JP2796895B2 - 高速度鋼系焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋼材圧延用ロール等のよ
うに、耐摩耗性、耐肌荒性、耐焼付性等が要求される部
材の構成材料として有用な高速度鋼系焼結合金に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の熱間圧延または冷間圧延用ロール
の胴部表面は、耐摩耗性の良いこと、肌荒れ（亀裂、凸
凹、欠け等）を生じ難いこと、被圧延材との焼き付きを
生じ難いこと等が必要である。従来より、熱間圧延用ロ
ールとして鋳鉄ロールが、冷間圧延用ロールとしては鍛
鋼ロールがそれぞれ使用されてきた。近時は、圧延条件
の苛酷化対策・ロール耐用寿命向上策として、熱間等方
圧加圧焼結等により胴部表面に高速度鋼系化学組成を有
する焼結合金層を形成したロールの使用も試みられてい
る（特開昭５８−２１３８５６号、特開昭６３−２９７
５１０号等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高速度鋼系合金は、焼
入れ・焼もどしの調質熱処理が施されてマルテンサイト
またはベイナイト相の硬質の基地に微細な炭化物粒子が
析出分散した金属組織となる。その硬質の基地と、炭化
物粒子の分散強化作用とにより、良好な耐摩耗性や耐肌
荒れ性等を帯有し、これを圧延用ロールに適用すること
によりロール寿命の向上を期待することが可能となる。
本発明は高速度鋼系焼結合金の材料特性を更に改良する
ことを目的としてなされたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の高速
度鋼系焼結合金は、Ｃ：1.7 ％を越え,3.5％以下、Ｓ
ｉ：0.6 ％以下、Ｍｎ：0.6 ％以下、Ｃｒ：３〜８％、
Ｍｏ：３〜９％、Ｗ：５〜14％、Ｃｏ：７〜14％、Ｖ，
Ｔｉ，Ｎｂの１種ないし２種以上：８％以下（合計量)
、およびＢ: ２％以下，Ｎｉ: ３％以下の１種または
２種、残部実質的にＦｅからなる化学組成を有してい
る。以下、本発明に係る焼結合金の成分限定理由を説明
する。元素含有量を示す％はすべて重量％である。

【０００５】Ｃ: 1.7 ％を超え、3.5 ％以下 Ｃは炭化物形成元素であり、Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍ
ｏ，Ｃｒ等と結合して、ＭＣ型、Ｍ₆ Ｃ型、Ｍ₂ Ｃ型等
の炭化物を形成し、合金の硬度を高める。この効果を十
分ならしめるため、含有量を1.7 ％超とする。しかし、
Ｃの増量は反面において、炭化物の過剰析出や粗大化等
による合金の靱性劣化および加工性の低下等の原因とな
る。このため、3.5 ％を上限とした。

【０００６】Ｓｉ：０．６％以下 Ｓｉは脱酸作用、および焼入れ性改善効果を有する元素
である。この効果は０．６％までの添加により十分に得
ることができ、それを越える添加の必要はない。また、
Ｓｉの増量は炭化物の過剰析出とそれに伴う合金の脆化
を招く原因となる。このため０．６％以下とする。好ま
しくは、０．２〜０．４％である。

【０００７】Ｍｎ：０．６％以下 Ｍｎは脱酸作用を有し、また焼入性の改善効果を有す
る。この効果を得るための添加量は０．６％までで十分
であり、多量の添加は高温におけるオーステナイト粒の
粗大化を招き、合金の脆化の原因となる。このため、
０．６％を上限とした。好ましくは、０．２〜０．４％
である。

【０００８】Ｃｒ：３〜８％ Ｃｒは合金の焼入性改善元素であり、また耐食性の向上
に寄与する。この効果を得るには少なくとも３％を必要
とする。添加増量に伴って効果を増すが、焼入れ性改善
効果は約５％までの添加で十分に得られる。耐食性改善
効果は５％を越える添加により顕著となり、特に耐孔食
性の強化に奏効する。しかし、多量添加に伴って衝撃特
性の低下や高温での軟化抵抗性の低下を生じるので、８
％を上限とする。

【０００９】Ｍｏ：３〜９％ Ｍｏは、焼入れ性改善に著効に奏し、かつ焼もどし軟化
抵抗性の向上に寄与する。また、Ｍ_２Ｃ型炭化物として
微細析出し二次硬化をもたらす。これらの効果は３％以
上の添加により確保される。しかし、９％を越えると効
果はほぼ飽和する。

【００１０】Ｗ：５〜１４％ Ｗは、焼入れのためのオーステナイト化時に固溶して焼
入れ性を高める効果を有する。またＷは強力な炭化物形
成元素であり、焼もどし処理により、Ｍ_６Ｃ型炭化物と
して微細析出し顕著な二次硬化をもたらす。また、焼も
どし軟化抵抗性を示す。添加量の下限を５％としたの
は、その炭化物の析出による十分な二次硬化を得るため
である。添加増量により、その効果を増すが、反面析出
炭化物の粗大化による靭性等の低下をみるので、１４％
を上限とした。

【００１１】Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ：８％以下 Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂの各元素は、焼入れ後の焼もどし処理に
より、微細なＭＣ型炭化物として析出し顕著な二次硬化
をもたらす。添加増量により、その効果を増すが、あま
り多く添加すると炭化物の過剰析出により、合金の靭性
低下を伴い、また加工性が悪くなるので、８％を上限と
する。

【００１２】Ｃｏ：７〜１４％ Ｃｏは、焼入れ性を高め、また基地に固溶して耐熱性を
高め、高温強度の改善に寄与する。これらの効果は７％
以上の添加により得られる。しかし、約１４％をこえる
と効果はほぼ飽和するので、１４％を上限とする。

【００１３】本発明の焼結合金は上記諸元素とともに、
２％以下のＢ、および３％以下のＮｉの１種または２種
の元素を含有している。

【００１４】Ｂ: ２％以下 Ｂは、Ｃ代替元素であり、硼化物を形成して耐摩耗性の
向上に寄与する。２％のＢは１％のＣに等価である。ま
た基地中に固溶して基地を強化する。しかし、多量の添
加は、合金の融点を下げ、強度の低下の原因となるの
で、２％を上限とする。好ましくは、0.5 〜１％であ
る。

【００１５】Ｎｉ：３％以下 Ｎｉは、オーステナイト相安定化元素であり、残留オー
ステナイト量の増加による靭性の改善に奏効する。しか
し、オーステナイト量の増加は、反面において機械加工
の困難化を招くので、３％を越えてはならない。好まし
くは０．１〜２．５％とする。

【００１６】本発明の焼結合金を製造するための焼結手
法は任意であるが、好ましくは熱間等方圧加圧焼結法
（ＨＩＰ焼結法）が適用される。ＨＩＰ焼結法によれ
ば、高加圧力の均一な作用下に高緻密質の焼結合金を得
ることができるからである。

【００１７】本発明の焼結合金は各種用途に供される
が、耐摩耗性や耐肌荒れ性等は部材の表面の問題である
ので、例えば圧延用ロールの胴部に本発明の焼結合金を
適用する場合には、適当な金属材料（例えば、ＪＩＳ
Ｇ ４１０５ のＣｒ−Ｍｏ系合金鋼、同４１０３のＣ
ｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金鋼等）からなる中空もしくは中実
形状の円柱体を基材とし、その外周を本発明の焼結合金
で被覆した積層構造を有するロール胴部を形成するとよ
い。

【００１８】本発明の焼結合金を以て金属基材の表面を
被覆した複合部材（例えば圧延用ロール）の製造工程に
ついて説明すると、まず金属基材の周囲を適当なカプセ
ル材（例えば、炭素鋼製円筒体）で囲包し、これに焼結
原料として所定の化学組成を有する合金粉末（ガスアト
マイズ粉等、粒径 例えば５００μｍ以下）を充填し、
その粉末充填層を脱気し、密封したうえ、熱間等方圧加
圧焼結に付して焼結合金層を形成する。焼結合金粉末が
比較的多量の酸化皮膜を付随するものである場合は、粉
末充填層内に水素含有ガス等の還元ガスを導入し加熱下
に酸化皮膜を還元除去したのち、脱気密封して焼結処理
を行えばよい。焼結処理は、温度：９００〜１２００
℃、加圧力：約５００〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ^２に適当
時間（約２〜４Ｈｒ）保持することにより好適に達成さ
れる。その焼結過程において焼結合金層と金属基材との
界面には強固な密着結合関係が形成される。焼結完了
後、機械加工によりカプセル材の除去および必要な形状
修正を行う。

【００１９】上記のように金属基材の表面に焼結合金層
を形成した後、焼結合金層に調質熱処理（焼入れ・焼も
どし）を行う。その焼入れ・焼もどし処理は常法に従っ
て行えばよく、焼入れ温度は約１０５０〜１２５０℃、
好ましくは１１００〜１２００℃であり、同温度からの
冷却は、油浴、塩浴等を使用することも可能ではある
が、熱応力に起因する焼結合金層の亀裂・割れ等の防止
のために、ガス（Ｎ_２ガス等）を冷媒とし、略常圧、ま
たは加圧（例えば３〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２）雰囲気中にお
いて制御された冷却速度（例えば５〜２０℃／分）で冷
却するとよい。

【００２０】焼入れにつづく焼もどし処理は、約５００
〜６００℃好ましくは５２０〜５８０℃に加熱保持した
のち、徐冷（例えば空冷）する操作を１回、または複数
回（例えば２〜４回）実施することにより達成される。

【００２１】本発明の焼結合金は、焼入れ・焼もどし処
理により、マルテンサイトもしくはベイナイト相、また
はこれらの相を主相とし少量の残留オーステナイト相が
混在しているマトリックスに、炭化物が微細に析出分散
した金属組織が与えられる。その析出炭化物は面積率で
約２５〜４５％を占め、一般の溶製材における炭化物量
（通常、約１０〜１５％）に比し豊富であり、かつ均一
に分散している。本発明の焼結合金は、前記化学組成と
金属組成とによって、圧延用ロールの胴部構成材料等と
して望まれる改良された耐摩耗性、耐肌荒性、耐焼付
性、耐腐食性等を備えている。

【００２２】図１は本発明に係る焼結合金の用途の具体
例として、円筒形状の金属基材（１１）の外周面に焼結
合金層（１２）を形成した積層構造を有する円筒体の断
面構造を模式的に示している。この複合部材（１０）
は、例えばその中空孔内に別途用意したアーバー（２
０）を嵌着して圧延用ロールとして使用される。図の例
では、一定の層厚を有する焼結合金層（１２）を基材
（１１）の外周面の全体に亘って形成しているが、必ず
しもそうである必要はなく、例えば丸鋼仕上圧延ロール
等のカリバーを有するロールでは、その円周溝面にのみ
焼結合金層を形成し、他の部分は基材の表面が露出した
ままの部分複合構造としてよいことはいうまでもない。
焼結合金層（１２）の層厚は特に限定されないが、圧延
用ロールの場合は、あまり薄いと、圧延荷重による剪断
応力の作用で焼結合金層の剥離を生じ易くなるので、約
３ｍｍ以上の層厚であるので好ましい。もっとも、あま
り厚くすると、熱応力による亀裂を生じ易くなるので、
約２５ｍｍまでとするのが適当である。

【００２３】

【実施例】所定の化学組成に調製された金属粉末（平均
粒径：２００μｍ）を焼結原料とし、熱間等方圧加圧焼
結を行い、ついでその焼結合金ブロックに焼入れ・焼も
どし処理を行って供試焼結合金を得た。但し、焼結処理
は、温度：１１５０℃、加圧力：１０００ｋｇｆ／ｃｍ
^２、保持時間：３Ｈｒの条件で行い、焼入れ処理は、真
空焼入れチャンバー内で、１２００℃に１時間保持後、
Ｎ_２ガス（常温・常圧）を導入してガス冷却することに
より行い、焼きもどし処理は５４０℃に５時間加熱保持
して放冷するヒートパターンを３回反復した。

【００２４】表１に供試焼結合金の化学組成を示す。各
供試焼結合金について、硬度（Ｈs）測定、および摩耗
試験、耐食試験、焼付性試験、熱衝撃試験、曲げ試験を
行って表２に示す結果を得た。供試No.1〜6 は発明例、
No.101〜105 は比較例である。

【００２５】（１）摩耗試験 大越式迅速摩耗試験により比摩耗量Ｗｓ（ｍｍ^２／ｋｇ
ｆ）を測定 （ｉ）回転輪：ＳＵＪ２：硬度（Ｈ_ＲＣ）６０、回転輪
幅３．０ｍｍ （ｉｉ）摩耗速度：３．４ｍ／ｓｅｃ （ｉｉｉ）摩耗距離：２００ｍ （ｉｖ）最終荷重：１６．８ｋｇ・ｆ

【００２６】（２）腐食試験 試験片（試験面積３５×３５，ｍｍ）を塩水（約８００
ｃｃ＋ＮａＣｌ６９．５ｇ，濃度８％）に２４時間浸漬
し、大気中で２４時間放置乾燥する処理を、５回反復実
施し、試験片の孔食発生状況を肉眼観察する。表２中
「孔食数」欄の数値は、試験片表面に発生した孔食によ
る微小凹孔の個数を示している。

【００２７】（３）耐焼付性試験 ファレックス型焼付試験（押付荷重：１５０ｋｇ）によ
り、試験片表面に相手材（ＳＵＳ３０４ステンレス鋼）
を押付けて回転トルクを測定し、トルクの異常変動の有
無により試験片と相手材との摺接面間の焼付の有無を判
定する（試験時間：５分）。表１中、「耐焼付性」欄の
「○」は焼付き無し（トルク低位安定）、「×」は焼付
き発生（トルク異常変動）を意味している。

【００２８】（４）熱衝撃試験 試験片（Φ２５×ｔ５，ｍｍ）を９００℃に１Ｈｒ加熱
したのち、水中に投入する加熱・急冷のヒートサイクル
を反復。試験片表面のクラック発生の有無をダイチェッ
クにより判定。表２中、「熱衝撃性」欄の数値は、割れ
発生までのヒートサイクル反復回数を示し、○マーク
は、２０回の反復経過時点で割れ発生がなかったことを
表している。

【００２９】（５）曲げ試験 ３点曲げ法により曲げ強さ（Ｋｇｆ／ｍｍ^２）を測定。
試験片サイズ：３×４×５０，ｍｍ、スパン距離３０ｍ
ｍ。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】上記実施例の試験結果は、発明例の焼結合
金は、従来の高速度鋼系焼結合金を凌ぐ改良された耐摩
耗性、強度、耐食性、耐肌荒れ性、耐熱衝撃性等を備え
ていることを示している。

【００３３】

【発明の効果】本発明の焼結合金は、その化学組成と金
属組織とにより、すぐれて安定した耐摩耗性、強度、耐
食性、耐肌荒れ性、耐焼付性等を具備しているので、例
えば、金属円筒体の表面を本発明の焼結合金で被覆して
圧延用ロールの胴部材として使用することにより、ロー
ル寿命の向上、ロールメンテナンスの軽減等の効果が得
られ、またその胴部表面状態が安定していることによ
り、被圧延材の品質改善にも大きな効果が得られる。な
お、本発明焼結合金は、そのほか軸受、シリンダ等の耐
摩耗性等を必要とする構造部材の表面改質材料等として
も有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結合金を金属基材の表面に適用した
例を示す断面説明図である。

【符号の説明】

１１ 金属基材 １２ 焼結合金層

フロントページの続き (72)発明者 片山 善雄 兵庫県尼崎市西向島町64番地 株式会社 クボタ尼崎工場内 (56)参考文献 特開 昭63−195250（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−297510（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−270944（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−152242（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−119645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−121257（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−122801（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 304

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：1.7 ％を越え,3.5％以下、Ｓｉ：0.
   6 ％以下、Ｍｎ：0.6 ％以下、Ｃｒ：３〜８％、Ｍｏ：
   ３〜９％、Ｗ：５〜14％、Ｃｏ：７〜14％、Ｖ, Ｔｉ,
   Ｎｂの１種ないし２種以上：８％以下、Ｂ：２％以下、
   残部実質的にＦｅからなる高速度鋼系焼結合金。
2. 【請求項２】 Ｃ：1.7 ％を越え,3.5％以下、Ｓｉ：0.
   6 ％以下、Ｍｎ：0.6 ％以下、Ｃｒ：３〜８％、Ｍｏ：
   ３〜９％、Ｗ：５〜14％、Ｃｏ：７〜14％、Ｖ, Ｔｉ,
   Ｎｂの１種ないし２種以上：８％以下、Ｎｉ：３％以
   下、残部実質的にＦｅからなる高速度鋼系焼結合金。
3. 【請求項３】 Ｃ：1.7 ％を越え,3.5％以下、Ｓｉ：0.
   6 ％以下、Ｍｎ：0.6 ％以下、Ｃｒ：３〜８％、Ｍｏ：
   ３〜９％、Ｗ：５〜14％、Ｃｏ：７〜14％、Ｖ, Ｔｉ,
   Ｎｂの１種ないし２種以上：８％以下、Ｎｉ：３％以
   下、Ｂ：２％以下、残部実質的にＦｅからなる高速度鋼
   系焼結合金。