JP7180147B2 - 耐食性耐摩耗鋼板 - Google Patents
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Description
本発明は、耐食性が要求される環境下で使用される耐摩耗性に優れた鋼板（耐食性耐摩耗鋼板）に関する。
土木、鉱山などにおける建設機械、産業機械などの用途には、過酷な摩耗環境下でも、長期間に亘って使用できる耐摩耗鋼板が求められている。建設機械、産業機械が使用される環境は水分を含んだ湿潤環境であることも多く、鋼材には耐摩耗性のみならず耐食性との両立が求められる。このような耐食性と耐摩耗性との両立のため、化学成分などが工夫された鋼材が提案されている（例えば、特許文献１～４、参照）。
特許文献１～４に記載の発明は、低温靱性および耐食性を有するとされる耐摩耗性鋼板に関するものである。特許文献１では、耐食性と焼入れ性に有効なＣｒおよびＭｏの鋼中固溶量を規定している。また、特許文献２では、焼入れ性の指標となる式を用いて化学組成を規定し、さらに焼入れままマルテンサイト相を主相とするなどの組織を規定している。特許文献３および４では、添加元素としてＳｂ元素またはＷ元素を必須として規定している。
本発明者らによる検討の結果、従来、提案されているような化学組成の範囲において、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｂなどを含有する耐摩耗鋼板は、実際に湿潤環境で使用した際に、十分な耐食性および耐摩耗性を確保することができないことがわかった。また、鋼板の硬度を高めて耐摩耗性を向上させると、靭性は一般に低下することが知られている。本発明は、このような実情に鑑み、靭性に優れかつ耐食性と耐摩耗性とを両立することができ、特には湿潤環境においても耐食性と耐摩耗性とを両立することができる耐食性耐摩耗鋼板を提供することを解決すべき課題とするものである。
本発明者らは、鋼板の化学組成を適切に制御することで靭性の向上を実現し、一方で、耐食性と耐摩耗性に対する様々な検討を鋭意行ってきた。その結果、Ｓｉ含有量を１．００％超とし、かつ、Ｃ含有量と表層部硬度Ｈとが、下記式（１）を満足することで鋼板の耐摩耗性および耐食性の両方が著しく向上することを見出した。下記式（１）において、表層部硬度Ｈは、鋼板の表面から板厚方向に１ｍｍ～３ｍｍの範囲で測定したビッカース硬さの平均値（ＨＶ）であり、［Ｃ］は鋼板のＣ含有量（質量％）である。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
より詳しく説明すると、鋼板の耐食性が向上する理由の１つは、Ｓｉ含有量を１．００％超とすることで酸化皮膜の形成が促され、それによって湿潤環境における耐食性が向上するためと推定される。一方で、鋼板中に含まれる炭素（Ｃ）が耐食性の確保に有効な他の元素、例えばクロム（Ｃｒ）等と炭化物を形成して析出すると、当該他の元素の固溶量が減少して鋼板の耐食性が低下することが一般に知られている。したがって、鋼板の耐食性を向上させるためには、Ｓｉ含有量を所定の範囲内に制御するだけでなく、このような炭化物の形成を抑制することも極めて重要である。加えて、当該炭化物の形成を抑制することで、マルテンサイトの硬さ向上に寄与する炭素の量を増やすことができるため、鋼板中のＣ含有量に見合った耐摩耗性を達成することが可能となる。
そこで、本発明者らは、上記のような炭化物の形成が抑制されているか否かに加えて、鋼板中に含まれる炭素がマルテンサイトの硬さ向上に十分に寄与しているか否かを判断するための指標として上記式（１）を使用した。そして、本発明者らは、鋼板の表層部硬度Ｈが上記式（１）を満足するように鋼板の化学組成および熱間圧延後の熱処理等を適切に制御することにより、当該式（１）を満足しない鋼板と比較して、耐食性と耐摩耗性の両方が顕著に改善された鋼板を提供することが可能となることを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
［１］質量％で、
Ｃ：０．１０％以上、０．３５％以下、
Ｓｉ：１．００％超、２．００％以下、
Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：０．０５％超、２．００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上、０．１００％以下、
Ｎ：０．００２０％以上、０．０１００％以下、
Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記式（１）を満足する、耐食性耐摩耗鋼板。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
式中、Ｈは前記耐食性耐摩耗鋼板の表層部硬度（ＨＶ）を表し、［Ｃ］は前記Ｃの含有量（質量％）を表す。
［２］さらに、質量％で、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｗ：１．００％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｓｎ：０．２０％以下、
Ｓｂ：０．２０％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
［３］さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０２５％以下、
Ｖ：０．２００％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］または［２］に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
［４］さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］～［３］の何れか１項に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
Ｃ：０．１０％以上、０．３５％以下、
Ｓｉ：１．００％超、２．００％以下、
Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：０．０５％超、２．００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上、０．１００％以下、
Ｎ：０．００２０％以上、０．０１００％以下、
Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記式（１）を満足する、耐食性耐摩耗鋼板。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
式中、Ｈは前記耐食性耐摩耗鋼板の表層部硬度（ＨＶ）を表し、［Ｃ］は前記Ｃの含有量（質量％）を表す。
［２］さらに、質量％で、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｗ：１．００％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｓｎ：０．２０％以下、
Ｓｂ：０．２０％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
［３］さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０２５％以下、
Ｖ：０．２００％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］または［２］に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
［４］さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有する、上記［１］～［３］の何れか１項に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
本発明により、靭性に優れかつ耐食性と耐摩耗性とを両立することができる耐食性耐摩耗鋼板であって、特には湿潤環境においても使用可能な耐食性耐摩耗鋼板の提供が可能となる。
［耐食性耐摩耗鋼板］
以下、本発明の実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板について詳細に説明する。まず、化学組成について説明する。なお、特に断りのない限り、％は質量％を意味する。
以下、本発明の実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板について詳細に説明する。まず、化学組成について説明する。なお、特に断りのない限り、％は質量％を意味する。
＜Ｃ：０．１０％以上、０．３５％以下＞
Ｃは、硬度の確保に有効な元素であり、Ｃ含有量を０．１０％以上とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．１２％以上、より好ましくは０．１５％以上とする。一方、Ｃ含有量が０．３５％を超えると、硬度の上昇によって靱性劣化するため、０．３５％以下とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．３０％以下、より好ましくは０．２８％以下とする。
Ｃは、硬度の確保に有効な元素であり、Ｃ含有量を０．１０％以上とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．１２％以上、より好ましくは０．１５％以上とする。一方、Ｃ含有量が０．３５％を超えると、硬度の上昇によって靱性劣化するため、０．３５％以下とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．３０％以下、より好ましくは０．２８％以下とする。
＜Ｓｉ：１．００％超、２．００％以下＞
Ｓｉは、硬度の向上に有効な元素であり、耐食性の確保にも極めて重要な元素であるため、Ｓｉ含有量を１．００％超とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは１．０５％以上、より好ましくは１．０８％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、靱性を阻害するため、２．００％以下とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは１．８０％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。
Ｓｉは、硬度の向上に有効な元素であり、耐食性の確保にも極めて重要な元素であるため、Ｓｉ含有量を１．００％超とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは１．０５％以上、より好ましくは１．０８％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、靱性を阻害するため、２．００％以下とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは１．８０％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。
＜Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下＞
Ｍｎは、焼入れ性を高め、硬度、靭性を向上させる元素であり、Ｍｎ含有量を０．１０％以上とすることが必要である。好ましくはＭｎ含有量を０．２０％以上、より好ましくは０．５０％以上とする。一方、Ｍｎを過剰に含有させると、靭性が低下し、また、セメンタイトの形成を促進し、結果的に耐食性低下を生じやすくなるため、Ｍｎ含有量を２．００％以下とする。好ましくはＭｎ含有量を１．８０％以下、より好ましくは１．６０％以下とする。
Ｍｎは、焼入れ性を高め、硬度、靭性を向上させる元素であり、Ｍｎ含有量を０．１０％以上とすることが必要である。好ましくはＭｎ含有量を０．２０％以上、より好ましくは０．５０％以上とする。一方、Ｍｎを過剰に含有させると、靭性が低下し、また、セメンタイトの形成を促進し、結果的に耐食性低下を生じやすくなるため、Ｍｎ含有量を２．００％以下とする。好ましくはＭｎ含有量を１．８０％以下、より好ましくは１．６０％以下とする。
＜Ｐ：０．０２００％以下（０％を含む）＞
Ｐは不純物であり、靱性や加工性を低下させるため、Ｐ含有量を０．０２００％以下とする。好ましくはＰ含有量を０．０１５０％以下、より好ましくは０．０１００％以下とする。Ｐ含有量の下限は０％が好ましいが、製造コストの観点から、Ｐ含有量は０．０００１％以上であってもよい。
Ｐは不純物であり、靱性や加工性を低下させるため、Ｐ含有量を０．０２００％以下とする。好ましくはＰ含有量を０．０１５０％以下、より好ましくは０．０１００％以下とする。Ｐ含有量の下限は０％が好ましいが、製造コストの観点から、Ｐ含有量は０．０００１％以上であってもよい。
＜Ｓ：０．０１００％以下（０％を含む）＞
Ｓも不純物であり、靱性を低下させることから、Ｓ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくはＳ含有量を０．００７０％以下、より好ましくは０．００５０％以下、より一層好ましくは０．００３０％以下とする。Ｓ含有量の下限は０％が好ましいが、製造コストの観点から、Ｓ含有量は０．０００１％以上であってもよい。
Ｓも不純物であり、靱性を低下させることから、Ｓ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくはＳ含有量を０．００７０％以下、より好ましくは０．００５０％以下、より一層好ましくは０．００３０％以下とする。Ｓ含有量の下限は０％が好ましいが、製造コストの観点から、Ｓ含有量は０．０００１％以上であってもよい。
＜Ｃｒ：０．０５％超、２．００％以下＞
Ｃｒは焼入れ性を高め、硬度を向上させる元素であり、耐食性にも有効な元素であり、０．０５％超を含有させることが必要である。好ましくはＣｒ含有量を０．２０％以上、より好ましくは０．５０％以上とする。一方、Ｃｒを過剰に含有させると、靱性が低下するため、Ｃｒ含有量を２．００％以下とする。好ましくはＣｒ含有量を１．７０％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。
Ｃｒは焼入れ性を高め、硬度を向上させる元素であり、耐食性にも有効な元素であり、０．０５％超を含有させることが必要である。好ましくはＣｒ含有量を０．２０％以上、より好ましくは０．５０％以上とする。一方、Ｃｒを過剰に含有させると、靱性が低下するため、Ｃｒ含有量を２．００％以下とする。好ましくはＣｒ含有量を１．７０％以下、より好ましくは１．５０％以下とする。
＜Ａｌ：０．０１０％以上、０．１００％以下＞
Ａｌは、脱酸剤として有効な元素である。また、ＡｌはＮとＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させるため、Ａｌ含有量を０．０１０％以上とする。好ましくはＡｌ含有量を０．０２０％以上、より好ましくは０．０３０％以上とする。一方、Ａｌを過剰に含有させると靭性の低下を生じるため、Ａｌ含有量を０．１００％以下とする。好ましくはＡｌ含有量を０．０８０％以下、より好ましくは０．０７０％以下とする。
Ａｌは、脱酸剤として有効な元素である。また、ＡｌはＮとＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させるため、Ａｌ含有量を０．０１０％以上とする。好ましくはＡｌ含有量を０．０２０％以上、より好ましくは０．０３０％以上とする。一方、Ａｌを過剰に含有させると靭性の低下を生じるため、Ａｌ含有量を０．１００％以下とする。好ましくはＡｌ含有量を０．０８０％以下、より好ましくは０．０７０％以下とする。
＜Ｎ：０．００２０％以上、０．０１００％以下＞
Ｎは、ＡｌやＴｉと窒化物を形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させる元素であるため、Ｎ含有量を０．００２０％以上とする。好ましくはＮ含有量を０．００３０％以上、より好ましくは０．００４０％以上とする。一方、Ｎを過剰に含有する場合は、粗大な窒化物が生成し、靭性を低下させるため、Ｎ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくはＮ含有量を０．００８０％以下、より好ましくは０．００６０％以下とする。
Ｎは、ＡｌやＴｉと窒化物を形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させる元素であるため、Ｎ含有量を０．００２０％以上とする。好ましくはＮ含有量を０．００３０％以上、より好ましくは０．００４０％以上とする。一方、Ｎを過剰に含有する場合は、粗大な窒化物が生成し、靭性を低下させるため、Ｎ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくはＮ含有量を０．００８０％以下、より好ましくは０．００６０％以下とする。
＜Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下＞
Ｂは、鋼の焼入れ性を顕著に高め、硬度、靭性の向上に有効な元素であり、Ｂ含有量を０．０００３％以上とする。好ましくはＢ含有量を０．０００５％以上、より好ましくは０．０００７％以上とする。より一層好ましくは０．００１０％以上とする。一方、Ｂを過剰に含有する場合は硼化物を形成し、焼入れ性が低下し、硬度を確保できなくなるため、Ｂ含有量を０．００３０％以下とする。好ましくはＢ含有量を０．００２８％以下、より好ましくは０．００２６％以下とする。
Ｂは、鋼の焼入れ性を顕著に高め、硬度、靭性の向上に有効な元素であり、Ｂ含有量を０．０００３％以上とする。好ましくはＢ含有量を０．０００５％以上、より好ましくは０．０００７％以上とする。より一層好ましくは０．００１０％以上とする。一方、Ｂを過剰に含有する場合は硼化物を形成し、焼入れ性が低下し、硬度を確保できなくなるため、Ｂ含有量を０．００３０％以下とする。好ましくはＢ含有量を０．００２８％以下、より好ましくは０．００２６％以下とする。
さらに、耐食性を向上させるために、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｂの１種または２種以上を含有させることができる。
＜Ｍｏ：１．００％以下＞
＜Ｗ：１．００％以下＞
Ｍｏ、Ｗは、耐食性を向上させ、硬度を向上させる元素である。Ｍｏ、Ｗの含有量は０％でもよいが、効果を得るために０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ、Ｗの含有量が１．００％を超えると靱性が低下するため、１．００％以下とする。好ましくはＭｏ、Ｗの含有量を０．８０％以下、より好ましくは０．６０％以下とする。
＜Ｗ：１．００％以下＞
Ｍｏ、Ｗは、耐食性を向上させ、硬度を向上させる元素である。Ｍｏ、Ｗの含有量は０％でもよいが、効果を得るために０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ、Ｗの含有量が１．００％を超えると靱性が低下するため、１．００％以下とする。好ましくはＭｏ、Ｗの含有量を０．８０％以下、より好ましくは０．６０％以下とする。
＜Ｎｉ：１．００％以下＞
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高めて、硬度の向上に寄与する元素であり、耐食性を向上させる元素でもある。Ｎｉの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０３％以上を含有させてもよい。より好ましくはＮｉ含有量を０．１０％以上、より一層好ましくは０．２０％以上とする。一方、Ｎｉは高価な合金元素であるため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は１．００％以下とする。より好ましくはＮｉ含有量を０．９５％以下、より一層好ましくは０．９０％以下とする。
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高めて、硬度の向上に寄与する元素であり、耐食性を向上させる元素でもある。Ｎｉの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０３％以上を含有させてもよい。より好ましくはＮｉ含有量を０．１０％以上、より一層好ましくは０．２０％以上とする。一方、Ｎｉは高価な合金元素であるため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は１．００％以下とする。より好ましくはＮｉ含有量を０．９５％以下、より一層好ましくは０．９０％以下とする。
＜Ｃｕ：１．００％以下＞
Ｃｕは、鋼の焼入れ性を高める元素であり、耐食性を向上させる元素でもある。Ｃｕの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０３％以上を含有させてもよい。より好ましくはＣｕ含有量を０．１０％以上、より一層好ましくは０．２０％以上とする。一方、Ｃｕは熱間加工性や溶接性を低下させるため、Ｃｕ含有量は１．００％以下とする。より好ましくはＣｕ含有量を０．９５％以下、より一層好ましくは０．９０％以下とする。
Ｃｕは、鋼の焼入れ性を高める元素であり、耐食性を向上させる元素でもある。Ｃｕの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０３％以上を含有させてもよい。より好ましくはＣｕ含有量を０．１０％以上、より一層好ましくは０．２０％以上とする。一方、Ｃｕは熱間加工性や溶接性を低下させるため、Ｃｕ含有量は１．００％以下とする。より好ましくはＣｕ含有量を０．９５％以下、より一層好ましくは０．９０％以下とする。
＜Ｓｎ：０．２０％以下＞
＜Ｓｂ：０．２０％以下＞
Ｓｎ、Ｓｂは、耐食性を高める元素である。Ｓｎ、Ｓｂの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０１％以上を含有させてもよい。一方、Ｓｎ、Ｓｂを過剰に含有させた場合には靱性を低下させるため、Ｓｎ、Ｓｂの含有量は各々０．２０％以下とする。耐食性および靭性のバランスを考慮すると、Ｓｎ、Ｓｂの含有量は、０．１５％以下が好ましい。
＜Ｓｂ：０．２０％以下＞
Ｓｎ、Ｓｂは、耐食性を高める元素である。Ｓｎ、Ｓｂの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０１％以上を含有させてもよい。一方、Ｓｎ、Ｓｂを過剰に含有させた場合には靱性を低下させるため、Ｓｎ、Ｓｂの含有量は各々０．２０％以下とする。耐食性および靭性のバランスを考慮すると、Ｓｎ、Ｓｂの含有量は、０．１５％以下が好ましい。
さらに、硬度や靱性などの機械的性質を向上させるために、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの１種または２種以上を含有させることができる。
＜Ｔｉ：０．０２５％以下＞
Ｔｉは、ＴｉＮを形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させる元素である。Ｔｉの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．００５％以上を含有させてもよい。より好ましくはＴｉ含有量を０．００７％以上、より一層好ましくは０．０１０％以上とする。一方、Ｔｉを過剰に含有させると靭性を低下させることがあるため、Ｔｉ含有量は０．０２５％以下とする。より好ましくは０．０２０％以下、より一層好ましくは０．０１５％以下とする。
Ｔｉは、ＴｉＮを形成し、結晶粒を微細化させて、靱性を向上させる元素である。Ｔｉの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．００５％以上を含有させてもよい。より好ましくはＴｉ含有量を０．００７％以上、より一層好ましくは０．０１０％以上とする。一方、Ｔｉを過剰に含有させると靭性を低下させることがあるため、Ｔｉ含有量は０．０２５％以下とする。より好ましくは０．０２０％以下、より一層好ましくは０．０１５％以下とする。
＜Ｖ：０．２００％以下＞
Ｖは、硬度の向上に寄与する元素である。Ｖの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０１０％以上を含有させてもよい。より好ましくはＶ含有量を０．０２０％以上、より一層好ましくは０．０４０％以上とする。一方、Ｖを過剰に含有させると、靭性を低下させることがあるため、Ｖ含有量は０．２００％以下とする。より好ましくはＶ含有量を０．１８０％以下、より一層好ましくは０．１６０％以下とする。
Ｖは、硬度の向上に寄与する元素である。Ｖの含有量は０％でもよいが、効果を得るために、０．０１０％以上を含有させてもよい。より好ましくはＶ含有量を０．０２０％以上、より一層好ましくは０．０４０％以上とする。一方、Ｖを過剰に含有させると、靭性を低下させることがあるため、Ｖ含有量は０．２００％以下とする。より好ましくはＶ含有量を０．１８０％以下、より一層好ましくは０．１６０％以下とする。
＜Ｎｂ：０．０５０％以下＞
Ｎｂは、窒化物の形成や再結晶の抑制によって結晶粒の細粒化に寄与する元素であるＮｂの含有量は０％でもよいが、靱性を向上させるために、０．００５％以上を含有させてもよい。より好ましくはＮｂ含有量を０．００７％以上、より一層好ましくは０．０１０％以上とする。一方、Ｎｂを過剰に含有させると靭性を低下させることがあるため、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下とする。より好ましくはＮｂ含有量を０．０３０％以下、より一層好ましくは０．０２０％以下とする。
Ｎｂは、窒化物の形成や再結晶の抑制によって結晶粒の細粒化に寄与する元素であるＮｂの含有量は０％でもよいが、靱性を向上させるために、０．００５％以上を含有させてもよい。より好ましくはＮｂ含有量を０．００７％以上、より一層好ましくは０．０１０％以上とする。一方、Ｎｂを過剰に含有させると靭性を低下させることがあるため、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下とする。より好ましくはＮｂ含有量を０．０３０％以下、より一層好ましくは０．０２０％以下とする。
さらに、介在物の形態等を制御するために、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（希土類金属：Ｒａｒｅ－Ｅａｒｔｈ Ｍｅｔａｌ）の１種または２種以上を含有させることができる。
＜Ｃａ：０．０５０％以下＞
＜Ｍｇ：０．０５０％以下＞
＜ＲＥＭ：０．１００％以下＞
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、いずれもＳと結合して硫化物を形成し、熱間圧延によって延伸しにくい介在物を形成する元素であり、主に靱性の改善に寄与する。Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの含有量は０％でもよいが、効果を得るためには、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上が好ましい。より好ましくはＣａ含有量、Ｍｇ含有量を０．０００７％以上、ＲＥＭ含有量を０．００２％以上とする。一方、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭを過剰に含有させると、粗大な酸化物を形成して靭性を低下させることがあるため、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量は０．０５０％以下、ＲＥＭ含有量は０．１００％以下とする。より好ましくはＣａ含有量、Ｍｇ含有量、ＲＥＭ含有量を０．０２０％以下、より一層好ましくは０．０１０％以下とする。
＜Ｍｇ：０．０５０％以下＞
＜ＲＥＭ：０．１００％以下＞
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、いずれもＳと結合して硫化物を形成し、熱間圧延によって延伸しにくい介在物を形成する元素であり、主に靱性の改善に寄与する。Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの含有量は０％でもよいが、効果を得るためには、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上、ＲＥＭ含有量は０．００１％以上が好ましい。より好ましくはＣａ含有量、Ｍｇ含有量を０．０００７％以上、ＲＥＭ含有量を０．００２％以上とする。一方、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭを過剰に含有させると、粗大な酸化物を形成して靭性を低下させることがあるため、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量は０．０５０％以下、ＲＥＭ含有量は０．１００％以下とする。より好ましくはＣａ含有量、Ｍｇ含有量、ＲＥＭ含有量を０．０２０％以下、より一層好ましくは０．０１０％以下とする。
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板の化学成分の残部は、Ｆｅおよび不純物である。ここで、不純物とは、鋼板を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。ただし、本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板においては、不純物のうち、ＰおよびＳについては、上述のように、上限を規定する必要がある。
＜表層部硬度Ｈ＞
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板では、表層部硬度Ｈ（ＨＶ）とＣ含有量（質量％）とが下記式（１）を満足することが必要である。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
上記式（１）の右辺は、炭化物を形成せずにマルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの効果を示すものであり、［Ｃ］はＣ含有量である。より詳しく説明すると、鋼板中に含まれるＣが耐食性の確保に有効な他の元素、例えばＣｒ等と炭化物を形成して析出すると、当該他の元素の固溶量が減少して鋼板の耐食性が低下する。したがって、鋼板の耐食性を向上させるとともに耐摩耗性を確保するためには、このような炭化物の形成が抑制されたマルテンサイトを主体とする組織を形成することが極めて重要となる。さらに言えば、当該炭化物の形成を抑制することで、マルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの量を増やすことができるため、鋼板中のＣ含有量に見合った耐摩耗性を達成することが可能となる。
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板では、表層部硬度Ｈ（ＨＶ）とＣ含有量（質量％）とが下記式（１）を満足することが必要である。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
上記式（１）の右辺は、炭化物を形成せずにマルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの効果を示すものであり、［Ｃ］はＣ含有量である。より詳しく説明すると、鋼板中に含まれるＣが耐食性の確保に有効な他の元素、例えばＣｒ等と炭化物を形成して析出すると、当該他の元素の固溶量が減少して鋼板の耐食性が低下する。したがって、鋼板の耐食性を向上させるとともに耐摩耗性を確保するためには、このような炭化物の形成が抑制されたマルテンサイトを主体とする組織を形成することが極めて重要となる。さらに言えば、当該炭化物の形成を抑制することで、マルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの量を増やすことができるため、鋼板中のＣ含有量に見合った耐摩耗性を達成することが可能となる。
本発明者らは、このような知見に基づいて、鋼板の化学組成、特にはＣ含有量を様々に変化させるとともに、炭化物の形成を抑制するために熱間圧延後の焼入れ等の熱処理を適切に制御した実験を多数行った結果、鋼板の表層部硬度ＨとＣ含有量とが上記式（１）を満足する場合に、当該式（１）を満足しない鋼板と比較して、耐食性と耐摩耗性の両方が顕著に改善された鋼板を提供することが可能となることを見出した。鋼板の表層部硬度ＨとＣ含有量とが上記式（１）を満足しない場合には、鋼板中に含まれるＣの一部が他の元素との炭化物の形成に消費され、得られる鋼板の耐食性が低下するとともに、マルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの量も少なくなることから、同様に鋼板の耐摩耗性が低下してしまう。
表層部硬度Ｈは、鋼板の板厚断面を測定面とした室温におけるビッカース硬さであり、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して測定する。より具体的には、表層部硬度Ｈは、鋼板の表面から板厚方向に１ｍｍ～３ｍｍの範囲内で荷重を５ｋｇｆとして無作為に１０点以上のビッカース硬さを測定し、それらの平均値を算出することによって決定される。表層部硬度Ｈは、４２５ＨＶ以上であれば極めて優れた耐摩耗性を得ることができ、６５０ＨＶ以下であれば極めて優れた靭性を得ることができる。
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板は、熱間圧延によって製造される鋼板である。板厚の上下限は特に規定しないが、１０ｍｍ以上であってもよく、１５０ｍｍ以下としてもよい。
［耐食性耐摩耗鋼板の製造方法］
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板の製造方法について説明する。本実施形態において、上記の化学成分を有する鋼片は転炉・電気炉等の通常の精錬プロセスで溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊－分塊法等の公知の方法で製造することができ、特に制限はない。
本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板の製造方法について説明する。本実施形態において、上記の化学成分を有する鋼片は転炉・電気炉等の通常の精錬プロセスで溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊－分塊法等の公知の方法で製造することができ、特に制限はない。
本製造方法では、鋼を溶製し、鋳造した後、そのまま熱間圧延を行ってもよいが、鋼片を、一旦、室温まで冷却し、Ａｃ３点以上の温度に再加熱して、熱間圧延を行ってもよい。Ａｃ３点は、昇温によって鋼の組織がオーステナイトになる（オーステナイト変態が完了する）温度である。熱間圧延の加熱温度は、変形抵抗を低下させるために、好ましくは９００℃以上、より好ましくは１０００℃以上とする。一方、熱間圧延の加熱温度が高過ぎると、組織が粗大になり、鋼板の靭性が低下する場合があるため、１２５０℃以下が好ましい。より好ましくは加熱温度を１２００℃以下、より一層好ましくは１１５０℃以下とする。
熱間圧延は、降温によってフェライト変態が開始する温度であるＡｒ３点以上で終了することが好ましい。Ａｃ３点およびＡｒ３点は、鋼片から試験片を採取し、加熱時および冷却時の熱膨張挙動から求めることができる。
本製造方法では、熱間圧延後の冷却形態は特に制限しない。例えば、熱間圧延の終了後、そのまま水冷するか、または途中まで空冷した後に水冷してもよい。また、熱間圧延の終了後、一旦、空冷し、再加熱して焼入れしてもよい。好ましくは、熱間圧延後、直ちに２５０℃以下の温度まで焼入れるか、または、熱間圧延後、２５０℃以下の温度まで空冷された鋼板を、Ａｃ３点以上の温度に再加熱し、２５０℃以下の温度まで焼入れる。ただし、鋼板は焼入れままとし、焼戻しなどの熱処理を施さないものとする。
より詳しく説明すると、焼戻しを施した場合には、鋼板中に含まれる耐食性の確保に有効な元素、例えばＣｒやＭｏ等が炭化物を形成し、これらの元素の固溶量が減少して鋼板の耐食性が低下する。また、このような炭化物の形成に起因してマルテンサイトの硬さ向上に寄与するＣの量が減少し、その結果として鋼板の耐摩耗性も低下してしまう。したがって、本実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板の製造方法では、熱間圧延後の熱処理において、焼入れ後には焼戻しを行わないものとする。このような製造方法により、耐食性と耐摩耗性の両方が顕著に改善された本発明の実施形態に係る耐食性耐摩耗鋼板を製造することができる。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、鋳造後に表２に示す加熱温度（Ａｃ３点以上）で鋼片を加熱し、その後、熱間圧延し、表２に示す冷却開始温度（Ａｒ３点以上）で冷却を開始し、板厚２０ｍｍの鋼板を製造した。特に指定していない限りは、熱間圧延の終了後、直ちに水冷による焼入れを行い、冷却の停止温度は２５０℃以下とした。なお、２５０℃以下の温度まで冷却（焼入れ）した後、焼戻しは行わなかった。表２の冷却開始温度の（空冷）、（炉冷）は、それぞれ、熱間圧延の終了後、水冷を行わずに、空冷、炉冷を行ったことを意味する。
本実施例で示される各特性は、以下の方法により決定した。
（表層部硬度Ｈ）
表層部硬度Ｈは、得られた鋼板から試験片を採取し、板厚断面を試験面として、室温における表層部のビッカース硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して測定することにより決定した。より具体的には、表層部硬度Ｈは、鋼板の表面から板厚方向に１ｍｍ～３ｍｍの範囲内で荷重を５ｋｇｆとして無作為に１０点のビッカース硬さを測定し、それらの平均値を算出することによって決定した。表層部硬度Ｈは、耐摩耗性の観点から４２５ＨＶ以上を良好と判断した。
表層部硬度Ｈは、得られた鋼板から試験片を採取し、板厚断面を試験面として、室温における表層部のビッカース硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して測定することにより決定した。より具体的には、表層部硬度Ｈは、鋼板の表面から板厚方向に１ｍｍ～３ｍｍの範囲内で荷重を５ｋｇｆとして無作為に１０点のビッカース硬さを測定し、それらの平均値を算出することによって決定した。表層部硬度Ｈは、耐摩耗性の観点から４２５ＨＶ以上を良好と判断した。
（靭性）
靭性は、鋼板の板厚方向で、表面から板厚の１／４位置からフルサイズのＶノッチシャルピー試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５に準拠して０℃のシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ0）を測定することにより評価した。具体的には、０℃のシャルピー吸収エネルギーが１５Ｊ以上である場合を靭性に優れるとして評価した。
靭性は、鋼板の板厚方向で、表面から板厚の１／４位置からフルサイズのＶノッチシャルピー試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５に準拠して０℃のシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ0）を測定することにより評価した。具体的には、０℃のシャルピー吸収エネルギーが１５Ｊ以上である場合を靭性に優れるとして評価した。
（耐食性）
耐食性評価のために長さ１００ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み５ｍｍの試験片を作製し、試験片の表面にＳａ２．５（ＩＳＯ ８５０１－１）以上になるようにブラスト処理を施した。これら試験片を用いて温度４０℃、相対湿度９８％に保持した試験槽内で耐食性評価を実施した。具体的には、人工海水を含有させた珪砂を試験片上に積載させた状態で試験槽内に１週間保持し、次に、試験片表面に付着した珪砂をスクレイパーで軽く除去した状態で試験槽内に１週間保持する工程を１サイクルとした。このサイクルを６サイクル実施後、さびをスクレイパーで除去し、クエン酸アンモニウムで除さびした。その後、試験前と試験後とでの重量変化を腐食量とした。それぞれの腐食量は炭素鋼（表２の例２０１）を１００として相対量で評価し、８０未満の場合を耐食性が良好であると判断した。
耐食性評価のために長さ１００ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み５ｍｍの試験片を作製し、試験片の表面にＳａ２．５（ＩＳＯ ８５０１－１）以上になるようにブラスト処理を施した。これら試験片を用いて温度４０℃、相対湿度９８％に保持した試験槽内で耐食性評価を実施した。具体的には、人工海水を含有させた珪砂を試験片上に積載させた状態で試験槽内に１週間保持し、次に、試験片表面に付着した珪砂をスクレイパーで軽く除去した状態で試験槽内に１週間保持する工程を１サイクルとした。このサイクルを６サイクル実施後、さびをスクレイパーで除去し、クエン酸アンモニウムで除さびした。その後、試験前と試験後とでの重量変化を腐食量とした。それぞれの腐食量は炭素鋼（表２の例２０１）を１００として相対量で評価し、８０未満の場合を耐食性が良好であると判断した。
結果を表２に示す。実施例１～１１の鋼板は、化学成分が本発明の範囲内であり、式（１）を満足している。これらの鋼板は、何れも表層部硬度Ｈ、０℃のシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ0）、および耐食性の評価が良好であり、それゆえ靭性に優れかつ耐食性と耐摩耗性の両方が改善されていることが明らかである。
これに対し、比較例１０１の鋼板ではＣ含有量が不足しているため、表層部硬度Ｈが低下した。一方、比較例１０２および１０４の鋼板では、それぞれＣ含有量およびＳｉ含有量が過剰であったために、表層部硬度Ｈは高い値が得られたものの靱性が低下した。また、比較例１０３および１０７の鋼板では、それぞれＳｉ含有量およびＣｒ含有量が不足しているために耐食性が低下した。さらに、Ｍｎ含有量が不足する比較例１０５、Ｍｎ含有量が過剰な比較例１０６、Ｃｒ含有量が過剰な比較例１０８の鋼板では靭性が低下した。
比較例１０９の鋼板ではＢ含有量が不足し、一方で比較例１１０の鋼板ではＢ含有量が過剰であるため、焼入れ性が低下して式（１）を満足せず、靭性および耐食性が低下した。比較例１１１の鋼板では、焼入れを行わずに空冷したため、式（１）を満足せず、表層部硬度および耐食性が低下した。比較例１１２～１１８の鋼板では、Ｓｉ含有量が不足しているため、耐食性が低下した。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０％以上、０．３５％以下、
Ｓｉ：１．００％超、２．００％以下、
Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：０．０５％超、２．００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上、０．１００％以下、
Ｎ：０．００２０％以上、０．０１００％以下、
Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記式（１）を満足する、耐食性耐摩耗鋼板。
Ｈ≧２３５＋７０６［Ｃ］（１－０．３［Ｃ］2）・・・ （１）
式中、Ｈは前記耐食性耐摩耗鋼板の表層部硬度（ＨＶ）を表し、［Ｃ］は前記Ｃの含有量（質量％）を表す。 - さらに、質量％で、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｗ：１．００％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｓｎ：０．２０％以下、
Ｓｂ：０．２０％以下
の１種または２種以上を含有する、請求項１に記載の耐食性耐摩耗鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０２５％以下、
Ｖ：０．２００％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下
の１種または２種以上を含有する、請求項２に記載の耐食性耐摩耗鋼板。 - 質量％で、
Ａｌ：０．０１０％以上、０．０８０％以下、
さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有する、請求項２または３に記載の耐食性耐摩耗鋼板。
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