JP7667404B2 - 耐摩耗鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗鋼に関するものである。

耐摩耗鋼は、表層近傍の硬さが要求されるため、焼入れ性を高める元素を含有する。Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは、焼入れ性を高める元素である。従来からＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどを含有する耐摩耗鋼が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献４、参照）。

特開平１０－２０４５７５号公報 特開平１０－１０２１８５号公報 特開昭５９－１２９７２４号公報 特開昭５９－７０７２１号公報

特許文献１及び特許文献２の耐摩耗鋼は、１．０質量％以上のＭｏを含有する。特許文献３及び特許文献４の耐摩耗鋼は、２．０質量％以上のＮｉを含有する。Ｎｉ及びＭｏは高価な元素であり、合金コストの観点から、削減が望まれる。本発明の課題は、このような実情に鑑み、Ｎｉ、Ｍｏなどの高価な元素の使用を抑制しつつ、耐摩耗性及び低温靭性に優れた耐摩耗鋼を提供することである。

本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１） 化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．０８％以上、０．２０％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下、
Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ｃｒ：２．００％以上、８．００％以下、
Ｎ：０．００８％以下、
Ｃｕ：０％以上、０．５０％以下、
Ｎｉ：０％以上、０．５０％以下、
Ｍｏ：０％以上、０．５０％以下、
Ｖ：０％以上、０．５００％以下、
Ｂ：０％以上、０．００５０％以下、
Ａｌ：０％以上、０．３００％以下、
Ｔｉ：０％以上、０．１００％以下、
Ｎｂ：０％以上、０．１００％以下、
Ｃａ：０％以上、０．０１００％以下、
Ｍｇ：０％以上、０．０１００％以下、
ＲＥＭ：０％以上、０．０１００％以下、
残部：Ｆｅ及び不純物
からなり、
厚さ方向の断面において、金属組織に含まれるセメンタイトが、面積％で、０％以上、０．５％以下であり、前記セメンタイトの平均円相当直径が５００ｎｍ以下であり、
４００μｍ×４００μｍの領域において、１５°以上の高角粒界で囲まれた結晶粒のうち、粒径が大きい順に１０個の結晶粒の平均粒径が４０μｍ以下であり、
表面硬さが３６０ＨＶ１０以上であり、
－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上である、耐摩耗鋼。
（２） 厚さ方向の中央部における硬さが３６０ＨＶ１０以上である、上記（１）に記載の耐摩耗鋼。

本発明によれば、Ｎｉ、Ｍｏなどの高価な元素の使用を抑制しつつ、耐摩耗性及び低温靭性に優れた耐摩耗鋼が提供される。耐摩耗鋼の合金コストが削減されたことにより、安価な耐摩耗鋼の提供が可能になる。したがって、本発明は産業上の貢献が極めて顕著である。

以下、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」と称する。）に係る耐摩耗鋼として、主に鋼板について説明する。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階的な数値範囲の上限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値に置き換えてもよく、ある段階的な数値範囲の下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の下限値に置き換えてもよい。上限値又は下限値を実施例に示されている値に置き換えてもよい。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
まず、本発明を完成するに至った本発明者らの検討結果、得られた新たな知見について詳述する。

Ｃｒは、Ｎｉ及びＭｏに比べて安価な元素である。Ｎｉ及びＭｏの含有量の抑制及びＣｒ含有量の増加により、耐摩耗鋼のコストの削減が可能である。本発明者らの検討の結果、Ｎｉ、Ｍｏを意図的に含有させない、あるいはＮｉ、Ｍｏの含有量をそれぞれ０．５０％以下に抑えた場合の省合金型耐摩耗鋼に必要とされるＣｒ含有量は、２．００％以上であるという知見が得られた。
一方、耐摩耗鋼の表面硬さを確保するために、Ｃ含有量を増加させることが好ましいが、靭性が低下するという問題が生じた。

本発明者らは、セメンタイトの析出及び粗大化の抑制によって、耐摩耗鋼の表面硬さと靭性との両立に成功した。本発明者らの検討の結果、Ｃ含有量及び焼入れの停止温度の制限によって、セメンタイトの析出及び粗大化が抑制され、靭性が確保されることがわかった。具体的には、セメンタイトの析出及び粗大化は、Ｃ含有量を０．２０％以下、焼入れの停止温度を２００℃以下にすれば効果的に抑制できることがわかった。セメンタイトの面積率が０．５％以下、かつ平均円相当直径が５００ｎｍ以下であり、表面硬さがビッカース硬さで３６０ＨＶ１０以上である場合、マルテンサイト及び下部ベイナイトの一方又は両方の面積率の合計は、９５％以上であることがわかった。

＜化学成分＞
次に、本実施形態に係る鋼板の化学成分を構成する合金元素について説明する。以下の合金元素の説明において、含有量の「％」は、「質量％」を意味する。

［Ｃ：０．０８％以上、０．２０％以下］
Ｃ（炭素）は、鋼の焼入れ性を高め、硬度を上昇させる元素である。Ｃ含有量は、硬度の確保という観点から、０．０８％以上である。Ｃ含有量は、好ましくは０．１０％以上である。一方、Ｃは、セメンタイトを生成する元素である。Ｃ含有量は、靭性の確保という観点から０．２０％以下である。Ｃ含有量は、好ましくは０．１８％以下であり、より好ましくは０．１５％以下である。

［Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下］
Ｓｉ（ケイ素）は、脱酸元素である。Ｓｉ含有量は、脱酸の効果を得るという観点から、０．０１％以上である。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１０％以上である。一方、Ｓｉ含有量は、靭性の確保という観点から０．５０％以下である。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．４０％以下であり、より好ましくは０．３０％以下である。

［Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下］
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の焼入れ性を高める元素である。Ｍｎ含有量は、硬度の確保という観点から、０．１０％以上である。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．５０％以上であり、より好ましくは０．８０％以上であり、更に好ましくは１．００％以上である。一方、Ｍｎは、鋼の結晶粒界を脆化させる元素である。Ｍｎ含有量は、靭性の確保という観点から、２．００％以下である。Ｍｎ含有量は、好ましくは１．８０％以下であり、より好ましくは１．６０％以下である。

［Ｐ：０．０１５％以下］
Ｐ（リン）は、製造工程において、鋼に混入する元素である。Ｐ含有量は、靭性の確保という観点から、０．０１５％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０１２％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。Ｐ含有量は、低減させることが好ましく、下限は限定されないが、製造コストの観点から、０％超であってよい。Ｐ含有量は、０．００１％以上であってもよい。

［Ｓ：０．０３００％以下］
Ｓ（硫黄）は、製造工程において、鋼に混入する元素である。Ｓ含有量は、靭性の確保という観点から、０．０３００％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．００５０％以下であり、より好ましくは０．００３０％以下である。Ｓ含有量は、低減させることが好ましく、下限は限定されないが、製造コストの観点から、０％超であってよい。Ｓ含有量は、０．０００１％以上であってもよい。

［Ｃｒ：２．００％以上、８．００％以下］
Ｃｒ（クロム）は、鋼の焼入れ性を高める元素である。Ｃｒは、Ｎｉ、Ｍｏなどの高価な元素の含有量を抑えて、耐摩耗鋼の硬度及び靭性を確保するという観点から重要な元素である。Ｃｒ含有量は、焼入れ性の確保という観点から、２．００％以上である。Ｃｒ含有量は、好ましくは２．１０％以上であり、より好ましくは２．４０％以上である。一方、Ｃｒ含有量は、コストの観点から、８．００％以下であり、７．５０％以下であってもよい。Ｃｒ含有量は、好ましくは５．００％以下であり、より好ましくは３．００％以下である。

［Ｎ：０．００８０％以下］
Ｎ（窒素）は、製造工程において、鋼に混入する元素である。Ｎ含有量は、靭性の確保という観点から、０．００８０％以下である。Ｎ含有量は、好ましくは０．００７０％以下であり、より好ましくは０．００６０％以下である。Ｎ含有量は、低減させることが好ましく、下限は限定されないが、製造コストの観点から、０％超であってよい。ＡｌやＴｉを含有させる場合、Ｎと結合して、ＡｌＮ、ＴｉＮなどの微細な窒化物が形成される。Ｎ含有量は、窒化物による金属組織の微細化という観点から、好ましくは０．００１０％以上であり、より好ましくは０．００２０％以上である。

本実施形態に係る耐摩耗鋼は、製造コストを過剰に上昇させずに焼入れ性を高めるため、必要に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＢの１種又は２種以上を下記の範囲内で含有させてもよい。

［Ｃｕ：０％以上、０．５０％以下］
Ｃｕ（銅）は、鋼の焼入性を高める元素である。Ｃｕ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を確実に得るために、Ｃｕ含有量は、好ましくは０．０１％以上であり、より好ましくは０．０３％以上である。一方、Ｃｕ含有量は、コストの観点から、０．５０％以下である。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．３０％以下であり、より好ましくは０．１０％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下である。

［Ｎｉ：０％以上、０．５０％以下］
Ｎｉ（ニッケル）は、鋼の焼入性を高める元素である。Ｎｉ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｎｉ含有量は、好ましくは０．０１％以上であり、より好ましくは０．０３％以上である。一方、Ｎｉ含有量は、コストの観点から、０．５０％以下である。Ｎｉ含有量は、好ましくは０．３０％以下であり、より好ましくは０．１０％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下である。

［Ｍｏ：０％以上、０．５０％以下］
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の焼入性を高める元素である。Ｍｏ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｍｏ含有量は、好ましくは０．０１％以上であり、より好ましくは０．０３％以上である。一方、Ｍｏ含有量は、コストの観点から、０．５０％以下である。好ましくは０．３０％以下であり、より好ましくは０．１０％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下である。

［Ｖ：０％以上、０．５００％以下］
Ｖ（バナジウム）は、炭化物や窒化物などの析出物を形成する元素であり、焼入れ性を高める効果を有する。Ｖ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｖ含有量は、好ましくは０．００３％以上であり、より好ましくは０．００５％以上である。一方、Ｖ含有量は、コストの観点から、０．５００％以下である。好ましくは０．３００％以下であり、より好ましくは０．１００％以下であり、更に好ましくは０．０５０％以下である。

［Ｂ：０％以上、０．００５０％以下］
Ｂ（ホウ素）は、微量であっても鋼の焼入性を顕著に高める元素である。Ｂ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｂ含有量は、好ましくは０．０００３％以上であり、より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．０００８％以上である。一方、Ｂを過剰に含有させても効果が飽和するので、Ｂ含有量は、０．００５０％以下である。Ｂ含有量は、好ましくは０．００４５％以下であり、より好ましくは０．００４０％以下である。

本実施形態に係る耐摩耗鋼は、必要に応じて、炭化物、窒化物、酸化物、硫化物などの化合物を形成するＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭの１種又は２種以上を含有させてもよい。

［Ａｌ：０％以上、０．３００％以下］
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸元素であり、窒化物を形成する元素でもある。Ａｌ含有量の下限は限定されず０％でもよい。脱酸の効果を得るために、Ａｌ含有量は、好ましくは０．００５％以上である。ＡｌＮによる金属組織の微細化という観点から、Ａｌ含有量は、より好ましくは０．０１０％以上である。一方、粗大な介在物の生成の抑制という観点から、Ａｌ含有量は０．３００％以下である。Ａｌ含有量は、好ましくは０．１００％以下であり、より好ましくは０．０７０％以下である。

［Ｔｉ：０％以上、０．１００％以下］
Ｔｉ（チタン）は、脱酸元素であり、窒化物を形成する元素でもある。また、Ｔｉは、鋼にＢが含まれる場合、ＢＮの形成を抑制して焼入れ性を高めるために利用される。Ｔｉ含有量の下限は限定されず０％でもよい。脱酸の効果を得るために、Ｔｉ含有量は、好ましくは０．００３％以上である。ＴｉＮによる金属組織の微細化という観点から、Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．００５％以上であり、更に好ましくは０．０１０％以上である。一方、粗大な介在物の生成の抑制という観点から、Ｔｉ含有量は０．１００％以下である。Ｔｉ含有量は、より好ましくは、０．０５０％以下であり、更に好ましくは０．０３０％以下である。

［Ｎｂ：０％以上、０．１００％以下］
Ｎｂ（ニオブ）は、炭化物や窒化物などの析出物を形成する元素である。Ｎｂ含有量の下限は限定されず０％でもよい。析出物による金属組織の微細化という観点から、Ｎｂ含有量は、好ましくは０．００３％以上であり、より好ましくは０．００５％以上であり、更に好ましくは０．０１０％以上である。一方、Ｎｂを過剰に含有させても効果が飽和するので、Ｎｂ含有量は０．１００％以下である。Ｎｂ含有量は、好ましくは０．０５０％以下であり、更に好ましくは０．０３０％以下である。

［Ｃａ：０％以上、０．０１００％以下］
Ｃａ（カルシウム）は、酸化物や硫化物を形成し、介在物の形態を制御する元素である。Ｃａ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｃａ含有量は、好ましくは０．０００３％以上である。Ｃａ含有量は、より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．００１０％以上である。一方、粗大な介在物の生成の抑制という観点から、Ｃａ含有量は０．０１００％以下である。Ｃａ含有量は、好ましくは０．００８０％以下であり、より好ましくは０．００６０％以下である。

［Ｍｇ：０％以上、０．０１００％以下］
Ｍｇ（マグネシウム）は、酸化物や硫化物を形成し、介在物の形態を制御する元素である。Ｍｇ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｍｇ含有量は、好ましくは０．０００３％以上であり、より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．００１０％以上である。一方、コストの観点から、Ｍｇ含有量は０．０１００％以下である。Ｍｇ含有量は、好ましくは０．００８０％以下であり、より好ましくは０．００６０％以下である。

［ＲＥＭ：０％以上、０．０１００％以下］
ＲＥＭ（希土類元素）とは、Ｓｃ、Ｙの２元素と、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄなどのランタノイド１５元素との合計１７元素の総称を意味する。ＲＥＭ含有量とは、前記１７元素の合計含有量を意味する。
ＲＥＭは、酸化物や硫化物を形成し、介在物の形態を制御する元素である。ＲＥＭ含有量の下限は限定されず０％でもよい。効果を得るために、Ｍｇ含有量は、好ましくは０．０００３％以上であり、より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．００１０％以上である。一方、コストの観点から、ＲＥＭ含有量は０．０１００％以下である。ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．００８０％以下であり、より好ましくは０．００６０％以下である。

本実施形態に係る鋼の上記化学成分の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここで、不純物とは、本実施形態に係る耐摩耗鋼を工業的に製造する際に、意図的に含有させないが、鉱石、スクラップ等の原料や、製造工程における種々の要因によって混入する成分である。不純物の含有は、本実施形態に係る耐摩耗鋼の特性に悪影響を与えない範囲で許容される。

＜金属組織＞
次に、本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織について説明する。以下において、金属組織の「％」は、「面積％」である。
本実施形態に係る耐摩耗鋼は、金属組織に含まれるセメンタイトが、面積％で、０％以上、０．５％以下である。前記セメンタイトの平均円相当直径は５００ｎｍ以下である。４００μｍ×４００μｍの領域において、１５°以上の高角粒界で囲まれた結晶粒のうち、粒径が大きい順に１０個の結晶粒の平均粒径が４０μｍ以下である。

本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織は、セメンタイトの面積率及び平均円相当直径並びに結晶の平均粒径が上述した範囲であればよい。例えば、上部ベイナイト又はパーライトが生成すると、セメンタイトの面積率が増加し、粗大化し易い。フェライトが生成すると硬さ不足となり易く、靭性を低下させる場合がある。残留オーステナイトは、変形により硬質のマルテンサイトとなり（加工誘起マルテンサイト）、靭性を低下させる場合がある。そのため、本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織はマルテンサイト及び下部ベイナイトの一方又は両方からなることが好ましい。マルテンサイト及び下部ベイナイトの面積率の合計は、好ましくは、９５％以上である。マルテンサイト及び下部ベイナイトを除く残部は、フェライト、パーライト、残留オーステナイト及び上部ベイナイトの１種又は２種以上からなる。

マルテンサイト及び下部ベイナイトは、ラス状の硬質相であり、一般に、セメンタイトの有無によって判別される。本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織がマルテンサイト及び下部ベイナイトからなる場合、セメンタイトが含まれる金属組織は下部ベイナイトと見做される。本実施形態においては、マルテンサイトと下部ベイナイトとを判別する必要はない。光学顕微鏡によって、フェライト、パーライト、残留オーステナイト及び上部ベイナイトが観察されない場合、金属組織がマルテンサイト及び下部ベイナイトの一方又は両方からなると判断される。
本実施形態に係る耐摩耗鋼は、セメンタイトの面積率及び平均円相当直径並びに結晶の平均粒径が上述した範囲であれば、マルテンサイト及び下部ベイナイト以外の金属組織を含んでもよい。

金属組織の観察は、耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ未満の場合は、表面から厚さ方向に、厚さの１／２の部位（以下、「１／２ｔ部」とも称される）において行われる。耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ以上である場合は、表面から厚さ方向に、厚さの１／４の部位（以下、「１／４ｔ部」とも称される）において金属組織の観察が行われる。金属組織の観察に使用される試料の観察面は、試料のＬ（長手）方向（圧延方向）に沿って厚さ方向に切断された断面（以下、「試料のＬ（長手）方向断面」と称する場合がある。）であり、湿式研磨、ナイタールによるエッチングが施される。金属組織の観察は、４００倍の倍率で行われ、５視野の観察によってフェライト、パーライト、残留オーステナイト及び上部ベイナイトの有無が判定される。

［セメンタイトの面積率：０％以上、０．５％以下］
本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織がマルテンサイトからなる場合、セメンタイトの面積率は０％である。本実施形態に係る耐摩耗鋼の金属組織が、マルテンサイト及び下部ベイナイトからなる場合、セメンタイトが含まれる金属組織は、下部ベイナイトと見做される。セメンタイトの面積率は、靭性の確保という観点から、０．５％以下である。セメンタイトの面積率は、好ましくは０．４％以下であり、より好ましくは０．３％以下である。焼入れ停止温度を低下させると、上部ベイナイト及びパーライトの生成が抑制され、セメンタイトの面積率が減少する。

セメンタイトの面積率は、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、「ＳＥＭ」と称される）によって測定される。セメンタイトの面積率は、耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ未満の場合は、１／２ｔ部において行われる。耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ以上である場合は、１／４ｔ部においてセメンタイトの面積率が測定される。セメンタイトの面積率の測定に使用される試料の観察面は、試料のＬ（長手）方向断面であり、電解エッチングが施される。セメンタイトの面積率は、３００００倍で撮影された写真の画像解析によって測定される。

［セメンタイトの平均円相当直径：５００ｎｍ以下］
セメンタイトの平均円相当直径は、靭性の確保という観点から、５００ｎｍ以下である。セメンタイトの平均円相当直径は、好ましくは３００ｎｍ以下である。セメンタイトの平均円相当直径は、５０ｎｍ以上であってもよく、１００ｎｍ以上であってもよい。セメンタイトの平均円相当直径は、面積率の測定に使用されたＳＥＭ写真の画像解析によって求められるセメンタイトの面積（合計）、及びセメンタイトの個数から算出される。すなわち、セメンタイトの合計面積をセメンタイトの個数で除したセメンタイトの平均面積から平均円相当直径が算出される。セメンタイトの面積率が０％である場合、平均円相当直径は０ｎｍである。焼入れ停止温度を低下させると、上部ベイナイト及びパーライトの生成が抑制され、セメンタイトの平均円相当直径が小さくなる。上部ベイナイト及びパーライトに含まれるセメンタイトは、平均円相当直径及び面積率が大きい。セメンタイトの面積率が０．５％以下であり、平均円相当直径が５００ｎｍ以下であれば、上部ベイナイト及びパーライトの面積率の合計は５％未満であると判断してよい。

[１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径上位１０個の平均：４０μｍ以下]
４００μｍ×４００μｍの領域において１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径上位１０個（粒径が大きい順に１０個の結晶粒径）の平均は、４０μｍ以下である。以下では、結晶方位差が１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径を高角粒径と称する。高角粒径が大きくなると破壊が発生しやすくなり、高角粒径が小さくなると靭性が向上する。高角粒径は、４００μｍ×４００μｍの領域内の結晶粒のうち上位１０個（大きい方から１０個）の平均値で評価される。高角粒径は、より好ましくは３０μｍ以下である。

本実施形態では、高角粒径は電子線後方散乱回折法（Electron Back Scattered Diffraction Pattern、以下、「ＥＢＳＤ」とも称される）によって測定される。ＥＢＳＤによる測定は、４００μｍ×４００μｍの視野で、０．４μｍのピッチで行われる。市販の解析ソフト（ＴＳＬ社製 ＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓ）によって粒径分布が表示され、１５°以上の高角粒界で囲まれた結晶粒のうち、上位１０個の粒径の平均が算出される。ＥＢＳＤによる測定は、耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ未満の場合は、１／２ｔ部において行われる。厚さが１６ｍｍ以上である場合は、１／４ｔ部においてＥＢＳＤによる測定が行われる。ＥＢＳＤによる測定に使用される試料は、観察面が１０ｍｍ角であり、鋼板における幅方向の端部から板幅の１／４の位置（１／４幅）から切り出される。観察面は、試料のＬ（長手）方向断面であり、電解研磨が施される。

次に、本実施形態に係る耐摩耗鋼の表面硬さ、１／２ｔ部における硬さ、及び耐摩耗鋼の低温靭性について説明する。

［表面硬さ：３６０ＨＶ１０以上］
本実施形態に係る耐摩耗鋼の表面硬さは、耐摩耗性を確保するために、ビッカース硬さで３６０ＨＶ１０以上である。耐摩耗鋼の表面硬さは、好ましくは４００ＨＶ１０以上であり、高いほど好ましく、上限は限定されない。耐摩耗鋼の表面硬さは、靭性の確保という観点から、４５０ＨＶ１０以下であってもよい。
耐摩耗鋼の表面硬さは、脱炭の影響を考慮して、耐摩耗鋼の表面から厚さ方向に０．７ｍｍの位置で測定される。ビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して行われ、荷重は１０ｋｇｆである。ビッカース硬さは、試料のＬ（長手）方向断面において測定された３点の平均値である。表面硬さがビッカース硬さで３６０ＨＶ１０以上である場合、フェライト及び残留オーステナイトの面積率の合計は５％未満であると判断してよい。

［厚さ方向の中央部における硬さ：３６０ＨＶ１０以上］
耐摩耗鋼の厚さ方向の中央部は、１／２ｔ部と同義であり、以下では、耐摩耗鋼の厚さ方向の中央部における硬さを１／２ｔ部硬さと称する。１／２ｔ部硬さは、使用による耐摩耗性の劣化の防止という観点から、好ましくはビッカース硬さで３６０ＨＶ１０以上、より好ましくは３８０ＨＶ１０以上である。１／２ｔ部硬さは、さらに好ましくは４００ＨＶ１０以上であり、高いほど好ましく、上限は限定されない。１／２ｔ部硬さは、靭性の確保という観点から、４５０ＨＶ１０以下であってもよい。ビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して行われ、荷重は１０ｋｇｆである。ビッカース硬さは、試料のＬ（長手）方向断面において測定された３点の平均値である。１／２ｔ部硬さは、焼入れ性を高める合金の含有量の増加、焼入れの冷却速度の上昇によって確保される。

［－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーの平均値：２７Ｊ以上］
耐摩耗鋼は、寒冷地や高地で使用される場合がある。加工時及び使用時の衝撃による破壊を抑制するため、耐摩耗鋼は－４０℃での靭性の確保が必要とされる。このような観点から、本実施形態に係る耐摩耗鋼は、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーの平均値が２７Ｊ以上である。－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーの平均値は、好ましくは５０Ｊ以上である。－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーの平均値は、高いほど好ましく、上限は限定されないが、１００Ｊ以下であってもよい。

シャルピー試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２０１８に準拠し、Ｖノッチを設けたフルサイズの試験片を用いて行われる。耐摩耗鋼の厚さが１２ｍｍ以下である場合は、５ｍｍのサブサイズの試験片が用いられる。シャルピー試験片の採取位置は、板厚１６ｍｍ以上の耐摩耗鋼は１／４ｔ部であり、板厚１６ｍｍ未満の耐摩耗鋼は１／２ｔ部である。シャルピー試験片の長手方向は、圧延方向である。測定値のばらつきを考慮し、シャルピー吸収エネルギーの平均値は、３本の試験片の測定値の算術平均である。

本実施形態に係る耐摩耗鋼の形状は、特に限定されず、鋼板、鋼帯、形鋼、鋼管、棒鋼、鋼線等である。鋼板、鋼帯、形鋼、鋼管等の鋼材の厚さは、特に限定されず、例えば、８ｍｍ以上、５０ｍｍ以下である。鋼材の厚さは、１０ｍｍ以上であってよく、１６ｍｍ以上であってもよい。鋼材の厚さは、４５ｍｍ以下であってよく、４０ｍｍ以下であってもよい。
本実施形態に係る耐摩耗鋼が棒鋼の場合は、直径を厚さとみなして、ビッカース硬さ測定、シャルピー試験を行えばよい。

＜製造方法＞
次に、本実施形態に係る耐摩耗鋼の製造方法を説明する。

本実施形態に係る耐摩耗鋼は、鋼を溶製し、成分の調整後、鋳造して得られた鋼片を鋼素材として製造される。鋼素材は熱間圧延され、そのまま焼入れが施されるか、又は空冷される。空冷後は、再加熱され、焼入れが施される。熱間圧延後に焼入れが施された後、再加熱及び焼入れが施されてもよい。

本実施形態に係る耐摩耗鋼の製造に使用される鋼素材の製法は限定されず、公知の方法で製造される。
例えば、鋼片は、転炉、電気炉等の通常の精錬プロセスで溶製した後、連続鋳造法、造塊-分塊法等の公知の方法で製造される。
鋼片は、好ましくは、鋳造後に冷却され、Ａ_ｃ３変態点以上の温度に再加熱されて、熱間圧延が施される。連続鋳造後の鋼片は、４００℃以下に冷却されずにホットチャージで加熱炉に装入されると、鋳造時に生成した粗大なオーステナイトが加熱後の鋼片にも残存する場合がある。耐摩耗鋼の組織の微細化を促進させるために、連続鋳造後の鋼片は、一旦、４００℃以下まで冷却されることが好ましい。

熱間圧延は、被圧延材の表面の温度がＡ_ｒ３変態点以上である温度域で行われる。Ａ_ｒ３変態点は冷却時にオーステナイトからフェライトへの変態が開始する温度である。熱間圧延前の鋼素材の加熱温度は、好ましくは９００℃以上であり、より好ましくは１０００℃以上であり、さらに好ましくは１１００℃以上である。加熱温度は、結晶粒の粗大化を抑制するために、好ましくは１３３０℃以下である。加熱温度は、より好ましくは１２００℃以下であり、更に好ましくは１１５０℃以下である。

耐摩耗鋼の熱間圧延では、低温靭性の確保という観点から、再結晶を促進させて、オーステナイトの粒径を小さくすることが好ましい。再結晶を促進させるために、１０００℃以上の温度域における圧下率は、好ましくは、５０％以上である。１０００℃以上の温度域における圧下率（単に圧下率と称する）は、熱間圧延前の鋼素材の厚さと、１０００℃における被圧延材の厚さとから、以下の式で求められる。
圧下率（％）＝１００×｛（鋼素材の厚み）－（１０００℃における被圧延材の厚み）｝／鋼素材の厚み

熱間圧延の終了温度は、フェライトの生成を防止するという観点から、Ａ_ｒ３変態点以上である。熱間圧延の終了後、そのまま、被圧延材に焼入れが施される場合は、熱間圧延の終了温度は７７０℃以上である。一方、熱間圧延の終了温度は、金属組織の微細化という観点から、好ましくは９００℃以下であり、より好ましくは８５０℃以下である。熱間圧延の終了後の被圧延材の厚さは、耐摩耗鋼の厚さであり、例えば、８ｍｍ以上、５０ｍｍ以下である。

熱間圧延後の被圧延材は、そのまま焼入れが施されるか、空冷される。空冷された被圧延材は、再加熱され、焼入れが施される。熱間圧延後の被圧延材に、そのまま焼入れが施される工程は、直接焼入れと称される。熱間圧延後の被圧延材が空冷され、再加熱され、焼入れが施される工程は、再加熱焼入れと称される。熱間圧延後に焼入れが施された被圧延材に、再加熱及び焼入れが施されてもよい。再加熱温度は、フェライトの生成を防止するという観点から、Ａ_ｃ３変態点以上の温度であればよい。再加熱温度は、好ましくは８５０℃以上であり、より好ましくは９００℃以上である。金属組織の微細化という観点から、再加熱温度は、好ましくは１１５０℃以下である。再加熱温度は、より好ましくは１０５０℃以下であり、更に好ましくは１０００℃以下である。

以下の焼入れの開始温度、冷却速度、停止温度の説明には、直接焼入れ及び再加熱焼入れの工程による違いはない。焼入れの開始温度は、フェライトの生成を防止するという観点から、７７０℃以上である。焼入れの冷却速度は、フェライトの生成を防止、セメンタイトの析出及び成長の抑制という観点から、被圧延材の表面温度で、３℃／秒以上である。冷却速度は、速いほど好ましいが、冷却設備の能力、被圧延材の厚さなどによって限界があり、５０℃／秒以下であってよい。

焼入れの停止温度は、フェライトの生成を防止、セメンタイトの析出及び成長の抑制という観点から、被圧延材の表面温度で２００℃以下である。焼入れの停止温度は、特にセメンタイトの成長の抑制という観点から、好ましくは、被圧延材の表面温度で１００℃以下である。

ここで、Ａ_ｃ３は下記で計算される加熱時の変態開始温度、Ａ_ｒ３は下記で計算される冷却時の変態開始温度であり、鋼の化学成分を用いて計算される。

Ａ_ｃ３（℃）＝９０２－２５５×Ｃ＋１９×Ｓｉ－１１×Ｍｎ－５×Ｃｒ＋１３×Ｍｏ－２０×Ｎｉ＋５５×Ｖ
Ａ_ｒ３（℃）＝８６８－３９６×Ｃ＋２４．６×Ｓｉ－６８．１×Ｍｎ－２４．８×Ｃｒ
上式におけるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖは質量％で表した含有量を意味する。

以下に本発明の実施例を示す。ただし、以下に示す実施例は本発明の一例であり、本発明は以下に説明する実施例に制限されるものではない。実施例１は直接焼入れの一例であり、実施例２は再加熱焼入れの一例である。

＜実施例１＞
転炉による鋼の溶製、連続鋳造によって製造された鋼片の厚さは２４５ｍｍである。鋼片から試料が採取され、蛍光Ｘ線分析法、燃焼－赤外線吸収法、不活性ガス融解法、誘導結合プラズマ質量分析法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry、ＩＣＰ質量分析法）などを用いて化学成分の分析が行われた。結果は表１に示されている。表１～表３において、下線は本発明の範囲外の値又は条件であることを意味する。

鋼片に、熱間圧延が施され、そのまま、被圧延材に焼入れが施され、 鋼板（耐摩耗鋼）が製造された。熱間圧延の加熱温度はＡ_ｃ３変態点以上であり、終了温度はＡ_ｒ３変態点以上である。熱間圧延工程において、被圧延材には１０００℃以上の温度域における圧下率が５０％以上となる圧延が施された。
熱間圧延に使用された鋼片の鋼Ｎｏ．、焼入れの開始温度、冷却速度、停止温度及び鋼板の板厚は表２に示されている。

（金属組織観察）
得られた各厚鋼板の金属組織の観察は、耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ未満の場合は１／２ｔ部において、耐摩耗鋼の厚さが１６ｍｍ以上である場合は、１／４ｔ部において行われた。観察面は、試料のＬ（長手）方向断面であり、湿式研磨、ナイタールによるエッチングが施された。金属組織の観察は、４００倍の倍率で行われ、５視野の観察によってフェライト、パーライト、上部ベイナイト、及び残留オーステナイトの有無が判定された。下部ベイナイト及びマルテンサイト以外の組織が観察された場合、下記記号により表２に示し、下記の組織が観察されなかった場合は「‐」を記した。
α：フェライト
Ｐ：パーライト
ｕＢ：上部ベイナイト
γ：残留オーステナイト

（セメンタイトの面積率及び平均円相当直径の測定）
金属組織の観察に用いた試料に電解研磨が施され、ＳＥＭによってセメンタイトの面積率及び円相当直径が測定された。３００００倍で撮影された写真の画像解析によってセメンタイトの面積、及びセメンタイトの個数が測定され、セメンタイトの面積率及び平均円相当直径が算出された。セメンタイトの面積率及び平均円相当直径は表２に示されている。

（有効結晶粒径の測定）
更に、ＥＢＳＤによって、１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径上位１０個の平均が測定された。ＥＢＳＤによる測定は、４００μｍ×４００μｍの視野で、０．４μｍのピッチで行われた。１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径上位１０個の平均が、ＴＳＬ社製のＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓによって求められた。１５°以上の高角粒界で囲まれた粒径上位１０個の平均は有効結晶粒径として表２に示されている。

（ビッカース硬さ試験）
試料のＬ（長手）方向断面において、耐摩耗鋼の表面から厚さ方向に０．７ｍｍの位置及び１／２ｔ部で耐摩耗鋼のビッカース硬さが測定された。ビッカース硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠し、１０ｋｇｆの荷重で行われた。ビッカース硬さは、測定された任意の３点の平均値である。表面硬さが３６０ＨＶ１０以上であれば耐摩耗性が良好であり、さらに１／２ｔ部の硬さが３６０ＨＶ１０以上であれば摩耗性の劣化抑制も良好である。

（シャルピー試験）
シャルピー試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２０１８に準拠し、Ｖノッチを設けたフルサイズの試験片を用いて行われた。シャルピー吸収エネルギーの平均値は、３本の試験片の測定値の算術平均である。シャルピー試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向である。
耐摩耗鋼の厚さが１２ｍｍ以下である場合は、５ｍｍのサブサイズの試験片が用いられた。シャルピー試験片の採取位置は、板厚１６ｍｍ以上の耐摩耗鋼は１／４ｔ部であり、板厚１６ｍｍ未満の耐摩耗鋼は１／２ｔ部である。ビッカース硬さ（表面硬さ及び１／２ｔ硬さ）及びシャルピー吸収エネルギー（ＫＶ_２）は表２に示されている。シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上であれば低温靭性が良好である。

＜実施例２＞
表１に成分が示される鋼片に、熱間圧延が施され、空冷後、被圧延材に再加熱焼入れが施され、 鋼板が製造された。熱間圧延の加熱温度はＡ_ｃ３変態点以上であり、終了温度はＡ_ｒ３変態点以上である。熱間圧延工程において、被圧延材には１０００℃以上の温度域における圧下率が５０％以上となる圧延が施された。再加熱焼入れの加熱温度はＡ_ｃ３変態点以上である。
熱間圧延に使用された鋼片の鋼Ｎｏ．、焼入れの開始温度、冷却速度、停止温度及び鋼板の板厚は表３に示されている。

実施例１と同様に、得られた各厚鋼板の金属組織の観察、セメンタイトの面積率及び平均円相当直径の測定、有効結晶粒径の測定、ビッカース硬さ及びシャルピー吸収エネルギーの測定が行われた。結果は表３に示されている。

表２及び表３に示されるように、本発明の要件を満たす鋼板は、Ｎｉ、Ｍｏを含まないか、含有量がそれぞれ０．５０％以下に抑えられており、耐摩耗性及び低温靭性に優れている。

Claims (3)

1. 化学成分が、質量％で、
   Ｃ：０．０８％以上、０．２０％以下、
   Ｓｉ：０．０１％以上、０．５０％以下、
   Ｍｎ：０．１０％以上、２．００％以下、
   Ｐ：０．０１５％以下、
   Ｓ：０．０３００％以下、
   Ｃｒ：２．００％以上、８．００％以下、
   Ｎ：０．００８０％以下、
   Ｃｕ：０％以上、０．５０％以下、
   Ｎｉ：０％以上、０．５０％以下、
   Ｍｏ：０％以上、０．５０％以下、
   Ｖ：０％以上、０．５００％以下、
   Ｂ：０％以上、０．００５０％以下、
   Ａｌ：０％以上、０．３００％以下、
   Ｔｉ：０％以上、０．１００％以下、
   Ｎｂ：０％以上、０．１００％以下、
   Ｃａ：０％以上、０．０１００％以下、
   Ｍｇ：０％以上、０．０１００％以下、
   ＲＥＭ：０％以上、０．０１００％以下、
   残部：Ｆｅ及び不純物
   からなり、
   厚さ方向の断面において、金属組織に含まれるセメンタイトが、面積％で、０％以上、０．５％以下であり、前記セメンタイトの平均円相当直径が５００ｎｍ以下であり、
   ４００μｍ×４００μｍの領域において、１５°以上の高角粒界で囲まれた結晶粒のうち、粒径が大きい順に１０個の結晶粒の平均粒径が４０μｍ以下であり、
   表面硬さが３６０ＨＶ１０以上であり、
   －４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上であり、
   厚さが、８ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、耐摩耗鋼板。
2. 厚さ方向の中央部における硬さが３６０ＨＶ１０以上である、請求項１に記載の耐摩耗鋼板。
3. 前記Ｓの含有量が、０．００５０％以下である、請求項１又は請求項２に記載の耐摩耗鋼板。