(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：８〜３５質量％，Ｎｉ：６〜２０質量％，Ｃ：０．０５〜１．５０質量％，Ｓｉ：０．０２〜２．５質量％，Ｍｎ：０．０２〜３．０質量％，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｗから選ばれた１種又は２種以上：０．０５〜３．０質量％，残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、マトリックスに分散しているＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ及び／又はＷの炭化物が総量で０．１質量％以上に調整されているスウェージ加工用耐摩耗鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アブレッシブな磨耗に曝される環境で使用され、加工性，耐摩耗性及び耐食性に優れた鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
靴底との接触で磨耗する床材やエスカレータ部材，他の部品との摺動摩擦で磨耗する電気・電子機器部材等の広範な分野にわたり、耐摩耗性が要求される用途ではステンレス鋼等の高強度鋼材が使用されている。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。
床材，エスカレータ部材，織機部材，電気・電子機器部材等の寿命は、使用環境によっても異なるが、材料がもつ耐摩耗性の如何に大きく影響される。そこで、耐摩耗性が要求される部材には，炭素含有鋼を焼入れして組織強化した材料や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】
【発明が解決しようとする課題】
磨耗は非常に複雑な機構をとる現象であることから，磨耗する部位での磨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，使用しながら材料寿命を評価している。そのため、材料選定に長時間を要することを始めとし、適正な材料選定に苦慮している。
また、エスカレータの階段用プレート材等のように、複雑な形状に塑性加工され且つ耐摩耗性及び耐食性が必要とされる用途ではプレス加工が容易なステンレス鋼が使用されているが、靴底等により磨耗で磨り減っていくのがよく見かけられる。更に、軸受等では、粉末成形された高価な耐磨耗材を使用する場合があるものの、或いは耐摩耗性を犠牲にして安価な材料で必要形状に加工した部材を使用し、磨耗に対しては頻繁な部品交換で対応している場合が多い。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような過酷な磨耗に曝される環境下で使用される部材に要求される耐摩耗性を改善すべく案出されたものであり、加工性に優れたオーステナイト相の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、アブレッシブな磨耗に対しても十分な耐摩耗性を呈するスウェージ加工用耐磨耗鋼を提供することを目的とする。
本発明の加工用耐摩耗鋼は、その目的を達成するため、Ｃｒ：８〜３５質量％，Ｎｉ：６〜２０質量％，Ｃ：０．０５〜１．５０質量％，Ｓｉ：０．０２〜２．５質量％，Ｍｎ：０．０２〜３．０質量％，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｗから選ばれた１種又は２種以上：０．０５〜３．０質量％，残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、マトリックスに分散しているＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ及び／又はＷの炭化物が総量で０．１質量％以上に調整されていることを特徴とする。
【０００５】
【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。
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。
【０００６】
耐摩耗性を向上させる方法として、ステンレス鋼をスウェージ加工して高強度化する方法を検討した。単にスウェージ加工で硬度を上昇させただけでは、図１に示すように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、スエージ加工による加工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する場合、材料の成形加工が困難になり、必要部品が得られなくなる。
アブレッシブな摩耗に対する抵抗力が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、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、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。
【０００７】
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アブレッシブな摩耗が抑制されることが判った。
【０００８】
本発明鋼は、耐食性を付与するために８〜３５質量％のＣｒ及び加工性を付与するために６〜２０質量％のＮｉ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。Ｎｉ含有量が６質量％未満では、良好な加工性を呈するオーステナイト相が生成されず、複雑な加工ができなくなる。オーステナイト相はＮｉ含有量の増量に応じて安定化するが、過剰のＮｉ含有は鋼材コストを上昇させる原因であることから、Ｎｉ含有量の上限を２０質量％に規定した。
【０００９】
オーステナイト相のマトリックスに総析出量で０．１質量％以上のＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ及び／又はＷの炭化物を析出させるため、Ｃ含有量を０．０５〜１．５０質量％に規制し、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖ，Ｗの１種又は２種以上を０．０５〜３．０質量％添加する。Ｃは、炭化物として消費される他に、マトリックスの強度を向上させることにも有効な合金成分である。しかし、１．５０質量％を超える過剰量のＣは、鋼材の熱間加工性を低下させる。
【００１０】
炭化物総析出量０．１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、他の合金成分としてＳｉを０．０２〜２．５質量％，Ｍｎを０．０２〜３．０質量％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、インゴットに鋳造した。溶体化処理後、直径１５ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。丸棒を１０５０度で溶体化処理し、直径１０ｍｍの丸棒に切削加工して供試材を得た。
【００１３】
0004256550.tif 000002
【００１４】
供試材に分散析出した炭化物を定量分析すると共に、アブレッシブな磨耗に対する耐摩耗性及び耐食性を調査した。また、直径１０ｍｍの丸棒をスウェージング加工し、６０％以上のスウェージング加工が可能なものを○，６０％のスウェージング加工ができなかったものを×として加工性を評価した。
炭化物の析出量は、供試材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４０Ｎの負荷荷重Ｆ（Ｎ）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を算出した。比摩耗量Ｃで耐摩耗性を判定し、１．０×１０-4ｍｍ2／Ｎ未満を○，１．０×１０-4ｍｍ2／Ｎ以上を×と評価した。
比摩耗量Ｃ＝Ｗ／（Ｌ×Ｆ）×１０-4
耐食性に関しては、５％塩水を７２時間噴霧する試験に供試材を供した後、試験片の表面を観察し、錆発生の有無を調査した。錆が検出されなかったものを○，錆が観察されたものを×として耐食性を評価した。
【００１６】
表２の調査結果にみられるように、炭化物が析出していない比較鋼８では１．３×１０-4（ｍｍ2／Ｎ）以上の大きな被磨耗量Ｃが示されたが、炭化物が多量に析出するほど被磨耗量Ｃが小さくなった。そこで、被磨耗量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。すなわち、炭化物総析出量の増加に応じて被磨耗量Ｃが減少し，炭化物総析出量が０．１質量％以上になると被磨耗量Ｃが約１．０×１０-4（ｍｍ2／Ｎ）未満になり、炭化物無析出の鋼材に比較して被磨耗量Ｃで８０％以下の優れた耐摩耗性を示すことが判った。
【００１７】
Ｃｒ含有量が８質量％未満の比較鋼１２では供試材表面に錆が観察されたが、８質量％以上のＣｒを含む比較鋼８〜１１及び本発明鋼１〜７では何れの供試材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は８質量％以上のＣｒが必要であることが判る。
Ｎｉ含有量が６質量％未満の比較鋼１１，１２では安定したオーステナイト相が形成されておらず、６０％のスウェージ加工ができなかった。これに対し、Ｎｉ含有量が６質量％以上の比較鋼８〜１０及び本発明鋼１〜７では何れも供試材でも６０％以上のスウェージ加工が可能であった。このことから、スウェージによる加工性を確保するために、６質量％以上のＮｉが必要なことが確認される。また、本発明鋼１をスウェージ加工した後の被磨耗量Ｃは、図１に示すように炭化物析出のない試験番号８をスウェージ加工した場合に比較して格段に改善されていた。
【００１８】
0004256550.tif 000003
【００１９】
【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０．1重量％以上の割合でオーステナイト相を含む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及び加工性が付与されている。そのため、適度の加工が施されて使用される用途に適し、エスカレータのステップ材，エレベータ，厨房の床材，織機用機器，モータ軸受等の広範な分野で長寿命の部材として使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  スウェージ加工で高強度化した材料の硬さと被磨耗量との関係を示すグラフ
【図２】  炭化物総析出量と被磨耗量との関係を示すグラフ
【図１】
0004256550.tif 000004
【図２】
0004256550.tif 000005