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Improvement of Hot Wear Characteristic of High Speed Tool Steel Roll by Increase in Cr and Mo Contents Kenji ICHINO, Shin ISHIKAWA, Yoshihiro KATAOKA

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鉄 と 鋼Tetsu・to-Hagae Vol.89 (2003) No,6

Cr,Mo増

量 に よ る ハ イ ス ロ ー ル 材 の

熱 間 摩 耗 特 性 の 向 上

市 野 健 司*・ 石 川 伸*・ 片 岡 義 弘*2・ 豊 岡 高 明*

Improvement of Hot Wear Characteristic of High Speed Tool Steel Roll by Increase in Cr and Mo Contents Kenji ICHINO, Shin ISHIKAWA, Yoshihiro KATAOKA and Takaaki TOYOOKA

Synopsis : The influence of alloying elements on microstructure and wear resistance of High Speed tool Steel roll (HSS roll) was studied in order to

prove wear resistance and surface deterioration resistance of HSS roll. Although the volume of eutectic M7C3 carbide increased with the

crease in C and Cr contents, wear resistance was not improved. The increase in Cr and Mo contents in good balance improved the wear

tance of HSS Roll remarkably, as eutectic carbide of M7C3 type became tough and the damage on the worn surface was prevented.

The destructive prevention mechanism of carbide was discussed from change of the alloy concentration and the lattice constant of carbide by increasing in Cr and Mo contents.

Key words : hot strip mill; high speed tool steel roll; cast roll; wear resistance; eutectic carbide.

1. 緒 言 熱 延 鋼 板 の 品 質 ・生 産 性 向 上 お よび ロ ール 原 単 位 低 減 を 目 的 と して,仕 上 げ用 ワー ク ロー ル に は 耐 摩 耗 性 に 優 れ た ハ イ ス ロ ー ル が 使 用 され て い る。 ハ イ ス ロ ー ル は,V,Nb あ る い はWな どの 添 加 に よ り,極 め て 硬 質 なMCやM2C 炭 化 物 を金 属 組 織 に 多量 導 入 す る こ と で,耐 摩 耗 性 を従 来 ロ ー ル に 比 べ て4∼5倍 向 上 し た ロ ー ル で あ る 。 しか しな が ら,近 年 の 圧 延 技 術 の 進 歩 に と も な い,鋼 板 の 薄 肉 ・高 合 金 化,連 続 圧 延 量 の 増 大 な ど が進 め られ,よ り過 酷 な使 用 に耐 え る高 性 能 ・長 寿 命 ハ イ ス ロ ール が要 求 され る よ う に な っ た 。 仕 上 げ 前 段 ス タ ン ド用 ロ ー ル に 要 求 され る主 な 課 題 は, 耐 摩 耗 性 と耐 肌 荒 れ 性 の 向 上 に あ る 。 と くに,大 きな 熱 負 荷 が 加 わ る最 前 列 で 使 用 され る ロ ー ル は,ヒ ー トク ラ ッ ク の 成 長 と微 小 欠 落 ち に起 因 し た 肌 荒 れ が 発 生1)す る た め, ロ ー ル 改 削 量 の 増 加 と連 続 圧 延 量 の 制 限 が必 要 と な る 。 ま た,ハ イ ス ロー ル 特 有 の 現 象 と して,圧 延 荷 重 が 増 大 して 鋼 板 の ス ケ ー ル 疵 を誘 発 す る問 題2・3)もあ る 。 圧 延 荷 重 増 加 の 抑 制 に は,共 晶 炭 化 物 を増 量 す る こ と が 有 効 で あ る4) が,共 晶 炭 化 物 は 亀 裂 の 発 生 ・伝 播 経 路 と な り ロ ール 肌 荒 れ を促 進 す る56)。 こ の よ う に,共 晶 炭 化 物 の 役 割 は 非 常 に重 要 で あ る に もか か わ らず,ハ イ ス ロー ル の 炭 化 物 損 傷 に着 目 した 研 究 は これ ま で ほ と ん どな い 。 と こ ろ で,ハ イ ス ロ ー ル は 一 般 的 に は 連 続 肉 盛 り 法 (CPC法)7,8)で 製 造 され,こ の 製 法 で は 合 金 偏 析 が 少 な く 材 質 設 計 の 自 由 度 が 大 きい こ とか ら,耐 摩 耗 性 を担 う硬 質 なMCあ る い はM2C炭 化 物 を さ ら に富 化 させ た ロ ール 開 発 が 指 向 され て い る9)。一 方,従 来 の 遠 心 鋳 造 法 で は 炭 化 物 の 比 重 差 に起 因 した 遠 心 分 離現 象 が あ り,前 述 の よ う な硬 質 炭 化 物 の 増 量 に は 制 限 が あ るl0,11).しか し,遠 心 鋳 造 法 で 高 性 能 ・長 寿 命 を達 成 す る材 質 設 計 が可 能 に なれ ば,エ ネル ギ ー コ ス ト面 で 圧 倒 的 に有 利 とな る。 この よ う な背 景 か ら,遠 心 鋳 造 法 に よ るハ イ ス ロ ール の 耐 摩 耗 性 と耐 肌 荒 れ 性 の さ らな る向 上 を 目的 と して,亀 裂 の 起 点 お よび 伝 播 経 路 と な る炭 化 物 に着 目 し,耐 摩 耗 性 と 炭 化 物 破 壊 に 及 ぼ す 合 金 組 成 の 影 響 と冶 金 的 因 子 を研 究 調 査 した 。 この 結 果,CrとMo量 の 増 加 に よ り,遠 心 分 離 現 象 の 少 な いM7C3共 晶 炭 化 物 を 増 量 させ る こ と で ハ イ ス ロー ル 材 の 耐 摩 耗 性 が 著 し く向上 す る こ と ,並 びに,炭 化 物 の 破 壊 が 著 し く抑 制 され る こ と を見 出 した 。 これ に 基 づ き開 発 した 高Cr高Mo組 成 の 遠 心 鋳 造 ハ イ ス ロ ー ル は,実 機 使 用 に お い て 表 面 損 傷 が 著 し く抑 制 され,最 前 列 ス タ ン ドで の ロー ル 寿 命 も従 来 の 遠 心 鋳 造 ハ イス ロ ー ル の4倍 に 向 上12)し て い る。 本 報 で は,熱 間 摩 耗 特 性 と炭 化 物 の 形 態 に 及 ぼ すCr, Mo,Vお よびNbの 影 響 を明 らか に し,Cr,Moに よ るハ イ ス ロ ー ル の 耐 摩 耗 性 向 上 の 冶 金 的 機 構 を 考 察 した。

平 成14年10月16日 受 付 平 成15年1月7日 受 理(Received on Oct.16,2002;Accepted on Jan.7,2003) *JFEス チ ー ル(株)ス チ ー ル 研 究 所(SteelResearchLab.,JFE Steel Corp.,11 Kawasaki-cho Handa 475-8611) *2JFEス チ ー ル(株)知 多 製 造 所(Chita Works,JFE SteelCorp.)

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Cr、Mo増 量 に よ る ハ イ ス ロ ー ル 材 の熱 間 摩 耗 特性 の 向 ヒ 681 2. 実 験 方 法 2・1 供 試 材 耐 摩 耗 性 に 及 ぼ す 炭 化 物 の 量 と 組 成 の 影 響 を 調 べ る た め にC,Crお よ びMoを 変 化 さ せ,そ れ 以 外 の 組 成 はmass% で0.35%Si-0.4%Mn-5%V-1.5%Nbと 一 定 に し た 試 料 を 作 成 し た 。 ま た,MC炭 化 物 の 量 と 形 態 の 影 響 を 調 べ る た め にVとNbを 変 化 さ せ,そ れ 以 外 の 組 成 はmass%で3%G O.3%Si_0.4%Mn_16%Cr_6%Moと 一 定 に し た 試 料 も 作 成 し た 。 こ れ らの 供 試 材 の 化 学 組 成 をTablelに 示 す 。 試 料 は, 大 気 溶 解 し,鋳 込 み 温 度15000Cで 肉 厚35mmのY型 キ ー ル ブ ロ ッ ク 砂 型 に 鋳 造 し た の ち,10500Cか ら 焼 入 れ て 5500Cで 焼 戻 す 熱 処 理 を 行 っ て 硬 さ を シ ョ ア 硬 さ(Hs)で 80±2Hsに そ ろ え た 。 熱 処 理 後 の 試 料 を 王 水 で 腐 食 し,ミ ク ロ 組 織 を 観 察 す る と と も に 画 像 解 析 装 置 を 用 い て 白 く 見 え る 炭 化 物 の 面 積 率 を 視 野 面 積35.8mm2と し て 定 量 し た 。 な お,定 量 し た 炭 化 物 に は,ネ ッ ト状 に 見 え る 炭 化 物(X線 回 折 に よ り,主 に M7C3炭 化 物 で あ る こ と を 確 認 し て い る)と,微 細 粒 状 に 点 在 す るMC炭 化 物 が 混 在 す る 。 以 降,と く に 説 明 し な い 限 り,M7C3炭 化 物 とMC炭 化 物 の 両 方(す な わ ち,エ ッ チ ン グ し て 白 く 見 え る 炭 化 物)を 示 す と き は,単 に"炭 化 物:carbide",M7C3炭 化 物 は"共 晶 炭 化 物:eutecticcarbide" と 記 述 す る 。 2・2 熱 間 摩 耗 試 験 と炭 化 物 損傷 の 定 量 Fig.1に 示 す2円 盤 の 転 が り滑 り方 式 の 熱 間 摩 耗 試 験 機 を用 い,被 圧 延 材 に 相 当 す る相 手 片(S45C)を800℃ に 加 熱 し,す べ り率14.2%,荷 重980N(室 温 換 算 で440MPa の 接 触 面 圧 に相 当),試 験 片 周 速2.1m/sの 条 件 で 摩 耗 試 験 を実 施 した。 試 験 片 は 図 の よ うに 水 冷 す る こ と に よ り表 面 温 度 を4300Cに 維 持 した 。 な お,転 動 数 の 増 加 に と もな い 相 手 片 が変 形 して 試験 片 表 面 の 負 荷 が減 少 す る こ と,お よ び,試 験 片 表 面 に 十 分 な 疲 労 を印 加 させ る こ と を考 慮 して, 12,000回 ご と に 相 手 片 を 更 新 し,試 験 片 の 累 積 回 転 数 が 144,000回 に達 す る まで 摩 耗 試 験 した 後 に,試 験 片 の 摩 耗 重 量 を測 定 した 。 ま た,144,000回 後 の 摩 耗 面 をSEM反 射 電 子 線 像 で 観 察 (視 野 面 積:1.7mm2)し,摩 耗 面 に存 在 す る炭 化 物 の 亀 裂 個 数 を定 量 した 。 こ こ で,共 晶 炭 化 物 に 生 成 した 亀 裂 個 数 は,交 絡 す る亀 裂 は そ れ 全 体 を1と して 数 え,交 絡 しな い 亀 裂 は 個 々 に その 亀 裂 数 を数 え た 。 な お,MC炭 化 物 は微 細 粒 状 を示 し,そ の 粒 子 が 粉 砕 され る よ う に 複 数 の 亀 裂 が 形 成 され る こ と か ら,亀 裂 が 生 成 したMC炭 化 物 の 個 数 を亀 裂 個 数 と して数 え た 。 これ らの 合 計 を炭 化 物 の 亀 裂 個 数 と して 定 量 値 と した 。 2・3 炭 化 物 の性 状 変 化 の 確 認 Cr,Mo増 量 に よ る炭 化 物 性 状 の 変 化 を 把 握 す る た め, Cr,Mo量 を変 化 させ た 試 料 の 共 晶 炭 化 物 の 合 金 元 素 濃 度 をEPMAに よ っ て 分 析 した 。 分 析 点 は そ れ ぞ れ5箇 所 以 上 と し,分 析 結 果 をZAF法 で 補 正 して そ の 平 均 値 を定 量 値 と した 。 ま た,共 晶炭 化 物 を電 解 抽 出 してX線 回折 で 同 定 す る と と も に,そ の 格 子 定 数 を 測 定 し た 。 な お,X線 チ ャ ー トの 高 角 度 側 で の 回 折 ピ ー ク が低 く ブ ロ ー ドで あ っ た こ と か ら,Nelson-Rileyの 外 挿 関 数 を 用 い る と と も に Cohenの 方 法13)に 従 って 最 小 自乗 法 に よ り格 子 定 数 を算 出 した 。 3. 実 験 結 果 3・1 炭 化 物 の 量 と形 状 に 及 ぼ す 合 金 元 素 の 影 響 炭 化 物 の 量 や 形 状 は ロ ー ル の 摩 耗 特 性 に影 響 を及 ぼ す と 考 え られ る た め,炭 化 物 の量 と形 状 に 及 ぼ す 合 金 元 素 の影 響 を調 べ た 。 Fig.2に 炭 化物 量 とCrお よびC量 の 関 係 を 示 す 。 炭 化 物 量 はCrとC量 で 大 き く変 化 す る 。C量 を3mass%一 一定 と した 場 合,Cr量 の 増 加 と と も に 共 晶 炭 化 物 が 増 加 した 。 Cr量 が8mass%と12mass%の 試 料 で はMo量 を変 化 させ た が,共 晶 炭 化 物 量 に大 きな 変 化 は 見 られ な か っ た 。 ま た, MC炭 化 物 量 はC,Crお よびMo量 に よ っ て,ほ と ん ど変 化 しな か っ た 。 な お,16mass%Cr含 有 試 料 で はVとNb量 を変 化 させ た が,共 晶 炭 化 物 量 は ほ と ん ど 変 化 せ ず,後 述

Table 1. Chemical composition of specimens.

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682 鉄 と 鋼Tetsu-to-Hagan6Vol.89 (2003)No,6 a) b) c) d) す る よ う にMC炭 化 物 の 形 態 が 変 化 し た 。C,Crお よ びMo 量 を 変 化 さ せ た 試 料 の 炭 化 物 組 織 の 一 例 をFig.3に 示 す 。 試 料a(3C-6Cr-2.5Mo)を ベ ー ス 組 成 と し,試 料b(3.5C-6Cr-2.5Mo),試 料c(3C-12Cr-2.5Mo),お よ び 試 料d(3G l2Cr-5Mo)は,そ れ ぞ れC,Cr,お よ びCrとMo量 を 増 加 し た 試 料 で あ り,試 料b,c,dの 炭 化 物 量 は 約20%と 同 等 で あ る 。 こ れ ら 試 料 の 炭 化 物 は,合 金 元 素 量 の 変 化 に か か わ ら ず ほ と ん ど 同 じ形 状 を 示 し て い る 。 つ ま り,本 実 験 の 成 分 範 囲 で は ,C,Crの 増 量 に よ り 共 晶 炭 化 物 は 増 加 す る が,Mo量 は 炭 化 物 量 に 大 き な 変 化 を 与 え な い こ と,C,Crお よ びMo量 に よ っ て 炭 化 物 の 形 状 は ほ と ん ど 変 化 し な い こ と が 確 認 さ れ た 。 3・2 耐 摩 耗 性 に 及 ぼ す 合 金 元 素 の 影 響 摩 耗 量 に 及 ぼ すCr,Moの 影 響 をFlg.4に 示 す 。 こ こ で, Cr,Mo以 外 の 元 素 量 は,3%C-0.3%Si-04%Mn-5%V-1.5%Nbで 一一定 で あ る 。Mo量 を5∼8mass%に 増 加 す る こ と に よ り 摩 耗 量 が 著 し く 減 少 し,8Cr材 よ り も12Cr材 の ほ う が 摩 耗 量 の 減 少 が 大 き い 。 各 試 料 の 摩 耗 量 と 炭 化 物 量 の 関 係 をFig.5に 示 す 。 こ こ で,炭 化 物 量 はC,Crお よ び Mo量 で 変 化 し た も の で あ る 。3%C-6%Cr-25%Mo組 成 の 試 料 を ベ ー ス と し て,Cの 増 量 で 炭 化 物 量 を 増 加 させ る と 摩 耗 量 が 増 大 し,Crの 増 量 で 炭 化 物 量 を 増 加 さ せ た 試 料 は 摩 耗 量 が や や 減 少 す る 。 こ れ に 対 し,CrとMoを 増 量 し た 試 料 は,炭 化 物 量 が 増 加 す る と と も に 摩 耗 量 が 著 し く 減 少 し て い る 。 す な わ ち,耐 摩 耗 性 はCr,Moの 増 量 で 炭 化 物 を 増 加 さ せ た 場 合 に 著 し く 向 上 し て お り,単 に 炭 化 物 の 量 に 依 存 し た 現 象 で な い こ と が 明 らか で あ る 。 な お,Cr,Mo増 量 に よ る 耐 摩 耗 性 の 向 上 原 因 に は,炭 化 物 の 硬 さ が 変 化 す る こ と も 想 定 され る 。 そ こ で,各 試 料 の 共 晶 炭 化 物 の ビ ッ カ ー ス 硬 さ(MHv50g:8点 平 均 値) を 測 定 し た が 、Fig.6に 示 す よ う にCr,Mo量 の 増 減 で 共 晶 炭 化 物 の 硬 さ は ほ と ん ど 変 化 し な か っ た 。 3%C-03%Si-0.4%Mn-16%Cr-6%Moと 一定 に し て,Nb 量 を1∼3mass%,V量 を4∼6mass%に 変 化 さ せ た 試 料 の Fig. 2. Relation between the volume fraction of carbide

and Cr, C contents.

Fig. 3. Typical example of carbide. (a) 3C-6Cr-2.5Mo, (b) 3.5C-6Cr-2.5Mo, (c) 3C—l2Cr-2.5Mo, (d)

3C-1 2Cr-5 Mo.

Fig. 4. Effects of Cr and Mo contents on wear loss.

Fig. 5. Relation between the volume fraction of carbide and wear loss.

Fig. 6. Relation between the hardness of eutectic carbide and Cr, Mo contents of specimens.

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Cr,Mo増 量 に よ る ハ イ ス ロー ル 材 の 熱 間 摩 耗特 性 の 向 上 683 A B C D E F MC炭 化 物 形 態 をFig.7に,そ れ ら試 料 の 摩 耗 量 をFig.8 に示 す 。Nb増 量 でMC炭 化 物 は デ ン ドラ イ ト状 に大 き く 成 長 し,V増 量 でMC炭 化 物 の 量(粒 数)が 増 加 す る 。 し か し,耐 摩 耗性 に は 大 きな 変 化 が 見 られ なか っ た 。 す な わ ち,極 め て 優 れ た 耐 摩 耗 性 を持 つ16%Cr-6%Mo組 成 で の 硬 質MC炭 化 物 の 形 態 や 量 の 変 化 は,耐 摩 耗 性 に ほ と ん ど影 響 しな い こ とが 確 認 され た 。 これ らの 調 査 結 果 か ら,Cr,Mo増 量 に よ る耐 摩 耗 性 の 著 しい 向 止は,単 純 に炭 化 物 量 や 炭 化 物 の 硬 さに 支 配 され る現 象 で は な く,共 晶 炭 化 物 の 性 状 が 関 与 す る現 象 と推 察 され る。 4. 考 察 4・1 耐 摩 耗 性 向 上 の メ カ ニ ズ ム CrとMoの 増 量 に よ る 耐 摩 耗 性 向 上 の メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る た め,CrとMoを 増 量 し た 試 料 に つ い て 摩 耗 面 の 損 傷 状 況 をSEMで 観 察 し た 。 摩 耗 面 の 損 傷 状 況 の 一例 と して,摩 耗 面 に 存 在 す る 炭 化 物 部 のBSE像 をFig.9に 示 す 。 摩 耗 面 の 引 っ か き 疵 は 少 な く,MC炭 化 物(粒 状)や 共 晶 炭 化 物 に 亀 裂 や 破 壊 が 生 じ て い た 。 共 晶 炭 化 物 量 の 少 な い 2%C-6%Cr-2.5%Mo組 成 の 試 料(A)に 比 べ,C増 加 で 共 晶 炭 化 物 を 増 量 し た3%C-6%Cr-2.5%Mo組 成 の,試 料(B)に は 多 数 の 炭 化 物 亀 裂 が 観 察 され た 。 ま た,CrとMoを 増 量 す る と 試 料(C)に 示 す よ う に 炭 化 物 の 亀 裂 が 非 常 に 少 な く な っ た 。C量 を3mass%と してCr,Mo量 を 変 化 さ せ た 炭 化 物 の 亀 裂 個 数 を 整 理 し てFig.10に 示 す 。 同 一Mo量 の 場 合,Cr量 が 多 い ほ ど 炭 化 物 の 亀 裂 が 少 な く な り,ま た, Cr量 を一 定 と し た 場 合,Moの 増 量 で 炭 化 物 の 亀 裂 が 著 し く減 少 す る こ と が わ か っ た 。 炭 化 物 の 亀 裂 個 数 と 摩 耗 量 の 関 係 をFig.11に 示 す 。 炭 化 物 の 亀 裂/固 数 の 減 少 に と も な っ て 摩 耗 量 が 小 さ く な っ て い る 。 つ ま り,炭 化 物 の 亀 裂 個 数 と 摩 耗 量 に は,炭 化 物 の 破 壊 が 抑 制 さ れ る ほ ど 摩 耗 量 が 減 少 す る と い う か た ち の 大 き な 相 関 が あ り,αMo増 量 に よ る 耐 摩 耗 性 の 向 上 は,炭 化 物 の 破 壊 が 抑 制 され る こ と に 起 因 す る と 考 え ら れ る 。 次 に,Cr,Moの 増 量で 炭 化 物 の 亀 裂 個 数 が 減 少 した原 因 を,炭 化 物 量 の 変 化 に 注 日 して 考察 して み る 。一 般 に硬 質 な 炭 化 物 は 摩 耗 面 に 凸 化 して 摩 擦 荷 重 が 集 中 す る ため,亀 裂 が 生 成 しや す い 傾 向 に あ る141。こ の た め,Crを 増 量 す れ ば 共 晶 炭 化 物 が増 加 す る こ とに よ り,炭 化 物 に 負 荷 され る荷 重 が 分散 して,炭 化 物 の 破 壊 が抑 制 され る と も考 え ら れ る。 しか し,C増 量 で 共 晶 炭 化 物 を 増 量 して も炭 化 物 の 亀 裂 は 減 少 しな か っ た 。 した が っ て,Cr増 量 の 場 合,共 晶 炭 化 物 増 量 に と も な う荷 重 分 散 効 果 に加 え,炭 化 物 白体

Fig. 7. Effect of V and Nb contents on the form of MC carbide.

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684 鉄 と鋼 tetsu-to-Hagane VoL 89(2003)No6

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(C) も 強 化 して 炭 化 物 破 壊 が 抑 制 され た と 考 え られ る 、,一一一方, Moを 増 量 し た場 合,共 晶 炭 化 物 は ほ と ん ど増 量 し な い こ と か ら,共 晶炭 化 物 の 組 成 に 変 化 が 生 じ て炭 化 物 の 破 壊 が 抑 制 さ れ た と 考 え る こ と が で き る。 な お,16%Cr-6%Mo 組 成 の 試 料 に お い て,MC炭 化 物 の 量 と形 態 を 変 化 させ て も耐 摩 耗 性 は ほ と ん ど 変 わ らな か っ た理 由 は,強 化 され た 共 晶炭 化 物 が 著 し く増 量 した こ と に よ り,摩 擦 面 のMC炭 化 物 の 凸 化 が防 止 され,MC炭 化 物 が受 け る 負 荷 が 減 少 し て 硬 質MC炭 化 物 に よ る 耐 摩 耗 性 向 一上作 川 が 目 立 た な く な っ た ため と考 え られ る。 つ ま り,Cr,Moの 増 量 に よ る 耐 摩 耗 性 の 著 し い 向 上は, 炭 化 物 自 体 が 強 化 さ れ,か つ,そ の 強 化 され た 炭 化 物 が 増 量 す る こ と に よ り,摩 耗 面 の 表 面 損 傷 が 抑 制 さ れ る た め と 考 え ら れ る 。 炭 化 物 の 強 化 現 象 は 新 しい 知 見 で あ り,そ の メ カ ニ ズ ム を 次 に 考 察 す る 。 4・2 炭 化 物 の 強 化 機 構 CrとMo量 を 変 化 させ た 試 料 の 炭 化 物 のEPMAに よ る 組 成 分 析 結 果 を 整 理 し てFig.12に 示 す 。 共 晶 炭 化 物 を 構 成 す る 元 素 は,FeとCrの 合 計 で お お よ そ70%を 占 め,残 部 は C,Moお よ びVで あ る 。 注 目 す べ き は,母 材 へ のCrの 増 量 で 共 晶 炭 化 物 中 のCrとv濃 度 が 増 加 し,母 材 へ のMo の 増 量 で 共 晶 炭 化 物 中 のMo濃 度 が 増 加 し,い ず れ の 場 合 もFe濃 度 は 減 少 す る こ と で あ る 。Cr,Mo増 量 に よ る 共 晶 炭 化 物(M7q:斜 方 晶)の 格 子 定 数 変 化 をFig.13に 示 す 。 こ こ で,格 子 定 数 αと わ は 近 似 的 にM7C3炭 化 物 を 六 方 晶 (あ る い は3方 晶)と し た と き の 底 面 に 平 行 方 向 の 格 子 定 数 で あ り,格 子定 数cは 軸 方 向(高 さ 方 向)の 格子 定 数 を 示 す 。 試 料 のCr,Mo増 最 に よ り 底 面 内 の 格 子 定 数 α,わが 増 大 し て い る 。 こ の よ う な 合 金 元 素 の 濃 度 や 格 子 定 数 の 変 化 は,炭 化 物 中 の 格 子 位 置 に 存 在 す るFe原 子 がCLVあ る い はMo原 子 に 置 換 し た こ と を 示 し て い る 。 化 学 的 結 合 力 を 考 え た 場 合.Cr,Vお よ びMoは い ず れ もFeに 比 べ てC と の 親 和 力 が 非 常 に 大 き い 元 素 で あ り,炭 化 物 の 結 合 力 は 増 大 す る 。 ま た,こ れ ら の 元 素 は 化 学 エ ネ ル ギ ー 的 に 炭 化

Fig. 9. SEM images of worn surface of specimens. (A) 2C-6Cr-2.5Mo-5V-1.5Nb, (B) 3C-6Cr-2.5Mo-5V-1.5Nb, (C) 3C-8Cr-5Mo--5V-1.5Nb.

Fig. 10. Effects of Cr and Mo contents on the number of cracks in carbide.

Fig. 11. Relation between the number of cracks in carbide and wear loss.

Fig. 12. The ratio of chemical composition of M7C3 car-bide in the specimens.

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Cr,Mo増 量 に よ る ハ イ ス ロー ル 材 の 熱 間 摩 耗 特 性 の 向 上 685 物 構 造 を よ り安 定 化 させ る格子 位 置 に 配 列15)す る と 考 え られ る こ と か ら,炭 化 物 の 強 さあ る い は安 定 性 は増 加 す る と推 察 され る 。 した が っ て,CrとMoを 増 量 し たハ イ ス材 で の 炭 化 物 の 強 化 は,炭 化 物 中 のFe原 子 と置 換 す る か た ち でCr,Vお よ びMoが 濃 化 す る こ と に 基 づ き,炭 化 物 の 化 学 的 結 合 力 が 増 加 す る こ と が 原 因 と 考 え られ る 。 ま た, Cr,Vお よ びMoの 濃 化 に と も な う炭 化 物 の 格子 定 数 の 増 加 は,積 層 欠 陥 や 結 晶 構 造 の 歪み の 増 加 とい っ た機 械 的 性 質 に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 と な る 可能 性 も あ り,さ ら な る研 究 調 査 を続 け る 必 要 が あ る。 5. 結 論 高V-Nb系 ハ イ ス ロ ー ル 材 の 熱 間 摩 耗 特 性 に 及 ぼ す 合 金 組 成 と冶 金 的 因 子 の 影 響 を,と くに 炭 化 物 の 損 傷 に 着 目 し て 研 究 し,以 下 の 結 論 を 得 た 。 (1)CrとMoを 同 時 に 増 量 す る と,M7C3共 晶 炭 化 物 量 が 増 加 す る と と も に耐 摩 耗 性 が 著 し く向 上 す る。 (2)C,Crの 増 量 に よ りM7C3共 晶 炭 化 物 量 が 増 加 す る が,C増 量 でM7C3共 晶 炭 化 物 を 増 量 して も,炭 化 物 が 破 壊 して 耐 摩 耗 性 は 向 上 し な い 。 一一方,Cr,Moの 増 減 で M7C3共晶 炭 化 物 の 硬 さや 形 状 は ほ と ん ど 変 化 せ ず,さ ら に 硬 質MC炭 化 物 量 を 増 減 して も耐 摩 耗 性 は 変 化 し な い 。 つ ま り,CrとMoの 増 量 に と も な う耐 摩 耗 性 の 著 し い 向 上 は,炭 化 物 の 量 や 形 状 あ る い は 硬 さが 起 因 す る 現 象 で は な い 。 (3)Cr,Mo増 量 で 炭 化 物 の 破 壊 が 抑 制 され,炭 化 物 の 亀 裂 数 の 減 少 に と も な っ て 耐 摩 耗 性 が 向 上 し た 。 した が っ て,CLMo増 量 に と も な う耐 摩 耗 性 の 向 上 は,炭 化 物 の 破 壊 が抑 制 され る と と もに,そ の 破 壊 しに くい 強 靭 な炭 化 物 が 増 量 す る こ と に起 因 す る と考 え られ る。 (4)Crを 増 量 す る と共 晶 炭 化 物 中 のCr,V濃 度 が 増 加 し てFe濃 度 が 減 少 し,Moを 増 量 す る とMo濃 度 が 増 加 し てFe濃 度 が 減 少 す る 。 した が っ て,炭 化 物 破 壊 の 抑 制 現 象 は,炭 化 物 中 のFe原 子 とCr,Vお よ びMoが 置 換 す る こ と に よ り炭 化 物 の 化 学 的 結 合 力 が 増 加 す る こ と や炭 化 物 の 機 械 的 性 質 が 改 善 す る こ と に起 因 した炭 化 物 自体 の 強 化 に 基 づ く と推 察 され た 。 本 研 究 で 見 出 され た 炭 化 物 の 強 化 現 象 は,炭 化 物 の 破 壊 を起 因 と した 摩 耗 や 肌 荒 れ を抑 制 す る,よ り高 性 能 な 次 世 代 ロ ー ル 開 発 へ の 有 用 な知 見 に な る と 考 え る 。 文 献

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12) K.Ichino, T.Koseki, T.Toyooka, H.Hiraoka and Y.Kataoka: Materia Jpn., 39 (2000), 183.

13)B.D.Cullity著,松 村 源 太 郎 訳:カ リ テ ィX線 回 折 要 論 新 版, ア グ ネ,東 京,(1991),326.

14) Y.Seto, H.Morikawa, Y.Tujimoto and A.Okabayashi: CAMP-ISIJ, 9 ( 1 996), 989.

15)桶 谷 繁 雄:電子 線 回 折 に よ る 金 属 炭 化 物 の 研 究,ア グ ネ,東

京,(1971),259.

Fig. 13. Relation between lattice parameters of M7C3 car-bide and Mo, Cr contents in specimens.

Table   1.  Chemical  composition  of  specimens.
Fig.  6.  Relation  between  the  hardness  of  eutectic  carbide  and  Cr,  Mo  contents  of  specimens.
Fig.  8.  Effects  of  V  and  Nb  contents  on  wear  loss.
Fig.  10.  Effects  of  Cr  and  Mo  contents  on  the  number  of  cracks  in   carbide.
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参照

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