JPH01201438A

JPH01201438A - 鉄系セラミック材料

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Publication number: JPH01201438A
Application number: JP2619588A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kawano; 川野　豊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1988-02-05
Publication date: 1989-08-14
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JP2681125B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は耐火物等として使用することのできるセラミッ
ク材料に関する。

［従来技術］耐熱性、耐摩耗性を有するセラミック材料として、アル
ミナ等の酸化物をはじめ各種の炭化物、ホウ化物、ケイ
化物を主成分とする材料が広く使用されている。

［発明が解決しようとする課題］従来のセラミック材料は、いずれもすぐれた耐熱性や耐
摩耗性を有しているが、一般に原料が高価であり、製造
コストも高いものとなっていた。

また、従来のセラミックスは、−旦使用したものを再生
使用することは殆んど不可能であった。

本発明は、炉材等として使用可能な耐熱性と適度の耐摩
耗性と若干の靭性を有し、しかも製造が容易で製造コス
トも安い実用性に富んだセラミック材料を提供するもの
である。

［課題を解決するための手段］本発明にかかる鉄系セラミック材料は、鉄と重量比で４
．３％以上６．７％以下の炭素を含有し、結晶組織がセ
メンタイト、レーデブライト（パーライトとセメンタイ
トの共晶組ｍ）若しくはこれらの混合組織であることを
特徴としている。

従来、鉄と炭素の合金で工業的に利用されていたのは専
ら炭素量が４．３％以下のものであり、これよりも炭素
の多いものは使われていなかった。

また、鉄−炭素系の合金において黒鉛を多量に析出させ
ることなく炭素量を４％以上とすることはきわめて困難
であり、工業的には殆んど不可能であフた。

本発明者は、従来工業的に利用されていなかった高炭素
域に注目し、種々研究を行なった結果、これら高炭素域
で耐熱性、耐摩耗性にすぐれた実用的なセラミックスが
得られることを見出して本発明を完成したものである。

以下、これについて詳細に説明する。

先ず、鉄−炭素系において多量の黒鉛を析出することな
く結合炭素量を増加させる方法が問題となるが、この問
題は適当なセメンタイト安定化元素例えばクロム（ＩＩ
：ｒ）を添加することによって解決されることがわかっ
た。その理由としては、クロムは熱力学的に炭素（Ｃ）
の活量を低下させるので、炭素量が多くなっても黒鉛と
して析出しにくくなることが考えられる。

本発明のセラミック材料は、上述の如く鉄と炭素を主要
成分とするものであり、上記範囲すなわち炭素量４．３
％（重量％、以下同じ）〜６．７％では炭素量が多いほ
どセメンタイトの量が多くなり、逆に炭素量が少なくな
るほどレーデブライト量が多くなる。理論的には炭素量
が４．３％のとき全部がレーデブライトとなり、６．７
％のとき全部がセメンタイトとなる。また、炭素量５．
５％ではセメンタイト量とレーデブライト量の比が、重
量比でも体積比でもほぼ５０　：　５０となる。炭素量
のより好ましい範囲は４．８〜５．８％であり、この範
囲ではセメンタイトとレーデブライトの混合組織となる
。

黒鉛の晶出量は、少ない方がよく、理想的には０％であ
るのが望ましが、０．３％以下なら実用上許容され、０
．０５％以下にするのが特に好ましい。

なお、用途によっては黒鉛の量がこれより若干多くても
よい。

上記クロム以外の添加物として、必要に応じて他の元素
、例えばモリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タン
グステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ホウ素（Ｂ）等の
１種または２種以上を添加することができる。これらは
いずれもセメンタイトの安定化元素であり、炭素が黒鉛
として析出することを防止する。

上記添加元素のうち、クロム（Ｃ「）は９０％程度まで
セメンタイト中に溶解する元素であり、セメンタイト化
に特に効果的な元素である。これが少ないとセメンタイ
トができにくいのみならず、得られるセラミックスの高
温での安定性が悪くなる。

逆にクロムの添加量が多すぎると製品が脆くなるととも
に、原料コストが高くなる。クロムの好ましい添加量は
０．１〜４０％であり、０．１〜２５％とするのがより
好ましく、　５±０．５％とするのが特に好ましい。

モリブデン（ＭＯ）は高温であらかじめＭ。Ｃを生成す
るためセメンタイト中に溶解しにくい元素で、単独では
クロムを単独で添加した場合とあまり差がないが、クロ
ムと共に添加した場合は室温および１０００℃以下の高
温における硬度を上昇させ、耐摩耗性および高温強度を
著しく増加させる。高温強度を増加させるので、高温（
例えば１１００℃）での塑性加工に対しては多量のモリ
ブデンの添加は好ましくないと考えられる。モリブデン
の好ましい添加量は０〜ｌＯ％であり、０〜５．０％と
するのがより好ましく、０．１〜４％とするのがさらに
好ましい。上記範囲中、モリブデン添加量が少なくなる
と耐摩耗性、高温強度、耐蝕性が減少する傾向があり、
多くなりすぎると原料コストが高くなるとともに、靭性
を劣化させる傾向がある。

バナジウム（Ｖ）はセメンタイトによく溶ける元素で、
単独ではクロム単独の場合と殆んど差がなく、しかも場
合によっては黒鉛を少量析出する傾向がある。製品中に
黒鉛が析出すると、耐摩耗性と強度を低下させるほか、
黒鉛と鉄の界面が侵され易いため耐蝕性が低下する。ク
ロムと共同ではセメンタイトの形状を改善し結晶の針状
化を促進する。バナジウムの好ましい範囲は０〜１０％
、より好ましい範囲は０〜５．０％、さらに好ましくは
３±０．５％であり、この範囲内でバナジウムの量が少
なければ耐摩耗性、耐蝕性、高温強度が低下する傾向が
あり、多くなると原料コストが上昇する。なお、靭性は
バナジウムが多い方が向上する傾向がある。

タングステン（Ｗ）は単独ではクロムとほぼ同様の効果
を示し、クロムと共同ではモリブデンの場合と同様な傾
向を示す。タングステンの好ましい範囲は０〜ｌＯ％、
より好ましくは０〜３．０％、さらに好ましくは２±０
．５％前後であり、少ないほど耐摩耗性、耐蝕性、高温
強度が低下する傾向があり、多いほど原料コストが高く
なり、靭性を劣化させる傾向を示す。

マンガン（Ｍｎ）は６０％程度セメンタイト中に溶解す
る元素で、単独添加ではクロムとほぼ同じ傾向を示すが
、耐蝕性はクロムよりも劣るようである。クロムと共同
では、前記モリブデン、バナジウム、タングステン等と
同様の傾向を示すが、これらほど顕著ではない。マンガ
ンの好ましい添加量はＯＮｌθ％、より好ましくは０〜
５．０％、さらに好ましくは５±０．５％である。この
範囲内においてマンガンが少ない場合の傾向はクロムの
場合とほぼ似ているが、クロムはど傾向が顕著ではない
。また、マンガンが多くなるほど脆くなり、耐蝕性およ
び耐酸化性が劣化する傾向がある。

ホウ素（Ｂ）は、単独添加ではあまり効果は期待できず
、逆に製品が硬くなりすぎるというおそれがあるが、ク
ロムと共同ではセメンタイトの結晶を微細化し、靭性を
向上させる効果がある。クロムだけではなく、例えばク
ロムとモリブデン、クロムとバナジウム等と共に添加す
る場合も同様である。ホウ素の好ましい添加量は、０〜
１．０％、より好ましくは０〜０．５％、さらに好まし
くは０．１±０．０５％であり、少なすぎると結晶微細
化作用が充分ではなく、多すぎるときわめて脆くなる。

なお、微細化又は黒鉛晶出防止用の元素として、０．１
％以下のＴｅ又はＢｉを使用することができる。また、
これらの添加元素の他にセメンタイトの安定化を阻害し
ない他の元素、例えばレニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ
）、タンタル（Ｔａ）、テクネチウム（Ｔｃ）等を添加
してもよい。さらに、実用上支障をきたさない程度であ
れば、他の元素を含有してもよく、さらには不可避的に
混入する不純物や前述の如く少量の黒鉛が存在してもよ
い。

この鉄系セラミック材料は、１０００℃以下の温度で使
用される耐火物、機械部品、構造材料等として好適に使
用される。また、室温や高温における硬度が高いので、
耐摩耗性を有する部品や構造物の材料として使用するこ
ともできる。

この鉄系セラミック材料は、鉄と黒鉛と添加元素（又は
その化合物）を原料として、例えば鋳造法、焼結法、溶
射法等によって比較的容易に製造することができる。主
たる原料が鉄と炭素であるから、原料の入手が容易で原
料コストも安価である。また、組織的には鉄と炭素の化
合物で構成されるので、例えば高温で酸素を吹きつける
等の方法によって使用済のものから鉄を容易に回収し、
再生使用することができる。製造工程や回収工程におけ
る公害発生のおそれも少ない。

［実施例］つぎに、本発明の実施例について説明する。

第１表に示す原料を用いて鋳造法、焼結法、溶射法によ
り種々の配合のテストピースを製作した。使用した遠心
鋳造装置の例を第１図に示す。

この鋳造装置１は回転軸２に水平方向に突設した一方の
支持部材３にるつぼ４と鋳型５が支持されており、両者
の間には耐火性リング６が介装されている。るつぼ４の
外周部には高周波話導加熱用のコイル７が捲回され、る
つぼ４の上部開口部は石英ドーム８によって覆蓋されて
いる。るつぼ４の内部には外部からのアルゴンガスが回
転軸２の芯部を通って供給される。回転軸２に突設した
他方の支持部材９にはカウンターウェイトｌＯが取り付
けられている。回転軸２はモータ１１によって回転駆動
され、るつぼ４内で溶解した原料が遠心鋳造される。

第２図および第３図は使用した金型の例をあられすもの
で、第２図は純銅製の大気溶解用金型を、第３図は銅−
クロム合金製の遠心鋳造用金型をそれぞれあられす。第
２図においてＴは１２■ｌ。

Ｗは５２＋＋ｕｓ、　Ｌは２００ｍ＋ｓ、　　Ａは１６
０ｍ５．　　Ｂは４０ｍｍ。

Ｃは２０＋ａｍであった。また、第３図においてＡは４
４ｍ５．　Ｂは２４ｍｍ＋、　Ｃは１０ｍｍ、　Ｄは５
４ｍａ＋、　Ｅは２０論■。

Ｆは７０ｍｍ％Ｇは５３ｍ＋ｗであった。鋳型としては
金型の他に砂型も使用した。

得られたテストピースの顕微鏡組織を第４図、第５図お
よび第６図に示す。第４図は鋳造法によるテストピース
をあられし、組成は各写真の下側に表示されている。倍
率はいずれも同じである。

これらの写真中、白いのはセメンタイト（Ｆｅ５（：）
であり、灰色のものはレーデブライトである。写真（ａ
）ではセメンタイトの粗い針状ないし板状の結晶が認め
られるが、（ｂ）ではこれが針状（粒状に見えるものは
針状結晶の横断面である）となっており、（ｃ）、（ｄ
）ではこの針状結晶が微細化していることがわかる。針
状結晶の直径は５０μｍ以下であるのが好ましく、２０
μｍ以下であるのが一層好ましい。このような針状結晶
の晶出方向を一定に揃えることにより、高強度が得られ
ることが容易に推察される。また、レーデブライトはセ
メンタイトに較べて靭性が高く、セメンタイトを微細化
することにより強度が向上する。

なお、ホウ素（Ｂ）を０．１％程度添加したものは粒径
が細かく、強度、靭性が向上するが、この粒径は鋳造後
の冷却速度によっても大きく影響されるので、所望の高
性能を得るためには、冷却速度の管理も大切である。

第５図は焼結法によって製造したテストピースの顕微鏡
組織であって、（ａ）と（ｂ）の組成および（Ｃ）と（
ｄ）の組成はそれぞれ同じであり、（ｂ）は（ａ）を拡
大したもの、（ｄ）は（Ｃ）を拡大したものをそれぞれ
あられしている。（ａ）と（ｂ）および（ｂ）と（ｄ）
は倍率がそれぞれ等しい。また、　（ａ）、（ｂ）のテ
ストピースの焼結条件は１１００℃Ｘ　１２ｈｒであり
、　（Ｃ）。

（ｄ）のそれは１２００℃×４ｈ「であった。焼結法に
よって製作したテストピースには所々にボア（黒い球状
）が認められるが、このボアは例えばＨＩＰ処理を施す
ことによって消滅させることができるものと考えられる
。

第６図は粉末原料を用いて溶射法によって製作したテス
トピースの顕微鏡組織写真であって、組成はすべて同じ
であり、　（ａ）、（ｂ）は原料である鉄粉の粒度が一
８０ｍｅｓｈ、　　（ｃ　）　、　（ｄ　）は−２５０
ｍｅｓｈである。また、（ｂ）は（ａ）の拡大写真であ
り、（ｄ）は（Ｃ）の拡大写真である。同図（Ｃ）、（
ｄ）に示されているものは、セメンタイトの粒径が小さ
く、分散状態も良好であるので、強度的にすぐれた材料
であることがわかる。なお、使用粉末の粒度とセメンタ
イト粒度が対応するので、原料粉末の粒度は一１００ｍ
ｅｓｈが好ましく、できれば−５００ｍｅｓｈがさらに
好ましい。また、セメンタイト粒度は１００μｍ以下が
よく、できれば５μｍ以下が最も好ましい。また、この
組織から見て、得られたセラミック材料はかなりの靭性
を有するものであると考えられるが、実際に測定した結
果でも若干の靭性を示した。なあ、溶射によって製作し
たテストピースにも若干のボアの存在が認められたが、
このボアも焼結法の場合と同様にＨＩＰ等適当な処理を
施すことによって消滅させることができると考えられる
。

第７図は化学組成と硬度（ＨＶ）との関係をあられすも
ので、クロムを添加しない場合のセメンタイトの硬度は
１２５６．レーデブライトの硬度は８３６であった。ク
ロム単独添加の場合はクロムの量によって硬度があまり
変化しないように思われる。

クロム５％とモリブデンを添加したものは、モリブデン
量が１％から３％にかけて硬度が上昇し、それ以上では
あまり変化しないように見受けられる。クロム５％とモ
リブデン３％とホウ素０．５％を添加したものは、セメ
ンタイトの硬度が約１２００と低いが、これは球状黒鉛
が晶出したためであろうと考えられる。クロム５％とタ
ングステンを添加したものはタングステンの量とともに
レーデブライトの硬度が上昇する傾向が認められる。一
般に複合添加試料はセメンタイト部とレーデブライト部
との平均硬度は１２００１１Ｖでニューセラミックスｚ
「０２の硬度に匹敵する。

第８図は添加物と高温峻度の関係をあられすグラフで、
いずれも温度の上昇とともに硬度が低下するが、１００
０℃程度まで充分な強度をもつことがわかる。このうち
、クロムを単独で５％添加したものは、硬度が７００℃
で約２５０　（ＨＶ）まで低下するので、高温にあける
塑性加工の可能性がうかがえる。なお、クロム５％およ
び１３％とモリブデン３％を添加したものは、８００℃
で約３６０（）ＩＶ）と焼戻しマルテンサイトに匹敵す
る。また、Ｃｒ５％、Ｍｏ３％試料′試料室温から１０
００℃まで３３３分をかけて除熱したのち、再度３３３
分をかけて室温まで徐冷したものの顕微鏡組織を観察し
たところ、結晶組織は加熱前と全く同じであり、耐熱性
にすぐれていることがわかった。

第１表第９図はクロムの添加量と耐蝕性（耐酸性）の関係をあ
られすグラフで、２０℃で１：１の塩酸中に浸漬したと
きの減量（＋ａｇ／ｃｍ２）をあられしている。同図か
られかる通り、クロムを５％添加したものは、クロムを
１％添加したものの約ｌ／４０であり、１８−８ステン
レス鋼にほぼ匹敵している。この事実から判断すると、
クロム５％とモリブデン３％を添加したもの、クロム１
３％を添加したもの、クロム２５％を添加したもの、ク
ロム１３％とモリブデン３％を添加したもの、クロム２
５％とモリブデン３％を添加したもの等は、ステンレス
鋼より耐酸性が優れていることが予想される。

第１０図は各添加元素の溶解度を調べるためＥＰＭＡに
よる線分析を行なった結果をあられすもので、平板状の
部分がセメンタイト、微小凹凸のある部分がレーデブラ
イトである。第１θ図（ａ）はクロム５％とモリブチ２
３％添加品（テストピースＮｏ−１４）のモリブデン溶
解度、（ｂ）はクロム５％とタングステ２３％添加品（
テストピースＮｏ、１７）のタングステン溶解度、（Ｃ
）はクロム５％、モリブデン３％およびマンガン５％添
加品（テストピースＮｏ、２７）のマンガン溶解度をそ
れぞれあられす。また、（ｄ）と（ｅ）はともにクロム
５％、バナジウム３％添加品（テストピースＮｏ、１８
）におけるクロムとバナジウムの溶解度をあられす。同
図（ｄ）、（ｅ）からクロムとバナジウムがセメンタイ
ト中によく溶けることがわかる。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明に係る鉄系セラ
ミック材料は、１０００℃以下の温度での使用に充分耐
える耐火性と高硬度および耐蝕性を具備するもので、耐
火物、耐摩耗部品等広範囲な分野に使用することができ
るものである。しかもこのセラミック材料は、鉄と炭素
を主原料とするものであるから原料コストが安く、原料
の入手も容易である。また、このセラミック材料を構成
するセメンタイトとレーデブライトは、いずれも鉄と炭
素の化合物であるから、−旦使用したものを再生利用す
ることも可能であり、さらに、例えば溶射試料はこれま
でのセラミックスに見られなかった若干の靭性を示す等
、種々の点で工業的利用価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳造装置の説明図、第２図（ａ）。（ｂ）、（Ｃ）は使用した大気溶解用金型の平面図、お
よび一部を省略した正面図と側面図、第３図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）は遠心鋳造用金型の平面図、正面図、側面
図、第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）。（ｄ）、第５図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄ）
および第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は結晶組
織をあられす顕微鏡写真、第７図は硬度と化学組成との
関係をあられすグラフ、第８図は高温硬度に対する添加
物の影響をあられすグラフ、第９図は耐酸性に及ぼすク
ロムの影響をあられすグラフ、第１θ図（ａ）、（ｂ）
、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は各添加元素の溶解度と結晶
組織をあられす顕微鏡写真である。１・・・遠心鋳造装置　　２・・・回転軸４・・・るつ
ぼ　　５・・・鋳型

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鉄と、重量比で４．３％以上６．７％以下の炭素
を含有し、結晶組織がセメンタイト、レーデブライト若
しくはこれらの混合組織であることを特徴とする耐熱性
を有する鉄系セラミック材料。