JP2017061721A - 耐磨耗鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】建設機械・産業用機械等で用いられる耐磨耗鋼板として、より一層の長寿命化を安定的に得ることができる耐磨耗鋼板およびその製造方法の提供。
【解決手段】ブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上であって、長手方向（１１〜１３）に板厚（ｔ１、ｔ２）が変化している耐磨耗鋼板１０で、Ｃ：0.1〜0.35％、Ｓｉ：0.05〜1％、Ｍｎ：0.1〜2％、Ａｌ：0.1％以下、を含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂの内の１種又は２種以上を含有する耐磨耗鋼板１０。
【選択図】図１
【解決手段】ブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上であって、長手方向（１１〜１３）に板厚（ｔ１、ｔ２）が変化している耐磨耗鋼板１０で、Ｃ：0.1〜0.35％、Ｓｉ：0.05〜1％、Ｍｎ：0.1〜2％、Ａｌ：0.1％以下、を含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂの内の１種又は２種以上を含有する耐磨耗鋼板１０。
【選択図】図１
Description
本発明、建設機械・産業用機械等で用いられる耐磨耗鋼板およびその製造方法に関するものである。
ダンプベッセル、パワーショベル、ブルドーザー、バケット、ホッパーなどの建設機械・産業用機械において、土砂等との接触による磨耗が問題となるような部材には、長寿命化のために、耐磨耗特性に優れた鋼板が使用される。
鋼板の耐磨耗特性は、高硬度化することで向上することが一般的に知られており、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素添加により焼入特性を向上させ、焼入れ等の熱処理を実施して高硬度化した耐磨耗鋼板が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
さらに、建設機械・産業用機械メーカーでは、建設機械・産業用機械のより一層の長寿命化のために、板厚が異なる複数枚の耐磨耗鋼板を溶接して一枚の鋼板とし、板厚が厚い部分は磨耗が進行しやすい部材に当て、板厚が薄い部分は比較的磨耗が進行しない部材に当てるようにすることがある。
しかしながら、上記のように、建設機械・産業用機械のより一層の長寿命化のために、板厚が異なる複数枚の耐磨耗鋼板を溶接する場合、溶接熱により溶接部近傍では硬さが小さくなって耐磨耗特性が低下し、磨耗が局部的に進行してしまって、長寿命化を阻害するという問題がある。
また、溶接によって板厚が異なる耐磨耗鋼板を製造する場合、溶接する工程が増える分、生産効率が低くなるという問題もある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、建設機械・産業用機械等で用いられる耐磨耗鋼板として、建設機械・産業用機械等のより一層の長寿命化を安定的に得ることができる耐磨耗鋼板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。
［１］ブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上であって、長手方向に板厚が変化していることを特徴とする耐磨耗鋼板。
［２］長手方向の一方の端部の板厚とその反対の端部の板厚とが異なることを特徴とする前記［１］に記載の耐磨耗鋼板。
［３］組成が質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、さらに、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｔｉ：０．１〜０．８％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなっていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の耐磨耗鋼板。
［４］前記［３］に記載の耐磨耗鋼板の製造方法であって、前記［３］に記載の組成を有する鋼片を熱間圧延して長手方向に板厚が変化した被圧延材を得た後、該被圧延材を焼入れ処理することを特徴とする耐磨耗鋼板の製造方法。
［５］被圧延材を焼入れ処理する際には、被圧延材をＡｃ３以上の温度から１８℃／ｓ以上の冷却速度でＭｆ点以下まで冷却することを特徴とする前記［４］に記載の耐磨耗鋼板の製造方法。
［６］被圧延材を焼入れ処理する際には、前記被圧延材の長手方向の板厚変化に対応して高さ位置が変化する拘束ロールによって前記被圧延材を拘束しながら冷却装置を通過させることを特徴とする前記［４］または［５］に記載の耐磨耗鋼板の製造方法。
本発明においては、一体物として長手方向に板厚が変化した耐磨耗鋼板となっているので、板厚が異なる複数枚の耐磨耗鋼板を溶接した場合のような、溶接熱により溶接部近傍では硬さが小さくなって耐磨耗特性が低下し、磨耗が局部的に進行してしまうという問題がない。その結果、建設機械・産業用機械等で用いられる耐磨耗鋼板として、建設機械・産業用機械等のより一層の長寿命化を安定的に得ることができる。そして、比較的磨耗が進行しない部材には板厚が薄い箇所を当てることで軽量化が達成できるため、建設機械・産業用機械等の重量低減による燃費向上が可能となる。
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［外観形状］
図１は、本発明の一実施形態における耐磨耗鋼板の外観形状を示す斜視図である。
図１は、本発明の一実施形態における耐磨耗鋼板の外観形状を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態における耐磨耗鋼板１０は、一体物として長手方向に板厚が変化しており、板厚が相対的に厚い厚部１１と、板厚が相対的に薄い薄部１３と、厚部１１から薄部１３に向かって板厚がテーパ状に薄くなっているテーパ部１２とを備えている。
ちなみに、耐磨耗鋼板１０の全長はＬで板幅はＷであり、厚部１１の長さはＬ１で板厚はｔ１、テーパ部１２の長さはＬ２、薄部１３の長さはＬ３で板厚はｔ２である。
ここで、ｔ１とｔ２は、耐磨耗鋼板１０が使用される状況や、仕様にしたがって任意の値を取ることができる。
［成分組成］
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０の成分組成について述べる。なお、以下の％表示はいずれも質量％である。
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０の成分組成について述べる。なお、以下の％表示はいずれも質量％である。
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、金属組織において金属母材の硬さを大きくして耐磨耗性を向上させるのに有効な元素であり、その効果を得るためには、０．１０％以上の含有を必要とする。一方、０．３５％を超える含有は、硬質な炭化物が粗大に析出し、曲げ加工時に炭化物を起点として割れが発生する。このため、Ｃ含有量を０．１０％〜０．３５％の範囲に規定した。
Ｃは、金属組織において金属母材の硬さを大きくして耐磨耗性を向上させるのに有効な元素であり、その効果を得るためには、０．１０％以上の含有を必要とする。一方、０．３５％を超える含有は、硬質な炭化物が粗大に析出し、曲げ加工時に炭化物を起点として割れが発生する。このため、Ｃ含有量を０．１０％〜０．３５％の範囲に規定した。
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素であり、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。また、Ｓｉは、鋼に固溶して固溶強化により高硬度化に寄与する元素であるが、１．０％を超えて含有される場合は、延性、靭性を低下させ、さらに介在物量を増加させるなどの問題を生じる。このため、Ｓｉ含有量を０．０５〜１．０％の範囲に限定する。
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素であり、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。また、Ｓｉは、鋼に固溶して固溶強化により高硬度化に寄与する元素であるが、１．０％を超えて含有される場合は、延性、靭性を低下させ、さらに介在物量を増加させるなどの問題を生じる。このため、Ｓｉ含有量を０．０５〜１．０％の範囲に限定する。
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、固溶強化により高硬度化に寄与する有効な元素であり、このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。一方、２．０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｍｎ含有量を０．１〜２．０％の範囲に限定する。
Ｍｎは、固溶強化により高硬度化に寄与する有効な元素であり、このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。一方、２．０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｍｎ含有量を０．１〜２．０％の範囲に限定する。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物元素であり、結晶粒界に偏析しやすく、隣接結晶粒と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。このため、Ｐは０．０３０％以下とすることが望ましい。
Ｐは、不純物元素であり、結晶粒界に偏析しやすく、隣接結晶粒と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。このため、Ｐは０．０３０％以下とすることが望ましい。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物元素であり、結晶粒界に偏析しやすい。また、非金属介在物であるＭｎＳを生成することで、隣接結晶粒と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。そのため、Ｓ含有量を０．０３０％以下とすることが望ましい。
Ｓは、不純物元素であり、結晶粒界に偏析しやすい。また、非金属介在物であるＭｎＳを生成することで、隣接結晶粒と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。そのため、Ｓ含有量を０．０３０％以下とすることが望ましい。
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸材として作用する。このような効果は、０．００２０％以上の含有で認められるが、０．１％を超える多量の含有は、鋼の清浄度を低下させる。このため、Ａｌ含有量を０．１％以下に限定する。
Ａｌは、脱酸材として作用する。このような効果は、０．００２０％以上の含有で認められるが、０．１％を超える多量の含有は、鋼の清浄度を低下させる。このため、Ａｌ含有量を０．１％以下に限定する。
上記に加えて、さらに、下記の１種または２種以上を含有している。
Ｃｒ：０．１〜２．０％
Ｃｒは、焼入れ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、０．１％以上の含有を必要とするが、２．０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｃｒを添加する場合は０．１〜２．０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｃｒは、焼入れ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、０．１％以上の含有を必要とするが、２．０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｃｒを添加する場合は０．１〜２．０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｍｏ：０．０１〜１．０％
Ｍｏは、焼入れ性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、０．０１％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を越えて含有すると溶接性を低下させる。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜１．０％の範囲に限定されることが好ましい。
Ｍｏは、焼入れ性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、０．０１％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を越えて含有すると溶接性を低下させる。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜１．０％の範囲に限定されることが好ましい。
Ｔｉ：０．１〜０．８％
Ｔｉは、耐磨耗性向上に寄与するＴｉ系炭化物を形成する元素である。このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。一方、０．８％を越えるＴｉの含有は、Ｔｉ系炭化物が粗大化し、曲げ加工時に粗大なＴｉ系炭化物を起点として割れが発生する。このため、Ｔｉ含有量を０．１〜０．８％の範囲に限定することが好ましい。
Ｔｉは、耐磨耗性向上に寄与するＴｉ系炭化物を形成する元素である。このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。一方、０．８％を越えるＴｉの含有は、Ｔｉ系炭化物が粗大化し、曲げ加工時に粗大なＴｉ系炭化物を起点として割れが発生する。このため、Ｔｉ含有量を０．１〜０．８％の範囲に限定することが好ましい。
Ｎｂ：０．００５〜１．０％
Ｎｂは、Ｔｉと複合して添加されることにより、Ｔｉ、Ｎｂの複合炭化物（（ＮｂＴｉ）Ｃ）を形成する。ＴｉＮｂ複合炭化物は母材中に分散して、耐磨耗性向上に有効に寄与する。このような耐磨耗性向上効果を得るためには、０．００５％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を超える含有は、硬質なＴｉＮｂ複合炭化物が粗大化し、曲げ加工時に粗大なＴｉＮｂ複合炭化物を起点として割れが発生する。このため、添加する場合は、Ｎｂ含有量を０．００５〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｎｂは、Ｔｉと複合して添加されることにより、Ｔｉ、Ｎｂの複合炭化物（（ＮｂＴｉ）Ｃ）を形成する。ＴｉＮｂ複合炭化物は母材中に分散して、耐磨耗性向上に有効に寄与する。このような耐磨耗性向上効果を得るためには、０．００５％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を超える含有は、硬質なＴｉＮｂ複合炭化物が粗大化し、曲げ加工時に粗大なＴｉＮｂ複合炭化物を起点として割れが発生する。このため、添加する場合は、Ｎｂ含有量を０．００５〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
Ｂは、粒界に偏析し、粒界を強化して、靭性向上に有効に寄与する元素であり、このような効果を得るためには、０．０００３％以上の含有が必要である。一方、０．００３０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｂを添加する場合は、０．０００３〜０．００３０％の範囲に限定することが好ましい。
Ｂは、粒界に偏析し、粒界を強化して、靭性向上に有効に寄与する元素であり、このような効果を得るためには、０．０００３％以上の含有が必要である。一方、０．００３０％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Ｂを添加する場合は、０．０００３〜０．００３０％の範囲に限定することが好ましい。
［材質特性］
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０は、鋼板表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上である。
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０は、鋼板表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上である。
これは、ダンプベッセル、パワーショベル、ブルドーザー、バケット、ホッパーなどの建設機械・産業用機械において、土砂等との接触による磨耗が問題となるような部材は、鋼板表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上であることが望まれるからである。なお、長寿命化の実現のために、好ましくは、鋼板表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が４００以上である。
［製造方法］
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０の製造は以下のようにして行う。
本発明の一実施形態における耐磨耗鋼１０の製造は以下のようにして行う。
すなわち、上記の成分組成を有する鋼片（スラブ）を加熱炉で１０００〜１３００℃に加熱し、可逆式熱間圧延機でＡｒ３以上の温度域で熱間圧延して長手方向に板厚が変化した被圧延材を得た後、該被圧延材をＡｃ３以上の温度から１８℃／ｓ以上の冷却速度でＭｆ点以下まで冷却することで焼入れ処理を行う。このようにすることで、鋼板表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上となる鋼板が得られる。冷却速度の上限は特に限定されるものではないが、例えば１００℃／ｓ未満であることが好ましい。
なお、上記の温度については、鋼片および該被圧延材の表面温度とする。そして、被圧延材のＡｃ３については、公知の算定式によって求めてもよいし、公知の試験装置を用いて求めてもよい。
図２は、可逆式熱間圧延機（上圧延ロール３０ａ、下圧延ロール３０ｂ）で熱間圧延して長手方向に板厚が変化した被圧延材２０（厚部２１、テーパ部２２、薄部２３）を得ている状態を示している。
図２においては、被圧延材２０の進行に伴って、圧延中に上圧延ロール３０ａと下圧延ロール３０ｂとのロール間隙を変更することによって、板厚が相対的に厚い厚部２１と、厚部２１から薄部２３に向かって板厚がテーパ状に薄くなっているテーパ部２２と、板厚が相対的に薄い２３とが形成される。
ここで、被圧延材２０の厚部２１は耐磨耗鋼板１０の厚部１１に対応し、被圧延材２０のテーパ部２２は耐磨耗鋼板１０のテーパ部１２に対応し、被圧延材２０の薄部２３は耐磨耗鋼板１０の薄部１３に対応している。
次に、図３は、上記のように熱間圧延された被圧延材２０を冷却装置（上冷却ヘッダ３１、上冷却ノズル３２、下冷却ヘッダ３３、下冷却ノズル３４）を通過させて冷却している状態を示している。
図３においては、被圧延材１０の通過位置をセンサ（図示せず）等によってトラッキングして、冷却装置を通過中の被圧延材１０の長手方向の板厚変化（厚部２１、テーパ部２２、薄部２３）を検知し、その板厚変化に対応して高さ位置が変化する拘束ロール（上拘束ロール３５、下拘束ロール３６）で被圧延材１０を上下方向から拘束しながら冷却している。
ここで、図３（ａ）は、被圧延材１０の薄部２３を冷却している状態であり、図３（ｂ）は、被圧延材１０のテーパ部２２を冷却している状態であり、図３（ｃ）は、被圧延材１０の厚部２１を冷却している状態である。
これによって、長手方向の板厚変化を有している被圧延材１０（厚部２１、テーパ部２２、薄部２３）を冷却・焼入れするに際して、被圧延材１０の熱歪の発生を的確に抑制することができる。
なお、図３に示したように、熱間圧延された被圧延材２０をＡｃ３以上の温度から１８℃／ｓ以上の冷却速度でＭｆ点以下まで冷却装置（上冷却ヘッダ３１、上冷却ノズル３２、下冷却ヘッダ３３、下冷却ノズル３４）を通過させて冷却する際には、オンラインに冷却装置を設置しておき、熱間圧延された被圧延材２０をそのままオンラインの冷却装置を通過させて冷却すればよい。あるいは、オフラインに加熱装置と冷却装置を設置しておき、熱間圧延された被圧延材２０をオフラインの加熱装置で再加熱してからオフラインの冷却装置を通過させて冷却してもよい。
このようにして、この実施形態においては、熱間圧延によって一体物として長手方向に板厚が変化した耐磨耗鋼板１０となっているので、板厚が異なる耐磨耗鋼板を溶接した場合のような、溶接熱により溶接部近傍では硬度が減少して耐磨耗特性が低下し、磨耗が局部的に進行してしまうという問題がない。その結果、建設機械・産業用機械等で用いられる耐磨耗鋼板として、建設機械・産業用機械等のより一層の長寿命化を安定的に得ることができる。そして、比較的磨耗が進行しない部材には板厚が薄い個所を当てることで軽量化が達成できるため、建設機械・産業用機械等の重量低減による燃費向上が可能となる。
また、溶接工程がないので、生産効率も向上する。
なお、本発明においては、上記の耐磨耗鋼板１０だけでなく、例えば、図４（ａ）〜（ｅ）に長手方向断面形状を示すような耐磨耗鋼板も可能である。
また、上記の耐磨耗鋼板１０および図４（ａ）〜（ｅ）に示した耐磨耗鋼板は、長手方向に直線的に板厚が変化した、所謂ＬＰ形状を有する耐磨耗鋼板（ＬＰ耐磨耗鋼板）となっているが、本発明は、長手方向に曲線的に板厚が変化した耐磨耗鋼板も含んでいる。
本発明の実施例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて耐磨耗鋼板１０を製造した（本発明例１、本発明例２）。なお、ここでは、耐磨耗鋼板１０表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）の目標値を４２５〜４７５とした。
本発明例１および本発明例２について、寸法を表１に示し、成分組成を表２に示す。また、それぞれの熱間圧延条件と冷却条件を表３に示す。圧延にあたって、鋼板の形状は図１に示されるものとした。
そして、得られた耐磨耗鋼板の表面のブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）を測定した結果および熱歪の発生状況を表４に示す。また、板厚方向のビッカース硬さ（Ｈｖ１０ｋｇｆ）を測定した結果を図５に示す。
本発明例１および本発明例２のいずれも、良好な硬さ特性を備えているとともに、熱歪の発生も抑止されている。
１０ 耐磨耗鋼板（ＬＰ耐磨耗鋼板）
１１ 厚部
１２ テーパ部
１３ 薄部
２０ 被圧延材
２１ 厚部
２２ テーパ部
２３ 薄部
３０ａ 上圧延ロール
３０ｂ 下圧延ロール
３１ 上冷却ヘッダ
３２ 上冷却ノズル
３３ 下冷却ヘッダ
３４ 下冷却ノズル
３５ 上拘束ロール
３６ 下拘束ロール
１１ 厚部
１２ テーパ部
１３ 薄部
２０ 被圧延材
２１ 厚部
２２ テーパ部
２３ 薄部
３０ａ 上圧延ロール
３０ｂ 下圧延ロール
３１ 上冷却ヘッダ
３２ 上冷却ノズル
３３ 下冷却ヘッダ
３４ 下冷却ノズル
３５ 上拘束ロール
３６ 下拘束ロール
Claims (6)
- ブリネル硬さ（ＨＢＷ１０／３０００）が３６１以上であって、長手方向に板厚が変化していることを特徴とする耐磨耗鋼板。
- 長手方向の一方の端部の板厚とその反対の端部の板厚とが異なることを特徴とする請求項１に記載の耐磨耗鋼板。
- 組成が質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、さらに、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｔｉ：０．１〜０．８％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０％の内の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の耐磨耗鋼板。
- 請求項３に記載の耐磨耗鋼板の製造方法であって、請求項３に記載の組成を有する鋼片を熱間圧延して長手方向に板厚が変化した被圧延材を得た後、該被圧延材を焼入れ処理することを特徴とする耐磨耗鋼板の製造方法。
- 被圧延材を焼入れ処理する際には、被圧延材をＡｃ３以上の温度から１８℃／ｓ以上の冷却速度でＭｆ点以下まで冷却することを特徴とする請求項４に記載の耐磨耗鋼板の製造方法。
- 被圧延材を焼入れ処理する際には、前記被圧延材の長手方向の板厚変化に対応して高さ位置が変化する拘束ロールによって前記被圧延材を拘束しながら冷却装置を通過させることを特徴とする請求項４または５に記載の耐磨耗鋼板の製造方法。
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