JP2019127633A - クラッド鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】曲げ加工性および耐摩耗性の両立を高い水準で実現するクラッド鋼板について提供する。【解決手段】母材に合せ材を接合してなるクラッド鋼板であって、前記合せ材は、質量%で、C:0.001〜0.100%、Si:0.01〜2.00%、Mn:0.10〜2.50%、P:0.025%以下、S:0.02%以下、Al:0.001〜0.100%、N:0.01%以下およびO:0.01%以下を含み、残部Fe及び不可避不純物の成分組成を有し、かつ表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが375HBW 10/3000未満とし、前記母材は、質量%で、C:0.20%以上0.45%以下、Si:0.01〜2.00%、Mn:0.10〜2.50%、P:0.025%以下、S:0.02%以下、Al:0.001〜0.100%、Ti:0.10%以上1.00%以下、N:0.01%以下およびO:0.01%以下を含み、残部Fe及び不可避不純物である成分組成を有し、径が0.5μm以上のTiC析出物の個数密度が400個/mm2以上、表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが400〜590HBW 10/3000、前記母材の板厚をtMおよび前記合せ材の板厚をtcとしたとき、tc/(tM+tc)が0.05〜0.50とする。【選択図】なし

Description

本発明は、化学成分の異なる2種類の鋼板を接合したクラッド鋼板、特に曲げ加工性および耐摩耗性を高い水準で両立させたクラッド鋼板およびその製造方法に関するものである。
建設、土木、鉱業などの分野で使用される産業機械、部品、運搬機器(例えば、ダンプベッセル、コンテナ、バケットコンベヤー、ショベルカー、シューター)などは、岩石、砂、鉱石などによる摩耗にさらされる。従って、前記産業機械、部品、運搬機器などに用いられる鋼板は、それらの寿命を向上させるために耐摩耗性に優れることが求められる。
鋼板の耐摩耗性は、硬さを高くすることで向上できることが知られている。そのため、多量のCとMn等の合金元素を添加した炭素鋼に焼入等の熱処理を行うことによって得られる高硬度鋼が、耐摩耗鋼として幅広く用いられてきた。また、耐摩耗性を向上させる手段として、高硬度のマルテンサイト基地に硬質粒子であるTiCを分散させた鋼材が開発されている(特許文献1参照)。
一方、鋼材の硬さを高くすると、延性の低下に起因して曲げ加工性が低下するのが一般的である。ところで、前記産業機械、部品、運搬機器などを作製する際、工程負荷の高い溶接施工を省略することを所期して、曲げ加工による成形が行われている。そのような場合に、鋼材の硬さを高くすると、これら製品への適用が難しくなる。
そこで、従来、曲げ加工性および耐摩耗性の両立に関する検討は行われており、例えば特許文献2〜4には、マルテンサイト以外の軟質組織に硬質粒子を分散させて曲げ加工性と耐摩耗性の両立を図ることが提案されている。特許文献5には、室温における硬度を抑えたものが開示されている。しかしながら、いずれの手法も、曲げ加工性および耐摩耗性のバランスを劇的に改善するまでには到っていない。
また、特許文献6および7には、異なる材料を積層させたクラッド型の高性能耐摩耗鋼板が開示されている。すなわち、特許文献6に記載の技術では、高靱性かつ低硬度である構造用鋼の厚み比を50%以上とすることによって高靱性化を可能にしているが、軟質材の厚み比が厚すぎるためクラッド鋼全体の耐摩耗性能は低位である。一方、特許文献7に記載の技術では、鋳鉄をクラッド化することによって耐摩耗性の向上を図っているが、鋳鉄は脆性材料のため曲げ加工性は劣位である。
特許第3089882号公報 特開2007−197813号公報 特開2008−169443号公報 特開2009−7665号公報 国際公開番号WO2009/087990 特公平6−15686号公報 特開昭61−245985号公報
本発明は、上記した従来技術の問題である、曲げ加工性および耐摩耗性の両立を高い水準で実現するクラッド鋼板について提供することを目的とする。また、本発明は、前記クラッド鋼板を製造する方法について提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、曲げ加工性および耐摩耗性が要求される製品の内、例えばダンプベッセルやコンテナ等の容器状のものは、摩耗環境にさらされるのは主に製品(容器)の内側であるため、耐摩耗性が要求されるのは製品の内面側となる片面のみである。一方、鋼板の曲げ加工時の割れは、通常引張方向の歪が最大となる曲げ加工時の外面側の鋼板最表面近傍で発生する。すわなち、鋼板の曲げ加工性は鋼板表層の特性が支配的であると言える。
以上を踏まえ検討を加えたところ、硬度が高く耐摩耗性に優れる鋼板を母材として、さらに曲げ加工性の向上のために母材の片面のみに合せ材として軟質鋼板を接合させたクラッド鋼板とすることによって、容器状製品としての曲げ加工性と耐摩耗性を高い水準で両立させることが可能であることを新規に見出すに到った。ここで、硬度が小さく延性の良好な鋼板を合せ材として貼り合せるクラッド化が有効であるが、合せ材の板厚が薄すぎるとその効果は小さく、曲げ外面最表層に近い母材部で割れが発生すること、一方、軟質、高延性の合せ材の板厚がクラッド鋼板の板厚の50%を超えても曲げ加工性向上効果は飽和すること、も併せて知見した。また、曲げ加工性と耐摩耗性を高い水準で両立させたクラッド鋼板を製造するには、耐摩耗鋼性が要求される母材表層の硬度を確保するために、オーステナイト単相域から焼入れを行いマルテンサイト組織が得られる冷却条件とすることが有利であるとの知見を得た。なお、母材および合せ材がともに炭素鋼であるクラッド鋼板とすることは、ステンレス鋼や非鉄合金を合せ材に用いたクラッド鋼板に比べて合金コストを大幅に抑制できる点でも有利である。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
1.母材に合せ材を接合してなるクラッド鋼板であって、
前記合せ材は、質量%で、
C:0.001%以上0.100%以下、
Si:0.01%以上2.00%以下、
Mn:0.10%以上2.50%以下、
P:0.025%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.001%以上0.100%以下、
N:0.01%以下および
O:0.01%以下
を含み、残部Fe及び不可避不純物の成分組成を有し、かつ表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが375HBW 10/3000未満であり、
前記母材は、質量%で、
C:0.20%以上0.45%以下、
Si:0.01%以上2.00%以下、
Mn:0.10%以上2.50%以下、
P:0.025%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.001%以上0.100%以下、
N:0.01%以下および
O:0.01%以下
を含み、残部Fe及び不可避不純物である成分組成を有し、径が0.5μm以上のTiC析出物の個数密度が400個/mm2以上であり、表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが400〜590HBW 10/3000であり、
前記母材の板厚をtMおよび前記合せ材の板厚をtcとしたとき、tc/(tM+tc)が0.05〜0.50であるクラッド鋼板。
2.前記合せ材の成分組成は、さらに、質量%で、
Cu:0.01〜2.00%、
Ni:0.01〜5.00%、
Cr:0.2〜2.0%、
Mo:0.01〜3.00%、
Nb:0.005〜0.100%、
Ti:0.005〜0.100%、
V:0.001〜1.000%、
W:0.01〜1.50%、
B:0.0005〜0.0100%、
Ca:0.0001〜0.0200%、
Mg:0.0001〜0.0200%および
REM:0.0005〜0.0500%
から選択される1種または2種以上を含む、前記1に記載のクラッド鋼板。
3.前記母材の成分組成は、さらに、質量%で、
Cu:0.01〜2.00%、
Ni:0.01〜5.00%、
Cr:0.2〜2.0%、
Mo:0.01〜3.00%、
Nb:0.005〜0.100%、
V:0.001〜1.000%、
W:0.01〜1.50%、
B:0.0005〜0.0100%、
Ca:0.0001〜0.0200%、
Mg:0.0001〜0.0200%および
REM:0.0005〜0.0500%
から選択される1種または2種以上を含む、前記1または2に記載のクラッド鋼板。
4.前記1または3に記載の成分組成を有する母材と前記1または2に記載の成分組成を有する合せ材とを、仕上げ温度が850℃以上の熱間圧延により接合し、引き続き、前記母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度が30℃/s以上となる、焼入れを行う前記1、2または3に記載のクラッド鋼板の製造方法。
5.前記4に記載のクラッド鋼板の製造方法において、
さらに、前記焼入れされた熱延鋼板に、100〜300℃での焼戻しを施すクラッド鋼板の製造方法。
6.前記1または3に記載の成分組成を有する母材と前記1または2に記載の成分組成を有する合せ材とを、熱間圧延により接合し、次いで、前記母材表面温度を850〜1000℃とする再加熱を行ってから母材表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度が30℃/s以上となる焼入れを行う前記1、2または3に記載のクラッド鋼板の製造方法。
7.前記6に記載のクラッド鋼板の製造方法において、
さらに、前記焼入れされた熱延鋼板を、100〜300℃で焼戻すクラッド鋼板の製造方法。
本発明によれば、高耐摩耗性材料による母材に、軟質かつ高延性の材料による合せ材を所定の厚み比にして接合したクラッド鋼板を提供することができる。該クラッド鋼板を、例えば容器状製品の内面側が母材に、かつ同外面側が合せ材になるように適用することによって、容器状製品の内面側に高い硬度および耐摩耗性を与えると共に、同外面側には優れた曲げ加工性を付与することが可能になる。
次に、本発明のクラッド鋼板について具体的に説明する。本発明のクラッド鋼板は、母材に合せ材を接合してなり、該母材および合せ材が以下の成分組成を有することが重要である。そこで、まず本発明において鋼の成分組成を限定する理由を成分毎に説明する。なお、成分組成に関する「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。
[合せ材の成分組成]
C:0.001%以上0.100%以下
Cは、硬度と延性に最も影響を与える元素である。すなわち、C含有量が0.100%を超えると、硬度が高くなって曲げ加工性が低下するため、0.100%以下とする。一方、C含有量を0.001%未満にするには、製鋼コストが著しく大きくなることから、0.001%以上とする。さらに、好ましいCの範囲は、0.003〜0.080%である。
Si:0.01%以上2.00%以下
Siは、銑鉄中に不可避的に含まれる元素であり、多量に含有すると溶接性を低下させるため、Si含有量は2.00%以下とする。一方、Si含有量を0.01%未満まで低減するには、多大な製鋼コストを要することから、0.01%以上は許容される。さらに、好ましいSi含有量の範囲は0.05〜1.80%以下である。
Mn:0.10%以上2.50%以下
Mnは、銑鉄中に不可避的に含まれる元素であり、多量に含有すると溶接性を低下させるため、Mn含有量は2.50%以下とする。一方、Mn含有量を0.10%未満まで低減するには、多大な製鋼コストを要することから、0.10%以上は許容される。さらに、好ましいMn含有量の範囲は0.20〜2.00%である。
P:0.025%以下
Pは、脆化効果の大きい元素であり、多量に含有すると、鋼の延性および靭性を低下させる。そのため、P含有量は0.025%以下とする。さらに、P含有量を0.020%以下とすることが好ましい。一方、Pは少ないほど好ましいため、P含有量の下限は特に限定されないが、過度の低P化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、P含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
S:0.02%以下
Sは、脆化効果の大きい元素であり、多量に含有すると、鋼の延性、靭性を低下させる。そのため、S含有量を0.02%以下とする。さらに、S含有量を0.015%以下とすることが好ましい。一方、Sは少ないほど好ましいため、S含有量の下限は特に限定されないが、過度の低S化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、S含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Al:0.001%以上0.100%以下
Alは、脱酸剤として有効である。その効果を得るためにはAl含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、Al含有量が0.100%を超えると、鋼素材や鋼板の清浄度が低下し、その結果、延性および靭性が低下する。そのため、Al含有量を0.001〜0.100%とする。好ましくは、0.005〜0.080%の範囲である。
N:0.01%以下
Nは、延性および靭性を低下させる元素であるため、N含有量は0.01%以下とする。一方、Nは少ないほど好ましいため、N含有量の下限は特に限定されないが、過度の低N化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、N含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
O:0.01%以下
Oは、延性および靭性を低下させる元素であるため、O含有量を0.01%以下とする。一方、Oは少ないほど好ましいため、O含有量の下限は特に限定されないが、過度の低O化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、O含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
本発明のクラッド鋼板の合せ材は、上記した成分を基本組成とするが、さらに耐食性や靱性の調整、溶接性の向上を目的として、必要に応じて、Cu:0.01〜2.00%、Ni:0.01〜5.00%、Cr:0.2〜2.0%、Mo:0.01〜3.00%、Nb:0.005〜0.100%、Ti:0.005〜0.100%、V:0.001〜1.000%、W:0.01〜1.50%、B:0.0005〜0.0100%、Ca:0.0001〜0.0200%、Mg:0.0001〜0.0200%およびREM:0.0005〜0.0500%の群より選択される1種または2種以上を含有することができる。
Cu:0.01〜2.00%
Cuは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るために、Cu含有量を0.01%以上とする。一方、Cu含有量が2.00%を超えると、スケール直下に生成するCu濃化層に起因する鋼板割れが問題となる。そのため、Cuを添加する場合、含有量を0.01〜2.00%とする。さらに、Cu含有量は0.05〜1.50%とすることが好ましい。
Ni:0.01〜5.00%
Niは、靭性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るために、Ni含有量を0.01%以上とする。一方、Ni含有量が5.00%を超えると製造コストの増加が問題となる。そのため、Niを添加する場合、Ni含有量を0.01〜5.00%とする。さらに、Ni含有量は0.05〜4.50%とすることが好ましい。
Cr:0.2〜2.0%
Crは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るために、Cr含有量を0.2%以上とする。一方、Cr含有量が2.0%を超えると溶接性が低下する。そのため、Cr含有量を0.2〜2.0%とする。さらに、Cr含有量は0.3〜1.5%とすることが好ましい。
Mo:0.01〜3.00%
Moは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るためにはMo含有量を0.01%以上とする必要がある。しかし、Mo含有量が3.00%を超えると溶接性が低下する。そのため、Moを添加する場合、Mo含有量を0.01〜3.00%とする。さらに、Mo含有量は0.05〜2.00%とすることが好ましい。
Nb:0.005〜0.100%
Nbは、靱性を向上させる元素である。その効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上とする必要がある。一方、Nb含有量が0.100%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Nb含有量を0.005〜0.100%とする。さらに、Nb含有量は0.010〜0.080%とすることが好ましい。
Ti:0.005〜0.100%
Tiは、TiNとして析出することで溶接性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とすることが必要である。一方、Ti含有量が0.100%を超えると、鋼の清浄度が低下し、その結果、延性および靭性が低下する。そのため、Ti含有量を0.005〜0.100%とする。さらに、Ti含有量は0.010〜0.080%とすることが好ましい。
V:0.001〜1.000%
Vは、靱性を向上させる元素である。その効果を得るためには、V含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、V含有量が1.000%を超えると、溶接性が低下する。そのため、V含有量を0.001〜1.000%とする。さらに、V含有量は0.005〜0.800%とすることが好ましい。
W:0.01〜1.50%
Wは、鋼の耐食性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るために、W含有量を0.01%以上とする。一方、W含有量が1.50%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Wを添加する場合、W含有量を0.01〜1.50%とする。さらに、W含有量は0.05〜1.30%とすることが好ましい。
B:0.0005〜0.0100%
Bは、BNとして析出することで鋼中の固溶N量を低減し、溶接性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るためには、B含有量を0.0005%以上とする必要がある。一方、B含有量が0.0100%を超えると、溶接性が低下する。そのため、B含有量を0.0005〜0.0100%とする。さらに、B含有量は0.0010〜0.0800%とすることが好ましい。
Ca:0.0001〜0.0200%
Caは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るために、Ca含有量を0.0001%以上とする。一方、Ca含有量が0.0200%を超えると、清浄度が低下して鋼の靭性が損なわれる。そのため、Caを添加する場合は、含有量を0.0001〜0.0200%とする。さらに、Ca含有量は0.0005〜0.0150%とすることが好ましい。
Mg:0.0001〜0.0200%
Mgは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るためには、Mg含有量を0.0001%以上とする。一方、Mg含有量が0.0200%を超えると、Mgの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、Mgを添加する場合は、含有量を0.0001〜0.0200%とする。さらに、Mg含有量は0.0005〜0.0150%とすることが好ましい。
REM:0.0005〜0.0500%
REM(希土類金属)は、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るために、REM含有量を0.0005%以上とする。一方、REM含有量が0.0500%を超えると、REMの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、REMを添加する場合は、含有量を0.0005〜0.0500%とする。さらに、REM含有量は0.0010〜0.0450%とすることが好ましい。
本発明のクラッド鋼板に用いる合せ材は、以上の成分を含み、残部がFeおよび不可避的不純物である。
[母材の成分組成]
C:0.20%以上0.45%以下
Cは、硬度と延性に最も寄与する元素である。すなわち、C含有量が0.20%未満であると、耐摩耗鋼として必要な硬度が得られない。一方、C含有量が0.45%を超えると、溶接性が低下する。そのため、本発明ではC含有量を0.20%以上0.45%以下とする。さらに、好ましいCの範囲は0.21〜0.43%である。
Si:0.01%以上2.00%以下
Siは、銑鉄中に不可避的に含まれる元素であり、多量に含有すると溶接性を低下させるため、Si含有量は2.00%以下とする。一方、Si含有量を0.01%未満まで低減するには、多大な製鋼コストを要することから、0.01%以上は許容される。さらに、好ましいSi含有量の範囲は0.05〜1.80%以下である。
Mn:0.10%以上2.50%以下
Mnは、銑鉄中に不可避的に含まれる元素であり、多量に含有すると溶接性を低下させるため、Mn含有量は2.50%以下とする。一方、Mn含有量を0.10%未満まで低減するには、多大な製鋼コストを要することから、0.10%以上は許容される。さらに、好ましいMn含有量の範囲は0.20〜2.00%である。
P:0.025%以下
Pは、脆化効果の大きい元素であり、多量に含有すると、鋼の延性および靭性を低下させる。そのため、P含有量を0.025%以下とする。さらに、P含有量は0.020%以下とすることが好ましい。一方、Pは少ないほど好ましいため、P含有量の下限は特に限定されないが、過度の低P化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、P含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
S:0.02%以下
Sは、脆化効果の大きい元素であり、多量に含有すると、鋼の延性、靭性を低下させる。そのため、S含有量を0.02%以下とする。さらに、S含有量を0.015%以下とすることが好ましい。一方、Sは少ないほど好ましいため、S含有量の下限は特に限定されないが、過度の低S化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、S含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Al:0.001%以上0.100%以下
Alは、脱酸剤として有効である。その効果を得るためにはAl含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、Al含有量が0.100%を超えると、鋼素材や鋼板の清浄度が低下し、その結果、延性および靭性が低下する。そのため、Al含有量を0.001〜0.100%とする。好ましくは、0.005〜0.080%の範囲である。
Ti:0.10〜1.00%
Tiは、Cと炭化物を形成して析出する性質を有する元素である。Tiの炭化物であるTiCは高い硬度を有しているため、TiCを析出させることによって鋼板の耐摩耗性を向上させることができる。しかし、Ti含有量が0.10%未満であると、TiCを有効に形成させることができないため、Ti含有量を0.10%以上とする。一方、Ti含有量が1.00%を超えると、鋼板の加工性が低下するとともに、コストが増加する。このため、Ti含有量は1.00%以下とする。さらに、Ti含有量は0.15〜0.90%とすることが好ましい。
N:0.01%以下
Nは、延性および靭性を低下させる元素であるため、N含有量を0.01%以下とする。一方、Nは少ないほど好ましいため、N含有量の下限は特に限定されないが、過度の低N化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、N含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
O:0.01%以下
Oは、延性および靭性を低下させる元素であるため、O含有量を0.01%以下とする。一方、Oは少ないほど好ましいため、O含有量の下限は特に限定されないが、過度の低O化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、O含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
本発明のクラッド鋼板の母材は、上記した成分を基本組成とするが、さらに耐食性や焼入れ性、靱性の調整、溶接性の向上を目的として、必要に応じて、Cu:0.01〜2.00%、Ni:0.01〜5.00%、Cr:0.2〜2.0%、Mo:0.01〜3.00%、Nb:0.005〜0.100%、V:0.001〜1.000%、W:0.01〜1.50%、B:0.0005〜0.0100%、Ca:0.0001〜0.0200%、Mg:0.0001〜0.0200%、およびREM:0.0005〜0.0500%の群より選択される1種または2種以上を含有することができる。
Cu:0.01〜2.00%
Cuは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るために、Cu含有量を0.01%以上とする。一方、Cu含有量が2.00%を超えると、スケール直下に生成するCu濃化層に起因する鋼板割れが問題となる。そのため、Cuを添加する場合は、含有量を0.01〜2.00%とする。さらに、Cu含有量は0.05〜1.50%とすることが好ましい。
Ni:0.01〜5.00%
Niは、靭性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るために、Ni含有量を0.01%以上とする。一方、Ni含有量が5.00%を超えると製造コストの増加が問題となる。そのため、Niを添加する場合は、含有量を0.01〜5.00%とする。さらに、Ni含有量は0.05〜4.50%とすることが好ましい。
Cr:0.2〜2.0%
Crは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るために、Cr含有量が0.2%以上とする。一方、Cr含有量が2.0%を超えると溶接性が低下する。そのため、Cr含有量を0.2〜2.0%とする。さらに、Cr含有量は0.3〜1.5%とすることが好ましい。
Mo:0.01〜3.00%
Moは、耐食性と焼入れ性を向上させる元素である。その効果を得るためにはMo含有量を0.01%以上とする。しかし、Mo含有量が3.00%を超えると溶接性が低下する。そのため、Moを添加する場合は、含有量を0.01〜3.00%とする。さらに、Mo含有量は0.05〜2.00%とすることが好ましい。
Nb:0.005〜0.100%
Nbは、靱性と焼入れ性を向上させる元素である。その効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上とする。一方、Nb含有量が0.100%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Nb含有量を0.005〜0.100%とする。さらに、Nb含有量は0.010〜0.080%とすることが好ましい。
V:0.001〜1.000%
Vは、靱性を向上させる元素である。その効果を得るためには、V含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、V含有量が1.000%を超えると、溶接性が低下する。そのため、V含有量を0.001〜1.000%とする。さらに、V含有量は0.005〜0.800%とすることが好ましい。
W:0.01〜1.50%
Wは、鋼の耐食性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るために、W含有量を0.01%以上とする。一方、W含有量が1.50%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Wを添加する場合、W含有量を0.01〜1.50%とする。さらに、W含有量は0.05〜1.30%とすることが好ましい。
B:0.0005〜0.0100%
Bは、BNとして析出することで鋼中の固溶N量を低減し、溶接性を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るためには、B含有量を0.0005%以上とする。一方、B含有量が0.0100%を超えると、溶接性が低下する。そのため、B含有量を0.0005〜0.0100%とする。さらに、B含有量は0.0010〜0.0800%とすることが好ましい。
Ca:0.0001〜0.0200%
Caは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るために、Ca含有量を0.0001%以上とする。一方、Ca含有量が0.0200%を超えると、清浄度が低下して鋼の靭性が損なわれる。そのため、Caを添加する場合は、含有量を0.0001〜0.0200%とする。さらに、Ca含有量は0.0005〜0.0150%とすることが好ましい。
Mg:0.0001〜0.0200%
Mgは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るためには、Mg含有量を0.0001%以上とする。一方、Mg含有量が0.0200%を超えると、Mgの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、Mgを添加する場合は、含有量を0.0001〜0.0200%とする。さらに、Mg含有量は0.0005〜0.0150%とすることが好ましい。
REM:0.0005〜0.0500%
REM(希土類金属)は、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。前記効果を得るために、REM含有量を0.0005%以上とする。一方、REM含有量が0.0500%を超えると、REMの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、REMを添加する場合は、含有量を0.0005〜0.0500%とする。さらに、REM含有量は0.0010〜0.0450%とすることが好ましい。
本発明のクラッド鋼板に用いる母材は、以上の成分を含み、残部がFeおよび不可避的不純物である。
[クラッド鋼板の組織的特徴]
次に、本発明のクラッド鋼板では、上記成分組成を有することに加えて、合せ材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが375HBW 10/3000未満であり、母材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが400〜590HBW 10/3000であり、かつ母材の板厚をtMおよび合せ材の板厚をtcとしたとき、tc/(tM+tc)が0.05〜0.50であることが肝要である。この組織について限定する理由を、以下に説明する。
合せ材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが:375HBW 10/3000未満
曲げ加工性は、曲げ加工時の外面側の最表層近傍の延性に支配される。クラッド鋼板の合せ材が曲げ加工時の外面側に来る向きで曲げ加工する場合、合せ材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが375HBW 10/3000以上では、合せ材の延性が不足しクラッド化による曲げ加工性向上効果が得られない。そのため、合せ材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さを375HBW 10/3000未満とした。
母材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さ:400〜590HBW 10/3000
ダンプベッセルやコンテナの様な容器状製品の内側にクラッド鋼板の母材を配する向きで適用する場合、母材表層部分の耐摩耗性が製品寿命の支配因子となる。優れた耐摩耗性を確保するには、母材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さを400HBW 10/3000以上とする必要がある。一方、同ブリネル硬さが590HBW 10/3000を超える場合、母材の延性が低下し曲げ加工性が低くなるため、高曲げ加工性素材の合せ材を表層にクラッド化しても、母材部分での割れが生じやすくなる。そのため母材の表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さを400〜590HBW 10/3000とした。
径が0.5μm以上のTiC析出物の個数密度が400個/mm2以上
母材に耐摩耗を付与するには、上述したように鋼の基地硬度を制御することに加えて、粗大なTiCを析出させることが重要になる。すなわち、TiCは硬質であるため耐摩耗性を向上させる効果を有しているが、大きさが0.5μm未満のTiCでは十分な耐摩耗性向上効果を得ることができない。また、大きさが0.5μm以上のTiCが析出している場合でも、該TiCの個数密度(1mm2 当たりの個数)が400個/mm2未満では、耐摩耗性向上効果は小さい。そのため、径が0.5μm以上のTiC析出物の個数密度を400個/mm2以上とする。一方、前記個数密度の上限は特に限定されないが、通常は5000個/mm2以下である。なお、前記TiC析出物には、TiCとTiNやTiSとの複合介在物も含む。前記個数密度は、クラッド鋼板の表面から1mmの深さの位置における値とする。また、ここでTiC析出物の「大きさ」は、TiC析出物の円相当直径とする。前記個数密度は、実施例に記載した方法で測定することができる。
c/(tM+tc):0.05〜0.50
c/(tM+tc)が0.05未満では、合せ材の板厚が薄すぎるため、曲げ加工性の向上効果が得られない。一方、tc/(tM+tc)が0.50を超えると曲げ加工性の向上効果は飽和してしまう。そのためtc/(tM+tc)を0.05〜0.50の範囲とした。
[製造方法]
次に、本発明のクラッド鋼板の製造方法について説明する。
まず、上記した母材および合せ材の成分組成にそれぞれ調整されて溶製された、母材用および合せ材用のスラブを用いて、熱間圧延を行って母材用鋼板および合せ材用鋼板を作製する。これら母材用鋼板および合せ材用鋼板を同じ長さおよび幅に切断し、熱間圧延後の鋼板表面のスケールを研磨により除去する。かくして得られた母材および合せ材の鋼板を積み重ね、例えば真空度10-4〜10-5Torrのチャンバー内にて母材と合せ材との界面を全周に渡って電子ビームで溶接し、その後、熱間圧延を施して、上記した板厚比tc/(tM+tc)が0.05〜0.50である、クラッド鋼板に仕上げる。この熱間圧延では、母材と合せ材との間を十分に金属接合させるために、圧下比を4以上とすることが好ましい。その後、以下の条件に従う焼入れを施すことが肝要である。さらに、必要に応じて焼戻しを行う。
[製造方法]
上記した製造工程において、母材と合せ材とを接合する熱間圧延後に、次の直接焼入れまたは再加熱焼入れを行うことが肝要である。
[直接焼入れ:850℃以上]
クラッド鋼板の母材において耐摩耗性を確保するためには、母材の組織を高硬度のマルテンサイト主体組織としなければならない。前記組織を得るためには、焼入れ温度をオーステナイト単相温度域である850℃以上とする必要がある。そのためには、母材と合せ材とを接合する熱間圧延を850℃以上で仕上げた後、直ちに以下の冷却速度に従う直接焼入れを行う。
[直接焼入れ時の母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度:30℃/s以上]
クラッド鋼板の母材をマルテンサイト主体組織とするためには、850℃以上の温度域からの直接焼入れにおいて、母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度を30℃/s以上とする必要がある。
上記した直接焼入れに替えて、母材と合せ材とを接合する熱間圧延を終了したのち、再加熱して焼入れを行う再加熱焼入れを行ってもよい。
[再加熱焼入れ:850〜1000℃]
クラッド鋼板の母材において耐摩耗性を確保するためには、母材の組織を高硬度のマルテンサイト主体組織としなければならない。前記組織を得るために、直接焼入れ温度をオーステナイト単相温度域である850℃以上とした。一方、再加熱温度が1000℃を超えると、加熱のための製造コストが高くなる。そのため熱間圧延後の再加熱焼入れ時の加熱温度は、850〜1000℃とする。
[再加熱焼入れ時の母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度:30℃/s以上]
クラッド鋼板の母材をマルテンサイト主体組織とするためには、850℃以上の温度域からの直接焼入れにおいて、母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度を30℃/s以上とする必要がある。
上記した直接焼入れまたは再加熱焼入れの後に、必要に応じて焼戻しを行うことができる。
[焼戻し温度:100〜300℃]
すなわち、クラッド鋼板の母材および合せ材の靱性回復を目的として、焼戻しを行うことができる。その効果を得るためには、焼戻し温度を100℃以上とする。一方、焼戻し温度が300℃を超えると、硬度が低下して耐摩耗性が劣化するため、焼入れ後の焼戻し温度は100〜300℃とする。
次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。
まず、連続鋳造法により、表1に示す成分組成の合せ材用のスラブと、表2に示す成分組成の母材用スラブを製造した。
Figure 2019127633
Figure 2019127633
次に、得られた母材用のスラブおよび合せ材用のスラブを用いて、熱間圧延により種々の板厚の母材用および合せ材用の鋼板を作製した。これら母材用鋼板および合せ材用鋼板を同じ長さおよび幅に切断し、熱間圧延後の鋼板表面のスケールを研磨により除去した。かくして得られた母材および合せ材の鋼板を積み重ね、真空度10-4〜10-5Torrのチャンバー内にて母材と合せ材との界面を全周に渡って電子ビームで溶接し、その後、熱間圧延を圧下比:4〜25として施しクラッド鋼板に仕上げた。その後、表3に示す条件に従う焼入れを施し、一部の鋼板はさらに焼戻しを行った。
なお、焼入れ時の冷却は、鋼板を移動させながら鋼板の表裏面より大流量で水を噴射して行った。母材温度は熱電対により測定した。
得られたクラッド鋼板のそれぞれについて、以下に記す方法で、母材および合せ材それぞれの硬度並びに板厚、さらに母材のTiC析出物の個数密度を測定した。また、クラッド鋼板としての耐摩耗性および曲げ加工性を評価した。これら測定および評価の結果を表3に併記する。
[ブリネル硬さ]
得られたクラッド鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から、合せ材並びに母材の表面から1mm深さ位置が試験面となるようにサンプルを採取し、該試験片の表面を鏡面研磨した後、JIS Z2243(2008)に準拠してブリネル硬さを測定した。測定には直径10mmのタングステン硬球を使用し、荷重は3000kgfとし、5点で試験を行い、その平均値をブリネル硬さとした。
[板厚の測定]
得られたクラッド鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から、板厚全厚分のサンプルを採取し、樹脂埋め鏡面研磨後、3%ナイタールエッチングを行い、合せ材および母材の板厚を測定した。
[TiC析出物の個数密度]
得られたクラッド鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から、母材の表面から1mm深さ位置が試験面となるように試験片を採取し、該試験片の表面を鏡面研磨した後、分析装置付SEMを用いて10mm×10mmの範囲を撮影した。撮影された像について画像解析装置を用いて解析することにより、0.5μm以上の大きさを有するTiC析出物の個数密度を求めた。なお、前記TiC析出物の大きさは、円相当直径として算出した。
[耐摩耗性]
耐摩耗性の指標である耐摩耗比を、次の方法で求めた。得られたクラッド鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から、試験片を3本採取した。この試験片のサイズは25mm×75mmとし、該試験片の厚さは元のクラッド鋼板の板厚のままとした。前記試験片を用い、ASTM G−65に準拠した方法で摩耗試験を実施し、摩耗量を測定した。摩耗面は母材側の表面とした。前記摩耗試験においては、摩耗砂としてSiO2が90%以上である砂を使用した。また、比較基準として、軟鋼(SS400)板からなる試験片についても、同様の方法で摩耗試験を行った。耐摩耗比は、各鋼板の摩耗量に対する軟鋼板の摩耗量の比、(軟鋼板の摩耗量)/(各鋼板の摩耗量)として算出した。前記耐摩耗比が大きいほど、得られた鋼板の耐摩耗性が優れていることを意味する。なお、摩耗量の測定は3回ずつ行い、その平均値を摩耗量として用いた。
[曲げ加工性]
得られたクラッド鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から、板厚全厚分の750×150mmサンプルを採取し、JIS Z2448(1996)に準拠して3点曲げ試験を実施した。なお、曲げ半径は1.5t(t:クラッド鋼板の全厚[mm])とし、3点曲げの外面側に合せ材が来る向きで180°曲げを行った後、試験片表面に割れが発生したかどうかで曲げ加工性を評価した。
Figure 2019127633
表3に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たすクラッド鋼板は、優れた曲げ加工性および高い母材の硬度を両立している。
これに対して、本発明の条件を満たさない比較例の鋼板は、曲げ加工性あるいは硬さの少なくとも一方が劣位であった。
例えば、No.19、20の鋼板では合せ材板厚の割合が小さすぎるため、曲げ加工時に母材を起点とした割れが生じており曲げ加工性は劣位であった。No.21、23の鋼板は、合せ材のC含有量が高く合せ材硬度が高すぎるため曲げ加工性が劣位であった。No.22の鋼板は、合せ材のP含有量が高く合せ材の延性が低いため曲げ加工性が劣位であった。No.24、26の鋼板は、母材のC含有量が低いため、母材硬度が低位であった。No.25の鋼板は、母材のC含有量が高く、母材の硬度が高すぎるため、曲げ加工時に母材を起点とした割れが生じており曲げ加工性が劣位であった。No.27、28の鋼板は、母材のTi含有量が少なく、TiC粒子が少ないため耐摩耗性が低位であった。No.29の鋼板は、再加熱焼入れ時の冷却速度が遅いため、母材がマルテンサイト主体組織とならず、母材硬度が低位であった。No.30の鋼板は、再加熱焼入れ温度が低いため、母材がマルテンサイト主体組織とならず、母材硬度が低位であった。No.31の鋼板は、焼戻し温度が高すぎるため、母材組織の焼戻し軟化が進行し、母材硬度が低位であった。

Claims (7)

  1. 母材に合せ材を接合してなるクラッド鋼板であって、
    前記合せ材は、質量%で、
    C:0.001%以上0.100%以下、
    Si:0.01%以上2.00%以下、
    Mn:0.10%以上2.50%以下、
    P:0.025%以下、
    S:0.02%以下、
    Al:0.001%以上0.100%以下、
    N:0.01%以下および
    O:0.01%以下
    を含み、残部Fe及び不可避不純物の成分組成を有し、かつ表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが375HBW 10/3000未満であり、
    前記母材は、質量%で、
    C:0.20%以上0.45%以下、
    Si:0.01%以上2.00%以下、
    Mn:0.10%以上2.50%以下、
    P:0.025%以下、
    S:0.02%以下、
    Al:0.001%以上0.100%以下、
    Ti:0.10%以上1.00%以下、
    N:0.01%以下および
    O:0.01%以下
    を含み、残部Fe及び不可避不純物である成分組成を有し、径が0.5μm以上のTiC析出物の個数密度が400個/mm2以上であり、表面から1mm深さの位置におけるブリネル硬さが400〜590HBW 10/3000であり、
    前記母材の板厚をtMおよび前記合せ材の板厚をtcとしたとき、tc/(tM+tc)が0.05〜0.50であるクラッド鋼板。
  2. 前記合せ材の成分組成は、さらに、質量%で、
    Cu:0.01〜2.00%、
    Ni:0.01〜5.00%、
    Cr:0.2〜2.0%、
    Mo:0.01〜3.00%、
    Nb:0.005〜0.100%、
    Ti:0.005〜0.100%、
    V:0.001〜1.000%、
    W:0.01〜1.50%、
    B:0.0005〜0.0100%、
    Ca:0.0001〜0.0200%、
    Mg:0.0001〜0.0200%および
    REM:0.0005〜0.0500%
    から選択される1種または2種以上を含む、請求項1に記載のクラッド鋼板。
  3. 前記母材の成分組成は、さらに、質量%で、
    Cu:0.01〜2.00%、
    Ni:0.01〜5.00%、
    Cr:0.2〜2.0%、
    Mo:0.01〜3.00%、
    Nb:0.005〜0.100%、
    V:0.001〜1.000%、
    W:0.01〜1.50%、
    B:0.0005〜0.0100%、
    Ca:0.0001〜0.0200%、
    Mg:0.0001〜0.0200%および
    REM:0.0005〜0.0500%
    から選択される1種または2種以上を含む、請求項1に記載のクラッド鋼板。
  4. 請求項1または3に記載の成分組成を有する母材と請求項1または2に記載の成分組成を有する合せ材とを、仕上げ温度が850℃以上の熱間圧延により接合し、引き続き、前記母材の表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度が30℃/s以上となる、焼入れを行う請求項1、2または3に記載のクラッド鋼板の製造方法。
  5. 請求項4に記載のクラッド鋼板の製造方法において、
    さらに、前記焼入れされた熱延鋼板に、100〜300℃での焼戻しを施すクラッド鋼板の製造方法。
  6. 請求項1または3に記載の成分組成を有する母材と請求項1または2に記載の成分組成を有する合せ材とを、熱間圧延により接合し、次いで、前記母材表面温度を850〜1000℃とする再加熱を行ってから母材表面から1mm深さの位置での温度が800℃から300℃までの平均冷却速度が30℃/s以上となる焼入れを行う請求項1、2または3に記載のクラッド鋼板の製造方法。
  7. 請求項6に記載のクラッド鋼板の製造方法において、
    さらに、前記焼入れされた熱延鋼板を、100〜300℃で焼戻すクラッド鋼板の製造方法。
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