WO2019186911A1 - オーステナイト系耐摩耗鋼板 - Google Patents

オーステナイト系耐摩耗鋼板 Download PDF

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WO2019186911A1
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steel
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政昭 藤岡
哲也 滑川
仁秀 吉村
皆川　昌紀
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新日鐵住金株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an austenitic wear-resistant steel plate used for wear-resistant members.
  • Conventional steel plates for wear-resistant members are manufactured by quenching steel containing about 0.1 to 0.3% C as disclosed in Patent Document 1 and the like to make the metal structure martensite.
  • the Such a steel sheet has a remarkably high Vickers hardness of about 400 to 600 Hv, and is excellent in wear resistance.
  • the martensite structure is very hard, bending workability and toughness are inferior.
  • conventional steel plates for wear-resistant members contain a large amount of C in order to increase the hardness, but if containing 0.2% or more of C, weld cracks may occur.
  • high Mn cast steel is used as a material having both wear resistance and ductility.
  • High Mn cast steel has good ductility and toughness because the matrix is austenite.
  • high-Mn cast steel has the characteristic that when the surface part is subjected to plastic deformation due to rock collisions, deformation twins, or work-induced martensitic transformation occurs depending on conditions, and only the hardness of the surface part is significantly increased. Have. For this reason, the high Mn cast steel can be maintained in a state in which ductility and toughness are excellent because the central portion remains austenite even if the wear resistance of the impact surface (surface portion) is improved.
  • steel with a C content of 1% or more is proposed to be manufactured by performing a solution heat treatment in the austenite region after casting and then performing a water-cooling heat treatment (water toughness treatment). ing.
  • the water toughness treatment is a treatment performed to rapidly cool the steel to suppress precipitation of carbides generated during normal air cooling and improve ductility and toughness.
  • carbide forming elements such as Ti, V, Nb, Zr, Ta, etc.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-194042 Japanese Patent Publication No.57-17937 Japanese Patent Publication No. 63-8181 Japanese Patent Publication No. 1-14303 Japanese Patent Publication No. 2-15623 Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-56056 Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-139855 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-142058
  • an object of the present invention is to provide an austenitic wear-resistant steel sheet that is excellent in wear resistance and strength, and toughness and ductility contrary to these.
  • the C content is increased to around 1%, twin deformation is caused by plastic deformation due to rock collisions, etc., and remarkable work hardening occurs on the steel sheet surface. It is necessary to remarkably increase the hardness of the surface portion of the steel sheet by generating hard martensite by processing-induced martensite transformation. Since the hardness of martensite containing a large amount of carbon is high, causing the work-induced martensitic transformation in the steel plate surface portion significantly improves the wear resistance of the austenitic wear-resistant steel plate.
  • the structure of the austenitic wear-resistant steel sheet is a structure mainly composed of austenite at the time of manufacture
  • the stability of austenite is controlled so that it undergoes processing-induced martensitic transformation when rocks collide. It is necessary to.
  • the content of C and Mn is controlled.
  • crystal grains In order to improve the toughness of a steel sheet, it is extremely effective to refine austenite crystal grains (hereinafter sometimes referred to simply as “crystal grains”), and this can be achieved by hot rolling. Refinement of crystal grains has an effect of improving toughness in proportion to “ ⁇ 1/2 to the crystal grain size” as known from the relationship of Hall Petch.
  • excessive refinement has a drawback in that the amount of carbide precipitation at the grain boundaries is increased by increasing the number of carbide nucleation sites generated at the austenite grain boundaries. Grain boundary carbides are very hard, and as the amount of precipitation increases, the toughness and ductility of the steel decrease.
  • the present inventors have found that the toughness and ductility of a steel sheet can be improved by controlling the crystal grains so as not to become excessively small while miniaturizing the crystal grains.
  • the austenitic wear-resistant steel sheet according to one aspect of the present invention has a chemical composition of mass%, C: more than 0.80% to 1.60%, Si: 0.01 to 2.00% Mn: 5.0 to 30.0%, P: 0.050% or less, S: 0.0100% or less, Cu: 0 to 3.0%, Ni: 0 to 3.0%, Co: 0 to 3.0%, Cr: 0 to 5.0%, Mo: 0 to 2.0%, W: 0-2.0%, Nb: 0 to 0.30%, V: 0 to 0.30%, Ti: 0 to 0.30%, Zr: 0 to 0.30%, Ta: 0 to 0.30%, B: 0 to 0.300%, Al: 0.001 to 0.300%, N: 0 to 1.000% O: 0 to 0.0100%, M
  • the chemical composition may satisfy the following formula. ⁇ C + 0.8 ⁇ Si ⁇ 0.2 ⁇ Mn ⁇ 90 ⁇ (P + S) + 1.5 ⁇ (Cu + Ni + Co) + 3.3 ⁇ Cr + 9 ⁇ Mo + 4.5 ⁇ W + 0.8 ⁇ Al + 6 ⁇ N + 1.5 ⁇ 3.2
  • Each element symbol in the above formula indicates the content of each element in mass%.
  • the metal structure is a volume fraction, ⁇ martensite: 0-10%, ⁇ 'martensite: 0-10%, The total of the ⁇ martensite and the ⁇ ′ martensite may be 0 to 10%.
  • the chemical composition is in mass%, O: 0.0001 to 0.0100%, Total of Mg content, Ca content and REM content: 0.0001 to 0.0100% may be sufficient.
  • the chemical composition is in mass%, S: 0.0001 to 0.0050%, The content in mass% of O and S may satisfy O / S ⁇ 1.0.
  • the chemical composition is in mass%, Cu: 0 to 0.2% may be used.
  • an austenitic wear-resistant steel plate (hereinafter simply referred to as “steel plate”) that is excellent in wear resistance and strength, and toughness and ductility contrary to these.
  • the chemical composition is appropriately controlled, the metal structure is appropriately controlled by hot rolling, and the crystal grains of the steel sheet are refined, thereby improving the resistance.
  • a steel sheet excellent in wear and strength, toughness and ductility can be provided.
  • the steel sheet according to the present invention can be manufactured to a width of about 5 m and a length of about 50 m with various plate thicknesses ranging from about 3 mm to about 200 mm.
  • the steel sheet according to the present invention can be used not only as a relatively small wear-resistant member to which impact such as a crusher liner is applied, but also as a very large construction machine member and wear-resistant structural member.
  • the steel plate which concerns on this invention the steel pipe and shape steel which have the characteristic similar to the steel plate which concerns on this invention can also be manufactured.
  • the preferred embodiment of the present invention since coarsening of crystal grains in the welded portion can be suppressed using oxysulfide, it is possible to provide a steel plate that is excellent in the toughness of the welded portion.
  • a steel sheet using a structure mainly composed of high-hardness austenite as described above or a martensitic transformation of the austenite structure is defined as an austenitic wear-resistant steel.
  • a steel sheet having an austenite volume fraction of 90% or more is defined as an austenitic wear-resistant steel sheet.
  • C Over 0.80% to 1.60%
  • C stabilizes austenite, improves the wear resistance of the steel sheet, and further increases the hardness.
  • the C content needs to be more than 0.80%.
  • the C content is preferably 0.90% or more, or 1.00% or more.
  • the C content exceeds 1.60%, carbides are coarsely produced in a large amount in the steel, so that high toughness cannot be obtained in the steel sheet. Therefore, the C content is 1.60% or less.
  • the C content is preferably 1.50% or less, or 1.40% or less.
  • Si is usually a deoxidizing element and a solid solution strengthening element, but has the effect of suppressing the formation of Cr and Fe carbides.
  • the present inventors have studied various elements that suppress the formation of carbides and found that the generation of carbides is suppressed by containing a predetermined amount of Si. Specifically, the present inventors have found that the formation of carbides is suppressed by setting the Si content to 0.01 to 2.00%. If the Si content is less than 0.01%, the effect of suppressing the formation of carbides cannot be obtained. On the other hand, if the Si content exceeds 2.00%, coarse inclusions are generated in the steel, which may cause deterioration of the ductility and toughness of the steel sheet.
  • the Si content is preferably 0.20% or more, or 0.50% or more.
  • the Si content is preferably 1.50% or less, 1.20% or less, or 1.00% or less.
  • Mn is an element that stabilizes austenite together with C.
  • the Mn content is 5.0 to 30.0%.
  • the Mn content is preferably 7.0% or more, 10.0% or more, 12.0% or more, or 15.0% or more.
  • the Mn content is preferably 25.0% or less, 20.0% or less, or 18.0% or less.
  • the Mn content is more than ⁇ 20 ⁇ C + 30 (%) and not more than ⁇ 20 ⁇ C + 45 (%) in relation to the C content (ie, ⁇ 20 ⁇ C + 30 ⁇ Mn ⁇ ⁇ 20 ⁇ C + 45).
  • the Mn content is ⁇ 20 ⁇ C + 30 (%) or less, the stability of austenite is lowered, and hard ⁇ ′ martensite and ⁇ martensite are generated in the steel sheet after hot rolling and cooling. This is because the ductility, toughness and workability of the steel sheet are lowered.
  • the stability of austenite is sufficiently secured, and it is not necessary to include Mn, which is higher than C and exceeds this value. Because. Since the influence of C on the stabilization of austenite is very large, in the steel sheet according to the present embodiment, the relationship between the Mn content and the C content is particularly important.
  • the P content is 0.050% or less.
  • the P content is preferably 0.030% or less, or 0.020% or less.
  • P is generally mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit thereof, and the lower limit is 0%. However, if the P content is excessively reduced, the manufacturing cost may increase. Therefore, the lower limit of the P content may be 0.001% or more, or 0.002% or more.
  • S is an impurity. If it is excessively contained, it segregates at the grain boundary or produces coarse MnS, which lowers the ductility and toughness of the steel sheet. Therefore, the S content is set to 0.0100% or less.
  • the S content is preferably 0.0060% or less, 0.0040% or less, or 0.0020% or less.
  • the lower limit of the S content is 0%.
  • S suppresses the growth of austenite crystal grains by generating fine oxysulfides in O and Mg, Ca and / or REM (rare-earth metal) and steel. In addition, there is an effect of improving the toughness of the steel sheet, particularly the toughness of the heat-affected zone (HAZ).
  • the “oxysulfide” includes not only a compound containing both O and S but also an oxide and a sulfide.
  • the steel sheet according to the present embodiment further includes the following Cu, Ni, Co, Cr, Mo, W, Nb, V, Ti, Zr, Ta, B, N, O, Mg, and Ca.
  • one or more of REM may be selectively contained.
  • the content of these elements is not essential, and the lower limit of the content of all these elements is 0%.
  • Al mentioned later is not an arbitrary element but an essential element.
  • Cu, Ni and Co improve the toughness of the steel sheet and stabilize austenite.
  • the content of any one of Cu, Ni, and Co exceeds 3.0%, the effect of improving the toughness of the steel sheet is saturated and the cost increases. Therefore, when these elements are contained, the content of each element is set to 3.0% or less.
  • the Cu content, Ni content, and Co content are each preferably 2.0% or less, 1.0% or less, 0.5% or less, or 0.3% or less. In particular, the Cu content is more preferably 0.2% or less.
  • the Cu content may be 0.02% or more, 0.05% or more, or 0.1% or more
  • the Ni content and Co content may be 0.02% or more, 0%, respectively. .05% or more, 0.1% or more, or 0.2% or more.
  • Cr 0 to 5.0%
  • Cr improves the work hardening characteristics of steel. If the Cr content exceeds 5.0%, precipitation of grain boundary carbides is promoted and the toughness of the steel sheet is lowered. Therefore, the Cr content is 5.0% or less.
  • the Cr content is preferably 2.5% or less, or 1.5% or less. In order to improve work hardening characteristics, the Cr content may be 0.05% or more, or 0.1% or more.
  • Mo and W reinforce the steel, lower the C activity in the austenite phase, suppress precipitation of Cr and Fe carbides precipitated at the austenite grain boundaries, and improve the toughness and ductility of the steel sheet.
  • Mo content and W content shall be 2.0% or less, respectively.
  • the Mo content and the W content are 1.0% or less, 0.5% or less, or 0.1% or less, respectively.
  • the Mo content and the W content may be 0.01% or more, 0.05% or more, or 0.1% or more, respectively.
  • Nb 0 to 0.30%, V: 0 to 0.30%, Ti: 0 to 0.30%, Zr: 0 to 0.30%, Ta: 0 to 0.30%
  • Nb, V, Ti, Zr and Ta generate precipitates such as carbonitrides in the steel. These precipitates improve the toughness of the steel by suppressing the coarsening of crystal grains during the solidification of the steel.
  • the said element reduces the activity of C and N in austenite, and suppresses the production
  • the Nb content, the V content, the Ti content, the Zr content, and the Ta content are each 0.30% or less, 0.20% or less, 0.10% or less, or 0.01% or less. It is more preferable. Furthermore, it is still more preferable that the total of Nb content, V content, Ti content, Zr content and Ta content is 0.30% or less, or 0.20% or less.
  • the Nb content and the V content may be 0.005% or more, 0.01% or more, or 0.02% or more, respectively.
  • the Ti content, the Zr content, and the Ta content may be 0.001% or more, or 0.01% or more, respectively.
  • B segregates at the austenite grain boundaries to suppress grain boundary fracture and improve the proof stress and ductility of the steel sheet.
  • the B content is set to 0.300% or less.
  • the B content is preferably 0.250% or less.
  • the B content may be 0.0002% or more, or 0.001% or more.
  • Al is a deoxidizing element and a solid solution strengthening element, but suppresses the formation of Cr and Fe carbides as with Si.
  • the present inventors have found that the generation of carbides is suppressed when the Al content exceeds a predetermined amount. Specifically, the present inventors have found that the formation of carbide is suppressed by setting the Al content to 0.001 to 0.300%. If the Al content is less than 0.001%, the effect of suppressing the formation of carbides cannot be obtained. On the other hand, if the Al content exceeds 0.300%, coarse inclusions are generated, which may cause deterioration of the ductility and toughness of the steel sheet.
  • the Al content is preferably 0.003% or more, or 0.005% or more. Further, the Al content is preferably 0.250% or less, or 0.200% or less.
  • N is an element effective for stabilizing austenite and improving the proof stress of the steel sheet.
  • N has the same effect as C as an element for stabilizing austenite.
  • N has no adverse effect such as deterioration of toughness due to grain boundary precipitation, and the effect of increasing the strength at extremely low temperatures is greater than that of C. Further, N has the effect of dispersing fine nitrides in the steel by coexisting with the nitride-forming elements. If the N content exceeds 1.000%, the toughness of the steel sheet may deteriorate significantly. Therefore, the N content is 1.000% or less.
  • the N content is more preferably 0.300% or less, 0.100% or less, or 0.030% or less. Although a certain amount of N may be mixed as an impurity, the N content may be 0.003% or more for the purpose of increasing the strength.
  • the N content is more preferably 0.005% or more, 0.007% or more, or 0.010% or more.
  • O may be mixed in steel in a certain amount as an impurity, but has an effect of increasing toughness by refining crystal grains in HAZ.
  • the O content exceeds 0.0100%, ductility and toughness in the HAZ may decrease on the contrary due to oxide coarsening and segregation to grain boundaries. Therefore, the O content is 0.0100% or less.
  • the O content is more preferably 0.0070% or less, or 0.0050% or less.
  • the O content may be 0.0001% or more, or 0.0010% or more.
  • Mg, Ca, and REM are produced in large amounts in high-Mn steel, and suppress the production of MnS that significantly reduces the ductility and toughness of the steel sheet.
  • the Mg content, the Ca content, and the REM content are each set to 0.0100% or less.
  • the Mg content, Ca content and REM content are more preferably 0.0070% or less, or 0.0050% or less, respectively.
  • the Mg content, Ca content, and REM content may each be 0.0001% or more.
  • the Mg content, Ca content, and REM content may be 0.0010% or more, or 0.0020% or more, respectively.
  • REM rare earth metal element
  • the content of REM means the total content of these 17 elements.
  • the total of the Mg content, Ca content and REM content may be 0.0001 to 0.0100%. preferable. That is, the content of at least one element in Mg, Ca, and REM is preferably 0.0001 to 0.0100%.
  • the O content may be 0.0002% or more and 0.0050% or less.
  • the total of Mg content, Ca content and REM content may be 0.0003% or more, 0.0005% or more, or 0.0010% or more, or 0.0050% or less, or 0.0040% or less. Good.
  • the reason why the O content is 0.0001% or more and the total of Mg content, Ca content and REM content is 0.0001 to 0.0100% is that oxidation of Mg, Ca and / or REM in steel This is because a product is generated and the coarsening of crystal grains is prevented by the HAZ of the steel plate.
  • the HAZ austenite crystal grain size obtained by the pinning effect of grain growth by the oxide is from several tens of ⁇ m to 300 ⁇ m under standard welding conditions, and does not exceed 300 ⁇ m (however, the steel plate (mother Except when the grain size of the austenite of the material exceeds 300 ⁇ m).
  • S forms an oxysulfide with O and Mg, Ca and / or REM, and is therefore an effective element for refining crystal grains. Therefore, when S is contained in the steel together with O and Mg, Ca and / or REM, the S content is 0.0001% in order to obtain the effect of increasing toughness by refining crystal grains in HAZ. The above is preferable. Further, when S is contained in the steel together with O and Mg, Ca and / or REM, the S content is preferably 0.0050% or less in order to obtain a more excellent ductility and toughness of the steel sheet.
  • the S and O contents satisfy the relationship of O / S ⁇ 1.0.
  • the effect of increasing toughness can be remarkably exhibited. Since sulfides are thermally unstable with respect to oxides, if the ratio of S in the precipitated particles increases, pinning particles that are stable at high temperatures may not be ensured. Therefore, when the O content is 0.0001 to 0.0100%, the total of the Mg content, Ca content and REM content is 0.0001 to 0.0100%, and S is contained in the steel,
  • the content is preferably 0.0001 to 0.0050%, and the O content and the S content are preferably O / S ⁇ 1.0.
  • the precipitation state of the oxysulfide in the steel becomes more preferable, and the effect of refining crystal grains can be remarkably exhibited.
  • the average particle size of the austenite of the steel sheet is less than 150 ⁇ m due to the above effects, the average particle size of austenite in the HAZ can be made 150 ⁇ m or less under standard welding conditions.
  • the upper limit of O / S is not particularly required, but may be 200.0 or less, 100.0 or less, or 10.0 or less.
  • the balance other than the above components is composed of Fe and impurities.
  • the impurities in the present embodiment are components that are mixed due to various factors in the manufacturing process, including raw materials such as ore and scrap, when the steel plate is industrially manufactured.
  • the steel plate according to the present embodiment It means that it is allowed as long as it does not adversely affect the characteristics of
  • the present inventors have found that the corrosion wear resistance due to a substance in which slurry such as gravel is mixed with salt water which is a corrosive environment can be improved by improving the corrosion resistance.
  • the upper limit of a CIP value is not specifically limited, For example, it is good also as 64.0 or less, 50.0 or less, 40.0 or less, 30.0 or less, or 20.0 or less.
  • the corrosion resistance and corrosion wear resistance of the steel sheet can be improved. However, when the CIP value is less than 3.2, the corrosion resistance and corrosion wear resistance of the steel sheet are not significantly improved.
  • C, Si, Mn, P, S, Cu, Ni, Co, Cr, Mo, W, Al, and N are in mass%. The content of each element is shown. If the element is not included, 0 is substituted.
  • the steel sheet according to the present embodiment has an austenite volume fraction of 90 to 100% in the metal structure in order to obtain desired toughness. If the volume fraction of austenite in the steel sheet is less than 90%, the toughness of the steel sheet decreases.
  • the volume fraction of austenite is preferably 95% or more, 97% or more, or 100%.
  • the steel sheet according to this embodiment obtains a desired toughness by containing a predetermined amount of austenite.
  • the total volume fraction of ⁇ martensite and ⁇ ′ martensite is preferably 10% or less, 5% or less, 3% or less, or 0%.
  • the metal structure of the steel sheet according to the present embodiment is preferably composed of austenite and the remaining structure of ⁇ martensite and ⁇ ′ martensite.
  • the remaining structure in the metal structure may be 0%.
  • iron-based carbonitrides such as cementite, and carbonitrides of metal elements other than iron , Ti, Mg, Ca, REM and other oxysulfides, and other inclusions and other measurement results may be obtained suggesting the presence of trace amounts (for example, less than 1%).
  • the volume fraction of austenite, ⁇ martensite and ⁇ ′ martensite is determined by the following method.
  • a sample is cut out from the central portion of the steel plate thickness (1 / 2T depth from the steel plate surface (T is the plate thickness)).
  • T is the plate thickness
  • a surface parallel to the plate thickness direction and the rolling direction of the sample is used as an observation surface, and the observation surface is mirror-finished by buffing or the like, and then distortion is removed by electrolytic polishing or chemical polishing.
  • the average integrated intensity of the (311) (200) (220) plane of austenite having a face-centered cubic structure (fcc structure) and a dense hexagonal lattice structure (hcp) The average value of the integrated intensity of the (010) (011) (012) plane of the ⁇ martensite of the structure) and the (220) (200) (211) plane of the ⁇ ′ martensite of the body-centered cubic structure (bcc structure)
  • the volume fraction of austenite, ⁇ martensite and ⁇ ′ martensite is obtained from the average value of the integrated intensity.
  • ⁇ ′ martensite has a body-centered tetragonal structure (bct structure), and the diffraction peak obtained by X-ray diffraction measurement has a crystalline structure. Due to the anisotropy of the double peak. Therefore, the volume fraction of ⁇ ′ martensite is obtained from the sum of the integrated intensities of the respective peaks.
  • the toughness of the steel sheet is basically improved by refining austenite while suppressing the formation of carbides.
  • the steel sheet according to the present embodiment includes austenite having a volume fraction of 90 to 100%.
  • the austenite in a steel plate is refined
  • the average particle diameter of austenite in the steel sheet is set to 40 ⁇ m or more.
  • the average particle size of austenite in the steel sheet is preferably 50 ⁇ m or more, 75 ⁇ m or more, or 100 ⁇ m or more.
  • the average particle size of austenite in the steel sheet is set to 300 ⁇ m or less.
  • the average particle size of austenite in the steel sheet is preferably 250 ⁇ m or less or 200 ⁇ m or less. Note that the upper and lower limits of the average particle size of the austenite are values that can be achieved by the pinning effect of hot rolling or oxysulfide according to the present embodiment.
  • the average particle size of austenite in the HAZ can be reduced even when exposed to high temperatures by welding.
  • FL melting
  • SMAW Shielded Metal Arc Welding
  • the average particle size of HAZ austenite in the vicinity can be maintained in the range of 40 to 300 ⁇ m.
  • the mass ratio of O and S in the steel sheet is further set to O / S ⁇
  • the average particle size of austenite in the HAZ near the FL after the welding can be maintained at 150 ⁇ m or less, or in the range of 40 to 150 ⁇ m.
  • the toughness of the welded joint obtained by welding the steel plate according to this embodiment can be increased.
  • highly efficient welding methods such as enlarging welding heat input, can be used.
  • a method for measuring the average particle size of austenite in the present embodiment will be described.
  • a sample is cut out from the plate thickness central portion of the steel plate (1 / 2T depth from the steel plate surface (T is the plate thickness)).
  • a cross section parallel to the rolling direction and the plate thickness direction of the steel sheet is used as an observation surface, and is mirror-finished by alumina polishing or the like, and then corroded with a nital solution or a picral solution.
  • the average grain size of austenite is obtained by magnifying and observing the metal structure of the observation surface after corrosion with an optical microscope or an electron microscope.
  • a field of view of 1 mm ⁇ 1 mm or more is enlarged to a magnification of about 100 times, and annex C. of JIS Z0551: 2013 is used.
  • the average section length per austenite crystal grain observed in the observation field is obtained by the cutting method using the straight test line of No. 2, and the average grain size of the austenite is obtained by setting this as the average grain size.
  • the average particle diameter of the austenite after recrystallization is expressed by, for example, the following formula (1).
  • D rex is the average grain size of austenite after recrystallization
  • D 0 is the average grain size of austenite before recrystallization
  • ⁇ is the plastic strain due to hot rolling
  • p and q is a positive constant
  • r is a negative constant.
  • austenite having a predetermined crystal grain size can be obtained by performing plastic rolling at the maximum as much as possible and performing rolling a plurality of times.
  • the initial grain size that is, the average grain size of austenite before recrystallization is 600 ⁇ m
  • the average grain size of austenite after recrystallization is 300 ⁇ m or less.
  • the plastic strain during hot rolling needs to be 0.056 or more.
  • the plastic strain during hot rolling needs to be 0.25 or more.
  • the plastic strain during hot rolling may be 2.1 or less.
  • the plastic strain at the time of hot rolling calculated by the above formula (1) for obtaining austenite having a predetermined crystal grain size is a guideline, and in practice, grain growth of austenite after recrystallization. It is necessary to make fine adjustments in consideration of the effects of multi-pass rolling.
  • the present inventors have confirmed that the steel sheet according to the present embodiment can be manufactured by the following manufacturing method based on the research up to now including the above.
  • Melting / slab manufacturing process need not be particularly limited. That is, following the melting by a converter or an electric furnace, various secondary refining is performed to adjust the above-described chemical composition. Then, what is necessary is just to manufacture a slab by methods, such as normal continuous casting.
  • the slab heating temperature is preferably more than 1250 ° C to 1300 ° C.
  • the steel sheet surface may be oxidized to reduce the yield, and austenite may be coarsened and may not be easily refined even by hot rolling after slab heating. Therefore, slab heating temperature shall be 1300 degrees C or less.
  • the cumulative rolling reduction in the temperature range of 900 to 1000 ° C. is 10 to 80%. As a result, it has been confirmed that the average particle size of austenite can be made 40 to 300 ⁇ m.
  • the cumulative rolling reduction in the temperature range of 900 to 1000 ° C. is less than 10 to 30%, and the steel sheet according to this embodiment is manufactured by satisfying the conditions described later. It has been confirmed that it can be done.
  • the rolling finishing temperature is also important to control the finishing temperature during hot rolling (hereinafter sometimes referred to as the rolling finishing temperature). If the rolling finish temperature is less than 900 ° C., austenite may not be completely recrystallized, or even if austenite is recrystallized, it may be excessively refined and the average particle size may be less than 40 ⁇ m. If austenite is not completely recrystallized, many dislocations and deformation twins are introduced into the metal structure, and a large amount of carbide may be formed in the subsequent cooling. When a large amount of carbide is generated in steel, the ductility and toughness of the steel sheet are lowered. The above-mentioned problems can be prevented by setting the rolling finishing temperature to 900 ° C. or higher. Therefore, in this embodiment, the rolling finishing temperature is set to 900 ° C. or higher.
  • accelerated cooling is performed except when the heat treatment described later is performed.
  • the purpose of accelerated cooling is to suppress the formation of carbides after hot rolling and increase the ductility and toughness of the steel sheet.
  • the average cooling rate during accelerated cooling is 1 ° C / s or higher. This is because if the average cooling rate during accelerated cooling is less than 1 ° C./s, the effect of accelerated cooling (the effect of suppressing the formation of carbides) may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the cooling rate during accelerated cooling exceeds 200 ° C./s, the amount of austenite in the steel may decrease, and the toughness and ductility of the steel sheet may decrease. Therefore, the average cooling rate during accelerated cooling is set to 200 ° C./s or less.
  • Accelerated cooling after hot rolling starts as high as possible. Since the temperature at which the carbide actually starts to precipitate is less than 850 ° C., the cooling start temperature is set to 850 ° C. or higher. The cooling end temperature is 550 ° C. or lower. Accelerated cooling has not only the effect of suppressing the formation of carbides as described above, but also the effect of suppressing austenite grain growth. Therefore, also from the viewpoint of suppressing the grain growth of austenite, the above-described hot rolling and accelerated cooling are performed in combination.
  • the solution treatment includes, for example, reheating the steel sheet to a temperature of 1100 ° C. or higher, performing accelerated cooling at an average cooling rate of 1 to 200 ° C./s from a temperature of 1000 ° C. or higher, and a temperature of 500 ° C. or lower. Allow to cool.
  • the plate thickness of the steel plate according to this embodiment is not particularly limited, but may be 3 to 100 mm. If necessary, the plate thickness may be 6 mm or more, or 12 mm or more, and may be 75 mm or less, or 50 mm or less. Is not particularly necessary to define the mechanical properties of the steel sheet according to the present embodiment, JIS Z 2241: According to 2011, the yield stress (YS) of 300N / mm 2 or more, a tensile strength of the (TS) 800N / mm 2 or more The elongation (EL) may be 40% or more.
  • the tensile strength of 900 N / mm 2 or more, or 950 N / mm may be 2 or more, 2000N / mm 2 or less, or 1500 N / mm 2 may be less.
  • the absorbed energy at ⁇ 40 ° C. according to JIS Z 2242: 2005 may be 100 J or more, 200 J or more, or 300 J or more.
  • the austenitic wear-resistant steel sheet according to the present embodiment is a rail crossing, a caterpillar liner, an impeller blade, a crusher blade, a rock hammer, and other small members and construction machines, industrial machinery, civil engineering, and columns that require wear resistance in the construction field, It can be suitably used for large members such as steel pipes and outer plates.
  • Volume fraction of austenite, ⁇ martensite and ⁇ 'martensite Cut out three samples from the plate thickness center of the steel plate (1 / 2T depth (T is the plate thickness) from the steel plate surface), and use the plane parallel to the plate thickness direction and rolling direction of the sample as the observation surface. After finishing to a mirror surface by buffing or the like, distortion was removed by electrolytic polishing or chemical polishing. Using the X-ray diffractometer (XRD: RINT2500, manufactured by Rigaku Corporation), the average value of the integrated intensity of the (311) (200) (220) plane of austenite having a face-centered cubic structure (fcc structure) with respect to the observation surface.
  • XRD X-ray diffractometer
  • ⁇ ′ martensite has a body-centered tetragonal structure (bct structure), and the diffraction peak obtained by X-ray diffraction measurement becomes a double peak due to the anisotropy of the crystal structure. From the total, the volume fraction of ⁇ ′ martensite was obtained.
  • volume fraction of austenite was 90% or more, it was determined to be acceptable as being within the scope of the present invention. A case where the volume fraction of austenite was less than 90% was determined to be unacceptable as being outside the scope of the present invention.
  • Average particle size of austenite Cut out three samples from the plate thickness center of the steel plate (1 / 2T depth (T is the plate thickness) from the steel plate surface), and use the cross section parallel to the rolling direction and the plate thickness direction of the steel plate as the observation surface. After being mirrored, it was corroded with a nital solution. In the observation surface, a field of view of 1 mm ⁇ 1 mm or more is enlarged to a magnification of about 100 times, and Annex C. JIS Z0551: 2013 is attached. The average section length per crystal grain of austenite observed in the observation field was determined by the cutting method using the straight test line of 2, and this was used as the average grain size.
  • HAZ austenite was determined by the same method as above for HAZ near the FL (melting line) at the center of the plate thickness. The particle size was measured.
  • Yield stress is 300N / mm 2 or more
  • a tensile strength is 800 N / mm 2 or more
  • elongation is the case of 40% or more was judged to be acceptable as excellent strength and ductility. A case where even one of the above conditions was not satisfied was determined to be unacceptable.
  • Abrasion resistance Scratching abrasion test (peripheral speed 3.7 m / sec, 50 hours) using a mixture of silica (JIS G5901: No. 5 of 2016) and water (mixing ratio of silica sand 2: water 1) as a wear material
  • the weight loss of wear was evaluated based on plain steel (SS400 of JIS G3101: 2015).
  • the wear amount ratio of ordinary steel in Table 2-1 and Table 2-2 was obtained by dividing the wear loss of each steel by the wear loss of ordinary steel. However, when the plate thickness was more than 15 mm, a test piece reduced to a plate thickness of 15 mm was used.
  • Corrosion wear For evaluation of corrosive wear, a scratching wear test (peripheral speed 3.7 m / sec) using a mixture of silica sand (average particle size 12 ⁇ m) and seawater (mixing ratio 30% silica sand, 70% seawater) as a wear material. , 100 hours) was evaluated based on plain steel (SS400 of JIS G3101: 2015).
  • the ratio of corrosion wear of ordinary steel in Table 2-1 and Table 2-2 was determined by dividing the corrosion wear loss of each steel by the corrosion wear loss of ordinary steel. However, when the plate thickness was more than 15 mm, a test piece reduced to a plate thickness of 15 mm was used.
  • the target value of the corrosion wear ratio of normal steel to 0.80 or less was set to 0.80 or less.
  • Toughness The toughness of the steel plate (base material) is JIS, in which a test piece is taken in parallel with the rolling direction from a position of 1 / 4T (T is the plate thickness) of the steel plate, and a notch is provided in the direction in which cracks propagate in the width direction.
  • T the plate thickness
  • J the absorbed energy at ⁇ 40 ° C.

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Abstract

本発明の一態様に係るオーステナイト系耐摩耗鋼板は、所定の化学組成を有し、ＣおよびＭｎの質量％での含有量が、－２０×Ｃ＋３０＜Ｍｎ≦－２０×Ｃ＋４５を満たし、金属組織において、オーステナイトの体積分率が９０～１００％であり、前記オーステナイトの平均粒径が４０～３００μｍである。

Description

オーステナイト系耐摩耗鋼板
　本発明は、耐摩耗部材に用いられるオーステナイト系耐摩耗鋼板に関する。
　従来の耐摩耗部材用途の鋼板は、特許文献１などに開示されるような０．１～０．３％程度のＣを含有する鋼を焼入れして金属組織をマルテンサイトにすることで製造される。そのような鋼板のビッカース硬度は４００～６００Ｈｖ程度と顕著に高く、耐摩耗性に優れる。しかし、マルテンサイト組織は大変硬いために曲げ加工性や靭性が劣る。また、従来の耐摩耗部材用途の鋼板は、硬さを増加させるためにＣを多く含有するが、０．２％以上のＣを含有すると溶接割れが発生する可能性がある。
　一方、耐摩耗性と延性とを併せ持つ素材として高Ｍｎ鋳鋼が用いられている。高Ｍｎ鋳鋼はマトリックスがオーステナイトであるために延性や靭性が良好である。しかし、高Ｍｎ鋳鋼は、岩石の衝突などにより表面部が塑性変形を受けると、変形双晶や、条件によっては加工誘起マルテンサイト変態が生じて、表面部の硬さだけが著しく高くなる特性を有している。このため、高Ｍｎ鋳鋼は、衝撃面（表面部）の耐摩耗性が向上しても中心部はオーステナイトのままなので、延性や靭性が優れた状態のまま保持できる。
　高Ｍｎ鋳鋼としては、ＪＩＳ　Ｇ　５１３１に定められた鋼や、Ｃ含有量やＭｎ含有量を高めることにより、機械的性質、及び耐摩耗性の向上を図ったオーステナイト系耐摩耗鋼が数多く提案されている（特許文献２～８等を参照）。
　これらの高Ｍｎ鋳鋼では、耐摩耗性の改善のためにＣ含有量を１％以上と多く含有している場合が多い。Ｃ含有量が１％以上の鋼では、延性や靭性に優れたオーステナイトであっても、炭化物が多く析出するなどの原因によって、延性や靭性が低下する場合がある。
　Ｃ含有量が１％以上の鋼においても、延性や靱性を確保することを目的として、鋳造後にオーステナイト域で溶体化熱処理後、水冷する熱処理（水靭処理）を行って製造することが提案されている。水靭処理は、鋼を急速に冷却することで、通常の空冷中に生じる炭化物の析出を抑制し、延性や靭性を改善するために行う処理である。同様の目的から、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ等の炭化物形成元素を含有させて、結晶粒の微細化あるいは炭化物の析出形態制御（球状炭化物を結晶粒内に分散させること）により、高Ｍｎ鋳鋼の延性や靭性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献３、４および６～８を参照）。
　上記の方法はある程度の靱性の改善効果は認められるものの、耐摩耗性と靭性とを兼ね備えた画期的な特性は得られていないのが現状である。特に、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ等を含有させて結晶粒を微細化する場合、これらの元素は凝固時に作用させないといけないために多量に含有させる必要がある。このため、炭化物または窒化物等の析出物が粗大かつ大量に鋼中に析出し、これらの析出物が疲労破壊の起点となる場合がある。またＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ等は高価な元素であり、これら元素の添加はコストアップの要因となる。
　結晶粒の微細化は上記したような延性や靭性の向上だけでなく、加工硬化特性の向上にも有効である。このため、高Ｍｎ鋳鋼の結晶粒の微細化はＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ等の添加の他に、高Ｍｎ鋳鋼の鋳込温度を低くすることが提案されている。しかし、高Ｍｎ鋳鋼の鋳込温度を低くすることには限界があり、高Ｍｎ鋳鋼の鋳込温度を下げると鋳造欠陥が発生しやすくなる問題もある。
日本国特開２０１４－１９４０４２号公報 日本国特公昭５７－１７９３７号公報 日本国特公昭６３－８１８１号公報 日本国特公平１－１４３０３号公報 日本国特公平２－１５６２３号公報 日本国特開昭６０－５６０５６号公報 日本国特開昭６２－１３９８５５号公報 日本国特開平１－１４２０５８号公報
　本発明は、このような実情に鑑み、耐摩耗性および強度並びにこれらと相反する靱性および延性に優れるオーステナイト系耐摩耗鋼板を提供することを目的とする。
　オーステナイト系耐摩耗鋼板の耐摩耗性および強度並びに靭性および延性を得るためには、オーステナイト系耐摩耗鋼板が使用される温度においてオーステナイト相主体の組織であることが必要である。更に、α’マルテンサイトやεマルテンサイトが主体の組織にならないように、オーステナイトの安定性を向上することで、鋼中に十分な量のオーステナイトを含有させる必要がある。
　オーステナイト系耐摩耗鋼板の耐摩耗性を更に改善するためには、Ｃ含有量を１％前後に高め、岩石の衝突などによる塑性変形によって双晶変形を生じさせ、鋼板表面部に顕著な加工硬化を生じさせるか、加工誘起マルテンサイト変態によって硬質のマルテンサイトを生成させることで、鋼板表面部の硬度を顕著に上昇させることが必要である。多量の炭素を含有するマルテンサイトの硬度は高いため、鋼板表面部に加工誘起マルテンサイト変態を生じさせることは、オーステナイト系耐摩耗鋼板の耐摩耗性を顕著に向上させる。このような観点から、オーステナイト系耐摩耗鋼板の組織が製造時にはオーステナイトを主体とする組織であっても、岩石などが衝突した際などに加工誘起マルテンサイト変態するように、オーステナイトの安定性を制御することが必要である。この目的のために、ＣやＭｎの含有量を制御する。
　鋼板の靭性を改善するためには、オーステナイトの結晶粒（以下、単に「結晶粒」と記載する場合がある。）の微細化が極めて有効であり、熱間圧延によりこれを達成できる。結晶粒の微細化は、ホールペッチの関係などで知られているような「結晶粒径の－１／２乗」に比例した靱性の向上効果がある。しかし、過剰な微細化は、オーステナイト粒界に生成する炭化物の核生成サイトを増加させることで、粒界の炭化物の析出量を増加させる欠点がある。粒界の炭化物は非常に硬く、析出量が増加すると鋼の靱性や延性が低下する。本発明者らは、結晶粒の微細化を図りつつ過剰に小さくならないように制御することにより、鋼板の靭性や延性を向上できることを見出した。
　以上に述べたように、本発明は、鋼板の化学組成を適切に制御すること、および熱間圧延により鋼板の結晶粒の微細化を図ることで、以下のオーステナイト系耐摩耗鋼板を提供するものである。
［１］本発明の一態様に係るオーステナイト系耐摩耗鋼板は、化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．８０％超～１．６０％、
Ｓｉ：０．０１～２．００％、
Ｍｎ：５．０～３０．０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｕ：０～３．０％、
Ｎｉ：０～３．０％、
Ｃｏ：０～３．０％、
Ｃｒ：０～５．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～２．０％、
Ｎｂ：０～０．３０％、
Ｖ：０～０．３０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｚｒ：０～０．３０％、
Ｔａ：０～０．３０％、
Ｂ：０～０．３００％、
Ａｌ：０．００１～０．３００％、
Ｎ：０～１．０００％、
Ｏ：０～０．０１００％、
Ｍｇ：０～０．０１００％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
ＲＥＭ：０～０．０１００％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
　前記Ｃおよび前記Ｍｎの質量％での含有量をそれぞれＣ、およびＭｎと表したとき、－２０×Ｃ＋３０＜Ｍｎ≦－２０×Ｃ＋４５を満たし、
　金属組織が、体積分率で、
　オーステナイト：９０～１００％であり、
　前記オーステナイトの平均粒径が４０～３００μｍである。
［２］　上記［１］に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板では、前記化学組成が、下記式を満たしてもよい。
　－Ｃ＋０．８×Ｓｉ－０．２×Ｍｎ－９０×（Ｐ＋Ｓ）＋１．５×（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）＋３．３×Ｃｒ＋９×Ｍｏ＋４．５×Ｗ＋０．８×Ａｌ＋６×Ｎ＋１．５≧３．２
　前記式中の各元素記号はそれぞれの元素の質量％での含有量を示す。
［３］　上記［１］または［２］に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板では、前記金属組織が、体積分率で、
　εマルテンサイト：０～１０％、
　α’マルテンサイト：０～１０％、
　前記εマルテンサイトおよび前記α’マルテンサイトの合計：０～１０％であってもよい。
［４］　上記［１］～［３］のいずれか１項に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板では、前記化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．０００１～０．０１００％、
Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計：０．０００１～０．０１００％であってもよい。
［５］　上記［４］に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板では、前記化学組成が、質量％で、
Ｓ：０．０００１～０．００５０％であり、
　ＯおよびＳの質量％での含有量がＯ／Ｓ≧１．０を満たしてもよい。
［６］　上記［１］～［５］のいずれか１項に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板では、前記化学組成が、質量％で、
Ｃｕ：０～０．２％であってもよい。
　本発明に係る上記態様によれば、耐摩耗性および強度並びにこれらと相反する靱性および延性に優れたオーステナイト系耐摩耗鋼板（以下、単に「鋼板」という。）を提供することができる。具体的には、本発明に係る上記態様によれば、化学組成を適切に制御すること、及び金属組織を熱間圧延により適切に制御し、鋼板の結晶粒の微細化を図ることによって、耐摩耗性および強度並びに靱性および延性に優れた鋼板を提供することができる。本発明に係る鋼板は、板厚３ｍｍ程度から２００ｍｍ程度までの多様な板厚で、幅５ｍ程度、長さ５０ｍ程度に製造することができる。そのため、本発明に係る鋼板は、破砕機用ライナーなどの衝撃が加わる、比較的小型の耐摩耗部材に限らず、極めて大型な建設機械用部材および耐摩耗構造部材として用いることもできる。また、本発明に係る鋼板によれば、本発明に係る鋼板と同様の特性を持つ鋼管、形鋼を製造することもできる。さらに、本発明の好適態様によれば、酸硫化物を利用して溶接部における結晶粒の粗大化を抑制することができるため、溶接部の靱性にも優れた鋼板を提供することができる。
　以下、本実施形態に係るオーステナイト系耐摩耗鋼板について詳細に説明する。なお、本実施形態において、前記のような高硬度のオーステナイトを主体とする組織またはそのオーステナイト組織のマルテンサイト変態を利用した鋼板を、オーステナイト系耐摩耗鋼と定義する。具体的には、オーステナイトの体積分率が９０％以上の鋼板を、オーステナイト系耐摩耗鋼板と定義する。
　まず、本実施形態に係るオーステナイト系耐摩耗鋼板に含まれる各成分の限定理由について説明する。なお、元素の含有量に関する「％」は、特に断りがない限り、「質量％」を意味する。
［Ｃ：０．８０％超～１．６０％］
　Ｃは、オーステナイトを安定化させ、鋼板の耐摩耗性を改善し、さらに硬度を上昇させる。鋼板の所望の硬度を確保し、且つ鋼板の耐摩耗性を改善させるためには、Ｃ含有量を０．８０％超とすることが必要である。特に高い耐摩耗性が必要な場合には、Ｃ含有量を０．９０％以上、又は１．００％以上とすることが好ましい。一方、Ｃ含有量が１．６０％を超えると、鋼中に炭化物が粗大かつ多量に生成することで、鋼板において高い靱性を得ることができない。よって、Ｃ含有量は１．６０％以下とする。Ｃ含有量は１．５０％以下、又は１．４０％以下とすることが好ましい。
［Ｓｉ：０．０１～２．００％］
　Ｓｉは、通常、脱酸元素であり、固溶強化元素でもあるが、ＣｒやＦｅの炭化物の生成を抑制する効果がある。本発明者らは、炭化物の生成を抑制する元素を種々検討し、Ｓｉを所定量含有させることで、炭化物の生成が抑制されることを見出した。具体的には、本発明者らは、Ｓｉ含有量を０．０１～２．００％とすることで、炭化物の生成が抑制されることを見出した。０．０１％未満のＳｉ含有量では、炭化物の生成を抑制する効果が得られない。一方、２．００％超のＳｉ含有量では、鋼中に粗大な介在物を発生させ、鋼板の延性および靱性の劣化を引き起こす場合がある。Ｓｉ含有量は０．２０％以上、又は０．５０％以上とすることが好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．５０％以下、１．２０％以下、又は１．００％以下とすることが好ましい。
［Ｍｎ：５．０～３０．０％、－２０×Ｃ＋３０＜Ｍｎ≦－２０×Ｃ＋４５］
　Ｍｎは、Ｃとともにオーステナイトを安定化させる元素である。Ｍｎ含有量は５．０～３０．０％とする。オーステナイト安定化の向上のため、Ｍｎ含有量は、７．０％以上、１０．０％以上、１２．０％以上、又は１５．０％以上とすることが好ましい。Ｍｎ含有量は２５．０％以下、２０．０％以下、又は１８．０％以下とすることが好ましい。
　オーステナイト安定化の観点から、Ｍｎ含有量は、Ｃ含有量との関係で、－２０×Ｃ＋３０（％）超、－２０×Ｃ＋４５（％）以下（すなわち、－２０×Ｃ＋３０＜Ｍｎ≦－２０×Ｃ＋４５）とする。Ｍｎ含有量が－２０×Ｃ＋３０（％）以下であると、オーステナイトの安定性が低下し、熱間圧延して冷却後の鋼板に、硬質のα’マルテンサイトやεマルテンサイトが生成してしまい、鋼板の延性、靭性および加工性を低下させるからである。一方、Ｍｎ含有量が－２０×Ｃ＋４５（％）であると、オーステナイトの安定性は十分に確保されており、この値を超えて、Ｃと比較して高価であるＭｎを含有させる必要が無いためである。オーステナイトの安定化に関するＣの影響は非常に大きいため、本実施形態に係る鋼板では、前記のＭｎ含有量とＣ含有量との関係が特に重要である。
［Ｐ：０．０５０％以下］
　Ｐは粒界に偏析し、鋼板の延性や靭性を低下させるので、可能な限り低減することが好ましい。そのため、Ｐ含有量を０．０５０％以下とする。Ｐ含有量は、０．０３０％以下、又は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｐは一般に溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入するが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は０％である。ただし、Ｐ含有量を過剰に低減すると、製造コストが上昇する場合がある。そのため、Ｐ含有量の下限を０．００１％以上、又は０．００２％以上としてもよい。
［Ｓ：０．０１００％以下］
　Ｓは、不純物であり、過剰に含有させると粒界に偏析し、又は粗大なＭｎＳを生成し、鋼板の延性や靭性を低下させる。そのため、Ｓ含有量を０．０１００％以下とする。Ｓ含有量は０．００６０％以下、０．００４０％以下、又は０．００２０％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量の下限は０％である。後述するようにＳは、Ｏ、並びにＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭ（希土類金属：Ｒａｒｅ－Ｅａｒｔｈ　Ｍｅｔａｌ）と鋼中で微細な酸硫化物を生成させることで、オーステナイトの結晶粒の成長を抑制し、鋼板の靭性、特に溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ－Ａｆｆｅｃｔｅｄ　Ｚｏｎｅ）の靭性を向上させる効果がある。上記効果を得るために、Ｓ含有量を０．０００１％以上、０．０００５％以上、又は０．００１０％以上としてもよい。なお、本実施形態において、「酸硫化物」とは、ＯおよびＳの両方を含有する化合物だけでなく、酸化物および硫化物をも包含するものである。
　本実施形態に係る鋼板は、上述した必須元素に加え、さらに下記に示すＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｂ、Ｎ、Ｏ、Ｍｇ、ＣａおよびＲＥＭのうち１種又は２種以上を選択的に含有してもよい。これら元素の含有は必須ではなく、これら全ての元素の含有量の下限は０％である。なお、後述するＡｌは任意元素ではなく、必須元素である。
［Ｃｕ：０～３．０％、Ｎｉ：０～３．０％、Ｃｏ：０～３．０％］
　Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏは、鋼板の靭性を向上させ、且つオーステナイトを安定化させる。しかし、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏのうち１種でもその含有量が３．０％を超えると、鋼板の靭性を向上させる効果が飽和し、コストも増加する。そのため、これらの元素を含有させる場合は、各元素の含有量をそれぞれ、３．０％以下とする。Ｃｕ含有量、Ｎｉ含有量、およびＣｏ含有量はそれぞれ、２．０％以下、１．０％以下、０．５％以下、又は０．３％以下とすることが好ましい。特に、Ｃｕ含有量については、０．２％以下とすることがより好ましい。オーステナイト安定化のため、Ｃｕ含有量は、０．０２％以上、０．０５％以上、又は０．１％以上としてもよく、Ｎｉ含有量およびＣｏ含有量はそれぞれ、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１％以上、又は０．２％以上としてもよい。
［Ｃｒ：０～５．０％］
　Ｃｒは、鋼の加工硬化特性を向上させる。Ｃｒ含有量が５．０％を超えると、粒界炭化物の析出を促進させ、鋼板の靭性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量は５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は２．５％以下、又は１．５％以下とすることが好ましい。加工硬化特性の向上のため、Ｃｒ含有量は０．０５％以上、又は０．１％以上としてもよい。
［Ｍｏ：０～２．０％、Ｗ：０～２．０％］
　ＭｏとＷは、鋼を強化し、オーステナイト相におけるＣの活量を低下させ、オーステナイト粒界に析出するＣｒやＦｅの炭化物の析出を抑制し、鋼板の靭性や延性を改善する。ただし、過剰に含有させても上記効果は飽和する一方、コストが増加する。このため、Ｍｏ含有量およびＷ含有量はそれぞれ２．０％以下とする。好ましくは、Ｍｏ含有量およびＷ含有量はそれぞれ１．０％以下、０．５％以下、又は０．１％以下とする。上記効果を確実に得るために、Ｍｏ含有量およびＷ含有量はそれぞれ、０．０１％以上、０．０５％以上、又は０．１％以上としてもよい。
［Ｎｂ：０～０．３０％、Ｖ：０～０．３０％、Ｔｉ：０～０．３０％、Ｚｒ：０～０．３０％、Ｔａ：０～０．３０％］
　Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴａは、鋼中で炭窒化物などの析出物を生成させる。これらの析出物は、鋼の凝固時に結晶粒の粗大化を抑制することで、鋼の靭性を向上させる。また、上記元素は、オーステナイト中のＣやＮの活量を低下させ、セメンタイトやグラファイトなどの炭化物の生成を抑制する。さらに、上記元素は、固溶強化や析出強化によって鋼を強化させる。
　Ｎｂ含有量、Ｖ含有量、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量およびＴａ含有量のうち１種でもその含有量が０．３０％を超えると、析出物が顕著に粗大化し、鋼板の延性や靭性が低下する場合がある。そのため、Ｎｂ含有量、Ｖ含有量、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量およびＴａ含有量はそれぞれ、０．３０％以下とし、０．２０％以下、０．１０％以下又は０．０１％以下とすることがより好ましい。更に、Ｎｂ含有量、Ｖ含有量、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量およびＴａ含有量の合計を０．３０％以下、又は０．２０％以下とすることがより一層好ましい。鋼の靱性向上と高強度化のため、Ｎｂ含有量及びＶ含有量はそれぞれ、０．００５％以上、０．０１％以上、又は０．０２％以上としてもよい。同様の理由により、Ｔｉ含有量、Ｚｒ含有量およびＴａ含有量はそれぞれ、０．００１％以上、又は０．０１％以上としてもよい。
［Ｂ：０～０．３００％］
　Ｂは、オーステナイト粒界に偏析することで粒界破壊を抑制し、鋼板の耐力や延性を向上させる。しかし、Ｂ含有量が０．３００％を超えると、鋼板の靱性が劣化する場合がある。よって、Ｂ含有量は０．３００％以下とする。Ｂ含有量は０．２５０％以下とすることが好ましい。粒界破壊を抑制するため、Ｂ含有量を０．０００２％以上、又は０．００１％以上としてもよい。
［Ａｌ：０．００１～０．３００％］
　Ａｌは、脱酸元素であり、固溶強化元素であるが、Ｓｉと同様に、ＣｒやＦｅ炭化物の生成を抑制する。本発明者らは、炭化物の生成を抑制する元素を種々検討した結果、Ａｌ含有量が所定量以上となると、炭化物の生成が抑制されることを見出した。具体的には、本発明者らは、Ａｌ含有量を０．００１～０．３００％とすることで、炭化物の生成が抑制されることを見出した。０．００１％未満のＡｌ含有量では、炭化物の生成を抑制する効果が得られない。一方、０．３００％超のＡｌ含有量では、粗大な介在物を発生させ、鋼板の延性および靱性の劣化を引き起こす場合がある。Ａｌ含有量は０．００３％以上、又は０．００５％以上とすることが好ましい。また、Ａｌ含有量は０．２５０％以下、又は０．２００％以下とすることが好ましい。
［Ｎ：０～１．０００％］
　Ｎは、オーステナイトの安定化及び鋼板の耐力向上に有効な元素である。Ｎは、オーステナイト安定化の元素として、Ｃと同等の効果を有する。Ｎは、粒界析出による靱性劣化などの悪影響を及ぼさず、極低温での強度を上昇させる効果がＣよりも大きい。また、Ｎは、窒化物形成元素と共存することによって、鋼中に微細な窒化物を分散させるという効果を有する。Ｎ含有量が１．０００％を超えると、鋼板の靱性が著しく劣化する場合がある。そのため、Ｎ含有量は１．０００％以下とする。Ｎ含有量は０．３００％以下、０．１００％以下、又は０．０３０％以下とすることがより好ましい。Ｎは不純物として一定量混入する場合もあるが、上記の高強度化等のため、Ｎ含有量を０．００３％以上としてもよい。Ｎ含有量は、０．００５％以上、０．００７％以上、又は０．０１０％以上とすることがより好ましい。
［Ｏ：０～０．０１００％］
　Ｏは不純物として鋼中に一定量混入する場合があるが、ＨＡＺにおける結晶粒の微細化による高靭性化の効果を有する。一方、Ｏ含有量が０．０１００％を超えると、酸化物の粗大化や粒界への偏析により、ＨＡＺにおける延性や靭性が却って低下する場合がある。そのため、Ｏ含有量は０．０１００％以下とする。Ｏ含有量は、０．００７０％以下、又は０．００５０％以下とすることがより好ましい。高靱性化のため、Ｏ含有量を０．０００１％以上、又は０．００１０％以上としてもよい。
［Ｍｇ：０～０．０１００％、Ｃａ：０～０．０１００％、ＲＥＭ：０～０．０１００％］
　Ｍｇ、ＣａおよびＲＥＭは、高Ｍｎ鋼で多量に生成し、鋼板の延性や靭性を著しく低下させるＭｎＳの生成を抑制する。一方、これら元素の含有量が過剰になると、鋼中に粗大な介在物を多量に発生させ、鋼板の延性および靱性の劣化を引き起こす。そのため、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量はそれぞれ０．０１００％以下とする。Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量はそれぞれ、０．００７０％以下、又は０．００５０％以下とすることがより好ましい。ＭｎＳの生成抑制のため、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量はそれぞれ、０．０００１％以上としてもよい。Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量はそれぞれ、０．００１０％以上、又は０．００２０％以上としてもよい。
　なお、ＲＥＭ（希土類金属元素）は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドからなる合計１７元素を意味する。ＲＥＭの含有量とは、これらの１７元素の含有量の合計を意味する。
［Ｏ：０．０００１～０．０１００％、並びに、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計：０．０００１～０．０１００％］
　後述の理由により、Ｏ含有量を０．０００１～０．０１００％とすることに加えて、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計を０．０００１～０．０１００％とすることが好ましい。つまり、Ｍｇ、ＣａおよびＲＥＭの中の少なくとも１種の元素の含有量を０．０００１～０．０１００％とすることが好ましい。この際、Ｏ含有量を０．０００２％以上とし、０．００５０％以下としてもよい。Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計を０．０００３％以上、０．０００５％以上、又は０．００１０％以上としてもよく、０．００５０％以下、又は０．００４０％以下としてもよい。
　Ｏ含有量を０．０００１％以上とし、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計を０．０００１～０．０１００％とする理由は、鋼中にＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭの酸化物を生成させ、鋼板のＨＡＺで結晶粒の粗大化を防ぐためである。上記酸化物による粒成長のピン止め効果によって得られるＨＡＺのオーステナイトの結晶粒径は、標準的な溶接条件であれば、数十μｍから３００μｍとなり、３００μｍを超えることはない（ただし、鋼板（母材）のオーステナイトの結晶粒径が３００μｍを超える場合を除く）。このように、ＨＡＺを含め鋼板のオーステナイトの結晶粒径を３００μｍ以下に制御するために上記元素（Ｏ、Ｍｇ、ＣａおよびＲＥＭ）を含有させることが好ましい。
［Ｓ：０．０００１～０．００５０％、Ｏ／Ｓ≧１．０］
　Ｓは、Ｏ、並びにＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭと酸硫化物を生成させるため、結晶粒の微細化に有効な元素である。したがって、鋼中にＯ、並びにＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭと共にＳを含有させる場合には、ＨＡＺにおける結晶粒の微細化による高靭性化の効果を得るために、Ｓ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。また、鋼中にＯ、並びにＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭと共にＳを含有させる場合、より優れた鋼板の延性や靱性を得るために、Ｓ含有量は０．００５０％以下とすることが好ましい。
　鋼中にＯ、並びにＭｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭと共にＳを含有させる場合、Ｓ含有量およびＯ含有量がＯ／Ｓ≧１．０の関係を満たすことで、ＨＡＺにおいて、結晶粒の微細化による高靭性化の効果を顕著に発揮させることができる。硫化物は酸化物に対して熱的に不安定であるため、析出粒子中のＳの比率が高まると、高温で安定なピンニング粒子が確保できない場合がある。そこで、Ｏ含有量を０．０００１～０．０１００％とし、Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計を０．０００１～０．０１００％とし、鋼中にＳを含有させる場合、Ｓ含有量を０．０００１～０．００５０％とし、更に、Ｏ含有量およびＳ含有量をＯ／Ｓ≧１．０とすることが好ましい。好ましくはＯ／Ｓ≧１．５、又はＯ／Ｓ≧２．０とする。Ｏ含有量およびＳ含有量が上記の条件を満たすことで、鋼中の酸硫化物の析出状態がより好ましくなり、結晶粒の微細化効果を顕著に発揮させることができる。上記効果により、鋼板のオーステナイトの平均粒径を１５０μｍ未満とすれば、標準的な溶接条件であれば、ＨＡＺにおけるオーステナイトの平均粒径を１５０μｍ以下とすることができる。なお、Ｏ／Ｓの上限を特に定める必要はないが、２００．０以下、１００．０以下、又は１０．０以下としてもよい。
　本実施形態に係る鋼板において、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不純物からなる。本実施形態において不純物とは、鋼板を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係る鋼板の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
[－Ｃ＋０．８×Ｓｉ－０．２×Ｍｎ－９０×（Ｐ＋Ｓ）＋１．５×（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）＋３．３×Ｃｒ＋９×Ｍｏ＋４．５×Ｗ＋０．８×Ａｌ＋６×Ｎ＋１．５≧３．２]
　本発明者らは、－Ｃ＋０．８×Ｓｉ－０．２×Ｍｎ－９０×（Ｐ＋Ｓ）＋１．５×（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）＋３．３×Ｃｒ＋９×Ｍｏ＋４．５×Ｗ＋０．８×Ａｌ＋６×Ｎ＋１．５で表されるＣＩＰ値が３．２以上であると、鋼板の耐食性を向上できるという知見を得た。また、本発明者らは、耐食性の向上により腐食環境である塩水に砂礫などのスラリーが混ざった物質などによる腐食摩耗性も向上できるという知見を得た。ＣＩＰ値の上限は特に限定しないが、例えば、６４．０以下、５０．０以下、４０．０以下、３０．０以下または２０．０以下としてもよい。
　ＣＩＰ値が大きいほど、鋼板の耐食性および腐食摩耗性を向上することができるが、ＣＩＰ値が３．２未満の場合には、鋼板の耐食性および腐食摩耗性が顕著に向上しない。
　なお、前記式中の前記Ｃ、前記Ｓｉ、前記Ｍｎ、前記Ｐ、前記Ｓ、前記Ｃｕ、前記Ｎｉ、前記Ｃｏ、前記Ｃｒ、前記Ｍｏ、前記Ｗ、前記Ａｌおよび前記Ｎは、質量％でのそれぞれ元素の含有量を示す。当該元素を含まない場合は、０を代入する。
［オーステナイトの体積分率：９０～１００％］
　本実施形態に係る鋼板は、所望の靱性を得るため、金属組織において、オーステナイトの体積分率を９０～１００％とする。鋼板中のオーステナイトの体積分率が９０％未満であると、鋼板の靱性が低下する。オーステナイトの体積分率は、９５％以上、９７％以上、又は１００％とすることが好ましい。
［εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率：合計で０～１０％、εマルテンサイトの体積分率：０～１０％、α’マルテンサイトの体積分率：０～１０％］
　上述のように、本実施形態に係る鋼板は、所定量のオーステナイトを含有することで、所望の靱性を得る。εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率が合計で１０％を超えると、十分な量のオーステナイトが得られず、鋼板の靱性が低下する。そのため、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率を合計で、１０％以下、５％以下、３％以下、又は０％とすることが好ましい。
　本実施形態に係る鋼板の金属組織は、オーステナイトと、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの残部組織とからなることが好ましい。なお、本実施形態に係る鋼板は、金属組織における残部組織が０％であってもよい。また、Ｘ線回析による組織分析を行うと、実際の金属組織内（各金属組織の境界部を含む。）には、セメンタイトなどの鉄系炭窒化物、鉄以外の金属元素の炭窒化物、Ｔｉ、Ｍｇ、ＣａおよびＲＥＭなどの酸硫化物、並びにその他の介在物などの析出物および介在物微量（例えば、１％未満）の存在を示唆する測定結果が得られる場合がある。しかしながら、通常の光学顕微鏡観察では、これらは殆ど観察されないか、若しくは、観察されてもオーステナイト、εマルテンサイトまたはα’マルテンサイトの各組織の中や各組織の境界などに細かく分散している。このため、これらは、いわゆる鋼板の地（マトリックス）の金属組織と見做さないものとする。
　オーステナイト、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率は、以下の方法により求める。
　鋼板の板厚中央部（鋼板表面から１／２Ｔ深さ（Ｔは板厚））から試料を切り出す。その試料の板厚方向及び圧延方向に平行な面を観察面とし、観察面をバフ研磨等により鏡面に仕上げた後、電解研磨や化学研磨によって歪みを除去する。
　上記観察面に対して、Ｘ線回折装置を用いて、面心立方構造（ｆｃｃ構造）のオーステナイトの（３１１）（２００）（２２０）面の積分強度の平均値と、稠密六方格子構造（ｈｃｐ構造）のεマルテンサイトの（０１０）（０１１）（０１２）面の積分強度の平均値と、体心立方構造（ｂｃｃ構造）のα’マルテンサイトの（２２０）（２００）（２１１）面の積分強度の平均値とから、オーステナイト、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率を得る。
　ただし、本実施形態に係る鋼板はＣ含有量が０．８０％超であるため、α’マルテンサイトは体心正方構造（ｂｃｔ構造）となり、Ｘ線回折測定で得られる回折ピークは、結晶構造の異方性のためにダブルピークとなる。そのため、それぞれのピークの積分強度の合計から、α’マルテンサイトの体積分率を得る。
［オーステナイトの平均粒径：４０～３００μｍ］
　まず、高Ｃおよび高Ｍｎのオーステナイト鋼の靭性の低下メカニズムについて説明する。本実施形態に係る鋼板では、Ｃ含有量及びＭｎ含有量が高いために、オーステナイト粒界のみならず、粒内にも多数の鉄炭化物が生成する。これらの炭化物は、鉄母相と比較して硬質であるので、外力を受けた際に炭化物周囲の応力集中を高める。これにより、炭化物間あるいは炭化物周囲に亀裂が生じて、破壊を引き起こす原因となる。外力を受けた際、鋼を破壊に至らしめる応力集中は、オーステナイトの結晶粒径が小さいほど低下する。しかし、過剰な微細化はオーステナイト粒界に生成する炭化物の核生成サイトを増加させ、炭窒化物の析出量を増加させてしまう欠点がある。粒界の炭化物は非常に硬く、析出量が増加すると鋼の靱性や延性が低下する。本発明者らは、結晶粒径の最適化により、鋼板の靭性や延性を向上できることを見出した。
　本実施形態では、炭化物の生成を抑制しつつ、基本的にはオーステナイトの微細化により、鋼板の靭性が向上する。本実施形態に係る鋼板は、上述の通り、体積分率で９０～１００％のオーステナイトを含む。また、本実施形態に係る鋼板は、熱間圧延によって製造されるため、後で詳しく説明するように、鋼板中のオーステナイトが当該熱間圧延によって微細化され、優れた靱性を有する。
　オーステナイト粒界は炭化物の核生成サイトでもあるため、オーステナイトが過度に微細化されると、炭化物の生成が促進される。炭化物が過剰に生成されると、鋼板の靭性が劣化する場合がある。このような観点から、鋼板中のオーステナイトの平均粒径は４０μｍ以上とする。鋼板中のオーステナイトの平均粒径は５０μｍ以上、７５μｍ以上、又は１００μｍ以上とすることが好ましい。一方、オーステナイトの平均粒径が３００μｍ超であると、－４０℃程度の低温において十分な靱性を確保することができない。そのため、鋼板中のオーステナイトの平均粒径を３００μｍ以下とする。鋼板中のオーステナイトの平均粒径は、２５０μｍ以下、又は２００μｍ以下とすることが好ましい。なお、上記オーステナイトの平均粒径の上下限値は、本実施形態に係る熱間圧延や酸硫化物等によるピン止め効果によって達成可能な値である。
　本実施形態に係る鋼板によれば、例えば、溶接によって高温に曝された場合であっても、ＨＡＺにおけるオーステナイトの平均粒径を小さくすることができる。例えば、板厚２０ｍｍ以上の鋼板の場合、その鋼板に溶接入熱量が１．７ｋＪ／ｍｍの被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ：Ｓｈｉｅｌｄｅｄ　Ｍｅｔａｌ　Ａｒｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）を行った場合でも、板厚中央部でのＦＬ（溶融線）近傍のＨＡＺのオーステナイトの平均粒径を４０～３００μｍの範囲に維持できる。更に、鋼板（母材）のオーステナイトの平均粒径によるが、上記のように、Ｍｇ、Ｃａおよび／またはＲＥＭを含有させた上で更に、鋼板中のＯとＳの質量比をＯ／Ｓ≧１．０とすることで、前記溶接後のＦＬ近傍のＨＡＺにおけるオーステナイトの平均粒径を、１５０μｍ以下、あるいは４０～１５０μｍの範囲に維持できる。この結果、本実施形態に係る鋼板を溶接して得られる溶接継手の靱性を高めることができる。また、本実施形態に係る鋼板を溶接する際に、溶接入熱を大きくするなどの高効率の溶接方法を用いることができる。
　以下、本実施形態におけるオーステナイトの平均粒径の測定方法について説明する。まず、鋼板の板厚中央部（鋼板表面から１／２Ｔ深さ（Ｔは板厚））から試料を切り出す。鋼板の圧延方向及び板厚方向に平行な断面を観察面とし、アルミナ研磨等により鏡面とした後、ナイタール溶液もしくはピクラール溶液で腐食する。腐食後の観察面の金属組織を光学顕微鏡や電子顕微鏡などにより拡大して観察することで、オーステナイトの平均粒径を得る。より具体的には、前記観察面において、１ｍｍ×１ｍｍ以上の視野を倍率１００倍程度に拡大し、ＪＩＳ　Ｚ０５５１：２０１３の附属書Ｃ．２の直線試験線による切断方法により、観察視野中に観察されるオーステナイトの結晶粒１個当たりの平均切片長さを求め、これを平均粒径とすることで、オーステナイトの平均粒径を得る。
　上記のオーステナイトの平均粒径の達成手段について以下に述べる。本実施形態は、鋼板に関するものであるので、鋼板（母材）におけるオーステナイトの結晶粒径の微細化には熱間圧延による再結晶を利用することができる。再結晶後のオーステナイトの平均粒径は、例えば下記（１）式で表わされる。下記（１）式中のＤrexは再結晶後のオーステナイトの平均粒径であり、Ｄ0は再結晶前のオーステナイトの平均粒径であり、εは熱間圧延による塑性歪みであり、ｐ及びｑは正の定数であり、ｒは負の定数である。
　Ｄrex＝ｐ×Ｄ0 q×εｒ　・・・　（１）
　上記（１）式によれば、熱間圧延時の塑性歪みをできる限り大きくして、複数回の圧延を行えば所定の結晶粒径を有するオーステナイトを得ることができる。例えば、ｐ＝５、ｑ＝０．３、ｒ＝－０．７５、初期粒径すなわち再結晶前のオーステナイトの平均粒径が６００μｍである場合、再結晶後のオーステナイトの平均粒径を３００μｍ以下とするためには、熱間圧延時の塑性歪みを０．０５６以上とする必要がある。同様の条件で、再結晶後のオーステナイトの平均粒径を１００μｍ以下とするためには、熱間圧延時の塑性歪みを０．２５以上とする必要がある。また、同様の条件で、再結晶後のオーステナイトの平均粒径を２０μｍ以上に維持するためには、熱間圧延時の塑性歪みは２．１以下とすれば良い。このように、所定の結晶粒径を有するオーステナイトを得るための、上記（１）式によって算出される熱間圧延時の塑性歪みは目安であって、実際には再結晶後のオーステナイトの粒成長や多パス圧延の効果を考慮して微調整する必要がある。
　本発明者らは、上記を含む現在までの研究により、以下に示す製造方法により、本実施形態に係る鋼板を製造できることを確認している。
（１）溶製・スラブ製造工程
　溶製およびスラブ製造工程は、特に限定する必要はない。すなわち、転炉または電気炉などによる溶製に引き続き、各種の２次精錬を行って上述した化学組成となるように調整する。次いで、通常の連続鋳造などの方法によりスラブを製造すればよい。
（２）熱間圧延工程
　上述の方法で製造されたスラブは、加熱された後、熱間圧延に供される。スラブ加熱温度は１２５０℃超～１３００℃が好ましい。スラブを１３００℃超に加熱すると、鋼板表面が酸化することによって歩留まりが低下する場合、及び、オーステナイトが粗大化し、スラブ加熱後の熱間圧延によっても容易に微細化できない場合がある。そのため、スラブ加熱温度を１３００℃以下とする。
　９００～１０００℃の温度範囲における累積圧下率は１０～８０％とする。これにより、オーステナイトの平均粒径を４０～３００μｍにできることが確認されている。
　ただし、スラブ加熱温度が１２００～１２５０℃であっても、９００～１０００℃の温度範囲における累積圧下率を１０～３０％未満、且つ後述する条件を満たすことにより、本実施形態に係る鋼板を製造できることが確認されている。
　本実施形態では、上記条件に加えて、熱間圧延時の仕上げ温度（以下、圧延仕上げ温度と記載する場合がある）を制御することも重要であることが確認されている。圧延仕上げ温度が９００℃未満であると、オーステナイトが完全に再結晶しない場合や、オーステナイトが再結晶しても、過剰に微細化され、平均粒径が４０μｍ未満となる場合がある。オーステナイトが完全に再結晶しないと、金属組織中に多くの転位や変形双晶が導入され、その後の冷却において炭化物が多量に生成する場合がある。鋼中に炭化物が多量に生成すると、鋼板の延性や靭性を低下させる。圧延仕上げ温度を９００℃以上とすることで、上記の不具合を防ぐことができる。よって、本実施形態では、圧延仕上げ温度を９００℃以上とする。
　熱間圧延後の冷却では、後述の熱処理を行う場合を除き、加速冷却を実施する。加速冷却の目的は、熱間圧延後の炭化物の生成を抑制し、鋼板の延性や靭性を高めるためである。炭化物の生成を抑制するためには、熱力学的観点及び拡散可能か否かの観点から、鋼中に炭化物が析出する温度範囲である８５０～５５０℃における滞在時間をできるだけ短くすることが必要である。
　加速冷却時の平均冷却速度は１℃／ｓ以上とする。加速冷却時の平均冷却速度が１℃／ｓ未満であると、加速冷却の効果（炭化物の生成抑制効果）が十分に得られない場合があるためである。一方、加速冷却時の冷却速度が２００℃／ｓを超えると、鋼中のオーステナイト量が減少し、鋼板の靱性及び延性が低下する場合がある。そのため、加速冷却時の平均冷却速度は２００℃／ｓ以下とする。
　熱間圧延後の加速冷却は、できる限り高温側から開始する。炭化物が実際に析出し始める温度が８５０℃未満であるため、冷却開始温度は８５０℃以上とする。冷却終了温度は、５５０℃以下とする。なお、加速冷却は、上記のような炭化物の生成抑制効果だけでなく、オーステナイトの粒成長を抑制する効果も有する。したがって、オーステナイトの粒成長を抑制するという観点からも、前述の熱間圧延と加速冷却とを組み合わせて実施する。
（３）熱処理工程
　上記の加速冷却を行わない場合、例えば、熱間圧延後に空冷によって冷却した場合には、析出した炭化物の分解のために、熱間圧延後の鋼板に熱処理を施す必要がある。このような熱処理としては溶体化処理を挙げることができる。本実施形態において、溶体化処理は、例えば、鋼板を１１００℃以上の温度に再加熱し、１０００℃以上の温度から平均冷却速度１～２００℃／ｓの加速冷却を行い、５００℃以下の温度まで冷却する。
　本実施形態に係る鋼板の板厚を特に限定する必要はないが、３～１００ｍｍとしてもよい。必要に応じて、板厚を６ｍｍ以上、又は１２ｍｍ以上としてよく、７５ｍｍ以下、又は５０ｍｍ以下としてもよい。本実施形態に係る鋼板の機械的特性を特に規定する必要はないが、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１による、降伏応力（ＹＳ）を３００Ｎ／ｍｍ２以上、引張強さ（ＴＳ）を８００Ｎ／ｍｍ２以上、および伸び（ＥＬ）を４０％以上としてもよい。必要に応じて、引張強さを９００Ｎ／ｍｍ２以上または９５０Ｎ／ｍｍ２以上としてもよく、２０００Ｎ／ｍｍ２以下または１５００Ｎ／ｍｍ２以下としてもよい。鋼板の靱性は、ＪＩＳ　Ｚ　２２４２：２００５による－４０℃での吸収エネルギーを１００Ｊ以上、２００J以上又は３００J以上としてもよい。
　以上説明した化学組成および製造条件を満たすことにより、耐摩耗性および強度、並びに靭性および延性に優れたオーステナイト系耐摩耗鋼板が得られる。本実施形態に係るオーステナイト系耐摩耗鋼板は、レールクロッシング、キャタピラーライナー、インペラーブレード、クラッシャー刃、岩石ハンマーなどの小型部材や建機、産機、土木、建築分野における耐摩耗性が必要な柱、鋼管、外板などの大型部材に好適に用いることができる。
　表１－１及び表１－２に示す化学組成を有するスラブを、表２－１及び表２－２に示す圧延条件にて熱間圧延し、表２－１及び表２－２に示す製品厚を有する鋼板とした。表２－１の実施例２は、熱間圧延後空冷し、表２－１に示す条件で熱処理（溶体化処理）を行った。得られた鋼板から採取した各試験片について、オーステナイト（γ）、εマルテンサイト（ε）およびα’マルテンサイト（α’）の体積分率、オーステナイト（γ）の平均粒径、降伏応力（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、伸び（ＥＬ）、耐摩耗性、腐食摩耗性および靱性を評価した。その結果を表２－１及び表２－２に示す。
　なお、表２－１および表２－２の各特性値の具体的な評価方法及び合否基準は、以下の通りである。
　オーステナイト、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率：
　鋼板の板厚中央部（鋼板表面から１／２Ｔ深さ（Ｔは板厚））から試料を３個切り出し、それら試料の板厚方向及び圧延方向に平行な面を観察面とし、観察面をバフ研磨等により鏡面に仕上げた後、電解研磨や化学研磨によって歪みを除去した。
　上記観察面に対して、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：リガク社製ＲＩＮＴ２５００）を用いて、面心立方構造（ｆｃｃ構造）のオーステナイトの（３１１）（２００）（２２０）面の積分強度の平均値と、稠密六方格子構造（ｈｃｐ構造）のεマルテンサイトの（０１０）（０１１）（０１２）面の積分強度の平均値と、体心立方構造（ｂｃｃ構造）のα’マルテンサイトの（２２０）（２００）（２１１）面の積分強度の平均値とから、オーステナイト、εマルテンサイトおよびα’マルテンサイトの体積分率を得た。
　ただし、α’マルテンサイトは体心正方構造（ｂｃｔ構造）となり、Ｘ線回折測定で得られる回折ピークは、結晶構造の異方性のためにダブルピークとなったため、それぞれのピークの積分強度の合計から、α’マルテンサイトの体積分率を得た。
　オーステナイトの体積分率が９０％以上の場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。オーステナイトの体積分率が９０％未満の場合を、本発明の範囲外であるとして不合格と判定した。
　オーステナイトの平均粒径：
　鋼板の板厚中央部（鋼板表面から１／２Ｔ深さ（Ｔは板厚））から試料を３個切り出し、鋼板の圧延方向及び板厚方向に平行な断面を観察面とし、アルミナ研磨等により鏡面とした後、ナイタール溶液で腐食した。前記観察面において、１ｍｍ×１ｍｍ以上の視野を倍率１００倍程度に拡大し、ＪＩＳ　Ｚ０５５１：２０１３の附属書Ｃ．２の直線試験線による切断方法により、観察視野中に観察されるオーステナイトの結晶粒１個当たりの平均切片長さを求め、これを平均粒径とした。
　加えて、溶接入熱量を約１．７ｋＪ／ｍｍとしたＳＭＡＷ（被覆アーク溶接）で、板厚中央部でのＦＬ（溶融線）近傍のＨＡＺについて、上記と同様の方法によりＨＡＺのオーステナイトの平均粒径を測定した。
　鋼板（母材）におけるオーステナイトの平均粒径が４０～３００μｍである場合、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。一方、鋼板（母材）におけるオーステナイトの平均粒径が４０～３００μｍの範囲外である場合、本発明の範囲外であるとして不合格と判定した。
　降伏応力（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）および伸び（ＥＬ）：
　鋼板の幅方向と試験片の長さ方向とが平行になるように採取した引張試験片を用いて、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１に準拠して評価した。ただし、板厚２０ｍｍ以下の引張試験片はＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１の１３Ｂ号とし、板厚２０ｍｍ超の引張試験片はＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１の４号とした。
　降伏応力（ＹＳ）が３００Ｎ／ｍｍ２以上、引張強度（ＴＳ）が８００Ｎ／ｍｍ２以上、および伸び（ＥＬ）が４０％以上の場合を、強度および延性に優れるとして合格と判定した。上記条件のうち１つでも満たさない場合を、不合格と判定した。
　耐摩耗性：
　摩耗材としてけい砂（ＪＩＳ　Ｇ５９０１：２０１６の５号）と水の混合物（混合比はけい砂２：水１）を用いた場合のスクラッチング摩耗試験（周速度３．７ｍ／ｓｅｃ、５０時間）の摩耗減量を、普通鋼（ＪＩＳ　Ｇ３１０１：２０１５のＳＳ４００）を基準として評価した。表２－１及び表２－２の対普通鋼の摩耗量比率は、各鋼の摩耗減量を普通鋼の摩耗減量で除して求めた。ただし、板厚が１５ｍｍ超の場合、板厚１５ｍｍに減厚した試験片を用いた。
　対普通鋼の摩耗量比率が０．１０未満である場合を、耐摩耗性に優れるとして合格と判定した。一方、耐普通鋼の摩耗量比率が０．１０以上である場合を、耐摩耗性に劣るとして不合格と判定した。
　腐食摩耗性：
　腐食摩耗性の評価には摩耗材としてけい砂（平均粒径１２μｍ）と海水の混合物（混合比はけい砂３０％、海水７０％）を用いたスクラッチング摩耗試験（周速度３．７ｍ／ｓｅｃ、１００時間）の摩耗減量を、普通鋼（ＪＩＳ　Ｇ３１０１：２０１５のＳＳ４００）を基準として評価した。表２－１及び表２－２の対普通鋼の腐食摩耗量比率は、各鋼の腐食摩耗減量を普通鋼の腐食摩耗減量で除して求めた。ただし、板厚が１５ｍｍ超の場合、板厚１５ｍｍに減厚した試験片を用いた。
　本発明の好ましい実施形態における、対普通鋼の腐食摩耗量比率の目標値は０．８０以下とした。
　靭性：
　鋼板（母材）の靭性は、鋼板の１／４Ｔ（Ｔは板厚）の位置から圧延方向と平行に試験片を採取し、幅方向に亀裂が伝播するような方向にノッチを入れたＪＩＳ　Ｚ　２２４２：２００５のＶノッチ試験片を用いて、ＪＩＳ　Ｚ　２２４２：２００５に準拠して、－４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃（Ｊ））を評価した。
　加えて、溶接入熱量を約１．７ｋＪ／ｍｍ（ただし、板厚９ｍｍは０．６ｋＪ／ｍｍ、板厚１５ｍｍは１．２ｋＪ／ｍｍとした。）としたＳＭＡＷ（被覆アーク溶接）で、板厚中央部でのＦＬ（溶融線）近傍のＨＡＺがノッチ位置となるシャルピー試験片を用いて、上記と同様の条件により、－４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃（Ｊ））を評価した。
　鋼板（母材）の－４０℃での吸収エネルギーが３００Ｊ以上の場合を、靱性に優れるとして合格と判定した。鋼板（母材）の－４０℃での吸収エネルギーが３００Ｊ未満の場合を、靱性に劣るとして不合格と判定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004

Claims (6)

  1. 　化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．８０％超～１．６０％、
    Ｓｉ：０．０１～２．００％、
    Ｍｎ：５．０～３０．０％、
    Ｐ：０．０５０％以下、
    Ｓ：０．０１００％以下、
    Ｃｕ：０～３．０％、
    Ｎｉ：０～３．０％、
    Ｃｏ：０～３．０％、
    Ｃｒ：０～５．０％、
    Ｍｏ：０～２．０％、
    Ｗ：０～２．０％、
    Ｎｂ：０～０．３０％、
    Ｖ：０～０．３０％、
    Ｔｉ：０～０．３０％、
    Ｚｒ：０～０．３０％、
    Ｔａ：０～０．３０％、
    Ｂ：０～０．３００％、
    Ａｌ：０．００１～０．３００％、
    Ｎ：０～１．０００％、
    Ｏ：０～０．０１００％、
    Ｍｇ：０～０．０１００％、
    Ｃａ：０～０．０１００％、
    ＲＥＭ：０～０．０１００％、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    　前記Ｃおよび前記Ｍｎの質量％での含有量をそれぞれＣ、およびＭｎと表したとき、－２０×Ｃ＋３０＜Ｍｎ≦－２０×Ｃ＋４５を満たし、
    　金属組織が、体積分率で、
    　オーステナイト：９０～１００％であり、
    　前記オーステナイトの平均粒径が４０～３００μｍであることを特徴とする、オーステナイト系耐摩耗鋼板。
  2. 　前記化学組成が、下記式を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板。
    　－Ｃ＋０．８×Ｓｉ－０．２×Ｍｎ－９０×（Ｐ＋Ｓ）＋１．５×（Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｏ）＋３．３×Ｃｒ＋９×Ｍｏ＋４．５×Ｗ＋０．８×Ａｌ＋６×Ｎ＋１．５≧３．２
    　前記式中の各元素記号はそれぞれの元素の質量％での含有量を示す。
  3. 　前記金属組織が、体積分率で、
    　εマルテンサイト：０～１０％、
    　α’マルテンサイト：０～１０％、
    　前記εマルテンサイトおよび前記α’マルテンサイトの合計：０～１０％
    であることを特徴とする、請求項１または２に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板。
  4. 　前記化学組成が、質量％で、
    Ｏ：０．０００１～０．０１００％、
    Ｍｇ含有量、Ｃａ含有量およびＲＥＭ含有量の合計：０．０００１～０．０１００％
    　であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板。
  5. 　前記化学組成が、質量％で、
    Ｓ：０．０００１～０．００５０％であり、
    　ＯおよびＳの質量％での含有量がＯ／Ｓ≧１．０を満たすことを特徴とする、請求項４に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板。
  6. 　前記化学組成が、質量％で、
    Ｃｕ：０～０．２％
    　であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のオーステナイト系耐摩耗鋼板。
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