JP2007197810A - 耐摩耗鋼板 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【解決手段】C:0.20〜0.50%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、P:0.04%以下、S:0.04%以下、Ti:0.2〜1.0%、Mo:0.2〜2.0%、B:0.0003〜0.01%、N:0.01%以下を含み、かつMo/Ti: 1.0以上を満足するように含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる組成と、平均粒径:0.5μm以上のTi炭化物およびTiとMoの複合炭化物を合計で、400個/mm2以上含む組織とする。なお、Cu、Ni、Crのうちから選ばれた1種または2種以上および/またはAlを含有できる。これにより、溶接性に優れ、顕著な高硬度化を伴うことなく、母材部および溶接熱影響部の耐摩耗性に優れた耐摩耗鋼板となる。
【選択図】図1
Description
また、特許文献3には、C:0.07〜0.17%を含み、Si、Mn、V、B、Alを適正量含有し、あるいはさらにCu、Ni、Cr、Moのうちの1種以上を含有した鋼に、熱間圧延後直ちに焼入れ、あるいは一旦空冷した後に、再加熱し焼入れして、表面硬さを321HB以上で、曲げ加工性に優れた鋼板とする耐摩耗用鋼板の製造方法が提案されている。
しかし、近年、鋼板に要求される耐摩耗性は、より一層厳しさを増しており、単に硬度を高めるという方法では、本質的な耐摩耗性の改善にはなっていないのが現状である。特許文献1〜3に記載された技術におけるように、合金元素を多量に添加して、固溶硬化、変態硬化、析出硬化等を活用して、硬度を顕著に高めた場合には、結果的に溶接性、加工性が低下し、さらに高合金化により製造コストが高騰するという問題があった。このため、顕著な高硬度化を図ることなく、耐摩耗性を向上させることが要望されていた。
質量%で、0.31%C−0.40%Tiを基本成分とし、Moを0〜0.77%の範囲で変化させた組成の鋼材を、実験室で溶解した。これら鋼材から、熱サイクル試験片を採取し、通電加熱により溶接を模擬した熱履歴を付加した。これら試験片について、電解抽出法により炭化物を抽出し、炭化物となっているC量を測定し、totalC量から炭化物となっているC量を差し引き、固溶C量を求めた。得られた結果を、固溶C量とMo/Tiとの関係で図1に示す。なお、溶接を模擬した熱履歴は、最高到達温度を1250℃、1350℃の2種とし、最高到達温度までの昇温速度を50℃/s、最高到達温度から200℃までの冷却速度を50℃/sとした。
(1)質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、P:0.04%以下、S:0.04%以下、Ti:0.2〜1.0%、Mo:0.2〜2.0%、B:0.0003〜0.01%、N:0.01%以下を含み、かつMoとTiを次(1)式
Mo/Ti ≧ 1.0 ………(1)
(ここで、Mo、Ti:各元素の含有量(質量%))
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる組成と、平均粒径:0.5μm以上のTi炭化物およびTiとMoの複合炭化物を合計で、400個/mm2以上含む組織を有することを特徴とする耐摩耗鋼板。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Al:0.08%以下を含む組成とすることを特徴とする耐摩耗鋼板。
C:0.20〜0.50%
Cは、TiCを主体とする炭化物(析出物)を形成させるために必須の元素である。0.20%未満では、TiCを主体とする炭化物(析出物)を有効に形成することができない。一方、0.50%を超える含有は、過剰な固溶Cが残存するため、硬さの上昇とともに溶接性、加工性等が低下する。このため、Cは0.20〜0.50%の範囲に規定した。
Siは、脱酸元素として有効な元素であり、その効果を得るためには、少なくとも0.1%以上の含有を必要とする。また、Siは、鋼に固溶して固溶強化により高硬度化に寄与する有効な元素であるが、1.0%を超える含有は、延性、靭性を低下させ、さらに介在物量が増加する等の問題を生じる。このため、Siは0.1〜1.0%の範囲に規定した。 なお、好ましくは0.1〜0.5%である。
Mnは、焼入性を向上させる有効な元素であり、その効果を得るためには、0.1%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Mnは0.1〜2.0%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.5〜1.6%である。
P:0.04%以下
Pは、鋼の延性・靭性を低下させ、鋼板特性に悪影響を及ぼす元素であり、本発明では不可避的不純物として極力低減するのが望ましいが、過度の低減は精錬コストを高騰させる。このような悪影響を及ぼさず、しかも精錬コストの過度の上昇を抑える観点から、Pは0.04%以下に規定した。なお、好ましくは0.02%以下である。
Sは、熱間延性の低下、常温での延性・靭性の低下をもたらす不純物元素であり、極力低減するのが望ましいが、過度の低減は精錬コストを高騰させる。このため、このような悪影響を及ぼさず、しかも精錬コストの過度の上昇を抑える観点から、Sは0.04%以下に規定した。なお、好ましくは0.02%以下である。
Tiは、本発明において、C、Moと共に最も重要な元素であり、安定してTiCおよびTiとMoの複合炭化物を生成させるために必須の元素である。このような炭化物を形成させて、耐摩耗性を向上させる観点から、0.2%以上の含有を必要とする。一方、1.0%を超えて含有すると、加工性が低下するとともに、材料コストの高騰に繋がる。このため、Tiは0.2〜1.0%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.3〜0.8%である。
Moは、本発明において、C、Tiと共に最も重要な元素であり、Tiと共に複合炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、0.2%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超える含有は、Moが複合炭化物中に固溶できなくなるため、溶接性が低下するとともに、材料コストの高騰に繋がる。このため、Moは0.2〜2.0%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.3〜1.6%である。
Mo/Ti ≧ 1.0 ………(1)
(ここで、Mo、Ti:各元素の含有量(質量%))
を満足するように含有する。Mo/Tiが1.0未満では、図1からも明らかなように、溶接時に高温に加熱されると、Ti炭化物が溶解し、固溶Cが増加して、溶接熱影響部の耐摩耗性が低下するとともに、耐溶接割れ性が低下する。このため、Mo/Ti を 1.0以上に規定した。なお、好ましくは2.0以下である。
Bは、微量添加で焼入れ性を高める元素であるが、この効果を発揮するためには、0.0003%以上の含有を必要とする。一方、0.01%を超える含有は、溶接性を低下させるとともに、焼入れ性も低下させる。このため、Bは0.0003〜0.01%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.0005〜0.004%である。
Nは、鋼の延性・靭性を低下させる不純物元素であり、極力低減するのが望ましいが、過度の低減は精錬コストの高騰を招く。このため、このような悪影響を及ぼさず、しかも精錬コストの過度の上昇を抑える観点から、Nは0.01%以下に規定した。なお、好ましくは0.006%以下である。
Cu、Ni、Crはいずれも、鋼の焼入れ性を高める元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上含有できる。
Niは、焼入性を高めるとともに、低温靭性を向上させる元素であり、このような効果は0.1%以上の含有で顕著となる。一方、10%を超える高価なNiの含有は、材料コストを著しく上昇させる。このため、含有する場合には、Niは0.1〜10%の範囲に限定することが好ましい。
Al:0.08%以下
Alは、脱酸剤として作用するとともに、Nと結合して結晶粒微細化に寄与する元素であり、必要に応じ含有できる。このような効果は、0.01%以上の含有で認められるが、0.08%を超える多量の含有は、鋼の清浄度を低下させる。このため、Alは含有する場合には、0.08%以下に限定することが好ましい。
本発明の鋼板は、平均粒径:0.5μm以上のTi炭化物およびTiとMoの複合炭化物を合計で、400個/mm2以上含む組織を有する。
本発明の鋼板では、Ti炭化物(TiC)およびTiとMoの複合炭化物を主体とする粗大な析出物を多量に生成させることにより、所望の耐摩耗性を確保している。平均粒径が0.5μm未満の微細な析出物では、顕著な耐摩耗性向上効果を期待できない。このため、Ti炭化物およびTiとMoの複合炭化物を主体とする析出物の大きさを平均粒径で0.5μm以上とした。なお、析出する複合炭化物の不足による耐摩耗性の低下を考慮して、析出物の平均粒径の上限は50μmとすることが好ましい。
なお、上記した炭化物が析出する組織の基地組織は、基本的にマルテンサイト相を主体とする組織とする。基地組織がマルテンサイト相を主体とする組織の場合には、炭化物の密度や硬度を高めることにより、耐摩耗性の向上効果を効率的に引き出すことができる。一方、基地組織がマルテンサイト相を主体とする組織でない場合は、炭化物の硬度や密度を高めていくことにより、ある程度までは耐摩耗性が向上するが、耐摩耗性向上効果が飽和し、炭化物の硬度や密度の増加に見合う効果が期待できなくなる。
基地組織を、マルテンサイト相を主体とする組織とするためには、基地組織の固溶C量を、0.03質量%超とすることが好ましい。固溶C量が0.03質量%以下では、通常用いられているいかなる工業的熱処理を施しても、基地組織はフェライト相を主体とする組織となる。
転炉、電気炉または真空溶解炉等の公知の溶製方法で、上記した成分範囲内の組成に調整した溶鋼を、公知の連続鋳造法または造塊法を用いて所望の寸法形状の鋼素材(スラブまたはインゴット)とすることが好ましい。
なお、連続鋳造法を用いた場合、厚み200〜400mmの鋳片表面の1500〜1200℃温度域における冷却速度を0.2〜10℃/sの範囲となるように冷却を調整することが好ましい。これにより、析出物(Ti炭化物およびTiとMoの複合炭化物)を所望の大きさおよび個数、すなわち平均粒径が0.5μm以上好ましくは50μm以下の、Ti炭化物およびTiとMoの複合炭化物を、合計で、400個/mm2以上、に調整することが可能となる。なお、造塊法を用いる場合にも、インゴットの大きさおよび冷却条件を、析出物(Ti炭化物およびTiとMoの複合炭化物)が所望の大きさおよび個数になるように、調整する必要があることはいうまでもない。
得られた鋼板から組織観察用試験片を採取し、圧延方向に直交する断面全体について、研磨し、ナイタール腐食して、分析装置付走査型電子顕微鏡(倍率:1000倍)を用いて、組織を撮像した。拡大された100mm×100mmの視野(25視野)について、画像解析装置を用いて、Ti炭化物(TiC)およびTi、Mo複合炭化物の大きさ、個数を測定した。炭化物の大きさは、各炭化物の面積を測定し、同面積から円相当直径を算出し、得られた円相当直径を算術平均し、得られた平均値をその鋼板の平均粒径とした。また、得られた炭化物(Ti炭化物およびTiとMoの複合炭化物)のうち、平均粒径が0.5μm以上の炭化物について、その個数を測定し、1mm2当りの個数に換算した。
(2)耐摩耗性
得られた鋼板から試験片(大きさ:t×25×75mm)を採取し、ASTM G−65に準拠し、摩耗砂としてSiO290%以上の砂を使用して、摩耗試験を実施した。なお、軟鋼(SS400)板についても同様に試験した。試験は母材部、および溶接熱影響部について行った。
溶接熱影響部の耐摩耗性は、各鋼板から採取した試験片に、溶接材料としてビッカース硬さ600クラスの硬化肉盛溶接を行い、肉盛溶接した部分を研削して、母材部と同様の試験を実施し、評価した。なお、溶接熱影響部の耐摩耗性は、摩耗試験後の試験片の外観を観察し、母材部の試験片と比較することにより評価した。摩耗試験後の試験片外観が溶接熱影響部の優先的な摩耗が見られず母材部と同等の損傷である場合を○、溶接熱影響部の優先的な摩耗が見られ母材部より損傷が激しい場合を×とした。
得られた各鋼板から試験片を採取し、JIS Z 3158の規定に準拠して、y形溶接割れ試験を実施し、割れ停止温度を求め、溶接割れ性を評価した。
(4)基地組織の固溶C量
得られた各鋼板から試験片を採取し、電解抽出法により炭化物を抽出して、炭化物となっているC量を測定し、ついでtotalC量から、炭化物となっているC量を差引き、基地組織中の固溶C量とした。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.20〜0.50%、 Si:0.1〜1.0%、
Mn:0.1〜2.0%、 P:0.04%以下、
S:0.04%以下、 Ti:0.2〜1.0%、
Mo:0.2〜2.0%、 B:0.0003〜0.01%、
N:0.01%以下
を含み、かつMoとTiを下記(1)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる組成と、平均粒径:0.5μm以上のTi炭化物およびTiとMoの複合炭化物を合計で、400個/mm2以上含む組織を有することを特徴とする耐摩耗鋼板。
記
Mo/Ti ≧ 1.0 ………(1)
ここで、Mo、Ti:各元素の含有量(質量%) - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜10%、Cr:0.1〜3.0%のうちから選ばれた1種または2種以上を含む組成とすることを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗鋼板。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、Al:0.08%以下を含む組成と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。
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