JP6874916B1 - 耐摩耗薄鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)質量%で、
C :0.10〜0.30%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.30〜2.00%、
P :0.03%以下、
S :0.03%以下、
Cr:0.01〜2.00%、
Al:0.001〜0.100%、
Ti:0.001〜0.050%、
B :0.0001〜0.0100%、及び
N :0.01%以下
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、
全板厚においてマルテンサイトの体積率が90%以上である組織を有し、
表面から0.5mmの深さにおける硬度が、ブリネル硬さで360〜490HBW5/750であることを特徴とする耐摩耗薄鋼板。
Cu:2.00%以下、
Ni:5.00%以下、
Mo:3.00%以下、
V :1.000%以下、
W :1.50%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下、及び
REM:0.0500%以下
からなる群より選択される一種以上をさらに含む、上記(1)に記載の耐摩耗薄鋼板。
前記スラブを1000〜1300℃に加熱する工程と、
その後、前記スラブに、仕上げ圧延温度が900℃以上の条件下で行う仕上げ圧延を含む熱間圧延を施して、薄鋼板を得る工程と、
前記薄鋼板を、900〜300℃の間での平均冷却速度が30℃/s以上の条件で冷却する工程と、
その後、前記薄鋼板を、巻取り温度が200℃以下の条件で巻き取る工程と、
を有することを特徴とする耐摩耗薄鋼板の製造方法。
以下、本発明の耐摩耗薄鋼板(熱延鋼板)について説明する。
まず、本発明の耐摩耗薄鋼板の成分組成とその限定理由について説明する。なお、成分組成における各元素の含有量の単位はいずれも「質量%」であるが、以下、特に断らない限り単に「%」で示す。
Cは、マルテンサイト基地の硬度を高めるために必須の元素である。C量が過少の場合、マルテンサイト相中の固溶C量が少なくなるため、表層部の硬さが低下し、耐摩耗性が劣化する。この観点から、C量は0.10%以上とし、好ましくは0.14%以上とする。一方、C量が過多の場合、溶接性及び靭性が顕著に劣化する。この観点から、C量は0.30%以下とし、好ましくは0.25%以下とする。
Siは、脱酸に有効な元素であり、また、固溶強化による鋼の高硬度化に寄与する元素である。これらの効果を得る観点から、Si量は0.01%以上とし、好ましくは0.10%以上とする。一方、Si量が過多の場合、薄鋼板の表面にスケールとして付着して表面粗度を悪化させる。この観点から、Si量は1.0%以下とし、好ましくは0.40%以下とする。
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させるために有効な元素である。Mnを添加することにより、焼入れ後の鋼の硬度が上昇し、その結果、耐摩耗性が向上する。この効果を得る観点から、Mn量は0.30%以上とし、好ましくは0.50%以上とし、より好ましくは0.60%以上とする。一方、Mn量が過多の場合、溶接性及び靭性が顕著に劣化する。この観点から、Mn量は2.00%以下とし、好ましくは1.50%以下とする。
Pは、鋼の強度を増加させる作用を有する元素であるが、靱性、特に溶接部の靱性を低下させる元素である。よって、P量は0.03%以下とし、好ましくは0.02%以下とし、より好ましくは0.01%以下とする。一方、P量は少ないほど好ましいため、下限は特に限定されず、0%であってよい。ただし、通常、Pは不純物として鋼中に不可避的に含有されるため、P量は工業的には0%超であってよい。なお、製鋼コストの観点から、P量は0.001%以上とすることが好ましい。
Sは、鋼中ではMnS等の硫化物系介在物として存在し、靱性を劣化させる。よって、S量は0.03%以下とし、好ましくは0.02%以下とし、より好ましくは0.015%以下とする。一方、S量は少ないほど好ましいため、下限は特に限定されず、0%であってよい。ただし、通常、Sは不純物として鋼中に不可避的に含有されるため、S量は工業的には0%超であってよい。なお、製鋼コストの観点から、S量は0.0001%以上とすることが好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させるために有効な元素である。Crを添加することにより、焼入れ後の鋼の硬度が上昇し、その結果、耐摩耗性が向上する。この効果を得る観点から、Cr量は0.01%以上とし、好ましくは0.05%以上とし、より好ましくは0.10%以上とする。一方、Cr量が過多の場合、溶接性が劣化する。この観点から、Cr量は2.00%以下とし、好ましくは1.80%以下とし、より好ましくは1.00%以下とする。
Alは、脱酸剤として有効であるとともに、窒化物を形成してオーステナイト粒径を小さくする効果を有する元素である。この効果を得る観点から、Al量は0.001%以上とし、好ましくは0.010%以上とする。一方、Al量が過多の場合、靭性が劣化する。よって、Al量は0.100%以下とし、好ましくは0.050%以下とする。
Tiは、Nとの親和力が強い元素であり、凝固時にTiNとして析出し、鋼中の固溶Nを減少させ、冷間加工後のNの歪時効による靭性劣化を低減する作用を有する。また、Tiは、溶接部の靱性向上にも寄与する。これらの効果を得る観点から、Ti量は0.001%以上とし、好ましくは0.005%以上とし、より好ましくは0.007%以上とする。一方、Ti量が過多の場合、TiN粒子が粗大化し、上記の効果を十分に得られなくなる。よって、この観点から、Ti量は0.050%以下とし、好ましくは0.045%以下とする。
Bは、極微量の添加で焼入れ性を向上させ、それにより鋼板の強度を向上させる効果を有する元素である。この効果を得る観点から、B量は0.0001%以上とし、好ましくは0.0003%以上とし、より好ましくは0.0010%以上とする。一方、B量が過多の場合、靱性、特に溶接部の靱性が低下する。よって、B量は0.0100%以下とし、好ましくは0.0040%以下とする。
Nは、延性及び靭性を低下させる元素であるため、N量は0.01%以下とする。一方、N量は少ないほど好ましいため、下限は特に限定されず、0%であってよい。ただし、通常、Nは不純物として鋼中に不可避的に含有されるため、N量は工業的には0%超であってよい。なお、製鋼コストの観点から、N量は0.0005%以上とすることが好ましい。
Cuは、靭性を大きく劣化させることなく焼入れ性を向上させることができる元素である。この効果を得るために、Cu量を0.01%以上とすることが好ましく、0.05%以上とすることがより好ましい。一方、Cu量が過多の場合、スケール直下に生成するCu濃化層に起因する鋼板割れが問題となる。そのため、Cuを添加する場合、Cu量は2.00%以下とし、好ましくは1.50%以下とする。
Niは、焼入れ性を高めるとともに、靭性を向上させる効果を有する元素である。これらの効果を得るために、Ni量は0.01%以上とすることが好ましく、0.05%以上とすることがより好ましい。一方、Ni量が過多の場合、製造コストの増加が問題となる。そのため、Niを添加する場合、Ni量は5.00%以下とし、好ましくは4.50%以下とする。
Moは、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。この効果を得るために、Mo量は0.01%以上とすることが好ましく、0.05%以上とすることがより好ましい。一方、Mo量が過多の場合、溶接性が低下する。そのため、Moを添加する場合、Mo量は3.00%以下とし、好ましくは2.00%以下とする。
Vは、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。この効果を得るために、V量は0.001%以上とすることが好ましい。一方、V量が過多の場合、溶接性が低下する。そのため、Vを添加する場合、V量は1.000%以下とする。
Wは、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。この効果を得るために、W量は0.01%以上とすることが好ましい。一方、W量が過多の場合、溶接性が低下する。そのため、Wを添加する場合、W量は1.50%以下とする。
Caは、高温における安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。この効果を得るために、Ca量は0.0001%以上とすることが好ましい。一方、Ca量が過多の場合、清浄度が低下して鋼の靭性が損なわれる。そのため、Caを添加する場合、Ca量は0.0200%以下とする。
Mgは、高温における安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。この効果を得るために、Mg量は0.0001%以上とすることが好ましい。一方、Mg量が過多の場合、Mgの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、Mgを添加する場合、Mg量は0.0200%以下とする。
REM(希土類金属)は、高温における安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。この効果を得るために、REM量は0.0005%以上とすることが好ましい。一方、REM量が過多の場合、REMの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、REMを添加する場合、REM量を0.0500%以下とする。
本発明の耐摩耗薄鋼板は、表面から裏面までを含む全板厚においてマルテンサイトの体積率が90%以上である組織を有する。
マルテンサイトの体積率が90%未満であると、薄鋼板の基地組織の硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。そのため、マルテンサイトの体積率は90%以上とし、好ましくは95%以上とする。マルテンサイト以外の残部組織は特に限定されないが、フェライト、パーライト、オーステナイト、及びベイナイトからなる群から選択される1種以上であってよい。一方、マルテンサイトの体積率は高いほどよいため、該体積率の上限は特に限定されず、100%であってよい。なお、前記マルテンサイトの体積率は、耐摩耗薄鋼板の表面から裏面までを含む全板厚における値とする。前記マルテンサイトの体積率は、実施例に記載した方法で測定することができる。
ブリネル硬さ:360〜490HBW5/750
薄鋼板の耐摩耗性は、該薄鋼板の表層部における硬度を高めることにより向上させることができる。ここで本発明では、耐摩耗特性を評価する指標としてブリネル硬さを用いる。薄鋼板の表層部のブリネル硬さが360HBW未満の場合、十分な耐摩耗性を得ることができない。一方、薄鋼板の表層部のブリネル硬さが490HBW超えの場合、曲げ加工性が劣化する。よって、本発明では、薄鋼板の表層部における硬度を、ブリネル硬さで360〜490HBWとする。なお、ここで、「表層部における硬度」とは、耐摩耗薄鋼板の表面から0.5mmの深さにおける硬度とする。これは、薄鋼板の表層の脱炭層を概ね除去して、測定値のばらつきを低減するためである。また、本発明において「ブリネル硬さ」は、直径5mmのタングステン鋼球を使用し、荷重750kgfで測定した値(単位:HBW5/750)とする。このブリネル硬さは、実施例に記載した方法で測定することができる。
本発明の耐摩耗薄鋼板の板厚は、6.0mm未満であり、好ましくは4.5mm以下であり、より好ましくは4.0mm以下である。また、板厚の下限は特に限定されないが、熱間圧延プロセス上の制限から、概ね2.0mm以上となる。
表面粗度Ra:40μm以下
従来の厚板プロセスにより製造される耐摩耗厚鋼板の場合、熱間圧延後の冷却(焼入れ)の過程で常に大気と接しており、200℃以上の高温で大気に晒される時間が概ね20時間程度と長いため、鋼板表面に多くのスケールが成長し、冷却直後の表面粗度Raは50〜150μm程度になってしまっていた。これに対して、本発明の耐摩耗薄鋼板は、熱間圧延プロセスにおいて巻き取られて熱延コイルとなり、この状態では薄鋼板表面が大気に晒されないため、200℃以上の高温で大気に晒される時間は、仕上げ圧延後巻き取られるまでの概ね30秒程度であり、鋼板表面のスケール量は少ない。その結果、本発明の耐摩耗薄鋼板は、表面粗度Raを40μm以下とすることができる。表面粗度が低いほど、薄鋼板の表面が美麗であり、塗装性も良い。よって、本発明は、耐摩耗薄鋼板を塗装して用いる場合にも好適である。また、表面粗度が小さいことにより、主に風力発電用の軸心のカバーのような回転体と接触する部位に本発明の耐摩耗薄鋼板を使用する場合、回転の抵抗となることがない。なお、本発明の耐摩耗薄鋼板において、表面粗度Raの下限は特に限定されないが、熱間圧延プロセス上の制限から、概ね10μm以上となる。
従来の厚板プロセスでは、焼入れ後、あるいはその後の焼戻し後の厚鋼板の形状矯正は、レベラを用いて行う。レベラによる形状矯正は、バウシンガー効果によるものであり、原理上、歪みを分散させ、均一化するに過ぎず、矯正できる領域が狭く、矯正の効果は限定的である。厚鋼板の場合、冷却歪みは小さいため、レベラによる形状矯正でも高い平坦度が得られる。しかし、冷却歪みの影響を大きく受ける薄鋼板の場合、レベラによる形状矯正では高い平坦度を得ることができない。つまり、板厚が6.0mm未満の薄鋼板を厚板プロセスで製造しようとする場合、平坦度の高い薄鋼板を得ることはできない。これに対して、本発明の耐摩耗薄鋼板は、熱間圧延プロセスにより製造される。熱間圧延プロセスでは、熱延コイルをスキンパスラインで巻き戻し、前方−後方張力を付与して薄鋼板を伸長させ、その上でレベラをかけるため、矯正できる範囲が広く、矯正の効果が高い。よって、本発明の耐摩耗薄鋼板は、高い平坦度を得ることができ、具体的には、鋼板表面に圧延方向に沿って2mの長尺を当てた際の、鋼板表面と長尺との隙間の最大値を10mm以下とすることができ、より好ましくは5mm以下とすることができる。当該隙間の最大値は小さいほど好ましく、0mm以上となり得る。
本発明の耐摩耗薄鋼板の製造方法は、上記の成分組成を有する溶鋼を連続鋳造してスラブを得る工程と、前記スラブを所定の温度に加熱する工程と、その後、前記スラブに所定条件下で熱間圧延を施して薄鋼板を得る工程と、その後、前記薄鋼板を所定条件下で冷却する工程と、その後、前記薄鋼板を所定条件下で巻き取る工程と、を有する。このようにして得られた熱延コイルを巻き戻し、形状矯正を目的とした任意の調質圧延を行うことにより、本発明の耐摩耗薄鋼板を得ることができる。以下、各工程について詳細に説明する。
上述した成分組成を有する鋼を転炉、電気炉等の溶製設備で常法により溶製し、連続鋳造してスラブを得る。連続鋳造の条件は特に限定されず、常法により行えばよい。
加熱温度:1000〜1300℃
加熱温度が低すぎる場合、炭化物が完全に溶解せず、固溶Cが不足するため、強度が低下しやすい。また、焼入れ性が不十分となり、薄鋼板の表層部の硬度が低下するため、耐摩耗性が劣化する。この観点から、加熱温度は1000℃以上とし、好ましくは1100℃以上とし、より好ましくは1200℃以上とする。一方、加熱温度が高すぎると、組織が粗大化して、靱性が低下する。このため、加熱温度は1300℃以下とする。なお、スラブの加熱温度は、スラブ表面の温度とする。
その後、スラブに熱間圧延を施して薄鋼板を得る。この工程は、厚板プロセスで使う熱間圧延機(厚板ミル)ではなく、薄鋼板を製造するための熱間圧延プロセスで用いる粗圧延機及び仕上げ圧延機を含む熱間圧延機を用いて行う。そして、この工程により得られる薄鋼板の板厚は、本発明の耐摩耗薄鋼板の板厚として既述したとおりとする。
仕上げ圧延温度が低すぎる場合、焼入れ性が不十分となり、薄鋼板の表層部の硬度が低下するため、耐摩耗性が劣化する。この観点から、仕上げ圧延温度は900℃以上とする。仕上げ圧延温度の上限は特に限定されないが、仕上げ圧延温度が高すぎる場合、圧延効率が悪化する。この観点から、仕上げ圧延温度は1000℃以下とすることが好ましい。なお、本発明において「仕上げ圧延温度」は、薄鋼板の表面の温度とするが、薄鋼板の場合、板厚中央部の温度も表面温度とほぼ同等である。
900〜300℃の間での平均冷却速度:30℃/s以上
続いて、薄鋼板を冷却することによって、マルテンサイト主体の組織を得る。この際、仕上げ圧延温度から急速冷却することによって、仕上げ圧延時のオーステナイト粒が、その粒径を維持したままマルテンサイト粒となる。ここで、900〜300℃の間での平均冷却速度が30℃/s未満の場合、マルテンサイトの体積率が90%未満となり、表層部の硬さを確保することができず、耐摩耗性が劣化する。よって、900〜300℃の間での平均冷却速度は30℃/s以上とし、好ましくは50℃/s以上とする。一方、当該平均冷却速度の上限は特に限定されないが、冷却設備上の制約から、当該平均冷却速度は概ね150℃/s以下となる。なお、本発明において「平均冷却速度」は、薄鋼板の表面温度の低下に基づいて求めるものとする。薄鋼板の冷却手段は特に限定されないが、上記平均冷却速度を得る観点から、水冷とすることが好ましい。
巻取り温度:200℃以下
続いて、薄鋼板を巻き取り、熱延コイルを得る。巻取り温度が200℃超えの場合、マルテンサイトの体積率が90%未満となり、表層部の硬さを確保することができず、耐摩耗性が劣化する。よって、巻取り温度は200℃以下とし、好ましくは150℃以下とする。巻取り温度の下限は特に限定されないが、鋼板を巻取し搬送するため、巻取り温度は50℃以上とすることが好ましい。なお、本発明において「巻取り温度」は、薄鋼板の表面の温度とする。
巻取り工程により得た熱延コイルを巻き戻し、薄鋼板に対して形状矯正を目的とした調質圧延を行うことが好ましい。調質圧延は、0.1〜1.0%程度鋼板を伸長させることで形状矯正を行う。なお、調質圧延においては、テンションレベラを用いることが好ましい。
各水準の鋼板の幅方向中央部から、圧延方向に平行な板厚方向断面を露出させたサンプルを採取し、当該断面を鏡面研磨し、さらにナイタール腐食した。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、板厚方向断面のうち、鋼板表面を含む視野(片面と他面の2視野)と板厚中央を含む視野の計3視野を倍率400倍で観察し、撮影した。得られた像を、画像解析装置を用いて解析することによってマルテンサイトの面積分率を求めた。本明細書において、3視野全てにおいてマルテンサイトの面積分率が90%以上である場合、全板厚においてマルテンサイトの体積率が90%以上であるとみなすものとする。そこで、3視野におけるマルテンサイトの面積分率うちの最小値を「マルテンサイトの体積率」として、表2に記載した。
各水準の薄鋼板又は厚鋼板からサンプルを採取し、各サンプルの表層0.5mm(表面から0.5mmの厚み)を研削し、その後表面を鏡面研磨した後、JIS Z2243(2008)に準拠して、鏡面研磨した後の表面において、ブリネル硬さを5点で測定し、5点の平均を表2の「ブリネル硬さ」の欄に示した。測定には直径5mmのタングステン鋼球を使用し、荷重は750kgfとした。
各水準の薄鋼板又は厚鋼板について、非接触測定法でJIS B 0601−2001に規定された算術平均高さRaを求め、結果を表2に示した。
各水準の薄鋼板又は厚鋼板の表面に圧延方向に沿って2mの長尺を当てた際の、鋼板表面と長尺との隙間をスキミゲージで測定し、最大値を求めた。当該測定は、鋼板の幅方向中央部と両端の計3箇所において行い、3つの最大値の平均値を表2に示した。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.10〜0.30%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.30〜2.00%、
P :0.03%以下、
S :0.03%以下、
Cr:0.01〜2.00%、
Al:0.001〜0.100%、
Ti:0.001〜0.050%、
B :0.0001〜0.0100%、及び
N :0.01%以下
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、
全板厚においてマルテンサイトの体積率が90%以上である組織を有し、
表面から0.5mmの深さにおける硬度が、ブリネル硬さで360〜490HBW5/750であることを特徴とする耐摩耗薄鋼板。 - 前記成分組成が、質量%で、
Cu:2.00%以下、
Ni:5.00%以下、
Mo:3.00%以下、
V :1.000%以下、
W :1.50%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下、及び
REM:0.0500%以下
からなる群より選択される一種以上をさらに含む、請求項1に記載の耐摩耗薄鋼板。 - 表面粗度Raが40μm以下である、請求項1又は2に記載の耐摩耗薄鋼板。
- 鋼板表面に圧延方向に沿って2mの長尺を当てた際の、前記鋼板表面と前記長尺との隙間の最大値が10mm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の耐摩耗薄鋼板。
- 請求項1又は2に記載の成分組成を有する溶鋼を連続鋳造してスラブを得る工程と、
前記スラブを1000〜1300℃に加熱する工程と、
その後、前記スラブに、仕上げ圧延温度が900℃以上の条件下で行う仕上げ圧延を含む熱間圧延を施して、薄鋼板を得る工程と、
前記薄鋼板を、900〜300℃の間での平均冷却速度が30℃/s以上の条件で冷却する工程と、
その後、前記薄鋼板を、巻取り温度が200℃以下の条件で巻き取る工程と、
を有し、
全板厚においてマルテンサイトの体積率が90%以上である組織を有し、表面から0.5mmの深さにおける硬度が、ブリネル硬さで360〜490HBW5/750である耐摩耗薄鋼板を製造することを特徴とする耐摩耗薄鋼板の製造方法。 - 前記巻取り工程により得た、前記薄鋼板に対して調質圧延を施す工程をさらに有する、請求項5に記載の耐摩耗薄鋼板の製造方法。
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