JPWO2014045552A1 - 低温靱性および耐腐食摩耗性に優れた耐摩耗鋼板 - Google Patents
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Abstract
耐摩耗性、低温靱性および耐腐食摩耗性に優れた耐摩耗鋼板を提供する。耐摩耗鋼板が、質量%で、C:0.23〜0.35%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.1〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.005%以下、Al:0.005〜0.100%、Cr:0.03〜2.0%、Mo:0.03〜1.0%を、下記(1)式で定義されるDI*が45以上を満足するように含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト粒径が30μm以下である組織を有し、表面硬さが、ブリネル硬さHBW10/3000で450以上であることを特徴とする。
Description
本発明は、産業機械、運搬機器等の部品用として好適な耐摩耗鋼板(abrasion resistant steel plate)に関する。本発明の耐摩耗鋼板は、低温靱性に優れ、特に水分を含む土砂との接触による摩耗が問題となる箇所に適用される部品用として好適である。
従来から、建設、土木、鉱山等の現場で使用される、例えば、パワーショベル、ブルドーザー、ホッパー、バケット、ダンプトラック等の産業機械、運搬機器等の部品は、土砂等との接触により摩耗する。このため、上記部品を製造する際には、その寿命延長を目的に耐摩耗性に優れた鋼材が用いられている。実際の使用環境に鑑みると、土砂等は、乾燥、湿潤など種々の状態が想定される。特に、湿潤状態にある土砂等は、腐食性物質(corrosive material)を含む場合がある。この場合、湿潤状態にある土砂等による摩耗は、腐食性物質を含む環境下での摩耗、いわゆる腐食摩耗(corrosive wear)となる。腐食摩耗は、摩耗環境として非常に厳しいことが知られている。そこで、耐腐食摩耗性に優れた耐摩耗鋼材が望まれている。
また、これらの産業機械、運搬機器等は、0℃以下の低温域での使用も想定される。このため、これらの産業機械、運搬機器等の部品に用いられる鋼材は、耐摩耗性、耐腐食摩耗性に加えて、さらに優れた低温靱性をも有することが望まれている。
このような要求に対して、例えば特許文献1には、質量%で、C:0.30〜0.50%を含み、適正量のSi、Mn、Al、N、Ti、Nb、Bを含有し、さらにCr:0.10〜0.50%、Mo:0.05〜1.00%を含有する鋼片を熱間圧延した後、Ar3変態点以上の温度から焼入れ処理し、続いて焼戻して、高強度耐摩耗鋼を得る、低温靭性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法が提案されている。特許文献1に記載された技術では、Cr、Moを多量含有させることにより、鋼の焼入れ性が向上するとともに、粒界が強化され、低温靭性が向上するとしている。また、特許文献1に記載された技術では、焼戻処理を施すことによりさらに低温靭性が向上するとしている。
また、特許文献2には、質量%で、C:0.18〜0.25%、Si:0.10〜0.30%、Mn:0.03〜0.10%を含み、Nb、Al、N、Bの適正量を含有し、さらにCr:1.00〜2.00%、Mo:0.50超〜0.80%を含有する水焼入れおよび焼戻処理後の靭性並びに耐遅れ破壊特性に優れる高靭性耐摩耗鋼板が提案されている。特許文献2に記載された技術では、Mn含有量を低く抑え、Cr、Moを多量含有させることにより、鋼板の焼入れ性が向上し、所定の硬さが確保できるとともに、靭性および耐遅れ破壊特性が向上するとしている。また、特許文献2に記載された技術では、焼戻処理を施すことによりさらに低温靭性が向上するとしている。
また、特許文献3には、質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.30〜1.20%、Cr:0.50〜1.40%、Mo:0.15〜0.55%、B:0.0005〜0.0050%、sol.Al:0.015〜0.060%を含み、さらにNbおよび/またはTiの適正量を含有する高靭性耐摩耗鋼が提案されている。特許文献3に記載された技術では、Cr、Moを多量含有させることにより、鋼の焼入れ性が向上するとともに粒界が強化され低温靭性が向上するとしている。
また、特許文献4には、質量%で、C:0.05〜0.40%、Cr:0.1〜2.0%と、さらにSi、Mn、Ti、B、Al、Nの適正量を含み、さらにCu、Ni、Mo、Vを任意成分として含有してもよい組成の鋼を、900℃以下のオーステナイト未再結晶域において累積圧下率50%以上で熱間圧延した後、Ar3点以上から焼入れしその後焼戻する耐摩耗鋼の製造方法が提案されている。この技術では、オーステナイト粒が展伸した組織を、直接焼入れ、焼戻して、旧オーステナイト粒を展伸させた焼戻マルテンサイト組織とすることにより、低温靭性を顕著に向上させられるとしている。
また、特許文献5には、質量%で、C:0.10〜0.30%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、W:0.10〜1.40%、B:0.0003〜0.0020%を含み、さらにTi:0.005〜0.10%および/またはAl:0.035〜0.1%を含有する組成を有し、低温靭性に優れた耐摩耗鋼板が提案されている。なお、特許文献5に記載された技術では、さらに、Cu、Ni、Cr、Vのうちから1種以上含有してもよいとしている。これにより、鋼板は、高い表面硬さを有し、耐摩耗性に優れ、さらに低温靭性にも優れるとしている。
また、特許文献6には、曲げ加工性に優れた耐摩耗鋼板が記載されている。特許文献6に記載された技術は、質量%で、C:0.05〜0.30%、Ti:0.1〜1.2%を含有し、固溶C量が0.03%以下である組成を有し、マトリクスをフェライト相とし、マトリクス中に硬質相が分散した組織を有する耐摩耗鋼板に関する。なお、特許文献6に記載の耐摩耗鋼板は、さらにNb、Vの1種または2種、Mo、Wの1種または2種、Si、Mn、Cuの1種または2種、Ni、Bの1種または2種、Cr、を含有してもよいとしている。これにより、特許文献6に記載の耐摩耗鋼板は、硬さが顕著に上昇することなく、土砂摩耗に対する耐摩耗性、および曲げ加工性がともに向上するとしている。
特許文献1〜5に記載された各技術は、低温靱性および耐摩耗性を具備することを目的としている。また、特許文献6に記載された技術は、曲げ加工性と耐摩耗性を兼備させることを目的としている。いずれの特許文献においても、湿潤状態にある土砂のような腐食性物質を含む環境下における摩耗についての検討は行われておらず、耐腐食摩耗性に対する配慮が十分になされていないという問題がある。
また、特許文献1〜4に記載された各技術は、焼戻しを行うことを要件としており、製造コストが増大するという問題がある。また、特許文献5に記載された技術は、Wを必須含有するとしており製造コストが増大する問題がある。また、特許文献6に記載された技術は、フェライトを主相とするもので、表面硬さが低く耐摩耗性が十分でないという問題がある。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、安価で、耐摩耗性に優れ、かつ優れた低温靱性および優れた耐腐食摩耗性を兼備する耐摩耗鋼板を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記した目的を達成するため、鋼板の耐摩耗性、さらに低温靭性、耐腐食摩耗性に対する各種要因の影響について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、CrおよびMoを必須成分として適正量含有する組成とすることにより、鋼板の耐腐食摩耗性が著しく向上することを見出した。これは、CrおよびMoを含有することにより、鋼板が種々のpHを有する湿潤状態の土砂に晒されても、CrおよびMoが酸素酸として存在し、腐食摩耗を抑制するためと推察される。
さらに、本発明者らは、上記した組成としたうえで、鋼板の表面硬さを高く維持できれば、土砂摩耗に対する耐摩耗性と耐腐食摩耗性とを顕著に向上することを知見した。
さらに、本発明者らは、鋼板がCrおよびMoを必須成分として適正量含有し、次(1)式で定義されるDI*が45以上となるように、少なくともC、Si、Mn、P、S、Al、Cr、Moを適正量含むことにより、焼入れ性を向上させ、焼入れままマルテンサイト相を主相とする組織にして、表面硬さがブリネル硬さHBW10/3000で450以上を確保し、さらに焼入れままマルテンサイト相を旧オーステナイト(γ)粒径で30μm以下まで微細化することにより、優れた耐摩耗性を確保しながら、優れた低温靱性をも確保することができることを知見した。
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1) (1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1) (1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
(1)質量%で、C:0.23〜0.35%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.1〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.005%以下、Al:0.005〜0.100%、Cr:0.03〜2.0%、Mo:0.03〜1.0%を、下記(1)式で定義されるDI*が45以上を満足するように含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト粒径が30μm以下である組織を有し、表面硬さが、ブリネル硬さHBW10/3000で450以上であることを特徴とする低温靱性および耐腐食摩耗性に優れた耐摩耗鋼板。
(式)
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1)‥‥‥(1)
(式(1)中の、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo及びVは各元素の含有量(質量%)である。)
(2)上記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%及びV:0.005〜0.1%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)に記載の耐摩耗鋼板。
(式)
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1)‥‥‥(1)
(式(1)中の、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo及びVは各元素の含有量(質量%)である。)
(2)上記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%及びV:0.005〜0.1%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)に記載の耐摩耗鋼板。
(3)上記組成に加えてさらに、質量%で、Sn:0.005〜0.2%及びSb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の耐摩耗鋼板。
(4)上記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.03〜2.0%及びB:0.0003〜0.0030%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
(5)上記組成に加えてさらに、質量%で、REM:0.0005〜0.008%、Ca:0.0005〜0.005%及びMg:0.0005〜0.005%のうちから選ばれた1種または2種以上含有することを特徴とする(1)ないし(4)のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
(6)前記焼入れままマルテンサイト相の含有量が、体積率で98%以上であることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
本発明によれば、特に湿潤状態の土砂摩耗環境下での耐腐食摩耗性に優れ、さらに低温靭性にも優れ、しかも表面硬さを低下させることなく優れた耐摩耗性を安定的に有する耐摩耗鋼板を、容易にしかも安定して製造できる。
まず、本発明の耐摩耗鋼板(本明細書において「鋼板」という場合がある)の組成の限定理由について説明する。なお、以下、特に断わらない限り質量%は、単に%で記す。
C:0.23〜0.35%
Cは、鋼板の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる元素である。Cの含有量が0.23%未満では十分な硬さが得られない。一方、Cの含有量が0.35%を超えると、鋼板の溶接性、低温靭性および加工性を低下させる。したがって、Cの含有量は0.23〜0.35%の範囲に限定した。なお、好ましいCの含有量は0.25〜0.30%である。
Cは、鋼板の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる元素である。Cの含有量が0.23%未満では十分な硬さが得られない。一方、Cの含有量が0.35%を超えると、鋼板の溶接性、低温靭性および加工性を低下させる。したがって、Cの含有量は0.23〜0.35%の範囲に限定した。なお、好ましいCの含有量は0.25〜0.30%である。
Si:0.05〜1.00%
Siは、溶鋼の脱酸剤として作用する元素であり、また、固溶強化により鋼板の強度向上に寄与する元素である。このような効果を確保するために、Siの含有量は0.05%以上とする。Siの含有量が0.05%未満では脱酸効果が十分に得られない。一方、Siの含有量が1.00%を超えると、鋼板の延性、靭性が低下し、また鋼板中の介在物量が増加する。したがって、Siの含有量は0.05〜1.00%の範囲に限定した。なお、好ましいSiの含有量は0.15〜0.45%である。
Siは、溶鋼の脱酸剤として作用する元素であり、また、固溶強化により鋼板の強度向上に寄与する元素である。このような効果を確保するために、Siの含有量は0.05%以上とする。Siの含有量が0.05%未満では脱酸効果が十分に得られない。一方、Siの含有量が1.00%を超えると、鋼板の延性、靭性が低下し、また鋼板中の介在物量が増加する。したがって、Siの含有量は0.05〜1.00%の範囲に限定した。なお、好ましいSiの含有量は0.15〜0.45%である。
Mn:0.1〜2.0%
Mnは、焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。このような効果を確保するために、Mnの含有量は、0.1%以上とする。一方、Mnの含有量が2.0%を超えると、焼戻脆性が発生するうえ、溶接熱影響部が硬くなり、溶接性が低下する。したがって、Mnの含有量は0.1〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましいMnの含有量は0.4〜1.7%であり、より好ましくは0.5〜1.0%である。
Mnは、焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。このような効果を確保するために、Mnの含有量は、0.1%以上とする。一方、Mnの含有量が2.0%を超えると、焼戻脆性が発生するうえ、溶接熱影響部が硬くなり、溶接性が低下する。したがって、Mnの含有量は0.1〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましいMnの含有量は0.4〜1.7%であり、より好ましくは0.5〜1.0%である。
P:0.020%以下
鋼中にPを多量含有すると、鋼板の低温靭性の低下を招くため、Pの含有量はできるだけ低減することが望ましい。本発明においてPの含有量は0.020%まで許容できる。なお、Pの含有量を過度に低減することは精錬コストの高騰を招く。このため、Pの含有量は0.005%以上が望ましい。
鋼中にPを多量含有すると、鋼板の低温靭性の低下を招くため、Pの含有量はできるだけ低減することが望ましい。本発明においてPの含有量は0.020%まで許容できる。なお、Pの含有量を過度に低減することは精錬コストの高騰を招く。このため、Pの含有量は0.005%以上が望ましい。
S:0.005%以下
鋼中にSを多量に含むと、SがMnSとして析出する。高強度鋼では、MnSが破壊発生の起点となり、鋼板の靭性の劣化を招く。このため、Sの含有量はできるだけ低減することが望ましい。本発明においてSの含有量は0.005%までであれば許容できる。このようなことから、Sの含有量は0.005%以下に限定した。なお、Sの含有量を過度に低減することは精錬コストの高騰を招く。このため、Sの含有量は0.0005%以上とすることが望ましい。
鋼中にSを多量に含むと、SがMnSとして析出する。高強度鋼では、MnSが破壊発生の起点となり、鋼板の靭性の劣化を招く。このため、Sの含有量はできるだけ低減することが望ましい。本発明においてSの含有量は0.005%までであれば許容できる。このようなことから、Sの含有量は0.005%以下に限定した。なお、Sの含有量を過度に低減することは精錬コストの高騰を招く。このため、Sの含有量は0.0005%以上とすることが望ましい。
Al:0.005〜0.100%
Alは、溶鋼の脱酸剤として作用する元素である。また、Alは結晶粒を微細化させて、低温靱性の向上に寄与する。このような効果を得るために、Alの含有量は0.005%以上とする。Alの含有量が0.005%未満ではこれらの効果が十分に得られない。一方、Alの含有量が0.100%を超えると、鋼板の溶接性が低下する。したがって、Alの含有量は0.005〜0.100%の範囲に限定した。なお、好ましいAlの含有量は0.015〜0.050%である。
Alは、溶鋼の脱酸剤として作用する元素である。また、Alは結晶粒を微細化させて、低温靱性の向上に寄与する。このような効果を得るために、Alの含有量は0.005%以上とする。Alの含有量が0.005%未満ではこれらの効果が十分に得られない。一方、Alの含有量が0.100%を超えると、鋼板の溶接性が低下する。したがって、Alの含有量は0.005〜0.100%の範囲に限定した。なお、好ましいAlの含有量は0.015〜0.050%である。
Cr:0.03〜2.0%
Crは、焼入れ性を高める。また、Crはマルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。このように、本発明において、Crは重要な元素である。また、湿潤状態の土砂等との接触が問題となるような腐食摩耗環境において、Crはアノード反応によりCr酸イオンとして溶出し、インヒビター効果により腐食を抑制することで、鋼板の耐腐食摩耗性を向上させる。このような効果を得るためにCrの含有量は0.03%以上とする。Crの含有量が0.03%未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、溶接性が低下するとともに、製造コストが高騰する。このため、Crの含有量は0.03〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましいCrの含有量は、0.07〜1.0%、より好ましくは0.2〜0.9%の範囲である。
Crは、焼入れ性を高める。また、Crはマルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。このように、本発明において、Crは重要な元素である。また、湿潤状態の土砂等との接触が問題となるような腐食摩耗環境において、Crはアノード反応によりCr酸イオンとして溶出し、インヒビター効果により腐食を抑制することで、鋼板の耐腐食摩耗性を向上させる。このような効果を得るためにCrの含有量は0.03%以上とする。Crの含有量が0.03%未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、溶接性が低下するとともに、製造コストが高騰する。このため、Crの含有量は0.03〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましいCrの含有量は、0.07〜1.0%、より好ましくは0.2〜0.9%の範囲である。
Mo:0.03〜1.0%
Moは、焼入れ性を高める。また、Moはマルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。本発明において、Moは重要な元素である。また、湿潤状態の土砂等との接触が問題となるような腐食摩耗環境において、Moはアノード反応によりMo酸イオンとして溶出し、インヒビター効果により腐食を抑制することで、耐腐食摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果を得るために、Moの含有量は0.03%以上とする。Moの含有量が0.03%未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、Moの含有量が1.0%を超えると、鋼板の溶接性が低下するうえ、製造コストが高騰する。したがって、Moの含有量は0.03〜1.0%の範囲に限定した。なお、好ましいMoの含有量は0.10〜0.50%、より好ましくは0.20〜0.40%である。
Moは、焼入れ性を高める。また、Moはマルテンサイト相を微細化することにより低温靱性を向上させる効果を有する。本発明において、Moは重要な元素である。また、湿潤状態の土砂等との接触が問題となるような腐食摩耗環境において、Moはアノード反応によりMo酸イオンとして溶出し、インヒビター効果により腐食を抑制することで、耐腐食摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果を得るために、Moの含有量は0.03%以上とする。Moの含有量が0.03%未満では、このような効果を十分に発揮することができない。一方、Moの含有量が1.0%を超えると、鋼板の溶接性が低下するうえ、製造コストが高騰する。したがって、Moの含有量は0.03〜1.0%の範囲に限定した。なお、好ましいMoの含有量は0.10〜0.50%、より好ましくは0.20〜0.40%である。
鋼板がCrとMoを複合して含有することにより、耐腐食摩耗性の顕著な向上を期待できる。これは、CrおよびMoが酸素酸として存在し得るpH領域が異なり、広い範囲のpHを有する湿潤状態の土砂等による腐食摩耗を抑制することができるためであると推定される。
上記した成分が基本の成分である。本発明の耐摩耗鋼板は、上記基本の成分に加えて、さらに、選択元素として、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%、V:0.005〜0.1%のうちから選ばれた1種または2種以上、および/または、Sn:0.005〜0.2%、Sb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種、および/または、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.03〜2.0%、B:0.0003〜0.0030%のうちから選ばれた1種または2種以上、および/または、REM:0.0005〜0.008%、Ca:0.0005〜0.005%、Mg:0.0005〜0.005%のうちから選ばれた1種または2種以上、を選択して含有できる。
Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%、V:0.005〜0.1%のうちから選ばれた1種または2種以上
Nb、Ti、Vはいずれも、析出物として析出し、組織の微細化を介して、靭性を向上させる元素である。本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Nb、Ti、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を含有できる。
Nb、Ti、Vはいずれも、析出物として析出し、組織の微細化を介して、靭性を向上させる元素である。本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Nb、Ti、Vのうちから選ばれた1種または2種以上を含有できる。
Nbは、炭窒化物として析出し、組織の微細化を介して靭性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためにNbの含有量は0.005%以上とする。一方、Nbの含有量が0.1%を超えると、溶接性が低下する場合がある。Nbを含有する場合には、Nbの含有量は0.005〜0.1%の範囲に限定することが好ましい。なお、組織微細化の観点から、Nbの含有量は0.012〜0.03%の範囲とすることがより好ましい。
Tiは、TiNとして析出し、固溶Nの固定を介して靭性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためにTiの含有量は0.005%以上とする。一方、Tiの含有量が0.1%を超えると、粗大な炭窒化物が析出し、靭性が低下する場合がある。Tiを含有する場合には、Tiの含有量は0.005〜0.1%の範囲に限定することが好ましい。なお、コスト低減という観点から、Tiの含有量は0.005〜0.03%の範囲に限定することが好ましい。
Vは、炭窒化物として析出し、組織を微細化する効果を介して靱性向上に寄与する元素である。このような効果を得るために、Vの含有量は0.005%以上とする。一方、Vの含有量が0.1%を超えると、溶接性が低下する場合がある。このため、Vを含有する場合には、Vの含有量は0.005〜0.1%の範囲に限定することが好ましい。
Sn:0.005〜0.2%、Sb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種
Sn、Sbはいずれも、耐腐食摩耗性を向上させる元素であり、本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Sn、Sbのうちから選ばれる1種または2種を含有できる。
Sn、Sbはいずれも、耐腐食摩耗性を向上させる元素であり、本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Sn、Sbのうちから選ばれる1種または2種を含有できる。
Snは、アノード反応によりSnイオンとして溶出し、インヒビター効果により腐食を抑制することで、鋼板の耐腐食摩耗性を向上させる。また、Snは鋼板表面にSnを含む酸化皮膜を形成し、鋼板のアノード反応、カソード反応を抑制することで、鋼板の耐腐食摩耗性を向上させる。これらの効果を得るために、Snの含有量は0.005%以上とする。一方、Snの含有量が0.2%を超えると、鋼板の延性や靱性の劣化を招く場合がある。このため、Snを含有する場合には、Snの含有量は0.005〜0.2%の範囲に限定することが好ましい。なお、トランプエレメントの低減という観点から、Snの含有量は0.005〜0.1%の範囲とすることがより好ましい。
Sbは、鋼板のアノード反応を抑制するとともに、カソード反応である水素発生反応を抑制することで鋼板の腐食を抑制し、鋼板の耐腐食摩耗性を向上させる。このような効果を充分に得るために、Sbの含有量は0.005%以上とする。一方、Sbの含有量が0.2%を超えると靭性の劣化を招く場合がある。このため、Sbを含有する場合には、Sbの含有量は0.005〜0.2%の範囲とすることが好ましい。なお、より好ましいSbの含有量の範囲は、0.005〜0.1%である。
Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.03〜2.0%、B:0.0003〜0.0030%のうちから選ばれた1種または2種以上
Cu、Ni、Bはいずれも、焼入れ性を向上させる元素であり、本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Cu、Ni、Bのうちから選ばれる1種または2種以上を含有できる。
Cu、Ni、Bはいずれも、焼入れ性を向上させる元素であり、本発明の耐摩耗鋼板は、必要に応じて、Cu、Ni、Bのうちから選ばれる1種または2種以上を含有できる。
Cuは、焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るために、Cuの含有量は、0.03%以上とする。一方、Cuの含有量が1.0%を超えると、熱間加工性が低下し、製造コストも高騰する。このため、Cuを含有する場合には、Cuの含有量は0.03〜1.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、コストをより低減するという観点からは、Cuの含有量は0.03〜0.5%の範囲に限定することがより好ましい。
Niは、焼入れ性を向上させるとともに、鋼板の低温靭性向上にも寄与する元素である。このような効果を得るために、Niの含有量は0.03%以上とする。一方、Niの含有量が2.0%を超えると、製造コストが上昇する場合がある。Niを含有する場合、Niの含有量は0.03〜2.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、製造コストをより低減するという観点からは、Niの含有量は0.03〜0.5%の範囲に限定することがより好ましい。
Bは、微量含有で焼入れ性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、Bの含有量は0.0003%以上とする。一方、Bの含有量が0.0030%を超えると鋼板の靭性が低下する場合がある。Bを含有する場合には、Bの含有量は0.0003〜0.0030%の範囲に限定することが好ましい。なお、耐摩耗鋼板の溶接に一般的に使用されるCO2溶接などの低入熱溶接部における低温割れを抑制する観点からは、Bは0.0003〜0.0015%の範囲に限定することがより好ましい。
REM:0.0005〜0.008%、Ca:0.0005〜0.005%、Mg:0.0005〜0.005%のうちから選ばれた1種または2種以上
REM、Ca、Mgはいずれも、Sと結合し硫化物系介在物を生成し、MnSの生成を抑制する元素である。本発明の耐摩耗鋼板は必要に応じて、REM、Ca、Mgうちから選ばれる1種または2種以上を含有できる。
REM、Ca、Mgはいずれも、Sと結合し硫化物系介在物を生成し、MnSの生成を抑制する元素である。本発明の耐摩耗鋼板は必要に応じて、REM、Ca、Mgうちから選ばれる1種または2種以上を含有できる。
REMは、Sを固定し、鋼板の靱性を低下させる原因となるMnSの生成を抑制する。このような効果を得るために、REMの含有量は0.0005%以上とする。一方、REMの含有量が0.008%を超えると、鋼板中の介在物量が増加し、靱性の低下を招く場合がある。REMを含有する場合には、REMの含有量は0.0005〜0.008%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましいREMの含有量の範囲は0.0005〜0.0020%である。
Caは、Sを固定し、靱性低下の原因となるMnSの生成を抑制する。このような効果を得るために、Caの含有量は0.0005%以上とする。一方、Caの含有量が0.005%を超えると、鋼板中の介在物量が増加し、かえって靱性の低下を招く場合がある。Caを含有する場合、Caの含有量は0.0005〜0.005%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましいCaの含有量の範囲は0.0005〜0.0030%である。
Mgは、Sを固定し、鋼板の靱性を低下させる原因となるMnSの生成を抑制する。このような効果を得るために、Mgの含有量は0.0005%以上とする。一方、Mgの含有量が0.005%を超えると、鋼板中の介在物量が増加し、かえって靱性の低下を招く場合がある。Mgを含有する場合には、Mgの含有量は0.0005〜0.005%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましいMgの含有量の範囲は0.0005〜0.0040%である。
本発明の耐摩耗鋼板は、上記した成分を上記した範囲内で、かつDI*が45以上を満足するように含む。DI*は、次(1)式で定義される。なお、DI*の算出に当たっては、(1)式に記載される元素のうち、含有しない元素は零として計算するものとする。
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1) (1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
DI*が45未満では、鋼板表面からの焼入れ深さが10mmを下回り、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。そのため、DI*は45以上に限定した。なお、好ましいDI*の範囲は75以上である。
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1) (1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V:各元素の含有量(質量%))
DI*が45未満では、鋼板表面からの焼入れ深さが10mmを下回り、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。そのため、DI*は45以上に限定した。なお、好ましいDI*の範囲は75以上である。
上記成分以外の残部はFe及び不可避的不純物である。
続いて、本発明の耐摩耗鋼板の組織及び性質について説明する。
本発明の耐摩耗鋼板は、上記した組成を有し、焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト(γ)粒径が30μm以下である組織を有する。また、本発明の耐摩耗鋼板の表面硬さは、ブリネル硬さでHBW10/3000が450以上である。なお、ここでいう「主相」とは、面積率で90%以上である相をいうものとする。
焼入れままマルテンサイト相:面積率で90%以上
焼入れままマルテンサイト相の相分率が、面積率で90%未満では、鋼板が所望の硬さを確保できない。このため、上記面積率が90%未満では、鋼板の耐摩耗性が低下し所望の耐摩耗性を確保できないうえ、十分な低温靭性も確保できない。また、焼戻マルテンサイト相では、焼戻によってセメンタイトが生成する際にCrおよびMoがFeとともに炭化物を形成する。この炭化物の形成により、耐食性確保に有効な固溶CrおよびMoが減少する。このため、マルテンサイト相は焼戻をしない焼入れままマルテンサイト相とする。なお、焼入れままマルテンサイト相の相分率は、好ましくは面積率で95%以上であり、より好ましくは98%以上である。
焼入れままマルテンサイト相の相分率が、面積率で90%未満では、鋼板が所望の硬さを確保できない。このため、上記面積率が90%未満では、鋼板の耐摩耗性が低下し所望の耐摩耗性を確保できないうえ、十分な低温靭性も確保できない。また、焼戻マルテンサイト相では、焼戻によってセメンタイトが生成する際にCrおよびMoがFeとともに炭化物を形成する。この炭化物の形成により、耐食性確保に有効な固溶CrおよびMoが減少する。このため、マルテンサイト相は焼戻をしない焼入れままマルテンサイト相とする。なお、焼入れままマルテンサイト相の相分率は、好ましくは面積率で95%以上であり、より好ましくは98%以上である。
旧γ粒径:30μm以下
焼入れままマルテンサイト相の相分率が面積率で90%以上を確保できても、旧γ粒径が30μmを超えて粗大となると、やはり鋼板の低温靭性が低下する。なお、旧γ粒径は、ピクリン酸腐食液で腐食した組織を光学顕微鏡(倍率:400倍)で観察し、JIS G0551の規定に準拠して求めた値を用いるものとする。
焼入れままマルテンサイト相の相分率が面積率で90%以上を確保できても、旧γ粒径が30μmを超えて粗大となると、やはり鋼板の低温靭性が低下する。なお、旧γ粒径は、ピクリン酸腐食液で腐食した組織を光学顕微鏡(倍率:400倍)で観察し、JIS G0551の規定に準拠して求めた値を用いるものとする。
また、上記した組成、組織を有する本発明の耐摩耗鋼板の表面硬さは、ブリネル硬さHBW10/3000で450以上である。
表面硬さ:ブリネル硬さHBW10/3000で450以上
表面硬さがブリネル硬さHBW10/3000で450未満では、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。このため、表面硬さはブリネル硬さHBW10/3000で450以上とした。なお、ブリネル硬さは、JIS Z 2243の規定に準拠して測定するものとする。
表面硬さがブリネル硬さHBW10/3000で450未満では、耐摩耗鋼板としての寿命が短くなる。このため、表面硬さはブリネル硬さHBW10/3000で450以上とした。なお、ブリネル硬さは、JIS Z 2243の規定に準拠して測定するものとする。
次に、本発明の耐摩耗鋼板の好ましい製造方法について説明する。
上記した組成の鋼素材を鋳造後、所定の温度を保持している場合には冷却せずにそのまま、あるいは冷却して再加熱し、熱間圧延して、所望の寸法形状の鋼板とする。
なお、鋼素材の製造方法は、とくに限定する必要はない。上記した組成の溶鋼(molten steel)を、転炉等の公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法(continuous casting)等の公知の鋳造方法で所定寸法のスラブ(slab)等の鋼素材とすることが好ましい。なお、造塊(ingot casting)−分塊圧延法(blooming method)で鋼素材としてもよいことは言うまでもない。
再加熱温度:950〜1250℃
再加熱温度が950℃未満では、変形抵抗(deformation resistance)が高くなりすぎて圧延負荷が過大となり、熱間圧延ができなくなる場合がある。一方、再加熱温度が1250℃を超える高温では、結晶粒の粗大化が著しくなり、所望の高靭性を確保できなくなる場合がある。このため、再加熱温度は950〜1250℃の範囲に限定することが好ましい。
再加熱温度が950℃未満では、変形抵抗(deformation resistance)が高くなりすぎて圧延負荷が過大となり、熱間圧延ができなくなる場合がある。一方、再加熱温度が1250℃を超える高温では、結晶粒の粗大化が著しくなり、所望の高靭性を確保できなくなる場合がある。このため、再加熱温度は950〜1250℃の範囲に限定することが好ましい。
再加熱された鋼素材は、あるいは再加熱することなく、所定の温度を保持した鋼素材は、ついで、熱間圧延を施して、所望の寸法形状の鋼板とする。熱間圧延条件はとくに限定する必要はない。熱間圧延終了後、直ちに焼入れる直接焼入れ処理を施すことが好ましい。なお、焼入れ開始温度は、Ar3変態点以上の温度とすることが好ましい。焼入れ開始温度をAr3変態点以上の温度とするためには、熱間圧延終了温度は、Ar3変態点以上の温度である800℃以上とすることが好ましい。また、熱間圧延終了温度が高すぎると結晶粒が粗大化する場合があるため、熱間圧延終了温度は950℃以下とすることが好ましい。焼入れの冷却速度は、マルテンサイト相が形成される冷却速度以上であれば特に限定されない。マルテンサイト相が自己焼戻(オートテンパー)され、マルテンサイトの体積率が減少し、焼戻によってセメンタイトが生成する際にCrおよびMoがFeとともに炭化物を形成し、耐食性確保に有効な固溶CrおよびMoが減少することを防止するため、冷却速度は可能な範囲で高い方が望ましい。板厚5〜15mmでは65〜75℃/sで、板厚16〜22mmでは40〜55℃/sで、板厚22〜28mmでは30〜40℃/sで、板厚29〜35mmでは20〜30℃/sで冷却するのが望ましい。さらに、冷却停止温度は300℃以下とすることが好ましく、より好ましくは200℃以下である。なお、本明細書において冷却速度とは、鋼板中央の部分の温度を熱伝達−熱伝導計算により求めた冷却速度である。
また、熱間圧延終了後、直ちに焼入れる直接焼入れ処理に代えて、熱間圧延終了後放冷(空冷)した後、所定の加熱温度に再加熱し、さらに焼入れる処理としてもよい。なお、再加熱温度としては、850〜950℃とすることが望ましい。再加熱後の焼入れの冷却速度は、マルテンサイト相が形成される冷却速度以上であればとくに限定されない。マルテンサイト相が自己焼戻(オートテンパー)され、マルテンサイトの体積率が減少し、焼戻によってセメンタイトが生成する際にCrおよびMoがFeとともに炭化物を形成し、耐食性確保に有効な固溶CrおよびMoが減少することを防止するため、冷却速度は可能な範囲で高い方が望ましく、板厚5〜15mmでは65〜75℃/sで、板厚16〜22mmでは40〜55℃/sで、板厚22〜28mmでは30〜40℃/sで、板厚29〜35mmでは20〜30℃/sで冷却するのが望ましい。さらに、マルテンサイト相が自己焼戻(オートテンパー)されるのを防止するため、冷却停止温度は300℃以下とすることが好ましく、より好ましくは200℃以下である。
なお、焼入れままマルテンサイト組織とするため上記した処理後に、焼戻処理を施さない。
以下、実施例に基づきさらに本発明について説明する。
表1に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋳型で鋳造し、150kgf鋼塊(鋼素材)とした。これら鋼素材を、表2(表2−1、表2−2、表2−3)に示す加熱温度に再加熱したのち、表2に示す条件で熱間圧延した。ついで、一部の鋼板については、表2に示す条件で、熱間圧延終了後直ちに焼入れ(直接焼入れ)する直接焼入れ処理(DQ)を行った。また、他の鋼板については、表2に示す条件で、熱間圧延終了後空冷し、さらに表2に示す温度に再加熱したのち、焼入れする再加熱焼入れ処理(RQ)を行った。なお、表2−3に示す例においては、DQ又はRQでの、800℃から500℃までの冷却速度も示した。一般的に、通常のC-Mn鋼では冷却中の変態がほぼ800℃で始まり、500℃付近で完了する。このため、800℃から500℃までの冷却速度は鋼の変態挙動に大きく影響する。したがって、800℃から500℃までの冷却速度は鋼の変態挙動を推定するための代表的な冷却速度として広く用いられている。
得られた鋼板から、試験片を採取し、組織観察、表面硬さ試験、シャルピ−衝撃試験、耐腐食摩耗試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。また、組織観察、表面硬さ試験、シャルピ−衝撃試験、耐腐食摩耗試験の結果は表3(表3−1、表3−2、表3−3)に示した。
(1)組織観察
先ず、得られた鋼板の板厚1/2位置から、観察面が圧延方向に対して平行方向断面になるように組織観察用試験片を採取した。次いで、組織観察用試験片の観察面を研磨し、ピクリン酸腐食液で腐食させて旧γ粒を現出させた。次いで、光学顕微鏡(倍率:400倍)で観察面を観察し、各100個の旧γ粒の円相当径を測定し、得られた値を算術平均した。この平均値をその鋼板の旧γ粒径とした。
(1)組織観察
先ず、得られた鋼板の板厚1/2位置から、観察面が圧延方向に対して平行方向断面になるように組織観察用試験片を採取した。次いで、組織観察用試験片の観察面を研磨し、ピクリン酸腐食液で腐食させて旧γ粒を現出させた。次いで、光学顕微鏡(倍率:400倍)で観察面を観察し、各100個の旧γ粒の円相当径を測定し、得られた値を算術平均した。この平均値をその鋼板の旧γ粒径とした。
また、得られた鋼板の板厚1/4位置から、同様に薄膜状試片(透過電子顕微鏡組織観察用試験片)を採取した。次いで、薄膜状試片を研削、研磨(機械研磨、電解研磨)により薄膜とした。次いで、透過電子顕微鏡(倍率:20000倍)により上記薄膜を各20視野観察し、セメンタイトの析出していない領域をマルテンサイト相領域とし、その面積を測定し、組織全体に対する割合(%)で表示した。この割合をマルテンサイト分率(面積率)とした。なお、セメンタイトが析出した相についてもその種類について判定した。
(2)表面硬さ試験
得られた鋼板から、表面硬さ測定用試験片を採取し、JIS Z 2243(1998)の規定に準拠し、表面硬さHBW10/3000を測定した。硬さ測定は、10mmのタングステン硬球を使用し、荷重は3000kgfとした。
得られた鋼板から、表面硬さ測定用試験片を採取し、JIS Z 2243(1998)の規定に準拠し、表面硬さHBW10/3000を測定した。硬さ測定は、10mmのタングステン硬球を使用し、荷重は3000kgfとした。
(3)シャルピー衝撃試験
得られた鋼板の板厚1/4位置で、圧延方向に垂直な方向(C方向)からVノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242(1998)の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施した。試験温度が−40℃の条件での吸収エネルギーvE−40(J)を求めた。なお、試験片本数は各3本とし、その算術平均を当該鋼板の吸収エネルギーvE−40とした。vE−40が30J以上である鋼板を靱性に優れる鋼板と評価した。
得られた鋼板の板厚1/4位置で、圧延方向に垂直な方向(C方向)からVノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242(1998)の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施した。試験温度が−40℃の条件での吸収エネルギーvE−40(J)を求めた。なお、試験片本数は各3本とし、その算術平均を当該鋼板の吸収エネルギーvE−40とした。vE−40が30J以上である鋼板を靱性に優れる鋼板と評価した。
(4)耐腐食摩耗試験
得られた鋼板の表面から1mmの位置から摩耗試験片(大きさ:10mm厚×25mm幅×75mm長さ)を採取した。これら試験片を摩耗試験機に装着し、摩耗試験を実施した。
得られた鋼板の表面から1mmの位置から摩耗試験片(大きさ:10mm厚×25mm幅×75mm長さ)を採取した。これら試験片を摩耗試験機に装着し、摩耗試験を実施した。
摩耗試験片は、試験機回転子の回転軸と垂直に、かつ25mm×75mmの面が回転円の円周接線方向となるように、取り付けた後、試験片および回転子を外槽で覆い、内部に摩耗材を導入した。平均粒径0.65mmの硅砂および濃度が15000質量ppmとなるよう調製したNaCl水溶液を、硅砂とNaCl水溶液の重量比が3:2となるよう混合したものを摩耗材として用いた。
試験条件は、回転子:600回/分、外槽:45回/分でそれぞれ回転させる条件とした。回転子の回転数が、計10800回となるまで回転させたのち、試験を終了した。試験終了後、各試験片の重量を測定した。そして、試験後重量と初期重量との差(=重量減少量)を算出し、引張り強さ400MPa級一般構造用圧延鋼材SS400(Rolled steels for general structure, Tensile strength 400MPa class ) (JIS G3101)(従来例)の重量減少量を基準値とし、耐摩耗比(=(基準値)/(試験片の重量減少量))を算出した。耐摩耗比が1.5以上である場合を「耐腐食摩耗性に優れる」と評価した。
本発明例はいずれも、表面硬さがHBW10/3000で450以上という高い表面硬さ、vE−40:30J以上の優れた低温靱性および耐摩耗比:1.5以上の優れた耐腐食摩耗性を有している。さらに、高い冷却速度で冷却された鋼板はマルテンサイト分率が高くなる。特に、マルテンサイト分率が98%以上の鋼板は、冷マルテンサイト分率が98%未満の同じ成分組成の鋼板に比べ、特に優れた耐腐食摩耗性を有している。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、表面硬さが低いか、低温靱性が低下しているかあるいは耐腐食摩耗性が低下しているか、あるいはそれらの2つ以上が低下している。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.23〜0.35%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.1〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.005%以下、Al:0.005〜0.100%、Cr:0.03〜2.0%、Mo:0.03〜1.0%を、下記(1)式で定義されるDI*が45以上を満足するように含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
焼入れままマルテンサイト相を主相とし、旧オーステナイト粒径が30μm以下である組織を有し、
表面硬さが、ブリネル硬さHBW10/3000で450以上であることを特徴とする低温靱性および耐腐食摩耗性に優れた耐摩耗鋼板。
(式)
DI*=33.85×(0.1×C)0.5×(0.7×Si+1)×(3.33×Mn+1)×(0.35×Cu+1)×(0.36×Ni+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(1.75×V+1)‥‥‥(1)
(式(1)中の、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo及びVは各元素の含有量(質量%)である。) - 上記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.1%及びV:0.005〜0.1%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗鋼板。
- 上記組成に加えてさらに、質量%で、Sn:0.005〜0.2%及びSb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗鋼板。
- 上記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.03〜2.0%及びB:0.0003〜0.0030%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
- 上記組成に加えてさらに、質量%で、REM:0.0005〜0.008%、Ca:0.0005〜0.005%及びMg:0.0005〜0.005%のうちから選ばれた1種または2種以上含有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
- 前記焼入れままマルテンサイト相の含有量が、体積率で98%以上であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の耐摩耗鋼板。
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