JP2016528381A - 耐摩耗性の、少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、耐摩耗性で、硬化性鋼種から成る少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品であって、熱間成形および／または焼入れによって半完成部品から製造される鋼部品に関する。本発明はさらに、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段のための耐磨耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を製造する方法に関し、半完成部品は、Ａｃ１変態温度より高い温度まで加熱された後、熱間成形および／または焼入れされる。少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品の、摩耗性のある材料との使用適合性を改善する提案の問題は、熱間加工および／または焼入れの前の表面硬化の手段によって、少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品が最大１００μｍ以下の深さまで、好適には４０μｍ以下の深さまで硬化された表面領域を有することで、解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗性の、少なくとも部分的にコーティングされていない硬化性鋼種から構成される鋼部品であって、熱間成形および／焼入れによって半完成部品から製造される鋼部品に関する。さらに本発明は、半完成部品から、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械の加工、搬送および／または破砕手段のための耐摩耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を製造する方法に関し、半完成部品はＡｃ１変態温度より高い温度で加熱され、その後、熱間成形および／または焼入れされる。

高強度を有する必要性があると同時に摩耗作用のある力に曝される耐摩耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品は、例えば、農業機械、特にすきの製造、および浚渫機のバケット、または摩耗作用のある物質用のコンベヤスクリュ、例えばコンクリートミキサのコンベヤスクリュなどの製造に必要とされている。上記用途において必要な高い強度を達成するために、鋼部品は、好ましくは熱間成形に曝され、その熱間成形において、半完成部品（この半完成部品から鋼部品が製造される）が、先ず、Ａｃ１点変態温度より高い温度で加熱され、その結果、微細組織の変態硬化が、熱間成形とその後の焼入れ、すなわち急冷により達成され、マルテンサイト微細組織を有する材料が形成される。マルテンサイト微細組織は、非常に高い硬度を有するのに加えて、非常に高い機械強度、例えば引張強度も有する。対応する鋼部品は、例えば、独国特許ＤＥ１０２０１００５０４９９Ｂ３により知られている。この独国特許には、浚渫船バケット、コンクリートミキサのコンベヤスクリュ、コンベヤスクリュブレード、搬送設備のその他の搬送ブレードの製造方法が記載され、それら構成要素が、熱間成形およびプレス焼入れされるものとなっている。

しかしながら、このようにして製造された構成要素が、製造中に硬化方法を受けるにも関わらず、特に磨耗作用のある物質と接触したときに耐摩耗性に関して問題点を有することが分かっている。

独国第一公開公報ＤＥ１０２０１００１７３５４Ａ１は、高強度または超高強度鋼部品を製造するための亜鉛メッキされた平鋼部品を熱間成形の問題を取り上げている。保護コーティングの金属の溶融点を超えたとき、「液体金属脆化」の危険性が存在し、これはコーティングの溶融金属が、平鋼部品の成形時に生じるノッチやクラックに浸入することによって引き起こされる。鋼基板内に浸入した液体金属は粒界で堆積し、それが、耐えられる最大引張または圧縮応力を低下させる。解決策として、この特許公開公報は、微細組織を有する外層領域をもたらすために、外層領域を窒化することを提案している。

これに対して、本願発明は、熱間成形および／または焼入れされた鋼部品がコーティングされていない領域で所望の耐摩耗性を有しておらず、このため、例えば摩耗作用のある物質と接触するときに搬送手段として使用するのに最適ではないという問題を取り上げている。従って、本発明の目的は、摩耗作用のある物質とともに使用するための改善された適合性を有する、少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を提案することである。加えて、対応する鋼部品の安価な製造方法が提案されるべきである。

熱間成形および／または焼入れの前の表面硬化によって少なくとも部分的に１００μｍの深さまで硬化され、好適には４０μｍの深さまで硬化された表面領域を有する鋼部品によって、示された目的が達成される。

鋼部品を製造するために熱間成形および／または焼入れの前に、Ａｃ１変態温度またはＡｃ３変態温度より高い温度で半完成部品を加熱することは、表面近傍の領域の脱炭化をもたらし、その結果、これらの領域の炭素含有量は、基材の炭素含有量よりも著しく低くなることが分かっている。結果として、１００μｍの深さまでの表面近傍の領域、特に４０μｍの深さまでの領域を、熱間成形および／または焼入れ中に必要な程度まで硬化させることができない。しかしながら、鋼部品を製造するための熱間成形および／または焼入れの前に、半完成部品のコーティングされていない領域を少なくとも部分的に表面硬化することで、熱間成形または焼入れ中の高温の結果として表面近傍の領域が脱炭化するにも関わらず、表面領域および基材の両方に、非常に高い硬度をもたらすことが分かっている。これにより好適には１００μｍの深さまたは４０μｍの深さまでの領域が硬化された表面領域を少なくとも部分的に有し、よって、従来より知られている少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品よりも顕著に高い耐磨耗性のある、鋼部品が提供される。

第１の実施形態では、鋼部品の硬化される表面領域は、炭化または窒化によって硬化される。両プロセスは、熱間成形または焼入れの前に、標的方法で鋼部品の表面近傍の領域を硬化させる機会を提供している。加えて、窒化は熱間成形中に硬度が減少しないという利点を有している。炭化の場合には、表面領域の炭素含有量が増加するが、熱間成形によって再び減少する。

さらなる実施形態において、熱間成形および／または焼入れ後に硬化した鋼部品の表面領域は、好適には少なくとも表面領域の下方に位置する鋼部品の基材の硬度を有している。

鋼部品の耐磨耗性も、好適には、基材の硬度より鋼部品の表面領域の硬度が高いことで改善できる。具体的には、表面領域の硬度は、磨耗作用が高い物質と接触するときの鋼部品の耐磨耗性に貢献しており、結果的に、幾分の柔らかい基材を使用した場合も高い耐磨耗性の鋼部品を製造可能であることが分かっている。

従って、鋼部品のさらなる実施形態によると、鋼部品は、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段として使用されるように構成され、少なくとも摩耗作用のある力に曝される鋼部品の領域は表面硬化されている。

さらに、マンガンボロン鋼、二相鋼またはＴＲＩＰ鋼のような半完成部品は、とりわけ、明白なマルテンサイトの形成、または残留オーステナイト成分のマルテンサイトへの変態で、硬度をできるだけ増大させることから、特に有利である。

鋼部品のさらなる実施形態では、熱間成形および／または焼入れ前に硬化された鋼部品の表面領域は、少なくとも幾つかの領域において、４００ＨＶ乃至７００ＨＶの硬度を有している。これらの値は、通常は、基材の熱間成形または焼入れの後の非常に高強度の鋼種によってのみ達成される。熱間成形または焼入れの前の表面硬化は、特に、コイルでの鋼構成要素の製造のための出発原料をもたらす機会を提供している。

本発明のさらなる教示によれば、上記目的は、半完成部品から、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段のための耐摩耗性のある少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を製造する方法であって、半完成部品が、少なくとも幾つかの領域において、Ａｃ１変態温度より高い温度まで加熱された後、熱間成形および／または焼入れされる方法において、半完成部品が、表面硬化に少なくとも部分的に曝され、表面領域が、熱間成形および／または焼入れの前に、１００μｍ以下の深さまで硬化されることによって達成されるものである。好ましくは、熱間成形中に脱炭化プロセスが通常起きる、４０μｍまでの深さの表面領域を硬化することが選択される。硬化されるべき表面領域の深さは、硬化処理の継続時間によって制御される。特に、Ａｃ１変態温度点よりも高い温度まで加熱するにも関わらず、鋼部品の表面硬化された領域は表面硬化に関する限りは、安定した状態を保ち、その結果、熱間成形および／または焼入れ後に高い表面硬度が達成されることが分かっている。これは、磨耗作用のある物質と接触する農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段のための鋼部品が少ない摩耗を示すことにつながる。

熱間成形の前または焼入れの前に表面領域を硬化することで、コイル状にすることができる材料、すなわち鋼ストリップで表面硬化を実施できるようになり、その結果、耐摩耗性のある少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を半完成部品から、非常に経済的に製造することが可能となる。方法の好適な実施形態では、表面領域の硬化は、窒化または炭化によって行われる。両プロセスとも、表面領域により高い硬度を与えることができ、それにより熱間成形の後および／または焼入れの後に、熱間成形または焼入れされた鋼部品の表面のより高い耐磨耗性をもたらすことが可能となる。

さらなる実施例において、表面硬化は、特に好適に、６００℃乃至９００℃の保持温度で、２５体積％のＨ_２、０．１−１０体積％のＮＨ_３、Ｈ_２ＯおよびバランスＮ_２、並びに不可避の不純物を含む熱処理雰囲気における熱処理によって実行される。熱処理雰囲気の露点は、好適に−５０℃乃至−５℃の範囲であり、その結果、硬化プロセスに与える雰囲気水分の影響が低減される。さらに、好適にはＮＨ_３が最大５体積％およびＨ_２体積が最大１０体積％が可能とされ、かつ露点は、６８０℃乃至８４０℃の温度において−４０℃から−１５℃までの露点温度に設定されることが選択される。後者のプロセスパラメータは、改善された、より均一な表面硬化を与えた。

保持温度が維持される時間によって、表面硬化の深さを設定することができる。半完成部品が表面硬化中に保持温度に保たれる時間は、５秒乃至６００秒、好適には３０秒乃至１２０秒に設定される。

表面硬化は、好適には連続硬化炉で行われ、その結果、例えば、ストリップ状の半完成部品、すなわちコイル状にすることができる半完成部品を、表面硬化させて、さらなる熱間成形および／またはプレス焼入れのステップに移行させることができる。しかしながら、チャンバ式の炉における表面硬化も考えられる。

上述したように、マンガンボロン鋼、二相鋼およびＴＲＩＰ鋼のような半完成部品は、まず、熱間成形または焼入れ中に特に高い強度の増加を示し、次に、窒化によって表面近傍の領域に、４００ＨＶ乃至７００ＨＶの範囲の同一硬度をもたらす機会を与える。結果として、耐摩耗性に優れかつ特に高い強度を有する鋼部品を、安価に製造することが可能となる。

以下、図面とともに実施例を用いて本発明を説明することとする。
図１は、耐摩耗性で、少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を製造する方法の一実施例を概略的に示している。 図２は、実施概略図において図１の実施例のように処理された半完成部品または鋼部品の層構造を示している。 図３は、農業機械のための鋼部品の一例を示している。 図４は、運搬機械のための鋼部品の一例を示している。 図５は、２つの実施例および１つの比較例について、表面からの距離に応じた硬度特性のグラフを示している。

先ず、図１は、非常に概略的に、耐磨耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品の製造例を概略図において示している。半完成部品１は、例えばマンガンボロン鋼、二相鋼またはＴＲＩＰ鋼のような鋼で構成されており、最初に表面硬化２に搬送される。ストリップ状の半完成部品は、コイル１ａから繰り出されて、表面硬化２に送られるとき、例えば窒化の場合には、連続硬化炉において表面硬化を実行するのが有利であり、連続硬化炉の終端部で、例えば、この時点で硬化表面が与えられているストリップ状の半完成部品１は、コイル（図示省略）に巻き上げられるものとすることができる。表面硬化されたストリップのような半完成部品は、所定の長さに切断されて、熱間成形および／または焼入れ３へ搬送され、その結果、処理ステップ３は、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段に適した、少なくとも部分的にコーティングされていない成形された鋼部品４を製造することが可能となる。第一に、このように製造された鋼部品４は、熱間成形および／または焼入れステップに起因して高い強度値の特徴を示す。第二に、熱間成形の前および／または焼入れの前に行われる表面の窒化によって、鋼部品の表面領域も硬度が増す。上述したように、本発明の方法によって、１００μｍの深さまで行われる表面領域の脱炭化が、１００μｍの深さまであるいは４０μｍの深さに至る領域において表面領域が表面硬化されることにより、相殺されることを可能とする。表面硬化は、好適には窒化で実行される。しかしながら、表面領域の炭化も考えられる。

処理ステップ２の表面硬化は、好適に、６００℃乃至９００℃の保持温度で、２５体積％のＨ_２、０．１−１０体積％のＮＨ_３、Ｈ_２ＯおよびバランスＮ_２、並びに不可避の不純物を含む熱処理雰囲気における熱処理によって実行される。最大１０体積％への水素濃度の低減または最大５体積％へのＮＨ_３濃度の制限によって、窒化の結果がさらに改善される。

表面硬化の深さは、例えば５秒乃至６００秒の保持温度で、表面硬化の継続時間によって設定することができる。好適には表面は、３０秒乃至１２０秒の間、６８０℃乃至８４０℃の保持温度で窒化される。熱間成形または焼入れの前に表面硬化を実施することは、連続硬化炉において、例えばストリップ状の半完成部品またはプレートを使用することにより、様々な形状および様々なジオメトリを有する成形鋼部品を使用するときよりも非常に効率的に熱処理プロセスを実行できる、という利点を有している。同様に、ストリップ状の半完成部品またはブランクとして構成される半完成部品を使用することによって、表面硬化の品質をより容易に確保することができる。

図２は、処理中の３つの異なる時点における半完成部品の断面を概略的に示している。先ず、半完成部品１は、製造プロセスに対応する、おおよそ均一な、例えばフェライト微細組織１ａを有し、それが、製造プロセスと鋼組成の組合せによって決定される。表面硬化の結果として、表面領域１ｂは、窒化の場合には窒素、炭化の場合には炭素が内側への拡散によって硬化され、そこで微細組織が変化する。表面領域１ｂの厚さは、熱処理の継続時間に依存する。表面領域は、通常は、最大１００μｍまでであり、その部分で、半完成部品の硬度が変えられる。十分な表面効果と表面硬化の熱処理の期間との間の折衷となる望ましい領域は、２０μｍ乃至４０μｍの厚さを有する。例えば窒化において、表面硬化の継続時間は、好適には３０秒乃至１２０秒である。表面領域１ｂの下方に残留する材料１ａの微細組織は、熱処理の間、実質的に変化しないままである。

熱間成形ステップでは、基材１ａの微細組織は、先ず、オーステナイトに変換され、その後、焼入れによって部分的にマルテンサイトに変換される。このように、高い硬度および良好な機械的強度は、基材１ｃで達成される。表面領域１ｂは、これらの層の炭化を除いて変化しないままである。窒化の結果、表面領域は硬化状態を持続することができる。窒化の代わりに表面領域１ｂを対象に炭化した場合、脱炭化が相殺され、その結果、ここで硬度の増加も達成できる。従って、成形された鋼部品４は、硬化した領域１ｂと、熱間成形および焼入れによって硬化された領域１ｃとを有している。

図３および図４は、耐摩耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品の一般的な応用分野を示し、図３においてコンベヤスクリュ５の形態で、図４においては農業用のすきの刃６の形態でそれぞれ示している。両構成要素は、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械、例えばコンクリートミキサなどに使用される加工、搬送および／または破砕手段の典型的なものであり、磨耗作用のある物質に曝される熱間成形および／またはプレス焼入れされた鋼部品を使用することは、磨耗の影響を非常に受け易いため、これまであまり有利なものではなかった。熱間成形および／または焼入れ中に脱炭化される領域を表面硬化することによって、熱間成形した鋼は、使用範囲を広げることができる。

表１は、鋼種２２ＭｎＢ５で構成される試料Ａおよび試料Ｂの硬さの測定値を示している。試料ＡおよびＢは、何れの場合も７６０℃、９０秒で、ＮＨ_３が１体積％またはＮＨ_３が４体積％で構成される熱処理雰囲気で表面窒化にさらされた。オーステナイトはフェライトよりも多くの窒素を溶解することができるので、表面窒化は変態間温度（Ｔ＞Ａｃ１）で実施された。次に、試料は熱間成形され、焼入れされた。研磨される部分は、熱間成形されるか焼入れされた鋼部品から構成され、ＨＶ０．０１（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６５０７−１）の硬さが、表面から５μｍの距離で測定された。熱処理雰囲気のＮＨ_３含有量に応じた試料の微細硬度の測定値は、同じ熱処理パラメータ、すなわち同じ保持時間および保持温度で、熱処理雰囲気においてより高いＮＨ_３含有量でより高い硬度を有していた。

先ず、試料Ａの硬度は、表面で測定された４６０ＨＶ値から２０μｍの深さで、３３３ＨＶ値まで低下した。その後、硬度は約４９２ＨＶ値まで再度増加した。これは、基材の脱炭化がここで終了することを示している。最上部の領域、具体的には、５から１５μｍの領域が表面硬化によって顕著に硬化された。それは、高いＮＨ_３含有量において、硬度の広がりおよび深さの両方に関して表面硬化より明確な試料Ｂから分かる。これは、熱処理雰囲気におけるより高いＮＨ_３濃度により、鋼部品の表面内への窒素のより大きな拡散が生じることに起因すると考えられる。試料Ｂの値は、５μｍの深さにおける５４６で始まり、２５μｍの深さでは３９４の値まで減少する。その後、この値は４５μｍの深さで約４６６に再度増加する。これは表面が４５μｍの深さでは基材よりも硬いことが、明確に分かる。

比較例と比較した図５で示されるさらなる２つの実施例における測定値によって、同様の事実が示されている。点線で示される比較例は、５乃至３５μｍの領域で４００ＨＶ１（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１）より低い減少した硬度を示している。４５０ＨＶ乃１至５００ＨＶ１の範囲内にある基材と比較したときの硬度の減少は、熱間成形時の脱炭化によって説明される。２つの異なる窒化条件、ここでも１％の濃度のＮＨ_３熱処理雰囲気または４％の濃度のＮＨ_３の熱処理雰囲気による２つの比較される実施例は、表面近傍の領域において、５００を超える硬度が測定されるため、特に異なる。このように、耐摩耗性の少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品の場合に、熱間成形および／または焼入れされた鋼部品の引張強度の値が特に高いだけでなく、例えば５００ＨＶ乃至７００ＨＶの範囲のより高い表面硬度によって高い耐摩耗性も提供することが可能となる。

Claims (12)

1. 耐摩耗性で、少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品（４）であって、熱間成形および／または焼入れによって半完成部品（１）から製造された硬化性鋼種より構成される鋼部品において、
   前記鋼部品（４）は、熱間成形および／または焼入れの前の表面硬化によって１００μｍ以下の深さまで硬化された表面領域（１ｂ）を少なくとも部分的に有することを特徴とする鋼部品。
2. 請求項１に記載の鋼部品において、
   前記鋼部品の硬化された表面領域（１ｂ）が、炭化または窒化によって硬化されていることを特徴とする鋼部品。
3. 請求項１または２に記載の鋼部品において、
   熱間成形および／またはプレス焼入れの後に、前記鋼部品の硬化された表面領域（１ｂ）が、当該表面領域の下方に位置する前記鋼部品の基材の硬度を少なくとも有することを特徴とする鋼部品。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の鋼部品において、
   前記鋼部品（４）は、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械における加工、搬送および／または破砕手段（５，６）として使用されるように構成され、少なくとも摩耗作用のある力に曝される鋼部品の領域が、表面硬化されていることを特徴とする鋼部品。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の鋼部品において、
   前記鋼部品（４）が、マンガンボロン鋼、二相鋼またはＴＲＩＰ鋼で構成されることを特徴とする鋼部品。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の鋼部品において、
   熱間成形および／または焼入れ前に硬化された前記鋼部品の前記表面領域（１ｂ）が、少なくとも幾つかの領域において、４００ＨＶ乃至７００ＨＶの硬度を有していることを特徴とする鋼部品。
7. 硬化性鋼種から構成される半完成部品から、農業機械、運搬機械、掘削機械または建設機械の加工、搬送および／または破砕手段のための耐摩耗性で少なくとも部分的にコーティングされていない鋼部品を製造する方法であって、特に請求項１乃至６の何れか１項に記載の鋼部品を製造するために、前記半完成部品が、少なくとも幾つかの領域において、Ａｃ１変態温度より高い温度まで加熱された後、熱間成形および／または焼入れされる、方法において、
   前記半完成部品が、表面硬化に少なくとも部分的に曝されて、この表面硬化において、表面領域が、熱間成形および／または焼入れの前に、１００μｍ以下の深さまで硬化されることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記表面領域の硬化が、窒化または炭化によって行われることを特徴とする方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、
   前記表面硬化が、６００℃乃至９００℃の保持温度で、最大２５体積％以下のＨ_２、０．１乃至１０体積％のＮＨ_３、Ｈ_２ＯおよびバランスＮ_２、並びに不可避の不純物を含む熱処理雰囲気における熱処理によって行われることを特徴とする方法。
10. 請求項７乃至９の何れか１項に記載の方法において、
    前記半完成部品が、表面硬化中の前記温度の保持時間が５秒乃至６００秒、好適には３０秒乃至１２０秒であることを特徴とする方法。
11. 請求項７乃至１０の何れか１項に記載の方法において、
    前記表面硬化が、連続硬化炉で実施されることを特徴とする方法。
12. 請求項７乃至１１の何れか１項に記載の方法において、
    マンガンボロン鋼またはＴＲＩＰ鋼で構成される半完成部品が、表面硬化されることを特徴とする方法。
    

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