発明の名称 低温靱性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法 発行国 日本国特許庁（ＪＰ） 公報種別 公開特許公報（Ａ） 公開番号 特開平８−４１５３５ 公開日 平成８年（１９９６）２月１３日 出願番号 特願平６−１７８４３６ 出願日 平成６年（１９９４）７月２９日 代理人 【弁理士】 【氏名又は名称】大関 和夫 発明者 岡村 義弘 / 徳納 一成 要約 目的 耐焼戻し軟化性と低温靱性を有するブリネル硬さＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼の製法を提供する。 構成 Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％を基本成分として含有し、必要に応じてＣｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃａの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を１０００〜１２５０℃に加熱し、熱間圧延した後、Ａ3 変態点以上の温度から１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却する焼入れ処理を行い、続いて１５０℃以上４５０℃以下の温度で焼戻し処理する。 特許請求の範囲 【請求項１】 重量％でＣ ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｐ ：０．０１０％以下、Ｓ ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ ：０．０００５〜０．００３０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ ：０．００１０〜０．００６０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１２５０℃に加熱し、熱間圧延した後、Ａ3 変態点以上の温度から１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却する焼入れ処理を行い、続いて１５０℃以上４５０℃以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする低温靱性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法。 【請求項２】 重量％でＣ ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｐ ：０．０１０％以下、Ｓ ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ ：０．０００５〜０．００３０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ ：０．００１０〜０．００６０％を含有し、さらにＣｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｖ ：０．０１〜０．１０％からなる硬度改善元素群、または介在物形態制御作用のあるＣａ：０．０００５〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１２５０℃に加熱し、熱間圧延した後、Ａ3 変態点以上の温度から１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却する焼入れ処理を行い、続いて１５０℃以上４５０℃以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする低温靱性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法。 発明の詳細な説明 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は土木作業用の機械設備などに使用される耐摩耗鋼に関し、鉱石や土砂などによる摩擦熱による耐焼戻し軟化性を有し、かつ低温靱性に優れたブリネル硬さＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼の製造方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年ブルドーザーやパワーシャベルなどの建設機械、クラッシャーやシュートなどの鉱山設備および大型ダンプトラックの荷台などの高性能化、軽量化が進み、その摩耗を受ける部分には耐用期間の延長のため耐摩耗鋼が使用されている。最近、さらに耐用年数の延長を図るため、より高硬度化の傾向にある。しかしながら、高硬度化は反面靱性が低下するため、衝撃が加えられた場合に割れを生じ、このため高硬度化には限界があり、より安全性の確保が重要課題である。 【０００３】従って、これらに使用される鋼材は、高硬度に加え、安全性の面から高靱性が要求されており、さらに岩盤地帯などでの岩石塊との重切削摩耗により鋼材表面が焼戻しされて耐摩耗性が著しく低下するため、耐焼戻し軟化性を具備することが望まれている。一般に、これらの用途に使用される耐摩耗鋼は、通常、焼入れまま、または焼入れ・焼戻し熱処理によって製造されているが、耐用期間を延長する目的から高硬度化の傾向にある。 【０００４】かかる用途に使用される従来例としては、特開昭６３−８３２２５号公報「高硬度鋼板の製造方法」において、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２０〜１．５０％、Ｍｎ：０．５０〜２．５０％、Ｃｒ：０．６０〜１．８０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０８０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．００１０〜０．００６０％を含む鋼が提案されており、低コスト化のため直接焼入れ法を採用し、またＢの焼入れ性向上効果を活用し、焼入れままで製造されている。しかしながら、このものはＨＢ５００以下の硬さの内容のものであり、かつ焼入れままのため靱性が不十分で、さらに使用中における摩擦熱による耐焼戻し軟化性に対して硬度の低下が懸念される。 【０００５】また、特公昭６４−１０５６４号公報「耐摩耗鋼の製造方法」においては、Ｃ：０．０５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１〜０．８８％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００５％以下、Ｈ：０．０００２％以下を含み、焼入れ冷却時の冷却停止温度を１５０〜３００℃とすることにより、内部健全性などに優れた鋼の製造方法が提案されている。しかしながら、このものはＨＢ４５０以下の耐摩耗鋼であり、それ以上の高硬度を得ようとすると焼入れ冷却停止温度を１５０〜３００℃とした時に、所定の板厚範囲にわたって十分安定した硬さと靱性を得るのは困難である。 【０００６】また、特公平１−２１８４６号公報「耐遅れ破壊性の優れた耐摩耗性鋼板の製造方法」においては、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ０．０５〜０．３０％、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０３〜０．８５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１０〜０．１５％、Ｂ：０．０００３〜０．００２５％を含む鋼が提案されており、低Ｍｎ化により遅れ破壊特性を改善することを主眼としている。しかしながら、このものは、焼入れままではＨＢ５００以上の硬さが得られるが、４００℃の焼戻しではＨＢ４５０以下の硬さに軟化し、さらに靱性値も焼入れまま材と同等か、もしくはそれ以下に低下しており、安全性が不十分である。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】上記従来例のものは、いずれも高硬度が得られるものの、ＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼においては、靱性面の配慮がなされておらず、また、特に鉱山設備機械においては、岩石塊と鋼材との切削摩耗により表面が焼戻しされることから、焼入れままで高硬度が確保されていても、使用中において軟化して耐摩耗性が著しく低下するおそれがあり、本来の目的である耐用年数の延長がはかれない等の問題があった。 【０００８】本発明は、上記課題を解決した、低温靱性に優れたＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼の製造方法を提供することを目的とするものである。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、低温靱性および耐焼戻し軟化性に優れたＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼を開発することを目的に、鋼および製造方法について種々実験した結果、ＨＢ５００以上の高硬度材で靱性を得るには細粒化が重要であるが、さらに焼入れまま材では高靱性が得られず、低温焼戻しが必要であること、またこの焼戻し処理においては焼戻し脆化と焼戻し軟化を抑制する必要があることを知見した。それにはＳｉとＮｂを組合わせ添加することで、焼戻し脆化と焼戻し軟化を同時に抑制でき、目的の鋼が製造できることを見出した。 【００１０】本発明は、このような知見に基づいて構成したもので、その要旨とするところは、重量％でＣ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、ｓｏｌＡｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片、あるいは上記成分組成にさらにＣｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｖ：０．０１〜０．１０％の硬度改善元素群、または介在物形態制御作用のあるＣａ：０．０００５〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１２５０℃に加熱し、熱間圧延した後、Ａ3変態点以上の温度から１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で１００℃以下の温度まで冷却する焼入れ処理を行い、続いて１５０℃以上４５０℃以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする低温靱性に優れた高硬度耐摩耗鋼の製造方法にある。 【００１１】 【作用】以下に本発明を詳細に説明する。まず、本発明において鋼の成分組成を上記のように限定した理由を述べる。 Ｃ：Ｃは耐摩耗性の支配因子である硬さを確保するために０．３０％以上が必要である。しかし、０．５０％を超えると溶接性および焼割れが生じ易くなる。従って、Ｃ含有量を０．３０〜０．５０％とした。 【００１２】Ｓｉ：Ｓｉは焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。図１は、０．４０％Ｃ−０．４８％Ｍｎ−０．７５％Ｃｒ−０．２８％Ｍｏ−０．０１２％Ｔｉ−０．０２５％Ｎｂ−０．００１２％Ｂ系にＳｉ量を変化させ、８５０℃再加熱焼入れ処理し、その後４００℃焼戻し処理した時の表面硬さおよび靱性の変化を調査した結果である。Ｓｉが０．４０％未満では目的の硬さＨＢ５００以上が得られず、また１．５０％を超えると靱性が低下する。従って、Ｓｉの含有量を０．４０〜１．５０％とした。 【００１３】Ｍｎ：Ｍｎは焼入れ性の確保と靱性向上を図るために０．４０％以上必要であるが、１．５０％を超えると靱性の低下および焼割れ発生のおそれがある。従って、Ｍｎの含有量を０．４０〜１．５０％とした。 Ｐ、Ｓ：Ｐ、Ｓはいずれも本発明の特性である低温靱性を低下させる有害な不純物元素であり、特に粒界強度を改善するためにはできるだけ低く抑えることが望ましい。従って、Ｐ≦０．０１０％、Ｓ≦０．００５％とした。 【００１４】Ｃｒ：Ｃｒは安価に焼入れ性を向上できる主要な元素であるが、０．１０％未満ではその効果が小さく、１．５０％を超えると靱性に有害である。従って、Ｃｒの含有量を０．１０〜１．５０％とした。 Ｍｏ：Ｍｏは焼入れ性および靱性改善に効果があり、特に粒界強化元素として有効であるが、０．０５％未満ではその効果が期待できず、１．００％を超えると硬度および靱性改善効果が飽和する。従って、Ｍｏの含有量を経済性と効果の点から０．０５〜１．００％とした。 【００１５】Ｔｉ：ＴｉはＢ添加時にフリーＮを固定し、焼入れ性に有効な固溶Ｂ量を確保するとともに、オーステナイト粒径を微細化させるために０．００５％以上の添加が必要である。しかしながら、Ｔｉが０．０５０％を超えると著しく靱性が低下する。従って、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．０５０％とした。 Ｎｂ：Ｎｂはオーステナイト粒径を微細化させ、靱性改善に有効である。特にＳｉとの相乗作用により、焼戻しおよび使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させ、かつ靱性の低下を抑制する効果がある。図２は、０．４０％Ｃ−０．６０％Ｓｉ−０．４８％Ｍｎ−０．７５％Ｃｒ−０．２８％Ｍｏ−０．０１２％Ｔｉ−０．００１２％Ｂ系鋼と、この系に０．０２５％Ｎｂを添加した鋼について８５０℃焼入れ処理した後、１５０〜４５０℃に焼戻し処理した時の表面硬さと靱性の関係について調査した結果であり、Ｓｉ＋Ｎｂ添加系鋼はＳｉ添加系鋼に比べ高靱性が得られることが分かる。Ｎｂが０．００５％未満ではその効果がなく、また０．０５０％を超えると靱性が低下する。従って、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．０５０％とした。 【００１６】Ｂ：Ｂは焼入れ性を著しく高め、硬度および靱性向上に有効であるが、０．０００５％未満ではその効果が小さく、０．００３０％を超えるとＢ化合物の析出による焼入れ性の低下により靱性低下をもたらす。従って、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００３０％とした。 Ｎ：ＮはＴｉと結合してＴｉＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を防止するために必要であるが、０．００１０％未満ではその効果が小さく、また０．００６０％を超えると靱性が低下する。従って、Ｎの含有量を０．００１０〜０．００６０％とした。 【００１７】ｓｏｌ．Ａｌ：ｓｏｌ．Ａｌは脱酸上０．０１％以上の添加が必要であるが、０．１０％を超えると非金属介在物が増加するため靱性が低下するおそれがある。従って、ｓｏｌ．Ａｌの含有量を０．０１〜０．１０％とした。 さらに、本発明では上記基本成分の他に、Ｃｕ、Ｎｉ、ＶおよびＣａの１種または２種以上添加することができる。 【００１８】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ成分は鋼の硬さを向上させるという均等的作用をもつもので、厚手材に対して有効であり、所望の効果を確保するためには、それぞれ含有下限量をＣｕ：０．０５％、Ｎｉ：０．０５％、Ｖ：０．０１％とする必要がある。しかし、それぞれＣｕ：１．０％、Ｎｉ：１．５％、Ｖ：０．１０％を超えて含有させると硬さの上昇の割には靱性が低下するおそれがある。 【００１９】Ｃａ：Ｃａは硫化物系介在物の形態制御に効果があり、靱性向上、特に方向性改善効果が顕著であるが、０．０００５％未満ではその効果がなく、０．００５０％を超えると鋼の清浄性を損ない靱性低下をもたらす。 次に本発明のもう一つの骨子である製造方法について述べる。上記のような鋼成分組成であっても耐焼戻し軟化性と低温靱性およびＨＢ５００以上の高硬度鋼を得るためには、製造方法が適切でなければならない。ここで、鋼片の加熱、圧延条件および焼入れ、焼戻し条件の限定理由について説明する。 【００２０】まず上記成分組成の鋼片を、１０００〜１２５０℃に加熱後、熱間圧延し、一旦冷却した後、再びＡｃ3 変態点以上の温度に加熱して、Ａｒ3 変態点以上から焼入れ処理するか、または１０００〜１２５０℃に加熱後、熱間圧延し、直ちにＡｒ3 変態点以上の温度から焼入れ処理する必要がある。加熱温度の下限を１０００に限定したのは、圧延後Ａｒ3 変態点以上からの直接焼入れの温度を確保するためには１０００℃以上とする必要があるからであり、一方、上限は結晶粒粗大化防止の点から１２５０℃とする必要があり、従って加熱温度範囲を１０００〜１２５０℃と限定した。 【００２１】また、熱間圧延された鋼は、Ａｒ3 変態点以上から直接焼入れ処理するか、あるいは、熱間圧延後一旦冷却し、再びＡｃ3 変態点以上の温度に加熱して焼入れ処理する必要がある。これはオーステナイト状態からの焼入れによって完全マルテンサイト組織を得るためである。Ａｒ3 変態点未満およびＡｃ3 変態点未満からの焼入れでは十分に焼きが入らず、焼入れ硬さが低下し、焼戻し後において目的の高硬度および靱性の高いミクロ組織は得られない。 【００２２】また、焼入れ冷却速度は板厚中心まで十分に焼きが入り、完全なマルテンサイト組織が得られる１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度とする必要があり、これを外れると十分に焼きが入らず、焼戻し後において目的の高硬度および靱性の高いミクロ組織は得られない。次に、冷却停止温度は高すぎると残留オーステナイトが生成し、十分な焼入れ硬さを得ることができず、その結果、焼戻し後の硬度が低下するおそれがある。従って、冷却停止温度を１００℃以下に限定した。 【００２３】次に、焼入れ処理された鋼板は、その後１５０℃以上４５０℃以下の温度で焼戻し処理する必要がある。図３は、後述する表１の鋼Ａについて８５０℃再焼入れ処理した後、焼戻し温度１００〜５００℃の範囲に焼戻し処理した時の表面硬さと靱性について調査した結果である。焼戻し温度が１５０℃未満では、ＨＢ５００以上の高硬度を得ることができるが、高靱性が得られない。また、焼戻し温度が４５０℃を超えると硬さが低下し、耐摩耗性が低下する。従って、焼戻し温度を１５０℃以上４５０℃以下に限定した。 【００２４】このような製造工程で得られた鋼は、細粒の焼戻しマルテンサイト組織となり、高硬度で高靱性が得られ、かつ使用中における焼戻し軟化が抑制され、耐摩耗性が改善される。 【００２５】 【実施例】表１、表２（表１のつづき−１）、表３（表１のつづき−２）および表４（表１のつづき−３）に示す組成を有する鋼を溶製して得た鋼片を、表５に示す本発明法と比較法の各々の製造条件に基づいて、板厚１５〜４０ｍｍの鋼板に製造した。 【００２６】これらについて、母材のブリネル硬さ試験による表面硬さ、２ｍｍＶノッチシャルピー試験による靱性、引掻き摩耗試験による硬さ変化（耐焼戻し軟化性）を調査した。なお、引掻き摩耗試験は、試験鋼板表面に接触させた矩形の圧子を面圧１００ｋｇ／ｃｍ2 、摩耗（摩擦）速度１．０ｍ／ｓｅｃ以上の条件で移動させた後、表面硬さを測定した。 【００２７】これら表１〜表４の化学組成を有する鋼と表５で示す製造条件とによって得られた母材の表面硬さ、靱性、および引掻き摩耗後の表面硬さの試験結果を表６に示す。 【００２８】 【表１】 【００２９】 【表２】 【００３０】 【表３】 【００３１】 【表４】 【００３２】 【表５】 【００３３】 【表６】 【００３４】本発明例（本発明鋼と本発明法とを組合わせた１−Ａ〜１２−Ｌ）においては、母材の表面硬さはＨＢ５００以上と十分に高く、また本発明の特徴である低温靱性も高い値を示し、さらに引掻き摩耗後の表面硬さもＨＢ５００以上が確保され、耐焼戻し軟化性にも優れている。これに対し、本発明法であっても本発明により限定された化学組成範囲を逸脱した比較鋼（Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ）と組合わせた比較例においては、比較例１３−ＭではＳｉ量、比較例１４−ＮではＣ量がそれぞれ低く、表面硬さがＨＢ５００以下に低下している。比較例１５−ＯではＭｏが添加されておらず、靱性が低下している。比較例１６−ＰではＮｂが添加されておらず、細粒化が不十分となり、靱性が低下している。比較例１７−ＱではＢが添加されておらず、焼入れ性が低下し、表面硬さおよび靱性が低下している。 【００３５】次に、本発明鋼であっても本発明法の範囲を逸脱した比較法（１８〜２４）と組合わせた比較例においては、比較例１８−Ａは鋼片の加熱温度が低いため、直接焼入れにおいてＡｒ3 点温度が十分確保できず、焼入れ不足となり、表面硬さおよび靱性が低下している。比較例１９−Ａは鋼片加熱温度が高く、オーステナイト粒が粗大化し、靱性が低下している。比較例２０−Ａは再加熱焼入れ温度がＡｃ3 変態点より低いため焼入れ不足となり、表面硬さおよび靱性が低下している。比較例２１−Ａは焼入れ処理の冷却速度が小さいため、十分に焼きが入らず、表面硬さおよび靱性が不十分である。比較例２２−Ｆは、焼入れ処理時の冷却停止温度が高いために残留オーステナイトが生成し、十分な焼入れ硬さを得ることができず、表面硬さおよび靱性が不十分である。比較例２３−Ｆは、焼戻し処理が施されておらず、靱性が不十分である。比較例２３−Ｆは、焼戻し温度が高いために表面硬さが低下している。 【００３６】 【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本発明の成分範囲および製造方法により、表面硬さおよび靱性、かつ使用中における焼戻し軟化が抑制できるＨＢ５００以上の高硬度耐摩耗鋼の製造が可能となった。その結果、耐摩耗性が著しく改善され、産業上の効果が極めて顕著である。