CN115989326A - 耐磨钢 - Google Patents

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CN115989326A CN202180048820.6A CN202180048820A CN115989326A CN 115989326 A CN115989326 A CN 115989326A CN 202180048820 A CN202180048820 A CN 202180048820A CN 115989326 A CN115989326 A CN 115989326A
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Abstract

一种耐磨钢，其以质量％计含有C：0.08～0.20％、Si：0.01～0.50％、Mn：0.10～2.00％、Cr：2.10～8.00％，金属组织中所含的碳化物以面积％计为0.5％以下，碳化物的平均当量圆直径为500nm以下，由15°以上的大倾角晶界所围成的晶粒中的按照从粒径大的顺序起前10个晶粒的平均粒径为40μm以下，‑40℃下的夏比吸收能为27J以上，表面硬度为360Hv以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。

Description

耐磨钢
技术领域
本公开涉及耐磨钢。
背景技术
耐磨钢由于要求表层附近的硬度，因此含有提高淬透性的元素。Cr、Ni、Mo是提高淬透性的元素。以往提出了含有Cr、Ni、Mo等的耐磨钢(例如，参照专利文献1～专利文献4)。
此外，还提出了为高强度且实现了韧性提高的钢板(例如，参照专利文献5)。
专利文献1：日本特开平10-204575号公报
专利文献2：日本特开平10-102185号公报
专利文献3：日本特开昭59-129724号公报
专利文献4：日本特开昭59-70721号公报
专利文献5：国际公开第2019/050010号
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1及专利文献2的耐磨钢含有1.0质量％以上的Mo。专利文献3及专利文献4的耐磨钢含有2.0质量％以上的Ni。Ni及Mo为昂贵的元素，从合金成本的观点出发，期望削减。
此外，专利文献5的高强度钢板虽然实现了韧性的提高，但并未考虑耐磨性。
本公开的课题是鉴于这样的实际情况，提供抑制Ni、Mo等昂贵元素的使用、并且耐磨性及低温韧性优异的耐磨钢。
用于解决课题的手段
本公开的主旨如下。
(1)一种耐磨钢，其化学组成以质量％计由下述元素构成：
C：0.08％～0.20％、
Si：0.01％～0.50％、
Mn：0.10％～2.00％、
P：0.015％以下、
S：0.0300％以下、
Cr：2.10％～8.00％、
N：0.008％以下、
Cu：0％～0.50％、
Ni：0％～0.50％、
Mo：0％～0.50％、
V：0％～0.500％、
W：0％～0.50％、
B：0％～0.0050％、
Al：0％～0.300％、
Ti：0％～0.100％、
Nb：0％～0.100％、
Ca：0％～0.0100％、
Mg：0％～0.0100％、
REM：0％～0.0100％、以及
剩余部分：Fe及杂质，
在厚度方向的截面中、在将厚度设定为t的情况下、在t低于16mm的情况下是在距离表面为1/2t的位置处、在t为16mm以上的情况下是在距离表面为1/4t的位置处，金属组织中所含的碳化物以面积％计为0％～0.5％，上述碳化物的平均当量圆直径为500nm以下，在400μm×400μm的区域中，由15°以上的大倾角晶界所围成的晶粒中的按照从粒径大的顺序起前10个晶粒的平均粒径为40μm以下，及-40℃下的夏比吸收能为27J以上，
在将以质量％计的C含量设定为[C]的情况下，距离表面在厚度方向上为0.7mm的位置处的表面硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。
(2)根据权利要求1所述的耐磨钢，其厚度方向的中央部处的中央部硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。
(3)根据(1)或(2)所述的耐磨钢，其以质量％计包含选自下述元素中的至少1种：
Cu：0.01％～0.50％、
Ni：0.01％～0.50％、
Mo：0.01％～0.50％、
V：0.003％～0.500％、
W：0.01％～0.50％、
B：0.0003％～0.0050％、
Al：0.005％～0.300％、
Ti：0.003％～0.100％、
Nb：0.003％～0.100％、
Ca：0.0003％～0.0100％、
Mg：0％～0.0100％、及
REM：0.0003％～0.0100％。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的耐磨钢，其为钢板。
(5)根据(4)所述的耐磨钢，其板厚为8mm～50mm。
发明效果
根据本公开，可提供抑制Ni、Mo等昂贵元素的使用、并且耐磨性及低温韧性优异的耐磨钢。通过削减耐磨钢的合金成本，能够提供廉价的耐磨钢。因此，本公开在产业上的贡献极为显著。
具体实施方式
以下，作为本公开的一个实施方式(以下称为“本实施方式”)的耐磨钢，主要对钢板进行说明。
在本说明书中被阶段性记载的数值范围内，某个阶段性的数值范围的上限值也可以置换成其他阶段性记载的数值范围的上限值，某个阶段性的数值范围的下限值也可以置换成其他阶段性记载的数值范围的下限值。也可以将上限值或下限值置换成实施例中所示的值。
“工序”这一术语不仅包含独立的工序，即使是在无法与其他工序明确相区别的情况下，只要可达成该工序所期望的目的，则也包含于本术语中。
首先，对直至完成本公开的本发明的发明者们的研究结果、所得到的新的认知进行详述。
Cr是比Ni及Mo廉价的元素。通过抑制Ni及Mo的含量及增加Cr含量，能够削减耐磨钢的成本。本发明的发明者们的研究结果是，得到下述认知：在不有意地含有Ni、Mo的情况下或将Ni、Mo的含量分别抑制为0.50％以下的情况下的省合金型耐磨钢所需的Cr含量为2.10％以上。进而获知：通过像这样提高Cr含量从而耐蚀性也提高，有助于在湿式环境中利用的耐磨钢的长寿命化。
另一方面，为了确保耐磨钢的表面硬度，优选增加C含量，但会产生韧性降低的问题。
本发明的发明者们通过抑制碳化物的析出及粗大化，从而成功兼顾了耐磨钢的表面硬度和韧性。本发明的发明者们的研究结果是，获知：通过C含量及淬火的停止温度的限制，可抑制碳化物的析出及粗大化，确保韧性。具体而言，获知：如果将C含量设定为0.20％以下、将淬火的停止温度设定为200℃以下，则能够有效地抑制碳化物的析出及粗大化。获知：当碳化物的面积率为0.5％以下、并且平均当量圆直径为500nm以下、在将C含量设定为[C]时表面硬度以维氏硬度计为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上的情况下，马氏体及下贝氏体中的一者或两者的面积率的合计为95％以上。
<化学组成>
接下来，对构成本实施方式的钢板的化学组成的合金元素进行说明。在以下的合金元素的说明中，含量的“％”是指“质量％”。
[C：0.08％～0.20％]
C(碳)是提高钢的淬透性、使硬度上升的元素。从确保硬度的观点出发，C含量为0.08％以上。C含量优选为0.10％以上。另一方面，C是生成碳化物的元素。从确保韧性的观点出发，C含量为0.20％以下。C含量优选为0.18％以下，更优选为0.15％以下。
[Si：0.01％～0.50％]
Si(硅)是脱氧元素。从得到脱氧效果的观点出发，Si含量为0.01％以上。Si含量优选为0.05％以上，更优选为0.10％以上。另一方面，从确保韧性的观点出发，Si含量为0.50％以下。Si含量优选为0.40％以下，更优选为0.30％以下。
[Mn：0.10％～2.00％]
Mn(锰)是提高钢的淬透性的元素。从确保硬度的观点出发，Mn含量为0.10％以上。Mn含量优选为0.50％以上，更优选为0.80％以上，进一步优选为1.00％以上。另一方面，Mn是使钢的晶体晶界脆化的元素。从确保韧性的观点出发，Mn含量为2.00％以下。Mn含量优选为1.80％以下，更优选为1.60％以下。
[P：0.015％以下]
P(磷)是在原料及制造工序中混入钢中的元素。从确保韧性的观点出发，P含量为0.015％以下。P含量优选为0.012％以下，更优选为0.010％以下。优选降低P含量，下限没有限定，但从制造成本的观点出发，可以超过0％。P含量也可以为0.001％以上。
[S：0.0300％以下]
S(硫)是在原料及制造工序中混入钢中的元素。从确保韧性的观点出发，S含量为0.0300％以下。S含量优选为0.0050％以下，更优选为0.0030％以下。优选降低S含量，下限没有限定，但从制造成本的观点出发，可以超过0％。S含量也可以为0.0001％以上。
[Cr：2.10％～8.00％]
Cr(铬)是提高钢的淬透性的元素。Cr从抑制Ni、Mo等昂贵元素的含量来确保耐磨钢的硬度及韧性的观点出发是重要的元素。从确保淬透性的观点出发，Cr含量为2.10％以上。Cr含量优选为2.20％以上，更优选为2.40％以上。另一方面，从成本的观点出发，Cr含量为8.00％以下，也可以为7.50％以下。Cr含量优选为5.00％以下，更优选为3.00％以下。
[N：0.0080％以下]
N(氮)是在原料及制造工序中混入钢中的元素。从确保韧性的观点出发，N含量为0.0080％以下。N含量优选为0.0070％以下，更优选为0.0060％以下。优选降低N含量，下限没有限定，但从制造成本的观点出发，可以超过0％。在含有Al或Ti的情况下，会与N结合而形成AlN、TiN等微细的氮化物。从由氮化物带来的金属组织的微细化的观点出发，N含量优选为0.0010％以上，更优选为0.0020％以上。
本实施方式的耐磨钢为了不使制造成本过度上升地提高淬透性，也可以根据需要在下述的范围内含有Cu、Ni、Mo、V、W及B中的1种或2种以上。
[Cu：0％～0.50％]
Cu(铜)是提高钢的淬透性的元素。Cu含量的下限没有限定，也可以为0％。为了可靠地得到效果，Cu含量优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。另一方面，从成本的观点出发，Cu含量为0.50％以下。Cu含量优选为0.30％以下，为0.10％以下，也可以为0.05％以下。
[Ni：0％～0.50％]
Ni(镍)是提高钢的淬透性的元素。Ni含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，Ni含量优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。另一方面，从成本的观点出发，Ni含量为0.50％以下。Ni含量优选为0.30％以下，更优选为0.10％以下，进一步优选为0.05％以下。
[Mo：0％～0.50％]
Mo(钼)是提高钢的淬透性的元素。Mo含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，Mo含量优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。另一方面，从成本的观点出发，Mo含量为0.50％以下。优选为0.30％以下，更优选为0.10％以下，进一步优选为0.05％以下。
[V：0％～0.500％]
V(钒)是形成碳化物或氮化物等析出物的元素，具有提高淬透性的效果。V含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，V含量优选为0.003％以上，更优选为0.005％以上。另一方面，从成本的观点出发，V含量为0.500％以下。优选为0.300％以下，更优选为0.100％以下，进一步优选为0.050％以下。
[W：0％～0.50％]
W(钨)是提高钢的淬透性的元素。W含量的下限没有限定，也可以为0％。为了可靠地得到效果，W含量优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。另一方面，从成本的观点出发，W含量为0.50％以下。W含量优选为0.30％以下，更优选为0.10％以下，进一步优选为0.05％以下。
[B：0％～0.0050％]
B(硼)是即使微量也显著提高钢的淬透性的元素。B含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，B含量优选为0.0003％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0008％以上。另一方面，即使过量地含有B，效果也饱和，因此B含量为0.0050％以下。B含量优选为0.0045％以下，更优选为0.0040％以下。
本实施方式的耐磨钢也可以根据需要含有形成碳化物、氮化物、氧化物、硫化物等化合物的Al、Ti、Nb、Ca、Mg及REM中的1种或2种以上。
[Al：0％～0.300％]
Al(铝)是脱氧元素，也是形成氮化物的元素。Al含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到脱氧效果，Al含量优选为0.005％以上。从由AlN带来的金属组织的微细化的观点出发，Al含量更优选为0.010％以上。另一方面，从抑制粗大夹杂物的生成的观点出发，Al含量为0.300％以下。Al含量优选为0.100％以下，更优选为0.070％以下。
[Ti：0％～0.100％]
Ti(钛)是脱氧元素，也是形成氮化物的元素。此外，Ti在钢中含有B的情况下为了抑制BN的形成来提高淬透性而被利用。Ti含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到脱氧效果，Ti含量优选为0.003％以上。从由TiN带来的金属组织的微细化的观点出发，Ti含量更优选为0.005％以上，进一步优选为0.010％以上。另一方面，从抑制粗大夹杂物的生成的观点出发，Ti含量为0.100％以下。Ti含量更优选为0.050％以下，进一步优选为0.030％以下。
[Nb：0％～0.100％]
Nb(铌)是形成碳化物或氮化物等析出物的元素。Nb含量的下限没有限定，也可以为0％。从由析出物带来的金属组织的微细化的观点出发，Nb含量优选为0.003％以上，更优选为0.005％以上，进一步优选为0.010％以上。另一方面，即使过量地含有Nb，效果也饱和，因此Nb含量为0.100％以下。Nb含量优选为0.050％以下，进一步优选为0.030％以下。
[Ca：0％～0.0100％]
Ca(钙)是形成氧化物或硫化物、控制夹杂物的形态的元素。Ca含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，Ca含量优选为0.0003％以上。Ca含量更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。另一方面，从抑制粗大夹杂物的生成的观点出发，Ca含量为0.0100％以下。Ca含量优选为0.0080％以下，更优选为0.0060％以下。
[Mg：0％～0.0100％]
Mg(镁)是形成氧化物或硫化物、控制夹杂物的形态的元素。Mg含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，Mg含量优选为0.0003％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。另一方面，从成本的观点出发，Mg含量为0.0100％以下。Mg含量优选为0.0080％以下，更优选为0.0060％以下。
[REM：0％～0.0100％]
REM(稀土类元素)是指Sc、Y这2种元素与La、Ce、Nd等镧系元素这15种元素的合计17种元素的总称。REM含量是指上述17种元素的合计含量。
REM是形成氧化物或硫化物、控制夹杂物的形态的元素。REM含量的下限没有限定，也可以为0％。为了得到效果，REM含量优选为0.0003％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。另一方面，从成本的观点出发，REM含量为0.0100％以下。REM含量优选为0.0080％以下，更优选为0.0060％以下。
本实施方式的钢的上述化学组成的剩余部分为Fe及杂质。这里，所谓杂质是指在工业上制造本实施方式的耐磨钢时不有意地含有、而是通过矿石、废料等原料或制造工序中的各种要因而混入的成分。杂质的含有在不对本实施方式的耐磨钢的特性造成不良影响的范围内被容许。
作为杂质，例如O(氧)是在原料及制造工序中被混入钢中的元素。O由于为杂质，因此O含量优选为0.0060％以下。O含量更优选为0.0050％以下，进一步优选为0.0040％以下。优选降低O含量，下限没有限定，但从制造成本的观点出发，可以超过0％。O含量也可以为0.0020％以上。
<金属组织>
接下来，对本实施方式的耐磨钢的金属组织进行说明。以下，金属组织的“％”为“面积％”。
本实施方式的耐磨钢的金属组织中所含的碳化物以面积％计为0％～0.5％。碳化物的平均当量圆直径为500nm以下。在400μm×400μm的区域中，由15°以上的大倾角晶界(large-angle grain boundary，有时也称为“高角晶界”)所围成的区域(将其视为晶粒)中的按照从粒径大的顺序起前10个晶粒的平均粒径为40μm以下。需要说明的是，作为碳化物，可列举出渗碳体(Fe3C)、Cr碳化物、Fe2C，但本公开中的碳化物主要为渗碳体。
本实施方式的耐磨钢的金属组织只要碳化物的面积率及平均当量圆直径以及晶体的平均粒径为上述的范围即可。然而，如果生成上贝氏体或珠光体，则碳化物的面积率增加，容易粗大化。如果生成铁素体，则容易变得硬度不足，有可能使韧性降低。残留奥氏体通过变形而成为硬质的马氏体(加工诱发马氏体)，有可能使韧性降低。因此，本实施方式的耐磨钢的金属组织优选包含马氏体及下贝氏体中的一者或两者。马氏体及下贝氏体的面积率的合计优选为95％以上。除了马氏体及下贝氏体以外的剩余部分包含铁素体、珠光体、残留奥氏体及上贝氏体中的1种或2种以上。
需要说明的是，上贝氏体是在粒内不含碳化物、在晶界处析出渗碳体或残留奥氏体的40μm以上的粒径的组织。马氏体及下贝氏体为板条状的硬质相，一般通过碳化物的有无来判别。在本实施方式的耐磨钢的金属组织包含马氏体及下贝氏体的情况下，包含碳化物的金属组织被视为下贝氏体。在本实施方式中，不需要判别马氏体与下贝氏体。在通过光学显微镜观察不到铁素体、珠光体、残留奥氏体及上贝氏体的情况下，判断为金属组织包含马氏体及下贝氏体中的一者或两者。
本实施方式的耐磨钢只要碳化物的面积率及平均当量圆直径以及晶体的平均粒径为上述的范围，则也可以包含马氏体及下贝氏体以外的金属组织。
金属组织的观察在耐磨钢的厚度低于16mm的情况下，在距离表面在厚度方向上为厚度的1/2的部位(以下也称为“1/2t部”。此外，“1/2t”与“t/2”含义相同)处进行。在耐磨钢的厚度为16mm以上的情况下，在距离表面在厚度方向上为厚度的1/4的部位(以下也称为“1/4t部”。此外，“1/4t”与“t/4”含义相同)处进行金属组织的观察。在金属组织的观察中使用的试样的观察面是沿着试样的L(长度)方向(轧制方向)在厚度方向上切断而得到的截面(以下，有时称为“试样的L(长度)方向截面”)，实施湿式研磨、利用硝酸乙醇的蚀刻。金属组织的观察以400倍的倍率进行，通过5个视场的观察来判定铁素体、珠光体、残留奥氏体及上贝氏体的有无。此外，残留奥氏体通过利用1％～10％焦亚硫酸溶液而实施的LePera腐蚀来进行观察。
[碳化物的面积率：0％～0.5％]
在本实施方式的耐磨钢的金属组织包含马氏体的情况下，碳化物的面积率为0％。在本实施方式的耐磨钢的金属组织包含马氏体及下贝氏体的情况下，包含碳化物的金属组织被视为下贝氏体。从确保韧性的观点出发，碳化物的面积率为0.5％以下。碳化物的面积率优选为0.4％以下，更优选为0.3％以下。如果降低淬火停止温度，则可抑制上贝氏体及珠光体的生成，碳化物的面积率减少。
碳化物的面积率通过扫描型电子显微镜(Scanning Electron Microscope、以下称为“SEM”)来测定。碳化物的面积率在耐磨钢的厚度低于16mm的情况下，在1/2t部处进行。在耐磨钢的厚度为16mm以上的情况下，在1/4t部处测定碳化物的面积率。碳化物的面积率的测定中使用的试样的观察面为试样的L(长度)方向截面，实施有电解蚀刻。碳化物的面积率通过以30000倍拍摄的照片的图像解析(利用图像处理而进行的二值化)来测定。这里，电解蚀刻是利用将高氯酸62cc、乙醇700cc、蒸馏水137cc、丁基溶纤剂100cc混合而得到的溶液以20～40V实施10秒～30秒。利用图像处理而进行的2值化按照通过目视能够分离在马氏体的板条块内析出的碳化物的方式设置阈值。
[碳化物的平均当量圆直径：500nm以下]
从确保韧性的观点出发，碳化物的平均当量圆直径为500nm以下。碳化物的平均当量圆直径优选为300nm以下。碳化物的平均当量圆直径也可以为50nm以上，也可以为100nm以上。碳化物的平均当量圆直径由通过面积率的测定中使用的SEM照片的图像解析而求出的碳化物的面积(合计)及碳化物的个数来算出。即，由将碳化物的合计面积除以碳化物的个数而得到的碳化物的平均面积来算出平均当量圆直径。在碳化物的面积率为0％的情况下，平均当量圆直径为0nm。如果降低淬火停止温度，则可抑制上贝氏体及珠光体的生成，碳化物的平均当量圆直径变小。上贝氏体及珠光体中所含的碳化物的平均当量圆直径及面积率大。如果碳化物的面积率为0.5％以下，平均当量圆直径为500nm以下，则可判断为上贝氏体及珠光体的面积率的合计低于5％。
[由15°以上的大倾角晶界所围成的粒径上位10个的平均：40μm以下]
在400μm×400μm的区域中由15°以上的大倾角晶界所围成的粒径上位10个(按照从粒径大的顺序起前10个晶体粒径)的平均为40μm以下。以下，将由晶体方位差为15°以上的大倾角晶界所围成的粒径称为大倾角粒径。如果大倾角粒径变大，则变得容易产生断裂，如果大倾角粒径变小，则韧性提高。大倾角粒径由400μm×400μm的区域内的晶粒中的上位10个(从大者起前10个)的平均值来进行评价。大倾角粒径的上位10个的平均更优选为30μm以下。
在本实施方式中，大倾角粒径通过电子射线背散射衍射法(Electron BackScattered Diffraction Pattern，以下也称为“EBSD”)来测定。利用EBSD的测定在400μm×400μm的视场中以0.4μm的间距来进行。通过市售的解析软件(TSL公司制OIM-Analysis)来表示粒径分布，算出由15°以上的大倾角晶界所围成的晶粒中的上位10个粒径的平均。利用EBSD的测定在耐磨钢的厚度低于16mm的情况下，在1/2t部处进行。在厚度为16mm以上的情况下，在1/4t部处利用EBSD进行测定。利用EBSD的测定中使用的试样的观察面为10mm见方，从钢板中的距离宽度方向的端部为板宽的1/4的位置(1/4宽度)处切出。观察面为试样的L(长度)方向截面，实施有电解研磨。
接下来，对本实施方式的耐磨钢的表面硬度、1/2t部处的硬度及耐磨钢的低温韧性进行说明。
[表面硬度：360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上]
本实施方式的耐磨钢的表面硬度为了确保耐磨性，以维氏硬度计为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。[C]为耐磨钢中的C含量。耐磨钢的表面硬度优选为360HV10以上并且为634×[C]1/2+160HV10以上，进一步优选为360HV10以上并且为634×[C]1/2+180HV10以上。表面硬度越高越优选，上限没有限定。从确保韧性的观点出发，耐磨钢的表面硬度也可以为634×[C]1/2+230HV10以下。
考虑脱碳的影响，耐磨钢的表面硬度在距离耐磨钢的表面在厚度方向上为0.7mm的位置处测定。维氏硬度试验依据JIS Z 2244：2009来进行，载荷为10kgf。维氏硬度为在试样的L(长度)方向截面中测定的3个点的平均值。在表面硬度以维氏硬度计为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上的情况下，可判断为铁素体及残留奥氏体的面积率的合计低于5％。
需要说明的是，从并非确保考虑了C含量的相对耐磨性、而是确保不依赖于C含量的绝对耐磨性的观点出发，本实施方式的耐磨钢的表面硬度也可以为380HV10以上、400HV10以上或450HV10以上。
[厚度方向的中央部处的中央部硬度：360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上]
耐磨钢的厚度方向的中央部与1/2t部含义相同，以下，将耐磨钢的厚度方向的中央部处的中央部硬度也称为1/2t部硬度。从防止因使用而引起的耐磨性的劣化的观点出发，1/2t部硬度优选以维氏硬度计为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上，更优选为360HV10以上并且为634×[C]1/2+160HV10以上。1/2t部硬度进一步优选为360HV10以上并且为634×[C]1/2+180HV10以上，其越高越优选，上限没有限定。从确保韧性的观点出发，1/2t部硬度也可以为634×[C]1/2+230HV10以下。维氏硬度试验依据JIS Z 2244：2009来进行，载荷为10kgf。维氏硬度为在试样的L(长度)方向截面中测定的3个点的平均值。1/2t部硬度通过提高淬透性的合金的含量的增加、淬火的冷却速度的上升来确保。
需要说明的是，从并非确保考虑了C含量的相对耐磨性、而是确保不依赖于C含量的绝对耐磨性的观点出发，本实施方式的耐磨钢的中央部处的中央部硬度也可以为380HV10以上、400HV10以上或450HV10以上。
[-40℃下的夏比吸收能的平均值：27J以上]
耐磨钢有可能在寒冷地区或高原使用。为了抑制加工时及使用时的因冲击而引起的断裂，耐磨钢需要确保-40℃下的韧性。从这样的观点出发，本实施方式的耐磨钢在-40℃下的夏比吸收能的平均值为27J以上。-40℃下的夏比吸收能的平均值优选为50J以上。-40℃下的夏比吸收能的平均值越高越优选，上限没有限定，但也可以为100J以下。
夏比试验依据JIS Z 2242：2018，使用设置有V型缺口的全尺寸的试验片来进行。在耐磨钢的厚度为12mm以下的情况下，使用5mm的小尺寸的试验片。关于夏比试验片的采集位置，板厚为16mm以上的耐磨钢是1/4t部，板厚低于16mm的耐磨钢是1/2t部。夏比试验片的长度方向为轧制方向。考虑测定值的不均，夏比吸收能的平均值为3根试验片的测定值的算术平均。
本实施方式的耐磨钢的形状没有特别限定，为钢板、钢带、型钢、钢管、棒钢、钢线等。钢板、钢带、型钢、钢管等钢材的厚度没有特别限定，例如为8mm～50mm。钢材的厚度可以为10mm以上，也可以为16mm以上。钢材的厚度可以为45mm以下，也可以为40mm以下。
在本实施方式的耐磨钢为棒钢的情况下，将直径视为厚度，进行维氏硬度测定、夏比试验即可。
此外，本实施方式的耐磨钢的耐蚀性也优异。在评价本实施方式的耐磨钢的耐蚀性的情况下，以JASO M609及JASO M610的试验法为基础，用将溶液进行1/100稀释的人工海水溶液来实施。将2小时的盐水喷雾、4小时的干燥、2小时的湿润作为1个循环，在基于504个循环的腐蚀处理后，通过酸洗处理将锈除去，由腐蚀前后的重量变化来比较腐蚀速度。在这样的耐蚀性试验中，本实施方式的耐磨钢与普通钢的SM490相比，还能够将腐蚀速度抑制到低于80％。
<制造方法>
接下来，对本实施方式的耐磨钢的制造方法进行说明。
本实施方式的耐磨钢是以将钢进行熔炼并调整成分后进行铸造而得到的钢坯作为钢原材料来进行制造的。钢原材料被热轧，直接实施淬火、或被空气冷却。在空气冷却后，进行再加热，实施淬火。在热轧后实施淬火后，也可以实施再加热及淬火。
本实施方式的耐磨钢的制造中使用的钢原材料的制法没有限定，通过公知的方法来制造。
例如，钢坯通过转炉、电炉等通常的精炼工艺进行熔炼后，通过连续铸造法、铸锭-开坯法等公知的方法来制造。
钢坯优选的是，在铸造后进行冷却，再加热至Ac3相变点以上的温度，实施热轧。连续铸造后的钢坯如果在不冷却至400℃以下的情况下通过热装料被装入加热炉中，则有可能在铸造时生成的粗大的奥氏体也残存于加热后的钢坯中。为了促进耐磨钢的组织的微细化，连续铸造后的钢坯优选暂且冷却至400℃以下。
热轧在被轧制材的表面的温度为Ar3相变点以上的温度区域内进行。Ar3相变点是在冷却时开始从奥氏体向铁素体相变的温度。热轧前的钢原材料的加热温度优选为900℃以上，更优选为1000℃以上，进一步优选为1100℃以上。为了抑制晶粒的粗大化，加热温度优选为1330℃以下。加热温度更优选为1200℃以下，进一步优选为1150℃以下。
在耐磨钢的热轧中，从确保低温韧性的观点出发，优选促进再结晶以减小奥氏体的粒径。为了促进再结晶，1000℃以上的温度区域中的压下率优选为50％以上。1000℃以上的温度区域中的压下率(简称为压下率)由热轧前的钢原材料的厚度和1000℃下的被轧制材的厚度通过以下的式子来求出。
压下率(％)＝100×{(钢原材料的厚度)-(1000℃下的被轧制材的厚度)}/钢原材料的厚度
从防止铁素体的生成的观点出发，热轧的结束温度为Ar3相变点以上。当在热轧结束后直接对被轧制材实施淬火的情况下，热轧的结束温度为770℃以上。另一方面，从金属组织的微细化的观点出发，热轧的结束温度优选为900℃以下，更优选为850℃以下。
热轧结束后的被轧制材的厚度为耐磨钢的厚度，例如为8mm～50mm。在热轧中的压下率小、厚度过大的情况下，有可能γ粒径粗大化从而韧性不足，此外，产生淬透性不足的区域而生成上贝氏体从而韧性不足。如果厚度为50mm以下，则可抑制韧性不足。另一方面，如果厚度为8mm以上，则作为耐磨钢能够确保充分的强度。
热轧后的被轧制材被直接实施淬火或被空气冷却。空气冷却后的被轧制材被再加热，实施淬火。对热轧后的被轧制材直接实施淬火的工序被称为直接淬火。热轧后的被轧制材被空气冷却、再加热、实施淬火的工序被称为再加热淬火。也可以对在热轧后实施了淬火的被轧制材实施再加热及淬火。从防止铁素体的生成的观点出发，再加热温度为Ac3相变点以上的温度即可。再加热温度优选为850℃以上，更优选为900℃以上。从金属组织的微细化的观点出发，再加热温度优选为1150℃以下。再加热温度更优选为1050℃以下，进一步优选为1000℃以下。
在以下的淬火的开始温度、冷却速度、停止温度的说明中，没有因直接淬火及再加热淬火的工序差异而产生的不同。从防止铁素体的生成的观点出发，淬火的开始温度为770℃以上。从防止铁素体的生成、抑制碳化物的析出及生长的观点出发，淬火的冷却速度以被轧制材的表面温度计为3℃/秒以上。冷却速度越快越优选，但根据冷却设备的能力、被轧制材的厚度等而存在极限，可以为50℃/秒以下。此外，冷却速度为通过下述式子算出的值。
冷却速度＝(冷却开始时的表面温度-冷却停止时的表面温度)/冷却时间
这里“冷却停止时的表面温度”是水冷停止时刻的被轧制材的表面温度(不是回热温度)。
从防止铁素体的生成、抑制碳化物的析出及生长的观点出发，淬火的停止温度以被轧制材的表面温度计为200℃以下。特别是从抑制碳化物的生长的观点出发，淬火的停止温度优选以被轧制材的表面温度计为100℃以下。
这里，Ac3为下述计算的加热时的相变开始温度，Ar3为下述计算的冷却时的相变开始温度，使用钢的化学组成来计算。
Ac3(℃)＝902-255×C+19×Si-11×Mn-5×Cr+13×Mo-20×Ni+55×V
Ar3(℃)＝868-396×C+24.6×Si-68.1×Mn-24.8×Cr
上式中的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V是指以质量％表示的含量。
实施例
以下示出本公开的实施例。但是，以下所示的实施例为本公开的一个例子，本公开并不限于以下说明的实施例。实施例1为直接淬火的一个例子，实施例2为再加热淬火的一个例子。
<实施例1>
通过利用转炉而进行的钢的熔炼、连续铸造而制造的钢坯的厚度为245mm。从钢坯中采集试样，使用荧光X射线分析法、燃烧-红外线吸收法、不活泼气体熔融法、电感耦合等离子体质量分析法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP质量分析法)等进行了化学组成的分析。结果示于表1中。在表1中，空栏是指低于分析下限值。此外，虽然在表1中并没有记载，但作为杂质的O的含量为20ppm～60ppm。在表1～表3中，下划线是指为本公开的范围外的值或条件。
Figure BDA0004044005600000171
对钢坯实施热轧，直接对被轧制材实施淬火，制造了钢板(耐磨钢)。热轧的加热温度为Ac3相变点以上，结束温度为Ar3相变点以上。在热轧工序中，对被轧制材实施了1000℃以上的温度区域中的压下率成为50％以上的轧制。
热轧中使用的钢坯的钢No.、淬火的开始温度、冷却速度、停止温度及钢板的板厚示于表2中。
(金属组织观察)
关于所得到的各厚度的钢板的金属组织的观察，在耐磨钢的厚度低于16mm的情况下，在1/2t部处进行，在耐磨钢的厚度为16mm以上的情况下，在1/4t部处进行。观察面为试样的L(长度)方向截面，实施湿式研磨、利用硝酸乙醇的蚀刻。金属组织的观察以400倍的倍率来进行，通过5个视场的观察来判定铁素体、珠光体、上贝氏体及残留奥氏体的有无。在观察到下贝氏体及马氏体以外的组织的情况下，以下述符号示于表2中，在未观察到下述的组织的情况下记载“-”。
α：铁素体
P：珠光体
uB：上贝氏体
γ：残留奥氏体
(碳化物的面积率及平均当量圆直径的测定)
对金属组织的观察中使用的试样实施有电解研磨，通过SEM来测定碳化物的面积率及当量圆直径。通过以30000倍拍摄的照片的图像解析来测定碳化物的面积及碳化物的个数，算出碳化物的面积率及平均当量圆直径。碳化物的面积率及平均当量圆直径示于表2中。
需要说明的是，碳化物除了渗碳体(Fe3C)以外，还考虑有Cr碳化物和Fe2C。Cr碳化物是在高温下长时间保持的情况下析出的碳化物，但在本公开中的制造工艺中，在Cr碳化物的析出前进行冷却。据认为：如果析出Cr碳化物，则固溶Cr减少，淬透性降低，并且固溶C量减少，因此不会出现作为耐磨钢的硬度。
据认为Fe2C在低温回火(100～200℃)时析出，但是为通过TEM(透射电子显微镜)观察到的微小的尺寸，通过SEM观察不到。
根据这些认知可知，实施例中观察到的碳化物为渗碳体。
(有效晶体粒径的测定)
进而，通过EBSD来测定由15°以上的大倾角晶界所围成的粒径上位10个的平均。利用EBSD的测定在400μm×400μm的视场中以0.4μm的间距来进行。由15°以上的大倾角晶界所围成的粒径上位10个的平均通过TSL公司制的OIM-Analysis来求出。由15°以上的大倾角晶界所围成的粒径上位10个的平均作为有效晶体粒径被示于表2中。
(维氏硬度试验)
在试样的L(长度)方向截面中，在距离耐磨钢的表面在厚度方向上为0.7mm的位置及1/2t部处测定耐磨钢的维氏硬度。维氏硬度试验依据JIS Z 2244：2009，以10kgf的载荷来进行。维氏硬度为所测定的任意的3个点的平均值。如果表面硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上，则耐磨性良好，进而如果1/2t部的硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上，则耐磨性的劣化抑制也良好。
(夏比试验)
夏比试验依据JIS Z 2242：2018，使用设置有V型缺口的全尺寸的试验片来进行。夏比吸收能的平均值为3根试验片的测定值的算术平均。夏比试验片的长度方向为钢板的轧制方向。
在耐磨钢的厚度为12mm以下的情况下，使用了5mm的小尺寸的试验片。关于夏比试验片的采集位置，板厚为16mm以上的耐磨钢为1/4t部，板厚低于16mm的耐磨钢为1/2t部。维氏硬度(表面硬度及1/2t硬度)及夏比吸收能(KV2)示于表2中。如果夏比吸收能为27J以上，则低温韧性良好。
(耐蚀性试验)
耐蚀性试验以JASO M609及JASO M610的试验法为基础，用将溶液进行1/100稀释的人工海水溶液来实施。将2小时的盐水喷雾、4小时的干燥、2小时的湿润作为1个循环，在基于504个循环的腐蚀处理后，通过酸洗处理将锈除去，由腐蚀前后的重量变化来比较腐蚀速度。将与普通钢的SM490相比腐蚀速度低于80％的钢材以A进行评价，将与普通钢的SM490相比腐蚀速度为80％以上的钢材以B进行评价。
Figure BDA0004044005600000201
<实施例2>
对表1中示出成分的钢坯实施热轧，在空气冷却后，对被轧制材实施再加热淬火，制造了钢板。热轧的加热温度为Ac3相变点以上，结束温度为Ar3相变点以上。在热轧工序中，对被轧制材实施了1000℃以上的温度区域中的压下率成为50％以上的轧制。再加热淬火的加热温度为Ac3相变点以上。
热轧中使用的钢坯的钢No.、淬火的开始温度、冷却速度、停止温度及钢板的板厚示于表3中。
与实施例1同样地进行所得到的各厚钢板的金属组织的观察、碳化物的面积率及平均当量圆直径的测定、有效晶体粒径的测定、维氏硬度及夏比吸收能的测定以及耐蚀性试验。结果示于表3中。
Figure BDA0004044005600000221
如表2及表3中所示的那样，满足本公开的要件的钢板不含Ni、Mo，或含量分别被抑制为0.50％以下，耐磨性、耐蚀性及低温韧性优异。
就制造No.101而言，由于C含量高，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.102而言，由于Cr含量低，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.103而言，由于C含量低，因此表面硬度不足，未得到作为目标的耐磨性。
就制造No.104而言，由于Mn含量高，因此析出大量成为脆性断裂的起点的MnS，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.105而言，由于淬火开始温度低，因此生成铁素体，未得到作为目标的耐磨性及低温韧性。
就制造No.106而言，由于冷却速度慢，因此生成铁素体，碳化物粗大化，未得到作为目标的耐磨性及低温韧性。
就制造No.107而言，由于淬火停止温度高，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.108而言，由于C含量高，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.109而言，由于Cr含量低，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.110而言，由于C含量低，因此表面硬度不足从而未得到作为目标的耐磨性，低温韧性也不充分。
就制造No.111而言，由于Mn含量高，因此未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.112而言，由于淬火停止温度高，因此未得到作为目标的低温韧性。
就制造No.113而言，由于淬火停止温度低，因此生成铁素体从而表面硬度不足，未得到作为目标的耐磨性，低温韧性也不充分。
就制造No.114而言，由于冷却速度慢，因此生成铁素体，碳化物粗大化，未得到作为目标的耐磨性及低温韧性。
就制造No.115而言，由于淬火停止温度高，因此碳化物粗大化，未得到作为目标的低温韧性。
2020年7月28日申请的日本专利申请2020-127724的全部公开内容通过参照的形式被纳入本说明书中。本说明书中记载的全部文献、专利申请及技术标准与具体且分别记载各个文献、专利申请及技术标准的情况同等程度地通过参照的形式被纳入本说明书中。

Claims (5)

1.一种耐磨钢，其化学组成以质量％计由下述元素构成：
C：0.08％～0.20％、
Si：0.01％～0.50％、
Mn：0.10％～2.00％、
P：0.015％以下、
S：0.0300％以下、
Cr：2.10％～8.00％、
N：0.0080％以下、
Cu：0％～0.50％、
Ni：0％～0.50％、
Mo：0％～0.50％、
V：0％～0.500％、
W：0％～0.50％、
B：0％～0.0050％、
Al：0％～0.300％、
Ti：0％～0.100％、
Nb：0％～0.100％、
Ca：0％～0.0100％、
Mg：0％～0.0100％、
REM：0％～0.0100％、以及
剩余部分：Fe及杂质，
在厚度方向的截面中、在将厚度设定为t的情况下、在t低于16mm的情况下是在距离表面为1/2t的位置处、在t为16mm以上的情况下是在距离表面为1/4t的位置处，金属组织中所含的碳化物以面积％计为0％～0.5％，所述碳化物的平均当量圆直径为500nm以下，在400μm×400μm的区域中，由15°以上的大倾角晶界所围成的晶粒中的按照从粒径大的顺序起前10个晶粒的平均粒径为40μm以下，及-40℃下的夏比吸收能为27J以上，
在将以质量％计的C含量设定为[C]的情况下，距离表面在厚度方向上为0.7mm的位置处的表面硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。
2.根据权利要求1所述的耐磨钢，其厚度方向的中央部处的中央部硬度为360HV10以上并且为634×[C]1/2+140HV10以上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的耐磨钢，其以质量％计包含选自下述元素中的至少1种：
Cu：0.01％～0.50％、
Ni：0.01％～0.50％、
Mo：0.01％～0.50％、
V：0.003％～0.500％、
W：0.01％～0.50％、
B：0.0003％～0.0050％、
Al：0.005％～0.300％、
Ti：0.003％～0.100％、
Nb：0.003％～0.100％、
Ca：0.0003％～0.0100％、
Mg：0％～0.0100％、及
REM：0.0003％～0.0100％。
4.根据权利要求1～权利要求3中任一项所述的耐磨钢，其为钢板。
5.根据权利要求4所述的耐磨钢，其板厚为8mm～50mm。
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