JPS59127753A - 高温特性の優れた複合材料 - Google Patents

高温特性の優れた複合材料

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JPS59127753A
JPS59127753A JP169483A JP169483A JPS59127753A JP S59127753 A JPS59127753 A JP S59127753A JP 169483 A JP169483 A JP 169483A JP 169483 A JP169483 A JP 169483A JP S59127753 A JPS59127753 A JP S59127753A
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克巳 鈴木
橋本 勝邦
弘之 小池
谷岡 慎悟
英明 森
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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】 本発明は、高?2!特性の優れた複合材料に係り、さら
に詳しくは尚温疲労特性が必要とされる機械設備および
機械構造部材例えば分塊ロール、型鋼用ロール、および
連続@進用ピンチロールなどに用いられる複合材料に関
するものである。
現在これらロールには、全面に肉盛シしたり摩耗の著し
い部分に局部的に肉盛りしたりして耐用寿命を長くして
いる。しかしながら高温疲労強さの点では、これを著し
く改善させる合金材料や複合材料製造法に関しては現在
必ずしも凌れたものは見出されで゛いない。
例えば第1図は連続鋳造装置の態様を示すものであって
、図において溶鋼がレードル1からタンディシュ2を経
てモールド3に鈎込捷れたのちモールド3から送シ出さ
れ、表面層から凝固が進行しているスラグ4を、連鋳用
ピンチロール5の間にはさみ、圧力をかけて送り出すも
のである。この場合、スラブ4と接触している時点で、
ピンチロール5の高温に加熱されかつ圧縮方向の曲げ荷
重のかかった部分は180°回転した時点では、図示し
ない水冷装置による水冷のため温度が室温近く下がり、
引張力向の曲げ荷重が作用する。このためロール表向は
加熱、冷却の繰返しと圧縮・引張曲は荷車の繰返しによ
る熱疲労を受け、この結果熱き裂が発生し遂には折損す
る場合が生ずる。
このような折損部材の破面に見られる疲労き裂の伝播形
態を観桜したところ、ロール表向に発生した熱き裂が、
繰返し回転曲げ荷重によシ、ロール径方向に沿って進展
する際、それらの伝播速度は一様ではなく、進展し易い
ものとし離いものとがあることが見出された。この場合
、優先的に発達したき裂先端では、き裂の伝播速度が早
くなりこのき裂を起点とした折損が起こる。
これらの観点から表面に発生した熱き裂の中で、疲労き
裂として優先成長するものの進行速度を遅らせ、優先成
長するき裂を無くして灸くのき袈の平均伝播速度を一悼
にして、ゆっくり7と進展させることができれば、折損
寿命や屏粱までの寿命を長くすることが可能と考えられ
る。このためにはき裂が発生する部材において、その表
向近傍に、疲労き裂の発生し易い層と発生し難い層とを
人為的に交互に作り、き裂の発生し易い層で発達した前
記優先き裂の進展を、き裂の発生し難い部分で阻止し、
以後き裂が内部に進展するのに伴ってこのようなき裂伝
播形恕を繰返させれば疲労特性の優れた材料ができると
考えた。
そこで本発明者らはこれを確認するため次のような試験
を行った。
まず基材として2+cr−IMO@4.径6間の丸棒を
用い、その表面の長手方向にTIG溶接により、第2図
(イ)(ロ)に夫々正面断面図及び側面断面図を示すよ
うに、2−Cr−lMo鋼に1%Wを含む強化層金層7
を余盛厚さ1謔として基月8の全面に設け、さらにその
表面に基材8と同じ組成の非強化層6を、余盛厚さ2閣
として全面にTIG溶接によって設けて試験片索材11
を作製した。この索材11に第2図(ハ)の9に示すつ
かみ部を浴接にょシ取付け、第2図に)に示す形状の試
験片とした。っがみ一部9の伺質は基材と同一組成のも
のを用いた。
この試験片の形状1寸法を第2図09に示した。
第2図(ホ)におイーr、!、 l’l: 180 m
m 、 L 1は5゜nm + L 2は40+nm、
Lgは20mm、、dBは12咽φ。
d2は10叫 、d3は22コである。
この他に比較材として第3図(イ)、(ロ)に示すよう
な27Cr  I Nio鋼の基桐と同じ組成のワイヤ
で全余盛厚さ3■として、2層の肉盛層を設けた素材1
1′につかみ部9を取シっけて第3図(ハ)の形状とし
た試験片、および2−Cr −I Mo ’A4の丸棒
そのものから、第2図(ロ)と同じ形状寸法の試験片を
切出し、これにつかみ部9をとりつけ第2図(ホ)と同
じ形状・寸法とした試験片を準備し、これらにつき、温
度500℃、歪振幅±1%の条件で高温疲労試験を行っ
た。
試験結果を第1表に示しだ。同表から判るように破断ま
での繰返し数Nfは強化合金層と非強化合金層とを組合
わせた第2図の試験片Aが、非強化合金層だけを肉盛シ
した第3図の試験片Bや基材そのものの試験片Cよシ高
温疲労埒砧が4倍以上長くなった。
第1表 さらに本発明者らはこのような合金層の上にさらに高温
耐食性に優れた表面層が設けられた場合でも、表面層か
ら進展してきたき裂が、その下の合金層によって成長が
抑制され、胃温疲労寿茄が長くなるという知見を得た。
本発明は以上の様な知見に基づいてなされたものであっ
て、その要旨とするところは、杓料表面にほぼ一定の厚
さで高温疲労強さの商い合金強化層を設け、この合金強
化層の表面全面に非強化層を設け、このように少なくと
も各1層以上の合金強化層と非強化層とをほぼ同心状に
交互に設けるか、あるいはさらにその最外層部に耐高温
腐食性に優れた表面層を設けたこと%徴とする高温特性
の優れた複合材料にある。
以下本発明の詳細な説明する0 第4図は本発明の複合材料の一態様を示すものであって
、同図において8は複合材料の基材であって、基材の上
に高温疲労強さの高い合金強化層7と合金強化しないI
@6とがほぼ同心状に夫々1層以上交互に設けられてい
る構成を示したものである。この場合、最初に述べた如
く、本発明の対象とする技術分野は高温において繰返し
荷重が作用したシ、繰返し荷重と熱サイクルが重畳して
作用する機械設備部材であるから、複合材料基材として
はCr −Mo系低合金耐熱鋼などの鋼材が主として便
用される。また高温疲労強さの高い合金強化層としては
、先に利足したWをは口め、V。
Nb 、 TIなどの合金成分の1棟または2棟以上を
暴利金属と合金せしめたものを用いる。一方合金91化
しない層としては基材組成と同材質でも当然か笠わない
が、たとえば、表層部のみ高温で、あまり厳しくない疲
労環境のもとで使用される様砿部材などの場合は耐熱鋼
としてよく知られている2’Cr−lMo銅の如き材料
を用い基材に軟鋼を用いると云うような構成は当然考え
られる。
合金強化層の合金成分範囲は特に定めないが、耐高温疲
労強さの見地から2LCr −I MoをペースにしC
0,07〜0.12%、W、V、Nb、Tl 、Sj 
17)1種以上合計が0.8%〜2,0%程度が適当で
ある。
このような合金強化層と非強化1−の形成手段はたとえ
ば前述の第2図(イ)(ロ)の場合に示したように、基
材表面にほぼ一定の厚さで、析出強化、固溶強化を促進
させる合金元素を含むV/uえば2−!−Cr−IM。
−WワイヤーをTIGアーク浴接法などによって肉盛溶
接して合金強化層を設け、この上に基材と同一組成ある
いは強化元素を含まないワイヤを用いTIGアーク溶接
などで非強化層を設けてもかまわないが、工業的には例
えば、強化作用を有する合金層*を含有する帯状電極と
非強化金属からなる帯状電極を用いた、サブマージアー
ク浴接によって肉盛層を設けても良い。
また帯状電極を用いたサブマージアーク溶接の場合には
帯状電極として非強化金属からなる材料のみを用い、強
化合金層全役ける際にはり輩化合金元素を調整添加した
フラックスを使用する手段を用いても良い。
さらにたとえば最初に述べた連鋳機のビンテロ) 一ルのように高温疲労強さのみならず、高温腐食性も要
求されるような部材においては、これまでのべたような
複合材料の外層にさらに耐高温腐食性の優れた表面層を
設けることができる。第5図ばかかる構成の一態様を示
したもので強化層7と非強化層6を中間層としてその最
外表面に耐高温腐食性の優れた表向層10を設けたもの
である。
かかる性質を有する表面層材料としてはたとえば耐熱、
耐食性に優れたステンレス鋼などのものを用いることが
できる。かかる表面層の形成手段としては通常の肉盛浴
接による手段の他、エレクトロスラグ溶接、プラズマア
ーク浴後などによる溶接、複曾蜀造、ドブ漬けなどいず
れの手段を用いでも良い。このような構成とすることに
よシ、表面層よシき裂の進展が生じた場合、これを高温
疲労強さの強い中間層7でくいとめて、基材8へのき鋏
伝播を防ぎ、表面層10による耐高温腐食性と共に中間
1−7による耐高温疲労強さの優れた複合材料を得るこ
とができる。
なおこれら強化層、非強化層2表面層の厚みは特に限定
するものではないが、実用的見地からは強化層、非強化
層については各層の強さが2叫〜10+++m、表面層
についてはQ、 1〜4祁程度とし全層の厚さを40−
以下とするのが適当である。
また、これ迄の説明は丸棒状の複合材料について行った
が、これにこだわることなく、円筒状の機械部材例えば
中空ロールなど、高温腐食、高温疲労特性を必要とする
各種ロールなどの、機械構造部材すべてについて適用可
能であることはもちろんである。
実施例 1 基材として2十〇r−IMo銅から直径6調の丸棒を切
出し、サブマージアーク溶接により、第2表に示すワイ
ヤとW粉末を徐加したフラックスを用い、第2図(イ)
(ロ)に示す要領で強化層7一層を基拐に肉盛溶接し、
この上に基倒とほぼ同一組成のワイヤで非強化層6を肉
盛溶接したものから作製した試験片素材に、同図(ハ)
の要領でつかみ部9をと9つけたもの(試験片D)と第
3図(イ)(ロ)のように非強化層を肉盛りしたものか
ら作製した試験片素材に同図(ハ)の要領でつかみ部9
をとりつけたもの(試)検片E)および基材から素材を
採取し、これ1’?:第3図(ハ)の要領でつかみ部9
をとシつけた試験片(試験片F)のそれぞれについて、
温度500℃。
歪振幅±1%で大気中における高温疲労試験を行った。
試験片形状は全で第2図(ホ)の場合と同じ寸法・形状
とした。試験結果を第3表に示す。これらの結果から高
温酸化性雰囲気と繰返し歪振幅とが康なった使用環境の
もとにおいても、肉盛材のように欠陥の少ない合金層の
存在する複合材料は、梗れた高温疲労特性を示すことが
判り、したがって酸化性雰囲気の中で熱サイクルと歪振
幅とが血なった熱疲労特性に対しても本発明の複合材料
は後れた性實を示すことが明らかである。
実施例 2 実施f+lJ 1と同じ試験片の最外層に14%Crス
テンレス鋼の肉盛1−を第5図に示す要領でサブマージ
アーク溶接によって作シ、これにつかみ部9をとシつけ
だ試験片Gを作製した。この場合平行部の最外層表面の
ステンレス層の厚さを0.5鴫とした。実施列1と同じ
条件で高温疲労試験を行った結果を下記の第3表に併記
した。表1川にステンレス鋼を肉盛したものは表面酸化
が起こb sいのでこのためにき裂の発生が遅く、繰返
し寿命がさらに長くなることが明らかである。
第3表
【図面の簡単な説明】
第1図は連続鋳造装置の構造を概念的に示す模式図、M
2図、化3図は高温疲れ試験片および素材の形状、断面
態様を示す模式図、$4図、第5図は本発明の複合材料
断面の態様例を夫々示す模式図である。 1・・・レードル、2・・・タンプツシ−13・・・モ
ールド、4・・・スラブ、5・・・ビンチロール、6・
・・非強化層、7・・・合金強化層、8・・・複合材料
基材、9・・・高温疲労試験片つかみ部、10・・・耐
熱・耐食合金層、11 、11’・・・試験片素材。 第 1 図 (ハ) 第 2 図 第 4 図 第5図 相模原車側野辺5−10−1新日 本製鐵株式会社製品技術研究所 内 0発 明 者 谷岡慎悟 東海市東海町5−3新日本製鐵 株式会社名古屋製鐵所内 0発 明 者 森英明 東海市東海町5−3新日本製鐵 株式会社名古屋製鐵所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  材料表面全面にほぼ一定の厚さで高温疲労強
    さの高い合金強化層を設け、この合金強化層の表面全面
    に非強化1−を設け、このように少々くとも各1層以上
    の合金強化1−と非強化層とをほぼ同心法に交互に設け
    たことを特徴とする特許優れた複合材料。
  2. (2)  材料表面全面にほぼ一定の厚さで高温疲労強
    さの高い合金強化1−を設け、この合金強化層の表面全
    面に非強化1−を設け、このように少なくとも各Iノー
    以上の合金強化層と非強化層とをほほ同心法に交互に設
    けると共にさらにその最外層部に耐高温騙食性に搬れた
    表面1dを設けたこと全特徴とする高温特性の優れた複
    合材料。
JP169483A 1983-01-11 1983-01-11 高温特性の優れた複合材料 Granted JPS59127753A (ja)

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JPS6159905B2 JPS6159905B2 (ja) 1986-12-18

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JPH0743458Y2 (ja) * 1990-01-10 1995-10-09 エスエムシー株式会社 磁気近接スイッチ付き流体圧シリンダ
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