特許 7176877 耐衝撃性に優れた機械構造用合金鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-14

(45)【発行日】2022-11-22

(54)【発明の名称】耐衝撃性に優れた機械構造用合金鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20221115BHJP

   C22C 38/22 20060101ALI20221115BHJP

   C22C 38/28 20060101ALI20221115BHJP

   C21D 6/00 20060101ALI20221115BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301H

C22C38/22

C22C38/28

C21D6/00 W

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018137412

(22)【出願日】2018-07-23

(65)【公開番号】P2020015927

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-04-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101085

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 健至

(74)【代理人】

【識別番号】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(74)【代理人】

【識別番号】100185258

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 宏理

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 春香

(72)【発明者】

【氏名】橋本 和弥

【審査官】川口 由紀子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０１０９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００７２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４４１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３８８７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２２２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２４６７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８０４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１７３５４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０

Ｃ２１Ｄ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．２５～０．４０％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：１．００～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０～３．００％、Ｍｏ：０．０５～０．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０５０％、Ｎ：０．０１００～０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であることを特徴とする機械構造用合金鋼。

Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【請求項2】

請求項１に記載の化学成分に加えて、質量％でＮｂ：０．０２～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％のうち一種または二種を含有し、ＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものであって、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であることを特徴とする機械構造用合金鋼。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、土木、建設等の分野で使用される土木建設機械等に使用される機械構造用合金鋼に関し、とりわけ土砂や岩石等との摩耗や折損が問題となる環境下で使用される部材として良好な機械構造用合金鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

土木建設機械に使用される部材は、岩石等を割る際には折損等が生じることがある。また土砂、岩石等によって摩耗も引き起こされる。近年、土木建設機械の使用される環境はますます過酷になってきており、早期折損、早期摩耗が問題視されている。こうした早期折損に対しては部材の靱性を向上させること、早期摩耗に対しては部材を高強度化、高硬度化させる必要がある。

【0003】

また、土木建設機械用の部材は大型の部品であることが多いために、焼入れ時に完全に中心部まで硬化させる必要がある。さらに、焼入れ硬化層が浅い場合、表面部の硬化層が一旦摩耗しきってしまうとその内部は急激に摩耗してしまう。そこで、土木建設機械用鋼にはより良好な硬度と靱性とのバランスが求められている。しかしながら、靱性と耐摩耗性はトレードオフの関係にある。たとえば、低温焼入れによると高硬度が得られるものの靱性は低くなりやすいように、それらの両立は一般的に困難である。

【0004】

従来、土砂や岩石などによる摩耗が問題となる土木建設機械に使用される部材に対しては、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を多量に添加した鋼材に焼入れを行い、高硬度化した鋼材が使用されている。

【0005】

またＣ添加による高硬度化、Ｓｉ、Ｃｒ添加による焼入性の増大、Ｓｉ添加による焼戻軟化抵抗性の向上により、耐摩耗性の向上を志向する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この提案の方法では、硬度向上のためにＣを増加するものの、他方で靱性が低下するという問題が生じてしまう。また、焼入性向上のためにＳｉ、Ｃｒを多量に添加しているものの、今度は過剰な焼入性によって製造性が低下することも懸念される。

【0006】

次に、Ｂ添加による粒界強化によって靱性の向上を図るとともに、Ｓｉの添加による固溶強化によって耐摩耗性の向上を志向する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この提案の方法では、Ｍｎ、Ｂの添加により焼入性の向上が図られるものの、合金元素が不足しているために焼入性が未だ低く十分とはいえない。すると、大型部材に対し焼入れを行った場合には中心部までの硬化が得られないこととなることから、耐摩耗性が十分とはいえなかった。

【0007】

また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの複合添加により焼入性、焼戻軟化抵抗性の向上および靱性の向上を志向する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、Ｍｎの添加により粒界への炭化物の偏析が大きくなるので、靱性を低下させる要因となる。また、Ｍｏの添加により成分偏析が大きくなることによって靱性が低下したり、過剰な焼入性によって製造性が低下すること等も懸念される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】再表２０１６／１７０８６６号公報

【文献】特開２０１２－２３３２５２号公報

【文献】特開平０８－１９９２８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、土木建設機械用部材、例えばトラックリンク、トラックシュー、リッパーポイント等のような大型の部材にも適用可能で、かつ厳しい衝撃が加わったり摩耗が生じやすい厳しい環境下での使用に適した鋼材として、中心部までの焼入れ性に優れる機械構造用合金鋼を提供することである。

【0010】

また、上記の機械構造用合金鋼を焼入焼戻し処理した際に、優れた硬度と靱性とを兼ね備えている機械構造用合金鋼の提供、すなわち、土木建設機械用部材に好適な、焼入焼戻し後の鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験により測定した衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ²であることを満たす硬度と靱性に優れる機械構造用合金鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願の発明者らは、焼入焼戻し処理を施して用いられる土木建設機械用部材に対し、Ｓｉの低減によって粒界炭化物を抑制し、またＡｌ、Ｎの添加によりピンニング粒子であるＡｌＮを析出させることによって結晶粒粗大化を防止することで靱性を改善し、さらにＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏを適切に添加することにより、焼入れ時に鋼材の中心部まで焼入れ硬化する、靱性と耐摩耗性の双方に優れる鋼を見出した。

【0012】

そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．２５～０．４０％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：１．００～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０～３．００％、Ｍｏ：０．０５～０．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０５０％、Ｎ：０．０１００～０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であることを特徴とする機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【0013】

第２の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％でＮｂ：０．０２～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％のうち一種または二種を含有し、ＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものであって、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であることを特徴とする機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【0014】

第３の手段は、質量％で、Ｃ：０．２５～０．４０％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：１．００～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０～３．００％、Ｍｏ：０．０５～０．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０５０％、Ｎ：０．０１００～０．０２００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であって、
さらにオーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度から焼入焼戻し処理した場合、焼入硬さが４５ＨＲＣ以上となっていることを特徴とする機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【0015】

第４の手段は第３の手段に記載の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｂ：０．０２～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％のうち一種または二種を含有し、ＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものであって、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
以下の式（１）のＡの値が１０以上２０以下であって、
さらにオーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度から焼入焼戻し処理した場合、焼入硬さが４５ＨＲＣ以上となっていることを特徴とする機械構造用合金鋼である。
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
ただし、式中の元素記号には、各元素の含有率（質量％）を代入する。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、Ｓｉの低減によって粒界炭化物を抑制し、またＡｌ、Ｎの添加によりピンニング粒子であるＡｌＮを析出させることによって結晶粒粗大化を抑止して靱性を改善し、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏを適切に添加することにより、焼入れ時に鋼材の中心部まで焼入れ硬化させることができる。そこで、硬さと靱性のバランスに優れた土木建設機械用部材に好適な鋼を得ることができる。

【0017】

また、本発明の機械構造用合金鋼は、さらにオーステナイト化温度の３０～１００℃の高さの加熱温度から焼入焼戻し処理をした際には、鋼材の中心の硬さが４５ＨＲＣ以上となっている。さらにシャルピー衝撃試験により測定した衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ²を確保しやすくなっている。そこで、硬さと靱性のバランスに優れた土木建設機械用部材に好適な鋼を得ることができる。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の機械構造用合金鋼における各成分組成を決定した理由と、式（１）によりＡ値を特定する理由、ならびに焼入温度、焼入焼戻し後の鋼材中心部の硬さの限定理由を説明する。なお、化学成分の％は質量％である。

【0019】

Ｃ：０．２５～０．４０％
Ｃは、焼入れ時のマトリックス強度を向上させ、焼入性、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃが０．２５％以下では十分な硬度が確保できないため、Ｃは０．２５％以上とする。一方、Ｃが０．４０％を超えると靱性を大きく低下させるため、Ｃは０．４０％以下とする。そこで、Ｃは０．２５～０．４０％とする。
また、より高い靱性を確保するため、好ましくは、Ｃは０．２５～０．３５％とする。

【0020】

Ｓｉ：０．０５～０．３０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に必要であるとともに、焼入性の向上に影響する元素である。焼入れ性を向上させるためには、Ｓｉは０．０５％以上必要である。他方、Ｓｉが０．３０％を超えると粒界炭化物の生成を促進し、靱性を低下させるため、Ｓｉは０．３０％以下とする。そこで、Ｓｉは０．０５～０．３０％である。

【0021】

Ｍｎ：１．００～１．５０％
Ｍｎは、焼入性の向上、焼戻軟化抵抗性の向上に有効な元素であり、そのためにはＭｎが１．００％以上必要である。一方、Ｍｎが１．５０％を超えると結晶粒界に偏析し、靱性を低下させるため、Ｍｎは１．５０％以下とする。そこで、Ｍｎは１．００～１．５０％である。

【0022】

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、結晶粒界に偏析し、靱性を低下させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

【0023】

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、靱性の低下を招く元素である。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。

【0024】

Ｃｒ：１．５０～３．００％
Ｃｒは、焼入性、焼戻軟化抵抗性を増加させ、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。Ｃｒが１．５０％以下では鋼材の中心部まで焼入れ硬化させることができないため、Ｃｒは１．５０％以上とする。一方、Ｃｒが３．００％を超えると靱性の低下、焼入性過剰による製造性の低下を招くため、Ｃｒは３．００％以下とする。そこで、Ｃｒは１．５０～３．００％である。

【0025】

Ｍｏ：０．０５～０．５０％
Ｍｏは、焼入性、焼戻軟化抵抗性の向上に有効な元素である。焼入性と焼戻軟化抵抗性の向上のためにはＭｏが０．０５％以上必要である。一方、Ｍｏが０．５０％を超えると鋼材の成分偏析を助長するため、Ｍｏは０．５０％以下とする。そこで、Ｍｏは０．０５～０．５０％である。

【0026】

Ａｌ：０．０２０～０．０５０％
Ａｌは、鋼中でＡｌＮを形成し、ピンニング粒子としてオーステナイト粒径の粗大化を抑制することで靱性の向上に寄与する。靱性の向上のためにはＡｌは０．０２０％以上とする。一方、Ａｌは０．０５０％を超えると窒化物や酸化物が粗大化してしまうので、靱性が低下するとともに製造性が低下することから、Ａｌは０．０５０％以下とする。そこでＡｌは０．０２０～０．０５０％である。

【0027】

Ｎ：０．０１００～０．０２００％
Ｎは、鋼中でＡｌＮを形成し、オーステナイト粒径の粗大化を抑制する元素であり、そのためにはＮが０．０１００％以上必要である。一方、Ｎは０．０２００％を超えると窒化物が粗大化し、靱性が低下するため、Ｎは０．０２００％以下とする。そこで、は０．０１００～０．０２００％である。

【0028】

さらに、本発明の機械構造用合金鋼には、選択的成分としてＴｉ、Ｎｂのうち１種類または２種類を、以下に説明する数値範囲で含有させてもよい。

【0029】

Ｔｉ：０．００５～０．０３０％
Ｔｉは、ＴｉはＡｌと同様にオーステナイト粒径の粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのためにはＴｉは０．００５％以上必要である。一方、Ｔｉは０．０３０％を超えると窒化物の粗大化により靱性が低下するため、Ｔｉは０．０３０％以下とする。そこで、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％である。

【0030】

Ｎｂ：０．０２～０．０４％
Ｎｂは、鋼中でＮｂＣを形成し、オーステナイト粒径の粗大化を抑制することで靱性の向上に寄与する。そのためにはＮｂは０．０２％以上とする。一方、Ｎｂが０．０４％を超えると粗大なＮｂＣが析出し、靱性が低下するため、Ｎｂは０．０４％以下とする。

【0031】

ＮｂとＴｉの質量％の合計値 Ｎｂ＋Ｔｉ：０．００５～０．０５０％
ＮｂとＴｉの質量％の合計値は０．０５０％で効果が飽和するため、ＮｂとＴｉの質量％の合計値は、０．００５～０．０５０％とする。すなわち、合計値は、０．００５≦（Ｎｂ＋Ｔｉ）≦０．０５０を満足するものである。

【0032】

式（１）について
Ａ＝０．５Ｃ×（１＋０．７Ｓｉ）×（１＋３．６Ｍｎ）×（１＋２．２Ｃｒ）×（１＋３．０Ｍｏ）・・・式（１）
式（１）で示すＡ値が１０以上２０以下であること

式（１）のＡ値は、値が増大する程、鋼材の焼入性は向上する指標であり、式（１）で勘案する成分元素と、Ａ値の算定のための各成分元素の計数は、焼入れ性の観点から設定している。なお、Ａ値は、各元素部分に、該当の元素の成分組成を質量％で表した数値が代入されることで算出して求める。
Ａ値は、鋼材の中心部まで焼入れ硬化することにより、耐摩耗性が向上することから、大型の部材にも十分適用することができるようになる。そこで、φ２００未満の鋼材径に対し中心部まで焼入れ硬化できるように、Ａ値は１０以上とする。
一方、Ａ値が２０以上であると焼入性が過剰となることから、コストの増加、製造性の低下を招くこととなるので、Ａ値は２０以下とする。そこで、本発明における式（１）で示すＡ値は１０以上２０以下の範囲とする。

【0033】

オーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度から焼入焼戻し処理をした際に焼入れされた部材の硬さが４５ＨＲＣ以上となっていること
焼入温度が低いと、十分に鋼材を焼入れ硬化させることができないため、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度より３０℃以上高いものとする。もっとも、焼入温度が過度に高すぎると結晶粒の粗大化が生じて靱性の低下を招くことがあるので、焼入温度は鋼材のオーステナイト化温度より高いとしても１００℃以下の高さとする。そこで、焼入処理のために部材を加熱する温度は、オーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度とする。
そして、上記範囲の加熱温度から焼入焼戻処理された機械構造用合金鋼の部材は、焼入焼戻し後の鋼材の中心部硬さが４５ＨＲＣ以上となる。

【0034】

すると、本発明の鋼は、例えばオーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度から焼入焼戻した後の鋼材は、鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上であり、なおかつ３５Ｊ／ｃｍ²以上の衝撃値を確保することができるので、硬さと靱性の双方がバランス良く優れたものとなる。

【0035】

さらに、Ｃが０．２５～０．３５％であるときには、オーステナイト化温度より３０℃～１００℃高い加熱温度で焼入焼戻した後の鋼材は、鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上であり、なおかつ４０Ｊ／ｃｍ²以上の衝撃値を確保することができるので、硬さとより高い靱性の双方をバランス良く得ることができる。

【0036】

以下に、本発明の実施例を示す。まず、表１に示すＮｏ．１～１０の実施例鋼およびＮｏ．１１～２１の比較例鋼のそれぞれの化学成分からなる鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。

【0037】

【表1】

【0038】

得られた鋼部材を試験片へと加工し、靱性についてはＪＩＳ Ｚ ２２４２に基づいたシャルピー衝撃試験を用いて評価した。また、耐摩耗性については直径１６０ｍｍの鋼材を焼入焼戻ししたときの鋼材中心部の硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４５に基づいたロックウェル硬度測定にて評価した。

【0039】

まず表１に示す鋼を１２００℃で直径１６０ｍｍに鍛伸した後、８７０℃で１時間保持後空冷の焼ならしを行った。その後、焼入れ処理として８７０℃に加熱して１００～２００分保持後に水冷し室温まで冷却した後、２１０℃に６０～９０分保持後に６０℃に油冷にて室温まで冷却して焼戻しを行い棒鋼を得た。得られた棒鋼について、靱性、耐摩耗性を評価した。
すなわち、上記の条件で製造、熱処理を行った棒鋼について、中心の位置より、それぞれＪＩＳ ３号 ２ｍｍ Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠してシャルピー衝撃試験を行った。

【0040】

また、上記の条件で製造、熱処理を行った棒鋼について、棒鋼の長さの中心位置（１／２Ｌ位置）より、直径１６０ｍｍ×長さ１５ｍｍを硬さ測定用試験片として採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠し、鋼材の直径１６０ｍｍの中心部の硬さをロックウェル硬度測定機にて測定した。
表２にシャルピー衝撃試験、硬さ測定の結果と、焼入性の指標として式（１）のＡ値を示す。

【0041】

【表2】

【0042】

表２に示した通り、本発明に従う実施例鋼（Ｎｏ．１～１０）は、中心部硬さが４５ＨＲＣ以上、シャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ²以上を満たしており、硬さと靱性のバランスに優れる鋼であることが確認された。

【0043】

また、さらにＣの成分範囲を０．２５～０．３５％としたときには、すなわち実施例鋼Ｎｏ．１、３、４、６、７、１０は、鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣ以上であり、なおかつシャルピー試験の衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ²以上となったことから、硬さと靱性にさらに優れる鋼が得られることが確認された。

【0044】

これに対し、式（１）で示すＡ値が１０未満である比較例鋼Ｎｏ．１１、１６、１８、１９、２１は、鋼材中心部の硬さが４５ＨＲＣを下回っており、焼入性の不足から鋼材の中心部まで焼入れ硬化していないことが確認された。
他方、式（１）で示すＡ値が２０以上である比較例鋼Ｎｏ．１２、１３では、合金元素量が多いことから焼入性が過剰となっており、製造性の低下、コストの増加が懸念されるとともに、靱性の低下も認められた。
また、Ｓｉ量が多い比較例鋼Ｎｏ．１４、１５では、靱性の低下が認められた。
さらに、Ｃ量が多い比較例鋼Ｎｏ．１７、２０、２２、２３では、Ｃ量が過剰であることから靱性の低下を招いており、シャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ²に満たず、靱性に劣ることが分かった。