JP3840329B2

JP3840329B2 - 耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄

Info

Publication number: JP3840329B2
Application number: JP03639698A
Authority: JP
Inventors: 昌吾村上; 隆成奥田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: JPH11229070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、破砕機のライナ等の様に摺動摩耗を頻繁に受ける構造部材の素材として有用な耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄に関し、殊に大型部材に適用してもマクロ偏析がなく、しかも過酷な摩耗環境下でも優れた耐摩耗性を発揮することのできる高Ｃｒ鋳鉄に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
破砕機のライナ等の耐摩耗部材の素材としては、耐摩耗性と靱性を合わせ持つ高Ｍｎ鋳鋼がよく使用されてきた。この高Ｍｎ鋳鋼はマトリックスがオーステナイトで靱性が非常に高く、また摩耗面近傍は衝撃や塑性変形による双晶変形や積層欠陥により、顕著に加工硬化が生じて非常に硬くなることが知られている。即ち、高Ｍｎ鋳鋼は表面は硬く内部は靱性に優れるという特性を合わせ有するものであり、こうした特性は破砕機のライナ等の様に摺動摩耗や衝撃を頻繁に受ける耐摩耗部材には理想的な素材であると考えられている。しかしながら、破砕物によってはライナが受ける衝撃が小さくなり、高Ｍｎ鋳鋼に期待する加工硬化が生じずに摩耗が著しく大きくなることがある。
【０００３】
そこで、そのような場合にはマルテンサイト系鋳鋼や高Ｃｒ鋳鉄という初期硬度（加工硬化前の硬度）の高い材料を使用せざるを得ないが、摩耗部材の寿命、コストおよび鋳造性を考慮すると高Ｃｒ鋳鉄が優れていると言われている。こうした高Ｃｒ鋳鉄としては、例えば特開昭５７−５８４４号、特開昭５７−８９４５３号、特開平２−１１５３４３号、特開平６−２４０４０３号等、様々提案されている。
【０００４】
近年、環境保全の観点から、骨材原料である砂を河川や海底から採取することが規制される様になり、岩石をなるべく効率良く小さい粒径にまで破砕してそれを骨材とすることが余儀なくされている。しかしながら、岩石が小さくなると、破砕機のライナの摩耗が極めて大きくなり、こうしたライナの素材としては上記の様な高Ｃｒ鋳鉄では耐摩耗性が不十分であり、耐摩耗性を更に向上した高Ｃｒ鋳鉄が必要とされている。
【０００５】
こうした状況のもとで、或はこうした状況になることを予想し、高Ｃｒ鋳鉄の耐摩耗性を更に高める為の技術も様々開発されている。こうした技術としては、例えば特公昭５１−２９４９３号、特開昭６４−４２５５３号、特公平１−１２８２８号、特公平６−２４０４０３号等が挙げられる。これらの技術は、ＴｉまたはＶを添加することによって、高Ｃｒ鋳鉄で主に析出するＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物以外に高硬度のＭＣ型炭化物（即ち、ＴｉＣやＶＣ等）を分散させ、これによって耐摩耗性を向上させたものである。しかしながら、こうした技術においても下記の様な問題が生じており、更なる改良が望まれているのが実情である。
【０００６】
ＴｉＣの比重は４．９ｇ／ｃｍ³ 程度であり、高Ｃｒ鋳鉄の液相の比重（６．７〜６．８ｇ／ｃｍ³ 程度）と比べて遥かに小さく、こうした比重の違いによって重力偏析が生じ、こうした重力偏析は部材の局部摩耗を引き起こすという問題がある。特に、近年では岩石の破砕効率を上げる為に破砕機が大型化する傾向にあり、それに伴って使用されるライナも大型化していることから、上記の様な重力偏析は生じやすい状況下にある。また重力偏析の程度は、製品形状やサイズ、更には鋳造条件によっても大きく変化するので、おのずとライナーの寿命のバラツキが大きくなり、ユーザの生産計画を狂わせることにもなりかねない。こうした重力偏析の問題に加えて、溶解中にＴｉＣが浮上するのでＴｉの歩留りが悪く、得られる耐摩耗性の割りにはコスト高なものとなる。
【０００７】
一方、Ｖを添加した場合には、Ｔｉを添加した場合と異なり、液相からの晶出よりもむしろマトリックスに微細に析出する傾向があり、焼入れによって得られるマルテンサイト中のＣ濃度が低下することになり、その結果、マトリックスの硬さが低下することになる。またＶを少量添加したときに晶出するＭＣ炭化物（即ち、ＶＣ）は、サブミクロン以下の微細なものが主体であるが、こうした微細なＭＣ炭化物は耐摩耗性の向上には寄与しない。
【０００８】
これらの理由によって、Ｖを添加することによって得られる耐摩耗性向上効果はごくわずかである。従って、Ｖ添加によって耐摩耗性を向上させるには、Ｖを多量添加して大型のＶＣを晶出させる必要があるが、そうするとＶＣの比重が４．５ｇ／ｃｍ³ 程度であることから、前述したＴｉＣと同様に比重差による重力偏析が生し、また歩留りが低く、コスト高になるという問題が生じる。
【０００９】
上記した重力偏析の発生を防止する技術として、例えば特公昭６０−５１５４８号には、ＮｂとＶと複合添加することも提案されている。しかしながら、Ｖについては上述した様に、マトリックスの硬さを低下させて耐摩耗性を劣化させるという問題が依然としてあり、またこの技術で規定されているＣｒおよびＣの濃度ではＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物の生成量が少なく、耐摩耗性が不十分である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、こうした状況下になされたものであって、その目的は、従来使用されてきた高Ｃｒ鋳鉄では耐摩耗性が不十分となる程度の過酷な摩耗環境下でも優れた耐摩耗性を発揮することができ、しかも大型部材に適用してもマクロ偏析がなく経済的な高Ｃｒ鋳鉄を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の高Ｃｒ鋳鉄とは、Ｃ：３．０〜４．０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｍｏ：１．５〜３．０％、Ｓｉ：０．３〜１．０％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：２〜５％を夫々含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、
下記（１）式を満足するものである点に要旨を有するものである。
７．５≦［Ｎｂ］／（［Ｃ］−２．８）≦９ …（１）
但し、［Ｎｂ］および［Ｃ］は、夫々Ｎｂ，Ｃの含有量（質量％）を示す。
【００１２】
また本発明の高Ｃｒ鋳鉄では、Ｔｉを２％以下（０％を含まない）で含有させることも有効であり、この場合にはＴｉは下記（２）式および（３）式を満足する様に制御する必要がある。
［Ｎｂ］／［Ｔｉ］≧２．５ …（２）
７．５≦（［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］×２）／（［Ｃ］−２．８）≦９ …（３）
但し、［Ｎｂ］，［Ｔｉ］および［Ｃ］は、夫々Ｎｂ，ＴｉおよびＣの含有量（質量％）を示す。
【００１３】
本発明は、Ｍ₇ Ｃ₃ 型炭化物に加えてＭＣ型炭化物を均一に分散させるものであるが、こうしたＭＣ型炭化物による効果を有効に発揮させるためには、任意の断面における１ｍｍ² 以上の面積範囲で観察されるＭＣ型炭化物を、同面積の円形に置き換えたときの直径の平均値が２〜８μｍであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記した様な重力偏析の発生を防止する為には、晶出させるＭＣ炭化物の比重は高Ｃｒ鋳鉄の液相の比重と同程度の５．７〜７．８ｇ／ｃｍ³ 程度にする必要があると考えられる。また良好な耐摩耗性を確保するには、Ｍ₇ Ｃ₃ 型炭化物を適度に析出した状態で、ＭＣ型炭化物を均一に分散させる必要があると考えられる。
【００１５】
本発明者らは、こうした着想に基づき様々な角度から検討したところ、高Ｃｒ鋳鉄で主に析出するＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物に加えてＮｂを主体とするＭＣ型炭化物をミクロンオーダのサイズで分散させれば、マクロ偏析に起因する局部摩耗が発生することなく、良好な耐摩耗性が達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００１６】
尚Ｎｂについては、これまでＴｉと同一の作用効果を発揮するものと認識され、またＴｉに比べて高価であることから、それ単独では高Ｃｒ鋳鉄の耐摩耗性向上元素として使用されず、Ｔｉが主に使用されていたのであるが、本発明者らはこうした既成概念にとらわれることなく更に鋭意研究を行ったところ、高Ｃｒ鋳鉄に対してＮｂはＴｉと全く異なる挙動を示したのである。
【００１７】
本発明の最大の特徴は上述の如く、Ｎｂを主体とするＭＣ型炭化物（即ち、ＮｂＣ）をミクロンオーダのサイズで分散させたものであるが、その為にはＮｂ：２〜５％を含有すると共に、Ｃ含有量とのバランスを考慮した上記（１）式を満足させる必要がある。即ち、Ｎｂ含有量をＣ含有量との関係で上記（１）式の様に制御することによって、高Ｃｒ鋳鉄で主に析出するＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物に加えてＮｂＣ（ＭＣ型炭化物）がミクロンオーダーで均一に析出するので、耐摩耗性が画期的に向上したのである。
【００１８】
Ｎｂを添加することによって、上記した効果が得られた理由については、次の様に考えることができる。即ち、ＭＣ型炭化物であるＮｂＣは、比重が７．８ｇ／ｃｍ³ 程度であり、高Ｃｒ鋳鉄の液相の比重に近いので上記の様な重量偏析を効果的に防止でき、これによって局部摩耗を引き起こすという事態が生じることなる、全体としての耐摩耗性が向上するものと考えられる。またＮｂＣを析出させることによって、鋳造時の温度低下に伴ってそれを取り巻くオーステナイトが晶出するので、鋳造後の焼入れ時に生じるマルテンサイトのパケットサイズ（結晶粒径に相当する）を微細化でき、靱性も従来の高Ｃｒ鋳鉄と同等以上になるものと考えられる。
【００１９】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄においては、Ｔｉを２％以下（０％を含まない）で含有させることも有効であり、この場合にはＴｉは上記（２）式および（３）式を満足する様に制御する必要がある。即ち、Ｔｉを含有させると、ＴｉはＮｂＣ中にＮｂに置換して固溶し、ＭＣ型炭化物である（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃが前記ＮｂＣと共にミクロンオーダーで均一に析出し、耐摩耗性向上に寄与する。このとき、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃと高Ｃｒ鋳鉄液相の比重差によるマクロ偏析を防止する為に、Ｔｉ含有量の上限を２％とすると共に、［Ｎｂ］／［Ｔｉ］≧２．５［上記（２）式］の関係を満足させる必要がある。また析出させる（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃのサイズを適正な範囲に制御する為には、Ｔｉの含有量をＮｂとＣとの関係で考慮する必要があり、こうした観点から上記（３）式の関係を満足させる必要がある。
【００２０】
本発明は、Ｍ₇ Ｃ₃ 型炭化物に加えてＮｂＣ等のＭＣ型炭化物［Ｔｉを含有させるときには、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃも含む］を均一に分散させるものであるが、こうしたＭＣ型炭化物による効果を有効に発揮させるためには、任意の断面における１ｍｍ² 以上の面積範囲で観察されるＭＣ型炭化物を、同面積の円形に置き換えたときの直径の平均値が２〜８μｍであることが好ましい。即ち、ＭＣ型炭化物のサイズが上記平均値で８μｍを超えて粗大になると、却って摩耗中に剥離したり、また疲労破壊の起点となるので好ましくない。一方、ＭＣ型炭化物のサイズが上記平均値で２μｍよりも小さくなると、ＭＣ型炭化物を分散させることによる耐摩耗性向上効果が発揮されなくなる。
【００２１】
ＭＣ型炭化物の上記の様なに適正な範囲に制御するには、その化学成分組成を適切に制御することは勿論であるが（この点については後述する）、こうした要件と共に溶湯を鋳型に注ぎ込む際の鋳込み温度も適切に調整することが好ましい。こうした観点から鋳込み温度は、各組成における液相線温度よりも５０〜１２０℃高い温度とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄の特徴は上述した通りであり、Ｃ，ＣｒおよびＭｏ等の基本的な成分については、一般的な高Ｃｒ鋳鉄に即して含有量を調整すれば良いが、本発明の高Ｃｒ鋳鉄の耐摩耗性を効果的に発揮させる為の好ましい化学成分組成（上記Ｃ，ＭｏおよびＣｒの他、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ等も含む）は、下記の通りである。
【００２３】
Ｃ：３．０〜４．０％、Ｃｒ：１４〜２２％Ｃ含有量が３．０％未満またはＣｒ含有量が１４％未満では、Ｍ₇ Ｃ₃ 型炭化物量が少なくなるため、必要な耐摩耗性が得られない。またＣ含有量が４．０％、Ｃｒ含有量が２２％を超えると、逆に炭化物量が多すぎるため靱性が低下して、使用中に脆性破壊が発生する危険がある。
【００２４】
Ｍｏ：１．５〜３．０％
Ｍｏは高Ｃｒ鋳鉄の焼入性を向上させ、特にパーライトの抑制に有効であるが、１．５％未満ではその効果がなく、また３．０％を超えてもその効果が飽和する。
【００２５】
Ｓｉ：０．３〜１．０％
Ｓｉは、鋳造時の溶湯の流動性確保および溶解・製錬時の脱酸のために、０．３％以上含有させるのが良い。また１．０％を超えて含有させると、靱性が低下する。
【００２６】
Ｍｎ：０．８〜１．５％
Ｍｎは高Ｃｒ鋳鉄の焼入性を改善し、特にベイナイトの抑制に有効であるが、０．８％未満ではその効果がなく、また１．５％を超えると残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。
【００２７】
Ｎｉ：０．０５〜１．０％
Ｎｉは焼入性を向上させる効果があり、その効果を発揮させる為には０．０５％以上添加するのが良いが、逆に１．０％を超えて含有させると残留オーステナイトの増加を招いて耐摩耗性を劣化させる。
【００２８】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２９】
【実施例】
真空誘導溶解炉にて１５０ｋｇｆの舟形インゴット（幅：３０〜１２０ｍｍ×高さ：４００ｍｍ×長さ：５００ｍｍ）を溶製した。下記表１に溶製したインゴットの化学組成組成を示す。鋳込温度は、表１の各組成において、オーステナイトまたはＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物が析出し始める温度より７０℃高い温度とし、室温まで冷却した後、型ばらしを行った。
【００３０】
【表１】

【００３１】
熱処理は焼入れ焼戻しを行い、１０００℃で３時間保持して、その後室温まで空冷を行い、引き続いて２００℃で２時間の焼戻しを行った。その後、マクロ偏析調査、ＭＣ型炭化物サイズ調査、摩耗試験、シャルピー衝撃試験を行った。以下に各調査または試験の条件を示す。
【００３２】
〈マクロ偏析調査〉
インゴット中央部のボトムとトップ（押湯直下）のミクロ組織を光学顕微鏡にて観察し、ＭＣ型炭化物の分布状況を調査した。析出したＭＣ型炭化物の面積率の差がボトムとトップで１０％未満のものをマクロ偏析「無し」、１０〜２０％のものをマクロ偏析「やや有り」、２０％を超えるものをマクロ偏析「有り」と評価した。
【００３３】
〈ＭＣ型炭化物サイズ調査〉
インゴット中央部のボトムとトップのミクロ組織を観察し、夫々倍率８００倍で１０視野の各ＭＣ型炭化物を同面積の円形に置き換えたときの直径を計測し、平均化した。
【００３４】
〈摩耗試験〉
使用岩石：流紋岩（岩石粒度：５〜２０ｍｍ）
試験開始前に破砕した岩石重量：２００ｋｇｆ
（→バラツキの大きい初期摩耗の影響をなくすため）
試験に使用した岩石重量：２ｔｏｎｆ
摩耗試験機：図１（概略説明図）に示したものを使用した。
＊摩耗量は重量減少量を摩耗面面積で除して求めた。
【００３５】
〈シャルピー衝撃試験〉
試験片サイズ：２ｍｍＵノッチ（ＪＩＳ３号）
温度：室温
ハンマー荷重：５ｋｇｆ
＊靱性は、吸収エネルギーを断面積で除して求めた。
【００３６】
その結果を下記表２に示すが、この表２から次の様に考察できる。即ち、本発明鋼は従来鋼よりも遥かに摩耗量が少なく、耐摩耗性が優れていることが分かる。また本発明鋼では、いずれもシャルピー衝撃値が２Ｊ／ｃｍ² を上回っており、従来鋼と同等以上の靱性を有している。
【００３７】
これに対し、本発明で規定する要件のいずれをを欠く従来鋼または比較鋼では、いずれかの特性が劣化している。例えば、Ｎｏ．６，７のものでは、［Ｎｂ］／（［Ｃ］−２．８）または（［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］）／（［Ｃ］−２．８）等の値が本発明で規定する範囲を外れており、ＭＣ型炭化物が適正なサイズとならないので、摩耗量が多くなっている。またＮｏ．２，３，５，８のものでは、マクロ偏析が生じており、実機ライナとして適用したときに、その特性において大きな支障を来すことが予想される。
【００３８】
【表２】

【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、ＮｂＣ等のＭＣ型炭化物をミクロンオーダーで析出させることによって、マクロ偏析を生じさせることなく、極めてが高い耐摩耗性が得られ、しかも靱性も従来材以上である。この様な特性を発揮するに本発明鋼は破砕機用ライナーのみではなく、例えば、建設機械用部材や耐摩耗構造材として、ドラッグチェーン、バケット、バケットチィース、キャタピラ、レールクロッシング等、高炉用耐摩耗部材として、アーマープレート、ベル等に使用されている高Ｍｎ鋳鋼、低合金鋳鋼、高Ｃｒ鋳鉄の代替材料として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた摩耗試験機の概略説明図である。

Claims

Ｃ：３．０〜４．０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｃｒ：１４〜２２％、
Ｍｏ：１．５〜３．０％、
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｍｎ：０．８〜１．５％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：２〜５％を夫々含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、
下記（１）式を満足するものであることを特徴とする耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。
７．５≦［Ｎｂ］／（［Ｃ］−２．８）≦９ …（１）
但し、［Ｎｂ］および［Ｃ］は、夫々Ｎｂ，Ｃの含有量（質量％）を示す。
Ｃ：３．０〜４．０％、
Ｃｒ：１４〜２２％、
Ｍｏ：１．５〜３．０％、
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｍｎ：０．８〜１．５％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：２〜５％、
Ｔｉ：２％以下（０％を含まない）を夫々含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、
下記（２）式および（３）式を満足するものであることを特徴とする耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。
［Ｎｂ］／［Ｔｉ］≧２．５ …（２）
７．５≦（［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］）／（［Ｃ］−２．８）≦９ …（３）
但し、［Ｎｂ］，［Ｔｉ］および［Ｃ］は、夫々Ｎｂ，ＴｉおよびＣの含有量（質量％）を示す。
任意の断面における１ｍｍ^２以上の面積範囲で観察されるＭＣ型炭化物を、同面積の円形に置き換えたときの直径の平均値が２〜８μｍである請求項１または２に記載の耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄。