(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成として質量％で、Ｃ：２．５〜３．７％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２３．０％、Ｍｏ：０.５〜４.０％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.９％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜１.０％、Ｖ：０．０６〜０.７％のうち、１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｐを以下の式としたとき、
Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、Ｐ≧３２を満たす組成を有し、
金属組織中に（Ｃｒ,Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物と、（Ｃｒ,Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物が析出され、更に、Ｍ６Ｃ炭化物としてのＷ６Ｃと、ＭＣ炭化物としてのＮｂＣとＴｉＣとＶＣのいずれかが析出されたことを特徴とする耐摩耗性鋳鉄。
【請求項２】
前記Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]なる式において、Ｐ≧３３．７を満たす組成を有することを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性鋳鉄。
【請求項３】
化学組成として質量％で、Ｃ：２．５〜３．７％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２３．０％、Ｍｏ：０.５〜４.０％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.９％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜１.０％、Ｖ：０．０６〜０.７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｐ＊を以下の式としたとき、
Ｐ＊＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、
Ｐ≧３２を満たす組成を有し、
金属組織中に（Ｃｒ,Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物と、（Ｃｒ,Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物が析出され、更に、Ｍ６Ｃ炭化物としてのＷ６Ｃと、ＭＣ炭化物としてのＮｂＣとＴｉＣとＶＣのいずれかが析出されたことを特徴とする耐摩耗性鋳鉄。
【請求項４】
前記化学組成において、Ｃ：２．８８〜３．７％、Ｓｉ：０．５５〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２２．５６％、Ｍｏ：０.５〜３.９４％としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐摩耗性鋳鉄。
【請求項５】
化学組成として質量％で、Ｃ：２．８８〜３．２２％、Ｓｉ：０．５５〜０．６６％、Ｍｎ：０．６０〜０．７２％、Ｎｉ：０．１３〜１．５５％、Ｃｒ：１６．５１〜２２.５６％、Ｍｏ：０.５０〜３.９４％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.８６％、Ｖ：０．０６〜０．７％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜０．２７％、を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の耐摩耗性鋳鉄。
【請求項６】
前記化学組成において、Ｃ：３．０７〜３．１５％、Ｎｉ：１．０〜１．５５％、Ｃｒ：１７．７６〜１８．１８％、Ｍｏ：１．５〜３．９４％、Ｗ：０．５〜２．３８％としたことを特徴とする請求項５に記載の耐摩耗性鋳鉄。
【請求項７】
前記金属組織中のＭ７Ｃ３炭化物と、Ｍ２３Ｃ６炭化物の量比が、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜３．４とな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鋳鉄。
【請求項８】
前記金属組織中のＭ７Ｃ３炭化物と、Ｍ２３Ｃ６炭化物の量比が、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜２．５とな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鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｏの含有量を抑制し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉをバランス良く含有させることにより良好な焼入性を保持しながらコストと諸性能のバランスを両立した耐摩耗性鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
ローラータイヤ、テーブルセグメント等の微粉炭機、砕石機械、採鉱機械、電力関連設備、建設機械などの設備や産業用機械においては、取り扱う原料、素材との接触などにより部材の損耗が著しく、構造物としての物理的な強度の他に、耐摩耗性が重要な条件となっている。この種の用途において、引っ掻き摩耗や耐エロージョンに強い汎用材料として炭化物を多量に分散させた耐摩耗性鋳鉄が知られている。
鋳鉄の一般的な強化法として浸炭や窒化などの表面処理技術が広く知られているが、表面処理を伴わない大型耐摩耗性鋳鉄として、Ｍｏを多く添加した組成系の鋳鉄が知られ、Ｍｏを多く添加した組成系の鋳鉄では、Ｍ７Ｃ３炭化物の析出機構を利用して鋳鉄の高硬度を保っている。
【０００３】
この種の耐摩耗性鋳鉄の一従来例として、化学組成が、Ｃ：２．７〜３．５ｗｔ％、Ｃｒ：１６〜２２ｗｔ％、Ｍｏ：６〜１２ｗｔ％、Ｓｉ：０．４〜０．８ｗｔ％、Ｍｎ：０．４〜１．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜１．２ｗｔ％、Ｖ：０.２〜３.５ｗｔ％％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる耐摩耗性鋳鉄が知られている。（特許文献１参照）
【０００４】
他の耐摩耗性鋳鉄の一従来例として、化学成分が重量比でＣ２．７〜３．５％、Ｓｉ０．２〜１．０％、Ｍｎ０．５〜１．５％、Ｃｒ２７〜３４％、Ｍｏ０．５〜２．０％、Ｗ０．５〜２．０％、Ｂ０．１％以下、残部が実質的にＦｅおよび不可避不純物である高クロム鋳鉄を焼き入れ処理し、焼き戻すことにより得られた耐摩耗性合金鋳鉄が知られている。（特許文献２参照）
【０００５】
また、更に他の耐摩耗性鋳鉄の一例として、Ｃ，ＣｒおよびＭｏを含む高Ｃｒ鋳鉄において、Ｎｂ：２〜５質量％を含有すると共に、下記（１）式を満足するものであることを特徴とする耐摩耗性高Ｃｒ鋳鉄が知られている。
７．５≦［Ｎｂ］／（［Ｃ］−２．８）≦９ …（１）
但し、［Ｎｂ］および［Ｃ］は、夫々Ｎｂ，Ｃの含有量（質量％）を示す。 （特許文献３参照）
【特許文献１】特開平１１−１９９９６３号公報
【特許文献２】特開平  ３−１５０３３４号公報
【特許文献３】特開平１１−２２９０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許公報に開示されている各々の耐摩耗性鋳鉄及び他の公知の耐摩耗性鋳鉄においては、いずれも、オーステナイトの母相の中に、焼き入れ温度で高硬度のＭ７Ｃ３炭化物を析出させ、焼き戻し温度でＭ７Ｃ３炭化物を組織中に微細に分散させる構造を採用することにより、耐摩耗性を高めている。
このＭ７Ｃ３炭化物は、鉄鋼材料に析出する炭化物の類型の１つとして知られ、硬さ（Ｈｖ）：１８００〜２８００であり、（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３として表記することができ、高Ｃｒの鉄鋼材料において析出し易く、焼き入れ温度に加熱しても素地に固溶し難く、組織中に残留し易いので、耐摩耗性鋳鉄の強化に広く用いられている。
しかし、高硬度の耐摩耗性鋳鉄を製造する上でＭｏの存在は大きく、重要な添加元素であるが、現在、Ｍｏは北米地区、中南米地区、中国地区を中心とした地域からの輸入に頼っているのが現状であり、近年では世界規模の需要逼迫から、モリブデン価格の高騰が始まっている。このため本発明者は、耐摩耗性鋳鉄に必要な添加元素として、Ｍｏに代わる添加元素の研究を行い、今回良好な結果を得ることが出来たので本願発明に到達した。
【０００７】
本発明は前記課題を解決するために、Ｍｏの含有量を低減し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉをバランス良く含有させることにより良好な焼入性を保持しながらコストと諸性能のバランスを両立した耐摩耗性鋳鉄を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者は、Ｍｏの代替元素として、周期律表の６Ａ族であるＭｏの近傍の族元素のうち、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗに着目し、研究開発を行った。これらの元素の内、Ｈｆは希少元素であり極端に単価が高いために研究対象から除外した。
【０００９】
次に、Ｚｒを鋳鉄に添加すると極めて酸化し易くなり、合金を溶製する際に、のろとして、無駄になるので研究対象から除外し、Ｔａを添加すると素地がフェライト組織になり易く、軟化し易くなるので研究対象から除外した。
残った元素において、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗの解析と、その他鋳鉄に含有させている元素としてＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉなどの元素との相関関係について各元素の含有量に応じて得られる鋳鉄が如何なる特性を具備するか種々試験研究を行った結果、本願発明に到達した。
【００１０】
（１）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、化学組成として質量％で、Ｃ：２．５〜３．７％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２３．０％、Ｍｏ：０.５〜４.０％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.９％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜１.０％、Ｖ：０．０６〜０.７％のうち、１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｐを以下の式としたとき、
Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、Ｐ≧３２を満たす組成を有し、
金属組織中に（Ｃｒ,Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物と、（Ｃｒ,Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物が析出され、更に、Ｍ６Ｃ炭化物としてのＷ６Ｃと、ＭＣ炭化物としてのＮｂＣとＴｉＣとＶＣのいずれかが析出されたことを特徴とする。
（２）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、前記Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]なる式において、Ｐ≧３３．７を満たす組成を有することを特徴とする。
（３）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、化学組成として質量％で、Ｃ：２．５〜３．７％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２３．０％、Ｍｏ：０.５〜４.０％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.９％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜１.０％、Ｖ：０．０６〜０.７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｐ＊を以下の式としたとき、
Ｐ＊＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、Ｐ≧３２を満たす組成を有し、金属組織中に（Ｃｒ,Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物と、（Ｃｒ,Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物が析出され、更に、Ｍ６Ｃ炭化物としてのＷ６Ｃと、ＭＣ炭化物としてのＮｂＣとＴｉＣとＶＣのいずれかが析出されたことを特徴とする。
【００１１】
（４）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、（１）〜（３）のいずれかに記載の耐摩耗性鋳鉄の化学組成において、Ｃ：２．８８〜３．７％、Ｓｉ：０．５５〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２２．５６％、Ｍｏ：０.５〜３.９４％としたことを特徴とする。
（５）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、（１）〜（４）のいずれかに記載の耐摩耗性鋳鉄の化学組成において、化学組成として質量％で、Ｃ：２．８８〜３．２２％、Ｓｉ：０．５５〜０．６６％、Ｍｎ：０．６０〜０．７２％、Ｎｉ：０．１３〜１．５５％、Ｃｒ：１６．５１〜２２.５６％、Ｍｏ：０.５０〜３.９４％を必須元素として含み、Ｗ：０．５〜３.８６％、Ｖ：０．０６〜０．７％、Ｎｂ：０．０９６〜２.１％、Ｔｉ：０．０２３〜０．２７％、を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
（６）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、（５）に記載の化学組成において、Ｃ：３．０７〜３．１５％、Ｎｉ：１．０〜１．５５％、Ｃｒ：１７．７６〜１８．１８％、Ｍｏ：１．５〜３．９４％、Ｗ：０．５〜２．３８％としたことを特徴とする。
（７）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、（６）に記載の金属組織中のＭ７Ｃ３炭化物と、Ｍ２３Ｃ６炭化物の量比が、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜３．４となることを特徴とする。
（８）本発明の耐摩耗性鋳鉄は、（６）に記載の金属組織中のＭ７Ｃ３炭化物と、Ｍ２３Ｃ６炭化物の量比が、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜２．５となることを特徴とする。  
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、Ｍｏの含有量を抑制し、安価にできるとともに、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量を適度な範囲とすることにより良好な焼入性を保持しながらコストと高硬度などの諸性能のバランスを両立した耐摩耗性鋳鉄を提供することができる。
更に、これらの元素の添加に加え、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖの少なくとも１種をバランス良く含有させても、良好な焼入性を保持しながらコストと高硬度などの諸性能のバランスを更に高いレベルにおいて両立した耐摩耗性鋳鉄を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明するが、本発明は以下に説明する各実施の形態に制限されるものではない。
本願発明に係る耐摩耗性鋳鉄は、化学組成として質量％で、Ｃ：２．５〜３．７％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２３．０％、Ｍｏ：０.５〜４.０％、Ｗ：０〜３.９％、Ｎｂ：０〜２.１％、Ｔｉ：０〜１.０％、Ｖ：０〜０.７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる。
前記化学組成に代えて、質量％で、Ｃ：２．８８〜３．７％、Ｓｉ：０．５５〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜０．８％、Ｎｉ：０．１３〜５．０％、Ｃｒ：１０.０〜２２．５６％、Ｍｏ：０.５〜３.９４％としても良い。
【００１５】
更に本発明の耐摩耗性鋳鉄は、化学組成として質量％で、Ｃ：２．８８〜３．２２％、Ｓｉ：０．５５〜０．６６％、Ｍｎ：０．６０〜０．７２％、Ｎｉ：０．１３〜１．５５％、Ｃｒ：１６．５１〜２２.５６％、Ｍｏ：０.５０〜３.９４％、Ｗ：０〜３.９％、Ｖ：０〜０．５％、Ｎｂ：０〜２.１％、Ｔｉ：０〜０．２７％、を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴としても良い。
また、先に記載の化学組成において、Ｃ：３．０７〜３．１５％、Ｎｉ：１．０〜１．５５％、Ｃｒ：１７．７６〜１８．１８％、Ｍｏ：１．５〜３．９４％、Ｗ：０〜２．３８％としても良い。
【００１６】
また、本発明の耐摩耗性鋳鉄は、前述のいずれかの組成を有しながら、Ｐを以下の式としたとき、Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、
Ｐ≧３２を満たす組成を有することが必要とされる。
前記Ｐの値は、３２．８以上であることがより好ましく、３３．７以上であることが最も好ましい。
本発明に係る耐摩耗性鋳鉄において、Ｐ値を３２．８以上とすることでＨＲＣ６２．５を超える耐摩耗性鋳鉄を得ることができ、Ｐ値を３３．７以上とすることでＨＲＣ６３．５を超える耐摩耗性鋳鉄を得ることができる。
次に、本発明の耐摩耗性鋳鉄は、前述のいずれかの組成を有しながら、Ｐを以下の式としたとき、Ｐ＊＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、
Ｐ≧３２を満たす組成を有することが必要とされる。
前記Ｐの値は、３２．８以上であることがより好ましく、３３．７以上であることが最も好ましい。
【００１７】
以下に本発明の耐摩耗性鋳鉄の成分限定理由について説明する。以下に説明において成分の単位はいずれも質量％である。
Ｃ：２．５〜３．７％、
Ｃは耐摩耗性に有効な炭化物の主要構成元素の１つであり、添加量が多い程、析出物の量も多くなる。Ｃの含有量が２．５％よりも少ないと析出物の析出量が十分ではなく、逆に、Ｃの含有量が３．７％よりも多いと粗大な炭化物やグラファイトが多量に分散して脆くなるためこの範囲とした。中でも、Ｃ含有量範囲として、２．８８〜３.７％、２.８８〜３.２２％、３.０７〜３.１５％がこの順により好ましい範囲となる。
【００１８】
Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、
ＳｉおよびＭｎは鋳鉄の溶解における脱酸素に必要な元素であり、Ｓｉについては０．２〜１．０％、Ｍｎについては０．４〜０．８％添加する。多量に添加すると耐摩耗性の劣化を招く。中でも、Ｓｉ含有量において０.５５〜１.０％、０.５５〜０.６６％の範囲がこの順でより好ましい範囲となる。また、Ｍｎ含有量において、０.６〜０.８％、０.５〜０.７２％がこの順でより好ましい範囲となる。
Ｎｉ：０．１３〜５．０％、
Ｎｉは焼入れ性を向上すべく、母材中に少量添加する元素であり、このような範囲で添加することが望ましい。 Ｎｉ添加はＭ２３Ｃ６炭化物の生成に寄与し、硬さの向上に寄与する。Ｎｉ含有量において、０.１３〜１.５５％、１.０〜１.５５％がこの順でより好ましい範囲となる。
Ｃｒ：１０．０〜２３．０％、
Ｃｒは材料元素として安価であり、Ｆｅと結びついて（Ｃｒ，Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物を形成する。なお、Ｃｒは（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物の形成にも寄与する。ただし、本発明者はＭ７Ｃ３炭化物について鋳鉄の硬さの向上に寄与しないと考えているので、Ｃｒを必要以上に多く含有させることは望ましくない。
Ｃｒ含有量において、１０〜２２.５６％、１６.５１〜２２.５６％、１７．７６〜１８．１８％がこの順でより好ましい範囲となる。
【００１９】
Ｍｏ：０．５〜４．０％、
Ｍｏは焼入れ性を向上し、硬さの向上、耐摩耗性の向上に寄与すべく、母材中に添加されるものであり、Ｍ２３Ｃ６炭化物の形成に寄与するが、Ｍｏの含有量が少ないと効果が得られにくく、含有量が多いとコストと耐摩耗性とのバランスが悪化する（特にコストの上昇が著しくなる）。
ここで、耐摩耗性を向上させるためにはＭｏの添加量を増やすことが好ましいが、本願発明ではＭｏの添加量を抑制し、耐摩耗性については他の元素の適量添加により補うので、０．５〜４．０％の範囲で良い。Ｍｏ含有量において、０.５〜３.９４％、１.５〜３.９４％がこの順でより好ましい範囲となる。
【００２０】
Ｗ：０〜３．９％
Ｗは、Ｍｏの代替え元素として有用であり、（Ｍｏ＋Ｗ）量として勘案し、（３．９％以下）の範囲で添加することができる。Ｗは硬さの向上に寄与し、Ｍ６Ｃ炭化物としてのＷ６Ｃを析出させる。Ｗを添加するならば、０〜２．３８％の範囲、即ち、２．３８％以下が好ましい。
Ｎｂ：０〜２．１％
Ｎｂは、Ｍｏの代替え元素として有用であり、（Ｍｏ＋Ｎｂ）量として勘案し、（２．１％以下）の範囲で添加することができる。ＮｂはＮｂＣ炭化物（ＭＣ炭化物）を析出する作用があり、耐摩耗性の向上に寄与する。
Ｔｉ：０〜１．０％
Ｔｉは、Ｍｏの代替え元素として有用であり、（Ｍｏ＋Ｔｉ）量として勘案し、（１．０％以下）の範囲で添加することができる。Ｔｉは硬さの向上に大きく寄与し、ＴｉＣを生成する作用がある。Ｔｉの範囲として０〜０．２７％の範囲が好ましい。
Ｖ：０〜０．７％
ＶはＶＣ（ＭＣ型炭化物）を析出させる作用を奏し、少量の添加でも耐摩耗性の向上効果がある。Ｖ含有量において０〜０．５％の範囲、即ち、０．５％以下の含有量がより好ましい。また、Ｖは焼き戻し軟化抵抗及び２次硬化に有効な元素でもある。
【００２１】
更に本発明に係る耐摩耗性鋳鉄においては、前述の化学組成を備えた上に、金属組織中において、（Ｃｒ，Ｆｅ）７Ｃ３で示されるＭ７Ｃ３炭化物と、ＭｏＣ，ＴｉＣ，ＮｂＣのいずれかからなるＭＣ炭化物と、（Ｃｒ，Ｆｅ）２３Ｃ６で示されるＭ２３Ｃ６炭化物とが析出されてなることが好ましい。
また、前記金属組織中のＭ７Ｃ３炭化物と、Ｍ２３Ｃ６炭化物の量比が、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜３．４となることが好ましく、Ｍ７Ｃ３炭化物（ａｔ％）÷Ｍ２３Ｃ６量（ａｔ％）＜２．５となることがより好ましい。
【００２２】
本発明の耐摩耗性鋳鉄において、一例としてＭ７Ｃ３炭化物は断面厚さ１０μｍ〜数１０μｍ、断面長さ数１０〜数１００μｍ程度の大きさの片状炭化物として析出され、ＭＣ炭化物は断面２〜１０μｍ程度の粒状炭化物として析出され、Ｍ２３Ｃ６炭化物は３μｍ程度以下の粒状炭化物として析出され、これらの炭化物がオーステナイト相を主体とする母相中に混在して析出された金属組織を呈する。通常は、オーステナイト相を主体とする母相中にＭ７Ｃ３炭化物が分散され、それらの間に偏在する如くＭＣ炭化物が析出され、母相中にＭ２３Ｃ６炭化物が分散析出された金属組織となる。
【００２３】
本発明の耐摩耗鋳鉄を製造するには、一例として、前記組成比となるように材料を混合して溶解炉に鋳込み、鋳込み試料を放冷する。次いで試料を焼き入れするが、焼き入れ時に常温から温度を上げてゆくと、５００℃を超える付近からマトリックスがフェライト（ｂｃｃ：αＦｅ）からオーステナイト（ｆｃｃ：γＦｅ）に変わる。更に温度を上昇させるとＭ２３Ｃ６が消失する温度以上、約１０００℃〜１１００℃の範囲、例えば１０７０℃にて数１０分〜数時間（６時間）程度加熱した後、急冷する焼き入れ処理を施す。焼き入れ温度はＭ２３Ｃ６消失温度より高く、液相への相転移温度より低いことが条件となる。  次いで各試料を４５０℃〜５５０℃の範囲、例えば、５００℃に数１０分〜数時間（４時間）程度加熱した後、炉冷する焼き戻し処理を施して製造することができる。
【００２４】
以上説明した製造方法により、前述の如く各炭化物がオーステナイト相を主体とする金属組織中に分散析出された目的の組織を有する耐摩耗性鋳鉄を得ることができる。
例えば、オーステナイト相を主体とする母相の中に、前記条件の焼き入れ処理により高硬度のＭ７Ｃ３炭化物を析出させ、前記条件の焼き戻し処理によりＭ７Ｃ３炭化物をできる限り微細に析出させる。
そして、以上のように得られた耐摩耗性鋳鉄は、Ｍｏを多く含む従来製品より安価に得ることができ、しかも高い硬さと良好な耐摩耗性を具備させることができる。
【００２５】
ところで、本発明者は、本願発明の耐摩耗性鋳鉄においては、Ｍ７Ｃ３炭化物の減少とともに硬さが向上し、Ｍ７Ｃ３炭化物の増加とともに摩耗量が増加すると考えている。これは一般的に耐摩耗性に寄与すると考えられているＭ７Ｃ３炭化物の作用とは逆であり、本願耐摩耗性鋳鉄においては、Ｍ７Ｃ３炭化物が鋳鉄表面の異物となり、その表面が削り取られる現象が支配的になって耐摩耗性を阻害するものと推定している。即ち、Ｍ７Ｃ３炭化物は硬いが脆いので、耐摩耗性の面については母相ではなく、Ｍ７Ｃ３炭化物自体が欠けて摩耗性を損なうおそれがあるので、できるだけ微細に分散析出させることが好ましい。
本発明の耐摩耗性鋳鉄において、Ｍ２３Ｃ６炭化物はその増加とともに硬さが向上し、その減少とともに摩耗量が増加する。本発明に係る耐摩耗鋳鉄においてＭ２３Ｃ６炭化物は耐摩耗性に寄与する。これは、Ｍ２３Ｃ６炭化物が母相中に微細に析出するため硬さや耐摩耗性に寄与するためと推定できる。
本発明の耐摩耗性鋳鉄においてＭＣ炭化物は、その増加とともに硬さが向上し、摩耗量が増加すると考えられる。また、Ｍ６Ｃ炭化物はＭ７Ｃ３炭化物と同様の傾向を有すると考えられる。
【００２６】
本発明者はこれらの知見に基づき、各炭化物の傾向を見極め、更に以下に説明する実施例において各元素の含有量について解析した結果として、前述した、Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]の式において、Ｐ≧３２を満たす組成を有することが重要であることを見出した。
この式を満たす各元素の含有量とするならば、耐摩耗性と硬度とコストのバランスの取れた耐摩耗性鋳鉄を提供することができる。
なお、コスト換算において、Ｃは極めて安価、Ｃｒを基準単価１として現状金属相場の相対価格換算によると、Ｔｉは８．７倍、Ｎｉは９．５倍、Ｎｂは１１．６倍、Ｖは１７．６倍、Ｗは２１倍、Ｍｏは３３．２倍であるので、Ｍｏの使用量を削減して他の元素に振り分けることでコスト削減をなし得ることが明らかである。
【００２７】
なお、前記の式には、Ｖの影響を考慮していないが、Ｖの影響も考慮した場合、以下の式とすることが好ましい。
即ち、Ｐ＊を以下の式としたとき、Ｐ＊＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]、Ｐ≧３２を満たす関係とすることが好ましい。
この式を満たす各元素の含有量とするならば、Ｖの影響も含めてより正確に考慮し、耐摩耗性と硬度とコストのバランスの取れた耐摩耗性鋳鉄を提供することができる。
【００２８】
前述の条件のうち、焼き入れ性向上のためには、炭素当量が１．８以上であることが好ましく、焼き戻し温度におけるＭ７Ｃ３量が０．２５％以上であることが望ましい。焼き戻し温度におけるＭ２３Ｃ６量は０．１５％以上が望ましい。これは、マトリックスに固溶する炭化物であり、Ｍ７Ｃ３よりも硬度は下がるが、マトリックスに固溶するので、析出した方が望ましいと考えられる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明に係る耐摩耗性鋳鉄の具体例について説明する。
本発明に係る耐摩耗性鋳鉄を製造するにあたり、表１の試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.１９に示す組成になるように溶解炉に鋳込み、鋳込み試料を８時間放冷して室温とした。鋳込み試料の製造は大型砂型鋳物を模擬した条件にて実施した。
次いで約１０７０℃にて６時間加熱後に放冷する焼き入れ処理を施し、次いで各試料を約５００℃に４時間加熱後に炉冷して焼き戻す熱処理を行った。
得られた試料を研磨し、組織観察し、焼き戻し硬さの測定を行った。  
その結果得られた各試料の組成比とＰ値、硬さ（ＨＲＣ）の測定結果を以下の表１に示す。
【００３０】
【表１】
0005470825.tif 000002
【００３１】
表１に示す結果から、化学組成として質量％で、Ｃ：２．８８〜３．２２％、Ｓｉ：０．５５〜０．６６％、Ｍｎ：０．６０〜０．７２％、Ｎｉ：０．１３〜１．５５％、Ｃｒ：１６．５１〜２２.５６％、Ｍｏ：０.５０〜３.９４％、Ｗ：０〜３.８６％、Ｖ：０〜０．７％、Ｎｂ：０〜２.１％、Ｔｉ：０〜０．２７％の範囲を選択することにより、ビッカース硬さＨＲＣにおいて、６２．１８〜６４．５５の範囲の耐摩耗性鋳鉄を得られることが明らかとなった。
また、化学組成として質量％で、Ｃ：２．８８〜３．２２％、Ｓｉ：０．５５〜０．６６％、Ｍｎ：０．６０〜０．７２％、Ｎｉ：１〜１．５５％、Ｃｒ：１６．５１〜２２.５６％、Ｍｏ：１.５０〜３.９４％、Ｗ：０〜２.３８％、Ｖ：０〜０．７％、Ｎｂ：０〜２.１％、Ｔｉ：０〜０．２７％の範囲を選択することにより、ビッカース硬さＨＲＣにおいて、６２．５以上の耐摩耗性鋳鉄を得られることが明らかとなった。
【００３２】
本発明に係る試料において、砂のみの鋳型を用いて鋳造しても硬さにおいてＨＲＣ６１を達成している点において本発明に係る組成を採用することが有効に作用したと推定できる。本発明に係る組成からはずれる場合、砂のみの鋳造鋳型において先の硬さを達成することは容易ではない。また、焼き入れしたままであると、硬さは高いが脆くなり易いために、前述の条件にて焼き戻しを行うことで硬さを多少落とすものの、靭性を高くすることができる特徴を有する。
次に、表１に示す試料について、重回帰分析を行い、回帰式を算出した結果を図１に示す。
この重回帰分析結果から、Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]との回帰式を立案すると、その計算値ＨＲＣ（予測ＨＲＣ）が実測のＨＲＣに極めて近似することを確認することができた。その重相関ＲはＲ＝０．９７となり、極めて１に近い数値となったので、図１に示す如く先の回帰式に基づく予測硬さと実測硬さがほぼ一致する傾向となり、先のＰで示す式の実効性を確認することができる。
上の式を用いるならば、組成を変化させる際に、硬さを予測できることが判明した。この回帰式を見ると、硬さに寄与しているのは、Ｃ（１２．２）＞Ｔｉ（５．２９）＞Ｎｉ（２．２３）＞Ｍｏ（１．７２）＞Ｗ（５．１）Ｎｂ（０．２３）の順である。なお、Ｃｒはマイナスの値であり、少ない方が硬さの面では良好であると考えられる。
【００３３】
次に、表１に示すＮｏ.１３の試料の組織写真（ＳＥＭ写真）を図２（倍率５００倍、図中の白点縮尺６０μｍ）、図３（倍率１０００倍、図中の白点縮尺３０μｍ）、図４（倍率５０００倍、図中の白点縮尺６μｍ）に示す。
図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す金属組織写真から、Ｍ７Ｃ３炭化物は比較的巨大に析出し、ＭＣ炭化物は１０μｍ程度の大きさで析出し、Ｍ２３Ｃ６炭化物は母相中に３μｍ以下の粒状に析出していることが分かる。なお、Ｍ２３Ｃ６炭化物が熱処理により容易に母相に溶け込むことから、母相中に微細に分析している粒子がＭ２３Ｃ６炭化物であると考えられる。
次に、図３にＭＣ炭化物のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線）分析結果を示し、図４にＭ７Ｃ３炭化物のＥＤＸ分析結果を示し、図５にＭ２３Ｃ６炭化物のＥＤＸ分析結果を示し、図６に母相のＥＤＸ分析結果を示すが、いずれも各炭化物と母相の特徴を明瞭に示している。また、ＭｏＣ、ＴｉＣなどの炭化物の析出も考えられるが、本分析試料においてＭＣ炭化物の分析結果からその主成分はＮｂＣであると推定できる。
【００３４】
次に、炭化物の析出量と各特性の関係を調べるために、焼き戻し温度から熱力学計算ソフト（JMatPro Ver.4.1）にて計算できる炭化物量を計算した結果を以下の表２に示す。
【００３５】
【表２】
0005470825.tif 000003
【００３６】
表２に示す結果を纏めて図７（ａ）、（ｂ）に対比させて示す。図７（ａ）は炭化物量の計算値と硬さＨＲＣの対比データ、図７（ｂ）は炭化物量の計算値と摩耗量の対比データを示す。摩耗量については、ラバーホイール試験により求めた。
試験条件は、荷重：１０ｋｇ、試験時間：１時間、ラバー材質：クロロブチルラバー、回転数：７０ｒｐｍ、研削粉末：ムライトボール０．８ｍｍ、落下速度：３００ｇ／ｍｉｎとした。
【００３７】
図７（ａ）、（ｂ）に示す結果から、Ｍ７Ｃ３炭化物量が減少すると硬さが向上するが、増加すると摩耗量が上昇する傾向を示すことから、本願発明の耐摩耗性鋳鉄では、他の炭化物に比べて粗大に析出したＭ７Ｃ３炭化物が摩耗試験時に亀裂を生じやすいことが原因となっていると推定できる。また、Ｍ２３Ｃ６炭化物は増加することにより硬さ、耐摩耗性、ともに向上する作用を有していると思われる。このように、Ｍ７Ｃ３は硬く、微細に分散させることによって耐摩耗性を向上させることができるが、その反面、脆さを持つという特徴があると考えられる。
これは一般的に耐摩耗性に寄与すると考えられているＭ７Ｃ３炭化物の作用とは逆であり、新規な知見である。発明者はＭ７Ｃ３量(at%)＝−２．６２６６×[ＨＲＣ]＋１９７．９７、Ｍ２３Ｃ６量(at%)＝２．８５２６×[ＨＲＣ]−１６８．２５の関係を見出している。これらから硬さＨＲＣにおいて６２．５を上回る耐摩耗鋳鉄を得るためには、Ｍ７Ｃ３炭化物とＭ２３Ｃ６炭化物の量比がＭ７Ｃ３量(at%)÷Ｍ２３Ｃ６量(at%)＜３．４を満たすとよいことがわかる。硬さＨＲＣにおいて６３．５を上回る耐摩耗鋳鉄を得るためには、Ｍ７Ｃ３炭化物とＭ２３Ｃ６炭化物の量比がＭ７Ｃ３量(at%)÷Ｍ２３Ｃ６量(at%)＜２．５を満たすとよいことがわかる。
【００３８】
図８は先の表１に示したＮｏ.１〜１９の試料について、各試料のＰ値と硬さＨＲＣとの相関関係を示す図である。
図８の結果から、Ｐ値を３２．８以上とすることにより、硬さＨＲＣにおいて６２．５を上回る耐摩耗性鋳鉄を得ることができ、Ｐ値を３３．７以上とすることにより、硬さＨＲＣにおいて６３．５を上回る耐摩耗性鋳鉄を得ることができることが分かる。
【００３９】
また、図８の結果から、Ｍ７Ｃ３炭化物の減少とともに硬さが向上し、Ｍ７Ｃ３炭化物の増加とともに摩耗量が上がる傾向があること、Ｍ２３Ｃ６炭化物の増加とともに硬さが向上し、減少とともに摩耗量が上がる傾向があること、ＭＣ炭化物の増加とともに硬さが向上し、摩耗量も向上すること、Ｍ６Ｃ炭化物はＭ７Ｃ３炭化物と同様の傾向を有することが判明した。
【００４０】
次に、以下の表３に示す各組成の試料Ａ〜Ｄについて、先の表２に示した試料と同様に、計算値ＨＲＣ（予測ＨＲＣ）とＰ値を求めた。
更に、Ｖを含む組成の試料について更に検討するために、表２の各試料で使用したＰ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]の回帰式に代えて、Ｐ＊＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]の回帰式を用い、予測ＨＲＣ＊の値と、Ｐ＊値を求めた。
それらの結果を表３にまとめて示す。
【００４１】
【表３】
0005470825.tif 000004
【００４２】
表３に示す結果から見て、Ｐ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]の回帰式とＰ＝１.７２[Ｍｏ％]＋０.５１[Ｗ％]＋０.２３[Ｎｂ％]＋２．２３[Ｖ％]＋５.２９[Ｔｉ％]＋１２.２[Ｃ％]−０.５９[Ｃｒ％]＋２.２３[Ｎｉ％]の回帰式のいずれにおいても予測硬さと実測硬さがほぼ一致する傾向となり、Ｐの値に加え、Ｐ＊で示す式の実効性も確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄の試料の試験結果について重回帰分析を行い、回帰式を算出した結果において予測硬さと実測硬さを対比させて示したグラフ。
【図２】図２は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄の試料において一部金属組織の写真を示すもので、図２（Ａ）は５００倍に拡大したＳＥＭ写真、図２（Ｂ）は１０００倍に拡大したＳＥＭ写真、図２（Ｃ）は５００倍に拡大したＳＥＭ写真。
【図３】図３は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料におけるＭＣ炭化物のＥＤＸ分析結果を示す図。
【図４】図４は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料におけるＭ７Ｃ３炭化物のＥＤＸ分析結果を示す図。
【図５】図５は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料におけるＭ２３Ｃ６炭化物のＥＤＸ分析結果を示す図。
【図６】図６は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料における母相のＥＤＸ分析結果を示す図。
【図７】図７は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料における炭化物量と硬さ、摩耗量の関係を示すもので、図７（ａ）は炭化物量と硬さ（ＨＲＣ）の関係を示す図、図７（ｂ）は炭化物量と摩耗量の関係を示す図。
【図８】図８は本発明に係る耐摩耗性鋳鉄試料におけるＰ値と硬さの関係を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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