JP2007524513A - 硬化肉盛合金鉄材料 - Google Patents

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Abstract

炭化物含有合金鉄溶接消耗材料の製造方法、およびその溶接消耗材料を用いた好適な基材上に硬化肉盛溶着物を製造する方法を開示する。炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料における基本元素、例えば炭素、クロム、およびマンガンを規定濃度含有する均質な溶融物を形成し、前記溶融物から、固体の炭化物含有合金鉄溶接消耗材料を形成することを含む。

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、主として炭化クロムおよび他の強力な炭化物形成元素、例えばモリブデン、チタン、タングステン、バナジウム、ニオブおよびホウ素から形成された炭化物を含む硬化肉盛合金鉄材料に関する。
背景技術
炭化物を含む合金鉄材料は、過酷な浸食および摩耗に対する耐性が必要とされる用途において、基材上の硬化肉盛溶着物(weld deposit)を得るための消耗材として広範囲に、長年にわたって使用されている。
そのような用途の一つは、鉱物処理工場で使用される粉砕機用排出シュート上の炭化クロム合金鉄材料硬化肉盛溶着物である。
炭化クロム合金鉄材料の硬化肉盛を溶接により基材上に形成する場合、硬化肉盛を形成する溶着物に望ましい微小構造は、第一鉄マトリックス(M=Cr、FeおよびMn)中に約30〜60体積%のM炭化物を含み、M炭化物の公称硬度が1200〜1500HVであり、第一鉄マトリックスの公称硬度が600〜700HVである、過共晶である。
一般的に、微小構造中の炭化物含有量が高いほど、耐摩耗性は高くなる。微小構造中のM炭化物含有量と、硬化肉盛の形成に使用される溶接金属中の化学的に結合した炭素含有量との間には直接的な相関関係がある。
炭化クロム合金鉄材料硬化肉盛用の溶接消耗材は、通常、合金鉄粉末と鉄とのブレンド物を含有する。
合金鉄粉末を、鉄ホイル中にカプセル封入することにより、溶融した溶接プール中で融解する被覆アーク溶接棒または連続溶加ワイヤを製造することができる。あるいは、合金鉄粉末を、固体鉄ワイヤ消耗電極により形成される溶融した溶接プールに加えることもできる。
典型的な先行技術の合金鉄粉末ブレンド
炭化クロム合金鉄材料硬化肉盛の製造に溶接消耗材として使用される、高炭素フェロクロム(HCFeCr)と高炭素フェロマンガン(HCFeMn)粉末との典型的なブレンドを表1に示す。
Figure 2007524513
上記の表1に示す、化学組成Fe−63Cr−8.4C−4.5Mnを有する最終的な合金鉄粉末ブレンドは、HCFeCr(公称組成Fe−67Cr−8.5C)94重量%をHCFeMn(公称組成Fe−75Mn−7.0C)6重量%と混合して製造される。
上記のことから、最終的な合金鉄粉末ブレンドのクロム/炭素比=63.0/8.4、すなわち合金鉄粉末ブレンドに対してCr/C=7.50であることは明らかである。
HCFeCrおよびHCFeMnの両方共、ケイ素約1%および他の微量元素少量を含むことができる。これらの構成成分は、これらの計算では無視している。
HCFeCrおよびHCFeMnの両方共、脆く、粉末になり易い材料であるため、好適な溶接消耗材を形成するためには、鉱物処理工業で使用されている標準的な粉砕装置を使用して、個別に粒子径が1mm未満の粉末に粉砕する。次いで、これらの粉末を機械的に混合し、合金鉄粉末の一様なブレンド物を製造する。
このブレンド物に、他の合金鉄粉末、例えばフェロモリブデン、フェロバナジウム、フェロニオブ、フェロボロンおよびフェロチタンを加え、溶接プールおよび得られる硬化肉盛に異なった材料特性を与えることができる。
典型的な先行技術の硬化肉盛された溶着物
上記のブレンドされた合金鉄粉末を含む溶接プールから軟鋼基材上に溶着する硬化肉盛の化学組成を例として表2に示す。硬化肉盛は、表中および以下、「硬化肉盛溶着物」と呼ぶ。
Figure 2007524513
表2の例において、軟鋼基材上の硬化肉盛溶着物は、55重量%までの合金鉄粉末ブレンドに加えて、Fe溶接ワイヤ35重量%および基材中への希釈10重量%から構成される。
硬化肉盛溶着物の希釈とは、本明細書では、軟鋼基材中への浸透深度を、硬化肉盛溶着物の最終的な高さで割ったものを意味する。例えば、典型的な5mm厚さの硬化肉盛溶着物は、溶接工程の際に、軟鋼基材に深さ約0.5mm浸透することができ、希釈は10%(0.5/5.0)になる。
この例における硬化肉盛溶着物の化学組成はFe−34.7Cr−4.6C−2.9Mnである。微小構造は、第一鉄マトリックス中にM炭化物約50体積%を含有する。
上記のことから、硬化肉盛のクロム/炭素比=34.7/4.6、すなわち硬化肉盛溶着物に対してCr/C=7.54であることは明らかである。
先行技術の制約
硬化肉盛溶着物を製造するための合金鉄粉末の製造および使用に関し、上記の先行技術や他の先行技術の制約は、本出願者の知る限り、以下の通りである。
1.最終的な硬化肉盛中のクロム含有量が、例えばASTMA532およびAS2027に規定される好適な耐摩耗性白鋳鉄におけるクロム含有量と比較して非常に高い(上記の例でCr34.7%)。この高いクロム含有量は、ブレンドした溶接消耗材中にできるだけ多くのフェロクロム粉末を加えることにより、硬化肉盛溶着物中で組み合わされる炭素(C4.6%)の量を最大限にすることの直接的な結果である。すなわち、最終的な溶着物中の炭素含有量を最大限にするために、過剰量の高コストクロムが許容されている。基材上に硬化肉盛溶着物を形成するための比較的短いアーク融解時間(公称2〜5秒間)の間に、遊離の炭素は溶融した溶接プールの中に容易には溶解しないため、遊離の炭素粉末を合金鉄ブレンドに加えて最終的な溶着物中の炭素含有量を増加することは、効果的ではない。
2.他の合金鉄、例えばフェロチタン、フェロバナジウム、フェロニオブ、フェロボロン、およびフェロモリブデンを上記の合金鉄粉末に添加する試みは、市販等級のFeTi、FeV、FeB、FeNbおよびFeMoは、化学的に結合した炭素含有量が比較的低いため、最終的なブレンド物およびそれに続く硬化肉盛溶着物の炭素含有量の好ましくない低下を引き起こす。
3.上記の、合金鉄粉末の先行技術によるブレンドは、HCFeCrおよびHCFeMn粉末を機械的に混合することにより得られる。機械的混合は、均質な粉末ブレンドを得るには、遅く、非効率的な手段である。他の合金鉄粉末、例えばFeTiおよびFeV、を混合物中に含む場合、粉末ブレンドの均質な混合物を得るのがより困難となる。さらに、各種の合金鉄間の密度差のために、混合した後、取扱および輸送の際に、ブレンドされた粉末の偏析が起こる傾向がある。
4.硬化肉盛溶着物中の主要合金鉄粉末は、白鋳鉄の製造に使用される炉装填材料の供給者から供給される塊状HCFeCrおよび塊状HCFeMnを粉砕することにより、得られる。経験上、これらの材料は、様々な量の揮発性ガスを含み、これらのガスが、溶接工程の際にアークを不安定化させ、溶接プールからある種の合金鉄粉末を放出させることがわかっている。得られる硬化肉盛溶着物は、ガスによる細孔、様々な量の合金鉄成分および様々な量の鋼基材中への希釈を含む。最終的な硬化肉盛溶着物は、一般的に化学組成および微小構造が不均一であり、使用中に局所的な摩耗が早期に生じることがある。
本発明は、先行技術と比較して改良された硬化肉盛溶着物を、コスト的に有利な方式によって製造する方法である。
この方法は、従来使用されている炭化クロム合金鉄材料の硬化肉盛溶接消耗材の、上記の4種類の技術的欠点の一つ以上を解決するか、または少なくとも最少に抑えるために開発されたものである。
本発明は、硬化肉盛溶着物を形成するのに必要な合金鉄溶接消耗材を製造するための極めて異なった方法を使用することにより、改良された硬化肉盛溶着物を製造することができる、との知見に基づくものである。
本発明による、好適な基材上に硬化肉盛溶着物を製造するのに使用する炭化物含有合金鉄溶接消耗材料を製造する方法は、
(a)炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料における基本元素、例えば炭素、クロム、およびマンガンを規定濃度含有する均質な溶融物を形成し、
(b)前記溶融物から、固体の炭化物含有合金鉄溶接消耗材料を形成する、
ことを含む方法を提供する。
好ましくは、工程(a)は、固体原料から均質な溶融物を形成することを含んでなる。
好ましくは、工程(a)は、クロム含有合金鉄材料から均質な溶融物を形成することを含んでなる。
好ましくは、工程(a)は、一種以上の追加合金鉄材料、例えばフェロマンガン、フェロモリブデン、フェロバナジウム、フェロボロン、およびフェロチタンから均質な溶融物を形成することを含んでなる。
好ましくは、工程(a)は、遊離炭素の供給源、例えばグラファイトから均質な溶融物を形成することを含んでなる。
好ましくは、工程(a)は、スクラップ鋼または高クロム白鋳鉄等の鉄含有材料(クロム含有合金鉄以外である)から均質な溶融物を形成して、溶融物中のクロム濃度を希釈する、ことを含んでなる。
好ましくは、工程(a)は、溶融物温度を比較的長い保持時間(公称30〜60分間)保持して炭素を溶融物中に溶解させ、溶融物から固体合金鉄溶接消耗材料中に所望レベルの化学的に結合した炭素を形成することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、固体の合金鉄溶接消耗材料が一様な組成を有するように、必要な時間溶融物を混合し、均質な溶融物を形成することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、工程(b)において形成された固体合金鉄溶接消耗材料が、その後に続く硬化肉盛操作で安定した溶接アークを形成し、それによって、得られる硬化肉盛溶着物中の多孔度を最少に抑え、溶接プールから合金鉄粉末が放出されるのを阻止するように、工程(a)で形成された溶融物を脱気することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、工程(b)において形成された固体合金鉄溶接消耗材料が、その後に続く硬化肉盛操作で得られる硬化肉盛溶着物中に存在する非金属性不純物量を最少に抑えるように、工程(a)において形成された溶融物からスラグを除去することを含んでなる。
典型的には、工程(b)において形成された固体合金鉄溶接消耗材料は粉末の形態にある。
好ましくは、本発明の方法は、クロム/炭素比が<7.0である合金鉄溶接消耗材料を製造することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、クロム含有量が30〜65重量%である合金鉄溶接消耗材料を製造することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、化学結合した炭素の含有量が7.5重量%を超える合金鉄溶接消耗材料を製造することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、マンガン含有量が最大10重量%までである合金鉄溶接消耗材料を製造することを含んでなる。
好ましくは、本発明の方法は、一種以上の下記の追加合金化元素、すなわちタングステン、チタン、ニオブ、バナジウム、モリブデン、およびホウ素を有する合金鉄溶接消耗材料を製造することを含んでなる。
典型的には、本発明の方法の工程(a)は、塊形態であってよい合金鉄原料を混合し、好適な融解炉中で融解させることを含んでなる。
工程(a)は、安価なスクラップ金属を溶融物に添加して溶融物中のクロム含有量を下げ、Cr/C<7.0を達成することを含んでもよい。
工程(a)は、グラファイトを溶融物に添加して溶融物を炭素で過飽和させ、Cr/C<7.0を達成することを含んでもよい。
好ましくは、溶融物から固体合金鉄溶接消耗材料を形成する工程(b)は、溶融物を好適な鋳型または他の鋳造手段の中にキャスティングし、その後、鋳造製品を好適な形態、例えば粉末形態に粉砕することを含んでなる。
別の実施態様では、溶融物から固体合金鉄溶接消耗材料を形成する工程(b)は、溶融物を好適なガス、例えばアルゴンで噴霧し、溶融物から固体粉末を形成することを含んでなる。
本発明の合金鉄溶接消耗材を製造する方法には、硬化肉盛溶着物を形成するための好適な化学組成を有する合金鉄溶接消耗材を製造できることに加えて、他の多くの実用的な利点がある。
例えば、合金材料が溶融状態で非常に効率的に混合されるため、先行技術に記載されているような合金鉄粉末の機械的混合によるよりも、より均質な合金鉄ブレンドが製造される。その後に続く取扱または輸送の際に、予備混合された合金鉄粉末の偏析が起こらない。
塊状の合金鉄材料中に存在する揮発性成分はすべて融解工程中に放出され、それによって、最終的な溶接金属中のガス細孔の主要発生源が排除され、溶接溶着工程における溶接アークの安定性が改良される。
初期合金鉄装填材料中に存在する非金属性不純物は、炉中の溶融金属を好適なフラックス剤で脱スラグ処理することにより、容易に除去される。
本発明により、上記の方法により製造される炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料も提供する。
本発明による好適な基材上に硬化肉盛溶着物を製造する方法は、上記の炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料および溶接ワイヤ材料の溶接プールを基材上に形成し、その後、基材上の溶接プールから材料の硬化肉盛溶着物を堆積させる、ことを含んでなる、方法も提供する。
本発明により、上記の方法により製造された、好適な基材上に堆積した硬化肉盛溶着物を提供する。
好ましくは、硬化肉盛溶着物は、クロム/炭素比が<7.0である。
好ましくは、硬化肉盛溶着物は、クロム含有量が35重量%未満である。
好ましくは、硬化肉盛溶着物は、結合炭素含有量が4.0重量%を超える。
好ましくは、硬化肉盛溶着物は、マンガン含有量が2.0重量%を超える。
硬化肉盛溶着物は、追加の強力な炭化物形成元素である、モリブデン、タングステン、チタン、バナジウム、ニオブおよびホウ素を、組み合わせて最大15重量%まで含有することが好ましい。
本発明を、下記の例により、さらに説明する。
例1
本発明により、HCFeCrおよびHCFeMn粉末およびグラファイトの形態にある遊離炭素から均質な溶融物を形成し、その後、溶融物を鋳型に流し込むことにより、合金鉄溶接消耗材料(以下、「ブレンドされた合金鉄材料」と呼ぶ)を製造した。その後、鋳造した材料を微粉末に粉砕した。
得られたブレンドされた合金鉄材料の化学組成を表3に示す。
Figure 2007524513
この例から、下記のことが明らかである。
液体金属中に溶解した3重量%の炭素は、合金鉄粉末の最終ブレンド中の化学結合した炭素の含有量を5.6%Cから8.4%Cに増加させた。
表1に示す公知の合金鉄粉末ブレンドで使用されている、炭素含有量が高い(例えば8.5%C)、より高価なHCFeCr原料ではなく、炭素含有量が比較的低い(例えば5.5%C)HCFeCr原料を使用できる。
表1に示す公知の合金鉄粉末ブレンドで使用されている、クロム含有量が高い(例えば67%Cr)、より高価なHCFeCr原料ではなく、クロム含有量が比較的低い(例えば63重量%C)HCFeCr原料を使用できる。
最終合金鉄ブレンドの化学的組成は、Fe−57.3Cr−8.4C−4.5Mnであった。この材料は、脆く、粉末にし易く、一般的な方法によって粉砕することにより、容易に微粉に加工することができる。
表3のブレンドされた合金鉄材料のクロム/炭素比=57.3/8.4、すなわち合金鉄粉末ブレンドに対してCr/C=6.82である。
表3のブレンドされた合金鉄材料を使用して形成された最終硬化肉盛溶着物の化学組成を例として表4に示す。
Figure 2007524513
表4および本出願人が行った追加の研究から、下記のことが明らかである。
硬化肉盛溶着物のクロム含有量は、炭素含有量を低減することなく、先行技術(表2)における34.7%Crから本発明における31.5%Crに減少した。
最終溶着物の微小構造は、約50体積%のM炭化物を含有する。
溶接消耗材の割合および希釈の量は表2と同様である、すなわち先行技術で使用される硬化肉盛溶接手順を変更する必要はなかった。
表4の硬化肉盛溶着物のクロム/炭素比=31.5/4.6、すなわち硬化肉盛溶着物合金鉄粉末ブレンドに対してCr/C=6.65である。
例2
例1に関する上記と同様の本発明の方法により、ブレンドされた合金鉄材料を製造した。
例1との相違点は、本例ではスクラップ鋼を使用し、最終ブレンドのCr/C比をさらに低減あさせたことのみである。スクラップ鋼を溶融した合金鉄ブレンドに加え、クロム含有量および原料コストが減少した。
表5は、ブレンドされた合金鉄材料の化学的組成を示す。
Figure 2007524513
この例から、下記のことが明らかである。
スクラップ鋼(20重量%)により、最終ブレンドのクロム含有量が低減した。
合金鉄ブレンドのクロム含有量が、先行技術における63.0%から本発明における44.1%に減少した。
・最終合金鉄ブレンドの化学的組成は、Fe−44.1Cr−8.3C−4.7Mnであった。この材料は、脆く、粉末にし易く、一般的な方法によって粉砕することにより、容易に微粉に加工することができる。
表5のブレンドされた合金鉄材料のクロム/炭素比=44.1/8.3、すなわち合金鉄粉末ブレンドに対してCr/C=5.31である。
表5のブレンドされた、すなわちスクラップ鋼を配合した合金鉄材料を使用して形成された最終硬化肉盛溶着物の化学組成を例として表6に示す。
Figure 2007524513
表6に示す硬化肉盛溶着物のクロム含有量24.3重量%は、ASTMA532における耐摩耗性白鋳鉄のクロム含有量と類似している。同時に、化学的に結合した炭素含有量は4.6重量%であり、約45体積%のM炭化物を示す微小構造が得られている。
例3
例1に関する上記と同様の本発明の方法により、ブレンドされた合金鉄材料を製造した。
これらの例における相違点は、本例ではスクラップ白鋳鉄を使用し、最終ブレンドのCr/C比をさらに低減させたことのみである。スクラップ白鋳鉄を溶融した合金鉄ブレンドに加え、クロム含有量および原料コストが低下した。特に、スクラップ白鋳鉄は、粉末ブレンド中のHCFeCrの量をさらに低減させ、それに対応して原料コストも減少した。
表7は、ブレンドされた合金鉄材料の化学的組成を示す。
Figure 2007524513
表7に示すブレンドされた合金鉄材料の化学的組成は、表5に示すブレンドと略同様であるが、炉装填材料に55重量%のHCFeCrを使用した点のみ相違する。
表7のブレンドされた合金鉄材料のクロム/炭素比=44.1/8.5、すなわち合金鉄粉末ブレンドに対してCr/C=5.19である。
本発明の精神および範囲から離れることなく、本発明の上記の実施態様に多くの修正を加えることができる。

Claims (24)

  1. 好適な基材上に硬化肉盛溶着物を製造するのに使用する炭化物含有合金鉄溶接消耗材料を製造する方法であって、
    (a)炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料における基本元素、例えば炭素、クロム、およびマンガンを規定濃度含有する均質な溶融物を形成し、
    (b)前記溶融物から、固体の炭化物含有合金鉄溶接消耗材料を形成する、
    ことを含む、方法。
  2. 前記工程(a)は、固体原料から前記均質な溶融物を形成する、ことを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記工程(a)は、クロム含有合金鉄材料から前記均質な溶融物を形成する、ことを含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記工程(a)は、遊離炭素の供給源から前記均質な溶融物を形成する、ことを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記工程(a)は、グラファイトを前記溶融物に添加して、前記溶融物を炭素で過飽和にする、ことを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記工程(a)は、スクラップ鋼または高クロム白鋳鉄等の鉄含有材料(クロム含有合金鉄以外である)から、前記均質な溶融物を形成して、前記溶融物中のクロム濃度を希釈する、ことを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記工程(a)は、前記溶融物の温度を比較的長い時間(公称30〜60分間)保持して炭素を前記溶融物中に溶解させ、前記工程(b)において前記溶融物から前記固体合金鉄溶接消耗材料中に規定濃度の化学結合した炭素を形成する、ことを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記工程(b)において形成された前記固体合金鉄溶接消耗材料が、その後に続く硬化肉盛操作で安定した溶接アークを形成し、それによって、得られる硬化肉盛溶着物中の多孔度を最少に抑え、溶接プールから合金鉄粉末が放出されるのを阻止するように、前記工程(a)で形成された前記溶融物を脱気する、ことを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記工程(b)において形成された前記固体合金鉄溶接消耗材料が、その後に続く硬化肉盛操作で得られる前記硬化肉盛溶着物中に存在する非金属性不純物量を最少に抑えるように、前記工程(a)において形成された前記溶融物からスラグを除去する、ことを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. クロム/炭素比が7.0未満である合金鉄溶接消耗材料を製造する、ことを含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. クロム含有量が30〜65重量%である合金鉄溶接消耗材料を製造する、ことを含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 化学結合した炭素の含有量が7.5重量%を超える合金鉄溶接消耗材料を製造する、ことを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記工程(b)は、前記溶融物を好適な鋳型または他の鋳造手段の中にキャスティングし、その後、前記鋳造製品を、粉末形態等の好適な形態に粉砕する、ことを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記工程(b)は、前記溶融物をアルゴン等の好適なガスで噴霧し、前記溶融物から固体粉末を形成する、ことを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  15. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法により製造される、炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料。
  16. クロム/炭素比が7.0未満である、請求項15に記載の材料。
  17. クロム含有量が30〜65重量%である、請求項15または16に記載の材料。
  18. 化学結合した炭素の含有量が7.5重量%を超える、請求項15〜17のいずれか一項に記載の材料。
  19. 好適な基材上に硬化肉盛溶着物を製造する方法であって、
    請求項15〜18のいずれか一項に記載の炭化クロム含有合金鉄溶接消耗材料および溶接ワイヤ材料の溶接プールを基材上に形成し、
    その後、前記基材上の溶接プールから材料の硬化肉盛溶着物を堆積させる、
    ことをむ、方法。
  20. 請求項19に記載の方法により製造された、好適な基材上の硬化肉盛溶着物。
  21. クロム/炭素比が7.0未満である、請求項20に記載の溶着物。
  22. クロム含有量が35重量%未満である、請求項20または21に記載の溶着物。
  23. 結合した炭素の含有量が4.0重量%を超える、請求項20〜22のいずれか一項に記載の溶着物。
  24. タングステンおよび/またはバナジウムおよび/またはチタンおよび/またはモリブデンおよび/またはニオブおよび/またはホウ素を最大15重量%まで含む、請求項23に記載の溶着物。
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