JP5859384B2 - 大型高強度鍛鋼品 - Google Patents
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Description
C:0.31質量%以上0.5質量%以下、
Si:0.02質量%以上0.2質量%以下、
Mn:0.1質量%以上0.6質量%以下、
Ni:2.6質量%以上3.4質量%以下、
Cr:0.8質量%以上1.9質量%以下、
Mo:0.25質量%以上0.8質量%以下、
V:0.05質量%以上0.2質量%以下、及び
Al:0.005質量%以上0.1質量%以下
を基本成分、残部をFe及び不可避的不純物とし、この不可避的不純物としてのSの含有量が0.008質量%以下である組成を有し、
マルテンサイト組織又はマルテンサイトとベイナイトとの混合組織からなり、
旧オーステナイト結晶粒径が19μm以上70μm以下であり、
マルテンサイトの最大ブロック径が15μm以下、最小ブロック径が0.5μm以上である大型高強度鍛鋼品である。
当該大型高強度鍛鋼品は、C:0.31質量%以上0.5質量%以下、Si:0.02質量%以上0.2質量%以下、Mn:0.1質量%以上0.6質量%以下、Ni:2.6質量%以上3.4質量%以下、Cr:0.8質量%以上1.9質量%以下、Mo:0.25質量%以上0.8質量%以下、V:0.05質量%以上0.2質量%以下、及びAl:0.005質量%以上0.1質量%以下の基本成分と、Fe及び不可避的不純物の残部とから構成される。各成分の限定理由は、以下のとおりである。
炭素(C)の含有量の下限としては、0.31質量%とされ、0.33質量%が好ましい。一方、炭素(C)の含有量の上限としては、0.5質量%とされ、0.4質量%が好ましい。炭素(C)は、焼入性を高めると共に強度向上に寄与する。炭素含有量が上記下限未満の場合は、十分な焼入性と強度を得ることが困難になる。逆に、炭素含有量が上記上限を超えると、靭性が極端に低下すると共に大型鋳塊では逆V偏析を助長することとなる。
ケイ素(Si)の含有量の下限としては、0.02質量%とされ、0.06質量%が好ましい。一方、ケイ素(Si)の含有量の上限としては、0.2質量%とされ、0.16質量%が好ましい。ケイ素(Si)は、脱酸及び強度向上に寄与する。ケイ素含有量が上記下限未満の場合は、この効果を十分に発揮させることができない。逆に、ケイ素含有量が上記上限を超えると、逆V遍析が著しくなり、清浄な鋼塊が得られがたくなる。
マンガン(Mn)の含有量の下限としては、0.1質量%とされ、0.3質量%が好ましい。一方、マンガン(Mn)の含有量の上限としては、0.6質量%とされ、0.45質量%が好ましい。マンガン(Mn)は、焼入性及び強度を向上させる。マンガン含有量が上記下限未満の場合は、上記効果を発揮しがたい。逆に、マンガン含有量が上記上限を超えると、焼き戻し脆化を助長することとなる。
ニッケル(Ni)の含有量の下限としては、2.6質量%とされ、2.8質量%が好ましい。一方、ニッケル(Ni)の含有量の上限としては、3.4質量%とされる。ニッケル(Ni)は、焼入性、強度及び靭性を向上させる。ニッケル含有量が上記下限未満の場合は、上記効果を十分に発揮することができない。逆に、ニッケル含有量が上記範囲を超えると適度なサイズの旧オーステナイト結晶粒が得られにくくなる。また、上記上限未満とすることで、高価なNiの使用量を抑え、生産コストを抑えることができる。
クロム(Cr)の含有量の下限としては、0.8質量%とされ、1.4質量%が好ましい。一方、クロム(Cr)の含有量の上限としては、1.9質量%とされ、1.65質量%が好ましい。クロム(Cr)は、焼入性及び靭性を向上させる。クロム含有量が上記下限未満の場合は、上記効果を十分に発揮することができない。逆に、クロム含有量が上記上限を超えると、逆V偏析を助長することとなる。
モリブデン(Mo)の含有量の下限としては、0.25質量%とされ、0.4質量%が好ましい。一方、モリブデン(Mo)の含有量の上限としては、0.8質量%とされ、0.6質量%が好ましい。モリブデン(Mo)は、焼入性、強度及び靭性を向上させる。モリブデン含有量が上記下限未満の場合、上記効果を十分に発揮することができないことに加え、逆V遍析を助長する。逆に、モリブデン含有量が上記上限を超えると、鋼塊中のミクロ遍析を助長するとともに、重量遍析が生じやすくなる。
バナジウム(V)の含有量の下限としては、0.05質量%とされ、0.07質量%が好ましい。一方、バナジウム(V)の含有量の上限としては、0.2質量%とされ、0.13質量%が好ましい。バナジウム(V)は、少量の添加で焼入性及び強度を著しく向上させるが、平衡分配係数が小さいのでミクロ遍析を生じやすい。バナジウム含有量が上記下限未満の場合、十分な強度を確保することができない。逆に、バナジウム含有量が上記上限を超えると、ミクロ遍析の発生を助長する。
アルミニウム(Al)の含有量の下限としては、0.005質量%とされ、0.008質量%が好ましい。一方、アルミニウム(Al)の含有量の上限としては、0.1質量%とされ、0.03質量%が好ましい。アルミニウム(Al)は、脱酸元素として用いられる。また、アルミニウムはAlN等の微細な化合物を生成させ、このAlNが、結晶粒の成長を止め、結晶を細粒化させることができる。アルミニウム含有量が上記下限未満の場合は、この効果を十分に発揮させることができない。逆に、アルミニウム含有量が上記上限を超えると、アルミニウムは、酸素などの他の元素とも結合するため、酸化物や金属間化合物を生成し、靭性や疲労強度を低下させる場合がある。
硫黄(S)の含有量としては、0.008質量%以下とされ、0.003質量%以下が好ましい。硫黄(S)は、当該鍛鋼品中でMnSを形成するため、含有量が上記上限を超えると疲労強度の低下を招く。但し、工業的にこの含有量が0質量%となることはない。
酸素(O)の含有量としては、0.0025質量%以下が好ましく、0.002質量%以下がより好ましい。酸素(O)は、種々の元素と結合し、非金属介在物となって疲労強度を低下させる。従って、酸素含有量は上記上限以下とすることが好ましい。但し、工業的にこの含有量が0質量%となることはない。
リン(P)の含有量の上限としては、0.02質量%以下が好ましく、0.01質量%以下がより好ましい。リン(P)の含有量が上記上限を超えると熱間延性が低下し、鍛造時の割れ等が生じやすくなる。
銅(Cu)の含有量の上限としては、0.1質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。銅(Cu)の含有量が上記上限を超えると熱間加工時に割れ等が生じやすくなる。
スズ(Sn)の含有量の上限としては、0.03質量%以下が好ましく、0.01質量%以下がより好ましい。スズ(Sn)の含有量が上記上限を超えると靱性が低下する場合がある。
窒素(N)の含有量の上限としては、0.02質量%以下が好ましく、0.01質量%以下がより好ましい。窒素(N)の含有量が上記上限を超えると熱間延性が低下し、鍛造時の割れ等が生じやすくなる。
次に、当該大型高強度鍛鋼品の組織について説明する。
0≦x≦0.1のとき;fm(x)=100、
0.1<x≦0.15のとき;104−40x≦fm(x)≦100、
0.15<x≦0.2のとき;122−160x≦fm(x)≦100、
0.2<x≦0.3のとき;230−700x≦fm(x)≦100、
0.3<x≦0.35のとき;110−300x≦fm(x)≦112−40x、
0.35<x≦0.5のとき;(22−20x)/3≦fm(x)≦105−20x、
0.5<x≦0.8のとき;(32−40x)/3≦fm(x)≦95、及び
0.8<x≦1のとき;0≦fm(x)≦95
であることが好ましい(図1における範囲(a))。なお、残組織はベイナイト組織である。このマルテンサイト組織分率は、実施例に記載の方法、すなわち硬度の測定結果から混合則を用いて測定することができる。
0≦x≦0.1のとき;fm(x)=100、
0.1<x≦0.15のとき;104−40x≦fm(x)≦100、
0.15<x≦0.2のとき;122−160x≦fm(x)≦100、
0.2<x≦0.3のとき;150−300x≦fm(x)≦100、
0.3<x≦0.35のとき;105−150x≦fm(x)≦112−40x、
0.35<x≦0.5のとき;105−150x≦fm(x)≦105−20x、
0.5<x≦0.8のとき;80−100x≦fm(x)≦170−150x、及び
0.8<x≦1のとき;0≦fm(x)≦130−100x
であることが好ましい(図1における範囲(b))。
当該大型高強度鍛鋼品は、上記組成及び組織を有することで強度及び靭性が共に優れ、かつ高い疲労強度を有する。この強度(引張強度)としては、1,050MPa以上であることが好ましく、1,080MPa以上がさらに好ましい。なお、引張強度は、JIS−Z2241(1998)に基づいて測定される値をいう。
当該大型高強度鍛鋼品の製造方法としては特に限定されず、上記組成に調製した鋼を鍛造及び熱処理して得ることができる。以下に、当該大型高強度鍛鋼品が直径150mm以上の一体型クランク軸である場合とした製造方法の一例を説明する。
実施例で行った各測定は以下の方法でそれぞれ行った。
ASTM(E112−96)に基づき、以下の手順により、比較法にて粒度番号を判定した後、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒径(公称粒径)を求めた。
(1)光学顕微鏡による倍率100倍の写真と標準図と比較して、相当する粒度番号Nを判定する。
(2)粒度番号Nは、顕微鏡の100倍で観察した25mm平方(625mm2:顕微鏡視野)中の結晶粒の数nに基づいて決められており、下記式(1)が成り立つ。
マルテンサイトの下部組織で、ほぼ同一方位のラス集団は、ブロック(マルテンサイトブロック)と呼ばれている。ブロック間の方位差は、15°以上(大角粒界)である。そこで、FESEM−EBSP法により得られる結晶方位マップから、以下の方法によりマルテンサイトブロック径(μm)を求めた。
(1)120μm×120μmの視野を0.3μmステップでEBSP測定を行い、結晶方位図を求める。
(2)結晶方位図から、隣接する結晶との方位差が15°以上で囲まれる領域を識別し、その面積をそれぞれ求める。
(3)上記各面積の平方根をとり(√(面積))、ブロック径を求める。
なお、マルテンサイトブロック径については、10箇所(10視野)測定し、各視野におけるブロックの最大径及び最小径を求め、それぞれの平均径(最大径の平均及び最小径の平均)を求めた。
JIS−Z2241(1998)に基づいて測定した。試験片形状はJIS−Z2201(1998)記載の14号試験片でφ6×G.L.30mmとした。
JIS−Z2242(2005)に基づいて測定した。試験片形状はJIS−Z2242(2005)記載の2mmVノッチを採用した。試験は各3本実施し、吸収エネルギーはその平均値とした。
以下に示す試験方法にて回転曲げ疲労試験を行い、疲労強度を評価した。
試験片:φ10mm×G.L.30mm平滑試験片(5本)
試験方法:回転曲げ(応力比=−1、回転数=3,000〜3,600rpm)
評価方法:階差法(階差応力20MPa)
疲労強度〔FS〕=破断応力(MPa)−階差応力(MPa)
耐久限度比=疲労強度〔FS〕/引張強度〔TS〕
表1に示した成分の鋼種a〜qを溶製した。なお、表1中「−」は検出限界値以下であることを示す。鋼種aは、電気炉で溶解及び取鍋精錬を行い、70ton鋼塊を鋳造した。また、鋼種b〜qは、それぞれ高周波炉を用いて溶製し、40kg鋼塊を鋳造した。
図2に示されるように、マルテンサイトの最大ブロック径が15μm以下の場合、良好な靭性(シャルピー吸収エネルギー)が得られることがわかる。また、図3に示されるように、本発明の大型鍛鋼品用高強度鋼は、従来鋼よりも高強度(1,050MPa以上の強度)でも、良好な靭性(衝撃特性)を有していることがわかる。一般的に、材料は強度が高まると靭性は低下するが、化学成分および金属組織を最適化することにより、強度と靭性とのバランスに優れた(例えば強度1,050MPa以上の)大型高強度鍛鋼品を提供できる。
焼入れによる鋼材内部の変態応力について、汎用プログラムFORGE2009を用いて伝熱・熱応力解析を実施した。具体的条件としては以下のとおりである。丸棒形状を想定し、2次元軸対称モデルを用いてモデル化を行い、軸方向は単位長さのみモデル化し上下面断熱とした。初期温度を870℃均一として常温付近まで冷却を行う伝熱・熱応力解析を行った。また、解析に用いた各材料物性値について図10〜図12に示す。解析は、下記解析条件A及びBにおいて行った。
図13(a)の点線で示すような、表面から中心部までの距離に対する深さの比が0〜0.35まではマルテンサイト組織100%、中心部はマルテンサイト組織95%及びベイナイト組織5%である丸棒鋼材内部の組織分率
(解析条件B)
図13(a)の実線で示すような、表面から中心部までの距離に対する深さの比が0〜0.1まではマルテンサイト組織100%、中心部はベイナイト組織100%としたときの丸棒鋼材内部の組織分率
上記表1に示す成分組成を有する鋼種aを電気炉で溶解及び取鍋精錬を行い、70ton鋼塊を鋳造した。鋼種A(70ton)鋼塊は、自由鍛造プレスにより、熱間鍛造を施して直径500mm(半径250mm)の丸棒鍛造材にした後、大気中で放冷した。この丸棒鍛造材は、RR鍛造前の加熱を模擬して、1,280℃で3時間の加熱処理を行った。焼入れ・焼戻し処理の前に、時効処理(650℃の温度で20時間保持)し、室温まで冷却した。焼入れ条件については、40℃/時間の昇温速度で加熱し、870℃で8時間保持後に、ポリマー焼入れを実施した。その後、焼戻し処理として、580℃にて15時間保持した後、350℃まで炉冷、その後は室温まで空冷し、参考実施例1の大型高強度鍛鋼品を得た。
JIS−Z2243(2008)に基づいて測定した。
組織分率は、硬度(ブリネル硬度:HB)測定の結果から、混合則により下記式を用いて算出した。なお、マルテンサイト組織以外をベイナイト組織として、ベイナイト組織分率(%)も併せて算出した。
HB=HBM×fm(x)/100+HBB×(1−fm(x)/100)
fm(x):マルテンサイト組織分率(%)
HBM:マルテンサイトのブリネル硬度
(フルマルテンサイトの部分の硬度実測値:368)
HBB:ベイナイトのブリネル硬度
(フルベイナイトの部分の硬度実測値:352)
Claims (1)
- C:0.31質量%以上0.5質量%以下、
Si:0.02質量%以上0.2質量%以下、
Mn:0.1質量%以上0.6質量%以下、
Ni:2.6質量%以上3.4質量%以下、
Cr:0.8質量%以上1.9質量%以下、
Mo:0.25質量%以上0.8質量%以下、
V:0.05質量%以上0.2質量%以下、及び
Al:0.005質量%以上0.1質量%以下
を基本成分、残部をFe及び不可避的不純物とし、この不可避的不純物としてのSの含有量が0.008質量%以下である組成を有し、
マルテンサイト組織又はマルテンサイトとベイナイトとの混合組織からなり、
旧オーステナイト結晶粒径が19μm以上70μm以下、
マルテンサイトの最大ブロック径が15μm以下、最小ブロック径が0.5μm以上である大型高強度鍛鋼品。
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