JP2005254271A - 高温耐摩耗性部材およびそれに使用する肉盛溶接材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 常温および高温において高い耐摩耗性を有する高温耐摩耗性部材を提供する。
【解決手段】 母材上に硬化層として肉盛溶接材料が肉盛されている高温耐摩耗性部材において、肉盛溶接材料の組成を、Ｃ：４．５〜７．５質量％、Ｓｉ：０．５〜３．０質量％、Ｃｒ：１８．０〜３５．０質量％、Ｍｏ＋Ｗ＋Ｎｂ：２４．０〜４４．０質量％、Ｂ：１．５〜１５．０質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物とする。硬化層には、クロム炭化物など、比較的高硬度である炭化物が形成されることに加え、その炭化物よりも常温および高温において高硬度であるＭｏ、Ｗ、Ｎｂのホウ化物が形成されるので、常温および高温において高い耐摩耗性が得られる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、各種の産業機械の摩耗箇所に用いられる高温耐摩耗性部材に関するものである。

鉄鋼やセメントを搬送するコンベアのレール、シュートライナなど、耐摩耗性が要求される部材には、母材上に硬化層として肉盛溶接材料を肉盛した耐摩耗性部材が使用される。

上記硬化層の組成として、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系が知られている（特許文献１）。これは、鉄をマトリックスとして、そのマトリックス中にクロム炭化物を析出させたものであり、クロム炭化物はＭ７Ｃ３型構造をとり、比較的高硬度であり、且つ、高温においても比較的高い硬度を維持する。
特開平８−１２０３９７号公報

上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系のビッカース硬さＨｖは８００〜８５０程度であり、鉄鋼やセメントを搬送するコンベアのレールやシュートライナなど高い耐摩耗性が要求される部材にとっては、十分な硬さではなかった。さらに、５００℃程度までは硬さが維持されるが、それ以上の温度になると急激に硬さが低下してしまうため、５００℃以上の高温では十分な耐摩耗性が得られない。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、常温および高温において高い耐摩耗性を有する高温耐摩耗性部材、および、その高温耐摩耗性部材に使用する肉盛溶接材料を提供することにある。

かかる目的を達成するための第１発明は、Ｃ：４．５〜７．５質量％、Ｓｉ：０．５〜３．０質量％、Ｃｒ：１８．０〜３５．０質量％、Ｍｏ＋Ｗ＋Ｎｂ：２４．０〜４４．０質量％、Ｂ：１．５〜１５．０質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする肉盛溶接材料である。

また、第２発明は、第１発明の肉盛溶接材料において、さらに、Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１０．０〜２１．０質量％、Ｎｂ：５．０〜１５．０質量％であることを特徴とする。

また、第３発明は、第２発明の肉盛溶接材料において、さらに、Ｍｏ：７．０〜１５．０質量％、Ｗ：７．０〜１２．０質量％であることを特徴とする。

また、第４発明は、母材上に第１発明〜第３発明の肉盛溶接材料が肉盛されていることを特徴とする高温耐摩耗性部材である。

第１発明〜第３発明の肉盛溶接材料のように元素の割合を調製すると、その肉盛溶接材料が融解させられることにより、クロム炭化物など、比較的高硬度である炭化物が形成されることに加え、その炭化物よりも常温および高温において高硬度であるＭｏ、Ｗ、Ｎｂのホウ化物が形成される。

従って、第４発明のように、第１発明〜第３発明の肉盛溶接材料が母材上に肉盛された高温耐摩耗性部材は、常温において高い耐摩耗性が得られ、さらに、高温（たとえば７００℃以上）においても高い耐摩耗性が得られる。

Ｃは、クロム炭化物などの複合炭化物を形成させるためのものであり、４．５ｗｔ％より少ないと、複合炭化物の生成量が少なくなり好ましくない。一方、７．５ｗｔ％より多いと、複合炭化物の結晶が大きくなりすぎて、肉盛溶接材料が溶解させられた肉盛金属（すなわち母材に溶着させられた硬化層）に割れが生じやすくなり、また、母材から剥離しやすくなる。そのため、Ｃ：４．５〜７．５ｗｔ％が好ましい。

Ｓｉは、鋼の酸化防止のために添加するものであり、０．５ｗｔ％より少ないと、酸化防止効果が不十分である。一方、３．０ｗｔ％を超えると、硬化層の靱性が不十分となり、硬化層に割れが生じやすくなり、また、母材から剥離しやすくなる。

Ｃｒは、鋼の酸化を防止する目的、および炭化物を形成させる目的で添加するものであり、１８．０ｗｔ％より少ないと、Ｃｒの多くが炭化物となるのでマトリックス中のＣｒ量が不足し、高温耐酸化性が不十分となる。一方、３５．０ｗｔ％より多いと、硬化層の靱性が不十分となり、硬化層に割れが生じやすくなり、また、母材から剥離しやすくなる。

Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂは、ホウ化物を形成して硬化層に耐摩耗性を付与するために添加するものであり、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂが合計で２４．０ｗｔ％より少ないと耐摩耗性が不十分となり、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂが合計で４４．０ｗｔ％より多いと割れやすくなるくので、やはり好ましくない。また、Ｍｏ＋（１／２）Ｗ：１０．０〜２１．０ｗｔ％、Ｎｂ：５．０〜１５．０ｗｔ％を満たすことが好ましく、さらに、Ｍｏ：７．０〜１５．０ｗｔ％、Ｗ：７．０〜１２．０ｗｔ％であることが一層好ましい。

高温耐摩耗性部材の母材としては、炭素鋼、ステンレス鋼などの鉄系基材を用いることができるが、アルミニウムやアルミニウム合金などの軽合金であってもよい。

母材の形状は、板状（プレート状）、管状など、種々の形状を用いることができ、板状とする場合には、平板状としてもよいし、幅方向に湾曲した形状としてもよい。管状とする場合には、直管状であっても良いし、折れ曲がり部が形成されている形状であってもよい。

肉盛方法は、ガス溶接、アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、プラズマアーク溶接、溶射など、特に制限無く種々の方法を用いることができる。また、特開２００３−１３１１２号公報や、特開２００３−１７０２６５号公報に記載されているように、肉盛粉末を母材上に均一に積層した後、ローラによって高周波誘導コイルを備えた加熱炉内に導入して、加熱炉内にてその肉盛粉末を母材表面に溶着させることにより肉盛する方法を用いることもできる。また、母材と硬化層との密着性を高めるために、肉盛前に、母材表面を粗面処理をしてもよい。

次に、本発明の実施例を比較例とともに示す。表１は、実施例、比較例の硬化層すなわち肉盛溶接材料の組成（ｗｔ％）および５時間摩耗試験における摩耗量（ｇ）を示している。この５時間摩耗試験は、図１の概略図に示すように、円盤状の銅板１０上に珪砂６号（１２）を敷き詰め、母材１４に硬化層１６を溶着させた耐摩耗性プレート１８を、硬化層１６を下向きにして所定の荷重（４ｋｇ）を下向きに加えた状態で、銅板１０に沿って摺動させることを５時間継続する試験である。

表１に示されるように、Ｍｏ＋Ｗ＋Ｎｂの合計が２４．０ｗｔ％（実施例４）以上で高い耐摩耗性が得られるが、その合計量が多くなりすぎても耐摩耗性が低下し、その合計量が４４．４ｗｔ％（比較例５）では、十分な耐摩耗性が得られないことが分かる。

図２は、表１の実施例１、比較例１、２の表面からのビッカース硬さＨｖを測定した結果を示す図である。この硬さ測定の結果は、表１の摩耗試験の結果と対応した結果となり、実施例１の硬さは、１２００Ｈｖ程度と、比較例１、２よりも十分に硬いことが分かる。

表２は、実施例１、比較例１、２の常温および高温におけるビッカース硬さＨｖを示す表であり、図３は、硬化層のビッカース硬さＨｖと前述の５時間摩耗試験における摩耗量（ｇ）との関係を示した図である。表２に示されるように、実施例１は、室温において比較例１、２に比較して高硬度であるだけでなく、高温においても比較例１、２に比較して高硬度であり、９００℃においても、比較例１、２の常温における硬度と同程度の硬度が維持されている。また、図３から、硬さＨｖと摩耗量は比例の関係にある。従って、実施例１のように、高温においても高硬度である場合には、高温においても高い耐摩耗性が得られることが分かる。

以上のように、上記実施例１〜４は、常温において高い耐摩耗性が得られ、さらに、高温（たとえば７００℃以上）においても高い耐摩耗性が得られる。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

耐摩耗性を評価するための５時間摩耗試験の試験方法を示す概略図である。 表１の実施例１、比較例１、２の表面からのビッカース硬さＨｖを測定した結果を示す図である。 硬化層のビッカース硬さＨｖと５時間摩耗試験における摩耗量との関係を示した図である。

Claims (4)

1. Ｃ：４．５〜７．５質量％、Ｓｉ：０．５〜３．０質量％、Ｃｒ：１８．０〜３５．０質量％、Ｍｏ＋Ｗ＋Ｎｂ：２４．０〜４４．０質量％、Ｂ：１．５〜１５．０質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする肉盛溶接材料。
2. 請求項１の肉盛溶接材料であって、
   Ｍｏ＋１／２Ｗ：１０．０〜２１．０質量％、Ｎｂ：５．０〜１５．０質量％であることを特徴とする肉盛溶接材料。
3. 請求項２の肉盛溶接材料であって、
   Ｍｏ：７．０〜１５．０質量％、Ｗ：７．０〜１２．０質量％であることを特徴とする肉盛溶接材料。
4. 母材上に請求項１乃至請求項３の肉盛溶接材料が肉盛されていることを特徴とする高温耐摩耗性部材。
   

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