含み、残部は実質的にFeである高マンガン鋼を採用した。また、第１の加工手段は先に説明した押込法を採用してその厚さが３．０mmとなるように加工変質層を形成した。さらに、寿命比の測定は既に実施例１において説明した方法と同じ方法による。また、第２の加工手段及び第３の加工手段では、表５に示した金属粒体を採用して一般に市販されているブラスティング装置を用いて行った。
【表５】
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【００１５】
【発明の効果】
本発明は前記説明から明らかなように、物品母材に比較的安価であって従来から使用実績の多い高マンガン鋼を採用し、且つ、従来から加工変質層を形成するために利用されている汎用的な加工手段を採用しながら、安価に従来の物品に比べて著しく耐摩耗性を向上させることができる。
従って、本発明は特殊な材料を用いることなく耐摩耗性を著しく改善して土木・建築機械のような激しい摩耗環境における使用にも適したものを安価に製造できる高マンガン鋼製耐摩耗物品及びその製造方法として業界の発展に寄与するところ極めて大きいものがある。