JP3281903B2 - Method for Refining Solidification Structure of High Chromium Cast Iron Alloy - Google Patents
Method for Refining Solidification Structure of High Chromium Cast Iron AlloyInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱、耐摩耗性材
料として好適な、高クロム鋳鉄系合金の凝固組織微細化
方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for refining the solidification structure of a high chromium cast iron-based alloy, which is suitable as a heat and wear resistant material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、高クロム鋳鉄系合金は、高硬度の
クロムを多量に含み、かつ炭化物の含有量も多いことか
ら、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れる反面、脆いこ
とが知られており、そのため、耐熱構造材料としての実
用的な用途が制限されていた。図１は、この高クロム鋳
鉄系合金のＦｅ−Ｃｒ−Ｃ三元状態図であるが、この図
において、Ａ−Ｂは共晶線であって、この共晶線の左側
（低Ｃ含有量側すなわち亜共晶側)では、オーステナイ
ト相（γ相）を初晶とし、この粒間をγ相とＭ７Ｃ３型
炭化物からなる共晶（γ＋Ｍ７Ｃ３）が埋める凝固組織
になっており、また、共晶線Ａ−Ｂの右側（高Ｃ含有量
側すなわち過共晶側）では、初晶はＭ７Ｃ３型炭化物に
変わり、その粒間をγ相とＭ７Ｃ３型炭化物からなる共
晶が埋める凝固組織になっている。2. Description of the Related Art Conventionally, high chromium cast iron-based alloys have been known to be excellent in heat resistance, corrosion resistance and wear resistance, but are brittle because they contain a large amount of high-hardness chromium and a large amount of carbide. Therefore, its practical use as a heat-resistant structural material has been limited. FIG. 1 is a ternary phase diagram of Fe—Cr—C of the high chromium cast iron-based alloy. In FIG. 1, AB is a eutectic line, and the left side of the eutectic line (low C content). Side, that is, the hypoeutectic side), an austenite phase (γ phase) is a primary crystal, and the intergranular structure has a solidified structure in which a eutectic (γ + M 7 C 3 ) composed of γ phase and M 7 C 3 type carbide is filled. Also, on the right side of the eutectic line AB (high C content side, that is, hypereutectic side), the primary crystal changes to M 7 C 3 type carbide, and the intergranularity is γ phase and M 7 C 3 type carbide. The solidified structure is filled with a eutectic made of carbide.
【０００３】このような高クロム鋳鉄系合金は、通常砂
型鋳造法で製造されているが、亜共晶組成においては、
初晶γ相がデンドライト状に熱流方向に沿って粗大に晶
出するのに対し、過共晶組成においては、初晶Ｍ７Ｃ３
型炭化物が熱流方向に長大に晶出する。そして、このよ
うな粗粒で異方性を有する凝固組織は、材料の機械的性
質に大きく影響し、特に靭性に悪影響を与える。[0003] Such a high chromium cast iron-based alloy is usually manufactured by a sand casting method, but in a hypoeutectic composition,
The primary crystal γ phase is coarsely crystallized in a dendrite shape along the direction of heat flow, whereas in the hypereutectic composition, the primary crystal M 7 C 3
The type carbide is crystallized long in the heat flow direction. Such a coarse-grained and anisotropic solidified structure greatly affects the mechanical properties of the material, and particularly adversely affects toughness.
【０００４】従来、凝固組織を微細化する方法として、
金型鋳造による急冷凝固法が知られている。しかしなが
ら、この方法においては、微細化できるのは金型に接す
るわずか数ｍｍ程度の深さの部分までであり、それより
内部はその合金本来の熱伝導率に律速されるために、急
冷することが困難なため、微細化は行われない。しか
も、高クロム鋳鉄系合金では、組織の異方性により凝固
時に割れを生じやすく、また金型を用いるため、単純形
状の小物製品以外には適用できないという欠点がある。Conventionally, as a method of refining a solidified structure,
A rapid solidification method by die casting is known. However, in this method, it is possible to reduce the size only to a depth of only a few millimeters in contact with the mold, and since the inside is limited by the intrinsic thermal conductivity of the alloy, it must be rapidly cooled. However, miniaturization is not performed because it is difficult. In addition, high chromium cast iron-based alloys have the drawback that cracks are likely to occur during solidification due to the anisotropy of the structure, and that they cannot be applied to anything other than small-sized small-sized products because a mold is used.
【０００５】したがって、該高クロム鋳鉄系合金につい
ては、異方的で粗粒な凝固組織に由来する機械的性質
上、利用分野が耐摩耗性は必要であるが、応力があまり
かからない分野に限られる上、利用できる組成も低Ｃ含
有量側の亜共晶組成に限られ、炭化物を豊富に含み、優
れた耐摩耗性が発揮されると期待される過共晶組成はほ
とんど利用されていないのが実状である。[0005] Therefore, the high chromium cast iron-based alloy is required to be used in a field where wear resistance is required due to the mechanical properties derived from the anisotropic and coarse-grained solidification structure, but is limited to a field where stress is not applied so much. In addition, the usable composition is limited to the hypoeutectic composition on the low C content side, and the hypereutectic composition which is rich in carbides and is expected to exhibit excellent wear resistance is hardly used. This is the actual situation.
【０００６】一方、これまで、金属材料の機械特性の改
善には、主としてセラミックス粒子や繊維による複合強
化法が有効とされているが、鉄鋼系材料においては、そ
の強度レベルが一般に高く、これを複合強化しうる高強
度の強化材料の入手が困難であることから、転移のピン
留め効果による高温特性の改善を意図した微粒子分散強
化型複合材料が一部で実用化されているにすぎない。し
たがって、鉄鋼系材料の機械特性を改善するためには、
凝固組織の制御を行い、凝固組織を微細化する方法が有
効であると考えられていた。On the other hand, composite reinforcement methods using ceramic particles or fibers have been considered effective for improving the mechanical properties of metal materials. However, steel-based materials generally have a high strength level. Since it is difficult to obtain a high-strength reinforcing material capable of composite reinforcement, only a part of a fine particle dispersion-reinforced composite material intended to improve high-temperature properties by a pinning effect of a transition has been practically used. Therefore, to improve the mechanical properties of steel-based materials,
It has been considered that a method of controlling the solidification structure and making the solidification structure finer is effective.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、凝固組織が微細化し、機械特性が改善さ
れ、耐熱、耐摩耗性材料として好適な高クロム鋳鉄系複
合合金を効率よく製造する方法を提供することを目的と
してなされたものである。SUMMARY OF THE INVENTION Under such circumstances, the present invention provides a high chromium cast iron-based composite alloy having a fine solidified structure, improved mechanical properties, and suitable as a heat and wear resistant material. The purpose of the present invention is to provide an efficient manufacturing method.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高クロム
鋳鉄系合金の凝固組織の微細化について鋭意研究を重ね
た結果、予熱されたセラミックスの短繊維又はウイスカ
ーからなる網状構造のプリフォームに、高クロム鋳鉄の
溶湯を圧入すると、プリフォームと金属溶湯との界面に
発生した界面エネルギーによって、凝固組織が微細化す
ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成する
に至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies on the refinement of the solidification structure of a high chromium cast iron-based alloy, and as a result, have found that a preform of a network structure composed of preheated ceramic short fibers or whiskers. It has been found that when a molten metal of high chromium cast iron is press-fitted, interfacial energy generated at the interface between the preform and the molten metal makes the solidified structure finer, and based on this finding, the present invention has been completed.
【０００９】すなわち、本発明は、セラミックスの短繊
維又はウイスカーをもって、網状構造をもつ体積分率８
〜５０％のプリフォームを形成し、予熱後、これに高ク
ロム鋳鉄系合金の溶湯を圧入し、凝固させることを特徴
とする高クロム鋳鉄系合金の凝固組織微細化方法を提供
するものである。That is, according to the present invention, a volume fraction of 8 having a network structure is provided by using ceramic short fibers or whiskers.
The present invention provides a method for refining the solidification structure of a high chromium cast iron-based alloy, wherein a preform of about 50% is formed, and after preheating, a molten metal of a high chromium cast iron-based alloy is press-fitted and solidified. .
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】本発明方法においては、まず、セ
ラミックスの短繊維又はウイスカーからなるプリフォー
ムを作製する必要がある。この際用いるセラミックスの
短繊維としては、例えばアルミナ系、アルミナ−シリカ
系、炭化ケイ素系のものなどがあり、また、セラミック
スのウイスカーとしては、例えば炭化ケイ素系、ジルコ
ニア系、窒化ケイ素系、チタン酸カリウム系、マグネシ
ア系、カルシア系のものなどがある。これらのセラミッ
クスの短繊維やウイスカーは単独で用いてもよいし、２
種以上を組み合わせて用いてもよい。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the method of the present invention, first, it is necessary to prepare a preform comprising short fibers of fibers or whiskers. Examples of the ceramic short fibers used here include alumina-based, alumina-silica-based, and silicon carbide-based fibers, and examples of the ceramic whiskers include silicon carbide-based, zirconia-based, silicon nitride-based, and titanic acid whiskers. Potassium, magnesia, calcia and the like. These ceramic short fibers and whiskers may be used alone,
A combination of more than one species may be used.
【００１１】プリフォームを形成するには、まず、水な
どの適当な分散媒中に、前記セラミックスの短繊維やウ
イスカーを投入し、機械的な撹拌あるいは超音波などに
より、それらを十分に均質に分散させる。この際、必要
に応じ、水性媒体に、メタリン酸ナトリウムなどの公知
の分散剤を添加してもよいし、グリーン（プリフォーム
前駆体）を固化し、変形や破断を防止して操作性を高め
るために、ポリビニルアルコールやデンプン糊などの公
知の有機バインダーを適量添加してもよい。また、後工
程での高クロム鋳鉄の溶湯の圧入に耐えうるように、プ
リフォームの強度を高めるために、コロイダルシリカや
コロイダルアルミナなどの公知の無機バインダーを適量
添加することもできる。In order to form a preform, first, short fibers or whiskers of the above-mentioned ceramics are put into an appropriate dispersion medium such as water, and they are sufficiently homogenized by mechanical stirring or ultrasonic waves. Disperse. At this time, if necessary, a known dispersant such as sodium metaphosphate may be added to the aqueous medium, or the green (preform precursor) is solidified to prevent deformation and breakage, thereby improving operability. For this purpose, an appropriate amount of a known organic binder such as polyvinyl alcohol or starch paste may be added. Further, a known inorganic binder such as colloidal silica or colloidal alumina can be added in an appropriate amount in order to increase the strength of the preform so as to withstand the injection of the molten metal of high chromium cast iron in a later step.
【００１２】このようにして、分散媒中にセラミックス
の短繊維やウイスカーを均質に分散させたのち、適当な
フィルターなどを介して固液分離を行って、分散媒を取
除き、グリーンを調製する。この際、ポンプなどにより
吸引することにより固液分離を効率よく行うことができ
る。In this manner, after the ceramic short fibers and whiskers are homogeneously dispersed in the dispersion medium, solid-liquid separation is performed through an appropriate filter or the like, and the dispersion medium is removed to prepare a green. . At this time, the solid-liquid separation can be efficiently performed by suctioning with a pump or the like.
【００１３】次に、このようにして調製したグリーンを
乾燥処理して分散媒を除去したのち、焼成してプリフォ
ームを形成させる。この焼成は、有機バインダーを添加
している場合には、その分解温度より高い温度に保持
し、有機バインダーを完全に分解除去後に、無機バイン
ダーの焼結温度で行うのがよい。無機バインダーとして
コロイダルシリカを用いている場合には、通常１０００
℃程度の温度で１〜２時間程度で十分である。Next, the green thus prepared is dried to remove the dispersion medium, and then fired to form a preform. When the organic binder is added, the calcination is preferably performed at a temperature higher than the decomposition temperature, and after the organic binder is completely decomposed and removed, the calcination is performed at the sintering temperature of the inorganic binder. When colloidal silica is used as the inorganic binder, it is usually 1000
About 1 to 2 hours at a temperature of about ° C is sufficient.
【００１４】本発明方法においては、セラミックスの短
繊維やウイスカーの体積分率が８〜５０％の範囲になる
ようにプリフォームを形成させることが必要である。こ
のような体積分率の制御は、前記固液分離工程において
得られたグリーンを所定の体積に圧密したのち、焼成す
ることによって行われる。このようにして得られたプリ
フォームは、セラミックスの短繊維やウイスカーがネッ
トワーク状に均質に分散した構造となっているので、こ
のプリフォームを複合合金の強化相として用いることに
より、複合体中に強化相が均質に分散するとともに、生
成する凝固組織が微細化した複合合金が得られる。In the method of the present invention, it is necessary to form a preform such that the volume fraction of short fibers of fibers and whiskers is in the range of 8 to 50%. Such control of the volume fraction is performed by consolidating the green obtained in the solid-liquid separation step to a predetermined volume and then firing the green. The preform obtained in this way has a structure in which short fibers and whiskers of ceramics are homogeneously dispersed in a network, and by using this preform as a reinforcing phase of a composite alloy, A composite alloy in which the strengthening phase is homogeneously dispersed and the resulting solidified structure is refined is obtained.
【００１５】本発明においては、前記プリフォームを金
型に入れ、これに高クロム鋳鉄系合金の溶湯を注入し、
プレス装置などで加圧することにより、プリフォームの
繊維間隙に溶湯を圧入する。この際、プリフォームの隅
々まで溶湯を圧入させるために、プリフォームの予熱が
必要である。その温度は高いほど好ましいが、溶湯の凝
固を繊維間隙中で速やかに、かつ一様に進行させて、微
細で均質な凝固組織を得るためには、プリフォームの予
熱温度は、高クロム鋳鉄系合金溶湯の融点以下に制御す
るのが肝要である。また、溶湯の圧入不全による凝固欠
陥が生じないようにするためには、溶湯への加圧力は大
きいほど好ましいが、金型の強度などの面から、実際に
は５００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２程度で十分である。In the present invention, the preform is placed in a mold, and a molten metal of a high chromium cast iron-based alloy is poured into the mold.
The molten metal is pressed into the fiber gap of the preform by pressurizing with a press device or the like. At this time, the preform needs to be preheated in order to press the molten metal into every corner of the preform. The higher the temperature, the more preferable. However, in order to allow the solidification of the molten metal to proceed quickly and uniformly in the fiber gap and obtain a fine and uniform solidified structure, the preheating temperature of the preform must be high chromium cast iron. It is important to control the temperature below the melting point of the molten alloy. In order to prevent solidification defects due to insufficient injection of the molten metal, it is preferable that the pressure applied to the molten metal is large. However, from the viewpoint of the strength of the mold and the like, the pressure is actually about 500 to 1000 kgf / cm 2 . It is enough.
【００１６】金型の材質としては、特に制限はないが、
型の内面に、例えば窒化ホウ素微粉末などの公知の離型
剤を塗布することにより、通常の耐熱鋼を用いることが
できる。この金型の予熱温度は高いほど好ましいが、耐
熱鋼の使用温度域の上限である６００℃程度で十分であ
る。The material of the mold is not particularly limited.
By applying a known release agent such as boron nitride fine powder to the inner surface of the mold, ordinary heat-resistant steel can be used. The higher the preheating temperature of this mold, the better, but about 600 ° C., which is the upper limit of the operating temperature range of heat-resistant steel, is sufficient.
【００１７】本発明においては、高クロム鋳鉄系合金と
して、クロム２〜３５重量％及び炭素２〜５重量％を含
有する亜共晶高クロム鋳鉄又は過共晶高クロム鋳鉄を用
いるのが好ましい。また、この亜共晶高クロム鋳鉄や過
共晶高クロム鋳鉄には、得られる高クロム鋳鉄系複合合
金の物性を改善するために、所望により他の炭化物形成
元素、例えば、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、
タングステンなどを１種又は２種以上添加することがで
きる。この場合の添加量としては、高クロム鋳鉄系合金
全重量に基づき、バナジウムは１０重量％以下、ニオビ
ウムは５重量％以下、モリブデンは１０重量％以下、タ
ングステンは１０重量％以下で選ぶのが好ましい。In the present invention, as the high chromium cast iron-based alloy, it is preferable to use hypoeutectic high chromium cast iron or hypereutectic high chromium cast iron containing 2 to 35% by weight of chromium and 2 to 5% by weight of carbon. The hypoeutectic high chromium cast iron and hypereutectic high chromium cast iron may optionally contain other carbide-forming elements, for example, vanadium, niobium, molybdenum, in order to improve the properties of the resulting high chromium cast iron-based composite alloy. ,
One or more kinds of tungsten and the like can be added. In this case, it is preferable to select the amount of addition of vanadium at 10% by weight or less, niobium at 5% by weight or less, molybdenum at 10% by weight or less, and tungsten at 10% by weight or less based on the total weight of the high chromium cast iron-based alloy. .
【００１８】本発明においては、前記操作によって、プ
リフォーム中に高クロム鋳鉄系合金の溶湯が完全に圧入
されると短繊維やウイスカーのネットワーク中の微細空
間で凝固が迅速に進行し、繊維（強化相）と溶湯との界
面に発生する界面エネルギーの作用により、凝固組織が
微細化し、異方性の低減した均質な凝固組織が得られ
る。In the present invention, when the molten metal of the high chromium cast iron-based alloy is completely press-fitted into the preform by the above-mentioned operation, solidification proceeds rapidly in a fine space in a network of short fibers and whiskers, and the fibers ( By the action of interfacial energy generated at the interface between the reinforcing phase and the molten metal, the solidified structure is refined, and a homogeneous solidified structure with reduced anisotropy is obtained.
【００１９】前記強化相と金属溶湯との界面に発生する
界面エネルギーには、系内において、（Ａ）界面エネル
ギーが周囲よりも高い場合と、（Ｂ）界面エネルギーが
周囲よりも低い場合の２つの型がある。亜共晶高クロム
鋳鉄は、上記（Ａ）の型に相当するが、溶湯から最初に
晶出する金属相のγ初晶は、繊維ネットワークの繊維間
隙の随所で核生成するため、これを取り囲む周囲の繊維
／金属の界面エネルギーが高いため、γ相が繊維をその
内部に取り込んで成長するよりも、繊維を避けて成長す
る方がエネルギー的に有利となる。すなわち、このよう
な系では、繊維は、γ初晶の成長にとって、物理的な障
害となる。三次元的に繊維で囲まれた繊維ネットワーク
間隙の微細空間において成長する初晶γ相は、界面エネ
ルギーの作用で繊維間隙の大きさに規定されて微細化す
る。The interfacial energies generated at the interface between the reinforcing phase and the molten metal include two types in the system: (A) when the interfacial energy is higher than the surroundings, and (B) when the interfacial energy is lower than the surroundings. There are two types. The hypoeutectic high chromium cast iron corresponds to the type of (A) above, but the γ primary crystal of the metal phase which is first crystallized from the molten metal nucleates in the fiber gaps of the fiber network, and thus surrounds it. Because of the high interfacial energy of the surrounding fiber / metal, it is energetically more advantageous to grow away from the fiber than to grow the gamma phase by taking the fiber inside. That is, in such a system, the fiber is a physical obstacle to the growth of the primary gamma crystal. The primary crystal γ phase that grows in the fine space of the fiber network gap three-dimensionally surrounded by the fibers is finely defined by the size of the fiber gap due to the effect of interfacial energy.
【００２０】このように、初晶が微細化することによ
り、残液中の溶質成分の偏析の低減をもたらし、その結
果、初晶の晶出の後にその粒間を埋めて凝固する共晶の
凝固組織も微細化し、系全体が微細な複合組織として凝
固する。一方、過共晶高クロム鋳鉄は、上記（Ｂ）の型
に相当する。溶湯から最初に晶出する初晶炭化物と強化
相のセラミックスは、結晶構造の違いが小さいことによ
り、それらが接する場合の界面エネルギーが低いため、
初期炭化物は、セラミックス繊維表面で核生成し、繊維
表面に沿って、これを内部に取り込んで成長する方が、
溶湯中で自由成長するよりもエネルギー的に有利にな
る。As described above, since the primary crystal is refined, the segregation of the solute component in the residual liquid is reduced, and as a result, after the primary crystal is crystallized, the eutectic solidifies by filling the intergranular space. The solidified structure is also refined, and the entire system solidifies as a fine composite structure. On the other hand, hypereutectic high chromium cast iron corresponds to the type (B). The primary crystal carbides and the ceramics in the reinforcing phase, which crystallize first from the molten metal, have a small difference in crystal structure, so the interfacial energy when they come into contact with each other is low.
Initial carbides nucleate on the surface of ceramic fibers, grow along the fiber surface by incorporating them inside,
It is energetically more advantageous than free growth in the molten metal.
【００２１】すなわち、このような系では、界面エネル
ギーの作用で繊維表面が初晶炭化物の核生成サイトを豊
富に供給することにより、初晶の粒数が通常の自由空間
での凝固の場合に比べて格段に増加し、初晶が微細化す
る。そして、初晶が微細化することにより、前記と同様
に残液中の溶質成分の偏析の低減をもたらし、その結
果、初晶の晶出の後にその粒間を埋めて凝固する共晶の
凝固組織も微細化し、系全体が微細な複合組織として凝
固する。That is, in such a system, the surface of the fiber supplies abundant nucleation sites of primary carbides by the action of interfacial energy, so that the number of primary crystals is reduced in the case of solidification in a normal free space. Compared with the above, the number of crystals is remarkably increased, and the primary crystals are refined. Then, as the primary crystal is refined, the segregation of the solute component in the residual liquid is reduced in the same manner as described above, and as a result, after the primary crystal is crystallized, the eutectic solidification that fills the intergranular space and solidifies. The structure is also refined, and the entire system solidifies as a fine composite structure.
【００２２】[0022]
【発明の効果】本発明方法によれば、亜共晶組成及び過
共晶組成の高クロム鋳鉄のいずれも、凝固組織を微細化
し、強度及び靭性などの機械特性の向上をもたらす。こ
れまで、このような系の合金は、その靭性の不足から、
主として耐摩耗部材としての利用に限定されていたが、
本発明により、耐熱材料としての広範な利用が可能にな
る。さらに、本発明方法で得られる高クロム鋳鉄系複合
合金は、凝固組織が微細に制御された基地合金に、硬質
なセラミックス強化相が均質に分散した複合材料であ
り、従来金属基複合材料の特性として知られている硬度
や耐摩耗特性が改善されるとともに、耐熱性や耐食性な
どの高温特性も改善される。また、本発明方法で得られ
る高クロム鋳鉄系複合合金は、微細で均質な組織を有す
ることから、従来材に比べて多量の炭化物を含有してい
ても、機械的性質の低下度が小さい。さらに、炭化物形
成元素を添加することにより、主成分である鉄とクロム
の炭化物の他に、上記添加元素の炭化物が析出し、これ
によって、硬度や耐摩耗特性及び耐熱性や耐食性などの
高温特性が改善される。According to the method of the present invention, both of the high chromium cast iron having the hypoeutectic composition and the hypereutectic composition refine the solidification structure and improve mechanical properties such as strength and toughness. Until now, alloys of this type, due to their lack of toughness,
Although mainly limited to use as wear-resistant members,
According to the present invention, it can be widely used as a heat-resistant material. Further, the high chromium cast iron-based composite alloy obtained by the method of the present invention is a composite material in which a hard ceramic reinforced phase is homogeneously dispersed in a base alloy whose solidification structure is finely controlled. And the high temperature properties such as heat resistance and corrosion resistance are also improved. In addition, the high chromium cast iron-based composite alloy obtained by the method of the present invention has a fine and homogeneous structure, so that even if it contains a large amount of carbides as compared with conventional materials, the degree of decrease in mechanical properties is small. Furthermore, by adding a carbide-forming element, carbides of the above-mentioned additional elements are precipitated in addition to iron and chromium carbides, which are the main components, whereby high-temperature properties such as hardness and wear resistance and heat resistance and corrosion resistance are obtained. Is improved.
【００２３】[0023]
【実施例】次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定さ
れるものではない。EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【００２４】比較例１ 高周波誘導炉中において、クロム２４重量％及び炭素
２．７重量％を含有する亜共晶高クロム鋳鉄合金をアル
ゴンを吹きかけながら溶解し、実体部径２８ｍｍ、高さ
１００ｍｍ、型厚さ２０ｍｍの砂型中へ、１６００℃の
注湯温度で鋳込んで、通常の砂型鋳造材を作製した。こ
の鋳造材の凝固組織の顕微鏡写真を図２に示す。この鋳
造材では、デンドライト状の初晶オーステナイト相（γ
相）とその樹間を埋めるγ＋Ｍ７Ｃ３型炭化物共晶から
なり、初晶γ相は長さ１０００μｍを超える極めて粗粒
な凝固組織を呈していた。この鋳造材をアルゴン雰囲気
中、１０５０℃で１時間保持したのちに空冷して焼き入
れ熱処理した後のロックウェルＣ硬さと圧縮強度は、表
１に示すようにそれぞれ６１及び２．９ＧＰａであっ
た。COMPARATIVE EXAMPLE 1 In a high-frequency induction furnace, a hypoeutectic high chromium cast iron alloy containing 24% by weight of chromium and 2.7% by weight of carbon was melted while spraying argon, and the solid part diameter was 28 mm, the height was 100 mm, An ordinary sand casting material was prepared by pouring into a sand mold having a mold thickness of 20 mm at a pouring temperature of 1600 ° C. FIG. 2 shows a micrograph of the solidified structure of the cast material. In this cast material, a dendritic primary austenite phase (γ
Phase) and a γ + M 7 C 3- type carbide eutectic filling the spaces between the trees, and the primary γ phase exhibited an extremely coarse solidified structure exceeding 1000 μm in length. The Rockwell C hardness and compressive strength of this cast material after being held in an argon atmosphere at 1050 ° C. for 1 hour, air-cooled and quenched and heat-treated were 61 and 2.9 GPa, respectively, as shown in Table 1. .
【００２５】比較例２ 高周波誘導炉中において、クロム２４重量％及び炭素
４．７重量％を含有する過共晶高クロム鋳鉄合金をアル
ゴンを吹きかけながら溶解し、実体部径２８ｍｍ、高さ
１００ｍｍ、型厚さ２０ｍｍの砂型中へ、１６００℃の
注湯温度で鋳込んで、通常の砂型鋳造材を作製した。こ
の鋳造材の凝固組織の顕微鏡写真を図３に示す。この鋳
造材では、六角柱状の初晶Ｍ７Ｃ３型炭化物とその粒間
を埋めるγ＋Ｍ７Ｃ３型炭化物共晶からなり、初晶炭化
物相は長さ１０００μｍを超える極めて粗粒な凝固組織
を呈していた。この鋳造材をアルゴン雰囲気中、９５０
℃で１時間保持したのちに空冷して焼き入れ熱処理した
後のロックウェルＣ硬さと圧縮強度は、表１に示すよう
にそれぞれ６２及び１．８ＧＰａであった。COMPARATIVE EXAMPLE 2 In a high-frequency induction furnace, a hypereutectic high chromium cast iron alloy containing 24% by weight of chromium and 4.7% by weight of carbon was melted while blowing argon, and the solid part diameter was 28 mm and the height was 100 mm. An ordinary sand casting material was prepared by pouring into a sand mold having a mold thickness of 20 mm at a pouring temperature of 1600 ° C. FIG. 3 shows a micrograph of the solidified structure of this cast material. This cast material is composed of hexagonal columnar primary crystal M 7 C 3 type carbide and γ + M 7 C 3 type carbide eutectic filling the space between the grains, and the primary crystal phase has an extremely coarse-grained solidified structure exceeding 1000 μm in length. Was presenting. This cast material is placed in an argon atmosphere at 950
Rockwell C hardness and compressive strength after air-cooling and quenching heat treatment after holding at 1 ° C. for 1 hour were 62 and 1.8 GPa, respectively, as shown in Table 1.
【００２６】実施例１ Ａｌ２Ｏ３９６重量％とＳｉＯ２４重量％とからなる高
純度アルミナ短繊維（平均径３μｍ、平均長さ３００μ
ｍ）と、その７重量％のコロイダルシリカを水に添加し
て撹拌し、完全に分散させた。次いで、この分散液をろ
過して得られたグリーンを８０℃で２４時間乾燥したの
ち、大気中、１０００℃で１時間焼成して、繊維体積分
率が１２％のプリフォームを形成させた。次に、このプ
リフォームを１１５０℃に予熱してから、６００℃に予
熱した金型（ＳＫＤ６１製）に入れ、これに比較例１と
同じクロム２４重量％及び炭素２．７重量％を含有する
亜共晶高クロム鋳鉄合金の溶湯を１６００℃で注湯し、
直ちに５００ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧力でプリフォームの
繊維間隙へ溶湯を圧入し、複合合金を製造した。この複
合合金の凝固組織の顕微鏡写真を図４に示す。初晶γ相
は、繊維を避けるようにして繊維間隙中に分布し、その
形態は長く成長することなく粒状に近く、比較例１の図
２に比べて顕著に微細化しており、本発明による微細化
効果が明らかに認められる。この複合合金を比較例１と
同様に、アルゴン雰囲気中、１０５０℃で１時間保持し
たのちに空冷して焼き入れ熱処理した後のロックウェル
Ｃ硬さと圧縮強度は、表１に示すように、それぞれ６４
及び３．０ＧＰａであり、特性の改善が認められた。Example 1 High-purity alumina short fibers comprising 96% by weight of Al 2 O 3 and 4% by weight of SiO 2 (average diameter 3 μm, average length 300 μm)
m) and 7% by weight of the colloidal silica were added to water, stirred and completely dispersed. Next, the green obtained by filtering this dispersion was dried at 80 ° C. for 24 hours, and then fired in air at 1000 ° C. for 1 hour to form a preform having a fiber volume fraction of 12%. Next, the preform was preheated to 1150 ° C. and then placed in a mold (manufactured by SKD61) preheated to 600 ° C., which contained the same 24% by weight of chromium and 2.7% by weight of carbon as in Comparative Example 1. Pouring a melt of hypoeutectic high chromium cast iron alloy at 1600 ° C,
Immediately, the molten metal was pressed into the fiber gap of the preform with a pressing force of 500 kgf / cm 2 to produce a composite alloy. FIG. 4 shows a micrograph of the solidified structure of this composite alloy. The primary crystal γ phase is distributed in the fiber gap so as to avoid the fiber, and its morphology is close to granular without growing long, and is remarkably finer as compared with FIG. The miniaturization effect is clearly observed. Rockwell C hardness and compressive strength after holding this composite alloy in an argon atmosphere at 1050 ° C. for 1 hour, followed by air cooling and quenching heat treatment, as in Comparative Example 1, were as shown in Table 1, respectively. 64
And 3.0 GPa, and an improvement in characteristics was observed.
【００２７】実施例２ Ａｌ２Ｏ３９６重量％とＳｉＯ２４重量％とからなる高
純度アルミナ短繊維（平均径３μｍ、平均長さ３００μ
ｍ）と、その７重量％のコロイダルシリカを水に添加し
て撹拌し、完全に分散させた。次いで、この分離液をろ
過して得られたグリーンを８０℃で２４時間乾燥したの
ち、大気中、１０００℃で１時間焼成して、繊維体積分
率が１２％のプリフォームを形成させた。次に、このプ
リフォームを１１５０℃に予熱してから、６００℃に予
熱した金型（ＳＫＤ６１製）に入れ、これに比較例２と
同じクロム２４重量％及び炭素４．７重量％を含有する
過共晶高クロム鋳鉄合金の溶湯を１６００℃で注湯し、
直ちに５００ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧力でプリフォームの
繊維間隙へ溶湯を圧入し、複合合金を製造した。この複
合合金の凝固組織の顕微鏡写真を図５に示す。初晶炭化
物相は、繊維を包含してその周囲に晶出し、比較例２の
図３に比べて顕著に微細化しており、本法による微細化
効果は明らかである。この複合合金を比較例２と同様
に、アルゴン雰囲気中、９５０℃で１時間保持したのち
に空冷して焼き入れ熱処理した後のロックウェルＣ硬さ
と圧縮強度は、表１に示すように、それぞれ６８及び
３．０ＧＰａであり、特性の改善が認められた。Example 2 High-purity alumina short fibers composed of 96% by weight of Al 2 O 3 and 4% by weight of SiO 2 (average diameter 3 μm, average length 300 μm)
m) and 7% by weight of the colloidal silica were added to water, stirred and completely dispersed. Next, the green obtained by filtering the separated liquid was dried at 80 ° C. for 24 hours, and then calcined in the air at 1000 ° C. for 1 hour to form a preform having a fiber volume fraction of 12%. Next, the preform was preheated to 1150 ° C. and then placed in a mold (manufactured by SKD61) preheated to 600 ° C., which contained the same 24% by weight of chromium and 4.7% by weight of carbon as in Comparative Example 2. Pour molten eutectic high chromium cast iron alloy at 1600 ° C,
Immediately, the molten metal was pressed into the fiber gap of the preform with a pressing force of 500 kgf / cm 2 to produce a composite alloy. A micrograph of the solidified structure of this composite alloy is shown in FIG. The primary carbide phase includes the fiber and crystallizes around the fiber, and is remarkably refined as compared with FIG. 3 of Comparative Example 2, and the refining effect by this method is clear. Rockwell C hardness and compressive strength after holding this composite alloy in an argon atmosphere at 950 ° C. for 1 hour, followed by air cooling and quenching heat treatment, as in Comparative Example 2, were as shown in Table 1, respectively. 68 and 3.0 GPa, and an improvement in the characteristics was observed.
【００２８】[0028]
【表１】 [Table 1]
【図１】 高クロム鋳鉄系合金のＦｅ−Ｃｒ−Ｃ三元状
態図。FIG. 1 is a ternary phase diagram of Fe—Cr—C of a high chromium cast iron-based alloy.
【図２】 比較例１で得られた鋳造材の凝固組織の顕微
鏡写真図。FIG. 2 is a photomicrograph of a solidified structure of a cast material obtained in Comparative Example 1.
【図３】 比較例２で得られた鋳造材の凝固組織の顕微
鏡写真図。FIG. 3 is a photomicrograph of a solidified structure of a cast material obtained in Comparative Example 2.
【図４】 実施例１で得られた高クロム鋳鉄系複合合金
の凝固組織の顕微鏡写真図。FIG. 4 is a photomicrograph of the solidification structure of the high chromium cast iron-based composite alloy obtained in Example 1.
【図５】 実施例２で得られた高クロム鋳鉄系複合合金
の凝固組織の顕微鏡写真図。FIG. 5 is a micrograph of the solidification structure of the high chromium cast iron-based composite alloy obtained in Example 2.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−205040（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−31563（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−62470（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298652（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−193496（ＪＰ，Ａ) 特公 昭64−2181（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭53−12446（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 47/00 - 49/14 C22C 37/06 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-1-205040 (JP, A) JP-A-64-31563 (JP, A) JP-A-7-62470 (JP, A) JP-A-2- 298652 (JP, A) JP-A-1-193496 (JP, A) JP-B 64-2181 (JP, B2) JP-B 53-12446 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C22C 47/00-49/14 C22C 37/06
Claims (4)
もって、網状構造をもつ体積分率８〜５０％のプリフォ
ームを形成し、予熱後、これに高クロム鋳鉄系合金の溶
湯を圧入し、凝固させることを特徴とする高クロム鋳鉄
系合金の凝固組織微細化方法。1. A preform having a network structure with a volume fraction of 8 to 50% is formed from ceramic short fibers or whiskers, and after preheating, molten metal of a high chromium cast iron-based alloy is press-fitted and solidified. A method for refining the solidification structure of a high chromium cast iron-based alloy, characterized in that:
び炭素２〜５重量％を含む亜共晶高クロム鋳鉄である請
求項１記載の凝固組織微細化方法。2. The method for refining solidification structure according to claim 1, wherein the high chromium cast iron is a hypoeutectic high chromium cast iron containing 2 to 35% by weight of chromium and 2 to 5% by weight of carbon.
び炭素２〜５重量％を含む過共晶高クロム鋳鉄である請
求項１記載の凝固組織微細化方法。3. The method of claim 1, wherein the high chromium cast iron is a hypereutectic high chromium cast iron containing 2 to 35% by weight of chromium and 2 to 5% by weight of carbon.
アルミナ系、アルミナ−シリカ系又は炭化ケイ素系の短
繊維あるいは炭化ケイ素系、ジルコニア系、窒化ケイ素
系、チタン酸カリウム系、マグネシア系又はカルシア系
のウイスカーである請求項１、２又は３記載の凝固組織
微細化方法。4. The short fibers or whiskers of the ceramic are alumina-based, alumina-silica-based or silicon carbide-based short fibers or silicon carbide-based, zirconia-based, silicon nitride-based, potassium titanate-based, magnesia-based or whisker-based whiskers. The method for refining a solidified structure according to claim 1, 2, or 3.
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|---|---|---|---|
| JP30640498A JP3281903B2 (en) | 1998-10-14 | 1998-10-14 | Method for Refining Solidification Structure of High Chromium Cast Iron Alloy |
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