JPWO2008018128A1 - 鉄基耐食耐摩耗性合金及びその合金を得るための肉盛溶接材料 - Google Patents
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Abstract
Description
「C:2.1%、Si:0.8%、Mn:0.4%、Cr32.0%、Fe:2.0%、W:12.0、Ni:1.7、Mo:0.1、Co:残」
「C:1,2%、Si:0.8%、Mn:0.5%、Cr:27%、Ni:2.7%、W:4.5%、Fe:2,5%、Mo:0.1%、Co:残」
溶着金属組成「C:1.3%、Si:4.5%、Ni:3.7%、Mn:3.6%、Cr:36%、Fe:残」
母材:SUS310S 9mmt
硬度:HV977
磨耗係数:4.2
1層目Cr分析値:35%
ミクロ組織:×400倍(図2中の写真No.1)
鉄基金属の高Si含有鋼に高ケイ素鋼板がある。その成分の一例を下に示す。
「C:0.12%、Si:4.12%、Mn:0.07%、P:0.07%、S:0.005%、Fe:残」
溶着金属の延性改善、即ち剥離の発生を生じさせないことと、耐腐食性の改善にとって重要な成分元素の一つとして先ず炭素含有量が考えられる。高炭素―高クロム鋳鉄系溶接肉盛材料は、炭素含有量が非常に高く、4.5〜6.0%を含有する鋳鉄範囲に含まれている。その結果、多量の脆いクロム炭化物を析出し、マトリックスに含有されるCr含有量が減少して耐腐食性を極度に低下させた。すなわち、各種高炭素―高クロム鋳鉄系溶接肉盛材料が耐腐食性に劣る最大の原因は、耐摩耗性を得るために多量の炭素を含有させ、炭素との親和力の強い炭化物形成元素、クロム、タングステン、バナジューム、チタン、ニオブ等と炭素とを結合をさせて、金属マトリックス中に多量の高硬度炭化物を析出させることにより耐摩耗性を確保している点にある。
高Si含有鋼の脆化に最も影響を与える合金元素としてCrがある。クロム添加量が最高45%をもつ溶接材料を使用して実際に肉盛された第1層目の溶着金属のクロム含有量は、母材材質が軟鋼やエステン鋼の場合、約25%〜50%の母材希釈を受けることから約23〜34%になる。クロム添加量が25%の場合には約15〜19%になる。SUS304〜316の母材を使用した場合、Cr35%の溶接材料を使用したとすれば、第1層目の溶着金属のクロム含有量は約26〜31%になる。溶接方法により溶け込み深さが異なるが、平均して第1層目溶着金属のCr含有量はおおむね「15%≦Cr≦31%」の範囲に選定される。
Cr、Si含有量が多く、その結果マトリックスに多量の脆い針状クロム炭化物を析出したFREA−METAL合金(No.55)は、曲げ加工により簡単に剥離を発生した(図2中の写真No.2)。Si自体が鋼を脆くすると言う性質を改善することは出来ない。しかし開発合金に関しては、クロム炭化物の析出量が最もその合金を脆くすることに影響を与えることが判明したが、それに次いでSi含有量が増加するに連れてクロム炭化物を針状化する傾向があり、クロム炭化物の形状も脆化を促進しており、割れや剥離を発生させ耐摩耗性を低下させる主要な要因の一つになっていると考えられた。
Si×B添加量の積とCr含有量との相関は、最も脆性を促進する針状クロム炭化物の析出量との相関として考えることが出来る。Cr含有量が少ないと当然Cr炭化物の析出量が少なくなり脆化傾向は減少するが、その反面耐摩耗性が大幅に低下する。Si単独で添加量を多量増加するとSiが持つ特有の脆化傾向とクロム炭化物を針状化させる性質とにより金属を脆化させる傾向が強くなるので、Bと共存添加することでどの程度延性と耐摩耗性とが改善され適正合金組成範囲を拡大するかを調査した。
特にSi×Bの下限値では曲げ延性が非常に良くなる反面、耐摩耗性が大幅に低下することが判明している。B,Nbは単独添加ではそれ程有効では無いが、これを共存添加することにより下限値における耐摩耗性の改善に大いに貢献すると想定された。これにより延性と耐摩耗性の両方を満足する合金組成範囲を大幅に拡大する事が可能になると考えられた。
Si含有量を仮に最高の4.5%を含有させれば、Cr%≧―1.6Si%+37の方程式からクロム含有量が約30%以上で針状炭化物を多量析出させることになり、Si=4%の場合ではCrが約31%になるので、1層目溶着金属におけるクロム含有量の範囲を「15%≦Cr≦31%」とした。そして曲げ加工性、即ち延性に優れた溶着金属を得るための主要影響元素の適切な成分範囲を以下のとおり特定した。
0.5%≦C≦2.0% (添加量)
2.5%≦Si≦4.5% (添加量)
0≦Nb+V≦8.0% (添加量)
0.5%≦B≦3.5% (添加量)
溶接材料の曲げ加工性能や耐摩耗性評価は基本的に耐摩耗鋼板で得られたSi×BとCrとの相関式に適合するものである。耐摩耗鋼板と鋳鋼とで異なる点は母材による希釈率が異なることと曲げ加工がさして必要でないことである。従って、耐摩耗鋼板を製造する場合に比べもう少し多量の合金添加が許容されることである。
C量が0.5%以下ならば耐摩耗性に寄与するクロム炭化物の析出量が減少する。C量が3%を越えると(Cr、Fe)7C3型炭化物が粗粒化した針状の炭化物として析出するようになり肉盛金属の剥離、脆化に影響し曲げ加工性が低下するようになる。耐摩耗性鋼板の場合、曲げ加工性が要求されるために溶着金属に含有される炭素含有量は2%以下が好ましい。2%以下は鉄―炭素状態図から判断して鋳鉄から鋳鋼に変わる遷移点であり、鋳鉄より鋳鋼の方が延性に富むからである。肉盛溶接では母材金属への溶け込みの影響があり、合金材料にCを2.5%添加しても、25〜40%の母材希釈を受けると1層目の溶着金属の炭素含有量は約1.5〜1.9%に低下する。従って、合金に添加される炭素量は最高でも2.5%以下が望ましい。
Siは鋼の酸化を防止するは働きがある。2.5%以上で酸化抵抗を増し、5%以上の単独添加により1100℃までの温度域における酸化を効果的に阻止する。耐腐食性の観点から、Siは耐塩酸腐食、耐硫酸腐食に効果がありCr、Mo,Cuとの共存下においてその真価が発揮される。
一般的に言ってCrは鋼の酸化を抑えるために極めて有効であり、高温耐酸化性の改善に寄与する。Crは炭素と結合して各種のクロム炭化物を析出して高硬度を与え鋼の耐摩耗性を向上させる。しかし、耐摩耗性を向上させるためにはCrと結合してクロム炭化物を形成する必要があり、そのために多量の炭素を添加する必要がある。しかし、炭素添加量が3%以下の場合には第1層目の溶着金属は母材希釈を受け炭素含有量が2%前後になり、充分な炭化物の析出が期待できず耐摩耗性が低下する反面、耐腐食性が向上した。本発明の主目的である鉄基合金の耐腐食性の改善から多量の炭化物の析出を抑制してマトリックスに残存する
MnおよびNiはオーステナイト化を助長し、その安定度を増す。Mnのオーステナイト形成能力はNiの約半分である。このMnは肉盛溶接の作業性を安定させる効果がある。本発明合金が高Si含有を基本組成にしているためにフェライトを含有するようになり、オーステナイト組織を保持するためにはNiが高価であるためにNiの代用として添加する。特に好ましいMn添加量は0%から上限は8%以下である。
本発明合金の主旨からして高Ni添加は希少価値合金の消費と言う観点から好ましくなく、0%が好ましい。従って、どうしても添加が耐食性、曲げ加工延性にとって必要な場合にのみ添加することは止むを得ない。Cr含有量が23.5%以上31%未満において、Ni含有量が3〜6%増加すると、曲げ延性か若しくは溶着金属の表層面剥離傾向が減少し、Si×B値を3ポイント改善する効果が認められた。本発明合金の用途はごみ焼却関係が多く塩素ガス耐腐食性に関して効果的で高含有量が望ましい。高温では浸炭を防止する効果もあり、サーマルショックを受ける用途ではCrの不動態皮膜の剥離を防止する効果を持つので使用温度が高温の場合にはNi含有量が高いことが望ましい。
Nbは炭化物を球状微細化する効果があり、物理的に組織構成に破壊や脆化し難い組織を耐える。その効果は既に上述したようにねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄との延性に影響を及ぼす黒鉛形状と同じことで黒鉛を球状化するCa,Mgと同じ作用効果を炭化物形状に作用する。さらにニオブ炭化物自体の硬度が約HV2400と非常に硬いことが添加する意義の最大の狙い目である。低炭素の場合、例えばC=0.7%でNbC(ニオブ炭化物)が晶出しない領域において非常に高硬度のNbB(ニオブホウ化物、Hv2250)がその代わりに晶出して耐摩耗性の低下を防止する効果がある。
本発明合金成分範囲において晶出するホウ化物の形状はその合金の脆化を促進し難い形状で晶出するものがあり、例えばMo2 FeB2 は網目状であり、NbBは不定形、Cr2 Bは板状である。それぞれのミクロ硬度はHV2400、HV2250、HV1400であり、非常に硬い。Cr2 Bは板状で晶出するが、針状クロム炭化物に比べ大きな晶出物も見受けられるが、それらは数が少なく、大半は長さが短く不連続であり、形状的には問題があるが、連続して晶出しない限りマトリックスを物理的に脆くする危険性は少ない。その証拠に200R曲げ加工を行っても硬化金属は非常に健全であり、小片剥離さえ発生していなかった。これらの効果を得るために、Bの最小添加量は0.5%から最高添加量を3.5%までとし、異種溶接方法の溶け込み深さを考慮すれば、溶接材料では最高添加量は4.5%以下とする。
チタン炭化物も非常に高硬度を生じるが、チタンは溶接作業性を困難にしビード表面も平滑に仕上がらない。従って、Nbと同様に15%低クロム鋼における粒界腐食防止の為に最高1%以下の添加とする。
本発明合金は常温から600℃以上の高温用途まで使用される可能性があり、高温耐酸化性をも与える必要性が生じた。これらは主に高温耐酸化性を改善するために選択的な添加が可能である。例えばAlは、高温における耐酸化性を改善し、特に硫黄ガスが使用雰囲気に多い場合、その効果を発揮する。この場合はNi量を少なくして、Al量を多くするのが良い。Alが3%を越えると肉盛金属にアルミナ皮膜が生じスラグが介在し易くなり溶接作業性が阻害される。安定的な効果を得るためには0.5%以上、3%以下が好ましい。
Moは本発明合金の耐硫酸腐食や耐塩酸腐食にCr,Cu,Siとの共存添加により著しい効果を発揮し、コバルト基合金のステライトNo.1,No.6と同等かそれ以上の耐腐食性を示す。但しMoは現在、非常に高価な合金となり、あまり添加量を増加すると本発明合金の製造単価が大幅に上昇するので最小添加量は0%とし、最大添加量は10%とした。特に8%添加により、硫酸腐食はステライトの耐食性を上回ったので、これ以上添加しても過剰添加になるので最大添加量を10%以下とし、特に好ましい最高添加量を8%とした。
Cuは耐硫酸性、耐塩酸性を向上させる。ごみ焼却炉において、燃焼を中断したとき腐食性の強い硫酸や塩酸等の酸露点液が生じるが、これに対してMo単独ではさして有効ではなく、Cuとの複合添加が効果的である。また、その複合添加によればミクロ組織が微細化され、高Cr,高Si含有状態で微細針状炭化物が析出し易く、高温耐摩耗性が改善される。
これらを整理して図示したのが図1である。炭素添加量を0.5〜2.0%と著しく減少させたにも拘わらずSi×Bの積とCr含有量に関する相関図の適正範囲内において、No.2,No.6,No.10―C.No.15、No.16、16−C,No.23,No.26,No.32、No.32−1、No.33,No.34、No.38、No.66,No.67,No.68,No.72,合金は磨耗係数が3〜6でありステライトNo.1,No.6の約2倍以上の耐摩耗性を確保出来た合金が多数存在した。
19%Cr含有量のNo.6合金に関しては、Si×B=6.5、Nb添加量が0.5%で磨耗係数WR=5.6が得られたが、同じCr量のNo.62合金に関して、Si×B=2.6、Nb添加量が6.0%で磨耗係数=6.5が得られ、ほぼ同じ程度の耐摩耗性が得られた。Si×Bが2.6の低値ならば、磨耗係数は9〜15程度に低下するがNbを6%添加すれば摩耗係数が6.5にまで回復出来た。
通常、VはNbと同等の球状炭化物形成元素として効果があると言われているのでVの効果を調査した。NbとVとの耐摩耗性に与える効果の差異を調べるためにNb合金群とV合金群との比較を試みた。Nb添加合金群を表16に示し、V添加合金群を表17に示す。
Cr含有量がおおよそ25%以上31%以内の場合にはSUS310S母材を多く使用したが、25%以下の場合には軟鋼,304ステンレス鋼の母材を併用して肉盛したので母材の相違による耐摩耗性の差異が憂慮された。なぜなら耐摩耗性を表す磨耗係数WRの数値がステンレス鋼母材と軟鋼母材とで得られた数値とを混合して比較したからである。本来ならば、同一母材で試験を行う必要があったが、溶着金属のクロム含有量を15%から31%の範囲にまで変動させる必要があったので、母材の溶け込みを利用して溶着金属のクロム含有量の調整に利用したために止むを得なかった。
溶着金属のNi含有量と曲げ加工性との関係を表19に示す。
1)硬化金属の剥離、脱落を発生する上部限界曲線
15%≦Cr≦27%
Si×B≦2014/Cr2+0.083Cr+1.05 (1)
27%≦Cr≦31%
1.25%≦Si×B≦6.0% (2)
2)硬化金属の耐摩耗性WRが最低の15を保持できる下部限界曲線
15%≦Cr≦20.0%
Si×B=570/Cr2−0.066Cr+1.145 (3)
20.0%≦Cr≦31%
Si×B≧1.25 (4)
3)溶着金属のNi含有量が3〜6%増加すると剥離、脱落上部限界曲線は23.5%≦Cr≦31,0%の範囲においてSi×B=3ポイント分(1)式を上方に平行移動させ、割れが発生し難い範囲を拡大する。
本発明合金の耐腐食性は既に述べたようにWorthite合金を目標として開発した。その化学成分は以下のようである。C<0.07%、Cr20%、 Ni25%, Si3.5%、Mo3.0%、Cu2.0%
従って、腐食試験に関しての合金は総てC合金についてである。
10%硫酸溶液に480時間浸漬して行った腐食減量の比較により、No.5,No22,No.28,No.29,No.30合金類がステライトNo.1,No.6に比べ非常に優れた耐腐食性を示した。耐摩耗性を示す磨耗係数WRが8〜10とステライトNo.1と同等の耐摩耗性を示した。No.10,No.17合金はステライトと同等の耐腐食性を示したが耐摩耗性は本特許合金類の中で最高級の耐摩耗性を示し磨耗係数WRが3.3であった。
塩酸腐食に対して、No.29合金、No.10合金、No.30合金がステライト合金より優れていたが、特に10%塩酸溶液腐食試験では、No.10合金がステライトNo.1,No6の両者より優れており、耐塩酸腐食用途にはNo.10合金を使用することが重要である。
技術分野
[0001]
本発明は、耐腐食性及び耐摩耗性に優れた低炭素―高シリコンーボロンーニオブー高クロム鋳鋼系の鉄基合金、より詳しくは、304ステンレス鋼や高クロム鋳鉄、高炭素―高クロム鋳鉄系材料に比べて耐腐食性及び耐摩耗性に圧倒的に優れ、しかも高炭素―高クロム炭化物析出型鉄基耐摩耗性合金では到底得られない高い耐食性を有すると共に、これら金属より優れた耐摩耗性を有し、更には高Si含有鋼特有の脆性剥離を生じ難い高性能で安価な鉄基耐食耐摩耗性合金、及びその合金を得るための肉盛溶接材料に関する。
背景技術
[0002]
近年、ごみ焼却工場、カーシュレッダー流動層焼却炉、廃油、廃液焼却炉等が建設され稼動している。これらの装置の耐熱耐摩耗部には高クロム鋳鉄が、また高温熱酸化を受ける装置には例えばSCH13耐熱鋳鋼等が使用されている。しかし稼動後、僅かな時間でそれらの部材類及び装置類が処理物や熱により磨耗、焼損及び腐食損耗を受けており、その延命対策が望まれている。
[0003]
これら装置類、部材類の長寿命化対策としては、磨耗部分の肉盛補修溶接が主であり、その溶接材料としては鉄基合金である高炭素―高クロム鋳鉄系肉盛溶接材料が主に使用されてきた。その理由は、安価な鉄基合金であることや、耐摩耗性や高温耐酸化性に優れていることによる。しかし、これらの炉装置や周辺装置類は、高温における腐食性燃焼ガスや炉停止時に生じる酸露点腐食等に曝され、単なる高温耐酸化性や耐摩耗性のみでは対処できなくなってきているのが現状である。
[0004]
即ち、高炭素―高クロム鋳鉄系溶接材料が持つ優れた耐摩耗性を保持しつつ、優れた耐腐食性をも具備していなければ、これらの諸装置類の長寿命化を図ることが出来なくなってきた。特に耐食性に関しては塩素ガス、塩酸、硫酸、希硫酸等による腐食耐性が必要である。
[0005]
耐腐食性、耐酸化性、さらに高温耐摩耗性が要求されるこれら使用環境に関して
−Cu系ステンレス鋼であり、化学プラントや石油専焼ボイラーなどにおける耐硫酸腐食用途に使用される。耐硫酸腐食の観点からWorthite合金を一つのモデルとしたが、この合金の問題点としては本発明者の意図とは異なり、この合金にはNiが非常に多く含有されており、本来の大前提である希少価値合金の省資源化の見知から大きく逸脱していることであった。Worthite合金はあくまで強度が必要とされる耐食性構造材料として使用され、例えばステンレス鋳鋼製ポンプ等として使用されている。従って、金属自体が靱性を持つことが重要であるが、高Si含有量のために脆化し、その脆化改善を行うために高Ni含有量に設計されているものと想定される。当然、高Ni含有量は耐食性の向上が主目的であるが、低硬度を招来し、耐摩耗性硬化金属材料としては耐摩耗性に劣り、本発明者が企画する耐摩耗性合金としては使用できないような鉄基合金であった。
[0034]
本発明者が開発する肉盛合金は、耐腐食性と耐摩耗性とを同時に満足することを根本原則とするものであるために、その母材金属にはステンレス鋼が多々使用される。このため、本発明者はNi含有量に関しては母材金属のステンレス鋼等から溶着金属内にピックアップさせることを期待できるので、当初から溶接材料に添加するNi含有量は最大で13%とし省資源化を図った。すなわち、開発合金のNi添加量に関しては通常は5%以下であり、特別な場合に限って最大13%の添加とした。一方、Siに関しては以下のとおりである。
[0035]
(1)高Si含有鋼の脆化について
鉄基金属の高Si含有鋼に高ケイ素鋼板がある。その成分の一例を下に示す。
「C:0.12%、Si:4.12%、Mn:0.07%、P:0.07%、S:0.005%、Fe:残」
[0036]
ケイ素鋼板は主にトランスやモーターのコア等に使用されている。Si含有量を増加すれば磁性が強くなり好ましいが、Siを5%以上添加すると鋼が脆くなり、それ以上添加すると圧延作業が困難になり、薄鉄板の製造を難しくする。Siは単なる炭素鋼に添加するだけで鋼を脆くする性質がある。ましてCrを多量に含有した高クロム合金に同等のSiを添加するのであるから、Si自体が持つ脆化傾向と高クロム合金が析出する脆くて高硬度のクロム炭化物とが相乗的に合金の脆化を促進するので、開発合金に延性を与えることは非常に困難である。
摩耗性を向上させる方法が最善の手段と考えられた。
[0057]
高Si鋼の脆性を促すことなしに耐摩耗性を向上させる手段として、耐腐食性に悪影響を与えない非常に高硬度のホウ化物の晶出や非常に炭素との親和力が強く、球状微細化炭化物を晶出するニオブ炭化物との共存により耐摩耗性の向上を図る事を企てた。同時にその高Si含有鋼の最大の欠点である表層金属の剥離、脱落等の脆化にこれら2元素が影響を与えないことと、寧ろ脆化を抑制する方向に働くことが期待された。
[0058]
溶着金属のクロム含有量が15%≦Cr≦31%の範囲において、ボロンを添加することにより耐摩耗性の向上は図れるが、ボロン単独添加において、例えば0.5%添加しても耐摩耗性の改善には寄与されず、4.0%添加すると溶着金属が非常に硬くなり溶接ビードに対して直角方向の無数の割れを発生した。B単独添加のみでは添加量の範囲が狭く、溶着金属の延性度合いを判断することが非常に困難であった。低B含有鋼と高B含有鋼との耐摩耗性を比較したが、高B含有鋼は非常に優れた耐摩耗性を示したが、著しい脆化を生じた。ボロン添加量が耐摩耗性と曲げ加工性に及ぼす影響を表4に示す。
[0059]
〔表4〕
[0060]
さらに開発合金の最大の特徴である高シリコン含有量は、高温耐酸化性や耐硫酸腐食性、耐塩酸腐食性、有機酸腐食性に対して非常に有効な要素であるが、通常鉄基合金に3.5%以上添加すると非常に合金を脆くする性質があり、その優れた性能にも拘わらず鉄基溶接肉盛材料にはあまり使用されて来なかった。高Cr鋼にSiの添加量を増加すればクロム炭化物を針状化し易くなり、その結果溶着金属を脆くする傾向が生じ、5%単独添加した場合には溶着金属に表層剥離が発生し、2.5%まで減少させると耐摩耗性が非常に悪くなった。従って、開発合金の目玉であるSi添加
量は少なくとも最低で2.5%、最高で4.5%〜5.5%までの添加量の範囲が必須であり、この添加範囲内においての脆化を無くすことが絶対条件であった。
[0061]
SiもBと同様に添加範囲が狭く単独添加では溶着金属の延性と耐摩耗性とを評価することが非常に困難であった。従って、BとSiとの両者の影響を含め考慮する方法としてSi×Bの積(重量%)の必要性が生じた。Bはホウ化物を晶出して非常に高硬度を与えるがホウ化物の種類、その形状と大きさと晶出量とが鋼の延性に影響を与えると考えた。特にそのサイズが針状のクロム炭化物の大きさに比べ著しく小さければ曲げ加工において物理的に破壊を促進する要因は大幅に減少する事が想定された。しかも微小ホウ化物の硬度が非常に硬ければ溶着金属の耐摩耗性を改善させる事が期待された。
[0062]
そこで耐硫酸、耐塩酸腐食に優れた結果を示したNo.10−C合金を取り上げその合金に晶出する炭化物、ホウ化物をSEM−EDX分析装置により同定した。晶出物はCr7C3クロム炭化物(約HV2100)とCr2B(約HV1400)、Mo2FeB2(約HV2400〉、NbB(約HV2250)の3種類のホウ化物とが晶出していた。これら総てが全溶着金属の30%を占有していた。これら晶出物の形状はCr7C3が花びら状または樹枝状であり、ホウ化物のNbBが不定形、Cr2Bが板状、、Mo2FeB2が網目状を示した(図3中の写真1参照)。
[0063]
No.10−C合金の炭素含有量が約0.7%〜0.8%と少なかったので炭化物はCr7C3のみが晶出し、Nbはニオブ炭化物を形成しなかった。しかしニオブホウ化物(NbB)が晶出されており、ニオブ炭化物に匹敵する程の高硬度を与えた。従って、炭素含有量が少ない場合においてはNbはホウ化物を形成して耐摩耗性の向上に貢献する事が判明した。低炭素含有量においても耐摩耗性が優れている理由はこれらホウ化物の晶出にある事が判明した。
[0064]
炭素含有量が増加すれば同時にニオブ炭化物も晶出するので、さらに耐摩耗性の向上に貢献すると考えられる。BとNbとの共存添加により曲げ延性を低下させずにその優れた硬度により耐摩耗性を向上させることに成功した。各種ホウ化物晶出物のなかで形状的に合金を脆化させると想定させるものにホウ化クロム(Cr2B)がある。これは形状的には板状組織であるが、微細針状クロム炭化物と形状的に近似しており危
0Sステンレス鋼、高クロム鋳鉄、耐硫酸性鋼板は素材から切り出され、ステライトNo1,No.6は2層ガス溶着法で5mm肉盛され、GL,UFはノンガスアーク法で2層5mm肉盛された。
[0099]
耐摩耗鋼板の合金はサブマージドアーク法により1層約5mm厚が肉盛された。肉盛品の素材はSS400,SUS304,SUS310Sステンレス鋼であり、肉厚9mmを採用した。
[0100]
〔表7〕
[0101]
本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、その鉄基耐食耐摩耗性肉盛溶接材料は、重量%でC:0.5〜2.5%、Si:2.5〜5.5%、Mn:10%以下、Cr:15%〜45%、Cu:7%以下、Mo:10%以下、B:0.5%〜4.5%、0≦Nb+V≦8%を含み、残部が鉄及び不可避不純物からなる。
[0102]
これらの成分に加えて、Ni:13%以下、Ti:1.0%以下、AL:3%以下、レアアースメタル:合計で0.5%以下、N:0.2%以下を1種または2種以上を含むことができる。
[0103]
その溶接材料は,具体的には被覆アーク溶接棒、フラックスコアード複合ワイヤ、金属パウダー又は鋳造棒である。
[0104]
また、本発明の鉄基耐食耐摩耗性合金は、重量%でC:0.5〜2.0%、Si:2.5〜4.5%、Mn:10%以下、Cr:15〜31%、Cu:7%以下、Mo:10%以下、B:0.5〜3.5%、0≦Nb+V≦8%を含み、15%≦Cr<27%の範囲において(Si×B)≦2014/Cr2+0.083 Cr+1.05を満足し、27%≦Cr≦31%の範囲において、1.25%≦(Si×B)≦6.0%を満足し、15%≦Cr<20%の範囲において(Si×B)≧570/Cr2−0.066 Cr+1.145を満足し、20%≦Cr≦31%の範囲において(Si×B)≧1.25を満足する低炭素―高シリコンー高クロムーボロンーニオブ系の鉄基耐食耐摩耗性合金である。
[0105]
これらの成分に加えて、Ni:16%以下、Ti:1.0%以下、AL:3%以下、レアアースメタル:合計で0.5%以下、N:0.2%以下を1種または2種以上を含むことができる。
[0106]
この鉄基耐食耐摩耗性合金は、具体的には肉盛溶接金属又は鋳鋼であり、いずれもコバルト基合金であるステライトNo.1、No.6に匹敵するかそれより勝る耐摩耗性及び耐食性を示す。
[0107]
本発明材料及び本発明合金を構成する各元素の役割は以下のとおりである。
[0108]
C:0.5〜2.5%(材料)、0.5〜2.0%(合金)
C量が0.5%以下ならば耐摩耗性に寄与するクロム炭化物の析出量が減少する。C量が3%を越えると(Cr、Fe)7C3型炭化物が粗粒化した針状の炭化物として析出するようになり肉盛金属の剥離、脆化に影響し曲げ加工性が低下するようになる。耐摩耗性鋼板の場合、曲げ加工性が要求されるために溶着金属に含有される炭素含有量は2%以下が好ましい。2%以下は鉄―炭素状態図から判断して鋳鉄から鋳鋼に変わる遷移点であり、鋳鉄より鋳鋼の方が延性に富むからである。肉盛溶接では母材金属への溶け込みの影響があり、合金材料にCを2.5%添加しても、25〜40%の母材希釈を受けると1層目の溶着金属の炭素含有量は約1.5〜1.9%に低下する。従って、合金に添加される炭素量は最高でも2.5%以下が望ましい。
[0109]
さらに溶着金属に含有される炭素量は耐腐食性に影響を与え、10%塩酸溶液に対する腐食には0.5%〜3.0%の添加量の範囲であまり影響を及ぼさないが、10
[0115]
Cr:15%〜45%(材料)、15〜31%(合金)
一般的に言ってCrは鋼の酸化を抑えるために極めて有効であり、高温耐酸化性の改善に寄与する。Crは炭素と結合して各種のクロム炭化物を析出して高硬度を与え鋼の耐摩耗性を向上させる。しかし、耐摩耗性を向上させるためにはCrと結合してクロム炭化物を形成する必要があり、そのために多量の炭素を添加する必要がある。しかし、炭素添加量が3%以下の場合には第1層目の溶着金属は母材希釈を受け炭素含有量が2%前後になり、充分な炭化物の析出が期待できず耐摩耗性が低下する反面、耐腐食性が向上した。本発明の主目的である鉄基合金の耐腐食性の改善から多量の炭化物の析出を抑制してマトリックスに残存する
[0116]
Cr量を増加させ耐腐食性の向上を図り、耐摩耗性の改善は耐腐食性に悪影響を与えないB,Nb、Siの添加により行い、Cの添加量を2.5%以下に抑制した。さらに本発明合金に関しては高Si含有鋼の延性を与える事が本特許請求項の主要目的の一つであり、Cr含有量は高Si鋼の延性に大きな影響を与えた。Cr含有量とSi,Bとの積の相関はすでに詳述した。
[0117]
溶接肉盛は異種母材金属に肉盛されるために母材金属からの希釈を受ける。本発明では母材希釈を受けて得られる第1層目溶着金属のクロム含有量を最小15%とし、最大31%とした。従って、各種肉盛方法の相違で母材金属による希釈率が異なるので最小添加率は15%とし、最大添加率を45%とした。
[0118]
Cr含有量が25%以上高く含有されるとSiとの組み合わせで脆い針状炭化物の析出が生じやすく、用途的に衝撃摩耗を受け延性が求められる合金の場合には針状炭化物が析出し難い低Cr含有鋼を選択し例えば15%%クロム鋼が望まれる。特に好ましいCr値は下限については15%以上、上限については31%以下である。
[0119]
Mn:10%以下(材料、合金)
MnおよびNiはオーステナイト化を助長し、その安定度を増す。Mnのオーステナイト形成能力はNiの約半分である。このMnは肉盛溶接の作業性を安定させる効果がある。本発明合金が高Si含有を基本組成にしているためにフェライトを含有するようになり、オーステナイト組織を保持するためにはNiが高価であるためにNiの代用として添加する。特に好ましいMn添加量は0%から上限は8%以下である。
[0120]
Ni:13%以下(材料)、16%以下(合金)
本発明合金の主旨からして高Ni添加は希少価値合金の消費と言う観点から好ましくなく、0%が好ましい。従って、どうしても添加が耐食性、曲げ加工延性にとって必要な場合にのみ添加することは止むを得ない。Cr含有量が23.5%以上31%未満において、Ni含有量が3〜6%増加すると、曲げ延性か若しくは溶着金属の表層面剥離傾向が減少し、Si×B値を3ポイント改善する効果が認められた。本発明合金の用途はごみ焼却関係が多く塩素ガス耐腐食性に関して効果的で高含有量が望ましい。高温では浸炭を防止する効果もあり、サーマルショックを受ける用途ではCrの不動態皮膜の剥離を防止する効果を持つので使用温度が高温の場合にはNi含有量が高いことが望ましい。
[0121]
本発明合金組織は基本的にフェライト+オーステナイトの混合組織を形成し易くMnとNiとの併合添加により組織をオーステナイト組織に変換することが可能に成る。例えば重拘束されたオーステナイトステンレス鋼上に硬化肉盛施工を行う場合、本装置が温度変化が激しくサーマルショックを受けると硬化肉盛金属にフェライトが多量含有されていると母材オーステナイトステンレス鋼との線膨張係数の差異により溶接融合線に応力が発生して剥離する危険性が生じる場合がある。このような場合にNiを添加することにより硬化金属をオーステナイト単体組織に変化させ母材と同一組織に調整することが可能に成る。そのためにはNiの最大添加量は13%以下が好ましい。万一、不足した場合にはMnを添加して調整可能である。
[0122]
Nb+V:0%以上、8%以下(材料、合金)
Nbは炭化物を球状微細化する効果があり、物理的に組織構成に破壊や脆化し難い組織を耐える。その効果は既に上述したようにねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄との延性に影響を及ぼす黒鉛形状と同じことで黒鉛を球状化するCa,Mgと同じ作用効果を炭化物形状に作用する。さらにニオブ炭化物自体の硬度が約HV2400と非常に硬いことが添加する意義の最大の狙い目である。低炭素の場合、例えばC=0.7%でNbC(ニオブ炭化物)が晶出しない領域において非常に高硬度のNbB(ニオブホウ化物、Hv2250)がその代わりに晶出して耐磨耗性の低下を防止する効果がある。
[0123]
一方、Vは微細な炭化物を形成し、その形成能力はCrとMoの中間に位置し、この
炭化物反応による焼き戻し抵抗性と焼き戻しによる二次硬化の改善により高温耐摩耗性を向上させる。また、温度上昇による軟化変形とヒートチェッキングによる割れに対する抵抗性を向上させる。
[0124]
Cr含有量とSi×Bの相関式において、溶着金属に剥離脱落を発生させるほどの高Si×B値においては、即ち曲げ延性が得られない限界状態においては、これらの元素は必ずしも添加する必要はない。添加することにより、より一層の溶着金属の脆化を促進させることになる。15%の低クロム含有鋼の粒界腐食を防止する観点からは、少なくともNb+V≧0.5%の添加が好ましい。したがって、その添加量は0%以上、好ましくは0.5%以上とした。ただし、合計で8%以上添加してもその効果を飽和させると共に、肉盛金属を脆化させる危険性が生じるので、最大添加量は合計で8%とした。
[0125]
B:0.5%〜4.5%(材料)、0.5%〜3.5%(合金)
本発明合金成分範囲において晶出するホウ化物の形状はその合金の脆化を促進し難い形状で晶出するものがあり、例えばMo2FeB2は網目状であり、NbBは不定形、Cr2Bは板状である。それぞれのミクロ硬度はHV2400、HV2250、HV1400であり、非常に硬い。Cr2Bは板状で晶出するが、針状クロム炭化物に比べ大きな晶出物も見受けられるが、それらは数が少なく、大半は長さが短く不連続であり、形状的には問題があるが、連続して晶出しない限りマトリックスを物理的に脆くする危険性は少ない。その証拠に200R曲げ加工を行っても硬化金属は非常に健全であり、小片剥離さえ発生していなかった。これらの効果を得るために、Bの最小添加量は0.5%から最高添加量を3.5%までとし、異種溶接方法の溶け込み深さを考慮すれば、溶接材料では最高添加量は4.5%以下とする。
[0126]
Ti:1.0%以下(材料、合金)
チタン炭化物も非常に高硬度を生じるが、チタンは溶接作業性を困難にしビード表面も平滑に仕上がらない。従って、Nbと同様に15%低クロム鋼における粒界腐食防止の為に最高1%以下の添加とする。
[0127]
Al:3%以下、N:0.2%、Ce及びY等のレアアースメタル:合計量で0.5以下の1種または2種以上(材料、合金)
減少した分を補うように球状微細化するニオブ炭化物、網状もしくは不定形、板状ホウ化物を析出するボロンを添加することにより脆化を抑制し、さらに耐摩耗性を向上させるというものである。特にNbは耐摩耗性の調整範囲を拡大して耐摩耗性の調整合金として非常に有効な合金元素であった。
発明を実施するための最良の形態
[0136]
以下に本発明の実施形態を説明する。
[0137]
Si×BとCrの相関式を得るために作製した各種耐摩耗鋼板の溶着金属の組成を表8〜表10に示す。
[0138]
〔表8〕
表17に示す。
[0156]
〔表16〕
[0157]
〔表17〕
[0158]
Nb合金のNo.7とV合金のNo.50を比較したところ両者ともに母材はSS400,SixB=4.3でC,Cr,Si添加量は同じであり、Nb=3%、V=2%であった。磨耗係数WRはNb合金が11.0、V合金が7.4でV添加の方が幾分耐摩耗性に優れていた。
[0159]
Nb合金のNo.9とV合金のNo.49とを比較した。合金添加量は総て同一であり母材SS400も同じである。Nb=4%,V=4%と同一添加量で前者の磨耗係数WR=11.0、後者WR=19.0の差異を生じた。
[0160]
Si×B=4.3の場合にはNbよりVの添加量が幾分少ないにも拘わらずVの方がNbより耐摩耗性を向上させた。Si×B=1.8の場合には同一添加量においてNbの方が圧倒的に耐摩耗性を向上させた。
[0161]
比較試験から判断してSi×B=1.8と低い場合にはNb添加が有効であり、Si×B=4.3と高い場合にはVの添加量がNbより少なくて耐摩耗性の向上に効果があることが判明した。やはりVはNbと同じく耐摩耗性の向上に貢献した。曲げ延性に関して
Nbは炭化物を球状微細化する効果があり、物理的に組織構成に破壊や脆化し難い組織を耐える。その効果は既に上述したようにねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄との延性に影響を及ぼす黒鉛形状と同じことで黒鉛を球状化するCa,Mgと同じ作用効果を炭化物形状に作用する。さらにニオブ炭化物自体の硬度が約HV2400と非常に硬いことが添加する意義の最大の狙い目である。低炭素の場合、例えばC=0.7%でNbC(ニオブ炭化物)が晶出しない領域において非常に高硬度のNbB(ニオブホウ化物、Hv2250)がその代わりに晶出して耐摩耗性の低下を防止する効果がある。
Claims (7)
- 重量%でC:0.5〜2.5%、Si:2.5〜5.5%、Mn:0〜10%以下、Cr:15%〜45%、Ni:0〜13%、Cu:7%以下、Mo:10%以下、B:0.5%〜4.5%、0≦Nb+V≦8%を含み、残部が鉄及び不可避不純物からなる鉄基耐食耐磨耗性肉盛溶接材料。
- 請求項1に記載の成分に加えて、Ti:1.0%以下、Al:3%以下、レアアースメタル:合計で0.5%以下、N:0.2%以下を1種または2種以上を含む鉄基耐食耐磨耗性肉盛溶接材料。
- 手溶接棒、フラックスコアード複合ワイヤ、金属パウダー又は鋳造棒である請求項1又は2に記載の鉄基耐食耐磨耗性肉盛溶接材料。
- 重量%でC:0.5〜2.0%、Si:2.5〜4.5%、Mn:0〜10%以下、Cr:15〜31%、Ni:0〜16%、Cu:7%以下、Mo:10%以下、B:0.5〜3.5%、0≦Nb+V≦8%を含み、15%≦Cr<27%の範囲において(Si×B)≦2014/Cr2 +0.083Cr+1.05を満足し、27%≦Cr≦31%の範囲において、1.25%≦(Si×B)≦6.0%を満足し、15%≦Cr<20%の範囲において(Si×B)≧570/Cr2 −0.066Cr+1.145を満足し、20%≦Cr≦31%の範囲において(Si×B)≧1.25を満足する低炭素―高シリコンー高クロムーボロンーニオブ系の鉄基耐食耐摩耗性合金。
- 請求項4に記載の成分に加えて、Ti:1.0%以下、Al:3%以下、レアアースメタル:合計で0.5%以下、N:0.2%以下を1種または2種以上を含む鉄基耐食耐摩耗性合金。
- 耐磨耗性及び耐食性が、コバルト基合金であるステライトNo.1、No.6に匹敵するかそれより勝る請求項4又は5に記載の鉄基耐食耐摩耗性合金。
- 肉盛溶接金属又は鋳鋼である請求項4又は5に記載の鉄基耐食耐摩耗性合金。
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