複合鋼管の摩耗層用耐摩耗鋼の研究

耐摩耗複合鋼管は、鉱業、発電、セメント製造、冶金などの産業で広く使用されており、研磨材の輸送はパイプラインに大きな摩耗を引き起こします。これらのパイプは通常、構造強度を確保するための外側の鋼層と、摩耗、浸食、腐食に耐えるように設計された内側の耐摩耗層で構成されています。耐摩耗層は、過酷な動作条件下でのパイプの耐用年数を延ばす上で重要な役割を果たします。この研究は、複合鋼管の摩耗層に使用される鋼の研究に焦点を当て、材料組成、機械的特性、および性能パラメータを分析します。

この研究の主な目的は、摩耗層に適した鋼種を特定し、硬度、靭性、耐摩耗性などの主要パラメータを通じてその性能を評価し、その結果を構造化された形式で提示することです。この研究では、合金元素と熱処理プロセスが耐摩耗鋼の性能に及ぼす影響についても検討します。さまざまな鋼種の特性をまとめた詳細なパラメータ表を提供し、その後の耐摩耗用途への適合性に関する詳細な分析を行います。

1. 耐摩耗複合鋼管の概要

耐摩耗性用に設計された複合鋼管は、通常、外側の構造層と内側の耐摩耗層の2つ以上の層で構成されています。外側の層は、機械的強度と柔軟性を提供するために、炭素鋼または低合金鋼で作られることが多く、一方、内側の層または摩耗層は、摩耗、浸食、場合によっては腐食に耐えるように設計されています。摩耗層は、セラミックス、高クロム鋳鉄、または特殊合金鋼など、さまざまな材料で作ることができます。この研究では、耐摩耗性、靭性、および費用対効果のバランスが取れているため、鋼ベースの摩耗層に焦点を当てています。

摩耗層は、石炭スラリー、鉱石、またはセメントクリンカーの研磨衝撃などの極端な条件に耐えなければなりません。従来の炭素鋼管は、硬度と耐摩耗性が限られているため、そのような条件下ではすぐに破損します。これに対処するために、高硬度、良好な靭性、衝撃および疲労に対する耐性を持つ耐摩耗鋼が開発されています。これらの鋼には、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、バナジウム（V）、ニッケル（Ni）などの合金元素が組み込まれ、その特性が向上することがよくあります。

複合管の内層に耐摩耗鋼を選択するには、硬度と靭性のトレードオフが必要です。高硬度は摩耗に対する耐性を向上させますが、靭性を低下させ、材料を脆くし、衝撃下で割れやすくなる可能性があります。逆に、高靭性は衝撃に対する耐性を高めますが、耐摩耗性を損なう可能性があります。この研究では、いくつかの鋼種を調査し、それらの化学組成、機械的特性、および摩耗性能に焦点を当てて、摩耗層への適合性を判断します。

2. 耐摩耗鋼の材料選択

複合管の摩耗層に使用する鋼の選択は、動作環境、研磨材の種類、およびコストに関する考慮事項など、いくつかの要因によって異なります。一般的に使用される耐摩耗鋼には、高クロム白鋳鉄、マルテンサイト鋼、およびベイナイト鋼があります。それぞれに明確な利点と制限があり、以下に説明します。

2.1 高クロム白鋳鉄

高クロム白鋳鉄は、優れた硬度と耐摩耗性により、耐摩耗用途で広く使用されています。高クロム含有量（通常15〜30％）は、マルテンサイトマトリックス中に硬質クロム炭化物（M7C3型）の形成を促進し、耐摩耗性を大幅に向上させます。ただし、その脆性により、高衝撃を伴う用途での使用が制限されます。

2.2 マルテンサイト鋼

マルテンサイト鋼は、完全なマルテンサイト組織を得るために熱処理されており、高硬度と耐摩耗性を提供します。これらの鋼には、焼入れ性と摩耗特性を向上させるために、クロム、モリブデン、バナジウムなどの元素が合金化されることがよくあります。マルテンサイト鋼は、高クロム鋳鉄と比較して、硬度と靭性のバランスが優れており、適度な衝撃を伴う用途に適しています。

2.3 ベイナイト鋼

ベイナイト鋼は、高強度、靭性、および耐摩耗性の組み合わせを提供するベイナイト組織を特徴としています。これらの鋼は、摩耗と衝撃の両方に耐える必要がある用途でよく使用されます。ホウ素（B）やモリブデンなどの合金元素の添加は、熱処理中のベイナイトの形成を促進します。

3. 摩耗層用耐摩耗鋼のパラメータ

複合鋼管の摩耗層に対するさまざまな鋼種の適合性を評価するために、化学組成、硬度、衝撃靭性、および摩耗率など、いくつかの主要パラメータが考慮されます。これらのパラメータを以下の表にまとめます。

表のパラメータに関する注意:

• 化学組成: 合金元素の割合は、鋼の微細構造と機械的特性に影響します。
• 硬度: ロックウェル硬度（HRC）で測定され、値が高いほど摩耗に対する耐性が優れています。
• 衝撃靭性: ジュール/平方センチメートル（J/cm²）で測定され、値が高いほど衝撃に対する耐性が優れています。
• 摩耗率: 立方ミリメートル/ニュートンメートル（mm³/N・m）で測定され、値が低いほど耐摩耗性が優れています。
• 熱処理: 目的の微細構造と特性を実現するために使用されるプロセス。

4. 摩耗層用途の鋼パラメータの分析

4.1 高クロム鋳鉄（鋼A）

高クロム鋳鉄（鋼A）は、評価された材料の中で最高の硬度を示し、HRC範囲は58〜62です。これは、マルテンサイトマトリックス中の硬質M7C3炭化物の存在に起因します。摩耗率は1.2 × 10⁻⁵ mm³/N・mと最も低く、優れた耐摩耗性を示しています。ただし、その衝撃靭性は低く（5〜10 J/cm²）、高衝撃条件下で割れやすくなります。この鋼は、衝撃が最小限である微細な石炭灰やセメントスラリーの輸送など、純粋な摩耗を伴う用途に最適です。

4.2 マルテンサイト鋼（鋼B）

マルテンサイト鋼（鋼B）は、硬度（50〜55 HRC）と衝撃靭性（20〜30 J/cm²）のバランスの取れた組み合わせを提供します。摩耗率は2.5 × 10⁻⁵ mm³/N・mで、高クロム鋳鉄よりも高くなっていますが、多くの用途で許容範囲内です。12％のクロムの添加は耐食性を高め、モリブデンとバナジウムは焼入れ性と耐摩耗性を向上させます。この鋼は、適度な衝撃と摩耗を伴う用途、たとえば粗い鉱石の輸送に適しています。

4.3 ベイナイト鋼（鋼C）

ベイナイト鋼（鋼C）は、評価された耐摩耗鋼の中で最高の衝撃靭性（40〜50 J/cm²）を提供し、硬度は45〜50 HRCです。摩耗率は3.0 × 10⁻⁵ mm³/N・mで、マルテンサイト鋼よりも高いため、耐摩耗性はわずかに低くなっています。オーステンパによって得られるベイナイト組織は、疲労と衝撃に対する優れた耐性を提供します。この鋼は、大きな粒子サイズの鉱山作業のパイプラインなど、高衝撃と適度な摩耗を伴う用途に最適です。

4.4 低合金鋼（鋼D）

低合金鋼（鋼D）は、比較のベースラインとして機能します。硬度は40〜45 HRC、摩耗率は5.0 × 10⁻⁵ mm³/N・mで、評価された材料の中で最も耐摩耗性が低くなっています。ただし、その衝撃靭性（60〜80 J/cm²）は最も高いため、耐衝撃性が重要であるが、耐摩耗性がそれほど重要ではない用途に適しています。この鋼は通常、摩耗層には使用されませんが、複合管の外側の構造層として機能できます。

5. 合金元素と熱処理の影響

耐摩耗鋼の性能は、その化学組成と熱処理プロセスに大きく影響されます。以下に、これらの要因の詳細な説明を示します。

5.1 合金元素の役割

合金元素は、耐摩耗鋼の微細構造と特性を決定する上で重要な役割を果たします。クロムは、炭化物を形成することにより、硬度と耐摩耗性を向上させるための最も重要な元素です。高クロム鋳鉄（鋼A）では、25％のクロム含有量により、M7C3炭化物の体積分率が高くなり、優れた耐摩耗性に貢献しています。モリブデンは焼入れ性と焼戻し抵抗を向上させ、バナジウムは結晶構造を微細化し、微細な炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させます。ベイナイト鋼（鋼C）では、ホウ素の添加はベイナイトの形成を促進し、靭性と疲労抵抗を向上させます。

5.2 熱処理の効果

焼入れ、焼戻し、オーステンパなどの熱処理プロセスは、目的の微細構造と特性を実現するために使用されます。マルテンサイト鋼（鋼B）の場合、焼入れ後に焼戻しを行うと、高硬度と適度な靭性を備えた完全なマルテンサイト組織が得られます。ベイナイト鋼（鋼C）に使用されるオーステンパは、等温変態によりベイナイトを形成し、硬度と靭性のバランスが優れています。高クロム鋳鉄（鋼A）は、通常、残留応力を緩和するために、鋳造状態で使用され、オプションで焼戻しが行われます。

6. 摩耗層設計の実用的な考慮事項

複合鋼管の摩耗層を設計する際には、いくつかの実用的な考慮事項に対処する必要があります:

• • 動作環境: 研磨材の種類、粒子サイズ、速度、および衝撃条件によって、鋼の選択が決まります。衝撃の少ない微細な研磨材には、高クロム鋳鉄が最適です。衝撃の大きい粗い材料には、ベイナイト鋼が好ましいです。

• コスト対性能: 高クロム鋳鉄は、マルテンサイト鋼またはベイナイト鋼よりも高価ですが、優れた耐摩耗性を提供します。選択は、必要な耐用年数と予算の制約によって異なります。
• 製造可能性: 摩耗層は、遠心鋳造またはクラッディングを介して、外側の鋼層に冶金的に接合する必要があります。これらのプロセスとの鋼の適合性を考慮する必要があります。
• メンテナンスと交換: 摩耗層は、必要に応じて簡単に交換できるように設計する必要があります。取り外し可能な摩耗層を備えた複合管は、ダウンタイムとメンテナンスコストを削減できます。

7. 結論

複合鋼管の耐摩耗層は、研磨環境におけるパイプラインの耐用年数を延ばす上で重要な役割を果たします。この研究では、摩耗層としての適合性について、高クロム鋳鉄、マルテンサイト鋼、ベイナイト鋼、および低合金鋼の4つの鋼種を評価しました。高クロム鋳鉄は最高の耐摩耗性を示しましたが、靭性が低く、低衝撃用途に適しています。マルテンサイト鋼は、硬度と靭性のバランスの取れた組み合わせを提供し、ベイナイト鋼は最高の耐衝撃性を提供しました。低合金鋼は、靭性がありますが、ほとんどの用途に必要な耐摩耗性がありませんでした。

鋼の選択は、研磨材の種類、衝撃レベル、およびコストの制約など、特定の動作条件によって異なります。合金元素と熱処理プロセスは、耐摩耗鋼の性能に大きな影響を与え、多様な要件を満たすためのオーダーメイドのソリューションを可能にします。表に示されているパラメータは、各鋼種の特性の包括的な概要を提供し、エンジニアや設計者にとって貴重な参考資料となります。