JPS59501868A - 耐摩耗鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 耐摩耗鋼 本発明は、ｆ４接性、可鋳性、耐摩耗性、高降伏強さ、耐重温性。

耐低温衝撃性および／あるいは耐食性の改善された一連の改良オーステナイト・ マンガン鋼に関する。

先丘艮玉 従来のオーステナイト・マンガン鋼は、えくりおよび摩耗に対する耐性が必要な 重用途に法尻に使用されている。前述の鋼の典型的な用途の例としては、ジョー ・クラッシャーのライナー・プレート、旋動コーン・クラッシャーのマントルお よびボウル・ライナー、鉄棒ふるいの鉄棒、およびハンマー・ミル・インバクタ ーがある。前述の鋼の通常の化学組成は。

炭素　１．０−１．４％ マンガン　１０　−１４％ 鉄　残り部分 である（本明細書および請求の範囲に示す組成は全て重量百分率である）。

当然ながら、最高約２％までのクロムあるいはモリブデンおよびその他の元素を 微量だけ含む変種が幾つが存在する。鋳造の後に、鋼は１０５０°Ｃで溶体化処 理された後に水を用いて焼入れされ。

強靭な、比較的に軟らかいく約２００）ＩＶ）　Ｓｌとなり、この鋼は使用中に 表面および表面付近が５５０ＨＶ程度の硬さに達する特有の加工硬化性がある。

このように、従来のオーステナイト・マンガン鋼は１強靭な内部と、硬く、耐摩 耗性を備えた表面を持ち、その表面は、外部の層が摩耗媒体によって摩耗するに つれて、使用中に連続的に形成される。

このような従来のオーステナイト・マンガン鋼には、幾つがの固有の特性があり 、それらはこれらの鋼の用途に厳しい制限を課するものである。このような特性 の例としては次のようなものがある。

ａ、　従来のオーステナイト・マンガン鋼に特有の靭性と高加工硬化能力を生み 出すのに必要な最終処理は、溶体化処理温度から急速に冷却する過程を含む。脆 化を起こす炭化物の形成を防止するには、焼入れ速度が最小臨界冷却速度を超え る必要がある　ので、焼入れ速度は重要である。この冷却速での必要が、効果的 に強靭にすることができる鋼の塊の最大両度を定める。

ｂ、　従来のオーステナイト・マンガン鋼は、／８体化処理した状態においては 比較的に低い降伏強さを示し、使用中に加工硬化が起きる前に容易に塑性変形を 起こす。その結果、望ましくない寸法公差の喪失が起きる。

ｃ、４切に靭性を与えた従来のオーステナイト・マンガン鋼は。

再加熱（例えば１通常の溶接作業による）の際に、脆化を起こす炭化物の形成に よって容易に分解し、靭性を喪失し、耐摩耗性が低下する。

従来のマンガン鋼内のオーステナイト組織は準安定状態にあり。

３５０°Ｃを上回る温度においては分解して、添付図面の第１図のグラフに示さ れるように幾つかの脆化相を形成する。第１図は、コレット　（Ｃｏｌｌｅｔｔ ｅ）　Ｇ、クルサード（Ｃｒｕｓｓａｒｄ）　Ｃ，コーン（Ｋｏｈｎ）Ａ、プラ トー（Ｐｌａｔｅａｕ　）　Ｊ、ポメイ　（Ｐｏｍｅｙ　）　Ｇおよびワイ・ン （Ｗｅｉｓｚ　）　Ｍ　、Ｒｅｖ　ｄｅ　Ｍｅｔ、、’　（１９５７）　、　５ ４．４３３から引用した。

脆化相の存在が従来のオーステナイト・マンガン鋼の機械的特性に及ぼす影響を 添付図面の第２図のグラフに示すが、このグラフは、マンガン１３％および炭素 １．２％の成分を持つ従来のオーステナイト・マンガン鋼にあてはまるものであ る（奇弁（Ｉｍａｉ）　Ｙおよび斎藤（Ｓａｉｔｏ　）　Ｔ　：　Ｓｃｉ、　Ｒ ｅｐ、　ＲＩＴｔ！、　（１９６２）　Ａｌ１．９２から引用）。

従って、要約すると、従来のオーステナイト・マンガン鋼に熱を加えると、　５ ｌｉｔを著しく脆化し、その結果、使用中に突然破損する可能性がある。さらに 、鋼の耐摩耗性もかなり低下する。

英国特許明細書番号２００７２５７Ｂは、鉄道の轍叉用のオーステナイト・マン ガン鋼を開示しており７　この鋼は、炭素０．７５〜０．９％。

ケイ素１％以下、マンガン１２．５〜１５％、およびモリブデン１．０〜１．８ ％を含み、／８接可能である。この組成は、鋳物用のオーステナイト・マンガン 鋼の＾ＳＴＭ　Ａ１２８等級Ｅ−１の仕様と非常に近いものである。これらの生 成物はそれぞれ基本的には、従来のマンガン鋼というよりは低炭素合金であり、 一般に、溶接の際等に起きる再加熱による脆化を受けにくいものとして知られて いる。しかしながら、上記の特許明細書に示された試験結果に反して、炭素０． ８％を含むマンガン鋼の加工硬化能力（即ち、耐摩耗性）は。

炭素１．２％を含む従来のマンガン鋼よりも低い（ホワイト（Ｗｂｉｔｅ　）　 Ｄ、　Ｈ，およびハニーコウム（ｌｌｏｎｅｙｃｏｍｂｅ　）　Ｒ，Ｗ、　Ｋ、 。

ｒ高純度鉄−マンガン−炭素合金の変形の際の組織の変化Ｊ　−Ｊｏｕｒｎａｌ 　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　５ｔｅｅｌ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ、Ｖｏｌ 、２００＋’　４５７頁、　１９６２年）。

魅 研究の結果、オーステナイト組織はノ容体化処理からの冷却中に保持され、且つ 第１図において示されたオーステナイト　マンカン鋼中の脆化相の形成は、１つ 以上の炭化物形成元素１例えは。

クロム、モリフデン、チタン、ニオブ、タングステンおよびバナジウムを充分な 量だけ添加することにより、３５０°Ｃを上回る加熱の際に実質的に回避出来る 可能性があることか判明した。

前記の英国特許に言及されたモリブデンは炭化物形成元素ではあるとはいえるが 、使用された量はオーステナイト組織の分解を実質的に阻止するに足るほどでは なく、先に述べた従来のオーステナイト・マンガン鋼の厳しい限界を克服するも のではない。本発明は、適量の炭化物形成元素を用いることによってこれらの制 限が実質的に解消するという認識に基づくものである。

このように１本発明はその一形態において、溶体化処理から冷却する際のオース テナイトの保持を促進するためＡこ、充分な量の炭化物形成元素を添加すること を特徴とするオルステナイト・オンガン鋼である。

本発明は別の形態において、鋼を再加熱する際の、保持されたオーステナイトの 分解を抑制し且つオーステナイト・マトリックス内に脆化相が形成するのを抑制 するために充分な量の炭化物形成元素を添加することを特徴とするオーステナイ ト・マンガン鋼である。

本発明はさらに別の形態において、不溶の初晶炭化物のオーステナイト・マトリ ックス内での分散を起こすのに充分な量の炭化物形成元素を添加することを特徴 とするオーステナイト・マンガン鋼である。

本発明の種々の態様は、添付図面と共に下記の説明を参照することによってより 深く理解されると思われるが。

第３図は２合金組成が溶体化処理されて焼入れされたＦｅ−Ｍｎ−Ｃ合金の組織 に及ぼす影響を示すグラフであり。

第４図は、オーステナイト・マンガン鋼、（ａｔ　Ｆｅ−１２，４Ｍｎ−１，２ ８Ｃ（ｂｌ　Ｆｅ−１３，１Ｍｎ−０，８３Ｇ　および　ｆｃｌ　Ｆｅ−５，６ Ｍｎ−１，２２０の恒温特性を示す３つのグラフであり。

第５Ａ図は、　Ｆｅ−１３Ｍｎ−４Ｍｏ−１，２Ｃの恒温変態を示すグラフであ り。

第５Ｂ図は、　Ｆｅ−１３Ｍｎ−４Ｍｏ−１，２Ｃの詩仙硬化特性を示すグラフ であり、そして 第６図は、　Ｆｅ−１３Ｍｎ−１，２ＣおよびＦｅ−１４Ｍｎ−５Ｃｒ−０，６ にをある温度範囲に渡って１時間はど恒温加熱した後に、２０℃で尉定したシャ ルピー衝撃値の変化を示す。

ヒ“且　に、ご′を　ぼす　１ １、　冑−およびマンガンの、・ Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃ合金の特性、耐摩耗性、靭性、可鋳性、溶接性、０℃を下回る温 度における耐衝撃性および常磁性は、実質的に全てのオーステナイト顕微鏡組織 を保持することによって最大限となる。

Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃ系のオーステナイト相は、臨界範囲の合金組成を溶体化処理温度 から急速に冷却することによって保持される。臨界炭素およびマンガン組成範囲 は第３図に示す。　しかしなか。

ら、従来のマンガン鋼においては、この組成範囲の保持されるオーステナイトは 準安定状態にあり、高温の恒温加熱を行う際あるいは固熔限度線を上回る温度か ら連続的にゆっくりと冷却する際には、容易に分解する。分解生成物はウィドマ ンステッテン（Ｗｉｄｍａｎｓｔａｔｔｅｎ　）セメンタイト、結晶粒界炭化物 およびパーライトであり、これらはマンガン鋼を脆化させ、耐摩耗性を低下させ 、常磁性を喪失させる。

準安定オーステナイトの恒温分解速度は、炭素およびマンガン含有量によって異 なる。第４図は、保持されたオーステナイトの分解は。

ｆｃｌ　マンガン含有量を増加させること。

山）炭素含有量を減少させること によって抑制されることを示す。

マンガン２５％の上限は、加工硬化能力（即ち、耐摩耗性）がこのレベルを超え ると大幅に低下するので選択された。これに加えて、マンガン含有量がもっと高 いと引っ張り降伏強さが３００　ＭＰａを下回り１合金の融点は望ましくないほ ど低い。

保持されるオーステナイトの炭素含有量は、二つの方法、即ち。

輸）　合金の全組成中の炭素を９例えば、１．２％から０．６％に低減すること 。

（ｉ］）　強力な炭化物形成元素を１つ以上合金に導入してオーステナイトの溶 液から炭素を除去することのいずれか１つを用いて低減することができる。

２、炎上”　（えば、クロム、モリブデン、バナジウム。

ングスーン、チ　ニウムおよびニオブ）の−糎強力な炭化物形成元素をオーステ ナイト・マンガン鋼に添加することによって得られる明確な利点が５つある。

２．１　不溶炭化物の形成は、オーステナイト相の溶液から炭素を除去し、高温 での再加熱の際に保持されたオーステナイトの分解を効果的に抑制する。種々の 強力な炭化物形成元素の溶液から炭素を除去する能力は。

（ａｌ　種々の炭化物のオーステナイト内での溶解度。

（ｂｌ　溶体化処理温度。

（Ｃ１不溶炭化物の化学量論、 （ｄ＋　強力な炭化物形成元素の原子量によって異なる。

２．２　保持されたオーステナイト内りこ剖かく分散した不溶炭化物が存在する ことには１物質の耐摩耗性と降伏強さが増加するという利点がある。この方法は 、オーステナイト　マンガン鋼にときおり用いられる「分散硬化ｊ法よりも低れ ているが。

その理由は。

（ａｌ　不溶合金炭化物はセメンタイトよりも硬いこと。

ｆｂｌ　二重熱処理手順が不用であること。

（Ｃ）　合金炭化物の容積の細分化の程度が高く、より均一な分散が得られるこ と。

ｔｄｌ　鋼の可鋳性に大きな変化を伴わずに、全合金炭素含有量を非常に高くす ることができ、且つ耐摩耗性が高まること。

（ｅｌ　？ｇ体化処理をするとよりこまかな粒度がえられることである。

一例をあげると、溶体化処理を行い且つ１０５０℃から水で焼入れをした合金Ｆ ｅ−１３Ｍｎ−５Ｔｉ−２，５Ｃは、オーステナイト・マトリックス中の非常に 硬い（３ｏｏｏ　ＨＶ　）チタン炭化物から成る顕微鏡組織を持ち７その組成は 従来のオーステナイト・マンガン鋼の組成に似ている。

２．３　最高溶体化処理温度で強力炭化物形成元素を溶解することによって保持 されたオーステナイトを過飽和にすること器こは。

幾つかの追加的な利点がある。

（３）強力な炭化物形成元素はオーステナイトの安定化用元素であり、第３図に 示すより法尻な炭素およびマンガン範囲に渡って急速な冷却時にオーステナイト 相を効果的に保持する。

（ｂｌ　保持されたオーステナイトの脆化相への分解は９強力炭化物形成元素を オーステナイト相に多く溶解することによって抑…１１される。−例として、合 金Ｆら−１３１’Ｉｎ−４Ｍｏ−１，２Ｃ（第５Ａ図）の恒温変態特性とＦｅ− １３Ｍｎ−１，２Ｃ（第４Ａ図）のそれとを比較されたい。

ｆｃ）　−強力炭化物形成元素で過飽和状態になった保持されたオーステナイト 相は、非常乙こ細かい炭化物の析出によって、固／８限度線を下回る恒温て容易 うこ時効硬化する（第５Ｂ図）。このような組織は従来のオーステナイト・マン ガン鋼よりも高い降伏強さを示す。

２．４　炭化物形成元素のクロムは、オーステナイト・マンガン鋼に非常に溶け やすく、クロムを用いると耐食性が増加する。

クロムのレヘルが高いと、ステンレス鋼合金に似た性能が得られる。これに加え て１最大１０％のニッケルを加えると、高クロム・オーステナイト・マンガン鋼 の耐食性がさらに高まり、同時に、非常に靭性の高い、高強力、耐摩耗性の陽性 可能な合金が得られると思われる。

２．５　保持されたオーステナイトの硬さおよび降伏強さは、固溶体焼入れによ って増加する。この効果は、下記の合金の全てがオーステナイトの組織の溶体化 処理硬さに対するクロム含有量の影響によって例示される。

ｉＬｉ！ＪＬｔ７Ｌ皮主」朕ｕと Ｆｅ−１０Ｍｎ−０，８Ｃ１８６ Ｆｅ−１０Ｍｎ−０，８Ｃ−２Ｃｒ　２１５Ｆｅ−１０Ｍｎ−０，１３Ｃ−６Ｃ ｒ　２３９Ｆｅ−１０Ｍｎ−０，８Ｇ−１０Ｃｒ　２４８３、オーステ　イ　・ マンガンｉの・・　糞改良されたオーステナイト・マンガン鋼の改善された溶接 性は、加えられる熱が衝撃物性に及ぼす影響を従来のオーステナイト・マンガン 鋼の場合と比較することによって示す。

改良された合金Ｆｅ−１４Ｍｎ−５Ｃｒ−０，６Ｃを基準物質Ｆｅ−１３Ｍｎ− １，２０との比較に用いた。

これらの物質の溶接に伴う加熱の悪影響は、約１時間に渡って約１００°Ｃの間 隔で最高９００℃まで恒温加熱することによって模擬された。熱処理された合金 は、脆化相の存在に感度が高いシャルピー衝撃試験に付された。試験結果を第６ 図に示す。このデータは、従来のオーステナイト・マンガン鋼の再加熱の際に容 易に形成される脆化分解生成物は改良されたオーステナイト・マンガン鋼におい ては抑制されるという金属組織学的所見を検証するものである。長期に渡って恒 温加熱された合金の追加的金属組織学検査によると、改良合金は繰り返して溶接 作業を行うのに適しており（例えば、／８接によるハードフェイシングの繰り返 し）脆化が起きない。

研究のために本発明の別の例が製造され選択されたが、その組成はマンガン１７ ％、クロム６％、炭素０．８％であった。この鋼は鋳造され、溶体化処理の後に 水で焼入れして作製された。

この鋼の分解特性は、幾つかの標本を５５０°Ｃに最大５０時間に渡って加熱し て計測した。熱時効した標本の金属組織学検査の結果１本発明の例に従って改良 されたオーステナイト・マンガン鋼においては、従来のオーステナイト・マンガ ン鋼の甚だしい脆化を起こす変態反応生成物の発生が大幅に抑制されることが分 かった。

さらに、改良されたオーステナイト・マンガン鋼の耐摩耗性は３模擬高応力摩耗 試験機内で測定され、その結果によると。

従来のオーステナイト・マンガン鋼に伯た耐摩耗度であった。

本発明の例（Ｆｅ−１７Ｍｎ−６Ｃｒ−０，８Ｃ）は、従来のオーステナイト・ マンガン鋼よりも優れている点を、下記のように示した。

ａ、／８体化処理温度から焼入れする際の例の鋼に必要な臨界冷却速度は、従来 のオーステナイト・マンガン鋼よりもずっと低いものである。その結果、これま でに達成されたものよりも重い塊の鋳物を容易に生産し焼入れすることが出来る 。

ｂ、　改良された合金は再加熱時に脆化炭化物を形成する傾向が低下するので、 オーステナイト・マンガン鋼の溶接を簡単にし且つその使用可能な用途を拡大す る。

本発明の例の１つの具体的な用途でこの例が従来のオーステナイト・マンガン鋼 よりも明瞭な利点を持つものは、旋動コーン・クラッシャーのマントル・ライナ ーおよびボウル・ライナーへの使用に関連し、各ライナーはそれぞれ最大数トン の重量に達する場合がある。これらはオーステナイト・マンガン鋼を用いて製造 され３ある量の摩耗が起きると使用に適さなくなる。

現在、これらの摩耗した部品の表面に一連の７す、−ド・フエイシング熔着金属 を肉盛することによって部品を再生する傾向がある。これらの溶着金属層は、１ ／２）ンから１トンを超える大きさのかたまりである場合があり９通寓５０時間 を超える全溶接時間が必要である。

摩耗した従来のオーステナイト・マンガン鋼製クラッシャ一部品はうまく再生す ることが可能であることが実証されているが、但し慎重な溶接手順を用いる必要 があり、さらに加える熱が過大にならないように且つ溶接時の部品の温度が上昇 しすぎないように注意する必要がある。しかしながら、溶接時の熱時効の影響は 完全に除去されるものではなく、且つ悪影響は累積的なものなので９部品の再生 を行う度に脆化による破損の危険が増す。

本発明による鋼合金を旋動コーン・クラッシャーのマントル・ライナーおよびボ ウル・ライナーに使用すれば、再生のためのｌ容接手順が簡単になり、且つ再生 を繰り返すためここ生し６脆化の危険は最小限にとどまる。

具体的な目的に適したその他の組成は１本発明の範囲内で目的に合わせて作るこ とが出来る。例えば、　Ｆｅ−１３Ｍｎ−’、　Ｍｏおよび０．８Ｃから成り適 切に溶体化処理された鋼は、硬さおよび降伏強さが改善されるだけでなく、最高 的５５０°Ｃまでの塩度における連続使用に耐える能力を示し、　Ｆｅ−１３Ｍ ｎ−１０Ｃｒ−１，２Ｃに最大１０％のＮｉを含む組成のものは、腐食および恒 温酸化に対す　−る耐性が改善される。Ｆｅ−１７Ｍｎ−６Ｃｒ〜０．８０に最 高ｌＯ％のニッケルを含む組成のものは、誘起する応力のために低温における衝 撃特性が改善される。

係１図 ４効時間（対数時間） 箱２図 再ｊ１艮羞度（”Ｃシ 第５Ａ図 係５８図 係６図 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶体化処理からの冷却の際にオーステナイトの保持を促進するために充分な 量の炭化物形成元素を添加することを特徴とするオーステナイト・マンガン鋼。 ２、再加熱の際に、保持されたオーステナイトの分解とオーステナイト・マトリ ックス内の脆化相の形成を抑制するために充分な量の炭化物形成元素を添加する ことを特徴とするオーステナイト・マンガン鋼。 ３、　オーステナイト・マトリックス内に不溶初晶炭化物の分散を起こすのに充 分な量の炭化物形成元素を添加することを特徴とするオーステナイト・マンガン 鋼。 ４、適切な時効硬化手順によりオーステナイト・マトリックス内に二次合金炭化 物の細かな分散を起こすために充分な量の炭化物形成元素を添加することを特徴 とするオーステナ（）・マンガン鋼で、改善された硬さ降伏強さを示すもの。 ５、　保持されたオーステナイト・マトリックスの固溶体硬化を起こすのに充分 な量の炭化物形成元素を添加することを特徴とするオーステナイト・マンガン鋼 で、改善された硬さ降伏強さを示すもの。 ６、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項あるいは第５項のオーステナイ ト・マンガン鋼で、マンガン含有量が５％から２５％の範囲内にあるもの。 ７、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項あるいは第６項のオー ステナイト・マンガン鋼で、炭素含有量が０゜４％から３．０％の範囲内にある もの。 ８、請求の範囲第１項から第７項までの何れかのオーステナイト・マンガン鋼で 、炭化物形成元素が、クロム、モリブデン。 チタン、タングステンおよびバナジウムから成るグループから選択されるもの。 ９、請求の範囲第１項から第８項までの何れかのオーステナイト・マンガン鋼で 、炭化物形成元素の量が、　（ｉ）オーステナイト中の炭化物の溶解度、（ｉｉ ）ｉ体化処理温度、（ｉｉｉ）不溶炭化物の化学量論、および（ｉｖ）炭化物形 成要素の原子量によって決まるもの。 １０、請求の範囲第１項から第９項までの何れかのオーステナイト・マンガン鋼 で、オーステナイト組織が溶体化処理と焼入れによって形成されるもの。 １１、請求の範囲第１項から第９項までの何れかのオーステナイト・マンガン鋼 で、オーステナイト組織が溶体化処理と自然冷却によって保持されるもの。 １２、請求の範囲第１項から第９項までの何れかのオーステナイト・マンガン鋼 で、ニッケルを含むもの。 １３、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン５％−２５％、炭Ｎ０１４％− ３，０％、および最大２０％までの炭化物形成元素、および残りが鉄から成るも の。 １４、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１３％、チタン５％。 および炭素２．５％を含み、残りが鉄であるもの。 １５、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１３％、モリブデン４％　およ び炭素１．２％を含み、残りが鉄であるもの。 １６、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１４％、クロム５％。 および炭素０．６％を含み、残りが鉄のもの。 １７、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１７％、クロム６％。 および炭素０８％を含め、残りが鉄であるもの。 １８、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１０％、クロム１０％。 および炭素０．８％を含み、残りが鉄であるもの。 １９、オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１３％、モリブデン７％、およ び炭素０，８％を含み、残りが鉄であるもの。 ２０．オーステナイト・マンガン鋼で、マンガン１３％、クロム１０％。 炭素１．２％、そして最大１０％のニッケルを含み、残りが鉄であるもの。