JP3996989B2 - 耐摩耗性鋳鉄 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性鋳鉄に係り、特に、鉱業、農業、鉱物処理プロセスなどにおいて引掻摩耗やエロージョンを受ける部材に用いられる耐摩耗性鋳鉄に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
引掻摩耗やエロージョンに強い材料として、炭素化合物（炭化物）を多量に分散させた鋳鉄がある。
【０００３】
これらの鋳鉄の中で最も耐摩耗性に優れるものは、Ｆｅ母材中に、２〜４ｗｔ％（好ましくは２．５〜３ｗｔ％）のＣ、１５〜３０ｗｔ％（好ましくは１５〜２７ｗｔ％）のＣｒ、およびＮｉ、Ｓｉ、Ｍｎを適宜添加した高Ｃｒ鋳鉄である。この高Ｃｒ鋳鉄を用いて質量の大きな部品を形成する場合においては、外部組織から内部組織に亘って均一に硬質化すべく、更に１〜５ｗｔ％のＭｏを添加し、焼入れ性を改善することが多い。
【０００４】
一方、炭素鋼や普通鋳物の表面に溶接棒を用いて硬質物質を盛金することによって耐摩耗性を向上させる方法も実用化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の耐摩耗性部品については、適宜交換を行う消耗品であるという考えが強く、特性改善に対してコストアップは極力小さいものにしなければならない。
【０００６】
高Ｃｒ鋳鉄の耐摩耗性を向上させる方法として、母材中にＭｏ、Ｎｂ、Ｖなどを添加し、Ｃｒ炭化物以外の硬質炭化物を析出させる方法が挙げられるが、品質の安定性やコストアップなどの面において何らかの問題があり、未だ実用化していない。
【０００７】
また、盛金溶接棒の改良においても、母材中にＴｉ、Ｎｂ、Ｖなどの高価な金属元素を添加することから、コストアップの問題が実用化の障害となっている。
【０００８】
さらに、盛金によって耐摩耗性を向上させる方法は、耐摩耗性（盛金硬さ）の要求値が高くなる程、溶接割れの点から困難になる。すなわち、硬質盛金は小さな部品に対しては適用できるが、大きな部品に対しては多数のクラックを伴うため適用することができない。
【０００９】
また更に、この方法は、小さな試験片（部品）では特性を得ることができるが、大きな部品においては熱処理を施すことができないため特性を得にくく、実験室（小さな部品）では数倍の寿命改善が認められても、実物（大きな部品）では予想より効果が少ないという例が多い。
【００１０】
近年、高い耐摩耗性を要求される鋳造部品には、例えば、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）という組成を有した高Ｃｒ鋳鉄が多く用いられているが、この高Ｃｒ鋳鉄よりも耐摩耗性が優れた鋳鉄として、Ｆｅ−３Ｃ−１８Ｃｒ−１６Ｍｏ−６．３Ｃｏ−２Ｖ（ｗｔ％；Trans.ASME,J.Lubrication Technology,vol.100(1978),p.428,W.L.Silence ）またはＦｅ−３Ｃ−１７Ｃｒ−１６Ｍｏ−２Ｖ（ｗｔ％）が挙げられる。
【００１１】
前者の組成の鋳鉄・溶接材料は、Ｈａｙｎｅｓ９３という合金名で知られており、高Ｃｒ鋳鉄の約２倍の耐摩耗性を有しているが、ＭｏおよびＣｏを多量に含有しているために原料コストが非常に高くなると共に、硬すぎるために加工コストも上昇してしまう。
【００１２】
そこで本発明は、上記課題を解決し、コストと耐摩耗特性のバランスのとれた耐摩耗性鋳鉄を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、化学組成が、
Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％
Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％
Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである。
【００１４】
請求項２の発明は、化学組成が、
Ｃ：２．８〜３．３ｗｔ％
Ｃｒ：１７〜１９ｗｔ％
Ｍｏ：７〜９ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである。
【００１６】
以上の構成によれば、請求項１、２の化学組成については、コストと耐摩耗特性のバランスが向上し、請求項３の化学組成においては、より一層の耐摩耗性の向上が期待される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明の耐摩耗性鋳鉄は、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物という化学組成の鋳鉄である。
【００１９】
上記数値範囲を限定した理由を以下に述べる。
【００２０】
Ｃは耐摩耗性に有効な炭化物の主要構成元素の１つであり、添加量が多い程、析出物の量も多くなる。Ｃの添加量が２．７ｗｔ％よりも少ないと析出物の析出量が十分ではなく、逆に、Ｃの添加量が３．５ｗｔ％よりも多いと粗大な炭化物が多量に分散して脆くなるためであり、特に好ましくは２．８〜３．３ｗｔ％とする。
【００２１】
ＣｒはＣと同じ効果を有する金属元素であり、Ｃｒの添加量が１６ｗｔ％よりも少ないと効果が得られにくく、２２ｗｔ％よりも多いと脆くなるためであり、特に好ましくは１７〜１９ｗｔ％とする。
【００２２】
Ｍｏは焼入れ性を向上すべく、母材中に６〜１２ｗｔ％添加されるものであり、Ｍｏの添加量が６ｗｔ％よりも少ないと効果が得られにくく、１２ｗｔ％よりも多いとコストと耐摩耗性とのバランスが悪化する（耐摩耗性の向上よりもコストの上昇の方が著しくなる）。ここで、耐摩耗性が飛躍的に向上する８〜１２ｗｔ％のＭｏ添加が好ましいが、この範囲内においては、Ｍｏ添加量の減少による耐摩耗性の低下は緩やかであるため、特に、７〜９ｗｔ％程度のＭｏの添加がコストと耐摩耗性とのバランスがよい。尚、Ｍｏの添加量は、コストと耐摩耗性とのバランスによって決定されると共に、目的・用途に応じて適宜選択されるものであるため、耐摩耗性の向上が強く要求されない場合は、Ｍｏ添加量は６ｗｔ％程度であってよい。
【００２３】
ＳｉおよびＭｎは鋳鉄の溶解における脱酸素に必要な元素であり、通常、それぞれ０．４〜０．８ｗｔ％、０．４〜１．０ｗｔ％添加する。それぞれ０．８ｗｔ％、１．０ｗｔ％よりも多く添加すると耐摩耗性の劣化を招く。
【００２４】
Ｎｉは焼入れ性を向上すべく、母材中に少量添加されるものであり、通常、０．５〜１．２ｗｔ％添加する。
【００２６】
本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗特性を図１に示す。図中の縦軸は、従来材の中でも、高級耐摩耗性材料であり、かつ、現用材料で最も耐摩耗性に優れたＦｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄の時間当たりの質量減少（摩耗速度）を１とした時の相対値を示している。
【００２７】
一般に、摩耗速度が小さい材料ほど、耐摩耗性が良好であり、図１に示すように、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄の摩耗速度の相対値を１とした場合、本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗速度の相対値は０．７以下となっており、優れた耐摩耗性を示した。
【００２８】
すなわち、本発明の耐摩耗性鋳鉄は、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％、好ましくは２．８〜３．３ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％、好ましくは１７〜１９ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％、好ましくは７〜９ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物という化学組成としているため、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄と比較して、製造コストの上昇を１０〜２０％程度に抑えながら、耐摩耗性を５０％以上向上させることができる。
【００２９】
【実施例】
前述したＨａｙｎｅｓ９３のように、鋳鉄母材中にＭｏを１６ｗｔ％添加すると、Ｃｒ炭化物の他に、ＣｒとＭｏの複合炭化物やＭｏ炭化物が析出するため、鋳鉄の硬度が上昇すると共に、耐摩耗性が向上するということが判明している。しかし、数ｗｔ％〜１６ｗｔ％の範囲でＭｏを添加した場合、耐摩耗性がどのように変化するかについては明らかではなかった。
【００３０】
ここで、化学組成が、C:2.8 〜3.6wt%，Si:0.2〜1.0wt%，Mn:0.5〜1.8wt%，Cr:10 〜20wt% ，Ni:0.5〜1.5wt%，Mo:1.0〜2.0wt%，W:0.2 〜0.8wt%，V:0.5 〜1.2wt%，B:0.2wt%以下の鋳鉄において、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加しても硬度の上昇にあまり変化はないという報告がある（特開平６−２４０４０３号公報）。
【００３１】
しかし、この報告では、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加した場合における硬度の変化については明らかになっているものの、耐摩耗性がどのように変化するかについては明らかになっていない。
【００３２】
本発明者らは、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加した場合に、耐摩耗性がどのように変化するかという点に着目し、硬さデータから耐摩耗性を推測するという摩耗特性評価をやめ、実際に耐摩耗試験を行い、その上で摩耗特性評価を行った。
【００３３】
以下に、実施例および比較例を示す。尚、各例の化学組成の記載において、各例における共通成分であるＳｉ：０．７ｗｔ％、Ｍｎ：０．８ｗｔ％、Ｎｉ：０．９ｗｔ％については、その記載を省略している。
【００３４】
（参考例１）
化学組成が、Ｆｅ−２．９Ｃ−１８Ｃｒ−１２．０Ｍｏ−２．１Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄約２ｋｇを、減圧Ａｒガス雰囲気で溶解すると共に、１，７２０Ｋの温度で保持する。
【００３５】
この溶湯をアルミナるつぼ中に鋳込んだ後、２Ｋ／ｍｉｎの速度で１，３２０Ｋまで一定速度で徐冷却しながら溶湯を凝固させ、直径７０ｍｍの円筒状インゴットを作製する。ここで、凝固速度を制御するのは、普通に冷却すると試験片と実物（例えば、重さが３〜５ｔ）との凝固速度が著しく異なるためであり、凝固速度を制御することによって、試験片の凝固速度・内部組織を、実物の凝固速度・内部組織にできるだけ近付けている。
【００３６】
鋳造後のインゴットに、不安定化熱処理として１，３２０Ｋ×６ｈｒの加熱を施した後、油冷する。さらに、不安定化熱処理後のインゴットに、８００Ｋ×４ｈｒの焼戻処理を施して耐摩耗性鋳鉄を作製する。
【００３７】
この耐摩耗性鋳鉄から幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの試験片を切り出し、この試験片にエメリー紙研磨を施して耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００３８】
（参考例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．３Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００３９】
（参考例３）
化学組成が、Ｆｅ−３．１Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４０】
（参考例４）
化学組成が、Ｆｅ−２．８Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４１】
（実施例１）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２０Ｃｒ−７．９Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４２】
（実施例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．１Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４３】
（比較例１）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２１Ｃｒ−１．９Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４４】
（比較例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−１５Ｃｒ−８．３Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４５】
（比較例３）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２０Ｃｒ−７．９Ｍｏ−４．０Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４６】
（比較例４）
化学組成が、Ｆｅ−２．６Ｃ−１８Ｃｒ−１４．３Ｍｏ−２．１Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４７】
次に、参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片に、連続して砂を供給しながら長時間摩耗させ、その重量変化を求める一般的なラバーホイール摩耗試験を、ＡＳＴＭ Ｇ６５に略準じて行う。
【００４８】
本ラバーホイール摩耗試験は、耐摩耗性鋳鉄の用途を、例えば、微粉炭機ローラータイヤおよびテーブル用に限定し、先ず、微粉炭機における石炭中の硬質粒子（シリカなど）を抽出すると共に、摩耗特性がこれらの硬質粒子に近い市販砂を試験用砂とする。これは、砂の種類によって材質と摩耗特性の関係が異なるという懸念を解消するためである。
【００４９】
また、これまでの摩耗試験においては、粒の大きな砂を１種類しか用いていなかったが、実際の石炭中においては大小２種類の粒径の硬質粒子が存在している。ここで、粒の小さな硬質粒子の殆どは、粒の大きな硬質粒子の隙間から落ちて下方に堆積していると共に、表面には粒の大きな硬質粒子が主に堆積している。すなわち、実際の摩耗は、大小２種類の粒径の硬質粒子によるものであり、粒の大きな砂を１種類しか用いない摩耗試験は、実際の摩耗環境から乖離したものであった。
【００５０】
このため、本ラバーホイール摩耗試験では、平均粒径が０．３〜０．５ｍｍ、０．８〜１．０ｍｍで、硬さが共に１，１５０〜１，２５０Ｈｖである２種類の市販砂を選定した。
【００５１】
これらの調査およびラバーホイール摩耗試験と実機の摩耗機構の比較検討によって、耐摩耗性鋳鉄の材料開発に必要な耐摩耗性評価のための試験方法を確立した。本ラバーホイール摩耗試験による耐摩耗性評価は、従来のように単に硬度のみで評価するものではなく、硬度がそれ程高くないものについても摩耗試験を行うものである。
【００５２】
参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片の化学組成およびラバーホイール摩耗試験による摩耗量を表１に示す。摩耗量は、細かい砂および粗い砂に対する比較例１の耐摩耗性鋳鉄（Ｆｅ−３Ｃ−２１Ｃｒ−１．９Ｍｏ；現用材料で最も耐摩耗性に優れた鋳鉄）の摩耗速度（時間当たりの質量変化）を１とした時の値である。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１に示す参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片は、表中に示していないものの硬度で比較すると大差はない。しかし、耐摩耗性を比較してみると大きな違いが多く認められた。
【００５５】
すなわち、実施例１、２の各耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の添加量がそれぞれ規定範囲内であるため、細かい砂（平均粒径：０．３〜０．５ｍｍ、硬さ：１，１５０〜１，２５０Ｈｖ）に対しての摩耗量が１よりも小さく、かつ、粗い砂（平均粒径：０．８〜１．０ｍｍ、硬さ：１，１５０〜１，２５０Ｈｖ）に対しての摩耗量が２／３以下（相対値換算で１．５以上）となり、優れた耐摩耗性を示した。
【００５７】
これに対して、比較例２の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｃｒの添加量が規定範囲（１６〜２２ｗｔ％）外の１５ｗｔ％であるため、細かい砂に対しての摩耗量は０．８であり１よりも小さくなっているものの、粗い砂に対しての摩耗量が０．７となり２／３よりも大きくなった。
【００５８】
すなわち、比較例２の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｃｒの添加量が少ないため、参考例３の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中におけるＣｒ炭化物の析出量が少なくなっており、細かい砂および粗い砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００５９】
また、比較例３の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｖの添加量が４．０ｗｔ％であるため、細かい砂に対しての摩耗量は０．８であり１よりも小さくなっているものの、粗い砂に対しての摩耗量が０．７となり２／３よりも大きくなった。
【００６０】
すなわち、比較例３の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｖの添加量が多いため、参考例３の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中におけるＶ炭化物の析出量が多くなっており、硬度自体は高くなっているものの、細かい砂および粗い砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００６１】
さらに、比較例４の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｍｏの添加量が規定範囲（６〜１２ｗｔ％）外の１４．３ｗｔ％であるため、粗い砂に対しての摩耗量は０．６であり２／３以下となっているものの、細かい砂に対しての摩耗量が１．１となり１よりも大きくなった。
【００６２】
すなわち、比較例４の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｍｏの添加量が多いため、実施例４の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中における各炭化物（ＣｒとＭｏの複合炭化物やＭｏ炭化物）の析出量が多くなっており、硬度自体は高くなっているものの、細かい砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００６３】
本発明の耐摩耗性鋳鉄は、微粉炭用の粉砕機以外に、セメントミル、破砕機、搬送バケット、スラリー又は粉体の搬送管、ポンプなどに用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００６５】
（１） 化学組成を、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物とすることで、高級耐摩耗性材料であり、かつ、現用材料で最も耐摩耗性に優れたＦｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄と比較して、原料コストの上昇を１０％程度に抑えながら、耐摩耗性を５０％以上向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗特性を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性鋳鉄に係り、特に、鉱業、農業、鉱物処理プロセスなどにおいて引掻摩耗やエロージョンを受ける部材に用いられる耐摩耗性鋳鉄に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
引掻摩耗やエロージョンに強い材料として、炭素化合物（炭化物）を多量に分散させた鋳鉄がある。
【０００３】
これらの鋳鉄の中で最も耐摩耗性に優れるものは、Ｆｅ母材中に、２〜４ｗｔ％（好ましくは２．５〜３ｗｔ％）のＣ、１５〜３０ｗｔ％（好ましくは１５〜２７ｗｔ％）のＣｒ、およびＮｉ、Ｓｉ、Ｍｎを適宜添加した高Ｃｒ鋳鉄である。この高Ｃｒ鋳鉄を用いて質量の大きな部品を形成する場合においては、外部組織から内部組織に亘って均一に硬質化すべく、更に１〜５ｗｔ％のＭｏを添加し、焼入れ性を改善することが多い。
【０００４】
一方、炭素鋼や普通鋳物の表面に溶接棒を用いて硬質物質を盛金することによって耐摩耗性を向上させる方法も実用化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の耐摩耗性部品については、適宜交換を行う消耗品であるという考えが強く、特性改善に対してコストアップは極力小さいものにしなければならない。
【０００６】
高Ｃｒ鋳鉄の耐摩耗性を向上させる方法として、母材中にＭｏ、Ｎｂ、Ｖなどを添加し、Ｃｒ炭化物以外の硬質炭化物を析出させる方法が挙げられるが、品質の安定性やコストアップなどの面において何らかの問題があり、未だ実用化していない。
【０００７】
また、盛金溶接棒の改良においても、母材中にＴｉ、Ｎｂ、Ｖなどの高価な金属元素を添加することから、コストアップの問題が実用化の障害となっている。
【０００８】
さらに、盛金によって耐摩耗性を向上させる方法は、耐摩耗性（盛金硬さ）の要求値が高くなる程、溶接割れの点から困難になる。すなわち、硬質盛金は小さな部品に対しては適用できるが、大きな部品に対しては多数のクラックを伴うため適用することができない。
【０００９】
また更に、この方法は、小さな試験片（部品）では特性を得ることができるが、大きな部品においては熱処理を施すことができないため特性を得にくく、実験室（小さな部品）では数倍の寿命改善が認められても、実物（大きな部品）では予想より効果が少ないという例が多い。
【００１０】
近年、高い耐摩耗性を要求される鋳造部品には、例えば、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）という組成を有した高Ｃｒ鋳鉄が多く用いられているが、この高Ｃｒ鋳鉄よりも耐摩耗性が優れた鋳鉄として、Ｆｅ−３Ｃ−１８Ｃｒ−１６Ｍｏ−６．３Ｃｏ−２Ｖ（ｗｔ％；Trans.ASME,J.Lubrication Technology,vol.100(1978),p.428,W.L.Silence ）またはＦｅ−３Ｃ−１７Ｃｒ−１６Ｍｏ−２Ｖ（ｗｔ％）が挙げられる。
【００１１】
前者の組成の鋳鉄・溶接材料は、Ｈａｙｎｅｓ９３という合金名で知られており、高Ｃｒ鋳鉄の約２倍の耐摩耗性を有しているが、ＭｏおよびＣｏを多量に含有しているために原料コストが非常に高くなると共に、硬すぎるために加工コストも上昇してしまう。
【００１２】
そこで本発明は、上記課題を解決し、コストと耐摩耗特性のバランスのとれた耐摩耗性鋳鉄を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、化学組成が、
Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％
Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％
Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである。
【００１４】
請求項２の発明は、化学組成が、
Ｃ：２．８〜３．３ｗｔ％
Ｃｒ：１７〜１９ｗｔ％
Ｍｏ：７〜９ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである。
【００１６】
以上の構成によれば、請求項１、２の化学組成については、コストと耐摩耗特性のバランスが向上し、請求項３の化学組成においては、より一層の耐摩耗性の向上が期待される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明の耐摩耗性鋳鉄は、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物という化学組成の鋳鉄である。
【００１９】
上記数値範囲を限定した理由を以下に述べる。
【００２０】
Ｃは耐摩耗性に有効な炭化物の主要構成元素の１つであり、添加量が多い程、析出物の量も多くなる。Ｃの添加量が２．７ｗｔ％よりも少ないと析出物の析出量が十分ではなく、逆に、Ｃの添加量が３．５ｗｔ％よりも多いと粗大な炭化物が多量に分散して脆くなるためであり、特に好ましくは２．８〜３．３ｗｔ％とする。
【００２１】
ＣｒはＣと同じ効果を有する金属元素であり、Ｃｒの添加量が１６ｗｔ％よりも少ないと効果が得られにくく、２２ｗｔ％よりも多いと脆くなるためであり、特に好ましくは１７〜１９ｗｔ％とする。
【００２２】
Ｍｏは焼入れ性を向上すべく、母材中に６〜１２ｗｔ％添加されるものであり、Ｍｏの添加量が６ｗｔ％よりも少ないと効果が得られにくく、１２ｗｔ％よりも多いとコストと耐摩耗性とのバランスが悪化する（耐摩耗性の向上よりもコストの上昇の方が著しくなる）。ここで、耐摩耗性が飛躍的に向上する８〜１２ｗｔ％のＭｏ添加が好ましいが、この範囲内においては、Ｍｏ添加量の減少による耐摩耗性の低下は緩やかであるため、特に、７〜９ｗｔ％程度のＭｏの添加がコストと耐摩耗性とのバランスがよい。尚、Ｍｏの添加量は、コストと耐摩耗性とのバランスによって決定されると共に、目的・用途に応じて適宜選択されるものであるため、耐摩耗性の向上が強く要求されない場合は、Ｍｏ添加量は６ｗｔ％程度であってよい。
【００２３】
ＳｉおよびＭｎは鋳鉄の溶解における脱酸素に必要な元素であり、通常、それぞれ０．４〜０．８ｗｔ％、０．４〜１．０ｗｔ％添加する。それぞれ０．８ｗｔ％、１．０ｗｔ％よりも多く添加すると耐摩耗性の劣化を招く。
【００２４】
Ｎｉは焼入れ性を向上すべく、母材中に少量添加されるものであり、通常、０．５〜１．２ｗｔ％添加する。
【００２６】
本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗特性を図１に示す。図中の縦軸は、従来材の中でも、高級耐摩耗性材料であり、かつ、現用材料で最も耐摩耗性に優れたＦｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄の時間当たりの質量減少（摩耗速度）を１とした時の相対値を示している。
【００２７】
一般に、摩耗速度が小さい材料ほど、耐摩耗性が良好であり、図１に示すように、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄の摩耗速度の相対値を１とした場合、本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗速度の相対値は０．７以下となっており、優れた耐摩耗性を示した。
【００２８】
すなわち、本発明の耐摩耗性鋳鉄は、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％、好ましくは２．８〜３．３ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％、好ましくは１７〜１９ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％、好ましくは７〜９ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物という化学組成としているため、Ｆｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄と比較して、製造コストの上昇を１０〜２０％程度に抑えながら、耐摩耗性を５０％以上向上させることができる。
【００２９】
【実施例】
前述したＨａｙｎｅｓ９３のように、鋳鉄母材中にＭｏを１６ｗｔ％添加すると、Ｃｒ炭化物の他に、ＣｒとＭｏの複合炭化物やＭｏ炭化物が析出するため、鋳鉄の硬度が上昇すると共に、耐摩耗性が向上するということが判明している。しかし、数ｗｔ％〜１６ｗｔ％の範囲でＭｏを添加した場合、耐摩耗性がどのように変化するかについては明らかではなかった。
【００３０】
ここで、化学組成が、C:2.8 〜3.6wt%，Si:0.2〜1.0wt%，Mn:0.5〜1.8wt%，Cr:10 〜20wt% ，Ni:0.5〜1.5wt%，Mo:1.0〜2.0wt%，W:0.2 〜0.8wt%，V:0.5 〜1.2wt%，B:0.2wt%以下の鋳鉄において、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加しても硬度の上昇にあまり変化はないという報告がある（特開平６−２４０４０３号公報）。
【００３１】
しかし、この報告では、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加した場合における硬度の変化については明らかになっているものの、耐摩耗性がどのように変化するかについては明らかになっていない。
【００３２】
本発明者らは、Ｍｏを２ｗｔ％以上添加した場合に、耐摩耗性がどのように変化するかという点に着目し、硬さデータから耐摩耗性を推測するという摩耗特性評価をやめ、実際に耐摩耗試験を行い、その上で摩耗特性評価を行った。
【００３３】
以下に、実施例および比較例を示す。尚、各例の化学組成の記載において、各例における共通成分であるＳｉ：０．７ｗｔ％、Ｍｎ：０．８ｗｔ％、Ｎｉ：０．９ｗｔ％については、その記載を省略している。
【００３４】
（参考例１）
化学組成が、Ｆｅ−２．９Ｃ−１８Ｃｒ−１２．０Ｍｏ−２．１Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄約２ｋｇを、減圧Ａｒガス雰囲気で溶解すると共に、１，７２０Ｋの温度で保持する。
【００３５】
この溶湯をアルミナるつぼ中に鋳込んだ後、２Ｋ／ｍｉｎの速度で１，３２０Ｋまで一定速度で徐冷却しながら溶湯を凝固させ、直径７０ｍｍの円筒状インゴットを作製する。ここで、凝固速度を制御するのは、普通に冷却すると試験片と実物（例えば、重さが３〜５ｔ）との凝固速度が著しく異なるためであり、凝固速度を制御することによって、試験片の凝固速度・内部組織を、実物の凝固速度・内部組織にできるだけ近付けている。
【００３６】
鋳造後のインゴットに、不安定化熱処理として１，３２０Ｋ×６ｈｒの加熱を施した後、油冷する。さらに、不安定化熱処理後のインゴットに、８００Ｋ×４ｈｒの焼戻処理を施して耐摩耗性鋳鉄を作製する。
【００３７】
この耐摩耗性鋳鉄から幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの試験片を切り出し、この試験片にエメリー紙研磨を施して耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００３８】
（参考例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．３Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００３９】
（参考例３）
化学組成が、Ｆｅ−３．１Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４０】
（参考例４）
化学組成が、Ｆｅ−２．８Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４１】
（実施例１）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２０Ｃｒ−７．９Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４２】
（実施例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．１Ｃ−１９Ｃｒ−８．０Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４３】
（比較例１）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２１Ｃｒ−１．９Ｍｏ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４４】
（比較例２）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−１５Ｃｒ−８．３Ｍｏ−２．２Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４５】
（比較例３）
化学組成が、Ｆｅ−３．０Ｃ−２０Ｃｒ−７．９Ｍｏ−４．０Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４６】
（比較例４）
化学組成が、Ｆｅ−２．６Ｃ−１８Ｃｒ−１４．３Ｍｏ−２．１Ｖ（ｗｔ％）の鋳鉄を用い、後は参考例１と同様にして耐摩耗性鋳鉄の試験片を作製する。
【００４７】
次に、参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片に、連続して砂を供給しながら長時間摩耗させ、その重量変化を求める一般的なラバーホイール摩耗試験を、ＡＳＴＭ Ｇ６５に略準じて行う。
【００４８】
本ラバーホイール摩耗試験は、耐摩耗性鋳鉄の用途を、例えば、微粉炭機ローラータイヤおよびテーブル用に限定し、先ず、微粉炭機における石炭中の硬質粒子（シリカなど）を抽出すると共に、摩耗特性がこれらの硬質粒子に近い市販砂を試験用砂とする。これは、砂の種類によって材質と摩耗特性の関係が異なるという懸念を解消するためである。
【００４９】
また、これまでの摩耗試験においては、粒の大きな砂を１種類しか用いていなかったが、実際の石炭中においては大小２種類の粒径の硬質粒子が存在している。ここで、粒の小さな硬質粒子の殆どは、粒の大きな硬質粒子の隙間から落ちて下方に堆積していると共に、表面には粒の大きな硬質粒子が主に堆積している。すなわち、実際の摩耗は、大小２種類の粒径の硬質粒子によるものであり、粒の大きな砂を１種類しか用いない摩耗試験は、実際の摩耗環境から乖離したものであった。
【００５０】
このため、本ラバーホイール摩耗試験では、平均粒径が０．３〜０．５ｍｍ、０．８〜１．０ｍｍで、硬さが共に１，１５０〜１，２５０Ｈｖである２種類の市販砂を選定した。
【００５１】
これらの調査およびラバーホイール摩耗試験と実機の摩耗機構の比較検討によって、耐摩耗性鋳鉄の材料開発に必要な耐摩耗性評価のための試験方法を確立した。本ラバーホイール摩耗試験による耐摩耗性評価は、従来のように単に硬度のみで評価するものではなく、硬度がそれ程高くないものについても摩耗試験を行うものである。
【００５２】
参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片の化学組成およびラバーホイール摩耗試験による摩耗量を表１に示す。摩耗量は、細かい砂および粗い砂に対する比較例１の耐摩耗性鋳鉄（Ｆｅ−３Ｃ−２１Ｃｒ−１．９Ｍｏ；現用材料で最も耐摩耗性に優れた鋳鉄）の摩耗速度（時間当たりの質量変化）を１とした時の値である。
【００５３】
【表１】
表１に示す参考例１〜４，実施例１，２および比較例１〜４の各試験片は、表中に示していないものの硬度で比較すると大差はない。しかし、耐摩耗性を比較してみると大きな違いが多く認められた。
【００５５】
すなわち、実施例１、２の各耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の添加量がそれぞれ規定範囲内であるため、細かい砂（平均粒径：０．３〜０．５ｍｍ、硬さ：１，１５０〜１，２５０Ｈｖ）に対しての摩耗量が１よりも小さく、かつ、粗い砂（平均粒径：０．８〜１．０ｍｍ、硬さ：１，１５０〜１，２５０Ｈｖ）に対しての摩耗量が２／３以下（相対値換算で１．５以上）となり、優れた耐摩耗性を示した。
【００５７】
これに対して、比較例２の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｃｒの添加量が規定範囲（１６〜２２ｗｔ％）外の１５ｗｔ％であるため、細かい砂に対しての摩耗量は０．８であり１よりも小さくなっているものの、粗い砂に対しての摩耗量が０．７となり２／３よりも大きくなった。
【００５８】
すなわち、比較例２の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｃｒの添加量が少ないため、参考例３の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中におけるＣｒ炭化物の析出量が少なくなっており、細かい砂および粗い砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００５９】
また、比較例３の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｖの添加量が４．０ｗｔ％であるため、細かい砂に対しての摩耗量は０．８であり１よりも小さくなっているものの、粗い砂に対しての摩耗量が０．７となり２／３よりも大きくなった。
【００６０】
すなわち、比較例３の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｖの添加量が多いため、参考例３の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中におけるＶ炭化物の析出量が多くなっており、硬度自体は高くなっているものの、細かい砂および粗い砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００６１】
さらに、比較例４の耐摩耗性鋳鉄は、各添加元素の内、Ｍｏの添加量が規定範囲（６〜１２ｗｔ％）外の１４．３ｗｔ％であるため、粗い砂に対しての摩耗量は０．６であり２／３以下となっているものの、細かい砂に対しての摩耗量が１．１となり１よりも大きくなった。
【００６２】
すなわち、比較例４の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｍｏの添加量が多いため、実施例４の耐摩耗性鋳鉄と比較すると、組織中における各炭化物（ＣｒとＭｏの複合炭化物やＭｏ炭化物）の析出量が多くなっており、硬度自体は高くなっているものの、細かい砂に対する耐摩耗性が低下していた。
【００６３】
本発明の耐摩耗性鋳鉄は、微粉炭用の粉砕機以外に、セメントミル、破砕機、搬送バケット、スラリー又は粉体の搬送管、ポンプなどに用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００６５】
（１） 化学組成を、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％，Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％，Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％，Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％，Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％，Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％，残部がＦｅおよび不可避不純物とすることで、高級耐摩耗性材料であり、かつ、現用材料で最も耐摩耗性に優れたＦｅ−３Ｃ−２０Ｃｒ−２Ｍｏ（ｗｔ％）鋳鉄と比較して、原料コストの上昇を１０％程度に抑えながら、耐摩耗性を５０％以上向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐摩耗性鋳鉄の摩耗特性を示す図である。
Claims (2)
- 化学組成が、
Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％
Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％
Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
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耐摩耗性鋳鉄。 - 化学組成が、
Ｃ：２．８〜３．３ｗｔ％
Ｃｒ：１７〜１９ｗｔ％
Ｍｏ：７〜９ｗｔ％
Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％
Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％
Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％
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耐摩耗性鋳鉄。
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