(57)【要約】【課題】  合金元素の添加量を大幅に低減しても、４００〜５００℃の高温に加熱した場合において５５ＨＲＣ以上の良好な硬さを維持することで、浸炭などの表面硬化処理を必要とせずに済む、表面被覆用合金と、表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜を被覆した摺動部材を提供する。【解決手段】  表面に硬質皮膜を被覆する、表面処理用合金であって、該表面処理用合金は、質量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３〜３．０％を含有し、残部は実質的にＦｅでなる表面被覆用合金である。  好ましくは、質量％で、Ｃ：０．６〜０．８５％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．６〜０．８％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．４〜２．０％を含有する表面被覆用合金である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に硬質皮膜を被覆する、表面処理用合金であって、該表面処理用合金は、質量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３〜３．０％を含有し、残部は実質的にＦｅでなることを特徴とする表面被覆用合金。
【請求項２】
好ましくは、質量％で、Ｃ：０．６〜０．８５％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜０．８％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．４〜２．０％を含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆用合金。
【請求項３】
質量％で０．１％以下のＳを更に含有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆用合金。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の表面被覆用合金表面に被覆される硬質皮膜は、ＤＬＣ膜であることを特徴とする表面被覆用合金。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れかに記載の表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項６】
請求項５に記載の摺動部材に被覆される硬質皮膜は、ＤＬＣ膜であることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に硬質皮膜を被覆する、表面被覆用合金と該表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜を被覆した摺動部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属製の部材表面に、例えばＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）やセラミック系の硬質皮膜を被覆（コーティング）した材料は、耐摩耗性や摺動性等の特性を向上させることができるため、過酷な環境で使用される部材に適用されている。中でも、ＤＬＣ膜で被覆した摺動部材は、耐磨耗性、摺動性に優れているため、幅広く使用されてきている。
しかしながら、例えば、表面被覆用合金にＤＬＣ膜をＰ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）やＰＶＤ法によって成膜する場合には、密着性に問題があり、密着性を向上させるためには、成膜時に基材を高温に加熱する必要がある。即ち、表面被覆用合金は４００〜５００℃の高温に加熱される。もし加熱時に材料が軟化した場合、ＤＬＣ膜が剥離し易くなるため、５００℃の高温であっても軟化し難い材質の表面被覆用合金を選ぶ必要がある。
そのため、Ｐ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）やＰＶＤ法を用いてＤＬＣ膜を被覆する表面被覆用合金としては、高温でも５５ＨＲＣ以下に軟化しない高速度工具鋼が好んで用いられる（特開２００３−２７２３６号公報）。高速度工具鋼は、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等の合金元素を多量に含有して、これらの合金元素の効果により、例えばＤＬＣ膜をＰ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）やＰＶＤ法によって成膜する場合であっても、素材の硬さを高硬度に維持できるものである。
【特許文献１】特開２００３−２７２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高速度工具鋼製の表面被覆用合金は、高価な合金元素を多量に含有している。最近では、合金元素の価格が大幅に上昇していることから、安価な部材確保のために、添加する合金元素の種類を少なくするか、或いは更に、合金元素の添加量を減らしても、所望の特性が得られる表面被覆用合金が求められている。
しかし、例えば、低合金鋼のＪＩＳ  ＳＵＰ１２やＪＩＳ  ＳＵＪ２等では５００℃の高温に加熱すると５５ＨＲＣ以下に軟化してしまい、ＤＬＣ膜が剥離し易くなるため、表面被覆用合金としては不向きである。
そこで、これらの低合金鋼を使用するためには、浸炭などの表面硬化処理を実施した上でＤＬＣ成膜を行う必要がある。
本発明の目的は、低合金鋼を改良し、４００〜５００℃の高温に加熱した場合において５５ＨＲＣ以上の良好な硬さを維持することで、浸炭などの表面硬化処理を必要とせずに済む、表面被覆用合金と、表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜を被覆した摺動部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、表面に硬質皮膜を被覆する、表面処理用合金であって、該表面処理用合金は、質量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３〜３．０％を含有し、残部は実質的にＦｅでなる表面被覆用合金である。
好ましくは、質量％で、Ｃ：０．６〜０．８５％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜０．８％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．４〜２．０％を含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆用合金。
また本発明は、質量％で０．１％以下のＳを更に含有する表面被覆用合金である。
また、上記の表面被覆用合金表面に被覆される硬質皮膜は、ＤＬＣ膜である表面被覆用合金である。
また本発明は、上記の表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜が被覆されている摺動部材である。
好ましくは、上記摺動部材に被覆される硬質皮膜は、ＤＬＣ膜である摺動部材である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の表面被覆用合金は、高速度工具鋼と比較して合金元素の添加量を大幅に低減しても、４００〜５００℃の高温に加熱した場合において５５ＨＲＣ以上の良好な硬さを維持できることから、浸炭などの表面硬化処理を必要とせずに済むので、硬質皮膜を被覆する摺動部材用の素材に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
上述したように、本発明の重要な特徴は高速度工具鋼と比較して合金元素の添加量を大幅に低減しても、４００〜５００℃の高温に加熱しても良好な硬さを維持できる合金組成にある。以下に詳しく本発明を説明する。なお、特に記載の無い限り、各元素の含有量は質量％で記す。
Ｃ：０．５〜１．２％
Ｃは、表面被覆用合金の基地の硬さを高め、高温焼戻しによってＣｒやＭｏとの炭化物を被覆して表面被覆用合金の耐磨耗性を確保するための重要な元素であるため必須で含有する。
しかし、Ｃが１．２％を超えると表面被覆用合金の靭性を劣化させ、０．５％未満であると、上述のＣの添加効果が得られない。そのため、Ｃの範囲は０．５〜１．２％に限定する。上述の効果を確実に得るための好ましいＣの範囲は０．６〜０．８５％である。更に好ましくは、Ｃの下限を０．６％とし、上限を０．７％とする。
【０００７】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、脱酸元素として添加する他、本発明においては高温焼戻しの硬さを高める効果があるので２．０％以下の範囲において必須で添加する。Ｓｉを２．０％を超えて添加しても、Ｓｉの高温焼戻しの硬さを高める効果の向上は望めず、かえって靭性や熱間加工性を阻害する。そのため、Ｓｉは２．０％以下の範囲に規定する。
なお、Ｓｉの高温焼戻しの硬さを高める効果を確実に実現するために、好ましくは、Ｓｉの下限を０．１％、上限を１．５％とする。
【０００８】
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、添加すると靭性を劣化させることなく鋼の強さを増すことができ、高温焼戻しの硬さも改善される。但し、過剰量のＭｎが含まれると、加工性、低温靭性が低下する。また、同時に加工硬化性が高くなるので、加工時に材料の弾性限界点、降伏点、引っ張り強さ、疲労限界などが増加し、伸び、絞りなどが減少する。更に１．０％以上では焼戻し時に脆性が発生するので、１．０％以下に規定する。鋼の強度を確保するために、好ましくは、Ｍｎの下限を０．５％、上限を０．８％とする。
【０００９】
Ｃｒ：１．０〜５．０％
Ｃｒは焼入れ性を増し、高温焼戻しの硬さが大きくなるので、その効果が現れる１．０％を下限に規定する。また、耐食性を向上させる効果もあるが、多く添加してしまうと１次炭化物の増加による靭性の劣化などが起こるため、５％を上限と規定する。高温焼戻しの硬さを高める効果を確実に得るにはＣｒの下限を２．０％、上限を４．０％とするのが好ましい。
【００１０】
Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．３％〜３．０％
Ｍｏ及びＷは、固溶強化により高温焼戻し後の軟化抵抗を向上させ、耐摩耗性、耐熱疲労性を改善するために単独または複合で添加できる。更に、硬質な炭化物を作り、硬さを向上させる。
ＷはＭｏの約２倍の原子量であることからＭｏ＋１／２Ｗで規定する（当然、何れか一方のみの添加としても良いし、双方を共添加することもできる）。Ｍｏ、Ｗが少ないと高温焼戻しの硬さの改善が得られなくなるため、下限を０．３％に規定する。但し、添加量が３．０％を超えても上記の効果の向上はあまり望めなく、表面被覆用合金の価格を高くしてしまうので、Ｍｏ＋１／２Ｗの上限を３．０％に規定する。好ましくはＭｏ＋１／２Ｗの下限を０．４％、上限を２．０％とすれば良い。
【００１１】
残部は実質的にＦｅ
本発明では、上述した元素の他は実質的にＦｅとする。残部は、Ｆｅ以外に製造上不可避的に混入する元素は当然含有する。また、上記以外に、軟化抵抗を向上させ、硬さと強さ、靭性と言った特性を向上させる効果のあるＶは、１．０％以下の範囲で、耐食性と言った特性を向上させる効果のあるＣｕは、０．５％以下の範囲で、高温焼戻し時の結晶粒粗大化を防ぐ効果のあるＮｂは、０．３％以下の範囲で、Ｍｎ等との硫化物を形成し、被削性を改善するＳは、０．１％以下の範囲で、Ａｌなどと析出による硬さを向上させる効果のあるＮｉは、２．０％以下の範囲で、Ｎｉなどと析出による硬さを向上させる効果のあるＡｌは、１．０％以下の範囲で、それぞれ含有しても良い。
特にＳは、微量添加すると、Ｍｎ等との硫化物を形成し、被削性を改善するため、必要に応じて添加できる。一方でＳを多量に添加すると、熱間加工性、耐溶接高温割れ性、耐食性に悪影響を及ぼして異常酸化の起点にもなるため、０．１％以下と規定する。被削性の改善に好ましくは、Ｓの下限を０．０３％、上限を０．０８％とすれば良い。
【００１２】
上記の表面被覆用合金は、４００〜５００℃の高温に加熱しても５５ＨＲＣ以上の良好な硬さを維持できることから、この範囲で硬質皮膜を被覆するＰ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）やＰＶＤ法用の素材として最適である。
Ｐ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）やＰＶＤ法を適用するとＴｉＮ、ＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＤＬＣ等の硬質皮膜を被覆することができる。中でも、ＤＬＣ膜を被覆する場合、表面被覆用合金は４００〜５００℃程度に加熱されること、そして、更にＤＬＣ膜は優れた摺動性を付与することができることから、本発明合金の最適な組合わせであり、特に好ましい。
【実施例】
【００１３】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
表１に示した化学組成の本発明と比較例の１０ｋｇ鋼塊を真空溶解で作製し、表面被覆用合金を得た。作製した表面被覆用合金の化学組成を表１に示す。
なお、今回はＭｏ、Ｗのうち、Ｍｏのみを添加した。
【００１４】
【表１】
2009174017.tif 000002
【００１５】
作製した表面被覆用合金を真空炉にて均質化焼鈍した後、１１００℃で熱間鍛造し、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１０００ｍｍの表面被覆用合金鍛造材を得た。
その後、７８０℃で３時間の焼鈍を行った。更に、焼鈍した表面被覆用合金から１５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍの表面被覆用合金試験片を作製した。
この試験片を大気炉内で表２に示した焼入れ温度で加熱保持し、油冷にて焼入れを行った。焼入れ後に試験片の両面を平行研磨し、ＤＬＣ成膜温度の上限の、５００℃の焼戻し後にロックウェル硬さＣスケールにて硬さを測定した。その結果を表２に示す。
【００１６】
【表２】
2009174017.tif 000003
【００１７】
表２に示すように、本発明の表面被覆用合金は、高速度工具鋼のＳＫＨ５１と比較して合金元素の添加量を大幅に低減しているにもかかわらず５００℃での焼戻し後の硬さが５５ＨＲＣ以上なっていることが分る。一方、比較例のＳＵＰ１２とＳＵＪ２のような合金では、５５ＨＲＣを大きく下回っていることがわかる。
以上のことから、本発明の表面被覆用合金は、ＤＬＣ膜の成膜温度の上限である、５００℃程度の温度域でも高い硬さを維持でき、浸炭などの表面硬化処理を実施せずとも、表面被覆用合金の表面に、硬質皮膜を被覆すれば高い密着性を維持できるので摺動部材として用いることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明合金は、高温加熱時に高い硬さが不可欠な用途に適用できる。同時に、高価な合金の使用量を大幅に抑えることができる上に、浸炭などの表面硬化処理を必要とせずに済むので、これまで高価な合金を使用していた従来のものに比べて経済的で広い範囲での応用を期待することができる。