WO2016170866A1 - チゼル用鋼およびチゼル - Google Patents

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hardness
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英治 聒田
章裕 落合
常陰　典正
裕子 永木
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Sanyo Special Steel Co Ltd
Komatsu Ltd
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Sanyo Special Steel Co Ltd
Komatsu Ltd
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    • E21B10/50—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type
    • E21B10/52—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of roller type with chisel- or button-type inserts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2222/00—Materials of the tool or the workpiece
    • B25D2222/21—Metals
    • B25D2222/42—Steel

Definitions

  • the present invention relates to chisel steel and chisel.
  • the hydraulic breaker is attached to the tip of the arm of the work machine and is used for crushing bedrock, concrete, furnace walls, steel slag, etc.
  • a chisel driven in the axial direction by a piston crushes the rock mass or the like.
  • the material (steel) constituting the chisel is required to have high wear resistance.
  • the chisel which is a rod-shaped member may break due to an impact when crushing the rock mass or the like. From the viewpoint of suppressing breakage, the steel constituting the chisel is also required to have high toughness.
  • Patent Document 1 Steels for chisel whose component composition is adjusted with the intention of achieving both wear resistance and toughness have been proposed (for example, JP-A-5-214485 (Patent Document 1) and JP-A-8-199287. Gazette (Patent Document 2) and JP-A-11-131193 (Patent Document 3)).
  • the present invention has been made to meet such demands, and an object of the present invention is to provide a steel for chisel and a chisel that can achieve improved durability.
  • the steel for chisel according to the present invention is steel to be used as a material constituting the chisel.
  • This steel for chisel is made from 0.40% by mass to 0.45% by mass of carbon, 0.50% by mass to 0.80% by mass of silicon, and 1.00% by mass to 1.30% by mass.
  • the balance consists of iron and inevitable impurities.
  • the value of the ideal critical diameter DI defined by the formula (1) is 600 or more.
  • DI 7 ⁇ (% C) 1/2 ⁇ (1 + 0.64 ⁇ % Si) ⁇ (1 + 4.1 ⁇ % Mn) ⁇ (1 + 2.83 ⁇ % P) ⁇ (1-0.62 ⁇ % S) ⁇ (1 + 2.33 ⁇ % Cr) ⁇ (1 + 3.14 ⁇ % Mo) (1)
  • the inventors of the present invention examined a measure for improving the durability of the chisel.
  • the chisel is damaged due to breakage in addition to wear and breakage due to contact with the rock or the like. Breakage is damage in which the vicinity of the tip of the chisel is chipped, unlike breakage in which the chisel is broken by impact.
  • the breakage is not a damage that causes the chisel to become unusable immediately like a breakage, but substantially suffers damage similar to a situation in which the tip of the chisel is worn rapidly. According to the study by the present inventors, in the chisel used in a harsh environment, this breakage and wear are important factors in the chisel damage.
  • the temperature at the tip of the chisel rises to about 600 ° C. when crushing the rock.
  • the wear resistance can be improved by increasing the hardness.
  • Steel hardness decreases with increasing temperature. Therefore, wear of the chisel can be suppressed by increasing the hardness at a high temperature of about 600 ° C.
  • the hardness of steel at a high temperature has a one-to-one relationship with the hardness of steel tempered at that temperature at room temperature. Therefore, the wear resistance of the chisel material used in harsh environments can be evaluated by the hardness at room temperature after tempering at a high temperature (600 ° C.).
  • breakage occurs at a relatively low temperature where the impact value of the chisel decreases.
  • the damage of chisel used under harsh environment is relatively low when it is cooled once after the tip reaches a high temperature (temperature of about 600 ° C.) during use and then used again. Occurs in the state. Therefore, the breakage resistance of the chisel material used in a harsh environment can be evaluated by the impact value at room temperature after tempering at a high temperature (600 ° C.).
  • the hardness distribution in the radial direction is also important.
  • sufficient hardening from the surface layer portion to the core portion (radially central portion) is related to the hardenability of the steel constituting the chisel. It can be difficult.
  • the sufficiently hardened and hardened region is limited to the surface layer portion, the region that is not sufficiently hardened by hardening due to wear of the surface layer portion or the like is exposed. If it does so, wear will advance rapidly. Therefore, it is also important to ensure sufficient hardenability in the chisel steel constituting the chisel used in harsh environments.
  • the impact value is improved while maintaining high hardness at normal temperature after tempering at a high temperature (600 ° C.), and sufficient hardenability is ensured. It is possible to obtain a steel for chisel that is suitable as a material used in a rough environment.
  • the present inventors considered the hardness 32HRC at room temperature after tempering at 600 ° C. in consideration of the wear resistance, fracture resistance and hardness of the core required for the chisel in the actual use environment. As described above, the impact value of 80 J / cm 2 or more was achieved, and the hardness of the core after tempering at 210 ° C. was set to 45 HRC as a target value. And the component composition of steel which can achieve the target value was examined. As a result, it has become clear that this target value can be achieved with the steel having the above component composition, and the present invention has been conceived.
  • core hardness of 45 HRC or more is achieved by performing quenching and tempering treatment on steel in which carbon, silicon, manganese, sulfur, chromium and molybdenum and phosphorus contained as impurities are adjusted to the above composition. Can do. Further, in a state where the tempering process is further performed at 600 ° C. assuming the use environment, the hardness at normal temperature can be 32 HRC or more and the impact value can be 80 J / cm 2 or more. Thus, according to the steel for chisel of the present invention, improvement in durability can be achieved.
  • the DI value defined by the formula (1) is 600 or more.
  • the DI value needs to be 600 or more.
  • DI 7 ⁇ (% C) 1/2 ⁇ (1 + 0.64 ⁇ % Si) ⁇ (1 + 4.1 ⁇ % Mn) ⁇ (1 + 2.83 ⁇ % P) ⁇ (1-0.62 ⁇ % S) ⁇ (1 + 2.33 ⁇ % Cr) ⁇ (1 + 3.14 ⁇ % Mo) (1)
  • the value of ⁇ defined by the formula (2) may be 2.0 or more and 2.4 or less. Thereby, it becomes possible to make the hardness and impact value after high-temperature tempering compatible at a high level, and the durability of the chisel can be further improved.
  • % C,% Si,% Mn,% P,% S,% Cr and% Mo are carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium and steel in steel, respectively. It means a numerical value when the ratio of molybdenum is expressed in mass%. Phosphorus is contained in steel as an impurity.
  • the chisel according to the present invention has carbon of 0.40 to 0.45% by mass, silicon of 0.50 to 0.80% by mass, and 1.00 to 1.30% by mass of silicon. % Manganese, 0.001% to 0.005% sulfur, 2.90% to 3.80% chromium, and 0.20% to 0.40% by weight chromium. Molybdenum, and the balance of iron and inevitable impurities, and the ideal critical diameter DI defined by the above formula (1) is 600 or more.
  • the steel may have an ⁇ value defined by the formula (2) of 2.0 or more and 2.4 or less.
  • the surface hardness at room temperature after being heated to 600 ° C. may be 32 HRC or more, and the impact value of the region including the surface may be 80 J / cm 2 or more. Thereby, the chisel excellent in durability can be provided.
  • the chisel may have a hardness at the core of 45 HRC or more. Thereby, the chisel which was further excellent in durability can be provided.
  • Carbon 0.40 mass% or more and 0.45 mass% or less Carbon is an element having a great influence on the hardness of steel.
  • the carbon content is less than 0.40% by mass, it is difficult to obtain hardness at a high temperature necessary to ensure sufficient wear resistance.
  • the carbon content exceeds 0.45% by mass, the toughness decreases, and it becomes difficult to obtain an impact value at a high temperature necessary to ensure sufficient fracture resistance. Therefore, the carbon content needs to be in the above range.
  • Silicon 0.50% by mass or more and 0.80% by mass or less Silicon in addition to the effects of improving the hardenability of the steel, strengthening the steel matrix, improving the temper softening resistance, etc. An element having an acid effect. If the silicon content is less than 0.50% by mass, the above effect cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the silicon content exceeds 0.80% by mass, the impact value after high-temperature tempering tends to decrease. Therefore, the silicon content needs to be in the above range.
  • the silicon content is preferably 0.60% by mass or more.
  • Manganese 1.00% by mass to 1.30% by mass
  • Manganese is an element that is effective in improving the hardenability of steel and has a deoxidizing effect in the steelmaking process. From the viewpoint of enabling hardening from the chisel surface to the core in the quenching treatment, the manganese content needs to be 1.00% by mass or more. On the other hand, when the manganese content exceeds 1.30% by mass, grain boundary segregation of manganese may become prominent, and therefore the manganese content needs to be 1.30% by mass or less.
  • the manganese content is preferably 1.20% by mass or less.
  • Sulfur 0.001 mass% or more and 0.005 mass% or less
  • Sulfur is an element that improves the machinability of steel.
  • sulfur is an element that is mixed even if not intentionally added in the steel making process. When the sulfur content is less than 0.001% by mass, the manufacturing cost of steel increases.
  • the sulfur content greatly affects the impact value after high temperature tempering, that is, breakage resistance. When sulfur content exceeds 0.005 mass%, it will become difficult to make the impact value after high-temperature tempering into 80 J / cm ⁇ 2 > or more.
  • the sulfur content it is necessary to allow the sulfur content to be 0.005 mass% or less while allowing a certain degree of machinability to be lowered.
  • the sulfur content By setting the sulfur content to 0.004% by mass or less, the impact value after high-temperature tempering can be further improved.
  • Chromium 2.90 mass% or more and 3.80 mass% or less Chromium improves the hardenability of the steel. From the viewpoint of enabling hardening from the surface of the chisel to the core in the quenching process, the chromium content needs to be 2.90% by mass or more. On the other hand, if chromium is added excessively, there is a risk of causing fire cracks. From the viewpoint of avoiding the occurrence of burning cracks, the chromium content needs to be 3.80% by mass or less. The chromium content is preferably 3.60% by mass or less.
  • Molybdenum 0.20 mass% or more and 0.40 mass% or less Molybdenum improves hardenability and temper softening resistance. Molybdenum also has a function of improving high temperature temper brittleness. When the molybdenum content is less than 0.20% by mass, these effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the molybdenum content exceeds 0.40% by mass, the above effect is saturated. Therefore, the molybdenum content needs to be in the above range. By making the molybdenum content 0.35% by mass or less, the manufacturing cost of steel can be reduced.
  • the chisel steel and chisel of the present invention can provide the chisel steel and chisel capable of achieving improved durability.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a hydraulic breaker.
  • a hydraulic breaker 1 in the present embodiment includes a chisel 10, a piston 20, and a frame 30.
  • the chisel 10 has a rod shape.
  • the chisel 10 includes a base portion 12 having a cylindrical shape, and a reduced diameter portion 11 that is connected to the base portion 12 and has a cross-sectional area that decreases in a cross section perpendicular to the axial direction as approaching the tip 11A.
  • a proximal-side plane portion 12A that is a plane portion that intersects the axial direction is formed on the proximal end side opposite to the distal end 11A in the axial direction.
  • the side of the chisel 10 that is close to the base end side plane portion 12 ⁇ / b> A is surrounded by the frame 30, and the side that is close to the distal end 11 ⁇ / b> A protrudes from the frame 30.
  • a recess 12B is formed in the area of the chisel 10 surrounded by the frame 30, .
  • a stopper pin 50 is disposed in the area of the inner peripheral surface of the frame 30 corresponding to the recess 12B.
  • the piston 20 has a rod-like shape.
  • the piston 20 is disposed in a region surrounded by the frame 30.
  • the piston 20 is disposed coaxially with the chisel 10.
  • the chisel 10 and the piston 20 are arranged so that the front end side plane portion 21 of the piston 20 and the base end side plane portion 12A of the chisel face each other.
  • the piston 20 is held so as to be movable relative to the frame 30 in the axial direction.
  • the striking force is transmitted to the chisel 10 when the piston 20 moves in the axial direction and strikes the chisel 10.
  • the striking force is transmitted from the piston 20 to the chisel 10 when the tip side flat surface portion 21 of the piston 20 contacts the base end side flat surface portion 12A of the chisel 10 in the striking chamber 31 formed on the inner peripheral side of the frame 30. Is done.
  • the chisel 10 crushes the rock and the like by the transmitted impact force.
  • An oil chamber 32 is formed between the piston 20 and the frame 30 for hydraulic oil to drive the piston 20 to enter.
  • a control valve mechanism 40 is installed on the side surface of the frame 30. When the hydraulic oil is supplied from the control valve mechanism 40 to the oil chamber 32, the piston 20 is driven in the axial direction, and the piston 20 strikes the chisel 10. The chisel 10 crushes the rock or the like by the striking force transmitted from the piston 20.
  • the chisel 10 includes 0.40% by mass to 0.45% by mass of carbon, 0.50% by mass to 0.80% by mass of silicon, and 1.00% by mass to 1.30%.
  • the following molybdenum is contained, the balance is made of iron and inevitable impurities, and the steel is made of steel for chisel whose ideal critical diameter DI defined by the formula (1) is 600 or more.
  • the chisel 10 in the present embodiment has a surface hardness of 32 HRC or more at room temperature after being heated to 600 ° C., and an impact value of a region including the surface is 80 J / Cm 2 or more. Further, the chisel 10 has a hardness at the core (a hardness after tempering for the purpose of removing distortion after quenching) of 45 HRC or more. Therefore, the chisel 10 in the present embodiment is excellent in durability under a harsh environment.
  • the value of ⁇ defined by the formula (2) may be 2.0 or more and 2.4 or less. Thereby, it becomes possible to make the hardness and impact value after high-temperature tempering compatible at a high level, and the durability of the chisel 10 can be further improved.
  • the content of phosphorus contained as impurities is preferably 0.020% by mass or less. Thereby, the influence on the toughness of phosphorus can be suppressed.
  • the phosphorus content is more preferably 0.015% by mass or less. Thereby, the impact value after tempering at high temperature can be improved, and the crack resistance of the steel for chisel can be further improved.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an outline of the chisel manufacturing process.
  • a steel material preparation step is first performed as a step (S10).
  • this step (S10) for example, a steel material having the component composition of the chisel steel and having a solid cylindrical shape is prepared.
  • a processing step is performed as a step (S20).
  • processing such as cutting is performed on the steel material prepared in step (S10).
  • the molded object which has the approximate shape of the chisel 10 of this Embodiment is obtained.
  • a quenching process is performed as a process (S30).
  • a quenching process is performed on the molded body obtained in step (S20).
  • the quenching treatment is performed, for example, by heating the molded body to a temperature of about 870 ° C. in an atmosphere furnace and then cooling with oil or water.
  • a tempering step is performed as a step (S40).
  • a tempering process is performed on the molded body that has been quenched in the process (S30).
  • a tempering process is implemented by air-cooling, for example, after a molded object is heated at 210 degreeC in a heating furnace.
  • a finishing step is performed as a step (S50).
  • finishing processes such as cutting, grinding, shot blasting, and painting are performed as necessary on the compact that has been tempered in step (S40).
  • the chisel 10 of the present embodiment can be manufactured by the above procedure.
  • the chisel according to the present embodiment is obtained by processing a steel material made of chisel steel having the above component composition to produce a formed body, performing a heat treatment, and then performing a finishing treatment as necessary. 10 can be obtained.
  • the chisel 10 has excellent wear resistance and crack resistance even when used in a harsh environment where the temperature of the tip rises to about 600 ° C. and is tempered.
  • steel materials having the component composition shown in Table 1 below were prepared. And after quenching by implementing quenching from 870 degreeC about each steel material, the sample which heated at 200 degreeC and implemented the tempering process was produced. And assuming the use environment of a chisel, each sample was heated to 600 degreeC and the tempering process was implemented. The hardness and impact value of each obtained sample were measured. The hardness was measured with a Rockwell hardness meter. The impact value was measured by a 2 mm V notch Charpy impact test (test piece shape: length 55 mm, square cross section with side 10 mm, notch depth 2 mm, notch angle 45 °, notch bottom radius 0.25 mm).
  • Table 1 shows carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), phosphorus (P), sulfur (S), chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), vanadium (
  • the values of V), titanium (Ti), and boron (B) are described in units of mass%.
  • the balance is iron and inevitable impurities.
  • Phosphorus is an inevitable impurity, but it is shown in the table in consideration of the large impact on the impact value.
  • Table 1 lists the hardness (HRC) and impact value (unit: J / cm 2 ) obtained as a result of the above experiment.
  • Table 1 lists the value of the ideal critical diameter DI defined by the above formula (1). Further, Table 1 describes the value of ⁇ defined by the formula (2).
  • FIG. 3 shows the relationship between the hardness and impact value of samples made from each steel.
  • the horizontal axis represents the hardness at room temperature after tempering at 600 ° C.
  • the vertical axis represents the impact value at room temperature after tempering at 600 ° C.
  • the data points of the sample of the example are indicated by circles
  • the data points of the sample of the comparative example are indicated by diamonds.
  • the materials A to E which are chisel steels according to the present invention, achieved a target hardness after tempering at 600 ° C. of 32 HRC or more and an impact value of 80 J / cm 2 or more. Yes.
  • the material of the comparative example whose ⁇ value is out of the range of 2.0 or more and 2.4 or less is lower than the target value in hardness or impact value except for the material F.
  • the material of the example whose ⁇ value is in the range of 2.0 or more and 2.4 or less achieves both the target values of hardness and impact value.
  • the material F is below the target value of 600 in DI value.
  • the material F has insufficient hardenability.
  • Example A a solid cylindrical steel material having a diameter of 160 mm having a component composition shown in Table 2 below was prepared. And after implementing the quenching process about each steel material, the sample which heated at 210 degreeC and implemented the tempering process was produced. About Example A, it quenched by oil-cooling from 880 degreeC. For Example B, quenching was performed by water cooling from 880 ° C. For Comparative Examples A and B, quenching was performed by water cooling from 870 ° C. Comparative Examples A and B have the same component composition as the materials N and M in Table 1 above. Materials N and M correspond to the component composition of steel currently used as chisel steel.
  • the horizontal axis corresponds to the distance from the surface
  • the vertical axis corresponds to the hardness.
  • the horizontal axis corresponds to the distance from the surface
  • the vertical axis corresponds to the hardness.
  • the steel of the comparative example which is the current steel and the DI value is less than 600
  • only the surface layer portion is sufficiently hardened and hardened and hardened in the core portion. It has become.
  • the hardness at the core is below 45 HRC.
  • Example A is oil-quenched, it has a hardness distribution comparable to Example B, which is water-quenched.
  • the hardness in the core part of Examples A and B is 45 HRC or more.
  • the hardness is in the range of 49 to 54 HRC throughout the cross section. In Examples A and B, a uniform hardness distribution is obtained.
  • the chisel steel can also be used as steel constituting the stopper pin 50 with reference to FIG.
  • the chisel and chisel steel of the present invention can be applied particularly advantageously as a chisel and its material used in harsh environments.

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Abstract

本発明は、耐久性を向上させたチゼル用鋼及びチゼルを提供する。本発明に係るチゼル（１０）を構成する鋼は、０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上であることを特徴とする。　ＤＩ＝７・（％Ｃ）１／２・（１＋０．６４・％Ｓｉ）・（１＋４．１・％Ｍｎ）・（１＋２．８３・％Ｐ）・（１－０．６２・％Ｓ）・（１＋２．３３・％Ｃｒ）・（１＋３．１４・％Ｍｏ）・・・（１）

Description

チゼル用鋼およびチゼル
　本発明はチゼル用鋼およびチゼルに関するものである。
　油圧ブレーカは、作業機械のアームの先端に取り付けられ、岩盤、コンクリート、炉壁、製鉄スラグ等の破砕に使用される。油圧ブレーカにおいては、ピストンにより軸方向に駆動されるチゼルが岩盤等を破砕する。硬度の高い岩盤等との接触による摩耗を抑制するため、チゼルを構成する材料（鋼）には高い耐摩耗性が要求される。また、棒状の部材であるチゼルは、岩盤等を破砕する際の衝撃により折損する場合がある。折損を抑制する観点から、チゼルを構成する鋼には、高い靱性も要求される。耐摩耗性と靱性とを両立することを意図して成分組成が調整されたチゼル用鋼が提案されている（たとえば、特開平５－２１４４８５号公報（特許文献１）、特開平８－１９９２８７号公報（特許文献２）および特開平１１－１３１１９３号公報（特許文献３）参照）。
特開平５－２１４４８５号公報 特開平８－１９９２８７号公報 特開平１１－１３１１９３号公報
　油圧ブレーカの使用条件はより過酷になっており、チゼルの耐久性向上の要求がある。そのため、チゼルの耐久性を一層向上させるチゼル用鋼が必要である。
　本発明はこのような要求に対応するためになされたものであって、その目的は、耐久性の向上を達成することが可能なチゼル用鋼およびチゼルを提供することである。
　本発明に従ったチゼル用鋼は、チゼルを構成する材料として用いられるべき鋼である。このチゼル用鋼は、０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上である。
　ＤＩ＝７・（％Ｃ）１／２・（１＋０．６４・％Ｓｉ）・（１＋４．１・％Ｍｎ）・（１＋２．８３・％Ｐ）・（１－０．６２・％Ｓ）・（１＋２．３３・％Ｃｒ）・（１＋３．１４・％Ｍｏ）・・・（１）
　本発明者らは、チゼルの耐久性を向上させるための方策について検討を行った。そして、過酷な環境下で使用されるチゼルにおいては、岩盤等との接触による摩耗や折損のほかに、割損によるチゼルの損傷が発生する点に本発明者らは着眼した。割損は、チゼルが衝撃により破断する折損とは異なり、チゼルの先端付近が欠ける損傷である。割損は、折損のようにチゼルが直ちに使用不能となる損傷ではないが、実質的にチゼルの先端が急激に摩耗する状態と同様の損傷を受けることとなる。本発明者らの検討によれば、過酷な環境下で使用されるチゼルにおいては、この割損と摩耗とがチゼルの損傷において重要な要因となる。
　過酷な環境下で使用されるチゼルにおいては、岩盤等を破砕する際に、その先端部の温度が６００℃程度にまで上昇する。ここで、耐摩耗性は、硬度を上昇させることにより向上させることができる。鋼の硬度は温度の上昇に伴って低下する。そのため、チゼルの摩耗は、６００℃程度の高温での硬度を上昇させることにより抑制することができる。一般に鋼の高温での硬度は、当該温度にて焼戻された鋼の常温での硬度と一対一の関係を有する。したがって、過酷な環境下で使用されるチゼルの材料の耐摩耗性は、高温（６００℃）での焼戻後の常温での硬度により評価することができる。
　一方、割損は、チゼルの衝撃値が低下する比較的低温において発生する。過酷な環境下において使用されるチゼルの割損は、使用の際に先端部が高温（６００℃程度の温度）になった後、一旦冷却され、その後再度使用される際に比較的温度の低い状態で発生する。したがって、過酷な環境下で使用されるチゼルの材料の耐割損性は、高温（６００℃）での焼戻後の常温での衝撃値により評価することができる。
　さらに、過酷な環境下で使用されるチゼルにおいては、径方向における硬度分布も重要である。特に、大型のチゼル（たとえば直径１５０ｍｍを超えるチゼル）においては、表層部から芯部（径方向中央部）まで十分に焼入硬化させることは、チゼルを構成する鋼の焼入性との関係で難しい場合がある。十分に焼入硬化された領域が表層部に限定される場合、表層部の摩耗等によって十分に焼入硬化していない領域が露出する。そうすると、摩耗が急激に進行することとなる。そのため、過酷な環境下で使用されるチゼルを構成するチゼル用鋼においては、十分な焼入性を確保することも重要である。
　つまり、本発明者らの検討によれば、高温（６００℃）での焼戻後の常温において高い硬度を維持しつつ衝撃値を向上させるとともに、十分な焼入性を確保することで、過酷な環境下において使用される材料として好適なチゼル用鋼を得ることができる。
　この知見に基づき、本発明者らは、実際の使用環境においてチゼルに求められる耐摩耗性、耐割損性および芯部における硬度を考慮し、６００℃での焼戻後の常温での硬度３２ＨＲＣ以上、かつ衝撃値８０Ｊ／ｃｍ２以上を達成するとともに、２１０℃での焼戻後の芯部における硬度を４５ＨＲＣとすることを目標値として設定した。そして、当該目標値を達成可能な鋼の成分組成を検討した。その結果、上記成分組成を有する鋼によりこの目標値を達成可能であることが明らかとなり、本発明に想到した。すなわち、炭素、珪素、マンガン、硫黄、クロムおよびモリブデン、ならびに不純物として含まれるリンを上記組成に調整した鋼に対して焼入焼戻処理を実施することで４５ＨＲＣ以上の芯部硬度を達成することができる。また、使用環境を想定してさらに６００℃にて焼戻処理した状態において、常温での硬度を３２ＨＲＣ以上、かつ衝撃値を８０Ｊ／ｃｍ２以上とすることができる。このように、本発明のチゼル用鋼によれば、耐久性の向上を達成することができる。
　上記チゼル用鋼において、式（１）で定義されるＤＩ値を６００以上とする。直径１５０ｍｍを超える鋼材（棒鋼）の芯部におけるマルテンサイト組織の割合を９０％以上とすることを油焼入によって達成可能にすることにより、大型のチゼルでも十分な芯部の硬度が得られる。これを達成する観点から、ＤＩ値は６００以上とする必要がある。
ＤＩ＝７・（％Ｃ）１／２・（１＋０．６４・％Ｓｉ）・（１＋４．１・％Ｍｎ）・（１＋２．８３・％Ｐ）・（１－０．６２・％Ｓ）・（１＋２．３３・％Ｃｒ）・（１＋３．１４・％Ｍｏ）・・・（１）
　上記チゼル用鋼において、式（２）で定義されるαの値が２．０以上２．４以下であってもよい。これにより、高温焼戻後の硬度と衝撃値とを高いレベルで両立させることが可能となり、チゼルの耐久性を一層向上させることができる。
　α＝５・％Ｃ＋３・％Ｓｉ＋％Ｍｏ－２・％Ｍｎ－１０・％Ｓ・・・（２）
　なお、式（１）および（２）において、％Ｃ、％Ｓｉ、％Ｍｎ、％Ｐ、％Ｓ、％Ｃｒおよび％Ｍｏは、それぞれ鋼中における炭素、珪素、マンガン、リン、硫黄、クロムおよびモリブデンの割合を質量％にて表した場合の数値を意味する。リンは不純物として鋼中に含まれる。
　本発明に従ったチゼルは、０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、上記式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上である鋼から構成される。
　上記チゼルにおいて、上記鋼は、式（２）で定義されるαの値が２．０以上２．４以下であってもよい。
　チゼルを構成する材料として上記本発明のチゼル用鋼を採用することにより、高い耐摩耗性と高い耐割損性との両立を達成することができる。その結果、耐久性に優れたチゼルを提供することができる。
　上記チゼルにおいて、６００℃に加熱された後における室温での表面の硬度が３２ＨＲＣ以上であり、当該表面を含む領域の衝撃値が８０Ｊ／ｃｍ２以上であってもよい。これにより、耐久性に優れたチゼルを提供することができる。
　上記チゼルは、芯部における硬度が４５ＨＲＣ以上であってもよい。これにより、一層耐久性に優れたチゼルを提供することができる。
　ここで、鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
　炭素：０．４０質量％以上０．４５質量％以下
　炭素は、鋼の硬度に大きな影響を及ぼす元素である。炭素含有量が０．４０質量％未満では、十分な耐摩耗性の確保に必要な高温での硬度を得ることが難しくなる。一方、炭素含有量が０．４５質量％を超えると靱性が低下し、十分な耐割損性の確保に必要な高温での衝撃値を得ることが難しくなる。そのため、炭素含有量は上記範囲とすることが必要である。
　珪素：０．５０質量％以上０．８０質量％以下
　珪素は、鋼の焼入性の向上、鋼のマトリックスの強化、焼戻軟化抵抗性の向上等の効果に加えて、製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。珪素含有量が０．５０質量％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、珪素含有量が０．８０質量％を超えると、高温焼戻後の衝撃値が低下する傾向がある。そのため、珪素含有量は上記範囲とすることが必要である。珪素含有量は、０．６０質量％以上とすることが好ましい。
　マンガン：１．００質量％以上１．３０質量％以下
　マンガンは、鋼の焼入性の向上に有効であるとともに、製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。焼入処理においてチゼルの表面から芯部まで硬化可能とする観点から、マンガン含有量は１．００質量％以上とする必要がある。一方、マンガン含有量が１．３０質量％を超えると、マンガンの粒界偏析が顕著となるおそれがあるため、マンガン含有量は１．３０質量％以下とする必要がある。マンガン含有量は、１．２０質量％以下とすることが好ましい。
　硫黄：０．００１質量％以上０．００５質量％以下
　硫黄は、鋼の被削性を向上させる元素である。また、硫黄は、製鋼プロセスにおいて意図的に添加しなくても混入する元素でもある。硫黄含有量を０．００１質量％未満とすると、鋼の製造コストが上昇する。一方、本発明者らの検討によれば、本発明のチゼル用鋼の成分組成において、硫黄含有量は高温焼戻後の衝撃値、すなわち耐割損性に大きく影響する。硫黄含有量が０．００５質量％を超えると、高温焼戻後の衝撃値を８０Ｊ／ｃｍ２以上とすることが困難となる。そのため、被削性のある程度の低下を許容して、硫黄含有量を０．００５質量％以下とする必要がある。硫黄含有量を０．００４質量％以下とすることにより、高温焼戻後の衝撃値を一層向上させることができる。
　クロム：２．９０質量％以上３．８０質量％以下
　クロムは、鋼の焼入性を向上させる。焼入処理においてチゼルの表面から芯部まで硬化可能とする観点から、クロム含有量は２．９０質量％以上とする必要がある。一方、クロムを過剰に添加すると焼割れが生じるおそれがある。焼割れの発生を回避する観点から、クロム含有量は３．８０質量％以下とする必要がある。クロム含有量は、３．６０質量％以下とすることが好ましい。
　モリブデン：０．２０質量％以上０．４０質量％以下
　モリブデンは、焼入性を向上させ、焼戻軟化抵抗性を高める。また、モリブデンは、高温焼戻脆性を改善する機能も有している。モリブデン含有量が０．２０質量％未満では、これらの効果が十分に発揮されない。一方、モリブデン含有量が０．４０質量％を超えると、上記効果が飽和する。そのため、モリブデン含有量は上記範囲とする必要がある。モリブデン含有量を０．３５質量％以下とすることにより、鋼の製造コストを低減することができる。
　以上の説明から明らかなように、本発明のチゼル用鋼およびチゼルによれば、耐久性の向上を達成することが可能なチゼル用鋼およびチゼルを提供することができる。
油圧ブレーカの構造を示す概略断面図である。 チゼルの製造工程の概略を示すフローチャートである。 サンプルの硬度と衝撃値との関係を示す図である。 サンプルの径方向における硬度の分布を示す図である。
　以下、本発明の一実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
　本実施の形態のチゼル用鋼は、たとえば以下のように、油圧ブレーカに含まれるチゼルを構成する材料として用いることができる。図１は、油圧ブレーカの構造を示す概略断面図である。図１を参照して、本実施の形態における油圧ブレーカ１は、チゼル１０と、ピストン２０と、フレーム３０とを備える。
　チゼル１０は、棒状の形状を有する。チゼル１０は円筒形状を有するベース部１２と、ベース部１２に接続され、先端１１Ａに近づくにしたがって軸方向に垂直な断面における断面積が小さくなる縮径部１１とを含む。軸方向において先端１１Ａとは反対側の基端側に、軸方向に交差する平面部である基端側平面部１２Ａが形成されている。軸方向において、チゼル１０の基端側平面部１２Ａに近い側がフレーム３０に取り囲まれており、先端１１Ａに近い側がフレーム３０から突出している。フレーム３０に取り囲まれるチゼル１０の領域には、凹部１２Ｂが形成される。凹部１２Ｂに対応するフレーム３０の内周面の領域には、ストッパーピン５０が配置される。
　ピストン２０は、棒状の形状を有する。ピストン２０は、フレーム３０に取り囲まれる領域に配置される。ピストン２０は、チゼル１０と同軸に配置される。ピストン２０の先端側には、軸方向に交差する平面部である先端側平面部２１が形成されている。ピストン２０の先端側平面部２１とチゼルの基端側平面部１２Ａとが対向するようにチゼル１０およびピストン２０は配置される。ピストン２０はフレーム３０に対して軸方向に相対的に移動可能に保持されている。
　ピストン２０が軸方向に移動してチゼル１０を叩くことにより、チゼル１０に打撃力が伝達される。フレーム３０の内周側に形成された打撃室３１内において、ピストン２０の先端側平面部２１がチゼル１０の基端側平面部１２Ａに接触することにより、ピストン２０からチゼル１０に打撃力が伝達される。チゼル１０は伝達された打撃力により岩盤等を破砕する。
　ピストン２０とフレーム３０との間には、ピストン２０を駆動するための作動油が進入するための油室３２が形成されている。フレーム３０の側面に、コントロールバルブ機構４０が設置される。コントロールバルブ機構４０から作動油が油室３２に供給されることによりピストン２０が軸方向に駆動され、ピストン２０がチゼル１０を打撃する。チゼル１０はピストン２０から伝達された打撃力により岩盤等を破砕する。
　このようなチゼル１０が過酷な環境下で使用される場合、その先端１１Ａ付近の温度が６００℃程度にまで上昇する。このような環境で使用されるチゼル１０においては、上述のように、高温（６００℃）での焼戻後の硬度および衝撃値を上昇させるとともに、焼入後の歪み除去を目的とした焼戻後の（２１０℃での焼戻後の）芯部における硬度を上昇させることで耐摩耗性および耐割損性が向上し、優れた耐久性が得られる。本実施の形態におけるチゼル１０は、０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上であるチゼル用鋼から構成されている。
　このような鋼から構成されることにより、本実施の形態におけるチゼル１０は、６００℃に加熱された後における室温での表面の硬度が３２ＨＲＣ以上であり、当該表面を含む領域の衝撃値が８０Ｊ／ｃｍ２以上となっている。また、チゼル１０は、芯部における硬度（焼入後の歪み除去を目的とした焼戻後の硬度）が４５ＨＲＣ以上となっている。そのため、本実施の形態におけるチゼル１０は、過酷な環境下における耐久性に優れている。
　チゼル１０を構成するチゼル用鋼において、式（２）で定義されるαの値が２．０以上２．４以下であってもよい。これにより、高温焼戻後の硬度と衝撃値とを高いレベルで両立させることが可能となり、チゼル１０の耐久性を一層向上させることができる。
　チゼル１０を構成するチゼル用鋼において、不純物として含まれるリンの含有量は０．０２０質量％以下とすることが好ましい。これにより、リンの靱性への影響を抑制することができる。リンの含有量は０．０１５質量％以下とすることが、より好ましい。これにより、高温での焼戻後の衝撃値が向上し、チゼル用鋼の耐割損性を一層向上させることができる。
　次に、チゼル１０の製造方法の一例について、図２を参照して説明する。図２は、チゼルの製造工程の概略を示すフローチャートである。本実施の形態におけるチゼル１０の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として鋼材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば上記チゼル用鋼の成分組成を有し、中実円筒状の形状を有する鋼材が準備される。
　次に、工程（Ｓ２０）として加工工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された鋼材に対して、切削加工などの加工が施される。これにより、本実施の形態のチゼル１０の概略形状を有する成形体が得られる。
　次に、工程（Ｓ３０）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において得られた成形体に対して焼入処理が実施される。焼入処理は、たとえば成形体が雰囲気炉において８７０℃程度の温度に加熱された後、油冷または水冷されることにより実施される。
　次に、工程（Ｓ４０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において焼入処理された成形体に対して焼戻処理が実施される。焼戻処理は、たとえば成形体が加熱炉において２１０℃に加熱された後、空冷されることにより実施される。
　次に、工程（Ｓ５０）として仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼戻処理が実施された成形体に対して、切削加工、研削加工、ショットブラスト、塗装などの仕上げ処理が必要に応じて実施される。以上の手順により、本実施の形態のチゼル１０を製造することができる。
　以上のように、上記成分組成を有するチゼル用鋼からなる鋼材を加工して成形体を作製し、熱処理を実施した後、必要に応じて仕上げ処理を実施することにより、本実施の形態におけるチゼル１０を得ることができる。このチゼル１０は、先端部の温度が６００℃程度にまで上昇して焼戻されるような過酷な環境下において使用された場合でも、優れた耐摩耗性および耐割損性を有する。
　過酷な環境下において使用されるチゼル用鋼に適した成分組成を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
　まず、以下の表１に示す成分組成を有する鋼材を準備した。そして、各鋼材について８７０℃から急冷することにより焼入処理を実施した後、２００℃に加熱して焼戻処理を実施したサンプルを作製した。そして、チゼルの使用環境を想定して、各サンプルを６００℃に加熱して焼戻処理を実施した。得られた各サンプルについて、硬度および衝撃値を測定した。硬度はロックウェル硬度計により測定した。衝撃値は、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験（試験片形状：長さ５５ｍｍ、一辺１０ｍｍの正方形断面、ノッチ深さ２ｍｍ、ノッチ角度４５°、ノッチ底半径０．２５ｍｍ）により測定した。
　表１には、各鋼の炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、硼素（Ｂ）の値が質量％の単位で記載されている。残部は鉄および不可避的不純物である。なお、リンは不可避的不純物であるが、衝撃値への影響が大きいこと等を考慮して、表中に表示した。また、表１には、上記実験の結果得られた硬度（ＨＲＣ）および衝撃値（単位：Ｊ／ｃｍ２）が記載されている。また、表１には、上記式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が記載されている。さらに、表１には、式（２）で定義されるαの値が記載されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１の材料Ａ～Ｅが本発明のチゼル用鋼（実施例）であり、材料Ｆ～Ｎが本発明の範囲外の鋼（比較例）である。また、図３に各鋼から作製されたサンプルの硬度と衝撃値との関係を示す。図３において、横軸には６００℃での焼戻処理実施後の常温での硬度を示し、縦軸には６００℃での焼戻処理実施後の常温での衝撃値を示す。図３において、実施例のサンプルのデータ点は丸印で示され、比較例のサンプルのデータ点は菱形印で示される。
　表１および図３を参照して、本発明のチゼル用鋼である材料Ａ～Ｅは、６００℃での焼戻後の目標である硬度３２ＨＲＣ以上かつ衝撃値８０Ｊ／ｃｍ２以上を達成している。また、α値が２．０以上２．４以下の範囲外である比較例の材料は、材料Ｆを除き、硬度または衝撃値において目標値を下回っている。これに対し、α値が２．０以上２．４以下の範囲内である実施例の材料は、硬度および衝撃値の目標値をいずれも達成している。材料Ｆは、ＤＩ値において目標値である６００を下回っている。材料Ｆは、焼入性が不十分となっている。
　さらに、チゼルを作製した場合の芯部における硬度を確認する実験を行った。まず、以下の表２に示す成分組成を有する直径１６０ｍｍの中実円筒形状の鋼材を準備した。そして、各鋼材について焼入処理を実施した後、２１０℃に加熱して焼戻処理を実施したサンプルを作製した。実施例Ａについては、８８０℃から油冷することにより焼入を実施した。実施例Ｂについては、８８０℃から水冷することにより焼入を実施した。比較例ＡおよびＢについては、８７０℃から水冷することにより焼入を実施した。なお、比較例ＡおよびＢは、上記表１の材料ＮおよびＭと同様の成分組成を有している。材料ＮおよびＭは、現在、チゼル用鋼として使用されている鋼の成分組成に対応する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　そして、各サンプルについて軸方向に垂直な断面における硬度分布を測定した。硬度の測定はロックウェル硬度計により実施した。実験結果を図４に示す。
　図４において、横軸は表面からの距離、縦軸は硬度に対応する。図４を参照して、現用鋼であり、ＤＩ値が６００未満である比較例の鋼においては、表層部のみが十分に焼入硬化されており、芯部においては焼入硬化が不十分となっている。芯部における硬度は４５ＨＲＣを下回っている。これに対し、ＤＩ値が６００以上である実施例の鋼においては、表層部から芯部まで十分に焼入硬化されている。実施例Ａは、油焼入であるにも関わらず、水焼入である実施例Ｂと遜色ない硬度分布となっている。実施例ＡおよびＢの芯部における硬度は４５ＨＲＣ以上となっている。断面の全域において、硬度が４９～５４ＨＲＣの範囲内となっている。実施例ＡおよびＢにおいては一様な硬度分布が得られている。
　以上の実験結果から、本発明のチゼル用鋼によれば、過酷な環境下において使用された場合でも高い耐摩耗性と高い耐割損性とを両立し、優れた耐久性を有するチゼルを提供できることが確認される。なお、上記チゼル用鋼は、図１を参照して、ストッパーピン５０を構成する鋼としても使用することができる。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明のチゼルおよびチゼル用鋼は、過酷な環境下において使用されるチゼルおよびその材料として、特に有利に適用され得る。
　１　油圧ブレーカ、１０　チゼル、１１　縮径部、１１Ａ　先端、１２　ベース部、１２Ａ　基端側平面部、１２Ｂ　凹部、２０　ピストン、２１　先端側平面部、３０　フレーム、３１　打撃室、３２　油室、４０　コントロールバルブ機構、５０　ストッパーピン。

Claims (6)

  1. 　チゼルを構成する材料として用いられるべきチゼル用鋼であって、
    　０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
    　式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上である、チゼル用鋼。
    　ＤＩ＝７・（％Ｃ）１／２・（１＋０．６４・％Ｓｉ）・（１＋４．１・％Ｍｎ）・（１＋２．８３・％Ｐ）・（１－０．６２・％Ｓ）・（１＋２．３３・％Ｃｒ）・（１＋３．１４・％Ｍｏ）・・・（１）
  2. 　式（２）で定義されるαの値が２．０以上２．４以下である、請求項１に記載のチゼル用鋼。
    　α＝５・％Ｃ＋３・％Ｓｉ＋％Ｍｏ－２・％Ｍｎ－１０・％Ｓ・・・（２）
  3. 　０．４０質量％以上０．４５質量％以下の炭素と、０．５０質量％以上０．８０質量％以下の珪素と、１．００質量％以上１．３０質量％以下のマンガンと、０．００１質量％以上０．００５質量％以下の硫黄と、２．９０質量％以上３．８０質量％以下のクロムと、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のモリブデンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
    　式（１）で定義される理想臨界直径ＤＩの値が６００以上である鋼から構成される、チゼル。
    　ＤＩ＝７・（％Ｃ）１／２・（１＋０．６４・％Ｓｉ）・（１＋４．１・％Ｍｎ）・（１＋２．８３・％Ｐ）・（１－０．６２・％Ｓ）・（１＋２．３３・％Ｃｒ）・（１＋３．１４・％Ｍｏ）・・・（１）
  4. 　式（２）で定義されるαの値が２．０以上２．４以下である、請求項３に記載のチゼル。
    　α＝５・％Ｃ＋３・％Ｓｉ＋％Ｍｏ－２・％Ｍｎ－１０・％Ｓ・・・（２）
  5. 　６００℃に加熱された後における室温での表面の硬度が３２ＨＲＣ以上であり、前記表面を含む領域の衝撃値が８０Ｊ／ｃｍ２以上である、請求項３または４に記載のチゼル。
  6. 　芯部における硬度が４５ＨＲＣ以上である、請求項３～５のいずれか１項に記載のチゼル。
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