JPH06500825A - オーステナイト耐磨耗鋼とその熱処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 オーステナイト耐磨耗鋼とその熱処理法本発明は、ハトフィールド・タイプの高 合金耐磨耗マンガン鋼とその製造法に関する。

ハトフィールド鋼はすでに、１８８０年代から知られている。この鋼は主として 、たとえば砕石機、掘削機のバケットおよびローダのショベルの磨耗部品のよう な鋳造品に用いられている。上記のような使眉条件では、鋼片は非常に強い衝撃 と磨耗を受け、また大きな衝撃応力にさらされる。

ハトフィールド鋼の微細構造は熱処理を受けるとオーステナイト化し、そのため 非常に延性が高くなるため、ハトフィールド鋼は上記のような種顕の磨耗条件に よく適している。この条件においては、硬度ｌよ、比較的に低く一約２００〜２ ５０　ＢＨＮ−、そして耐磨耗性はあまりよくない、ハトフィールド鋼の最も重 要な特性は、この鋼の表面への衝撃や圧力に対して強し１加工硬化性を有してい ることである。二の様な場合、二の鋼の表面硬度は５５０Ｂ）ＩＮに増大する。

しかし、こうした硬化は薄い上層面に限定され、内部は柔ら力）く、延性があり 、全体としてこの鋼は、延性の挙動を示す、この種の挙動の前提条件は、鋼の微 細構造力τ結晶粒界における炭化物の連続帯なしに、完全にオーステナイト化し ていることである。鋳造のままの状態において、微細構造における全ての結晶粒 界は脆い混合炭化物　−主として鉄／マンガン炭化物　−で満たされていて、こ の鋼の挙動は全体として脆くなっている。衝撃、およびその他の機械的応力によ って、鋼は脆い粒界に沿って破壊される。この粒界炭化物は。

１０００’Ｃ以上で溶体化処理し、灼熱の後、焼入れによって即時急冷すること により除去することができる。高温灼熱の間、粒界炭化物は鋼マトリツクス中に 溶解し、しかも急速焼入は炭化物の再析出を妨げる。

炭化物が含まれない、完全にオーステナイト化した可鍛性ハトフィールド鋼は、 従来型のジョー円錐クラッシャの磨耗部品にも、また大きい衝撃荷重下での採石 条件におけるパケットのフロント板にも、非常に有効である。上記クラッシャは 衝撃と圧縮によって岩石を破壊し、また採石荷重においても衝撃応力は大きい。

現代のジョー円錐クラッシャーよ、ストａ−りの長さを増すことによって、また 圧縮のみの破砕から圧縮とせん断の結合効果による破砕に変えることによって、 破砕効率を上げている。この種の破砕工程においては、従来の衝撃荷重はほぼ磨 耗に代えられ、その結果、磨耗部品に対する衝撃荷重は、ハトフィールド鋼の最 大加工硬化を生じさせるほどには、強力ではなくなっており、一方では磨耗部品 の相対的寿命が短くなっている。掘削機のパケットでも、ローダのショベルでも 、微粒子物質を積み込む時、状況は同様で、この場合も衝撃および圧縮荷重は必 ずしもハトフィールド鋼の加工硬化を起こすほどではない、微細構造に硬い成分 を含まないこの種の非加工硬化鋼の耐磨耗性は、現代クラッシャの使用条件にお いても、微粒子物質の積込みにおいても、十分でないことは明らかである。

下記の様な原化学組成を持つ、ハトフィールド鋼の加工硬化性を向上させるため に、幾つかの試みがなされている。追加合金を行った、原化学成分は次の通りで ある。

炭素　１．０　〜１．４％ マンガン　１０．０〜１５．０％ 珪素　０．３〜１．５％ 燐　最大で、０．０７％ 硫黄　最大で、０．０７％ フェライトに適合する元素　−クロム、モリブデン、バナジウムおよびタングス テン　−　は、加工硬化性に最も良い効果があることが証明されている。これら の合金元素はまた、非常に強力な炭化物形成元素であり、その上、加工硬化性の 向上に加えて、結晶粒界における炭化物網状組織を安定化し、厚くする　−熱処 理ではＥ記構状組織はなかなか除去されない、こうした粒界炭化物は確かに、磨 耗における鋼材の耐磨耗性を向上させるが、微細構造においては完全に脆い成分 なので、衝撃荷重下で鋼部分会体の破壊を引き起こす、オーステナイトに適して いる合金元素　−生にニッケルと銅　−は、加工硬化にも炭化物形成にも本質的 な効果はない、マンガン含有率を１５〜２１％の範囲に増加させることにより、 加工硬化性を向上させ、ある程度まで耐磨耗性を増大させることはできるが、こ の方法を用いても磨耗に抗するために必要な硬質粒子を微細構造中に生成するこ とはできない。

現代のクラッシャの磨耗部品として利用される鋼の要件は、次のようなものであ る。

−強烈で容易な加工硬化性、 −磨耗抵抗を向上させるため、微細構造中に不連続分布している硬質粒子。

−磨耗部品に対する衝撃荷重と圧縮荷重に十分耐えるだけの延性。

本発明の鋼の特性は特許請求項１と２に示されている。多くの有利な性能の形態 は、その他の請求項に示されている。

本発明のハトフィールド・タイプの新しい耐磨耗性鋼における加工硬化傾向は、 合金元素として窒素を用いることによっても強化されており、そして別に配分さ れている硬質粒子が、窒素と反応して窒素化合物になるために、窒素と混合した り、また強力な窒素化合物の形成元素　−クロム、モリブデン、バナジウム、タ ングステン、チタンまたニオブ　−　と混合することによって、微細構造内に入 れられた１本発明の新しい耐磨耗鋼の化学組成は、最上の状態で以下の通りであ る。

炭素　１．０　〜１．５％ 珪素　０．３　〜１．５％ マンガン　１１．０　〜２１．０％ 燐　最大で、　０．０７％ 硫黄　最大で、０．０７％ クロム　０．０〜４．０％ モリブデン　０．０　〜３．０％ タングステン　０．０　〜２．０％ 窒素　０．０５〜０．３５％ さらに、上記に加えて、以下の元素のどれかを単独もしくは組み合わせを選択し て用いる。

バナジウム　０８１０〜０．６０％ チタン　０．１０　〜０．５０％ ニオブ　０１１０　−　０．３０％ 当該の鯛は、アルミニウムでキルドされる。

窒素は、オーステナイト化成分としてオーステナイト構造を強化する。たとえば 、Ａｌ５Ｉ　３００系列のステンレス鋼の降伏強度（強さ、０．２％）は、窒素 との合金によって、５０％にまで高めることができる。Ａｌ５Ｉ　２００系列の ステンレス鋼においても、窒素との合金でその強度をより大きくすることが可能 で、この２００系列の場合、Ａｌ５Ｉ　３００系列スチールのニッケル成分は、 部分的にマンガンに置き換えられるが、こうしてニッケルの含有量が減少しても 。

オーステナイト構造は維持される。

一方、窒素合金オーステナイト・ステンレス鋼は、冷間加工において窒素の含有 がないグレードのものよりも強力な加工硬化性を有しており、また変形の度合も 小さい、加工硬化に関しても、Ａｌ５Ｉ　２００系列のマンガン含有鋼は、より 容易に加工硬化でき、Ａｌ５Ｉ　３００系列のスチールより高い硬度にまで達す る。

加工硬化における窒素の強化効果は、窒素の含有率が０．０５％以上になるとき 、現れ始め、窒素の含有率が増加するに従ってその効果は増大する。しかし、他 方では、窒素の含有率が高くなると、ガスの総合有量が当該鋼の溶解限界を越え たとき、鋼鋳造物に気孔を生じさせる危険を増大させる。しかしながら、オース テナイト鋼では、フェライト鋼におけるよりもその恐れは明らかに少なく、シか も鋼における窒素の溶解度は、特にマンガンまたはクロム、もしくはこの双方の ような元素によって高められるので１本発明の鋼ではこれらの元素の含有率が高 いため、窒素は気孔を形成させずに０．３５％の含有率まで合金とすることがで きる。

ハトフィールド鋼における窒素合金のもう一つの効果は、強力な窒化物形成元素 と組み合わされて、この鋼は、結晶粒界帯に硬い窒化物を形成し、さらに粒界炭 化物の一部を浸炭窒化物に変える。非常な高温で、これらの窒化物と浸炭窒化物 はオーステナイト・マトリックス中に溶解する。１０５０°〜１１００″Ｃのハ トフィールド鋼・固溶化熱処理標準温度で、窒化物と浸炭窒化物は部分的に融解 し、残りの部分は別の析出物に分かれる０通常、クロム／鉄／マンガンの炭化物 と浸炭窒化物、連続的な大きい析出物を形成するが。

バナジウム、チタンまたはニオブを加味されれば、特に窒化物と浸炭窒化物は、 オーステナイト・マトリックスで個々の針状結晶体として、分離される。鋳造の ままの状態の鋼において、炭化物網状組織を持つ結晶粒界は、先ずオーステナイ ト・マトリックスと、次に原粒界上の分離析出物としての硬質炭化物と、さらに は原粒界の両側でオーステナイト・マトリックスに埋め込まれている分離窒化物 および浸炭窒化物とからなる、結晶粒界帯に拡大される。

鋳造後の状態にある本発明の鋼の微細構造を表す５００倍拡大の添付図１は１分 離炭化物の析出物を有すると共に、オーステナイト・マトリックス中に埋め込ま れた窒化物と浸炭窒化物の個別の針状結晶体を有する、拡大結晶粒界を示してい る。

鋳込後の状態における（図１）耐磨耗鋼の硬度は、約２７０〜３００　ＢＨＮで 、もし完全に加工硬化されれば、約５５０８　ＨＨの硬度に達する。７００〜１ ０００ＨＶの硬度を有する、分離炭化物の析出物および針状窒化物と浸炭窒化物 の析出物は、オーステナイト・マトリックスの広い結晶粒界帯に埋め込まれてい る。

これらの細かく分散された分離硬質析出物は、磨耗の防止に有効である。オース テナイト・マトリックスの加工硬化をその最高硬度に仕上げるには、塑性変形が 必要であるが、本発明の鯛のための塑性変形量は、全オーステナイト鋼をその最 大値まで硬化させるのに必要な量の約半分である。

本発明の鯛のＫＶ衝撃靭性は、−４０°Ｃで約３０〜７０Ｊであり、これはこの 鋼が使用される条件としては十分であると思われる。

実地試験において、クロム合金の完全にオーステナイト化された従来のハトフィ ールド鋼から作られた円錐と、本発明の鋼から作られた円錐とについて、非常に 磨耗性の強い材料　−珪岩　−を破砕するときの回転破砕機の磨耗部品として比 較したところ１本発明の鋼は、標準ハトフィールド鋼より７０％〜１００％その 寿命が延びた。運転条件は同じであった。

試験に使用された本発明の鋼の化学組成は、以下の通りである。

炭素　１．２３％ 珪素　１．２３％ マンガン　１６．７０％ 燐　０．　０４６　％ 硫黄　０．００２％ クロム　１．７８％ バナジウム　０．１３％ アルミニウム　０．０２０％ 窒素　０．０６０％ 鋳造磨耗部品は次のように熱処理された。すなわち、１０００°Ｃで５時間、固 溶化熱処理され、最後に水焼入れされた。

試験は、珪岩粉砕プラントで実施され、従来のハトフィールド鋼から作られた磨 耗部品の使用時には、珪岩粉砕量は１０，０００〜２０，０００トンであった。

一方５本発明の鋼で作られた磨耗部品の使用時には、珪岩粉砕量は３２，０００ 〜３５，０００トンであった。

本発明の耐磨耗鋼の融解は、全（通常の方法で開始される。装入母体は電気アー ク炉または誘導炉内で融解される。必要な合金は、炉内で行われる。最後に合金 される元素は、バナジウム（またはチタンまたはニオブ）と窒素で、この二つの 元素は炉または、とリベ内で合金される。バナジウム（またはチタンまたはニオ ブ）と窒素の含有率は、上述の組成の範囲内で選択されるので、非常に厳しい衝 撃荷重の下で、該鋼が主として磨耗下で用いられるときの上限に近い条件で使用 される場合、これらの特殊元素は、上記の組成範囲の下限に近い含有率となる。

鋼は、砂型または冷し鋳型に鋳込まれ、凝固し室温に冷却された後、鋳造物は通 常の方法でぼり取りされる。

製造工程における最終段階は固溶化熱処理で、これは、鋼中の特殊合金元素の含 有率に応じて、９５０〜１１００″Ｃの温度範囲で行われる。熱処理温度は、上 述の範囲で選択されるので、この処理の間、結晶粒界炭化物、窒化物および浸炭 窒化物は部分的にのみ、オーステナイト・マトリックス中に融解され、これらの 連続網状組織は破壊されて、粒界上で丸みを帯びた分離炭化物析出物と１粒界帯 と粒子内における針状結晶体の窒化物および浸炭窒化物とに分かれる。これらの 分離析出物の間に、延性オーステナイト・マトリックスが残る。固溶化熱処理の 間に形成されたこの微細構造は、急冷　−水焼入れによって、室温でも残る。

本発明の耐磨耗鋼は、掘削機のパケットやローダ・ショベルと同様に様々なりラ ツシャの磨耗部品、たとえば磨耗プレートや歯に応用するのに、最も適している 。

厳しい衝撃荷重を受ける鋼　−主クラッシャと採石ローグーの磨耗部品　−は、 中間粒用クラッシャと細粒用クラッシャの磨耗部品として主として磨耗条件下で 用いられる他のスチールに比較して、より少ない析出物しか結晶粒界帯に含まな い微細構造を持つように１本発明の鯛の各組成と熱処理工程は選択される。

Ｆｉｇ、　１ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年３月　７日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．オーステナイト微細構造を有するマンガン合金耐磨耗鋼において、当該の鉄 体の合金は、炭素、珪素．マンガン、クロム、モリブデンおよびタングステンの 元素を、以下の含有率で含み、 炭素　　　　１．０〜１．５％ 珪素　　　　　０．３〜１．５３％ マンガン　　　１１．０〜２１．０％ クロム　　　０．０〜４．０％ モリブデン　　０．０〜３．０％ タングステン　０．０〜２．０％ かつ硫黄、燐、銅およびニッケルのような通例の不純物を通常量だけ含むことを 特徴とする耐磨耗鋼。
2. ２．追加の合金元素として窒素と、バナジウム、チタン、ニオブのうちの少なく とも一つとを、以下の含有率で含む 窒素　　　　　０．０５〜０．３５％ バナジウム　　０．１０〜０．６０％ チタン　　　　０．１０〜０．５０％ ニオブ　　　　０．１０〜０．３０％ 請求項１記載の耐磨耗鋼。
3. ３．鋳込み後、徐冷の間に微細構造に形成された炭化物、窒化物および浸炭窒化 物の折出物が、部分的には溶解しているが、全面的には溶解していない請求項１ または２に記載の耐磨耗鋼。
4. ４．マトリックス生地は延性オーステナイトよりなり、炭化物は硬質の分離析出 物として結晶粒界に現れ、かつ、耐磨耗性を向上させるため、粒子内部と同様に 粒界帯にも硬質の主として針状窒化物と浸炭窒化物とが存在する請求項３記載の 耐磨耗鋼。
5. ５．鋳込み温度から室温にまで徐冷される間に形成された微細構造中の炭化物、 窒化物および浸炭窒化物の析出物が、部分的には溶解するが、全面的には溶解し ないように、当該の鋼は１１００℃以下の温度で固溶化熱処理されることを特徴 とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の耐磨耗鋼の製造方法。
6. ６．固溶化熱処理は、９５０℃〜１１００℃の温度範囲内で実施される請求項５ 記載の方法。