JP4303644B2 - 耐粒界割れ性と靭性の優れた高炭素鋼板の製造法 - Google Patents

Description

この発明は高炭素薄鋼板、特に熱処理後の耐衝撃性と耐粒界割れ性に優れた高炭素鋼板に関する。より具体的には、使用中に水素に起因する割れ発生が起こりにくく、チェーン部品、ギヤ部品、クラッチ部品等として好適な高靭性高炭素鋼板の製造方法に関する。

一般に、チェーン部品、ギヤ部品、クラッチ部品等はＪＩＳＧ３３１１に規定されるＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４５等の高炭素合金冷延鋼板や、Ｓ４５ＣＭ，Ｓ５０Ｃの高炭素冷延鋼板を素材鋼板として、これを各目的製品形状に成形加工した後、焼き入れ・焼き戻し等の熱処理により硬化させて製造される。ここで、前記の各製品の素材鋼板は、成型加工前は軟質で加工がし易く、次の成形加工後に施される熱処理によって初めて所望に強度が得られ、かつ使用時に耐衝撃性、耐磨耗性を発揮する特性が要求される。

オートバイ用のチェーン部品の場合、従来の鋼を注意深く焼き入れ・焼き戻ししても、耐衝撃性が不十分で、さらに水素に起因する粒界割れを防止するに至っていない。このため、焼き入れ、焼き戻しに変え、過冷オーステナイトを等温変態する、オーステンパー処理を行っている。しかし、この方法は焼き入れ、焼き戻しに比べて工程が煩雑になり、温度の制御が難しく、熱処理設備も大型化するため、コストの上昇は避けられない。

これらの課題に対し、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示された技術がある。特許文献１、特許文献２の技術は、耐磨耗性、耐水素割れ性は優れた特性を有するが、耐衝撃性が不十分で、Ｃｒ添加量が高いため、重要な特性である疲労特性が悪くなる欠点がある。また、Ｃｕ添加により、鋼板の表面欠陥が多発し、製造歩留りが悪い欠点がある。特許文献３は優れた耐磨耗性、耐水素割れ性、耐疲労特性を示すが、やはり、耐衝撃性が不十分という問題点がある。
特開平２−１４９６４５号公報 特開平２−１５６０４４号公報 特開平５−３４５９５２号公報

本発明は前記の欠陥を克服するものであって、耐磨耗性、耐衝撃性、耐疲労特性、耐水素割れ性が優れ、かつ製造コストの安価な高炭素鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、特許文献３の技術を詳細に検討した結果、凝固後の冷却速度と熱延加熱温度を制御することで、問題点を克服できることを知見した。
その要旨は質量％で
Ｃ ：０．２５〜０．６０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．６５％、
Ｓｉ：０．７０％以下、
Ｐ ：０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｎｂ：０．００５〜０．０７０％を含有し、
更に必要に応じ、質量％で
Ｍｏ：０．５０％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ ：０．０００３〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅからなる組成の鋼を連続鋳造でスラブを製造するに際し、モールド注湯時の温度から鋳片断面の平均温度が１１００℃までの冷却速度を５℃／ｍｉｎ以上で冷却し、引き続いて、１１５０℃以上の温度に加熱し、熱延することを特徴とする耐粒界割れ性と靭性の優れた高炭素鋼板の製造法にある。

以下本発明の構成要件について詳述する。
Ｃは焼入れによる所望の硬さ、強度と耐磨耗性を得るために０．２５％以上とする必要がある。一方、０．６０％を超えてＣを添加すると硬さが高くなりすぎ、衝撃性が劣化、水素脆性が起こり易くなる。このことから、Ｃ量を０．２５〜０．６０％に特定した。
Ｓｉも鋼板を高強度化する元素であるが、０．７０％を超えると鋼板が硬質、脆化する傾向があると同時に、熱延時に生成するスケールの剥離性が悪くなり、表面欠陥が増加し、歩留りを低下させる。これらの点からＳｉ量を０．７０％以下に特定した。
Ｍｎは焼き入れ性を高めるが、焼き入れ・焼き戻し材の衝撃性、水素脆性に悪影響をおよぽすＰの偏析を助長する元素であることが知られている。このため、０．６５％を超えると衝撃性が劣化し、水素脆化がおこりやすくなるため、本発明の目的を達成できない。一方、Ｍｎ量が０．２０％未満になると焼き入れ性が低下し、所望の硬さ、強度が得られない。これらの点から、Ｍｎ量を０．２０〜０．６５％に特定した。
Ｐは衝撃値を低め、水素脆性を助長する元素であることが良く知られている。この点から低い方が望ましいが、本発明では０．０３０％までの含有が許容されるが、好ましくは０．０２０％以下である。

Ｃｒは焼入れ性を高める元素であることが良く知られている。しかし、Ｃｒ量が０．５０％を超えると疲労特性が劣化すると同時に、水素脆性を起こしやすくなる。このため、Ｃｒ量の上限を０．５０％に特定した。下限は特に限定する必要がないが、本発明では主に０．０１〜０．４５％の範囲で主に実施している。
Ａｌは脱酸材として用いられるが、鋼中のＮ成分と結合し、焼入れ時のオーステナイト粒の成長を抑えて靭性の向上に有効な元素である。しかし、多量の添加は逆に、粗大なＡｌＮを析出させ、靭性の向上に寄与しないばかりか、鋼板の表面欠陥の原因となることから、０．０８％以下とすることが好ましい。
Ｎｂを添加すると、Ｎｂ（ＣＮ）が微細に析出し、フェライト、オーステナイト結晶粒を微細にすることが知られている。焼入れ・焼き戻し後の衝撃性、耐水素脆性はいずれも焼入れ時のオーステナイト粒が微細なほど良好になることが知られている。この観点から、本発明でもＮｂを添加する。Ｎｂ量が０．１０％を超えるとその添加効果が飽和するだけでなく、凝固時にＮｂ炭窒化物が粒界に析出し、鋳片割れの原因となるため、上限を０．１０％に特定した。一方、Ｎｂ量が０．００５％未満では前記作用効果が得られない。

Ｍｏは衝撃性を悪くすること無く、焼入れ性を高める元素である。しかし、０．５％を超える添加はその効果が飽和する。本発明でＭｏは必須の元素でないが、添加するときは０．５％以下の範囲であり、好ましくは０．１０〜０．４０％の範囲である。
ＴｉはＮｂと同様に炭窒化物を形成し、結晶粒を微細にする効果がある。また、焼入れ条件が緩やかなものでは焼入れにより所望の硬さが得られないとき、Ｂを添加するが、このＢ添加の作用効果を十分に発揮させるために、最低でも０．００５％必要である。０．１００％を超えると上記効果が飽和するだけでなく、凝固時に粗大なＴｉの炭窒化物が析出し、靭性、耐水素脆性を劣化させる。このため、Ｔｉは添加する場合は、０．００５〜０．１０％の範囲である。
Ｂは従来から、焼入れ性を高める元素として知られている。本発明でも焼入れ性を高めるため、必要に応じて添加される。一方、添加量が多くなると焼入れ時のオーステナイト粒界にＢ炭化物が析出し、焼入れ性を逆に悪くする。この理由から上限を０．００５％に特定した。

上記成分を含有すると共に、残部が実質的にＦｅからなる鋼を溶製する。この溶鋼を連続鋳造でスラブを造る。このときの冷却速度は重要な要件である。連続鋳造時のモールド注湯温度から、鋳片の断面平均温度が１１００℃までの平均冷却速度が５℃／ｍｉｎ以上にすることにより、焼き入れ・焼き戻し後の衝撃値、耐水素脆性が向上することを知見した実験事実について説明する。

Ｃ：０．４５％、Ｓｉ：０．１７％、Ｍｎ：０．５０％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：０．００３％、Ｎｂ：０．０２５％、Ａｌ：０．０３４％、Ｎ：０．００４５％の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造で凝固後の冷却速度を変えてスラブを造り、各々のスラブを１２５０℃に加熱後、５．０ｍｍ厚の熱延鋼板を造り、脱スケール後、４．０ｍｍまで冷延し、焼入れ・焼き戻しを行い、Ｈｖ：５００とした。これらの鋼板から、４号衝撃試験片を造り、衝撃試験を行った。また、鋼板からチェーンプレートを打ち抜き加工、焼入れ・焼き戻し処理で硬さ：Ｈｖ：５００に調整し、チェーンを組み立て、鋼片でチェーン端部に３９．２Ｎで押し付けながら１．９６ＫＮの張力をかけ１４．８ｍ／秒の速度で駆動し、１０分間隔で１５０ｃｃの水を注水しながら６０分間試験し、クラックが生じたチェーンプレート数で評価した。この試験で生じた割れ、クラックはγ粒界で生じ、耐水素割れ性の評価として有用である。連続鋳造時のモールド注湯温度から、鋳片の断面平均温度が１１００℃までの平均冷却速度と衝撃値の関係を図１に、水素割れ性の関係を図２に示した。

連続鋳造時のモールド注湯温度から、鋳片の断面平均温度が１１００℃までの平均冷却速度が遅いと焼入れ・焼き戻し後の衝撃特性が劣化する。特に、冷却速度が５℃／ｍｉｎ以下になると衝撃値が急速に劣化する。また、チェーンプレートの割れ発生にも１１００℃までの冷却速度が影響し、冷却速度が遅くなると割れ発生プレート数が増加し、水素割れ性が劣化することが分かる。この事実から、良好な衝撃特性、耐水素割れ性を得る条件として連続鋳造時の１１００℃までの平均冷却速度を５℃／ｍｉｎ以上を特定した。好ましくは同様の理由から、連続鋳造時の１１００℃までの平均冷却速度１０℃／ｍｉｎ以上である。

このようにして製造されたスラブは熱間圧延に供される。熱延加熱温度は１１５０℃以上の温度に加熱する必要がある。加熱温度が１１５０℃未満になると焼き入れ、焼き戻し後の衝撃特性が劣化すると共に、耐粒界割れ性が劣化する。

本発明によれば、鋼成分の特定と連続鋳造時の冷却速度、熱延加熱温度の制御により、高強度でかっ靭性、耐水素割れ性、疲労特性、耐磨耗性が優れた高炭素鋼板が得られる。このことによって、チェーン、ギヤ等の小型化、長寿命化が達成できる。これは産業界にとって大変有用である。

本発明は、鋼成分と連続鋳造時の冷却速度と熱延加熱温度を特定することにより、耐粒界割れ性と靭性の優れた高炭素鋼板が提供できる。したがって、鋼の溶製方法、加熱温度以外の熱延条件、冷延、焼鈍等は特に限定の必要がないが、これらの好ましい実施形態について説明する。

上記の組成の鋼は転炉、電気炉等の通常の溶解炉で溶製され、連続鋳造でスラブを造る。この際のモールド鋳湯時の温度から鋳片の断面平均温度が１１００℃までの冷却速度を５℃／ｍｉｎ以上で冷却する必要がある。このスラブは熱間圧延のための加熱温度は、良好な耐粒界割れ性、靭性を得るため、１１５０℃以上で行なう必要がある。熱延仕上温度は特に規定する必要はないが、良好な形状、安定に圧延作業を行なうために、Ａｒ3点温度以上とすることが好ましい。巻取り温度は良好な脱スケール性を得るため、６８０℃以下で行なうことが好ましい。一方、巻取り温度が低くなると、熱延鋼板でそのまま製品となる場合に加工性を損なうので、５５０℃以上で行なうことが好ましい。

熱延された鋼板は脱スケール後にそのまま、加工に供されても、硬度、形状、板厚精度、表面粗度を調整するために調質圧延して、あるいは冷間圧延して加工に供しても良い。また、冷間圧延途中で軟化のための焼鈍を行なっても、本発明の特徴を損なわない。また、冷間圧延後に、加工性を向上させるために焼鈍をおこなっても良い。この場合は６５０〜７１０℃の温度で行なうことが好ましい。焼鈍板は必要に応じて、硬度、形状、板厚精度、表面粗度を調整するため、調質圧延しても良い。

このようにして製造された薄鋼板は、通常、各種の製品メーカーにて加工され、次いで熱処理され所望の硬さ、性能とされる。例えば、チェーン部品を製造するには、チェーンプレートに打ち抜き等の加工を経てから、通常の焼き入れ、焼き戻しの熱処理を行い製造される。硬度、耐水素脆性、疲労特性等は焼き入れ、焼き戻し条件により変化するが、本発明の鋼板はいずれの条件でも従来技術で製造されたものより優れた特性が得られる。

表１に示す組成の鋼を転炉で溶製し、表２に記載の条件で連続鋳造によりスラブを造り、表２に示す熱延条件、冷延条件で２．０ｍｍ厚みの鋼板を製造した。この鋼板から、チェーンプレートを打ち抜き、焼入れ・焼き戻しを行い、Ｈｖ：５００に調整した後、チェーンを組み立てた。チェーンを鋼片でチェーン端部に３９．２Ｎで押し付けながら１．９６ＫＮの張力をかけ１４．８ｍ／秒の速度で駆動し、１０分間隔で１５０ｃｃの水を注水しながら６０分間試験し、チェーンプレートにクラックが生じたプレート数で評価した。また、鋼板を焼き入れ、焼き戻しを行い、硬さをＨｖ：５００に調整し、疲労試験片および４号衝撃試験片を製作し、平面曲げ疲労試験および常温での衝撃値を測定した。なお、通常の油焼き入れを行い、焼き戻し条件を調整しても、硬さがＨｖ：５００に達しないものは、チェーンの水素割れ試験、疲労試験、衝撃試験を行なわなかった。疲労性の評点は疲労限が８００ＭＰａ以上を○、７００ＭＰａ以下を×、その中間の値を△とした。

Ａ−１は鋼成分、製造方法共に、本発明範囲内の実施例である。Ａ−１は耐衝撃性、耐水素割れ性、疲労特性が共に優れた特性を有する。Ａ−２はＡ−１と同一成分の鋼であるが、連続鋳造の冷却速度が本発明範囲から外れた比較例である。連続鋳造の冷却速度が遅いと、衝撃特性が大幅に低下しており、耐水素割れ性、疲労特性も若干低下している。Ａ−３は熱延加熱温度が本発明の範囲から外れた比較例であるが、やはり、衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性が共に劣化している。このように、鋼組成、製造条件を特定することで、初めて優れた衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性を両立する鋼板の提供が可能となることが分かる。

Ｂ−１はＣ量が本発明範囲から外れ比較例で、焼き入れ、焼き戻し後に硬さがＨｖ：５００に達しなかったので、特性調査を行なわなかった。Ｃ−１はＭｎ量が本発明範囲から外れた比較例である。Ｍｎ量が高いとチェーンプレートの割れ数が多く、耐水素割れ性が劣っている。Ｄ−１はＮｂ量が本発明範囲外の比較例である。Ｎｂ添加量が少なすぎると耐水素割れ性、衝撃特性が共に劣り、本発明の目的を達しない。Ｅ−１はＭｎ量が発明範囲から外れた比較例であるが、この鋼は熱処理後の硬さがＨｖ：５００以下のため、本発明の目的を達しないため、特性調査を行なわなかった。Ｆ−１はＳｉ量が本発明範囲から外れた比較例で、やはり、衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性が本発明の実施例に比較して劣っている。Ｇ−１はＰ量が本発明範囲から外れた比較例であるが、やはり、衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性が本発明の実施例に比較して劣っている。Ｈ−１はＣｒ量が本発明範囲から外れた比較例である。Ｃｒ量が多くなると耐水素割れ性と疲労特性が本発明の実施例に比べて劣っている。Ｉ−１，Ｉ−２はＴｉを添加した実施例で、Ｉ−１は製造条件が本発明範囲内の実施例で、Ｉ−２は連続鋳造の冷却速度が本発明範囲から外れた比較例である。本発明範囲の実施例は比較例に比し、優れた衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性を有している事が分かる。Ｊ−１，Ｊ−２はＴｉとＢを添加した実施例で、Ｊ−１は製造条件が本発明範囲内の実施例で、Ｊ−２は連続鋳造の冷却速度が本発明範囲から外れた比較例である。本発明範囲の実施例は比較例に比し、優れた衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性を有している事が分かる。Ｋ−１，Ｋ−２はＴｉとＭｏを添加した実施例で、Ｋ−１は製造条件が本発明範囲内の実施例で、Ｋ−２は連続鋳造の冷却速度が本発明範囲から外れた比較例である。本発明範囲の実施例は比較例に比し、優れた衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性を有している事が分かる。Ｌ−１，Ｌ−２はＴｉ，Ｍｏ，Ｂを添加した実施例で、Ｌ−１は製造条件が本発明範囲内の実施例で、Ｌ−２は連続鋳造の冷却速度が本発明範囲から外れた比較例である。本発明範囲の実施例は比較例に比し、優れた衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性を有している事が分かる。

以上の実施例で詳細に説明したように、鋼成分、連続鋳造時の冷却速度、熱延加熱温度を制御することにより、高強度で、衝撃特性、耐水素割れ性、疲労特性の優れた高炭素鋼板が提供可能となる。

本発明によれば、高強度でかつ靭性、耐水素割れ性、疲労特性、耐磨耗性が優れた高炭素鋼板が得られる。このことによって、チェーン、ギヤ等の小型化、長寿命化が達成できる。これは産業界にとって大変有用である。

連続鋳造時に冷却速度と衝撃値の関係を示す図である。 連続鋳造時の冷却速度と水素割れ性（割れ発生個数）の関係を示す図である。

Claims (2)

1. 質量％で
   Ｃ ：０．２５〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．２０〜０．６５％、
   Ｓｉ：０．７０％以下、
   Ｐ ：０．０２５％以下、
   Ｃｒ：０．５０％以下、
   Ｎｂ：０．００５〜０．０７０％を含有し、
   残部がＦｅからなる組成の鋼を連続鋳造でスラブを製造するに際し、モールド注湯時の温度から鋳片断面の平均温度が１１００℃までの平均冷却速度を５℃／ｍｉｎ以上で冷却し、引き続いて、１１５０℃以上の温度に加熱し、熱延することを特徴とする耐粒界割れ性と靭性の優れた高炭素鋼板の製造法。
2. 鋼成分として更に、質量％でＭｏ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の耐粒界割れ性と靭性の優れた高炭素鋼板の製造法。

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