高クロム鋳鉄の高温エロージョン磨耗特性
メタデータ

言語: Japanese
出版者:
公開日: 2017-05-19
キーワード (Ja):
キーワード (En):作成者: 小奈, 浩太郎
メールアドレス:所属:

URL

https://doi.org/10.15118/00009192

氏

名オナ

コウタロウ

小奈

浩太郎

学 位 論 文 題 目

高クロム鋳鉄の高温エロージョン磨耗特性論 文 審 査 委 員

主査

教

授

清水一道教

授

河合

秀

樹教授

藤木裕行

教授

寺

本

孝司

論文内容の要旨
流動層ボイラのエアノズル等では高温エロージョン摩耗により損傷が進行するため耐高温エロージョン摩耗性に優れた耐熱耐摩耗合金の開発が期待されている．
本研究では，高温エロージョン摩耗の加速試験として，球形のアルミナ粒子（平均粒径約 1mm）を 30m/sec.という高速で試験片に衝突させる高温 (1173K)エロージョ
ン摩耗試験を高クロム鋳鉄，ステンレス鋼，Co 基合金に対して行い，試験後の試験片表面，表層の光学顕微鏡， SEM 及び TEM ならびに硬さ分布を観察した．
1 章では，高温におけるエロージョン摩耗のこれまでの研究 と課題，本研究の目的と構成を述べた．
2 章では，高クロム鋳鉄の C を 1.4～3.0%，Cr を 12～27%に変化させ Cr/C 比率とM 7 C 3 炭化物組成の関係について述べた．Cr/C 比率が増加すると M 7 C 3 炭化物中の Cr/Feの増加が認められた．この関係は Cr/C が 4～18 という広い範囲でみられた．
3 章では，重量測定法に代わる摩耗量の測定方法として，非接触で高精度測定が可能な 3D レーザー顕微鏡による最大摩耗深さの定量化方法ついて述べた．
4 章では，アルミナ粒子の投射と再加熱のサイクル毎に摩耗の進行ついて述べた．
酸化しやすい 3C-12Cr 鋳鉄では，摩耗部と摩耗していない定常酸化部のスケールを観察した結果，摩耗部ではスケールのはく離 -再酸化を繰り返すため定常酸化部よりも 1.6 倍多くスケールが生成しており，摩耗におよぼすスケールの寄与は大きいことを明らかにした．酸化を抑制するためには固溶 Cr 量が 12%以上必要であることを見出した．
また，酸化が少なく，共晶組織で脆性材料である 3C-27Cr 鋳鉄の摩耗挙動は高延性材料である SUS310S に類似した摩耗曲線を示していた．

5 章では，高温エロージョン摩耗に及ぼす材料因子の影響について述べた．高クロム鋳鉄の衝突角度依存性について実験した．摩耗量が高角度側で最大を示す破壊摩耗とはならず低角度側で摩耗量が大きいせん断変形摩耗形態を示すことを認めた．
摩 耗 量 の 多 い 30deg.で 比 較 す る と 高 温 硬 さ が 上 昇 す る ほ ど せ ん 断 ひ ず み 量 及び加工変形層深さは減少し，その結果，高温エロージョン摩耗は少なくなっていた．
また，高クロム鋳鉄について比較すると，共晶炭化物の多いほうが高温エロージョ
ン摩耗は少なくなっていた．
高クロム鋳鉄の表層は大きなせん断変形 により共晶炭化物が破砕・粒状化するとともに組織が微細化していた．
6 章では，摩耗部の表層組織を詳細に観察した．高クロム鋳鉄と SUS310S の表層
ではせん断歪によって二次炭化物 (高クロム鋳鉄)及びσ相(SUS310S)が析出して，これらの微細析出粒子が再結晶オーステナイト粒をピン止めすることにより微細結晶粒が生成することを見出した．
高クロム鋳鉄のエロージョン摩耗では， SUS310S と同様にリップルマーク，舌状突起が形成され，その摩耗曲線も同じ挙動を示した．これは，高クロム鋳鉄の表層では共晶炭化物の破砕・粒状 化するとともに微細粒オーステナイト組織が生成するために延性が著しく向上しためであるといえる．
7 章では，流動層バイオマスボイラのエアノズルに高クロム鋳鉄を適用した実機試験で摩耗量を耐熱鋳鋼の半分に抑えたことについて述べた．

ABSTRACTThe development of heat and wear resistant alloy to prevent erosive wear athigh temperature is required since the progress of erosive wear at air nozzle offluidized bed boiler. High temperature erosion test at 1173K.was carried out
using 1mm diameter of spherical alumina particles with collision velocity of30m/sec. Specimens were high-chromium cast iron, stainless steel and Co based
alloy. After erosion test, surface of specimens were observed by OM, SEM andTEM and measured hardness distribution.
In Chapter 1, results and task of the previous study on erosive wear and theaim and architecture of this study are described.
In Chapter 2, relationship between Cr/C ratio of high chromium cast iron andM 7 C 3 carbide composition was analyzed by changing C content from 1.4 to 3.0%,

and Cr content from 12 to 27%. M in M 7 C 3 of Cr/Fe ratio was increased as Cr/Cratio increases. This relationship was observed with wide range of 4 to 18 ofCr/C ratio.
In Chapter 3, establishment of maximum erosion depth measurement methodby3D

laser

microscopewhichallowsnon-contactandhighprecision

measurement was described. This wear loss measuring meth od is substitution
with conventional weight loss measurement.
In Chapter 4, progress of erosive wear by every cycle of blasting alumina
particle and re-heating was described. With 3C-12Cr cast iron, scale of erosive
surface and non-erosive normal oxidation surface were compared and it was
found 1.6 times thicker scale was formed at erosive surface than normaloxidation one as it repeats of the sequence of scale peel off and re -oxidization. It
was found that more than 12% Cr content of solid solution is requ ired to preventoxidation in air at 1173K. In erosion behavior, eutectic structure and brittle
3C-27Cr cast iron which is less oxidation, shows similar erosive curve with highductility SUS310S.
In Chapter 5, the effect of material properties on high tempe rature erosive
wear was described. Erosive wear dependence of high chromium cast iron on
impact angle was experimented. It was found that shear deformation wear mode
which wear much more erosive depth at low angle than at the high angle side
where erosive wear shows maximum with brittle fracture wear mode. Comparedin various materials with angle of 30deg. as high temperature hardness goes up,
shear deformation angle and depth of plastic deformation zone decrease and as aresult high-temperature erosive wear decreased. Compared in high chromium
cast iron, high temperature erosive wear decrease when eutectic carbide
increases. High chromium cast iron, in the surface eutectic carbide became
fragmented and finely spheroidized carbide because of large shear defo rmation.
In Chapter 6, in the surface of erosive area, fine austenite grains that are ofsize under 1micrometer were found. In the surface structure, precipitates ofsecondary carbide particles [high chromium cast iron] and σ phase particles[SUS310S] were observed and those precipitates pinned recrystallized austenite
grain growth. Erosion wear of high chromium cast iron, ripple mark andprotrusion were formed as same as SUS310S, and both materials show sameerosive curve. This is because remarkable increa se of ductility at surface of highchromium cast iron as eutectic carbide become fragmented eutectic carbide andfinely spheroidized carbide and austenite matrix became recrystallized finegrain.
In Chapter 7, it was described that erosive wear of high chr omium cast ironbecame half of that heat-resistant cast steel by applying of high chromium castiron to air nozzle of fluidized bed biomass boiler.

論文審査結果の要旨
流動層ボイラのエアノズル等では高温環境下でのエロージョン摩耗が進行するため，高温摩耗特性に優れた耐熱耐摩耗合金の開発が期待されている．
本 論 文 は ， 球 形 の ア ル ミ ナ 粒 子 を 30 m/sec. の 速 度 で 試 験 片 に 衝 突 さ せ る 高 温エ ロ ー ジ ョ ン 摩 耗 試 験 を 高 ク ロ ム 鋳 鉄 ， ス テ ン レ ス 鋼 ， Co基 合 金 に 対 し て 行った結果について報告するものである．
高 ク ロ ム 鋳 鉄 の Cを 1 . 4～ 3.0 %， C rを 12 ～ 27 %に 変 化 さ せ Cr/C 比 率 と M 7 C 3 炭化 物 組 成 の 関 係 に つ い て 調 査 し た 結 果 ，C r/C比 率 が 増 加 す る と M 7 C 3 炭 化 物 中の Cr/Feの 増 加 が 確 認 さ れ た ．
酸 化 し や す い 3C-12Cr 鋳 鉄 で は ， 摩 耗 部 で は ス ケ ー ル の は く 離 -再 酸 化 を 繰り 返 す た め 定 常 酸 化 部 よ り も 1.6倍 多 く ス ケ ー ル が 生 成 し て お り ，摩 耗 に お よぼ す ス ケ ー ル の 寄 与 が 大 き く な る こ と か ら ， 酸 化 を 抑 制 す る た め に は 固 溶 Cr量 が 12%以 上 必 要 で あ る と の 知 見 を 得 た ．
高クロム鋳鉄の衝突角度依存性について実験した結果，摩耗量が高角度側で最大を示す破壊摩耗とはならず，低角度側で摩耗量が大きいせん断変形摩耗 形 態 を 示 す ． 摩 耗 量 の 多 い 30deg. で 比 較 す る と 高 温 硬 さ が 上 昇 す る ほ ど せん断ひずみ量及び加工変形層深さは減少し，高温エロージョン摩耗は少なくなっていた．また，高クロム鋳鉄について比較すると，共晶炭化物の多いほうが高温エロージョン摩耗は少なくなっており，その表層は大きなせん断変形により共晶炭化物が破砕・粒状化するとともに組織が微細化していることを明らかにした．
高 ク ロ ム 鋳 鉄 と SUS310S の 表 層 で は せ ん 断 歪 に よ っ て 二 次 炭 化 物 及 び σ 相が析出し，これらの微細析出粒子が再結晶オーステナイト粒をピン止めすることにより微細結晶粒が生成することを見出した．これは，高クロム鋳鉄の表層では共晶炭化物の破砕・粒状化するとともに微細粒オーステナイト組織が生成するために延性が著しく向上したためであるといえる．研究成果をふまえて，流動層バイオマスボイラのエアノズルに高クロム鋳鉄を適用した実機試験では摩耗量を従来の耐熱鋳鋼の半分に抑えることが可能なことを明らかにした．
以上のことから，今後の用途検討や課題，活用事例などを踏まえ十分な議論がされた内容であり，大変興味深い結果を示した．このため，審査員の合議により本論文は学位に値するものと判断した．