JP3903154B2

JP3903154B2 - 耐摩耗性、耐食性、耐焼付き性に優れたプラズマ溶接用材料及び複合工具

Info

Publication number: JP3903154B2
Application number: JP28277399A
Authority: JP
Inventors: 武憲吉村; 慶治林; 満太郎佐々木; 秀内田; 剛井上; 康裕和田
Original assignee: FUJICO CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Current assignee: FUJICO CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2019-10-04
Also published as: JP2001105176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、耐食性、耐焼付き性に優れたプラズマ溶接用材料及び製鉄で用いられるロールやローラをはじめとする複合工具に関するものである。
【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、ローラ等では、ＳＫＤ６，１２等の熱間、冷間工具鋼、焼入れハイス鋼あるいは溶接ハイス鋼、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ことは困難であった。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向上させるとともに、耐摩耗性、耐焼付き性に優れたプラズマ溶接用材料及び複合工具を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では次の如き手段を採用する。
すなわち、
請求項１の発明は、重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で、０．０１〜０．１％のＴｉを含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項２の発明は、重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で０．１％以下のＡｌおよび０．３％以下のランタノイド系（希土類）元素のうち１種類あるいは２種類以上を含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項３の発明は、重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で、０．０１〜０．１％のＴｉを含有すると共に、さらに重量比で０．１％以下のＡｌおよび０．３％以下のランタノイド系（希土類）元素のうち１種類あるいは２種類以上を含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項４の発明は、請求項１〜３の何れかに、さらに、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、０．１〜１０．０％含有することを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項５の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の溶接用材料を用いて、表層０．５ｍｍ以上をプラズマ溶接により肉盛処理した溶接金属中の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複合工具。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を詳述し発明の理解に供する。
発明者らは、耐食性悪化の原因を組織上から解明した結果、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、基地をＣｒリッチ、あるいは晶出炭化物面積率を増加することにより、耐食性を大幅に改善できること、またＭＣ炭化物を多量に微細晶出することにより、耐摩耗性、耐焼付き性を一層向上できることを明らかにした。
【０００６】
組織中の基地がＣｒリッチあるいはＭＣ炭化物やＣｒ炭化物及びＭｏ，Ｗ，Ｃｒからなる複炭化物を含む鉄基合金の組織を得るには、一般にはこれらの元素及び炭素を含む鉄基合金を溶解し、冷却して炭化物を晶出させたものを粉砕あるいは溶湯をアトマイズして粉末化して得られた粉末を原料に溶接による肉盛あるいは溶射して得ることが出来る。この場合、必要最小限の部分に施工すればよい。
【０００７】
以下に本発明を構成する各合金元素の限定理由を示す。
Ｃ含有量を１．０〜４．５重量％と限定したのは、下限値未満では硬質炭化物の晶出が少なく、耐磨耗性、耐焼付け性を確保することが出来ない。一方、上限値を越えるとＣｒ炭化物が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Ｃｒ含有量が少なくなり、十分な耐食性が望めなくなるからである。
Ｃｒ含有量を８．０〜２０．０重量％と限定した理由は、Ｃｒ含有量が大きいほど優れた耐食性を示すが、下限値未満ではその耐食性が十分に発揮されず、上限値を超えると溶接金属の硬度低下を招くため好ましくないからである。
Ｎｉの添加は溶接金属の靭性を改善するが、その含有量を１．０〜４．０重量％と限定したのは、下限値未満では溶接金属の靭性が劣るため、溶接中に割れが発生しやすくなる。一方、上限値をこえると溶接金属の残留オーステナイト量が増加し硬度低下が著しくなるためである。
Ｖは、炭化物の中でも極めて硬質のＭＣ型炭化物のＶＣを晶出させるため、Ｃとのバランスで選択される。特に、本発明の材質の場合、粒状で微小なこのＶＣを利用して耐磨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％と限定したのは、Ｃ含有量が前記範囲ではＶ含有量が下限値未満では硬質のＭＣ炭化物は晶出せず、基地中に固溶してしまう。Ｖ含有量が上限値を超えるとＶが最終凝固部に固溶され、溶融金属の耐食性を著しく損なうためである。
Ｍｏ，Ｗは含有されるＭＣ、Ｍ_２Ｃ炭化物あるいはＣｒとともにＭ_６Ｃ炭化物等の複炭化物を形成し、耐磨耗性、耐焼付け性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、耐磨耗性の向上に寄与する。Ｍｏ，Ｗの量を１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９重量％と限定したのは、下限値未満では高温での硬度低下の抑制や耐磨耗性降下を十分に発揮できない。一方、上限値以上ではネット状の複炭化物が増加しすぎるため靭性、耐クラック性が低下するからである。
Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒは含有されるとＭＣ炭化物を形成し、耐磨耗性、耐焼付け性に寄与する。Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒを０．１〜１０．０重量％と限定したのは、下限値未満では、ＭＣ炭化物が生成せず、上限値を超えるとＭＣ炭化物の粒径が大きくなるため好ましくないからである。
Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌおよびランタノイド系元素は、通常脱酸剤として用いられるが、Ｓｉの場合は０．５重量％、Ｍｎの場合は１．０重量％を超えると溶接金属の靭性を損なうため、この未満の添加が望ましい。またＡｌの場合は０．１重量％、ランタノイド系元素についても同様に０．３重量％を超えると溶接性が著しく悪化するため、上限値を規定した。
Ｔｉの微量含有は初晶の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、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、逆にＭＣ炭化物の粒径が大きくなるために好ましくないからである。
【０００８】
溶接金属中のＭＣ炭化物は高硬度なため耐摩耗性を左右するが、その形状は粒状から角張状あるいは星形状と多彩に晶出する。ＭＣ炭化物は硬いがために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る。形状としても粒状が最も望ましく、各晶出ＭＣ炭化物サイズをその最大長さと最小長さの平均で示した円相当粒径で表現すると、円相当粒径が１〜１５０μｍの範囲が好ましい。１５０μｍを越えると前述のように欠け落ちが発生しやすくなる。下限を１μｍとしたのは、１μｍであれば耐摩耗性を十分に発揮できること、また溶接後に１μｍ未満の炭化物粒径を得ることは難しいことから上記範囲に規定した。
【０００９】
溶接金属中のＭＣ炭化物の晶出量は、耐摩耗性、耐焼付き性の確保、および靱性等を確保する上で重要であり、組織断面中面積率としては、１０〜７０％晶出することが望ましい。下限値未満では十分な耐摩耗性、耐焼付き性を確保できない。一方、上限を越えると靱性が悪くなるからである。
【００１０】
上述の溶接用材料を使用して、溶接肉盛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。
【００１１】
この場合、溶接金属の肉盛厚みは、厚いほど長期の使用に耐えられるため好ましいが、例えばプラズマ溶接肉盛では、１回の肉盛厚みは１〜３ｍｍであり研削仕上げ後は０．５〜２ｍｍ程度となる。繰り返し溶接肉盛を繰り返すことで、厚肉盛は可能である。肉盛厚みはくり返し溶接施工の費用と再使用によるコスト低減を考慮して決定すればよい。但し、肉盛厚みが仕上げ後で０．５ｍｍ以下ではメリットを十分享受できないため、肉盛厚みの下限を０．５ｍｍとした。
【００１２】
本発明の複合工具をロール等に適用する場合は、外層に相当する部分の少なくとも表層部を特許請求の範囲の複合工具とした単層あるいは複層にしたスリープとし、内層との接合は溶接、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し、複合ロールとしても使用できる。
【００１３】
【実施例】
以下本発明の実施例を示す。
下記表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）耐摩耗性、（２）耐クラック性、（３）耐食性を評価した。
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、腐食試験はＪＩＳＺ２３７１に規定されるような塩水噴霧試験により評価した。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。
（摩耗・クラック試験条件）
（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摩耗量は１万回転動後の試験片重量変化を測定して比較した。すべり率の定義は次のようにした。（（加熱片速度−試験片速度）／試験変速度）×１００（％）
（４）クラック試験条件：加熱片温度９００℃、加熱後水冷し、２０００回繰り返した時のクラック深さを測定した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
（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１時間噴霧し、試験後の重量減少を比較した。
表２に摩耗・クラック・腐食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、摩耗・クラック・腐食試験は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、ハイス材との比で比較した。つまり、
摩耗比＝試験材料の摩耗重量／ハイス材の摩耗重量、クラック長さ比＝試験片のクラック長さ／ハイス材のクラック長さ、腐食比＝試験材の腐食減量／ハイス材の腐食減量で表現した。
【００１６】
【表２】

【００１７】
本発明の材質は、鋳造ハイスと比較して、耐摩耗性が約２０〜５０％、耐クラック性で１０〜３５％、耐食性で２０〜８０％改善されているなどその効果は大である。
【００１８】
【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計概要を示す図である。
【符号の説明】
ａ加熱片（加工材側担当）
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

重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で、０．０１〜０．１％のＴｉを含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とするプラズマ溶接用材料。
重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で０．１％以下のＡｌおよび０．３％以下のランタノイド系（希土類）元素のうち１種類あるいは２種類以上を含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とするプラズマ溶接用材料。
重量比で、１．０〜４．５％のＣ、０．５％以下のＳｉ、１．０％以下のＭｎ、８．０〜２０．０％のＣｒ、１．０〜５．０％のＮｉ、５．０〜２５．０％のＶ、ＭｏおよびＷのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、１．０≦２Ｍｏ＋Ｗ≦１３．９％からなり、さらに重量比で、０．０１〜０．１％のＴｉを含有すると共に、さらに重量比で０．１％以下のＡｌおよび０．３％以下のランタノイド系（希土類）元素のうち１種類あるいは２種類以上を含有して、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項１〜３の何れかに、さらに、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒのうち１種類あるいは２種類以上を重量比で、０．１〜１０．０％含有する
ことを特徴とするプラズマ溶接用材料。
請求項１〜４の何れかに記載の溶接用材料を用いて、表層０．５ｍｍ以上をプラズマ溶接により肉盛処理した溶接金属中の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
ことを特徴とする複合工具。