(57)【要約】【課題】砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料として用いるのに好適で、耐摩耗性および落重衝撃性に優れ、しかも、Ｎｉの添加量を増加させなくても十分な耐摩耗性および落重衝撃性を確保することができる落重衝撃性に優れた耐摩耗性鋳鉄を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：１．０〜３．６％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｃｕ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｎ：０．０１〜０．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：１．０〜３．６％、
Ｃｒ：１５〜２２％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｃｕ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：０．１〜１．５％、
Ｎ：０．０１〜０．２％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性鋳鉄。
【請求項２】
体積率で、０．００５〜３．０％のＣｕ系析出物が析出していることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料として好適に用いられる耐摩耗性鋳鉄、より詳しくは、落重衝撃性に優れた耐摩耗性鋳鉄に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成するために用いられる金属材料は、高い摩耗性のほか、大きく硬い岩石等が直接当たるため、落重衝撃性に優れることが求められている。
【０００３】
これらの観点を考慮し、例えば、２Ｃ−２０ＣｒにＮｉなどを添加し、炭化物析出させ、母相を焼き戻しマルテンサイトにさせることで、靭性を確保した上で、その硬さを高めるという金属組織の制御を行った高クロム鋳鉄が、好適な金属材料であるとして、従来から、砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料として用いられてきた。
【０００４】
例えば、特許文献１として、ＮｉおよびＭｏのうち少なくとも一方を重量比で２．８％以下含有させ、且つ、４５≦５０×Ｎｉ％＋１２８．５×Ｍｏ％≦１４０という式を満足するような耐摩耗性高クロム鋳鉄が提案されているが、この高クロム鋳鉄はマトリックスをマルテンサイトにしているものである。
【０００５】
また、特許文献２として、質量％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：１３〜２２％、Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＷ：０．５〜３．０％の一種又は二種、Ａｌ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｎｉ量／Ａｌ量：０．８〜１．８、Ｎ：０．００５〜０．１５％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる耐熱、耐摩耗性高クロム鋳鉄が提案されているが、この提案は５５０℃以下の高温下で用いられる耐熱、耐摩耗性部材の素材を対象とし、耐熱性を考慮した提案であって、砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどに好適に用いられる金属材料に対する提案ではない。
【０００６】
しかしながら、これら従来からの高クロム鋳鉄は、確かに高硬度であり耐摩耗性が高められているが、必ずしも衝撃特性が高い金属材料ではない。
【０００７】
また、Ｎｉは靭性を高めるための必須の添加元素として考えられており、高クロム鋳鉄にＮｉを所定量添加することで、耐摩耗性、落重衝撃性が共に優れた金属材料を得ることは可能と考えられる。しかしながら、Ｎｉは高価な添加元素であり、Ｎｉを添加元素として大量に添加したくないという実情もあり、Ｎｉの添加量を下げた場合であってもその同等以上の靭性を確保することができ、耐摩耗性、落重衝撃性が共に優れた金属材料が提案されることが待ち望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６０−３９１４６号公報
【特許文献２】特開２００８−１１１１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料として用いるのに好適で、耐摩耗性および落重衝撃性に優れ、しかも、Ｎｉの添加量を増加させなくても十分な耐摩耗性および落重衝撃性を確保することができる落重衝撃性に優れた耐摩耗性鋳鉄を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：１．０〜３．６％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｃｕ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｎ：０．０１〜０．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性鋳鉄である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、体積率で、０．００５〜３．０％のＣｕ系析出物が析出していることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性鋳鉄である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１記載の耐摩耗性鋳鉄によると、砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料として用いるのに好適で、耐摩耗性および落重衝撃性に優れ、しかも、Ｎｉの添加量を増加させなくても十分な耐摩耗性および落重衝撃性を確保することができる。
【００１３】
本発明の請求項２記載の耐摩耗性鋳鉄によると、Ｃｕ系析出物を所定量析出させることで、更に十分な耐摩耗性および落重衝撃性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例３で用いた落重衝撃試験に用いた落重衝撃試験装置の構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１６】
砕石工場やセメント工場などで岩石を砕くために用いられるローラミル、ローラテーブル、並びにライナなどを構成する金属材料としては、高い耐摩耗性のほか、大きく硬い岩石等が直接当たるため落重衝撃性に優れることが求められる。
【００１７】
本発明者らは、耐摩耗性と共に落重衝撃性に優れた金属材料を得るために鋭意研究を重ねた。より詳しくは、Ｎｉを所定量添加した高クロム鋳鉄とすることで、耐摩耗性、落重衝撃性が共に優れた金属材料を得ることは可能であるが、Ｎｉは高価な添加元素であるため、Ｎｉを大量に添加することは実用性の面から問題があるため、その点を鑑み鋭意研究を重ねた。
【００１８】
その結果、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉといった添加元素と共に、Ｃｕを新たな添加元素として添加し、更に、Ｎを所定量含有させることで、Ｎｉの添加量を減らしても、耐摩耗性と落重衝撃性が共に優れた金属材料とすることができることを見出し、本発明の完成に至った。また、Ｃｕを主体とする析出物を析出させることで、更に十分な耐摩耗性および落重衝撃性を確保することができることも併せて見出した。
【００１９】
以下に、これら添加元素の成分範囲の限定理由について説明する。尚、単位は全て％と記載するが、他の明細書中の記載を含め、断りのない限り全て質量％のことを示す。
【００２０】
・Ｃ：１．０〜３．６％
Ｃは、炭化物の形成、高硬度化のために必要な元素である。１．０％未満の添加であると、炭化物の生成量が十分でなくなり、硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。しかし、３．６％を超えての添加は、生成される炭化物量が過多となり、靭性が低下することから、落重衝撃性を確保することができない。こうしたことから、Ｃ含有量の範囲は１．０〜３．６％とした。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は１．２０％であり、より好ましい下限は１．３５％である。また、Ｃ含有量の好ましい上限は２．５％であり、より好ましい上限は２％である。
【００２１】
・Ｃｒ：１５〜２２％
Ｃｒは、炭化物生成元素であり、１５％未満の添加であると、炭化物の生成量が十分でなくなり、耐摩耗性が低下する。しかし、２２％を超えると、生成される炭化物量が過多となり、靭性が低下することから、落重衝撃性を確保することができない。こうしたことから、Ｃｒ含有量の範囲は１５〜２２％とした。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は１８％であり、より好ましい下限は２０％である。
【００２２】
・Ｍｎ：０．３〜２．５％
Ｍｎは、焼入れ性の確保に必要な元素であり、０．３％未満の添加であると、その焼入れ性を確保できなくなる。一方、２．５％を超えて添加すると、残留オーステナイトが増加して、硬さ、そして耐摩耗性が低下してしまう。こうしたことから、Ｍｎ含有量の範囲は０．３〜２．５％とした。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％である。また、Ｍｎ含有量の好ましい上限は２％であり、より好ましい上限は１．５％である。
【００２３】
・Ｃｕ：０．５〜３．０％
Ｃｕは、焼入れ性を確保すると共に、焼き戻しの工程で微細なＣｕ粒子となって析出し、硬さ、そして耐摩耗性を高める効果がある。Ｃｕ含有量が０．５％未満であると、その効果が発揮されず、一方で３．０％を超えると、析出粒子が必要以上に増大してしまい、落重衝撃性を劣化させる。こうしたことから、Ｃｕ含有量の範囲は０．５〜３．０％とした。尚、Ｃｕ含有量の好ましい上限は２．５％であり、より好ましい上限は２．０％である。
【００２４】
・Ｎｉ：０．１〜１．５％
Ｎｉは、焼入れ性を確保すると共に、落重衝撃性を改善する効果がある。Ｎｉ含有量が０．１％未満であると、その効果が発揮されず、一方で１．５％を超えると、残留オーステナイトが安定化して、硬さ、そして耐摩耗性が低下する傾向がある。こうしたことから、Ｎｉ含有量の範囲は０．１〜１．５％とした。尚、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．２％であり、より好ましい下限は０．４％である。また、Ｎｉ含有量の好ましい上限は１．３％であり、より好ましい上限は１．２％である。
【００２５】
・Ｎ：０．０１〜０．２％
Ｎは、固溶化することによって、オーステナイトの焼入れ性を向上させる作用がある。Ｎ含有量が０．０１％未満であると、その作用が十分に発揮されず、逆に０．２％を超えると、鋳造時にポアが形成されるなど、鋳造欠陥の原因となる。こうしたことから、Ｎ含有量の範囲は０．０１〜０．２％とした。尚、Ｎ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、より好ましい下限は０．０４％である。また、Ｎ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、より好ましい上限は０．１５％である。
【００２６】
以上が各添加元素の成分範囲の限定理由であるが、Ｃｕを主体とする析出物の析出量を好ましい析出量とすれば更に有効である。このＣｕを主体とする析出物の好ましい析出量について次に説明する。
【００２７】
・Ｃｕ系析出物：０．００５〜３．０％（体積率）
Ｃｕを主体とする析出物については、その析出量が、体積率で０．００５％未満では、硬さ、そして耐摩耗性が十分に向上しない。一方、Ｃｕを主体とする析出物の析出量が、体積率で３．０％を超えると、落重衝撃性を劣化させる傾向がある。こうしたことから、Ｃｕを主体とする析出物の好ましい析出量の範囲は、体積率で０．００５〜３．０％とした。尚、Ｃｕを主体とする析出物のより好ましい析出量の上限は、体積率で２．５％である。
【００２８】
本発明の耐摩耗性鋳鉄に添加させる添加元素等の成分範囲の限定理由は以上の通りであり、残部は鉄および不可避的不純物である。
【００２９】
尚、Ｎの含有量の制御については、真空溶製時と大気溶製時で制御方法が異なる。真空溶製時には、クロム窒化物、マンガン窒化物などの窒化物を窒素源として添加することで含有量の制御を行うことができる。
【００３０】
一方で、大気溶製時には、溶解時間を長くすることで、大気中の窒素を０．０３〜０．０５％程度までは取り入れることが可能である。また、溶解時間が短い場合にはＮの含有量が所定量以下になる可能性があるため、炉中分析を行いながら、例えば、０．０５％程度の含有量になるまで十分に溶解時間をとるようにすれば確実に所望の含有量とすることができる。大気溶製でも０．０５％を超えて０．２％までＮの含有量を高めたい場合には、真空溶製同様に、クロム窒化物、マンガン窒化物などの窒化物を窒素源として添加することで、対応することができる。
【００３１】
また、Ｃｕを主体とする析出物の析出量の範囲を、体積率で０．００５〜３．０％とするには、４００〜５００℃の範囲で、１〜６時間の保持を行うことで対応することが可能である。その温度が低過ぎ、或いは保持時間が短過ぎる場合は、十分な析出量を得ることができなくなり、逆に、その温度が高過ぎ、或いは保持時間が長過ぎる場合は、粗大な析出物が析出してしまう。
【００３２】
また、熱処理については、８５０〜１０５０℃の範囲で加熱することが望ましい。１０５０℃を超えて、更には１０５５℃以上で加熱すると、添加したＣｕが表面で赤熱脆化という現象を起こして脆化する可能性が高くなる。一方で、加熱温度が８５０℃未満であると、焼入れが不十分となる可能性が高くなる。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
【００３４】
（実施例１）
この実施例では、本発明の成分範囲の耐摩耗性鋳鉄を作製して発明例１〜３とすると共に、Ｎｉを約２％添加した高クロム鋳鉄を作製して比較例３とした。また、Ｎｉが添加されていないか、添加されていても極微量である高クロム鋳鉄を夫々比較例１、２として、前記した発明例１〜３および比較例３と共に、耐摩耗性に影響を及ぼす硬さ（ショア硬さ）の測定、衝撃値の測定を実施した。
【００３５】
発明例１〜３と比較例１〜３の成分組成を表１に示す。これらの製造方法を次に説明する。まず、１００ｋｇの大気溶製炉において、表１に示す所定の成分範囲になるように溶解し、また、発明例１〜３においては、炉中分析を繰返し、Ｎ濃度がおおむね０．０４％程度になるのを確認した後、鋳造した。その後、１０３０℃に加熱し、４時間保持した後、空冷し、４２０℃にて４時間保持をした後に取り出して供試体とした。
【００３６】
これら各供試体を用い、硬さ（ショア硬さ）の測定、衝撃値の測定を行った。ショア硬さについては、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４６に示す試験方法で測定を行い、衝撃値については、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に示す試験方法で測定を行った。その試験結果を併せて表１に示す。
【００３７】
【表１】
2010222658.tif 000002
【００３８】
表１に示す試験結果によると、耐摩耗性および落重衝撃性を確保することを考慮してＮｉを約２％添加した比較例３に対し、発明例１〜３はショア硬さ、衝撃値が共に同等以上であるという試験結果を得た。これに対し、Ｎｉが添加されていないか、添加されていても極微量である比較例１と２は、ショア硬さは十分であるものの、衝撃値は小さく十分ではなかった。
【００３９】
（実施例２）
次に、前記した実施例１で用いた発明例３の供試体について、焼き戻し条件を種々変えてショア硬さの測定を行った。焼き戻し条件については表２に示す。また、これら供試体を用いてＴＥＭ（透過電子顕微鏡）によって、Ｃｕ粒子の分率（体積率）を測定した。この測定は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）の組織写真からＣｕ粒子を選び出し、画像解析によって分率（体積率）を求め出すこととした。以上の試験結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
2010222658.tif 000003
【００４１】
表２に示す試験結果によると、焼き戻し温度、並びに焼き戻し時間を増加させることで、Ｃｕ粒子の分率（体積率）が増加しており、しかも、Ｃｕ粒子の分率（体積率）が増加するに伴い、ショア硬さが上昇していることが分かる。
【００４２】
（実施例３）
次に、図１に示す落重衝撃試験装置１を準備し、前記した実施例１で用いた発明例１、並びに比較例１〜３の供試体を用いて、落重衝撃試験を実施した。この落重衝撃試験は、１３．５ｋｇの半球状の鉄球２を、板状の供試体３に１ｍの高さから落下させ、その供試体に割れが入ったかそうでないかで判定した。試験結果として、供試体に鉄球を１回落下させて得られた結果と、鉄球を２００回続けて落下させて得られた結果を、表３に示す。尚、○は供試体に割れが認められなかった場合、×は供試体の一部が欠けたか、或いは全体に割れが発生した場合である。
【００４３】
【表３】
2010222658.tif 000004
【００４４】
表３に示す試験結果によると、発明例１では供試体に鉄球を２００回続けて落下させて衝撃を加えても全く割れが認められなかったが、比較例１と２では１回の落下衝撃だけで供試体に割れが発生してしまった。従って、耐摩耗性鋳鉄を本発明の成分範囲とすることで、高い衝撃荷重に耐え、優れた落重衝撃特性とすることができることが分かる。
【００４５】
尚、比較例３でも２００回の落下衝撃でも供試体に割れが発生しなかった。Ｃｕを添加せず、Ｎｉを約２％添加した比較例３では、実施例１の試験結果によると各発明例と比較して若干ショア硬さが低下したが、高Ｎｉ材の特性として、落重衝撃試験では、発明例１と同等の試験結果が得られたと考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１…落重衝撃試験装置
２…鉄球
３…供試体
【図１】
2010222658.tif 000005