(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.35〜0.55質量％、
Si：0.15〜1.0質量％、
Mn：0.40〜1.50質量％、
Ｐ：0.02質量％以下、
Ｓ：0.012質量％以下、
Al：0.01〜0.06質量％、
Mo：0.30〜0.80質量％、
Ｂ：0.0005〜0.0035質量％、
Nb：0.01〜0.05質量％、
Ti：0.005〜0.05質量％および
Ｎ：0.0065質量％未満
を含有し、さらに下記（１）式の関係を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成であり、表面から深さ15mm以上の硬化層を有しており、前記硬化層の中で、前記表面から深さ：15mmの位置でのビッカース硬度が450以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用合金鋼。
記
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕  ≧１．５０          ・・・・・（１）
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項２】
Ｃ：0.35〜0.55質量％、
Si：0.15〜1.0質量％、
Mn：0.40〜1.50質量％、
Ｐ：0.02質量％以下、
Ｓ：0.012質量％以下、
Al：0.01〜0.06質量％、
Mo：0.32〜0.80質量％、
Ｂ：0.0005〜0.0035質量％、
Nb：0.01〜0.05質量％、
Ti：0.005〜0.05質量％および
Ｎ：0.0065質量％未満
を含有し、さらに、Cu：0.1〜0.7質量％、Ni：0.1〜1.5質量％、Cr：0.1〜1.0質量％およびＶ:0.01〜1.0質量％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、かつ下記（１）´式の関係を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成であり、表面から深さ15mm以上の硬化層を有しており、前記硬化層の中で、前記表面から深さ：15mmの位置でのビッカース硬度が450以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用合金鋼。
記
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）≧１．５０・・・・・（１）´
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設、土木、鉱山等の分野で用いられる産業機械や運搬機械等に使用され、土砂や岩石との磨耗が問題となるような部材に用いて好適な機械構造用合金鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土、砂、岩石等による磨耗を受ける部材には、長寿命化のため、耐摩耗性に優れた鋼材が使用される。鋼材の耐摩耗性は高強度化することによって向上することが知られているため、耐摩耗性が要求される部材には、Cr,Mo等の合金元素を多量に添加した鋼材に焼入れ等の熱処理を施し、高硬度化した鋼材が使用されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、従来の高Ni鋼（JIS SNCM431H）に対して、比較的安価な高靭性耐磨耗鋼として、Ｃ増量による強度確保や、Ｐ,Ｓの上限制限による粒界強度向上、Ｂによる焼入れ性の確保、Niの代わりのNb,Ti添加等による粒界強度改善および靭性向上を図る技術が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、耐磨耗鋼が磨耗性を重視した際に生じ易い、靭性劣化による折損の問題を解消するためになされた発明が開示されており、その技術は、上記折損の破壊箇所が粒界破壊であることに注目し、Ｐ,Ｓ,Si,Mnをそれぞれ低減することによって粒界脆化を抑制すると伴に、Nbを添加して粒界脆化抑制効果を増加することで、耐折損性の向上を図るものである。
【０００５】
特許文献３では、耐磨耗性の劣化を招く焼戻し軟化の懸念なく、高靭性を供え、さらに優れた耐折損性を示す耐磨耗性強靭鋼が提案されている。この発明では、Ｃ量を、0.7〜0.95重量％と高めつつ、Ｐ,Ｓを低減すると共にSiを低レベルに抑えることによって靭性を向上させ、さらに、Cr,Mo,Ｖ添加による焼戻し軟化特性の向上を通じて、優れた強度、耐焼戻し軟化性、耐磨耗性および靭性をバランスよく兼ね備えた耐磨耗性強靭鋼を提案している。
【０００６】
特許文献４では、HRCで55以上の硬さを有しつつ優れた靭性を持つ耐摩耗用鋼として、AlとNiの複合添加により粒界の強化が可能となることを見出し、靭性を画期的に改善できる技術が提案されている。加えて、ＳとMnの比率を適正化し、結晶粒界へのＳの偏析を軽減して、粒界強度劣化を軽減している。また、脱硫元素の添加や、合金元素の添加を調整し、焼入れ性や焼戻し軟化抵抗の適正化を図っている。
【０００７】
さらに、特許文献５では、厚みが0.5mm以下の鋼板に対し、表層に50μm以下かつビッカース硬度：750以上の硬化層を有し、硬化層以外の鋼組織における、旧オーステナイト粒径が10μm以下でかつマルテンサイト分率が90％以上であって、ビッカース硬度が450以上750未満である、強度や、延性、靭性、耐磨耗性に優れた機械構造用鋼が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平０３−７１４９９号公報
【特許文献２】特開平０５−２１４４８５号公報
【特許文献３】特許第３０２７９２７号公報
【特許文献４】特開２００３−２７１８１号公報
【特許文献５】特開２００７−１７７３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献１では、SiやMnなどを低減した状態で、CrやMoを多量に添加していることから、焼戻し後の炭化物の粒径が比較的大きくなり、靭性に悪影響を及ぼす懸念がある。
特許文献２では、粒界強度向上のためにSi，Mnを低減しているが、焼入れ性を確保するために、高価な合金元素を多量に使用するので経済的ではないという問題がある。
特許文献３では、硬度向上のために炭素を増加させているが、その際に、鋼の靭性が大きく低下してしまうという問題がある。
特許文献４では、Alを多量に添加することで、鋼中にAl2O3酸化物が残留する懸念が強く、疲労強度の低下を招くおそれがある。
さらに、特許文献５では、硬化層厚みが50μm以下と薄く、今回、対象としている土、砂および岩石等により磨耗を受けるような部材に対しては、その厚みが不足している。
【００１０】
本発明は、上記の実情に鑑み開発されたものであり、その目的とするところは、耐摩耗性に優れるだけでなく、比較的安価でかつ高い靭性を有する機械構造用合金鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ね、耐磨耗性を有しつつ靭性を向上させるための方法を見出した。
図１に、焼入れ焼戻し後の靭性とSi,Mn,CrおよびMo成分との関係について調べた結果を示す。同図より、（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）の値を大きくすることで、靭性が向上する傾向にあることが分かる。その理由は、SiやMnの存在が炭化物の析出を抑制する傾向にあって、それゆえに鋼の強度と靭性とのバランスが一段と向上しているからと考えられる。
なお、図１の結果は、質量％で、0.4%C-0.02%Nb-0.02%Ti-0.002%B鋼を基本として、この基本組成に種々の合金元素を添加し、焼入れ焼戻しを行って得たものである。
【００１２】
本発明は、上記した知見に基づき完成したものであって、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.35〜0.55質量％、
Si：0.15〜1.0質量％、
Mn：0.40〜1.50質量％、
Ｐ：0.02質量％以下、
Ｓ：0.012質量％以下、
Al：0.01〜0.06質量％、
Mo：0.30〜0.80質量％、
Ｂ：0.0005〜0.0035質量％、
Nb：0.01〜0.05質量％、
Ti：0.005〜0.05質量％および
Ｎ：0.0065質量％未満
を含有し、さらに下記（１）式の関係を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成であり、表面から深さ15mm以上の硬化層を有しており、前記硬化層の中で、前記表面から深さ：15mmの位置でのビッカース硬度が450以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用合金鋼。
記
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕  ≧１．５０          ・・・・・（１）
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
【００１３】
２．Ｃ：0.35〜0.55質量％、
Si：0.15〜1.0質量％、
Mn：0.40〜1.50質量％、
Ｐ：0.02質量％以下、
Ｓ：0.012質量％以下、
Al：0.01〜0.06質量％、
Mo：0.32〜0.80質量％、
Ｂ：0.0005〜0.0035質量％、
Nb：0.01〜0.05質量％、
Ti：0.005〜0.05質量％および
Ｎ：0.0065質量％未満
を含有し、さらに、Cu：0.1〜0.7質量％、Ni：0.1〜1.5質量％、Cr：0.1〜1.0質量％およびＶ:0.01〜1.0質量％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、かつ下記（１）´式の関係を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成であり、表面から深さ15mm以上の硬化層を有しており、前記硬化層の中で、前記表面から深さ：15mmの位置でのビッカース硬度が450以上であることを特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用合金鋼。
記
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）≧１．５０・・・・・（１）´
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐摩耗性に優れるだけでなく、焼入れ焼戻し後の靭性にも優れ、工業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】焼入れ焼戻し後の靭性に及ぼすSi,Mn,CrおよびMo組成バランスの影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の機械構造用合金鋼について具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について、成分毎に詳しく説明する。なお、以下に述べる鋼の成分組成を示す％表示は特に断らない限り質量％を意味する。
Ｃ：0.35〜0.55％
Ｃは、焼入れ時のマトリックス硬度を向上させて耐摩耗性を向上させる最も基本となる元素である。このような効果を得るためには、0.35％以上の含有を必要とする。一方、0.55％を超える含有は、靭性を大きく低下させるため、Ｃ量は0.35〜0.55％の範囲に限定する。好ましくは、0.38〜0.50％以下の範囲である。
【００１７】
Si：0.15〜1.0％
Siは、固溶強化および焼入れ焼戻し後の炭化物の形成に影響する元素である。この効果を得るには、少なくとも0.15％以上の添加が必要である。しかしながら、過剰の添加は変形抵抗を著しく増大させ、加工性を低下させることから、上限を1.0％とする。好ましくは0.18〜0.85％である。
【００１８】
Mn：0.40〜1.50％
Mnは、焼入性の向上に有効な元素で有り、少なくとも0.40％の添加を必要とする。しかし、過剰な添加は、鋼素材における成分偏析を助長し、靭性や焼入れ時の焼き割れを促進することから上限を1.50％とする。好ましくは0.45〜1.40％の範囲である。
【００１９】
Ｐ：0.02％以下
Ｐは、結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、その含有は低いほど望ましいが、0.02％までは許容される。好ましくは0.016％以下である。
【００２０】
Ｓ：0.012％以下
Ｓは、Ｐと同様に靭性の低下を招くため、上限を0.012％とする。
【００２１】
Al：0.01〜0.06％
Alは、脱酸剤として使用され、この効果は0.01％以上の添加で認められる。しかしながら、含有量が0.06％を超えると、疲労強度に対して有害なA1203介在物の生成を助長する。従って、Al量は0.01〜0.06％の範囲に限定する。
【００２２】
Mo:0.30〜0.80％
Moは、焼入れ焼戻し後の硬度低下を抑え、硬度と靭性の両立を図る上で、欠かせない元素である。この効果を得るためには少なくとも0.30％以上の添加が必要である。しかし、Moは高価な元素であり、上記の効果は0.80％で飽和する。従って、Mo量は0.30〜0.80％の範囲に限定する。
【００２３】
Ｂ：0.0005〜0.0035％
Ｂは、焼入れ処理時にオーステナイト粒界に偏析することで焼入れ性を高め、素材の硬度上昇に寄与する。また、粒界に対して優先的に偏析することで、不純物元素の粒界偏析を防ぎ、粒界強化による靭性向上にも寄与する。これらの効果を発揮するためには、少なくとも0.0005％の添加が必要である。一方、過剰な添加は、靭性や加工性などの低下を招くことから、上限は0.0035％とする。好ましいＢ含有量の上限は0.0030％である。
【００２４】
Nb：0.01〜0.05％
Nbは、鋼中でNbCを形成し、熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化を阻止する、いわゆるピン止め効果を発現することで靭性の向上に寄与する。この効果を得るためには、少なくとも0.01％の添加が必要である。一方、0.05％を超えて添加をすると、粗大なNbCが析出するために、粗粒化抑制能が低下して、鋼の靭性の劣化を招くおそれがあるので、上限を0.05％とする。好ましくは0.015〜0.045％の範囲である。
【００２５】
Ti：0.005〜0.05％
Tiは、Ｂの焼入れ性を確保するために不可欠な元素である。Tiは、Ｎと結合しTiNを形成することで、ＢがBNとなることを防ぐ作用がある。この効果を得るためには、少なくとも0.005％以上の添加が必要である。一方、0.05％を超えて添加すると、粗大なTiNの析出により、靭性や疲労強度の低下を生じるおそれがあるため、その上限は0.05％とする。好ましくは0.007〜0.035％の範囲である。
【００２６】
Ｎ：0.0065％未満
Ｎは、Ｂの焼入れ性を確保するために、鋼中への混入を極力回避することが好ましい成分である。従って、Ｎ量は0.0065％未満とする。
【００２７】
また、本発明では、上記した必須成分に加えて、焼入性を高めるために、Cu：0.1〜0.7％、Ni：0.1〜1.5％、Cr:0.1〜1.0％およびＶ：0.01〜1.0％のうちから選ばれる１種または２種以上を添加することができる。
【００２８】
Cuは、焼き入れ性の向上に有効な元素であり、その効果を得るためには0.1％以上の添加を必要とするが、多量の添加は鋼材の表面性状の劣化や合金コストの増加を招くため、上限を0.7％とする。
【００２９】
Crは、焼入性のみならず、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与し、さらには炭化物の球状化促進にも有用な元素であるが、添加量が0.1％に満たないとその添加効果に乏しい。一方、その添加が1.0％を超えると、残留オーステナイトの生成を促進し、耐摩耗性に悪影響を与える場合がある。よって、Cr量は1.0％を上限とする。好ましくは0.8％未満である。
【００３０】
NiおよびＶは、焼入れ性や靭性の向上に有効な元素であり、この効果を得るためにはそれぞれ0.1％および0.01％以上の添加が必要であるが、高価であることから、上限をそれぞれ1.5％および1.0％とする。
【００３１】
本発明では、上記した各成分を単に限定するだけでは不十分で、特に、Si,Mn,CrおよびMo量については、以下の式（１）または（１）´を満足させることが肝要である。
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕≧１．５０                  ・・・・・（１）
（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）≧１．５０    ・・・・・（１）´
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
前述したように、上記の（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕または（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）の値を大きくすることで、鋼の靭性が向上するだけでなく、さらに、SiおよびMnの存在が炭化物の析出を抑制するため、鋼の強度と靭性とのバランスが一段と向上するからである。そのためには、（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕または（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）の値が1.50以上である必要がある。一方、（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/〔％Mo〕または（〔％Si〕＋〔％Mn〕）/（〔％Cr〕＋〔％Mo〕）の値の上限については、特に限定されるわけではないが、Si,Mnの過剰添加による加工性劣化や成分偏析を防止する観点から、６程度とするのが好ましい。
【００３２】
また、本発明では、鋼材表面から15mm位置で、ビッカース硬さが450以上となる硬化層を有することが必要である。それは、岩石等による、衝撃力を含んだ摩擦力を受ける場合に必要な硬化層深さを検討した際、上記15mm位置でのビッカース硬さを450以上とすれば、鋼材の十分な耐磨耗性が得られる、という結果が得られたからである。
【００３３】
本発明における機械構造用合金鋼の製造条件に、特別の限定はなく、従来公知の機械構造用合金鋼の製造方法を用いることができる。
【実施例１】
【００３４】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、一旦1150℃以上に加熱した後、170mm×170mm角断面の中間素材とし、更にＡc３＋100℃以上に加熱した後、熱間圧延により直径：60mmの丸棒に成形した。得られた棒鋼について、硬度、衝撃特性および耐磨耗性の評価を行った。
【００３５】
【表１】
0005962160.tif 000002
【００３６】
ここで、引張り、衝撃特性は、炉加熱による焼入れ焼戻し後および高周波加熱焼入れ後の２種類で評価した。
すなわち、棒鋼の表面から直径の1／4の深さ位置（1／4Ｄ位置）より、直径：25mmおよび16mmの熱処理用試験片を採取した。直径：25mmのサンプルは、850℃に加熱後、油焼入れして550℃で焼戻しを行った。一方、直径：16mmのサンプルは、高周波により表面温度を1050℃まで急速加熱後、水焼入れし、170℃、１ｈの焼戻し処理を行った。
ついで、熱処理後のサンプルから、それぞれJIS 3号シャルピー試験片を採取し、20℃における衝撃値（靱性）測定試験を行った。また、サンプル中央の硬度測定を、ビッカース試験機を用いて荷重：98Ｎで行った。
【００３７】
一般に、焼入れ焼戻し後は、硬度がHV350以上、靭性値が55J/cm２以上であれば、棒鋼の靭性は良好であるといえる。また、高周波焼入れ焼戻し後は、硬度がHV：615以上、靭性値が45J/cm２以上であれば、棒鋼の靭性は良好であるといえる。
なお、高周波焼入れ性については、焼入れ深さの影響を確認することを目的に、直径：60mmの丸棒を使用して、高周波焼入れを施し、170℃、１ｈの焼戻し後に、表面からの深さ15mm位置の硬さを測定した。この時、硬度がHV450以上であれば、焼入れ性が良好であるとした。
【００３８】
次に、耐摩耗性はASTMG65に準拠したラバーホイール磨耗試験によって評価した。試験結果をJIS  SCM440の磨耗量と各供試材の磨耗量との比（以下、耐摩耗比という）を耐摩耗性として整理した。ここに、上記比の値が大きいほど、耐摩耗性に優れていて、具体的には耐摩耗比が3.0以上であれば、耐摩耗性が良好であるといえる。
得られた結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0005962160.tif 000003
【００４０】
表２に示したとおり、本発明に従う発明例（試験Ｎｏ．１〜７）はいずれも、耐摩耗性に優れ、かつ靭性にも優れていることが分かる。これに対し、Ｃ量が下限に満たない試験Ｎｏ．８およびMo量が下限に満たない試験Ｎｏ．12は、耐摩耗性などに劣り、Ｃ,Si,Mn,ＢおよびNb量のいずれかが上限を上回っている試験Ｎｏ．９〜11,13および14は、それぞれ靱性などに劣り、Ti,Ｎ,ＳおよびＰ量のいずれかが上限を上回っている試験Ｎｏ．15〜17および20は、それぞれ耐摩耗性や靱性などに劣っていた。また、SiおよびMn量のいずれかが下限を下回っている試験Ｎｏ．18および19は、耐摩耗性に劣っていた。
【図１】
0005962160.tif 000004