JP2020002467A - 材料、方法及び部材 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い強度並びに高い延性及び／又は破壊靱性の改善された組み合わせを有する、新しい種類のオーステンパ鋼、方法、及び部材を提供する。【解決手段】高い強度並びに高い延性及び／又は破壊靱性を必要とする部材のためのオーステンパ鋼は、３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量と、０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量と、を有している。前記オーステンパ鋼の微細構造は、オースフェライト系か、又は、スーパーベイナイト系である。【選択図】図１

Description

本発明は、高い又は非常に高い強度と、高い又は非常に高い延性及び／又は破壊靱性とを必要とする部材のためのオーステンパ鋼に関するものであり、ベイナイトの形成を防止し、オーステンパの間、Ｍｓ温度のわずかに上の温度においても、オースフェライト（「スーパーベイナイト」とも呼ばれる）微細構造を促進し、結果として生じる針状フェライトの固溶強化を増大させるために、合金中のケイ素含有量を増加させる。本発明はまた、このようなオーステンパ鋼、及び、このようなオーステンパ鋼を含む、又は、本発明に係る方法を用いて製造された部材、半製品のバー、又は、鍛造物を製造するための方法にも関する。
典型的なオーステンパ熱処理サイクルでは、鋼又は鋳鉄を含むワークピースは、まず熱せられた後、オーステナイトになるまでオーステナイト化温度に保たれ、事前にパーライトに分解されたセメンタイトからの炭素は、形成されたオーステナイト内で均一に分散する。合金鋼では、炭素含有量は、前の製造段階で固定されるが、鋳鉄では、分散したグラファイト間の鋼様のマトリックス内の炭素含有量は、熱処理の間のオーステナイト化温度の選択によって変化し得る。なぜなら、オーステナイト内での炭素の溶解度は、温度と共に増大し、炭素は容易にマトリックスとグラファイトとの間に分散し得るからである。従って、鋳鉄では、オーステナイトには、グラファイトから拡散する炭素で飽和するために十分な時間を与えなければならない。
ワークピースが完全にオーステナイト化された後、ワークピースは、連続冷却変態（ＣＣＴ）図におけるパーライト領域よりも低いが、このレベルの炭素を有するオーステナイトがマルテンサイトへの変態を開始するであろう温度であるＭｓ温度よりは高い中間温度まで急冷する間に、パーライトが形成されることを回避するのに十分な高さである焼き入れ速度で焼き入れ（通常は塩浴において）される。この中間温度範囲は、一般的な低ケイ素含有鋼に関するベイナイト範囲として、より良く知られている。当該ワークピースは、次に、オースフェライトへの等温変態に十分な時間、この「オーステンパ」温度と呼ばれる温度に保たれ、その後、室温にまで冷却され得る。
低ケイ素含有鋼の類似の熱処理によって形成されるベイナイト構造と同様に、オースフェライト材料の最終的な微細構造及び特性は、オーステンパ温度と、当該温度での保持時間とに強く影響される。オースフェライト微細構造は、比較的高い変態温度ではより粗くなり、比較的低い温度ではより細かくなる。低ケイ素含有鋼に形成されたベイナイト構造とは対照的に、針状又は羽毛状フェライトの核生成及び成長（形成温度に依存して）は、一般的に、ベイナイト炭化物の形成を伴わない。なぜなら、これは、比較的高いケイ素含有量によって遅延するか、又は、防止されるからである。実際に、形成されたフェライトを離れる炭素の部分的な拡散は、周囲のオーステナイトを増加させ、そのＭｓ温度を低下させることによって当該オーステナイトを安定化している。結果として生じる二重マトリックス微細構造は、「オースフェライト」と呼ばれ、同時に炭素で安定化したオーステナイト内で核生成され成長した針状又は羽毛状フェライトを含んでいる。
比較的高い等温変態温度では、比較的粗く、主に羽毛状のフェライトが、比較的大きな相対量のオーステナイト（より高い延性を促進する）を有する炭素安定化オーステナイトの比較的厚いフィルムのマトリックス内で核生成し、成長するが、比較的低い等温変態温度では、次第に細かく、針状になるフェライトが、比較的大きな相対量のフェライト（より高い強度を可能にする）を有する炭素安定化オーステナイトの比較的薄いフィルムのマトリックス内で核生成し、成長する。
オーステンパダクタイル鉄（ＡＤＩ）（正しく熱処理された場合、ＡＤＩはベイナイトを含まないか、又は、わずかに含むのみであるが、しばしば誤って「ベイナイトダクタイル鉄」と呼ばれる）は、改善された強度及び延性特性を有するダクタイル（球状黒鉛）鋳鉄合金の特別な群を表している。鋳放しダクタイル鉄と比較すると、ＡＤＩ鋳物は、同じ延性レベルで少なくとも２倍の強度を有しているか、又は、同じ強度レベルで少なくとも２倍の延性を有している。
ダクタイル鉄を含む殆どの鋳鉄では、Ｆｅ‐Ｃ‐Ｓｉの三成分系における少なくとも２重量％のケイ素レベルが、グラファイト包有物をもたらすねずみ鋳鉄の凝固（ｇｒｅｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を促進するために必要である。オーステンパの際、オーステンパ温度が、Ｍｓ温度を比較的大きく超えており、オーステンパ時間が長すぎない限りにおいて、増大したケイ素レベルは、オーステンパ中の、脆化させるベイナイト（フェライト＋セメンタイトＦｅ３Ｃ）の形成をさらに遅延させるか、又は完全に防止する。このベイナイト炭化物の「上側オースフェライト」における自由は、延性特性をもたらす（低ケイ素含有鋼において、同様の温度で得られる「上側ベイナイト」は、その炭化物の位置ゆえに脆弱である）。従来のダクタイル鉄のオーステンパが低温で行われる場合、そのケイ素含有量は、約２．３重量％から２．７重量％であり、「下側オースフェライト」におけるベイナイト炭化物の形成を完全に防止するためには十分でない。このような微細構造は、その主相として微細な針状フェライトと、薄い炭素安定化オーステナイトと、いくつかのベイナイト炭化物とを含んでおり、延性の減少、疲労強度の減少、及び、被削性の減少がもたらされる。
近年、３重量％よりも高いケイ素含有量を有する鋳放しダクタイル鉄のグレードが標準化されており、そのマトリックスは、増大した固溶強化を有する完全なフェライト系であり、同じ最大抗張力を有する従来のフェライト‐パーライトダクタイル鉄と比較して、増大した降伏力及び延性を同時に提供している。
このような溶体強化されたダクタイル鉄は、近年、本発明の発明者によるＳｉＳＳＡＤＩ（登録商標）（ケイ素固溶強化ＡＤＩ）コンセプトの開発において、オーステンパの前駆体として用いられてきた。完全なオーステナイト化を得るためには、より高い温度が必要であり（相図におけるオーステナイトの領域は、ケイ素の増大と共に収縮するからである）、さもなければ、何らかの残存する初析晶フェライトが、焼き入れの間の焼入性を減少させると共に（オーステナイトにおけるパーライトの核生成は遅いが、残存する初析晶フェライト上でのパーライトの成長は速いからである）、結果として生じる機械的特性を減少させる（形成され得るオースフェライトがより少ないからである）。ケイ素が増加することによる利点には、オーステナイト化に要する時間（炭素の拡散が温度と共に急速に増大するので）とオーステンパに要する時間（ケイ素がフェライトの沈殿を促進するので）とが両方短くなること、針状フェライトの溶体強化が増大すること、Ｍｓのわずかに上で形成された「下側オースフェライト」におけるベイナイト炭化物の自由、及び、結果として、同時に強度と延性とが改善されること、が含まれる。
オースフェライト鋼は、鋼が、ベイナイト炭化物の沈殿を減少させる、又は、防止するために十分なケイ素を含んでいるという条件において、オースフェライト鉄の場合と同様の熱処理によって得られる。ベイナイトの代わりに、オースフェライト（ベイナイト炭化物を含有しないか、又は、含有量は少ない）を形成するためのオーステンパに適した圧延鋼材商品の一例は、０．５５重量％の炭素、１．８重量％のケイ素、及び、０．８重量％のマンガンという、典型的な組成を有するバネ鋼ＥＮ１．５０２６である。十分に高いケイ素含有量を有する鋼がオーステンパされる場合、それらは通常「スーパーベイナイト」と呼ばれ、形成されたフェライトを離れる炭素の大部分が、ベイナイト炭化物を形成するのではなく、周囲のオーステナイトを増加させ、安定化することを示唆している。
オースフェライト（スーパーベイナイト）鋼の分野における近年の開発は、フェライト中の炭素含有量は、Ｍｓのわずかに上で（炭素安定化オーステナイトが形成されることは非常に少ない）オーステンパされた場合、０．３重量％に到達するであろうと見積もっており、この値は、０．０２重量％という一般的に予想される平衡値よりもはるかに大きい。増大したケイ素含有量からオーステンパを行う間の付加的な利点は、金属相（オーステナイト及びフェライト）内に炭素を保持することの他に、より小さいケイ素原子がより大きい鉄原子を置換するフェライト格子の局部収縮が、ケイ素原子から遠く離れたいくつかの格子間位置を同時に拡張し、従って、フェライト中の炭素含有量を増大させることを可能にするということであり得る。置換型ケイ素及び格子間炭素からの複合溶体強化は、オースフェライト構造の細かさ及びベイナイト炭化物の低い含有量と共に、焼き戻しされたマルテンサイト又はベイナイトを含む従来の硬化鋼と比較して優れた機械的特性の一因となる。
しかしながら、オースフェライト（スーパーベイナイト）鋼の分野における先行技術は、そのＡＤＩとの類似性に関わらず、今のところ、溶体強化されたオースフェライトダクタイル鉄中と同じ高さのケイ素含有量、すなわち３重量％を超えるケイ素含有量を有する、殆ど覆われていない鋼を有している。
例えば、特許文献１は、以下の組成を有する合金鋼を開示している：不可避の不純物と共に、０．６重量％から１．０重量％の炭素、０．５重量％から２．０重量％のケイ素、１．０重量％から４．０重量％のクロム、及び、任意で以下から１つ又は複数：０重量％から０．２５重量％のマンガン、０重量％から０．３重量％のモリブデン、０重量％から２．０重量％のアルミニウム、０重量％から３．０重量％のコバルト、０重量％から０．２５重量％のバナジウム、及び、バランス鉄（ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｉｒｏｎ）。合金鋼の微細構造は、ベイナイト、より好ましくはスーパーベイナイトを含んでいる。特許文献１には、以下のように記されている：「ケイ素の添加は有利である。なぜなら、それによって、炭化物（セメンタイト）の形成が抑制されるからである。ケイ素の含有量が０．５重量％よりも低い場合、セメンタイトは、低い温度において、スーパーベイナイトの形成を回避しながら形成されるであろう。しかしながら、ケイ素の含有量が高すぎる（例えば２重量％を超える）場合、望ましくない表面酸化物及び乏しい表面仕上げがもたらされ得る。好ましくは、鋼の組成は、１．５重量％から２．０重量％のケイ素を含んでいる。」
オーステンパ鋼の先行技術において発見された、ケイ素含有量が３重量％を超えた例は２つのみである：
第１の例は、３．８５重量％のケイ素と組み合わせた、０．９重量％という非常に高い炭素含有量を有する合金を用いたものである。非特許文献１を参照のこと。このような高い炭素含有量は、オースフェライト構造にとって有利ではない。なぜなら、ケイ素及び炭素の両方の含有量が非常に高い場合、完全なオーステナイト化に必要な温度も増大するからである（当該記事では１１３０℃で行われた）。さらに、針状フェライトの沈殿が、非常に高い炭素含有量によって遅延し、非常に高いケイ素含有量にも関わらず、多量のオーステナイトを有する比較的粗いオースフェライトのみが、炭化物の沈殿無しに、このような炭素含有量を含み得る。
第２の例は、０．６重量％から０．８重量％の範囲における炭素含有量と組み合わせた、１．８５重量％、２．６４重量％、又は、３．８０重量％のケイ素を含む３つの合金を用いたものである。非特許文献２を参照のこと。しかしながら、３つ全ての合金について、９００℃という同じオーステナイト化温度が用いられたので、３．８０重量％のケイ素サンプルの不完全なオーステナイト化と、微細構造内の多量の初析晶フェライトとがもたらされ、それによって、形成されるオースフェライトの量と、結果として生じる機械的特性とが減少する。第１の例では、高い炭素含有量は、第２の例と同様の欠点を生じさせた。
国際公開第２０１３／１４９６５７号
Ｇ． Ｐａｐａｄｉｍｉｔｒｉｏｕ， Ｊ．Ｍ．Ｒ． Ｃｅｎｉｎ， "Ｋｉｎｅｔｉｃ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｉｎｉｔｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｅｅｌ"， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉａ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， １９８３， Ｖｏｌ．２１， ｐ．７４７−７７４ Ｙａｎｘｉａｎｇ Ｌｉ， Ｘｉａｎｇ Ｃｈｅｎ， "Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｕｓｔｅｍｐｅｒｅｄ ｈｉｇｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ"， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２００１， Ｖｏｌ． Ａ３０８， ｐ．２７７−２８２
本発明の目的は、高い強度並びに高い延性及び／又は破壊靱性の改善された組み合わせを有する、新しい種類のオーステンパ鋼を供給することにある。
本目的は、高いケイ素含有量、すなわち３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量と、中間炭素含有量、すなわち０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量を有するオーステンパ鋼によって、すなわち何らかの適切な化学組成を有するが、３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量と０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量とを有するオーステンパ鋼によって達成される。オーステンパ鋼の微細構造は、オースフェライト系又はスーパーベイナイト系であり、すなわち、オーステンパ鋼の微細構造は、完全ではないとしても、主にオースフェライト系又はスーパーベイナイト系である。主にオースフェライト系又はスーパーベイナイト系の微細構造は、オーステンパ鋼が少量（５％〜１０％）のマルテンサイトを含み得るということを意味するよう意図されている。しかしながら、オーステンパ鋼は、何らかのパーライト又は初析晶フェライトを含んではいない。
このようなオーステンパ鋼は、少なくとも９１０℃、少なくとも９２０℃、少なくとも９３０℃、少なくとも９４０℃、少なくとも９５０℃、少なくとも９６０℃、又は、少なくとも９７０℃の温度における完全なオーステナイト化を含むオーステンパ熱処理によって得られるであろう。その際、鋼のケイ素含有量が高くなるほど、オーステナイト化を完了するために必要なオーステナイト温度も高くなる。
発明者は、３．１重量％から４．４重量％という高いケイ素含有量と、０．４重量％から０．６重量％の中間炭素含有量とを有するオースフェライト／スーパーベイナイト鋼が、十分に高い温度で完全にオーステナイト化された場合（ケイ素含有量に依存する）、従来のオースフェライト／スーパーベイナイト鋼（３．０重量％より少ないケイ素含有量と、０．６重量％より大きい炭素含有量とを有する）に対して、いくつかの利点を有することを発見した。すなわち、熱処理効率と、結果として生じるオースフェライト／スーパーベイナイト鋼の機械的特性との両方において、改善が見られる。
例えば、このようなオーステンパ鋼は、少なくとも１８００ＭＰａの抗張力と、少なくとも１２％の破断伸度と、少なくとも１５０ＭＰａ√ｍの破壊靱性ＫＪＩＣと、を同時に示すことができる。ケイ素によるフェライトの沈殿及び成長の促進によって、オーステンパに要する時間は、０．４重量％から０．６重量％の中間炭素含有量を有するオーステンパ鋼に関しても減少する。加えて、３．１重量％から４．４重量％という高いケイ素含有量は、０．４重量％から０．６重量％の中間炭素含有量と共に、多量のオーステナイトを有する比較的粗いオースフェライト（比較的高いオーステンパ温度で形成される）においてだけではなく、少量のオーステナイトを有するより微細なオースフェライト（Ｍｓに近い、低いオーステンパ温度で形成される）においても、炭化物の沈殿が回避され得ることを確実化するであろう。
本発明の一態様によると、オーステンパ鋼は、少なくとも３．２重量％、３．３重量％、３．４重量％、３．５重量％、３．６重量％、３．７重量％、３．８重量％、３．９重量％若しくは４．０重量％のケイ素含有量、及び／又は、少なくとも０．４重量％若しくは０．５重量％の炭素含有量を有している。付加的又は代替的に、オーステンパ鋼は、４．３重量％、４．２重量％、４．１重量％、４．０重量％、３．９重量％、３．８重量％、３．７重量％、３．６重量％若しくは３．５重量％の最大ケイ素含有量、及び／又は、０．６重量％若しくは０．５重量％の最大炭素含有量を有している。
本発明の一態様によると、オーステンパ鋼は、以下の組成を有している：
Ｃ ０．４重量％〜０．６重量％
Ｓｉ ３．１重量％〜４．４重量％
Ｍｎ 最大４．０重量％
Ｃｒ 最大２５．０重量％
Ｃｕ 最大２．０重量％
Ｎｉ 最大２０．０重量％
Ａｌ 最大２．０重量％
Ｍｏ 最大６．０重量％
Ｖ 最大０．５重量％
Ｎｂ 最大０．２重量％
バランスＦｅ及び通常発生する不純物。リン及び硫黄は、好ましくは最小限に抑えられる。
本書類において「最大」という言葉は、鋼が、問題となっている元素を０重量％から（すなわち０重量％を含む）指定された最大量まで含有することを意味するよう意図されている。従って、本発明に係るオーステンパ鋼が含有する当該元素は、焼入性又はその他の理由から必要である場合以外は、０重量％から０．１重量％という低いレベルで良い。しかしながら、本発明に係るオーステンパ鋼は、これらの元素の内少なくとも１つ又はいくつかを、プロセス及び／又は最終特性を最適化するために、より高いレベルで含んでいて良い。すなわち、指定された最大量を含むレベル、又は、指定された最大量に０．１重量％、０．２重量％若しくは０．３重量％以内で近いレベルである。
オースフェライト／スーパーベイナイト構造は、よく知られており、例えば、光学顕微鏡法、透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、原子プローブ電界イオン顕微鏡法（ＡＰ‐ＦＩＭ）及びＸ線回折の内の少なくとも１つのような、従来の微細構造特性決定法技術によって決定され得る。
本発明のさらなる態様によると、オーステンパ鋼は、実質的に炭化物を含まない微細構造、又は、非常に小さい体積分率の炭化物、すなわち５体積％未満、２体積％未満、又は、好ましくは１体積％未満の炭化物を含む微細構造を有している。
本発明の一態様によると、前記態様の内のいずれかに係るオーステンパ鋼は、前記態様の内のいずれかに係る方法を用いることによって得られる。すなわち、増大するケイ素による相図におけるオーステナイト領域の減少に起因した、増大するケイ素含有量と共に増大するオーステナイト化温度を適用することによって得られる。
本発明は、高い強度及び延性を必要とする部材のためのオーステンパ鋼を製造するための方法、すなわち本発明に係るオーステンパ鋼を製造するための方法にも関する。当該方法は、３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量と０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量とを有する合金からオーステンパ鋼を製造するステップを含んでいる。オーステンパ鋼は、十分に高いオーステナイト化温度における完全なオーステナイト化を含むオーステンパ熱処理によって得られる。その際、鋼のケイ素含有量が高くなるほど、オーステナイト化温度は高くなり、結果として生じるオーステンパ鋼の微細構造は、オースフェライト系又はスーパーベイナイト系である。
本発明の一態様によると、本発明に係る方法によって製造されるオーステンパ鋼は、少なくとも３．２重量％、３．３重量％、３．４重量％、３．５重量％、３．６重量％、３．７重量％、３．８重量％、３．９重量％若しくは４．０重量％のケイ素含有量、及び／又は、少なくとも０．４重量％若しくは０．５重量％の炭素含有量を有している。付加的又は代替的に、オーステンパ鋼は、４．３重量％、４．２重量％、４．１重量％、４．０重量％、３．９重量％、３．８重量％、３．７重量％、３．６重量％若しくは３．５重量％の最大ケイ素含有量、及び／又は、０．６重量％若しくは０．５重量％の最大炭素含有量を有している。
本発明の一態様によると、以下の組成を有するオーステンパ鋼が、本発明の一態様に係る方法を用いて製造され得る：
Ｃ ０．４重量％〜０．６重量％
Ｓｉ ３．１重量％〜４．４重量％
Ｍｎ 最大４．０重量％
Ｃｒ 最大２５．０重量％
Ｃｕ 最大２．０重量％
Ｎｉ 最大２０．０重量％
Ａｌ 最大２．０重量％
Ｍｏ 最大６．０重量％
Ｖ 最大０．５重量％
Ｎｂ 最大０．２重量％
バランスＦｅ及び通常発生する不純物。リン及び硫黄は、好ましくは最小限に抑えられる。
本発明の別の態様によると、当該方法は、ケイ素の含有量に応じて、少なくとも９１０℃、少なくとも９２０℃、少なくとも９３０℃、少なくとも９４０℃、少なくとも９５０℃、少なくとも９６０℃、又は、少なくとも９７０℃の温度において、鋼を完全にオーステナイト化するステップを含んでおり、その際、鋼のケイ素含有量が高くなると、オーステナイト化温度も高くなる。
本発明の一態様によると、当該方法は、以下のステップを含んでいる：
ａ）３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量及び０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量を有する鋼を含む溶融物を形成するステップ；
ｂ）前記溶融物から、部材又は半製品のバーを鋳造するステップ；
ｃ）前記部材又は半製品のバーを、冷却の前に鍛造するか、又は、直接冷却した後、任意で鍛造及び後続の冷却を行うステップ；
ｄ）前記冷却された部材、半製品のバー又は鍛造物を第１の温度において熱処理し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物を、所定の時間に亘って前記温度において保持し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物を完全にオーステナイト化するステップであって、鋼のケイ素含有量によってオーステナイト化温度がより高くなるステップ；
ｅ）前記熱処理された部材、半製品のバー又は鍛造物を、連続冷却変態（ＣＣＴ）図におけるパーライト領域より下方であるが、Ｍｓ温度よりは高い中間温度まで急冷する間のパーライトの形成を防止するために十分な焼き入れ速度、例えば少なくとも１５０℃／分の焼き入れ速度で焼き入れするステップ；
ｆ）部材、半製品のバー又は鍛造物を、Ｍｓ温度より高い１つ又は複数の温度において、所定の時間に亘り熱処理し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物をオーステンパし、結果として、オースフェライト若しくはスーパーベイナイト鋼を得るステップ。
本発明は、本発明の態様のいずれかに係るオーステンパ鋼を含んでいるか、又は、本発明の態様のいずれかに係る方法を用いて製造された部材、半製品のバー又は鍛造物にも関する。このような部材、半製品のバー又は鍛造物は、特に、鉱業、建設、農業、土木産業、製造業、鉄道業、自動車産業、林業、金属製造、自動車用途、エネルギー用途及び海洋用途、又は、非常に高いレベルの抗張力及び延性及び／若しくは破壊靱性及び／若しくは増大した疲労強度及び／若しくは高い耐摩耗性を同時に必要とするその他の用途、例えば、焼き入れ及び焼き戻しされたマルテンサイト鋼も、オーステンパされたベイナイト鋼も、十分な特性を有さないような用途、又は、厳密な仕様が一貫して満たされなければならないような用途で用いられるように意図され得るが、それに限定されるものではない。オーステンパ鋼は、例えばバネ、固定要素、ギア、ギアの歯、キー溝、高強度鋼部材、耐力構造、装甲等の部材、及び／又は、水素脆性に対して感受性が低くなくてはならないような部材を製造するために使用され得る。
以下に、添付の図面を参照し、非限定的な例を用いて、本発明をさらに説明する。
本発明の一態様に係るオーステンパ熱処理サイクルを概略的に示した図である。
図１は、本発明の一態様に係るオーステンパ熱処理サイクルを示している。３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量及び０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量を有する部材、半製品のバー又は鍛造物は、加熱され［ステップ（ａ）］、十分に高いオーステナイト化温度で（ケイ素含有量に応じて）、部材、半製品のバー又は鍛造物が完全にオーステナイトになり、炭素で飽和するまで、一時の間保持される［ステップ（ｂ）］。当該部材、半製品のバー又は鍛造物は、例えば、重量物運搬車で使用するためのサスペンション又は伝動機構関連部材において用いられ得るものであり、バネハンガー、ブラケット、ホイールハブ、ブレーキキャリパー、タイミングギア、カム、カムシャフト、環状歯車、クラッチカラー、軸受、又は、滑車等である。
本発明の一態様によると、当該方法は、上述のオーステナイト化温度を、少なくとも３０分間維持するステップを含んでいる。本発明の別の態様によると、オーステナイト化ステップは、炭素の酸化を防止するために、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、又は、解離アンモニア雰囲気等の任意の還元雰囲気において行われる。オーステナイト化は、高温の塩浴、炉、又は、炎若しくは誘導加熱等の局所的手法を用いて実施しても良い。
部材、半製品のバー又は鍛造物がオーステナイト化された後、好ましくは部材が完全にオーステナイト化された後、１５０℃／分以上の高い焼き入れ速度において、焼き入れ剤において焼き入れされ［ステップ（ｃ）］、合金のＭｓ温度よりも高いオーステンパ化温度で、セクションの大きさに応じて３０分から２時間等の所定の時間に亘って保持される［ステップ（ｄ）］。当該ステップにおける「所定の時間」という表現は、当該部材又は少なくともその一部において、オースフェライト／スーパーベイナイトのマトリックスを製造するために十分な時間を意味するよう意図されている。オーステンパステップは、塩浴、熱油、又は、溶融鉛若しくは溶融スズを用いて行われ得る。完全な熱処理は、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）の条件下で、非常に高いガス圧における焼き入れが可能な装置内で行われ得る。
オーステンパ処理は、好ましくは等温であるが、必ずしも等温でなくとも良い。つまり、相の割合（ｐｈａｓｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ）と、部材の微細構造内に結果として生じる炭素含有量とを調整するため、及び、低温における針状フェライトの核生成速度の増大と高温における成長とによって処理時間を減少させるために、多段階変態温度スケジュールを採用しても良い。
オーステンパの後、部材、半製品のバー又は鍛造物は、室温にまで冷却される［ステップ（ｅ）］。その後、鋼の部材、半製品のバー又は鍛造物は、通常の動作サイクルにおいて、圧力、ひずみ、衝撃、及び／又は、摩耗に曝露されやすい用途で用いられ得る。
本発明の一態様によると、当該方法は、部材、半製品のバー又は鍛造物が鋳造された後、オーステナイト化ステップの前に、所望の公差が得られるまで当該部材、半製品のバー又は鍛造物の機械加工を行うステップを含んでいる。すなわち、オーステナイト化及びオーステンパステップの前に、部材、半製品のバー又は鍛造物の必要な機械加工を可能な限り実行することが好ましい。例えば個別の表面処理が必要である場合、代替的又は付加的に、オーステンパステップの後で、部材、半製品のバー又は鍛造物の機械加工を行っても良い。部材、半製品のバー又は鍛造物は、例えば機械加工及び／又は研削によって、要求される最終寸法に仕上げられ、その後、任意でホーニング仕上げ、ラップ仕上げ、又は、研磨が行われ得る。
本発明の一態様によると、以下の組成を有するオーステンパ鋼が、本発明の一態様に係る方法を用いて製造され得る：
Ｃ ０．４重量％〜０．６重量％
Ｓｉ ３．１重量％〜４．４重量％
Ｍｎ 最大４．０重量％
Ｃｒ 最大２５．０重量％
Ｃｕ 最大２．０重量％
Ｎｉ 最大２０．０重量％
Ａｌ 最大２．０重量％
Ｍｏ 最大６．０重量％
Ｖ 最大０．５重量％
Ｎｂ 最大０．２重量％
バランスＦｅ及び通常発生する不純物。リン及び硫黄は、好ましくは最小限に抑えられる。
本発明に係るオーステンパ鋼は、不可避の不純物を含み得ると評価されるであろう。しかしながら、これらの不純物は、合計で、組成物の０．５重量％を超過することはなさそうであり、好ましくは組成物の０．３重量％よりも多くはなく、より好ましくは組成物の０．１重量％よりも多くはない。オーステンパ鋼合金は、基本的に、これまでに挙げた元素を含んでいて良い。従って、必須の元素に加えて、その他の指定されていない元素が、組成物の本質的特徴がその存在によって大きく影響を受けることはないという条件で、組成物中に存在し得ると評価されるであろう。
［実施例］
以下の組成を有するオーステンパ鋼が、本発明の一態様に係る方法を用いて製造され得る：
Ｃ ０．５重量％
Ｓｉ ３．５重量％
Ｍｎ ０．１重量％
Ｃｒ １．０重量％
Ｎｉ ２．０重量％
Ｍｏ ０．２重量％
バランスＦｅ及び通常発生する不純物。リン及び硫黄は、好ましくは最小限に抑えられる。
このような鋼は、９２０℃のオーステナイト化温度において、３０分間に亘り、鋼が完全にオーステナイト化されるまでオーステナイト化され得る。焼き入れ剤における焼き入れの後、鋼は、３２０℃で２時間に亘ってオーステンパされ得る。等温のオーステンパの後、部材、半製品のバー又は鍛造物は、室温にまで冷却され得る。
９２０℃より高いオーステナイト化温度は、ケイ素含有量が３．５重量％よりも大きいオーステンパ鋼を完全にオーステナイト化するために用いられなければならないだろう。
請求項の範囲内での本発明のさらなる変更は、当業者には明らかであろう。例えば、本発明の特定の態様に関して記載された特徴若しくは方法のステップ、又は、特徴若しくは方法のステップの組み合わせを、本発明の別の態様に組み込んでも良いことに注目すべきである。

Claims (13)

  1. 高い強度並びに高い延性及び／又は破壊靱性を必要とする部材のためのオーステンパ鋼において、
    ３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量、及び、０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量と、オースフェライト系か、又は、スーパーベイナイト系の微細構造と、を有することを特徴とするオーステンパ鋼。
  2. 完全なオーステナイト化を含むオーステンパ熱処理によって得られ、鋼におけるケイ素の含有量が高くなると、オーステナイト化温度も高くなることを特徴とする、請求項１に記載のオーステンパ鋼。
  3. 以下の組成：
    Ｃ ０．４重量％〜０．６重量％
    Ｓｉ ３．１重量％〜４．４重量％
    Ｍｎ 最大４．０重量％
    Ｃｒ 最大２５．０重量％
    Ｃｕ 最大２．０重量％
    Ｎｉ 最大２０．０重量％
    Ａｌ 最大２．０重量％
    Ｍｏ 最大６．０重量％
    Ｖ 最大０．５重量％
    Ｎｂ 最大０．２重量％
    バランスＦｅ及び通常発生する不純物、
    を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のオーステンパ鋼。
  4. 実質的に炭化物を含まない微細構造を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のオーステンパ鋼。
  5. ５体積％よりも少ない炭化物を含む微細構造を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のオーステンパ鋼。
  6. 請求項７から１３のいずれか一項に記載の方法を用いて得られることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のオーステンパ鋼。
  7. 高い強度並びに高い延性及び／又は破壊靱性を必要とする部材のためのオーステンパ鋼を製造するための方法において、
    ３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量と、０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量と、を有する合金からオーステンパ鋼を製造するステップを含むこと、及び、前記オーステンパ鋼が、完全なオーステナイト化を含むオーステンパ熱処理によって得られ、鋼におけるケイ素の含有量が高くなると、オーステナイト化温度も高くなること、及び、結果として得られる前記オーステンパ鋼の微細構造は、オースフェライト系か、又は、スーパーベイナイト系であることを特徴とする方法。
  8. 前記オーステンパ鋼が、以下の組成：
    Ｃ ０．４重量％〜０．６重量％
    Ｓｉ ３．１重量％〜４．４重量％
    Ｍｎ 最大４．０重量％
    Ｃｒ 最大２５．０重量％
    Ｃｕ 最大２．０重量％
    Ｎｉ 最大２０．０重量％
    Ａｌ 最大２．０重量％
    Ｍｏ 最大６．０重量％
    Ｖ 最大０．５重量％
    Ｎｂ 最大０．２重量％
    バランスＦｅ及び通常発生する不純物、
    を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. ａ）３．１重量％から４．４重量％のケイ素含有量及び０．４重量％から０．６重量％の炭素含有量を有する鋼を含む溶融物を形成するステップ；
    ｂ）前記溶融物から、部材又は半製品のバーを鋳造するステップ；
    ｃ）前記部材又は半製品のバーを、冷却の前に鍛造するか、又は、直接冷却した後、任意で鍛造及び後続の冷却を行うステップ；
    ｄ）前記冷却された部材、半製品のバー又は鍛造物を第１の温度において熱処理し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物を、所定の時間に亘って前記温度において保持し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物を完全にオーステナイト化するステップであって、鋼のケイ素含有量によってオーステナイト化温度がより高くなるステップ；
    ｅ）前記熱処理された部材、半製品のバー又は鍛造物を、連続冷却変態（ＣＣＴ）図におけるパーライト領域より下方であるが、Ｍｓ温度よりは高い中間温度まで急冷する間のパーライトの形成を防止するために十分な焼き入れ速度、例えば少なくとも１５０℃／分の焼き入れ速度で焼き入れするステップ；
    ｆ）前記部材、半製品のバー又は鍛造物を、Ｍｓ温度より高い１つ又は複数の温度において、所定の時間に亘り熱処理し、前記部材、半製品のバー又は鍛造物をオーステンパし、結果として、オースフェライト鋼又はスーパーベイナイト鋼を得るステップ、
    を含んでいることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
  10. 機械加工が、ステップｄ）からｆ）において行われる熱処理の前、後、又は、前後で行われることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  11. 請求項１から６のいずれか一項に記載のオースフェライト鋼、又は、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法を用いて製造されるオースフェライト鋼を含むことを特徴とする部材。
  12. 請求項１から６のいずれか一項に記載のオースフェライト鋼、又は、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法を用いて製造されるオースフェライト鋼を含むことを特徴とする半製品のバー。
  13. 請求項１から６のいずれか一項に記載のオースフェライト鋼、又は、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法を用いて製造されるオースフェライト鋼を含むことを特徴とする鍛造物。
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