JP4426887B2 - Cu含有鋼材の時効状態評価方法及びそれを用いた時効処理方法 - Google Patents

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この発明は、熱処理後の鋼材の特性を非破壊で評価する方法に係り、詳しくは、Cu含有鋼材の時効処理後の硬さをXAFS法により評価し、時効状態の是非を評価・判定する方法およびこの評価方法を用いた時効処理法に関する。
昨今、国内にはスクラップとして鉄資源が蓄積されており、この鉄スクラップには電気配線等に使用されているCuが不純物として混入する場合が多い。Cuは鋼材から除去することが困難な元素であるため、鋼材には、今後、Cuが含有される割合が多くなるものと予想される。このCuは、鋼材の合金元素としてみると、鉄に高温では固溶し、低温では析出するという性質があるため、時効処理による鋼材の強化に活用できる元素である。従来、クラスターも含めて析出物として活用されてきた物質は、金属元素の炭化物、窒化物、酸化物またはこれらの複合化合物であり、これらの析出物は材料を強化する能力は高いものの、析出物自体が非常に硬いため、一般に、延性や靭性が低下するという問題がある。このような問題に対し、クラスターも含めてCuの析出物は金属自体の析出物であるため、延性等を阻害しない析出物として活用が期待されている。
前記時効処理は、鋼材等の金属材料を、添加した合金元素が固溶する高温域で溶体化処理した後室温近くまで急冷して合金元素を過飽和に固溶させ、その後、鋼材が相変態しない温度域に再加熱し、過飽和に固溶している合金元素を析出させて強化する熱処理であり、鋼材の材質を向上させる熱処理の一つとして広く知られている。この時効処理を施すと硬さが上昇し、硬さ試験や引張り試験などの材料試験により材質が強化したことを確認できる。このように、材質変化を確認するために、従来から材料試験が行なわれているが、この材料試験は破壊試験であるため、貴重なサンプルを破壊することのほか、例えば引張り試験片の作製など試料調整を行なう必要があり、試験準備が非常に煩雑である。
前記材質変化を非破壊で検出できれば、貴重なサンプルの破壊や試料調整を行なわずに済み、材質確認が簡便化される。このような、非破壊試験の主なものに、X線回折、超音波測定、熱膨張解析、電気抵抗測定等をそれぞれ用いた試験がある。X線回折試験で得られるのは、通常、物質中の結晶情報であり、時効処理時に生じるといわれる結晶化する前のクラスター(原子の集団)等の情報を得ることはできない。また、時効処理が、析出物の析出が進行する段階に移行した後も、時効処理用に添加される合金元素量が少ない場合では析出物からの信号が小さいため、バックグラウンドノイズに埋もれてしまうことが多く、X線回折ではこの信号を検出することができない。
前記超音波を用いた測定では、マトリックス中の物質、即ち測定対象物がある程度以上の大きさを有している必要があるため、前記クラスターを超音波で検出することは不可能である。また、熱膨張解析を用いた試験では、時効処理自体が熱処理であり、材料温度が上昇して状態が変化するため析出物を精度よく検出することは困難である。さらに、電気抵抗測定を用いる試験法は、合金元素が析出することによるその固溶量変化を検出する方法であるが、時効処理用に添加される程度の合金元素量では、固溶量変化の検出は困難である。
一方、微細な構造を測定する手法としてXAFS(X-ray Absorption Fine Structure、X線吸収微細構造)が知られており、X線の吸収スペクトルを解析することにより、原子構造に関する情報、即ち鋼材表面の耐候性に関連の深いさび層の原子の並び(鉄原子の周りの動径分布)を求めた例が開示されている(特許文献1参照)。
特開2002−256463号公報([0012]〜[0023])
前述のように、時効現象をもたらす析出物は、鋼材のマトリックス成分であるFe元素量に比べて非常に微量であるため、析出に関与する元素についての信号が比較的小さく検出が困難であり、また、時効処理は、その処理過程で材料内部に生じている冶金現象が完全には明らかになっていないため、硬さ上昇などの材質変化をもたらす物理現象を捉えられず、非破壊試験による特性把握はほとんどできていなかった。さらに、Cuなどの析出強化用合金元素を添加した鋼材は、前述のように、時効処理により強度などの材質特性が改善されるが、過時効など時効処理条件が適正でなくなると材質特性が逆に低下するという問題を伴う。
そこで、この発明の課題は、Cu含有鋼材の時効処理過程におけるCu析出物の析出状態を、XAFS法を用いて把握し、時効処理が適正に実施されているか否かを非破壊で確認できる時効状態評価方法およびこの評価方法を用いた時効処理法を提供することである。
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
即ち、Cuを1〜5質量%含有する鋼材の時効状態評価方法で、鋼材中の時効に関与する析出物を構成するCuの、XAFS法により測定した蛍光X線スペクトルK吸収端近傍の8.98KeVのピーク高さを用いて、鋼材の時効状態を非破壊で評価するようにしたのである。
本発明者らは、微量のCuを含有する鋼材の時効過程におけるCu析出物を、熱処理条件を変えてX線を用いた分析により種々検討したところ、XAFS測定により鋼材中のCuのK吸収端近傍でピーク信号を検出でき、さらに常温で測定したK吸収端近傍のXAFS蛍光X線スペクトルをより詳細に解析することにより、8.98KeV位置でのピーク高さと時効処理後の硬さに非常によい相関があることを見出した。従って、前記蛍光X線スペクトルの8.98KeVのピーク高さに注目して解析を行なえば、Cu含有鋼材の時効処理による硬さ変化、即ち材質変化を非破壊で測定することができ、試料調整を行なう必要がある引張り試験や硬さ試験などの材料試験を行なわずとも、時効処理状態を評価することができる。なお、鋼材のCu含有量が1〜5%を前提としているのは、Cuの析出物により鋼材を強化するには、1質量%程度のCuが必要であり、一方、Cu含有量が5%を超えると、熱間加工や鋳造時に割れが発生しやすくなって、鋼材の製造に支障が生じることによる。Cu以外の鋼材成分はとくに前提としないが、本願発明の対象となる一般的な鋼材成分としては、C量が0.01〜1.2%、Si量が0.1〜3%、Mn量が0.1〜3%をベースとし、その他不可避的不純物P、SやCr、Mo、Ni等の合金元素およびTi、Nb、V等の炭化物形成元素が適宜含まれる。
前記XAFS法による測定が常温で行なわれ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲に収まるときに、適正に時効処理がなされたと判定することが望ましい。
前記Cu含有鋼材の時効処理後の硬さと、前記蛍光X線スペクトルの8.98KeVのピーク高さとの相関関係を詳細に検討したところ、このピーク高さの値が規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲に収まるときに、適正な硬さ上昇が得られる。このピーク高さの値が0.28よりも小さい範囲では硬さが殆ど上昇せず、0.38を超える範囲では過時効となって硬さが低下する。このような判定基準を用いることにより、適正な時効状態であるか否かを非破壊で評価することができる。
Cuを1〜5質量%含有する鋼材の時効処理方法で、予め前記鋼材の時効処理後の硬さと、前記鋼材中の時効に関与する析出物を構成するCuの、常温でXAFS法により測定した蛍光X線スペクトルK吸収端近傍の8.98KeVのピーク高さの値とを対応づけ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲に収まるように時効処理することが望ましい。
このように、時効処理後の硬さと8.98KeVのピーク高さとを関連付けた判定基準を設け、この基準を満たすような熱処理条件を選択して時効処理を行なうことにより、過時効や不完全時効を防止でき、確実に適正な時効処理を行なうことができる。
また、前記8.98KeVのピーク高さの値が規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲にあることが確認されたCu含有鋼材は、上述のように適正な硬さ上昇が得られていることが保証され、材質確認に材料試験を行なわずに済む。
この発明では、Cu含有鋼材の時効処理後の硬さを、この材質特性と非常に良好な相関があるXAFS測定による蛍光X線スペクトルのK吸収端近傍の8.98KeVのピーク高さで評価するようにしたので、試験片などの試料調整等が煩雑な材料試験を行なわなくても、簡単な非破壊検査で時効処理が適正に実施されているか否かを確認することができる。この時効状態評価方法を用いることにより、適正硬さ、即ち適正材質を確実に実現できる時効処理を施すことができる。
以下に、この発明の実施形態を、実施例に基づいて説明する。
FeにCuを1.5%含有させた合金を溶製し、熱間圧延により約1mmの板材を作製し、供試材とした。この板材を800℃で10分間加熱保持してCuを完全に固溶させた後水冷し(溶体化処理)、その後400〜500℃の温度域で20分間保持して時効処理を施した。一部の供試材には、溶体化処理過程において800℃に10分間加熱保持後10%の引張り歪を予歪として付与して水冷し、その後400〜500℃の温度域に20分間保持することにより時効処理を施した。これらの板材についてのXAFS測定には、(財)高輝度光科学研究センターの大型放射光実験施設Spring−8の共同ビームラインBL38B1XAFS測定装置を用い、蛍光法により常温でCuのK吸収端近傍の蛍光X線スペクトルを測定した。蛍光X線(Kα線)の検出にはライトル検出器を用いた。
図1に、時効条件等の処理条件を変えた場合の、前記供試材のXAFS測定で得られたCuのK吸収端近傍の蛍光収量スペクトルのXANES(前記吸収端近傍の微細構造)部分を示す。横軸は光子エネルギーを、縦軸は、測定チャンスによる誤差を除去するために、蛍光収量で規格化した任意単位である。図2に、XANES部分の光子エネルギー8.98KeV付近を拡大したスペクトルを示す。図2から、予歪なしの500℃、20min時効材および10%予歪を付与した400℃、20min時効材の8.980KeV付近の強度が高くなっていることがわかる。
一方、材質調査の結果からは、予歪なしでは時効処理温度が500℃で硬さが上昇し、10%予歪では同400℃で既に硬さの上昇が認められ、この硬さの上昇は、時効処理過程でのCuクラスターの生成に起因するものと推定される。8.980KeVでの蛍光収量の増加はこの硬さの上昇とよく対応していることから、8.980KeVでの蛍光収量の増加、即ち蛍光X線スペクトルのピーク高さから、時効処理過程でのCuクラスターの生成または結晶構造を有するCuの析出、すなわち時効状態を評価することが可能であることがわかる。
実施例1の場合と同様に、FeにCuを1.5%含有させた合金から熱間圧延により作製した約1mmの板材を供試材とし、この板材を800℃で10分間加熱保持してCuを完全に固溶させた後水冷し(溶体化処理)、その後、300〜650℃の温度域で20分間保持して時効処理を施した。一部の供試材には、溶体化処理過程において、800℃に10分間加熱保持後、10%の引張り歪を予歪として付与した後水冷し、その後300〜500℃の温度域に20分間保持することにより、時効処理を施した。時効処理後、常温で、これらの板材について実施例1の場合と同様に、XAFS測定装置および蛍光X線(Kα線)検出用のライトル検出器を用いて、蛍光法により常温でCuのK吸収端近傍の蛍光X線スペクトルを測定した。時効処理後の常温での硬さはヴィッカース硬度計で測定した。時効処理条件、硬さおよび前記8.98KeVでのピーク高さ(規格化した蛍光収量)の測定結果を表1に、8.98KeVのピーク高さに対する時効処理による硬さ上昇(ΔHv)を図3に示す。
Figure 0004426887
図3から、時効処理による材質変化を示す硬さ上昇ΔHvと8.98KeVのピーク高さとの間に相関があり、8.98KeVのピーク高さ(規格化した蛍光収量)が、0.28〜0.38の範囲にあるときに、適正な硬さ上昇が得られていることがわかる。このように、XAFS法による8.98KeVのピーク高さから、時効処理の硬さ上昇、即ち材質変化を非破壊で測定することができ、時効状態の評価が可能となる。
Cuを4.0%含有させた鋼合金(Fe−0.185%C−1.5%Mn−4.0%Cu)を溶製し、熱間圧延により約1mmの板材を作製し、供試材とした。この板材を800℃で10分間加熱保持してCuを完全に固溶させた後水冷し(溶体化処理)、その後、450℃で保持時間を3種類変化(保持時間1分、20分、60分)させて、それぞれ時効処理を施した。これらの板材について、実施例1の場合と同様に、XAFS測定装置および蛍光X線(Kα線)検出用のライトル検出器を用いて、蛍光法により常温でCuのK吸収端近傍の蛍光X線スペクトルを測定した。
図4に、時効処理時の保持時間を変化させた前記供試材のXAFS測定で得られたCuのK吸収端近傍の蛍光収量スペクトルのXANES部分を示す。図5に、前記XANES部分の光子エネルギー8.98KeV付近を拡大したスペクトルを示す。図6に、規格化した蛍光収量の8.980KeVでの値を、前記時効処理条件に対してプロットした結果を示す。450℃での保持時間(時効処理時間)が長くなるほど、8.980KeVでの蛍光収量が大きくなっており、時効処理による硬さの上昇に対応していることがわかる。この硬さの上昇は、Cuの析出に対応していると推定されるため、Cu含有量が4%と上昇しても、8.980KeVでの蛍光収量の増加、即ち蛍光X線スペクトルのピーク高さから、時効処理過程でのCuクラスターの生成または結晶構造を有するCuの析出、すなわち時効状態を評価することが可能であることがわかる。
この発明は、今後増加すると予想されるCu含有鋼材の時効処理後の硬さ上昇に伴う材質向上、即ち時効状態を非破壊で評価する方法として利用することができる。さらに、Cuのほかに鋼中に微量添加されるTiやVの状態分析や局所構造解析に利用できる可能性がある。
実施形態の、1.5%Cu鉄合金のXAFS測定で得られたCuのK吸収端近傍の蛍光X線スペクトルのXANES部分を示す説明図である。 図1のXANES部分の光子エネルギー8.98KeV付近を拡大した蛍光X線スペクトルを示す説明図である。 上記光子エネルギー8.98KeVのピーク高さと時効処理後の硬さ上昇ΔHvとの関係を示す説明図である。 実施形態の、4%Cu含有鋼のXAFS測定で得られたCuのK吸収端近傍の蛍光X線スペクトルのXANES部分を示す説明図である。 図4のXANES部分の光子エネルギー8.98KeV付近を拡大した蛍光X線スペクトルを示す説明図である。 図4および図5の光子エネルギー8.980KeVでのピーク高さ(規格化した蛍光収量)の時効処理条件に対する変化を示す説明図である。

Claims (3)

  1. Cuを1〜5質量%含有する鋼材の時効状態評価方法であって、鋼材中の時効に関与する析出物を構成するCuの、XAFS法により測定した蛍光X線スペクトルK吸収端近傍の8.98KeVのピーク高さを用いて、鋼材の時効状態を非破壊で評価することを特徴とする鋼材の時効状態評価方法。
  2. 前記XAFS法による測定が常温で行なわれ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲に収まるときに、適正に時効処理がなされたと判定することを特徴とする請求項1に記載の時効状態評価方法。
  3. Cuを1〜5質量%含有する鋼材の時効処理方法であって、予め前記鋼材の時効処理後の硬さと、前記鋼材中の時効に関与する析出物を構成するCuの、常温でXAFS法により測定した蛍光X線スペクトルK吸収端近傍の8.98KeVのピーク高さの値とを対応づけ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して0.28〜0.38の範囲に収まるように時効処理することを特徴とする鋼材の時効処理方法。
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