(57)【要約】【課題】１０００℃を超える温度領域で従来材料よりも耐摩耗性に優れた材料を提供する。【解決手段】所定の母材の表面に、炭化クロム（ＣｒＣ）が４５〜５５重量％、コバルト（Ｃｏ）が３０〜４０重量％、シリコン（Ｓｉ）が１．０重量％以下含まれるクロム炭化物系合金の被覆層を所定の膜厚で設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の母材の表面に、炭化クロム（ＣｒＣ）が４５〜５５重量％、コバルト（Ｃｏ）が３０〜４０重量％、シリコン（Ｓｉ）が１．０重量％以下含まれるクロム炭化物系合金の被覆層を所定の膜厚で設けたことを特徴とする耐摩耗性材料。
【請求項２】
被覆層の膜厚が２〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性材料。
【請求項３】
被覆層は粉体プラズマ肉盛溶接法によって母材の表面に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の耐摩耗性材料。
【請求項４】
所定の母材の表面に、ニッケル（Ｎｉ）が３２重量％、クロム（Ｃｒ）が２１重量％、コバルト（Ｃｏ）が３９重量％、アルミニウム（Ａｌ）が８重量％、イットリウム（Ｙ）が０．５重量％含まれる溶射材の被覆層を所定の膜厚で形成したことを特徴とする耐摩耗性材料。
【請求項５】
被覆層の膜厚が２．５ｍｍであることを特徴とする請求項４記載の耐摩耗性材料。
【請求項６】
被覆層は高速フレーム溶射法によって母材の表面に設けられることを特徴とする請求項４または５記載の耐摩耗性材料。
【請求項７】
前記母材として所定のステンレス鋼を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に高温雰囲気下で耐摩耗性を発揮する耐摩耗性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、熱処理炉内のような高温雰囲気下で耐ビルドアップ性及び耐摩耗性に優れた搬送用ロールが開示されている。この高温材搬送ローラは、Ｃｏ-Ｎｉ-Ｃｒ-Ａｌ-Ｙ系合金マトリックス中にＣｒ２Ｏ３-Ａｌ２Ｏ３固溶体セラミックス５〜３０体積％と、クロムカーバイド２〜２０体積％とを分散状態に含有させたサーメット溶射膜を金属製ロール基体の表面に施したものである。このような高温材搬送ローラは、雰囲気温度９５０℃において優れた耐ビルドアップ性を示すことが、また雰囲気温度８００℃において優れた耐摩耗性を発揮することが確認されている。
また、下記特許文献２にも、高温耐摩耗性および耐ビルドアップ性が共に優れた熱処理炉用ロールとして、ＣｒＢ２，ＺｒＢ２，ＷＢ，ＴｉＢ２等硼化物の少なくとも一種類以上を１〜６０体積％含むと共に、Ｃｒ３Ｃ２，ＴａＣ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＴｉＣ，ＮｂＣ等炭化物の少なくとも一種類以上を５〜５０体積％含み、残部が実質的にメタルからなるサーメット皮膜を有するものが開示されている。この熱処理炉用ロールは、雰囲気温度８５０℃において優れた耐ビルドアップ性を発揮することが確認されている。
また、下記特許文献３にも、耐摩耗性及び耐ビルドアップ性等に優れた溶射材料及び溶射被覆部材が開示されている。この溶射材料及び溶射被覆部材は、２ＣａＯ・ＳｉＯ２ が３５〜９５重量％であり、残部が実質的に金属酸化物、金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物及び金属の中の少なくとも一種以上の材料であり、雰囲気温度８５０℃において優れた耐ビルドアップ性を発揮することが確認されている。
さらに、高温雰囲気下で耐摩耗性に優れた材料として、Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｒ系耐熱鋼やＮｉ-Ｃｒ-α系超耐熱合金が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０３−２７２９５９号公報
【特許文献２】特開平０７−０１１４２０号公報
【特許文献３】特開平０６−１８４７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術は、高温雰囲気下における耐ビルドアップ性及び耐摩耗性に優れた材料に関する技術であるが、おおよそ８００〜９５０℃の温度領域において耐ビルドアップ性及び耐摩耗性に優れた材料であり、１０００℃を超える温度領域では十分な性能（耐ビルドアップ性及び耐摩耗性）を示すものではない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、１０００℃を超える温度領域で従来材料よりも耐摩耗性に優れた材料を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、所定の母材の表面に、炭化クロム（ＣｒＣ）が４５〜５５重量％、コバルト（Ｃｏ）が３０〜４０重量％、シリコン（Ｓｉ）が１．０重量％以下含まれるクロム炭化物系合金の被覆層を所定の膜厚で設けた、という手段を採用する。
【０００７】
第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、被覆層の膜厚が２〜５ｍｍである、という手段を採用する。
【０００８】
第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、被覆層は粉体プラズマ肉盛溶接法によって母材の表面に設けられる、という手段を採用する。
【０００９】
第４の解決手段として、所定の母材の表面に、ニッケル（Ｎｉ）が３２重量％、クロム（Ｃｒ）が２１重量％、コバルト（Ｃｏ）が３９重量％、アルミニウム（Ａｌ）が８重量％、イットリウム（Ｙ）が０．５重量％含まれる溶射材の被覆層を所定の膜厚で形成した、という手段を採用する。
【００１０】
第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、被覆層の膜厚が２．５ｍｍである、という手段を採用する。
【００１１】
第６の解決手段として、上記第４または５の解決手段において、被覆層は高速フレーム溶射法によって母材の表面に設けられる、という手段を採用する。
【００１２】
第７の解決手段として、上記第１〜第６いずれかの解決手段において、母材として所定のステンレス鋼を用いる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明については、後述するように１０００℃を超える温度領域で従来材料よりも耐摩耗性に優れていることが検証された。したがって、本願発明を材料として作製された搬送ロールは、従来材料よりも耐ビルドアップ性において優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における往復動摩擦摩耗試験機の試験部Ａ及び試験条件を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態における試験結果を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態における各試験材の表面状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、上記図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に、本実施形態における試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の組成や施工状態等について、下記表１を参照して説明する。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
この表１が示しているように、試験材Ａ-１は、炭素（Ｃ）が０．３５〜０．４５重量％、ニッケル（Ｎｉ）が２０重量％、クロム（Ｃｒ）が２５重量％、鉄（Ｆｅ）が残部となる化学成分のＦｅ-Ｎｉ-Ｃｒ系耐熱鋼（母材）であり、溶解法（施工法）によって成型されたもの（ＨＫ４０）である。試験材Ａ-２は、炭素（Ｃ）が０．４０〜０．６０重量％、ニッケル（Ｎｉ）が４５．０〜５０．０重量％、クロム（Ｃｒ）が２５．０〜３０．０重量％、タングステン（Ｗ）が４．０〜６．０重量％、鉄（Ｆｅ）が残部となる化学成分のＮｉ-Ｃｒ-α系超耐熱合金であり、遠心鋳造法（施工法）によって成型されたもの（ＫＨＲ４８Ｎ）である。
なお、これら試験材Ａ-１及びＡ-２は、従来品と同等の材料であり、比較例として試験したものである。
【００１８】
試験材Ｂ-１は、母材であるステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）の表面に、炭化クロム（ＣｒＣ）が４５〜５５重量％、コバルト（Ｃｏ）が３０〜４０重量％、またその他の成分としてシリコン（Ｓｉ）が１．０重量％以下含まれる材料組成のクロム炭化物系合金の被覆層（カムアロイ）を粉体プラズマ肉盛溶接（ＰＴＡ）法（施工法）によって２〜５ｍｍ厚の膜厚で設けたものである。試験材Ｂ-２は、所定の母材の表面にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を粉体プラズマ肉盛溶接（ＰＴＡ）法（施工法）によって下地層（中間層）として形成し、この下地層の表面に、炭化クロム（ＣｒＣ）が４５〜５５重量％、コバルト（Ｃｏ）が３０〜４０重量％、またその他の成分としてシリコン（Ｓｉ）が１．０重量％以下含まれる材料組成のクロム炭化物系合金の被覆層（カムアロイ）を粉体プラズマ肉盛溶接（ＰＴＡ）法（施工法）によって２〜５ｍｍ厚の膜厚で設けたものである。
【００１９】
試験材Ｂ-３は、母材であるステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）の表面に、鉄（Ｆｅ）が３重量％、ニッケル（Ｎｉ）が３重量％、クロム（Ｃｒ）が２８重量％、タングステン（Ｗ）が４重量％、コバルト（Ｃｏ）が残部となる材料組成のコバルト-クロム系材料の被覆層（ステライト＃６）を粉体プラズマ肉盛溶接（ＰＴＡ）法（施工法）によって２〜５ｍｍ厚の膜厚で設けたものである。また、試験材Ｃ-１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１Ｓ）等の母材の表面に、ニッケル（Ｎｉ）が３２重量％、クロム（Ｃｒ）が２１重量％、コバルト（Ｃｏ）が３９重量％、またその他の成分としてアルミニウム（Ａｌ）が８重量％、イットリウム（Ｙ）が０．５重量％となる材料組成の溶射材の被覆層（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ）を高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射法（施工法）によって２．５ｍｍ厚の膜厚で形成したものである。
【００２０】
次に、本実施形態における試験部Ａの概要及び試験条件について、図１を参照して説明する。この試験部Ａは、上述した試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１（以下では総称して試験材Ｘという。）を所定の荷重で相手材Ｓに押圧した状態で往復移動させるものであり、周知の往復動摩擦摩耗試験機の一部である。このような試験部Ａは、電気炉に設けられた炉心管内に収容されている。
【００２１】
この電気炉は、炉心管内の雰囲気温度を高精度に設定可能なものであり、試験材Ｘの温度を最高で１０２０℃（雰囲気温度としては最大で１０５０℃）に設定することができる。本実施形態では、このような試験部Ａを用いた試験材Ｘの評価試験において、試験材Ｘを保持する試験片ホルダ、炉心管及び電気炉の中に熱電対をそれぞれ設置し、試験材Ｘの温度を高精度に設定した。
【００２２】
今回の評価試験では、試験材Ｘとして合計６種類の材料Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１を試験したが、試験条件は、図１に示すように、試験材Ａ-１については試験温度を９３０℃に、またこれ以外の試験材Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１については、試験温度を１０２０℃にそれぞれ設定した。また、上記試験温度以外の試験条件、つまり試験荷重、移動速度、試験時間は全ての試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１について共通であり、試験荷重は９．８Ｎ（ニュートン）、移動速度は１０ｍｍ/ｓ、試験時間は２Ｈｒ（時間）、また試験雰囲気は３％酸素（９７％窒素）雰囲気である。
【００２３】
また、試験手順は以下のとおりである。
すなわち、試験に先立って、超音波洗浄機を用いて試験材Ｘをアセトンで洗浄し、その上で試験材Ｘの摩擦係数を複数回に亘り測定して最大値と平均値とを求めた。また、ビッカース微小硬度計を用いることにより試験材Ｘの硬さ（ビッカース硬さ）を常温で測定した。このビッカース硬さ測定では、できるだけ試験材Ｘの表面に近い所を測定することが好ましいが、表面粗さへの影響を考慮して押込み荷重を９．８Ｎとし、任意３〜５箇所について測定し、その平均値を代表値とした。
【００２４】
また、試験材Ｘの表面粗さの測定は、縦方向分解能が５ｎｍ、かつ検出器の触針が半径２μｍのダイヤモンドからなる接触式表面粗さ測定機を用い、任意の面3箇所を測定し、その平均値を代表値とした。
なお、試験後における試験材Ｘの硬さ及び表面粗さの測定も上述した試験前の測定とまったく同一である。ただし、比摩耗量を算出するための摩耗体積の測定には、Ｚ方向の分解能が１μｍである非接触三次元形状測定システムを用いた。
【００２５】
このような試験前の測定行程を経て、上記試験部Ａに試験材Ｘを収容して真空雰囲気で２〜３時間をかけて上記試験温度（１０２０℃または９３０℃）まで徐々に温度上昇させた後、真空中にある試験部Ａを３％酸素（流量：０．５Ｌ／ｍｉｎ）雰囲気に変更し、上記試験条件の下で試験材Ｘを処理（試験）した。そして、この試験後に、試験部Ａの雰囲気を再び真空雰囲気に切り替え、約１０時間をかけて試験部Ａの雰囲気温度を常温まで空冷した。
【００２６】
続いて、上記各試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の試験結果について、下記表２並びに図２及び図３を参照して説明する。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
各試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の摩擦係数、摩耗量、比摩耗量、表面粗さおよび硬さの計測値は、上記表２に示すとおりである。当該表２をグラフ化した図２からも分かるように、試験材Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の摩擦係数は、比較例である試験材Ａ-１及びＡ-２との比較において若干大きめであるが、試験材Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１のうち、試験材Ｂ-１及びＣ-１の摩耗量及び比摩耗量は、比較例である試験材Ａ-１及びＡ-２の摩耗量及び比摩耗量よりも小さい値を示している。
【００２９】
また、試験材Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１のうち、試験後における試験材Ｂ-１、Ｂ-３及びＣ-１の表面粗さは、比較例である試験材Ａ-１及びＡ-２との比較において大幅に小さな値を示している。また、試験材Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の硬さ（ビッカース硬さ）は、比較例である試験材Ａ-１及びＡ-２との比較において大幅に大きな値を示している。
【００３０】
また、図３に示すように、試験材Ａ-１の表面には、明らかな摩耗痕の発生が見られ、試験材Ａ-２の表面には凝着が発生していることが確認された。さらに、電子プローブマイクロアナライザー（Electron Probe Micro Analyzer：ＥＰＭＡ）によって各試験材Ａ-１、Ａ-２、Ｂ-１、Ｂ-２、Ｂ-３及びＣ-１の表面における元素分布を観察した結果、試験材Ａ-２は表面全体に酸素原子が分布している、つまり表面全体が酸化されているが、試験材Ｂ-１、Ｂ-２及びＣ-１は、上記試験材Ａ-２に比較して酸素（Ｏ）が微量しか分布しておらず、殆ど酸化されていないことが確認された。
【００３１】
すなわち、２つの試験材Ｂ-１及びＣ-１は、比較例と示した試験材Ａ-１及びＡ-２との対比において明らかに摩耗量が少ないので、１０２０℃という１０００℃を超える温度環境において従来品よりも優れた耐摩耗性を有する。硬さ（ビッカース硬さ）の点でも２つの試験材Ｂ-１及びＣ-１は、試験材Ａ-１及びＡ-２（比較例）よりも高い硬度を示している。さらに、表面粗さの点でも、試験前における２つの試験材Ｂ-１及びＣ-１の表面粗さは、試験材Ａ-１及びＡ-２（比較例）よりも大幅に低い値を示している。
【００３２】
例えば２つの試験材Ｂ-１及びＣ-１の何れかを材料として高温雰囲気下で使用される搬送ロールを作製した場合、当該搬送ロールは、従来品よりも優れた耐ビルドアップ性を示すものとなる。つまり、搬送ロールは、各種の熱処理炉や熱間圧延設備等において金属材料等からなるワークを１０００℃を超える高温雰囲気の下で搬送するために搬送路上に所定の間隔で複数敷設される円筒部材であるが、その表面は１０００℃を超える温度のワークと直接接触する。そして、このワークとの接触によって発生する摩耗粉等が搬送ロールの表面に付着・蓄積（ビルドアップ）し、これによってワームにキズを付ける。上記試験材Ｂ-１及びＣ-１の何れかで作製された搬送ロールは、耐摩耗性に優れているので、上記摩耗粉の発生が少なく、よって耐ビルドアップ性に優れている。
【００３３】
なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態における試験材Ｂ-１は、被覆層の膜厚を２〜５ｍｍとしたが、本発明はこれに限定されない。２〜５ｍｍという膜厚は、あくまで一例であり、最終製品に要求される設計仕様等に応じて適宜最適化されるべきものである。また、試験材Ｃ-１の膜厚（２．５ｍｍ）もあくまで一例であり、必要に応じて適宜最適化されるべきである。
【００３４】
（２）上記実施形態における試験材Ｂ-１及びＣ-１は、母材としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０１Ｓ）を用いたが、本発明はこれに限定されない。母材としては、ステンレス鋼と同等の硬度を有する他の材料を用いても良い。また、ＳＵＳ３０１Ｓに代えて、他の化学組成のステンレス鋼を用いても良い。
【００３５】
（３）上記実施形態では、試験材Ｂ-１における被覆層の施工法として粉体プラズマ肉盛溶接法を採用し、また試験材Ｃ-１における被覆層の施工法として高速フレーム溶射法を採用している。しかしながら、これら粉体プラズマ肉盛溶接法あるいは高速フレーム溶射法と同等の密着性を有する施工法であれば、他の施工法を採用しても良い。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ…試験部、Ｘ…試験材、Ｓ…相手材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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