JPH0445243A - 耐摩耗性及び靭性に優れた高炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱処理後に優れた耐摩耗性及び靭性を発揮す
る高炭素鋼に関する。

［従来の技術］ 刃物、丸ノコ、帯ノコ等の素材として使用される鋼材は
、ＪＩＳ　　Ｇ３３１１で規定され６３に４Ｍ、ＳＫ５
Ｍ等の高炭素鋼やＳＫＳ５Ｍ、５ＫＳ５　ＬＭ等の高炭
素合金鋼がある。これらの鋼材は、所定形状に成形加工
した後、焼入れ・焼戻し等の熱処理によって硬化させ、
刃研ぎ、矯正等を施して製品を製造している。

この製造工程から、成形加工前では軟質で加工性に優れ
、熱処理後は強度、耐衝撃性、耐摩耗性等に優れている
ことが要求される。この要求に応えるため、炭素含有量
が比較的高く、球状化焼鈍で軟質化した鋼材が一般的に
使用されている。

この種の鋼材としては、たとえばＭｎ含有量が高い高炭
素鋼にＰ含有量との関係において蜆制される量のＭｏを
添加した鋼材に所定条件の熱処理を施し、耐衝撃性、耐
摩耗性等を改善することが特開昭６２−１３９８１１号
公報で提案されてしる。また、特公平１−１９８４４７
号公報では、Ｎｉの添加でフェライト相の変形抵抗を低
下することにより、前述のＭＯ添加鋼の圧延性を改善す
ることが開示されている。

また、Ｎｉ及びＭｏを含有する鋼材としては、特開昭５
９−１２９７２４号公報で紹介された厚肉超高張力鋼が
ある。この超高張力鋼は、高速衝撃を受ける建設機械材
料、容器用材料等として開発されたものであり、Ｍ　ｎ
　／　Ｃｒ比を１．５以下に規制することにより、高炭
素マルテンサイト組織に起因する高強度と高い低温靭性
の両立を図っている− ［発明が解決しようとする課題］ ところが、従来の鋼材では、加工性及び機械的性質の双
方を十分に満足させることが難しい。たとえば、ＪＩＳ
に規定されている高炭素鋼は、耐衝撃性が不十分であり
、大きな衝撃を受けたときに生じる脆性破壊を完全に防
止することは困難である。また、Ｍｏ含有鋼は、圧延時
に割れ等が発生し易く、圧延条件を厳格にコントロール
することが要求される。このＭｏ含有鋼に加工性改善元
素としてＮｉを添加したものにあっては、靭性低下等の
悪影響がみられる場合がある。

そこで、本発明にあっては、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ等の含有
量を規制すると共に、■を添加することによって、成形
加工前の状態においては優れた加工性を呈し、熱処理後
には耐衝撃性、耐摩耗性。

強度等の機械的性質が優れた低合金高炭素鋼を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、その目的を達成するため、重量比でＣ：０．
７０〜１．３０％、Ｓｉ　：０．３５％以下、Ｍｎ：０
．７０％以下、Ｐｒｏ、０３０％以下、Ｓ：０．０３０
％以下、Ｎｉ　：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．１
０〜０．３０％、Ｖ：０．１０−０．３０％、酸可溶Ａ
Ｊ２：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．５０％以下を含有
し、残部が実質的にＦｅからなる耐摩耗性及び靭性に優
れた高炭素鋼を特徴とする。

［作　用］ 焼入れ・焼戻しの熱処理を施して使用される高炭素鋼に
おいては、Ｍｏの添加によって焼戻し軟化程度が少なく
なる。そのため、ＭＯを添加しない合金鋼に比較して、
目標硬度に対して焼戻し温度を高く設定することができ
、また同じ焼戻し温度であればより高い硬度が得られ、
耐摩耗性及び靭性が向上する。更に、ＭＯの添加により
、焼戻し脆性域の脆化が緩和されると共に、オーステナ
イト結晶粒の粗大化が防止される。

しかし、Ｍｏは、成形加工前の鋼材の硬度を上昇させ、
加工性を低下させる。そこで、本発明にあっては、焼戻
し軟化の程度を一層抑制する作用が大きな■をＭＯと複
合添加することにより、焼戻し温度を低く設定した場合
にあっても、焼戻し脆化を発生させることなく、所定の
硬度が確保できるようにしている。また、■の添加によ
ってＭＯＣ含有量軽減し、Ｍｏに起因する悪影響を押さ
えている。また、■は、オーステナイト結晶粒を微細化
し、耐衝撃性を向上させる作用をも併せもつ。しかも、
Ｍｏ及び■の複合添加によって、焼入れ・焼戻しの熱処
理を施した鋼の耐衝撃性及び耐摩耗性がより一層向上す
る。

Ｎｉは、フェライト相の変形抵抗を低下し、鋼の加工性
を向上させる。反面、Ｎｉは靭性に悪影響を及ぼすこと
があるので、Ｍｎ及びＭｏとの関係で添加量を規制する
。また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖとの複合添加によって、靭性の
向上が顕著になる。

Ｎｉ含有量は、ユーザ側での加工法、用途等に応じ０．
１０〜２．００％の範囲で所定の値に設定する。

以下、本発明高炭素鋼の成分及びその含有量について説
明する。

Ｃ：Ｍｏ、Ｖ等と炭化物を形成し、鋼の硬度、耐摩耗性
を向上する上で有用な元素である。このＣ含有量は、鋼
に所定の硬度及び耐摩耗性を付与する上から０．７％以
上にする必要がある。他方、多量のＣ含有は、鋼の著し
い脆化及び強度上昇を招き、圧延過程で鋼板に割れ等の
欠陥を発生させると共に、圧延作業を困難にする。この
点から、Ｃ含有量を、０．７０〜１．３０％の範囲に設
定することが必要である。

Ｓｉ　：Ｓｉは、脱酸剤、焼入れ促進元素として添加さ
れる成分である。しかし、Ｓｉ含有量が０゜３５％を超
えると、鋼板が硬質になり、脆化を招く恐れがある。ま
た、多量のＳｉ添加は、鋼板の表面性状にも悪影響を及
ぼす。このようなことから、ＳＬ含有量を０．３５％以
下とした。

Ｍｎ：従来の耐摩耗用鋼板においては、−射的に多量の
Ｍｎを添加している。しかし、Ｍｎの多量添加は、鋼を
焼きが入り易いものにし、靭性の低下を招き易い、この
点、本発明においては、Ｍ。

及び■゛を複合添加しているため、Ｍｎ含有量を抑えて
も十分な耐摩耗性が得られる。また、多量のＭｎ添加は
、ＭｎＳの生成に起因した脆化を促進させると共に、鋼
の溶製プロセスが異なってくることから製造コストを上
昇させる原因ともなる。

これらの点から、Ｍｎ含有量を０．７０％以下に規制す
ることによって、通常の溶製工程で耐摩耗性、靭性等に
優れた鋼材を得ることができる。

Ｐ：靭性を向上させる上で、Ｐ含有量は低いほど好まし
い、Ｐ含有量が０．０３０％を超えると、鋼の結晶粒界
にＰが偏析して、粒界脆化を招き易い。したがって、Ｐ
含有量の上限を０．０３０％に規定した。

Ｓ：鋼のＳ含有量は、−射的にいって低いほど好ましい
。特に耐摩耗性や高靭性が要求される鋼材にあっては、
靭性劣化に及ぼすＭｎＳの悪影響が著しい。そこで、Ｍ
ｎ含有量及びＳ含有量の双方を低減させ、Ｍ　ｎ　Ｓの
肥大化を防止するため、Ｓ含有量を０．０３０％以下に
規制した。また、Ｍｎ及びＳの低減は、Ｍｏ及び■の作
用を発揮させる上でも効果的である。

Ｎｉ：Ｎｉは、フェライト相の変形抵抗を低下させるこ
とにより鋼の加工性を向上する。しかし、多量のＮｉ添
加は靭性に悪影響を及ぼす場合がある。そこで、ユーザ
側での加工法に見合った値にＮｉ含有量を設定する。こ
のＮｉ含有量は、０゜１０％未満では加工性向上に与え
る効果が小さくなり、逆に２．００％を超えて添加して
も鋼板製造コストの上昇を招くだけで加工性の更なる向
上はみられない。そこで、Ｎｉ含有量を、０．１０〜２
．００％の範囲に定めた。

ＭＯ：鋼板の加工性を劣化させることなく、熱処理後の
鋼板の耐摩耗性及び靭性を高める上で、ＭＯは重要な元
素である。これは、Ｍｏ添加によってオーステナイト結
晶粒の粗大化が防止されると共に、熱処理段階における
析出硬化及び固溶硬化が図られることに由来する。

また、Ｍｏの添加によって、焼戻し軟化の度合いも緩和
され、焼戻し脆化が抑制される。たとえば、焼入れ後の
鋼を３００℃前後の温度で焼き戻しするとき、低温焼戻
し脆化が生じ、熱処理された鋼の靭性が著しく低下する
。しかし、使用状況によっては、焼戻し後の硬度を確保
するため、やむを得ず３００℃前後の焼戻しを採用する
場合がある。本発明の高炭素鋼においては、この低温焼
戻し脆化はＭＯの添加によって防止される。

これらのＭＯ添加効果を得るため、０．１０％以上の割
合でＭｏを添加することが必要である。

しかし、０．３０％を超えるＭＯの添加は、Ｍ。

含有量の増加に見合った性質改善がみられず、逆に鋼材
の加工性を低下させるばかりでなく、鋼材コストを上昇
させる原因となる。そこで、本発明においては、Ｍ○含
有量をｏ、ｉｏ〜０．３０％の比較的低めに定めた。

■：■添加により、熱処理前の鋼材の加工性を劣化させ
ることなく、熱処理後の耐摩耗性及び靭性を向上させる
ことができる。更に、■は、オーステナイト結晶粒を微
細化し、低温焼戻し脆化を抑制して、高靭性の鋼材を得
ることを可能にする。

また、■添加によってＭｏの添加量を低く設定すること
ができるため、Ｍｏに起因する加工性低下等の悪影響が
抑えられる。■添加量は、０．１０％未満では所期の効
果を得ることができず、逆に０．３０％を超えて添加し
ても性質改善作用が飽和し鋼材のコスト上昇を招く。そ
こで、０．１０〜０．３０％の範囲に■含有量を定めた
。

酸可溶へ！＝溶鋼の脱酸を促進させるため、Ａｊ２は脱
酸剤として使用される。しかし、高炭素鋼に含まれるＡ
℃は、鋼材に焼鈍・冷延の繰返しを施すとき、セメンタ
イトの黒鉛化を促進させ、鋼材の強度を低下させる。そ
こで、酸可溶ＡＩ２の上限を０．０１０％に設定した。

Ｃｒ：耐食性向上、黒鉛化防止、焼入れ性向上等を図る
上で、Ｃｒは有効な合金元素である。しかし、本発明に
おいては、Ｃｒ含有量０．５０％以下でこのような効果
が得られる。他方、多量のＣｒ添加は、鋼板の加工性を
劣化させ、製造上のコストを上昇させる。そこで、Ｃｒ
含有量を０．５０％以下とした。

なお、本発明の高炭素鋼は、連鋳スラブ或いは分塊後の
鋼片に対して熱延、酸洗、焼鈍、冷延等の処理を施した
後、焼入れ・焼戻しの熱処理によって所定の性質が付与
される。そして、必要に応じて調質圧延を施し、製品と
して出荷される。

以下、実施例を説明する。

夾血■ユ 第１表に示した成分・組成をもつ高炭素鋼Ａ〜Ｄを溶製
した後、板厚２．５ｍｍの熱延板に熱間圧延した。何れ
の高炭素鋼Ａ−Ｄにおいても、何ら欠陥を生じることな
く熱延することができた。

次いで、熱延板を軟化焼鈍し、板厚１．６ｍｍまで冷間
圧延した。そして、得られた冷延板に対して、６９０℃
で１０時間保持するバッチ焼鈍を施した。

更に、焼鈍材からサンプルを切り出し、８３０℃に１０
分間加熱した後、油焼入れを行い、各種温度で３０分間
に保持する焼戻し処理を行った。

熱処理後の各サンプルの硬度を測定した。また、各サン
プルからシャルピー２ｍｍＶノツチ試験片を作成し、２
０℃で衝撃試験を行い、衝撃吸収エネルギーを測定した
。硬度及び衝撃吸収エネルギーの測定結果を、焼戻し温
度との関係において第１図に示す。

鋼材の耐摩耗性は、Ｃ含有量及び硬度によって概ね定ま
る。たとえば、供試鋼材のＣ含有量レベルで、硬度がＨ
１ｌｃ４５以上とされている。この硬度は、焼戻し温度
の上昇に伴って一般的に低下する傾向にある。この点か
ら、高硬度を得るために低い温度域での焼戻しが必要と
され、供試鋼材では焼戻し温度が５００℃以下となる。

ところが、ＭＯ及びＶが添カロされていない比較鋼Ｃ，
Ｄでは、何れの焼戻し条件を採用した場合においても、
衝撃吸収エネルギーが小さ（なっており、靭性が不十分
である。これに対し、本発明ｗ４Ａ、Ｂでは、何れの焼
戻し温度においても高い吸収エネルギーを示している。

特に３００℃付近の低温焼戻しで２．５ｋｇｆ／ｃｍ”
以上の吸収エネルギーを示し、４５０℃付近の高温焼戻
しで硬度ＨＲＣ４５以上、吸収エネルギー４．０ｋｇｆ
／　ｃ　ｍ　”以上が確保され、耐摩耗性及び靭性の双
方に優れた鋼材が得られていることが判かる。

夫血■ユ 実施例１で製造された焼入れ前の板厚１．６ｍｍの高炭
素鋼板から、１．６ｍｍｘ３５ｍｍｘ１００ｍｍの曲げ
試験片を短冊状に切り出し、８３０℃に加熱した後、油
冷焼入れを行い、各温度に３時間保持する焼戻し処理を
施した。

得られた曲げ試験片を、第２図に示すような条件下で曲
げ試験した。すなわち、■溝４を形成したダイス１に曲
げ試験片２を載置し、上方からポンチ３で曲げ試験片２
を押圧した。なお、■満４の角度は９０度とし、曲げ試
験片２を曲げ曲率半径Ｒ＝ｆ３Ｘｔ　（板厚）で突き曲
げした。そして、曲げ試験片２の最大曲げ強度を測定し
た。

この曲げ試験の結果を、曲げ試験片の硬度と共に第２表
に示す。第２表から明らかなように１本発明鋼は、硬度
及び靭性共に優れていることが判かる。特にこの傾向は
、焼戻し温度が低温になるほど、比較鋼との間の顕著な
差となって表れている。

夫度丞旦 実施例１で製造された焼入れ前の板厚１．６ｍｍの高炭
素鋼板から、厚み１．６ｍｍ、直径２５５ｍｍの円板を
打ち抜いた。この円板から丸ノコを作成し、８３０℃に
４０分間保持する加熱を行った後、油冷焼き入れし、４
５０℃で３時間保持する焼戻し処理を施した。

熱処理された丸ノコの耐衝撃試験を、第３図に概略を示
した要領で行った。すなわち、丸ノコ５の回転部近傍に
、止め具６で固定され且つスプリング７で付勢された鋼
塊８を配置した。そして、丸ノコ５を４０００　ｒ　ｐ
ｍで回転させながら、止め具６を外し、スプリング７の
弾撥力で鋼塊８を丸ノコ５に激突させた。この状態を１
５秒間保持して、丸ノコ５の刃欠は状況を調査した。

このときの刃欠は状況を、丸ノコの硬度と共に第３表に
示す。第３表から明らかなように、本発明の高炭素鋼Ａ
、Ｂで作製された丸ノコにあっては、刃欠けを生じるこ
とがなかった。これに対し、比較鋼Ｃ，Ｄから作られた
丸ノコでは、試験数の半分以上の割合で刃欠けがみられ
た。この対比からして、本発明の高炭素鋼は、耐衝撃性
に優れていることが判かる。

！鳳盟Ａ 第４表に示す成分及び組成をもつ高炭素鋼を溶製し、熱
間圧延後、焼鈍及び冷間圧延を施して板厚１．３５ｍｍ
の薄鋼板を製造した。これらの薄鋼板に対して、焼鈍及
び焼入れ・焼戻しの熱処理を行った。なお、熱処理め条
件としては、第２表に示したものと同様な条件を採用し
た。そして、熱処理後の試験片について、硬度及び２０
℃でのシャルピー２　ｍ　ｍ　Ｕノツチ衝撃試験吸収エ
ネルギーを測定した。測定結果を、供試鋼材の焼鈍後の
硬度及び焼入れ・焼戻し後の硬度と共に第４表に示す。

第４表から明らかなように、本発明の高炭素鋼Ｅ−Ｐに
あっては、焼入れ・焼戻しの処理を施した後の硬度がＨ
＊ｃ≧４８と高いものであるにも拘らず、衝撃吸収エネ
ルギーも１．３〜４．３ｋｇｆｍと大きくなっている。

これに対し、比較鋼材Ｑ−Ｙは、焼入れ・焼戻し後の硬
度及び衝撃吸収エネルギー共に低く、耐摩耗性及び耐衝
撃性に劣っていることが判かる。

なお、以上の実施例においては、本発明の高炭素鋼を刃
物、丸ノコ等の材料として使用する場合を説明した。し
かし、本発明はこれに拘束されるものではなく、その他
の工具用鋼、金型用鋼、軸受は粗鋼、バネ用鋼、圧延ロ
ール等の耐摩耗性。

靭性、耐衝撃性等が要求される用途に使用されることは
勿論である。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明においては、合金成分の
調整、特にＭｎ及びＮｉ含有量を低（抑え且つ規定量の
ＭＯ及び■を複合添加することによって、耐摩耗性、靭
性、耐衝撃性に優れた高炭素鋼が得られる。そして、Ｍ
Ｏと■を複合添加することから、Ｍｏ含有量を比較的低
く設定することができ、特に焼戻し温度を低くした場合
にあっても脆化を生じることなく必要硬度が確保される
と共に、靭性及び耐衝撃性が優れたものとなる。

このようにして、本発明の高炭素鋼は、刃物、丸ノコ、
帯ノコ、針、座金、バネ類等の耐摩耗性。

靭性、耐衝撃性等が要求される各種用途に使用され、製
品性能を向上することが可能な素材となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は硬度及び衝撃吸収エネルギーを焼戻し温度との
関係で表したグラフであり、第２図は本発明実施例の高
炭素鋼に対して曲げ試験を行っている状態を示し、第３
図は本発明の高炭素鋼で作られた丸ノコの耐衝撃試験を
行っている状態を示す。 １：ダイス　　　２：曲げ試験片　３：ボンチ４：■溝
　　　　５：丸ノコ　　　６：止め具７：スプリング　
８：鋼塊 男 図 焼 戻 し 温 度 ［’Ｃ） 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比でＣ：０．７０〜１．３０％、Ｓｉ：０．
   ３５％以下、Ｍｎ：０．７０％以下、Ｐ：０．０３０％
   以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：０．１０〜２．０
   ０％、Ｍｏ：０．１０〜０．３０％、Ｖ：０．１０〜０
   ．３０％、酸可溶Ａｌ：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．
   ５０％以下を含有し、残部が実質的にＦｅからなる耐摩
   耗性及び靭性に優れた高炭素鋼。