JP5348392B2

JP5348392B2 - 耐磨耗鋼

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Publication number: JP5348392B2
Application number: JP2009016325A
Authority: JP
Inventors: 康宏室田; 伸一鈴木; 伸夫鹿内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2010174284A

Description

本発明は、耐磨耗鋼に関し、建設、土木、鉱山等の分野で使用される、例えば、パワーショベル、ブルドーザー、ホッパー、バケットなどの産業機械や運搬機器等で、土砂が岩石との接触による磨耗が問題となるような部材用として好適なものに関する。

土、砂等による磨耗を受ける部材には、長寿命化のため、耐磨耗性に優れた鋼材が使用されている。従来から、鋼材の耐磨耗性は、高硬度化することにより、向上することが知られている。このため、耐磨耗性が要求される部材には、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を大量に添加した鋼材に焼入等の熱処理を施し、高硬度化した鋼材が使用されてきた。

例えば、特許文献１には、Ｃ：０．１０〜０．１９％を含み、Ｓｉ、Ｍｎを適正量含有し、Ｃｅｑを０．３５〜０．４４％に限定した鋼を、熱間圧延後直接焼入れし、あるいは９００〜９５０℃に再加熱したのち焼入れし、３００〜５００℃で焼戻し、鋼板表面硬さを３００ＨＶ以上とする耐摩耗鋼板の製造方法が提案されている。

特許文献２には、Ｃ：０．１０〜０．２０％を含み、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ａｌを適正量に調整し、あるいはさらにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂのうちの１種以上を含有する鋼に、熱間圧延後直接焼入れし、あるいは圧延後放冷した後、再加熱して焼入れし、３４０ＨＢ以上の硬さを有する耐摩耗厚鋼板とする、耐摩耗厚鋼板の製造方法が提案されている。

また、特許文献３には、Ｃ：０．０７〜０．１７％を含み、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ａｌを適正量に調整し、あるいはさらにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂのうち１種以上を含有する鋼に、熱間圧延後直ちに焼入れ、あるいは一旦空冷した後に、再加熱して焼入れし、表面硬さが３２１ＨＢ以上で、曲げ加工性に優れた鋼板とする耐摩耗鋼板の製造方法が提案されている。

特許文献１〜３に記載された技術は、合金元素を多量に添加して、固溶硬化、変態硬化、析出硬化等を活用して、高硬度化することで、耐磨耗特性を向上させている。

特開昭６２−１４２７２６号公報特開昭６３−１６９３５９号公報特開平１−１４２０２３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の耐磨耗鋼板は、合金元素を多量に添加して、固溶硬化、変態硬化、析出硬化等を活用して、高硬度化したもので、溶接性、加工性が低下し、さらに高合金化により製造コストが高騰する。

また、特許文献１〜３に記載の耐磨耗鋼は、その強度レベルが１２００ＭＰａを超えるため、遅れ破壊等が懸念され、より厳しい磨耗環境下における、耐磨耗性の更なる改善も望まれていた。

そこで、本発明は、上記課題を解決した耐磨耗鋼を提案することを目的とする。

発明者らは、強度１２００ＭＰａ程度を上限とした鋼において、耐磨耗性をさらに改善すべく鋭意検討を重ねた。発明者等が行った実験の一例を下記に示す。

質量％で、０．３０〜１．２０％Ｃ−０．３５％Ｓｉ−０．８２％Ｍｎ−０．５０％Ｔｉ含む鋼片を、１９ｍｍｔに圧延し、室温まで空冷した。得られた鋼板について、硬度測定および磨耗試験を実施した。

硬度測定は、ブリネル硬さ試験に準拠し、表層下の５点の平均を求めた。磨耗試験は、ＡＳＴＭＧ６５に準拠したラバーホイール磨耗試験によって実施し、軟鋼（ＳＳ４００）の磨耗量と各鋼板の磨耗量の比を耐磨耗比として、耐磨耗性を評価した。耐磨耗比が大きいほど、耐磨耗性に優れていることを示す。

比較材として、一般的な熱処理で製造する耐磨耗鋼板についても同様の試験を実施した。比較材は、０．２７％Ｃを含み、焼入れ熱処理を施した材料で、ブリネル硬さで５００ＨＢ程度の鋼板とした。

図１、２に得られた結果をＣ添加量との関係で示す。Ｃ添加量が０．７％以上で、比較材（一般的な耐磨耗鋼）以上の特性（図１）と、ブリネル硬さが３５０ＨＢ以下が得られ（図２）、従来の焼入れ熱処理をした耐磨耗鋼板以上の磨耗特性を有しつつ、硬度レベルからの推定では、その強度レベルは１０００ＭＰａ以下で、遅れ破壊特性の改善と、曲げ加工等の加工性の改善が示唆されている。

本実験結果を基に更に、検討を加え、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどの炭化物生成元素とＣを含有する成分系で、基地相の組織をパーライト主体とし、かつ、当該基地相中に硬質な第二相、例えば、ＴｉＣやＮｂＣなどを分散させることにより、強度レベルを上げることなく、耐磨耗性の著しい改善が可能であることを見出した。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．５０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．１％以下を含み、Ｔｉ：０．１〜１．２％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｖ：０．００５〜１．０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、パーライト相からなる基地相に、円相当直径で粒径が０．５μm以上５０μm以下である、硬質な第二相粒子を４００個／ｍｍ ^２以上の分散密度で有することを特徴とする耐磨耗鋼。
（２）更に、質量％で、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐磨耗鋼。

本発明によれば、耐磨耗性は向上させるが、耐遅れ破壊特性や加工性を劣化させる強度の上昇によらずに、耐磨耗特性を格段に改善することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

Ｃ添加量と耐磨耗特性（耐磨耗比）の関係を示す図。Ｃ添加量と耐磨耗特性（ブリネル硬さ）の関係を示す図。

本発明では、ミクロ組織と成分組成を規定する。
［ミクロ組織］
本発明に係る耐磨耗鋼は、優れた耐磨耗性を鋼に付与するため、ミクロ組織における基地相をパーライト相として、硬質な第二相粒子を４００個／ｍｍ^２以上の分散密度で有するものとする。当該基地相はパーライト主体であればよく、パーライト分率は９０％以上とすることが望ましい。

硬質な第二相粒子は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどの炭化物生成元素によるＴｉＣ、ＮｂＣなどの炭化物および／またはこれらの元素の複合炭化物で、基地相中の分散密度は耐磨耗性が著しく向上するようになる分散密度である４００個／ｍｍ^２以上とする。硬質第二相粒子密度は、各硬質相の面積を測定し、同面積から円相当直径を算出し、得られた円相当直径を算術平均し、得られた平均値をその鋼板における硬質相の大きさ（平均粒径）とし、複数の視野について、当該硬質相の個数を測定し、平均値を硬質第二相粒子密度とする。硬質第二相粒子の大きさはとくに限定されないが、耐磨耗性向上の観点から、０．５μm以上、５０μm以下程度とすることが好ましい。以下、好ましい成分組成と製造条件について詳細に説明する。
［成分組成］説明において％は質量％とする。

Ｃ：０．８０〜１．５０％
Ｃは、マトリクスのパーライト分率を上昇させるために有効な元素であり、かつ、硬質な第二相として炭化物を形成し、耐磨耗性を向上させるために有効な元素である。このような効果を得るためには、０．８０％以上必要である。一方、１．５０％を超えて添加すると、初析セメンタイトの分率が増加し、脆くなり、衝撃特性が著しく劣化する。そのため、０．８０〜１．５０％とする。なお、好ましくは、０．８０〜１．２０％である。

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有効な元素であるが、１．０％を超える含有は、延性、靭性を低下させ、さらに介在物量を増加させる。このため、Ｓｉは０．０５〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．０５〜０．４０％である。

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は０．１〜２．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．１〜１．６０％である。

Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸材として作用し、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は０．１％以下に限定することが好ましい。

Ｔｉ：０．１〜１．２％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｖ：０．００５〜１．０％のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖは、Ｃとともに本発明における重要な元素であり、耐磨耗性向上に寄与する硬質な第二相（Ｔｉ、Ｎｂ，Ｖの炭化物またはこれらの複合炭化物）を形成する必須の元素である。このような効果をえるため、Ｔｉの場合、０．１％以上、Ｎｂの場合、０．００５％以上、Ｖの場合、０．００５％以上とする。

一方、Ｔｉ：１．２％超え、Ｎｂ：１．０％超え、Ｖ：１．０％超えの場合には、硬質な第二相（Ｔｉ、Ｎｂ，Ｖの炭化物またはこれらの複合炭化物）が粗大化し、衝撃特性が著しく劣化したり、曲げ加工時に粗大な第二相を起点として割れが発生する。このため、Ｔｉは０．１〜１．２％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｖ：０．００５〜１．０％とする。なお、好ましくは、それぞれＴｉ：０．１〜０．８％、Ｎｂ：０．１〜０．５％、Ｖ：０．１〜０．７％である。

以上が本発明の基本成分組成であるが、更に特性を向上させる場合、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂの１種または２種以上を添加する。なお、本発明に係る耐磨耗鋼において、Ｐ，Ｓは不可避的不純物であり、Ｐ、Ｓともに０．０３％以下とすることが好ましい。

Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、固溶強化により強度を上昇させる元素であり、この効果を得るためには０．１％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を超える含有は、熱間加工性を低下させる。このため、添加する場合は、０．１〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．１〜０．５％である。

Ｎｉ：０．１〜２．０％
Ｎｉは、固溶することにより強度と靭性を改善させる効果を有する元素であり、このような効果は０．１％以上の含有で顕著となる。一方、２．０％を越える含有は、材料コストを著しく上昇させる。このため、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。なお、より好ましくは０．１〜１．０％である。

Ｃｒ：０．１〜１．０％
Ｃｒは、固溶することにより強度を上昇させる効果を有し、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、０．１％を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、添加する場合は、０．１〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは０．１〜０．４０％である。

Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、固溶することにより強度を上昇させる効果を有し、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。一方、１．０％を超えて含有すると溶接性を低下させる。このため、添加する場合は、０．０５〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、０．０５〜０．４０％である。

Ｗ：０．０５〜１．０％
Ｗは、固溶することにより強度を上昇させる効果を有し、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。一方、１．０％を超えて含有すると溶接性を低下させる。このため、添加する場合は、０．０５〜１．０％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、０．０５〜０．４０％である。なお、ＭｏやＷは、硬質な炭化物に固溶するため、硬質相量を増加させる効果も有する。

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、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。なお、より好ましくは、０．０００３〜０．００１５％である。

［製造条件］
本発明に係る耐磨耗鋼は、上記成分組成の鋼を常法により溶製後、スラブとし、スラブ加熱後、熱間圧延により製造可能である。

なお、本発明では、製造プロセスはどのような製品形態でも良く、厚板圧延、棒線圧延などいずれの成形プロセスでも適用できる。

表１に示す種々の組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、小型鋼塊（５０ｋｇ）（鋼素材）とし、１０５０〜１２５０℃に加熱したのち、熱間圧延を施して板厚１２ｍｍの鋼板として、その後、空冷した。

得られた鋼板について、組織観察、磨耗試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
［組織観察］
得られた鋼板から組織観察用試験片を採取し、研磨し、ナイタール腐食して、表層下１ｍｍの位置について、光学顕微鏡（倍率：４００倍）を用いて、パーライトの分率および硬質相の大きさ、個数を測定した。

なお、硬質第二相粒子密度は、３箇所の視野について、ＳＥＭ（倍率：５０００倍）にて観察し、ＥＤＸ分析にて硬質第二相を同定し、前述の方法により、当該硬質相の個数を測定し、その平均値を硬質第二相粒子密度とした。
［磨耗試験］
得られた鋼板から試験片（大きさ：ｔ×２０×７５ｍｍ）を採取し、ＡＳＴＭＧ６５の規定に準拠して、ラバーホイール磨耗試験を実施した。なお、磨耗砂を使用した。試験後、試験片の磨耗量を測定した。なお、軟鋼（ＳＳ４００）板の磨耗量を基準（１．０）として、耐磨耗比＝（軟鋼板の磨耗量）／（各鋼板の磨耗量）、で評価した。耐磨耗比が大きいほど、耐磨耗性に優れていることを意味する。ここでは、耐磨耗比が８．０以上を耐磨耗性に優れているとしている。

得られた結果を表１にあわせて示す。本発明例（鋼記号Ａ〜Ｅ）は、耐磨耗比が８．２以上で耐磨耗性が非常に優れた鋼板となっている。一方、比較例（鋼記号Ｆ）はＣ量が本発明範囲外で少なく、基地相におけるパーライト分率が４４％と低く、耐磨耗比が本発明鋼に対して劣る。比較例（鋼記号Ｇ）はＴｉ，Ｎｂ、Ｖのいづれも含有しないため硬質第二相が得られず、耐磨耗比が本発明鋼に対して劣る。

Claims

鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．５０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．１％以下を含み、Ｔｉ：０．１〜１．２％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％、Ｖ：０．００５〜１．０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、パーライト相からなる基地相に、円相当直径で粒径が０．５μm以上５０μm以下である、硬質な第二相粒子を４００個／ｍｍ ^２以上の分散密度で有することを特徴とする耐磨耗鋼。
更に、質量％で、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜
１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｂ：０．０００３〜０
．００３０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐磨耗
鋼。