NbC粒分散強化型工具の対熱間炭素鋼作用特性

東川　佳史; 森田　正樹; 秋山　雅義

摘要

ステンレス鋼管の熱間圧延に用いられる管内工具の表面に，プラズマ粉体溶接(Plasma Transferred Arc Welding,以下PTA溶接)技術を用いて，粗大NbC粒を50%程度含むSUS316L粉との混合粉を肉盛溶接することで，工具寿命を10倍に延ばしたという報告がなされてから大凡15年が経った.また，その技術はチタン管の熱間圧延用管内工具や，炭素鋼線材の熱間圧延用工具に対しても効果があるとの報告がなされている.従来の工具製造技術の特徴は，先ず成分調整した素材を作り，適切な加工や熱処理を施すことによって析出物等を形成させ，所定の特性を発現させるというものが主流であつたが，上記の技術はPTA溶接によって析出などでは形成され得ない粗大な硬質炭化物を外部から工具表層に強制注入することによって，表層のみに高い耐摩耗特性を付与することができるのが特徴である.類似の設計思想の下に製造される工具は冷間加工分野でも開発事例があり，例えばTiCにを分散強化させた工具が優れた冷間耐摩耗特性を示すという報告があり，また熱間ではVCが有効という報告もある.しかしながら熱間摩耗試験で比較を行い，NbCの方がVCよりも優れた耐摩耗特性を示すという報告があり，上記の粗大NbC粒分散強化型熱間加工用工具はこの結果を下に設計製造されている.ところで，上記の技術開発の過程では，100μm超の粗大NbC粒を，溶接割れを起こさない限界の重量分率まで多く含ませた粉体を強制注入するのが良い，とされているが，強制注人するNbC粒の適正な粒度や重量分率については明らかにはされておらず，また溶接工具表層で硬質NbC粒を保持するマトリックス部の作用についても明らかにはされていない.これらの点が明らかになれば，NbC粒を強制注入する熱間加工用工具に更なる高い特性を付与することも可能になると考えられる.本研究では，強制注入するNbC粒の粒度を変化させると共に注入するNbC粒の重量分率をも変化させてPTA溶接を行い，溶接層の構成と機械的特性の関係を評価した上で熱間摩耗摩耗試験を行い，上記の点を明らかにすることを試みた.%Experiments have been carried out to clarify the roles of matrix and dispersed NbC particles on the reinforcement of tool surface. It was at the end of the last century that outstanding performance in hot metal rolling was reported of the surface layer of tool reinforced with coarse NbC particles by Plasma-Transferred-Arc (PTA) welding but little has been investigated on the roles of matrix and optimum dispersion of NbC particles. In the present work specimens manufactured by PTA welding using NbC particles with different sizes and different fractions were subjected to hot sliding test against medium carbon steel in order to investigate the roles of matrix and the NbC particles held in the matrix. The result showed that the matrix is reinforced as soon as a small amount of NbC is injected into the welded layer and keeps the constant strength regardless of the increase in the fraction of NbC particles. With the increase in the fraction of NbC particles in the welded layer the performance of the surface increases linearly. In the previous use of coarse NbC powder was recommended but present result showed that the effect does not depend upon the size of NbC powder to be PTA-welded.

机译：使用等离子粉末焊接（等离子弧焊，以下称为PTA焊接）技术，将含有约50％粗NbC颗粒的SUS316L粉末与混合粉末在用于不锈钢管热轧的管道工具的表面上磨光。自从通过热焊接将工具的寿命延长了十倍以来已经过去了约15年，所使用的技术是用于钛合金管热轧和碳钢线材热轧的管内工具。据报道，它对于加工也是有效的。传统的工具制造技术的特征在于，首先制备具有调节成分的材料，并且通过适当的加工和热处理形成沉淀物等。主流的方法是发展特定的特性。然而，上述技术通过将不能通过PTA焊接而析出等形成的粗大的粗碳化物强行注入到工具表面层中而仅对表面层具有高的抵抗性。以类似的设计理念制造的工具已经在冷加工领域中得到发展，例如，分散并强化了TiC的工具具有优异的冷加工性能。有报道表明它具有耐磨性，也有报道说VC在高温条件下是有效的，但是在热磨损试验中进行了比较，有报道说NbC的耐磨性比VC好。基于上述结果，设计制造了上述的粗大的NbC晶粒分散强化热加工工具，顺便说一下，在上述技术发展的过程中，不引起焊接裂纹的大于100μm的粗大NbC晶粒的极限。据说最好强制注入含量最多不超过重量分数的粉末，但是尚未明确要强制注入的NbC晶粒的合适粒径和重量分数，并且尚未弄清将硬NbC晶粒固持在焊接工具表面上的基体部分的作用，如果这些点得以澄清，则可以赋予热加工工具更高的性能，迫使NbC晶粒生效。在这项研究中，PTA焊接是通过改变要强制注入的NbC晶粒的粒径以及改变要注入的NbC晶粒的重量分数来进行的，并研究了焊接层的组成和力学性能。进行结果以阐明基质和分散的NbC颗粒在t上的作用。上世纪末，通过等离子弧焊（PTA）焊接报道了用粗大的NbC颗粒增强的工具的表面层在热金属轧制中的出色表现，但研究很少。在本工作中，使用不同尺寸和不同比例的NbC颗粒通过PTA焊接制造的试样针对中碳钢进行了热滑动试验，以研究基体的作用以及基体的作用和NbC颗粒的最佳分散性。结果表明，一旦将少量NbC注入焊接层，基体就会得到增强，并且无论NbC颗粒分数的增加如何，都可以保持恒定的强度。 NbC颗粒在焊接层中所占的比例较小时，表面性能会线性增加。在以前的使用中建议使用粗NbC粉末，但目前的结果表明，该效果不取决于要进行PTA焊接的NbC粉末的尺寸。

NbC粒分散強化型工具の対熱間炭素鋼作用特性

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