JP5716996B2 - 耐摩耗低合金鋳鋼 - Google Patents

Description

本発明は鉱山、砕石、セメントなどの業界における各種破砕機、搬送ラインなどの機械装置に使用される耐摩耗低合金鋳鋼鋳物に関する。さらに詳しくは、高硬度と高靭性を両立させるため、材料組成および熱処理の最適化に関する。

鉱山、砕石、セメント、鉄鋼、リサイクルなどに代表される業界においては、各種鉱石などを粉砕する破砕機、分級機、搬送装置等が使用されており、これらの装置の各種部品には高い耐摩耗性と靭性が求められている。

こうした要求に対応する材料として、歴史的には高マンガン鋳鋼が最初に用いられるようになり、次第に普及してきた経緯がある。高マンガン鋳鋼の金属組織は均一なオーステナイトであり、極めて高い靭性を有するため破損に対する危険性が低い利点がある一方、加工硬化による表面硬さはHRC30〜40程度であり、比較的摩耗の進行が早いという問題があった。

このため、さらに耐摩耗性を要求される用途や部品に対しては、各種低合金鋳鋼が用いられるようになった。ここで、低合金鋳鋼とは炭素鋼に合金元素としてCrやMo、Niなどを合計で概略10mass%（以下%と略す）以下添加して焼入れ性や靭性を向上した材料であって、構造用高張力炭素鋼及び低合金鋼鋳鋼としてJISやASTMで規格化されている。

その中でも高い焼入性と靭性を有する典型的な材料として、ＪＩＳ Ｇ5111に規格化されているSCNCrM2材（Ｃ：0.25〜0.35%、Si：0.30〜0.60、Mn：0.90〜1.50、Ni：1.60〜2.00、Cr：0.30〜0.90、Mo：0.15〜0.35）がある。焼入処理の冷却方法としては焼割れ防止のため通常油焼入が行われている。そして構造用には550〜650℃で焼戻を行うが、耐摩耗性を必要とする用途には200℃程度の低温焼戻で使用されている。その場合には、肉厚1インチ未満で硬さ50HRC、衝撃値30J/cm2程度が得られる。
以上のことが従来技術として知られている

しかし、1インチ以上の肉厚を持つ部品で芯部まで高硬度を得ようとする場合にはSCNCrM2でも焼入性が不足し、芯部硬さが45HRC以下に低下してしまう。そこで芯部まで高硬度にするために焼入処理を水焼入にすると、焼割れの危険性が増加するという問題点（課題）があった。
ここで、焼割れとは、焼入れ工程で発生する割れと、焼入れ後に室温に放置した状態で発生する置き割れを含む。

そこで、本発明は、上記の問題（課題）に鑑みて成されたもので、肉厚が1インチ以上である鋳鋼製品において、高硬度を確保するために水焼入れを施しても焼割れの発生が軽減可能な合金組成について最適化を図ることによって、高靭性を確保しながら同時にHRC45〜53の硬さを実現し、耐摩耗性を向上する耐摩耗低合金鋳鋼を提供することを目的とする

上記の課題を解決するためにするために、本発明の耐摩耗低合金鋳鋼は、Mass%でC 0.30〜0.35、Si 0.30〜0.60、Mn 0.90〜1.50、Cr 0.91〜1.50、Ni 1.60〜1.90、Mo 0.20〜0.30、P 0.05以下、S 0.05以下、および残部がFeと不可避不純物からなり、製品肉厚が1インチ以上、硬さがHRC45〜53、シャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2であることを特徴とする。

また、1000〜1100℃に加熱保持した後炉冷する均質化処理工程と、850〜950℃に加熱保持した後水焼入れを行う焼入れ工程と、150〜280℃に加熱保持した後室温まで炉冷する焼戻し工程からなる熱処理を施すことを特徴とする。

本発明は肉厚が1インチ以上である鋳鋼製品において、焼割れの発生が軽減可能な合金組成および熱処理方法について最適化を図ったので）、耐摩耗性と靭性、すなわち、硬さがHRC45〜53、シャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2である耐摩耗低合金鋳鋼を提供することが可能となった。

つぎに本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
請求項1に記載した化学成分を設定した理由を以下に説明する。
１） C ：0.30〜0.35%
Cは焼入れ硬さを支配する重要な元素であり、HRC45〜53の硬さを得るために0.30〜0.35%とした。0.30%未満ではHRC45以上の硬さが得られず、0.35%を超えると焼割れが増加するため上記の範囲とした。

２） Si ：0.30〜0.60％
Siの焼入れ性に対する効果は小さいが、脱酸および湯流れ性を確保するうえで重要であり、0.30%未満では脱酸効果が不十分であり鋳物製品内部のガス欠陥が増加し、0.60%を超えると偏析が増加し靭性が低下するため上記の範囲とした。

３） Mn ：0.90〜1.50%
Mnは鋼の焼入れ性を向上する効果が最も高い元素であり、HRC45〜53の硬さを安定して実現するために0.90〜1.50%とした。0.90%未満では特に1インチを超える肉厚製品に対して上記の硬さを安定して確保できず、1.5%を超えると偏析を生じて靭性（シャルピー衝撃値）が低下するため上記の範囲とした。

４） Cr ：0.91〜1.50%
CrはMn、Moに次いで焼入れ性向上効果が高い元素であると同時に結晶粒を微細化して靭性を向上して耐焼割れ性を向上するため0.91〜1.50%とした。0.91%未満では効果が不十分で芯部硬さが45HRC以下に低下し、1.50%を超えると炭化物が増加して靭性が低下するため上記の範囲とした。

５） Ni ：1.60〜1.90%
Niは靭性を向上する効果が最も高い元素であり、特に1インチを超える肉厚製品に対してシャルピー衝撃値20〜40J／cm2を実現するため、1.60%未満では効果が不十分であり、1.90%を超えると衝撃値が飽和するため上記の範囲とした。

６） Mo ：0.20〜0.30%
MoはMnに次いで焼入れ性向上効果が高い元素であると同時に焼戻し軟化抵抗を高める作用があり0.20〜0.30%とした。0.20%未満では効果が不十分であり、0.30%を超えると偏析を生じて靭性が若干低下するため上記の範囲とした。

７） PおよびS ：0.05%以下
鋼にとっては靭性を低下させる有害元素であるため0.05%以下とした。

製品肉厚が1インチ未満の場合は、SCNCrM2などの従来材料でも焼割れの危険性は低く、HRC45〜53の硬さとシャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2を得ることができるが、1インチ以上になると芯部硬さが低下する。SCNCrM2などの従来材料は油焼入れを基本としており、水焼入れと比較して冷却速度が遅いことから、肉厚が増加するほど焼入れ硬さが低下する。また、冷却速度を上げるため水焼入れを実施すると顕著に焼割れが増加する。

請求項2に記載した熱処理工程について以下に説明する。
１） 均質化処理工程
鋳造後の金属組織は凝固時のデンドライト組織が粗大に発達して非常に不均一であると共に化学成分の偏析が著しい。また、鋳造応力を内蔵している。このため、焼入れ工程に先立ち、完全なオーステナイト組織となる温度に加熱して成分、組織を均質化すると共に鋳造応力を開放する必要がある。均質化処理の温度が1000℃未満では効果が不十分であり、1100℃を超えると結晶粒が成長して粗大化するため1000〜1100℃とした。均質化処理温度に保持する時間は製品の肉厚に応じて適宜設定すればよい。また、冷却は熱処理による応力が極力残留しないように炉冷することが好ましい。

２） 焼入れ工程
均質化処理工程に引続いて、850〜950℃に昇温保持した後、水中に投入して水焼入れを実施する。焼入れ温度が850℃未満では均一なオーステナイト組織にすることができないため靭性が低下し、950℃を超えると結晶粒が粗大化すると共に焼入れ硬さが低下する。焼入れ温度に保持する時間は製品の肉厚に応じて適宜設定すればよい。また、形状が複雑で肉厚が不均一な製品の場合は、Ms点＋50℃程度の温度まで冷却した後、水中から引上げて放冷するなどの手段を講じることが好ましい。

３） 焼戻し工程
焼入れ工程に引続き、焼入れによる応力を緩和すると共に硬さと靭性を調整するため焼戻しを行う。焼戻し工程では、150〜280℃に昇温保持した後、室温まで炉冷する。焼戻し温度が150℃未満では靭性を回復する効果が不十分であり、280℃を超えると低温焼戻し脆性が発生する危険性が増大する。

本発明による耐摩耗低合金鋳鋼は、製品肉厚が1インチ以上であっても水焼入れを実施することで高い芯部硬さを確保することが可能であり、冷却速度が早い水焼入れを実施しても焼割れが発生しにくい特徴を有する。従って、製品肉厚が増加してもHRC45〜53の硬さとシャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2を安定して得ることが可能である。なお、HRC53を超える硬さが必要な場合は、C量をさらに増加する必要があり、その領域では靭性が急激に低下するため、本発明の範囲外である。

本発明の化学成分は、SCNCrM2などの従来材料と比較して、焼入れ性向上と靭性改善効果の高いCrを高く設定することにより、水焼入れを実施して芯部まで高硬度を確保し、耐焼割れ性も高いという画期的な特性を実現したものである。

以下、本実施例に基づき発明を説明する。

表1に示す化学成分により、ＪＩＳ G5502（ISO 1083）に定められた1インチ（B号）、2インチ（C号）、3インチ（D号）のYブロックを鋳造した。鋳造したYブロックの数は、表2に示す実施例、比較例に対して各々5個製作した。比較例1の化学成分はSCNCrM2である。
硬さおよびシャルピー衝撃値は、熱処理を実施した各々のYブロックから切り出した試験片を用いて評価した。
硬さ測定は、ロックウェル硬度計のCスケール（HRC）を使用し、測定方法はＪＩＳ Z2245（ISO 6508）に従って実施した。
シャルピー衝撃値の測定は、シャルピー衝撃試験機を使用し、ＪＩＳ Z2242（ISO 83）に従って実施した。試験片形状は、ＪＩＳ Z2202の2ミリUノッチ試験片を用いた。
実施例１〜3のYブロックは、1070℃で均質化処理を実施した後、890℃に加熱保持してから水焼入れを行い、その後、230℃で焼戻しした。
比較例1〜5のYブロックは、実施例1〜3と同じ条件で熱処理を行った。

表1
表２

実施例1〜3に示すように、本発明の化学成分（成分1）では、試験片の肉厚が1インチから3インチに増加しても硬さの低下が少なく、かつ30J／cm2以上の高いシャルピー衝撃値が得られた。さらに、水焼入れを実施しても焼割れの発生が無く、耐焼割れ性に優れた材料であることが確認された。

硬さおよびシャルピー衝撃値は、熱処理を実施した各々のYブロックから切り出した試験片を用いて評価した。
硬さ測定は、ロックウェル硬度計のCスケール（HRC）を使用し、測定方法はＪＩＳ Z2245（ISO 6508）に従って実施した。
シャルピー衝撃値の測定は、シャルピー衝撃試験機を使用し、ＪＩＳ Z2242（ISO 83）に従って実施した。試験片形状は、ＪＩＳ Z2202の2ミリUノッチ試験片を用いた。

実施例1〜3のYブロックは、1070℃で均質化処理を実施した後、890℃に加熱保持してから水焼入れを行い、その後、230℃で焼戻しした。比較例1〜5のYブロックは、実施例1〜3と同じ条件で熱処理を行った。

実施例1〜3に示すように、本発明の化学成分（成分1）では、試験片の肉厚が1インチから3インチに増加しても硬さの低下が少なく、かつ30J／cm2以上の高いシャルピー衝撃値が得られた。さらに、水焼入れを実施しても焼割れの発生が無く、耐焼割れ性に優れた材料であることが確認された。

比較例1は、成分2に示す化学成分（SCNCrM2）で1インチYブロックを製作して油焼入れを実施した結果であるが、同じ肉厚である実施例1と比較して、硬さ、シャルピー衝撃値ともに低い値となった。また、焼入れを行ったYブロックにおいて5個中1個に焼割れが発生した。従って、水焼入れでは、さらに焼割れが増加すると考えられる。

比較例2、3は、2インチYブロックを製作して油焼入れ、および水焼入れを実施した結果であるが、いずれも同じ肉厚である実施例2と比較して、硬さ、シャルピー衝撃値ともに低い値となった。また、油入れを行ったYブロックにおいて5個中2個に焼割れが発生し、水焼入れでは5個中3個に焼割れが発生した。

比較例4、5は、3インチYブロックを製作して油焼入れ、および水焼入れを実施した結果であるが、いずれも同じ肉厚である実施例3と比較して、硬さ、シャルピー衝撃値ともに低い値となった。また、油入れを行ったYブロックにおいて5個中2個に焼割れが発生し、水焼入れでは5個中4個に焼割れが発生した。

以上のように、本発明の耐摩耗合金鋳鋼は耐焼割れ性に優れ、HRC45〜53の硬さとなるように熱処理を実施した場合でも焼割れが発生することなく、かつシャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2の高靭性を確保することが可能であり、特に肉厚が1インチ以上の製品に対して好適に適用可能であることが確認された。

Claims (2)

1. Mass%でC 0.30〜0.35、Si 0.30〜0.60、Mn 0.90〜1.50、Cr 0.91〜1.50、Ni 1.60〜1.90、Mo 0.20〜0.30、P 0.05以下、S 0.05以下、および残部がFeと不可避不純物からなり、製品肉厚が1インチ以上であって、硬さがHRC45〜53、シャルピー衝撃値（Uノッチ）20〜40J／cm2であることを特徴とする耐摩耗低合金鋳鋼
2. 1000〜1100℃に加熱保持した後炉冷する均質化処理工程と、850〜950℃に加熱保持した後水焼入れを行う焼入れ工程と、150〜280℃に加熱保持した後室温まで炉冷する焼戻し工程からなる熱処理を施すことを特徴とする、請求項1に記載の耐摩耗低合金鋳鋼