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1. WO2020138295 - IMPACT- AND WEAR-RESISTANT COMPONENT AND PRODUCTION METHOD THEREFOR

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明 細 書

発明の名称 耐衝撃摩耗部品およびその製造方法

技術分野

0001   0002  

背景技術

0003   0004   0005  

先行技術文献

特許文献

0006  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0007   0008  

課題を解決するための手段

0009   0010  

発明の効果

0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための形態

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060  

実施例

0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074  

符号の説明

0075  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : 耐衝撃摩耗部品およびその製造方法

技術分野

[0001]
 本発明は、建設機械や鉱山機械に使われるGround Engaging Tool(以下GET)部品など、繰返し衝撃を受け、かつ土砂と接触して摩耗する部品(耐衝撃摩耗部品)およびその製造方法に関するものである。
[0002]
 本出願は、2018年12月27日出願の日本出願第2018-243881号に基づく優先権を主張し、当該日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

背景技術

[0003]
 リッパ装置は、ブルドーザなどの作業車両の後方アタッチメントであって、土砂や岩盤を掻き起こすために用いられる。リッパシャンクの先端に装着されるリッパポイントを地面に貫入させた状態で作業機械を前進させることによって、リッピング作業を行うことができる。リッパシャンクは、リッパ装置の強度メンバーでありながら、摩耗やヘタリが生じる耐衝撃摩耗部品である。このリッパシャンクを構成する鋼材としては、従来よりSCrB鋼、JIS SNCM431H鋼などが使用されているが、更に耐久性に優れる材料が求められる。
[0004]
 耐衝撃摩耗部品の耐久性を向上させるためには、部品を構成する材料に高い耐摩耗性と高い耐力(強度)とを付与する必要がある。しかし、単に部品の強度を上昇させた場合、部品を構成する材料の靱性が低下するため、部品表面が割れたり、部品が折損したりして、部品の交換が必要になるという問題が生じる。つまり、耐衝撃摩耗部品の耐久性を向上させるためには、材料の高い耐力(強度)を達成しつつ、延性(靭性)を高いレベルに維持する必要がある。
[0005]
 建設機械部品を構成する鋼材として、優れた耐久性を有する高靭性耐摩耗性鋼が提案されている(たとえば、特開昭61-166954号公報(特許文献1)参照)。また、履帯式足回り部品用鋼として、0.4質量%程度の炭素含有量を有し、種々の合金元素が添加された鋼が提案されている(たとえば、国際公開第2014/185337号(特許文献2)参照)。

先行技術文献

特許文献

[0006]
特許文献1 : 特開昭61-166954号公報
特許文献2 : 国際公開第2014/185337号

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0007]
 特許文献1および特許文献2に開示された鋼を用いて耐衝撃摩耗部品、特にGET部品を製造することにより、高い強度を有する部品を得ることができる。また鋼の0.2%耐力が向上すれば、たとえばリッパシャンクにおけるリッパポイントとの接触面のヘタリ(塑性流動)を抑制できる。しかしながら、特許文献1に開示された鋼材を用いて、たとえば肉厚100mm、質量:1トン程度の大型のリッパシャンクを製造する場合、肉厚中心部の強度低下(焼入性不足)が問題となる。また、特許文献2に開示された鋼を用いて一般的な製造プロセスにより部品を製造すると、引張試験における絞りの値が低い傾向にある。本発明者らの検討によれば、引張試験における絞りの値が低い場合、耐折損性が低下する。すなわち、特許文献2に開示された鋼を用いて一般的な製造プロセスにより製造された耐衝撃摩耗部品においては、さらなる耐久性の向上が求められる。
[0008]
 耐久性に優れた耐衝撃摩耗部品およびその製造方法を提供することが、本発明の目的の1つである。

課題を解決するための手段

[0009]
 本発明に従った耐衝撃摩耗部品は、0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる硬度53HRC以上57HRC以下の鋼からなる。上記鋼は、マルテンサイト相と、残留オーステナイト相とを含む母相と、母相中に分散し、MnS、TiCNおよびNbCNからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1非金属粒と、を含み、M 23(Mは上記鋼を構成する金属元素)で表される炭化物を含まない。
[0010]
 本発明に従った耐衝撃摩耗部品の製造方法は、0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼材を準備する工程と、鋼材を熱間鍛造または熱間圧延して成形体を得る工程と、成形体を945℃以上1000℃以下の温度から上記鋼のM 点に対応する温度以下の温度まで冷却することにより成形体の全体に対して焼ならし処理を実施する工程と、焼ならし処理が実施された成形体を焼入硬化処理した後、150℃以上250℃以下の温度に加熱することにより成形体の硬度を53HRC以上57HRC以下に調整する工程と、を備える。

発明の効果

[0011]
 上記耐衝撃摩耗部品およびその製造方法によれば、耐久性に優れた耐衝撃摩耗部品およびその製造方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0012]
[図1] リッパシャンクおよびリッパポイントを含むリッパ装置の構造を示す概略図である。
[図2] リッパシャンクとリッパポイントとの接続状態を示す概略斜視図である。
[図3] リッパシャンクの構造を示す概略断面図である。
[図4] リッパシャンクの製造工程の概略を示すフローチャートである。
[図5] 鋼のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
[図6] 非金属粒を示すSEM写真である。
[図7] 光学顕微鏡およびSEMによる観察結果と元素マッピング結果とを示す図である。
[図8] 結晶粒界に存在する生成物の同定結果を示す図である。
[図9] 加熱温度と絞りとの関係を示す図である。

発明を実施するための形態

[0013]
 [実施形態の概要]
 本願の耐衝撃摩耗部品は、0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる硬度53HRC以上57HRC以下の鋼からなる。上記鋼は、マルテンサイト相と、残留オーステナイト相とを含む母相と、母相中に分散し、MnS、TiCNおよびNbCNからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1非金属粒と、を含み、M 23(Mは上記鋼を構成する金属元素)で表される炭化物を含まない。
[0014]
 上記耐衝撃摩耗部品において、上記鋼は、0.05質量%以上0.20質量%以下のV、0.01質量%以上0.15質量%以下のZrおよび0.1質量%以上2.0質量%以下のCoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含有していてもよい。
[0015]
 まず、本願の耐衝撃摩耗部品を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
[0016]
 炭素(C):0.41質量%以上0.44質量%以下
 炭素は、鋼の硬度に大きな影響を及ぼす元素である。炭素含有量が0.41質量%未満では、焼入焼戻によって、たとえば肉厚100mm程度の部分の硬度を53HRC以上とすることが難しくなる。一方、炭素含有量が0.44質量%を超えると、絞りの値が低下し、耐折損性が低下する。そのため、炭素含有量は上記範囲とすることが必要である。また、十分な硬度を容易に確保する観点から、炭素含有量は0.42質量%以上とすることが好ましい。
[0017]
 珪素(Si):0.2質量%以上0.5質量%以下
 珪素は、鋼の焼入性の向上、鋼の母相の強化、焼戻軟化抵抗性の向上等の効果に加えて、製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。珪素含有量が0.2質量%以下では、上記効果が十分に得られない。一方、珪素含有量が0.5質量%を超えると、絞りの値が低下する傾向がある。そのため、珪素含有量は上記範囲とすることが必要である。
[0018]
 マンガン(Mn):0.2質量%以上1.5質量%以下
 マンガンは、鋼の焼入性の向上に有効であるとともに、製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。マンガン含有量が0.2質量%以下では、上記効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が1.5質量%を超えると、焼入硬化前の硬度が上昇し、加工性が低下する傾向がある。また、鋼の十分な焼入性を確保する観点から、マンガン含有量は0.4質量%以上とすることが好ましい。また、加工性を重視する場合、マンガン含有量は0.9質量%以下であることが好ましく、0.8質量%以下とすることがより好ましい。
[0019]
 硫黄(S):0.0005質量%以上0.0050質量%以下
 硫黄は、鋼の被削性を向上させる元素である。また、硫黄は、製鋼プロセスにおいて意図的に添加しなくても混入する元素でもある。硫黄含有量を0.0005質量%未満とすると、被削性が低下するとともに、鋼の製造コストが上昇する。一方、本発明者らの検討によれば、本願の上記鋼の成分組成において、硫黄含有量は絞りの値に大きく影響する。そして、硫黄含有量が0.0050質量%を超えると、絞りの値が低下し、十分な耐折損性を得ることが困難となる。そのため、硫黄含有量は上記範囲とすることが必要である。また、硫黄含有量を0.0040質量%以下とすることにより、耐折損性を一層向上させることができる。
[0020]
 ニッケル(Ni):0.6質量%以上2.0質量%以下
 ニッケルは、鋼の母相の靭性を向上させるのに有効な元素である。ニッケル含有量が0.6質量%未満では、この効果が十分に発揮されない。一方、ニッケル含有量が2.0質量%を超えると、ニッケルが鋼中において偏析する傾向が強くなる。その結果、鋼の機械的性質がばらつくという問題が生じ得る。そのため、ニッケル含有量は上記範囲とする必要がある。また、ニッケル含有量が1.5質量%を超えると、靱性の向上が緩やかとなる一方で、鋼の製造コストが高くなる。このような観点から、ニッケル含有量は、1.5質量%以下とすることが好ましい。一方、53HRC以上の硬度を有する鋼において、鋼の母相の靭性を向上させるという効果を十分に発揮させるには、ニッケル含有量は1.0質量%以上とすることが好ましい。
[0021]
 クロム(Cr):0.7質量%以上1.5質量%以下
 クロムは、鋼の焼入性を向上させるとともに、焼戻軟化抵抗性を高める。とりわけ、モリブデン、ニオブ、バナジウム等との複合添加によって、鋼の焼戻軟化抵抗性を顕著に高める。クロム含有量が0.7質量%未満では、このような効果が十分に発揮されない。また、クロム含有量が1.5質量%を超えると、焼戻軟化抵抗性の向上が緩やかになる一方で、鋼の製造コストが高くなる。そのため、クロム含有量は上記範囲とする必要がある。
[0022]
 モリブデン(Mo):0.1質量%以上0.6質量%以下
 モリブデンは、鋼の焼入性を向上させ、焼戻軟化抵抗性を高める。また、モリブデンは、高温焼戻脆性を改善する機能も有している。モリブデン含有量が0.1質量%未満では、これらの効果が十分に発揮されない。一方、モリブデン含有量が0.6質量%を超えると、上記効果が飽和する。そのため、モリブデン含有量は上記範囲とする必要がある。
[0023]
 ニオブ(Nb):0.02質量%以上0.03質量%以下
 ニオブは、鋼の強度および靱性の向上に対して有効である。特に、ニオブはクロム、モリブデンとの複合添加によって著しく鋼の結晶粒を細粒化するので、靱性改善に極めて有効な元素である。このような効果を確保するためには、ニオブ含有量は0.02質量%以上必要である。一方、ニオブ含有量が0.03質量%を超えると、粗大な共晶NbCの晶出や、多量のNbC形成に起因して母相中の炭素量低下を招くため、強度低下や靭性低下という問題が生じる。また、ニオブ含有量が0.03質量%を超えると、鋼の製造コストも高くなる。そのため、ニオブ含有量は上記範囲とする必要がある。
[0024]
 チタン(Ti):0.01質量%以上0.04質量%以下
 チタンは、鋼の靱性の改善に有効である。また、Tiを添加することでTi(C,N)を形成して鋼の結晶粒を微細化させることができる。チタン含有量が0.01質量%未満では、このような効果が小さい。一方、チタン含有量が0.04質量%を超えると、かえって鋼の靱性が劣化するおそれがある。そのため、チタン含有量は上記範囲とする必要がある。
[0025]
 硼素(B):0.0005質量%以上0.0030質量%以下
 硼素は、鋼の焼入性を顕著に向上させる元素である。硼素を添加することにより、焼入性向上を目的として添加される他の元素の添加量を低減し、鋼の製造コストを低減することができる。また、硼素は、旧オーステナイト結晶粒界にリン(P)および硫黄よりも偏析する傾向が強く、特に硫黄を粒界から排出して粒界強度を改善する。硼素含有量が0.0005質量%以下では、このような効果が十分に発揮されない。一方、硼素含有量が0.0030質量%を超えると、鋼の靭性が低下するおそれがある。そのため、硼素含有量は上記範囲とする必要がある。
[0026]
 窒素(N):20質量ppm以上60質量ppm以下
 窒素は、炭素とともにTiやNbとの炭窒化物を形成して結晶粒を微細化させる場合を除き、鋼の靱性を悪化させるおそれがある。そのため、窒素含有量は60質量ppm以下とする必要がある。一方、窒素含有量を20質量ppm未満とすると、鋼の製造コストが上昇する。そのため、窒素含有量は上記範囲とする必要がある。
[0027]
 バナジウム(V):0.05質量%以上0.20質量%以下
 バナジウムは、必須の元素ではない。しかし、バナジウムは、微細な炭化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。バナジウム含有量が0.05質量%未満では、このような効果が十分に得られない。一方、バナジウム含有量が0.20質量%を超えると、上記効果は飽和する。また、バナジウムは比較的高価な元素であるため、添加量は必要最低限とすることが好ましい。そのため、バナジウムを添加する場合、添加量は上記範囲とすることが適切である。
[0028]
 ジルコニウム(Zr):0.01質量%以上0.15質量%以下
 ジルコニウムは、必須の元素ではないが、鋼中において炭化物を球状細粒化して分散させることにより、鋼の靱性を一層改善する効果を有する。ジルコニウム含有量が0.01質量%未満では、その効果が十分に得られない。一方、ジルコニウム含有量が0.15質量%を超えると、かえって鋼の靱性が劣化するおそれがある。そのため、ジルコニウムを添加する場合、添加量は上記範囲とすることが適切である。
[0029]
 コバルト(Co):0.1質量%以上2.0質量%以下
 コバルトは、必須の元素ではないが、クロム、モリブデンなどのカーバイド形成元素の母相への固溶度を上昇させるとともに、鋼の焼戻軟化抵抗性を向上させる。そのため、コバルトの添加により炭化物の微細化と焼戻温度の高温化とを達成し、それによって鋼の強度および靭性を向上させることができる。コバルト含有量が0.1質量%未満では、このような効果が十分に得られない。一方、コバルトは高価な元素であるため、多量の添加は鋼の製造コストを上昇させる。コバルト含有量が2.0質量%を超えると、このような問題が顕著となる。そのため、コバルトを添加する場合、添加量は上記範囲とすることが適切である。
[0030]
 不可避的不純物
 製造プロセスにおいて意図的に添加された成分以外に、不可避的不純物として、鋼中に上記以外の元素が含まれる場合がある。不可避的不純物であるリン(P)は、0.010質量%以下とすることが好ましい。不可避的不純物である銅(Cu)は、0.1質量%以下であることが好ましく、0.05質量%以下であることがより好ましい。不可避的不純物であるアルミニウム(Al)は、0.04質量%以下とすることが好ましい。
[0031]
 本願の耐衝撃摩耗部品は、上記適切な成分組成を有する鋼からなっている。さらに、本願の耐衝撃摩耗部品においては、耐衝撃摩耗部品を構成する鋼に、M 23で表される炭化物(Mは鋼を構成する金属元素であって、主にCrおよびMoの少なくともいずれか一方;以下、「M 23炭化物」という)が含まれない。
[0032]
 本発明者らの検討によれば、耐衝撃摩耗部品を構成する鋼として上記適切な成分組成を有する鋼を採用した場合、一般的な製造プロセスにより部品を製造すると、鋼の結晶粒界にM 23炭化物が生成する。M 23炭化物が生成すると、M 23炭化物の周囲の領域においてCrおよびMoの含有量が低下する。そのため、当該領域における焼入性が低下し、ベイナイト組織が形成される。鋼の組織にマルテンサイト組織だけでなく脆弱な粒界M 23炭化物、およびこれに起因した脆弱な粒界近傍ベイナイト組織が含まれることにより、鋼の引張試験における絞りの値が小さくなる。鋼の絞りの値が低い場合、当該鋼から構成される耐衝撃摩耗部品の耐折損性が低下する。
[0033]
 本発明者らは、耐衝撃摩耗部品の耐久性を向上させるための方策について検討した結果、上記適切な成分組成を有する鋼を採用するとともに、鋼の組織からM 23炭化物を排除することにより、耐折損性を向上させ、耐久性に優れる耐衝撃摩耗部品が得られるとの知見を得た。本願の耐衝撃摩耗部品においては、耐衝撃摩耗部品を構成する鋼として上記適切な成分組成を有する鋼が採用されるとともに、鋼の組織にM 23炭化物が含まれない。これにより、本願の耐衝撃摩耗部品は、耐久性に優れた耐衝撃摩耗部品となっている。
[0034]
 本願において、鋼がM 23炭化物を含まない状態とは、耐衝撃摩耗部品の断面をFE-SEM(電界放出型走査型電子顕微鏡)にて観察し、鋼の結晶粒界を含む80μm の領域を10視野以上調査した場合に、M 23炭化物が発見されない状態を意味する。M 23炭化物は、たとえば上記方法でM 23炭化物の可能性のある生成物を発見した場合に、STEM(走査透過型電子顕微鏡)の明視野像にて生成物を検出した後、当該生成物のSAD(制限視野回折)パターンを確認することにより同定することができる。
[0035]
 上記耐衝撃摩耗部品において、母相の結晶粒度番号は5以上8以下であってもよい。このようにすることにより、耐衝撃摩耗部品に優れた靱性を付与することが容易となる。
[0036]
 上記耐衝撃摩耗部品において、母相を構成するマルテンサイト相は低温焼戻マルテンサイト相であってもよい。このようにすることにより、耐衝撃摩耗部品に優れた靱性を付与することが容易となる。
[0037]
 なお、本願において低温焼戻マルテンサイト相とは、焼入された鋼が150℃以上250℃以下の温度で焼戻されることによって得られる(低温焼戻によって得られる)組織からなる相を意味する。低温焼戻マルテンサイト相であることは、当該相の硬度、炭化物の析出状態等を調査することにより確認することができる。
[0038]
 本願の耐衝撃摩耗部品の製造方法は、0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼材を準備する工程と、鋼材を熱間鍛造または熱間圧延して成形体を得る工程と、成形体を945℃以上1000℃以下の温度から上記鋼のM 点に対応する温度以下の温度まで冷却することにより成形体の全体に対して焼ならし処理を実施する工程と、焼ならし処理が実施された成形体を焼入硬化処理した後、150℃以上250℃以下の温度に加熱することにより成形体の硬度を53HRC以上57HRC以下に調整する工程と、を備える。
[0039]
 上記耐衝撃摩耗部品の製造方法において、鋼は、0.05質量%以上0.20質量%以下のV、0.01質量%以上0.15質量%以下のZrおよび0.1質量%以上2.0質量%以下のCoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含有していてもよい。
[0040]
 本願の耐衝撃摩耗部品の製造方法においては、上記適切な成分組成の鋼からなる鋼材が準備された後、当該鋼材が熱間鍛造または熱間圧延されて成形体が得られる。この熱間鍛造または熱間圧延後の冷却過程において、鋼の結晶粒界にはM 23炭化物が生成する。その後、本願の耐衝撃摩耗部品の製造方法では、成形体を945℃以上1000℃以下の温度から上記鋼のM 点に対応する温度以下の温度まで冷却することにより成形体の全体に対して焼ならし処理が実施される。945℃以上の温度域に加熱したあと冷却する焼ならし処理を実施することにより、先に生成したM 23炭化物が鋼の母相中に固溶し、消失する。その後、焼入硬化処理を実施したうえで、150℃以上250℃以下の温度に加熱することにより鋼の硬度を53HRC以上57HRC以下に調整する工程が実施される。これにより、M 23炭化物を含まない鋼からなる本願の耐衝撃摩耗部品を容易に製造することができる。
[0041]
 [実施形態の具体例]
 次に、本発明の耐衝撃摩耗部品の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
[0042]
 まず、図1~図3を参照して、本実施の形態における耐衝撃摩耗部品としてのリッパシャンクについて説明する。図1は、リッパシャンクおよびリッパポイントを含むリッパ装置の構造を示す概略図である。図2は、リッパシャンクおよびリッパポイントの分解斜視図である。図3は、リッパシャンクの構造を示す概略断面図である。
[0043]
 図1を参照して、本実施の形態のリッパ装置1は、たとえばブルドーザに装着されるリッパ装置である。リッパ装置1は、ブルドーザの車体の後方(ブレード(排土板)が設置される側とは反対側)に装着される。リッパ装置1は、アーム31と、リフトシリンダ32と、チルトシリンダ33と、リッパ支持部材34と、リッパシャンク10と、リッパポイント20とを含む。
[0044]
 アーム31は、棒状の形状を有する。アーム31の一方の端部はブルドーザの車体に設置されたブラケット(図示しない)に接続されている。アーム31の他方の端部はリッパ支持部材34に接続されている。リッパ支持部材34は、アーム31の他方の端部に対して回動可能に接続されている。
[0045]
 リフトシリンダ32およびチルトシリンダ33の一方の端部はブルドーザの車体に設置されたブラケット(図示しない)に接続されている。リフトシリンダ32およびチルトシリンダ33の他方の端部はリッパ支持部材34に接続されている。リフトシリンダ32およびチルトシリンダ33は、長手方向に伸縮可能な油圧シリンダである。リッパ支持部材34は、リフトシリンダ32およびチルトシリンダ33の他方の端部に対して回動可能に接続されている。リッパ支持部材34においてアーム31に接続される領域と、チルトシリンダ33に接続される領域との間に、リフトシリンダ32に接続される領域が位置する。
[0046]
 図1および図2を参照して、リッパシャンク10は、鋼からなる。リッパシャンク10は、長手方向の一方の端部である先端15と、他方の端部である基端14とを含む。リッパシャンク10の先端を含む領域は、ブルドーザの車体に近づく側に屈曲している。リッパシャンク10の先端15と基端14との間の領域がリッパ支持部材34により支持されている。リッパシャンク10の先端15には、リッパポイント20が取り付けられている。リッパ支持部材34においてアーム31に接続される領域が、チルトシリンダ33に接続される領域およびリフトシリンダ32に接続される領域に比べてリッパポイント20に近い位置に配置される。
[0047]
 リッパ装置1において、リフトシリンダ32の伸縮により、リッパシャンク10が昇降する。チルトシリンダ33の伸縮により、リッパシャンク10が傾斜する。リッパシャンク10を降下させた状態においてリッパシャンク10を傾斜させてリッパポイント20を地面Gに貫入させ、ブルドーザの車体を進行させることにより、土砂や岩盤が掻き起される。
[0048]
 図1~図3を参照して、リッパシャンク10には、貫通孔であるリッパシャンク貫通孔11が形成されている。リッパポイント20には、貫通孔であるリッパポイント貫通孔25が形成されている。リッパシャンク10にリッパポイント20が取り付けられた状態において、リッパポイント貫通孔25とリッパシャンク貫通孔11とは連続した貫通孔を構成する。この連続した貫通孔にピン51が挿入されることにより、リッパポイント20はリッパシャンク10に対して固定されている。
[0049]
 図3を参照して、リッパポイント20には、基端23側から先端21側に向けて凹む凹部22が形成されている。リッパシャンク10は、基端14を含む本体部12と、凹部22に挿入される側の端部である先端15を含む挿入部13とを備えている。リッパポイント20に形成された凹部22の底領域22Aとリッパシャンク10の先端15とは、接触していない。凹部22の底領域22Aと先端15との間には、空間29が存在する。
[0050]
 本実施の形態におけるリッパ装置1において、耐衝撃摩耗部品であるリッパシャンク10は、0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる硬度53HRC以上57HRC以下の鋼からなっている。上記鋼は、マルテンサイト相と、残留オーステナイト相とを含む母相と、母相中に分散し、MnS、TiCNおよびNbCNからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1非金属粒と、を含み、M 23(Mは上記鋼を構成する金属元素)で表される炭化物を含まない。母相に含まれる残留オーステナイト量は、たとえば10体積%以下であり、5体積%以下であることが好ましい。
[0051]
 リッパシャンク10を構成する鋼は、0.05質量%以上0.20質量%以下のV、0.01質量%以上0.15質量%以下のZrおよび0.1質量%以上2.0質量%以下のCoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含有していてもよい。
[0052]
 本実施の形態の耐衝撃摩耗部品であるリッパシャンク10は、素材として上記適切な成分組成を有する鋼が採用されるとともに、鋼の組織にM 23炭化物が含まれない。これにより、本実施の形態の耐衝撃摩耗部品であるリッパシャンク10は、耐久性に優れた耐衝撃摩耗部品となっている。
[0053]
 リッパシャンク10において、リッパシャンク10を構成する鋼の母相の結晶粒度番号(ASTM)は5以上8以下であることが好ましい。これにより、リッパシャンク10に優れた靱性を付与することが容易となる。
[0054]
 リッパシャンク10において、上記鋼の母相を構成するマルテンサイト相は低温焼戻マルテンサイト相であることが好ましい。これにより、リッパシャンク10に優れた靱性を付与することが容易となる。
[0055]
 次に、本実施の形態の耐衝撃摩耗部品であるリッパシャンク10の製造方法の一例について、図4を参照して説明する。本実施の形態におけるリッパシャンク10の製造方法では、まず工程(S10)として鋼材準備工程が実施される。この工程(S10)では、上記適切な成分組成を有する鋼からなる鋼材が準備される。
[0056]
 次に、工程(S20)として熱間加工工程が実施される。この工程(S20)では、工程(S10)において準備された鋼材に対して熱間鍛造または熱間圧延と、成形加工とが実施される。これにより、リッパシャンク10の概略形状を有する成形体が得られる。熱間鍛造または熱間圧延は、たとえば工程(S10)において準備された鋼材が1200℃以上、たとえば1250℃に加熱されて実施される。熱間鍛造または熱間圧延後の冷却過程において、鋼の結晶粒界にM 23炭化物が形成される。
[0057]
 次に、工程(S30)として焼ならし工程が実施される。この工程(S30)では、工程(S20)において得られた成形体に対して焼ならし処理が実施される。具体的には、まず成形体が945℃以上1000℃以下の温度域に加熱された後、当該温度域から鋼のM 点に対応する温度以下の温度まで冷却される、このようにして、成形体の全体が焼ならし処理される。945℃以上1000℃以下の温度域に加熱したあと冷却する焼ならし処理を実施することにより、工程(S20)において生成したM 23炭化物が鋼の母相中に固溶し、消失する。
[0058]
 次に、工程(S40)として硬化処理工程が実施される。この工程(S40)では、まず工程(S30)において焼ならし処理された成形体が、たとえば840℃以上920℃以下の温度域に加熱された後、当該温度域から鋼のM 点以下の温度まで冷却される。このようにして、成形体の全体が焼入硬化される。鋼のM 点以下の温度までの冷却は、たとえば冷却媒体として水または油を採用した水冷または油冷により実施することができる。水冷または油冷は、たとえば成形体の表面温度が50℃以上100℃以下の温度になるまで継続される。その後、成形体が150℃以上250℃以下の温度域に加熱された後、室温まで冷却される(低温焼戻)。これにより、成形体を構成する鋼の硬度が53HRC以上57HRC以下の範囲に調整される。
[0059]
 次に、工程(S50)として仕上げ工程が必要に応じて実施される。この工程(S50)においては、工程(S10)~(S40)までが実施されて得られた成形体に対して、必要な仕上げ加工等が実施される。以上のプロセスにより、本実施の形態におけるリッパシャンク10を製造することができる。得られたリッパシャンク10と、別途準備されたリッパポイント20とが組み合わされて、リッパ装置1が得られる。
[0060]
 本実施の形態のリッパシャンク10の製造方法によれば、上記適切な成分組成を有する鋼からなる鋼材を熱間鍛造または熱間圧延して成形する際に鋼の結晶粒界に沿って生成するM 23炭化物を、工程(S30)の焼ならし処理により消失させたうえで、工程(S40)において硬化処理が実施される。このようにして、耐久性に優れた耐衝撃摩耗部品であるリッパシャンク10を製造することができる。
実施例
[0061]
 上記適切な成分組成を有する鋼からなる鋼材を含む4種類の鋼材を用いて本願の耐衝撃摩耗部品に対応する試料を作製し、特性を評価する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
[0062]
 実験に用いた鋼の化学成分を表1に示す。表1において、各数値の単位は質量%である。鋼材Aは、本発明の耐衝撃摩耗部品を構成する鋼に対応する成分組成を有する(実施例)。鋼材B、CおよびDは、本発明の範囲外の成分組成を有する(比較例)。鋼材BはSCrB430H、鋼材CはJIS規格SNCM431H、鋼材Dは上記特許文献1に開示された鋼にそれぞれ対応する。
[0063]
[表1]


 (機械的性質に関する実験)
 表1の鋼材を用いて、上記実施の形態の工程(S10)~(S40)と同様のプロセスにより試料を作製した。得られた試料から引張試験片およびシャルピー衝撃試験片(2mmUノッチ)を作製し、引張試験、衝撃試験およびロックウェル硬さ測定を実施した。鋼材A(実施例)についてのみ、X線による残留オーステナイト量の測定を実施した。試験結果を表2に示す。
[0064]
[表2]


 表2を参照して、実施例と比較例とを比較すると、実施例は、比較例と比較して同程度の絞りの値を維持しつつ、高い0.2%耐力、引張強さおよび衝撃値を達成している。また、実施例である鋼材Aに関して、鋼材Dと比べると0.2%耐力は同等であるが、引張強さが大幅に向上していることがわかる。このことから、本願の耐衝撃摩耗部品は、耐久性に優れていることが確認される。
[0065]
 (鋼組織に関する実験)
 表1の鋼材A(本発明の実施例に対応する鋼材)を用い、上記実施の形態と同様の手順でリッパシャンクのサンプルを作製した。このサンプルから試験片を採取した。採取された試験片の表面を研磨した後、硝酸アルコール溶液にて表面を腐食し、光学顕微鏡にてミクロ組織を観察した。図5は、鋼のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。
[0066]
 図5を参照して、鋼のミクロ組織から、母相は、低温焼戻マルテンサイト相を含んでいることが分かる。本願の耐衝撃摩耗部品においては、若干(10体積%以下)の残留オーステナイトの存在は許容される。同様に採取した試料について、X線を用いて残留オーステナイト量を測定したところ、1~3体積%の残留オーステナイトが存在することが分かった。このことから、鋼の母相は、マルテンサイト相と、残留オーステナイト相とを含むことが確認される。
[0067]
 図6は、鋼の組織をSEMにより観察し、発見された生成物をEDX(エネルギー分散型X線分析)により分析した結果を示す写真である。図6に示すように、鋼の母相中には、1~20μm程度の大きさの非金属粒(MnS、TiCNおよびNbCNからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1非金属粒)が分散していることが確認される。
[0068]
 (結晶粒界に形成される炭化物に関する実験)
 表1の鋼材A(本発明の実施例に対応する鋼材)を用い、上記実施の形態の工程(S20)まで(鍛造温度は1250℃)を実施した後、工程(S30)を実施することなく、工程(S40)において870℃まで加熱したうえで焼入処理した試験片(焼入まま;試料A)を作製した。また、同様に工程(S20)までを実施した後、工程(S30)において970℃に加熱して焼ならし処理を実施し、さらに工程(S40)において870℃まで加熱したうえで焼入処理した試験片(焼入れまま:試料B)を作製した。試料AおよびBについて、光学顕微鏡およびSEMにてミクロ組織を観察するとともに、粒界に沿って存在する生成物についてEDXにより元素マッピングを実施した。実験結果を図7に示す。
[0069]
 図7を参照して、工程(S30)を省略した試料Aにおいては、結晶粒界に沿ってMoおよびCrの炭化物が存在していることが分かる。また、この炭化物の周辺にベイナイト組織が形成されている。このベイナイト組織の形成は、上記炭化物の形成によって合金元素量が局所的に低下し、焼入性が低下したことに起因するものと考えられる。一方、本発明の耐衝撃摩耗部品に対応する加熱温度970℃の焼ならしを工程(S30)において実施した試料Bには、上記のような炭化物は発見されなかった。以上の実験結果から、熱間加工の際に形成された上記炭化物は、870℃の焼入温度では残存するものの、970℃の焼ならし温度では固溶して消失することが分かる。
[0070]
 試料A中に存在する炭化物について、STEMの明視野像にて炭化物を検出した後、当該炭化物のSAD(制限視野回折)パターンを確認することにより同定した例を図8に示す。図8に示すように、炭化物はM 23炭化物であることが分かる。すなわち、本願の耐衝撃摩耗部品の製造方法においては、熱間加工時に形成されたM 23炭化物が、工程(S30)の焼ならし時の加熱により消失していることが確認された。
[0071]
 (加熱温度と絞りとの関係に関する実験)
 表1の鋼材Aを用い、種々の温度から急冷して焼入硬化した後、高温焼戻を実施した試験片を作製し、引張試験を実施した。このとき、焼入時の加熱温度を変化させ、引張試験の絞りに及ぼす加熱温度の影響を調査した。実験結果を図9に示す。
[0072]
 図9を参照して、加熱温度を945℃以上とすることにより、絞りの値が明確に上昇していることが分かる。この945℃以上の温度域は、結晶粒界に形成される炭化物に関する実験においてM 23炭化物が見られなくなる温度域に一致する。このことから、鋼の結晶粒界に生成するM 23炭化物を945℃以上の温度域への加熱によって消失させ、絞りの値を向上させることが可能であることが分かる。
[0073]
 なお、上記実施の形態においては、本願の耐衝撃摩耗部品の一例としてリッパシャンクについて説明したが、本願の耐衝撃摩耗部品は、硬度53HRC以上57HRC以下の鋼からなる種々の耐衝撃摩耗部品、たとえばバケットツース、バケットアダプタ、バケットシュラウド、リッパポイント、プロテクタ、カッティングエッジ、エンドビット、圧砕具の歯、スプロケットティース、スプリング、シュープレート、シューボルトなどに適用することができる。
[0074]
 今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

符号の説明

[0075]
 1 リッパ装置、10 リッパシャンク、11 リッパシャンク貫通孔、12 本体部、13 挿入部、14 基端、15 先端、20 リッパポイント、21 先端、22 凹部、22A 底領域、23 基端、25 リッパポイント貫通孔、29 空間、31 アーム、32 リフトシリンダ、33 チルトシリンダ、34 リッパ支持部材、51 ピン。

請求の範囲

[請求項1]
 0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる硬度53HRC以上57HRC以下の鋼からなり、
 前記鋼は、
 マルテンサイト相と、残留オーステナイト相とを含む母相と、
 前記母相中に分散し、MnS、TiCNおよびNbCNからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1非金属粒と、を含み、
 M 23(Mは前記鋼を構成する金属元素)で表される炭化物を含まない、耐衝撃摩耗部品。
[請求項2]
 前記鋼は、0.05質量%以上0.20質量%以下のV、0.01質量%以上0.15質量%以下のZrおよび0.1質量%以上2.0質量%以下のCoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含有する、請求項1に記載の耐衝撃摩耗部品。
[請求項3]
 前記母相の結晶粒度番号は5以上8以下である、請求項1または請求項2に記載の耐衝撃摩耗部品。
[請求項4]
 前記母相を構成するマルテンサイト相は低温焼戻マルテンサイト相である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の耐衝撃摩耗部品。
[請求項5]
 0.41質量%以上0.44質量%以下のCと、0.2質量%以上0.5質量%以下のSiと、0.2質量%以上1.5質量%以下のMnと、0.0005質量%以上0.0050質量%以下のSと、0.6質量%以上2.0質量%以下のNiと、0.7質量%以上1.5質量%以下のCrと、0.1質量%以上0.6質量%以下のMoと、0.02質量%以上0.03質量%以下のNbと、0.01質量%以上0.04質量%以下のTiと、0.0005質量%以上0.0030質量%以下のBと、20質量ppm以上60質量ppm以下のNと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼材を準備する工程と、
 前記鋼材を熱間鍛造または熱間圧延して成形体を得る工程と、
 前記成形体を945℃以上1000℃以下の温度から前記鋼のM 点に対応する温度以下の温度まで冷却することにより前記成形体の全体に対して焼ならし処理を実施する工程と、
 焼ならし処理が実施された前記成形体を焼入硬化処理した後、150℃以上250℃以下の温度に加熱することにより前記成形体の硬度を53HRC以上57HRC以下に調整する工程と、を備える、耐衝撃摩耗部品の製造方法。
[請求項6]
 前記鋼は、0.05質量%以上0.20質量%以下のV、0.01質量%以上0.15質量%以下のZrおよび0.1質量%以上2.0質量%以下のCoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含有する、請求項5に記載の耐衝撃摩耗部品の製造方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]