JP3896478B2 - 耐食性、耐摩耗性および耐焼付き性に優れた肉盛り用材料及び複合工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄分野の圧延プロセスなどで用いられる耐食性、耐磨耗性および耐焼付き性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料およびこれを用いて表層部をプラズマ肉盛溶接処理したロールやローラをはじめとする、複合工具に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、製鉄分野で使用される高耐摩耗性ロール、ローラー等では、ＳＫＤ６，１２等の熱間、冷間工具鋼、焼入れハイス鋼或いは溶接ハイス鋼、ステンレス鋼、耐熱合金鋼等で製造されている場合が多い。この場合、ＳＫＤ鋼では炭素量、Ｃｒ量の増加によって耐摩耗性は大になるが炭化物組成がＣｒ炭化物であるため硬さに限界があり耐摩耗性を大幅に向上させる事は困難であった。一方、ハイス鋼においてはＶ，Ｍｏ，Ｗ等による高硬度炭化物を含有するため耐摩耗性は大幅に向上する。また、ＳＫＤ、ハイス鋼等は多量の炭化物を含有する傍ら、基地組織はマルテンサイトを主体にしているため耐焼付き性は比較的良好である反面、冷却水、水蒸気および洗浄水などの腐食性雰囲気に伴う腐食摩耗、また通板材からの伝熱による温度上昇に伴う酸化摩耗等の耐食性が考慮されておらず本来の耐摩耗性を十分に享受できない。
また、耐食性を主眼に置いた場合従来のステンレス鋼、耐熱合金鋼があるが、ステンレス鋼、耐熱合金鋼では基地をオーステナイトやマルテンサイトにするための合金設計上、多量の炭化物を含有させる事が不可能であるため、機械的な耐摩耗性およびＣｒ量に起因する焼付き等の問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので耐食性を大幅に向上させるとともに、耐磨耗性および耐焼付き性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料およびこれを用いて表層部をプラズマ肉盛溶接処理した複合工具を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、
（１） 質量％で、Ｃ：１．０〜４．５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｃｏ：１．０〜２０．０％、Ｖ：５．０〜２５．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を１．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１４．５％を含有し、さらに、質量％で、 T ｉ：０．０１〜０．１％含有して、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする記載の耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
（２） 質量％で、Ｃ：１．０〜４．５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｃｏ：１．０〜２０．０％、Ｖ：５．０〜２５．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を１．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１４．５％を含有し、さらに、質量％で、 T ｉ：０．０１〜０．１％、Ａｌ：０．２％以下、およびランタノイド系元素のうちの１種または２種以上を０．３％以下含有して、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
（３） さらに、質量％で、Ｎｉ：１．０〜１０．０％を含有することを特徴とする上記（１）から（２）の何れかに記載の耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
（４） 上記（１）から（３）の何れかに記載の溶接用材料を用いて、表層表面から０．５ｍｍ以上の範囲が肉盛処理された溶接金属中のＭＣ炭化物の円相当粒径が１〜１５０μｍで、かつＭＣ炭化物の面積率が１０〜７０％であることを特徴とするプラズマ肉盛溶接処理された耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れた複合工具。
【０００５】
【発明の実施の形態】
発明者らは、製鉄分野の圧延プロセスなどで用いられ、耐食性、耐摩耗性および耐焼付き性が要求されるロールやローラ等の複合工具の耐食性および耐摩耗性の向上を目的とし、従来材の耐食性および悪化の原因を組織上から解析した結果、腐食環境下では基地の腐食、通板材からの伝熱による基地の優先酸化により耐食性が低下すること、次いで組織中のＭＣ型炭化物が欠落するために耐摩耗性も低下することを見出した。
発明者らはかかる問題を解決すべく検討を重ね、複合工具の少なくとも表層部の基地を（固溶状態で）ＣｒおよびＣｏリッチとし、主にＶＣ炭化物などのＭＣ型炭化物の面積率を増加させ、またＭＣ型炭化物を多量に微細晶出させることにより、耐食性を大幅に改善できるとともに、耐摩耗性、耐焼付き性の劣化を防止できることを明らかにした。
【０００６】
また、このような複合工具の少なくとも表層部の基地をＣｒ、Ｃｏリッチとし、主にＶＣ炭化物などのＭＣ型炭化物、Ｃｒ炭化物、さらにはＭｏＣまたはＷＣなどのＭＣ型炭化物またはＭ_２Ｃ炭化物またはＭｏ、ＷおよびＣｒからなる複炭化物を含む鉄基合金とするためには、Ｃｒ、Ｃｏ、ＶおよびＣを含む鉄基合金を溶解後冷却して炭化物を晶出させた後、粉砕するか、あるいはＣｒ、Ｃｏ、ＶおよびＣを含む溶湯をアトマイズして得られた粉末を例えば溶接材料または溶射材料として、少なくとも工具の表層部を溶接あるいは溶射による肉盛処理をして得られる。
【０００７】
以下に本発明の肉盛り用材料の元素およびその限定理由を示す。なお、以下に示す％は特段の説明がない限りは、質量％を示すものとする。Ｃ含有量を１．０〜４．５％と限定した理由は、その下限値未満では硬質炭化物の晶出が少なく、耐摩耗性、耐焼付き性を確保することが出来ない。一方、上限値を越えると後述するＣｒ炭化物が基地中の結晶粒界に形成しやすくなり溶接性が劣化するとともに、基地中の固溶状態のＣｒ量が少なくなり、十分な耐食性が望めなくなる。Ｃｒ含有量を１５．０〜３０．０％と限定した理由は、その下限値未満でもある程度の耐食性は得られるものの、苛酷な腐食環境下では、その耐食性が十分に発揮されない。一方、Ｃｒ含有量が多いほど耐食性は向上するものの、その含有量が３０．０％を越えると基地中の固溶Ｃｒにより耐焼付き性が著しく低下するため好ましくないからである。Ｃｏは耐熱性、基地硬さを向上する作用を有する元素であり、その含有量を１．０％以上と限定した理由は、その下限値未満では基地硬さを向上させるに十分でないためである。一方、含有量の上限は、耐熱性、基地硬さの向上効果を得るためには特に規定する必要はないが、素材コストが非常に高くなるため経済性の理由から２０．０％とすることが好ましい。また、本発明では、耐食性を向上するためにＣｒを多量に添加する必要があり、Ｃｒの多量添加に伴って硬度、耐摩耗性が低下するおそれがあるが、Ｃｏを後述するＶと複合添加することによりＣｒによる高い耐食性を確保しつつ、硬度、耐摩耗性を向上させることができる。Ｖは、炭化物の中でも極めて硬質のＭＣ型炭化物であるＶＣ炭化物を晶出させるために用いられ、その含有量はＣとのバランスで決定される。本発明の材質を得るために、この粒状で微小なＶＣ炭化物を利用して耐摩耗性を向上させるとともに、溶接金属が凝固する際に、初晶の炭化物として晶出させ組織を制御するために重要である。Ｖ含有量を５．０〜２５．０％と限定した理由は、前述のＣ含有範囲において、Ｖ含有量が５．０％未満では硬質のＭＣ型炭化物であるＶＣ炭化物は晶出されずに基地中に固溶してしまい、充分な硬度、耐摩耗性向上の効果が得られない。また、Ｖ含有量が２５．０％を越えると、Ｖが最終凝固部に固溶され、均一に分散することが困難となるとともに、ＭＣ型炭化物が粗大化して充分な硬度、耐摩耗性向上効果が得られない。本発明では、耐食性を向上するために、Ｃｒを多量添加する必要があり、その多量添加に伴って硬度、耐摩耗性が低下するおそれがあるが、Ｖを上述するＣｏと複合添加することによりＣｒによる高い耐食性を確保しつつ、硬度、耐摩耗性を向上させることができる。Ｍｏ、Ｗは、ＭＣ型炭化物、Ｍ_２Ｃ型炭化物またはＣｒとともにＭ_６Ｃ型炭化物等の複炭化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付き性の向上に寄与するとともに、一部基地中に固溶して基地を強化し、高温での硬度低下の抑制、耐摩耗性の向上に寄与する。ＭｏおよびＷのうちの１種または２種の含有量を１．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１４．５％を満たすように限定した理由は、２Ｍｏ＋Ｗが１．０％未満では高温での硬度低下の抑制や耐摩耗性の向上効果を十分に発揮することができない。一方、２Ｍｏ＋Ｗが１４．５％を超える場合には、ネット状の複炭化物が増加し過ぎて、靱性、耐クラック性が低下する。Ｎｉは、肉盛金属の靱性を改善する作用を有する元素であり、その含有量を１．０〜１０．０％と限定したのは、その下限値未満では肉盛金属の靱性が劣るため、肉盛中に割れが発生しやすくなる。一方、上限値をこえると硬度低下が著しくなるため好ましくないためである。Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌおよびランタノイド元素は、通常脱酸剤として用いられるが、Ｓｉの場合は０．５％、Ｍｎの場合は１．０％、をそれぞれ越えると肉盛金属の靱性を損なうため、それぞれの上限値未満での添加が望ましい。また、Ａｌおよびランタノイド系元素についても同様に、各々、０．２％および０．３％を超えると肉盛性が著しく悪化するため、上限値を０．２％および０．３％に規定した。Ｔｉの微量添加は、肉盛金属中での初晶ＭＣ炭化物や結晶粒の微細化を促進する。Ｔｉ含有量を０．０１〜０．１％と規定したのは、その下限値未満では微細効果が発揮されず、上限値を超えると、Ｔｉが炭化物を形成し、ＭＣ型炭化物の粒径が大きくなるためである。
【０００８】
本発明の複合工具は、以上の成分からなるプラズマ肉盛溶接用材料を用い、少なくとも複合工具の表層部を例えば溶接あるいは溶射などを用いてプラズマ肉盛溶接処理をして製造できる。
【０００９】
本発明の複合工具の表層部の溶接または溶射金属部の元素およびその限定理由は、上記の肉盛り用材料と同じものあるが、複合工具の耐摩耗性および耐焼付け性の向上効果を充分にえるためには、以下のようにＭＣ型炭化物の粒径および面積率を限定する必要がある。
肉盛金属中のＭＣ型炭化物は、粒状から角張状あるいは星形状と多彩な形状で晶出しその硬度は高いが、硬いがためにそのサイズがあまり大きくなると炭化物内で亀裂が発生しやすく、欠け落ちの原因となり耐摩耗性を低下させる。このような欠け落ちが発生を抑制するためには、肉盛金属中のＭＣ型炭化物の平均円相当径を１５０μｍ以下に限定する必要がある。また、ＭＣ型炭化物の粒径が微細な程、耐摩耗性は向上するが、溶接または溶射等による肉盛り処理後に平均円相当径が１μｍ未満のＭＣ型炭化物を得ることは難しいため、平均円相当径の下限を１μｍとした。
なお、ここで、ＭＣ炭化物の平均円相当径とは、各ＭＣ型炭化物の最大長さと最小長さの平均で示される円相当粒径の平均値と定義する。
また、溶接金属中のＭＣ型炭化物の晶出量は、耐摩耗性、耐焼付き性を充分確保するため、ＭＣ型炭化物を溶接金属の組織断面における面積率で、１０％以上とする必要がある。一方、ＭＣ型炭化物が肉盛金属の組織断面における面積率で、７０％を超えると靱性が低下するため、その上限を７０％とする。
また、複合工具の表層部に付与する肉盛厚みは、厚いほど長期の使用に耐えられるため好ましいが、肉盛厚みはその肉盛り方法によって制約され、例えばプラズマ溶接による肉盛処理では、１層当たりの肉盛厚みは１〜３ｍｍが限界であり、複数パスの溶接を繰り返すことで、全盛り厚みを増加することになるため肉盛施工コストが増加する原因となる。したがって、肉盛厚みは、肉盛処理の施工コストと複合工具の耐用性を考慮して決定すれば良いが、研削仕上げ時の切削量を踏まえて、耐食性、耐摩耗性および耐焼付き性を確保するための肉盛厚みとして、その厚みを０．５ｍｍ以上とした。
【００１０】
さらに、被加工材と工具とのすべりが苛酷な状態での耐焼付き性を改善する方法を検討した結果、肉盛表面に熱処理によりスケール処理を施すことにより，より一層の耐焼付き性を改善できることを見出した。このスケールは熱間で使用中に消耗と生成を繰り返し、ある程度維持され、一種の潤滑作用および耐焼付き性を示す。この時のスケール厚みを５μｍ〜３００μｍとしたのは、下限以下ではスケールの生成が間に合わず早期に消耗し、十分な耐焼付き効果を発揮できないため、下限を５μｍとした。上限は肉盛部の耐摩耗性確保上から３００μｍとした。スケール処理温度としては、８００〜１２５０℃で行い、高温ほど短時間での処理が可能となる。
【００１１】
溶接または溶射法で複合化する場合は、プラズマのアーク中に粉末を供給することにより必要厚みを溶射すればよい。この場合、減圧中で行えば厚肉の溶射も容易となる。本発明の表層部に溶接または溶射により肉盛処理を行った複合工具は、熱間、冷間を問わず加工用ロール、ラッパーロールおよびローラ等をはじめあらゆる分野の工具として使用される。製鉄部材へ適用する場合は、板圧延、シームレス圧延、線材圧延、熱押しの工具材として使用でき、さらに鍛造用工具としても使用可能である。本発明をロール等に適用する場合は、外層部の少なくとも表層部を本発明範囲の溶接または溶射肉盛り処理を施した複合工具とした単層あるいは復層のスリーブとし、外層部と内層部との接合は溶接、焼結、溶融等の接合方法の他、焼嵌、嵌合等の方法によって接合することにより複合ロールとして使用できる。
【００１２】
【実施例】
表１に示すような組成の溶接用材料を機械構造用鋼材よりなる母材の上に、プラズマ肉盛溶接施工し、▲１▼耐食性、▲２▼耐摩耗性、▲３▼耐焼付き性を評価した。表中の材質番号３、７、１１、１７についてはスケール処理を施した。
腐食試験はJIS Z2371に規定されるような塩水噴霧試験により、摩耗試験は図１に模式的に示すようなディスク対ディスク型摩耗試験機により、それぞれ以下の条件で評価した。
図１中、符号ａは加熱片（加工材側担当）、ｂは試験片（ロール材等の工具側担当）、Ｃは高周波加熱装置、ｄは水冷ノズル、ｅは放射温度計を示す。
（腐食試験条件）
（１）試験片サイズ：長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、試験片表面２ｍｍについて、プラズマ肉盛溶接した後、肉盛層が２ｍｍになるように仕上げた。
（２）試験条件：５％食塩水を３５℃で試験片に噴霧し、腐食発生の迄の時間を比較した。試験時間は最長６週間行った。
（摩耗・焼付き試験条件）
（１）試験片サイズ：外径８０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、表層をプラズマ肉盛溶接し、最終的に肉盛部が３ｍｍになるように仕上げた。
（２）加熱片サイズ：外径１６０mm、厚み１５mm、材質Ｓ４５Ｃ
（３）摩耗試験条件：加熱片温度９００℃、すべり率１１％、荷重７０ｋｇｆ
耐摩耗性の評価は、１万回転動後の試験片重量変化を測定して得られる摩耗量は比較した。
ここで、すべり率は次のように定義される。
（すべり率）＝（加熱片速度−試験片速度）／（試験片速度）×１００（％）
（４）焼付き試験条件：加熱片温度５００℃、試験片温度約３００℃、荷重３０ｋｇｆ
焼付きの評価は、すべり率を変化させて、焼付きが発生したすべり率で評価し、焼付き発生時のすべり率が高いほど耐焼付き性が高いと評価した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表２に腐食試験、摩耗・焼付き試験した結果および組織観察によるＭＣ炭化物面積率、円相当粒径を示す。なお、腐食試験、摩耗・焼付き試験いずれも比較材として鋳造ハイス材についても同時に行い、摩耗・焼付き性についてはハイス材との比で比較した。
つまり、摩耗比＝試験材の摩耗重量／ハイス材の摩耗重量、焼付き発生すべり率比＝試験材の焼付き発生すべり率／ハイス材の焼付き発生すべり率、腐食は錆発生までの時間で表現した。摩耗比は小さい程耐摩耗性が高く、焼付き発生すべり率は大きい程耐焼付き性に優れる。
さらに、肉盛厚の影響として、材質番号３と同じ組成にて、肉盛厚が０．２ｍｍとなるように加工した材料についても耐食性、耐摩耗性を評価した。その結果、耐食性は５週間で錆発生、摩耗比は１．０５の結果となり、良好な結果は得られなかった。
【００１５】
表３にスケール処理材の腐食試験、摩耗・焼付き試験した結果および評価試験片と同時にスケール処理した別試験片の断面観察による表層スケール厚みを示す。
【００１６】
【表２】

【００１７】
【表３】

【００１８】
以上の実施例から本発明の適用により、従来の鋳造ハイス材と比較して、耐食性を大幅に向上でき、また、耐摩耗性および耐焼付き性も劣化することなく場合によっては耐摩耗性が１０〜３０％、耐焼付き性が１０〜３０％改善することが判る。さらに、スケール処理を施すことにより、耐焼付き性が改善していることが判る。
【００１９】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明は耐摩耗性、耐クラック性、耐食性、耐焼付き性に優れるため、ロール、ローラをはじめとする熱間加工用工具や冷間加工用工具への適用により、基幹産業に多大の貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディスク対ディスク型摩耗試験機の設備概要を示す図である。
【符号の説明】
a 加熱片（加工材側相当）
b 試験片（ロール材等の工具側担当）
c 高周波加熱装置
d 水冷ノズル
e 放射温度計

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：１．０〜４．５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｃｏ：１．０〜２０．０％、Ｖ：５．０〜２５．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を１．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１４．５％を含有し、さらに、質量％で、 T ｉ：０．０１〜０．１％含有して、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる
   ことを特徴とする耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
2. 質量％で、Ｃ：１．０〜４．５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ｃｏ：１．０〜２０．０％、Ｖ：５．０〜２５．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を１．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１４．５％を含有し、さらに、質量％で、 T ｉ：０．０１〜０．１％、Ａｌ：０．２％以下、およびランタノイド系元素のうちの１種または２種以上を０．３％以下含有して、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる
   ことを特徴とする耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
3. 請求項１〜２のいずれかに、さらに、質量％で、Ｎｉ：１．０〜１０．０％を含有する
   ことを特徴とする耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れたプラズマ肉盛溶接用材料。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の溶接用材料を用いて、表層表面から０．５ｍｍ以上の範囲が肉盛処理された溶接金属中のＭＣ炭化物の円相当粒径が１〜１５０μｍで、かつＭＣ炭化物の面積率が１０〜７０％である
   ことを特徴とするプラズマ肉盛溶接処理された耐食性、耐磨耗性および耐焼付け性に優れた複合工具。

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