JP7018138B2 - 熱処理硬化型高炭素鋼板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗や耐久性が要求される部品などに用いられる鋼板に関し、より詳細には、熱処理を介して強度及び靭性を高めた熱処理硬化型高炭素鋼板及びその製造方法に関する。

一般に、高炭素鋼は、高強度及び高硬度が要求される部品に多く用いられている。例えば、自動車部品、鋸身、製針、チェーン、農機具などに多様に用いられる。これは、高炭素鋼が高強度、高硬度の特性を有するためである。

上記のような高炭素鋼に対して強度、硬度、及び靭性を向上させる方法として、以下のような特許文献１～４が知られている。

特許文献１には、焼入れ及び焼戻し熱処理を行って焼戻しマルテンサイトを製造する技術が開示されている。上記のような一般の焼入れ及び焼戻し熱処理方法は、焼入れ時に常温まで冷却してマルテンサイト組織を得た後、焼戻し熱処理を介して焼戻しマルテンサイト組織を得ることを特徴とする。しかし、この場合、残留オーステナイトが一定分率以上残るようになり、強度を高めるのに限界がある。

一方、特許文献２には、Ｃｒなどのような合金元素を添加した後、熱間圧延を介してフェライト及びパーライトの組織を得ることで、強度及び延性を確保する技術が開示されている。しかし、この場合、強度は６００ＭＰａ程度に過ぎないため、耐摩耗が要求される部品に用いることができない。

特許文献３には、オーステンパ熱処理を介して微細なパーライトを製造する技術が開示されており、微細なパーライトを８０％以下の圧下率で冷間圧延することで強度を高めている。しかし、かかる工程は８０％以上の付加的な冷間圧延工程を必要とするため、製造コストを大幅に高めるようになるという問題点がある。

特許文献４は、オーステンパ熱処理時に２段の冷却過程を介した微細組織の制御を用いて高強度高靭性の高炭素鋼板を製造する技術であるが、強度が１２００ＭＰａレベルと強度を大きく向上させるのに限界がある。

上記部品は、高強度及び高硬度が要求される一方で、衝撃による破損を最小限に抑える必要がある。そのため、破損を減らすためには靭性を向上させる必要がある。すなわち、単純に強度や硬度が高い素材だけでなく、優れた靭性が調和した素材に対する要求が高まっているのが実情である。

韓国登録特許第１０－１０５５３９０号公報 韓国登録特許第１０－１６１５０４０号公報 韓国登録特許第１０－１４４５８６８号公報 韓国登録特許第１０－１３００１５８号公報

本発明の目的は、高価な合金元素を添加せずに、合金組成及び熱処理条件を最適化することにより、高硬度を有するとともに、優れた靭性を確保した熱処理硬化型高炭素鋼板及びその製造方法を提供することである。

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は以下の記載から当業者が明確に理解することができる。

本発明の一側面は、重量％で、Ｃ：０．６５～１．０％、Ｓｉ：０．５％以下（０を除く）、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下含み、残りはＦｅ及び不可避不純物を含み、微細組織は、面積分率で、マルテンサイトを８５％以上含み、残留オーステナイトを５％以下、炭化物及びフェライト相のうち１つ以上を１０％以下含み、脆性破壊に対する材料の抵抗度を示すＫ_ＩＣは１５ＭＰａ・ｍ^１／２以上である熱処理硬化型高炭素鋼板を提供する。

本発明の他の側面は、重量％で、Ｃ：０．６５～１．０％、Ｓｉ：０．５％以下（０を除く）、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下含み、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む鋼板を設ける段階と、上記設けられた鋼板をＡｅ３以上の加熱温度まで加熱する段階と、上記加熱された鋼板を冷却終了温度（Ｔｃ）まで冷却する段階と、上記冷却後に、１００℃以上の温度で後続熱処理を行う段階と、を含み、上記冷却終了温度（Ｔｃ）は、下記関係式１を満たす熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法を提供する。
［関係式１］
Ｔｃ≦３７４－４２３＊Ｃ（重量％）－３０．４＊Ｍｎ（重量％）

本発明によると、高価な合金元素を多量に添加しなくても、硬度及び靭性が調和した熱処理硬化型高炭素鋼板及びその製造方法を提供することができる。

本発明の微細組織の一例を模式的に示す図である。 本発明の製造方法である熱処理プロファイルを模式化したグラフである。

本発明の発明者らは、上述した従来技術の問題を解決するとともに、鋼板の強度、硬度、及び靭性を高めるための技術について深く研究した結果、炭素含有量を最適化し、且つ熱処理温度を適切に制御することにより、鋼板の微細組織として、マルテンサイト分率を高め、残留オーステナイト分率を下げることで、高価な合金元素を添加しなくても鋼板の硬度及び靭性を大幅に向上させることができるという点を認知し、本発明を完成させた。

以下、本発明の一側面である熱処理硬化型高炭素鋼板について詳細に説明する。先ず、本発明の鋼板に対する合金組成について詳細に説明する（以下、重量％）。

炭素（Ｃ）：０．６５～１．０％
炭素は、鋼板の強度を向上させるための必須元素であるだけでなく、本発明で実現しようとするマルテンサイト組織及び転位密度を確保するために適正添加が必要である。上記炭素の含有量が０．６５％未満の場合には、熱処理後の鋼板の微細組織として９０面積％以上のマルテンサイト組織を確保することが難しくなるという問題がある。さらに、マルテンサイト組織を形成しても、内部に転位密度が十分に確保されないため、十分な強度を得ることができない。これに対し、上記炭素の含有量が１．０％を超えると、マルテンサイト形成温度が低くなり、残留オーステナイトが多く残るようになる。かかる残留オーステナイトを減らすために、より低い温度に冷却を行うと、熱処理衝撃による亀裂が発生する原因となる。したがって、本発明におけるＣの含有量は、０．６５～１．０％とすることが好ましい。

シリコン（Ｓｉ）：０．５％以下（０％を除く）
シリコンは、脱酸剤として作用するだけでなく、鋼板の強度を向上させる役割を果たす。上記シリコンの含有量が０．５％を超えると、鋼板表面にスケールが形成されて鋼板の表面品質が低下するという問題があるため、本発明におけるＳｉの含有量は、０．５％以下（０を除く）とすることが好ましい。

マンガン（Ｍｎ）：０．１～２．０％
マンガンは、鋼の強度及び硬化能を向上させるだけでなく、鋼の製造工程のうち不可避に含有される硫黄（Ｓ）と結合してＭｎＳを形成させることにより、Ｓによるクラックの発生を抑制する役割を果たす。本発明において、かかる効果を得るためには、上記マンガンの含有量が０．１％以上であることが好ましい。これに対し、２．０％を超えると、残留オーステナイトが多く残るようになるという問題があるため、本発明における上記Ｍｎの含有量は、０．１～２．０％とすることが好ましい。

リン（Ｐ）：０．０５％以下
リンは、鋼中に不可避に含有される不純物であって、結晶粒界に偏析されて鋼の靭性を低下させる主な原因となる元素であるため、できる限り低く制御することが好ましい。理論上、Ｐの含有量を０％に制限することが有利であるが、製造工程上必然的に含有せざるを得ない。したがって、上限を管理することが重要であり、本発明では、上記Ｐの上限を０．０５％とすることが好ましい。

硫黄（Ｓ）：０．０３％以下
硫黄は、鋼中に不可避に含有される不純物であって、マンガンと反応し、ＭｎＳを形成して析出物の含有量を増加させ、鋼を脆化せる主な原因となる元素である。したがって、できる限り低く制御することが好ましい。理論上、Ｓの含有量を０％に制限することが有利であるが、製造工程上必然的に含有せざるを得ない。したがって、上限を管理することが重要であり、本発明では、上記Ｓの上限を０．０３％とすることが好ましい。

上記組成に加えて、本発明はＦｅ及び不可避不純物を含む。但し、上記組成以外に、有効な成分の添加を排除するものではない。

次に、本発明の熱処理硬化型鋼板の微細組織及び機械的物性について詳細に説明する。

本発明の鋼板は、上記成分系を満たすだけでなく、鋼板の微細組織として８５面積％以上のマルテンサイトを含むことが好ましい。上記マルテンサイトが８５面積％未満の場合には、要求される硬度を十分に確保することが難しくなるという問題がある。また、残留オーステナイトは５面積％以下含むことが好ましい。上記残留オーステナイトが５面積％を超えると、マルテンサイトに対して硬度が低いオーステナイトにより、要求される硬度を十分に確保することが難しくなるという問題がある。上記マルテンサイトは、焼戻しマルテンサイトであることが好ましい。

また、後続する熱処理過程において追加的にフェライト相αが一部示されることができ、場合によっては、炭化物が一部形成されることができる。上記炭化物及びフェライト相は、高強度を維持するとともに、高靭性を有することができるようにする。しかし、後続する熱処理過程において、上記炭化物やフェライト相が多すぎる場合には、強度及び靭性をともに低下させるため１０面積％以下であることが好ましい。一方、靭性を確保するために、上記炭化物及びフェライトの分率は１面積％以上であることが好ましい。

一方、上記組織に加えて、残部として、セメンタイトやベイナイトなどが含まれることができる。

また、本発明の一実施例によると、マルテンサイト板の平均厚さは０．２５μｍ以下であることが好ましい。上記マルテンサイト板は、図１を参照して詳細に説明する。本発明に形成されたマルテンサイト相α’は図１に示された形で形成される。ここで、上記マルテンサイト板の平均厚さは短軸長さを意味する。上記マルテンサイト板の平均厚さが０．２５μｍを超えると、マルテンサイト相の強度が低くなり、鋼板の硬度が低下するおそれがある。したがって、マルテンサイト板の平均厚さは０．２５μｍ以下に制御することが好ましい。一方、図１には、上記マルテンサイトと残留オーステナイト以外に、フェライトと炭化物が存在することを合わせて示されている。

上述した図１に示すように、本発明における上記マルテンサイトは、針状に形成される。特にマルテンサイト板の厚さが０．４μｍ以下であるものが７０％以上であることが好ましい。この場合、高硬度を確保することができる。

本発明による熱処理硬化型鋼板は、高価な合金元素を添加しなくても、非常に高い強度を確保することができる。一例として、本発明による熱処理硬化型鋼板は、硬度が６００Ｈｖ以上であることができる。

また、本発明による熱処理硬化型鋼板は、鋼板の脆性破壊に対する材料の抵抗度を示すＫ_ＩＣが１５ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることが好ましい。上記Ｋ_ＩＣは脆性破壊抵抗値を意味する。

一方、本発明による熱処理硬化型鋼板は、硬度及び靭性をともに向上させて調和を有する点に特徴があり、好ましくは脆性破壊抵抗値と硬度（Ｈｖ）の積が１４，０００Ｈｖ・ＭＰａ・ｍ^１／２以上である。

以下、本発明の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法について詳細に説明する。

先ず、上述した組成を満たす鋼板を設ける。本発明に適用されることができる上記鋼板の種類は特に限定されず、本発明が属する技術分野において用いることができる鋼板であれば十分であり、熱延鋼板や冷延鋼板などに区別しない。

上記設けられた鋼板をＡｅ３℃以上の温度まで加熱する。上記加熱温度がＡｅ３℃未満の場合には、オーステナイトが十分に形成されず、冷却後に９０面積％以上のマルテンサイト組織を得ることができない。したがって、上記加熱温度は、Ａｅ３℃以上であることが好ましい。上記Ａｅ３温度はオーステナイト単相に存在する境界温度を意味する。

上記Ａｅ３℃以上に加熱した後、０．５～１５分間維持することが好ましい。これは、設けられた鋼板においてオーステナイト化が完全に行われるようにするためである。加熱後の維持時間が０．５分未満の場合には、オーステナイトが均一に形成されることが難しい。これに対し、１５分を超えると、オーステナイトが過度に粗大になったり、又は熱処理コストが過度に上昇するという問題がある。

上記加熱された鋼板を冷却終了温度（Ｔｃ）まで冷却する。上記冷却終了温度（Ｔｃ）は下記関係式１を満たすことが好ましい。上記冷却終了温度（Ｔｃ）が下記関係式１を満たさない場合には、９０面積％以上のマルテンサイトを得ることができず、残留オーステナイトが５面積％を超えて残るため本発明で意図する強度を確保することができない。
［関係式１］
Ｔｃ≦３７４－４２３＊Ｃ（重量％）－３０．４＊Ｍｎ（重量％）
上記関係式１は、マルテンサイトの生成及び終了温度の関係を考慮して導出したものであり、炭素及びマンガンの含有量が後続過程でフェライトや炭化物として形成されることができ、マルテンサイトの形成に重要な影響を与えることを考慮して導出したものである。

本発明において、上記冷却は、加熱された鋼板を氷点下の温度まで冷却させる極低温冷却を行うことが好ましい。これは、十分なマルテンサイトを確保するためのものである。上記加熱された鋼板が氷点下の温度まで下がらないと、マルテンサイトへの変態が完全に行われず、オーステナイトが多く残留ようになり、要求される硬度を確保することができない。

上記極低温冷却のための方法として様々な方法が挙げられるが、本発明では特に限定しない。一例として、液体窒素を用いて冷却する。

上記冷却終了温度（Ｔｃ）まで冷却する段階における冷却速度は７０℃／ｓ以上とすることが好ましい。上記冷却速度が７０℃／ｓ未満の場合には、冷却過程において、フェライト、パーライト、ベイナイトのような相が多量に生成され、十分な量のマルテンサイトを得ることができなくなる。

上記冷却後に、１００℃以上の温度で後続熱処理を行うことが好ましい。これは、上記冷却、特に急速冷却過程で形成された高強度の組織を解きながら、靭性を付与するためのものである。上記熱処理温度は３００℃以下であることが好ましい。３００℃を超えると、強度及び硬度が過度に低下するようになる。上述のように、上記後続熱処理過程において、一部のフェライトや炭化物が形成されることができる。

一方、上記後続熱処理は、１～３００分間の維持時間を有することが好ましい。上記維持時間が１分以内と短すぎる場合には、十分な靭性を確保することが難しく、３００分を超えると、過度な熱処理コストがかかる。

一方、図２は本発明の一例である熱処理工程の条件のうち時間と温度の関係を模式的に示すグラフである。図２に示すように、本発明で提示する製造方法は、設けられた鋼板を加熱し、冷却した後、後続熱処理を行って冷却する工程を含む。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。但し、下記実施例は、本発明の理解を助けるためのものにすぎず、本発明の権利範囲を限定するためのものではない点に留意する必要がある。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項と、それから合理的に類推される事項によって決定されるものであるためである。

（実施例）
下記表１の組成（重量％、残りはＦｅ及び不可避不純物である）を有する鋼板を設けた後、上記鋼板を下記表２の条件で加熱し、冷却した。その後、鋼板の微細組織を観察し、機械的物性を測定し、下記表３に示した。

上記微細組織は、ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて測定した後、画像解析を介して、マルテンサイトと残留オーステナイトの分率及びマルテンサイト板の平均厚さを測定した。

硬度試験は、荷重５ｇで１０秒間維持する条件下で、各微細組織のビッカース硬度試験を行った。脆性破壊に対する材料の抵抗度を示すＫ_ＩＣは、ＣＴ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ）試験片を用いて、荷重による亀裂の変位を測定して評価した。

上記Ｔｃ＊は、関係式１によって計算された冷却終了温度（３７４－４２３＊Ｃ（重量％）－３０．４＊Ｍｎ（重量％）

上記表２において、発明例５、比較例５、及び比較例６の冷却速度は、水圧及び水量を調節した水冷を介して常温まで冷却し、液体窒素に投入して氷点下の温度に冷却したものである。一方、冷却速度が５００℃／ｓであることは、加熱された鋼板を液体窒素に投入し、１～２秒以内に氷点下の温度まで冷却されたことを基に算出したおおよその速度である。

上記表３に示すように、本発明が提案する合金組成及び製造条件を満たす発明例１～７はすべて、脆性破壊抵抗値が１５ＭＰａ・ｍ^１／２以上であり、マルテンサイト板の平均厚さが０．２５μｍ以下であり、且つマルテンサイト８５面積％以上の分率を含む。特に、６００Ｈｖ以上有するとともに、脆性破壊抵抗値と硬度値の積が１４，０００Ｈｖ・ＭＰａ・ｍ^１／２以上であるため、優れた硬度及び靭性の調和を有することが確認できる。

これに対し、比較例１は、鋼中の炭素含有量が低く、マルテンサイト板の平均厚さが大きく、硬度が劣化した。比較例２及び３は、後続熱処理温度が本発明の範囲を外れた場合であって、硬度及び靭性をともに確保できないという問題がある。比較例４は、鋼板の加熱温度が低く、マルテンサイトが十分に形成されない場合であり、比較例５及び６は、冷却速度が遅く、マルテンサイトが十分に形成されず、十分な硬度を有さない場合である。一方、比較例７及び８は、本発明が提示するマンガン含有量よりも高く、残留オーステナイト分率が高く、十分な硬度を確保しなかった。

Claims (9)

1. 重量％で、Ｃ：０．６５～１．０％、Ｓｉ：０．５％以下（０を除く）、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下を含み、残りはＦｅ及び不可避不純物からなり、
   微細組織は、面積分率で、マルテンサイトを８５％以上含み、残留オーステナイトを５％以下、炭化物及びフェライト相のうち１つ以上を１０％以下含み、
   脆性破壊に対する材料の抵抗度を示すＫ_ＩＣは１５ＭＰａ・ｍ^１／２以上である、熱処理硬化型高炭素鋼板。
2. 前記鋼板の硬度と靭性の積が１４，０００Ｈｖ・ＭＰａ・ｍ^１／２以上である、請求項１に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板。
3. 前記マルテンサイトの板の平均厚さは０．２５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板。
4. 前記マルテンサイトの板の厚さが０．４μｍ以下であるものが７０％以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板。
5. 重量％で、Ｃ：０．６５～１．０％、Ｓｉ：０．５％以下（０を除く）、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下を含み、残りはＦｅ及び不可避不純物からなる鋼板を設ける段階と、
   前記設けられた鋼板をＡｅ３以上の加熱温度まで加熱する段階と、
   前記加熱された鋼板を冷却終了温度（Ｔｃ）まで冷却する段階と、
   前記冷却後に、１００℃以上の温度で後続熱処理を行う段階と、を含み、前記冷却終了温度（Ｔｃ）は下記関係式１を満たす、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法。
   ［関係式１］
   Ｔｃ≦３７４－４２３＊Ｃ（重量％）－３０．４＊Ｍｎ（重量％）
6. 前記加熱段階の加熱温度で０．５～１５分間維持する、請求項５に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法。
7. 前記冷却段階における冷却速度は７０℃／ｓ以上である、請求項５又は６に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法。
8. 前記冷却は液体窒素を用いて行う、請求項５から７のいずれか１項に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法。
9. 前記後続熱処理は１～３００分間の維持時間で行う、請求項５から８のいずれか１項に記載の熱処理硬化型高炭素鋼板の製造方法。
   

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