JP3544131B2 - 中炭素鋼の製造方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中炭素鋼の製造方法に関するものであり、特に大型材の製造に好適な製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、中炭素鋼を製造する際には、所望の形状に鍛錬した後、Ａｃ１点以上の温度で焼鈍処理を行った後、焼入れし、さらに、１回以上の焼戻しを行っている。
また、この製造においては、組成の選定等により靱性を改善する手段が講じられており、ある程度の成果を得ている。しかし、中炭素鋼を材料として使用する製品で要求される強度は益々上昇しており、それに相反する性質である靱性においても一層の向上が望まれている。靱性の改善には、結晶粒の微細化が有効であることが知られており、上記のように組成の選定により結晶粒を微細化する方法が採られているが、組成の選定のみでは靱性をさらに向上させるのは困難である。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、中炭素鋼において製造工程上の工夫により結晶粒を微細化して、靱性をさらに向上させることができる製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００３】
上記課題を解決するため本発明の中炭素鋼の発明は、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．５５％、Ｃｒ：２．０〜１０．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、ＷおよびＭｏの単独又は複合で、（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：６．０％以下、Ｖ：０．４〜２．０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる中炭素鋼を鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域で組織をパーライト変態させ、さらにＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すことを特徴とする。
【０００６】
ここで、本発明に至った経緯について以下に説明する。
本発明者は、中炭素鋼の靱性に及ぼす結晶粒サイズの影響について検討を重ねた。その結果、靱性改善には結晶粒の微細化が効果的であることを見出した。
そこで、結晶粒微細化について更なる検討を加えた。その結果、鍛錬後、焼入れ前の熱処理条件によって焼入れ後の結晶粒が変化することが判明した。この現象に関して詳細に解析したところ、結晶粒微細化には焼入れ前熱処理としてパーライト化処理が効果的であることが明らかとなった。しかし、パーライト組織にはネット状炭化物が析出し、それが焼入れ後まで残存すると靱性低下を招くことも同時に判明した。
次いで、ネット状炭化物を消失させるための更なる検討を加えた。その結果、パーライト化処理後さらにＡｃ３点以上の温度で焼準処理を施すことで、ネット状炭化物は消失することが判明した。また、焼準処理でネット状炭化物を消失させることによって、後工程の焼入れ処理で微細炭化物が均一に分散析出した安定した組織が得られ、靱性が著しく向上することが明らかとなり、本発明を完成するに至った。
【０００７】
以下に、製造工程における処理条件について説明する。
（パーライト化処理）
鍛錬後の冷却途中にパーライト変態温度域で保持して、組織をパーライト変態させることによって、その後のオーステナイト化時に結晶粒が著しく微細化する。パーライト変態温度域は、中炭素鋼の組成によって異なるため、該組成に従って保持温度を定めるが、例えば６５０〜７５０℃の温度域を代表的に示すことができる。なお、保持時間は、パーライト変態開始後、変態終了まで保持するのが望ましい。
【０００８】
（焼準処理）
パーライト化処理後、さらにＡｃ３点以上の温度で焼準処理を施すことにより、後工程の焼入れ処理において、ネット状炭化物が存在しない、細粒かつ安定した組織を得ることができる。この焼準処理でネット状炭化物を消失させないと焼入れ後にもネット状炭化物が残存して靱性を低下させる原因となるので、焼準処理ではネット状炭化物を消失させる必要がある。また、オーステナイト結晶粒粗大化温度を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が低下するのでオーステナイト結晶粒粗大化温度未満に限定するのが望ましい。これらの温度も中炭素鋼の組成によって異なるため一義的に定めることはできず、該組成に従って適宜保持温度を定めるが、例えばＡｃ３点温度として７５０〜８５０℃、オーステナイト結晶粒粗大化温度として、１０７０〜１１２０℃を代表的に示すことができる。
【０００９】
（焼入れ加熱温度）
オーステナイト化温度は、Ａｃ３点以上でないと安定した組織が得られない。また、オーステナイト結晶粒粗大化温度を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が低下するのでオーステナイト結晶粒粗大化温度未満に限定する。
（焼戻し温度）
焼戻しを一回以上施すことによって、所望の強度を得ることができる。なお、焼戻しは常法により行うことができる。
【００１０】
また、第２、第３の発明に示された組成は、上記製造方法への適用に好適であって上記効果が顕著に得られ、靱性に優れた中炭素鋼が得られる。以下に組成限定理由について説明する。なお、以下ではいずれも重量％を示している。
Ｃ：０．２５〜０．５５％
Ｃは、焼入れ時におけるオーステナイト層を安定にし、さらに炭化物を生成して引張強さを高める。所望の硬さを得るためには、０．２５％以上含有させることが必要であるが、０．５５％を越えると炭化物が過剰となり、靱性を低下させるのでその含有量は０．２５〜０．５５％に限定する。さらに好ましい上下限は上記と同様の理由で、下限が０．３５越％、上限が０．４５％である。
【００１１】
Ｃｒ：２．０〜１０．０％
Ｃｒは鋼の焼入性を増し、引張強さや靱性の向上を図るのに有効な元素である。その目的のためには２．０％以上の含有が必要であるが、１０．０％を越えると逆に靱性が低下するのでその含有量を２．０〜１０．０％に定める。さらに好ましい上下限は上記と同様の理由で、下限が３．０％越、上限が８．０％である。
【００１２】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは溶解時の脱酸剤として添加されるが、これを多量に添加すると靱性低下をきたすようになる。従って、Ｓｉ含有量の上限を２．０％に定める。好ましくは上限を１．２％とする。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは溶解時の脱酸および脱硫剤として添加されるが、多量に添加すると靱性が低下するのでその含有量の上限を２．０％に定める。さらに好ましい上限は１．２％である。
【００１３】
Ｎｉ：４．０％以下
Ｎｉは鋼の焼入性を向上させて靱性を改善するのに有効な元素であり、所望により含有させる。なお、上記作用を確実に得るためには、０．１％以上含有させるのが望ましい。しかし、４．０％を越えると変態点を下げて、高温強度の低下をきたすのでその含有量を４．０％以下に定める。さらに好ましい上限は１．５％である。
【００１４】
１／２Ｗ＋Ｍｏ：６．０％以下
Ｗ、Ｍｏは焼戻し時に微細な特殊炭化物を形成し、引張強さを高める作用を有するので、所望により１種または２種を含有させる。この作用を確実に得るためには、上記式の値が１．０％以上であるのが望ましい。しかし、上記値が６．０％を越えると靱性の過度の低下を招くのでその値が６．０％以下になるようにＷ、Ｍｏの含有量を定める。さらに好ましい上限は３．５％である。
【００１５】
Ｖ：０．４〜２．０％
Ｖは焼戻し時に炭窒化物を形成して、引張強度を高めるのに有効であるとともに結晶粒の微細化にも効果的であるので含有させる。これら作用を確実に得るためには、０．４％以上含有させる。しかし、２．０％を越えると靱性が低下するのでその含有量を２．０％以下に定める。さらに好ましい上限は１．３％以下である。
【００１６】
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは炭化物より固溶しにくい安定な炭化物を形成し、結晶粒微細化にも効果的であるので所望により含有させる。なお、これら作用を確実に得るためには ％以上含有させるのが望ましい。しかし、０．２０％を越えると逆に粗大な炭窒化物を形成し、靱性を低下させるので、その含有量を０．２０％以下に定める。さらに好ましい上限は０．０７％以下である。
上記各合金成分は、所望により含有させる選択成分として記載したが、これら成分の全てを含有するものであってもよく、または一部成分を含有しない組成であってもよい。
【００１７】
上記中炭素鋼は、鍛錬に至るまでは常法、または公知の工程を経たものであってよく、例えば、常法により溶製した鋼塊を均質化処理等の熱処理を施した後、適宜の鍛錬比で鍛錬する。該鍛錬後は、本発明の方法により熱処理を施す。この熱処理によれば、結晶粒が微細化するとともに、焼入後にはネット状炭化物の残存しない組織が得られ、靱性、強度ともに優れた中炭素鋼が得られる。また、該中炭素鋼の組成を本発明の範囲内で定めれば、上記作用は確実なものとなり、従来材に比べて顕著な靱性の改善効果が出現する。
【００１８】
【実施例】
表１に示す組成の供試鋼を取鍋精練法にて溶解し、下注ぎ法にてｌｌトン鋼塊を造塊した。これらの鋼塊を１２００℃に加熱して、鍛造比約６で熱間鍛造した後、表２に示す熱処理を施した。また、焼入れ、焼戻しは各供試鋼で強度が同一になるように実施した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
次に、熱処理後の供試鋼において結晶粒の大きさの測定とシャルピー衝撃試験とを行い、その結果を図１、２に示した。図１、２から明らかなように、本発明法によれば、従来法に比べて、強度にかかわらず結晶粒サイズが小さくなっており、シャルピー衝撃値が向上している。
図３には本発明法１と比較法４により得られた供試鋼の金属組織の顕微鏡写真を示した。図３から明らかなように、本発明法によれば、従来法に比べて、結晶粒サイズが顕著に小さくなっており、ネット状炭化物の残存も認められなかった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本願発明の中炭素鋼の製造方法によれば、鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域で組織をパーライト変態させ、さらにＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すので、ネット状炭化物の消失、結晶粒の微細化によって靱性が大幅に向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における各供試鋼の結晶粒サイズを比較したグラフである。
【図２】同じくシャルピー衝撃値を比較したグラフである。
【図３】同じく金属組織の顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、中炭素鋼の製造方法に関するものであり、特に大型材の製造に好適な製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、中炭素鋼を製造する際には、所望の形状に鍛錬した後、Ａｃ１点以上の温度で焼鈍処理を行った後、焼入れし、さらに、１回以上の焼戻しを行っている。
また、この製造においては、組成の選定等により靱性を改善する手段が講じられており、ある程度の成果を得ている。しかし、中炭素鋼を材料として使用する製品で要求される強度は益々上昇しており、それに相反する性質である靱性においても一層の向上が望まれている。靱性の改善には、結晶粒の微細化が有効であることが知られており、上記のように組成の選定により結晶粒を微細化する方法が採られているが、組成の選定のみでは靱性をさらに向上させるのは困難である。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、中炭素鋼において製造工程上の工夫により結晶粒を微細化して、靱性をさらに向上させることができる製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００３】
上記課題を解決するため本発明の中炭素鋼の発明は、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．５５％、Ｃｒ：２．０〜１０．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、ＷおよびＭｏの単独又は複合で、（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：６．０％以下、Ｖ：０．４〜２．０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる中炭素鋼を鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域で組織をパーライト変態させ、さらにＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すことを特徴とする。
【０００６】
ここで、本発明に至った経緯について以下に説明する。
本発明者は、中炭素鋼の靱性に及ぼす結晶粒サイズの影響について検討を重ねた。その結果、靱性改善には結晶粒の微細化が効果的であることを見出した。
そこで、結晶粒微細化について更なる検討を加えた。その結果、鍛錬後、焼入れ前の熱処理条件によって焼入れ後の結晶粒が変化することが判明した。この現象に関して詳細に解析したところ、結晶粒微細化には焼入れ前熱処理としてパーライト化処理が効果的であることが明らかとなった。しかし、パーライト組織にはネット状炭化物が析出し、それが焼入れ後まで残存すると靱性低下を招くことも同時に判明した。
次いで、ネット状炭化物を消失させるための更なる検討を加えた。その結果、パーライト化処理後さらにＡｃ３点以上の温度で焼準処理を施すことで、ネット状炭化物は消失することが判明した。また、焼準処理でネット状炭化物を消失させることによって、後工程の焼入れ処理で微細炭化物が均一に分散析出した安定した組織が得られ、靱性が著しく向上することが明らかとなり、本発明を完成するに至った。
【０００７】
以下に、製造工程における処理条件について説明する。
（パーライト化処理）
鍛錬後の冷却途中にパーライト変態温度域で保持して、組織をパーライト変態させることによって、その後のオーステナイト化時に結晶粒が著しく微細化する。パーライト変態温度域は、中炭素鋼の組成によって異なるため、該組成に従って保持温度を定めるが、例えば６５０〜７５０℃の温度域を代表的に示すことができる。なお、保持時間は、パーライト変態開始後、変態終了まで保持するのが望ましい。
【０００８】
（焼準処理）
パーライト化処理後、さらにＡｃ３点以上の温度で焼準処理を施すことにより、後工程の焼入れ処理において、ネット状炭化物が存在しない、細粒かつ安定した組織を得ることができる。この焼準処理でネット状炭化物を消失させないと焼入れ後にもネット状炭化物が残存して靱性を低下させる原因となるので、焼準処理ではネット状炭化物を消失させる必要がある。また、オーステナイト結晶粒粗大化温度を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が低下するのでオーステナイト結晶粒粗大化温度未満に限定するのが望ましい。これらの温度も中炭素鋼の組成によって異なるため一義的に定めることはできず、該組成に従って適宜保持温度を定めるが、例えばＡｃ３点温度として７５０〜８５０℃、オーステナイト結晶粒粗大化温度として、１０７０〜１１２０℃を代表的に示すことができる。
【０００９】
（焼入れ加熱温度）
オーステナイト化温度は、Ａｃ３点以上でないと安定した組織が得られない。また、オーステナイト結晶粒粗大化温度を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が低下するのでオーステナイト結晶粒粗大化温度未満に限定する。
（焼戻し温度）
焼戻しを一回以上施すことによって、所望の強度を得ることができる。なお、焼戻しは常法により行うことができる。
【００１０】
また、第２、第３の発明に示された組成は、上記製造方法への適用に好適であって上記効果が顕著に得られ、靱性に優れた中炭素鋼が得られる。以下に組成限定理由について説明する。なお、以下ではいずれも重量％を示している。
Ｃ：０．２５〜０．５５％
Ｃは、焼入れ時におけるオーステナイト層を安定にし、さらに炭化物を生成して引張強さを高める。所望の硬さを得るためには、０．２５％以上含有させることが必要であるが、０．５５％を越えると炭化物が過剰となり、靱性を低下させるのでその含有量は０．２５〜０．５５％に限定する。さらに好ましい上下限は上記と同様の理由で、下限が０．３５越％、上限が０．４５％である。
【００１１】
Ｃｒ：２．０〜１０．０％
Ｃｒは鋼の焼入性を増し、引張強さや靱性の向上を図るのに有効な元素である。その目的のためには２．０％以上の含有が必要であるが、１０．０％を越えると逆に靱性が低下するのでその含有量を２．０〜１０．０％に定める。さらに好ましい上下限は上記と同様の理由で、下限が３．０％越、上限が８．０％である。
【００１２】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは溶解時の脱酸剤として添加されるが、これを多量に添加すると靱性低下をきたすようになる。従って、Ｓｉ含有量の上限を２．０％に定める。好ましくは上限を１．２％とする。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは溶解時の脱酸および脱硫剤として添加されるが、多量に添加すると靱性が低下するのでその含有量の上限を２．０％に定める。さらに好ましい上限は１．２％である。
【００１３】
Ｎｉ：４．０％以下
Ｎｉは鋼の焼入性を向上させて靱性を改善するのに有効な元素であり、所望により含有させる。なお、上記作用を確実に得るためには、０．１％以上含有させるのが望ましい。しかし、４．０％を越えると変態点を下げて、高温強度の低下をきたすのでその含有量を４．０％以下に定める。さらに好ましい上限は１．５％である。
【００１４】
１／２Ｗ＋Ｍｏ：６．０％以下
Ｗ、Ｍｏは焼戻し時に微細な特殊炭化物を形成し、引張強さを高める作用を有するので、所望により１種または２種を含有させる。この作用を確実に得るためには、上記式の値が１．０％以上であるのが望ましい。しかし、上記値が６．０％を越えると靱性の過度の低下を招くのでその値が６．０％以下になるようにＷ、Ｍｏの含有量を定める。さらに好ましい上限は３．５％である。
【００１５】
Ｖ：０．４〜２．０％
Ｖは焼戻し時に炭窒化物を形成して、引張強度を高めるのに有効であるとともに結晶粒の微細化にも効果的であるので含有させる。これら作用を確実に得るためには、０．４％以上含有させる。しかし、２．０％を越えると靱性が低下するのでその含有量を２．０％以下に定める。さらに好ましい上限は１．３％以下である。
【００１６】
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは炭化物より固溶しにくい安定な炭化物を形成し、結晶粒微細化にも効果的であるので所望により含有させる。なお、これら作用を確実に得るためには ％以上含有させるのが望ましい。しかし、０．２０％を越えると逆に粗大な炭窒化物を形成し、靱性を低下させるので、その含有量を０．２０％以下に定める。さらに好ましい上限は０．０７％以下である。
上記各合金成分は、所望により含有させる選択成分として記載したが、これら成分の全てを含有するものであってもよく、または一部成分を含有しない組成であってもよい。
【００１７】
上記中炭素鋼は、鍛錬に至るまでは常法、または公知の工程を経たものであってよく、例えば、常法により溶製した鋼塊を均質化処理等の熱処理を施した後、適宜の鍛錬比で鍛錬する。該鍛錬後は、本発明の方法により熱処理を施す。この熱処理によれば、結晶粒が微細化するとともに、焼入後にはネット状炭化物の残存しない組織が得られ、靱性、強度ともに優れた中炭素鋼が得られる。また、該中炭素鋼の組成を本発明の範囲内で定めれば、上記作用は確実なものとなり、従来材に比べて顕著な靱性の改善効果が出現する。
【００１８】
【実施例】
表１に示す組成の供試鋼を取鍋精練法にて溶解し、下注ぎ法にてｌｌトン鋼塊を造塊した。これらの鋼塊を１２００℃に加熱して、鍛造比約６で熱間鍛造した後、表２に示す熱処理を施した。また、焼入れ、焼戻しは各供試鋼で強度が同一になるように実施した。
【００１９】
【表１】
【表２】
次に、熱処理後の供試鋼において結晶粒の大きさの測定とシャルピー衝撃試験とを行い、その結果を図１、２に示した。図１、２から明らかなように、本発明法によれば、従来法に比べて、強度にかかわらず結晶粒サイズが小さくなっており、シャルピー衝撃値が向上している。
図３には本発明法１と比較法４により得られた供試鋼の金属組織の顕微鏡写真を示した。図３から明らかなように、本発明法によれば、従来法に比べて、結晶粒サイズが顕著に小さくなっており、ネット状炭化物の残存も認められなかった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本願発明の中炭素鋼の製造方法によれば、鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域で組織をパーライト変態させ、さらにＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すので、ネット状炭化物の消失、結晶粒の微細化によって靱性が大幅に向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における各供試鋼の結晶粒サイズを比較したグラフである。
【図２】同じくシャルピー衝撃値を比較したグラフである。
【図３】同じく金属組織の顕微鏡写真である。
Claims (1)
- 重量％で、Ｃ：０．２５〜０．５５％、Ｃｒ：２．０〜１０．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、ＷおよびＭｏの単独又は複合で、（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：６．０％以下、Ｖ：０．４〜２．０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる中炭素鋼を鍛錬からの冷却途中にパーライト変態温度域で組織をパーライト変態させ、さらにＡｃ３点以上の温度で１回以上の焼準処理を施した後、Ａｃ３点以上の温度に加熱して焼入れし、その後、焼戻しを１回以上施すことを特徴とする中炭素鋼の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP00775699A JP3544131B2 (ja) | 1999-01-14 | 1999-01-14 | 中炭素鋼の製造方法 |
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| JP2000204414A JP2000204414A (ja) | 2000-07-25 |
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Cited By (3)
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1999
- 1999-01-14 JP JP00775699A patent/JP3544131B2/ja not_active Expired - Lifetime
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