JPS5925027B2 - 耐摩耐衝撃強靭工具綱 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はコンクリート構造物の解体破砕、舗装路、
岩盤の掘削、採石などの土木建設、石材加工などに使用
される油圧（空圧）ブレーカー用チゼル等の掘削破砕機
用工具、石切鋸合金（ダイヤモンドソー用台金）あるい
は類似工具、類似用途で耐摩耗性、耐衝撃性、耐疲労性
が要求される用途分野を主対象とする熱処理基質かたさ
ＨＲＣ３２〜５８を有する耐摩耗性、耐衝撃性、耐疲労
性に富む強靭合金工具鋼に関するものである。

具体例として油圧ブレーカー用チゼルについてみれば
、チゼルは油圧ブレーカーに装着し油圧ショベル、バツ
クホーなどの建設機械台車アーム先端部に取付け、被破
砕物、被掘削物にチゼル先端部を押つげ、加圧しなから
チゼル後端部を打撃し使用するのが一般的であるが、使
用条件は土石類、破砕物などによる強度のガウジング摩
耗、土砂摩耗に曝されるとともに、ブレーカーによる強
い操返し打撃、あるいは傾斜打ち、こじりなどの操返し
曲げ応力を受ける。 従来使用されてきたチゼル用材は
ＪＩＳＳＣ、ＳＫ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭ及びＳＫＳ４シリ
ーズ、またはそれに類似する合金工具鋼であるが、それ
らは実用かたさもからんで、摩耗以外に欠損、折損事故
も多く、その対策として、一般により大寸法のチゼルを
充当し、その寸法効果によって補なう方向で対処されて
きた。

チゼルに要求される品質特性は、以上のような使用条
件から優れた耐摩耗性、耐衝撃性、耐疲労性が必要であ
り、また多くの場合、水などの冷却剤不使用の場で使用
されるので、摩擦熱などの発熱に対抗する耐熱性あるい
は耐軟化性も具備しなげればならない。

しかし、このような用途では、鋼材の品質特性である
耐摩耗性と耐衝撃性あるいは耐疲労性は相反するもので
あるから、この関係を両立させるためには充当する鋼種
と実用かたさで代表される機械的性質の適正な組合せが
特に必要である。

一方、常用チゼルは外径φ６５〜φ１４００長さ６０
０〜１０００ｍｍが主流であるからチゼルの均質性を確
保する上で質量に見合った焼入性を必要とし、また使用
目的とチゼルの種類によっては、先端損耗部の形状修正
も必要となるので適度の被削性も望ましい。 加えて、
チゼルは消耗部品であるため上述した品質以外に経済的
供給をも求められているものであるから、経済性も無視
できない要因である。

本発明鋼はこのように掘削破砕機用工具などの品質特
性を満たし、経済的供給を可能としたもので、次の化学
成分組成範囲をもち実用熱処理基質かたさ範囲を与える
ことによって達成されたのである。即ち、本発明にか〜
わる耐摩、耐衝撃、強靭工具鋼の化学成分組成範囲は重
量比率において炭 素（Ｃ） ０．４０〜０．
６０％珪 素（Ｓｉ） ０．７０〜１．５０％マ
ンガン（Ｍｎ） ０．６０〜１．２０％ク０ −ム（
Ｃｒ） ０．７０〜］．．６０％モリブデン（ＭＯ
） ０．１５〜０．５０％ニッケル（Ｎｉ） ０．
７０〜３００％ニオブ（Ｎｂ） ０．０５〜０．３０％ 残部鉄（Ｆｅ）および不純分からなる合金工具鋼であっ
て熱処理加工基質かたさＨＲＣ３２〜５８を得ることが
できるものである。

本発明鋼でこれら成分組成範囲を限定した理由について
述べると、掘削破砕機用工具などの耐摩耗性は、実用的
に鋼材の基質かたさが硬く硬質の炭化物を多く含むほど
良好であるが、それらはともに耐衝撃性、耐疲労性を劣
化させるため、早期欠損、折損を招きやすいため、耐用
寿命を短縮する結果となる。

本発明鋼の残留炭化物、基質かたさに附随して定まる上
記の性質は、本発明鋼の成分組成範囲の合金量では含有
炭素量の影響が大きく、その性質を完うする上での炭素
量は共析炭素濃度近傍が最適であることから、バランス
する炭素量を０．４０〜０．６０％と定める。

珪素は焼もどし第３段階とそれに基づく脆性温度を高温
側に移行させ安価に耐焼もどじ性を附与するが、クロー
ム、マンガン、モリブテンを含む場合には、引張り強さ
、衝撃値で代表される強度靭性な低下させるのでこの限
りにおいてチゼルに対する有効性は無い。

しかしニッケルを併用することによってその交互作用と
して、この弊害が除去され同一かたさのもとでの引張り
強さ、伸び、衝撃値を高めるとともに珪素のもつ耐焼も
どじ性の改善等の有効性が活用できる。

珪素のこのような効果は、珪素とニッケル添加量の比率
に依存するもので、本発明鋼では珪素：ニッケルは１：
１〜２が最も適当であり、この場合の珪素下限０．７０
％、上限１．５０％を見出した。

一方このような添加比率に基づく珪素は、他方ではニッ
ケルによるＡ，変態温度の降下作用や焼人、焼もどし時
の残留オーステナイト増加傾向を補完する作用をともな
うので、焼もどし温度範囲の拡大や組織改善と均質性の
附与に役立つもので、この関係からニッケル添加量を０
．７０〜３．００％とした。しかしながらニッケルを増
量することは、経済的に不利となるから実用的価値判断
からは２、０％以下が性能も加味して有利である。マン
ガンは、クロム、モリブデンとともに著しく焼入性を向
上し、熱処理の均質性と作業性を高め強度を改善するが
、焼もとし脆化に対する感受性を増し、過犬な添加は本
発明鋼では残留オーステナイトの増加をともなうので好
ましくない。一方、常用チゼルなどの質量から焼入性、
機械的性質を確保する上で下限が求まる。従って本発明
鋼におけるマンガン量はこのような理由から０．６０〜
１．２０％とした。クロームは上記協働作用効果以外に
、珪素、モリブデンとともに耐焼もどじ性を改善し、安
価に耐摩耗性を与える元素として重要である。

しかし、炭化物形成能から添加量に比例的に残留炭化物
を増し、かたさを低下する。

この現象には焼入焼もどし温度を選択することで成程度
補なうことができるが本発明鋼の限定したかたさ範囲内
ではクロームの過犬な添加は脆化を招くので好ましくな
い。

一方、耐摩耗性を維持するうえで下限があり、本発明鋼
では炭素量や他の炭化物形成元素量とのバランスも考慮
してＯ−７０〜１．６０％が最適である。

モリブデンは焼入性耐焼もどじ性、高温特性、析出二次
硬化能の附与や焼もどし脆性の緩和、防止に著効かあり
耐摩耗性を改善するが強力な炭化物形成元素であり経済
的にも極めて高価である。

経済性をも重視するチゼル用材では、その性能確保をモ
リブデンに全面的に依存することはできないし多量の添
加は安定炭化物の増量をもたらし添加効果を減殺するの
でこの点からも避けねばならない。本発明鋼に対するモ
リブデンの添加は、他の合金元素補填の役割りを担うも
ので、焼もとし脆性抑制効果も加味して０．１５〜０．
５０％とした。

ニオブは最強の炭化物形成元素に属し硬質安定なニオブ
炭化物を形成しその結果として炭素を固定化する一方、
結晶粒の微細化と成長抑制効果は顕著でこれらの結果と
して、焼入性、焼入かたさを減少するが、耐摩耗性、靭
性を改善する効果がある。

ニオブのこのような効果は同質元素と考えられているバ
ナジュウムでも達成できるが本発明鋼に関する顕著な相
違点は、焼入温度に対する感受性と焼入焼もどし高かた
さ域における衝撃値の差として現われ、ニオブのチゼル
に対する有効性を見出した。即ち、本発明鋼におけるニ
オブの効果は、焼入温度に対する感受性を小さくし広範
な温度域で常に安定した焼入焼もどしかたさと機械的性
質が得られることと相俟って作業性を容易にするが、特
に顕著な効果は、焼入焼もどしかたさＨＲＣ４Ｏ以上の
高かたさ域において、引張り強さの低下をともなうこと
もなく衝撃値を高めることでこれらの効果はバナジュウ
ム添加では期待できない優れた効果である。

本発明鋼に対するこのような性質は、ニオブ添加量０．
０５％以下では得ることができず、また、０．３０％を
超えると難溶かつ粗大なニオブ炭化物の縞状組織が現は
れるため材料の異方性を増し炭化物の残留とともに鋼質
を劣化する。

このような理由によりニオブ添加量を０．０５〜０．３
０％とした。上記以外の不純物元素について述べると、
タングステンは、モリブデンよりも鋼質改善効果が薄＜
０．５％をこえると耐疲労性を阻害するので積極的添加
の意義はない。

しかし、製鋼上、工具鋼マーケットスクラップからの混
入、各種工具鋼を連続して溶製する場合、前溶製鋼種に
よって製鋼炉炉床からの浸出など不可避的要因による混
入があるが、この場合といえども許容限は上述の理由に
より０．５％以下とした。バナジュウムは、前述の理由
から単独添加の意義はなく、また、タングステンと同様
の不可避的混入を規制するため許容限を０．２％以下と
した。

銅は、ニッケルの存在下で、有害性は緩和されるが、本
発明鋼では０．５％以下に規制される。チタン、ジルコ
ンは強力な炭窒化物形成元素であり、脱酸、脱窒剤とし
ても有用である。しかし、チタン生成物は、炭化物、窒
化物、酸化物の如何を間はずクラスターを形成し鋼材に
あっては、それらのストリンカーとなるので本発明鋼に
対しては有害であるが、鉄源からの混入も避けられない
ので０．１％以下に規制した。ジルコンの脱酸、脱窒生
成物は鋼浴からの浮上も容易で、鋼中にあっても介在物
としての弊害も少く、良質の強制脱酸剤でアルミニュウ
ムと同様、好んで実用される。

本発明鋼にあっても脱酸剤として実用されるが、０．１
５％をこえると炭窒化物を形成析出し、有害性を現わす
ので、大量に添加することは、脱酸の目的であっても許
容されない。従って、ジルコンは０．１５％以下に規制
した。硫黄は快削性附与元素として公知であり、本発明
鋼に対しても用途、かたさとの関連で、例えば、チゼル
先端形状再修正のための切削加工を容易にするため添加
し快削性を与えるが、鋼質を阻害しない範囲の許容添加
量は０．２０％以下である。従って硫黄は０．２０％以
下に規制した。燐は公知の欠陥から不純分とした。

一方、基質かたさが低いときは、耐摩耗性を損なうのみ
ならず、使用中曲りを発生するため、甚だしいときは実
用不能となる。

そこで、本発明鋼では基質かたさは用途との関連におい
て、その機械的性質は、ＪＩ８４号引張試験片およびＪ
Ｉ８３号衝撃試験片を用いた場合、引張り強さ１００〜
２３０ｋｇ／Ｍａｌ伸び７〜２５％、絞り１５〜６０％
、衝撃値２ 〜１０ｋｇ− ｍ／Ｃａが最適であり、本
発明鋼に対するかたさ換算でＨＲＣ３２〜５８に相当す
る。例えばチゼルに対するかたさは耐摩耗性を重視する
ときは高目に、耐衝撃、耐疲労性を要求されるときは低
目の基質かたさとするが、如何なる場合でも基質かたさ
は、このかたさ範囲に合致させねばならない。

次に本発明鋼の実施例について説明する。

第１表は本発明鋼および従来鋼の化学成分組成を比較し
て示したものでＡＩ．Ａ２．Ａ３は本発明鋼、Ｂは従来
鋼である。第２表は、これら鋼種をアーク式電気炉で溶
解精錬し、断面積１４０６００ｍｄ（重量１３００ｋｇ
）の鋼塊としたものについて、熱間鍛錬成形比３００Ｓ
（φ２４）に加工した鋼材をＨＲＣ４Ｏのかたさに焼入
焼もどしした場合の機械的性質および熱間鍛錬成形比１
８Ｓ（φ１００）の鋼材から製作した完成チゼルの性能
を比較して示したものである。試験片およびチゼル材は
予め８００℃完全焼なましを施した鋼材を用い、機械的
性質を測定するものではＪＩＳ４号引張り試験片および
ＪＩＳＢ号衝撃試験片に加工し、表示した焼入焼もどし
を施し、かたさ調整後、島津２５トンオートグラフおよ
び３．０ｋｇ・ｍシャルピ一衝撃試験機で試験した。完
成チゼルはデモリツションポイント型φ９６×８６２に
加工し表示した焼入焼もどしを施した後仕上加工しバツ
クホ一を台車とし、油圧ブレーカーチゼルを装着し、深
成花崗岩質採石場およびサンゴ礁掘削場で実用試験を行
なったが、寿命判定はチゼル先端再研削までの耐用日数
および曲り、※欠損、折損品の発生率で評価し耐用日数
の算定には、曲り、折損、欠損品の寿命は含めないこと
にした。

性能評価は機械的性質にあっては、引張り強さ、伸び、
絞り、衝撃値はともに数値が大きい程良好、完成チゼル
では曲り、欠損、折損率が低く耐用日数が多い程良好で
ある。本実験における本発明鋼Ａｒ．Ａ２．Ａ３はとも
に従来鋼Ｂよりも機械的性質は良好で強度、靭性に優れ
、完成チゼルの性能も曲り、欠損、折損率は皆無で耐用
寿命も I 極めて良好である。しかし、チゼルの評価に
あたり、経済的評価も加味すれば、綜合的にニッケルな
どの合金量の多いＡ３よりもＡ２が実用的に優れている
と評定される。

本発明鋼の優位性を更に詳細にかつまた熱処理加工かた
さを限定した理由を明確にするため本発明鋼Ａ２と従来
鋼Ｂについて性能比較をしたものを第１図乃至第４図に
示す。第１図は試験片寸法１５Ｘ１５Ｘ１５としたとき
の焼入焼もどしかたさについて図示したもので、鋼種と
焼入温度の関係を明確にするためＡＣ，変態温度を測定
し、この温度差が僅少なことから比較のために採用した
焼入温度に鋼種による偏りが無いことを確認してある。

採用した焼入温度はＡＣ，変態終了温度＋１００℃（８
６０℃）＋１４０℃（９００℃）＋１８０℃（９４０℃
）焼もどし温度は室温から７００℃までとし、何れも油
冷後のかたさを測定した。本発明鋼Ａ２は焼入温度によ
る焼もどしかたさの差はなく、焼入温度に対する感受性
が小さく常に安定した結果を示しているが従来鋼Ｂは焼
入温度に対する感受性が太きいためかたさの差が大きく
不安定である。このことは本発明鋼Ａ２の熱処理上の優
位性を示したに他ならない。第２図、第３図は、焼入温
度８２０℃．８７０’Ｃ．９２Ｏ℃．油焼人材の焼もど
しかたさと引張り強さ、伸び、絞り、衝撃値の関係を示
したもので、使用鋼材の材料履歴試験片、試験方法は前
出のものと同一である。

本実験におけるかたさと各特性値の関係は引張り強さで
正相関、伸び、絞り、衝撃値で負相関々係を示すが、各
特性の評価は、このかたさ範囲で同一かたさのもとでの
引張り強さ、伸び、絞り、衝撃値はともに数値が大きい
程良好である。この実験でも、本発明鋼Ａ２は、すべて
のかたさ範囲において、従来鋼Ｂよりも引張り強さ、衝
撃値が高く、伸び、絞りも同等またはそれ以上の性能を
示し極めて強靭な性質を持つことが明白にされた。本発
明鋼Ａ２のこのような性質はチゼル用材等の強靭性を要
求される用途に対しては不可欠のものであり、本発明鋼
の優位性をよく示したものである。第４図は前出の鋼材
を８７０℃油焼入し、第１図に従ってＨＲＣ４５になる
ように焼もどし（油冷）した試験片について実施した摩
耗試験結果である。

試験条件は大越式迅速摩耗試験機、回転子ＳＣＭ５φ３
０Ｘ３ＨＲＣ４０．摩擦距離４００ｍ．摩擦速度は図示
した７水準、接触圧は最終荷重で６．３ｋｇ、１．２．
６ｋ９の２水準、無潤滑剤、測定値は比摩耗量で表わし
数値が小さい程良好である。この試験結果から本発明鋼
Ａ２の耐摩耗性は、すべての条件下で従来鋼Ｂよりも良
好であり特に、接触圧が高い場合更に良好であることは
、高圧衝撃下で使用されるチゼル用材等にとって優れた
一面を示したものと言える。本発明鋼Ａ２の熱処理特性
、焼入焼もどしかたさと機械的性質、耐摩耗性の関係は
以上に詳述したとうりであるが、これら特性値とチゼル
性能の関係をかたさ基準で求めたものが第３表である。
なお、この場合のチゼル試験条件、性能評価方法は、第
２表で既述したものと同一である。本実験結果から明ら
かなようにチゼルかださが低いときは耐用寿命が短く曲
り発生も認められ、また高い場合には、欠損、折損率が
多くなる傾向にあるが、この場合でも本発明鋼Ａ２は従
来鋼Ｂよりも綜合的に優位であり本発明鋼Ａ２における
当該試験条件下での性能はＨＲＣ４３〜４６で調和して
いるが、被破砕物、被掘削物の硬軟、破砕、掘削の難易
によって当然適用かたさが異なるものであり、また本発
明鋼の用途によって変えねばならない性質のものである
。

それ故に本発明鋼の熱処理基質かたさの限定を行なうこ
とができるもので本実験結果はその根拠になるものであ
る。上述したごとく本発明鋼は極めて強靭であり、かつ
耐摩耗性に秀いでることは例示したチゼル用材のみなら
ず、耐衝撃、耐疲労、耐摩耗性を要求される用途分野に
広く適用できるものであり、また本発明鋼は限定された
基質かたさとともに、滲炭窒化、表面焼入等の表面処理
加工の適性も兼ね備えるので、強靭かつ、更に高度な耐
摩耗性の附与も可能であるから、より一層の性能向上と
用途分野の拡大を可能にするものである。また、本発明
鋼のこのような優位性は、詳述した添加合金元素の限定
した添加量に負うのであり、鋼種特性を最高度に発揮さ
せるための限定した熱処理加工基質かたさを得ることが
できるのであり、広く耐摩、耐衝撃、強靭工具鋼として
実用化に益するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と従来鋼の焼入焼もどしかたさの比較
図、第２図は焼入焼もどしかたさと引張り強さ、伸び絞
りの関係を示す同じく比較図、第３図は同じく衝撃値の
比較図、第４図は摩耗試験比較図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量比率において炭素０．４０〜０．６０％、珪素
   ０．７０〜１．５０％、マンガン０．６０〜１．２０％
   、クローム０．７０〜１．６０％、モリブデン０．１５
   〜０．５０％、ニッケル０．７０〜３．００％、ニオブ
   ０．０５〜０．３０％、残部鉄および不純物からなる耐
   摩耐衝撃強靭工具鋼。