JP5001460B2 - 大型部材用の高性能鋼 - Google Patents

Description

本発明は、特に、プラスチック材料用の成形型の部材、ダイなどの工具部材、または耐アブレーション摩耗部材などの摩耗部材のような大型部材の製造用の高強度鋼に関する。

多くの用途で、高い応力または非常に高い摩耗荷重に曝される機械部材は、３００から５００ＨＢの硬さに相当する高い機械的強度を有し、しかも十分に高靭性で、被削性が良く、溶接性の良い鋼から製造されなくてはならない。これらの部材は、一般的に、厚い板材またはブロック材を切断および機械加工して得られる。概ね平行六面体形状を有するブロック材は、インゴットの鍛造により得られる。板材は、インゴットまたはスラブの圧延により得られる。

このような概ね平行六面体形状の物品では、厚さが最小の寸法である。ここで対象とするブロック材または板材は、厚さが１０ｍｍを超え、１メートルにもなりうる。

上述の鋼からなるこの種のブロック材または板材に、偏析により硬質部分の存在が観察されることが多い。この偏析は、ブロック材が作られる元のインゴットの凝固時の諸現象から生じる化学組成の局所的変動に相当する。このような硬質部分には欠点がいくつかある。それらは、均質な機械加工または研磨を困難にする作用があり、形状の精度および表面の質が重要な部材の製造に問題を呈することがある。このような硬さの変動は、特に部材全体の靭性にとって有害であるが、部材の溶接性や溶断適正に対しても有害な亀裂の発生の優先的な部位になりうる脆い領域をつくる作用もある。

対象とする部材の断面が大きいほど、これらの偏析問題は顕著になる。これは、特に数デシメートルもの大きさの、さらには１メートルを超える大きさの断面を持つ部材にあてはまるが、特にそのような部材を製造するために十分な焼入れ性を得るために多量の合金元素を添加する必要があるためである。

このような偏析部分の大きさを減らすため、電炉スラグ再溶解（ＥＳＲ）または真空再溶解タイプのインゴット製造法が利用されることがある。これらの方法は、非常に均質で満足できる実用特性をもつ大型部材を得るのに特に有効である。しかし、それらには、非常にコストがかかるという欠点がある。したがって、これらの方法は、基本的に、用途を考慮して非常に高い製造コストを正当化できる非常に高性能の部材に使用される。

偏析の影響を低減させるため、均質化熱処理の利用も提案された。このような熱処理の目的は、最も含量の高い領域から最も含量の低い領域へ化学元素を拡散させることにより、化学組成の局所的変動を減少させることである。これらは、非常に時間がかかり、したがって非常に高コストであるという欠点を有する。

本発明の目的は、偏析による硬さの変動を比較的低くしながら、非常に体積の大きい部材の中心においてさえ、４００ＨＢ、さらには４５０ＨＢもの高い機械的特性を得るための鋼を提供することにより、これらの欠点を克服することである。

したがって、本発明は、化学組成が重量で、
０．０３％≦Ｃ＜０．２％
Ｓｉ≦０．４９％
３％＜Ｍｎ≦４％
Ｎｉ≦０．９％
１％≦Ｃｒ≦５％
Ｍｏ＋Ｗ／２≦１％
Ｃｕ≦０．９％
Ｓ＋Ｓｅ／２＋Ｔｅ／３＜０．０２０％
Ａｌ≦０．１％
であり、残部が鉄および製造から生じる不純物である高強度鋼に関する。

前記化学組成が、以下の条件の１つ以上を満たすことが好ましい：
Ｃｒ＞２．５％
Ｃｒ＜３．５％
Ｎｉ＜０．５％
Ｃｕ＜０．４％
Ｍｏ＋Ｗ／２≦０．３％。

特に、好ましい実施形態において、前記化学組成は、
２．７％≦Ｃｒ≦３％
Ｍｏ≦０．３％
である。

本発明はまた、厚さが２０ｍｍを超え、ベイナイト、マルテンサイト−ベイナイト、またはマルテンサイト組織を有し、偏析領域から生じる、より硬質な領域と硬質でない領域の間の硬さの差が、ブロック材の平均硬さのおよそ２０％より低い、本発明による鋼製のブロック材または板材にも関する。

本発明は、更に、鍛造や圧延による熱間塑性変形による成形の後、空冷で焼入れするか、または、オーステナイト化を行なってから空冷で焼入れする、本発明による鋼製のブロック材または板材の製造方法に関する。

本発明は、厚さが２０ｍｍを超える板材またはブロック材の製造に特に好適である。この厚さは、１００ｍｍを超えることがあり、さらには１５０ｍｍを超え、さらには３００ｍｍを超え、さらには５００ｍｍを超えることがある。厚さは１メートルにもなることがある。

添付図面は、０．１５％のケイ素、３．３％のマンガン、３％のクロム、０．２５％のモリブデンの基本組成を有し、９００℃での焼きならし後に空冷されたブロック材について、５５０℃で焼き戻し（ライン１）または５００℃未満で焼き戻した（ライン２）後の、本発明による高性能鋼の所望の硬さの関数としての所望の炭素含有量を示すグラフである。

本発明を、１つの添付図面と関連して、より詳細だが非限定的に説明し、実施例により具体的に示す。

２０ｍｍを超え、あるいは５００ｍｍもの厚さになり、さらには１メートルを超すような非常に厚い部材を製造するためには、平均硬さが中心と表面とで極めて均質となるように非常に強い焼入れ液中で焼入れを実施することを必要とせずに、均質な組織を得るのに十分な焼入れ性を持つ鋼を使用することが必要である。焼入れ液が強いほど、ブロック材内の冷却速度の変動が大きく、したがって不均質な組織を得る危険性が高まる。しかし、焼入れ性が十分であれば、空冷、特に放冷により、表面と中心との間の冷却の差を比較的小さくなり、したがって非常に均質な満足できる組織が得られる。このような焼入れ条件は明らかに、偏析から生じる硬さの局所的変動の問題に直接的な影響を持っていない。

適切な焼入れ性を得るために、合金元素を高含量で含む化学組成を利用することが必要であると一般的に考えられる。しかし、これらの合金元素には、著しい偏析を引き起こす虞がある。

合金元素は、偏析する傾向が高いほど、偏析領域の硬さの違いに対する影響が大きいと一般的に考えられているが、発明者らは、完全に新規で意外な方法で、合金元素が偏析した領域が過剰焼入れになる程度と、個々の合金元素が偏析する傾向とには相関関係がないことを見いだした。

合金元素が偏析する傾向および偏析領域の硬さに対するそれらの影響は以下の試験により示される。その試験では、鋼を、６ヒートで、表１に示す１０^-3重量％で示される組成を持つ３トンのインゴットに鋳造した。

これらのインゴットを厚さ５０ｍｍの板材に圧延し、切り出してサンプルにし、平均硬さおよび偏析による硬さ増加の両方を測定した。板材のそれぞれから切り出したサンプルを、一方ではマルテンサイト組織を持つ冷却したままの（as-cooled）状態で、他方では焼戻しマルテンサイト組織を有する５００℃で焼き戻された状態で検査した。

各サンプルの偏析領域で、以下を同時に測定した。
○ マイクロプローブ測定による、種々の合金元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ）のそれぞれの偏析の平均的な程度。各元素に固有な偏析の傾向を、偏析領域の平均組成（Ｃｖ）と鋳造中の組成（Ｃ０）との差の、後者の値に対する比率（％）（すなわち、（Ｃｖ−Ｃ０）／Ｃｏ）により評価した。
○ 荷重３００ｇでの従来のビッカースタイプ試験による、偏析領域の平均硬さ。偏析領域への過剰焼入れは、偏析領域の平均硬さと、その領域を取り巻くマトリクスの平均硬さとの差に相当する。その後、鋳造物の各対の間でこれらの測定値を比較すると、各合金元素の偏析に特異的に帰せられる偏析領域の過剰焼入れへの寄与を導き出すことができる。

ある元素に帰せられる偏析領域の過剰焼入れの割合は、その元素の偏析の結果であり、言い換えると、定義により、その元素の公称含有量にその偏析の程度をかけた積である。したがって、それぞれの場合で過剰焼入れへの寄与を公称含有量の同じ基準レベル（任意に０．２％を選択した）に関連づけることにより、元素はこの点でその有害性に関して正当に比較されるだろう。

したがって、例として、鋳造物１と３（１．５％と２．８％のＭｎ）の間に見られる３３ＨＶの平均硬さの差により、０．２％のＭｎに対し３３×（０．２％／１．３％）＝５Ｈｖの過剰焼入れを評価できる（下の表参照）。

結果を下の表２に示す。

定性的な言葉で表現して、各元素が偏析する固有の傾向および偏析領域の硬さ増加の効果を以下の表３に記す。

これらの結果を鑑みると、一般的に受け入れられている考えとは逆に、偏析をわずかにして非常に良好な焼入れ性を得るためには、多量のマンガンを含み、クロムおよびモリブデンがほとんどない組成を選択することが望ましいようである。多量のニッケルを与えることも有益であろう。しかし、ニッケルは非常に高価な元素であるので、ニッケルよりもマンガンを使用することが好ましい。

これらの結果は、高性能で偏析による硬さの変動が比較的低い非常に大型の部材を製造するための鋼を生産するには、組成が以下の条件を満たす鋼を使用するのが望ましいことを示している。
炭素：重量％で０．０３％から０．２％。この元素にはマルテンサイトの硬さに作用する主効果があり、しがたってその含有量は、部材に望まれる硬さの程度の関数として選択される。望まれる硬さの関数として炭素含有量を決めるために、硬さのスケールを、例えば、３２０から４４０ＨＢの区間を４０ＨＢ区切りの範囲で分けることができる。これらの各範囲は、耐アブレーション摩耗鋼または工具鋼に使用するための従来の各範囲におよそ相当する。

以下の炭素含有量の範囲分けも考えられる：０．０３％から０．０６％の炭素、０．０７％から０．１５％の炭素、０．１６％から０．２０％の炭素。ある範囲の硬さが、ある熱処理に対してこれらの範囲の炭素含有量のそれぞれに対応する。鋼が約５５０℃で焼き戻されたか、焼き戻されていないか、実質的に５００℃未満の温度で処理されただけかにより、同一の炭素含有量に対する硬さの程度は同じでない。一般的に、硬さの最低の範囲は最低の炭素含有量に対応し、硬さの最高の範囲は最高の炭素含有量に相当する。しかし、硬さに対応する炭素含有量の各範囲の境界は、他の合金元素の含有量の関数として、冷却速度の関数として、部材に施された熱処理の関数として、わずかに変動する。

この区分けを、炭素の他に、０．１５％のケイ素、３．３％のマンガン、３％のクロム、および０．２５％のモリブデンを含む組成の鋼の例によって示す。図１は、先の熱間圧延に続き９００℃で焼きならした後に空冷したブロック材の炭素含有量の関数としての硬さの変化を示す。一方のブロック材は４８０℃で焼戻し、他方のブロック材は５５０℃で焼き戻した。図に示されるように、４８０℃で焼き戻されたブロック材は、炭素含有量０．１％で硬さが３６０ＨＢだが、５５０℃で焼き戻された同じ鋼は硬さが３２０ＨＢしかない。同様に、鋼がおよそ０．２％の炭素を含む場合、４８０℃で焼き戻されたブロック材は硬さがおよそ４４０ＨＢだが、５６０℃で焼き戻されたブロック材は硬さが３７５ＨＢである。０．０３％の最低炭素含有量は、それより下だと、硬さ増加偏析およびその低下に付随する利益がわずかになる値に相当する。焼戻し温度が実質的に４８０℃以下であると焼戻しを加えることにより得られる硬さはわずかしか変動しないことに留意されるだろう。これらの結果は板材にも当てはまる。

ケイ素：特に製造過程で液体鋼の浴を脱酸するために使用されるこの元素は、通常０．０２５％を超え、好ましくは０．０５％を超え、さらには０．１％を超える含有量を有する。しかし、この元素の含有量は０．４９％未満、好ましくは０．３５％未満、より好ましくは０．１９％未満にとどめなくてはならず、浴の脱酸要件を考慮して可能であれば、０．１％未満にとどめなくてはならない。ケイ素は、インゴットヘッドで大規模な偏析（大偏析（major segregation）として知られる）を非常に大幅に増す傾向のある元素であり、偏析領域への供給が大きくなり、それに応じて、インゴット頭部での偏析が大きくなる。さらに、ケイ素は、鋼の熱伝導性を損なう傾向があり、これは、特にプラスチック材料のための成形型などの用途では不都合であろう。最後に、ケイ素は、可逆的焼戻しの脆性への感受性に害があり、これは特に製品の冷却速度が低い場合に考慮に入れるべきことであり、この鋼にとって対象となる用途に当てはまる。

クロム：この元素は焼入れ性に有利な影響を持ち、炭化物を形成する傾向があるため、焼戻しの際の軟化に対する耐性に好都合な影響を持ち、偏析領域に対する過剰焼入れの効果はモリブデンまたはタングステンよりもはるかに低い。クロムは、好ましくは１％を超え、より好ましくは２．５％を超える含有量で添加しなければならないが、適切な焼入れ性と満足できる耐焼戻し軟化性の両方を得ると同時に偏析領域の過剰焼入れをもたらさないために、その含有量は、５％未満、好ましくは３．５％未満、より好ましくは２．７％から３％にとどめなければならない。

モリブデンおよびタングステン：これらの２つの元素は、焼戻しによる軟化に対する耐性を高める炭化物を形成する傾向が非常に顕著であるが、偏析領域の過剰焼入れに対する影響が非常に大きいという欠点がある。したがって、タングステンは、モリブデン１％あたり２％のタングステンの比率でモリブデンと同じ効果があるので、Ｍｏ＋Ｗ／２の和は１％に、好ましくは０．５％、さらに最大０．３％に限定されるであろう。

バナジウム、ニオブ：これらの元素は、偏析領域の過剰焼入れに対して非常に望ましくない効果を有するので、鋼にバナジウムまたはニオブを意図的に添加することはないが、それらは残渣の状態で存在することがあり、バナジウム含有量は０．０１０％未満に、好ましくは０．００５％未満にとどめなければならず、ニオブ含有量は０．０５０％未満に、好ましくは０．０１０％未満にとどめなければならない。

マンガン：この元素は焼入れ性に対して非常に好都合な効果を持ち、偏析領域の過剰焼入れに対し非常に低い効果を持つ利点もある。したがって、焼入れ性を得るためにマンガンが使用されることが好ましい。したがって、焼入れ性に対するマンガンと炭素の組み合わされた効果が適切になるように、マンガン含有量は３％から４％である。

ニッケル：この元素は焼入れ性に対して好都合な効果を持ち、偏析領域の過剰焼入れに対し低い効果を持つ。しかしこの元素は非常に高価なので、その含有量は０．９％未満、好ましくは０．５％未満であり、より好ましくは単に残渣のレベルである。

銅：残渣の形態で存在することの多いこの元素の含有量は、０．９％未満、好ましくは０．４％未満、より好ましくは０．２％未満にとどめなくてはならない。この元素は、対象とする鋼の性質に特に有利な効果を持たないからである。

アルミニウム：この元素は、製造中の液体鋼浴の脱酸に好都合な影響を持ち、固体状態で、窒化アルミニウム形成によりオーステナイト粒径の制御を可能とするが、その含有量は０．１％未満である。表面崩壊の元である細長いネットワークを形成しうる硫化物が生成する可能性があり、この硫化物を球状化しようとする場合、０．０４０から０．６０％のアルミニウムを加えることが好ましい。

硫黄、セレン、テルル：硫黄は、少なくとも痕跡量レベルで常に存在する不純物であるが、被削性に好都合な効果を持つことがある。しかし、含有量が過剰である場合、靭性および恐らく鋼の研磨性に不都合な効果がある。セレンおよびテルルには、硫黄１部あたりセレン２部または硫黄１部あたりテルル３部の比率で硫黄の効果に匹敵する効果がある。したがって、特に良好な研磨性を要求される用途において、Ｓ＋Ｓｅ／２＋Ｔｅ／３の和は、痕跡量レベルまたは０．００５％を超える状態であるが、いずれにせよ必ず０．０２０％未満とする。

組成の残部は、鉄および製造上生じる不純物を含む。

ここまで説明した鋼から成る部材を製造するには、選択された組成の鋼をまず製造し、次いでこの鋼を、例えばインゴットなどの半完成製品の形態に鋳造し、それを鍛造または圧延による熱間塑性変形により成形する。

このように得られるブランクは、鋼のブロック材または板材の形態であり、圧延したままもしくは鍛造したままの状態で、または当業者により選択される想定された用途に適当な熱処理の後で使用される。

圧延したままもしくは鍛造したままの状態は、特に、鉱業または土木工事における摩耗に耐えるように意図される部材の製造などの用途に使用されるが、これらの用途では鋼のコストが非常に重要な選択の要素である。

より特殊な性質が望まれる場合、鍛造したままもしくは圧延したままの部材、板材、またはブロック材は任意に切断または予備機械加工され、一般的に約９００℃の温度ＡＣ₃よりも高い温度に加熱してオーステナイト化され、次いで空冷により特に放冷により、または望ましいわけではないがわずかに速い冷却を与える焼入れ液中で任意に冷却されて焼入れされる。このオーステナイト化に次ぐ空冷には、引張強さに対する弾性限界の比を増す利点がある。

必要な場合、焼入れ処理が、適切な温度条件下で実施された場合には、熱間塑性変形による成形の熱の中で直接に実施できることに留意されるであろう。当業者は、そのような条件を決める方法を知っている。

熱間成形状態にしろ、再オーステナイト化され徐冷されたにしろ、ブロック材または板材は、４５０℃を超えるが５５０℃未満の温度で焼戻し熱処理を受けることが有利である。この種の焼戻し処理は、硬さを大幅には変えないが、前工程の処理後のタンクまたは部材における残量応力レベルを低減する利点を有する。

内部応力のこのような低減は、材料の除去による非常に大幅な機械加工の後で得られる精密部材にとって特に有利である。この観点から、再オーステナイト化して徐冷する処理は、残留応力の少なくとも一部を緩和する点で、熱間粗成形状態（crude hot shaping state）よりも優れた利点を持つ。

最後に、焼戻し処理は、引張強さに対する弾性限界の比をわずかに高める利点を有することがある。

一つの形態においては、焼戻し処理は、１５０℃から２５０℃の温度での応力除去処理に替えることができる。

この種の応力除去処理は、明らかな硬さの変動をもたらさない。他方で、これは通常靭性の大幅な向上につながり、製品の利用を容易にすることと部材の耐用年数を延ばすことのどちらにも有用である。

この種の処理は、機械工学において遭遇するメタルオンメタル（metal on metal）摩擦（金属同士の直接接触）による摩耗、または土木工事、鉱山、もしくは採石場で遭遇するアブレーションによる摩耗に対する高い耐性を必要とする条件下で使用されるよう意図された部材にとって特に適切である。

例として、鋼１および鋼２について鋳造を実施し、比較鋼Ｃ１および比較鋼Ｃ２と比較する。

表４に示した組成を持つこれらの鋼で、厚さ１５０ｍｍの板材を熱間圧延により製造し、冷却後、９００℃への加熱により再オーステナイト化し、次いで空冷した。

平均ブリネル硬さ（Ｈ）、偏析領域の最も硬い部分と板材の最も硬さの低い部分との間の硬さの差（ｄＨ）、および硬さの差と平均密度の比（％で表すｄＨ／Ｈ）を、得られた板材で測定し、被削性をフライス加工時間（Ｔｆ）により評価し、板材の溶接性および経済性の値も評価した。

表４に示した結果は、本発明の鋼が、３４０ＨＢから４０５ＨＢの比較的高い硬さを有すると同時に、硬さの変動が、従来技術による鋼の２０％超に対し、平均硬さの１５％未満であることを示している。さらに、これらの鋼は満足できる被削性を有し、比較鋼よりも溶接に適し、経済性も良い。

Claims (9)

1. 化学組成が、重量で
   ０．０３％≦Ｃ＜０．２％
   Ｓｉ≦０．４９％
   ３％＜Ｍｎ≦４％
   Ｎｉ≦０．９％
   １％≦Ｃｒ≦５％
   Ｍｏ＋Ｗ／２≦１％
   Ｃｕ≦０．９％
   Ｓ＋Ｓｅ／２＋Ｔｅ／３＜０．０２０％
   Ａｌ≦０．１％
   であり、残部が鉄および製造起因の不純物である高強度鋼製のブロック材または板材であって、
   厚さが２０ｍｍ以上であり、前記高強度鋼がベイナイト、マルテンサイト−ベイナイト、またはマルテンサイト組織を有し、偏析領域から生じる、より硬質な領域と硬質でない領域の間の硬さの差がブリネル硬さでブロック材の平均硬さのおよそ２０％より低いことを特徴とする高強度鋼製のブロック材または板材。
2. 前記高強度鋼の化学組成において、
   Ｃｒ＞２．５％
   であることを特徴とする、請求項１に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
3. 前記高強度鋼の化学組成において、
   Ｃｒ＜３．５％
   であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
4. 前記高強度鋼の化学組成において、
   Ｎｉ＜０．５％
   であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
5. 前記高強度鋼の化学組成において、
   Ｃｕ＜０．４％
   であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
6. 前記高強度鋼の化学組成において、
   Ｍｏ＋Ｗ／２≦０．３
   であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
7. 前記高強度鋼の化学組成において、
   ２．７％≦Ｃｒ≦３％
   Ｍｏ≦０．３％
   であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材。
8. 鍛造または圧延による熱間塑性変形による成形の後、空冷により焼入れが実施されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材を製造する方法。
9. 鍛造または圧延による熱間塑性変形による成形の後、オーステナイト化が実施され、その後空冷により焼入れされることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の高強度鋼製のブロック材または板材を製造する方法。

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