JP2021127513A - 硬度と靭性のバランスに優れた機械構造用合金鋼 - Google Patents
硬度と靭性のバランスに優れた機械構造用合金鋼 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】硬さと靱性の双方をバランスよく兼ね備えた機械構造用合金鋼の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：１．００〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、式０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）の値が１０〜２０を満足する鋼であって、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下である機械構造用合金鋼。【選択図】なし
Description
本発明は、土木、建設等の分野で使用される土木建設機械等に使用される機械構造用合金鋼に関する。とりわけ土砂や岩石等との摩耗や折損が問題となる環境下で使用される部材として良好な機械構造用合金鋼に関する。
土木建設機械に使用される部材は、岩石等との衝突により折損等を生じることがある。また、土砂、岩石等により摩耗も引き起こされる。近年、土木建設機械が使用される環境はますます過酷になってきており、部材の早期折損、早期摩耗が問題視されている。
こうした早期折損に対しては部材の靭性を向上させること、早期摩耗に対しては部材を高強度化、高硬度化させることが望ましいところである。もっとも、靭性と硬度とはトレードオフの関係にあるので、高強度化と高硬度化の双方を両立させることは一般的に困難である。
こうした早期折損に対しては部材の靭性を向上させること、早期摩耗に対しては部材を高強度化、高硬度化させることが望ましいところである。もっとも、靭性と硬度とはトレードオフの関係にあるので、高強度化と高硬度化の双方を両立させることは一般的に困難である。
また、土木建設機械用の部材は大型の部品であることが多いために、焼入れ時に完全に部品の中心部まで硬化させる必要がある。焼入れ硬化層が浅い場合には、表面部に硬化層があるものの、この表面部の硬化層が摩耗しきってしまうと、とたんに軟質な内部が急激に摩耗してしまうこととなる。そこで、土木建設機械用鋼においては、大型部材に用いる機械構造用合金鋼においては、中心部まで焼入れ硬化が可能となる十分な焼入性を備えることが必要となる。
従来、土砂や岩石等による摩耗が問題となる土木建設機械に使用される部材に対しては、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を多量に添加した鋼材に焼入れを行い、高硬度化した鋼材が使用されている。
また、Ｃ添加による高硬度化、Ｓｉ、Ｃｒ添加による焼入性の増大、Ｓｉ添加による焼戻し軟化抵抗性の向上により、耐摩耗性の向上を指向する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
しかし、この提案の方法では、硬度向上のためのＣ増加により、他方で靭性が低下するという問題が生じる。また、焼入性向上のためにＳｉ、Ｃｒを多量に添加しているものの、今度は過剰な焼入性によって製造性の低下が懸念される。
しかし、この提案の方法では、硬度向上のためのＣ増加により、他方で靭性が低下するという問題が生じる。また、焼入性向上のためにＳｉ、Ｃｒを多量に添加しているものの、今度は過剰な焼入性によって製造性の低下が懸念される。
また、Ｂ添加による粒界強化によって靭性の向上を図るとともに、Ｓｉの添加による固溶強化によって耐摩耗性の向上を指向する方法も提案されている（特許文献２参照。）。
しかし、この提案の方法では、Ｍｎ、Ｂの添加により焼入性の向上が図られるものの、合金元素が不足しているために焼入性が未だ低く十分とはいえない。つまり、大型部材に対し焼入れを行った場合には中心部までの硬化が得られず、耐摩耗性が十分とはいえなかった。
しかし、この提案の方法では、Ｍｎ、Ｂの添加により焼入性の向上が図られるものの、合金元素が不足しているために焼入性が未だ低く十分とはいえない。つまり、大型部材に対し焼入れを行った場合には中心部までの硬化が得られず、耐摩耗性が十分とはいえなかった。
また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの複合添加により焼入性、焼戻し軟化抵抗性の向上および靭性の向上を指向する方法が提案されている（特許文献３参照。）。
しかし、Ｍｎの添加により粒界への炭化物の偏析が大きくなるので、靭性を低下させる要因となる。また、Ｍｏを多量に添加するため、成分偏析が大きくなることによる靭性の低下、過剰な焼入性による製造性の低下等も懸念される。
しかし、Ｍｎの添加により粒界への炭化物の偏析が大きくなるので、靭性を低下させる要因となる。また、Ｍｏを多量に添加するため、成分偏析が大きくなることによる靭性の低下、過剰な焼入性による製造性の低下等も懸念される。
また、Ｓｉ添加量の低減による粒界炭化物析出の抑制、Ａｌ、Ｎの添加によるオーステナイト粒粗大化抑制およびＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの適切な添加により、靭性と耐摩耗性の向上を指向する方法が提案されている（特許文献４参照。）。
しかし、この提案の方法では、靭性に与える影響が一般的に大きいとされる旧オーステナイト粒径の制御が未だ不十分であって、ひとたび粗大化が発生すると深刻な靭性の低下が引き起こされる懸念があった。
しかし、この提案の方法では、靭性に与える影響が一般的に大きいとされる旧オーステナイト粒径の制御が未だ不十分であって、ひとたび粗大化が発生すると深刻な靭性の低下が引き起こされる懸念があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、土木建設機械用部材、例えばトラックリンク、トラックシュー、リッパーポイント等のような大型の部材にも適用可能で、かつ厳しい衝撃が加わったり摩耗が生じやすい厳しい環境下での使用に適した鋼材として、中心部まで焼入れ硬化が可能な焼入性に優れる機械構造用合金鋼を提供することである。
また、上記の機械構造用合金鋼を焼入れ焼戻し処理した際に、優れた硬度と靭性を兼ね備えている機械構造用合金鋼の提供、すなわち、土木建設機械用部材に好適な、焼入れ焼戻し後の鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験により測定した衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2以上であることを満たす、硬度と靭性のバランスに優れた機械構造用合金鋼を提供することである。
また、上記の機械構造用合金鋼を焼入れ焼戻し処理した際に、優れた硬度と靭性を兼ね備えている機械構造用合金鋼の提供、すなわち、土木建設機械用部材に好適な、焼入れ焼戻し後の鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験により測定した衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2以上であることを満たす、硬度と靭性のバランスに優れた機械構造用合金鋼を提供することである。
本願の発明者らは、焼入れ焼戻し処理を施して用いられる土木建設機械用部材に対し、Ｓｉの低減によって粒界炭化物およびオーステナイト粒の粗大化を抑制し、また、圧延工程の加熱温度を１１５０℃以下の低温とすることにより結晶粒粗大化を防止することで靭性を改善し、さらにＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏを適切に添加することにより焼入れ時に鋼材の中心部まで焼入れ硬化する特性の、靭性と耐摩耗性の双方に優れる鋼を見出した。
すなわち、本発明の課題を解決する第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：１．００〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、以下の式（１）のＡの値が１０〜２０を満足する鋼であって、
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。
その第２の手段は、第１の手段に記載の化学成分に加えて、質量％でＮｂ：０．０２〜０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％のうちいずれか一種または双方を含有し、かつＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものであって、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、以下の式（１）のＡの値が１０〜２０を満足する鋼であって、
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。
本発明の鋼は、焼入れ温度を規定することで焼入れ焼戻し後の鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上と高硬度となっていることに加えて、さらに旧オーステナイト粒径の平均が２０μｍ以下であることから５０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値が確保されており、高靱性ともなっている。そこで、大型の土木建設機械にも好適な、中心部まで焼入れ硬化し、かつ高靭性な、硬さと靱性の双方をバランスよく兼ね備えた機械構造用合金鋼を得ることができる。
本発明の実施の形態を詳述するに先立ち、本発明の機械構造用合金鋼の各化学成分を規定する理由と、熱処理条件、硬度、オーステナイト粒径等を規定する理由について説明する。なお、各化学成分の％の記載は質量％を意味する。
Ｃ：０．２５〜０．４０％
Ｃは、焼入れ時のマトリックス強度を向上させ、焼入性、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃが０．２５％未満では十分な硬度が確保できないため、０．２５％以上とする。他方、Ｃ量が過剰であると、靭性を大きく低下させる。そのため、Ｃは上限を０．４０％とする。
そこで、Ｃは０．２５〜０．４０％とする。好ましくは、Ｃは０．２５〜０．３５％である。
Ｃは、焼入れ時のマトリックス強度を向上させ、焼入性、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃが０．２５％未満では十分な硬度が確保できないため、０．２５％以上とする。他方、Ｃ量が過剰であると、靭性を大きく低下させる。そのため、Ｃは上限を０．４０％とする。
そこで、Ｃは０．２５〜０．４０％とする。好ましくは、Ｃは０．２５〜０．３５％である。
Ｓｉ：０．０５〜０．３０％
Ｓｉは鋼の脱酸に必要であるとともに、焼入性の向上に影響する元素である。そのため、Ｓｉは０．０５以上必要である。他方、Ｓｉが０．３０％を超えると、粒界炭化物の生成およびオーステナイト粒の粗大化を引き起こし、靭性を低下させる。そのため、Ｓｉは上限を０．３０％とする。
そこで、Ｓｉは０．０５〜０．３０％とする。
Ｓｉは鋼の脱酸に必要であるとともに、焼入性の向上に影響する元素である。そのため、Ｓｉは０．０５以上必要である。他方、Ｓｉが０．３０％を超えると、粒界炭化物の生成およびオーステナイト粒の粗大化を引き起こし、靭性を低下させる。そのため、Ｓｉは上限を０．３０％とする。
そこで、Ｓｉは０．０５〜０．３０％とする。
Ｍｎ：１．００〜１．５０％
Ｍｎは焼入性の向上、焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。そのため、Ｍｎは１．００％以上必要である。他方、Ｍｎが１．５０％を超えると結晶粒界に偏析し靭性を低下させる。そのため、Ｍｎは上限を１．５０％とする。
そこで、Ｍｎは１．００〜１．５０％である。
Ｍｎは焼入性の向上、焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。そのため、Ｍｎは１．００％以上必要である。他方、Ｍｎが１．５０％を超えると結晶粒界に偏析し靭性を低下させる。そのため、Ｍｎは上限を１．５０％とする。
そこで、Ｍｎは１．００〜１．５０％である。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、０．０３０％以下とする。
Ｐは結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは靭性の低下を招くため、０．０３０％以下とする。
Ｓは靭性の低下を招くため、０．０３０％以下とする。
Ｃｒ：１．５０〜３．００％
Ｃｒは焼入性、焼戻し軟化抵抗を増加させ、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃｒは１．５０％以下では鋼材の中心部まで焼入れ硬化させることができないため、Ｃｒは１．５０％以上が必要である。他方、Ｃｒは３．００％を超えると靭性の低下、焼入性過剰による製造性の低下を招く。そのため、Ｃｒは上限を３．００％とする。
そこで、Ｃｒは１．５０〜３．００％とする。
Ｃｒは焼入性、焼戻し軟化抵抗を増加させ、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃｒは１．５０％以下では鋼材の中心部まで焼入れ硬化させることができないため、Ｃｒは１．５０％以上が必要である。他方、Ｃｒは３．００％を超えると靭性の低下、焼入性過剰による製造性の低下を招く。そのため、Ｃｒは上限を３．００％とする。
そこで、Ｃｒは１．５０〜３．００％とする。
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％
Ｍｏは焼入性、焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。そのため、Ｍｏは０．０５％以上の添加が必要である。他方、Ｍｏは０．５０％を超えると、鋼材の成分偏析および製造性の低下を引き起こす。そのため、Ｍｏは上限を０．５０％とする。
そこで、Ｍｏは０．０５〜０．５０％とする。
Ｍｏは焼入性、焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。そのため、Ｍｏは０．０５％以上の添加が必要である。他方、Ｍｏは０．５０％を超えると、鋼材の成分偏析および製造性の低下を引き起こす。そのため、Ｍｏは上限を０．５０％とする。
そこで、Ｍｏは０．０５〜０．５０％とする。
Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％
Ａｌは鋼中でＡｌＮを形成し、ピンニング粒子としてオーステナイト粒径の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する。そのため、Ａｌは０．０２０％以上が必要である。もっとも、Ａｌは０．０５０％を超えると、窒化物や酸化物が粗大化することにより靭性が低下する。また、製造性の低下を引き起こすことから、Ａｌは上限を０．０５０％とする。
そこでＡｌは０．０２０〜０．０５０％とする。
Ａｌは鋼中でＡｌＮを形成し、ピンニング粒子としてオーステナイト粒径の粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する。そのため、Ａｌは０．０２０％以上が必要である。もっとも、Ａｌは０．０５０％を超えると、窒化物や酸化物が粗大化することにより靭性が低下する。また、製造性の低下を引き起こすことから、Ａｌは上限を０．０５０％とする。
そこでＡｌは０．０２０〜０．０５０％とする。
Ｎ：０．０１００〜０．０２００％
Ｎは鋼中でＡｌＮを形成し、オーステナイト粒径の粗大化を抑制する元素である。そのため、Ｎは０．０１００％以上必要である。もっともＮは０．０２００％を超えると、窒化物が粗大化し、靭性が低下するため、Ｎは上限を０．０２００％とする。
そこで、Ｎは０．０１００〜０．０２００％とする。
Ｎは鋼中でＡｌＮを形成し、オーステナイト粒径の粗大化を抑制する元素である。そのため、Ｎは０．０１００％以上必要である。もっともＮは０．０２００％を超えると、窒化物が粗大化し、靭性が低下するため、Ｎは上限を０．０２００％とする。
そこで、Ｎは０．０１００〜０．０２００％とする。
本発明の機械構造用合金鋼には、ＮｉとＴｉのいずれか１種あるいは双方を、以下の範囲で添加することができる。
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、
Ｎｂ：０．０２〜０．０４％、
Ｔｉ＋Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、
Ｎｂ：０．０２〜０．０４％、
Ｔｉ＋Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉは、Ａｌと同様にオーステナイト粒径の粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのためにはＴｉは０．００５％以上添加することが望ましい。もっとも、Ｔｉが過剰であると窒化物の粗大化による靭性の低下、製造性の低下を招くため、Ｔｉは上限を０．０３０％とする。
Ｎｂは鋼中でＮｂＣＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで靭性の向上に寄与する。そのためにはＮｂは０．０２％以上添加することが望ましい。もっとも、Ｎｂは過剰であると粗大なＮｂＣＮの析出により靭性が低下するため、Ｎｂは上限を０．０４％とする。
ただし、ＴｉとＮｂは、いずれか１種あるいは双方を添加してもよいが、その合計量が０．０５０％を超えると効果が飽和するため、Ｔｉ＋Ｎｂの添加は、その上限を０．０５０％とする。
そこで、本発明の機械構造用合金鋼には、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ：０．０２〜０．０４％、のいずれか１種または双方を、Ｔｉ＋Ｎｂの合計で０．００５〜０．０５０％の範囲で添加しうるものとする。
Ｎｂは鋼中でＮｂＣＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで靭性の向上に寄与する。そのためにはＮｂは０．０２％以上添加することが望ましい。もっとも、Ｎｂは過剰であると粗大なＮｂＣＮの析出により靭性が低下するため、Ｎｂは上限を０．０４％とする。
ただし、ＴｉとＮｂは、いずれか１種あるいは双方を添加してもよいが、その合計量が０．０５０％を超えると効果が飽和するため、Ｔｉ＋Ｎｂの添加は、その上限を０．０５０％とする。
そこで、本発明の機械構造用合金鋼には、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ：０．０２〜０．０４％、のいずれか１種または双方を、Ｔｉ＋Ｎｂの合計で０．００５〜０．０５０％の範囲で添加しうるものとする。
式（１）におけるＡの値：１０〜２０
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
（ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）の値を代入する。）
式（１）におけるＡの値は、鋼材の焼入性に関わる指標である。Ａ値の値が増加する程、鋼材の焼入性が向上する。すなわち、Ａ値は、焼入性に関わるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏのバランスを考慮した式（１）に各化学成分の値を代入して算定するものであるから、この式（１）を用いることで、鋼材の焼入れ性を適切に把握することができる。
そして、Ａ値が高くなると、鋼材の中心部まで焼入れ硬化することによって耐摩耗性が向上することから、中心まで焼きが入る部材を選別でき、大型の部材としても十分適用できるようになる。そこで、φ２００未満の鋼材径に対し、中心部まで焼入れ硬化できるよう、Ａ値は１０以上とする。
もっとも、Ａ値が２０以上であると、焼入性が過剰となりやすく、製造性の低下を招くとともに、コスト増加の要因となる。そのため、Ａ値は２０以下とする。
そこで、Ａ値の値は、１０〜２０とする。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
（ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）の値を代入する。）
式（１）におけるＡの値は、鋼材の焼入性に関わる指標である。Ａ値の値が増加する程、鋼材の焼入性が向上する。すなわち、Ａ値は、焼入性に関わるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏのバランスを考慮した式（１）に各化学成分の値を代入して算定するものであるから、この式（１）を用いることで、鋼材の焼入れ性を適切に把握することができる。
そして、Ａ値が高くなると、鋼材の中心部まで焼入れ硬化することによって耐摩耗性が向上することから、中心まで焼きが入る部材を選別でき、大型の部材としても十分適用できるようになる。そこで、φ２００未満の鋼材径に対し、中心部まで焼入れ硬化できるよう、Ａ値は１０以上とする。
もっとも、Ａ値が２０以上であると、焼入性が過剰となりやすく、製造性の低下を招くとともに、コスト増加の要因となる。そのため、Ａ値は２０以下とする。
そこで、Ａ値の値は、１０〜２０とする。
旧オーステナイト粒径：２０μｍ以下
オーステナイト粒の粗大化は靭性の低下を引き起こすため、旧オーステナイト結晶粒径の平均値は、上限を２０μｍとする。
オーステナイト粒の粗大化は靭性の低下を引き起こすため、旧オーステナイト結晶粒径の平均値は、上限を２０μｍとする。
本発明の第１又は第２の手段に記載の化学成分と式（１）のＡ値が１０〜２０を満足する機械構造用合金鋼を、たとえば１１５０℃以下で塑性加工して焼ならしした後、オーステナイト化温度より３０〜１００℃高い加熱温度から焼入れ焼戻し処理することで、焼入れ硬さが４５ＨＲＣ以上かつ旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下の機械構造用合金鋼を得ることができる。
焼入温度：オーステナイト化温度＋３０〜１００℃
焼入温度が低いと、十分に鋼材を焼入れ硬化させることができないため、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度より３０℃以上高いものとする。もっとも、焼入温度が高すぎると、結晶粒の粗大化により靭性が低下する。そのため、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度から高くとも１００℃までとするとよい。
焼入温度が低いと、十分に鋼材を焼入れ硬化させることができないため、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度より３０℃以上高いものとする。もっとも、焼入温度が高すぎると、結晶粒の粗大化により靭性が低下する。そのため、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度から高くとも１００℃までとするとよい。
塑性加工のための加熱温度：１１５０℃以下
本発明では、オーステナイト化温度より３０〜１００℃高い加熱温度から焼入れ焼戻し処理を行った場合、旧オーステナイト結晶粒度の平均粒径が２０μｍ以下となる鋼を得るためには、低温にて圧延工程等の塑性加工を行う必要がある。そこで、本発明の機械構造用合金鋼を得るためには、塑性加工のための加熱温度を１１５０℃以下とするとよい。
本発明では、オーステナイト化温度より３０〜１００℃高い加熱温度から焼入れ焼戻し処理を行った場合、旧オーステナイト結晶粒度の平均粒径が２０μｍ以下となる鋼を得るためには、低温にて圧延工程等の塑性加工を行う必要がある。そこで、本発明の機械構造用合金鋼を得るためには、塑性加工のための加熱温度を１１５０℃以下とするとよい。
（実施例について）
表１に示す実施例鋼および比較例鋼のそれぞれの化学成分からなる鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。
得られた鋼部材を試験片へと加工し、靭性についてはＪＩＳ Ｚ ２２４２に基づいたシャルピー衝撃試験を用いて評価した。
また、耐摩耗性については直径１６０ｍｍの鋼材を焼入れ焼戻ししたときの鋼材中心部の硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４５に基づいたロックウェル硬度測定にて評価した。
表１に示す実施例鋼および比較例鋼のそれぞれの化学成分からなる鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。
得られた鋼部材を試験片へと加工し、靭性についてはＪＩＳ Ｚ ２２４２に基づいたシャルピー衝撃試験を用いて評価した。
また、耐摩耗性については直径１６０ｍｍの鋼材を焼入れ焼戻ししたときの鋼材中心部の硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４５に基づいたロックウェル硬度測定にて評価した。
まず表１に示す鋼を、１１５０℃もしくは比較のために１２５０℃で直径１６０ｍｍに鍛伸した後、８７０℃で１時間保持後空冷の焼ならしを行った。
その後、焼入れ処理として８７０℃に加熱して１００〜２００分保持後に油冷し室温まで冷却した後、２１０℃にて６０〜９０分保持後に空冷し室温まで冷却して焼戻しを行い棒鋼を得た。
得られた棒鋼について、靭性、耐摩耗性を評価した。
その後、焼入れ処理として８７０℃に加熱して１００〜２００分保持後に油冷し室温まで冷却した後、２１０℃にて６０〜９０分保持後に空冷し室温まで冷却して焼戻しを行い棒鋼を得た。
得られた棒鋼について、靭性、耐摩耗性を評価した。
すなわち、上記の条件で製造、熱処理を行った棒鋼について、鋼材中心の位置より、それぞれＪＩＳ ３号 ２ｍｍ Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠してシャルピー衝撃試験を行った。
また、上記の条件で製造、熱処理を行った棒鋼について、棒鋼の長さの中心位置（１／２Ｌ位置）より、直径１６０ｍｍ×長さ１５ｍｍを硬さ測定用試験片として採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠し、鋼材の直径１６０ｍｍの中心部の硬さをロックウェル硬度測定機にて測定した。
旧オーステナイト結晶粒界は、採取した試料の断面を鏡面研磨した後に、直径１６０ｍｍの鋼材の中心の位置について、ピクリン酸の飽和水溶液ベースの腐食液に浸漬させて現出させた。これを光学顕微鏡で観察し、粒径の平均値を旧オーステナイト平均粒径として記録した。
表２にシャルピー衝撃試験、硬さ測定、旧オーステナイト平均粒径の結果を示す。表２の右端には、焼入性の指標であるＡ値を表１から転記して示す。
表２に示す通り、１１５０℃にて鍛伸を実施した本発明に従う実施例鋼（Ｎｏ．１〜１０）は、いずれも中心部硬さが４５ＨＲＣ以上、シャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2以上を満たしており、硬さと靭性のバランスに優れる機械構造用合金鋼として、土木建設機械用の部材に好適となることが確認された。
これに対し、式（１）で示すＡ値が１０未満である比較例鋼Ｎｏ．１１、１６、１８、１９、２１は、１１５０℃にて鍛伸時に鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣを下回っており、焼入性の不足から、鋼材の中心部まで焼入れ硬化していないことが確認された。
一方、式（１）で示すＡ値が２０以上である比較例鋼Ｎｏ．１２、１３、１７、２０、２２、２３は、合金元素量が多いことから焼入性が過剰となっており、製造性の低下、コストの増加が懸念されるとともに、靭性の低下も認められた。
さらに、Ｃ量が多い比較例鋼Ｎｏ．１７、２０、２２、２３では、Ｃ量が過剰であることから、過度な高硬度化に伴う靭性の低下を招いている。
また、本発明の熱処理方法として適さない１２５０℃にて鍛伸を実施した場合、実施例鋼（Ｎｏ．１〜１０）および比較例鋼（Ｎｏ．１１〜２３）は、いずれも鍛伸温度の高温化によって旧オーステナイト粒径の平均が２０μｍ以上となり、その衝撃値も５０Ｊ／ｃｍ2を下回るものとなった。このように旧オーステナイト粒径の平均値が増大すると、靭性が低下することが確認された。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：１．００〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、以下の式（１）のＡの値が１０〜２０を満足する鋼であって、
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。 - 請求項１に記載の化学成分に加えて、質量％でＮｂ：０．０２〜０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％のうちいずれか一種または双方を含有し、かつＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものであって、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、以下の式（１）のＡの値が１０〜２０を満足する鋼であって、
さらに、硬さが４５ＨＲＣ以上であって、旧オーステナイト結晶粒径の平均が２０μｍ以下であることを特徴とする、機械構造用合金鋼。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式（１）の右辺の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。
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| JP2020024680A JP2021127513A (ja) | 2020-02-17 | 2020-02-17 | 硬度と靭性のバランスに優れた機械構造用合金鋼 |
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