JP2541092B2

JP2541092B2 - 肉厚大型などの耐摩耗鋳鉄材の製造方法

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Publication number: JP2541092B2
Application number: JP5047329A
Authority: JP
Inventors: 勉戸川
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH06240403A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性に優れ、かつ靭
性も具えた大型肉厚材に好適な耐摩耗鋳鉄材の製造方法
に係る。

【０００２】

【従来の技術】産業上の各種設備において摩耗的な使用
条件に曝される部材が多くあり、その耐用期間を長く保
つため耐摩耗性に優れた材質が開発され実用化されてい
る。耐摩耗性を最も決定的に支配するのは、材料の硬度
であり、ほぼ比例的な関係にあることが経験的に実証さ
れている。その意味で最も古くから多くの分野で適用さ
れてきたのがＣｒを大量に配合した高クローム鋳鉄であ
り、１０〜３０％に亘る広い範囲で多くの規格化された
材質が実用に供されている。すなわち、Ｃｒは原料コス
トが比較的廉価であり、鋳鉄成分中の高いＣと結合する
と硬度の高いＣｒ_７Ｃ_３を大量に析出して基地のマルテ
ンサイトとともに硬度の高い耐摩耗鋳鉄を形成するので
ある。

【０００３】耐摩耗性の要求される部材といっても、そ
の使用条件には千差万別の隔たりがあり、きわめて多様
化しているのが現状である。今日は鋳鉄の耐摩耗性を向
上するための成分添加や熱処理の方法についての研究開
発も進み、一般的な原則も打ち立てられて共通の公知技
術となっている。しかし、単に耐摩耗性を向上させるだ
けであれば前述のように硬度さえ高くすればよいが、実
際の使用条件においては耐摩耗性とともにある程度の靭
性を具えていないと、僅かの衝撃、振動などの外力が原
因となって破断したり亀裂が走ったりする懸念が高い。
特に大型の部材や交叉する複数の面を組合せた比較的複
雑な形状の部材に対しては、この懸念がますます増大す
ることは言うまでもない。たとえば圧延機用のロールで
は、圧延製品の鋼板の材質が高級化して、成形加工する
場合の抵抗が増加し高圧圧延の必要性がますます求めら
れる一方、製造原価の面からは省エネルギーが声高に叫
ばれて圧延時の低温化の傾向がますます拍車をかけてい
る。この要請がロール材の品質の上に反映して、従来に
勝る厳しい使用条件に堪え得る優れた材料が求められる
ようになり、高クローム鋳鉄のなかでも硬度と靭性のバ
ランスを見比べてＣｒ１５％を中心として１０〜２７％
Ｃｒを含む合金鋳鉄がほぼ主流を占めるに至っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、言うまでもな
く従来の高クローム鋳鉄が大型耐摩耗材として万全であ
るとは到底評価できない。硬度自体も焼入硬化後の状態
でＨ_ＲＣ５８〜６２、基地硬さはＨ_ＭＶ６６０〜７８０
程度しか期待できず、耐摩耗性がなお不十分であること
は明らかである。しかもロール材のような肉厚の大型部
材に適用するときには、肉厚感受性が大きいために熱処
理時に割れが生じ易いという大きな課題があり、またロ
ール材の表面近くと深部とではかなりの硬度差が目立
ち、摩耗による表面の退入とともにその耐摩耗性が低下
していくという課題も加わる。

【０００５】このようなＣｒ単体の添加による高硬度材
料では硬度の点でも、また、大型部材への適用の点で
も、また、一定の靭性確保の点でも限界があることに着
目して種々の添加元素の同時添加による相乗的な効果を
狙う従来技術が多く提案されている。たとえば、特開平
２−１１５３４３号公報ではＣ：２．８〜３．５％、Ｍ
ｏ：１．０〜３．０％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｎｉ：
０．５〜２．０％、を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的
な不純物よりなる高クローム鋳鉄に、Ｔｉ：２〜５％添
加するとともに、Ｎを含有させてＴｉＣおよびＴｉＣＮ
を組織内へ分散させてきわめて高硬度の材料を得たと開
示している。確かにＭＣ形の炭化物は従来のＭ_７Ｃ_３形
の炭化物よりも遥かに硬度が高く、従来の高クローム鋳
鉄の限界を大きく超えた耐摩耗性の得られることは予想
できる。しかし、そのために高価なＴｉをそれも相当な
配合率で添加することは、製造材料費の大幅な高騰を余
儀なくし、大型の消耗取替え部材へ適用するには相当逡
巡巡せざるを得ないという弱点が見逃せない。同様に特
開昭６１−４２５５３号公報においても、Ｃ：２．５〜
３．５％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜
１．５％、Ｃｒ：１０〜２５％、Ｎｉ：３％以下、Ｍ
ｏ：３％以下、Ｔｉ：５〜２０％、を含有し、残部Ｆｅ
および不可避的な不純物よりなり、靭性、耐摩耗性の両
者が優れた合金鋳鉄を開発したと謳っている。しかし、
前記の従来技術と同様、高価なＴｉを最大２０％も配合
しなければ発明が成立しないという原価上の大きな負担
は、得られる効果を考慮してもなお課題であると指摘し
ても不当とは考えられない。

【０００６】今日の耐摩耗性材の研究開発レベルは、既
に周知とされる一般的な原則から一歩踏み出して値々の
製品用途に細分化された特性に着目し、それぞれ他の製
品と共通する一般的、普遍的技術から抜きん出た特殊な
要件を探索する段階に入ってきた。たとえば、同じＣｒ
系の耐摩耗性鋳鉄であっても、Ｆｅ基焼結材料の改善に
係る特開昭５９−１６９５２号公報、カムシャフトやバ
ルブと高圧で当接するロッカーアームに係る特開平２−
６４２０８号公報、または寸法安定性を重視したゲージ
ブロック用材に係る特公平４９−９９３４など、いずれ
も細分化した個別の製品に最適の独自の限定要件を提示
している。したがって本発明としても特に大型の耐摩耗
性部材や複雑な形状の部材に課題を絞り、高価な添加成
分を比較的低く抑制しつつも、硬度が高くて耐摩耗性に
優れ、しかも応分の靭性にも恵まれてロール材のような
大型肉厚部材に好適な耐摩耗鋳鉄の製造方法の提供を目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る耐摩耗鋳鉄
の製造方法は、重量％で、Ｃ：２．８〜３．６％、Ｓ
ｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．８％、Ｃ
ｒ：１０〜２０％、Ｎｉ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：
１．０〜２．０％、Ｗ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．５
〜１．２％、Ｂ：０．２％以下を含有し、残部Ｆｅおよ
び不可避的な不純物の成分よりなる耐摩耗鋳鉄を鋳造
後、それそれの鋳造材が固有に含有するＣｒ％からＴ（℃）＝Ｃｒ（％）×７＋８６５±２０の範囲内で個別に計算した温度Ｔより空中で強制空冷し
て常温に至り、内部応力を軽減すると共に割れや歪みの
発生を予防したことによって前記の課題を解決した。

【０００８】

【作用】本発明の従来技術に対する際立った特徴は、そ
の一つは高価な添加元素を比較的低率の配合に抑え、組
み合せの妙によって最大の相乗効果を得られるように図
ったことであり、いま一つは最高の硬度の得られる熱処
理（焼入）温度がＣｒの含有率によって有意差の認めら
れた変遷の起ることを実験的に見出され、この点に着目
して業界で始めて成分と熱処理温度との限定的な要件を
確立した点にある。

【０００９】まず、成分的な限定理由を各元素別に説明
する。Ｃは２．８％以下の場合には晶出および析出する
炭化物の量が少ないために高い硬度が得られず、したが
って優れた耐摩耗性が発揮できない。また、Ｃが３．６
％を超えると過共晶組成となり、靭性が低下して使用時
に割れの発生する危険性が否定できなくなる。したがっ
てその含有量は２．８〜３．６％、好ましくは３．０〜
３．４％に制限する。Ｓｉは主として溶湯の脱酸を目的
として精練時に添加されるものであるが、０．２％を下
回ると鋳造性を低下する。また、１％を超えるとトルー
スタイトを生成して耐摩耗性を低下させるし、靭性につ
いても好ましい傾向を示さない。したがってその含有量
は０．２〜１．０％、好ましくは０．３〜０．８％に制
限する。Ｍｎは溶湯の脱酸のために０．５％は必要であ
るが、１．８％を超えると残留オーステナイトが増加し
て硬度の低下を招く。したがって０．５〜１．８％、好
ましくは０．８〜１．５％に制限する。Ｃｒは１０％以
下では形成されるクローム炭化物の量が少なく高硬度の
組織が得られず、耐摩耗性が劣る。しかし、２０％を超
えると過共晶組成となって靭性が著しく低下し、製造
中、または使用中に亀裂の発生する危険が大きくなる。
大物肉厚品については特にこの点を重視して１０〜２０
％、好ましくは１３〜１７％に制限する。Ｎｉは焼入性
を向上させるために０．５％以上は必要であるが、１．
５％を超えると、残留オーステナイトが増加して硬度低
下の原因となるので０．５〜１．５％、望ましくは０．
７〜１．３％に制限する。Ｍｏは冷却速度の遅くなる肉
厚製品において析出しやすいトルースタイトの生成を抑
制する特性があるので１．０％以上が必要である。同度
にクローム炭化物よりも硬度の高い複合炭化物（Ｃｒ−
Ｍｏ）_７Ｃ_３を形成して硬度の上昇に貢献する。しか
し、２．０％を超えても、この作用に大きな変化がな
く、原料費の増大に見合うだけの効果が期待できないの
で１．０〜２．０％、好ましくは１．２〜１．７％に制
限する。Ｗは硬度を高めるのに有効な成分で０．２％以
上配合する必要がある。しかし、０．８％を超えると靭
性が低下するので、０．２〜０．８％、好ましくは０．
３〜０．７％に制限する。ＶはＣと結合して硬度が１ラ
ンク上のＭＣ形の炭化物を形成するので従来から大量に
配合されてきた。耐摩耗性の向上、結晶粒の微細化、靭
性の向上など高クローム鋳鉄の材質改善にはきわめて有
効な成分とされている。しかし、本発明では他の添加成
分との相乗的な効果に依存して配合率自体は最低限に抑
制するという発明の基本的な姿勢から、０．５〜１．２
％、好ましくは０．６〜１．０％で十分に目的を達成す
ると判断した。Ｂは炭化物を微細化させる有効な成分で
あるが、０．２％以上となると靭性低下の傾向が著しく
なるので、この数値を以て上限とし、好ましくは０．０
７〜０．１３％程度に抑制する。以上のように本発明の
成分範囲は極力添加成分の配合率を切り詰め、その相乗
的な作用を最大限に発揮させることを主眼においてい
る。特に１５％Ｃｒを中心とする材質では、Ｃｒ％が下
がると共晶点が上がるので亜共晶組織の領域を適用する
のが常道とされている。この領域内でＣｒを下げた場合
にはＣを高くすることができるから、炭化物の析出量が
増加し耐摩耗性の向上に良い影響を与えることができる
という利点を最大に利用すべきである。

【００１０】本発明の他の作用の特徴は、従来の高クロ
ーム鋳鉄の熱処理が単に漠然と９００〜１１００℃から
の空気中への強制放冷としていたのに対し、慎重な実験
の結果から特定の有意差な関係が隠れていることを発見
し、これをベースとした極く狭い温度範囲に限定した特
別の数値関係を要件に掲げたことである。この基本とな
る実験資料は実施例において説明するが、Ｔ（℃）＝Ｃｒ（％）×７＋８６５±２０なる数式によってＣｒ％が変動するにつれて、最高硬度
の得られる焼入温度が移動していく特定の関係を焼入条
件とし、従来に比べて遥かに狭い熱処理温度範囲を設定
することによって発明の目的達成を果したのである。こ
のことは従来からこのタイプの高Ｃｒ鋳鉄材の焼入温度
が周知の９００〜１１００℃の範囲内であれば、ほとん
ど何の考慮も払わずに恣意に選んでいた現実に反し、確
実に計算し尽くした作用と裏付けされた効果に基づいて
精緻に温度を管理するものであり、従来、漠然と設定し
ていた焼入温度と結果的に一致する場合があったとして
も、両者の技術的根拠に大きな隔たりがあることは言う
までもない。

【００１１】

【実施例】表１は本発明の実施例および比較のために同
一方法で調整した比較材の成分表である。

【００１２】

【表１】

【００１３】各供試材は５０ＫＧ高周波誘導炉によって
溶解して最高加熱温度を１６６０℃とし、１４２０℃で
ＣＯ_２ガス鋳型である８０ｍｍ厚さのＹブロックへ鋳造
した。各供試材は鋳造後それぞれ所定の焼入（所定温度
からの強制空中放冷）処理を施し、硬度測定（Ｈ_ＲＣ、
Ｈｍｖ）、摩耗試験（衝撃摩耗、加圧摩耗）、衝撃試験
を実施した。衝撃摩耗試験は直径２０ｍｍの石英斑岩中
を周速１．５７ｍ／ｓｅｃ×２０分継続し、加圧摩耗は
回転するラバーホィールの表面へ試料を押し付け、その
間へ６号珪砂を流し込むもので、周速１．５７ｍ／ｓｅ
ｃ×６０分で乾式の摩耗試験を行なった。表２はこの硬
度、摩耗試験、衝撃試験の実施例と比較材の結果をまと
めたものである。ここで摩耗試験の結果を示す数値は耐
摩耗倍数と呼び、基準材である普通炭素鋼（ＳＳ４０
０）と比較した耐摩耗性の倍率を採用してそれぞれの耐
摩耗性を表示している。

【００１４】

【表２】

【００１５】表からも明らかなように、Ｈ_ＲＣ（マクロ
硬度）はほぼ８５以上、基地（マトリックス）のＨｍｖ
は７２０以上、最高では８００を超える高硬度が記録さ
れた。

【００１６】他の成分がほぼ等しく揃えＣｒだけを大幅
に変動してみると、表１、表２から判断してＣｒが高く
なるにつれて硬度が高くなるとは限らず、むしろＣｒが
１３〜１７％の範囲に最高硬度があり、本発明について
はＣｒの挙動をさらに詳細にチェックすることが必要で
あることを示唆している。この意図のもとに実施したの
がＣｒ％の変動と諸性質との相関関係である。すなわ
ち、図２はＣｒ％と引張り強さＮ／ｍｍ^２、およびシャ
ルピー衝撃値Ｊ／ｃｍ^２の関係を示している。また、図
３はＣｒ％とマクロ硬度（Ｈ_ＲＣ）および基地ミクロ硬
度（Ｈｍｖ）をそれぞれ示したものである。図４はＣｒ
％と耐摩耗倍数（ＳＳ４００を１として対比）と、基地
ミクロ硬度（Ｈｍｖ）をそれぞれ示す。また、図５は各
段階のＣｒ％を含む高クローム鋳鉄の耐摩耗倍数（同）
と基地ミクロ硬度（同）を総括的に表示したものであ
り、各数値からみて１５％Ｃｒ鋳鉄が一番優れた性質を
具えていることが明示されている。

【００１７】ここまでの図表はすべて同一の焼入温度に
よって各試料を熱処理してＣｒ％と諸性質との関連性を
探知していったものであるが、図６は各Ｃｒ％毎に焼入
温度を変えて熱処理し、Ｃｒ％と熱処理温度と得られる
硬度（Ｈ_ＲＣ）との関係をプロットした図表である。図
が明確に現わすように、Ｃｒ％が高くなるにつれて最高
硬度の得られる焼入温度は高くなるという傾向が確認さ
れ、この関係から最高硬度の得られる温度とＣｒ％との
相関性を取り出したものが図１である。すなわち、図１
における右上がりの関係を±２０℃の誤差範囲内におい
て、Ｃｒ％を変数とする一次式で表示することができ、
焼入温度の有利な設定に大きな目安を得ることが容易と
なった。

【００１８】

【発明の効果】本発明は以上に述べたように、比較的低
率の合金元素配合によって従来の高クローム鋳鉄の水準
を抜く高硬度を得て、優れた耐摩耗性を保証できる材質
を創成した。しかも、配合されたＣｒ％と最高硬度の得
られる焼入温度との間には、従来漠然と信じられていた
傾向とは全く異なる意外な相関関係があり、この関係を
利用すれば、たとえば、Ｃｒ％を比較的低い範囲に留め
て、比較的低い焼入温度から熱処理をすることが最も賢
明であることが判明する。これは単に省エネルギーや低
材料コストを実現できるだけに留まらず、肉厚大型部材
や比較的複雑な形状の部材を製品化する上で、内部応力
を軽減し割れや歪みを防止するための必須の要件を満足
するものであり、大きな利点に直結する効果をもたら
す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の要件（焼入温度の計算式）を実証する
図表である。

【図２】Ｃｒ％と引張り強さ、シャルピー衝撃値の関係
を示す。

【図３】Ｃｒ％とマクロ硬度、基地ミクロ硬度の関係を
示す。

【図４】Ｃｒ％と耐摩耗倍数、基地ミクロ硬度の関係を
示す。

【図５】各種高クローム鋳鉄の耐摩耗倍数、基地ミクロ
硬度の比較データである。

【図６】Ｃｒ％と焼入温度と得られる硬度の関係を示
す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：２．８〜３．６％、Ｓ
ｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．８％、Ｃ
ｒ：１０〜２０％、Ｎｉ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：
１．０〜２．０％、Ｗ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．５
〜１．２％、Ｂ：０．２％以下を含有し、残部Ｆｅおよ
び不可避的な不純物の成分よりなる耐摩耗鋳鉄を鋳造
後、それそれの鋳造材が固有に含有するＣｒ％からＴ（℃）＝Ｃｒ（％）×７＋８６５±２０の範囲内で個別に計算した温度Ｔより空中で強制空冷し
て常温に至り、内部応力を軽減すると共に割れや歪みの
発生を予防したことを特徴とする肉厚大型などの耐摩耗
鋳鉄材の製造方法。