JP2991943B2

JP2991943B2 - 被削性に優れた強靱鋼

Info

Publication number: JP2991943B2
Application number: JP7013314A
Authority: JP
Inventors: 光男宇野; 福和中里; 雅紀坂本
Original assignee: NIPPON NYUUMACHITSUKU KOGYO KK; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: NIPPON NYUUMACHITSUKU KOGYO KK; Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: JPH08209300A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被削性に優れた強靱鋼
に関する。更に詳しくは、油圧ショベルの油圧ブレーカ
内部に組み込まれるピストンなど、土木建設機械に使用
される各種ピストン用鋼材として好適な切り粉特性に優
れた強靱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルの油圧ブレーカ内部に組み
込まれる図１に示すようなピストンを始めとして、土木
建設機械に使用される各種のピストン類はチゼルなどと
激しく衝突するため、強度（硬さ）と靱性が共に必要と
される。すなわちピストン１は、チゼルなどの極めて硬
い部品と衝突することにより所謂「へたり」を生じ、そ
れによる「かえり」２のため滑らかな動きを妨げられる
こととなるので、上記の「へたり」による「かえり」２
を防止するための硬さを要求される。しかしながら硬い
ばかりであると靱性が低くなるため、衝突時の激しい衝
撃に耐えきれずに割れ３が起こるという問題が生じるの
で、靱性が同時に要求されることとなる。

【０００３】そこで従来、前記ピストン類には強度（硬
さ）と靱性の両方を具備させるために、この両者に優れ
るＳＮＣ６３１鋼（JIS G 4102(1979)）やＳＮＣＭ４２
０鋼（JIS G 4103(1979)）などをベースに成分改良を行
ったＮｉ添加系の鋼が用いられてきた。

【０００４】ところが多量のＮｉ添加は被削性、特に、
切り粉特性を極めて劣化させるため、前記の従来鋼を用
いた場合には切り粉が長くなって巻き付いてしまうの
で、切削機械加工の途中で巻き付いた切り粉を取り除か
ねばならず、ＮＣ旋盤を使った自動化が困難となって作
業性の低下とコストアップを招くこととなっていた。

【０００５】そのため産業界からは、土木建設機械用の
各種ピストン用の素材として、良好な切り粉特性を得る
ためにＮｉを多量に含有すること無く、しかもＮｉ添加
系の鋼と同等以上の強度（硬さ）と靱性を有し、かつ廉
価な鋼の開発が待望されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、油圧
ショベルの油圧ブレーカ内部に組み込まれるピストンな
ど、土木建設機械に使用される各種ピストン用鋼材とし
て好適な被削性、特に、切り粉特性に優れた強靱鋼を廉
価に提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の課題を
達成するため検討を重ねた結果、下記（ａ）〜（ｄ）の
知見を得た。

【０００８】（ａ）ピストン中心部の硬さがＨR Ｃで４
０．０以上であれば、チゼルなどの極めて硬い部品と衝
突した場合でもピストンにおける「へたり」は極めて発
生し難くなり、したがって、「かえり」の問題が解消さ
れて滑らかなピストンの動きが達成できること。

【０００９】（ｂ）実機に組み込んだ予備テストの結
果、ピストンが使用中の衝撃に充分耐えて割れを生じな
いためには、図１の径の細い部分であるａ部においてピ
ストンの中心からＲ／２部位置（ここでＲはピストンの
ａ部における半径、以下ａ部におけるピストンの中心か
らＲ／２部のことを単にピストンのＲ／２部という。ま
た中心からＲ／２部のことを単にＲ／２部という。）に
おける靱性としてＪＩＳ３号試験片での常温における衝
撃値が３８．０Ｊ／ｃｍ²以上あればよいこと。

【００１０】（ｃ）多量のＮｉを添加せずとも、適正量
のＣｒ、ＭｏおよびＶを複合添加することにより、強度
（硬さ）と靱性が著しく向上し、Ｎｉ添加鋼と同等以上
の強靱性が得られ、しかもＮｉ添加鋼に比べて切り粉特
性は極めて良好であること。

【００１１】（ｄ）強度と靱性に関しては、下記のｆｎ
１で整理でき、この値が２．０％以上の場合に上記の
（ａ）と（ｂ）に示した所定の硬さと靱性が得られるこ
と。

【００１２】ｆｎ１＝(2/3) %Cr +(4/5) %Mo +2 %V 但し、 %Cr はＣｒ含有量の重量％を意味し、 %Mo お
よび %V についても同様である。

【００１３】上記知見に基づく本発明は下記（１）〜
（４）に示す化学組成を有する靱性に優れた窒化用鋼を
要旨とする。

【００１４】（１）重量％で、Ｃ：０．２５〜０．４５
％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．３５〜
２．００％、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．
５０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：
０．５０％以下、Ｂ：０．０１００％以下、Ｎ：０．０
０３０〜０．０２％を含有し、残部はＦｅおよび不可避
不純物からなり、かつ、前記ｆｎ１の値が２．０〜５．
０％である被削性に優れた強靭鋼。

【００１５】（２）上記（１）に記載の成分に加えて更
に、重量％で、０．００５〜０．０５０％のＮｂ、０．
０１〜０．１０％のＴｉおよび０．０１０〜０．１００
％のＡｌのうちの１種以上を含有し、かつ、前記ｆｎ１
の値が２．０〜５．０％である被削性に優れた強靱鋼。

【００１６】（３）上記（１）に記載の成分に加えて更
に、重量％で、０．００５〜０．１００％のＳ、０．０
１〜０．３０％のＰｂ、０．００５〜０．１００％のＴ
ｅ、０．０１〜０．３０％のＢｉおよび０．０００５〜
０．０１００％のＣａのうちの１種以上を含有し、か
つ、前記ｆｎ１の値が２．０〜５．０％である被削性に
優れた強靱鋼。

【００１７】（４）上記（１）に記載の成分に加えて更
に、重量％で、０．００５〜０．０５０％のＮｂ、０．
０１〜０．１０％のＴｉおよび０．０１０〜０．１００
％のＡｌのうちの１種以上、並びに０．００５〜０．１
００％のＳ、０．０１〜０．３０％のＰｂ、０．００５
〜０．１００％のＴｅ、０．０１〜０．３０％のＢｉお
よび０．０００５〜０．０１００％のＣａのうちの１種
以上を含有し、かつ、前記ｆｎ１の値が２．０〜５．０
％である被削性に優れた強靱鋼。

【００１８】

【作用】以下に、本発明における鋼の化学組成を上記の
ように限定する理由について説明する。なお、「％」は
「重量％」を意味する。

【００１９】Ｃ：Ｃは所望の強度（硬さ）を確保するの
に有効な元素であるが、反面靱性を低下させる元素でも
ある。ピストン中心部における硬さを確保して「へた
り」による「かえり」を抑制することでピストンの滑ら
かな動きを達成し、かつピストンのＲ／２部靱性の確保
により激しい衝撃を吸収して耐割れ性を向上させるため
には、硬さと靱性のバランスが必要で、最低限の硬さ
（ピストン中心部の硬さがＨRＣで４０．０以上）を得
るためには、Ｃを０．２５％以上含有させることが必要
である。一方、０．４５％を超えて含有させると靱性が
著しく低下し、所定の靱性（ピストンのＲ／２部靱性と
してＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値が３８．
０Ｊ／ｃｍ²以上）を得ることができない。従って、Ｃ
の含有量は、０．２５〜０．４５％とした。

【００２０】Ｓｉ：Ｓｉは鋼の脱酸に必要であるととも
に、所定の強度（硬さ）を付与するのに必要な元素であ
る。しかし、その含有量が０．０５％未満では所望の効
果が得られず、１．００％を超えると靱性が著しく劣化
するようになり所定の靱性を確保できないので、その含
有量を０．０５〜１．００％とした。

【００２１】Ｍｎ：Ｍｎは脱酸に必要であるとともに、
焼入れ性を高めて硬さと靱性を向上させる作用がある。
しかし、その含有量が０．３５％未満では所望の効果が
得られず、２．００％を超えるとかえって靱性が劣化
し、所望の靱性が得られないので、その含有量を０．３
５〜２．００％とした。

【００２２】Ｃｒ：Ｃｒは焼入れ性を高めて硬さと靱性
を向上させる作用を有している。その作用は特に、Ｍｏ
およびＶとの複合添加で大きく発揮され、Ｎｉ添加鋼と
同等以上の強靱性が得られる。しかし、その含有量が
１．００％未満では所望の効果が得られず、４．００％
を超えて含有してもその効果は飽和し経済性を損なうこ
とになるので、その含有量を１．００〜４．００％とし
た。

【００２３】Ｍｏ：Ｍｏは焼入れ性を高めて硬さと靱性
の向上に極めて有効な元素である。特に、ＣｒおよびＶ
との複合添加でその効果が著しく、Ｎｉ添加鋼と同等以
上の強靱性が得られる。しかし、その含有量が０．５０
％未満では所望の効果が得られず、一方１．５０％を超
えて含有してもその効果は飽和し、コストのみが上昇す
ることになるので、その含有量を０．５０〜１．５０％
とした。

【００２４】Ｖ：Ｖは焼戻し軟化抵抗を高めて硬さを向
上させる作用に加えて、特に、ＣｒおよびＭｏとの複合
添加で硬さと靱性を著しく向上させ、Ｎｉ添加鋼と同等
以上の強靱性を鋼に付与する作用を有する。しかし、そ
の含有量が０．０５％未満では所望の効果が得られず、
一方０．５０％を超えるとＶ炭窒化物が凝集粗大化し、
かえって靱性の低下をきたし耐割れ性を劣化させること
となるので、その含有量を０．０５〜０．５０％とし
た。

【００２５】Ｎｉ：Ｎｉは添加しなくても良い。添加す
れば強度と靱性を向上させる効果がある。

【００２６】この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．１
０％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その
含有量が０．５０％を超えると被削性、就中、切り粉特
性が極めて劣化し、本発明の所期の目的を達成できなく
なってしまう。従って、Ｎｉの含有量は０．５０％以下
とする必要がある。

【００２７】Ｂ：Ｂも添加しなくても良い。添加すれば
焼入れ性が向上する効果がある。この効果を確実に得る
には、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが望
ましい。

【００２８】しかし、その含有量が０．０１００％を超
えると、熱間加工性が低下する。従って、Ｂ含有量の上
限を０．０１００％とした。

【００２９】Ｎ：Ｎは、含有させれば窒化物を形成して結晶粒を微細にし
靭性を向上させる効果を有する。この靭性向上に対する
効果を確実に得るには、Ｎは０．００３０％以上の含有
量とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．０
２％を超えると窒化物が凝集し、結晶粒が逆に粗大化し
て靭性を劣化させることとなるので、Ｎ含有量の上限を
０．０２％とした。

【００３０】ｆｎ１：適正量のＣｒ、ＭｏおよびＶを複
合添加することにより、強度（硬さ）と靱性が著しく向
上し、Ｎｉ添加鋼と同等以上の強靱性が得られる。既に
述べたように%X を元素Ｘの含有量とした時、強度と靱
性は、ｆｎ１＝(2/3) %Cr +(4/5) %Mo+2 %V の値で整
理でき、前記ｆｎ１の値が２．０％未満の場合には良好
な強度と靱性とを兼備することができない。すなわち、
ピストン中心部の硬さがＨR Ｃで４０．０以上、かつピ
ストンのＲ／２部靱性としてＪＩＳ３号試験片での常温
における衝撃値が３８．０Ｊ／ｃｍ²以上という所望の
硬さと靱性を兼備できない。一方、この値が５．０％を
超えると強靱性兼備の効果は飽和し、経済性が損なわれ
るようになる。従って、ｆｎ１の値は２．０〜５．０％
とした。

【００３１】本発明の被削性に優れた強靱鋼には、上記
の成分に加えて、更にＮｂ、Ｔｉ、Ａｌのうちの１種以
上および／またはＳ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｃａのうちの
１種以上を含んでいても良い。これらの合金元素の作用
効果と望ましい含有量は下記の通りである。

【００３２】Ｎｂ、ＴｉおよびＡｌ：Ｎｂ、Ｔｉおよび
Ａｌは結晶粒を微細化し、靱性を向上させる効果を有す
る。

【００３３】従って、Ｎｂ、ＴｉおよびＡｌは必要に応
じて添加しても良い。しかし、Ｎｂの場合には、０．０
０５％未満の含有量では所望の効果が得られず、０．０
５０％を超えて含有すると靱性の低下をきたして耐割れ
性の劣化を招く。一方、Ｔｉの場合には、０．０１％未
満の含有量では所望の効果が得られず、０．１０％を超
えて含有するとかえって結晶粒が粗大化し靱性の低下を
きたして耐割れ性の劣化を招く。更に、Ａｌの場合に
も、０．０１０％未満の含有量では所望の効果が得られ
ず、０．１００％を超えて含有するとかえって結晶粒が
粗大化し靱性の低下をきたして耐割れ性の劣化を招く。
従って、これらの合金元素を１種以上添加する場合に
は、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０１
〜０．１０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％の含有
量とするのが良い。

【００３４】Ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、ＢｉおよびＣａ：Ｓ、Ｐ
ｂ、Ｔｅ、ＢｉおよびＣａには被削性、とりわけ工具寿
命を向上する作用がある。従って、Ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｂ
ｉおよびＣａは必要に応じて添加しても良い。但し、Ｓ
の場合には０．００５％未満の含有量では所望の効果が
得られず、０．１００％を超えて含有すると靱性の著し
い低下をきたす。また、Ｐｂの場合には、０．０１％未
満の含有量では所望の効果が得られず、０．３０％を超
えて含有すると靱性の低下をきたす。Ｔｅの場合には
０．００５％未満の含有量では所望の効果が得られず、
０．１００％を超えて含有すると熱間加工性が劣化す
る。一方、Ｂｉの場合は、０．０１％未満の含有量では
所望の効果が得られず、０．３０％を超えて含有すると
靱性が劣化する。更に、Ｃａの場合にも、０．０００５
％未満の含有量では所望の効果が得られず、０．０１０
０％を超えて含有すると靱性の低下をきたす。従って、
これらの合金元素を１種以上添加する場合は、Ｓ：０．
００５〜０．１００％、Ｐｂ：０．０１〜０．３０％、
Ｔｅ：０．００５〜０．１００％、Ｂｉ：０．０１〜
０．３０％およびＣａ：０．０００５〜０．０１００％
の含有量とするのが良い。

【００３５】上記の化学組成を有する鋼は通常の方法で
溶製された後、例えば、熱間で圧延または鍛造され、そ
の後必要に応じて焼準され、しかる後に通常の方法で調
質処理され、所望のピストン形状に加工される。この
後、一般には、耐摩耗性付与のために通常の方法で窒化
処理を施される。なお、調質処理において焼入れは９０
０〜９５０℃程度の温度に加熱後水や油で冷却すれば良
く、焼戻しはＡc₁変態点以下の温度で、窒化処理などの
最終の熱処理を受けた後で所望のピストン中心部の硬さ
とピストンのＲ／２部靱性の得られるような温度範囲、
例えば５００〜５５０℃程度の温度で行えば良い。焼戻
し後の冷却は加速冷却や放冷など適当な方法を選択すれ
ば良い。更に、窒化処理は５２０〜５４０℃程度の温度
で行えば良い。

【００３６】

【実施例】

（実施例１）表１、２に示す化学組成を有する鋼を通常
の方法により３トン試験炉を用いて溶製した。表１にお
ける鋼１〜１５は本発明鋼、表２における鋼１６〜３３
は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から
外れた比較鋼である。なお表２における比較鋼のうち鋼
３２および鋼３３が従来鋼に相当するものである。

【００３７】次いで、これらの本発明鋼および比較鋼を
通常の方法によって１５０ｍｍφに圧延し、その後これ
らの供試鋼材から強靱性調査用に直径が１３０ｍｍφで
長さが１０００ｍｍの熱処理素材を加工し、９３０℃で
２時間加熱して水焼入れを行い次いで５３０℃で５時間
の焼戻しを行って空冷する調質処理を施した。更にこの
後、５３０℃で６０時間の窒化処理を行い、空冷処理し
た。

【００３８】こうして得られた窒化処理後の１３０ｍｍ
φの鋼材の中心部位置から硬さ試験片を、またＲ／２部
位置からＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片を切り出し、
常温での中心部硬さとＲ／２部靱性を調査した。その結
果を表３、４に示す。

【００３９】一方、１５０ｍｍφの圧延材を５００ｍｍ
長さに切断し旋盤での被削性調査に供した。すなわち、
イゲタロイＳＴ４０Ｅ（商品名）の超硬工具を使用し、
湿式潤滑を用いて、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り
０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み１．５ｍｍの条件で旋盤
による切削加工を行い、被削性（切り粉の巻き付き状
況）を調査した。被削性調査結果を表３、４に併せて示
す。なお、切り粉の巻き付きが２巻以下で、切削の途中
で自然に切れて被加工材から外れるため旋盤切削加工の
自動化が可能と判断されるものについて評価を○とし、
切り粉の巻き付きが２巻を超え、切削の途中で自然に被
加工材から外れないものについては評価を×とした。

【００４０】本発明鋼である鋼１〜１５はいずれも良好
な常温での中心部硬さ（ＨR Ｃで４０．０以上）とＲ／
２部靱性（３８．０Ｊ／ｃｍ²以上）並びに良好な切り
粉特性を有することが明らかである（表３参照）。

【００４１】これに対して、成分のいずれかが本発明で
規定する含有量の範囲から外れた比較鋼である鋼１６〜
３３では、常温での中心部硬さとＲ／２部靱性のいずれ
かまたは両方において前記の値を満足しないか、切り粉
特性が悪い（表４参照）。

【００４２】（実施例２）前記の表１および表２に記載
した鋼２（本発明鋼）、鋼１６および１７（比較鋼）を
素材として通常の方法で油圧ショベルの油圧ブレーカ用
ピストン（サイズは、図１のａ部径：１２０ｍｍφ、ｂ
部径：１４０ｍｍφ、長さ：５００ｍｍ）を各鋼種５個
ずつ製作し、実機に組み込んで１００時間のフィールド
テストを行った。なお、調質処理および窒化処理は前記
の実施例１における処理と同一とした。

【００４３】実機によるフィールドテストの結果、本発
明鋼である鋼２を用いたピストンはいずれも耐へたり
性、耐割れ性とも問題はなく、１００時間の実機使用後
も健全な状態であった。他方、比較鋼である鋼１６およ
び１７を用いたピストンは耐へたり性と耐割れ性のいず
れかまたは両方に問題があり、全て１００時間に達する
前に「へたり」による「かえり」や割れが生じ、製品寿
命は短いものであった。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、油圧ショベルの油圧ブ
レーカ内部に組み込まれるピストンなど、土木建設機械
に使用される各種ピストン用鋼材に好適な切り粉特性に
優れた強靱鋼を廉価に得ることが可能で、産業上の効果
は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】油圧ショベルの油圧ブレーカ内部に組み込まれ
たピストンに生じる「へたり」による「かえり」および
割れの状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１：ピストン、２：「へたり」による「かえり」、３：
割れ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本雅紀福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住友金属工業株式会社小倉製鉄所内 (56)参考文献特開平３−202441（ＪＰ，Ａ) 特開平６−184694（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２５〜０．４５％、Ｓ
ｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．３５〜２．００
％、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜
１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．５
０％以下、Ｂ：０．０１００％以下、Ｎ：０．００３０
〜０．０２％以下を含有し、残部はＦｅおよび不可避不
純物からなり、かつ、下記ｆｎ１の値が２．０〜５．０
％である被削性に優れた強靭鋼。ｆｎ１＝(2/3)[%Cr]+(4/5)[%Mo]+2[%V] 但し、[%X]は元素Ｘの重量％である。
【請求項２】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
％で、０．００５〜０．０５０％のＮｂ、０．０１〜
０．１０％のＴｉおよび０．０１０〜０．１００％のＡ
ｌのうちの１種以上を含有し、かつ、下記ｆｎ１の値が
２．０〜５．０％である被削性に優れた強靱鋼。ｆｎ１＝(2/3) %Cr +(4/5) %Mo +2 %V 但し、 %X は元素Ｘの重量％である。
【請求項３】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
％で、０．００５〜０．１００％のＳ、０．０１〜０．
３０％のＰｂ、０．００５〜０．１００％のＴｅ、０．
０１〜０．３０％のＢｉおよび０．０００５〜０．０１
００％のＣａのうちの１種以上を含有し、かつ、下記ｆ
ｎ１の値が２．０〜５．０％である被削性に優れた強靱
鋼。ｆｎ１＝(2/3) %Cr +(4/5) %Mo +2 %V 但し、 %X は元素Ｘの重量％である。
【請求項４】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
％で、０．００５〜０．０５０％のＮｂ、０．０１〜
０．１０％のＴｉおよび０．０１０〜０．１００％のＡ
ｌのうちの１種以上、並びに０．００５〜０．１００％
のＳ、０．０１〜０．３０％のＰｂ、０．００５〜０．
１００％のＴｅ、０．０１〜０．３０％のＢｉおよび
０．０００５〜０．０１００％のＣａのうちの１種以上
を含有し、かつ、下記ｆｎ１の値が２．０〜５．０％で
ある被削性に優れた強靱鋼。ｆｎ１＝(2/3) %Cr +(4/5) %Mo +2 %V 但し、 %X は元素Ｘの重量％である。