酸化の影響
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第四章 高温エロージョン摩耗挙動に及ぼす酸化の影響
4. 1 緒言
本研究に け 高温エロージョン摩耗試験 ，Fig.4. 1に示すErosion-Oxidation Map1,2） 推定す とア ナ粒子の衝突速度 速く，粒径 大 いた ，エ ロージョン支配領域に入 と考え ，10 サイク 実験後の測定 あ た
に，加熱時の ケー の生成と摩耗挙動 明 と い い．
そこ ，3%C高クロム鋳鉄のCr量を変化さ 本実験条件に い 酸化の影響 実用 無視 固溶Cr量を求 た． た，酸化しやすい3C-12Cr鋳鉄と酸 化し難いオー テナイト テン 鋼SUS310Sを主に用い ，加熱-粒子衝突の サイク 数を変えた試験を行い酸化と摩耗の進行状況を観察 し エロージョン 摩耗に及ぼす酸化の影響を明 にした．
4. 2 実験方法
4. 2. 1 供試材
2章 述べた鋳造法に 作製した3C-12Cr鋳鉄，3C-17Cr鋳鉄，3C-22Cr 鋳 鉄，3C-27Cr鋳鉄，1.4C-27C-3Ni鋳鉄，及び市販の圧延材SUS310S，SUS430を 用いた．SUS310S 及び SUS430 の化学成分を Table4. 1 に示す． た，3C-12Cr 鋳鉄，3C-17Cr鋳鉄，3C-22Cr鋳鉄，3C-27Cr鋳鉄の4 種 鋳放し材(As Castと 称す)の他熱処理材(HTと称す) 試験に用いた．熱処理方法 1323Kに加熱し 2時間保持後室温 空冷し，続い 723K 2時間保持した後室温 炉冷の 熱処理を施した．
4. 2. 2 高温エロージョン摩耗サイク 試験方法
酸化と摩耗の進行状況を調査す た 加熱-粒子衝突のサイク 数を変えた試 験を行 た．サイク 試験パターンをFig. 4. 2に示す．試験要領 ，3章Fig. 3. 2 に示した うに繰 返し10 サイク 行う試験に対し，1，2，3 サイク 試験 を止 摩耗面の観察，摩耗重量測定，摩耗最大深さ， 及び摩耗断面の組織の 観察に 酸化と摩耗の進行を調査した．3C-12Cr鋳鉄及びSUS310S 1，2，3，
10サイク ，3C-17Cr鋳鉄，3C-27Cr鋳鉄 3，10サイク の試験を行 た．
た，各サイク 間の酸化量を観察す た 3C-12Cr 鋳鉄及び SUS310S の 1，2
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サイク ア ナ粒子衝突後に装置内 放冷した試験片と，30 分の再加熱後 にア ナ粒子を射出 に 773K に加熱した圧縮空気の を吹 付け こと 摩耗の無い1サイク の酸化状態を再現した．圧縮空気を30秒吹 付けた後 通常試験の終了時と同様に炉内 放冷した．
3C-22Cr鋳鉄，1.4C-27C-3Ni鋳鉄，SUS430に い 10サイク の 試験を
行 た．
4. 2. 3 ケー 厚さ測定
サイク 試験後の試験片の摩耗面の ケー 膜厚を断面 光学顕微鏡に 測 定した．測定部位 試験片端のア ナ 粒子の衝突し い位置 測定した．
た，1，2 サイク に い 最大摩耗深さ近傍の再加熱前後の ケー 厚さ 測定した．
4. 2. 4 XRD ケー 同定
サイク 試験終了後の試験片表面のXRD分析を行 た．X線源とし Co管 球を用い，30kV-100mA， ポット径約20mmの条件 走査領域2θ，10～105deg.
の範 得 た回折 ーク 同定を行 た．
4. 2. 5 SEM-EDX観察( ケー 組成)
3C-12Cr鋳鉄の1サイク 試験後摩耗断面の ケー 組成をSEM-EDX，加速
電圧15kV 観察した．
4. 3 実験結果
4. 3. 1 高温エロージョン摩耗試験結果
3C-12Cr鋳鉄，3C-17Cr鋳鉄，3C-22Cr鋳鉄，3C-27Cr鋳鉄As Cast及びHTの 摩耗表面外観写真と等高線図をFig. 4. 3及びFig. 4. 4に示す．Fig. 4. 5及びFig. 4.
6に断面プロフ イ を示す．
等高線図及び断面プロフ イ た摩耗面を比較す と，Cr 増加す に 伴 摩耗量 減少し い ．
た，Fig. 4. 7にCr量と ー 顕微鏡 測定した摩耗深さの関係を示す ，
Cr量 増加す に伴 摩耗量 減少し い ．
4. 3. 2 高温エロージョン摩耗サイク 試験結果
摩耗試験前後の重量変化とサイク の関係をFig. 4. 8に示す．初期の重量変化
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マイナ と の ，酸化に 試験片重量 増加したということ あ ．
3C-12Cr鋳鉄 最初マイナ と重量増加 た後，直線的に摩耗減少量 増
加し い ．SUS310S 2サイク 目 ぼゼロ 3 サイク 目 摩耗
減少量 双曲線的に増加し い ．3サイク 試験を行 た3C-17Cr鋳鉄 最初 マイナ 直線的に増加し い う あ ，3C-27Cr 鋳鉄 SUS310S に近 い放物線的 摩耗曲線を示し い う あ ．
サイク 毎の摩耗表面の外観写真をFig. 4. 9， ー 顕微鏡等高線図をFig. 4.
10に， た断面プロフ イ をFig. 4. 11及び4. 12に示す．サイク を繰 返 すと次第に ップ マーク 鮮明に 変形 大 く ．3C-12Cr鋳鉄 1サ イク 既に 形状と い ，広い面積 摩耗 進行し い ．SUS310S
1サイク ップ マーク ッキ と現 塑性変形 大 い 3C-12Cr
鋳鉄の様に 形状と ベー ライン ぼ一直線 あ ，3サイク その傾向 変わ 塑性変形 大 い 摩耗 進行し い い．10 サイク の等高線図を と 3C-12Cr 鋳鉄 視野を 出す程大 楕 状の摩耗痕
特徴的 ，こ 外観 ケー の く離に のと考え ．
4. 3. 3 ケー 厚さ測定結果
サイク 試験 生成したア ナ粒子の衝突し い い ケー 断面の光学 顕微鏡写真をFig. 4. 13に示す． た，3C-12Cr鋳鉄の2サイク 後と再加熱後 の摩耗部 ケー 断面の光学顕微鏡写真を Fig. 4. 14 に示す． ケー 組成
4.3.4のXRD測定結果 述べ ，再加熱後に新たに生成した ケー Fe2O3
あ 色合いの違い 判断し 厚 を測定した．
サイク 試験の結果を サイク 数と ケー 厚さ及び最大摩耗深さ の関係を
Fig. 4. 15に示す．3C-12Cr鋳鉄の定常酸化部(非摩耗部) 1サイク 目 既に
約40μmの ケー 厚さ 観察さ ，10サイク の ケー 厚 少し増加した
け 約50μm あ た．Fig. 4. 16に示す うに高クロム鋳鉄の基地 固溶Cr
量 低く M7C3炭化物 優 酸化す 不均一酸化 あ ケー 厚 さ 基地の最大深さを測定した．Crを含有す M7C3 バ アと 酸化 停滞 し一定の深さ 進行しにくいと考え ． こ に対し 摩耗部 再加 熱に 増加した ケー 厚さ ，1 サイク 目 約 4μm，2 サイク 約 7 μm あ ，1サイク 摩耗面に 新たに4μm以 の ケー 生成す こ
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と 判明した． ，試験後の冷却中に新たに生成した ケー 光学顕微鏡 観察さ たた ，試験後の酸化増量 無視 ．
SUS310Sに い 1サイク 1μm以 あ 光学顕微鏡 測定 ，
10サイク 約6μmと ケー 厚さ 薄 た．
ア ナ粒子衝突に ケー の変化を と，外層 ケー く離し い ，内層 ケー 摩耗面に一部押し込 い ．た し，生成した ケー に対し 押し込 た ケー 少 く， 生成した ケー エロー ジョン試験 と く離し い ．
4. 3. 4 XRD測定結果
XRD測定結果をFig. 4. 17に示す．3C-12Cr鋳鉄及びSUS310Sと にFe3O4と Fe2O3 同定さ た．SUS310Sの Cr2O3の ーク Fe2O3の ークと重畳し 同
定 た． た，3C-12Cr鋳鉄に M7C3とαｰFe ，SUS310Sに σ
(FeCr)とγ-Fe 検出さ た．σ(FeCr) 表面 検出さ た 10サイク 試験後
内部に 検出さ た．摩耗面にAl2O3 検出さ た 衝突粒子 あ ア ナ粒子 破 し 付着した物と考え ．
4. 3. 5 SEM-EDX観察結果( ケー 組成)
摩耗を受け い い ケー の断面を面分析した結果をFig. 4.18 に示す．写 真の 方の試験中空気に晒さ いた面に 外層 ケー FeとO 検 出さ た．内部 Fe濃度の高い基地と，Cr濃度の高いCr炭化物 確認 た．
この Cr 炭化物に面し Cr の濃化と酸素 同 個所に一致し 検出さ い こと Cr2O3 あ と判断さ ．その周 の内層 ケー に Fe，Cr，O
検出さ XRD 同定さ たFe3O4 M3O4(M：Fe，Cr) あ と判断さ
．
3）
その外にあ 外層 ケー Cr を全く含有し Fe2O3と推測さ
．
4. 4 考察
4. 4. 1 エロージョン摩耗に及ぼす ケー の影響
3C-12Cr 鋳鉄のサイク 試験の定常酸化部と摩耗部のサイク 数と ケー
厚さの関係をFig. 4. 15に示す．定常酸化部の約50μmに対し 摩耗部 述した うに ケー く離し い た 2~10 サイク 目 の ケー
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厚さを 4μmェ9＝40μm 新たに生成したと考え 1 サイク 目の ケー 厚 さ40μmに40μmを加え80μmと すこと ．摩耗の影響を受け い い10サイク 目の ケー 厚さ約50μm と摩耗面 生成す ケー
， く離を繰 返すた に1.6倍多く いた．後述す うに3C-12Cr 鋳鉄の10サイク 後の最大摩耗深さ 178μm あ エロージョン摩耗に及ぼ す酸化の影響 大 い．
ケー ア ナ粒子の衝突に 外層 ケー Fe2O3 く離し，密着性 の高い内層 ケー Fe3O4 の一部 く離 に基地と一緒に塑性変形し 舌 状突起に巻 込 いた．
Fig. 2. 9 示した うにCr/C 小さく と基地中のCr量 減少す た 酸
化しやすい．鋳造の 使用さ 高クロム鋳鉄の場合に 非平衡凝固した組 織 ，高温 使用さ こと 安定 M7C3二次炭化物 析出し固溶 Cr 量 減 少す ． た，後述す うに試験中に 加工歪 に 拡散 促進さ こ と M7C3二次炭化物 析出し，基地の固溶 Cr 量 減少す た 試験中の耐酸 化性の低 免 い．す わち添加 Cr 量 く基地中の固溶 Cr 量 耐酸化 性を決定す ことに ．
ここ Fig. 4. 19にサイク 試験の供試材に加え 3C-22Cr鋳鉄，SUS430の 2
種類の固溶 Cr 量と 10 サイク 試験片の ケー 厚さの関係を示す．基地中の 固溶 Cr 量 10%程度 ケー 厚 30μm 以 あ 12%以 と と
ケー 厚さ 薄く い こと ，12%以 Cr 固溶し い 実用 耐酸化性に有効 あ といえ ． た，添加Cr量 2章 述べたFig. 2. 9のCr/C 比と固溶Cr量の関係 C/Cr比 決 ．たとえ 3%Cの高クロム鋳鉄に い と，添加Cr量 18%以 固溶Cr量12%以 と ．
4. 4. 2 摩耗の進行挙動
Fig. 4. 8 示した うに摩耗の進行挙動をサイク 数と重量減少量 と，
3C-12Cr 鋳鉄 直線的 摩耗挙動，酸化 少 い SUS310S 双曲線的 摩耗挙
動 変化し いた．一方，サイク 数と最大摩耗深さ とFig. 4. 20に示す うに摩耗の進行挙動 3C-12Cr 鋳鉄 ぼ放物線的 あ ，SUS310S 直線
的 あ ．こ ，Fig. 4. 11及び4. 12のサイク 試験断面プロフ イ を
と理解しやすく，3C-12Cr 鋳鉄 ぼ定常的に摩耗 進行し い のに対し
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SUS310S 3 サイク 塑性変形の 摩耗 と 見 い．す
わち，3C-12Cr 鋳鉄 酸化-摩耗の繰 返し 摩耗 進行し い のに対し ，
SUS310S 初期に 塑性変形し 形成さ 最大摩耗深さ 深く 重
量減少 いこと 摩耗片 生成し ，サイク 増え塑性変 形量 あ 臨界点を超え と摩耗片の脱落 始 重量 減少す という摩耗 の進行挙動 あ ．
た，酸化 比較的多い 3C-17Cr 鋳鉄の摩耗挙動 3C-12Cr 鋳鉄に類似し，
酸化 少 い3C-27Cr鋳鉄の摩耗挙動 SUS310Sに類似した摩耗曲線を示し
いた ，共晶組織 脆性材料 あ 3C-27Cr 鋳鉄 高延性材料 あ SUS310S と類似の摩耗挙動を示すこと 興味深い．この点 6章 詳述す ．
4. 4.3 高クロム鋳鉄のエロージョン摩耗に及ぼす熱処理の影響
3C-Cr鋳鉄のAs Castと3C-Cr鋳鉄HTを比較す とFig. 4. 7に示す うに，
高Cr含有量 As Cast HTの摩耗量 少 く，低Cr量 HT
As Castの摩耗量 少 い．3C-Cr鋳鉄 熱処理に マト ック に二次炭
化物 析出す の ，高温硬さ 昇し 摩耗量 減少す と考え ．他 方，二次炭化物 析出す ことに 固溶 Cr 量 減少す た 低 Cr 鋳鉄
耐酸化性 低 し ，摩耗量 増大す と考え
二次炭化物の析出に 摩耗量の増減 Cr量 17%と22％の間にあ 添加 Cr量 と3%Cの高クロム鋳鉄 18%以 のCr量 必要との結果と一致 し い ．
4. 5 結言
加熱-粒子衝突のサイク 数を変えた試験を行い酸化と摩耗の進行状況を詳細 に観察した結果，次の点 判明した．
1) 3C-Cr鋳鉄の摩耗量 ，Cr量 増加す に伴 減少し 3C-27Cr鋳
鉄の熱処理品の摩耗量 最 少 い．
2) 3C-12Cr鋳鉄 ，摩耗部 ケー の く離-再酸化を繰 返すた 摩耗し
い い定常酸化部の1.6倍の ケー 生成し ，摩耗に及ぼす ケ