JP2015190004A - 機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】硬度が高く、耐食性、靭性に優れ、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供する。【解決手段】Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成り、微細なＣｒの炭化物が均一に分散されたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金で形成されている。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金は、組織中の析出物が１０μｍ以下である。Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成るＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品に関する。

従来、水産物・食品・電池材・リサイクル材切断などの発錆・腐食環境下では、鉄系材料のステンレス材から成る機械部品が使用されている。その中でも、機械刃物の材料として、ステンレス材の中でもより硬度の高いＳＵＳ４４０が一般に使用されている。しかし、ＳＵＳ４４０等の鉄系材料は、硬度は高いが、使用する環境によっては腐食が発生してしまうという問題があった。

そこで、より耐食性に優れた機械刃物の材料として、チタン（Ｔｉ）系合金（例えば、特許文献１参照）やセラミック（例えば、特許文献２参照）などが開発され、使用されている。

なお、本発明者等により、耐食性および耐摩耗性に優れたコバルト基合金が開発されているが（例えば、特許文献３参照）、硬度が低いため機械部品の材料としては使用できず、主に生体材料として使用されている。

特開２０１３−０６４１７６号公報 特開平１１−０５７２３７号公報 特開２００４−２６９９９４号公報

特許文献１に記載のようなチタン系合金材料から成る機械部品は、耐食性には優れているが、刃物として使用するには硬度が低いという課題があった。また、一般的なセラミック材料から成る機械部品は、薄厚な部分や鋭利な部分が脆く、割れやすいという課題があった。特許文献２に記載のようにセラミック材料に耐磨耗性、耐チッピング欠け性を備えるためには、焼結温度を２段階にする等の複雑な製造工程が必要になるという課題があった。また、チタン系合金材料やセラミック材料から成る機械部品は、材料の機械加工性が悪いため製造しにくく、材料自体が高価であるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、硬度が高く、耐食性、靭性に優れ、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る機械部品は、Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成り、微細なＣｒの炭化物が均一に分散されたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金で形成されていることを特徴とする。

本発明に係る機械部品は、耐食性および耐摩耗性に優れたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金に、炭素（Ｃ）を０．５〜５．０質量％加えることにより、ＣｒやＭｏの炭化物が微細分散化されており、硬度が高くなっている。なお、炭素が０．５質量％より少ないと、炭化物として析出する量が少ないため硬度が向上しない。また、炭素が５．０質量％より多いと、耐食性が著しく劣化する。

本発明に係る機械部品は、耐食性に優れたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金材料から成っているため、高発錆・高腐食環境下でも使用可能である。なお、不可避不純物は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅなどである。

本発明に係る機械部品は、Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成るＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されていることが好ましい。また、本発明に係る機械部品は、前記積層造形法により、前記Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末に電子ビームを照射して焼結溶解することでニアネットシェイプに成形した後、仕上げ加工して形成されていることが好ましい。この場合、積層造形法を利用することにより、材料として炭素を含んで硬度が高いＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金を使用しても、容易かつ安価に製造することができる。また、積層造形法を利用することにより、鍛造、圧延等の機械加工や、原材料からの切り出し工程、生加工（内径孔加工）、焼入れ・焼き戻し等の複雑な製造工程が不要となり、容易かつ安価に製造することができる。また、積層造形法により様々な形状・種類のものを容易かつ安価に製造することができ、多種少量生産を行うことができる。

本発明に係る機械部品で、前記Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金は、組織中の析出物が１０μｍ以下であることが好ましい。この場合、硬度が高くなり、刃先などの薄く形成された部分の強度を高めることができる。特に、積層造形法で形成することにより、析出物を１０μｍ以下まで容易に微細化することができ、硬度を高めることができる。

本発明に係る機械部品は、いかなる用途の部品であってもよい。本発明に係る機械部品は、耐食性、耐摩耗性、靭性に優れ、高硬度であることから、特に刃物から成ることが好ましい。この場合、Ｃｒ、Ｍｏの炭化物が微細分散化されており、刃先の強度が高いため、刃先が割れたり欠けたりしにくい。

本発明によれば、硬度が高く、耐食性、靭性に優れ、容易かつ安価に製造することができる機械部品を提供することができる。

本発明に係る機械部品と同じ組成および同じ製造方法で製造された試験試料（２．５％ＣＣＭ合金）、および比較試料（従来ＣＣＭ合金、Ｔｉ合金、ＳＵＳ３０４）の耐食性試験結果を示すグラフである。 （ａ）比較試料（鋳造材）、（ｂ）本発明に係る機械部品と同じ組成および同じ製造方法で製造された試験試料の組織観察結果を示す電子顕微鏡写真である。

以下に、本発明に係る機械部品と同じ組成および同じ製造方法で製造された試験試料（本発明の試験試料）を用いて各種試験を行った。

［試験試料の作成］
Ｃｒ：３０質量％、Ｍｏ：５質量％、Ｎ：０．３質量％、Ｃｏ：残部を含むＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金組成物に、炭素を２．５質量％添加した原料を真空溶解し、アルゴンガス中でガスアトマイズして、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末を作成した。これらの粉末の平均粒径は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、１μｍから２００μｍとした。

次に、これらの粉末を材料として、積層造形法を利用して試験試料を作成した。積層造形法では、真空チャンバー内でＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末に電子ビームを照射して焼結溶解することにより、ニアネットシェイプに成形した。このとき、７０μｍの１層の厚さごとに、ステージＸ軸およびＹ軸に垂直な方向に交互に電子ビームをスキャンして、焼結溶解している。ニアネットシェイプに成形後、Ｈｅガス雰囲気で冷却を行い、さらに仕上げ加工を行って、一辺が１０ｍｍの立方体形状の試験試料を作成した。なお、使用した電子ビーム積層造形（ＥＢＭ）装置は、Arcam EBM A2X system（Arcam AB, Molndal, Sweden）である。積層造形の条件は、加速電圧が60kV、予備加熱温度域が750-850℃である。

［耐食性試験］
作成した試験試料（以下、「２．５％ＣＣＭ合金」）を用いて、耐食性試験を行った。耐食性試験では、５％濃度のＨＣｌ溶液に試験試料を浸し、腐食電位の測定を行った。なお、比較試料として、炭素を０．３質量％以下で含む従来のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金（以下、「従来ＣＣＭ合金」）、６４チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金；以下、「Ｔｉ合金」）、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４の、３つの合金を用いて、同様の耐食性試験を行った。その試験結果を、図１および表１に示す。

図１および表１に示すように、本発明の試験試料である２．５％ＣＣＭ合金は、ＳＵＳ３０４よりも腐食電位が大きく、ステンレスのＳＵＳ３０４よりも耐食性に優れていることが確認された。また、従来ＣＣＭ合金より炭素を多く含んでいる２．５％ＣＣＭ合金は、Ｃｒが炭化物として析出するため耐食性の低下が見受けられるものの、Ｔｉ合金とほとんど同じ腐食電位を示しており、Ｔｉ合金と同程度の耐食性を有することが確認された。このように、本発明の試験試料である２．５％ＣＣＭ合金は、耐食性に優れているため、高発錆・高腐食環境下でも使用可能である。

［組織観察］
電子顕微鏡を用いて、作成した試験試料の組織観察を行った。なお、比較のため、同じ原料、すなわち、Ｃｒ：３０質量％、Ｍｏ：５質量％、Ｎ：０．３質量％、Ｃｏ：残部を含むＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金組成物に、炭素を２．５質量％添加した原料を真空溶解し、その溶湯を金型に鋳込んで作成したインゴット（以下、「鋳造材」）についても、組織観察を行った。組織観察の結果を、図２に示す。

図２に示すように、積層造形法で作成された本発明の試験試料は、鋳造材と比べて、組織中の析出物が微細化しており、１０μｍ以下であることが確認された。また、微細なＣｒの炭化物が均一に分散されていることも確認された（図２（ｂ）中の白色部分）。この結果から、刃物などの機械部品として作成されたとき、刃先などの薄く形成された部分の強度を高めることができ、割れたり欠けたりしにくくなるといえる。

［硬度測定］
積層造形法による本発明の試験試料、および比較試料の鋳造材について、炭素を０．５質量％、１．０質量％、２．０質量％、３．０質量％、４．０質量％、５．０質量％添加したものを、それぞれ作成した。作成した各試験試料および各鋳造材について、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）の測定を行った。なお、各試験試料および各鋳造材は、一辺が１０ｍｍの立方体形状を成している。硬度測定の結果を、表２に示す。

表２に示すように、試験試料および鋳造材ともに、炭素の量が多くなるにつれ硬度が高くなることが確認された。また、本発明の試験試料の方が、鋳造材より硬度が高くなっていることも確認された。

Claims (5)

1. Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成り、微細なＣｒの炭化物が均一に分散されたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金で形成されていることを特徴とする機械部品。
2. Ｃ：０．５〜５．０質量％と、Ｃｒ：２６〜３５質量％と、Ｍｏ：５．０〜７．０質量％と、不可避不純物とを含み、残部が実質的にＣｏから成るＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末を材料とし、積層造形法を利用して形成されていることを特徴とする請求項１記載の機械部品。
3. 前記積層造形法により、前記Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金粉末に電子ビームを照射して焼結溶解することでニアネットシェイプに成形した後、仕上げ加工して形成されていることを特徴とする請求項２記載の機械部品。
4. 前記Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ基合金は、組織中の析出物が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械部品。
5. 刃物から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機械部品。