フジコー技報−tsukuru No. 

久留米高専
技術解説

多合金白鋳鉄の諸特性に及ぼすコバルトの影響

博士(工学)

材料工学科教授

笹栗 信也
Nobuya Sasaguri

Effect of Cobalt Addition on Characteristics ofMulti-Component White Cast Irons

１．はじめにと、Co 量の増加に伴い、炭化物周辺に黒色に見え

多合金白鋳鉄は、 Cr, Mo, W, V などの強い炭化るパーライトが増加している。このことは、Co 添物形成元素を複数含有するため、凝固時に高硬度の加により変態挙動が変化することを示唆している。

MC、M2C 及び M7C3 炭化物を晶出するとともに、その後の熱処理により基地が２次硬化するため、良好な耐摩耗性を示す。そのため、従来の高クロム鋳鉄に代って鉄鋼熱間圧延ロールに実用化され、優れた耐摩耗性を有することが示されている 1)。多合金
白鋳鉄は多種類の合金元素を含有するため、これら合金の含有量が異なれば、諸特性が変化すると考えられ、これまで凝固組織２）、晶出炭化物の種類や形態３）、状態図 4）、連続冷却変態特性 5）～8)さらに機械的性質 9）～12)などに及ぼす合金元素量の影響について調査されている。一方、本鋳鉄には、上記の炭化物形成元素以外にも基地の高温特性改善のために、Co が添加される場合がある。本鋳鉄に Co が添加された場合、Co は炭化物には固溶されず基地に固溶されるために、変態特性や酸化特性などが大きく変化すると考えられる。そこで、ここではこれまFig.1 As-cast microstructures of multi-component white cast irons with different
cobalt content.

でに実施してきた本鋳鉄の諸特性に及ぼす Co の影
響に関する研究成果についてまとめて紹介する。

３．連続冷却変態挙動に及ぼす Co の影響
Fig.2 に基本合金組成の多合金白鋳鉄に Co を 0２．炭化物の種類および形態に及ぼす Co の影響～10%添加したときの連続冷却変態（CCT）曲線を

Fe-2mass%C-5mass%Cr-5mass%Mo-5mass%示す。Co を含有しない多合金白鋳鉄の CCT 曲線は、W-5mass%V(以下基本合金組成と称する。)の鋳鉄

パーライトとベイナイトが大きく分かれており、パに、Co を 0～10%添加したときの鋳造組織を Fig.1

ーライトノーズはベイナイトノーズよりも長時間に示す。いずれの試料にも粒状あるいは花弁状の側にある。また、Ms 点は現れるが、Mf 点は現れな

MC 炭化物と、粒界に板状あるいはラメラ状の M2Cい。さらに、オーステナイト(γ)化温度が高いほど、炭化物が晶出しており、Co 量を変化させても炭化両変態は遅れ、Ms 点は低下する。Co 量が増加する物の種類や形状は変化しない。基地組織に着目すると、両変態は、短時間側へ移動する。両変態ノーズ
6時間及び Ms 点に及ぼすγ化温度の影響は、Co 量なるのは、γ中への C 量及び合金元素の固溶量が増が変わっても同じである。Fig.3 は CCT 曲線から得加し、γが安定化するためである。

られたパーライト及びベイナイト変態の臨界冷却

Co が鋼に添加された場合、パーライト及びベイ速度と Co 量との関係を示している。両変態の臨界

ナイト変態を促進させることもあれば、遅滞させる

冷却速度は、γ化温度に関わらず Co 量が約 2%まこともある 12）。Ms 点についても通常の鋼であれば、では増加する。Co 量が 3%になるとベイナイト変態

Co は Ms 点を上昇させると言われているが、高速の臨界冷却速度はわずかに増加するが、パーライト度鋼に対しては、Ms 点を低下させると言った報告

変態の臨界冷却速度はいったん低下する。さらに12）もあり、鋼に対する Co の影響は複雑である。そCo 量が増加すると、両変態の臨界冷却速度は再びれと同様に、本鋳鉄の変態特性に及ぼす Co の影響増加する。すなわち、両変態ノーズは Co 量の増加も複雑である。

とともにいったん短時間側へ移動し、その後長時間側へ移動するか、あるいは停滞して、再び短時間側へ移動する。Fig.1 で示したように鋳造状態で Co量の増加により炭化物周辺でパーライトが増加するのは、Co の増加によりパーライト変態が短時間側へ移動するためである。
Ms 点に及ぼす Co の影響を Fig.4 に示す。Ms 点
はγ化温度に関わらず Co が約 2%までは Co 量の増加とともに低下するが、その後は上昇する。ただし、γ化温度が 1373K と高い場合には、Co が 10%まで増加しても Ms 点は 0%Co 試料のそれとほぼ同程度である。なお、γ化温度が高い方が、Ms 点が低く
Fig.3 Influence of Co content and austenitizing temperature on critical cooling rate of multi-component white cast iron. (VC-P: Pearlite transformation, VC-B: Bainite transformation)

Fig.2 CCT diagrams of multi-component white
cast irons with different cobalt content.

7Fig.4 Influence of Co content and austenitizing temperature on Ms temperature ofmulti-component white cast iron.

フジコー技報−tsukuru No. ５．高温酸化特性に及ぼす Co の影響

４．熱処理特性に及ぼす Co の影響
多合金白鋳鉄は、焼入れ後の焼戻しにより大きな多合金白鋳鉄の特性を十分発揮させるには、焼入2 次硬化を示す。 Fig.5 は基本合金組成の多合金白れ・焼戻し処理が不可欠である。焼入れ処理を行う

鋳鉄の焼戻し曲線に及ぼす Co の影響を示している。

場合、高温に保持されるため、部材表面は著しく酸いずれの試料も焼戻し温度の上昇とともに硬さは化される。また鉄鋼熱間圧延ロールに使用される場上昇し、最大値を示した後低下する。同一焼戻し条合、使用時の温度は 823～973K14)となる。そのた件では Co 量が多いほど硬さは高く、2 次硬化で得め、多合金白鋳鉄の高温酸化特性を把握しておくこられる最高硬さも高い。さらに最高硬さを示す温度とは重要である。そこで、基本合金組成を有する多は、Co 量の増加とともに高温側へ移動する傾向を合金白鋳鉄の大気雰囲気での高温酸化特性に及ぼ示す。

す Co の影響について調査した。Fig.7 に 973K～

Fig.6 は 773K で焼戻しを行ったときの基地組織

1273K で 36ks の酸化試験での酸化量と Co 量の関を示している。Co 量の多い試料ほど微細な炭化物係を示す。 973K での試験では、Co 量に関係なくの析出が起こっている。Co はγ中の C の活量を増ほとんど酸化していないが、試験温度が 1073 K 及加させ、2 次炭化物を多く析出させるために、よりび 1173 K では、Co 量の増加とともに酸化量は低下

大きな 2 次硬化を示し、最高硬さを増加させるもの

し、Co の添加は本鋳鉄の耐酸化性を改善することと考えられる。なお、焼戻しによって析出する炭化が明らかである。しかし、試験温度が 1273 K の高物として、MC,M6C 及び M7C3 が認められている 13）。

温になると、Co を 10％まで増加させても、耐酸化性の改善にはつながらない。

Fig.5 Relationship between tempered hardness and tempering temperature ofmulti-component white cast irons withdifferent cobalt content.(Hoding time:10.8 ks)

0 mass% Co

Fig.7 Influence of test temperature and Co content ofmulti-component white cast iron on mass gain of
air- oxidation.

2 mass% Co

10 mass %Co

Fig.6 SEM microphotographs of tempered multi-component white cast irons withdifferent cobalt content. (Tempered temperature: 773K)
8

Fig.8 に 11173 K での酸化試験後の酸化皮膜の状況を示す。Co を添加した試料では、比較的緻密な皮膜が形成されており、この緻密な皮膜の形成が、耐酸化性の向上に寄与していると考えられる。なお、皮膜の構造を調査した結果、皮膜は Co 無添加試料
では主に Fe2O3，Co 添加試料では Fe2O3 およびFe3O4 からなり、Co 量が増加するほど Fe3O4 が増加する。また、Co は皮膜と母材の境界近傍に濃化して存在することが分かっている。

Fig.9 Influence of temperature on micro-hardness of multi-component white cast ironwith different cobalt contents.

７．耐摩耗性に及ぼす Co の影響
ここでは、アブレシブ摩耗試験（スガ式摩耗試験及びラバーホイール摩耗試験）及び金属同士のすべり摩耗特性に及ぼす Co の影響について述べる。アブレシブ材として SiC(#120：粒径約 170μm)の磨Fig.8 SEM microphotographs of oxide layers of multicomponent white cast irons with different cobalt
content tested in air 1173 K for 10.8 ks.

耗紙を用い、荷重 29.4N(3kgf)で実施したスガ式摩耗試験結果を Fig.10 に示す。2 次元摩耗であるスガ式摩耗試験では、耐摩耗性を表す摩耗速度（単位時間当たりの摩耗体積）は試料の硬さに比例して減６．高温硬さに及ぼす Co の影響少することがわかる。この結果から耐摩耗性に及ぼ多合金白鋳鉄に Co を添加する目的の一つは、基す Co 量の影響は認められないが、Fig.5 に示した地の高温硬さを高めることにある。特に本鋳鉄を熱ように、同一焼入れ焼戻し材では、Co を多く含有間圧延ロールとして使用する場合、圧延温度が 823した試料ほど硬さが高くなるため、この場合には～973K となるため、973K までの高温硬さが重要

Co 量の多い試料の方が、耐摩耗性に優れることはとなる。

明らかである。

Fig.9 は基本合金組成を有する鋳鉄に Co を添加し、1373 K で焼入れ後、773 K で焼戻し処理を行った試料について、高温硬さを調査した結果を示している。Co 量に関係なく硬さは温度の上昇とともに漸次低下し、973 K を超えると硬さは急激に低下する。Co 量の影響を見ると、Co 量が多いほど室温及び高温での硬さは高い。すなわち、室温での硬さが高いものほど、高温での硬さも高いことがわかる。
なお、橋本らの結果では、7%Co を含有した多合金白鋳鉄は 973K でも 350HV と高い硬さを示し、Co の有効性が示されている 14)。

9Fig.10 Relationship between wear rate by Suga
type wear test and macro-hardness ofmulti-component white cast iron withdifferent cobalt content.

フジコー技報−tsukuru No. Fig.11 Relationship between wear rate by ruber
wheel wear test and macro-hardness ofmulti-component white cast iron with different cobalt content.

(a) Sliding speed: 3 m/s

次に 3 次元摩耗であるラバーホイール摩耗試験
結果を Fig.11 に示す。ラバーホイール摩耗試験とは、円盤端面にラバーを貼り、それと試験片の間に荷重を付加した状態で 6 号ケイ砂(粒径約 200μm)を流しながら摩耗させる試験法である。この場合も、
2 次元摩耗と同様に耐摩耗性は試験片の硬さが高いものほど優れている。
次に金属同士のピンオンディスクタイプのすべり摩耗試験結果を Fig.12 に示す。試験はディスク材として SKH51(硬さ約 800HV)を用い、すべり速度を 3m/s 及び 7m/s の 2 条件で実施されている。
すべり速度が３m/s (Fig.12(a))では、ばらつきはあるが、単位距離当たりの摩耗量は、硬さが高いほど低下しており、Co 量との関係は認められない。
一方、すべり速度が 7m/s(Fig.12(b))では、硬さの(b) Sliding speed: 7 m/s
Fig.12 Relationship between wear rate by sliding
wear test and macro-hardness of multi-component white cast iron with different cobalt
content.

影響は認められず、ばらつきは大きいが、Co の増加とともに摩耗量が減少する傾向が認められる。す７．おわりにべり速度が 3m/s の場合、摩耗面には金属の摩耗粉多合金白鋳鉄は、1990 年代に入って鉄鋼熱間圧が多く認められ、7m/s では摩耗面には酸化皮膜が延ロールに実用化され始めた。特に日本では CPC形成されていた。このことから、すべり速度が 3 m/sロールが開発され、本鋳鉄の性能を十分発揮させるでの摩耗は硬さに依存し、7 m/s での摩耗では、Coことが出来るようになっている。これまで我々は、の多い試料ほど摩耗面の温度上昇により密着性の本鋳鉄について凝固組織、変態特性及び熱処理特性高い緻密な酸化皮膜が形成されるために、Co の影などの基礎的な研究を行ってきており、ここでは本響が現れたと考えられる。

鋳鉄の諸特性に及ぼす Co の影響についてまとめた。
10

Co はレアメタルで価格も高いことから、合金元素として多量に使用することは難しいが、本鋳鉄の諸特性に及ぼす Co の影響を把握しておくことは重要であると考え、この機会を利用してこれまでの研究

7) 横溝雄三，笹栗信也，南條潔,松原安宏：鋳造工学 77(2002) 3018) 横溝雄三，笹栗信也，山本郁,松原安宏：鋳造工学 82(2010) 89) 橋本光生，西山泰行, 笹栗信也,松原安宏: 鋳造

データをまとめて紹介した。

工学 78（2006）23810) 橋本光生，西山泰行, 笹栗信也,松原安宏：鋳造

参考文献
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宏強，笹栗信也，橋本光生，松原安宏：鋳69(1997) 917

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工学 79 (2007) 23宏：鋳造工学 79(2007)650
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