JP5229823B2 - 高強度高靭性鋳鋼材およびその製造方法 - Google Patents
高強度高靭性鋳鋼材およびその製造方法Info
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Description
特許文献1に示される鋼は、プラスチック成形金型用プレハードン鋼であり、所定成分の鋼を熱間加工した後、時効硬化熱処理を行っている。特許文献2に示される鋼材では、鍛造や圧延などの塑性加工を付与して高強度高靭性化を行ったり、焼入れ、焼準し等の熱処理において、水冷あるいは油冷などの冷却効果の高い方法で冷却することで高強度高靭性化を図っている。特許文献3に示される鋼材では、機械的特性を確保するためにオーステナイト化処理時の平均冷却速度を250℃/min程度としており、これは板厚300mm程度の大型鋳鋼品に関しては水冷に匹敵する冷却速度である。また、特許文献4では、所定の成分の鋳片を鋳片の凝固温度から1000℃までの間を0.5℃/秒以上の冷却速度で冷却する製造方法が開示されている。
本発明の鋼材では、組成成分として、さらに質量%で、N:20〜150ppmを含有することができる。
また、前記不可避不純物中で、Al:0.01%未満、Ti:0.01%未満、Sn:0.025%以下、P:0.015%未満、S:0.015%未満に規制するのが望ましい。
C:0.10〜0.20%
Cは強度および焼入れ性を向上させる元素であるが、過剰に添加すると所定の靭性を得ることが難しくなり、また溶接割れ感受性が高くなる。これらを考慮してC含有量を0.10〜0.20%とする。同様の理由で、望ましい下限は0.12%、望ましい上限は0.16%である。
Siは脱酸剤として使用され、焼入れ性を向上させる元素であるが、過剰に添加すると偏析が大きくなり、また非金属介在物が過剰に生成し靭性を低下させるため、含有量を0.10〜0.50%とする。同様の理由で、望ましい下限は0.20、望ましい上限は0.40%であり、更に望ましい上限は.0.30%である。
Mnは強度および焼入れ性を向上させる元素であるが、0.40%未満の含有では所定の強度が得られず、一方で1.20%を越えた含有では強度が高くなりすぎて所定の延靭性が得られなくなり、焼戻脆化が生じる可能性もある。そのため、Mn含有量を0.40〜1.20%とする。同様の理由で、望ましい下限は0.50%、望ましい上限は1.00%である。
Niは強度および焼入れ性向上と共に、低温靭性を向上させる効果がある元素である。一方で、過剰添加により逆に強度と靭性を低下させる作用がある他、溶接割れの発生が懸念される。また、高価な元素であるため添加量を抑えることが望ましい。以上を考慮して、Ni含有量を2.00〜3.00%とする。同様の理由で、望ましい下限は2.20%、望ましい上限は2.60%である。
Crは強度および焼入れ性を向上させる元素である。炭化物生成により強度を向上させるため、含有量が少なすぎると所定の強度が得られなくなる。一方で過剰添加により溶接性の低下を引き起こす。そのため、Cr含有量を0.20〜0.70%とする。同様の理由で、望ましい下限は0.40%、望ましい上限は0.65%である。
Moは焼入れ性向上と焼戻し脆化を低減させる元素である。一方で過剰添加により溶接性の低下を引き起こす。そのため、Mo含有量を0.10〜0.50%とする。同様の理由で、望ましい下限は0.15%、望ましい上限は0.25%である。
Vは析出硬化によって強度を向上させる元素であるので、所望により含有させる。一方で、溶接性を阻害する元素であると共に過剰添加によって靭性を大きく低下させる。そのため、Vを含有する場合、0.05%以下とする。なお、析出硬化による効果を十分に得るためには0.02%以上の含有が好ましい。
Alは脱酸材として添加される元素であり、脱酸および熱処理時にAINを形成しオーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。しかし、鋳鋼においてはAl2O3による砂疵やロックキャンディなどによる欠陥発生などが問題になるため、できる限り残存量を少なくすることが望ましい。そのため、0.01%未満が適当である。
Ti:0.01%未満
TiはTiNの析出により強度を向上させる元素である。一方で、TiNの過剰析出により靭性低下を引き起こす。大気鋳込みで製造する大型鋳鋼品ではある程度のN含有が不可避であるため、高靭性を確保するためにはできる限りTi量を少なくすることが望ましく、0.01%未満がより望ましい。
Sn:0.025%以下
Snは0.03%以上の添加により靱性を大きく低下させる元素である。高靭性を確保するためには0.025%以下にすることが望ましく、0.01%未満がより望ましい。P:0.015%未満
S:0.015%未満
P、Sは不可避的に含まれる不純物成分であるが、Pは結晶粒界を脆化させ、SはMnなどと結合して介在物を形成し、双方共に機械的性質を低下させる作用がある。機械的性質確保のためにはできる限り残存量を少なくすることが望ましく、0.015%未満が適切である。
Nは不可避的に含まれる成分であるが、Vなどとの窒化物を形成することで結晶粒の微細化、降伏強度の増加の効果がある。しかし、TiNの過剰析出により靭性低下を引き起こす恐れがある。機械的性質確保のためには20〜150ppmの残存量が望ましく、下限50ppm、上限120ppmがより望ましい。
焼鈍:1000〜1100℃
焼鈍は、鋳造時の鋳型内で発生した応力の除去および凝固時に発生する成分の均質化を目的に行われるもので、少なくとも1000℃以上に加熱する。しかし1100℃を超えて加熱すると過剰に結晶粒が粗大化し靭性が低下するため、1000〜1100℃の温度範囲に限定する。
焼入れ:850〜950℃
焼入れおよび焼戻しは、機械的性質を確保するために行う。焼入れではオーステナイト単相状態にするために850℃以上にする必要があるが、950℃を超えると結晶粒の粗大化が始まり過度に靭性が低下するため850〜950℃の温度範囲に限定する。
焼戻し:610℃〜670℃と応力除去焼鈍:610℃未満の熱処理
焼戻しでは、過度に高くすると引張強さが低下することと逆変態によりオーステナイト相が析出すると靭性が低下するため670℃以下で行う必要がある。また、過剰に低い温度で行うと強度/靭性バランスが悪くなり靭性が低下するため610℃以上で行うことが望ましい。よって焼戻しは610〜670℃の温度範囲に限定する。
なお、上記した焼鈍、焼入れ、焼戻しでの加熱保持時間は製品の肉厚によって定められるものであるが、十分な効果を出すためには10時間以上の保持が望ましい。
応力除去焼鈍は、構造溶接や補修溶接時に発生する応力を除去する目的で行われるものであり、所望により追加される。応力除去効果を十分に発揮させるためにはできるだけ高い温度で行うことが必要であるが、焼戻し温度と同等の温度で行うと機械的性質に影響があるため610℃未満で行うことが望ましい。また保持時間も溶接量によって定められるものであるが、十分な効果を出すためには4時間以上の保持が望ましい。
質量%で、C:0.10〜0.20%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.40〜1.20%、Ni:2.00〜3.00%、Cr:0.20〜0.70%、Mo:0.10〜0.50%、を含み、さらに、所望によりV:0.05%以下、N:20〜150ppmの一方または両方を含み、その他をFeおよび不可避的不純物で構成される組成を有する鋼を用意する。該鋼では、前記不可避不純物中で、Al:0.01%未満、Ti:0.01%未満、Sn:0.025%以下、P:0.015%未満、S:0.015%未満に規制するのが望ましい。
上記鋳鋼材には、焼鈍として、1000〜1100℃で熱処理を行い、次いで焼入れとして850〜950℃で熱処理を行い、さらに焼戻しとして610℃〜670℃での熱処理を行い、その後さらに所望により610℃未満の応力除去焼鈍を行う。なお、上記熱処理の冷却では、液体浸せきによる冷却よりも遅い空冷、ファン冷却等の冷却速度で冷却を行う。
上記製法により得られる鋳鋼材は、高い強度ならびに高い靭性を有している。
表1に示す成分を真空誘導溶解炉(以下VIM)にて溶解し、長さ240mm×高さ250mm×幅90mmの砂型に鋳込んで鋳塊を得た。この鋳塊を長さ80mm×高さ120mm×幅30mmに切断し、切断後の鋳塊を1050℃で20時間保持後、50℃/時間で冷却して焼鈍を行い、その後890℃で20時間保持後、300℃/時間で冷却して焼入れを行った。焼入れ時の冷却速度は、大型鋳鋼品の表面から125mm深さの箇所の、ファン冷却での冷却速度を模擬したものである。
また、表1に示した成分の前記大型鋳鋼品と同じチャージで製造した試験材から、引張試験片とシャルピー衝撃試験片を作製し、試験に供した。
前記引張試験片を用いて引張試験を行い、引張強度、0.2%耐力、伸び、絞りを確認した。試験は室温で実施した。
また、前記シャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを確認した。試験は0℃で実施した。
また、表2の結果から、強度には大きな違いは認めらないが、前記試験材の吸収エネルギーは前記鋳塊と比較して20J程度低下することが確認された。そのため、小型試験材での目標値は、引張強度620MPa以上、吸収エネルギー95J以上とした。
また、応力除去焼鈍温度は600℃であるため、焼戻し温度を610℃以上と規定した。
V量を変化させた比較材の成分を表3に示す。表3に示す成分をVIMにて溶解し、長さ240mm×高さ250mm×幅90mmの砂型に鋳込んで鋳塊を得た。この鋳塊を長さ80mm×高さ120mm×幅30mmに切断し、切断後の鋳塊を1020℃で20時間保持後、50℃/時間の冷却速度で冷却する焼鈍を行い、その後910℃で20時間保持後、300℃/時間の冷却速度で冷却する焼入れを行った。さらに、640℃で20時間保持後、50℃/時間の冷却速度で冷却する焼戻しを行い、その後、600℃で6時間保持後に75℃/時間の冷却速度で冷却する応力除去焼鈍を行った。
以上の結果から、Niの添加量を2.00〜3.00%、Mnの添加量を0.40〜1.20%とした。
発明鋼3を、各種冷却速度で焼入れした試験鋳塊による引張試験およびシャルピー衝撃試験結果を表7に示す。
発明鋼は焼入れ時の冷却速度が速いほど強度、靭性共に向上する傾向があることが確認された。
炉冷では十分な強度と靭性を確保できないが、ファン冷却および噴霧冷却を行えば十分な強度と靭性を保持することができることが確認された。
なお、靭性向上のためには焼戻し温度の上昇が有効であるが、発明鋼1〜3は共析温度が約690℃であるため、実機操業においての温度誤差を加味すると670℃が焼戻し温度の上限である。試験結果を含めて考えると、焼戻し温度は610〜670℃が適切である。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.10〜0.20%、Si:0.20〜0.50%、Mn:0.40〜1.20%、Ni:2.00〜3.00%、Cr:0.20〜0.70%、Mo:0.10〜0.50%、V:0.05%以下、を含み、その他をFeおよび不可避的不純物で構成される組成を有することを特徴とする高強度高靱性鋳鋼材。
- 製品質量が1ton以上であることを特徴とする請求項1記載の高強度高靱性鋳鋼材。
- 組成成分として、さらに質量%で、N:20〜150ppmを含有することを特徴とする請求項1または2に記載の高強度高靱性鋳鋼材。
- 前記不可避不純物中で、Al:0.01%未満、Ti:0.01%未満、Sn:0.025%以下、P:0.015%未満、S:0.015%未満に規制されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高強度高靭性鋳鋼材。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の組成を有し、焼鈍として、1000〜1100℃で熱処理を行い、次いで焼入れとして850〜950℃で加熱する熱処理を行い、さらに焼戻しとして610℃〜670℃での熱処理、または焼戻しとして610℃〜670℃の熱処理とその後の応力除去焼鈍としての610℃未満の熱処理とを行い、焼入れをはじめとしたオーステナイト化処理時には空冷以上の冷却速度で冷却を行うことを特徴とする高強度高靭性鋳鋼材の製造方法。
- 焼入れをはじめとしたオーステナイト化処理時に、液体浸せきによる冷却よりも遅い冷却速度で冷却を行うことを特徴とする請求項5記載の高強度高靭性鋳鋼材の製造方法。
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