JP2019085605A - 鋼材と接触して使用される鉄鋼製品 - Google Patents

鋼材と接触して使用される鉄鋼製品 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、鋼材との接触面にすぐれた耐酸化性し、溶接性にもすぐれる鉄鋼製品を提供する。【解決手段】本発明に係る鋼材と接触して使用される鉄鋼製品は、鋼材と接触して使用される鉄鋼製品であって、遠心力鋳造部を有し、前記遠心力鋳造部は、質量%にて、C:0.2%〜0.7%、Si:0%を超えて2.0%以下、Mn:0%を超えて3.0%以下、Cr:15.0%〜40.0%、Ni:18.0%〜55.0%、Al:1.0%〜5.5%、及び、Ti:0.01%〜0.6%、及び/又は、Nb:0.1%〜1.8%からなる群より選択される少なくとも1種を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる。【選択図】図1

Description

本発明は、鋼片や鋼板などの鋼材と接触して使用されるハースロール、コイラードラムなどの鉄鋼製品に関するものである。
鋼板帯を連続的に熱処理する焼鈍炉内で鋼板帯を搬送するハースロールや、高温の炉内で圧延時の鋼板を巻き取るコイラードラムなどの鉄鋼製品が製鉄所等で採用されている。
これら鉄鋼製品は、大気中の高温環境下で鋼片や鋼板などの鋼材と直接接触して使用されるため、母材中の金属が酸化されてしまい、表面にCr(Fe、Niを含む)を主体とするCr酸化物が形成される。Cr酸化物は、鋼材との接触により剥離し易く、その剥離により鋼材が傷付けられることがある。そして、Cr酸化物の剥離や、これを抑えるためにCr酸化物除去のための研磨等を行なうことで、鉄鋼製品自体の減肉が早くなってしまうことがある。
そこで、ハースロールの外周にCoCrAlY合金などを溶射した溶射層を形成した製品も提案されている(たとえば特許文献1参照)。
特開2008−240072号公報
しかしながら、溶射層も酸化するから、溶射層に形成された酸化物皮膜が剥離し、耐酸化性が低下すると共に、剥離した酸化物皮膜により鋼材が傷付いてしまう虞がある。さらには、溶射層中に添加されているAl量(約10質量%)が多いため、溶射層の引張延性などの機械的性質が低下し、さらには、溶接性が低下する虞がある。
本発明の目的は、鋼材との接触面にすぐれた耐酸化性を有し、溶接性にもすぐれる鉄鋼製品を提供することである。
本発明に係る鋼材と接触して使用される鉄鋼製品は、
鋼材と接触して使用される鉄鋼製品であって、
遠心力鋳造部を有し、
前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
C:0.2%〜0.7%、
Si:0%を超えて2.0%以下、
Mn:0%を超えて3.0%以下、
Cr:15.0%〜40.0%、
Ni:18.0%〜55.0%、
Al:1.0%〜5.5%、及び、
Ti:0.01%〜0.6%、及び/又は、Nb:0.1%〜1.8%からなる群より選択される少なくとも1種を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる。
前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
希土類元素(REM):0%を超えて0.4%を含有することができる。
前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
W:0%を超えて5.0%以下、及び/又は、Mo:0%を超えて2.0%以下を含有することができる。
前記遠心力鋳造部は、
Pa=−11.1+28.1×C+29.2×Si−0.25×Ni−45.6×Ti+18.0×REM−16.6×Nb
Ya=−13.75×Al+63.75
としたときに、
Pa<Ya
であることが望ましい。
前記遠心力鋳造部は、遠心力鋳造により形成され、静置鋳造により形成された静置鋳造部に溶接して装着することができる。
前記静置鋳造部は、Alを含有しないことが望ましい。
前記遠心力鋳造部は、前記鋼材と接触する表面に形成することができる。
前記遠心力鋳造部の表面には、セラミック溶射層を有することができる。
前記鉄鋼製品は、ハースロール又はコイラードラムとすることができる。
本発明によれば、鉄鋼製品に形成される遠心力鋳造部を上記組成とすることで、CrよりもAlが優先してAl酸化物を形成し、Cr酸化物の形成を抑制することができ、Cr酸化物の剥離等の問題を抑制できる。また、Alの添加量は1.0%〜5.5%と低いため、機械的性質の低下を抑えることができる。
また、遠心力鋳造部は、Alの添加量が低いため溶接性も確保することができるから、静置鋳造部に遠心力鋳造部を良好に溶接することができる。
図1は、Pa値を縦軸、Alの含有量を横軸とし、供試遠心力鋳造部を溶接性に基づいて回帰分析した結果を示すグラフである。 図2は、図1のグラフ中、Al酸化物層が良好に形成される本発明の範囲を拡大して示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、特に明記しない限り、「%」は質量%を意味する。
本発明の鉄鋼製品は、大気中の高温環境下で鋼片や鋼板などの鋼材と直接接触して使用されるハースロールやコイラードラムの如き製品への適用が好適である。
鉄鋼製品は、
C:0.2%〜0.7%、
Si:0%を超えて2.0%以下、
Mn:0%を超えて3.0%以下、
Cr:15.0%〜40.0%、
Ni:18.0%〜55.0%、
Al:1.0%〜5.5%、及び、
Ti:0.01%〜0.6%、及び/又は、Nb:0.1%〜1.8%からなる群より選択される少なくとも1種を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる、
遠心力鋳造部を有する。
遠心力鋳造部は、遠心力鋳造により作製することができ、成分限定理由は以下の通りである。
C:0.2%〜0.7%
Cは、鋳造性を良好にし、高温クリープ破断強度を高める作用がある。また、Ti、Nb、Cr等と結合して炭化物を形成し、高温強度を高める効果がある。このため、少なくとも0.2%を含有させる。しかし、含有量があまり多くなると、Crの一次炭化物が幅広く形成され易くなり、遠心力鋳造部の表面へのAlの転移が阻害され、Alの供給不足が生じて、Alの如きAl酸化物の形成が抑えられる。また、二次炭化物が過剰に析出するため、延性、靱性の低下を招く。このため、上限は0.7%とする。なお、Cの含有量は0.35%〜0.6%がより望ましい。
Si:0%を超えて2.0%以下
Siは、溶湯合金の脱酸剤として、また溶湯合金の流動性を高め、耐酸化性を向上させるために含有させる。しかしながら、過度のSiの添加は、延性の低下、高温クリープ破断強度の低下、鋳造後の表面品質の悪化、溶接性の低下を招く。このため、Siの含有量は、上限を2.0%とする。なお、Siの含有量は1.5%以下が望ましく、1.0%以下がより望ましい。
Mn:0%を超えて3.0%以下
Mnは、溶湯合金の脱酸剤となり、また、溶湯中のSを固定させて、溶接性を向上させると共に、延性を向上させるために含有させる。しかしながら、過度のMnの添加は、高温クリープ破断強度の低下を招き、耐酸化性を低下させるため、上限を3.0%とする。なお、Mnの含有量は1.0%以下がより望ましい。
Cr:15.0%〜40.0%
Crは、高温強度及び繰返し耐酸化性の向上に寄与する。また、Crは、Ni、Feと共に1000℃を超えるような高温域ですぐれた耐熱性を発揮すると共に、C、Nと一次炭化物を生成し、高温クリープ破断強度を向上させる。そして、Alと共に酸化物層を形成し、耐酸化性、耐食性にすぐれた特性を遠心力鋳造部にもたらす。従って、少なくとも15.0%以上含有させる。一方で、Cr炭化物やCr窒化物の過剰な生成は延性低下を招くため、含有量の上限は40.0%とする。なお、Crの含有量は22.0%〜35.0%がより望ましい。
Ni:18.0%〜55.0%
Niは、繰返し耐酸化性及び金属組織の安定性の確保、高温クリープ強度の確保、及び、遠心力鋳造部のオーステナイト化の安定化に必要な元素である。また、Crと共に、高温強度、耐酸化性の向上に寄与する。さらに、Niの含有量が少ないと、Feの含有量が相対的に多くなり、Al酸化物の生成を阻害する。このため、少なくとも18.0%以上含有させる。一方、過度にNiを添加しても、その効果は飽和し、また、経済的にも不利であるため、その上限を55.0%とする。なお、Niの含有量は29.0%〜46.0%がより望ましい。
Al:1.0%〜5.5%
Alは、遠心力鋳造部にAl酸化物を形成するために必要不可欠な元素である。Al酸化物の形成により、Cr酸化物と共に、遠心力鋳造部の耐浸炭性を向上させる。また、AlはNiと共にγ’相を形成し、遠心力鋳造部のオーステナイト相を強化する。このため、Alは1.5%以上含有させる。しかし、Alの過度の添加は、延性の低下を招き、また、γ’相が不安定となり、脆化相の生成を招く。さらに、Alの過度の添加は、鋳造性の悪化を招き、遠心力鋳造部の清浄度を低下させる。従って、その上限を5.5%とする。なお、Alの含有量は2.0%〜4.5%がより望ましい。
Ti:0.01%〜0.6%、及び/又は、Nb:0.1%〜1.8%からなる群より選択される少なくとも1種
Ti、Nbは、炭化物を形成し易い元素であり、クリープ破断強度の向上、高温引張強度の向上に寄与する。また、Nbは、時効延性の向上にも寄与する。従って、Ti:0.01%以上、Nb:0.1%以上の少なくとも1種を含有させる。一方で、これら元素の過度の添加は、延性の低下を招く。そして、Nbは、Al酸化物層の耐剥離性の低下を招くと共に、耐酸化性を低下させる。また、Tiの過度の添加は、Ti酸化物の生成を促し、遠心力鋳造部の清浄度を低下させる。従って、その上限は、Ti:0.6%、Nb:1.8%とする。なお、Tiの含有量は、0.05%〜0.30%、Nbは0.1%〜1.3%がそれぞれより望ましい。
その他、遠心力鋳造部には、下記元素を含有することができる。
希土類元素(REM):0%を超えて0.4%
REMは、周期律表のLaからLuに至る15種類のランタン系列に、Y、Hf及びScを加えた18種類の元素を意味するが、遠心力鋳造部に含有させるREMは、Ce、La、Ndが主体であり、これら3元素が合計量で希土類元素全体の約80%以上占めることが好ましく、より好ましくは約90%以上である。REMは、Al酸化物層の安定化に寄与し、活性金属であるため酸化皮膜の密着性を高めることができる。また、REMは、炉内の温度変化に伴う酸化物層のスポークリング破壊を防止し、さらには、母材に固溶して耐酸化性の向上に寄与するため含有することが望ましい。一方で、REMは、優先的に酸化物を形成し、母材の清浄度、延性の低下を招くため、上限を0.4%とする。なお、REMの含有量は0.01%〜0.30%がより望ましい。
W:0%を超えて5.0%以下、及び/又は、Mo:0%を超えて2.0%以下
W、Moは、母材に固溶し、母材のオーステナイト相を強化しクリープ破断強度を向上させるため、何れか一方又は両方を含有することが望ましい。しかしながら、W、Moの過度の含有は延性や耐浸炭性の低下を招き、また、とくに1050℃以下の温度でAl酸化物の生成する場合に、その形成を阻害する。また、W、Moの過度の含有は、母材の耐酸化性の低下を招く。従って、Wの上限は5.0%、Moの上限は2.0%とする。なお、Wの含有量の上限は3.0%、Moは1.0%がより望ましい。
また、遠心力鋳造部の各含有元素は、図1に示すように、
Pa=−11.1+28.1×C+29.2×Si−0.25×Ni−45.6×Ti+18.0×REM−16.6×Nb、
Ya=−13.75×Al+63.75としたときに、
Pa<Yaであることが望ましい。なお、Pa値として、上記に表示した元素が含まれない場合には、当該元素の値はゼロとして取り扱う。
Pa値とYa値が上記式を満足することにより、遠心力鋳造部の溶接性と耐酸化性(Al酸化物層の形成)を確保できる。
上記Pa値は、C、Si、Ni、Ti、REM、Nbの各元素の含有量に関するものであり、これら各元素の含有量とAlの含有量を種々変えた供試遠心力鋳造部を作製した。そして、各供試遠心力鋳造部に対し、後述する実施例におけるビード置き試験を実施し、試遠心力鋳造部の溶接性に関するデータを取得した。得られたデータから溶接性に影響を与える元素の影響係数を回帰分析により求めたものである。
Pa値は、その影響係数を参照すると、プラスであるC、Si、REMはそれぞれ溶接性に悪影響を与える元素であり、数値(絶対値)が大きいほど、その悪影響度合いが大きいことを意味する。また、影響係数がマイナスであるNi、Ti、Nbは、溶接性を向上させる元素であり、数値(絶対値)が大きいほど、好影響を与えることを意味する。
図1は、供試遠心力鋳造部のPa値を縦軸、Alの含有量を横軸としてプロットしたものであり、溶接性が良好であったものを菱形、溶接性が不十分であったものを四角でプロットしている。
供試遠心力鋳造部にAl酸化物層が良好に形成され、耐酸化性を具備するためには、上記したAlの含有量の範囲(Al:1.0%〜5.5%)とする必要がある。このAl含有量の範囲を拡大したグラフを図2に示している。図2を参照すると、Pa値とAl酸化物層が良好に形成されるAlの含有量について、溶接性にすぐれる集団と、溶接性が不十分である集団が明確に領域分けされていることがわかる。このグラフから、溶接性に基づいて、Alの含有量を含むYa値を相関関係が明瞭に分析できたことがわかる。
そして、これら集団を分断するAlの含有量に基づく直線Ya値が、Ya=−13.75×Al+63.75として決定することができた。すなわち、Al:1.0%〜5.0%の範囲において、Pa<Yaを満足することで、耐酸化性にすぐれ、溶接性にすぐれる遠心力鋳造部を得られることがわかる。
遠心力鋳造部は、遠心力鋳造によりたとえば筒状に形成され、鉄鋼製品を構成するアスクルや軸部等の基材と溶接することで、鉄鋼製品を作製することができる。遠心力鋳造部は、溶接性にすぐれるから、基材との溶接も良好に行なうことができ、十分な接合強度を確保できる。
基材は、たとえば静置鋳造により作製することができ、この静置鋳造部は、機械的性質の低下や溶接性の低下を抑制するためにAlを含有しない材料とすることが好適である。
鉄鋼製品において、遠心力鋳造部は、鋼材と接触する表面に形成することができる。この場合、遠心力鋳造部の表面にAl酸化物層を形成するAl酸化物層形成処理が必要となる。Al酸化物層形成処理は、独立した工程として、鉄鋼製品を酸化雰囲気において熱処理することで実施することができるし、加熱炉内に鉄鋼製品を設置して、使用される際の高温雰囲気において実施することもできる。
Al酸化物層形成処理は、酸素を1体積%以上含む酸化性ガス、スチームやCOが混合された酸化性雰囲気において、鉄鋼製品を900℃、望ましくは1000℃、より望ましくは1050℃以上の温度で熱処理することが好適である。熱処理時間は1時間以上が好適である。
鉄鋼製品にAl酸化物層形成処理が施されることで、遠心力鋳造部が酸素と接触し、母材表面に拡散したAl、Cr、Ni、Si、Fe等が酸化して酸化物層を形成する。このとき、上記温度範囲での熱処理とすることにより、Cr、Ni、Si、Feよりも優先してAlが酸化物を形成する。また、母材中のAlも表面に転移して酸化物を構成し、Alを主体とするAl酸化物層が形成される。
得られた鉄鋼製品は、遠心力鋳造部が溶接性にすぐれるから、溶接割れ等を生じることなく、強固に基材と接合されており、機械的特性にすぐれる。また、遠心力鋳造部の機械的特性にすぐれ、表面に形成されたAl酸化物層によって、高温雰囲気下での使用において、すぐれた耐酸化性を発揮できる。従って、鉄鋼製品は、高温雰囲気で鋼材と接触するハースロールやコイラードラムに良好に使用することができる。
なお、遠心力鋳造部の表面には、必要に応じて、セラミックの溶射を行ない、遠心力鋳造部の表面にセラミック溶射層を形成することもできる。
遠心力鋳造により表1に掲げる合金組成(単位:質量%、残部Fe及び不可避的不純物)の遠心力鋳造部の供試片(耐酸化性試験用供試片:厚さ25mm×3個、溶接性を確認するためのビード置き試験用供試片(発明例のみ):厚さ25mm以下と25mm以上)をそれぞれ作製した。発明例は供試No.101〜110、比較例は供試No.201〜206である。表1中、REMは、Ce、La、Yの合計量を示している。なお、発明例は、何れも本発明の成分組成の範囲に入っているが、比較例の供試No.201〜204は、Alゼロ、供試No.205及び206はAl過少の比較例であり、該当部分に「*」を付している。
Figure 2019085605
また、表1の各供試片について、PaとYaを算出し、これらの大小関係を比較した。表1中、Pa<Yaを満足する供試片について、「Pa<Ya」の欄にチェックマークを記入している。表1を参照すると、供試No.103、109、110、205及び206は、何れもPa<Yaを満たしていない供試片であることがわかる。
<耐酸化性試験>
供試片の重量を測定した後、1000℃の加熱炉(大気雰囲気)の中で100時間保持し、加熱後の供試片表面のスケールを酸溶液で除去し、再度重量を測定した。そして、各供試片の加熱前後の重量変化量から酸化減量を算出し、1時間当たりの酸化減量(mg/cm・h)の平均を求めた。結果を表1中「耐酸化性」に示す。また、耐酸化性について、表1中「評価」に示すように、酸化減量が0.1mg/cm・h以下を評価「A」、0.3mg/cm・h以下を評価「B」、1mg/cm・h以下を評価「C」、1mg/cm・hを超えるものを評価「D」とした。
表1を参照すると、発明例は何れも評価「A」又は「B」であり、評価「C」又は「D」である比較例に比べて酸化減量が小さく、耐酸化性にすぐれることがわかる。これは、発明例の供試片について、表面にAl酸化物が生成し、それ以上の酸化を抑制したためである。一方、比較例の供試片は、表面にCr酸化物及びSi酸化物が生成し、これらはAl酸化物に比較し緻密性が低く、酸素の侵入防止機能が十分ではなく、酸化を抑えることが出来なかったためである。
発明例どうしを比較すると、供試No.102、103、106、108〜110は評価が「A」であり、とくに耐酸化性にすぐれることがわかる。これは、Al濃度が高めであり、酸化物層を形成しやすいCr濃度が比較的低かったこと等により、特にすぐれたAl酸化物層が形成されたためと想定される。
<ビード置き試験>
表1に示す発明例の供試片(厚さ:25mm以下と25mm以上の2種類)について、下記要領でビード置き試験を実施し、溶接による割れ性を判定した。
ビード置き試験に先立ち、供試片の試験面にグラインダーにより機械加工を施し、表面を滑らかにした。試験面は、溶接開先となる部分及び溶接による熱影響を受ける部分である。
また、液体浸透探傷試験を各供試片の試験面に実施し、試験面に割れがないことを確認した。
試験面が健全であることが確認された供試片に対し、TIG溶接により表2に示す条件ビード置き試験を行なった。ビードはストレートビード、ビード長は50〜100mmである。
Figure 2019085605
なお、本試験の施工順序は、A法による試験の後、液体浸透探傷試験にて欠陥が見つかった場合に、B法の試験を実施した。
図2及び表3にA法(フィラーメタル(溶接棒):無)及びB法(フィラーメタル:有)によるビードの判定基準を示す。なお、B法では、微小な割れでも判定は「OUT」としている。
Figure 2019085605
上記試験の結果、A法により厚さ25mm以下、厚さ25mm以上の何れの供試片についても欠陥が見つからなかった供試片は、割れ性の評価「A」、A法により欠陥が見つかったが、B法により欠陥が見つからなかった供試片は、割れ性の評価「B」、B法でも欠陥が見つかった供試片は、割れ性の評価「C」として評価した。結果を表1中「割れ性」に示している。
表1を参照すると、発明例である供試片は、供試No.101、102、104乃至108が評価「A」、供試No.103、109及び110が評価「B」であった。
発明例について検討すると、割れ性の評価が「A」であった供試片は、何れもPaよりYaが大きく、Pa<Yaであったことがわかる。
<総合判定>
各供試片について、耐酸化性試験とビード置き試験の評価が何れも「A」であるものを総合判定「A」、一方が「A」、他方が「B」のものを総合判定「B」、評価「C」又は「D」を含むものを総合判定「C」として判定した。結果を表1中「総合判定」に示している。表1を参照すると、発明例の供試片は何れも判定「A」又は「B」、比較例の供試片は何れも判定「C」であった。すなわち、発明例の供試片は、溶接時に割れが生じ難く、比較例の供試片に比して、耐酸化性にすぐれていることがわかる。従って、本発明の鉄鋼製品は、鋼片や鋼板などの鋼材と接触して使用されるハースロール、コイラードラムなどへの適用に極めて好適である。
上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
10 ビード
12 クレーター
14 割れ
16 点状欠陥

Claims (9)

  1. 鋼材と接触して使用される鉄鋼製品であって、
    遠心力鋳造部を有し、
    前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
    C:0.2%〜0.7%、
    Si:0%を超えて2.0%以下、
    Mn:0%を超えて3.0%以下、
    Cr:15.0%〜40.0%、
    Ni:18.0%〜55.0%、
    Al:1.0%〜5.5%、及び、
    Ti:0.01%〜0.6%、及び/又は、Nb:0.1%〜1.8%からなる群より選択される少なくとも1種を含有し、
    残部Fe及び不可避的不純物からなる、
    鉄鋼製品。
  2. 前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
    希土類元素(REM):0%を超えて0.4%を含有する、
    請求項1に記載の鉄鋼製品。
  3. 前記遠心力鋳造部は、質量%にて、
    W:0%を超えて5.0%以下、及び/又は、Mo:0%を超えて2.0%以下を含有する、
    請求項1又は請求項2に記載の鉄鋼製品。
  4. 前記遠心力鋳造部は、
    Pa=−11.1+28.1×C+29.2×Si−0.25×Ni−45.6×Ti+18.0×REM−16.6×Nb
    Ya=−13.75×Al+63.75
    としたときに、
    Pa<Ya
    である、
    請求項1乃至請求項3の何れかに記載の鉄鋼製品。
  5. 前記遠心力鋳造部は、遠心力鋳造により形成され、静置鋳造により形成された静置鋳造部に溶接して装着される、
    請求項1乃至請求項4の何れかに記載の鉄鋼製品。
  6. 前記静置鋳造部は、Alを含有しない、
    請求項5に記載の鉄鋼製品。
  7. 前記遠心力鋳造部は、前記鋼材と接触する表面に形成される、
    請求項1乃至請求項6の何れかに記載の鉄鋼製品。
  8. 前記遠心力鋳造部の表面には、セラミック溶射層を有する、
    請求項1乃至請求項6の何れかに記載の鉄鋼製品。
  9. 前記鉄鋼製品は、ハースロール又はコイラードラムである、
    請求項1乃至請求項8の何れかに記載の鉄鋼製品。
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