JP2017210645A - 高強度鋼 - Google Patents
高強度鋼 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017210645A JP2017210645A JP2016103713A JP2016103713A JP2017210645A JP 2017210645 A JP2017210645 A JP 2017210645A JP 2016103713 A JP2016103713 A JP 2016103713A JP 2016103713 A JP2016103713 A JP 2016103713A JP 2017210645 A JP2017210645 A JP 2017210645A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mass
- less
- amount
- steel
- content
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
【課題】低合金で高強度を達成しつつ耐水素脆化特性に優れる高強度鋼を提供する。【解決手段】本発明の高強度鋼は、Cが0.40質量%以上0.60質量%以下、Siが1.4質量%以上3.0質量%以下、Mnが0.1質量%以上1.0質量%以下、Crが0.6質量%以上1.6質量%以下、Pが0質量%超0.015質量%以下、Sが0質量%超0.015質量%以下、Alが0.01質量%以上0.1質量%以下、Nが0.002質量%以上0.015質量%以下、Oが0質量%超0.0015質量%以下、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、旧オーステナイト粒径が6μm以下、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、Fe量とCr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下である。【選択図】なし
Description
本発明は、高強度鋼に関する。
輸送機器等に用いられる鋼材は、軽量化、小型化等の観点から高強度化が進められている。一方、鋼材は、拡散性水素が粒界に偏析すると、粒界強度が低下し低温割れが発生しやすくなる。また、耐水素脆化性は、鋼材の引張強度等が高くなれば低下しやすく、例えば引張強度が1200Mpaを超えると顕著に耐水素脆化性が低下する。そのため、鋼材高強度化を図るためには、耐水素脆化性を向上させることが重要である。また、近年、省資源化の観点から、鋼材における合金元素を低減した低合金高強度鋼の開発が望まれている。これらの要求に対し、様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献1(特開平8−60291号公報)には、Cu、Mo、Nb、Ni、V等の合金元素添加により耐遅れ破壊特性を向上する技術が開示され、168kgf/mm2までの高強度化が達成されている。
また、特許文献2(特開2009−280836号公報)には、90%以上の伸線加工パーライトと10%以下のフェライト及びベイナイト組織からなるPC鋼線において、表層部の表層Hv硬さと、表層部より内部の内部Hv硬さとの比(表層Hv硬さ/内部Hv硬さ)を1.1以下とすることが開示されている。このPC鋼線は、引張強さ2000MPa以上の耐遅れ破壊特性に優れたものであり、2436MPaまでの高強度が達成されている。
さらに、特許文献3(特許4027956号公報)には、固溶C量及びCr含有析出物のCrを低減した耐脆性破壊特性に優れた高強度ばね鋼が開示され、2175MPaまでの高強度が達成されている。
また、特許文献4(特許5760972号公報)には、Fe系ε炭化物が分散した焼戻しマルテンサイト組織の耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼が開示され、2270MPaまでの高強度が達成されている。
特許文献1〜4に記載の鋼材は、いずれも耐水素脆化特性を向上する技術であるが、低合金で高強度を達成しつつ高い耐水素脆化特性を確保するという点において改善の余地がある。
本発明は、上記不都合に鑑みてなされたものであり、低合金で高強度を達成しつつ耐水素脆化特性に優れる高強度鋼を提供することを課題とする
本発明者は、低合金で高強度を達成しつつ耐水素脆化性の向上を図ることを目的として鋭意研究を重ねた結果、所定の低合金組成において、炭化物を形成するFe量及びCr量を低減することで、高強度を達成しつつ耐水素脆化性が向上するとの知見を得た。
すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明は、C:0.40質量%以上0.60質量%以下、Si:1.4質量%以上3.0質量%以下、Mn:0.1質量%以上1.0質量%以下、Cr:0.6質量%以上1.6質量%以下、P:0質量%超0.015質量%以下、S:0質量%超0.015質量%以下、Al:0.01質量%以上0.1質量%以下、N:0.002質量%以上0.015質量%以下、及びO:0質量%超0.0015質量%以下を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、旧オーステナイト粒径が6μm以下、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、上記Fe量と上記Cr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下である。
本発明によれば、旧オーステナイト粒が粒径6μm以下の微細なものであることで、旧オーステナイト粒界を起点とする水素脆性破壊を低減することができる。また、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)を0.8質量%以下とすることで、粗大炭化物量が低減されると共に過飽和したC量が低減される結果、破壊特性の低下を抑制できる。さらに、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するCr量W(Cr)が0.05質量%以下であることで、炭化物へのCr固溶量を低減できるため、炭化物の硬度上昇に起因する破壊特性劣化を抑制できる。また、Fe量とCr量の比W(Fe)/W(Cr)が15以上であるが、この比W(Fe)/W(Cr)が大きいほど炭化物に固溶しているCrの割合が低いと言える。そのため、Cr量W(Cr)が0.05質量%以下であることと、比W(Fe)/W(Cr)が15以上あることで、炭化物に固溶しているCr量が好適に少なくされており、その結果炭化物の硬度上昇に起因する破壊特性劣化をより好適に抑制できる。これらのことから、当該高強度鋼は、少ない合金元素で高強度を達成しつつ耐水素脆化特性に優れる。
なお、「粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)」は、粒径が0.1μm以上の炭化物に含まれるFe及びCrの質量をそれぞれ意味する。
本発明によれば、少ない合金元素で高強度を達成しつつ耐水素脆化特性に優れる高強度鋼を提供できる。従って、本発明は輸送機器等の軽量化、小型化等に寄与できる。
以下、本発明に係る高強度鋼を詳説する。
[高強度鋼]
当該高強度鋼は、低合金鋼であり、輸送機器等に好適に用いられるものである。この高強度鋼は、添加すべき化学元素及びその含有量を規定すると共に、鋼中の炭化物を形成するFe質量W(Fe)及びCr質量W(Cr)を制御したところに特徴がある。このような特徴に基づき、当該高強度鋼は、低合金で高強度を達成できると共に耐水素脆化性に優れる。
当該高強度鋼は、低合金鋼であり、輸送機器等に好適に用いられるものである。この高強度鋼は、添加すべき化学元素及びその含有量を規定すると共に、鋼中の炭化物を形成するFe質量W(Fe)及びCr質量W(Cr)を制御したところに特徴がある。このような特徴に基づき、当該高強度鋼は、低合金で高強度を達成できると共に耐水素脆化性に優れる。
当該高強度鋼は、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、Fe量とCr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下である。好ましくは、当該高強度鋼は、引張強度が(TS)が1800MPa以上2200MPa以下である。
<旧オーステナイト粒径>
高強度鋼の水素脆性破壊における金属組織起点と成りやすいのは、旧オーステナイト粒界である。このような粒界起点破壊は、旧オーステナイト粒径の微細化により生じにくくなる。そのため、当該高強度鋼では、旧オーステナイト粒径を6μm以下とし、好ましくは5μm以下、より好ましくは4μm以下とする。旧オーステナイト粒径は、微細なほど良いと考えられるため下限は設けないが、コスト的に2μm程度が現実的である。
高強度鋼の水素脆性破壊における金属組織起点と成りやすいのは、旧オーステナイト粒界である。このような粒界起点破壊は、旧オーステナイト粒径の微細化により生じにくくなる。そのため、当該高強度鋼では、旧オーステナイト粒径を6μm以下とし、好ましくは5μm以下、より好ましくは4μm以下とする。旧オーステナイト粒径は、微細なほど良いと考えられるため下限は設けないが、コスト的に2μm程度が現実的である。
旧オーステナイト粒径を6μm以下に調整する方法は種々あるが、例えばAl元素及びN元素の含有量を適正化すると共に焼入れを複数回(例えば3回)繰り返し、2回目以降(例えば2回目及び3回目)の焼入れ温度を1回目の焼入れよりも低い温度(例えば925℃以下)にすることで旧オーステナイト粒径を6μm以下に調整することができる。
<Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)>
焼入れ工程及び焼戻し工程では、焼入れ時に過飽和に固溶したC元素が焼戻しの際にFe系炭化物であるε炭化物やセメンタイトとして析出、成長することが広く知られている。C元素が過飽和に固溶した状態では、鋼材の破壊特性が低く、焼戻しにより炭化物が析出して固溶Cが低減することで破壊特性が改善する。よって、炭化物の析出促進が破壊特性改善の糸口になる。しかし、粗大な炭化物は破壊特性を劣化させるため、粗大化は極力抑制する必要がある。
焼入れ工程及び焼戻し工程では、焼入れ時に過飽和に固溶したC元素が焼戻しの際にFe系炭化物であるε炭化物やセメンタイトとして析出、成長することが広く知られている。C元素が過飽和に固溶した状態では、鋼材の破壊特性が低く、焼戻しにより炭化物が析出して固溶Cが低減することで破壊特性が改善する。よって、炭化物の析出促進が破壊特性改善の糸口になる。しかし、粗大な炭化物は破壊特性を劣化させるため、粗大化は極力抑制する必要がある。
一方、焼戻し時には、一部の合金元素がFe系炭化物に固溶することも知られており、Cr元素はその代表的な元素である。Cr元素が固溶すると炭化物の硬度が上昇し、破壊特性の劣化につながると共に、局所的な耐食性や耐水素脆化特性の低下を招く。
そこで、当該高強度鋼では、粗大炭化物量を減らすべく、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)を鋼全体の0.8質量%以下に制限する。Fe量W(Fe)としては、0.6質量%以下が好ましく、0.4質量%以下がより好ましい。また、Cr元素の固溶を低減するため、Cr量W(Cr)を鋼全体の0.05質量%以下に制限する。Cr量W(Cr)としては、0.03質量%以下が好ましく、0.02質量%以下がより好ましい。なお、Fe量及びCr量は、いわゆる合金型Fe量(又は化合物型Fe量)及び合金型Cr量(又は化合物型Cr量)とも称されることがある。
Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)は、化合物(炭化物)の量の指標であり、炭化物のCr元素の濃度を表すには不十分である。Cr元素の固溶は、Fe量W(Fe)とCr量W(Fe)との比で表されると考えられる。本発明では、Fe量とCr量の比W(Fe)/W(Cr)を15以上とする。この比W(Fe)/W(Cr)が大きいほど炭化物に固溶しているCr元素の割合が低いと言える。比W(Fe)/W(Cr)は、18以上が好ましく、22以上がより好ましい。
Fe量W(Fe)、Cr量W(Cr)及びこれらの比W(Fe)/W(Cr)を調整する方法は種々あるが、例えばFe量W(Fe)は急速加熱短時間焼戻しを行うと共に、焼戻し温度を560℃以下にすることで、Fe量W(Fe)を0.8質量%以下に制御できる。また、Cr量W(Cr)及び比W(Fe)/W(Cr)は、Cr元素のミクロ偏析があるとCr元素濃度が高くなるため、均質化処理としてソーキング及び鍛造工程を追加し、焼入れ前の組織に依存するCr元素の偏析を軽減するため、複数回繰返し焼入れすると共に、1回目の焼入れ加熱温度を1100℃以上の高温とすることで、Cr量W(Cr)を鋼全体の0.05質量%以下とし、比W(Fe)/W(Cr)を15以上とすることができる。
<水素含有量>
水素は、鋼材の水素脆化を引き起こすため、製鋼プロセスで極力低減される。鋼材中の水素は、製鋼プロセスでは完全な除去はできないが、製鋼プロセスの後工程でも大気中に自然放出される。しかし、一部の水素は金属組織の欠陥や介在物等にトラップされ、放出されず残存する。通常、トラップされた水素は悪影響が無いとされているが、疲労のような繰返し応力(歪エネルギ)が作用する場合、強固にトラップされた水素(特に介在物にトラップされた水素)がトラップサイトから放出され、引張強度等の機械的特性を劣化させる悪影響を及ぼす。そのため、引張強度等の機械的特性を向上させるためには水素含有量は極微量に管理する必要があり、当該高強度鋼では水素含有量が0.5質量ppm以下とされる。水素含有量の上限値としては、0.35質量ppmが好ましく、0.2質量ppmがより好ましい。但し、水素含有量の下限値は0質量ppm超とされる。なお、水素含有量は、昇温分析法により測定した値である。また、水素含有量は、製鋼プロセスで、例えば真空脱ガス処理等の脱水素処理により0.5質量ppm以下となるように管理され、上述のように製鋼プロセスの後工程においても自然放出されて低減する。
水素は、鋼材の水素脆化を引き起こすため、製鋼プロセスで極力低減される。鋼材中の水素は、製鋼プロセスでは完全な除去はできないが、製鋼プロセスの後工程でも大気中に自然放出される。しかし、一部の水素は金属組織の欠陥や介在物等にトラップされ、放出されず残存する。通常、トラップされた水素は悪影響が無いとされているが、疲労のような繰返し応力(歪エネルギ)が作用する場合、強固にトラップされた水素(特に介在物にトラップされた水素)がトラップサイトから放出され、引張強度等の機械的特性を劣化させる悪影響を及ぼす。そのため、引張強度等の機械的特性を向上させるためには水素含有量は極微量に管理する必要があり、当該高強度鋼では水素含有量が0.5質量ppm以下とされる。水素含有量の上限値としては、0.35質量ppmが好ましく、0.2質量ppmがより好ましい。但し、水素含有量の下限値は0質量ppm超とされる。なお、水素含有量は、昇温分析法により測定した値である。また、水素含有量は、製鋼プロセスで、例えば真空脱ガス処理等の脱水素処理により0.5質量ppm以下となるように管理され、上述のように製鋼プロセスの後工程においても自然放出されて低減する。
<引張強度(TS)>
当該高強度鋼の引張強度(TS)としては、上述のように1800MPa以上2200MPa以下が好ましい。当該高強度鋼の引張強度(TS)の下限値としては、1850MPaがより好ましく、1900MPaがさらに好ましい。一方、当該高強度鋼の引張強度(TS)の上限値としては、2150MPaがより好ましく、2100MPaがさらに好ましい。当該高強度鋼の引張強度(TS)が上記範囲であることで、当該高強度鋼は自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。
当該高強度鋼の引張強度(TS)としては、上述のように1800MPa以上2200MPa以下が好ましい。当該高強度鋼の引張強度(TS)の下限値としては、1850MPaがより好ましく、1900MPaがさらに好ましい。一方、当該高強度鋼の引張強度(TS)の上限値としては、2150MPaがより好ましく、2100MPaがさらに好ましい。当該高強度鋼の引張強度(TS)が上記範囲であることで、当該高強度鋼は自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。
<化学元素及びその含有量>
当該高強度鋼は、以下の化学元素を所定範囲で含有する低合金(省合金)である。
C:0.40質量%以上0.60質量%以下
Si:1.4質量%以上3.0質量%以下
Mn:0.1質量%以上1.0質量%以下
Cr:0.6質量%以上1.6質量%以下
P:0質量%超0.015質量%以下
S:0質量%超0.015質量%以下
Al:0.01質量%以上0.1質量%以下
N:0.002質量%以上0.015質量%以下
O:0質量%超0.0015質量%以下
残部:鉄及び不可避的不純物
当該高強度鋼は、以下の化学元素を所定範囲で含有する低合金(省合金)である。
C:0.40質量%以上0.60質量%以下
Si:1.4質量%以上3.0質量%以下
Mn:0.1質量%以上1.0質量%以下
Cr:0.6質量%以上1.6質量%以下
P:0質量%超0.015質量%以下
S:0質量%超0.015質量%以下
Al:0.01質量%以上0.1質量%以下
N:0.002質量%以上0.015質量%以下
O:0質量%超0.0015質量%以下
残部:鉄及び不可避的不純物
(C(炭素)元素の含有量)
C元素は、鉄鋼材料を高強度化するため必須の元素である。本発明が所望とする引張強度を得るために0.40質量%以上含有させる必要がある。C元素の含有量の下限値としては、0.42質量%が好ましく、0.44質量%がより好ましい。一方、C元素が過剰になると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎ疲労特性が劣化するため、C元素の含有量は、0.60質量%以下とされる。C元素の含有量の上限値としては、0.58質量%が好ましく、0.56質量%がより好ましい。
C元素は、鉄鋼材料を高強度化するため必須の元素である。本発明が所望とする引張強度を得るために0.40質量%以上含有させる必要がある。C元素の含有量の下限値としては、0.42質量%が好ましく、0.44質量%がより好ましい。一方、C元素が過剰になると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎ疲労特性が劣化するため、C元素の含有量は、0.60質量%以下とされる。C元素の含有量の上限値としては、0.58質量%が好ましく、0.56質量%がより好ましい。
(Si(ケイ素)元素の含有量)
Si元素は、脱酸元素として使用される。このSi元素は、マトリックスを固溶強化すると共に、焼戻し軟化抵抗を向上させるために有用な元素である。このような作用を発揮させるためには、Si元素の含有量は、1.4質量%以上とする。Si元素の含有量の下限値としては、1.6質量%が好ましく、1.8質量%がより好ましくい。一方、Si元素が過剰になると、破壊特性が低下するので、Si元素の含有量は3.0質量%以下とする。Si元素の含有量の上限値としては、2.7質量%が好ましく、2.4質量%がより好ましい。
Si元素は、脱酸元素として使用される。このSi元素は、マトリックスを固溶強化すると共に、焼戻し軟化抵抗を向上させるために有用な元素である。このような作用を発揮させるためには、Si元素の含有量は、1.4質量%以上とする。Si元素の含有量の下限値としては、1.6質量%が好ましく、1.8質量%がより好ましくい。一方、Si元素が過剰になると、破壊特性が低下するので、Si元素の含有量は3.0質量%以下とする。Si元素の含有量の上限値としては、2.7質量%が好ましく、2.4質量%がより好ましい。
(Mn(マンガン)元素の含有量)
Mn元素は、脱酸元素として使用される。このMn元素は、焼入れ性を向上させると共に、焼戻し軟化抵抗を向上させるために有用な元素である。加えて、Mn元素は、有害元素であるSをMnSとして固定して害を軽減する。これら効果を得るためには、Mn元素の含有量は、少なくとも0.1質量%は必要である。Mn元素の含有量の下限値としては、0.15質量%が好ましく、0.2質量%がより好ましい。一方、過剰量のMn元素は凝固偏析により金属組織や材質の不均一性を招き、このような悪影響は高強度鋼ほど顕著になる。従って、Mn元素の含有量は、1.0質量%以下とする。Mn元素の含有量の上限値としては、0.8質量%が好ましく、0.4質量%がより好ましい。
Mn元素は、脱酸元素として使用される。このMn元素は、焼入れ性を向上させると共に、焼戻し軟化抵抗を向上させるために有用な元素である。加えて、Mn元素は、有害元素であるSをMnSとして固定して害を軽減する。これら効果を得るためには、Mn元素の含有量は、少なくとも0.1質量%は必要である。Mn元素の含有量の下限値としては、0.15質量%が好ましく、0.2質量%がより好ましい。一方、過剰量のMn元素は凝固偏析により金属組織や材質の不均一性を招き、このような悪影響は高強度鋼ほど顕著になる。従って、Mn元素の含有量は、1.0質量%以下とする。Mn元素の含有量の上限値としては、0.8質量%が好ましく、0.4質量%がより好ましい。
(Cr(クロム)元素の含有量)
Cr元素は、耐食性向上に有効と知られており、腐食環境等で耐水素脆化特性が問題になる場合には効果を発揮する。このCr元素は、焼戻し軟化抵抗を向上し、高強度化にも寄与する。このような作用を発揮させるためには、Cr元素を鋼中に0.6質量%以上含有させる。Cr元素の含有量の下限値としては、0.7質量%が好ましく、0.8質量%がより好ましい。一方、Cr元素は、炭化物に固溶しやすい傾向があることが知られているが、過剰にCr元素を添加すると炭化物への固溶が増大し、炭化物の硬度上昇による破壊特性の劣化、局所的な耐食性や耐水素脆化特性の低下を招く。従って、Cr元素の含有量は、1.6質量%以下とする。Cr元素の含有量の上限値としては、1.4質量%が好ましく、1.2質量%がより好ましい。
Cr元素は、耐食性向上に有効と知られており、腐食環境等で耐水素脆化特性が問題になる場合には効果を発揮する。このCr元素は、焼戻し軟化抵抗を向上し、高強度化にも寄与する。このような作用を発揮させるためには、Cr元素を鋼中に0.6質量%以上含有させる。Cr元素の含有量の下限値としては、0.7質量%が好ましく、0.8質量%がより好ましい。一方、Cr元素は、炭化物に固溶しやすい傾向があることが知られているが、過剰にCr元素を添加すると炭化物への固溶が増大し、炭化物の硬度上昇による破壊特性の劣化、局所的な耐食性や耐水素脆化特性の低下を招く。従って、Cr元素の含有量は、1.6質量%以下とする。Cr元素の含有量の上限値としては、1.4質量%が好ましく、1.2質量%がより好ましい。
(P(リン)元素の含有量)
P元素は、偏析部での靭性特性を低下させるため、その含有量は0.015質量%以下とされる。P元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.008質量%がより好ましい。但し、P元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
P元素は、偏析部での靭性特性を低下させるため、その含有量は0.015質量%以下とされる。P元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.008質量%がより好ましい。但し、P元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
(S(硫黄)元素の含有量)
S元素は、P元素と同様に偏析部での靭性特性を低下させるため、その含有量は0.015質量%以下とされる。S元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.008質量%がより好ましい。但し、S元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
S元素は、P元素と同様に偏析部での靭性特性を低下させるため、その含有量は0.015質量%以下とされる。S元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.008質量%がより好ましい。但し、S元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
(Al(アルミニウム)元素の含有量)
Al元素は、脱酸元素として使用されるものであり、固溶状態で存在すると焼戻し軟化抵抗を向上させる。このAl元素は、窒化物を形成し組織微細化にも寄与する。このような作用を発揮させるためには、Al元素を0.01質量%以上含有させる。Al元素の含有量の下限値としては、0.02質量%が好ましく、0.03質量%がより好ましい。一方、Al元素を過剰に添加すると、粗大な酸化物や窒化物を形成し、破壊の起点となりやすいため、Al元素の含有量の上限値を0.1質量%とする。Al元素の含有量の上限値としては、0.07質量%が好ましく、0.04質量%がより好ましい。
Al元素は、脱酸元素として使用されるものであり、固溶状態で存在すると焼戻し軟化抵抗を向上させる。このAl元素は、窒化物を形成し組織微細化にも寄与する。このような作用を発揮させるためには、Al元素を0.01質量%以上含有させる。Al元素の含有量の下限値としては、0.02質量%が好ましく、0.03質量%がより好ましい。一方、Al元素を過剰に添加すると、粗大な酸化物や窒化物を形成し、破壊の起点となりやすいため、Al元素の含有量の上限値を0.1質量%とする。Al元素の含有量の上限値としては、0.07質量%が好ましく、0.04質量%がより好ましい。
(N(窒素)元素の含有量)
N元素は、不可避的に含まれ、Al元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与する。このような作用を発揮させるためには、N元素を0.002質量%以上含有させる。N元素の含有量の下限値としては、0.004質量%が好ましく、0.007質量%がより好ましい。一方、N元素の過剰添加は粗大な窒化物を形成しやすく、破壊起点となりやすい。よって、N元素の含有量の上限値を0.015質量%とする。N元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.010質量%がより好ましい。
N元素は、不可避的に含まれ、Al元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与する。このような作用を発揮させるためには、N元素を0.002質量%以上含有させる。N元素の含有量の下限値としては、0.004質量%が好ましく、0.007質量%がより好ましい。一方、N元素の過剰添加は粗大な窒化物を形成しやすく、破壊起点となりやすい。よって、N元素の含有量の上限値を0.015質量%とする。N元素の含有量の上限値としては、0.012質量%が好ましく、0.010質量%がより好ましい。
(O(酸素)元素の含有量)
O元素は、酸化物として不可避的に存在するが、粗大な酸化物や過剰な酸化物は破壊の起点となりやすい。このような悪影響を回避するためO元素の含有量の上限値を0.0015質量%とする。O元素の含有量の上限値としては、0.0012質量%が好ましく、0.0010質量%がより好ましく、0.0007質量%がさらに好ましい。但し、O元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
O元素は、酸化物として不可避的に存在するが、粗大な酸化物や過剰な酸化物は破壊の起点となりやすい。このような悪影響を回避するためO元素の含有量の上限値を0.0015質量%とする。O元素の含有量の上限値としては、0.0012質量%が好ましく、0.0010質量%がより好ましく、0.0007質量%がさらに好ましい。但し、O元素の含有量の下限値は0質量ppm超とされる。
(残部)
以上が本発明で規定する含有元素であって、残部は鉄及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるSn、As、Pb、Ti等が挙げられるが、これらの元素に限定されるものではない。
以上が本発明で規定する含有元素であって、残部は鉄及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるSn、As、Pb、Ti等が挙げられるが、これらの元素に限定されるものではない。
<高強度鋼の製造方法>
本発明の高強度鋼は、上記化学成分量を満たす鋼材に対し、加熱工程、熱間鍛造工程、再加熱工程、焼入れ工程及び焼戻し工程を含むプロセスの実行によって得られる。
本発明の高強度鋼は、上記化学成分量を満たす鋼材に対し、加熱工程、熱間鍛造工程、再加熱工程、焼入れ工程及び焼戻し工程を含むプロセスの実行によって得られる。
(加熱工程)
まず、熱間鍛造前の鋼材の温度を高めることが炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御に有効であり、具体的には加熱温度として1200℃以上が必要である。加熱温度は好ましくは1230℃以上、より好ましくは1250℃以上である。加熱温度の上限については特に規定されるものではないが、経済性の観点から、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1350℃以下である。
まず、熱間鍛造前の鋼材の温度を高めることが炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御に有効であり、具体的には加熱温度として1200℃以上が必要である。加熱温度は好ましくは1230℃以上、より好ましくは1250℃以上である。加熱温度の上限については特に規定されるものではないが、経済性の観点から、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1350℃以下である。
加熱時間については特に規定されるものではないが、加熱の効果を高める観点から、好ましくは2時間以上、より好ましくは5時間以上である。また、経済性の観点から、好ましくは20時間以下、より好ましくは15時間以下である。
(熱間鍛造工程)
熱間鍛造工程では、まず、炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御のため、インゴットの軸方向に据え込み鍛造を行う。炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御には少なくとも加工率30%以上の加工が必要である。ここでの加工率は高さ(厚み)変化率を意味する。加工率は、好ましくは40%以上、より好ましくは50%以上とする。据え込み鍛造時の加工率の上限については特に規定されるものではないが、負荷荷重の観点から、好ましくは80%以下、より好ましくは70%以下である。
熱間鍛造工程では、まず、炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御のため、インゴットの軸方向に据え込み鍛造を行う。炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御には少なくとも加工率30%以上の加工が必要である。ここでの加工率は高さ(厚み)変化率を意味する。加工率は、好ましくは40%以上、より好ましくは50%以上とする。据え込み鍛造時の加工率の上限については特に規定されるものではないが、負荷荷重の観点から、好ましくは80%以下、より好ましくは70%以下である。
続いて元のインゴットの軸方向(先の据え込み方向)と直角かつ、お互いに直角な2方向から加工して軸方向に再度鍛伸する。鍛伸時の加工率は炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御のため、60%以上とする。ここでの加工率は減面率を意味する。加工率は、好ましくは70%以上、より好ましくは75%以上である。鍛伸時の加工率の上限については特に規定されるものではないが、負荷荷重の観点から、好ましくは99.5%以下、より好ましくは99%以下である。
また、一連の熱間鍛造は、負荷荷重の観点から、1100℃以上の温度域で行うことが好ましく、より好ましくは1150℃以上である。また、経済性の観点から、1400℃以下の温度域で行うことが好ましく、より好ましくは1350℃以下である。
(再加熱工程)
再加熱工程は、上記熱間鍛造した熱間鍛造材を再加熱する工程である。鍛造後、再度1200℃以上にて加熱処理を行う。熱間鍛造(多軸熱間鍛造)及び再加熱により、炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御が促進される。再加熱温度は凝固偏析の軽減の観点から、好ましくは1230℃以上、より好ましくは1250℃以上である。再加熱温度の上限については特に規定されるものではないが、経済性の観点から、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1350℃以下である。
再加熱工程は、上記熱間鍛造した熱間鍛造材を再加熱する工程である。鍛造後、再度1200℃以上にて加熱処理を行う。熱間鍛造(多軸熱間鍛造)及び再加熱により、炭化物サイズ低減、及び粗大炭化物中のFe量、Cr量等の制御が促進される。再加熱温度は凝固偏析の軽減の観点から、好ましくは1230℃以上、より好ましくは1250℃以上である。再加熱温度の上限については特に規定されるものではないが、経済性の観点から、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1350℃以下である。
再加熱時間については特に規定されるものではないが、加熱の効果を高める観点から、好ましくは5時間以上、より好ましくは7時間以上である。また、経済性の観点から、好ましくは20時間以下、より好ましくは15時間以下である。
(焼入れ工程)
焼入れ工程では、Cr元素の偏析を低減しつつ旧オーステナイト粒径を6μm以下とするために複数回、好ましくは3回行われ、1回目の焼入れ処理は2回目以降の焼入れ処理よりも高温で行われる。例えば、焼入れ工程で3回の焼入れ処理を行う場合、1回目の焼入れ処理は、焼入れ工程前の組織に依存するCr固溶炭化物の粗大化を低減するため、2回目以降の焼入れ処理よりも高い温度、例えば1100℃以上で実行される。2回目及び3回目の焼入れ処理は、旧オーステナイト粒径を6μm以下とするため、1回目の焼入れ処理よりも低い温度、例えば950℃以下で実行される。なお、焼入れ回数としては、2回以上4回以下が好ましい。
焼入れ工程では、Cr元素の偏析を低減しつつ旧オーステナイト粒径を6μm以下とするために複数回、好ましくは3回行われ、1回目の焼入れ処理は2回目以降の焼入れ処理よりも高温で行われる。例えば、焼入れ工程で3回の焼入れ処理を行う場合、1回目の焼入れ処理は、焼入れ工程前の組織に依存するCr固溶炭化物の粗大化を低減するため、2回目以降の焼入れ処理よりも高い温度、例えば1100℃以上で実行される。2回目及び3回目の焼入れ処理は、旧オーステナイト粒径を6μm以下とするため、1回目の焼入れ処理よりも低い温度、例えば950℃以下で実行される。なお、焼入れ回数としては、2回以上4回以下が好ましい。
(焼戻し工程)
焼戻し工程は、炭化物を析出させて固溶C量を低減することで靭性を強化し、破壊特性を改善するために行われる。このような効果を得るために、焼戻し工程は、例えば450℃以上550℃以下で1秒以上10秒以下保持することで行われる。
焼戻し工程は、炭化物を析出させて固溶C量を低減することで靭性を強化し、破壊特性を改善するために行われる。このような効果を得るために、焼戻し工程は、例えば450℃以上550℃以下で1秒以上10秒以下保持することで行われる。
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
<試験片>
試験片は、下記表1に示す化学成分組成の供試材を表2及び3に示すプロセスにより高強度化した鋼材から、丸棒試験片及び平板試験片として作成した。丸棒試験片は、高強度化した鋼材に湿式切断加工及び鋼材表面の切削加工を施すことで、直径8mm、長さ20mmの円柱状に形成した。一方、平板試験片は、高強度化した鋼材を加工することで長さ65mm、幅10mm、厚1.5mmに形成した。
試験片は、下記表1に示す化学成分組成の供試材を表2及び3に示すプロセスにより高強度化した鋼材から、丸棒試験片及び平板試験片として作成した。丸棒試験片は、高強度化した鋼材に湿式切断加工及び鋼材表面の切削加工を施すことで、直径8mm、長さ20mmの円柱状に形成した。一方、平板試験片は、高強度化した鋼材を加工することで長さ65mm、幅10mm、厚1.5mmに形成した。
[評価方法]
下記手順に従い、旧オーステナイト粒径、Fe量W(Fe)、Cr量W(Cr)、Fe量W(Fe)/Cr量W(Cr)、水素含有量、引張強度及び水素脆化特性を評価した。評価結果は表4に示した。
下記手順に従い、旧オーステナイト粒径、Fe量W(Fe)、Cr量W(Cr)、Fe量W(Fe)/Cr量W(Cr)、水素含有量、引張強度及び水素脆化特性を評価した。評価結果は表4に示した。
<旧オーステナイト粒径の測定>
旧オーステナイト粒径の測定に当たっては、丸棒試験片の横断面(長手方向に垂直な断面)が観察面となるように鏡面研磨した後、ピクリン酸飽和水溶液を用いて旧オーステナイト粒界を現出させた。次いで、光学顕微鏡を用いて観察面を400倍〜1000倍で、D/4位置(表面から直径Dの1/4の深さ位置)にて任意の5視野を観察し、比較法にて粒度番号を測定し、このときの測定値を粒径に換算して旧オーステナイト粒径とした。
旧オーステナイト粒径の測定に当たっては、丸棒試験片の横断面(長手方向に垂直な断面)が観察面となるように鏡面研磨した後、ピクリン酸飽和水溶液を用いて旧オーステナイト粒界を現出させた。次いで、光学顕微鏡を用いて観察面を400倍〜1000倍で、D/4位置(表面から直径Dの1/4の深さ位置)にて任意の5視野を観察し、比較法にて粒度番号を測定し、このときの測定値を粒径に換算して旧オーステナイト粒径とした。
<Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)>
Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)は、電解抽出法により測定した。この測定では、先ず丸棒試験片を電解液(10%AA系電解液)中にて100mAで5時間電解処理して母相の金属Feを電気溶解させた後、電解液から鋼中の化合物を残渣として採取した。このとき、残渣を採取するためのフィルターとしては、メッシュ直径が0.1μmであるアドバンテック東洋株式会社製のメンブランフィルターを使用した。採取された化合物中のFe及びCrの重量を測定し、電気溶解前後の丸棒試験片の重量変化ΔW[g]をもとに、化合物を形成しているFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)を鋼中全体に含まれる割合として下記数式に基づいて算出した。なお、下記数式中のXは、Fe又はCrである。また、Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)は、3個以上の丸棒試験片について測定し、それらの平均値とした。さらに、Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)の測定結果から、Fe量W(Fe)/Cr量W(Cr)を算出した。
Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)は、電解抽出法により測定した。この測定では、先ず丸棒試験片を電解液(10%AA系電解液)中にて100mAで5時間電解処理して母相の金属Feを電気溶解させた後、電解液から鋼中の化合物を残渣として採取した。このとき、残渣を採取するためのフィルターとしては、メッシュ直径が0.1μmであるアドバンテック東洋株式会社製のメンブランフィルターを使用した。採取された化合物中のFe及びCrの重量を測定し、電気溶解前後の丸棒試験片の重量変化ΔW[g]をもとに、化合物を形成しているFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)を鋼中全体に含まれる割合として下記数式に基づいて算出した。なお、下記数式中のXは、Fe又はCrである。また、Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)は、3個以上の丸棒試験片について測定し、それらの平均値とした。さらに、Fe量W(Fe)及びCr量W(Cr)の測定結果から、Fe量W(Fe)/Cr量W(Cr)を算出した。
W(X)=(W(X)/ΔW)×100 (質量%)
<水素含有量の測定>
水素含有量は、鋼中水素量は下記の通り測定した。まず、鋼材から小片サンプルを採取し、大気圧イオン化質量分析計(API−MS)を用いて、アルゴン流中(1atm(1000ml/min))にてサンプルを室温から720℃まで12℃/minで加熱し、放出される水素量の積算値を測定した。
水素含有量は、鋼中水素量は下記の通り測定した。まず、鋼材から小片サンプルを採取し、大気圧イオン化質量分析計(API−MS)を用いて、アルゴン流中(1atm(1000ml/min))にてサンプルを室温から720℃まで12℃/minで加熱し、放出される水素量の積算値を測定した。
<引張強度>
引張強度(TS)は、万能試験機に丸棒試験片をセットし、クロスヘッドスピードを10mm/minとして測定した。
引張強度(TS)は、万能試験機に丸棒試験片をセットし、クロスヘッドスピードを10mm/minとして測定した。
<耐水素脆化特性>
水素脆化特性は、平板試験片を用いて陰極チャージ4点曲げ試験により破断寿命を測定することで評価した。陰極チャージ4点曲げ試験は、酸溶液(H2SO4濃度が0.5mol/l、KSCN濃度が0.01mol/l)中で、曲げ応力(1400MPa)を負荷した平板試験片を−700mVの電位で陰極チャージし、チャージ開始から破断までの時間を破断寿命として測定するものであり、この破断寿命を耐水素脆化特性の評価指標とした。破断寿命が1000sec以上であれば実環境での水素脆化に耐え得ると考えられるため、破断寿命1000secを基準として耐水素脆化特性を評価した。表4には、破断寿命が1000sec以上である場合を「A」、1000sec未満である場合を「B」として示した。
水素脆化特性は、平板試験片を用いて陰極チャージ4点曲げ試験により破断寿命を測定することで評価した。陰極チャージ4点曲げ試験は、酸溶液(H2SO4濃度が0.5mol/l、KSCN濃度が0.01mol/l)中で、曲げ応力(1400MPa)を負荷した平板試験片を−700mVの電位で陰極チャージし、チャージ開始から破断までの時間を破断寿命として測定するものであり、この破断寿命を耐水素脆化特性の評価指標とした。破断寿命が1000sec以上であれば実環境での水素脆化に耐え得ると考えられるため、破断寿命1000secを基準として耐水素脆化特性を評価した。表4には、破断寿命が1000sec以上である場合を「A」、1000sec未満である場合を「B」として示した。
<評価結果の考察>
表4より、実施例1〜20は、所定の化学組成(鋼種No.A1〜A10)を有し、かつ旧オーステナイト粒径が6μm以下、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、Fe量とCr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下であることで、引張強度が1800MPa以上2200MPa以下という高強度を有し、破断寿命が1000sec以上の実環境に耐え得る優れた耐水素脆化性を発揮することが確認できた。
表4より、実施例1〜20は、所定の化学組成(鋼種No.A1〜A10)を有し、かつ旧オーステナイト粒径が6μm以下、粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、Fe量とCr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下であることで、引張強度が1800MPa以上2200MPa以下という高強度を有し、破断寿命が1000sec以上の実環境に耐え得る優れた耐水素脆化性を発揮することが確認できた。
これに対し、本発明で規定する組成を満たさない比較例13〜24(鋼種No.B1〜B12)は、耐水素脆化特性を満足するものではなかった。
また、実施例1〜20と同様に本発明で規定する組成を満たす場合であっても、比較例1〜12は旧オーステナイト粒径、Fe量W(Fe)Cr量W(Cr)、Fe量W(Fe)/Cr量W(Cr)及び水素含有量のうちの少なくとも1つを満たさないため、比較例1〜12の全てが耐水素脆化特性を満たすものでもなかった。具体的には、比較例4及び10は旧オーステナイト粒径が大きく、比較例7はFe量W(Fe)が多く、比較例6及び12はCr量W(Cr)が多く、比較例3、5〜7、9、11及び12はFe量W(Fe)/Cr量W(Cr)が小さく、比較例1、2及び8は水素含有量が多く、比較例7は引張強度が小さかった。
以上のように、本発明の高強度鋼は、低合金で高強度を達成しつつ耐水素脆化特性に優れる。従って、本発明は自動車等の輸送機器の軽量化、小型化等に寄与できる。
Claims (1)
- C:0.40質量%以上0.60質量%以下、
Si:1.4質量%以上3.0質量%以下、
Mn:0.1質量%以上1.0質量%以下、
Cr:0.6質量%以上1.6質量%以下、
P:0質量%超0.015質量%以下、
S:0質量%超0.015質量%以下、
Al:0.01質量%以上0.1質量%以下、
N:0.002質量%以上0.015質量%以下、及び
O:0質量%超0.0015質量%以下
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
旧オーステナイト粒径が6μm以下、
粒径が0.1μm以上の炭化物を形成するFe量W(Fe)及びCr量W(Cr)が、それぞれ鋼全体の0.8質量%以下及び0.05質量%以下、
上記Fe量と上記Cr量との比W(Fe)/W(Cr)が15以上、
鋼中の水素含有量が0質量ppm超0.5質量ppm以下
である高強度鋼。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016103713A JP2017210645A (ja) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | 高強度鋼 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016103713A JP2017210645A (ja) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | 高強度鋼 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017210645A true JP2017210645A (ja) | 2017-11-30 |
Family
ID=60476705
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016103713A Pending JP2017210645A (ja) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | 高強度鋼 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2017210645A (ja) |
-
2016
- 2016-05-24 JP JP2016103713A patent/JP2017210645A/ja active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101599163B1 (ko) | 비조질 기계 부품용 선재, 비조질 기계 부품용 강선 및 비조질 기계 부품과 그들의 제조 방법 | |
JP5177323B2 (ja) | 耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼材と高強度ボルト、及び、その製造方法 | |
EP3112491A1 (en) | Rolled material for high strength spring, and wire for high strength spring | |
EP3385400A1 (en) | Rolling rod for cold-forged thermally refined article | |
JP2007191776A (ja) | 耐脆性破壊特性に優れた高強度ばね鋼およびその製造方法 | |
US20180066344A1 (en) | Wire rod for use in bolts that has excellent acid pickling properties and resistance to delayed fracture after quenching and tempering, and bolt | |
US20150329932A1 (en) | Hot-rolled steel sheet exhibiting excellent cold formability and excellent surface hardness after forming | |
WO2011078165A1 (ja) | 高強度ばね用鋼 | |
JP5251632B2 (ja) | 耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼材、高強度ボルト及びその製造方法 | |
KR101894426B1 (ko) | 고강도이며 내식성이 우수한 스태빌라이저용 강과, 그것을 이용한 차량용 스태빌라이저 및 그의 제조방법 | |
EP3315626B1 (en) | Bolt | |
WO2015146331A1 (ja) | 耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼および高強度ボルト | |
WO2007123164A1 (ja) | 内燃機関用ピストンリング材 | |
CN109790602B (zh) | 钢 | |
WO2015159965A1 (ja) | 強冷間加工性と加工後の硬さに優れる熱延鋼板 | |
JP5600502B2 (ja) | ボルト用鋼、ボルトおよびボルトの製造方法 | |
JP7299475B2 (ja) | 冷間鍛造用鋼材 | |
CN114667363A (zh) | 钢的锻造部件及其制造方法 | |
JP4653389B2 (ja) | 耐遅れ破壊特性に優れた高強度Alめっき線材及びボルト並びにその製造方法 | |
US10487372B2 (en) | High-strength bolt | |
JP6601140B2 (ja) | 高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼 | |
JP2017210645A (ja) | 高強度鋼 | |
JP4975261B2 (ja) | 耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼の製造方法 | |
JP5030695B2 (ja) | 破断分離性に優れる高炭素鋼およびその製造方法 | |
JP4302480B2 (ja) | 冷間加工性に優れた高硬度鋼 |