高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 に 添 加 さ れ た V，Cr， Mo， W 等 の 合 金 元 素 は 凝 固 時 に 種 々 の 炭化 物 と し て 晶 出 す る 他， 凝 固 中 に は 初 晶 お よ び 共 品 オ ー ス テ ナ イ ト
( y ) 中 に も 各 元 素 に 固 有 の 割 合 で 分 配 さ れ る . さ ら に ， y中 に 回 溶 し た 合 金 元 素 の一部 は 凝 固 後 の 冷 却 過 程 あ る い は 熱 処 理 中 に二次 炭 化 物 と し て 析 出 し ， そ の 後 の γの 変 態 特 性 に 大 き く 影 響 す る . 多 種 類 の 合 金 元 素 を 合 む 本 合 金 系 の 凝 固 お よ び 固 相 変 態 の 機 構 は 複 雑 で あ る が ， 材 質 の 向 上 を 図 る た め に は ヲ こ れ ら の 現 象 を 十 分 に 理 解 す る 必 要 が あ る . そ こ で 本 研 究 で は ， ま ず ， 本 系 合 金 の 凝 固 過 程 を 抱 握 し う る 実 用 的 な 状 態 図 を 作 成 す る こ と を 目 的 と し た . さらに，
凝 固 お よ び 熱 処 理 過 程 で 生 じ る 諸 現 象 を 合 金 元 素 と く に V，W， Co， Ni との 関 連 で 解 析 す る と と も に 本 合 金 系 の 機 械 的 性 質 に つ い て も 系 統 的 研 究 を 行 い ， 耐 摩 耗 材 と し て 優 れ た 機 能 を 発 障 さ せ る た め の 合 金 設 計 に つ い て 指 針 を 示 し た .
第 一 章 で は ， 緒 論 と し て 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 に つ い て こ れ ま で 行 わ れ て き た 研 究 の 概 要 と 未 解 決 の 問 題 点 を 示 し た . 本 合 金 系 の 用 途 開 発 や 材 質 向 上 の た め に 凝 固 お よ び 熱 処 理 に お け る 組 織 形 成 過 程 と 機 械 的 性 質 に 関 し て ， 各 合 金 冗 素の挙 動 およ び 作 用 と 関 連 さ せ て 理 解 す る こ と の 重 要 性 を 示 し た .
第二章では， C が一般の高速度鋼より高い1. 8~4.4% 合有の，いわゆる 高炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 凝 固 過 程 を V お よ び C 量 と の 関 係 で 調 査 し た . 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 状 態 図 は 見 ら れ な い の で ， Fe‑5%Cr‑5%Mo‑5%W‑V‑C系 合 金 の 凝 固過程を解析して， M(Fe‑5%Cr‑5%Mo‑5%W)‑V‑C系 合 金 の 液 相 面 に つ い て の 擬三 元状 態 図 を 作 成 し た . こ の 状 態 図 に は 初 晶 と し て γ， d， M C， M3C が 現 れ， Fe‑V‑C系 合 金 お よ び Fe‑5%Cr‑V‑C系 合 金 の 状 態 図 と 類 似 し て い る . しか し ヲ 合 金 組 成 に よ っ て は 本 状 態 図 に 現 れ な い M2C 共 晶 や M7C3共 晶 が 品 出す る . こ れ は ， 凝 固 に お け る 残 液 の V，Cr， Mo， W 濃 度 が固 相 率の上 昇 ととも に 大 き く 変 化 し ， 残 液 中 の 各 炭 化 物 形 成 元 素 濃 度 が一定 以 上 に 達 す る と ， 各j尖‑ 化 物 が γとの共晶 と し て 晶 出 す る こ と が 原 因 で あ る . 初品 γ， γ+MC共 品 お よび γ + M2C 共 晶 に 対 す る 各 合 金 元 素 の 分 配 係 数 を 測 定 し ， Scheilの 式 を 用 い て 凝 固 時 の 回 相 率 と 残 液 中 の 合 金 元 素 と の 関 係 を 評 価 す る こ と が で き た . そ の 結 果 ， 合 金 組 成 と 凝 固 組 織 の 関 連 が 明 確 と な り ， 目 的 と す る 組 織 を 得 る た め の
合 金 設 計 が 可 能 と な る こ と を 示 し た .
第三 章で は ， 亜 共 品 組 成 域 で ， 耐 摩 耗 性 向 上 に 有 効 な 共 品
MC
を多量 に 品 出するF e ‑ 2 % C ‑ 5 . 5 % V ‑ 5 %C r ‑ 5 % Mo‑5 % W
を基 本 合 金 として，そ の 凝 固 過 程 に 及 ぼ すW，Co
お よ び Niの 影 響 に つ い て 調 査 し た . こ れ ら の 元 素 の 有 無 に よ る 晶 出 炭 化 物 の 種 類 の 変 化 は な か っ た が，W は ， 共 晶 M2C の晶出量に大きく 影 響する . W無 添 加 試 料 で は W 添 加 試 料 と 比 較 し て 固 相 率 が 上 昇 し な い と W 等 量が y + M2C 共 品 を 晶 出 す る に 必 要 な 値 に 達 し な い こ と か ら ， W 無 添 加 で はγ + M2C共品温度が低下し， M2C炭 化 物量が減少する.第 四 章 で は ， 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 で の 黒 鉛 の 晶 出 過 程 に つ い て 示 し た . 熱 間 圧 延 用 ワ ー ク ロ ー ル に 黒 鉛 を 微 量 品 出 さ せ る と ， 耐 焼 付 き 性 ， 耐 肌 荒 れ 性 が 改 善される. し か し ， 黒 鉛 晶 出量お よ び 分 布 状 態 は 用 途 に 応 じ て 制 御 す る 必 要 が あ り ， 黒 鉛 の 晶 出 過 程 を 十 分 に 理 解 し な け れ ば な ら な い . V，
C r
， Nb，Mo
等 の 炭 化 物 形 成 元 素 を 多 く 合 有 し て い る 本 合 金 系 で も ， 黒 鉛 化 助 長 元 素 の Ni，Si を 添 加 し， 適切 な 合 金 設 計 を 行 う こ と で 黒 鉛 を 晶 出 さ せ る こ と が で き た . 凝 固 の 進 行 に 伴 い 残 液 中 の 各 合 金 元 素 の 濃 度 は 大 き く 変 化 す る が ， 黒 鉛 の 品 出 に は ， 炭 化 物 品 出 に よ る 残 液 中 の 炭 化 物 形 成 元 素 の 減 少 と ， Ni の初期濃度維持， Si の 増 加 が 必 要 で あ っ た . 融 液 の 黒 鉛 化 能 を 各 合 金 元 素 の 炭 素 溶 解 度 パ ラ メ ー タm 3 i
に 合 金 濃 度C L I
を乗じた総和エC
しI m j '
で表すと，残液の2:C
しI m ' j
が あ る 最 小 値 に な っ た と き に 黒 鉛 が 品 出 し た . さらに， Si接 種 量 の 増 加 ， 冷 却 速 度 の 減 少 により 黒 鉛 の 晶 出 量 が 増 加 し ， そ の 分 布 状 態 も 変 化 す る . し た が っ て ， 合 金 組 成 ， 冷 却 速 度 お よ び 接 種 量 を 調 整 す る こ と に よ り ， 黒 鉛 の 品 出 状 態 を 制 御 す るこ と が で き る .
第 五 章 で は ， 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 熱 処 理 特 性 に 及 ぼ す 合 金 元 素 の 影 響 に つ い て 示 し た.凝 固 直 後 の 初 晶 γ内 の 合 金 元 素 分 布 が そ の 後 の二次 炭 化 物 析 や 熱 処 理 特 性 に 大 き く 影 響 し て い る . γ +炭 化 物 域 に 保 持 し た 時 に 析 出 す る 一 次 炭 化 物 は ， 合 金 元 素 の 偏 析 状 態 に 対 応 し て ， デ ン ド ラ イ ト 中 心 部 で は
MC
， 共晶 M2C炭 化 物 近 傍 で は M6Cが 多 く 析 出 す る .ま た ， 本 合 金 系 の
CCT
図を作成し，Co
はMs
点を上昇させ， パーライ ト お よ び ベ イ ナ イ ト の 臨 界 冷 却 速 度 を 大 き く す る こ と ， W はMs
点 を 上 昇 さ せ ， ベ イ ナ イ ト の 臨 界 冷 却 速 度 を 大 き く す る 作 用 が あ る と と を 示 し た .‑98‑
焼 入 れ 硬 さ はョマ ル テ ン サ イ ト の 硬 さ と量司 したが って γに同溶 す る C 量 と 合 金 元 素量に 依 存 し ， 各 合 金 ご と に 最高硬 さ を 示 す 焼 入 れ 温 度
(T
つ が あ る. とくに Coは T*を 越 え て 焼 入 れ で も 硬 さ の 低 下 が 少 な い . 一方， Ni添 加 は 残 留 γ量を 増 加 さ せ ， 硬 度 を 低 下 さ せ る . ま た ， 焼 戻 し に よ り 全 て の 試 料 が 823Kで二次 硬 化 を 示 す . と く に Coは 焼戻 し二次 硬 化量を大きくし，また， 823K に 長 時 間 保 持 し で も 硬 さ の 低 下 が 少 な い こ と を 明 ら か に し た .第 六 章 で は ， 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 機 械 的 性 質 に 及 ぼ す W，Co， Niの 影 響 を 熱 間 圧 延 ロ ー ル に と っ て も 重 要 な 特 性 で あ る 高 温 硬 さ 試 験 ， 高 温 圧 縮 試 験 お よ び 工 具 鋼 等 の 強 度 お よ び じ ん 性 の 評 価 に 用 い ら れ る 曲 げ 試 験 に よ り 調 査 し た . 局 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 高 温 圧 縮 強 さ は ， 従 来 材 の 高 ク ロ ム 鋳 鉄 と 比 較 し て 823K に お い て も よ り 高 い 強 度 を 保 持 し て い た . 硬 さ と 圧 縮 強 さ は 温 度 の 上 昇 と と も に低下するが 3 室温 ~923K までの亜共品組成試料の圧縮強さは硬さの増加と
と も に ほ ぼ 直 線 的 に 上 昇 し ， 硬 度 か ら 圧 縮 強 さ を 推 測 で き る こ と が わ か っ た . 高 温 軟 化 抵 抗 の 大 き い Co添 加 試 料 は 高 温 で も 高 い 圧 縮 強 さ を 示 し た が ， Ni 添 加 試 料 は 773K以 上 で 大 き く 低 下 し た . 一方， W 添 加 の 影 響 は ほ と ん ど 認 め
ら れ な か っ た . 曲 げ 強 さ も ほ ぼ 硬 さ の 増 加 と と も に 上 昇 す る . し た が っ て ヲ 硬 さ を 上 昇 さ せ る Coは 曲 げ 強 さ を 高 め ， 硬 さ を 低 下 さ せ る Niは 低 下 さ せ た . し か し ， 曲 げ に よ る き 裂 は γ + M2C 共 品 部 を 伝 播 す る た め ヲ M2C 量 が 減 少 す る W 無 添 加 試 料 は 強 度 は 上 昇 す る と 考 え ら れ た が ， 逆 に 低 下 し た . M2C 炭 化 物 は 初 晶 γの デ ン ド ラ イ ト セ ル 間 隙 に 少 量 で 連 続 的 に 晶 出 す る た め 強 度 が 低 下 す る と 考 え ら れ ， 曲 げ 強 度 は 試 料 の 硬 さ だ け で は な く M2C 炭 化 物 の 分 布 の 影 饗 も 大 き い . 強 度 特 性 を 向 上 さ せ る た め に は ， 硬 さ を 増 加 さ せ る Coの添加と，
適 度 な M2C分 布 が 得 ら れ る W の 添 加 が 有 効 で あ る .
以 上 の よ う に 本 研 究 は ， 高 炭 素 ハ イ ス 系 合 金 の 凝 固 か ら 機 械 的 性 質 ま で 系 統 的 に 研 究 し た も の で あ り ， 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 は ， 製 鉄 ・ エ ネ ル ギ ー ヲ そ の 他 の 産 業 分 野 で 利 用 さ れ る 耐 摩 耗 材 の 材 質 改 善 や 高 性 能 材 料 の 開 発 に 寄 与 す る こ と を 期 待 し て い る .
謝 辞
本 研 究 の 遂 行 に あ た り ， 適 切 な ご 指 導 と ご 配 慮 を 承 り ま し た 大 城 桂 作 教 授 ， 桑 野 正 司 教 授 ， 宮 原 広 郁 助 教 授 に 心 よ り 感 謝 の 怠 を 表 し ま す .
ま た ， 論 文 校 閲 の 労 を と ら れ ， 貴 重 な ご 助言を 賜 り ま し た 小 野 寺 龍 太 教 授 ， 向 木 節 雄 教 授 に 深 く 感 謝 い た し ま す.
さ ら に ， 実 験 を 行 う 上 で ， 多 く の 助 言 を 頂 き ， ま た ， EPMA分 析 ヲ 実 験 装 作 製 で ご 協 力 を 頂 い た 村 井 典 子 助 手 ， 若 杉 孝三技 官 ， 西 畑 義 員JI技 官 に 深 く 感 謝 い た し ま す .
平 成 11年 12月 著 者
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