JP2001329301A - 高硬度高クロム鋳鉄粉末合金の製造方法 - Google Patents

高硬度高クロム鋳鉄粉末合金の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 組織を微細、均質化することにより、従来の
鋳造材よりも格段に高い硬度を有する高クロム鋳鉄粉末
合金の製造方法を提供する。 【解決手段】 クロム11〜30質量%と炭素2.2〜
5.0質量%を含み、残部が実質上鉄からなる高クロム
鋳鉄急冷凝固合金粉末を、104℃/秒以上の冷却速度
で調製したのち、大気中において放電プラズマ焼結す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種破砕機、粉砕
機などにおける耐摩耗部材や、火力発電、製鉄プラン
ト、セメント産業を始めとする種々な分野における耐摩
耗、耐熱、耐食部品などの材料として好適に用いられる
高硬度高クロム鋳鉄粉末合金を効率よく製造する方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】高クロム鋳鉄は、高硬度の炭化物を多量
に含有するために、耐摩耗性及び耐熱性に優れている
上、鉄基地中にクロムを多量に固溶していることから、
室温はもとより、高温での耐食性にも優れるなどの特徴
を有している。高クロム鋳鉄は、このような特徴を有
し、かつ比較的安価であることから、実用材料として、
例えば火力発電やセメントプラントなどにおける保護
管、石炭粉砕装置、ノズル、インペラなどに広く用いら
れている。
【0003】このような工業的用途において、生産性や
経済性をより高度化するためには、メンテナンスインタ
ーバルの長期化、さらにはメンテナンスフリー化が求め
られるが、従来の製造方法による高クロム鋳鉄では、耐
摩耗性や耐熱性、耐食性などが必ずしも十分ではなく、
その要望に答えることができないのが実状である。
【0004】耐摩耗性を向上させるためには、含有炭素
量を鉄−クロム−炭素の三元系合金における共晶線以上
に増加させ、晶出する高硬度のM73型炭化物量を多く
することが有効な手段であるが、このような過共晶組成
の合金では、一般に粗大な炭化物が、その熱流方向すな
わち凝固方向に沿って不均質に晶出する顕著な異方性を
有するため、該合金の著しい脆化を始めとする機械的性
質の低下は免れず、過共晶組成の高クロム鋳鉄は、これ
までほとんど実用に供されていないのが現状である。
【0005】
【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、従来の高クロム鋳鉄よりも飛躍的に優れ
た耐摩耗性、耐熱性及び耐食性を兼備する高クロム鋳鉄
部材を与えることができ、メンテナンスインターバルの
長期化、さらにはメンテナンスフリー化を可能とする高
硬度高クロム鋳鉄粉末合金の新規な製造方法を提供する
ことを目的としてなされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、凝固に際して
の冷却速度が、従来慣用されている鋳造法の十万倍から
百万倍、あるいは1千万倍という桁違いに速い急冷凝固
粉末を調製し、大気中においてプラズマ焼結することに
より、炭素含有量が、鉄−クロム−炭素三元系合金にお
ける共晶線以下の亜共晶合金はもとより、炭素含有量が
共晶線以上の過共晶合金においても、鉄基地や晶出炭化
物が従来の鋳造材とは比較にならないほど桁違いに微
細、均質化され、慣用の鋳造材よりも格段に硬度の高い
高クロム鋳鉄粉末合金が得られ、その目的を達成しうる
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。
【0007】すなわち、本発明は、クロム11〜30質
量%と炭素2.2〜5.0質量%を含み、残部が実質上
鉄からなる高クロム鋳鉄急冷凝固合金粉末を、104
/秒以上の冷却速度で調製したのち、大気中において放
電プラズマ焼結することを特徴とする高硬度高クロム鋳
鉄粉末合金の製造方法を提供するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明方法においては、まず、ク
ロム11〜30質量%と炭素2.2〜5.0質量%を含
み、残部が実質上鉄からなる鉄−クロム−炭素三元系の
急冷凝固合金粉末を、104℃/秒以上、通常は105
/秒に達する冷却速度で製造する。この冷却速度が10
4℃未満では所望の物性を有する鋳鉄粉末合金が得られ
ず、本発明の目的が達せられない。
【0009】この場合、急冷凝固法としては、遠心噴霧
法を採用するのが好ましい。急冷凝固法として、例えば
単ロール法や双ロール法なども知られているが、これら
の方法では急冷凝固薄帯が得られ、この薄帯は固化成形
に際して嵩張るので不便であり、粉砕などの余分の工程
が必要となる。その上、粉砕に伴う粉砕機からの合金へ
のコンタミネーションの問題も包含することになる。
【0010】したがって、本発明においては、急冷凝固
材の形態としては、粉末のものが用いられる。また、遠
心噴霧法は、(1)粉末の冷却速度が大きい、(2)噴
霧媒を用いないため、粉末内部へのガストラップが少な
い、(3)粉末表面の酸化が少なく、かつサテライトフ
リーの球状粉末の製造が可能である、(4)溶湯の噴霧
条件と冷却条件を独立に制御できる、などの他の粉末製
造法にはない利点を有しているため、本発明において
は、急冷凝固粉末の調製に際して、この遠心噴霧法を用
いるのが望ましい。
【0011】次に、このようにして調製された高クロム
鋳鉄急冷凝固粉末を、大気中において放電プラズマ焼結
することにより、粉末合金を得る。この放電プラズマ焼
結においては、通常、成形圧力10〜50MPa、焼結
温度1000〜1200℃の条件が採用され、そして、
焼結は数分間の短時間で終了する。該放電プラズマ焼結
法においては、まず粉末粒子間にプラズマ放電を発生さ
せ、その衝撃で、粒子表面に熱やひずみのエネルギーを
蓄積させて該粒子表面を活性化させ、その表面に吸着し
ているガスや汚れ、さらには数nmのオーダーの酸化皮
膜の一部を破壊して清浄な粒子表面を現出させる。その
後に通電によるジュール熱を発生させ、粉末粒子同士の
焼結、結合を促進させる。このようなプラズマ焼結法
は、本発明方法における非平衡状態にある粉末の固化成
形に好適である。
【0012】このようにして得られた高クロム鋳鉄粉末
合金においては、その組織は顕著に微細、均質化された
ものであり、しかも従来慣用の鋳造材のような異方性は
全く示さない。したがって、この高クロム鋳鉄粉末合金
は、組織微細化による強化も行われ、慣用の鋳造材を大
幅に上回る硬度を有し、耐摩耗性にも優れる。
【0013】前述の本発明方法により得られた粉末合金
においては、クロムは鉄基地に固溶し、鉄基地の耐食性
を増すと共に、初晶炭化物(Fe,Cr)73を形成す
る重要な元素として作用する。しかし、その含有量が1
1質量%未満ではそれらの効果が十分に発揮されない
し、逆に30質量%を超えると硬さが低下する。したが
って、本発明においては、合金中のクロムの含有量は1
1〜30質量%の範囲で選定される。
【0014】一方、炭素は、クロムと炭化物を生成する
重要な元素である。しかし、その含有量が2.2質量%
未満では晶出する炭化物量が少なく、十分な硬さ及び耐
摩耗性が発揮されないし、逆に5.0質量%を超えると
生成炭化物量が多くなりすぎて、靭性が著しく阻害され
る。したがって、本発明においては、合金中の炭素の含
有量は2.2〜5.0質量%の範囲で選定される。
【0015】
【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、この例によってなんら限定され
るものではない。
【0016】実施例 Fe−25.3Cr−2.60Cの化学組成を有する亜
共晶の高クロム鋳鉄の急冷凝固粉末及びFe−24.4
Cr−4.74Cの化学組成を有する過共晶の高クロム
鋳鉄の急冷凝固粉末それぞれを、遠心噴霧法により、1
5〜104℃/秒の冷却速度にて調製した。次いで、こ
の粉末を粒径177μm以下に分級後、32MPaの成
形圧力を作用させた状態で、パルス状の電圧を印加し、
亜共晶組成のものは1140℃にて、過共晶組成のもの
は1100℃の温度で3分間保持して焼結を行うことに
より、亜共晶粉末合金及び過共晶粉末合金を、それぞれ
製造した。図1に、上記亜共晶粉末合金(a)及び過共
晶粉末合金(b)のミクロ組織の顕微鏡写真図を示す。
この図1の(a)及び(b)から分かるように、亜共晶
粉末合金と過共晶粉末合金のいずれにおいても、鉄基地
及び炭化物が極めて微細化された均質な組織を呈してい
る。図2は、これらの粉末合金の室温におけるロックウ
ェル硬さHRCを示す図である。亜共晶粉末合金のロッ
クウェル硬さは63HRCであり、過共晶粉末合金のそ
れは68HRCまで向上した。
【0017】比較例 実施例と全く同じ化学組成を有するFe−25.3Cr
−2.60Cの亜共晶金型鋳造材及びFe−24.4C
r−4.74Cの過共晶金型鋳造材を、それぞれ作製し
た。これらの鋳造材は金型鋳造されているため、一般に
広く用いられている砂型鋳造材よりも凝固速度が速く、
機械的性質も改善されている。図1に、上記の亜共晶金
型鋳造材(c)及び過共晶金型鋳造材(d)のミクロ組
織の顕微鏡写真図を示す。この図1の(c)及び(d)
から、鋳造材の組織は、亜共晶鋳造材においては、初晶
オーステナイト(γ相)が粗大なデンドライト状に晶出
し、その間隙にγ相/炭化物の粗大な共晶が存在したも
のとなり、一方、過共晶鋳造材においては、粗大に晶出
した初晶炭化物とγ相/炭化物共晶からなっていること
が分かる。また、この鋳造材は、亜共晶、過共晶いずれ
においても、その凝固方向(熱流方向)に組織が発達し
た著しい異方性を呈している。図2に、これらの鋳造材
のロックウェル硬さHRCを示す。鋳造材のロックウェ
ル硬さは、亜共晶鋳造材では50HRC、過共晶鋳造材
では57HRCにすぎなかった。これらの値は、実施例
における亜共晶粉末合金の63HRC及び過共晶粉末合
金の68HRCに比べて、著しく低いことが分かる。
【0018】
【発明の効果】本発明方法によれば、従来、組織の微
細、均質化が不可能であった高クロム鋳鉄において、組
織の微細、均質化を達成することができ、その結果、同
一組成であるにもかかわらず、高い硬度を有する粉末合
金を容易に製造することができる。これにより、高クロ
ム鋳鉄の用途がさらに拡大すると共に、メンテナンスイ
ンターバルの長期化、さらにはメンテナンスフリー化が
可能となり、その工業的価値は極めて高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例及び比較例により、それぞれ製造され
た高クロム鋳鉄の粉末合金及び鋳造材のミクロ組織を示
す顕微鏡写真図。
【図2】 実施例及び比較例により、それぞれ製造され
た高クロム鋳鉄の粉末合金及び鋳造材の室温におけるロ
ックウェル硬さHRCを示す図。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年5月29日(2000.5.2
9)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】
【発明の実施の形態】本発明方法においては、まず、ク
ロム11〜30質量%と炭素2.2〜5.0質量%を含
み、残部が実質上鉄からなる鉄−クロム−炭素三元系の
急冷凝固合金粉末を、10℃/秒以上、通常は10
℃/秒に達する冷却速度で製造する。この冷却速度が1
℃/秒未満では所望の物性を有する鋳鉄粉末合金が
得られず、本発明の目的が達せられない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 茂 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地1 工 業技術院九州工業技術研究所内 (72)発明者 北原 晃 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地1 工 業技術院九州工業技術研究所内 Fターム(参考) 4K017 AA04 BA06 BB04 BB13 DA09 EK01 4K018 AA32 BD10 DA24 KA58 KA70

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クロム11〜30質量%と炭素2.2〜
    5.0質量%を含み、残部が実質上鉄からなる高クロム
    鋳鉄急冷凝固合金粉末を、104℃/秒以上の冷却速度
    で調製したのち、大気中において放電プラズマ焼結する
    ことを特徴とする高硬度高クロム鋳鉄粉末合金の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 遠心噴霧法により、急冷凝固させる請求
    項1記載の高硬度高クロム鋳鉄粉末合金の製造方法。
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