(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
0.23から0.37重量％の炭素と、0.4から1.2重量％のマンガンと、0.5から2.0重量％のシリコンと、0.25から2.0重量％のクロムと、0.2から0.8重量％のモリブデンと、0.05から0.25重量％のバナジウムと、0.03から0.15重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.0008から0.009重量％のホウ素と、0.025重量％未満のリンと、0.025重量％未満の硫黄と、0.005から0.013重量％の窒素、および残りが鉄からなる深部硬化鋼製品用組成物において、窒化アルミニウムがなく、焼入れと焼き戻し後に、微細なマルテンサイトミクロ構造と、ナノメートルサイズの窒化物の分布と、0.003mm以下の間隔があいているカーバイド析出物と、を有することを特徴とする深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項２】
0.23から0.32重量％の炭素と、0.4から1.0重量％のマンガンと、0.75から1.6重量％のシリコンと、0.25から1.5重量％のクロムと、0.2から0.6重量％のモリブデンと、0.05から0.12重量％のバナジウムと、0.03から0.07重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.015重量％未満のリンと、0.01重量％以下の硫黄と、0.0008から0.005重量％のホウ素と、0.008から0.O13重量％の窒素、および残りの鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項３】
焼入れと焼き戻しの後に、25.4mm(1インチ)を越えない厚さを有する断面の中間で少なくとも45のロックウェル硬度Rcと、少なくとも140Mpa(127ksi)の平面ひずみ耐破断性を有していることを特徴とする請求項２に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項４】
焼入れと焼き戻しの後に、25.4mm(1インチ)以上の厚さを有する断面の表面の下に12.7mm(0.5インチ)で計測して少なくとも45のロックウェル硬度Rcと、少なくとも140Mpa(127ksi)の平面ひずみ耐破断性（破壊靭性）を有することを特徴とする請求項２に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項５】
0.23から0.37重量％の炭素と、0.4から1.2重量％のマンガンと、0.50から2.0重量％のシリコンと、0.25から2.0重量％のクロムと、0.2から0.8重量％のモリブデンと、0.05から0.25重量％のバナジウムと、0.03から0.15重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.0008から0.009重量％のホウ素と、0.025重量％未満のリンと、0.025重量％未満の硫黄と、0.005から約0.013重量％の窒素、および残りの鉄からなる組成物を有する深部硬化鋼製品用組成物において、該組成物は、焼入れと焼き戻しの後に、25.4mm(1インチ)を越えない厚さを有する断面の中間で計測された少なくとも45のロックウェル硬度Rcと、少なくとも140Mpa(127ksi)の平面ひずみ耐破断性を有していることを特徴とする深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項６】
窒化アルミニウムがなく、焼入れと焼き戻し後、微細なマルテンサイトミクロ構造と、ナノメートルサイズの窒化物の分布と、窒素炭化物と、カーバイド析出物とを有することを特徴とする請求項５に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項７】
0.23から0.32重量％の炭素と、0.4から1.0重量％のマンガンと、0.75から1.6重量％のシリコンと、0.25から1.5重量％のクロムと、0.2から0.6重量％のモリブデンと、0.05から0.12重量％のバナジウムと、0.03から0.07重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.O15重量％未満のリンと、0.01重量％未満の硫黄と、0.0008から0.005重量％のホウ素と、0.008から約0.013重量％の窒素、および残りの鉄からなることを特徴とする請求項５に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項８】
0.23から0.37重量％の炭素と、0.4から1.2重量％のマンガンと、0.50から2.0重量％のシリコンと、0.25から2.0重量％のクロムと、0.2から0.8重量％のモリブデンと、0.05から0.25重量％のバナジウムと、0.03から0.15重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.0008から0.009重量％のホウ素と、0.025重量％未満のリンと、0.025重量％未満の硫黄と、0.005から0.013重量％の窒素、および残りの鉄からなる深部硬化鋼製品用組成物において、焼入れと焼き戻しの後、25.4mm(1インチ)以上の厚さを有する断面の表面の下に12.7mm(0.5インチ)で計測された少なくとも45のロックウェル硬度Rcと、少なくとも140Mpa(127ksi)の平面ひずみ耐破断性と、マルテンサイトミクロ構造と、ナノメートルの大きさの窒化物と、窒素炭化物と、0.003mm以下の間隔のあいたカーバイド析出物とを有することを特徴とする深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項９】
窒化アルミニウムを含んでおらず、焼入れおよび焼き戻し後に、微細なマルテンサイトミクロ構造と、ナノメートルの大きさの窒化物と、窒素炭化物およびカーバイド析出物と、を有することを特徴とする請求項８に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【請求項１０】
0.23から0.32重量％の炭素と、0.4から1.0重量％のマンガンと、0.75から1.6重量％のシリコンと、0.25重量％から1.5重量％のクロムと、0.2から0.6重量％のモリブデンと、0.05から0.12重量％のバナジウムと、0.03から0.07重量％のチタンと、0.015から0.05重量％のアルミニウムと、0.015重量％未満のリンと、0.01重量％未満の硫黄、0.0008から0.005重量％のホウ素と、0.008から0.013重量％の窒素、および残りの鉄からなることを特徴とする請求項８に記載の深部硬化鋼製品用組成物。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般的に深部硬化ホウ素鋼に関する。より詳細には、本発明は、加熱処理後、高い硬度と耐破断性を有する深部硬化ホウ素鋼に関する。
背景技術
バケットの歯、リッパー先端、トラックシューのような地面係合用具、および土壌または岩の中で作動される建設用機械の他の部品では、耐摩耗性を有するために用具全体にわたる高硬度と、用具の過度の破損を避けるために高耐破断性と、変温度での作動中における硬度の損失を防ぐ十分な耐熱性と、の組合せが必要とされる。このため、現在に至るまでこれらの特性の全てを有する鋼材料を形成するように多くの試みがなされてきた。
好ましい硬化能力、靱性、および耐熱特性の組合せを必要とする用途に用いるために提案された多くの鋼材料では、比較的多い分量、すなわち３％以上のクロムを含む組成物を有する。例えば、建設機械用の掘削工具エッジ材料として主に用いられる鋼が、Ｋ．サツマバヤシ他に１９７６年８月１０日に付与された米国特許第３、９７３、９５１号に記載されている。この鋼は、３．０％から６．０％のクロム含量を有する。同様に、リッパー先端として用いるのに開発され、３．０％から５．０％のクロムを有する耐摩耗性鋼が、出願人株式会社小松製作所に１９７９年１２月１７日に付与された日本特許第５４−４２８１２号に記載されている。鉱山用バケット及び別の鉱山処理作業において用いるためであり、３％から４．５％のクロムを含むのが好ましい組成物を有する別の鋼が、Ｇ．トーマス他に１９７９年１０月９日に付与された米国特許第４、１７０、４９７号に記載されている。本発明を実施する鋼材料は高い硬化能力、靱性および耐熱性を有するが、２．０％を越えない量のクロムを含んでおり、好ましくは０．３５％から１．２５％のクロムを含む。
高い硬化能力と靱性の組合せを必要とする用途に用いるための別の鋼では、相当量のニッケルを必要とする。これらの組成物の例が、Ｆ．フォレイ他に１９５７年５月７日に付与された米国特許第２、７９１、５００号、Ｗ．フィンクル他に１９６５年１月１２日に付与された同第３、１６５、４０２号、１９６８年４月２３日にＨ．ディケンソンに付与された同第３、３７９、５８２号、および最近では、１９８８年８月２３日にＷ．ロバートに付与された同第４、７６５、８４９号に開示される。本発明を実施する鋼は、ニッケルの存在を必要とせずに所望の硬化能力と靱性特性とを達成する。
上述の米国特許第４、７６５、８４９号では、本発明によって提案されるものと類似する鋼の組成物の中にアルミニウムとチタンを含有することを教唆する。しかしながら、米国特許第４、７６５、８４９号は、本発明において特定されるよりも実質的に多量のアルミニウム（０．４％から１．０％まで）を添加しており、固体製品において窒化アルミニウムが形成されることになる。
米国特許第４、７６５、８４９号の教唆に対して、窒化アルミニウムが存在することは、高い硬化能力と靱性を要求する鋼には好ましくないことが一般的に知られている。例えば、１９６６年１月７日にＪ．シミン、Ｊｒ．他に付与された米国特許第３、２５４、９９１号および１９７８年１２月１２日にＫ．ホリウチ他に付与された同第４、１２９、４４２号では、窒化アルミニウムの生成を防ぐために組成物から、特にアルミニウムを除いている。
１９９２年７月２１日にＪ．マックヴィカーに付与され本件出願人に譲渡された米国特許第５、１３１、９６５号では、高い硬化性と靱性を有する鋼を開示する。しかしながら、米国特許第５、１３１、９６５号は、本発明でなされているように、高い耐破断性を得るためにホウ素の硬化性と沈殿効果を利用しないで、高い硬化性と耐熱性を獲得するためにより多量のクロムを用いる。これに加え、本発明では、粒子境界エネルギーを低下させるためにホウ素を用いて耐破断性を改善する。
本発明は上述の一つか二つ以上の問題を解決する。
本発明の開示
本発明の１態様において、深部硬化ホウ素鋼製品は、０．２３から０．３７重量％の炭素、０．４から１．２０重量％のマンガン、０．５０から２．００重量％のシリコン、０．２５から２．００重量％のクロム、０．２０から０．８０重量％のモリビデン、０．０５から０．２５重量％のバナジウム、０．０３から０．１５重量％のチタン、０．１５から０．０５０重量％のアルミニウム、０．０００８から０．００９重量％のホウ素、０．０２５重量％未満のリン、０．０２５重量％未満の硫黄、０．００５から０．０１３重量％の窒素と、残り実質的に鉄からなる組成物を有する。焼入れと焼き戻し後、鋼にはいかなる窒化アルミニウムもない。
本発明の別の態様において、深部硬化性鋼の製品は、０．２３から０．３７重量％の炭素、０．４から１．２重量％のマンガン、０．５０から２．０重量％のシリコン、０．２５から２．０重量％のクロム、０．２から０．８重量％のモリビデン、０．０５から０．２５重量％のバナジウム、０．０３から０．１５重量％のチタン、０．０１５から０．０５重量％のアルミニウム、０．０００８から０．００９重量％のホウ素、０．０２５重量％未満のリン、０．０２５重量％未満の硫黄、０．００５から０．０１３重量％の窒素、と残りの実質的に鉄からなる組成物を有し、この鋼は、焼入れと焼き戻し後に、２５．４ｍｍ（１インチ）を越えない厚さを有する断面の中間で計測して少なくとも４５のロックウェル硬度ＲCを有する。
本発明のさらに別の態様において、深部硬化鋼製品は、０．２３から０．３７重量％の炭素、０．４から１．２重量％のマンガン、０．５０から２．０重量％のシリコン、０．２５から２．０重量％のクロム、０．２から０．８重量％のモリビデン、０．０５から０．２５重量％のバナジウム、０．０３から０．１５重量％のチタン、０．０１５から０．０５重量％のアルミニウム、０．０００８から０．００９重量％のホウ素、０．０２５重量％未満のリン、０．０２５重量％未満の硫黄、０．００５から０．０１３重量％の窒素と残りの実質的に鉄からなる組成物を有し、この鋼は、焼入れと焼き戻し後に、２５．４ｍｍ（１インチ）以上の厚さを有する断面の表面の下に１２．７ｍｍ（０．５インチ）で計測して少なくとも４５のロックウェル硬度ＲCを有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る深部硬化鋼の典型的な破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
図２は、深部硬化鋼の従来の典型的な破断面のＳＥＭ写真である。
図３は、従来の鋼と本発明を実施する鋼の硬度と耐破断性との関係を表すグラフである。
本発明を実施するのに最良の形能
本発明の好ましい実施例において、深部硬化鋼は、以下からなる組成物を重量％の単位で有する。
炭素                ０．２３から０．３７
マンガン            ０．４０から１．２０
シリコン            ０．５０から２．００
クロム              ０．２５から２．００
モリビデン          ０．２０から０．８０
バナジウム          ０．０５から０．２５
チタン              ０．０３から０．１５
アルミニウム        ０．０１５から０．０５０
リン                ０．０２５未満
硫黄                ０．０２５未満
ホウ素              ０．０００８から０．００９
窒素                ０．００５から０．０１３
残り                実質的に鉄
本発明の深部硬化鋼は、実質的にニッケルと銅を含まない。しかしながら、上述した鋼組成物は、少量のニッケルと銅を含んでいてもよいが、必要なものではなく、付随的なものであると考えられる。詳細には、０．２５％までのニッケルと０．３５％までの銅が、容認される商業製品に残留元素として存在していてもよい。
本明細書で用いられる“深部硬化鋼”という用語は、形成される部品がこれの横断面にわたって、あるいは可能な限りほぼ横断面にわたって硬化されることのできる特性を有する鋼のことをいう。
本明細書で用いる“焼入れおよび焼き戻し”という用語は、完全に焼入れされたミクロ構造を達成する加熱処理のことをいう。以下に記載した例Ａ−Ｆに記載された鋼材料に対して、加熱処理では、特に次の段階を含む。
１．試験サンプルを鋼のオーステナイト化温度にまで加熱して、有害な脱炭素化、結晶成長、または過度のひずみなしに、断面にわたって均一な溶液を作り出す。以下の例Ａ，Ｂにおいて、製品を約１時間の間、８７０℃（１５９８°Ｆ）にまで加熱した。以下の例Ｃ，Ｄ，Ｅ，およびＦにおいて、製品を約１時間の間約９５０℃（１７４２°Ｆ）にまで加熱した。
２．水中で完全に焼入れして可能なかぎり最も深部の硬度を作り出した。
３．十分な時間の間、再加熱することによって焼き戻して、全ての断面で温度が等しくなるようにする。以下に記載した例において、製品は、約１時間、約２１５℃（４２０°Ｆ）まで再加熱された。
以下の例Ｃ，Ｄ，Ｅ，及びＦにおいて、モリビデンの含量がより多くなると、モリビデンカーバイドが冷却前に溶液に溶けるようにするために、より高いオーステナイト化温度が必要となる。。
以下に記載した例全ての耐破断性が、金属材料の平面−歪み（山形−ノッチ）耐破断性の標準試験法、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って計測された。耐破断性計測のための見本が、金属材料の平面−列靱性に関する試験法、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９によって定義されているように、サンプル源材料の圧延の方向に対してＬ−Ｔ配向を有するようにより大きい試験サンプルから全て切断された。
本発明を実施する鋼材料は、実質的に窒化アルミニウムがなく、焼入れと焼き戻しの後、微細なマルテンサイトのミクロ構造とナノメートルの大きさの窒化物の分布、窒素炭化物、カーバイド沈殿物を有する。
さらに、以下の例に示すように、本発明を実施する鋼材料は、これと同じ従来の鋼材料と比較して、改良された耐破断性特性と、実質的に同じかこれよりもすぐれた硬化性とを有する。
例Ａ
トラックシューと別の車台の用途に対して本発明の譲り受け人に用いられる特徴的な組成物の低含有量を表す実験用インゴットが、溶融され、注入されて、約７：１の縮小まで圧延され、４３ｍｍ（１．７インチ）の四角柱を形成する。圧延の後、四角柱は分光写真法により下の組成物を有することがわかった。
炭素          ０．２２
マンガン      １．０８
シリコン      ０．２３
クロム        ０．５１
モリビデン    ０．０６
アルミニウム  ０．０３６
リン          ０．０１７
硫黄          ０．００５
チタン        ０．０４２
ホウ素        ０．００１
窒素          ０．０１１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４どおりに四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に定義されているようなＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験された、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000002
硬度の計測が短ロッド見本のクリップスロット面の端部の下側約１２．７（００５インチ）の点で試験見本のそれぞれに対してなされた。耐破断性値は試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
例Ｂ
トラックシューと別の車台の用途に対して本発明の譲受け人に用いられる特徴的な組成物の高含有量を表す実験用インゴットが、溶融されて、注入され、約７：１の縮小まで圧延されて、４３ｍｍ（１．７インチ）の四角柱を形成する。圧延の後、四角柱は、分光写真法により以下の組成物を有することがわかった。
炭素          ０．２８
マンガン      １．２８
シリコン      ０．２４
クロム        ０．６１
モリビデン    ０．１１
アルミニウム  ０．０３６
リン          ０．０１９
硫黄          ０．００５
チタン        ０．０４３
ホウ素        ０．００１
窒素          ０．０１１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に定義されたＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験された、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000003
硬度の計測が短ロッド見本のクリップスロット面の端部の下側、約１２．７（０．５インチ）の点で各試験見本上でなされた。この耐破断性の値は、試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
例Ｃ
本発明を実施する深部硬化鋼を示す実験用イグノットが溶融され、注入され、約７：１の縮小まで圧延されて４３ｍｍ（１．７インチ）の四角柱を形成する。
重要なことは、この溶融の準備において、チタン添加が、アルミニウムの添加とともに取瓶内でなされたことである。チタンの添加はアルミニウムの添加と共に、またはそれよりも後になされるべきであることがわかった。チタンは、アルミニウムまたはホウ素のいずれかよりも窒素に対しより強い親和性を有し、２つの目的を有する。第１に、硬度性を高めるために窒素からホウ素を保護し有効なホウ素を形成すること、第２に、窒素からアルミニウムを保護し、耐破断性に対し悪影響を及ぼすような好ましくない窒化アルミニウムが生成される可能性を取り除く。チタンの添加よりも先に、あるいは同時にアルミニウムの添加がチタンを酸素から防ぐのに必要である。アルミニウムは、液状鋼温度で、チタンよりも熱力学的に強い酸化物形成剤である。このように本発明において、好ましくない窒化アルミニウムの生成が防げる。
窒化物、窒素炭化物の存在、およびカーバイド生成元素、窒素と炭素の存在のもとでシリコン、モリビデン、バナジウム、チタンおよびホウ素の存在を利用して焼入れの際に、ナノメートルの大きさの沈殿物を形成する。窒化アルミニウムがないことと、ナノメートルの大きさの窒化物の分布、窒素炭化物及びカーバイド沈殿物がないために、本発明を表す鋼に関して観察される耐破断性が極めて高くなると考えられる。
インゴットからの鋼は、分光写真で分析されて以下の組成物を有した。
炭素          ０．２６
マンガン      ０．５５
シリコン      １．５６
クロム        ０．３４
モリビデン    ０．１５
アルミニウム  ０．０３２
リン          ０．０１５
硫黄          ０．００７
チタン        ０．０４２
バナジウム    ０．１０
ホウ素        ０．００２
窒素          ０．０１１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に定義されたＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験され、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000004
硬度の計測が短ロッド見本のクリップスロット面の端部の下側約１２．７（０．５インチ）の点で各試験見本上でなされた。この耐破断性の値は、試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
短ロッド耐破断性見本の破断面から破断面までが走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって試験された。窒化アルミニウムは、いずれの見本からも観察できなかった。破断面は全て、凝集性背景粒子の極めて細かな分布を有する材料において発生するマイクロ空隙の核形成と成長とに一致する極めて微細な延性くぼみを表した。
例Ｄ
例Ｃの実験用イグノットと同様に、本発明を実施する深部硬化鋼を表す実験用イグノットが溶融されて、注入され、約７：１の縮小まで圧延されて、４３ｍｍ（１．７インチ）の四角柱を形成する。この溶融の準備において、チタン添加がアルミニウムの添加とともに取瓶内でなされた。このイグノットからの鋼が分光写真的に分析されて以下の組成物を有した。
炭素          ０．２６
マンガン      ０．５６
シリコン      １．５９
クロム        ０．３４
モリビデン    ０．２１
アルミニウム  ０．０３２
リン          ０．０１５
硫黄          ０．００７
チタン        ０．０４４
バナジウム    ０．１０
ホウ素        ０．００２
窒素          ０．０１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に定義されたＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験され、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000005
硬度の計測が短ロッド見本のグリップスロット面の端部の下側約１２．７（０．５インチ）の点で各試験見本上でなされた。この耐破断性の値は、試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
短ロッド耐破断性見本の破断面から破断面までが走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって試験された。窒化アルミニウムは、いずれの見本からも観察できなかった。破断面は全て、凝集性背景粒子の極めて微細な分布を有する材料において発生するマイクロ空隙の核形成と成長とに一致する極めて微細な延性くぼみを表した。
例Ｅ
本発明を実施する深部硬化鋼を示す実験用イグノットが溶融され、注入され、約７：１の縮小まで圧延されて、例Ｃの実験用イグノットと同様に、４３ｍｍ（１．７インチ）の四角柱を形成する。この溶融の準備では、チタン添加がアルミニウムの添加とともに取瓶内でなされた。このイグノットからの鋼が分光写真的に分析されて以下の組成物を有した。
炭素          ０．２７
マンガン      ０．５５
シリコン      １．５６
クロム        ０．３５
モリビデン    ０．３５
アルミニウム  ０．０３３
リン          ０．０１５
硫黄          ０．００７
チタン        ０．０４３
バナジウム    ０．１０
ホウ素        ０．００２
窒素          ０．０１１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に記載されたＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験され、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000006
硬度の計測が短ロッド見本のグリップスロット面の端部の下側約１２．７（０．５インチ）の点で各試験見本上でなされた。この耐破断性の値は、試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
短ロッド耐破断性見本の破断面から破断面までが走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）技術によって試験された。窒化アルミニウムはいずれの見本からも観察できなかった。破断面は全て、凝集性背景粒子の極めて微細な分布を有する材料において発生するマイクロ空隙の核形成と成長とに一致する極めて微細な延性くぼみを表した。
例Ｆ
例Ｃの実験用イグノットと同様に、本発明を実施する深部硬化鋼を表す実験用イグノットが溶融されて、注入され、約７：１の縮小まで圧延されて、４３ｍｍ（１．７インチ）の四角形のバーを形成する。この溶融の準備において、チタン添加がアルミニウムの添加とともに取瓶内でなされた。このイグノットからの鋼が分光写真的に分析されて以下の組成物を有した。
炭素          ０．２６
マンガン      ０．５５
シリコン      １．５５
クロム        ０．３４
モリビデン    ０．３８
アルミニウム  ０．０３
リン          ０．０１４
硫黄          ０．００７
チタン        ０．０４１
バナジウム    ０．１０
ホウ素        ０．００２
窒素          ０．０１
鉄            実質的に残り
圧延の後、３つの直径２５．４ｍｍ（１インチ）の短ロッド耐破断性試験の見本が、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って四角柱から加工され、ＡＳＴＭ試験法Ｅ３９９に定義されたＬ−Ｔ配向を有する。耐破断性試験見本が上述に定義された焼入れと焼き戻し手順に従って加熱処理されて、ＡＳＴＭ試験法Ｅ１３０４に従って試験され、完全にマルテンサイトミクロ構造を得て、以下の特性を有することがわかった。
0003919219.tif 000007
硬度の計測が短ロッド見本のグリップスロット面の端部の下側約１２．７（０．５インチ）の点で各試験見本上でなされた。この耐破断性の値は、試験された３つの短ロッド見本の平均値である。
短ロッド耐破断性見本の破断面から破断表面までがＳＣＭ技術によって試験された。窒化アルミニウムはいずれの見本からも観察できなかった。全ての破断面は、凝集性背景粒子の極めて微細な分布を有する材料において発生するマイクロ空隙の核形成と成長とに一致する極めて微細な延性くぼみを表した。
図１は、本発明を実施する深部硬化鋼の破断面を示す。破断面は、観察された高耐破断性と一致する、主に微細な延性くぼみである。図２は従来技術の鋼の破断面を示す。図１を参照すると、本発明を実施する深部硬化鋼の延性くぼみは、図２に示した従来技術の深部硬化鋼よりもさらに細かい。例えば、図１に示すように相当数の延性くぼみは、１から２ミクロンの間隙を有しているが、図２に示した従来技術の鋼における大部分のくぼみは、約５ミクロンの間隙を有する。
例Ａ、Ｂで記載した従来の深部硬化鋼の各硬度および各耐破断性のそれぞれの値と、例Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦに記載した本発明を実施する深部硬化鋼が図３にグラフに示されている。同じ硬度の範囲において従来の材料に対する耐破断性の改良がかなり明白になっている。
十分な硬度を有するが靱性特性に影響を及ぼさないようにするために、本発明を実施する鋼の組成物において、約０．２３重量％から０．３７重量％、好ましくは約０．２３重量％から０．３１重量％の範囲の炭素が存在しなければならない。
本発明の深部硬化鋼は、また硫化鉄の生成を防ぎ硬度性を高めるために、少なくとも０．４０重量％で１．２０重量％を越えない量のマンガンも必要とする。
十分な耐熱性と硬度を形成するために、少なくとも０．２５重量％で２．００重量％を越えない量のクロムが本発明の鋼の組成物に存在しなければならない。
本発明の鋼は、耐熱性と硬化能力を形成するために、少なくとも０．５０重量％で２．００重量％を越えない量のシリコンを含んでいなければならない。
耐熱性と硬化能力をさらに保証するとともに、小量の背景沈殿物を形成するために、モリビデンが、本発明の鋼組成物に少なくとも０．２０重量％存在しなければならない。これらの特性における数値を有効に高くしておくことは、０．８０重量％を越えない量のモリビデンが必要とされる。
モリビデンと組合せて耐熱性、二次硬化、背景粒子をさらに促進するために、本発明の組成物の中には、少量のバナジウムが含まれていることが好ましい。この目的のために、バナジウムが少なくとも０．０５重量％、好ましくは約０．１２重量％存在しなければならない。バナジウムの有益な寄与は、鋼の中に０．２５重量％を越えずに、好ましくは約０．１２重量％存在することで達成される。
硬度性を高め、背景粒子に寄与し、さらに粒子境界エネルギーを減少させるために、少なくとも約０．０００８重量％、好ましくは約０．００２重量％のホウ素が存在すればよい。
本発明を実施する鋼組成物は、少量であるが、必須であるアルミニウムとチタンの双方を有していなければならない。さらに、例Ｃにおいて上述したように、好ましくない窒化アルミニウムの生成を防ぐために、チタンの添加は、アルミニウムの添加と同時か、またはその後に溶融に対してなされることが重要である。少なくとも約０．０１５重量％アルミニウムと約０．０３重量％のチタンが有益な量のこれらの元素を形成するのに必要とされる。窒素チタンと窒素炭化物は、有益な背景沈殿物に寄与する。これらの元素と酸素、特に窒素との好ましい相互作用を保証するために、アルミニウムは０．０５重量％を越えない、好ましくは約０．０２５重量％を越えないように制限されなければならず、チタンは、０．１５重量％、好ましくは約０．０５重量％を越えないように制限されなければならない。
チタンとバナジウムと組み合わせるための十分な窒素があり、チタンおよび窒化バナジウムおよび窒素炭化物を形成するために、少なくとも０．００５重量％の窒素が鋼化合物内にあることが極めて重要である。窒素の含有量は約０．００８重量％から０．０１３重量％であるのが好ましい。また、酸素の通常の電気炉鋼製造レベル、即ち約０．００２重量％から０．００３重量％の酸素が得られるのが好ましい。
本発明を実施する鋼が０．０２５重量％を越えない量のリンと硫黄を含み、これらの元素が材料の靱性特性に悪影響を与えないようにすることも望ましい。好ましくは、組成物は０．１０重量％を越えない量の硫黄と０．０１５重量％をえ越えないリンとを含むのが好ましい。
要約すると、上述の例において、深部硬化鋼の耐破断性の顕著に増大させることは、比較的少量であるが、必須であるアルミニウムとチタンの添加を制御することによって達成できる。比較的少量のこれらの元素が、硬度を減少させることなくミクロ構造を純化し靱性を改良するために有効に協働する機構が、例Ｃに記載されている。本発明を実施する深部硬化鋼組成物では、好ましくない窒化アルミニウムが実質的にない。
産業上の利用分野
本発明の深部硬化鋼は、摩耗、あるいは摩損を受け、また破断してしまうような用具を必要とする用途に特に有効である。このような用具の例には、バケットの歯、リッパー先端、トラックシューのような、建設に用いられる地面に係合する用具を含む。
さらに、本明細書で記載した深部硬化鋼は製造するのに経済的であり、比較的多い量、即ち２％以上のクロムを必要とせず、また組成物にニッケルまたはコバルトを含む必要はない。さらに、本発明を実施する深部硬化鋼は従来の焼入れおよび焼き戻し工程に応答する。この材料から形成された製品は、特別な設備、即ち加熱処理を必要とせず、処理された製品には鋼硬化性、耐破断性および耐熱性が形成されるようになる。
本発明の別の態様、目的および利点は図面、発明の開示、および添付の請求の範囲を研究することによって得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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