(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：２．０〜４．０重量％、Ｓｉ：０．５〜３．０重量％、Ｍｎ：０．０６〜１．５重量％、Ｖ：６．０〜１６．０重量％、Ｍｇ：０．０１〜０．１重量％、Ｎｉ：０〜１．０重量％、及び残部がＦｅと不可避的な成分からなり、且つ、Ｍｇの溶湯添加処理によって、パーライトの母相に球状化したＶ炭化物が晶出せしめられて、該Ｍｇの溶湯添加処理を施さない無処理の同一成分の材料より１．４倍以上の衝撃値を具えていることを特徴とする球状炭化物合金白鋳鉄。
【請求項２】
Ｃ：２．０〜４．０重量％、Ｓｉ：０．５〜３．０重量％、Ｍｎ：０．０６〜１．５重量％、Ｖ：６．０〜１６．０重量％、Ｍｇ：０．０１〜０．１重量％、Ｎｉ：１．０〜５．０重量％、Ｍｏ：０．０１〜０．８重量％及び残部がＦｅと不可避的な成分からなり、且つ、Ｍｇの溶湯添加処理によって、下部ベイナイトまたはマルテンサイトの母相に球状化したＶ炭化物が晶出せしめられて、該Ｍｇの溶湯添加処理を施さない無処理の同一成分の材料より１．４倍以上の衝撃値と共に、優れた耐摩耗性を具えていることを特徴とする球状炭化物合金白鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐摩耗性の優れた高硬度材でありながら、さらに靭性も兼ね具えた合金白鋳鉄に係る。
【０００２】
【従来の技術】
多岐に亘る産業用機器、装置において摩耗作用に直面する部材は、自らの摩耗の進行によって装置毎に設定された所期の機能を失うに至るので部材の耐摩耗性は装置の運転効率を左右する重要な要因となる。摩耗作用は種々の形態に大別されるが、最も一般的には流動する処理材料との間に発生する擦過摩耗（アブレージョン）に対抗するため部材表面の硬度を高めることがまず有効とされ、硬度にほぼ比例的に耐摩耗性の向上が連動する。その意味で従来からＦｅ−Ｃ系では白鋳鉄、とくにＣｒなどを相当量配合して高い硬度の複合炭化物（ダブルカーバイド、たとえばＦｅ−Ｃｒ−Ｃ炭化物）を初晶、または共晶の形で晶出させて所期の耐摩耗性を満足させる合金白鋳鉄が多用されている。
【０００３】
一方、適用される装置の種類によっては単純な耐摩耗性だけでは十分な機能を果たし得ず、さらに別の要件を満たすことが求められる場合も少なくない。とくに問題となることは、耐摩耗性を向上する要件である炭化物そのものが硬い反面、脆いというマイナスの要素を本質的に具え、基地に晶出した形態も板状や網目状となって現れるため、白鋳鉄は本質的に脆性材料であって衝撃に対しては弱いという欠点から逃れ難い。このため高耐摩耗性に加え、如何に靭性を兼ね具えるかということが材料の適用範囲の広がりを決定する大きな条件となる。
【０００４】
特公昭３７−７６０２号公報の従来技術では、耐摩耗性に優れた白鋳鉄が衝撃や打撃に脆弱なのは炭化物の形状が片状、板状、または網目状であるからからであることに着目し、Ｃ：１．５〜４．８％、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｖ：２．０〜１５．０％、残部Ｆｅの合金鋳鉄を提案し、Ｖの添加によって炭化物の形状を均一微細な球状、または擬球状の析出に変えて耐衝撃性を向上させたと謳っている。
【０００５】
一方、特開平１１−１２４６５１号の従来技術では、Ｃ：０．６〜６．５、Ｓｉ：０．２〜３．０、Ｍｎ：０．２〜１．０、Ｃｒ：１３．０〜３０．０、Ｎｉ：４．０〜１５．０、Ｖ：４．０〜１５．０％、残りＦｅの成分で、組織中に主として共有結合性の粒状、または球状Ｖ−Ｃ系炭化物、およびＦｅ−Ｃｒ系炭化物を晶出させた強靱高炭素バナジウムセメンタイト系合金鋳鉄を提起している。この材料は耐食性、耐摩耗性、耐熱性の全ての特性を十分に兼ね具え、とくに球状のＶ炭化物晶出による耐衝撃性を向上させる点に特徴があり、公報によれば従来、腐食や高温における酸化作用に比較的耐え得る材料として各種化学プラント、ボイラなどの部材に多用されてきたステンレス鋼も硬度が低く耐摩耗性の劣る点が否定できず、この課題を解決するために強靱高炭素系の合金鋳鉄を開発（特開平６−２４０４０４号）したが、しかし、この新材料においても、たとえば灰流し管、水中ポンプの汚泥用プロペラなど衝撃の加わる危険度の高い用途では破壊される可能性があるなど万全とは言えないので、形状が平面で脆弱なＦｅ−Ｃｒ炭化物であった組織をＶ添加によって粒状、球状のＶ炭化物を晶出させて耐衝撃性を大幅に向上させたと謳っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
引用した中で第一の従来技術は、特に高価な合金成分を大量に添加することなく、単にＶを適量添加しただけでＣとの親和力が非常に高く、そのため形成された炭化物の形状も球状、または擬球状となって板状、片状、網目状の形状に起因する脆性を大幅に改善し、かつ、その炭化物の硬度も極めて高い（マイクロビッカース硬度、約２７００）ために耐摩耗性も一層強化された点は評価できる。しかし、この場合、炭化物の最終的な形状は人為的に制御して得られたものではないから、その形状を完結する割合のバラツキも否定し難く、信頼できるレベルの靭性が常に確実に具えられるか否かは必ずしも保証の限りに非ず、鋳造条件の変動によってかなりのバラツキの生じる懸念は疑えないし、自然発生的に自由に晶出するままの炭化物の形状は当然、球状化の割合にある限界があると言わざるを得ない。
【０００７】
一方、第二の従来技術はステンレス鋼を出発材とし、高硬度のセメンタイト系の高炭素合金鋳鉄に進み、さらにＶ添加によって球状または粒状の炭化物の晶出によって耐摩耗性と靭性を具えるという経緯を経たものであるが、大量のＣｒ添加が必須の要件で、少なくとも１３％は含まないと強固なＦｅ−Ｃｒ系の炭化物が晶出しないことや、Ｎｉについても４．０％以上含まないとマルテンサイト化が起こりやすくなるため必須の要件としているから、大量の合金成分の添加は製造コストを著しく高騰させる欠点がある。さらにＶ炭化物の粒状、球状化は前の従来技術と同様、とくに人為的な制御、操作によるものではなく自然発生的な金属間の反応に依存するだけであるから、多くの鋳造条件の相違によってその作用のバラツキも避け難く、必ずしも確実な球状化、粒状化を保証するものではない。このことは添付された顕微鏡組織写真にも明らかに認められ、菊花弁状の不安定、不規則な塊状の炭化物と、ヒゲ状または網目状に混在する多数のＦｅ−Ｃｒ系炭化物が晶出している状態からも明確に確認できる。
【０００８】
さらに基地についていえば、鋳放しの場合でも、焼鈍、焼準の熱処理を施した場合でも、何れも組織としてはオーステナイト（γ）＋セメンタイト（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ）＋ＶＣ複合体であってほぼ変らないと記載があり、添付された顕微鏡写真においてもこのことが裏付けられている。結局、問題は用途との適合性であって、耐熱、耐食性を重視する化学プラント、ボイラ部材などでは好適であっても、衝撃を伴う摩耗がより過酷な分野、たとえば廃棄物や車両用のシュレッダーミルのハンマー、打撃子などに対しては、基地の硬度が低きに失し、たとえ炭化物を球状、粒状にさせただけでは、なお、不十分な結果しか期待できないのではないかという疑問が残る。
【０００９】
本発明は以上の課題を解決するため、確実にＶとＣとの化合物である炭化物を球状の形態で晶出させることにより、従来通りの耐摩耗性のレベルを維持しつつ耐衝撃性を著しく向上させ、少なくとも同一成分の耐衝撃性に比べてほぼ１．４倍を超える靭性を兼ね具えた合金白鋳鉄を広く産業機械、土木機械など広範囲の用途に供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る合金白鋳鉄は、重量％にしてＣ：２．０〜４．０、Ｓｉ：０．５〜３．０、Ｍｎ：０．０６〜１．５、Ｖ：６．０〜１６．０、Ｍｇ：０．０１〜０．１、Ｎｉ：０〜１．０、残り実質的に不純物を含むＦｅよりなり、顕微鏡組織においてほぼパーライトの母相へＭｇの溶湯添加処理によって球状化したＶ炭化物が晶出することにより無処理のほぼ同一成分の材料よりほぼ１．４倍以上の衝撃値を具えたことによって前記の課題を解決した。
【００１１】
また、この基本構成のうち、Ｎｉ：１．０．〜５．０と増量し、Ｍｏ：０．０１〜０．８％をさらに添加して顕微鏡組織がほぼ下部ベイナイトまたはマルテンサイトの母相として耐摩耗性をさらに向上することにより一層目的を有効に達成する場合もある。Ｎｉ、Ｍｏ添加の有無やその添加量は、基地をパーライト相にするか、下部ベイナイトまたはマルテンサイト相にするか、製品の使用条件によって求められる耐摩耗性と耐衝撃性のバランスの取り方によって異なる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の合金白鋳鉄の成分限定理由を以下に説明する。
▲１▼Ｃ：鋳鉄という限りＦｅ−Ｃ状態図上から２．０〜６．６７％ＣのＦｅ−Ｃ合金とされるが、Ｓｉとの関係によってその組織には決定的な差が顕れ、マウラー（Ｍａｕｒｅｒ）の組織図からは、白鋳鉄の領域はＡ点（Ｃ：４．３％、Ｓｉ：０％、共晶点）とＢ点（Ｃ：１．０％、Ｓｉ：２．０％）を結んだ直線ＡＢと横軸、縦軸で囲む直角三角形の範囲とされる。本発明ではＣ：２．０〜４．０％としてこの領域をカバーしたが、実用的に好ましいのは２．５〜３．５％の範囲が推奨される。
▲２▼Ｓｉ：前記の組織図に従えばＳｉ：０〜２．０％の範囲になるが、Ｓｉは溶解時の脱酸や鋳造時の湯流れの点から不可欠の成分であり、少なくとも０．５％含まれないと健全な鋳造が難しい。また、他成分の添加の影響によって白鋳鉄の範囲は拡張するが、３．０％を超えると靭性を劣化させ、また黒鉛晶出を許容する範囲に入って来るので０．５〜３．０％に限定したが、好ましくは１．０〜２．５％が推奨される。
【００１３】
▲３▼Ｖ：含有するＣと結合して硬度の高い炭化物を晶出するには少なくとも６．０％を要する。しかし１６．０％を超えると、最早結合すべきＣとのバランスが崩れて加えただけの炭化物を晶出することができなくなり効果が伴わないばかりか、却って耐衝撃性が低下する原因となるので６．０〜１６．０％に限定した。しかし、実用的には後述の実施例の結果からみても８．０〜１３．０％の範囲が好ましい。
▲４▼Ｍｇ：自然凝固過程で晶出するＶ炭化物の形状を、そのままでは不安定な菊弁状ともなり得るのを確実に球状、粒状に変化させる作用として不可欠の要素である。球状黒鉛鋳鉄で提唱されている球状黒鉛化理論の一つである気泡説に従えば、鋳鉄溶湯中に添加されたＭｇは気泡となり、その気泡外周から黒鉛が求心的に球状に成長するとされている。本発明の鋳鉄のように母成分が白鋳鉄の場合にもこのようなＭｇの気泡が炭化物を球状化する要素であるか否かは定かには不明であり、Ｍｇの脱酸効果そのものが本来、球状であるバナジウム炭化物を球状の形態に還元するとも考えられる。何れにしてもＭｇ添加が球状化を促進する一因であるとは推察される。Ｍｇの添加は瞬間的な爆発的燃焼による酸化消耗を見越した上で十分な球状化反応を保証するために、球状黒鉛化の場合と同じ添加技術を転用し、凝固後の分析においてなお、０．０１〜０．１％の残留成分が確認できる程度の添加量と添加方法が必要である。
【００１４】
▲５▼Ｎｉ：添加の有無は基地の組織を変え、組織によって硬度や耐摩耗性が大きな影響を受ける。特に耐摩耗性を重視する製品の場合には０．０４％以上添加すれば熱処理によってマルテンサイト化する可能性も確かめられている。鋳放しで基地をマルテンサイト化するには１％以上の添加が必要であり、好ましくは１〜３％の添加が推奨できる。製品（鋳造品）の肉厚や、耐摩耗性と靭性の何れに重点をおくかによって添加の有無や添加量は定められるが、耐摩耗性と耐衝撃性の両立という原点に立てば、上限としては５．０％に留めるべきであり、結局、添加量は０〜５．０％に限定される。
▲６▼その他、Ｍｎは溶解時の脱酸調整作用、脱硫作用に有効で最低限は欠かせないが、一方では白銑化が助長する顕著な働きもすることや偏析を促進する作用が無視できないことなどから、０．０６〜１．５％に限定する。また、ＰやＳについても通常の鋳鉄とほぼ同等の範疇であれば特に問題はないが、Ｓは黒鉛の場合と同様に球状化を阻害する因子であるから、Ｍｎとの関係によってできるだけ排除することが必要である。
【００１５】
【実施例】
本発明の作用と効果を確認するためには、所望％のＶを添加した白鋳鉄を無処理で鋳造した比較例と、ほぼ同一成分の溶湯にＭｇを添加して球状化処理をした実施例の試験片をそれぞれ作成し、衝撃値、硬さの測定、衝撃摩耗試験の結果得られた摩耗係数、さらにそれぞれの顕微鏡組織写真を画像処理して計測される炭化物の球状化率を対比することによって純粋にＭｇ添加の有無による両者の差違を知る事ができる。
【００１６】
試験片の作成はすべて同一条件で統一した。すなわち黒鉛坩堝内へ成分調整した材料を挿入し高周波炉で溶解し、昇温後、比較例はそのままクロマイトサンドで造形した鋳型に鋳造する。実施例は溶湯中へＭｇ添加処理後、直ちにクロマイトサンドの鋳型に鋳造、何れも断面が１０×１０ｍｍのテストブロックを作成し、ＪＩＳ規定のシャルピー衝撃試験片を削り出した。試験後の試料はロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を測定し、ショア硬度（ＨＳ）にも換算して表示した。表１は実施例および比較例の化学成分とＭｇ処理の有無、基地の種類を一括して示したものであるが、純粋にＭｇ添加処理の作用、効果だけを比較するため基地毎にグループ分けして、基地がパーライトのグループ１（請求項１）と、基地が下部ベイナイトまたはマルテンサイトのグループ２（請求項２）の二群に分けて表示し、それぞれのグループの中に実施例と比較例とを含めた。各グループに含まれる比較例はそれぞれ同群の実施例に準じた成分、基地よりなる。表２はこれら実施例、比較例の衝撃値、硬さ、摩耗係数の試験結果を一括示したものである。
【００１７】
【表１】
0003937128.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003937128.tif 000003
【００１９】
衝撃摩耗係数を計測するには乾式摩耗試験機を使用した。試験機の概略は図４に示す通り、回転軸１から出た４本のアーム２に試験片ＴＰを取り付け、所定時間、回転軸１を電動機３によって回転して試験片を石英斑岩Ｒに衝突させ、その間に生じた各試験片ＴＰの重量減を計測して標準材（ＳＳ４００）の重量減と比較して耐摩耗性の優劣の指標とした。
【００２０】
炭化物の球状化率は顕微鏡組織においてＪＩＳ  Ｇ５５０２（球状黒鉛鋳鉄品）の規定に準じて表すことにした。該規定によれば、顕微鏡倍率は８００倍、５視野に亘って行ない平均値を求める。図５（Ａ）（Ｂ）に示す標準の球状化に達した視野中の炭化物の個数を数え、全視野の炭化物の総数に対する割合を％で示して球状化率とするとあり、コンピュータによる画像処理を行なって算出する場合もこれに準ずるとある。画像処理の一例を図２に示す。
【００２１】
図１（Ａ）は画像処理の対象となる実施例２および同図（Ｂ）は比較例１の顕微鏡組織写真をそれぞれ示し、ナイタール腐食によって組織を現出させ倍率は８００倍である。図２（Ａ）（Ｂ）は実施例２と比較例１の試験片の組織写真を画像処理、二値化した炭化物の形状を示したもので、各炭化物粒子毎に形状係数Ｋを画像解析により求めた。各炭化物粒子の面積Ｍ、周囲Ｓを測定し、これから形状係数Ｋ＝４πＭ／Ｓ2を算出し、この値が０．５２３を超えた粒子を前記の図５（Ａ）（Ｂ）に示す球状化に達した合格粒子として計数した。なお、誤差を避けるために直径２μｍ以下の円相当面積を有する微細な粒子は形状係数を求める粒子から除外した。
表３は実施例２、比較例１の各試料の１視野について、炭化物粒子毎の形状係数を計算し、球状化率を算出した一例を示したもので、Ｍｇ添加による球状化処理の有無による球状化の差違が如実に顕示されている。
【００２２】
【表３】
0003937128.tif 000004
【００２３】
図３（Ａ）（Ｂ）は別の実施形態であるＮｉ：２．７４％、Ｍｏ：０．４５％配合のグループ２（請求項２）に係る実施例４と、これとほぼ同成分で無処理の比較例３の顕微鏡組織写真であって、組織はナイタール腐食により基地を現出させたものである。写真中白色に観察されるＶ炭化物は比較例３では球状化の崩れたものや棒状の形態であるのに対し、実施例４のＶ炭化物は明らかに球状化が達成されている。また、基地組織は、Ｎｉ、Ｍｏを配合しない図１（Ａ）の実施例２のパーライトに対し、硬度が大きく耐摩耗性に優れたマルテンサイトと下部ベイナイト組織の混合組織が鋳放しで得られている。このことから実施例４では鋳造後の熱処理により耐摩耗性に優れた特性を具えたマルテンサイト、ベイナイト組織とすることが容易であると考えられる。先に説明した炭化物の球状化率を表１に掲げたすべての試験片について計測した結果（各試験片につき、５視野の球状化率の平均値を最終球状化率とした）を纏めたものが表４である。
【００２４】
【表４】
0003937128.tif 000005
【００２５】
実施例、比較例の成分、衝撃値、硬度、衝撃摩耗係数および球状率を総括して判断すれば、無処理の比較例もＭｇ処理の実施例も基地の組織自体には大差は見られないにも拘わらず、衝撃値に顕著な差違が顕れることが第一に挙げられる。衝撃値はＮｉ、またはＭｏを全く、または低くしか含まないグループ１の場合、基地は何れもパーライトと変りはないが、実施例の平均衝撃値９．２Ｊ／ｃｍ2は比較例の平均衝撃値６．０Ｊ／ｃｍ2の１．５３倍に相当し、Ｎｉ：３％、Ｍｏ：０．５％前後のグループ２では、基地は何れも下部ベイナイトまたはマルテンサイトと変りはないが、比較例３に対して実施例４、５は何れも衝撃値において１．６６〜１．６４倍を示し、何れの実施形態でも確実に大幅な衝撃値の向上、少なくともほぼ１．４倍以上の向上を示している。
【００２６】
硬度については基地自体が前記のように実施例、比較例、共に大きな差違がなく、結果的に衝撃摩耗係数はこの硬度差に応じてほぼ同じレベルの範囲に収っている。このように衝撃値に関しては顕著な大差があり、硬度と耐摩耗性については明瞭な差違が認め難いことからも、これらの物理的数値の変化の傾向は、晶出した炭化物の球状率の多寡とよく整合すると認められ、成分上、唯一の差であるＭｇ添加による球状化処理の有無のみに基づく成果であることと断定される。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた通り本発明に係る合金白鋳鉄は、耐摩耗性をほぼ同じレベルに持続したまま、耐衝撃性を大幅に向上する効果がある。しかもそのためにＮｉ、Ｃｒなどの高価な合金元素を大量に配合する必要がなく、溶湯処理だけで確実に実施できることから経済的にも従来技術に比べると遥かに有利である。この結果、とくに衝撃摩耗が装置の機能を決定的に支配する破砕機、粉砕機、その他のハンマーや打撃子類をはじめ全ての摩耗部材に好適な靭性と耐摩耗性とを同時に満足する理想的な材質として産業上に貢献するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である実施例２（Ａ）と、ほぼ同一成分からなる比較例１（Ｂ）の腐食により現出させた顕微鏡組織の写真（倍率８００）をそれぞれ示す。
【図２】同じ実施例、比較例の球状化率計測対象である炭化物を画像処理により二値化した画像を（Ａ）（Ｂ）でそれぞれ示す。
【図３】本発明の別の実施形態における実施例４（Ａ）と、比較例３（Ｂ）の腐食により現出させた顕微鏡組織の写真（倍率８００）をそれぞれ示す。
【図４】摩耗試験に使用した摩耗試験機の概要を示す一部断面正面図である。
【図５】ＪＩＳ規定において組織上、球状と認められる標準の二形態を（Ａ）（Ｂ）で示す。
【符号の説明】
１  回転軸
２  アーム
３  電動機
ＴＰ  試験片
Ｒ  石英斑岩
【図１】
0003937128.tif 000006
【図２】
0003937128.tif 000007
【図３】
0003937128.tif 000008
【図４】
0003937128.tif 000009
【図５】
0003937128.tif 000010