JP7192554B2 - 耐摩耗厚鋼板 - Google Patents
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Description
本発明は、耐摩耗厚鋼板に関する。
鋼板の耐摩耗性を向上させるためには、鋼板の硬さを高くすることが有効である。従来の耐摩耗性を付与した厚鋼板は、炭素を含有する鋼を焼入れし、金属組織をマルテンサイトにすることで硬さを確保している。しかし、一般にマルテンサイトは、大変に硬いため、マルテンサイトを主体組織とする鋼は曲げ加工性や靭性が劣る。
耐摩耗鋼板の曲げ加工性を向上させる方法として、特許文献１では、表面から板厚方向に１ｍｍの位置での金属組織を、ベイナイトと島状マルテンサイト、あるいはさらにマルテンサイトからなる混合組織とする耐摩耗鋼板が提案されている。特許文献１では、熱間圧延を施した後、鋼板表面における平均冷却速度を制御して、表面から板厚方向に１ｍｍの位置での硬さを調整している。
また、特許文献２では、質量％で、０．６０％以上のＣ（炭素）を含有し、表面硬さをブリネル硬さで３６０ＨＢＷ／３０００以下とし、金属組織をパーライトの単相組織とする耐摩耗鋼板が提案されている。特許文献２では、熱間圧延、８００℃から５００℃までの温度域を、０．５℃／ｓ以下の平均冷却速度で冷却し、パーライトの単相組織としている。
一方、耐摩耗性と延性、靭性が良好な材料としては、ハッドフィールド鋼が知られている。ハッドフィールド鋼は、質量％で、０．９～１．４％の炭素と１０～１５％のマンガンを含有する、金属組織がオーステナイト単相の鋼である。ハッドフィールド鋼は、変形中に加工誘起マルテンサイト変態が生じて、激しい衝撃を受けた表面の硬さのみが高くなり、耐摩耗性が向上する。ハッドフィールド鋼は、衝撃を受けていない中心部などでは、オーステナイトを維持するため延性や靭性に優れるものの、一般的な耐摩耗鋼や構造用鋼として適用するには限界がある。また、ハッドフィールド鋼は、加工硬化が大きいため、機械加工性が極めて悪く、鋳物として製造され生産性が低い。
これに対し、特許文献３では、質量％で、Ｍｎ：５～１５％を含み、Ｃ量およびＭｎ量が、１６≦３３．５Ｃ＋Ｍｎ≦３０を満足し、主体組織をマルテンサイトとし、オーステナイトを含む耐摩耗鋼が提案されている。特許文献４は、偏析を利用して、合金元素が濃縮した偏析帯にオーステナイトを形成させている。
特許文献１、２では、表層の硬さの低下、すなわち耐摩耗性を劣化させて曲げ加工性を向上させているため、耐摩耗性と曲げ加工性を両立しているとは言い難い。また、特許文献３では、マルテンサイトの粒界脆化を引き起こすＭｎを含有しており、靭性や曲げ性の劣化が懸念される。
本発明は、このような実情に鑑み、熱間圧延を行って製造する曲げ加工性に優れた高靱性の耐摩耗厚鋼板を提供することを目的とする。
Ｍｎを含有する鋼の耐摩耗性と曲げ加工性との両方を確保するには、α’マルテンサイトを主組織とし、第二相として、オーステナイトやεマルテンサイトを確保し、加工誘起変態を利用することが必要である。ここで、α’マルテンサイトが主組織であるとは、α’マルテンサイトの面積率が最大であることを意味する。低コストでこれを実現するには、Ｍｎの含有量を適正に制御する必要がある。一方、Ｍｎの過剰な含有は、マルテンサイトの粒界脆化を引き起こすため、靭性や曲げ性を大幅に劣化させる。
本発明者らは、上記の観点で耐摩耗性と靭性を担保しつつ、曲げ性を向上させるために鋭意研究を重ねた結果、Ｍｎを７．０～１３．０％含有し、かつ、Ｂ、Ｍｏ、Ｗの少なくとも１種を適正量含有させることにより、粒界脆化を抑制できるという知見を得た。そして、第二相のオーステナイトやεマルテンサイトの加工誘起変態を積極的に発現させることにより、従来よりも優れた曲げ加工性を有する耐摩耗厚鋼板が得られることを見出した。ここで、α’マルテンサイトは体心立方構造（ｂｃｃ構造）、εマルテンサイトは稠密六方構造（ｈｃｐ構造）である。
本発明は、以上に示した知見に基づき、更に検討を加えてなされたものであって、以下の耐摩耗厚鋼板を提供するものである。
（１）
鋼組成が質量％で、
Ｃ：０．０５０～０．２００％、
Ｍｎ：７．０～１３．０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｎ：０．００８０％以下を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０５～３．００％、
Ｗ：０．０５～３．００％、
Ｂ：０．０００３～０．００４０％
の１種または２種以上を含有し、
さらに、
Ｃｕ：０～２．０％、
Ｎｉ：０～１．０％、
Ｃｒ：０～１．０％、
Ｎｂ：０～０．１００％、
Ｖ：０～０．１００％、
Ｔｉ：０～０．１００％、
Ｃａ：０～０．００５０％、
Ｍｇ：０～０．００５０％、
ＲＥＭ：０～０．１０００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
面積％で、α’マルテンサイトを５０％～９７％含み、εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含むとともに、これらの和の面積率が３％～５０％であり、残部がパーライト及びフェライトからなり、かつ、前記α’マルテンサイトの面積率が最大である金属組織を有する耐摩耗厚鋼板。
（２）
さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．０５～２．０％、
Ｃｒ：０．０５～１．０％
の１種または２種を含有する上記（１）に記載の耐摩耗厚鋼板。
（３）
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５～１．０％、
Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
Ｖ：０．００５～０．１００％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％
の１種または２種以上を含有する上記（１）または（２）に記載の耐摩耗厚鋼板。
（４）
さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５～０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００５～０．１０００％
の1種または２種以上を含有する上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の耐摩耗厚鋼板。
鋼組成が質量％で、
Ｃ：０．０５０～０．２００％、
Ｍｎ：７．０～１３．０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｎ：０．００８０％以下を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０５～３．００％、
Ｗ：０．０５～３．００％、
Ｂ：０．０００３～０．００４０％
の１種または２種以上を含有し、
さらに、
Ｃｕ：０～２．０％、
Ｎｉ：０～１．０％、
Ｃｒ：０～１．０％、
Ｎｂ：０～０．１００％、
Ｖ：０～０．１００％、
Ｔｉ：０～０．１００％、
Ｃａ：０～０．００５０％、
Ｍｇ：０～０．００５０％、
ＲＥＭ：０～０．１０００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
面積％で、α’マルテンサイトを５０％～９７％含み、εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含むとともに、これらの和の面積率が３％～５０％であり、残部がパーライト及びフェライトからなり、かつ、前記α’マルテンサイトの面積率が最大である金属組織を有する耐摩耗厚鋼板。
（２）
さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．０５～２．０％、
Ｃｒ：０．０５～１．０％
の１種または２種を含有する上記（１）に記載の耐摩耗厚鋼板。
（３）
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５～１．０％、
Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
Ｖ：０．００５～０．１００％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％
の１種または２種以上を含有する上記（１）または（２）に記載の耐摩耗厚鋼板。
（４）
さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５～０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００５～０．１０００％
の1種または２種以上を含有する上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の耐摩耗厚鋼板。
本発明によれば、表面ブリネル硬さが３６０以上であり、曲げ加工性に優れた高靱性耐摩耗厚鋼板を提供することができる。
以下、本発明の耐摩耗厚鋼板の実施の形態について、詳細に説明する。
なお、本実施形態において「厚鋼板」とは、板厚が３ｍｍ以上であって、熱間圧延によって製造された圧延鋼板のことである。まず、本実施形態の耐摩耗厚鋼板に含まれる各成分の限定理由について説明する。なお、本明細書において、元素の含有量に関する「％」は、特に断りがない限り、「質量％」を意味するものである。
［Ｃ：０．０５０～０．２００％］
Ｃは、α’マルテンサイトの硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させるために含有する。十分な耐摩耗性を得るには、Ｃは、０．０５０％以上の含有が必要である。Ｃ量は、好ましくは０．０６０％以上であり、より好ましくは０．０７０％以上である。一方、Ｃ量が０．２００％を超えると過剰に硬くなるため、靭性や曲げ加工性が劣化する。よって、Ｃ量を０．２００％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．１９０％以下であり、より好ましくは０．１８０％以下である。
Ｃは、α’マルテンサイトの硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させるために含有する。十分な耐摩耗性を得るには、Ｃは、０．０５０％以上の含有が必要である。Ｃ量は、好ましくは０．０６０％以上であり、より好ましくは０．０７０％以上である。一方、Ｃ量が０．２００％を超えると過剰に硬くなるため、靭性や曲げ加工性が劣化する。よって、Ｃ量を０．２００％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．１９０％以下であり、より好ましくは０．１８０％以下である。
［Ｍｎ：７．０～１３．０％］
Ｍｎは、オーステナイトやεマルテンサイトを確保し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Ｍｎは、７．０％以上の含有が必要である。また、Ｍｎ量が７．０％未満では、εマルテンサイトが析出しない。Ｍｎ量は、好ましくは７．５％以上であり、より好ましくは８．０％以上である。一方、Ｍｎ量が１３．０％を超えると、オーステナイトやεマルテンサイトが過剰量となり硬さが低下する。よって、Ｍｎ量を１３．０％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは１２．５％以下であり、より好ましくは１２．０％以下である。
Ｍｎは、オーステナイトやεマルテンサイトを確保し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Ｍｎは、７．０％以上の含有が必要である。また、Ｍｎ量が７．０％未満では、εマルテンサイトが析出しない。Ｍｎ量は、好ましくは７．５％以上であり、より好ましくは８．０％以上である。一方、Ｍｎ量が１３．０％を超えると、オーステナイトやεマルテンサイトが過剰量となり硬さが低下する。よって、Ｍｎ量を１３．０％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは１２．５％以下であり、より好ましくは１２．０％以下である。
［Ｓｉ：０～１．００％］
Ｓｉは、通常、脱酸のために含有される。本実施形態の耐摩耗厚鋼板では、Ｍｎを多量に含有し、Ｍｎの脱酸効果があるため、Ｓｉは必ずしも必要ではなく、下限は０％でもよい。Ｓｉを脱酸に使用する場合、十分な効果を得るためには０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上とする。また、Ｓｉは、α’マルテンサイトの粒界脆化を助長する元素であり、Ｓｉ量が１．００％を超えると靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｓｉ量を１．００％以下とする。Ｓｉ量の好ましい範囲は０．８０％以下であり、より好ましい範囲は０．６０％以下である。
Ｓｉは、通常、脱酸のために含有される。本実施形態の耐摩耗厚鋼板では、Ｍｎを多量に含有し、Ｍｎの脱酸効果があるため、Ｓｉは必ずしも必要ではなく、下限は０％でもよい。Ｓｉを脱酸に使用する場合、十分な効果を得るためには０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上とする。また、Ｓｉは、α’マルテンサイトの粒界脆化を助長する元素であり、Ｓｉ量が１．００％を超えると靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｓｉ量を１．００％以下とする。Ｓｉ量の好ましい範囲は０．８０％以下であり、より好ましい範囲は０．６０％以下である。
［Ｐ：０．０２００％以下］
Ｐは、一般に不純物として含有され、靭性や曲げ加工性を低下させる。特に、Ｐ量が０．０２００％を超えると顕著に靭性や曲げ加工性が劣化するため、Ｐ量を０．０２００％以下とする。Ｐ量の好ましい範囲は０．０１８０％以下であり、より好ましい範囲は０．０１６０以下である。Ｐ量は、できる限り低減することが望ましく、下限は０％でもよいが、過度なＰ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｐ量を０．０００１％以上とすることができる。
Ｐは、一般に不純物として含有され、靭性や曲げ加工性を低下させる。特に、Ｐ量が０．０２００％を超えると顕著に靭性や曲げ加工性が劣化するため、Ｐ量を０．０２００％以下とする。Ｐ量の好ましい範囲は０．０１８０％以下であり、より好ましい範囲は０．０１６０以下である。Ｐ量は、できる限り低減することが望ましく、下限は０％でもよいが、過度なＰ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｐ量を０．０００１％以上とすることができる。
［Ｓ：０．００５０％以下］
Ｓは、不純物であり、鋼中では硫化物として存在し、靭性や曲げ加工性を劣化させる。特に、Ｓ量が０．００５０％を超えると顕著に靭性や曲げ加工性が劣化するため、Ｓ量を０．００５０％以下とする。Ｓ量の好ましい範囲は０．００４５％以下であり、より好ましい範囲は０．００４０％以下である。Ｓ量は、できる限り低減することが望ましく、下限は０％でもよい。過度なＳ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｓ量を０．０００１％以上とすることができる。
Ｓは、不純物であり、鋼中では硫化物として存在し、靭性や曲げ加工性を劣化させる。特に、Ｓ量が０．００５０％を超えると顕著に靭性や曲げ加工性が劣化するため、Ｓ量を０．００５０％以下とする。Ｓ量の好ましい範囲は０．００４５％以下であり、より好ましい範囲は０．００４０％以下である。Ｓ量は、できる限り低減することが望ましく、下限は０％でもよい。過度なＳ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｓ量を０．０００１％以上とすることができる。
［Ａｌ：０～０．１００％］
Ａｌは、通常、脱酸のために含有される。本実施形態の高靭性耐摩耗厚鋼板では、Ｍｎを多量に含有し、Ｍｎの脱酸効果があるため、Ａｌは必ずしも必要ではなく、下限は０％でもよい。脱酸の効果を得るために、Ａｌ量は０．００５％以上が好ましく、より好ましくは０．０１０％以上、さらに好ましくは０．０２０％以上とする。Ａｌ量が０．１００％を超えると、粗大なＡｌの介在物として析出し、靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ａｌ量を０．１００％以下とする。Ａｌ量の好ましい範囲は０．０９５％以下であり、より好ましい範囲は０．０９０％以下である。
Ａｌは、通常、脱酸のために含有される。本実施形態の高靭性耐摩耗厚鋼板では、Ｍｎを多量に含有し、Ｍｎの脱酸効果があるため、Ａｌは必ずしも必要ではなく、下限は０％でもよい。脱酸の効果を得るために、Ａｌ量は０．００５％以上が好ましく、より好ましくは０．０１０％以上、さらに好ましくは０．０２０％以上とする。Ａｌ量が０．１００％を超えると、粗大なＡｌの介在物として析出し、靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ａｌ量を０．１００％以下とする。Ａｌ量の好ましい範囲は０．０９５％以下であり、より好ましい範囲は０．０９０％以下である。
［Ｎ：０．００８０％以下］
Ｎは、不純物であり、靭性を劣化させる。特に、Ｎ量が０．００８０％を超えると顕著に靭性が劣化する。よって、Ｎ量を０．００８０％以下とする。Ｎ量の好ましい範囲は０．００７０％以下であり、より好ましい範囲は０．００６０％以下である。Ｎ量の下限は０％でもよいが、過度なＮ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｎ量を０．０００１％以上とすることができる。Ｎ量は０．００１０％以上であってもよく、０．００２０％以上であってもよい。
Ｎは、不純物であり、靭性を劣化させる。特に、Ｎ量が０．００８０％を超えると顕著に靭性が劣化する。よって、Ｎ量を０．００８０％以下とする。Ｎ量の好ましい範囲は０．００７０％以下であり、より好ましい範囲は０．００６０％以下である。Ｎ量の下限は０％でもよいが、過度なＮ量の低減は精錬コストの高騰を招くため、Ｎ量を０．０００１％以上とすることができる。Ｎ量は０．００１０％以上であってもよく、０．００２０％以上であってもよい。
また、本実施形態の耐摩耗厚鋼板は、Ｍｏ、Ｗ、Ｂの１種または２種以上を含有する。図１に示すように、Ｍｏ、Ｗ、Ｂの１種または２種以上を含む鋼は、ブリネル硬さが上昇しても限界曲げ半径が小さく、曲げ加工性が良好であることが分かる。
［Ｍｏ：０．０５～３．００％］
Ｍｏは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Ｍｏは、０．０５％以上の含有が必要である。Ｍｏ量は、好ましくは０．１％以上であり、より好ましくは０．１５％以上である。一方、Ｍｏ量が３．００％を超えると、粗大な炭化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｍｏ量を３．００％以下とする。Ｍｏ量は、好ましくは２．９０％以下であり、より好ましくは２．８０％以下である。
Ｍｏは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Ｍｏは、０．０５％以上の含有が必要である。Ｍｏ量は、好ましくは０．１％以上であり、より好ましくは０．１５％以上である。一方、Ｍｏ量が３．００％を超えると、粗大な炭化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｍｏ量を３．００％以下とする。Ｍｏ量は、好ましくは２．９０％以下であり、より好ましくは２．８０％以下である。
［W：０．０５～３．００％］
Wは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Wは、０．０５％以上の含有が必要である。Ｗ量は、好ましくは０．１０％以上であり、より好ましくは０．１５％以上である。一方、W量が３．００％を超えると、粗大な炭化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、W量を３．００％以下とする。Ｗ量は、好ましくは２．９０％以下であり、より好ましくは２．８０％以下である。
Wは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るには、Wは、０．０５％以上の含有が必要である。Ｗ量は、好ましくは０．１０％以上であり、より好ましくは０．１５％以上である。一方、W量が３．００％を超えると、粗大な炭化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、W量を３．００％以下とする。Ｗ量は、好ましくは２．９０％以下であり、より好ましくは２．８０％以下である。
［Ｂ：０．０００３～０．００４０％］
Ｂは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るためには、Ｂは、０．０００３％以上の含有が必要である。Ｂ量は、好ましくは０．０００４％以上であり、より好ましくは０．０００５％以上である。一方、Ｂ量が０．００４０％を超えると、粗大な窒化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｂ量を０．００４０％以下とする。Ｂ量は、好ましくは０．００３８％以下であり、より好ましくは０．００３６％以下である。
Ｂは、α’マルテンサイトの粒界脆化を抑制し、靭性や曲げ加工性を向上させるために含有する。十分な靭性や曲げ加工性を得るためには、Ｂは、０．０００３％以上の含有が必要である。Ｂ量は、好ましくは０．０００４％以上であり、より好ましくは０．０００５％以上である。一方、Ｂ量が０．００４０％を超えると、粗大な窒化物として析出し、破壊の起点として靭性や曲げ加工性を劣化させる。よって、Ｂ量を０．００４０％以下とする。Ｂ量は、好ましくは０．００３８％以下であり、より好ましくは０．００３６％以下である。
以上が、本実施形態の摩耗厚鋼板の基本となる化学組成であり、残部は鉄（Ｆｅ）、及び、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不純物である。本実施形態では、さらに、次のような元素を必要に応じて含有させることができる。
Ｃｕ、Ｃｒは、目的に応じて、これらの１種または２種が含有されていてもよい。なお、これらの元素は必ずしも必須ではないことから、含有量の下限を０％とする。
［Ｃｕ：２．０％以下］
Ｃｕは、α’マルテンサイトの硬さを向上させるために含有してもよい。Ｃｕは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｃｕ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。ただし、Ｃｕ量が２．０％を超えると、粗大なＣｕの析出物として靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃｕ量を２．０％以下とする。Ｃｕ量の好ましい範囲は１．９％以下であり、より好ましい範囲は１．８％以下である。
Ｃｕは、α’マルテンサイトの硬さを向上させるために含有してもよい。Ｃｕは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｃｕ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。ただし、Ｃｕ量が２．０％を超えると、粗大なＣｕの析出物として靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃｕ量を２．０％以下とする。Ｃｕ量の好ましい範囲は１．９％以下であり、より好ましい範囲は１．８％以下である。
［Ｃｒ：１．０％以下］
Ｃｒは、α’マルテンサイトの硬さを向上させるために含有してもよい。Ｃｒは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｃｒ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％である。ただし、Ｃｒ量が１．０％を超えると、粗大なＣｒ炭化物が析出し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃｒ量を１．０％以下とする。Ｃｒ量の好ましい範囲は０．９％以下であり、より好ましい範囲は０．８％以下である。
Ｃｒは、α’マルテンサイトの硬さを向上させるために含有してもよい。Ｃｒは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｃｒ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％である。ただし、Ｃｒ量が１．０％を超えると、粗大なＣｒ炭化物が析出し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃｒ量を１．０％以下とする。Ｃｒ量の好ましい範囲は０．９％以下であり、より好ましい範囲は０．８％以下である。
Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは、目的に応じて、これらの１種または２種以上が含有されていてもよい。なお、これらの元素は必ずしも必須ではないことから、含有量の下限を０％とする。
［Ｎｉ：１．０％以下］
Ｎｉは、α’マルテンサイトの靭性を向上させるために含有してもよい。Ｎｉは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｎｉ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。ただし、Ｎｉは高価な元素であり、Ｎｉ量が１．０％を超えると合金コストが高騰する。よって、Ｎｉ量を１．０％以下とする。Ｎｉ量の好ましい範囲は０．９％以下であり、より好ましい範囲は０．８％以下である。
Ｎｉは、α’マルテンサイトの靭性を向上させるために含有してもよい。Ｎｉは、微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｎｉ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。ただし、Ｎｉは高価な元素であり、Ｎｉ量が１．０％を超えると合金コストが高騰する。よって、Ｎｉ量を１．０％以下とする。Ｎｉ量の好ましい範囲は０．９％以下であり、より好ましい範囲は０．８％以下である。
［Ｎｂ：０．１００％以下、Ｖ：０．１００％以下、Ｔｉ：０．１００％以下］
Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは鋼中で炭窒化物などの析出物を作り、スラブの再加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制することで靭性を向上させる効果がある。これらの元素を靭性向上のために含有してもよい。これらの元素は微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉのそれぞれの量は、好ましくは０．００５％以上であり、より好ましくは０．０１０％以上である。しかし、これらの元素のいずれかを、０．１００％を超えて含有させると、粗大な炭窒化物が析出し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、これらの元素の量はそれぞれ０．１００％以下とする。これらの元素の好ましい範囲はそれぞれ０．０９０％以下であり、より好ましい範囲はそれぞれ０．０８０％以下である。
Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは鋼中で炭窒化物などの析出物を作り、スラブの再加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制することで靭性を向上させる効果がある。これらの元素を靭性向上のために含有してもよい。これらの元素は微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉのそれぞれの量は、好ましくは０．００５％以上であり、より好ましくは０．０１０％以上である。しかし、これらの元素のいずれかを、０．１００％を超えて含有させると、粗大な炭窒化物が析出し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、これらの元素の量はそれぞれ０．１００％以下とする。これらの元素の好ましい範囲はそれぞれ０．０９０％以下であり、より好ましい範囲はそれぞれ０．０８０％以下である。
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、目的に応じて、これらの１種または２種以上が含有されていてもよい。なお、これらの元素は必ずしも必須ではないことから、含有量の下限を０％とする。
［Ｃａ：０．００５０％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、ＲＥＭ：０．１０００％以下］
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、いずれもＳと結合し圧延方向に長く伸びるＭｎＳの形成を抑制して、硫化物が球状となるように形態制御し、靭性や曲げ加工性を向上させる効果がある。これらの元素を靭性や曲げ加工性の向上のために含有してもよい。これらの元素は微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。これらの元素は、好ましくはそれぞれ０．０００５％以上である。しかし、Ｃａ、Ｍｇのいずれかの量が０．００５０％を超える、もしくはＲＥＭの量が０．１０００％を超えると、いずれも粗大な介在物が増加し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃａ、Ｍｇの量をそれぞれ０．００５０％以下、ＲＥＭの量を０．１０００％以下とする。Ｃａ、Ｍｇの量の好ましい範囲はそれぞれ０．００４０％以下であり、より好ましい範囲はそれぞれ０．００３０％以下である。ＲＥＭの量の好ましい範囲は０．０９００％以下であり、より好ましい範囲は０．０８００％以下である。なお「ＲＥＭ」との用語は、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドからなる合計１７元素を指し、上記「ＲＥＭの含有量」とは、これらの１７元素の合計含有量を意味する。
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは、いずれもＳと結合し圧延方向に長く伸びるＭｎＳの形成を抑制して、硫化物が球状となるように形態制御し、靭性や曲げ加工性を向上させる効果がある。これらの元素を靭性や曲げ加工性の向上のために含有してもよい。これらの元素は微量でも効果があるため、特定の下限値は規定しない。これらの元素は、好ましくはそれぞれ０．０００５％以上である。しかし、Ｃａ、Ｍｇのいずれかの量が０．００５０％を超える、もしくはＲＥＭの量が０．１０００％を超えると、いずれも粗大な介在物が増加し靭性や曲げ加工性を低下させる。よって、Ｃａ、Ｍｇの量をそれぞれ０．００５０％以下、ＲＥＭの量を０．１０００％以下とする。Ｃａ、Ｍｇの量の好ましい範囲はそれぞれ０．００４０％以下であり、より好ましい範囲はそれぞれ０．００３０％以下である。ＲＥＭの量の好ましい範囲は０．０９００％以下であり、より好ましい範囲は０．０８００％以下である。なお「ＲＥＭ」との用語は、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドからなる合計１７元素を指し、上記「ＲＥＭの含有量」とは、これらの１７元素の合計含有量を意味する。
次に、本実施形態の耐摩耗厚鋼板の金属組織について説明する。なお、本明細書において、面積率に関する「％」は、特に断りがない限り、「面積％」を意味するものである。
［α’マルテンサイトの面積率：５０％～９７％］
α’マルテンサイトは、硬さと耐摩耗性を向上させるために必要である。十分な硬さと耐摩耗性を得るためには、α’マルテンサイトの面積率は５０％以上であり、好ましくは５５％以上であり、より好ましくは６０％以上である。一方、硬さが高すぎると靭性や曲げ加工性が劣化する。よって、α’マルテンサイトの面積率を９７％以下とする。α’マルテンサイトの面積率は好ましくは９６％以下であり、より好ましくは９５％以下である。α’マルテンサイトの面積率は、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＥＢＳＤ）によって算出されるｂｃｃ相の面積率から、光学顕微鏡によって測定されるパーライト、フェライトの合計の面積率を差し引いて求める。パーライト、フェライトは、光学顕微鏡によって、ラス状の組織であるα’マルテンサイトと判別することができる。
α’マルテンサイトは、硬さと耐摩耗性を向上させるために必要である。十分な硬さと耐摩耗性を得るためには、α’マルテンサイトの面積率は５０％以上であり、好ましくは５５％以上であり、より好ましくは６０％以上である。一方、硬さが高すぎると靭性や曲げ加工性が劣化する。よって、α’マルテンサイトの面積率を９７％以下とする。α’マルテンサイトの面積率は好ましくは９６％以下であり、より好ましくは９５％以下である。α’マルテンサイトの面積率は、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＥＢＳＤ）によって算出されるｂｃｃ相の面積率から、光学顕微鏡によって測定されるパーライト、フェライトの合計の面積率を差し引いて求める。パーライト、フェライトは、光学顕微鏡によって、ラス状の組織であるα’マルテンサイトと判別することができる。
［εマルテンサイトとオーステナイトの和の面積率：３％～５０％］
εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含み、これらの和の面積率は３％～５０％とする。εマルテンサイトとオーステナイトは、靭性と曲げ加工性を向上させるために必要である。十分な靭性と曲げ加工性を得るためには、εマルテンサイトとオーステナイトの和の面積率を３％以上とし、好ましくは４％以上とし、より好ましくは５％以上とする。一方、εマルテンサイトとオーステナイトが多すぎると硬さの低下を招く。よって、εマルテンサイトとオーステナイトの和の面積率を５０％以下とし、好ましくは４５％以下とし、より好ましくは４０％以下とする。εマルテンサイト、オーステナイトの面積率は、ＥＢＳＤを用いて、ｈｃｐ相とｆｃｃ相の面積率の合計として測定する。なお、εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含み、これらの面積率が３％～５０％であれば、εマルテンサイトとオーステナイトとの比率については特に制限はない。本実施形態の耐摩耗厚鋼板の金属組織は、εマルテンサイトのみが存在していてもよく、オーステナイトのみが存在していてもよく、εマルテンサイトとオーステナイトが存在していてもよい。εマルテンサイトのみが存在する場合にも、その面積率は３％～５０％であり、オーステナイトのみが存在する場合にも、その面積率は３％～５０％であり、εマルテンサイトとオーステナイトが存在する場合にも、これらの和の面積率は３％～５０％である。
εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含み、これらの和の面積率は３％～５０％とする。εマルテンサイトとオーステナイトは、靭性と曲げ加工性を向上させるために必要である。十分な靭性と曲げ加工性を得るためには、εマルテンサイトとオーステナイトの和の面積率を３％以上とし、好ましくは４％以上とし、より好ましくは５％以上とする。一方、εマルテンサイトとオーステナイトが多すぎると硬さの低下を招く。よって、εマルテンサイトとオーステナイトの和の面積率を５０％以下とし、好ましくは４５％以下とし、より好ましくは４０％以下とする。εマルテンサイト、オーステナイトの面積率は、ＥＢＳＤを用いて、ｈｃｐ相とｆｃｃ相の面積率の合計として測定する。なお、εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含み、これらの面積率が３％～５０％であれば、εマルテンサイトとオーステナイトとの比率については特に制限はない。本実施形態の耐摩耗厚鋼板の金属組織は、εマルテンサイトのみが存在していてもよく、オーステナイトのみが存在していてもよく、εマルテンサイトとオーステナイトが存在していてもよい。εマルテンサイトのみが存在する場合にも、その面積率は３％～５０％であり、オーステナイトのみが存在する場合にも、その面積率は３％～５０％であり、εマルテンサイトとオーステナイトが存在する場合にも、これらの和の面積率は３％～５０％である。
本実施形態の耐摩耗厚鋼板の金属組織は、硬さと耐摩耗性を向上させるためにα’マルテンサイトの面積率を最大とする。ただし、仮にα’マルテンサイトの面積率が５０％であり、εマルテンサイトとオーステナイトとのいずれか一方の面積率が５０％であったとしても、α’マルテンサイトの面積率が最大とみなしてよい。α’マルテンサイト、εマルテンサイト、オーステナイト以外の組織は、パーライトおよびフェライトであるが、いずれも耐摩耗性を劣化させる。このため、パーライトおよびフェライトをできる限り低減することが好ましく、例えば、パーライトおよびフェライトの和の面積率は１０％以下とすることが好ましい。パーライト、フェライトは、ＥＢＳＤではｂｃｃ相に含まれるため、光学顕微鏡によって測定する。
次に、本実施形態の耐摩耗鋼板の好適な製造方法について説明する。
本実施形態の製造方法では、特に限定する必要はないが、上記の組成を有する溶鋼を連続鋳造などの公知の鋳造方法で、所定寸法の鋼片とすることが望ましい。
鋳造後はそのまま熱間圧延を行ってもよいが、スラブを室温まで冷却し、Ａｃ３以上の温度に再加熱して、熱間圧延を行ってもよい。
Ａｃ３は、鋼の組織がオーステナイト単相になる温度である。Ａｃ３は、得られた鋼片から試験片を採取し、加熱時及び冷却時の熱膨張挙動から求めることができる。熱間圧延後、そのまま水冷する場合は、２５０℃以下の温度まで焼入れる。鋼帯を製造する場合は、熱間圧延後水冷して２５０℃以下で巻き取る。水冷の冷却速度は、５℃／ｓ以上が好ましく、より好ましくは１０℃／ｓ以上とする。上限は、水冷装置の能力と板厚とで自ずと制限される。熱間圧延後、水冷して、Ａｃ３以上の温度に再加熱し、焼入れてもよい。
２５０℃以下まで水冷することにより焼入れによりα’マルテンサイトとεマルテンサイトが生成し、化学組成によっては、一部オーステナイトが残存した金属組織を得ることができる。
本実施形態の製造方法では、特に限定する必要はないが、上記の組成を有する溶鋼を連続鋳造などの公知の鋳造方法で、所定寸法の鋼片とすることが望ましい。
鋳造後はそのまま熱間圧延を行ってもよいが、スラブを室温まで冷却し、Ａｃ３以上の温度に再加熱して、熱間圧延を行ってもよい。
Ａｃ３は、鋼の組織がオーステナイト単相になる温度である。Ａｃ３は、得られた鋼片から試験片を採取し、加熱時及び冷却時の熱膨張挙動から求めることができる。熱間圧延後、そのまま水冷する場合は、２５０℃以下の温度まで焼入れる。鋼帯を製造する場合は、熱間圧延後水冷して２５０℃以下で巻き取る。水冷の冷却速度は、５℃／ｓ以上が好ましく、より好ましくは１０℃／ｓ以上とする。上限は、水冷装置の能力と板厚とで自ずと制限される。熱間圧延後、水冷して、Ａｃ３以上の温度に再加熱し、焼入れてもよい。
２５０℃以下まで水冷することにより焼入れによりα’マルテンサイトとεマルテンサイトが生成し、化学組成によっては、一部オーステナイトが残存した金属組織を得ることができる。
本発明の効果を詳細に確認するため、以下の実験を行った。なお、本実施例は、本発明の一実施例を示すものであり、本発明は以下の構成に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有するスラブをＡｃ３以上に加熱し、表２に示す圧延条件にて熱間圧延し、次いで、必要に応じて熱処理を施した後、表３に示す製品厚を有する厚鋼板を得た。再加熱温度はＡｃ３以上とした。
得られた厚鋼板から採取した各試験片について、α’マルテンサイトの面積率、εマルテンサイト＋オーステナイトの面積率、硬さ、靭性、耐摩耗性および曲げ試験を行った。その結果を表３に示す。
なお、各特性の具体的な評価方法は、以下の通りである。
得られた厚鋼板から採取した各試験片について、α’マルテンサイトの面積率、εマルテンサイト＋オーステナイトの面積率、硬さ、靭性、耐摩耗性および曲げ試験を行った。その結果を表３に示す。
なお、各特性の具体的な評価方法は、以下の通りである。
「α’マルテンサイトの面積率、εマルテンサイト＋オーステナイトの面積率」
圧延板の表面を含む部位より、幅４ｍｍ（板幅方向）×長さ５ｍｍ（圧延方向）×厚さ１０ｍｍ（板厚方向）の試料を切り出した。その試料について、圧延方向に平行な板厚断面を電解研磨し、表面から０．７ｍｍの部位を中央とする約５００μｍ×５００μｍの視野をＥＢＳＤにより結晶方位解析した。なお、ＥＢＳＤによる結晶方位解析は、圧延方向に平行な板厚断面において１箇所のみ行った。α’マルテンサイトをｂｃｃ相、εマルテンサイトをｈｃｐ相、オーステナイトをｆｃｃ相として、各々の面積率を算出した。さらに、エッチングを施し、光学顕微鏡による観察を行い、ｂｃｃ相に含まれるパーライト、フェライトの合計の面積率を差し引いてα’マルテンサイトの面積率を求めた。
圧延板の表面を含む部位より、幅４ｍｍ（板幅方向）×長さ５ｍｍ（圧延方向）×厚さ１０ｍｍ（板厚方向）の試料を切り出した。その試料について、圧延方向に平行な板厚断面を電解研磨し、表面から０．７ｍｍの部位を中央とする約５００μｍ×５００μｍの視野をＥＢＳＤにより結晶方位解析した。なお、ＥＢＳＤによる結晶方位解析は、圧延方向に平行な板厚断面において１箇所のみ行った。α’マルテンサイトをｂｃｃ相、εマルテンサイトをｈｃｐ相、オーステナイトをｆｃｃ相として、各々の面積率を算出した。さらに、エッチングを施し、光学顕微鏡による観察を行い、ｂｃｃ相に含まれるパーライト、フェライトの合計の面積率を差し引いてα’マルテンサイトの面積率を求めた。
「硬さ」
ＪＩＳ Ｚ ２２４３に従って、鋼板のＺ方向断面について、鋼板表面から０．７ｍｍ位置まで研削して研磨を施し、ブリネル硬さＨＢＷ（１０／３０００）を測定した。ブリネル硬さは、耐摩耗鋼に要求される機械特性を確保する観点から、３６０以上である場合を良好なものと評価した。
ＪＩＳ Ｚ ２２４３に従って、鋼板のＺ方向断面について、鋼板表面から０．７ｍｍ位置まで研削して研磨を施し、ブリネル硬さＨＢＷ（１０／３０００）を測定した。ブリネル硬さは、耐摩耗鋼に要求される機械特性を確保する観点から、３６０以上である場合を良好なものと評価した。
「靭性」
鋼板の１／４厚位置から長さ方向に採取し、幅方向に亀裂が伝播するような方向にノッチを入れたＪＩＳ４号試験片により、－４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃（Ｊ））を評価し、－４０℃のシャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上である場合を良好なものとした。
鋼板の１／４厚位置から長さ方向に採取し、幅方向に亀裂が伝播するような方向にノッチを入れたＪＩＳ４号試験片により、－４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃（Ｊ））を評価し、－４０℃のシャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上である場合を良好なものとした。
「耐摩耗性」
幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を水平方向に対して３０°傾けて設置し、サイズが５号の珪砂を試験片の上１５０ｍｍの高さまで装入し、さらに、珪砂の上１０ｍｍの高さまで水を注入し、スクラッチング摩耗試験（周速度３．７ｍ／ｓ、５０時間）を行った。摩耗減量を求め、普通鋼（ＳＳ４００)を基準に相対比で評価した。普通鋼に対する摩耗減量（摩耗量比）は、０．４０以下である場合を良好なものと評価した。
幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を水平方向に対して３０°傾けて設置し、サイズが５号の珪砂を試験片の上１５０ｍｍの高さまで装入し、さらに、珪砂の上１０ｍｍの高さまで水を注入し、スクラッチング摩耗試験（周速度３．７ｍ／ｓ、５０時間）を行った。摩耗減量を求め、普通鋼（ＳＳ４００)を基準に相対比で評価した。普通鋼に対する摩耗減量（摩耗量比）は、０．４０以下である場合を良好なものと評価した。
「曲げ試験」
ＪＩＳ Ｚ ２２４８に従って、鋼板から、幅１５０ｍｍ×長さ４５０ｍｍ×全厚の試験片を、長手方向が圧延方向と平行になるように採取し、曲げ半径を２．０ｔとし、角度１８０℃まで押し曲げ、割れ発生の有無を調べた。割れ発生のなかったものを合格、割れが発生したものを不合格とした。
ＪＩＳ Ｚ ２２４８に従って、鋼板から、幅１５０ｍｍ×長さ４５０ｍｍ×全厚の試験片を、長手方向が圧延方向と平行になるように採取し、曲げ半径を２．０ｔとし、角度１８０℃まで押し曲げ、割れ発生の有無を調べた。割れ発生のなかったものを合格、割れが発生したものを不合格とした。
Claims (4)
- 鋼組成が質量％で、
Ｃ：０．０５０～０．２００％、
Ｍｎ：７．０～１３．０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｐ：０．０２００％以下、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｎ：０．００８０％以下を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０５～３．００％、
Ｗ：０．０５～３．００％、
Ｂ：０．０００３～０．００４０％
の１種または２種以上を含有し、
さらに、
Ｃｕ：０～２．０％、
Ｎｉ：０～１．０％、
Ｃｒ：０～１．０％、
Ｎｂ：０～０．１００％、
Ｖ：０～０．１００％、
Ｔｉ：０～０．１００％、
Ｃａ：０～０．００５０％、
Ｍｇ：０～０．００５０％、
ＲＥＭ：０～０．１０００％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
面積％で、α’マルテンサイトを５０％～９７％含み、εマルテンサイトおよびオーステナイトの少なくとも一方を含むとともに、これらの和の面積率が３％～５０％であり、残部がパーライト及びフェライトからなり、かつ、前記α’マルテンサイトの面積率が最大である金属組織を有する耐摩耗厚鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．０５～２．０％、
Ｃｒ：０．０５～１．０％
の１種または２種を含有する請求項１に記載の耐摩耗厚鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５～１．０％、
Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
Ｖ：０．００５～０．１００％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％
の１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載の耐摩耗厚鋼板。 - さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５～０．００５０％、
Ｍｇ：０．０００５～０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００５～０．１０００％
の１種または２種以上を含有する請求項１～３のいずれか１項に記載の耐摩耗厚鋼板。
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