JPH04308058A - 耐摩耗性に優れた鋼 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建設、土木、鉱山等の
分野で使用される産業機械、部品、運搬機器（パワーシ
ョベル、ブルドーザー、ホッパー、バケット等）等に用
いられる耐摩耗性に優れた鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建設、土木等の分野で使用される産業機
械、部品、運搬機器（パワーショベル、ブルドーザー、
ホッパー、バケット等）等には、それらの機械、機器、
部品等の寿命を確保するため、耐摩耗性に優れた鋼が使
用されている。鋼の耐摩耗性は鋼の硬度を高くすること
により向上することから、従来、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元
素を大量に添加した合金鋼に焼入等の熱処理を加えて製
造される高硬度鋼が使用されてきた。

【０００３】従来、高硬度を確保する耐摩耗鋼の製造に
関しては、特開昭６２−１４２７２６号、特開昭６３−
１６９３５９号、特開平１−１４２０２３号等が提案さ
れている。これらの技術は、常温の硬度（ＨＢ等）が約
３００以上で、それぞれ溶接性、靭性、曲げ加工性等を
改善しようとするものであり、高硬度を達成することで
耐摩耗性を向上させることを目的としている。しかしな
がら、近年の耐摩耗鋼に要求される耐摩耗性はより一層
厳しくなっており、従来のように単に硬度を高めるとい
う方法では、本質的な耐摩耗性の改善は図り得ない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、現在
実用化されている高硬度耐摩耗鋼のうち最も高い硬度を
有している鋼は、硬度ＨＢが約５００程度であり、した
がって、これが最も優れた耐摩耗性を有する鋼であった
。このような従来の高硬度耐摩耗鋼の耐摩耗性を向上さ
せるために、従来技術の延長上で硬度を顕著に高めた場
合には、結果的には溶接性、加工性が劣化し、さらに高
合金化のために、顕著なコスト上昇を招く。例えば、硬
度が６００以上であるような場合には、実用上曲げ加工
等は不可能である。従って、実用耐摩耗鋼において耐摩
耗性を向上させるために硬度を著しく高めることは、実
際上は困難であり、実際の使用に耐えられるものではな
いことは容易に予想される。また、硬度を低下させて加
工性、溶接性等を改善した場合には、耐摩耗鋼としての
最も重要な特性である耐摩耗性を犠牲にしてしまう。

【０００５】本発明はこのような問題に鑑み、現在実用
化されている加工性等を考慮した硬度ＨＢ：約５００程
度の耐摩耗鋼において、硬度を上昇させることなく、よ
り優れた耐摩耗性が得られる鋼を提供することをその目
的とする。また、硬度ＨＢが３００程度と低い場合でも
、従来鋼以上の優れた耐摩耗性を有する鋼を提供するこ
とも目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明者等は耐摩耗性に及ぼす合金元素の影響
に関して検討を行い、その結果、硬度を著しく高めるこ
となく、耐摩耗性のみを向上させることが可能な鋼を見
い出した。このような本発明の特徴は以下の通りである
。

【０００７】（１）　　Ｃ：０．０５〜０．４５ｗｔ％
、Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０
ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｎｂ：０．５
ｗｔ％超〜２．０ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可
避的不純物からなる耐摩耗性に優れた鋼。

【０００８】（２）　　Ｃ：０．０５〜０．４５ｗｔ％
、Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０
ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｎｂ：０．５
ｗｔ％超〜２．０ｗｔ％を含有し、これに、Ｃｕ：０．
１〜２．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．１〜１０．０ｗｔ％、Ｃ
ｒ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ
％、Ｂ：０．０００３〜０．０１ｗｔ％、Ｖ：０．０１
〜１．０ｗｔ％の中から選ばれる元素の１種または２種
以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐
摩耗性に優れた鋼。

【０００９】

【作用】以下、本発明の詳細とその限定理由を説明する
。本発明の特徴は、耐摩耗性を向上させるために、硬質
のＴｉ炭化物、Ｎｂ炭化物（詳細にはＮとＣを含む複合
析出物であると考えられる）を有効に活用することにあ
る。すなわち、本発明では、従来の耐摩耗鋼のように鋼
の組織を硬質のマルテンサイト主体にすることで硬度を
上昇させる必要がなく、硬度は従来鋼と同等かそれ以下
であるにもかかわらず、Ｔｉ炭化物およびＮｂ炭化物を
大量に分散させることで、耐摩耗性を改善している。

【００１０】従来の耐摩耗鋼においては、Ｔｉ添加の目
的は主として焼入性に有効な固溶Ｂを確保するために、
Ｂと結合しやすいＮをＴｉＮとして固定するためであり
、その添加量はせいぜい０．０２ｗｔ％以下の範囲であ
る。また、一般に、大量のＴｉ添加は製鋼段階での酸化
の問題或いは鋳造段階でのノズル詰まり、酸化防止パウ
ダ−等との反応等の多くの問題があるため、添加量は制
限されてきた。そのため、Ｔｉの大量添加による効果は
全く不明であったと言える。また、従来の耐摩耗鋼にお
けるＮｂ添加の目的は、主として微細な炭化物を形成さ
せマトリックス硬度を上昇させること、或いは結晶粒の
微細化を図ることであり、従来の実用鋼の常識的な添加
量はせいぜい０．０５ｗｔ％未満の範囲である。

【００１１】本発明者らは、耐摩耗性に及ぼすＴｉおよ
びＮｂ添加量の影響に関して詳細な検討を行った。その
結果、従来の常識を超える大量のＴｉとＮｂの複合添加
が、硬度を上昇させることなく、耐摩耗性を顕著に向上
させることを見い出した。

【００１２】本発明者らが実験により確認したところに
よれば、耐摩耗性はＴｉ，Ｎｂのそれぞれ単独添加成分
系においても、それら合金元素の添加量の増加に伴い向
上するが、ＴｉとＮｂを複合添加した鋼においては、単
独添加鋼よりも耐摩耗性が顕著に向上することが判った
。また、ＴｉとＮｂの複合添加により耐摩耗性は向上す
るが、硬度はむしろ低下する傾向にあり、硬度を上昇さ
せることなく、耐摩耗性のみの改善が可能であることも
判った。Ｔｉ、Ｎｂの複合添加により、０．４％Ｔｉ複
合添加成分系では、Ｎｂ添加量が約１．０ｗｔ％程度ま
では耐摩耗性がＮｂ添加量の増加に伴って向上する。 耐摩耗性はＮｂ添加量が１．０ｗｔ％を超えると若干低
下する傾向を示すが、約２．０ｗｔ％までは従来鋼の約
２倍の耐摩耗性を示す。

【００１３】Ｔｉ，Ｎｂ複合添加鋼の硬度は、最も耐摩
耗性に優れたＮｂ添加量：約１．０％ではＨＢ＜４００
であり、従来鋼の硬度ＨＢ：約５００よりも十分に低い
値であり、且つ、耐摩耗性は従来鋼の約３．４倍であっ
た。このように、本発明によれば、硬度を従来鋼と同等
以下としつつ、耐摩耗性を従来鋼よりも顕著に向上させ
ることが可能である。なお、本発明はＨＢ：５００以下
である低硬度の耐摩耗鋼に関しても適用可能であること
は言うまでもない。すなわち従来技術で製造した例えば
ＨＢ：３００程度以上の耐摩耗鋼と比較した場合にも、
本発明鋼では同一硬度水準であれば、より優れた耐摩耗
性を有している。

【００１４】次に、本発明の成分組成の限定理由を説明
する。 Ｃ：ＣはＮｂ炭化物（一部は炭窒化物）を形成させるた
めに必須の元素であるとともに、鋼の硬度を高める効果
もある。しかしながら、大量に添加すると、溶接性、加
工性等を劣化させるため、その上限を０．４５ｗｔ％と
した。また、下限についてはＮｂ炭化物の効果を発揮さ
せるために必要な最低限の量として、０．０５ｗｔ％と
規定した。 Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素として有効な元素であり、０．１
ｗｔ％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは固溶強化
に対しても有効な元素であるが、１．０ｗｔ％を超える
添加量では延靭性が低下したり、介在物が増加する等の
問題があり、このため０．１〜１．０ｗｔ％と規定とし
た。 Ｍｎ：Ｍｎは焼入性確保の観点から有効な元素であり、
０．１ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、２．０ｗ
ｔ％を超えて添加すると溶接性が劣化する。このため、
Ｍｎは０．１〜２．０ｗｔ％と規定した。

【００１５】Ｔｉ：Ｔｉは、本発明においてＮｂととも
に最も重要な元素のひとつであり、耐摩耗性を向上させ
るためのＴｉ炭化物を大量に安定して生成させるために
は、０．０５ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、１
．５ｗｔ％を超えて添加すると溶接性が劣化するととも
にコストの上昇を招く。このためＴｉは０．０５〜１．
５ｗｔ％の範囲とする。

【００１６】Ｎｂ：Ｎｂは、本発明においてＴｉと共に
最も重要な元素である。Ｎｂは０．５ｗｔ％以下でも耐
摩耗性向上効果が認められるが、耐摩耗性を確実に向上
させるための大量のＮｂ炭化物を安定して生成させるた
めには、０．５ｗｔ％を超える添加が好ましい。また、
２．０ｗｔ％を超える添加量でも耐摩耗性は良好である
が、コスト上昇になるとともに溶接性、加工性が低下す
る。したがって、本発明ではＮｂ添加量の範囲を０．５
ｗｔ％超〜２．０ｗｔ％とした。

【００１７】Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｂ，Ｖの各元素
は、いずれも硬度を上昇させる元素であり、必要に応じ
て、これらの１種または２種以上を添加する。以下、各
元素の限定理由について述べる。 Ｃｕ：Ｃｕは焼入性を高めることで硬度を向上させる元
素であり、目的に応じた硬度を制御するために有効な元
素であるが、０．１ｗｔ％未満ではこの効果を発揮する
ことができず、一方、２．０ｗｔ％を超える添加では、
熱間加工性が低下するとともに、コストも上昇するので
、０．１〜２．０ｗｔ％と規定した。 Ｎｉ：Ｎｉは焼入性を高めることで硬度を向上させると
ともに、低温靭性を向上させる元素であるが、０．１ｗ
ｔ％未満ではこの効果を発揮することができず、一方、
１０．０ｗｔ％を超える添加では、コストが上昇するの
で、０．１〜１０．０ｗｔ％と規定した。

【００１８】Ｃｒ：Ｃｒは焼入性を高めることで硬度を
向上させる元素であるが、０．１ｗｔ％未満ではこの効
果を発揮することができず、一方、３．０ｗｔ％を超え
る添加では、溶接性が劣化するとともに、コストが上昇
するので、０．１〜３．０ｗｔ％と規定した。 Ｍｏ：Ｍｏは焼入性を高めることで硬度を上昇させる元
素であるが、０．１ｗｔ％未満ではこの効果を発揮する
ことができず、一方、３．０ｗｔ％を超える添加では、
溶接性が劣化するとともに、コストが上昇するので、０
．１〜３．０ｗｔ％と規定した。

【００１９】Ｂ：Ｂは微量添加で焼入性を高めることで
硬度を上昇させる元素であるが、０．０００３ｗｔ％未
満ではこの効果を発揮することができず、一方、０．０
１ｗｔ％を超える添加では、溶接性が劣化するとともに
、むしろ焼入性が低下するので、０．０００３〜０．０
１ｗｔ％と規定した。 Ｖ：Ｖは析出強化により硬度を上昇させる元素であり、
目的に応じて鋼の硬度を制御できる効果を有しているが
、０．０１ｗｔ％未満ではこの効果を発揮することがで
きない。一方、１．０ｗｔ％を超える添加量では溶接性
が劣化する。このためＶは０．０１〜１．０ｗｔ％と規
定した。

【００２０】また、本発明鋼は、上記成分条件を満足し
ていれば目的とする優れた耐摩耗性が確保でできるため
、加工方法、熱処理方法等に関して何等規定する必要が
なく、焼入処理、焼戻処理、時効処理、応力除去焼鈍等
の熱処理を実施しても本発明の効果を何等損なうもので
はない。

【００２１】

【実施例】表１および表２に供試鋼の化学成分を示す。 鋼Ａ〜Ｋは本発明鋼であり、鋼Ｌ〜Ｐは比較鋼である。 比較鋼ではＴｉ、Ｎｂ添加量が本発明の規定範囲外にな
っている。表３および表４に供試鋼の製造条件および特
性値を示す。製造プロセスは、圧延まま、焼入まま、直
接焼入まま、焼入−焼戻、直接焼入−焼戻等、種々の方
法を採った。

【００２２】摩耗試験は、ＡＳＴＭ　　Ｇ−６５に準じ
て実施し、摩耗剤としては９％Ａｌ２Ｏ３−９１％Ｓｉ
Ｏ２の組成からなる砂を使用した。耐摩耗比は、摩耗試
験による重量変化にて評価した。表３および表４におい
ては、硬度ＨＢ：５０７の比較鋼の耐摩耗性を１．０と
した場合の耐摩耗性の倍率を耐摩耗比として示した。た
だし、本発明鋼Ｋに関しては、Ｔｉ、Ｎｂ以外の成分系
がこれとほぼ同等である比較鋼Ｐの耐摩耗性を基準とし
て示した。耐摩耗比が大きい方がより耐摩耗性に優れて
いることを示す。

【００２３】本発明鋼の耐摩耗性は、比較鋼の耐摩耗性
と比較して総て優れているとともに、硬度もＨＢ：約５
００以下になっており、顕著な硬度上昇を伴わずに耐摩
耗性が改善されていることが明らかである。比較鋼Ｌは
本発明鋼Ａ−１、Ｂの比較例であ。硬度ＨＢは、比較鋼
Ｌが４８１であるのに対して、本発明鋼では硬度は３５
０以下であって低い水準であるが、耐摩耗性は本発明の
ほうが比較鋼よりも良好である。すなわち、比較鋼Ｎを
基準とした耐摩耗性は、比較鋼Ｌが２．２０倍であるの
に対して、本発明鋼Ａ−１では３．２１倍、Ｂでは３．
０６倍になっている。つまり、本発明の鋼では硬度を上
昇させずに耐摩耗性を向上させることが可能であること
が示されている。

【００２４】また、本発明鋼Ｃ−２の耐摩耗性は比較鋼
Ｍとほぼ同等であるが、硬度はＨＢ：２２３であり、比
較鋼Ｍの硬度ＨＢ：３９０に比較して十分に低くなって
おり、低硬度でも優れた耐摩耗性を有していることが明
らかである。同様に、比較鋼Ｎは本発明鋼Ｆの比較例で
あるが、本発明鋼Ｈ−１は硬度も低く、かつ、耐摩耗性
に優れている。比較鋼Ｏ、Ｐはそれぞれ本発明鋼Ｊ、Ｋ
の比較例であるが、本発明鋼の方が良好な耐摩耗性を有
しているとともに、硬度が低くなっている。このように
本発明鋼では、硬度を上昇させることなく、或いは、同
程度の硬度としつつ、耐摩耗性のみを向上させることが
可能である。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】○プロセス ＡＲ　　：熱間圧延まま Ｑ　　　　：再加熱焼入処理 ＤＱ　　：熱間圧延後直接焼入処理 ＱＴ　　：再加熱焼入−焼戻；（　）に示す温度で焼戻
処理 ＤＱＴ：熱間圧延後直接焼入−焼戻；（　）に示す温度
で焼戻処理 ○耐摩耗比 ・耐摩耗試験 ＡＳＴＭ　　Ｇ６５の方法 摩耗剤：９％Ａｌ２Ｏ３、９１％ＳｉＯ２の砂・表中の
数値 ＊印以外の数値：比較鋼Ｎの耐摩耗性を１．０とした場
合の耐摩耗性の比率を示す。耐摩耗比が大きい方が耐摩
耗性に優れていることを示す。 ＊印の数値　　　　：比較鋼Ｐの耐摩耗性を１．０とし
た場合の耐摩耗性の比率を示す。耐摩耗比が大きい方が
耐摩耗性に優れていることを示す。 ○硬度（ＨＢ） 試験片表面のブリネル硬度

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明鋼は、従来の耐
摩耗鋼に比較して硬度は同等程度以下の水準でありなが
ら、より優れた耐摩耗性を有すものであり、従来、使用
中の摩耗が顕著で寿命の短くなることが多かった機械、
部品等の用途に好適なものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｃ：０．０５〜０．４５ｗｔ％、Ｓｉ
   ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０ｗｔ％
   、Ｔｉ：０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｎｂ：０．５ｗｔ％
   超〜２．０ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不
   純物からなることを特徴とする耐摩耗性に優れた鋼。
2. 【請求項２】　　Ｃ：０．０５〜０．４５ｗｔ％、Ｓｉ
   ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０ｗｔ％
   、Ｔｉ：０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｎｂ：０．５ｗｔ％
   超〜２．０ｗｔ％を含有し、これに、Ｃｕ：０．１〜２
   ．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．１〜１０．０ｗｔ％、Ｃｒ：０
   ．１〜３．０ｗｔ％、Ｍｏ：０．１〜３．０ｗｔ％、Ｂ
   ：０．０００３〜０．０１ｗｔ％、Ｖ：０．０１〜１．
   ０ｗｔ％の中から選ばれる元素の１種または２種以上を
   含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特
   徴とする耐摩耗性に優れた鋼。