JP6322973B2 - 衝撃吸収特性に優れた高強度鋼 - Google Patents
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Fave∝(σY・t2)/4
σY:有効流動応力
t:板厚
として与えられることが開示されているように、衝撃吸収エネルギーは鋼の板厚に大きく依存する。したがって、単に鋼を高強度化することだけでは、衝撃吸収部材について薄肉化と高衝撃吸収性能とを両立させることには限界がある。
(1)鋼の衝撃吸収エネルギーを高めるには、降伏強度と低ひずみ域での加工硬化係数を高めて有効流動応力を向上させることが有効である。
(3)ベイナイト主相鋼の低ひずみ域での加工硬化係数の向上には、炭素含有量を高めることが有効である。網目状組織の主相鋼がベイナイトである場合にも同様に炭素含有量を高めることが有効である。
(4)衝撃吸収材において、衝撃荷重負荷時に割れが発生すると、エネルギー吸収能が低下するばかりでなく、エンジン内の他の部分の損傷原因となる。
フェライト、マルテンサイト、ベイナイト、オーステナイト、および炭化物から構成される複相組織であって、フェライトの平均粒径が1.5〜7μmであり、占有率でフェライト粒界の50%以上がベイナイト相、マルテンサイト相、オーステナイト相の1種または2種以上で占められる網目状組織であり、フェライト粒内の炭化物の数密度が20〜50個/(μm)2であり、
ナノインデンテーション法によるナノ硬さが10GPaを超えるマルテンサイト相が、前記フェライト粒界における面積比で5%以下であることを特徴とする、引張強度が980MPa以上の鋼。
(2)更に、質量%で、V:0.05〜0.15%、Nb:0.01〜0.05%、およびTi:0.005〜0.02%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)に記載の鋼。
上記(1)または(2)のいずれかに記載された化学組成を有する素材を、800〜1100℃の温度域で加熱した後、300℃/秒以上の冷却速度で450℃以下まで急冷して室温まで冷却し、600〜700℃の温度域で1時間以上保持する初期組織生成熱処理工程;および
前記初期組織生成熱処理が施された素材を50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱し、150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。
前記熱間加工工程で得られた熱間加工鋼材に、50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱して150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。
前記熱間加工工程により得られた熱間加工鋼材に冷間加工を行い冷間加工鋼材を得る冷間加工工程;および
前記冷間加工工程により得られた冷間加工鋼材に、50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱した後、150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。
1.化学組成
(1)C:0.45%超0.77%以下
Cは鉄鋼材料の強度を向上させる基本的な元素である。Cは固溶強化によりフェライト相の高強度化に寄与する。C量の増加により、低温変態相であるベイナイト相、マルテンサイト相は著しく高強度化する。また、残留オーステナイト相を安定化させるため、均一延性の向上に寄与する。さらに、微細なセメンタイトにより結晶粒の粗大化を抑制し、局部延性を向上させる。加えて、ベイナイトを含む鋼の加工硬化係数を向上させる。しかしながら、C含有量が0.45%以下では、上記作用による効果を得ることが困難な場合がある。したがって、C含有量は0.45%超とする。一方、C含有量が0.77%を超えると、初晶の粗大なセメンタイトが生成し、局部延性を低下させる。望ましくは0.55〜0.65%である。
Mnは、焼き入れ性を向上させ、ベイナイト相の相率を増加させる。また、固溶強化により鋼を強化し、降伏強度および引張強度を向上させる作用を有する。しかしながら、Mn含有量が0.1%未満では、上記作用による効果を得ることが困難な場合がある。したがって、Mn含有量は0.1%以上とする。一方、Mn含有量が0.5%を超えて添加すると、フェライト粒界にマルテンサイト相が生成して粒界を起点とする破壊(衝撃割れ)が起こり易くなる。したがって、Mn含有量は0.5%以下とする。望ましくは0.25〜0.5%である。
Siは脱酸効果により鋼中の介在物を抑制し、衝撃割れを防止する効果がある。一方、炭化物の生成を抑制することから、結晶粒の微細化効果を低下させる。したがって、Si量は0.5%以下とする。望ましくは、0.1〜0.3%である。
Crはセメンタイトの微細化およびパーライトラスの微細化に有効であり、その後の再加熱による逆変態組織の微細化に有効である。しかしながら、0.2%未満では上記の効果を得ることは困難である。一方、1%を超えると、フェライトの生成が押される。しかがって、Cr量は0.2〜1%とする。望ましくは0.5%〜1%である。
Alは脱酸効果により鋼中の介在物を抑制し、衝撃割れを防止する効果がある。しかしながら、Al含有量が0.01%未満では上記作用による効果を得ることが困難である。一方、Al含有量が0.5%を超えると、酸化物や窒化物を粗大化させ、かえって衝撃割れを助長する。したがって、Al含有量は0.01〜0.5%とする。
Nは窒化物を生成することにより、オーステナイトやフェライトの粒成長を抑制し、衝撃割れを抑制する効果がある。しかしながら、N含有量が0.001%未満では上記作用による効果を得ることが困難である。一方、N含有量が0.015%を超えると窒化物が粗大化し、かえって衝撃割れを助長する。したがって、N含有量は0.001〜0.015%とする。
VはVCなどの炭化物を生成し、フェライト粒の成長に対するピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制して、延性を向上させる効果がある。さらにVCによる析出強化で鋼を強化し、降伏強度および引張強度を向上させる効果を有する。したがって必要に応じて添加する。
NbはNbC、NbNなどの炭・窒化物を生成し、フェライト粒の成長に対するピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制して、延性を向上させる効果がある。したがって必要に応じて添加する。
TiはTiC、TiNなどの炭・窒化物を生成し、フェライト粒の成長に対するピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制して、延性を向上させる効果がある。したがって必要に応じて添加する。
不可避不純物としてのPは、粒界を脆弱にし、熱間加工性の悪化を招く。そこで、Pの上限は0.02%以下とする。P含有量は少なければ少ないほど望ましいが、現実的な製造工程と製造コストの範囲内で脱Pすることを前提にすれば、Pの上限は0.02%である。望ましくは0.015%以下である。
不可避不純物としてのSは、粒界を脆弱にし、熱間加工性や延性の劣化を招く。そこで、Sの上限は0.005%以下とする。S含有量は少なければ少ないほど望ましいが、現実的な製造工程と製造コストの範囲内で脱Sすることを前提にすれば、Sの上限は0.005%である。望ましくは0.002%以下である。
(1)複相組織
本発明に係る鋼組織は、引張強度と延性を向上させるため、フェライト相の周りを、ベイナイト相等を有する第2相が取り囲む網目状組織とし、さらにマルテンサイト、オーステナイト、および炭化物を含む複相組織とする。マルテンサイトおよびオーステナイトは、ベイナイト変態に伴い炭素濃化した部分に生成する。したがって、一般には、ベイナイト組織に隣接する場合が多く、ベイナイトのラス、ブロック界面やフェライト粒界に存在する。
フェライト粒径が7μmを超えると延性が低下する場合がある。一方、フェライト粒径が1.5μm未満の場合には所望の複相組織が得られず、延性が低下する場合がある。したがって、フェライト粒径は1.5〜7μmとする。望ましくは、3〜5μmである。
さらに、高い降伏強度と低ひずみ域の加工硬化係数を得て有効流動応力を高めるため、第2相がフェライト粒を囲む、網目状組織とする。この時、フェライト粒界における第2相の占有率が50%未満の場合には、降伏強度が低下し、所望の衝撃吸収エネルギーが得られない。したがって、フェライト粒界における第2相の占有率は50%以上とする。第2相はベイナイト相、マルテンサイト相、オーステナイト相の1種または2種以上で構成される。鋼全体における第2相の占有率の上限値としては、局部延性低下を防ぐため、10%以下であることが好ましい。
フェライト相と第2相の硬さや塑性変形能に大差がある場合には、フェライト相/第2相の界面でボイドが発生しやすくなり、衝撃割れが発生しやすくなる。そこで、フェライトはセメンタイトを主体とする炭化物の微細分散により析出強化させる必要がある。しかしながら、炭化物の数密度が20個/(μm)2未満の場合にはその効果が得られない。一方、炭化物の数密度が50個/(μm)2を超えると、かえって延性が低下する。よって、フェライト相内の炭化物の適正な数密度は20〜50個/(μm)2である。望ましくは、25〜40個/(μm)2である。
本発明に係る鋼は、有効流動応力が高く、衝撃吸収エネルギーが高いと同時に、衝撃荷重負荷時における割れの発生が抑制されている点に特徴を有する。この特徴は、後述する実施例に示すように、5%流動応力が高いこと、および曲げ性に優れることにより実証される。
本発明鋼は、微細な球状化セメンタイトが均一に分散した組織を初期組織とし、その後の逆変態と変態により最適な組織に制御する。初期組織は焼き戻しマルテンサイト主相またはフェライト主相であることが望ましい。
初期組織を焼き戻しマルテンサイトとする場合には、まず、素材のオーステナイト化のために800〜1100℃の温度域で1回以上加熱する。その後、300℃/秒以上の冷却速度で450℃以下の温度域まで急冷して室温まで冷却し、フルマルテンサイト相を得る。この時、450℃以下までの冷却速度が300℃/秒未満の場合には、フェライト相が析出してパーライトが形成されるため、延性低下の原因になる場合がある。さらに、引き続いて室温まで冷却しなければ、マルテンサイト相を得ることができない。マルテンサイト相を得るため、450℃以下の温度域から室温までの冷却速度は50℃/秒以上であることが望ましい。
熱間加工材を後述する最終組織生成熱処理工程の母材とする場合には、素材中の炭化物を完全に固溶させるためにその熱間加工工程の際に予め1200℃以上の温度域で1回以上加熱した素材について、最終の仕上加工を800〜900℃の温度域で、総圧下率(熱間圧延の場合には各パス圧下率の合計を表す。熱間鍛造の場合には、加工前後での最大厚みの変化率を表す。)50%以上の熱間加工を実施する。加工熱処理後、0.3秒以内に、500℃/秒以上の冷却速度で600〜700℃の温度域まで冷却し、500℃以下の温度域で5℃/秒以下の冷却速度で緩冷を行うことにより熱延鋼材を得る。上記の仕上加工は、熱間鍛造でもよく、また、熱間圧延でもいい。上記の熱間加工の条件を満足しない場合には、フェライト粒が粗大になり、且つ、炭化物が粗大化する。このような材料を熱処理母材として用いた場合には、その後の再加熱時に結晶粒が粗大化する上に、粗大な炭化物が残留して延性低下をもたらす。一方、上記の条件で熱間加工を行った材料は、微細なフェライトと微細な球状炭化物から構成される組織を有する。
冷間加工材を最終組織生成熱処理工程の母材とするために熱間加工が施された鋼材に対して、冷間加工により0.3〜0.7のひずみ(冷間加工率が30〜70%)を与える。この冷間加工は、冷間圧延でもよく、曲げ加工やせん断加工でもいい。こうして得られる組織は、加工されたフェライトと微細な球状炭化物から構成される。一方、加工熱処理条件や冷間加工条件が、所定の条件を満たさない場合には、その材料を熱処理母材として用いた場合、その後の再加熱時に結晶粒が粗大化する上に粗大な炭化物が残留して延性低下をもたらす。
初期組織生成熱処理により得られた熱処理素材、および熱間加工工程および/または冷間加工工程を経て得られた母材は、オーステナイト域への加熱および冷却制御により適切な組織制御を行い、粒内にセメンタイト等の炭化物が分散したフェライト相と網目状の第2相を主相とする複相組織の生成を促す。
保持時間が100秒未満であると、第2相が十分に発達せず、不完全な組織となるため、延性が低下する。一方保持時間が500秒を超えると炭化物が生成する場合があり、やはり延性低下の原因となる。焼き入れ温度(変態処理温度)が150℃以下になると、硬質のマルテンサイトが多くなり、延性に悪影響を及ぼす。一方、焼き入れ温度が300℃を超えると、所望のベイナイト組織が少なくなる。
すなわち、JIS5号引張試験片を採取して引張試験を行うことにより、5%流動応力、最大引張応力(TS)、伸び、局部伸び、破断応力を求めた。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.45%超0.77%以下、Mn:0.1〜0.5%、Si:0.5%以下、Cr:0.2〜1%、Al:0.01〜0.5%、N:0.001〜0.015%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる化学組成を有し、
フェライト、マルテンサイト、ベイナイト、オーステナイト、および炭化物から構成される複相組織であって、フェライトの平均粒径が1.5〜7μmであり、占有率でフェライト粒界の50%以上がベイナイト相、マルテンサイト相、オーステナイト相の1種または2種以上で占められる網目状組織であり、フェライト粒内の炭化物の数密度が20〜50個/(μm)2であり、
ナノインデンテーション法によるナノ硬さが10GPaを超えるマルテンサイト相が、前記フェライト粒界における面積比で5%以下であることを特徴とする、引張強度が980MPa以上の鋼。 - 更に、質量%で、V:0.05〜0.15%、Nb:0.01〜0.05%、およびTi:0.005〜0.02%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の鋼。
- 次の工程を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の鋼の製造方法。
請求項1または2に記載された化学組成を有する素材を、800〜1100℃の温度域で加熱した後、300℃/秒以上の冷却速度で450℃以下まで急冷して室温まで冷却し、600〜700℃の温度域で1時間以上保持する初期組織生成熱処理工程;および
前記初期組織生成熱処理が施された素材を50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱し、150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。 - 次の工程を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の鋼の製造方法。
請求項1または2に記載された化学組成を有する素材を、1200℃以上の温度域で加熱した後、800〜900℃の温度域で総圧下率50%以上の仕上加工を行い、当該仕上加工後0.3秒以内に500℃/秒以上の冷却速度で600〜700℃の温度域まで冷却し、500℃以下の温度域で5℃/秒以下の冷却速度で緩冷却を行うことによって熱間加工鋼材を得る熱間加工工程;および
前記熱間加工工程で得られた熱間加工鋼材に、50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱して150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。 - 次の工程を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の鋼の製造方法。
請求項1または2に記載された化学組成を有する素材を、1200℃以上の温度域で加熱した後、800〜900℃の温度域で仕上加工を行った後、400〜650℃の温度域まで50℃/秒以上500℃/秒未満の冷却速度で冷却し、当該温度域で5℃/秒以下の冷却速度で緩冷却を行うことによって熱間加工鋼材を得る熱間加工工程;
前記熱間加工工程により得られた熱間加工鋼材に冷間加工を行い冷間加工鋼材を得る冷間加工工程;および
前記冷間加工工程により得られた冷間加工鋼材に、50℃/秒以上の昇温速度で(Ae1+20℃)〜(Ae1+70℃)の温度域まで加熱した後、150℃超300℃以下の温度域まで30℃/秒以上の冷却速度で冷却して100〜500秒間等温保持した後、350〜450℃の温度域に再加熱し100秒以上等温保持する最終組織生成熱処理工程。
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