JP2014194043A - 低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ラスマルテンサイト鋼中の方位差15°以上の大傾角粒界で囲まれる結晶粒の平均粒径が20μm以下で、直径50nm以下の微細析出物を50個/100μm2以上含み、ブリネル硬さ(HBW10/3000)が401以上である板厚が6〜125mmの厚鋼板。所定の組成を有する鋼を鋳造、圧延後、Ac3変態点以上に再加熱し、引続きAr3変態点以上から水冷によって250℃以下の温度まで焼入れる。必要に応じて、1100℃以上に再加熱し、未再結晶域における圧下率を30%以上とし、水冷によって250℃以下の温度まで冷却し、1℃/s以上の速度でAc3変態点以上に再加熱する。
【選択図】なし
Description
しかし、一般的に鋼材は、高硬度化すると低温靭性および耐水素脆性が低下し、鋼材使用中に割れが発生する危険性があるため、特にブリネル硬さ401以上の高硬度耐磨耗鋼板の低温靭性および耐水素脆性を向上させることが強く要望されてきた。
このため、特許文献1、2、3、4等で、炭素当量および焼入れ性指標の最適化、パーライト相への硬質第2相粒子分散によって、低温靭性および耐水素脆性を改善する等、低温靭性および耐水素脆性に優れた耐磨耗厚鋼板およびその製造方法が提案されてきた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ブリネル硬さが401以上で、従来の耐磨耗厚鋼板より低温靭性および耐水素脆性に優れた耐磨耗厚鋼板ならびにその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の観点で耐磨耗厚鋼板の低温靭性および耐水素脆性を向上させるために鋭意研究を重ねた結果、Nb系炭窒化物等の直径50nm以下の微細析出物を多量に分散させると、再加熱オーステナイト粒の粗大化が抑制され、破面単位となるパケットの著しい微細化が達成されることによって、従来材よりも優れた低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板が得られることを見出した。
(1)鋼組成が、質量%で、C:0.20〜0.30%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.5〜1.5%、Cr:0.05〜1.20%、Nb:0.01〜0.08%、B:0.0005〜0.003%、Al:0.01〜0.08%、N:0.0005〜0.008%、P:0.05%以下、S:0.005%以下、O:0.008%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、直径50nm以下の微細析出物を50個/100μm2以上含み、少なくとも鋼板表面から板厚の1/4の厚さの深さまでラスマルテンサイト組織を有し、前記ラスマルテンサイト組織中の方位差15°以上の大傾角粒界で囲まれる結晶粒の平均粒径が20μm以下で、ブリネル硬さ(HBW10/3000)が401以上であることを特徴とする、低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
(3)更に、質量%で、Nd:1%以下、Cu:1%以下、Ni:1%以下、W:1%以下、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、REM:0.02%以下(注:REMとはRare Earth Metalの略、希土類金属)の一種または二種以上を含有することを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
(5)板厚が6〜125mmである上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
(7)上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載の鋼組成を有する鋼を鋳造後、熱間圧延によって所定の板厚とした厚鋼板を、Ac3変態点以上に再加熱し、引続きAr3変態点以上から水冷によって250℃以下の温度まで焼入れることを特徴とする、低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
(9)更に、未再結晶域における圧下率を30%以上とすることを特徴とする、上記(7)または(8)に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
(11)更に、熱間圧延、水冷後の厚鋼板の再加熱時に1℃/s以上の速度でAc3変態点以上に再加熱することを特徴とする、上記(7)ないし(9)のいずれか1つに記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
本発明に係る耐磨耗厚鋼板は、鋼板の組織が、少なくとも鋼板表面から板厚の1/4の厚さの深さまでラスマルテンサイト組織を有するラスマルテンサイト鋼であって、ラスマルテンサイト鋼中の方位差15°以上の大傾角粒界で囲まれる結晶粒の平均粒径を20μm以下、好ましくは10μm以下、更に好適には5μm以下とする。
本発明では、直径50nm以下、好ましくは20nm以下、更に好適には10nm以下の微細析出物を50個/100μm2以上含むとする。
ブリネル硬さは、耐磨耗性能に効果の高い401以上とする。板厚は、耐磨耗性厚鋼板として一般的に使用される6〜125mmとするが、本技術は、他の板厚にも応用可能であるため、この板厚範囲に限定するものではない。ラスマルテンサイト組織は、必ずしも厚鋼板内全ての箇所で得られる必要はなく、用途によっては、例えば厚鋼板表面から板厚の1/4までのみラスマルテンサイト組織で、その他の表面から板厚の1/4〜3/4の深さでは、例えば下部ベイナイトや上部ベイナイト組織でも良い。
[成分組成]化学成分組成を示す%は、何れも質量%である。
C:0.20〜0.30%
Cは、マルテンサイト硬さおよび焼入れ性を確保するために含有するが、0.20%未満ではその効果が不十分であり、一方、0.30%を超えると母材および溶接熱影響部の靭性が劣化するとともに、溶接性が著しく劣化する。従って、C含有量を0.20〜0.30%に限定する。ただし、炭素含有量は0.25%を超えると、熱影響部の靱性及び溶接性がやや劣化するため、C含有量を0.20〜0.25%とすることが好ましい。
Siは、製鋼段階の脱酸材および焼入れ性を確保する元素として含有するが、0.05%未満ではその効果が不十分であり、一方、0.5%を超えると粒界が脆化し、低温靭性および耐水素脆性を劣化させる。従って、Si含有量を0.05〜0.5%に限定する。
Mn:0.5〜1.5%
Mnは、焼入れ性を確保する元素として含有するが、0.5%未満ではその効果が不十分であり、一方、1.5%を超えて含有すると、粒界強度が低下し、低温靭性および耐水素脆性が劣化する。したがって、Mn含有量を0.5〜1.5%に限定する。
Crは、焼入れ性を確保する元素として含有するが、0.05%未満ではその効果が不十分であり、一方、1.20%を超えて含有すると溶接性が劣化する。従って、Cr含有量を0.05〜1.20%に限定する。
Nb:0.01〜0.08%
Nbは、Nb系炭窒化物の微細析出物として加熱オーステナイト粒をピンニングし、粒の粗大化を抑制する。含有量が0.01%未満ではその効果が不十分であり、一方、0.08%を越える添加は溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Nb含有量を0.01〜0.08%に限定する。
Bは、焼入れ性を確保する元素として含有するが、0.0005%未満ではその効果が不十分であり、0.003%を超えると、靭性を劣化させる。従って、B含有量を0.0005〜0.003%に限定する。
Alは、脱酸材として添加されると同時に、Al系窒化物の微細析出物として加熱オーステナイト粒をピンニングし、粒の粗大化を抑制する効果、更に、フリーNをAl系窒化物として固定することによって、B系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーBを有効に活用する効果があるため、本発明においてはAl含有量をコントロールすることが最も重要である。Al含有量が0.01%未満の場合にはその効果が十分でないため、0.01%以上含有させる必要がある。好ましくは0.02%以上、より好ましくは0.03%以上含有させるとよい。一方、0.08%を超えて含有すると、鋼板の表面疵が発生し易くなる。従って、Al含有量を0.01〜0.08%に限定する。
Nは、Nb、Ti、Alなどと窒化物を形成することによって微細析出物を形成し、加熱オーステナイト粒をピンニングすることによって、粒の粗大化を抑制し、低温靭性および耐水素脆性を向上させる効果を有するために添加する。0.0005%未満の添加では組織の微細化効果が充分にもたらされず、一方、0.008%を超える添加は固溶N量が増加するために母材および溶接熱影響部の靭性を損なう。従って、N含有量を0.0005〜0.008%に限定する。
不純物元素であるPは、結晶粒界に偏析しやすく、0.05%を超えると隣接結晶粒の接合強度を低下させ、低温靭性および耐水素脆性を劣化させる。従って、P含有量を0.05%以下に限定する。
S:0.005%以下
不純物元素であるSは、結晶粒界に偏析しやすく、また、非金属介在物であるMnSを生成しやすい。0.005%を超えると隣接結晶粒の接合強度が低下し、介在物の量が多くなり、低温靭性および耐水素脆性を劣化させる。従って、S含有量を0.005%以下に限定する。
Oは、Alなどと酸化物を形成することによって、材料の加工性に影響を及ぼす。0.008%を超える含有は介在物が増加し、加工性を損なう。従って、O含有量を0.008%以下に限定する。
Mo:0.8%以下
Moは、焼入れ性を向上する作用を有するが、0.05%未満ではその効果が不十分であり、0.05%以上の添加が好ましい。しかし、0.8%を超える添加は経済性が劣る。従って、Moを添加する場合には、その含有量を0.8%以下に限定する。
Vは、焼入れ性を向上する作用を有すると共に、V系炭化物の微細析出物として加熱オーステナイト粒をピンニングし、粒の粗大化を抑制するが、0.005%未満ではその効果が不十分であり、0.005%以上の添加が好ましい。しかし、0.2%を超える添加は溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Vを添加する場合には、その含有量を0.2%以下に限定する。
Tiは、Ti系炭窒化物の微細析出物として加熱オーステナイト粒をピンニングし、粒の成長を抑制する効果、更に、フリーNをTi系窒化物として固定することによって、B系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーBを有効に活用する効果があるが、0.005%未満ではその効果が不十分であり、0.005%以上の添加が好ましい。しかし、0.05%を超える添加は溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Tiを添加する場合には、その含有量を0.05%以下に限定する。
Ndは、Sを介在物として取り込み、Sの粒界偏析量を低減させ、低温靭性および耐水素脆性を向上させる作用を有している。しかしながら、0.005%未満ではその効果が不十分であり、0.005%以上の添加が好ましい。しかし、1%を超える添加は溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Ndを添加する場合には、その含有量を1%以下に限定する。
Cuは、焼入れ性を向上する作用を有している。しかしながら、0.05%未満ではその効果が不十分であり、0.05%以上の添加が好ましい。しかし、Cu含有量が1%を超えると、鋼片加熱時や溶接時に熱間での割れを生じやすくする。従って、Cuを添加する場合には、その含有量を1%以下に限定する。
Niは、靭性および焼入れ性を向上する作用を有している。しかしながら、0.05%未満ではその効果が不十分であり、0.05%以上の添加が好ましい。しかし、Ni含有量が1%を超えると、経済性が劣る。従って、Niを添加する場合には、その含有量を1%以下に限定する。
W:1%以下
Wは、焼入れ性を向上する作用を有するが、0.05%未満ではその効果が不十分であり、0.05%以上の添加が好ましい。しかし、1%を超えると、溶接性が劣化する。従って、Wを添加する場合は、その含有量を1%以下に限定する。
Caは、圧延によって展伸しやすい介在物であるMnSの代わりに、圧延により展伸しにくい球状介在物であるCaSへと、硫化物系介在物の形態を制御する作用を有する。しかしながら、0.0005%未満ではその効果が不十分であり、0.0005%以上の添加が好ましい。しかし、0.005%を超えて含有すると清浄度が低下するため、靭性などの材質が劣化する。したがって、Caを添加する場合には、その含有量を0.005%以下に限定する。
Mgは、溶銑脱硫材として使用する場合がある。しかしながら、0.0005%未満ではその効果が不十分であり、0.0005%以上の添加が好ましい。しかし、0.005%を超える添加は、清浄度の低下を招く。従って、Mgを添加する場合には、その添加量を0.005%以下に限定する。
REMは、鋼中でREM(O、S)として酸硫化物を生成することによって結晶粒界の固溶S量を低減して耐SR割れ特性を改善する。しかしながら、0.0005%未満ではその効果が不十分であり、0.0005%以上の添加が好ましい。しかし、0.02%を超える添加は、沈殿晶帯にREM硫化物が著しく集積し、材質の劣化を招く。従って、REMを添加する場合には、その添加量を0.02%以下に限定する。
Nb、Ti、Al、Vは、Nb系炭窒化物、Ti系炭窒化物、Al系窒化物、V系炭化物の微細析出物として加熱オーステナイト粒をピンニングし、粒の粗大化を抑制する。これらの元素と粒径の関係を詳細に調べた結果、0.03≦Nb+Ti+Al+V≦0.14が満足される場合に、特に結晶粒の微細化が達成され、低温靭性および耐水素脆性が向上することが示された。従って、0.03≦Nb+Ti+Al+V≦0.14とすることが好ましい。ただし、Nb、Ti、Al、Vは、含有量(質量%)を示し、これらの元素を含有しない場合は0とする。
本発明に係る耐摩耗性厚鋼板は、パイプ、形鋼および棒鋼など種々の形状にも応用可能であり、厚鋼板に限るものではない。製造条件における温度規定および加熱速度規定は鋼材中心部のものとし、鋼板は板厚中心、形鋼は本発明に係る特性を付与する部位の板厚中心、棒鋼では径方向の中心とする。但し、中心部近傍はほぼ同様の温度履歴となるので、中心そのものに限定するものではない。
本発明は、いかなる鋳造条件で製造された鋼材についても有効であるので、特に鋳造条件を限定する必要はない。溶鋼から鋳片を製造する方法や、鋳片を圧延して鋼片を製造する方法は特に規定しない。転炉法・電気炉法等で溶製された鋼や、連続鋳造・造塊法等で製造されたスラブが利用できる。
熱間圧延によって所定の板厚とした厚鋼板を、Ac3変態点以上に再加熱し、引続きAr3変態点以上から水冷によって250℃以下の温度まで焼入れ、ラスマルテンサイト組織を生成する。
熱間圧延条件
スラブの再加熱温度を管理する場合には、1100℃以上とすることが好ましい。より好ましくは1150℃以上、更に好適には1200℃以上とする。これはスラブに生成したNb系などの晶出物をより多くスラブ内に固溶させ、微細析出物の生成量を有効的に確保するためである。
熱間圧延終了後、水冷を実施する場合には、250℃以下の温度まで強制冷却を行うことが好ましい。圧延時に歪誘起析出した微細析出物の成長を抑えるためである。
再加熱時の昇温速度
更に、再加熱焼入れ時の再加熱温度を管理する場合には、1℃/s以上の速度でAc3変態点以上に再加熱することが好ましい。これは、再加熱前に生成した微細析出物および再加熱中に生成した微細析出物の成長を抑えるためである。加熱方式は、所要の昇温速度が達成されれば、誘導加熱、通電加熱、赤外線輻射加熱、雰囲気加熱等のいずれの方式でも良い。
以上の条件によって、結晶粒が微細化し、低温靭性および耐水素脆性に優れる耐磨耗厚鋼板が得られる。
表2に鋼板の組織、方位差15°以上の大傾角粒界で囲まれる結晶粒の平均粒径、直径50nm以下の微細析出物密度、および得られた鋼板のブリネル硬さ、−40℃のシャルピー吸収エネルギー、耐遅れ破壊安全度指数を示す。
鋼板の組織は、圧延方向に垂直な断面のサンプルを採取し、断面を鏡面まで研磨後、硝酸メタノール溶液で腐食し、光学顕微鏡で鋼板表面から0.5mmの箇所および板厚1/4の箇所を400倍で観察することにより、同定した。
微細析出物の面積当り個数密度は、板厚1/4の箇所から抽出レプリカ法にて作製した試料をTEM観察し、写真撮影を行い、直径50nm以下の微細析出物の個数を数え、100μm2当りの個数密度とした。
試験片中の拡散性水素量が約0.5massppmになるように水素をチャージ後、試験
片表面に亜鉛めっきを施すことによって水素を封入し、その後、1×10-6/sの歪速度にて引張試験を行い、破断した試験片の絞りを求め、一方、同様の歪速度にて水素チャージを行わない試験片の引張試験も行い、下記の式に従って評価した。
耐遅れ破壊安全度指数(%)=100×(X1/X0)
ここで、X0 :実質的に拡散性水素を含まない試験片の絞り
X1 :拡散性水素を含む試験片の絞り
ブリネル硬さの目標(本発明範囲)は、401以上、−40℃のシャルピー吸収エネルギーは、27J以上、耐遅れ破壊安全度指数は、50%以上とした。
また、鋼板No.10、14は、本発明の要件を満たし、それぞれ鋼板No.1、5に比較して、加熱温度を上げているため、粒径の微細化、微細析出物密度が増加し、vE−40℃、耐遅れ破壊安全度指数の向上が認められる。
鋼板No.15は、本発明の要件を満足し、鋼板No.6に比較して、圧延後に水冷を行っており、粒径の微細化、微細析出物密度の増加、vE−40℃、耐遅れ破壊安全度指数の向上が認められる。
一方、鋼板No.8は、Nb及び(Nb+Ti+Al+V)の含有量が、No.9は、Nbの含有量が本発明範囲の下限から外れており、平均粒径、微細析出物密度、vE−40℃、耐遅れ破壊安全度指数のいずれも目標値に達していない。
鋼板No.13は、水冷開始温度がAr3以下と低いため、表面から板厚1/4の深さにおいて、フェライトおよびマルテンサイトの2相組織となり、ラスマルテンサイト組織が十分形成されなかったために、ブリネル硬さが本発明の要件に達していない。
一方、鋼板No.17、18は、Alの含有量が本発明範囲の下限から外れており、平均粒径、微細析出物密度、vE−40℃、耐遅れ破壊安全度指数のいずれも目標値に達していない。
Claims (11)
- 質量%で、C:0.20〜0.30%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.5〜1.5%、Cr:0.05〜1.20%、Nb:0.01〜0.08%、B:0.0005〜0.003%、Al:0.01〜0.08%、N:0.0005〜0.008%、P:0.05%以下、S:0.005%以下、O:0.008%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、直径50nm以下の微細析出物を50個/100μm2以上含み、少なくとも鋼板表面から板厚の1/4の厚さの深さまでラスマルテンサイト組織を有し、前記ラスマルテンサイト組織中の方位差15°以上の大傾角粒界で囲まれる結晶粒の平均粒径が20μm以下で、ブリネル硬さ(HBW10/3000)が401以上であることを特徴とする、低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
- 更に、質量%で、Mo:0.8%以下、V:0.2%以下、Ti:0.05%以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
- 更に、質量%で、Nd:1%以下、Cu:1%以下、Ni:1%以下、W:1%以下、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、REM:0.02%以下(注:REMとはRare Earth Metalの略、希土類金属)の一種または二種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
- 更に、Nb、Ti、Al、Vの含有量が、0.03≦Nb+Ti+Al+V≦0.14となることを特徴とする耐磨耗厚鋼板であって、上記不等式中のNb、Ti、Al、Vはそれぞれの元素の含有量(質量%)を表す請求項1ないし3のいずか1項に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。ただし上記不等式中のNb、Ti、Al、Vは、これらの元素の添加がない場合には0とする。
- 板厚が6〜125mmである請求項1ないし4のいずれか1項に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板。
- −40℃のシャルピー吸収エネルギーが20J以上であり、拡散性水素を含まないときに有する絞りに対する、拡散性水素量が質量で0.5ppmであるときに有する絞りの比(%)で定義される耐遅れ破壊指数(%)が、50%以上であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐摩耗厚鋼板。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の鋼組成を有する鋼を鋳造後、熱間圧延によって所定の板厚とした厚鋼板を、Ac3変態点以上に再加熱し、引続きAr3変態点以上から水冷によって250℃以下の温度まで焼入れることを特徴とする、低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
- 更に、鋳造後のスラブを1100℃以上に再加熱することを特徴とする、請求項7に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
- 更に、未再結晶域における圧下率を30%以上とすることを特徴とする、請求項7または8に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
- 更に、熱間圧延後、水冷によって250℃以下の温度まで冷却することを特徴とする、請求項7ないし9のいずれか1項に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
- 更に、熱間圧延、水冷後の厚鋼板の再加熱時に1℃/s以上の速度でAc3変態点以上に再加熱することを特徴とする、請求項7ないし10のいずれか1項に記載の低温靭性および耐水素脆性を有する耐磨耗厚鋼板の製造方法。
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