JP4846308B2 - 使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼およびその製造方法 - Google Patents

使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、建設機械、産業機械などで必要とされるＨＢ４００以上でＨＢ５２０以下の硬さを有し、使用中の硬さの変化が少なく、かつ、靭性の優れた耐摩耗鋼およびその製造方法に関するものである。
耐摩耗鋼は言うまでもなく、長時間の安定した耐摩耗特性を有し、長期の使用に耐えうることが求められる。耐摩耗鋼が使用中に環境から与えられる様々なダメージに対し、従来の発明では、耐遅れ割れ性や耐熱亀裂性、さらに、低温で使用される場合を想定した低温靭性などを改善したものが開示されている。
例えば、耐遅れ割れ性の優れた鋼板の製造技術を提供するものとして、低Ｍｎ化による技術（例えば、特許文献１参照）が、さらに焼入れ後、２００〜５００℃の低温で焼き戻す処理方法を適用する技術（例えば、特許文献２）が報告されている。
耐熱亀裂性の優れた鋼の提供を目的として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの成分を限定した製造技術（例えば、特許文献３参照）が、さらに、低温靭性の優れた鋼の製造技術として、やはり、合金元素を主体としてそれらの成分系を限定する技術（例えば、特許文献４、５，６参照）が開示されている。
上記の発明は、それぞれの目的にあった優れた発明ではあるが、一般の耐摩耗鋼に期待される最も基本的な特性である長期間に安定した硬さを維持できるか、すなわち、室温近くで長時間使用される材料の硬さの変化に着目した発明は現在のところ見あたらない。
特開昭６０−５９０１９号公報 特開昭６３−３１７６２３号公報 特開平１−１７２５１４号公報 特開２００１−４９３８７号公報 特開２００５−１７９７８３号公報 特開２００４−１０９９６号公報
近年、省エネルギー、省資源の社会的な要請から、耐摩耗性や耐腐食性などの長期にわたり材料の機能を維持する必要がある特性に対し、さらなる長期間の安定性が求められている。特に、耐摩耗鋼では、様々な摩耗環境で使用されるが、一般に室温で使用される環境においても、摩耗面は摩擦熱により使用材料が室温から１００℃程度に、しかも長時間にわたりさらされていることが知られている。しかしながら、このように室温よりわずかに高い温度域での耐摩耗鋼の特性、中でも硬さの変化は、ほとんど調べられておらず、本発明は、このような環境下で長期間使用中の硬さの変化が少ない高靭性耐磨耗鋼およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、上記の課題を解決するために、耐摩耗鋼において長時間安定した硬さを維持するために必要な技術を提供するために、なしたものであって、その骨子は、
（１） 質量％で、
Ｃ：０．２１％〜０．３０％、
Ｓｉ：０．３０〜１．００％、
Ｍｎ：０．５５〜０．７０％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｎ：０．０１％以下
を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅであり、さらに、次式（１）で定義されるＭ値が
Ｍ：−１０〜１６
である成分を有することを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
Ｍ＝２６×［Ｓｉ］−４０×［Ｍｎ］−３×［Ｃｒ］＋３６×［Ｍｏ］＋６３×［Ｖ］
・ ・ ・（１）
（２） さらに、質量％で、
Ｖ：０．０１〜０．１％、
を含有することを特徴とする上記（１）項記載の使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
（３） さらに、質量％で、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％を含有することを特徴とする上記（１）または（２）項記載の使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
（４） 上記（１）〜（３）項のいずれかに記載の化学成分を有する鋼を、熱間圧延し、その後Ａｃ３点以上の温度から焼き入れることを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼板の製造方法。
（５） 上記（１）〜（３）項のいずれかに記載の化学成分を有する鋼を、１０００℃〜１２７０℃に加熱後、８５０℃以上の温度で熱間圧延を終了した後、直ちに焼き入れることを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼板の製造方法。
本発明は、一般に室温で使用される耐摩耗鋼において、長時間使用中の硬さの変化を防止するための成分範囲および合金設計の指標となるＭ値を見出したことで、摩耗寿命を格段に改善できる鋼板の提供を可能にする。
本発明を実施する上で、耐摩耗鋼材としての硬さや靭性に対する合金添加量の規定は非常に重要である。まず、本発明の鋼成分を規定した理由について説明する。
Ｃ：硬さを向上させる最も重要な元素であり、焼入れ硬さを確保するためには、０．２１％以上の添加が必要であるが、０．３０％を超えると、硬さが高くなりすぎ、耐水素割れ性をを著しく損なうので、その上限を０．３０％とする。
Ｓｉ：脱酸材および使用中の硬さ低下を抑制する元素として有効であり、０．３０％以上の添加で著しい効果が認められるが、１．００％を超えて添加すると、靭性を阻害する恐れがあるため、１．００％以下を上限とする。
Ｍｎ：主として焼入れ性を高めるのに有効な元素で０．３２％以上必要であるが、マルテサイト中の低温でのセメンタイトの形成を促進するために硬さを低下させる働きがあり、多量の添加は好ましくないので、その範囲を実施例に記載の下限０．５５％以上、０．７０％以下とする。
Ｐ：多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０２％とする。不可避的に混入する含有量をできる限り少なくするのがよい。
Ｓ：多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０１％とする。ＳもＰと同様に不可避的な混入量をできる限り少なくするのがよい。
Ｃｒ：焼入れ性を改善する元素であり、０．１％以上の添加が必要であるが、多量に添加すると、靭性を低下させる恐れがあるために、その上限を２．０％以下とする。
Ｍｏ：焼入れ性改善すると同時に、長時間保持中の硬さ変化を抑える働きがあるので、０．１％以上の添加が必要であるが、１．０％を超えて添加されると、靭性を損なう恐れがあるために、その上限を１．０％とする。
Ｂ：フェライトの生成を抑制し焼入れ性を著しく向上させる元素であり、０．０００３％以上の添加が必要であるが、０．００３０％を超えた添加量では、ボロン化合物を生成し、かえって焼入れ性が低下する傾向があるため、その上限を０．００３％とする。
Ａｌ：脱酸元素として鋼中に添加され、０．０１％以上を必要とするが、０．１％を超える添加では、靭性を阻害する傾向があるため、その上限を０．１％とする。
Ｎ：鋼板に多量に添加されると靭性を低下させるので、少ない方が望ましく、上限の含有量は、０．０１％以下とする。
以上が本発明にかかる基本成分であるが、さらに、本発明においては、母材の硬さおよび靭性を改善する元素として、Ｖ、ＮｂおよびＴｉを、さらに延性や靭性を改善する元素目的から、Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭの１種または２種以上を添加できる。
Ｖ：焼入れ性を改善し、硬さの向上に寄与する元素である。０．０１％以上の添加が必要となるが、過剰の添加は靭性を損なうため、その上限を０．１％とする。
ＲＥＭ：熱間圧延中の硫化物の展伸による延性の低下を防止する元素として有効であり、ＲＥＭは、０．００１％以上の添加により効果が発揮されるが、過剰の添加は、硫化物の粗大化と同時に、溶製時に粗大な酸化物を生じる可能性がある。従って、その添加の範囲を、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％とする。
以上の成分範囲を基本として、本発明では、さらに、下記、式（１）によりＭ値の範囲の制約を設ける。
Ｍ＝２６×［Ｓｉ］−４０×［Ｍｎ］−３×［Ｃｒ］＋３６×［Ｍｏ］＋６３×［Ｖ］
・ ・ ・（１）
本発明者らは、多くの実験の結果、耐摩耗鋼において、室温〜１００℃近傍で長時間保持された場合の硬さの変化は、合金元素に大きく依存することを明らかにした。図１は、０．２３〜０．２６％Ｃ−０．２０〜０．８０％Ｓｉ−０．３５〜１．２３％Ｍｎ−０．４５〜１％Ｃｒ−０．２〜０．５％Ｍｏ−０〜０．１０５％Ｖを含有した鋼を板厚２５ｍｍに圧延した後、焼入れしたものの硬さと、それを１５０℃で１０時間保持した後の硬さとの差を縦軸に、横軸には合金元素量から計算されるＭ値をプロットしたものである。１５０℃で１０時間の保持は、室温〜１００℃程度の温度で長時間保持された場合の加速試験に相当する。この結果から分かるように、硬さの変化（ΔHv）はＭ値の値に依存し、Ｍ値が−１０を超えるとΔHvが７以下となり、硬さの低下がほどんと見られなくなることが分かった。
さらに図２は、その時の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギー値を縦軸に示したものである。この図から明らかなように、Ｍ値が１６超えるとを靭性が低下する傾向が認められる。
以上の実験事実から、発明者らは、硬さの変化が少なく、かつ、靭性が良好な特性を有する耐摩耗鋼の製造技術を提供できると考え、図１および図２に示されたように、室温付近で長時間保持された場合の硬さの変化および靭性値に対するＭ値の影響から、本発明の目的とする特性を得るためには、その範囲が−１０〜１６である制約を設けた。
本発明に係る鋼は、特にパワーショベルのバケット用部材やダンプトラックのベッセル用部材に好適に用いることができ、これら部材に適用すると長期間使用中の硬さが低減しないので、部材の磨耗が長期間にわたり著しく低減し、使用寿命を１．４倍以上に向上させることができる。
本発明法においては、上記の成分系を有する鋼片を出発材として、加熱・圧延工程、熱処理を経て製造される。鋼片は、転炉あるいは、電気炉により成分調整され溶製後、連続鋳造法および造塊・分塊法などの工程により、鋼片として製造される。
次に、鋼片を加熱後、熱間圧延により目的とする板厚まで圧延され、その後、Ａｃ３点以上の温度に再び加熱後、焼入れを施される。この時、鋼片の加熱温度および圧延の条件、焼入れ時の条件は、通常一般に用いられる条件であれば何ら差し支えない。
また、鋼板の再加熱焼入れの替わりに、鋼片を加熱し圧延後、直ちに直接焼入れを実施しても良い。その時の鋼片加熱温度は、１０００℃以上１２５０℃以下、で、熱間圧延時の仕上温度が８５０℃以上であれば、直接焼入れ後の特性に何ら問題を生じない。鋼片の加熱温度の制約は、１０００℃未満になると、含まれている合金元素の溶体化が進まず、硬さの低下を起こす懸念があり、１２７０℃を超える温度になると、加熱時の旧オーステナイト結晶粒が粗大化し、靭性が低下する懸念があるので、この条件とする。
一方、熱間圧延時の仕上げ温度の制約は、それに引き続いて実施される直接焼入れ時の温度を確保するために設けられたもので、８５０℃未満の圧延仕上げ温度になると、直接焼入れ後の硬さが低下する懸念があるので、８５０℃以上の温度を仕上げ温度の下限とする。
次に、本発明の実施例について述べる。表１に実施例として製造された供試鋼の化学成分を示す。各供試鋼は、造塊分塊法あるいは、連続鋳造法により鋼片として製造されたものであり、表１の中で、Ａ、Ｃ、Ｉ鋼は、本発明範囲の化学成分を有するもの、Ｄ〜Ｈ鋼は参考鋼で、Ｊ〜Ｐ鋼は、本発明の化学成分範囲を逸脱して製造されたものである。
表１に示したそれぞれの鋼片を表２に示した製造条件にて加熱および熱間圧延後、一部のものについては、熱処理を施し、２５〜５０ｍｍまでの板厚を有する鋼板として製造した。その後、表層部直下０．５ｍｍのブリネル硬さの測定を実施した。さらに、鋼板の一部を切り出し、１５０℃で１０時間の熱処理を加え、それらの鋼板の表層下０．５ｍｍ部のＨＢを測定するとともに、板厚１／４ｔ部からシャルピー試験片を採取(圧延の長手方向)し、−２０℃において試験を実施した。それらの結果についても表２に示した。
表２において、鋼１、３、９については、本発明範囲内でのものである。いずれの条件においても、表面下の硬さは、ＨＢ４００〜ＨＢ５２０範囲であり、長時間使用中の硬さの低下がＨＢ１０以下であり、極めて小さいことが分かる。さらに、靭性についても−２０℃においてすべて２１Ｊ以上の値を示している。
それに対し、鋼１０から鋼１８は化学成分あるいは、鋼板の製造条件の一方が本発明範囲を逸脱している場合である。
まず、鋼１０〜鋼１６においては、化学成分が本発明範囲を逸脱している場合である。すなわち、鋼１０および鋼１１は、Ｃ量が本発明の範囲を逸脱している。その結果、鋼１１ではＣ量が０．１９％と本発明範囲より低くはずれている場合であるが、母材の硬さＨＢ３８２と低下している。一方、鋼１１では逆にＣ量が高くはずれている場合であり、母材の硬さがＨＢ５６３と著しく上昇しており、靭性も低い。
鋼１２はＳｉの添加量が本発明範囲を高く逸脱している例である。この場合、母材の硬さが上昇する結果、靭性が低くなっている。
鋼１３はＭｎの添加量が本発明範囲を高めにはずれている例である。その結果、硬さの変化ΔＨＢが１５程度とやや大きくなっていると同時に、靭性も低い。
鋼１４および１５はＣｒおよびＭｏ量が本発明範囲を高くはずれているものである。この場合、硬さの変化ΔＨＢは小さいものの、靭性が著しく低い。
鋼１６はＭ値が本発明範囲を逸脱している場合である。この場合、靭性は良好であるが、硬さの変化ΔＨＢが３１と極めて大きくなっている。
鋼１７および鋼１８は成分範囲および製造条件において、本発明範囲外の条件で製造された場合である。すなわち、鋼１７および１８はＭｎ量が高くはずれた成分系を有するものであり、鋼１７は圧延後の焼入れ温度がＡｃ３変態点以下で加熱された場合、鋼１８は直接焼入れ工程において、圧延仕上げ温度が本発明の範囲である８５０℃以上より低い場合である。いずれも母材の硬さがＨＢ４００以下となり、目的とする硬さを有していない。
Figure 0004846308
Figure 0004846308
本発明は、耐摩耗鋼の特性上極めて重要な使用中の硬さの変化を著しく低減することを可能にしたもので、その産業上の利用効果は極めて大きい。
１５０℃で１０時間保持した後の硬さの変化に対する合金元素の影響を示した図である。 １５０℃で１０時間保持した後の−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーに対する合金元素の影響を示した図である。

Claims (5)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．２１％〜０．３０％、
    Ｓｉ：０．３０〜１．００％、
    Ｍｎ：０．５５〜０．７０％、
    Ｐ：０．０２％以下、
    Ｓ：０．０１％以下、
    Ｃｒ：０．１〜２．０％、
    Ｍｏ：０．１〜１．０％、
    Ｂ：０．０００３〜０．００３０％、
    Ａｌ：０．０１〜０．１％、
    Ｎ：０．０１％以下
    を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅであり、さらに、次式（１）で定義されるＭ値が
    Ｍ：−１０〜１６
    である成分を有することを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
    Ｍ＝２６×［Ｓｉ］−４０×［Ｍｎ］−３×［Ｃｒ］＋３６×［Ｍｏ］＋６３×［Ｖ］
    ・ ・ ・（１）
  2. さらに、質量％で、
    Ｖ：０．０１〜０．１％、
    を含有することを特徴とする請求項１記載の使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
  3. さらに、質量％で、
    ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
    を含有することを特徴とする請求項１または２記載の使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の化学成分を有する鋼を、熱間圧延し、その後Ａｃ３点以上の温度から焼き入れることを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼板の製造方法。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の化学成分を有する鋼を、１０００℃〜１２７０℃に加熱後、８５０℃以上の温度で熱間圧延を終了した後、直ちに焼き入れることを特徴とする使用中の硬さ変化が少ない高靭性耐摩耗鋼板の製造方法。
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