JPH09108887A - 耐摩耗材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高面圧摩擦を受ける面部材に使用されて優れ
た耐摩耗性を示し、しかも経済性に優れた耐摩耗材を提
供する。 【構成】 マンガンを主な合金成分とするマンガンオー
ステナイト系合金または硬度がＨｖ５００〜９００であ
るマルテンサイト系合金をマトリックスとし、そのマト
リックス中に断面積比で２０〜７０％の高硬度炭化物粒
子を混合した複合材を肉盛する。肉盛には、エレクトロ
スラグ溶接、エレクトロガス溶接、エレクトロノンガス
溶接等の大入熱溶接を用いた単層立て向き溶接を使用す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に粉砕機のテー
ブルやローラのような高面圧摩擦を受ける面部材に使用
されて優れた耐摩耗性を示す耐摩耗材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉砕機のローラやテーブル等にお
ける破砕面の肉盛には、耐摩耗性に優れた高炭素高クロ
ム鋳鉄系の合金が用いられてきた。その組成は例えばＣ
３〜６％、Ｃｒ１４〜３５％を主成分とし、Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｖ，Ｂ，Ｔｉ等の高硬度炭化物を形成する合金
元素を単独に又は複数種混合して含有させたものであ
り、代表的なものとしてはＣ5.５％−Ｃｒ２２％−Ｎｂ
７％−Ｍｏ７％−Ｗ２％−Ｖ1.５％がある。

【０００３】高炭素高クロム鋳鉄系の肉盛用合金は、肉
盛金属に多数の割れを生じ、破砕面に大きい衝撃が加わ
ると剥離する危険性をもつものの、現時点では最も耐摩
耗性に優れることから、やむを得ず使用されているのが
実情である。ちなみに、高硬度炭化物形成元素を含有し
ていない単なるマルテンサイト系合金やマンガンオース
テナイト系合金、Ｍｎ−Ｃｒオーステナイト系合金等
は、剥離脱落の危険性はないものの、低面圧下での使用
では十分な耐摩耗性を示さないことが知られている。

【０００４】高炭素高クロム鋳鉄系の合金を使用して破
砕面に肉盛を行う方法としては、例えば粉砕機のローラ
を例に取れば、下向き自動溶接により溶接ワイヤをロー
ラの表面に巻付けるような方法が採用されてきた。

【０００５】しかし、この方法では肉盛金属が何層にも
積層されるため、溶接内部応力が蓄積され、３０ｍｍ以
上の厚さになると、使用中にローラの破砕面が受ける剪
断、衝撃、圧縮応力により、一種の冶金的不連続部を形
成する肉盛金属と母材の境界面に集中応力が発生して、
肉盛金属が母材ローラとの境界面から剥離脱落を生じた
り、表層部が衝撃により剥離したりする。そのため、３
０ｍｍ以上の肉盛は困難であった。また溶接能力が低い
ために、多量の金属を肉盛する場合は多大の工数を必要
として、コスト的に見合わないのが現状である。

【０００６】このような現状に鑑みて、本発明者は破砕
面の肉盛溶接に関して大入熱の単層立て向き溶接を用い
ることを企画した（特開平７−５１５８５号公報）。

【０００７】この方法はエレクトロスラグ溶接、エレク
トロガス溶接、エレクトロノンガス溶接等の大入熱溶接
を用いた単層立て向き溶接方法であり、１９５１年頃に
旧ソ連のキエフ市にあるパトン研究所で開発された。こ
の方法の本来の使い方は、例えば４０ｍｍ以上の厚肉の
板材を突き合わせ溶接する場合、突き合わせ間隔を約２
０〜３０ｍｍのＩ型開先とし、その開先を立てると共に
両側から水冷銅当金により開先を囲い、前述した大入熱
溶接法を用いて電極ワイヤを開先内に下から上へ順次溶
融充填して板材を溶接するというようなものである。

【０００８】この単層大入熱立て向き溶接方法では、開
先内に３〜６本の電極ワイヤを挿入し、多電極で肉盛を
行えるので、３００ｍｍを超える肉厚の鋼板でさえ高能
率に溶接できる。例えば、３００ｍｍの肉厚をもつ鋼板
を、１０００ｍｍの長さにわたって溶接したとすれば、
アーク時間は約２時間となる。これを下向き溶接で行っ
たとすれば、最も高能率と言われるサブアージアーク溶
接を使用しても、約７〜１０時間のアーク時間を要す
る。両溶接方法とも３電極を使用し、溶接電流は６００
Ａ、開先間隔は５０ｍｍとした場合である。

【０００９】すなわち、大入熱単層立て向き溶接肉盛と
下向き溶接の間には実に約3.５〜５倍の能率の違いが存
在する。この比較は単にアーク時間の比較に留めている
が、溶接に必要な段取り時間やその溶接に関わる手間時
間を考慮すると、更に大きな差異が生じる。

【００１０】このように、大入熱単層立て向き溶接方法
は、非常に高能率であるので、破砕面の肉盛に使用すれ
ば、巨大ローラのように多量の溶接材料を必要とする場
合も、コスト的に見合う施工を期待できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この大
入熱による単層立て向き溶接方法に従来から使用されて
いる耐摩耗性の溶接肉盛材料、すなわち高炭素高クロム
鋳鉄系合金を用いると、次のような重大な問題を生じる
ことが判明した。

【００１２】高炭素高クロム鋳鉄系合金を始めとする高
硬度耐摩耗金属は総じて金属自体に殆ど靱性がない。そ
のため、仮に多数の割れを発生せずに厚肉に金属を肉盛
することができたとしても、内部に蓄積されている応力
のため、使用中の僅かな衝撃により表層部が小片状ある
いは鱗状、切片状に微小剥離を繰り返し、早期摩耗に進
展する現象が生じる。

【００１３】従来の下向き溶接による肉盛では、１層の
厚さが最大５ｍｍ程度であることから、１層毎にこの割
れが発生し、溶接内部応力を自ら解放することにより、
内部応力の蓄積による表層部の微小剥離が防止される。
このようなことから、アメリカではこの割れを応力除去
割れと呼び、剥離防止のためにむしろ歓迎する傾向にあ
る。

【００１４】ところが、前述した大入熱による単層立て
向き溶接では、肉盛金属が緩慢冷却されるために割れの
発生が抑制されて、溶接内部応力の解放を殆ど期待でき
なくなり、そのために肉盛金属に蓄積される内部応力は
莫大になり、その結果、使用中の僅かな衝撃によっても
肉盛金属表層部の微小剥離を繰り返し、意外にも早期摩
耗を生じるのである。また、下向き溶接姿勢において
も、１層当りの肉厚が１０ｍｍを超えると同様に割れの
発生が抑制されて同様の傾向を示した。

【００１５】セメント工場のクリンカーの二次粉砕に使
用される高面圧ダブルロールクラッシャーの破砕面が受
ける最大面圧は約３５０Ｎ／ｍｍ² にもなり、この巨大
面圧でクリンカーがケーキ状に粉砕され、その結果、次
工程で仕上げ粉砕に使用されるボールミルでの粉砕時間
が著しく短縮され莫大な電気エネルギーが節約される。
しかし、あまりにも破砕面の面圧が高いので、肉盛金属
が数千時間使用後に剥離を発生したり、母材ローラとの
肉盛金属との境界面から脱落を発生するため、現在は非
常に短寿命である。そのため、この粉砕機を使用してい
る工場ではそのメンテナンスに困っているのが現状であ
る。

【００１６】又、セメント工場で使用される原料ミルは
多量の原料を粉砕、乾燥するために巨大竪型ミルが使用
されているが、その粉砕ローラの重量は約７〜１１トン
もあり、破砕面に生じる面圧は約８００〜１０００ｋｇ
／ｃｍ² にも達する。この巨大ローラの構成材は高クロ
ム鋳鉄、ニハード鋳鉄、クロム−モリブデン鋳鉄（ＦＣ
Ｗ）等の耐摩耗性金属からなる鋳造材である。

【００１７】この巨大ローラを肉盛で製作する場合に
は、母材合金ローラに普通鋳鋼を使用し、肉盛は単層立
て向き溶接方法を適用して、少なくとも５０〜１００ｍ
ｍの肉厚を確保する必要がある。従来の肉盛方法である
ローラ表面にワイヤを巻きつける肉盛方法では、前述し
たように３０ｍｍ以上肉盛すると剥離脱落が発生して使
用に供せないのが現状であり、例え３０ｍｍ程度肉盛し
たとしても、１００ｍｍ以上の肉厚を摩耗させる耐摩耗
鋳鉄に匹敵する寿命を与えることが不可能なため、この
種巨大粉砕ローラの肉盛製作は事実上不可能であった。

【００１８】本発明の目的は、大入熱を用いた経済的な
単層立て向き溶接により肉盛でき、しかも高面圧を受け
た場合にも、微小剥離による早期摩耗を生じない耐摩耗
材を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の耐摩耗材は、低面圧下での耐摩耗性を犠牲
にして靱性を高めたマトリックス金属と、そのマトリッ
クス金属の耐摩耗性を補うためにマトリックス金属中に
２０〜７０％の断面積比で分散混合された高硬度炭化物
粒子とを組み合わせた複合材を用いる。

【００２０】マトリックス金属としては、マンガンを主
な合成成分とするマンガンオーステナイト系合金または
硬度がＨｖ５００〜９００であるマルテンサイト系合金
を用いる。これらは、高クロム鋳鉄系の合金と比較し
て、低面圧の場合の耐摩耗性は良くないが、高面圧の場
合の耐摩耗性はほぼ同等であり、そして何よりも靱性が
格段に良好である。ただし、両者を比較した場合は、使
用面圧範囲の広いマンガンオーステナイト系合金の方が
望ましい。

【００２１】マンガンオーステナイト系合金は、ＪＩＳ
ではＧ５１３１に規定されており、重衝撃摩耗に強く靱
性に著しく優れるので、従来から粉砕機やブルドーザー
のツース等に適用されてきた。例えば１４％マンガン鋼
はエレクトロスラグ溶接法を適用して肉盛された場合、
巨大入熱を与えられ緩慢冷却されるので肉盛金属が脆化
しやすいが、例え脆化を生じても前記に示した高クロム
鋳鉄系肉盛合金に発生する割れから判断して、このマト
リックスと比較すれば遙かに耐摩耗性や破壊抵抗を保持
しており、靱性に優れている。その脆化の程度は約３０
０℃で１時間連続加熱した場合でさえ、引張強度や硬度
は常温と比較しても殆ど変化なく伸びや絞りが約１０％
低下するに過ぎない。

【００２２】本発明に用いられるマンガンオーステナイ
ト系合金は、ＪＩＳ Ｇ５１３１をベースとしたもので
あり、Ｍｎ以外の合金元素としてはオーステナイト組織
を安定化させるＮｉ、変形抵抗を高めるＭｏおよびＣ
ｒ、炭化物を形成しやすいＮｂ，Ｖ，ＷおよびＢ等を適
宜添加することができる。マンガンオーステナイト系合
金がもつ基本的な性質に悪影響を及ぼさなければ如何な
る合金元素の添加も可能であるが、例えばＰ，Ｓ等はマ
ンガンオーステナイト系合金を脆化させるので、極力少
なくするのが望ましい。望ましい成分組成は以下の通り
である。

【００２３】Ｃ：0.２〜1.８ｗｔ％ Ｃは硬度、耐摩耗性の確保に有効である。0.２％未満で
あると変形抵抗が大幅に減少し且つ耐摩耗性が減少す
る。Ｃが1.８％を超えると著しく靱性を減じるし、粒界
に炭化物を析出し易い。又、エレクトロスラグ溶接にお
いてはこれ以上の炭素量になるとスラグが不安定になり
安定した溶接が困難になる。特に望ましいＣ量は0.５〜
1.２％である。

【００２４】Ｃｒ：２５ｗｔ％以下 Ｃｒは変形抵抗を増すために非常に有効な元素であるが
２５％以上を超えると肉盛金属の伸びが減少し靱性か損
なわれるようになる。あまりクロム含有量が多くなると
フェライト組織を高めるのでこれを限界とする。特に望
ましいＣｒ量は1.５〜２０％である。

【００２５】Ｍｎ：５〜３０ｗｔ％ Ｍｎ単独では通常１１％以下では十分な引張強度を得る
ことができないが、１８％Ｃｒ，Ｎｉ８％の添加で十分
な強度が得られていることは公知である。従って、５％
以上が引張強度を得るために必要である。Ｍｎが３０％
を超えると引張強度、硬度が上昇し靱性が損なわれるよ
うになる。従って、Ｍｎ含有量の上限は３０％までとす
る。特に望ましいＭｎ量は１１〜２５％である。

【００２６】Ｎｉ：１０ｗｔ％以下 Ｎｉはオーステナイト組織を安定させるので好ましい合
金元素であるが、１０％以上になる耐摩耗性が悪くなり
当初の目的とする高面圧下における耐摩耗性を持つマト
リックスが得られない。特に望ましいＮｉ量は0.３〜５
％である。

【００２７】Ｓｉ：2.５ｗｔ％以下 Ｓｉは２％までは引張強さや摩耗抵抗を増すが2.５％を
超えると急激に粘り強さや強度が低下する。特に望まし
いＳｉ量は0.３〜1.０％である。

【００２８】その他、オーステナイト組織を安定にする
ために窒素が添加されることもある。その他、不可避不
純物のＰ，Ｓ等が考えられるが、基本成分であるＭｎ−
オーステナイト系鋼の基本的性質に悪影響を与えない程
度に含有されるのはやむを得ない。Ｐ＜0.１００％、Ｓ
＜0.０５０％がＪＩＳにて規定されている。

【００２９】Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ｔｉ等の元素は炭化物
形成元素として添加されるが、一部マトリックスに溶解
する。溶解によるマトリックスへの含有量は複数の元素
の合計が１０％を超えるとマトリックスの粘さや衝撃抵
抗が損なわれる。

【００３０】硬度がＨｖ５００〜９００のマルテンサイ
ト系合金も、マンガンオーステナイト系合金と同様に、
巨大入熱を与える単層立て向き溶接方法を使用して肉盛
しても、その蓄積された内部応力で使用中の高面圧摩耗
を受けた場合でさえ、破砕面が微小剥離を発生すること
がない。

【００３１】マルテンサイト系合金は非常に多種類の化
学成分を持つ合金が存在し、ＪＩＳ規格では合金工具鋼
系、高速度鋼系、マルテンサイト系１３％Ｃｒ鋼、同１
７％Ｃｒ鋼、熱間ダイス系鋼、冷間ダイス系鋼等があ
る。単層立て向き溶接方法は非常に供給熱量が高く、溶
接後緩慢徐冷されるためにマルテンサイト変態を行って
も肉盛金属は割れ難く、とりわけ予熱の必要もなく、こ
の種金属系の肉盛方法としては最適と考えられる。

【００３２】硬度をＨｖ５００〜９００と規定した理由
は５００未満ならばマトリックスとしての耐摩耗性に乏
しく早期摩耗を発生しやすく、９００を超える硬度にな
ればマトリックスがマルテンサイトであっても高硬度炭
化物を析出する金属になり、チッピングを生じやすくな
るからである。

【００３３】マルテンサイト系合金における炭素含有量
の範囲は0.３〜1.３ｗｔ％が望ましい。Ｃが0.３％未満
ならば十分な硬度が得られない。Ｃが1.３％を超える
と、炭化物を形成しやすい合金元素が含まれている場
合、マトリックスに例えばＢ炭化物、Ｎｂ炭化物、Ｃｒ
炭化物等の炭化物が析出して本来の目的とする靱性のあ
る基地組織が得られなくなる。しかし、ＪＩＳ ＳＫＨ
９種の高速度鋼程度の炭化物の析出は許容される。

【００３４】マルテンサイト組織を得るために焼入れ性
を高めると同時に耐摩耗性を向上させるＣｒ，Ｍｏ，Ｍ
ｎ，Ｖ，Ｗ，Ｂ等の合金元素の適切な量を添加するのが
望ましい。Ｎｉは焼入れない状態の粘り強さを増加する
ので、粘さを調整するために添加するのがよい。Ｓｉは
焼入れ性を高め、硬度を高める作用が強く、焼戻しに対
する抵抗性を与える。最大４％程度まで添加した合金も
ある。高速度鋼系になるとＣｏが添加される。この元素
はマトリックスの炭素の溶解度を高め炭素をより多く地
に溶解するので、焼戻し安定度と高温硬さを増加させ
る。

【００３５】マトリックス中の炭化物は、マトリックス
の耐摩耗性を高めるために、断面面積比率で２０〜７０
％占めるように添加される。マトリックスの硬度が軟ら
かい場合には炭化物の添加量を多くし、硬度が高い場合
には添加量を少なめに調整される。又、破砕面が受ける
面圧が非常に高い場合に炭化物の量があまりに多いと、
脱落現象を発生するので、面圧に応じて炭化物の量を調
整しなければならない。炭化物が２０％未満ならば十分
な耐摩耗性を与えることができず、７０％を超えると靱
性の有るマトリックスの量が不足して使用中の高面圧を
受けると炭化物がマトリックスから脱落しやすくなり早
期摩耗を発生しやすい。

【００３６】炭化物の粒度は２０〜５０００μｍの範囲
として適宜粒度を混ぜて製造すればよいが、粗粉砕の場
合には粗粒の炭化物粒を多目とし、微粉砕を行う場合に
は細粒の炭化物を多目にする必要がある。

【００３７】炭化物としてはＢ炭化物，Ｔｉ炭化物，Ｃ
ｒ炭化物，Ｎｂ炭化物，Ｖ炭化物，Ｍｏ炭化物、Ｗ炭化
物，Ｚｒ炭化物等を単独または複数種混合して用いるこ
とができる。

【００３８】本発明の耐摩耗材は、５０ｋｇ／ｃｍ² 以
上、特に１００ｋｇ／ｃｍ² 以上の高面圧摩擦を受ける
面部材に適する。破砕面の場合、破砕面の原料との接触
面積をＳ，破砕面に付加される全荷重をＭとすると、Ｍ
／Ｓにより面圧が算出される。接触面積Ｓは破砕面が偏
摩耗を発生して交換された時点で最も粉砕に寄与した想
定される破砕面を取り上げ、その部分の面積を計測する
ことにより求めることが可能である。接触面の荷重とは
ローラの重量以外にローラを保持するシャフト類等の全
ての荷重が含まれる。又、ローラに外部から負荷される
圧力も含めた荷重を採用する。

【００３９】具体的な用途としては、粉砕機のローラや
テーブル、タイヤ等があり、さらに具体的には２個の相
対抗する破砕面で、例えば製鉄所のスラグ、セメント工
場のクリンカー、石炭、石灰等を高面圧で粉砕する粉砕
機の破砕面がある。しかし、高面圧を摩耗面に受ける用
途ならば粉砕機の破砕面以外に適用しても良い。例え
ば、ブルドーザーのショベルの底板やツース等にも適用
可能である。また、従来、オーステナイトマンガン鋼溶
接棒やワイヤを使用して肉盛していた用途において、例
えその用途が低応力研磨耗を受ける場合であっても炭化
物が多量含有されているので以前に比べ優れた耐磨耗性
を与えることが出来る。

【００４０】本発明の耐摩耗材の製造に関しては、エレ
クトロスラグ、エレクトロガス、エレクトロノンガス等
の大入熱溶接を用いた単層立て向き肉盛溶接を用いるこ
とが望ましいが、従来の下向き溶接姿勢で使用すること
も可能であり、その場合は１層当りの肉厚を厚く肉盛が
できて能率を向上させることが可能である。

【００４１】肉盛金属の厚さは１０ｍｍ以上が望まし
く、５０ｍｍ以上が更に望ましく、１００ｍｍ以上も可
能である。このような極厚の単層肉盛も行い得ることに
本発明の一つの意義がある。

【００４２】マトリックス金属の線膨張係数は、肉盛母
材金属の線膨張係数より大きいのが望ましい。線膨張係
数の差異により発生する内部応力により肉盛金属と母材
金属との境界面に故意に融合不良を発生させれば、肉盛
金属に発生する割れを軽減しもしくは防止し、さらに溶
接内部応力の蓄積を軽減して、例え粉砕時に高面圧摩耗
を受けても溶着金属の微小剥離を抑えることができる。
また、溶け込み不良により肉盛金属が母材金属から脱落
する事故は溶け込み線の投錨効果を与える形状により回
避することができる。

【００４３】マトリックス金属への各種炭化物の添加
は、管状溶接ワイヤの内に当初から包合させておく他、
マトリックスと炭化物とを別に添加する外部供給方法も
可能である。

【００４４】

【発明の実施の形態】一般的な見地から、摩耗面は摩耗
媒体により受ける面圧により摩耗量が大きく変化し、面
圧が大きくなればなるほど摩耗量は増加することが知ら
れている。粉砕機ローラに使用される各種耐摩耗金属が
低応力、高応力を受けた場合の耐摩耗性の変化、並びに
金属間相互の耐摩耗性の相違を摩耗試験により調査し
た。その、結果を以下に説明する。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】摩耗試験方法は試験片の摩耗面に1.５ｋｇ
の荷重を付加した低応力研摩試験と試験片に５０ｋ／ｃ
ｍ² から１５６０ｋ／ｃｍ² までの面圧を付加した高面
圧研摩試験の２種類とした。前者と後者の摩耗試験方法
は異なるが、各種耐摩耗性金属の相互間の摩耗比較は例
え試験方法が異なっても問題はなく、傾向を把握する上
では十分に有効である。

【００４８】表１に供試合金の化学成分を示す。これら
の金属はすべて鉄基マトリックスである。

【００４９】〔低応力研摩試験方法〕摩耗試験機はエン
ドレスベルトグラインダーを利用して研摩ベルト上の試
験片に1.５ｋｇの荷重を付加して１分間摩耗させてその
摩耗減量を測定して摩耗容積を算出する。標準試験片を
高クロム鋳鉄として、各種試験金属との摩耗容積を比較
した。

【００５０】 研摩ベルト アルミナ ９6.５％ 粒度 ＃１００ベルト 回転速度 ３６００ＲＰＭ 走行距離 １７００Ｍ 試験時間 １分 試験片の断面積 1.５×1.５ｃｍ＝2.２５ｃｍ² 摩耗係数の計算方法 摩耗係数 ＷＲ ＷＲ＝（Ｙ×ρｘ）／（Ｘ×ρｙ）×１００ 標準試験片の重量 Ｘ 比較したい金属の重量 Ｙ 標準試験片の比重 ρｘ 比較したい金属の比重 ρｙ

【００５１】〔高応力研摩試験方法〕試験機は上部に試
験片に荷重を加えるための油圧シリンダーを装備してお
り、、その軸端に試験片を取りつけ、一定圧力を付加し
て一定時間回転させる。試験片は円筒形の容器の中に詰
められた研摩耗媒体を回転しつつ粉砕する。その間の試
験片の摩耗減量が測定され標準試験片と比較される。標
準試験片は高クロム鋳鉄を使用する。摩耗試験は測定誤
差を避けるために１０回行い、その平均を測定値とし
た。１０回毎に研摩耗媒体は取り替えられる。摩耗係数
は上記低応力摩耗試験方法と同じである。

【００５２】 試験片の断面積 ２２ｍｍ径 3.８ｃｍ² 試験面圧 ５０，１００，２４０，５６０，８４０，１０８０， １３２０，１５６０ｋｇ／ｃｍ² 摩耗媒体 シリカ ＳｉＯ₂ ８７％，Ａｌ₂ Ｏ₃ ４％ 摩耗媒体の径 ３〜４φ 試験片の回転速度 ４０回／分 測定方法 ５秒／回×１０回

【００５３】摩耗媒体にシリカを適用した最大の理由
は、粉砕機で粉砕される主たる原料（例えば石炭、石
灰、粘度、岩石、土砂等）に最も多く含まれて固い材料
がシリカであるからである。従って、実際に即応できる
ように研摩耗媒体にシリカを採用した。

【００５４】〔摩耗試験結果〕第２表に低応力研摩試験
並びに高面圧研摩試験の結果を示す。

【００５５】低応力研摩試験では高クロム鋳鉄はマンガ
ンオーステナイト系合金（オーステナイトマンガン鋼お
よびＭｎ−Ｃｒオーステナイト鋼）の約２倍の耐摩耗性
があり、マルテンサイト系合金の約３〜６倍の耐摩耗性
を示す。高炭素高クロム鋳鉄系溶接ワイヤになると、N
o. ４では約５倍、No. ６で約９倍程、高クロム鋳鉄よ
り耐摩耗性が優れる。

【００５６】高炭素高クロム鋳鉄系の溶接ワイヤが高ク
ロム鋳鉄より更に耐摩耗性が優れるのは、肉盛り溶接ワ
イヤには多量の炭素や各種炭化物析出合金が添加されマ
トリックスに多量の炭化物が析出されるためである。高
クロム鋳鉄は鋳鉄であるからあまり炭化物の析出を多く
すると靱性に欠け使用中に破断する危険性があるので、
耐摩耗性をある程度犠牲にして衝撃を高めるように設計
している。しかし、肉盛ワイヤは母材金属に軟鋼を使用
してその上に肉盛りして使用されるために衝撃に対する
破断の防止は母材が受け持つので肉盛金属の耐摩耗性は
著しく高めることが出来るわけである。

【００５７】このことから、このように試験片の摩耗面
の圧力が少ない場合には、高硬度炭化物を多量に析出し
ている金属の方が優れた耐摩耗性を示すことが判明し
た。

【００５８】しかし、摩耗面の面圧が上昇すると状況が
変わる。オーステナイトマンガン鋼およびＭｎ−Ｃｒオ
ーステナイト鋼の場合、高クロム鋳鉄との耐摩耗性の差
は、面圧が５０ｋｇ〜５６０ｋｇ／ｃｍ² の間では材質
にもよるが高クロム鋳鉄の方が約1.２〜1.６倍程度良好
であるにすぎず、その差は非常に少なくなる。

【００５９】８４０〜１３２０ｋｇ／ｃｍ² の高面圧で
は逆に高クロム鋳鉄より耐摩耗性が良くなる。これはマ
ンガンオーステナイト系合金の特性である摩耗面の加工
硬化によることと、靱性に優れているために摩耗面に微
小剥離現象が発生しないことと想定される。１５６０ｋ
ｇ／ｃｍ² になると高クロム鋳鉄の方が良くなるのは、
マンガンオーステナイト系合金に発生する加工硬化層の
厚みが非常に薄く、大まかな測定によっても0.３ｍｍ程
度であって、この薄層の硬度は約Ｈｖ７００程度の硬度
があり、著しい面圧のために微小剥離を発生して高クロ
ム鋳鉄との耐摩耗性に逆転現象が発生したためと想定さ
れる。

【００６０】すなわち、マンガンオーステナイト系合金
の場合には、加工硬化層を除けば本来のＨＶ２００〜Ｈ
Ｖ２６０の硬度の柔らかい金属が現出するが、高クロム
鋳鉄では肉厚方向に対し前者より一定した高硬度を保持
し、その硬度はＨｖ６８０程度あり、硬度差はマンガン
オーステナイト系合金の約２〜３倍に相当するので、そ
の差により耐摩耗性が逆転したと想定できるのである。

【００６１】しかし、いずれにしても高面圧下では耐摩
耗性の差は少なく1.５倍程度に過ぎない。この現象から
マンガンオーステナイト鋼やＭｎ−Ｃｒオーステナイト
鋼は５０ｋｇ／ｃｍ² 以上の高面圧を受ける破砕面の耐
摩耗材のマトリックスに非常に適切であることがわか
る。

【００６２】マルテンサイト系合金の場合も、低面圧で
は高クロム鋳鉄と約３〜６倍の耐摩耗性の差になるが、
高面圧になるとその差が少なくなり、鋼種や面圧にもよ
るが、１〜２倍程度の差に縮まる。特に面圧が５６０ｋ
ｇ／ｃｍ² になると高クロム鋳鉄より耐摩耗性に優れた
材料もあり、傾向としては高クロム鋳鉄の耐摩耗性に接
近してくる。

【００６３】この理由は面圧５６０ｋ／ｃｍ² における
接触面の温度が５００〜６００℃のマルテンサイト鋼の
焼戻し温度に上昇して二次硬化を発生して耐摩耗性が改
善されたものと考えられる。従って、二次硬化をして硬
度が上昇するマルテンサイト系合金の使用も望ましく、
具体的には例えばＪＩＳ合金工具鋼のＳＫＤ４，５，
６，６１や高速度鋼のＳＫＨ９種等を挙げることができ
る。

【００６４】しかし、面圧が１０６０ｋｇ／ｃｍ² にな
ると接触面の温度はさらに上昇して硬度が軟化して耐摩
耗性が悪くなり、高クロム鋳鉄の約１／２以下の耐摩耗
性に低下する。従って、マルテンサイト系合金は面圧が
１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ² の範囲での高面圧を受け
る破砕面の耐摩耗材のマトリックスに適切である。

【００６５】次に、高炭素高クロム鋳鉄系の溶接肉盛ワ
イヤについてであるが、No. ６ワイヤは低面圧下では高
クロム鋳鉄の約９倍の耐摩耗性を示すが、面圧が上昇す
るとその差は非常に少なくなり、約2.４〜3.３倍程度に
縮まる。

【００６６】セメント工場の原料ミルのローラ破砕面が
受ける面圧は８４０〜１０６０ｋ／ｃｍ² 程度が想定さ
れるが、この面圧下ではNo. ６の肉盛ワイヤは高クロム
鋳鉄と比較して僅か2.４倍の耐摩耗性しか与えることが
できない。例えば、ローラの摩耗距離が１００ｍｍで交
換されると仮定すれば、高クロム鋳鉄ローラの２倍の寿
命を与えるためには約８０〜８５ｍｍの肉厚が必要であ
る。

【００６７】No. ６ワイヤは高炭素高クロム鋳鉄系ワイ
ヤの中でも最高の耐摩耗性を与える成分であるが、この
合金でさえ高クロム鋳鉄のわずか2.４倍の耐摩耗性しか
与えることができないのが現状である。このワイヤは非
常にコストが高く巨大ローラの肉盛に適用してもコスト
的に採算が取れず、事実上肉盛ローラの製作は不可能と
結論されている。

【００６８】以上より次の結果が導き出される。第１
に、破砕面の面圧が上昇するとマトリックスに多量の高
硬度炭化物を析出する高炭素高クロム鋳鉄系溶接ワイヤ
や高クロム鋳鉄は、粉砕原料としての激しい引っ掻き摩
耗を受け、硬い炭化物がミクロ的にチッピングを発生し
て早期摩耗を発生していると想定できた。

【００６９】第２に、肉盛金属内に蓄積された内部応力
により高面圧を受けると内部応力解放のために容易に微
小剥離を繰り返し早期摩耗を発生しているようにも想定
できた。これらの現象は高硬度炭化物を多量に析出し
て、マトリックスの靱性に乏しい金属系ほど顕著であっ
た。

【００７０】第３に、激しい高面圧摩耗を受ける粉砕機
の破砕面等にはマトリックスとしてマンガンオーステナ
イト系合金、マルテンサイト系合金等が望ましい。マン
ガンオーステナイト系合金の場合には単層立て向き溶接
法のような巨大入熱を供給する方法では肉盛金属が脆化
して強度が低下するが、現在肉盛に使用されている高炭
素高クロム鋳鉄系溶接ワイヤのマトリックスでは無数に
割れを発生して殆ど靱性がないことから判断すれば、少
々脆化しても使用に対して全く問題を生じない。しか
し、６２５℃の応力除去焼鈍を行う場合にはやはり脆化
は避けられないので、熱影響を受けにくいＭｎ−Ｃｒオ
ーステナイト系鋼を使用すれば良い。

【００７１】第４に、高面圧摩耗を受けるマトリックス
の耐摩耗性をＷとすれば、Ｗは高クロム鋳鉄の耐摩耗性
ｗを１００として５０以上２００以下の範囲内に入って
いれば良い。

【００７２】第５に、マルテンサイト系マトリックスは
使用面圧範囲が約１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ² と狭く
適用範囲が限定されやすいのに対し、マンガンオーステ
ナイト系マトリックスはその面圧の適用範囲が広く安心
して適用できる。

【００７３】第６に、マトリックスに耐摩耗性を与える
ために高硬度を持つ各種炭化物を機械的に包合させる必
要がある。炭化物は供給熱で溶融しないことが重要であ
るが、マトリックスの靱性に影響を与えない程度の一部
溶融は許される。従って、融点の高い炭化物を選択すべ
きであることは当然である。エレクトロスラグ法では溶
融スラグのジュール熱を利用して溶接肉盛されるので、
アーク法とは異なり供給熱の温度が低く炭化物の溶融は
生じ難い。炭化物の粒径は２０〜５０００μｍの範囲と
して小粒と大粒とが混在している方がよい。炭化物の形
状は球形が好ましいが塊状に粉砕されたものでも良い。

【００７４】第７に、マトリックスの耐摩耗性が低い場
合には耐摩耗性を与える各種炭化物の添加量を増加すれ
ば良く、マトリックスが耐摩耗性に優れている場合には
逆に添加量を少なくしてバランスを取れば良い。

【００７５】本発明の耐摩耗材は、融点の高いホウソ炭
化物、チタン炭化物、ニオブ炭化物、タングステン炭化
物、バナジウム炭化物、クロム炭化物、モリブデン炭化
物、ジルコン炭化物等のうちの１種または２種以上がマ
トリックス金属中に断面積比で２０〜７０％を占める割
合で包含された複合材である。

【００７６】

【実施例１】マトリックスとして以下の成分のＭｎ−Ｃ
ｒオーステナイト系鋼を使用した（表中のNo. ３金
属）。このマトリックスの初期硬度はＨｖ２６０であ
る。Ｃ1.２％ Ｃｒ9.５％ Ｍｎ１８％ Ｓｉ0.３％
Ｎｂ３％

【００７７】炭化物として粒径が0.５〜1.０ｍｍのタン
グステン炭化物を用いた。試験片は上記マトリックス中
にこのタングステン炭化物を面積比で５０〜６０％混合
させたものである。

【００７８】試験片の作製は、4.０ｍｍ径の管状ワイヤ
を用いた単層立て向きのエレクトロスラグ肉盛溶接によ
り行った。溶接では肉厚が３０ｍｍの水冷鋼板で底部と
四方を囲って形成した横３０ｍｍ×縦３０ｍｍ×高さ５
０ｍｍの空間に管状ワイヤにてマトリックスおよび約３
０％の炭化物を供給し、残りの炭化物を外部から供給し
た。溶接条件は以下の通りとした。

【００７９】 溶接電流 ４００Ａ（直流逆極性） 溶接電圧 ４２Ｖ 溶着速度 1.４５ｃｍ／分 スラグプールの深さ ３５〜５０ｍｍ

【００８０】作成した試験片に対し面圧が８４０ｋ／ｃ
ｍ² の高面圧研摩耗試験を行った。試験結果は非常に良
好で高クロム鋳鉄の約４倍の耐摩耗性を示した。このよ
うな高面圧下でさえタングステン炭化物の脱落は発生せ
ず、所期の目的を達成した。

【００８１】高面圧摩耗試験後のマトリックスの硬度を
測定したところ、初期硬度Ｈｖ２６０からＨｖ６５０〜
７００まで上昇した。これは高面圧により研摩材との引
っ掻き摩耗を受けて加工硬化したものと想定できる。硬
度から判断すれば高クロム鋳鉄と同程度の硬度になり、
これによりマトリックスの摩耗を防止し、タングステン
炭化物粒子の添加効果により、４倍の耐摩耗性が得られ
たと推定できる。No.６の高炭素高クロム鋳鉄ワイヤと
比較すれば２倍の耐摩耗性を示した。

【００８２】

【実施例２】マルテンサイト系マトリックスとして以下
の成分を選択した（表中No. ８金属）。Ｃ0.５％ Ｍｎ
2.０％ Ｓｉ0.２％ Ｃｒ１２％ Ｖ0.５％ Ｍｏ4.０
％ Ｗ1.０％ Ｎｉ2.０％

【００８３】この金属はマルテンサイト系１３％クロム
鋼であるが、Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｉ等の合金元素が多種類
含有されているので、５５０℃の焼戻しを受けると二次
硬化して硬度がＨｖ５４０からＨｖ６８０にも上昇する
特性を持つ。このマトリックスに実施例１と同じ方法で
粒径が0.５〜1.０ｍｍのタングステン炭化物を５０〜６
０％添加した。５６０ｋｇ／ｃｍ² の高面圧で摩耗試験
したところ、高クロム鋳鉄の約４倍の耐研摩耗性を示し
た。高面圧での摩耗試験後の硬度を測定したところ、Ｈ
ｖ６５０〜Ｈｖ６９０の硬度を示した。これも高クロム
鋳鉄の硬度とほぼ同程度であり、この場合にもタングス
テン炭化物の脱落は発生しなかった。

【００８４】

【発明の効果】本発明の耐摩耗性肉盛材は、従来、不可
能と考えられたセメント工場で使用される原料ミルの巨
大粉砕ローラの肉盛加工を可能にする。また、従来、高
炭素高クロム鋳鉄系ワイヤで５０ｍｍ厚み肉盛していた
粉砕ローラに対しては、約２倍の耐摩耗性を持つことか
ら肉厚が２５ｍｍですみ、さらにエレクトロスラグ溶接
による高能率により肉盛時間が大幅に短縮されるため、
従来コストが見合わなかった粉砕ローラの肉盛製作を可
能にする。

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１０月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】Ｎｉ：１０ｗｔ％以下 Ｎｉはオーステナイト組織を安定させるので好ましい合
金元素であるが、１０％以上になると耐摩耗性が悪くな
り当初の目的とする高面圧下における耐摩耗性を持つマ
トリックスが得られない。特に望ましいＮｉ量は０．３
〜５％である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 摩擦を受ける面部材に使用されて優れた
   耐摩耗性を示す耐摩耗材であって、マンガンを主な合金
   成分とするマンガンオーステナイト系合金または硬度が
   Ｈｖ５００〜９００であるマルテンサイト系合金をマト
   リックスとして、そのマトリックス中に断面積比で２０
   〜７０％の高硬度炭化物粒子を混合した複合材であるこ
   とを特徴とする耐摩耗材。
2. 【請求項２】 ５０ｋｇ／ｃｍ² 以上の高面圧摩擦を受
   ける面部材に使用されることを特徴とする請求項１に記
   載の耐摩耗材。
3. 【請求項３】 大入熱を用いた単層立て向き溶接法によ
   り肉盛された単層肉盛材であることを特徴とする請求項
   １または２に記載の耐摩耗材。