JP6691967B2 - 靭性及び耐切断割れ性に優れた高硬度耐摩耗鋼、並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
Mn(マンガン)は、マルテンサイトを安定化させ、且つ高い表面硬度を得るために添加される元素である。本発明では、かかる効果を得るために、Mnを2.1%以上添加する。Mnの含量が不足する場合は、フェライトまたはベイナイトが生成し易くなり、表層部の高い硬度を得ることが困難になる。但し、その含量が4.0%を超える場合には、溶接性及び耐切断割れ性が著しく低下するだけではなく、鋼材の製造原価が低下するという問題が発生することがある。従って、本発明では、Mnの含量を2.1〜4.0%の範囲で添加する。
C(炭素)は、Mnと共に鋼材の表層部の硬度を確保するために必要な元素である。但し、その量が過剰である場合は、靭性及び溶接性を低下させるという問題があるため、適切な範囲内に制御する必要がある。本発明では、表層部の硬度を十分に確保するために、Cを0.15%以上添加するが、過剰に添加した場合には靭性や溶接性などが低下するため、その含量の上限を0.20%に制限する。
Si(ケイ素)は脱酸剤としての役割を担い、固溶強化により強度を向上させる元素として作用する。また、製造工程上、極少量まで含量を減少させることができないため、Si含量の下限を0.02%と定める。但し、その含量が高すぎる場合には、溶接部はもちろん、母材の靭性も低下させるため、Si含量を0.5%以下に制限する。
Cr(クロム)は、鋼に含まれると、鋼の硬化能を上昇させる役割をする元素であって、焼入れ(quenching)時にマルテンサイトの確保を容易にする。また、本発明の耐摩耗鋼では、その含量が増加するほど低温衝撃靭性を向上させ、相変態温度であるAc1とAc3との間の間隔を狭めて耐切断割れ性を高める役割をする。かかるCrの有利な効果を得るためには、その含量は0.2%以上含まれることが有利である。但し、その量が過剰である場合には、溶接性を低下させ、且つ製造原価を上昇させる恐れがあるため、Cr含量の上限は0.7%と定めることができる。
Nb(ニオブ)は固溶、析出硬化効果により鋼材の強度を高め、且つ結晶粒を微細化させて衝撃靭性を向上させる元素であって、必要に応じて添加することができる。但し、その含量が過剰である場合には、粗大な析出物が形成されて硬度と衝撃靭性をむしろ劣化させるため、その含量を1.0%以下に制限することができる。
B(ホウ素)は、少量の添加でも材料の焼入れ性を効果的に高める元素であって、結晶粒界の強化により粒界破壊を抑制する効果があるため、必要に応じて添加して使用することができる。但し、その含量が過剰である場合には、粗大な析出物の形成などにより靭性と溶接性が低下するため、その含量は0.02%以下に限定することが好ましい。
鋼材に不可避に含まれる不純物元素としてN(窒素)が挙げられるが、NはBと結合してBの効果を減少させるという悪影響を及ぼす。Ti(チタン)は、かかるNによるBの効果減少を抑制してBの添加効果を最大化させる効果がある元素である。即ち、Tiは、鋼中に存在するNと反応してTiNを形成することにより、BNの形成を抑制する作用をする。それだけでなく、TiNは、オーステナイト結晶粒を固定(pinning)させて結晶粒の粗大化を抑制させる効果も有する。従って、本発明では、必要に応じてTiを鋼中に添加することができる。但し、Tiの添加量が過剰である場合には、粗大な析出物が形成されて靭性や溶接性を低下させる恐れがあるため、その含量は0.1%以下に制限することができる。
本発明の発明者らが研究した結果によると、ガス切断時に発生する切断割れは、一種の水素誘起割れであって、熱影響部(特に、Inter Critical Heat Affected Zone:ICHAZ)に生じる残留応力が大きいほどよく発生するという特徴がある。つまり、熱影響部の残留応力を低減させることが耐切断割れ性を高める一つの手段となるため、本発明ではAc3−Ac1の値を調節することを提案する。
Ac3は冷却時にオーステナイトで初析フェライトが発生し始める温度を意味し、Ac1は、組織が完全にフェライトに変態する温度を意味する。本発明者らの研究結果によると、Ac3−Ac1の値を調節した場合には、ICHAZの残留応力を著しく低減させることができ、この部分における割れの発生を低減させることができる。その理由は、Ac3−Ac1値が大きいということは、オーステナイト及びフェライトの二つの組織が共存する領域の温度範囲が広いことを意味し、それにより、切断後の冷却時にオーステナイト及びマルテンサイトの二つの組織が存在するICHAZが大きくなり、従って、二つの組織間の体積変化の差により内部に大きな応力が残留するためである。
図1はガス切断時に形成される熱影響部に対してEBSD(Electron Back Scatter Diffraction)分析を行った結果を示したものである。図面の上部には、溶接熱影響部の組織を観察したKernal average Misorientation mapを示し、その下部には残留応力が集中する領域を示した。図面から分かるように、本発明者らはICHAZが最も濃く表示されていることを見出し、それにより残留応力がICHAZに集中していることが分かった。つまり、ICHAZの大きさを減少させる効果があるAc3−Ac1値を100℃以下に制御した場合には、優れた耐切断割れ性が得られる。
熱間圧延過程は、通常の方法により行うことができる。但し、後続の焼入れ工程に適合するように、熱間圧延終了温度は、表面部を基準にAr3〜900℃の範囲に定めることができる。即ち、Ar3未満の温度まで熱間圧延を行うと、鋼材の内部に過剰のフェライトが形成されて、後続の焼入れ工程で意図する組織が得られないという問題が発生することがあるため、熱間圧延終了温度はAr3以上とすることができる。本発明の一実現例では、上記熱間圧延終了温度は800℃以上に定めることもできる。また、熱間圧延終了温度が高すぎる場合には、焼入れ前のオーステナイトの結晶粒サイズが粗大となって、得られるマルテンサイトのパケットサイズが十分に微細化し難くなるため、上記熱間圧延終了温度は900℃以下に定めることができる。
本発明では、熱間圧延直後に鋼材を直ちに焼入れする。ここで、「直ちに」とは、鋼材の表面温度がオーステナイト領域以下に低下しない状態で焼入れを開始することを意味する。本発明のように、熱間圧延直後に焼入れを行う場合には、熱間圧延によって結晶粒が微細化した状態でマルテンサイト変態が起こるため、得られるマルテンサイトを微細化することができるという利点がある。本発明において、熱間圧延直後の焼入れは、鋼材の中心温度が200℃以下になるまで(一実現例によると、常温〜200℃の任意の温度まで)3℃/秒以上の冷却速度で行われることができる。冷却速度は、速ければ速いほど有利であるため、冷却速度の上限を特に定める必要はないが、通常の焼入れ過程を考慮すると、冷却速度を50℃/秒以下の範囲に定めることができる。上記の過程によって熱間圧延された鋼材は、その組織がオーステナイトからマルテンサイトに変態する。
上記熱間圧延されて焼入れされた鋼材は、その後、再加熱過程を経る。マルテンサイトを含む鋼材をオーステナイト温度領域に加熱すると、既に形成されたマルテンサイトの内部パケットの境界がすべてオーステナイトの核生成サイトとして作用するため、多くの位置でオーステナイトの核生成が起こる。従って、その結果得られるオーステナイトの結晶粒は、その大きさが非常に微細になることができる。
上述の過程によってオーステナイト化した鋼材は、中心部が再び3℃/秒以上の冷却速度で200℃以下の温度(一実現例によると、常温〜200℃の任意の温度)に冷却される。かかる過程により、本発明の耐摩耗鋼には微細な粒度のマルテンサイトが面積分率で95%以上の割合で形成される。本発明の一実現例では、上記2次焼入れ直前のオーステナイトは25μm以下の結晶粒度を有することができる。2次焼入れ直前のオーステナイトの組織を微細にすることにより、得られる最終のマルテンサイトのパケットサイズも非常に微細に制御することができる。本発明において2次焼入れ直前のオーステナイトの大きさは、最終的に得られる鋼材の旧オーステナイト(prior austenite)の結晶粒度を測定することにより確認することができる。
(発明例1)
本発明の製造方法の効果を確認するために、重量比で、C:0.19%、Mn:2.6%、Si:0.2%、Cr:0.4%、Nb:0.04%、Ti:0.01%、B:0.002%の組成を有し、Ac3−Ac1が91℃である厚さ70mmのスラブを、Ar3温度以上である800℃で圧延を終了して厚さ11.8mmの鋼板を得た後、直ちに高圧の水で200℃まで焼入れした。この時の冷却速度は20℃/秒を示し、鋼板には面積比で96%のマルテンサイトが形成された。
熱間圧延した後に焼入れを行う過程までは上記発明例1と同様にし、追加の再加熱及び2次焼入れを省略して最終製品を得た。
熱間圧延した後に急冷せずに常温まで空冷したことを除いては、上記発明例1と同様にして最終製品を得た。
下記表1に記載された組成を有するスラブを、上記実施例1の発明例1と同じ条件で製造して耐摩耗鋼を得て、得られた耐摩耗鋼に対する分析結果を表2に示した。表2の比較例7は、発明例7と同じ組成のスラブを上記実施例1の比較例2と同じ方法で製造した場合の分析結果を示す。特に、切断割れは、ガス切断時に無余熱(予熱なし)の条件で、切断速度が速いほど、且つ鋼板の厚さが厚いほど発生する傾向があるが、これは、切断時に切断部の熱影響部に形成される残留応力が上記条件で増加するためである。また、かかる切断割れは、切断後一週間程度までの時間が経過した後に発生する水素遅れ割れの特徴を有する。従って、耐切断割れ性を評価するために、11.8mmの厚さに製造した鋼板を予熱しない状態でガス切断する際に、500mm/minの切断速度の条件で400mm以上切断した後、一週間以上経過した後でも切断割れが発生するかどうかを判断し、切断割れが発生した場合を「−」、発生していない場合を「O」と表示した。また、表2において衝撃靭性は、−40℃で測定したシャルピー衝撃エネルギーを意味する。
Claims (7)
- 重量比で、Mn:2.1%乃至4.0%、C:0.15%乃至0.2%、Si:0.02%乃至0.5%、Cr:0.2%乃至0.7%、Nb:0.1%以下、B:0.02%以下及びTi:0.1%以下を含み、残部がFe、及びその他の不可避不純物からなる組成を有し、
中心部において旧オーステナイト結晶粒度が25μm以下であり、マルテンサイト組織が面積分率で95%以上含まれるマルテンサイトが主組織である微細構造を有し、
Ac3−Ac1が100℃以下である条件を満たすことを特徴とする靭性及び耐切断割れ性に優れた高硬度耐摩耗鋼。 - ブリネル硬度が420乃至480であり、−40℃におけるシャルピー衝撃エネルギーが35J以上であることを特徴とする請求項1に記載の靭性及び耐切断割れ性に優れた高硬度耐摩耗鋼。
- 前記マルテンサイトは、内部に炭化物を含まないことを特徴とする請求項1または2に記載の靭性及び耐切断割れ性に優れた高硬度耐摩耗鋼。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載された高硬度耐摩耗鋼の製造方法であって、
重量比で、Mn:2.1%乃至4.0%、C:0.15%乃至0.2%、Si:0.02%乃至0.5%、Cr:0.2%乃至0.7%、Nb:0.1%以下、B:0.02%以下及びTi:0.1%以下を含み、残部がFe、及びその他の不可避不純物からなる組成を有し、Ac3−Ac1が100℃以下であるスラブを熱間圧延して鋼板を得る段階と、
前記鋼板を3℃/秒以上の冷却速度で200℃以下の温度まで焼入れする段階と、
急冷した前記鋼板をオーステナイト温度領域に再加熱する段階と、
再加熱された前記鋼板を3℃/秒以上の冷却速度で200℃以下の温度まで2次焼入れし、
中心部において旧オーステナイト結晶粒度が25μm以下であり、マルテンサイト組織が面積分率で95%以上含まれるマルテンサイトが主組織である微細構造を有する高硬度耐摩耗鋼を得る段階と、を含むことを特徴とする靭性及び耐切断割れ性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法。 - 前記熱間圧延の終了温度は、Ar3以上であることを特徴とする請求項4に記載の靭性及び耐切断割れ性に優れた耐摩耗鋼の製造方法。
- 前記再加熱する段階の加熱温度は、Ar3乃至960℃であることを特徴とする請求項4または5に記載の靭性及び耐切断割れ性に優れた耐摩耗鋼の製造方法。
- 前記2次焼入れされる鋼板のオーステナイト結晶粒度は、25μm以下であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の靭性及び耐切断割れ性に優れた耐摩耗鋼の製造方法。
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