JP4735191B2 - 低温靭性に優れた耐摩耗鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
耐摩耗性を向上させるには、鋼材表面を焼入れ組織にし、表層部分を硬くする必要がある。一般に、鋼材の焼入れ後の硬さは、鋼中C量を増加することにより高くすることができる。しかし、C量を増加して硬さを増すと、材質が脆くなり、低温靭性が低下する。作業環境が、例えば0℃以下の低温域の場合には、耐摩耗性に優れていても低温靭性が低いと、脆性破壊を生じ、作業に重大な支障をきたす。このため、耐摩耗性を有するとともに、低温靭性にも優れる耐摩耗鋼板が要求されている。
また、特許文献4に記載された技術では、熱間圧延の仕上温度を低温化する必要があり、そのため、鋼の変形抵抗が増大して圧延機のロールを駆動するモータの負荷が大きくなって、製造しにくいという問題に加えて、さらに、安定製造のために厳密な温度管理などを必要とし、特許文献4に記載された技術は、実操業上、必ずしも容易なプロセスではないという問題があった。
質量%で、0.14%C−0.34%Si−1.45%Mn−0.012%P−0.002%S−0.012%Ti−0.0028%Al−0.0012%B系を基本成分として、Moを0〜0.60%の範囲で含有する組成の鋼素材(スラブ)を、1100℃に加熱し、熱間圧延して、板厚:14mmおよび板厚:25mmの熱延板とした。なお、仕上圧延温度は表面温度で920℃であった。熱間圧延直後、熱延板には、室温まで水冷する直接焼入れ処理を施した。なお、直接焼入れ処理の冷却開始温度は、板厚14mmの場合、熱延板の先端部で、表面温度:880℃、熱延板の尾端部で表面温度:780℃であり、板厚25mmの場合、熱延板の先端部で表面温度:880℃、熱延板の尾端部で表面温度:820℃であった。熱延板の長さは、板厚14mmの場合28m、板厚25mmの場合21mであった。
得られた結果を、vE−40(J)とMo含有量との関係で図1、図2に示す。図1は、板厚14mmの場合であり、図2は板厚25mmの場合である。いずれの場合にも、Mo:0.10質量%以上の含有で、熱延板の先端部、尾端部のいずれにおいても、vE−40 が27J以上の高靭性が得られている。熱延板の先端部と尾端部との靭性差、すなわち鋼板長手方向の材質バラツキ、を更に少なくすることが必要な場合には、図1、図2から、Mo:0.20質量%以上とすることが好ましい。なお、本発明者らの検討によれば、このようなMo含有による低温靭性の向上は、Mo含有によるBの析出抑制効果によるものと推察された。
(1)質量%で、C:0.10〜0.20%、Si:0.05〜0.45%、Mn:0.65〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.005%以下、Mo:0.10〜0.70%、B:0.0003〜0.0020%を含み、さらにTi:0.005〜0.03%および/またはAl:0.035〜0.1%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、直接焼入れ処理を施されてなり、焼入れ状態で90体積%以上のマルテンサイト相を有し、旧γ粒の平均粒径が30μm以下である組織を有することを特徴とする低温靭性に優れた耐摩耗鋼板。
(3)(1)または(2)において、前期組成に加えてさらに、質量%で、次a群〜b群
a群:Cu:0.1〜1%、Cr:0.1〜1%、V:0.01〜1%のうちの1種または2種以上、
b群:Ca:0.0002〜0.0050%、REM:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種
のうちから選ばれた1群または2群を含有する組成とすることを特徴とする耐摩耗鋼板。
a群:Cu:0.1〜1%、Cr:0.1〜1%、V:0.01〜1%のうちの1種または2種以上、
b群:Ca:0.0002〜0.0050%、REM:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種
のうちから選ばれた1群または2群を含有する組成とすることを特徴とする耐摩耗鋼板の製造方法。
C:0.10〜0.20%
Cは、固溶して鋼板の硬さを増加させる重要な元素であり、耐摩耗鋼として必要な硬さである、鋼板の表層部分でブリネル硬さで300HBW以上を確保し、鋼板に所望の耐摩耗性を付与するために、本発明では0.10%以上の含有を必要とする。一方、0.20%を超えて多量に含有すると、溶接性および加工性を低下させるとともに、直接焼入れ処理を施したのち、遅れ破壊を生じやすくなる。このため、本発明では、Cは0.10〜0.20%の範囲に限定した。なお、より厳しい環境下、例えば硬質な鉱石を採掘する鉱山等、で使用される部材用として要求される、鋼板の表層部分で360HBW以上を確保するためには、Cは0.13%以上含有することが好ましい。
Siは、溶鋼中の脱酸剤として有効に作用するとともに、固溶強化により鋼を強化する有効な元素であり、このような効果は、0.05%以上の含有で認められる。一方、1.0%を超えて含有すると、靭性が低下したり、介在物が増加したりする等の問題が生じる。なお、熱延板に表面疵が発生するのを抑制する観点から、好ましくは0.15〜0.45%である。
Mnは、焼入れ性を向上させる有効な元素であり、本発明では焼入れ性確保の観点から0.65%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超えて含有すると、溶接性が低下する。
Pは、多量に含有すると靭性低下を招くため、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.020%まで許容できる。このようなことから、Pの上限を0.020%に限定した。
S:0.005%以下
Sは、鋼中では主としてMnSを形成し介在物(硫化物)として存在し、破壊発生起点として作用し靭性の低下を招く。このため、本発明ではSはできるだけ低減することが望ましいが、0.005%までは許容できるため、Sの上限を0.005%に限定した。
Moは、鋼板の低温靭性を改善するために本発明では重要な元素である。Bの微量含有を必須とする本発明では、Moは、Bの析出を抑制する有効な元素であり、Moの含有により、Bの析出が抑制され、焼入れ性が向上し、それにより低温靭性を改善することが可能となる。このような効果を得るためには、0.10%以上の含有が必要となる。一方、Moを0.70%を超えて含有すると、溶接性が低下するとともに、製造コストの高騰を招く。このため、Moは0.10〜0.70%に限定した。なお、図1、2で示したように、鋼板長手方向の靭性バラツキを小さくするという観点から、0.20%以上含有することが好ましい。
Bは、微量含有で焼入れ性を顕著に向上させる有効な元素であり、本発明では焼入れ性改善のため、0.0003%以上の含有を必要とする。一方、0.0020%を超えて含有すると、BがM23(CB)6として析出するため、低温靭性が低下する。このため、本発明では、Bは0.0003〜0.0020%の範囲に限定した。
Ti、Alは、いずれもNと結合しTiN、AlNを形成し、靭性に有害な固溶Nを減少させ靭性向上に寄与するとともに、焼入れ性の向上に有効な固溶Bを確保する作用を有する。本発明ではTiおよび/またはAlを含有する。このような効果はそれぞれ、Ti:0.005%以上、Al:0.035%以上の含有で顕著となる。一方、Ti、Alをそれぞれ0.1%を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、Alは0.035〜0.1%の範囲に限定した。なお、好ましくはTi:0.005〜0.03%、Al:0.035〜0.06%である。
Nb:0.005〜0.05%
Nbは、N、あるいはさらにCと結合し、窒化物あるいは炭窒化物(析出物)として析出し、結晶粒微細化に有効に寄与する元素であり、結晶粒微細化を介して低温靭性をさらに改善する作用を有し、本発明では必要に応じて含有できる。このような効果は、0.005%以上の含有で顕著に認められるようになるが、0.05%を超えて含有すると、溶接性が低下する。このため、Nbは0.005〜0.05%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005〜0.03%である。
a群:Cu:0.1〜1%、Cr:0.1〜1%、V:0.01〜1%のうちの1種または2種以上
a群のCu、Cr、Vは、いずれも焼入れ性を向上させる元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上を含有できる。
Vは、Cu等と同様に、焼入れ性を高める元素である。このような効果は、0.01%以上の含有で認められるが、1%を超えて含有すると、溶接性が低下する。このため、Vは0.01〜1%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.5%である。
b群のCa、REMは、Sを固定し、靭性低下の原因となるMnSの生成を抑制する。このような効果は、Ca、REM 、それぞれ0.0002%以上の含有で認められる。しかし、Ca、REM をそれぞれ0.0050%を超えて含有すると、母材靭性が低下する。このため、Ca、REMをそれぞれ0.0002〜0.0050%の範囲に限定することが好ましい。
また、本発明では、上記した範囲内の成分を含み、さらに溶接性改善の観点から、次(1)式で定義される炭素当量Ceqを0.60%以下に制限することが好ましい。
Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ………(1)
(ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
炭素当量Ceqが大きくなると、溶接施工時に、予熱処理・後熱処理を施すことが必要となる。とくに、Ceqが0.60%を超えると、200℃の予熱を施しても溶接部に低温割れが起こる。このため、溶接作業性の観点から、Ceqを0.60%以下とすることが好ましい。また、予熱を省略する場合には、Ceqを0.43%以下とすることがより好ましい。
上記した組成の溶鋼を、転炉等公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法で鋼素材(スラブ)とすることが好ましい。本発明では、これら鋼素材を950〜1200℃に加熱し、仕上圧延出側温度が表面温度で950〜800℃の範囲の温度とする熱間圧延を施し、所望の板厚の鋼板とする。そして、得られた鋼板に、熱間圧延終了後直ちに焼入れる直接焼入れ処理を施す。直接焼入れ処理における冷却開始温度は、Ar3変態点以上の温度とする。また、直接焼入れ処理における冷却では、鋼板を表面温度で200℃以上300℃以下の温度まで冷却させることが好ましい。なお、上記した直接焼入れ処理後に、300℃以下の低温で焼戻しても、本発明鋼板の特性を損なうことはない。
また、熱間圧延の仕上圧延出側温度が950℃を超えると、再結晶オーステナイト粒が粗大となり、直接焼入れ処理後の組織も粗大化し、低温靭性が低下する。一方、仕上圧延出側温度が800℃未満では、その後の直接冷却処理に際し、Ar3変態点以上の焼入れ開始温度を確保することが困難となる。
得られた鋼板について、組織観察、表層部の硬さ試験、低温靭性試験、溶接性試験を実施した。試験方法は次の通りである。
得られた鋼板の先端部および尾端部から試験片を採取し、圧延方向と平行方向断面の板厚方向中央部の位置で、光学顕微鏡および透過型電子顕微鏡により組織を観察し、組織分率(マルテンサイト分率)および平均旧γ粒径を求めた。なお、鋼板の先端部とは鋼板先端から0.5mの位置をいうものとする。また、鋼板の尾端部とは鋼板尾端から0.5mの位置をいうものとする。
得られた鋼板の先端部および尾端部から試験片を採取し、JIS Z 2243の規定に準拠して、ブリネル硬さ計(球圧子直径:10mm、試験力:29.42kN)で表層部の硬さHBW10/3000(ブリネル硬さ)を測定した。測定点は、表面でランダムに選んだ5点とし、その平均値を各鋼板の先端部および尾端部の表層部硬さHBW10/3000とした。
得られた鋼板の先端部および尾端部から、JIS Z 2242−2005の規定に準拠してVノッチ試験片を板厚の1/4t部で長さ方向が圧延方向に平行になるように採取し、JIS Z 2242−2005の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施して破面遷移温度vTrsを求め、低温靭性を評価した。
得られた鋼板から、y形溶接割れ試験片を採取し、JIS Z 3158の規定に準拠し、予熱温度を25℃および200℃とするy形溶接割れ試験を実施し、試験片の割れの有無を調査し、溶接性を評価した。
得られた結果を表3に示す。
Claims (7)
- 質量%で、
C:0.10〜0.20%、 Si:0.05〜0.45%、
Mn:0.65〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Mo:0.10〜0.70%、
B:0.0003〜0.0020%
を含み、さらにTi:0.005〜0.03%および/またはAl:0.035〜0.1%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、直接焼入れ処理を施されてなり、焼入れ状態で90体積%以上のマルテンサイト相を有し、旧γ粒の平均粒径が30μm以下である組織を有することを特徴とする低温靭性に優れた耐摩耗鋼板。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.05%を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗鋼板。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、下記a群〜b群のうちから選ばれた1群または2群を含有する組成とすることを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗鋼板。
記
a群:Cu:0.1〜1%、Cr:0.1〜1%、V:0.01〜1%のうちの1種または2種以上、
b群:Ca:0.0002〜0.0050%、REM:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種 - 表層部の硬さが300HBW以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
- 質量%で、
C:0.10〜0.20% 、 Si:0.05〜0.45%、
Mn:0.65〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Mo:0.10〜0.70%、
B:0.0003〜0.0020%
を含み、さらにTi:0.005〜0.03%および/またはAl:0.035〜0.1%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材を950〜1200℃に加熱し、仕上圧延出側温度が表面温度で950〜800℃の範囲の温度とする熱間圧延を施し、鋼板としたのち、該鋼板に、前記熱間圧延終了後直ちに、冷却開始温度を表面温度でAr 3 変態点以上の温度とし、冷却停止温度を表面温度で200℃以上300℃以下の温度とする直接焼入れ処理を施すことを特徴とする低温靭性に優れた耐摩耗鋼板の製造方法。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.05%を含有する組成とすることを特徴とする請求項5に記載の耐摩耗鋼板の製造方法。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、下記a群〜b群のうちから選ばれた1群または2群を含有する組成とすることを特徴とする請求項5または6に記載の耐摩耗鋼板の製造方法。
記
a群:Cu:0.1〜1%、Cr:0.1〜1%、V:0.01〜1%のうちの1種または2種以上、
b群:Ca:0.0002〜0.0050%、REM:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種
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