JP7812779B2

JP7812779B2 - 耐摩耗鋳鋼及びその製造方法

Info

Publication number: JP7812779B2
Application number: JP2022206715A
Authority: JP
Inventors: 実日根野; 篤司中久保; 秀和末野; 淳彦白井
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2022-12-23
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2026-02-10
Anticipated expiration: 2042-12-23
Also published as: JP2024090674A

Description

本発明は、破砕機用部品などに使用される耐摩耗鋳鋼に関するものである。

金属スクラップや砕石、粗大ゴミなどを粉砕する破砕機が知られている。破砕機は、たとえば、シェル内でブレーカーを高速回転させて荒破砕、回転するグラインダーで細破砕するものであり、これら構成部品には、耐摩耗性、耐衝撃性が要求されるから、高硬度且つ高靱性の材料が使用される。

その種の材料として、特許文献１では、質量％にて、Ｃ：０．３０％～０．３５％、Ｓｉ：０．３０％～０．６０％、Ｍｎ：０．９０％～１．５０％、Ｃｒ：０．９１％～１．５０％、Ｎｉ：１．６０％～１．９０％、Ｍｏ：０．２０％～０．３０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、残部Ｆｅ及び不純物からなる耐摩耗鋳鋼を開示している。当該耐摩耗鋳鋼は、製品肉厚が１インチ以上であって、ＨＲＣが４５～５３（ＨＢＷ４２１～５２５）、シャルピー衝撃値（Ｕノッチ）が２０～４０Ｊ／ｃｍ^２である。

特許文献１の耐摩耗鋳鋼は、所望の硬度、シャルピー衝撃値を達成するために、調製された鋳鋼塊に１０００℃～１１００℃に加熱保持した後炉冷する均質化処理工程と、８５０℃～９５０℃に加熱保持した後水冷を行なう焼入れ工程と、１５０℃～２８０℃に加熱保持した後室温まで炉冷する焼戻し工程の３工程を必須とする。

特開２０１２－２４６５６４号公報

高温の均質化処理工程や、焼戻し工程は高コストとなる。また、焼戻し工程は、焼入れにより低下した靭性を回復するために実施されるが、焼戻しは硬度の低下を伴う。このため、硬度の低下を招くことなく、靭性にすぐれた鋳鋼材の開発が望まれている。

本発明の目的は、焼戻し工程を実施しなくても、靭性と硬度を確保できる耐摩耗鋳鋼及びその製造方法を提供することである。

本発明の耐摩耗鋳鋼は、
質量％にて、Ｃ：０．２７％～０．３６％、Ｓｉ：０．１０％～０．５０％、Ｍｎ：０．３０％～０．７０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、Ｎｉ：１．４％～１．９％、Ｃｒ：０．４％～１．０％、Ｍｏ：０．２％～０．３％、Ａｌ：０．１％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなり、
製品肉厚が１インチ以上の部分を有し、ＨＢ硬さが４２１～５６０、シャルピー衝撃値：２０～４０Ｊ／ｃｍ^２である。

Ｓｉ＋Ｍｎ：１．０％以下であることが望ましい。

Ｓｉ：０．１０％～０．３０％、Ｍｎ：０．５０％～０．６５％、Ｃｒ：０．７％以上であることがより望ましい。

マルテンサイトの平均結晶粒径：５０μｍ～３００μｍであることが望ましい。

また、本発明の耐摩耗鋳鋼の製造方法は、
質量％にて、Ｃ：０．２７％～０．３６％、Ｓｉ：０．１０％～０．５０％、Ｍｎ：０．３０％～０．７０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、Ｎｉ：１．４％～１．９％、Ｃｒ：０．４％～１．０％、Ｍｏ：０．２％～０．３％、Ａｌ：０．１％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる鋳鋼塊に、
９００℃～９６０℃に加熱保持した後炉冷する均質化処理工程と、
８００℃～９５０℃に加熱保持した後水焼入れを行なう焼入れ工程を実施する。

前記焼入れ工程の後、焼戻し工程は実施しないことができる。

前記焼入れ工程の後、
１５０℃～２５０℃に加熱保持した後室温まで空冷する焼戻し工程を行なうこともできる。

本発明の耐摩耗鋳鋼は、Ｓｉ及びＭｎを少なくすることで、靭性を確保できるから、靭性回復のための焼戻し工程を省略できる。焼戻し工程を省略できることで、焼戻しによる硬度低下は生じないから、靭性が高く、高硬度の耐摩耗鋳鋼を得ることができる。

図１は、実施例に使用した供試グラインダーの説明図である。

＜成分限定理由＞
本発明の耐摩耗鋳鋼の成分限定理由は下記のとおりである。なお、以下において特に明示しない限り「％」は「質量％」である。

Ｃ：０．２７％～０．３６％
Ｃは、焼入れ性に寄与する主要元素であり、組織をマルテンサイトにして硬さを確保するために０．２７％以上含有させる。焼入れ性とは、焼入れ部の硬度を高くする焼入れ硬化能と焼き入れ深さの両方を含む。本発明の耐摩耗鋳鋼は１インチ以上の厚さを有するため、厚肉内部の硬さを確保するには、Ｃのみでは不十分であり、Ｃｒ等の元素の添加が必要である。一方、Ｃの含有量が多くなると、靭性低下や焼入れ時の割れ（焼入れ割れ）を招くため、上限は０．３６％とする。

Ｓｉ：０．１０％～０．５０％
Ｓｉは、脱酸及び湯流れ確保に必要な元素であり、ガス欠陥や湯流れ不良を抑制し、結果として鋳鋼の健全性に寄与するため、０．１０％以上含有させる。一方、Ｓｉの含有量が多くなると、靭性低下を招き、また、焼戻しによっても低下した靭性は回復し難いため、上限は０．５０％、望ましくは０．３０％、より望ましくは０．３０％未満とする。なお、Ｓｉは、脱酸剤として鋳造時に消費されるため、鋳造時には出来上がり組成の１．５倍～２倍程度添加することが好適である。

Ｍｎ：０．３０％～０．７０％
Ｍｎも脱酸に必要な元素であり、ガス欠陥を抑制し、結果として鋳鋼の健全性に寄与するため、０．３０％以上、望ましくは０．５０％以上含有させる。一方、Ｍｎの含有量が多くなると、靭性低下を招くため、上限は０．７０％、望ましくは０．６５％とする。なお、Ｍｎも脱酸剤として鋳造時に消費されるため、鋳造時には出来上がり組成の１．５倍～２倍程度添加することが好適である。

Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下
Ｐ及びＳは脆化や鋳造割れの原因となる不純物であるため、上限を０．０４％としている。

Ｎｉ：１．４％～１．９％
Ｎｉは、鋳鋼の靭性や強度確保に必要な元素であり、１．４％以上含有させる。とくに、本発明の耐摩耗鋳鋼は１インチ以上の厚さを有するため、厚肉内部の硬さと靭性を確保するために不可欠である。一方で、Ｎｉの含有量が多くなると、これら効果が飽和し、また、コスト増を招くため、上限は１．９％としている。

Ｃｒ：０．４％～１．０％
Ｃｒは、Ｃと並んで焼入れ性確保に重要な元素である。とくに、本発明の耐摩耗鋳鋼は１インチ以上の厚さを有するため、厚肉内部は急冷させることができず、硬化され難いため、Ｃｒにより厚肉内部の硬さを確保する必要がある。このため、Ｃｒは、０．４％以上、望ましくは０．７％以上含有させる。一方、Ｃｒの含有量が多くなると、コスト増を招くだけでなく、成型性や溶接補修性などの製造性が低下するため、上限は１．０％、望ましくは０．９％とする。

Ｍｏ：０．２％～０．３％
Ｍｏは、Ｃｒと同様、焼入れ性や硬さの確保に寄与する。また、機械的性質や靭性向上にも寄与する。このため、Ｍｏは０．２％以上含有させる。一方、Ｍｏの含有量が多くなるとコスト増を招くため、上限は０．３％とする。

Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸に必要な元素であり、ガス欠陥を抑制し、結果として鋳鋼の健全性に寄与するため含有させる。一方、Ａｌの含有量が多くなると靭性低下を招くため、上限は０．１％とする。

残部Ｆｅ及び不純物
残部は、Ｆｅと溶製上、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する不純物である。不純物として、Ｏ、Ｓ、Ｎ、Ｈを例示できるが、これに限定されるものではない。不純物は合計量で０．５％以下、望ましくは０．１％以下とする。

鋳造により上記組成の鋳鋼塊が作製される。鋳造は、砂型鋳造とし、鋳込み温度：融点＋約１００℃（たとえば１５００℃～１６２０℃）とすることができる。鋳込み温度が低いと湯回り不良が発生し、鋳込み温度が高いと酸化や鋳造割れの虞れがある。鋳鋼塊は、たとえば破砕機用部品に適用される。破砕機用部品は、厚さが１インチ（２．５４ｃｍ）以上の部分を有するため、肉厚中央付近は急冷させることができず、硬化され難い。このため、鋳鋼塊には熱処理を行なう。

熱処理は、下記する均質化処理工程と焼入れ工程であり、選択的に焼き戻し工程を含むことができる。

＜均質化処理工程＞
均質化処理工程は、鋳造された鋳鋼塊中に存在する粗大なデンドライト組織の偏析などの不均一な組織を除去するため、鋳造応力を除去するため、また、オーステナイト組織を得るために実施する。均質化処理の温度は、１０００℃未満とすることができる。均質化処理の温度が１０００℃以上となると、コスト増になると共に、酸化が進み表面の凹凸が激しくなり寸法精度が低下する。望ましくは、均質化処理の温度は９００℃～９６０℃である。均質化処理の温度が９００℃未満となると、炭化物が基地に固溶できず、押し湯切断やグラインダー手入れが困難となる。均質化処理の保持時間は、鋳鋼塊の肉厚によって異なるが、２～８時間、望ましくは３～６時間とする。所定温度、所定時間保持した後、残留応力を防ぐため、炉冷することが望ましい。炉冷により、オーステナイト組織はフェライト組織に変態する。この均質化処理により、鋳造塊中の組織が均質化され、鋳造応力が除去されることで、機械的性質が改善される。

均質化処理工程の後、必要に応じて鋳鋼塊に機械加工や溶断加工などが実施される。

＜焼入れ工程＞
均質化処理工程の後、鋳鋼塊には焼入れを実施する。焼入れは、オーステナイト状態から急冷することでマルテンサイト組織に変態させて硬度を高めるために実施する。焼入れは、マルテンサイトの平均結晶粒径が５０μｍ～３００μｍとなるように実施することが好適であり、１００μｍ～２００μｍとなるように実施することが望ましい。マルテンサイトの平均結晶粒径は、旧オーステナイトの平均結晶粒径とすることができる。鋳鋼塊は、厚さが１インチ以上の厚肉の部分を有するため、厚肉部では、マルテンサイトの平均結晶粒径は比較的粗くなる。

具体的には、焼入れの温度は、８００℃～９５０℃とすることができる。焼入れ温度が８００℃未満であると、組織が不均一になり、硬さ及び耐摩耗性の低下を招く。焼入れ温度が９５０℃を超えると、結晶粒が粗大化し機械的性質の低下を招く。焼入れの保持時間は、鋳鋼塊の肉厚によって異なるが、２～６時間、望ましくは３～４時間とする。

なお、鋳鋼塊の肉厚が６０ｍｍを超える場合、肉厚中央付近まで焼きが入らないことがある。しかしながら、本発明の組成では、Ｃｒを０．４％～１．０％含有するため、焼入れ深さを大きくでき、肉厚中央まで焼入れすることができる。

焼入れ工程の後、下記する焼戻し工程を実施しない場合には、焼入れ工程後の鋳鋼塊には必要に応じて研磨等が行なわれ、製品となる。

＜焼戻し工程（省略可）＞
焼入れ工程の後の焼戻し工程は、硬度を多少犠牲にしても、靭性を回復させるために実施する。本発明では、鋳鋼塊は、靭性の低下を招くＳｉとＭｎを少なくしているために、焼入れ後の鋳鋼塊であっても高い靭性を具備している。従って、靭性を回復させる必要はないから、焼戻し工程を省略でき、当該焼戻し工程による硬度低下も回避できる。従って、焼入れ工程後の鋳鋼は、高い靭性と硬度を具備できる。

なお、コスト増にはなるが、必要に応じて焼戻し工程を実施しても構わない。焼戻しを行なうことで、硬度が低下するが、焼入れにより低下した靭性を回復できる。実施する場合、焼戻し温度は１５０℃～２８０℃の低温焼戻しでよく、保持時間は鋳鋼塊の肉厚によって異なるが、１～３．５時間、望ましくは１．５～３時間とすればよい。焼戻しの効果を具備するには、焼戻し温度×時間の値が、ラーソン・ミラー・パラメータ［LogT＊（20＋log(t)、ただし、Tは焼戻し温度（K）、ｔは焼戻し時間(h)]で、９４６０以上、望ましくは９５４３以上とする。一方、焼戻し温度×時間の値が大きくなると、靭性は向上するが、硬度低下が大きくなってしまうため、焼戻し温度×時間の値が９７１７以下となるように実施することが好適であり、９６８６以下となることが望ましい。なお、焼戻し温度Ｔが２００℃（４７３Ｋ）の場合の焼戻し時間ｔとラーソン・ミラー・パラメータの関係を表１に示す。

得られた鋳鋼製品は、硬度及び靭性が高く、たとえば破砕機用部品としての使用に好適である。具体的には、鋳鋼製品は、製品肉厚が１インチ以上の部分を有し、ＨＢ硬さが４２１～５６０（タングステンカーバイト球）（硬さＨＲＣが４５～５５、硬さＨＳ：６０～７４）、シャルピー衝撃値（Ｕノッチ）が２０～４０Ｊ／ｃｍ^２となる。望ましくは、ＨＢ硬さは、４５０～４８０、シャルピー衝撃値（Ｕノッチ）が３０～４０Ｊ／ｃｍ^２である。

表２に示す組成の発明例と参考例１、比較例の鋳鋼塊から、図１に示す破砕機部品である供試グラインダー１０を夫々２つずつ準備し、各種試験を実施した。供試グラインダー１０は、直径３４０ｍｍ、厚さ６５ｍｍ（２．５６インチ）であり、質量は約２９ｋｇである。

発明例１、２、参考例１は何れも本発明範囲に含まれる組成である。また、比較例１は、ＭｎとＳｉ＋Ｍｎが本発明範囲よりも高い実施例、比較例２は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｉ＋ＭｎとＮｉが本発明範囲よりも高い実施例である。

供試グラインダー１０は、砂型鋳造により鋳鋼塊を得、鋳鋼塊に対して表３に示す均質化処理工程、機械加工、焼入れ工程、選択的に焼き戻し工程を行なうことで作製した。熱処理条件は表３に示しているが、発明例１、比較例１、２は何れも焼戻しなしの実施例、発明例２と参考例１は焼戻しありの実施例である。

均質化処理は、何れも９３０℃で加熱の後、炉冷、また、焼入れは、何れも８８０℃で加熱の後、水冷とした。発明例２と参考例１の焼戻しは、発明例２については２００℃×２時間保持の後、空冷、参考例１は発明例２の２００℃×４時間保持の後、空冷とした。

作製された２つの供試グラインダー１０の一方から、図１に示すように、試験片１１，１２，１３を切り出した。符号１１は、引張り試験用の引張試験片（２本）である。符号１２は、衝撃試験用の衝撃試験片（３本×３セット）であって、グラインダー１０の外周側をノッチサイドとしている。符号１３は、硬度試験用の硬度試験片（１本）である。

もう一つの供試グラインダー１０は、実機を用いた摩耗試験に使用した。

各試験片１１，１２，１３に対し、下記の要領で各種試験を実施した。

引張り試験は、引張試験片１１に対し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して、引っ張り強さ（Ｎ／ｍｍ^２）と０．２％耐力（Ｎ／ｍｍ^２）、伸び（％）及び絞り（％）を測定した。

衝撃試験は、ＪＩＳＸ２２０２の２ミリＵノッチを形成した衝撃試験片１２に対し、JＩＳＺ２２４２に準拠して、シャルピー衝撃値の測定した、シャルピー衝撃値は、各試験片１２に対して３カ所ずつ実施し、その平均値を算出した。

硬度試験は、硬度試験片１３に対し、ＪＩＳＺ２２４３に準拠したブリネル硬さ（ＨＢ硬さ）を測定した。

上記各試験の結果を表４に示す。

まず、焼戻しなしの発明例１と比較例１、２を比較すると、発明例１は、比較例１、２に比べて引張り強さ、０．２％耐力は同等であるが、伸びと絞りは高い値を示している。また、シャルピー衝撃値も比較例に比べて高くなっている。これは、発明例１が、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｉ＋Ｍｎを抑えた結果であり、高い靭性を具備できたことがわかる。比較例１、２は、Ｓｉ、Ｍｎ又はＳｉ＋Ｍｎが高いため、伸び、絞り及びシャルピー衝撃値に劣り、十分な靭性を具備できていない。なお、発明例１の硬さは比較例１、２に比べて若干小さいが、発明例１と比較例１、２に有意な差はなく、同等であった。

発明例どうしを比較すると、発明例１と発明例２は同等の成分であるが、発明例１に比べて伸び、絞り、シャルピー衝撃値が高くなっており、靭性にすぐれることがわかる。これは、焼戻しを実施したことで、焼入れにより低下した靭性が回復したことによる。他方、発明例２は、焼戻しにより硬度低下が見られた。

何れも焼戻しを実施した発明例２と参考例１を比較すると、参考例１は、発明例２と同等の靭性を具備しているが、硬度の低下はさらに大きくなっている。これは、焼戻しの時間が長く、過剰に焼き戻しが行なわれたためである。

なお、参考のため、試験片を採取した供試グラインダー１０のマルテンサイトの平均結晶粒径を測定したところ、表４に示すとおり、発明例、比較例、参考例１ともほぼ同等の大きさであった。

次に、供試グラインダー１０を実プラントの破砕機に装着し、操業による摩耗減量を測定した。使用した破砕機は、クボタ環境エンジニアリング株式会社製のKE-600である。供試グラインダー１０の回転数は、３００ｒｐｍとし、被破砕物はプリント基板、金属スクラップである。摩耗試験は、破砕機を計８９１時間操業し、試験前後の供試グラインダー１０の減量で評価した。結果を表４に示している。

表４を参照すると、発明例１、２は、比較例１、２と比較して摩耗減量を低減でき、耐摩耗性にすぐれている。これは、発明例１、２が比較例１、２に対して硬度は同等或いはやや劣るが、靭性を高くできたことによる。摩耗減量を小さくできたことで、グラインダーの長寿命化を達成できる。

発明例１、２と参考例１を比較すると、参考例１は摩耗減量が大きい。参考例１は、過度の焼戻しにより硬度が大幅に低下したことによる。

なお、破砕機では、被破砕物や大気中に含まれる水分により、グラインダーが水素脆化して剥離することがある。この剥離は、グラインダーの表面に生成される白色組織を起点として発生する。このため、摩耗試験後の供試グラインダー１０について、白色組織の有無を調べた。結果、表４に示すように、何れの実施例についても白色組織は観察された。発明例１、２、比較例１、２の白色組織は比較的軽度な量であったが、参考例１の白色組織は重度な量であった。参考例１は、白色組織が多く生成されて、摩耗試験中に組織の剥離が生じたことも、摩耗減量が大きくなった原因の一つと考えられる。

上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

たとえば、上記説明では、本発明の耐摩耗鋳鋼を破砕機用部品に適用しているが、これに限らず、本発明の耐摩耗鋳鋼は、粉砕機などにも適用することができる。

Claims

質量％にて、Ｃ：０．２７％～０．３６％、Ｓｉ：０．１０％～０．５０％、Ｍｎ：０．３０％～０．７０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、Ｎｉ：１．４％～１．９％、Ｃｒ：０．４％～１．０％、Ｍｏ：０．２％～０．３％、Ａｌ：０．１％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなり、
製品肉厚が２５．４ｍｍ（１インチ）以上の部分を有し、ＨＢ硬さが４２１～５６０、シャルピー衝撃値：２０～４０Ｊ／ｃｍ^２である、
耐摩耗鋳鋼。
Ｓｉ＋Ｍｎ：１．０％以下である、
請求項１に記載の耐摩耗鋳鋼。
Ｓｉ：０．１０％～０．３０％、Ｍｎ：０．５０％～０．６５％、Ｃｒ：０．７％以上である、
請求項２に記載の耐摩耗鋳鋼。
旧オーステナイトの平均結晶粒径：５０μｍ～３００μｍである、
請求項１に記載の耐摩耗鋳鋼。
請求項１に記載の耐摩耗鋳鋼の製造方法であって、
質量％にて、Ｃ：０．２７％～０．３６％、Ｓｉ：０．１０％～０．５０％、Ｍｎ：０．３０％～０．７０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、Ｎｉ：１．４％～１．９％、Ｃｒ：０．４％～１．０％、Ｍｏ：０．２％～０．３％、Ａｌ：０．１％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる鋳鋼塊に、
９００℃～９６０℃に加熱保持した後炉冷する均質化処理工程と、
８００℃～９５０℃に加熱保持した後水焼入れを行なう焼入れ工程を実施する、
耐摩耗鋳鋼の製造方法。
前記焼入れ工程の後、焼戻し工程は実施しない、
請求項５に記載の耐摩耗鋳鋼の製造方法。
前記焼入れ工程の後、
１５０℃～２５０℃に１～３．５時間加熱保持した後室温まで空冷する焼戻し工程を行なう、
請求項５に記載の耐摩耗鋳鋼の製造方法。