JP2015200015A - 高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板 - Google Patents
高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高温環境における耐摩耗性に優れ、産業機械、運搬機器等で耐摩耗性が要求される部材用に用いられる厚鋼板を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１８〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｃｒ：０．０５〜２．００％、Ｎｂ：０．００５〜０．１００％、Ｔｉ：０．００５〜０．１００％、Ｗ：０．０５〜１．００％、必要に応じて、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇの１種または２種以上、ＤＩ＊が４５．０以上、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成と、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織と、表面硬さが、ブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上を有する厚鋼板。【選択図】なし
Description
本発明は、産業機械、運搬機器等で耐摩耗性が要求される部材用に用いられる厚鋼板に関し、特に、高温環境における耐摩耗性に優れたものに関する。
建設、土木、鉱山等の現場で使用される、例えば、パワーショベル、ブルドーザー、ホッパー、バケット、ダンプトラック等の産業機械、運搬機器等では、その部品に土砂等により摩耗が生じるため、その寿命延長を目的に耐摩耗性に優れた鋼材が用いられている。
特に、扱う土砂等の硬度が高い場合など、摩耗により著しく発熱する摩耗環境に晒される鋼板や、高温環境下で使用される部材は、高温で硬さが低下して、耐摩耗性が低下するため、耐高温摩耗性に優れた耐摩耗鋼材が望まれている。産業機械、運搬機器等は、０℃以下の低温域での使用も想定されることから、高温耐摩耗性に加えて、優れた低温靱性を有することが望まれている。耐摩耗鋼に関しては種々の技術が提案されている。
例えば、特許文献１では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｃｒ：０．１０〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、適正量のＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、を含有する鋼片を熱間圧延したのち、Ａｒ３変態点以上の温度から焼入れ処理し、続いて焼戻して、低温靭性に優れた高硬度耐摩耗鋼を製造する方法が提案され、Ｃｒ、Ｍｏを多量含有させることにより、焼入れ性が向上するとともに粒界が強化され低温靭性が向上し、焼戻処理を施すことによりさらに向上することが記載されている。
特許文献２では、質量％で、Ｃ：０．１８〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：１．００〜２．００％、Ｍｏ：０．５０超〜０．８０％、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎ、Ｂの適正量を含有する水焼入れおよび焼戻処理後の靭性並びに耐遅れ破壊特性に優れる高靭性耐摩耗鋼板が提案され、Ｍｎ含有量を低く抑え、Ｃｒ、Ｍｏを多量含有させることにより、焼入れ性が向上し、所定の硬さが確保できるとともに、靭性および耐遅れ破壊特性が向上し、焼戻処理を施すことにより低温靭性が向上することが記載されている。
特許文献３では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４５％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．２０％、Ｃｒ：０．５０〜１．４０％、Ｍｏ：０．１５〜０．５５％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５〜０．０６０％、さらにＮｂおよび／またはＴｉの適正量を含有する高靭性耐摩耗鋼が提案され、Ｃｒ、Ｍｏを多量含有させることにより、焼入れ性が向上するとともに粒界が強化され低温靭性が向上することが記載されている。
特許文献４では、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎの適正量を必須成分とし、必要に応じて、更にＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖの一種または二種以上を含有する組成の鋼を、９００℃以下のオーステナイト未再結晶域で累積圧下率５０％以上で熱間圧延し、Ａｒ３点以上から焼入れし、その後、焼戻する耐摩耗鋼の製造方法が提案され、オーステナイト粒が展伸した組織を直接焼入れ、焼戻して、旧オーステナイト粒を展伸させた焼戻マルテンサイト組織とすることにより、低温靭性が顕著に向上することが記載されている。
特許文献５では、質量％で、Ｃ：０．２３〜０．３５％、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂの適正量を必須成分として含み、必要に応じて、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの一種または二種以上を含有する耐摩耗鋼板が提案され、成分を所定の値に調整し、鋼片を１２００〜１２５０℃に加熱することで、再加熱焼入れ後の耐摩耗性が確保され、さらに低温靱性が向上することが記載されている。
特許文献６では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｗ：０．１０〜１．４０％、Ｂ：０．０００３〜０．００２０％を含み、さらにＴｉ：０．００５〜０．１０％および／またはＡｌ：０．０３５〜０．１％を必須成分として含み、必要に応じて、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃａ、ＲＥＭのうちから１種以上を含有する組成の耐摩耗鋼板が提案され、高い表面硬さを有し、耐摩耗性に優れ、さらに低温靭性にも優れるとしている。
特許文献７では、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．１〜１．２％を含有し、固溶Ｃ量が０．０３％以下で、必要に応じて、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃｒの１種または２種以上を含有する組成を有し、マトリクスをフェライト相とし、当該マトリクス中に硬質相が分散した組織を有する耐摩耗鋼板が記載され、硬さの顕著な上昇を伴うことなく、土砂摩耗に対する耐摩耗性、および曲げ加工性がともに向上するとしている。
特許文献１〜６に記載された各技術は、低温靱性および耐摩耗性を具備することが目的で、また、特許文献７に記載された技術は、曲げ加工性と耐摩耗性を兼備させることを目的とし、いずれも高温環境下における摩耗についての検討は行われていない。
また、特許文献１〜４に記載された各技術は、焼戻しを行うことを要件としており、製造コストが増大するという問題がある。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決するためになされたもので、安価で、優れた低温靱性を備えた、高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記目的を達成するため、低温靭性、耐高温摩耗性に対する各種要因の影響について鋭意検討を重ねた。その結果、Ｗを適正量含有する組成とすることにより、耐高温摩耗性が著しく向上することを見出した。
さらに、焼入れ性を向上させて、焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織にして、表面硬さを、ブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上とし、焼入れままマルテンサイト相の旧オーステナイト（γ）粒径を３０μｍ以下まで微細化することにより、優れた耐高温摩耗性を確保しながら、優れた低温靱性も確保することができることを見出した。
本発明は、上記知見を基に、さらに検討を加えて完成されたもので、すなわち、本発明は、
（１）質量％で、
Ｃ：０．１８〜０．２５％、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
下記の（１）式で定義されるＤＩ＊が４５．０以上、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成と、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織と、さらに、表面硬さが、ブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上を有することを特徴とする高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
ＤＩ＊＝３３．８５×（０．１×Ｃ）０．５×（０．７×Ｓｉ＋１）×（３．３３×Ｍｎ＋１）×（０．３５×Ｃｕ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（１．７５×Ｖ＋１）×（１．５×Ｗ＋１） （１）
式において、各合金元素は含有量（質量％）とし、含有しない元素は０とする。
（２）
さらに、質量％で、
Ｎ：０．００１５〜０．００５０％、
を含有することを特徴とする（１）に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
（３）さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０５〜１．００％、
Ｃｕ：０．０３〜１．００％、
Ｎｉ：０．０３〜２．００％、
Ｖ：０．００５〜０．１００％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
（４）さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、
から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれか一つに記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
（１）質量％で、
Ｃ：０．１８〜０．２５％、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
下記の（１）式で定義されるＤＩ＊が４５．０以上、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成と、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織と、さらに、表面硬さが、ブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上を有することを特徴とする高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
ＤＩ＊＝３３．８５×（０．１×Ｃ）０．５×（０．７×Ｓｉ＋１）×（３．３３×Ｍｎ＋１）×（０．３５×Ｃｕ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（１．７５×Ｖ＋１）×（１．５×Ｗ＋１） （１）
式において、各合金元素は含有量（質量％）とし、含有しない元素は０とする。
（２）
さらに、質量％で、
Ｎ：０．００１５〜０．００５０％、
を含有することを特徴とする（１）に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
（３）さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０５〜１．００％、
Ｃｕ：０．０３〜１．００％、
Ｎｉ：０．０３〜２．００％、
Ｖ：０．００５〜０．１００％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
（４）さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、
から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれか一つに記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
本発明によれば、優れた低温靭性を備え、さらに、扱う土砂等の硬度が高い場合など、摩耗により著しく発熱する摩耗環境に晒される部材や、高温環境下で使用される部材に用いる際に求められる優れた耐高温摩耗性を備えた厚鋼板が得られ、産業上格段の効果を有する。
本発明に係る耐摩耗鋼板は成分組成、ミクロ組織、表面硬さを規定する。
［成分組成］以下の説明で％は質量％とする。
［成分組成］以下の説明で％は質量％とする。
Ｃ：０．１８〜０．２５％
Ｃは、鋼板の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるために重要な元素である。Ｃが０．１８％未満では十分な硬さが得られない。一方、０．２５％を超える多量の含有は、溶接性、低温靭性および加工性を低下させるため、０．１８〜０．２５％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．２０〜０．２３％である。
Ｃは、鋼板の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるために重要な元素である。Ｃが０．１８％未満では十分な硬さが得られない。一方、０．２５％を超える多量の含有は、溶接性、低温靭性および加工性を低下させるため、０．１８〜０．２５％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．２０〜０．２３％である。
Ｓｉ：０．０５〜１．００％
Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤として作用する有効な元素であり、また、固溶強化により鋼板の強度向上に有効に寄与する元素である。このような効果を確保するためには０．０５％以上の含有を必要とする。一方、１．００％を超えて多量に含有すると、延性、靭性が低下し、また介在物が増加するため、０．０５〜１．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．１５〜０．４５％である。
Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤として作用する有効な元素であり、また、固溶強化により鋼板の強度向上に有効に寄与する元素である。このような効果を確保するためには０．０５％以上の含有を必要とする。一方、１．００％を超えて多量に含有すると、延性、靭性が低下し、また介在物が増加するため、０．０５〜１．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．１５〜０．４５％である。
Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる元素である。このような効果を確保するためには、０．１０％以上含有する必要がある。一方、２．００％を超えて含有すると、Ｃｒ、Ｍｏを含有する高強度鋼では焼き戻し脆性が発生するとともに、溶接熱影響部の硬さが高くなり溶接性が低下するため、０．１０〜２．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．４０〜１．７０％、より好ましくは０．５０〜１．００％である。
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる元素である。このような効果を確保するためには、０．１０％以上含有する必要がある。一方、２．００％を超えて含有すると、Ｃｒ、Ｍｏを含有する高強度鋼では焼き戻し脆性が発生するとともに、溶接熱影響部の硬さが高くなり溶接性が低下するため、０．１０〜２．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．４０〜１．７０％、より好ましくは０．５０〜１．００％である。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、鋼中に多量含有すると低温靭性の低下を招くため、０．０２０％を上限とする。できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストの高騰を招くため、０．００５％以上とすることが望ましい。
Ｐは、鋼中に多量含有すると低温靭性の低下を招くため、０．０２０％を上限とする。できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストの高騰を招くため、０．００５％以上とすることが望ましい。
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは、鋼中に多量に含まれるとＭｎＳとして析出し、破壊発生の起点となり、靭性の劣化を招くため、０．００５０％を上限とする。できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストの高騰を招くため、０．０００５％以上とすることが望ましい。
Ｓは、鋼中に多量に含まれるとＭｎＳとして析出し、破壊発生の起点となり、靭性の劣化を招くため、０．００５０％を上限とする。できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は精錬コストの高騰を招くため、０．０００５％以上とすることが望ましい。
Ａｌ：０．００５〜０．１００％
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として作用する有効な元素であり、また、結晶粒の微細化により低温靱性の向上に寄与する。このような効果を得るためには０．００５％以上の含有を必要とする。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．０１５〜０．０３５％である。
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として作用する有効な元素であり、また、結晶粒の微細化により低温靱性の向上に寄与する。このような効果を得るためには０．００５％以上の含有を必要とする。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．０１５〜０．０３５％である。
Ｃｒ：０．０５〜２．００％
Ｃｒは、焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。Ｃｒは、摩耗による発熱あるいは高温に曝される環境において、固溶強化により高温硬さの低下を抑制し、耐高温摩耗性の向上に寄与する。このような効果を得るためには０．０５％以上の含有を必要とする。０．０５％未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、２．００％を超えて含有すると、溶接性が低下するとともに、製造コストが高騰する。このため、Ｃｒは０．０５〜２．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは、０．０７〜１．００％、より好ましくは０．２０〜０．９０％の範囲である。
Ｃｒは、焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。Ｃｒは、摩耗による発熱あるいは高温に曝される環境において、固溶強化により高温硬さの低下を抑制し、耐高温摩耗性の向上に寄与する。このような効果を得るためには０．０５％以上の含有を必要とする。０．０５％未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、２．００％を超えて含有すると、溶接性が低下するとともに、製造コストが高騰する。このため、Ｃｒは０．０５〜２．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは、０．０７〜１．００％、より好ましくは０．２０〜０．９０％の範囲である。
Ｎｂ：０．００５〜０．１００％
Ｎｂは、炭窒化物として析出し、組織の微細化を介して靭性の向上に有効に寄与する元素である。このような効果を得るためには０．００５％以上の含有を必要とする。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、組織微細化の観点から、０．０１２〜０．０３０％の範囲とすることが好ましい。
Ｎｂは、炭窒化物として析出し、組織の微細化を介して靭性の向上に有効に寄与する元素である。このような効果を得るためには０．００５％以上の含有を必要とする。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、組織微細化の観点から、０．０１２〜０．０３０％の範囲とすることが好ましい。
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％
Ｔｉは、ＴｉＮとして析出し、固溶Ｎの固定を介して靭性向上に寄与する元素である。また、ＴｉＮはオーステナイト結晶粒界をピンニングしてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。このような効果を得るためには０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると、粗大な炭窒化物が析出し、靭性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、コスト低減という観点から、０．００５〜０．０３０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｔｉは、ＴｉＮとして析出し、固溶Ｎの固定を介して靭性向上に寄与する元素である。また、ＴｉＮはオーステナイト結晶粒界をピンニングしてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。このような効果を得るためには０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると、粗大な炭窒化物が析出し、靭性が低下するため、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、コスト低減という観点から、０．００５〜０．０３０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｗ：０．０５〜１．００％
Ｗは、本発明において重要な元素である。Ｗは焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。また、摩耗による発熱あるいは高温に曝される環境において、固溶Ｗが微細析出することにより、また、固溶Ｗの固溶強化により、高温硬さの低下を抑制して、耐高温摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、０．０５％以上の含有を必要とする。Ｗが０．０５％未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、１．００％を超えて含有すると、溶接性が低下するうえ、製造コストが高騰する。このため、Ｗは０．０５〜１．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは、０．１０〜０．５０％、より好ましくは０．２０〜０．４０％である。
Ｗは、本発明において重要な元素である。Ｗは焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。また、摩耗による発熱あるいは高温に曝される環境において、固溶Ｗが微細析出することにより、また、固溶Ｗの固溶強化により、高温硬さの低下を抑制して、耐高温摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、０．０５％以上の含有を必要とする。Ｗが０．０５％未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、１．００％を超えて含有すると、溶接性が低下するうえ、製造コストが高騰する。このため、Ｗは０．０５〜１．００％の範囲に限定した。なお、好ましくは、０．１０〜０．５０％、より好ましくは０．２０〜０．４０％である。
ＤＩ＊：４５．０以上
ＤＩ＊が４５．０未満では、鋼板表層からの焼入れ深さが１０ｍｍを下回り、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。そのため、ＤＩ＊は４５．０以上に限定した。なお、好ましくは７５．０以上である。ＤＩ＊は以下の（１）式で求める。
ＤＩ＊＝３３．８５×（０．１×Ｃ）０．５×（０．７×Ｓｉ＋１）×（３．３３×Ｍｎ＋１）×（０．３５×Ｃｕ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（１．７５×Ｖ＋１）×（１．５×Ｗ＋１）・・・（１）
（ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ：各元素の含有量（質量％）で、含有しない元素は零として計算する。）
上記成分が基本成分組成で、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物の一例としてＮが挙げられる。Ｎは不純物であるが、適量含有すると有用な効果があるため、製鋼工程にける脱ガス処理において溶鋼中のＮ含有量を以下の範囲に調整することが好ましい。更に特性を向上させる場合、選択元素として、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇの１種または２種以上を含有できる。
ＤＩ＊が４５．０未満では、鋼板表層からの焼入れ深さが１０ｍｍを下回り、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。そのため、ＤＩ＊は４５．０以上に限定した。なお、好ましくは７５．０以上である。ＤＩ＊は以下の（１）式で求める。
ＤＩ＊＝３３．８５×（０．１×Ｃ）０．５×（０．７×Ｓｉ＋１）×（３．３３×Ｍｎ＋１）×（０．３５×Ｃｕ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（１．７５×Ｖ＋１）×（１．５×Ｗ＋１）・・・（１）
（ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ：各元素の含有量（質量％）で、含有しない元素は零として計算する。）
上記成分が基本成分組成で、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物の一例としてＮが挙げられる。Ｎは不純物であるが、適量含有すると有用な効果があるため、製鋼工程にける脱ガス処理において溶鋼中のＮ含有量を以下の範囲に調整することが好ましい。更に特性を向上させる場合、選択元素として、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇの１種または２種以上を含有できる。
Ｎ：０．００１５〜０．００５０％
ＮはＴｉと反応してＴｉＮとして析出し、オーステナイト粒径の微細化に寄与する元素である。このような効果を得るためには０．００１５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると、粗大な窒化物が析出し、靭性が低下するため、０．００１５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、過度の脱窒は製鋼コストを増大させるため、コスト低減という観点からは、０．００２０〜０．００５０％の範囲に限定することが好ましい。
ＮはＴｉと反応してＴｉＮとして析出し、オーステナイト粒径の微細化に寄与する元素である。このような効果を得るためには０．００１５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると、粗大な窒化物が析出し、靭性が低下するため、０．００１５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、過度の脱窒は製鋼コストを増大させるため、コスト低減という観点からは、０．００２０〜０．００５０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｍｏ：０．０５〜１．００％
Ｍｏは、焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、０．０５％以上を必要とする。一方、１．００％を超えて含有すると、溶接性が低下し、製造コストが高騰するため、含有する場合は０．０５〜１．００％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１０〜０．５０％、より好ましくは０．１０〜０．２０％である。
Ｍｏは、焼入れ性を高め、マルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、０．０５％以上を必要とする。一方、１．００％を超えて含有すると、溶接性が低下し、製造コストが高騰するため、含有する場合は０．０５〜１．００％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１０〜０．５０％、より好ましくは０．１０〜０．２０％である。
Ｃｕ：０．０３〜１．００％、
Ｃｕは、焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０３％以上含有する必要がある。一方、１．００％を超えて含有すると、熱間加工性が低下し、製造コストも高騰するため、含有する場合には、０．０３〜１．００％の範囲に限定することが好ましい。なお、コストのより低減という観点からは、０．０３〜０．５０％の範囲に限定することがより好ましい。
Ｃｕは、焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０３％以上含有する必要がある。一方、１．００％を超えて含有すると、熱間加工性が低下し、製造コストも高騰するため、含有する場合には、０．０３〜１．００％の範囲に限定することが好ましい。なお、コストのより低減という観点からは、０．０３〜０．５０％の範囲に限定することがより好ましい。
Ｎｉ：０．０３〜２．００％、
Ｎｉは、焼入れ性を向上させるとともに、低温靭性向上にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０３％以上の含有を必要とする。一方、２．００％を超える含有は、製造コストを上昇させるため、含有する場合には、０．０３〜２．００％の範囲に限定する。なお、コストのより低減という観点からは、０．０３〜０．５０％の範囲に限定することがより好ましい。
Ｎｉは、焼入れ性を向上させるとともに、低温靭性向上にも寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０３％以上の含有を必要とする。一方、２．００％を超える含有は、製造コストを上昇させるため、含有する場合には、０．０３〜２．００％の範囲に限定する。なお、コストのより低減という観点からは、０．０３〜０．５０％の範囲に限定することがより好ましい。
Ｖ：０．００５〜０．１００％、
Ｖは、炭窒化物として析出し、組織を微細化する効果を介して靱性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、含有する場合には、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０２０〜０．１００％である。
Ｖは、炭窒化物として析出し、組織を微細化する効果を介して靱性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えて含有すると、溶接性が低下するため、含有する場合には、０．００５〜０．１００％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０２０〜０．１００％である。
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
Ｂは、微量含有で焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０００３％以上含有する必要がある。一方、０．００３０％を超えて含有すると靭性が低下するため、含有する場合には、０．０００３〜０．００３０％の範囲に限定する。なお、ＣＯ２溶接部など低入熱溶接部における低温割れを抑制する観点からは、０．０００３〜０．００１５％の範囲に限定することが好ましい。
Ｂは、微量含有で焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、０．０００３％以上含有する必要がある。一方、０．００３０％を超えて含有すると靭性が低下するため、含有する場合には、０．０００３〜０．００３０％の範囲に限定する。なお、ＣＯ２溶接部など低入熱溶接部における低温割れを抑制する観点からは、０．０００３〜０．００１５％の範囲に限定することが好ましい。
ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇはいずれも、Ｓと結合し硫化物系介在物を生成し、ＭｎＳの生成を抑制する元素のため、１種または２種以上を含有できる。
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８０％、
ＲＥＭは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００８０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、靱性の低下を招くため、含有する場合には、０．０００５〜０．００８０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００３０％である。
ＲＥＭは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００８０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、靱性の低下を招くため、含有する場合には、０．０００５〜０．００８０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００３０％である。
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｃａは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、かえって靱性の低下を招く。このため、含有する場合には、０．０００５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００３０％である。
Ｃａは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、かえって靱性の低下を招く。このため、含有する場合には、０．０００５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００３０％である。
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％
Ｍｇは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、靱性の低下を招くため、含有する場合には、０．０００５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００４０％である。
Ｍｇは、Ｓを固定し、靱性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。このような効果を得るためには０．０００５％以上含有する必要がある。一方、０．００５０％を超えて含有すると鋼中介在物量が増加し、靱性の低下を招くため、含有する場合には、０．０００５〜０．００５０％の範囲に限定する。なお、好ましくは０．０００５〜０．００４０％である。
［ミクロ組織］
本発明に係る耐摩耗鋼板は、上記成分組成を有し、焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である組織を有する。「主相」は、面積率で９０％以上である相とする。
本発明に係る耐摩耗鋼板は、上記成分組成を有し、焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である組織を有する。「主相」は、面積率で９０％以上である相とする。
焼入れままマルテンサイト相：面積率で９０％以上
焼入れままマルテンサイト相の相分率が、面積率で９０％未満では、主相とならず、所望の硬さを確保できず、耐摩耗性が低下し、十分な低温靭性を確保できないため、９０％以上とする。なお、面積率は好ましくは９５％以上である。残部の相は特に規定しない。
焼入れままマルテンサイト相の相分率が、面積率で９０％未満では、主相とならず、所望の硬さを確保できず、耐摩耗性が低下し、十分な低温靭性を確保できないため、９０％以上とする。なお、面積率は好ましくは９５％以上である。残部の相は特に規定しない。
焼戻しマルテンサイトは、焼戻しによってセメンタイトが生成する際にＣｒおよびＭｏがＦｅと共に炭化物を形成し、耐食性確保に有効な固溶ＣｒおよびＭｏが減少してしまうため、焼入れままマルテンサイトとする。
旧オーステナイト粒径：３０μｍ以下
焼入れままマルテンサイト相の相分率が面積率で９０％以上を確保できても、旧γ粒径が３０μｍを超えて粗大となると、低温靭性が低下するため、３０μｍ以下とする。好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。なお、旧γ粒径は、ピクリン酸腐食液で腐食した組織を光学顕微鏡（倍率：４００倍）で観察し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の規定に準拠して求めた値を用いるものとする。
焼入れままマルテンサイト相の相分率が面積率で９０％以上を確保できても、旧γ粒径が３０μｍを超えて粗大となると、低温靭性が低下するため、３０μｍ以下とする。好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。なお、旧γ粒径は、ピクリン酸腐食液で腐食した組織を光学顕微鏡（倍率：４００倍）で観察し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の規定に準拠して求めた値を用いるものとする。
［表面硬さ］
表面硬さをブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上とする。表面硬度がブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００未満では、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなるため、４００以上とする。なお、ブリネル硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４３の規定に準拠して測定するものとする。
表面硬さをブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上とする。表面硬度がブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００未満では、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなるため、４００以上とする。なお、ブリネル硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４３の規定に準拠して測定するものとする。
次に、本発明に係る耐摩耗鋼板の好ましい製造方法について説明する。上記成分組成の鋼素材を、鋳造後、所定の温度を保持している場合には冷却せずにそのまま、あるいは冷却後、再加熱し、熱間圧延により所望の寸法形状の鋼板とする。
鋼素材の製造方法は、とくに限定する必要はないが、上記成分組成の溶鋼を、転炉等の公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の公知の鋳造方法で所定寸法のスラブ等の鋼素材とすることが好ましい。なお、造塊−分塊圧延法で鋼素材としてもよいことは言うまでもない。
加熱温度：９５０〜１２００℃
加熱温度が９５０℃未満では、変形抵抗が高くて圧延負荷が過大となり、熱間圧延ができない。一方、１２００℃を超える高温では、結晶粒の粗大化が著しくなり、所望の靭性を確保できなくなる。このため、加熱温度は９５０〜１２００℃の範囲に限定することが好ましい。
加熱温度が９５０℃未満では、変形抵抗が高くて圧延負荷が過大となり、熱間圧延ができない。一方、１２００℃を超える高温では、結晶粒の粗大化が著しくなり、所望の靭性を確保できなくなる。このため、加熱温度は９５０〜１２００℃の範囲に限定することが好ましい。
加熱された鋼素材は、あるいは、鋳造後に加熱することなく所定の温度を保持した鋼素材は、熱間圧延を施して、所望の寸法形状の鋼板とする。熱間圧延条件は限定しない。熱間圧延終了後、直ちに焼入れる直接焼入れ処理を施すことが好ましい。
焼入れ開始温度は、Ａｒ３変態点以上の温度とすることが好ましい。焼入れ開始温度をＡｒ３変態点以上の温度とするため、熱間圧延終了温度は、Ａｒ３変態点以上の温度である８００℃以上とすることが好ましい。また、熱間圧延終了温度が高すぎると結晶粒が粗大化するため、９５０℃以下とすることが好ましい。なお、Ａｒ３変態点はオーステナイトから冷却する際の熱膨張曲線より測定することができる。
焼入れの冷却速度は、マルテンサイト相が形成される冷却速度以上とする。マルテンサイト相が自己焼戻し（オートテンパー）されることを防止するため、冷却停止温度は３００℃以下とすることが好ましい。より好ましくは２００℃以下である。
直接焼入れ処理を再加熱焼き入れ処理としてもよい。再加熱温度としては、８５０〜９５０℃とすることが望ましい。再加熱後の焼入れの冷却速度、冷却停止温度は直接焼入れ処理に準じる。直接焼入れ処理、再加熱焼入れ処理のいずれであっても、その後に焼戻し処理は行わない。
表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋳型に鋳造し、１５０ｋｇ鋼塊（鋼素材）とした。これらの鋼素材を、加熱後、熱間圧延し、熱間圧延終了後直ちに焼入れ（直接焼入れ）する直接焼入れ処理（ＤＱ）を行った。一部の鋼板では、熱間圧延終了後空冷し、再加熱したのち、焼入れする再加熱焼入れ処理（ＲＱ）を行った。
得られた鋼板から、試験片を採取し、組織観察、表面硬さ試験、シャルピ−衝撃試験、耐高温摩耗試験を実施した。
（１）組織観察
得られた鋼板の板厚の１／４となる位置から、観察面が圧延方向と平行方向断面となるように組織観察用試験片を採取し、研磨後、ピクリン酸腐食液で腐食して旧γ粒を現出させた。光学顕微鏡（倍率：４００倍）で観察し、各１００個の旧γ粒の円相当径を測定し、得られた値を算術平均し、平均値をその鋼板の旧γ粒径とした。
（１）組織観察
得られた鋼板の板厚の１／４となる位置から、観察面が圧延方向と平行方向断面となるように組織観察用試験片を採取し、研磨後、ピクリン酸腐食液で腐食して旧γ粒を現出させた。光学顕微鏡（倍率：４００倍）で観察し、各１００個の旧γ粒の円相当径を測定し、得られた値を算術平均し、平均値をその鋼板の旧γ粒径とした。
また、得られた鋼板の板厚の１／４となる位置から、同様に薄膜状試片（透過電子顕微鏡組織観察用試験片）を採取し、研削、研磨（機械研磨、電解研磨）により薄膜とし、透過電子顕微鏡（倍率：２００００倍）により各２０視野観察し、セメンタイトの析出していない領域をマルテンサイト相領域とし、その面積を測定し、組織全体に対する割合（％）で表示し、マルテンサイト分率（面積率）とした。なお、セメンタイトが析出した相についてもその種類について判定した。
（２）表面硬さ試験
得られた鋼板から、表面硬さ測定用試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４３（１９９８）の規定に準拠し、表面硬さＨＢＷ１０／３０００を測定した。硬さ測定は、１０ｍｍのタングステン硬球を使用し、荷重は３０００ｋｇｆとした。
（３）シャルピー衝撃試験
得られた鋼板の板厚の１／４の位置で、圧延方向に垂直な方向（Ｃ方向）からＶノッチ試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（１９９８）の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施した。試験温度は−４０℃での吸収エネルギーｖＥ−４０（Ｊ）を求めた。なお、試験片本数は各３本とし、その算術平均を当該鋼板の吸収エネルギーｖＥ−４０とした。ｖＥ−４０が３０Ｊ以上である鋼板を母材の低温靱性に優れる鋼板と評価した。
（４）耐高温摩耗試験
得られた鋼板から、高温硬さ測定用試験片を採取し、鋼板断面を鏡面まで研磨し、ＪＩＳ Ｚ ２２５２（１９９１）の規定に準拠し、高温ビッカース硬さを測定した。測定位置は表面から１ｍｍとし、試験荷重は１ｋｇｆとした。３００℃での高温ビッカース硬さが３００以上である場合を「耐高温摩耗性」に優れると評価した。
（２）表面硬さ試験
得られた鋼板から、表面硬さ測定用試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４３（１９９８）の規定に準拠し、表面硬さＨＢＷ１０／３０００を測定した。硬さ測定は、１０ｍｍのタングステン硬球を使用し、荷重は３０００ｋｇｆとした。
（３）シャルピー衝撃試験
得られた鋼板の板厚の１／４の位置で、圧延方向に垂直な方向（Ｃ方向）からＶノッチ試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（１９９８）の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施した。試験温度は−４０℃での吸収エネルギーｖＥ−４０（Ｊ）を求めた。なお、試験片本数は各３本とし、その算術平均を当該鋼板の吸収エネルギーｖＥ−４０とした。ｖＥ−４０が３０Ｊ以上である鋼板を母材の低温靱性に優れる鋼板と評価した。
（４）耐高温摩耗試験
得られた鋼板から、高温硬さ測定用試験片を採取し、鋼板断面を鏡面まで研磨し、ＪＩＳ Ｚ ２２５２（１９９１）の規定に準拠し、高温ビッカース硬さを測定した。測定位置は表面から１ｍｍとし、試験荷重は１ｋｇｆとした。３００℃での高温ビッカース硬さが３００以上である場合を「耐高温摩耗性」に優れると評価した。
得られた結果を表２に示す。本発明例はいずれも、４００ＨＢＷ１０／３０００以上の高い表面硬さ、ｖＥ−４０：３０Ｊ以上の優れた低温靱性、高温硬さが３００以上の優れた耐高温摩耗性を有している。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、表面硬さが低いか、低温靱性が低下しているか、高温硬さが低いか、あるいはそれらの２つ以上が低下している。
表２に製造条件と試験結果を併せて示す。本発明例（Ｎｏ．１〜１１）はいずれも、４００ＨＢＷ１０／３０００以上の高い表面硬さ、ｖＥ−４０：３０Ｊ以上の優れた低温靱性、高温硬さが３００以上の優れた耐高温摩耗性を有している。一方、本発明の範囲を外れる比較例（Ｎｏ．１２〜１６）は、表面硬さ、低温靱性、あるいは耐高温摩耗性の少なくとも一つが本発明例と比較して劣っている。
表３に示す組成の溶鋼を、実施例１と同様の方法により鋼板を作成した。得られた鋼板から、試験片を採取し、実施例１と同様に組織観察、表面硬さ試験、シャルピー衝撃試験、耐高温摩耗試験を実施した。
得られた結果を表４に示す。本発明例はいずれも、４００ＨＢＷ１０／３０００以上の高い表面硬さ、ｖＥ−４０：３０Ｊ以上の優れた低温靱性、高温硬さが３００以上の優れた耐高温摩耗性を有している。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、表面硬さが低いか、低温靱性が低下しているか、高温硬さが低いか、あるいはそれらの２つ以上が低下している。
表４に製造条件と試験結果を併せて示す。本発明例（Ｎｏ．１７〜２７）はいずれも、４００ＨＢＷ１０／３０００以上の高い表面硬さ、ｖＥ−４０：３０Ｊ以上の優れた低温靱性、高温硬さが３００以上の優れた耐高温摩耗性を有している。一方、本発明の範囲を外れる比較例（Ｎｏ．２８〜３２）は、表面硬さ、低温靱性、あるいは耐高温摩耗性の少なくとも一つが本発明例と比較して劣っている。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．１８〜０．２５％、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％、
Ｗ：０．０５〜１．００％、
下記の（１）式で定義されるＤＩ＊が４５．０以上、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成と、旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下である焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織と、さらに、表面硬さが、ブリネル硬さＨＢＷ１０／３０００で４００以上を有することを特徴とする高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
ＤＩ＊＝３３．８５×（０．１×Ｃ）０．５×（０．７×Ｓｉ＋１）×（３．３３×Ｍｎ＋１）×（０．３５×Ｃｕ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（１．７５×Ｖ＋１）×（１．５×Ｗ＋１） （１）
式において、各合金元素は含有量（質量％）とし、含有しない元素は０とする。 - さらに、質量％で、
Ｎ：０．００１５〜０．００５０％、
を含有することを特徴とする請求項１に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０５〜１．００％、
Ｃｕ：０．０３〜１．００％、
Ｎｉ：０．０３〜２．００％、
Ｖ：０．００５〜０．１００％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
から選ばれる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に記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。 - さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、
から選ばれる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ないし３のいずれか一つに記載の高温環境における耐摩耗性に優れた厚鋼板。
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