JPH06501984A - ニオブ炭化物を分散した、ニッケル或いはコバルト基サーメット - Google Patents

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】 ニオブ炭化物を分散した、ニッケル或いはコバルト基サーメット 本発明は、複合ロールの硬質面としての使用に適するサーメツト材と、金属コア とサーメツト材の硬質面を持つ複合ロールと、金属コアに硬質面を形成する方法 に関する。

特に、本発明は、構造用鋼材の生産に使用されるロールに関するものであるか、 これに限るものではない。このようなロールは、通常、鋼或いは鉄をベースとし た材料からチル鋳造により作られる。

構造用鋼材の生産に使われるロールに要求される主な特徴は。

（ａ）ロール表面の磨耗と局所的破損を最小限に抑さえるための対磨耗性： （ｂ）圧延される製品の寸法の誤差を抑えることかできるように平均的に摩耗す る： （Ｃ）熱疲労による亀裂の開始と、拡かりに対する抵抗： （ｄ）機械的力に対する圧縮、引っ張り強さ：（ｅ）強靭さ。

これらの要求される特徴の相対的な重要性は、圧延機のとの段階で使われるかに よる。例えば、熱疲労による亀裂の開始とその拡かりに対する抵抗は、仕上げス タンドよりも租スタンドで重要になる。従って、仕上げスタンドにおける使用に 適する特徴の組み合わせを持つロールは、粗スタンドでの使用には適していない 場合もある。

構造用鋼材のロールに、金属コアとサーメツト材の硬質面を備えた複合ロールを 使用することは、以前から言われていた二とであるか、理論上は、サーメツト材 の別々の成分を選択し、強靭な素地と硬質の炭化物をこれに分散させ、成分の相 対的な配分を調整し、最適化することにより、磨耗抵抗と靭性なと、上記の特徴 のい（つかか矛盾するものであるという問題を解決することか可能なはすであり 、サーメツト材は上記の要求される特徴を備えてもよい筈である。しかし、実際 には、上記の要求される特徴を、ある程度満足するロールを製造する目的で、金 属製のコア上にサーメツト材の硬質面を形成することはこれまで不可能であった 。これは、−見適切なサーメツト材を金属面につけ、硬質面を形成した際の微細 構造と、金属コアに対する接着性か満足できるものを得ることか困難なことか一 つの理由となっていた。この微細構造では、炭化物粒子の均等な分散と、局所的 な欠陥などが問題になる。サーメツト材を利用する上での問題点は、硬質面が機 械加工でき、良質の表面を形成することが可能であるかと言うことにある。

本発明の目的は上記した短所を改善することにある。

本発明では、複合ロールの硬質面としての利用に適するサーメツト材で、０．３ 重量％未満の炭素濃度を含むコバルトをベースにした素地、或いは、ニッケルを ベースにした素地にニオブ炭化物を分散したものを開示する。

素地の炭素濃度は、０．２５重量％未満であることか好ましい。

素地の炭素濃度は、コバルトをベースにした素地では、０．２２重量％未満、ニ ッケルをベースにした素地では、０．２０重量％未満であることか特に望ましい 。

ニオブ炭化物粒子は、サーメツト材の８０重量％未満であることか望ましい。

ニオブ炭化物粒子は、サーメツト材の５０重量％未満である二とが特に望ましい 。

ここでは、「コバルトをベース（基）とする素地」とはコバルトを主成分とする 合金から形成される素地と言う意味である。この合金は、次の元素の一つ或いは 複数を含む場合かある： （ａ）クロム この合金は４０重量％以下のクロムを含んでもよい。

クロムは、コバルトと固溶体を形成する。炭素か存在する場合、炭化クロムか形 成される。さらに、クロム酸化物は表面層を形成し、これは耐高温酸化性および 耐食性に富む。

（ｂ）ニッケル この合金は２５重量％以下のニッケルを含んでもよい。

ニッケルは、素地の延性を高めるために添加される。

（ｃ）モリブデン この合金は４重量％以下のモリブデンを含んでもよい。

モリブデンは、炭化物を形成し、素地の硬さや、高温強度を高めるために添加さ れる。又、モリブデンは、素地を時効硬化させる。

（ｄ）タングステン、ニオブ、タンタルこの合金は、１５重量％以下のタングス テン、６重量％以下のニオブ、２重量％以下のタンタルを含んでもよい。

これらの元素は、一般に素地に対してモリブデンと同様の効果かある。

（ｅ）チタン この合金は１重量％以下のチタンを含んでもよい。チタンは、ニッケルと金属間 化合物を形成し、素地を時効硬化させる。

この合金は１重量％以下のアルミニウムを含んでもよい。アルミニウムはニッケ ルと金属間化合物を形成し、素地を時効硬化させる。

（ｇ）シリコン この合金は１．５重量％以下のシリコンを含んでもよい。シリコンは、脱酸剤と して作用する。

（ｈ）マンガン 二の合金は１．５重量％以下のマンガンを含んでもよい。マンガンは脱酸剤とし て、また脱硫剤として作用すこの合金は５重量％以下の鉄を含んでもよい。鉄は 、５重量％以下で添加された場合、素地に影響することのない安価の合金元素と して利用される。

（ｊ）バナジウム この合金は１重量％以下のバナジウムを含んでもよい。

バナジウムは、炭化物を形成し、素地の硬度を高める。

こ二で、「ニッケルをベースとする素地」とは、ニッケルを主成分とする合金か ら形成される素地のことを意味し、この合金は、以下の元素の一つ或いは、複数 を含む場合かある： （ａ）クロム 二の合金は２０重量％以下のクロムを含んでもよい。

クロムは、ニッケルと室温以上の温度で固溶体を形成する。クロムは、金属間化 合物は形成せず、時効硬化の原因となる相転移を起こさない。さらに、クロム酸 化物は表面層を形成し、これは耐高温酸化性および耐食性に富む。

（ｂ）鉄 この合金は１．０重量％以下の鉄を含んでもよい。鉄は、５重量％以下で添加さ れた場合、素地に悪影響を及ぼすことのない安価の合金元素として利用される。

しかし、多く添加すると素地の耐食性や高温強度を弱める。

（ｃ）モリブデン この合金は２０重量％以下のモリブデンを含んでもよい。モリブデンは素地の耐 酸性と高温強度を高める。

（ｄ）コバルト この合金は２０重量％以下のコバルトを含んでもよい。

コバルトは、チタン、モリブデン、アルミニウムと金属間化合物を形成し、素地 を時効硬化させる。

（ｅ）タングステン、ニオブ、タンタルこの合金は１５重量％以下のタングステ ン、６重量％以下のニオブ、２重量％以下のタンタルを含んでもよい。

これらの元素は素地を硬度を高める。

（ｆ）チタン この合金は３重量％以下のチタンを含んでもよい。チタンは、タングステン、コ バルト、アルミニウムと金属間化合物を形成し、素地を時効硬化させる。

（ｇ）アルミニウム この合金は６重量％以下のアルミニウムを含んでもよい。アルミニウムはコバル ト、チタンと金属間化合物を形成し、素地を時効硬化させる。

（ｈ）バナジウム 二の合金は１重量％以下のバナジウムを含んでもよい。

バナジウムは炭化物を形成し、素地を硬度を高める。

（ｉ）シリコン この合金は６重量％以下のシリコンを含んでもよい。

シリコンは、素地の脱酸剤、フラックス剤として作用し、耐食性を高める。

（Ｄマンガン この合金は３．５重量％以下のマンガンを含んでもよい。マンガンは脱酸剤、脱 硫剤として作用し、高温耐食性を高める 鋼または鉄をベースとしたコアと、上述したサーメツト材の硬質面とを備える複 合ロールも本発明の範囲に含まれる。

さらに、ニオブ炭化物の粒子とコバルト或いはニッケル基合金とを含むサーメツ ト材を、鋼或いは鉄をベースとした材質のコアに溶接し、０．　３重量％未膚の 炭素濃度を持つコバルト或いはニッケルをベースとした素地に、ニオブ炭化物の 粒子か分散する硬質面を形成するステップを含む複合ロールの製造方法も、本発 明の一部である。

素地の炭素濃度は０．２５重量％未満であることか望ましい。

コバルトをベースとする素地では、−炭素濃度は、０．２２重量％未満で、ニッ ケルをベースとする素地では、０．２０重量％未満であることが望ましい。

ニオブ炭化物の粒子は、サーメツト材の８０重量％未満であることか望ましい。

ニオブ炭化物の粒子は、サーメツト材の５０重量％未満であることかより望まし い。

金属粒子は長球状で、低酸素、低スラグのものがよく、直径か４５から１５０ミ クロンのものかよい。

ニオブ炭化物粒子の直径は、４５から９０ミクロンのものか好ましい。或いはこ れに代わるものとして、次のような直径を持つニオブ炭化物粒子でもよい：（ａ ）　５．４　−　２２．５　ミクロン；（ｂ）２２．　５　−　４５　ミクロン ：（ｃ）　５．６　−　４５　ミクロン。

（ｄ）１６　−　６３　ミクロン： （ｅ）１６　−　９０　ミクロン；　そして（ｆ）５−２０　ミクロン 本発明による方法では、サーメツト材を緩衝層に溶接する前に、素地の炭素濃度 か０．３％未満の緩衝材をコアに溶接する段階を含むことが望ましい。

緩衝層を設ける理由の一つは、サーメツト材を溶接する際にてきる溶融池でコア か溶ける結果、サーメツト材が希釈され、素地の炭素濃度か０．３％を上回るの を避けるためである。緩衝層を設けるもう一つの理由としては、素地のサーメツ ト材にある鉄分以上に鉄分が増加することを避けることが挙げられる。

本発明の方法では、サーメツト材と、場合によっては、緩衝材をプラズマアーク 溶接を利用して、コアに溶接することか望ましい。

パウダーとプラズマガスは、２５から１００容量％のアルゴンと７５容積％まて のヘリウムを含むことが望まれる。これについては、パウダーとプラズマガスと して＋００容量％のアルゴンを使用すると、サーメツト材の溶接の際に形成され る溶融池に溶は込む一次二オブ炭化物の量か少なくなり、この結果、二次炭化物 の発生が少なくなることか分かった。１００容量％のアルゴンを使用すると、炭 化物か更に均等に分散される。しかし、１００容量％のアルゴンをパウダーとプ ラズマガスとして使用した場合、所要の容量％のニオブ炭化物においてサーメツ ト材の全体的な硬度か低くなることも分かった。

パウダーとプラズマガスにヘリウムを使用すると、ノズルでの堆積を減少し、溶 接堆積物を厚くする利点があることか分かった。

シールドガスは、１００容量％のアルゴンを使用する二とが望ましい。

本発明の方法では、溶融池を電磁攪拌することが望ましい。

本発明は、溶接と機械加工に関する問題を最小限に抑さえ、ロールとして使用す るための最適の特徴を持つ硬質面を得るためには、硬質面は、コバルト或いはニ ッケルをベースとした、ニオブ炭化物粒子を分散させた金属素地で、炭素濃度か ０．３重量％、好ましくは０．２５重量％以下であるサーメツト材が必要である と言うことが分かったことを基礎とするものである。

殊に、素地の炭化物濃度の重要性について次のことが分かった： （ａ）クラッキングや他の溶接欠陥は、硬質面の素地の炭素濃度か高くなるにつ れて多くなる。

（ｂ）硬質面のミクロ組織は、二次炭化物として析呂された炭化物ではなく、固 溶している炭素が存在すると、機械加工か簡単になり、磨耗抵抗の大幅な減少か 見られなくなる。

（Ｃ）素地の炭素濃度は、素地のニオブ炭化物の分散に影響を与える。これによ り、素地の炭素濃度が低けれは、ニオブ炭化物の分散か均等で、素地の炭素濃度 か高くなるにつれて、ニオブ炭化物が偏析する可能性が高くなる。

更に次のことが分かった： （ａ）素地の鉄濃度は、硬質面の特徴に大きな影響を及ばず。従って、コアから 鉄によるサーメツト材の希釈化を避けるように注意しなければならない。

（ｂ）溶融池を電磁攪拌することにより、素地の炭化物の大きさか小さくなり、 これにより、熱疲労による亀裂の発生と進行に対し良い効果をもたらし、素地の ニオブ炭化物の粒子には悪影響を及ぼさない。

本発明は、添付する図面を参照して更に詳しく説明される。

図１は、本発明を評価するため行われた実験の一部て、ＮｂＣ／ナイスチルＣ， ＮｂＣ／ステライト２１、ＮｂＣ／３１６ステンレス鋼のサーメツト材の硬質面 と、緩衝層か鋼材に溶接されたところを示す概略図である。

図２は、５０容量％のＮｂＣ／ナイスチルＣの硬質面の典型的な顕微鏡写真（倍 率■６０）である。

図３は、３０容量％のＮｂＣ／ナイスチルＣの硬質面の典型的な顕微鏡写真（倍 率１６０）である。

図４は、２０容量％のＮｂＣ／ナイスチルＣの硬質面の典型的な顕微鏡写真（倍 率１６０）である。

図５は、５０容量％のＮｂＣ／ステライト２１の硬質面の典型的な顕微鏡写真（ 倍率１６０）である。

図６は、３０容量％のＮｂＣ／ステライト２１の硬質面の典型的な顕微鏡写真（ 倍率１６０）である。

図７は、２０容量％のＮｂＣ／ステライト２１の硬質面の典型的な顕微鏡写真（ 倍率１２．８）である。

図８は、５０容量％のＮｂＣ／３１６ステンレス鋼の硬質面の典型的な顕微鏡写 真（倍率１６０）である。

図９は、３０容量％のＮｂＣ／３１６ステンレス鋼の硬質面の典型的なＩＩｍ鏡 写真（倍率１２．８）である。

図１Ｏは、２０容量％のＮｂＣ／３１６ステンレス鋼の硬質面の典型的な顕微鏡 写真（倍率１２．８）である。

図１１は、ＮｂＣ／ナイスチルｃ、Ｎｂｃ／ステライト２Ｌ　ＮｂＣ／３１６ス テンレス鋼のサーメツト材の硬質面のＮｂＣ容量容量対するビッカース硬度をプ ロットしたものである。

一連のサーメツト材の硬質面と緩衝層が０．　２重量％の鋼材上にプラズマアー ク機具をもって溶接された。

テストされたサーメツト材は次のものを含む（ａ）ニオブ炭化物とナイスチル２ １粒子（ｂ）ニオブ炭化物とステライト２１粒子（Ｃ）ニオブ炭化物と３１６グ レードのステンレス鋼粒子 ＮｂＣ／ステライト２１と、Ｎｂｃ／３１６ステンレス鋼のサーメツト材の場合 、緩衝層はステライト２１を含み、ＮｂＣ／ナイスチルＣのサーメツト材の場合 ナイスチルＣか含まれる。

ステライト２１とナイスチルＣの化学組成は、下の表１で示されている。（数字 は重量％） （（ｂ　Ｎｉ　Ｆｈ　８１　Ｃｒ　ｈｓ　Ｗｅ　Ｖ　Ｂ’Ｗ図１の略図は、サー メツト材の硬質面と緩衝層の溶接堆積物の組織を示す。

図２から４の顕微鏡写真では、ナイスチルＣの緩衝層に、５０８１％、３０容ｊ ｔ％、２０８Ｊｉ％＜７）Ｎ　ｂ　Ｃ／ｆイスチルＣを溶接すると、素地に一次 二オブ炭化物が均等に分散し、溶接欠陥や線状炭化物のない共析晶のデンドライ トの分散か見られる。

図５の顕微鏡写真では、ステライト２１緩衝層上の５０容量％のＮｂＣ／ステラ イト２１に一次二オブ炭化物粒子の不均等な分散が、溶剤から析出した粗いニオ ブ炭化物のデンドライトの分散とステライト２１と関連する微粒の炭化物か存在 する素地中で見られた。溶接欠陥や線状炭化物は見られなかった。しかし、ロー ル用であることを考えると、−次二オブ炭化物粒子の均等でない分散は問題であ る。

３０容量％のＮｂＣ／ステライト２１ては、同し程度或いは、更に悪い結果かで た。図６の顕微鏡写真では、−次とこれより大きい二次ニオブ炭化物の粒子が、 微粒のＮｂＣとステライト２１炭化物が樹枝状に存在する素地の中で偏析してい ることが分かる。

２０容量％のＮｂＣ／ステライト２１では、５０容量％と３０容量％のＮｂＣ／ ステライト２１ての結果と比較し大幅に良い結果が得られた。図７の顕微鏡写真 では、微粒のニオブ炭化物とステライト２１炭化物の樹枝状に存在する素地に一 次と二次ニオブ炭化物粒子の比較的均等な分布が見られた。溶接欠陥や線状炭化 物は見られなかった。

５０容量％と３０容量％のＮｂＣ／ステライト２１のサンプルの失敗は、コバル トをベースとした素地の本質的な問題によるものではなく、素地中の炭素の量が 高すぎるためであることが分かった。これに関連して、ステライト２Ｉの炭素濃 度は、ナイスチルＣの０．１重量％しかないのに対し、０．２重量％であり、ニ オブ炭化物のフリー炭素を考えると、炭素濃度の問題は、ステライト２１のサン プルにおいてナイスチルＣのサンプルより明白であり、ニオブ炭化物の濃度が大 きいほど顕著である二とか想像できる。実験結果を考慮すると、素地の炭素濃度 は、０．３重量％を越えないこと、好ましくは０．２５重量％を越えないことが 良いことか判明した。

素地の炭素濃度の重要性と共に、ある程度のコア材料は溶解して硬質面の一部を 形成することは、比較的低い炭素濃度を持つ緩衝材料を利用する必要性において 重要な要素であることが注目される。これに関連するもう一つの点は、素地中の 過剰鉄分は悪影響を持つということで、ニッケルやコバルトベースの素地材料に 既に存在する鉄分濃度を越えることは避けなければならない。素地に存在する鉄 分の悪影響は、ＮｂＣ／３１６グレードのステンレス鋼の実験で明らかになって いる。

図８から１０の顕微鏡写真では、５０容量％、３０容量％、２０容量％のＮｂＣ ／３１６ステンレス鋼の溶接において、−次とこれより大きい二次ニオブ炭化物 粒子の明らかな偏析が見られる。素地は、ニオブ炭化物の粗粒子および微粒子と 、樹枝状の未確認の炭化物を含む。

溶接欠陥や線状炭化物は見られなかった。しかし、上述したように、−次二オブ 炭化物粒子の不均等な分布は圧延するという観点からは許されない。

図１１では、ＮｂＣ／ナイスチルＣとＮｂＣ／ステライト２１サンプルの硬度か ５０溶量％から３０容量％の範囲て一定になることか明らかになっている。これ により、ニオブ炭化物の応用の多くでは、３０容量％程度のニオブ炭化物の分散 で十分である可能性かあることが分かる。

本発明の考え方や、発明の範囲から離れることなしに上記実施例に数多くの改良 を加えることが可能である。

ステライト２１−ニオブ炭化物　（Ｓ２０　、Ｓ　３０　、５５０）３１６スチ ールーニオブ炭化物　＋３１６−２０．３１６−３０　、３１６−５０１ｊテ、 ７゜ 硬度の７吃　（）ＩＶ３０１　Ｖ　ｏ−−→ナイスチルＣ素地のニオブ炭化物の ％　８ユテウイト２１補正書の写しく翻訳文）提出書

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複合ロールの硬質面としての利用に適するサーメット材であって、素地中に ０．３重量％未満の炭素濃度を有するコバルトベースの素地或いはニッケルベー スの素地にニオブ炭化物が分散しているサーメット材。 ２．請求項１によるサーメット材において、素地の炭素濃度が０．２５重量％未 満であるサーメット材。 ３．請求項１によるサーメット材において、コバルトベースの素地の炭素濃度は ０．２２重量％未満であり、ニッケルベースの素地の炭素濃度は０．２０重量％ 未満であるサーメット材。 ４．以上の請求項のいずれかによるサーメット材において、これに含まれるニオ ブ炭化物の粒子はサーメット材の８０容量％未満であるサーメット材。 ５．請求項４によるサーメット材において、これに含まれるニオブ炭化物の粒子 はサーメット材の５０容量％未満であるサーメット材。 ６．複合ロールは鋼ベース或いは鉄ベースのコアと以上の請求項のいずれかによ るサーメット材の硬質面を備えている。 ７．複合ロールを形成する方法であって、ニオブ炭化物と、コバルト或いはニッ ケルベースの合金の粒子を鋼或いは鉄ベースの材質に溶接し、０．３重量％未満 の炭素濃度を有するコバルトベースの素地或いはニッケルベースの素地にニオブ 炭化物が分散している硬質面を形成する段階を持つことを特徴とする方法。 ８．請求項７の方法で、炭素濃度は０．２５重量％未満である。 ９．請求項７の方法で、、コバルトベースの素地の炭素濃度は０．２２重量％未 満であり、ニッケルベースの素地の炭素濃度は０．２０重量％未満であるサーメ ット材。 １０．請求項７から９のいずれかの方法において、ニオブ炭化物の粒子はサーメ ット材の８０容量％未満である。 １１．請求項１０による方法において、ニオブ炭化物の粒子はサーメット材の５ ０容量％未満である。 １２．請求項７から１１のいずれかによる方法において、金属粒子は長球状であ り、低酸素と低スラグの濃度をもつ。 １３．請求項７から１１のいずれかによる方法において、金属粒子の直径は４５ から１５０ミクロンである。 １４．請求項１３による方法において、ニオブ炭化物粒子の直径は４５から９０ ミクロンである。 １５．請求項７から１４のいずれかによる方法は、ニオブ炭化物の粒子とコバル トベース或いはニッケルベースの合金をコアにプラズマアーク溶接する段階を含 む。