JP2007051309A

JP2007051309A - 耐焼付き性および耐摩耗性に優れた鋳物

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Publication number: JP2007051309A
Application number: JP2005235151A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ichino; 健司市野; Hiromitsu Shibata; 浩光柴田; Hisashi Hiraoka; 久平岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2005-08-15
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-15
Also published as: JP4561527B2

Abstract

【課題】耐摩耗性、耐焼付き性がともに優れた鋳物を提案する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：0.4〜３.0％、Si：0.1〜2％、Mn：0.2〜4％、Cr：4〜25％、Mo：0.2〜６％を含み、さらに、Ｐ：0.2〜0.7％およびＢ：0.05〜0.5％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成とする。さらに、Ｖ：７％未満、Nb：２％未満、Ni：５％未満、Ｗ：３％未満のうちから選ばれた１種または２種以上を含有すてもよい。これにより、熱間圧延工具等用として好適な、耐焼付き性および耐摩耗性を兼備した鋳物が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱間圧延用工具、あるいは高温の部材と接触する工具や部品等に用いて好適な鋳物に係り、とくに耐摩耗性および耐焼付き性の向上に関する。なお、本発明でいう「熱間圧延用工具」とは、継目鋼管圧延用のマンネスマンピアサのガイドシューや、継目鋼管圧延マンドレルミルのセグメント、熱間圧延用のサイドガイド、熱間圧延の搬送用ローラ等を指すものとする。

近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、使用される熱間圧延用工具の特性の向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。
熱間圧延用工具、例えば、マンネスマンピアサのガイドシューでは、高温の圧延素材との絶え間ない接触があり、また、高温、高負荷下の苛酷な条件下に長時間晒されるため、焼付きや摩耗等が生じやすい。このため、黒鉛と共晶炭化物を共存させた合金黒鉛鋼やCr含有量を高め耐摩耗性を向上させた、高Cr系合金のガイドシューが使用されていた。高Cr系合金は耐摩耗性に優れるものの、焼付きによる損耗が激しく、表面に酸化スケール皮膜を形成させて損耗を防止することが考えられている。例えば、特許文献１には、25Cr−3Ni系合金鋼からなる熱間継目無鋼管圧延用工具を水蒸気濃度10％以上、酸素濃度0.2〜５％の酸化雰囲気中にて1150℃以上の温度に所要時間加熱保持する熱間継目無鋼管圧延用工具の熱処理方法が提案されている。しかし、特許文献１に記載された技術では特殊熱処理を必要とするため、コスト高で生産性も低く、さらに、近年、高合金鋼素材の圧延が増加し、例えば13Cr鋼等の高合金鋼を圧延すると、特許文献１に記載された技術によっても早期に工具が損傷し焼付きが発生し工具寿命が短くなるという問題があった。

また、熱や冷却水が付加される環境で使用される搬送用ローラでは、耐摩耗性、耐食性を向上させるために、Cr含有量が高くかつ硬化性の高い、例えば４〜16％Crを含有したマルテンサイト系溶接材料により表面を被覆する硬化肉盛を行なって使用されている。しかし、Cr含有量が多い工具と高温の被圧延材とがすべり接触すると、焼付きが発生しやすいという問題があった。
特開昭61−163208号公報

本発明は、このような従来技術の問題を有利に解決し、優れた耐摩耗性と、優れた耐焼付き性を兼備する、とくに熱間圧延用工具等に用いて好適な、耐焼付き性および耐摩耗性に優れた鋳物を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず、熱間圧延用工具として用いられる鋳物について、耐焼付き性に影響する各種要因について鋭意検討した。その結果、鋳物への焼付き発生を防止するためには、鋳物と被圧延材との間でスリップが発生した際に鋳物表面が剥離して鋳物に被圧延材が付着することを防止できればよいことを想到した。そしてそのためには、スリップした際の摩擦発熱で鋳物表面が溶融・剥離しやすい鋳物組成とすることがもっとも簡便な方策であることを思い付いた。

本発明者らは、上記した考えに基づきさらに、耐摩耗性、耐熱性、耐食性部材とし有用な高Cr系組成をベースに、融点低下に及ぼす各種元素の影響を検討した。その結果、ＰおよびＢを適正量含有する高Cr系組成とした鋳物では、低融点共晶化合物層の生成が促進され、スリップした鋳物表面が薄く剥離して焼付きが防止でき、耐摩耗性を劣化させることなく、熱間圧延用工具等用鋳物の耐焼付き性を顕著に向上させることができることを知見した。

本発明は、このような知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：0.4〜３.0％、Si：0.1〜2％、Mn：0.2〜4％、Cr：4〜25％、Mo：0.2〜６％を含み、さらに、Ｐ：0.2〜0.7％およびＢ：0.05〜0.5％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐焼付き性および耐摩耗性に優れた鋳物。

（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：７％未満、Nb：２％未満、Ni：５％未満、Ｗ：３％未満のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する組成とすることを特徴とする鋳物。

本発明によれば、熱間圧延工具、あるいは高温の部材と接触する工具、部品用として好適な、耐焼付き性および耐摩耗性を兼備した鋳物が安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明鋳物の組成限定理由について説明する。なお、組成における質量％は単に％と記す。
Ｐ：0.2〜0.7％
Ｐは、融点の低いＭ−Ｃ−Ｐ系共晶化合物（Ｍは金属）を形成して耐焼付き性を向上させる作用があり、本発明では重要な元素である。Ｐは、Ｂと複合して含有することにより、耐焼付き性を顕著に向上させることができる。このような効果は0.2％以上の含有で認められる。一方、0.7％を超える含有は、材料を脆化させる。このため、本発明ではＰは0.2〜0.7％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.2〜0.6％である。

Ｂ：0.05〜0.5％
Bは、融点の低いＭ−Ｃ−Ｂ系共晶化合物（Ｍは金属）を形成して耐焼付き性を向上させる作用があり、本発明では重要な元素である。Ｂは、Ｐと複合して含有することにより、耐焼付き性を顕著に向上させることができる。このような効果はＢ：0.05％以上の含有で認められる。一方、Ｂ：0.5％を超える含有は、材料を脆化させる。このため、本発明ではＢは0.05〜0.5％の範囲に限定した。なお、Ｂは、Ｐとともに含有することにより、融点の低いＭ−Ｃ−Ｂ，Ｐ系共晶化合物を多量に形成して、高温の鋼材と高圧接触した際に、自己表面がわずかに溶融することにより焼付きを防止する。

Ｃ：0.4〜３.0％
Ｃは、基地硬さを増加させるとともに、Cr、Mo等と結合して硬質炭化物を形成し、鋳物の耐摩耗性を向上させるために重要な元素であり、本発明では、0.4％以上の含有を必要とする。一方、3.0％を超えて含有すると共晶炭化物が多量に出現し、材料が脆化する。このため、Ｃは0.4〜３.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.8〜2.8％である。

Si：0.1〜2％
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、また、湯流れ性を向上させる作用も有する。このような効果を得るために本発明では0.1％以上の含有を必要とする。一方、2％を超えて含有しても、上記した効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。このため、Siは0.1〜2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.2〜2.0％である。

Mn：0.2〜4％
Mnは、溶鋼中のＳをMnSとして固定し、耐摩耗性を阻害するＳを除去する作用を有するとともに、焼入れ性を向上し材料の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果は0.2％以上の含有で認められる。一方、4％を超えて含有すると、偏析が顕著となると共に、材料が脆化する。このため、Mnは0.2〜4％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3〜３％である。

Cr：4〜25％
Crは、基地の耐熱性を向上させて、ヒートクラックや高温における塑性流動を抑制するとともに、熱水がかかるような環境下での耐食性を向上させ、さらに耐摩耗性向上に有効な炭化物の安定化にも寄与する有用な元素であり、本発明では4％以上の含有を必要とする。一方、25％を超えて含有すると耐焼付き性が低下する。このため、Crは4〜25％の範囲に限定した。

Mo：0.2〜６％
Moは、基地の高温強度を高め、高温における塑性流動を抑制して耐摩耗性を向上させる効果を有する。また、Moは、Crとともに含有することにより、より強靭な硬質炭化物を生成して、耐摩耗性を向上させる効果も有する。このような効果を得るために、本発明では、Mo：0.2％以上の含有を必要とするが、６％を超えて含有すると、脆弱な共晶炭化物が生成し、材料が脆化する。このため、Moは0.2〜６％の範囲に限定した。

上記した基本成分に加えて本発明では、さらにＶ：７％未満、Nb：２％未満、Ni：５％未満、Ｗ：３％未満のうちから選ばれた１種又は２種以上を必要に応じ選択して含有することができる。
Ｖ：７％未満、Nb：２％未満、Ｗ：３％未満
Ｖ、Nb、Ｗはともに、硬質なMC型炭化物を形成し、耐摩耗性を著しく向上させる元素であり、必要に応じて単独または複合して含有することができる。含有する場合には、上記した効果を得るためにそれぞれ0.1％以上含有することが好ましい。一方、Ｖを７％以上、Nbを２％以上、Ｗを３％以上含有すると硬質炭化物が粗大化したり、鋳造時に偏析したり，溶湯の流動性を阻害したりする。このため、Ｖ：７％未満、Nb：２％未満、Ｗ：３％未満にそれぞれ限定することが好ましい。

Ni：５％未満
Niは、焼入れ性を向上し、鋳物の硬さを増加させる作用を有する元素であり、通常の焼入れでは所望の硬さが確保できない恐れのある場合に含有することが好ましい。このような効果は、0.05％以上の含有で顕著となるが、５％以上含有すると、オーステナイトが安定化し、残留オーステナイト量が増加し、硬さが低下し、耐摩耗性が低下する。このため、本発明ではNiは５％未満に限定することが好ましい。

本発明の鋳物では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｎ：0.1％以下、Ｓ：0.3％以下、Ti：0.5％以下、Al：0.1％以下がそれぞれ許容できる。なお、Ｎは、通常の溶解であれば、0.05％以下程度は混入するが、この程度の混入は本発明の効果に影響することはない。
つぎに、好ましい製造方法について説明する。

本発明では、鋳物の製造方法は、とくに限定されないが、上記した組成の溶湯を、高周波炉或いは低周波炉で溶製し、用途に応じた適正な鋳型に鋳造する方法とすることが好ましい。なお、鋳型は、例えば生型、Ｖプロセス鋳型、有機時硬性鋳型、フルモールド等の鋳型がいずれも適用可能である。
なお、本発明の鋳物は、鋳造後、必要に応じて熱処理を施してもよい。熱処理は、850℃〜1080℃に加熱し焼入れする焼入れ処理と、さらに300〜700℃に加熱し焼戻しする焼戻処理を施す処理とすることが好ましい。焼入れの加熱温度が850℃未満では、加熱温度が低すぎて硬さの確保が困難となる。一方、加熱温度が1080℃を超えて高くなると、Ｐ、Ｂの低融点共晶化合物相が溶融するため、ミクロポリシー欠陥が増加する。このため、焼入れ加熱温度は850〜1080℃の範囲の温度とすることが好ましい。また、焼戻し温度が300℃未満では、靭性が不足し、一方、700℃を超えて高くなると、耐摩耗性が低下する。このため、焼戻し温度は300〜700℃の範囲の温度とすることが好ましい。

（実施例１）
表１に示す組成を有する溶湯を、高周波溶解炉で溶解し、Vプロセス鋳型に注湯し、継目無鋼管圧延用熱間圧延工具（ガイドシュー）に用いる鋳物とした。鋳込み温度は1350〜1550℃の範囲とした。得られた鋳物（鋳放まま）から、試験片を採取し、摩耗試験および焼付き試験を実施した。なお、従来例１は、ガイドシューとして使用実績のある合金黒鉛鋼である。従来例２は、耐摩耗性鋳物材としても汎用されている高Cr鋳鉄である。

試験方法は次の通りとした。
（１）摩耗試験
鋳物から試験片（外径：60mmφ、肉厚：10mm）を採取し、相手材（材質：S45C，大きさ：190mmφ、肉厚：15mm）と試験片との２円盤すべり摩耗方式で摩耗試験を実施した。試験片を回転数700rpmで回転させながら。相手材を760℃に加熱し、試験片を水冷し、試験片と相手材のすべり率を10％として、荷重100kgf（980Ｎ）で圧接しながら45min間転動させる摩耗試験を４回行った。試験後、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。耐摩耗性は、従来例１の摩耗量に対する比（＝（従来例１の摩耗量）／（試験片の摩耗量））で評価した。この数値が大きい場合が耐摩耗性に優れることを意味する。
（２）焼付き試験
鋳物から試験片（25mm厚の板状）を採取し、図１に示す方式の試験機で焼付き試験を実施した。試験片に、高周波誘導加熱コイルにより、920℃に加熱されて190rpmで回転する円板状の相手材（材質：SUS410、大きさ：190mmφ、肉厚：15mm）を荷重 100kgf(980Ｎ)で20ｓ間圧接した。試験後の試験片表面に相手材がへばり付いたように焼付いている場合を「焼付き有り」（×）、へばり付きがなく表面が摩耗している場合を「焼付きなし」(○)として、耐焼付き性を評価した。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、従来例１に比べ優れた耐摩耗性を有し、しかも焼付きの発生もなく、耐摩耗性、耐焼付き性がともに優れた鋳物となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は耐摩耗性、耐焼付き性のいずれか、あるいはすべてが低下している。なお、従来例２は、一定レベルの耐摩耗性を有するが、耐焼付き性に劣っている。
（実施例２）
表３に示す組成を有する溶湯を、高周波溶解炉で溶解し、Vプロセス鋳型に注湯し、継目無鋼管圧延用熱間圧延工具（ガイドシュー）に用いる鋳物とした。なお、鋳込み温度は、1400℃とした。得られた鋳物（鋳放まま）を継目無鋼管圧延ライン（ピアサーミル）に配設し、13Cr系ステンレス鋼鋳片を穿孔・延伸圧延し、継目無鋼管とした。各ガイドシュー（鋳物）について、シュー替までの圧延本数を調査し、耐焼付き性を評価した。シュー替は、焼付きが発生し鋼管に疵を発生させるか、あるいは摩耗により寿命廃却となる場合とした。得られた結果を表４に示す。

本発明例は、焼付きの発生はなく、摩耗による寿命廃却まで使用できた。これに対し、従来例は圧延本数２本で焼付きが発生し、鋼管に疵を発生し、摩耗による寿命廃却前にシュー替となった。

焼付き試験に使用した試験機の概要を模式的に説明する説明図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：0.4〜３.0％、 Si：0.1〜2％、
Mn：0.2〜4％、 Cr：4〜25％、
Mo：0.2〜６％
を含み、さらに、Ｐ：0.2〜0.7％およびＢ：0.05〜0.5％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐焼付き性と耐摩耗性に優れた鋳物。
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：７％未満、Nb：２％未満、Ni：５％未満、Ｗ：３％未満のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の鋳物。