JP2008111156A

JP2008111156A - 耐熱耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄

Info

Publication number: JP2008111156A
Application number: JP2006294435A
Authority: JP
Inventors: Hideo Hatake; 英雄畠; Shogo Murakami; 昌吾村上; Shigenobu Nanba; 茂信難波
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP4666388B2

Abstract

【課題】Ｃｒを１３〜２２％含有する高Ｃｒ鋳鉄において、５５０℃以下で優れた耐熱耐摩耗性を兼備した高Ｃｒ鋳鉄を提供する。
【解決手段】本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物は、化学組成がmass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：１３〜２２％、Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の一種又は二種、Ａｌ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８、Ｎ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる。さらに、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａの元素の内、１種以上を合計で０．５％以下及び／又はＣｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｙの元素の内、１種以上を合計で１．０％以下を含有することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、５５０℃以下の高温下で用いられる耐摩耗性部材の素材として好適な高Ｃｒ鋳鉄に関する。

高Ｃｒ鋳鉄は、高硬度のＣｒ炭化物がマルテンサイトのマトリックスに分散した組織を有しており、炭化物とマルテンサイトにより非常に高い硬さを有しており、これにより優れた耐摩耗性を発揮する。例えば、特開平１１−２２９０７１号公報（特許文献１）にはＣｒ：１４〜２２mass％（以下、単に「％」と表示する場合がある。）の、特許２５４１０９２号公報（特許文献２）にはＣｒ１０〜２０％の耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄が記載されている。

ところが、上記耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄は、常温では高硬度が維持できるものの、５５０℃を超えると急激に焼き戻し軟化が生じ、また５００〜３００℃程度においても相当程度の焼き戻し軟化が生じる。このため、高温で使用すると、硬度が低下し、また表面が酸化されて酸化摩耗が進むため、実際には常温から、せいぜい１５０℃程度までの低温での使用に制限される。従って、上記高Ｃｒ鋳鉄は、例えば、高炉周辺の耐摩耗ライナー、加熱炉周辺の耐摩耗ライナー、鋼材の熱間圧延ラインに用いられる搬送ローラーなど、常態として３００〜５５０℃程度の高温になる部材の素材として用いることができない。

一方、耐熱性に優れた耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄として、特開２００４−２７０００２号公報（特許文献３）には、Ｃｒを３０超〜５０％、Ａｌを１〜８％添加した耐熱耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄が記載されている。この高Ｃｒ鋳鉄は、大型ごみ焼却炉の火格子の素材として高温環境下で優れた耐摩耗性を発揮する。前記Ａｌは、Ａｌ酸化物の保護皮膜を形成することで、高温雰囲気でも酸化摩耗を低減する作用をなしている。
特開平１１−２２９０７１号公報特許２５４１０９２号公報特開２００４−２７０００２号公報

前記引用文献３に記載された高Ｃｒ鋳鉄は、耐熱性、耐摩耗性のみならず耐食性にも優れたものであるが、前記高炉周辺に使用される部材の素材としては過剰品質と言えるものであり、Ｃｒ量も非常に多いため経済的でない。

このため、本発明者は１３〜２２％のＣｒ量の高Ｃｒ鋳鉄において、Ａｌを添加することで酸化摩耗を抑制し、耐熱性を向上する方策を検討した。Ａｌはフェライト生成元素であるためにマトリックスに低硬度のフェライトが生成し、全体の硬さが低下し、ひいては耐摩耗性が低下する。この問題は、焼き入れ性向上元素であるＮｉを添加することにより改善できるように思われた。

ところが、Ｃｒが１３〜２２％の高Ｃｒ鋳鉄においては、ＡｌとＮｉとを併用添加するだけでは、必ずしも硬さ低下を抑制することができず、高温雰囲気での耐摩耗性が十分でないことがわかった。なお、引用文献３に記載された、Ｃｒ量が３０％超の高Ｃｒ鋳鉄では、焼入れ性向上元素であるＮｉを１０％以下添加することで、硬いマルテンサイトを形成することができ、鋳鉄の硬さを向上させることができるとされているが、本発明の企図するＣｒ量が低い領域では、上記のとおり、一概に硬さが向上するとは言えず、むしろ低下する場合がある。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、Ｃｒを１３〜２２％含有する高Ｃｒ鋳鉄において、５５０℃以下で優れた耐熱耐摩耗性を有する高Ｃｒ鋳鉄及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物は、化学組成がmass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：１３〜２２％、Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の一種又は二種、Ａｌ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８、Ｎ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなるものであり、５５０℃以下の高温下で用いられる耐熱耐摩耗性部材を形成する素材として好適なものである。

あるいはさらに、上記基本成分のほか、下記(1) 及び／又は(2) に記載した各群の元素を同範囲内で単独あるいは複合して添加することができる。
(1) Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａの内、一種以上を合計で０．５％以下
(2) Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｙの内、一種以上を合計で１．０％以下

本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物によれば、Ｃｒ量が１３〜２２％であって、特にＡｌを１〜５％、Ｎｉを１〜８％含み、さらにＮｉのＡｌに対する含有割合Ｎｉ量／Ａｌ量を０．８〜１．８に規制するので、安定なＡｌ系酸化皮膜の形成により酸化摩耗を抑制すると共にフェライト及び残留オーステナイトの生成による硬さ低下、引いては耐摩耗性の低下を抑制することができ、５５０℃以下の高温環境で優れた耐熱性及び耐摩耗性を備える。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：１３〜２２％、Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の一種又は二種、Ａｌ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８、Ｎ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなるものである。
前記高Ｃｒ鋳鉄の成分設計上の要点は以下のとおりである。Ａｌを１．０〜５．０％添加することにより安定なＡｌ系酸化皮膜を生成させ、これにより酸化摩耗を抑制する。一方、Ａｌはフェライト生成元素であり、フェライトを生成する傾向が生じる。フェライトが生成すると硬さひいては耐摩耗性が低下するので、フェライトの生成を抑制するためにオーステナイト安定化元素であるＮｉを同時添加し、フェライトの生成を抑制する。しかし、Ｎｉ添加に際し、Ｎｉ量がＡｌ量に比して過剰であると、オーステナイトが過剰に安定化するため残留オーステナイトが増大し、１３〜２２％のＣｒ量の下ではその増大が無視できず、硬さひいては耐摩耗性が低下する。このため、Ａｌ量に対してＮｉ量が過剰にならないようにＮｉ添加量を規制することが重要となる。

以下、本発明の高Ｃｒ鋳鉄の成分限定理由を説明する。
Ｃ：２．５〜３．５％
Ｃは炭化物の形成、マトリックスの高硬度化のために必要な元素であり、２．５％未満では炭化物生成量が過少となり、またマトリックスのマルテンサイトの硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。一方、３．５％を超えると炭化物量が過多となり、靭性が低下するため、摩耗時に微細チッピングが発生しやすくなり、耐摩耗性が低下する。このため、Ｃ量の下限を２．５％、上限を３．５％とする。

Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは溶解、精錬時の脱酸に有効であり、鋳造時の湯流れ性を向上させる。０．２％未満ではかかる効果が過少であり、鋳造欠陥を生じて硬さ、耐摩耗性が低下する。一方１％を超えると前記効果が飽和する。このため、Ｓｉ量の下限を０．２％、上限を１．０％とする。

Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは焼入れ性を向上させる元素であり、特にベイナイト組織の生成を抑制する効果がある。０．６％未満ではベイナイト生成の抑制効果が過少であり、ベイナイトが生成して硬さが低下し、耐摩耗性も低下する。一方２．０％を超えると残留オーステナイトが増加して硬さ、耐摩耗性が低下するようになる。このため、Ｍｎ量の下限を０．６％、上限を２．０％とする。

Ｃｒ：１３〜２２％
Ｃｒは炭化物生成元素であり、１３％未満では炭化物が過少であり、耐摩耗性が低下する。一方、２２％超では炭化物が過多となり、摩耗時に微細チッピングが発生しやすくなり、却って耐摩耗性が低下するようになる。このため、Ｃｒ量の下限を１３％、上限を２２％とする。

Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の内の一種又は二種
Ｍｏ、Ｗは共に焼入れ性を向上させる元素であり、特にパーライトの生成を抑制する効果がある。それぞれ０．５％未満ではこれらの効果が過少となり、硬さが低下する。一方、それぞれ３．０％超添加しても効果が飽和し、経済的でない。このため、Ｍｏ、Ｗの下限をそれぞれ０．５％とし、それらの上限を３．０％とする。

Ｎ：０．００５〜０．１５％
Ｎは焼入れ性を向上させる作用を有し、０．００５％未満では焼き入れ性が不足して硬さ、耐摩耗性が低下する。一方、０．１５％超では残留オーステナイトが増加して硬さ低下し、耐摩耗性が低下する。このため、Ｎ量の下限を０．００５％、上限を０．１５％とする。

Ａｌ：１．０〜５．０％
Ａｌは高温の酸化雰囲気下で化学的に安定なＡｌ酸化物を材料表面に形成し、酸化摩耗を大幅に抑制する。１．０％未満では酸化摩耗の抑制効果が小さく、一方５．０％超では、硬さの低いフェライトを生成して硬さ、耐摩耗性が低下するようになる。このため、Ａｌ量の下限を１．０％、好ましくは２．０％とし、上限を５．０％、好ましくは４．０％とする。

Ｎｉ：１．０〜８．０％
Ｎｉは焼入れ性の向上効果がある。本発明ではＡｌの酸化皮膜を活用するため、ある程度のＡｌ量が必要であるが、Ｎｉが１．０％未満では、フェライト生成元素であるＡｌの添加量も少量に制限される。Ｎｉを１．０％以上添加することにより、フェライトの生成を抑制しながらＡｌを１．０％以上添加することができるようになる。一方、Ｎｉを過剰に添加すると、オーステナイトの安定化が過大となって、硬さの低い残留オーステナイトの生成量が増大し、硬さの低下、耐摩耗性の低下を生じる。このため、Ｎｉ量の下限を１．０％、好ましくは３．０％、その上限を８．０％、好ましくは６．０％とする。

Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８
Ｎｉは上記のとおり、フェライト生成元素であるＡｌの添加による軟化を抑制するために添加する必要があるが、過剰な添加は残留オーステナイトの生成量を増大し、却って硬さを低下させる。このため、Ａｌ添加によるフェライト生成作用を抑制しつつ、過剰にオーステナイトを安定化させて残留オーステナイトの生成量が増大することを防ぐため、本発明ではＡｌ量に応じてＮｉ量を制限する。Ｎｉ量／Ａｌ量の比が０．８未満ではＮｉによるフェライト生成の抑制作用が不十分で硬さが低下し、一方１．８超ではオーステナイト安定化が過大となり残留オーステナイトの生成量が増大し、却って硬さ、耐摩耗性が低下するようになる。このため、Ｎｉ量／Ａｌ量の比の下限を０．８、好ましくは１．０とし、その上限を１．８、好ましくは１．５とする。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、上記基本成分の他、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるが、機械的特性を向上させるために下記(1) 、(2) 群の各元素を各群ごとに所定範囲内で単独あるいは複合して添加することができる。

(1) Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ：合計で０．５％以下
これらの元素は、微細な炭化物を形成し、マトリックスの硬さを向上させて耐摩耗性を向上させる。かかる作用を効果的に発揮させるためには、これらの元素の合計量を０．１％以上とすることが好ましい。多過ぎるとマトリックス中の炭素を固定してしまうために、マトリックスのマルテンサイトの硬さが低下して耐摩耗性が低下する。このため、合計量の上限を０．５％とする。

(2) Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｙ：合計で１．０％以下
これらの元素は、材料表面でのＡｌの酸化皮膜と下地の密着性を向上させ、酸化摩耗の低減に寄与する。かかる作用を効果的に発揮させるためには、これらの元素の合計量を０．１％以上とすることが好ましい。過剰な添加は、酸化物や硫化物などの介在物の増加により耐摩耗性が低下する。このため、合計量の上限を１．０％とする。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、組織的には従来の高Ｃｒ鋳鉄と同様、マルテンサイト単相あるいはマルテンサイト及びベイナイトからなる低温変態生成物、並びに残留オーステナイトからなるマトリクス中にＣｒ系炭化物が析出した形態を有する。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、常法により、上記化学組成の鋼を溶製し、その鋳片をオーステナイト温度域に加熱保持した後、風冷して焼き入れることによって製造される。代表的な熱処理条件としては、鋳片加熱温度１０００〜１３００℃程度、保持時間３〜１０ｈｒ程度、加熱保持後の冷却速度０．０５〜５．０℃／ｓ程度である。

以下、本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物及びその製造方法を実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。

下記表１、表２に示す組成の高Ｃｒ鋳鉄を高周波誘導溶解炉で溶解し、鉄モールドに鋳込み、φ１００×３００mmのインゴット（鋳片）を得た。各インゴットを大気雰囲気中で１２００℃に加熱し、６ｈｒ保持した後、冷却速度３．０℃／ｓで風冷し、焼き入れた。

このように焼き入れした試料インゴットの中心部から、１０×１０×１０ｍｍの試験片を切り出して、一面を鏡面研磨して、大気中４００℃でのビッカース硬さを測定した。

また、前記試験片を用いて４００℃における耐摩耗性を以下の摩耗試験によって調べた。φ５×高さ１５ｍｍのセラミックス（窒化珪素）ピンの先端を試験片の表面に１０kgf の力で押し付けながら試験片とピンの摺動速度が２ｍ／ｓになるように試験片を回転させ、試験片とピンを加熱炉中に設置して４００℃の温度で１０分間回転状態を保持する。この摩耗試験前後の試験片の重量を測定し、重量差を摩耗量として算出し、耐摩耗性を評価した。

これらの測定結果を表３に示す。表３より、本発明範囲内の成分を有する試料（No. １〜２２）では、４００℃での硬度もＨｖ６８５以上と高く、摩耗量が０．１０ｇ未満であり、高温でも耐摩耗性に優れることが確認された。一方、成分が本発明範囲を外れた試料（No. ３１〜４６）では、４００℃での硬度が高いものもあるが、総じて摩耗量が０．１０ｇを超え、耐熱耐摩耗性が低下した。

Claims

化学組成がmass％で、
Ｃ：２．５〜３．５％、
Ｓｉ：０．２〜１．０％、
Ｍｎ：０．６〜２．０％、
Ｃｒ：１３〜２２％、
Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の一種又は二種、
Ａｌ：１．０〜５．０％、
Ｎｉ：１．０〜８．０％、
Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８、
Ｎ：０．００５〜０．１５％
を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる、耐熱耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。
さらに、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａの内、一種以上を合計で０．５％以下を含む、請求項１に記載した耐熱耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。
さらに、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｙの内、一種以上を合計で１．０％以下を含む、請求項１又は２に記載した耐熱耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。
５５０℃以下の高温下で用いられる耐熱耐摩耗性部材であって、請求項１から３のいずれか１項に記載した高Ｃｒ鋳鉄によって形成された、耐熱耐摩耗性部材。