JPH02149645A - 高靭性高炭素薄鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、高靭性高炭素薄鋼板、特に熱処理後の耐衝
撃性と耐摩耗性とに優れ、しかも製造性や加工性が良好
である高靭性高炭素薄鋼板に関する。

より具体的には、この発明は、使用中に水素に起因する
割れ発生を起こしにくく、チェーン部品、ギヤ部品、ク
ラッチ部品、シートベルトバックル、座金用等として好
適な高靭性高炭素薄鋼板に関する。

（従来の技術） 一般に、チェーン部品、ギヤ部品、クラッチ部品、シー
トベルトバックル、座金等は、ＪＩＳＧ３３１１に規定
されている５０Ｍ４３５あるいはＳＣＭ４４５等の高炭
素合金鋼冷延鋼板や、Ｓ４５ＣＭ−８５０の高炭素冷延
鋼板を素材鋼板とし、これを各目的製品形状に成形加工
した後、焼入れ・焼戻し等の熱処理により硬化させて製
造される。そこで、前記の各製品の素材鋼板には、成形
加工前は軟質で加工し易く、次に成形加工後に施される
熱処理によって初めて所望の強度が得られ、かつ製品と
して使用時に十分な耐衝撃性と耐摩耗性を発揮する特性
が要求される。したがって、素材鋼板としては前述の如
き炭素含有量の高い材質のものが選ばれるとともに、通
常、鉄鋼メーカーからの薄鋼板の出荷に際しては、軟質
とするための球状化焼鈍が施される。そして、ユーザー
にて所望の形状に成形加工され、焼入れ、焼戻しの熱処
理が施されて必要特性の付与が行われる。この場合、製
品の耐衝撃性および耐摩耗性には焼戻しの温度が特に影
響することから製品使用の形態や状況によって「焼入れ
まま」で使用するか、あるいは焼き入れ後焼き戻して使
用される。後者の場合、「６５０℃まで」の焼戻し処理
温度が通常は１８０〜５００℃の範囲で注意深く選択さ
れる。

しかし、ＪＩＳに規定されている前記焼入れ型あるいは
焼入れ−焼き戻し型高炭素薄鋼板では注意深い熱処理条
件を選択したにもかかわらず耐衝撃性が不十分であり、
更に水素に起因する割れの防止が不十分である。そのた
め例えばオートハイ用チェーンに適用した場合には、ギ
ヤ等の接触衝撃に起因する脆性破壊あるいはその接触部
の摩擦面からの水素吸収による割れの発生を完全に防止
することが困難であった。

そこで、ユーザーでは、このような脆性破壊および割れ
発生の防止対策として例えばＳＣＭ４３５等に対して適
冷オーステナイトの恒温変態を行うオーステンパー処理
を行って靭性向上を図っている。

しかし、この方法では焼入れ、焼戻し処理に比ベニ程が
煩雑になり熱処理装置も大型化しているため、コスト上
昇は避けられない。

（発明が解決しようとする課題） かくして、本発明の一般的目的は、前述したチェーン部
品、ギヤ部品等、高い耐衝撃性および耐摩耗性が今後ま
すます必要とされる部材に適する、材料コストおよび製
造コストの面でもより安価な薄鋼板を提供することであ
る。

また、本発明の具体的目的は、今後ますます必要とされ
る高い耐衝撃性および耐摩耗性を満足させるとともに、
特殊な熱処理に鎖ることなく、単なる焼入れ、焼戻し処
理によってもオーステンパー処理によって実現される程
度の耐衝撃性の改善効果が得られ、かつ水素吸収による
割れ発生の防止効果の大きい薄鋼板を提供することであ
る。

さらに、本発明のより具体的目的は、オートバイ用チェ
ーン等の素材として十分満足できる耐摩耗性と耐衝撃性
を備え、しかも加工性が良好で圧延過程や最終製品への
成形工程、更に製品の状態走行中に表面に衝撃、摩擦等
を受けても割れなど不都合を生じることのない薄鋼板を
提供することである。

（課題を解決するための手段） そこで、本発明者らは、上述のような目的を達成すべく
、研究を行なったところ、耐衝撃性の向上および水素吸
収による割れ発生の防止について以下に示すような知見
を得た。

耐１１１し４団上： ｔａｔ高炭素合金鋼に３９ｐ−以上（以下、成分割合を
表わすｒｐｐｍ　Ｊ、「％」は重量基準とする）のＢを
添加すると、オーステナイト粒界にＢが析出して粒界の
結合力を強化する作用を発揮し、粒界割れの発生を顕著
に抑制する効果をもたらす。

（ｂ）シかし、この場合、単にＢだけを添加したのでは
、添加されたＢは鋼中のＮと結合してＢＮを生成してし
まうのでＢによる粒界割れ抑制効果が消失してしまう、
ところが、ＢとともにＴｉの特定量（０，００５〜０．
０３０％）を複合添加すると、ＴｉはＢよりも優先的に
Ｎと結合してＴｉＮを生成するので固溶Ｂは増大し、オ
ーステナイト粒界へのＢの析出量も増大することになる
ため、Ｂによる粒界割れ抑制効果を十分に確保できるよ
うになる。

ｆｃｌ更に、これに加えて鋼中にＰの含有量を特定値以
下に低減すると、オーステナイト粒界に偏析したＰ量が
減って脆性破壊の要因となる粒界脆化が抑えられ、材料
のさらなる靭性改善がもたらされる。

ｔｄｌまた、−ａに、鋼は焼入れ後３００℃前後の温度
で焼き戻しをするといわゆる「低温焼き戻し脆化」を生
じて著しく脆くなるが、この脆化に対して以下、Ｃｒの
添加は非常に有効である。所望の硬度を得るために「低
温焼戻し脆化温度域」での焼戻しがどうしても必要な場
合でもＭＯ添加により靭性の低下をともなう事なく焼戻
し処理が可能となる。

ｔｄｌただ、Ｂ以下、Ｃｒの添加やＰ含有量低減だけで
は、オーステナイト粒の粗大化に起因した吸収エネルギ
ー低下を完全に防止することができない場合、鋼成分と
して厳密に調整された特定量のＮｂ　（０，００５〜０
．０５０％）を更に添加すると、オーステナイト粒が効
果的に微細化されて、吸収エネルギーは向上し、割れの
発生は著しく抑制される。

以上の耐衝撃性の向上に関する知見事項に基づいて見出
された発明については特願昭６３−７０２８８号として
特許出願したが、その後さらに研究を続けたところ、こ
の衝撃破壊とは別に、水素吸収に起因する割れの防止対
策についても次のような新たな知見を得た。

に　　　　　る　　れ　　　の　　　：ｆｅｌ適量のＣ
ｕ添加は、オートバイ走行中のギヤ、チェーン等の表面
に硫化物の皮膜を形成して、表面からの水素の侵入を抑
制する効果があり水素脆性による割れ発生の防止に効果
がある。

（ｆ）Ｍｎ、　Ｓｉ、　Ｐを主とした鋼中の不純物元素
は水素吸収による割れの発生に大きな影響を持ち、特に
Ｍｎ、　Ｐ添加量の低減による鋼中の清浄化は水素吸収
による割れ発生の防止に大きな効果を持つ。

（幻水素吸収による割れ発生の頻度はオーステナイト粒
が大きいほど高くなっているが、Ｎｂには炭化物あるい
は窒化物を形成しこのオーステナイト粒の成長を抑制す
る効果があり、Ｎｂ添加による焼入れ、焼戻し後のオー
ステナイト粒の細粒化は鋼表層から鋼内部への水素の侵
入を著しく抑制する効果を有し、割れの発生を遅らせる
。

この発明は上記知見事項を基に完成されたものであり、
その要旨とするところは、 重量割合で、 ｃ　：　０．２５〜０，６０％、　　Ｓｉ：　０．７０
％以下、Ｍｎ：　０．０５〜１．００％、　　Ｐ　：　
０．０３０９／６以下、Ｃｒ：　　０．０３０％、　　
　Ｍｏ：　　０．１０〜０．５０％、Ｃｕ：　　０．１
０〜０．５０％、　　　　Ｔｉ：　　０．００５〜０．
０５０％、ｓｏｌ、ＡＱ：　０．０８％以下、　Ｎ　：
　０．００６％以下、Ｂ：３〜２０ρｐ１１、更に必要
に応じてＮｂ：　０．００５〜ｏ、ｔｏｏ％添加したも
ので、 残部が実質的にＦｅ からなる成分組成を有することを特徴とした高靭性高炭
素薄鋼板である。

この発明にかかる薄鋼板は、圧延によって製造され、優
れた耐摩耗性、靭性（耐衝撃性）耐水素脆性、並びに良
好な加工性を備えている。

特に、この発明は、Ｃｕを添加することにより表層から
の水素の侵入を抑制し、オートバイ等の走行中のギヤ、
チェーン等の水素吸収による割れを効果的に低減できる
ことに特徴を有するものである。

（作用） ここで、この発明にかかる薄鋼板の成分組成を上記のご
とく数値限定した理由を説明する。

この発明にあって所望の硬度および耐摩耗性を得るため
にはＣ含有量を０．２５％以上とする必要があり、一方
、０．６０％を越えて含有させると硬度が増大し過ぎる
とともに、十分な吸収エネルギーが得られず、水素吸収
による割れの発生も非常に増加することから、Ｃ含有量
は０．２５〜０．６０％と定めた。好ましくは０．３０
〜０．４０％である。

Ｓｉ： Ｓｉの積極的添加は特に必要ないが、０．７０％を越え
て含有させると鋼板が硬質となって脆化する傾向を見せ
ることから、Ｓｉ含有量は０．７０％以下と定めた。通
常は０．３０％以下程度である。

ｉｎ： Ｃｒｓ　Ｍｏを添加した本発明が対象としている高炭素
鋼板の用途はギヤ、チェーン等であり、−ｇの耐摩耗鋼
板と異なり靭性向上のためＭｎを低減する必要がある。

特に本発明鋼板では１．０％を超えて含有されると熱処
理により焼きが入りやすく、硬くなり過ぎて靭性低下を
招く。一方、Ｍｎ含有量が０．０５％未満であると、固
溶Ｓが多（なって熱間加工時の脆化が生じ鋼板の製造性
を害するようになることから、Ｍｎ含有量は０．０５〜
１．０％と定めたが、特に水素吸収による割れの発生の
抑止には０．５０％以下の添加が望ましい。

Ｐ： Ｍｏを含む鋼板においては、通常レベルでよいが、Ｐ含
有量は低いほど靭性上好ましいことは言うまでもない。

この発明では、Ｐ含有量は０．０３０％以下と定めたが
、望ましくは０．０２０％以下に制限するのがよい。

Ｃｒ： Ｃｒは、主として焼入れ性向上を目的として添加される
成分であるが、その含有量が１．２％を超えて含有され
ると鋼板の硬質化を招いて脆化することから、Ｃｒ含を
量は０．５０〜１゜２０％と定めた。好ましくは０．７
０〜１．１０％である。

ＭＯ： Ｍｏは重要な成分であり、０．１０％以上添加すると、
鋼板の熱処理（焼入れ・焼戻し）後の高靭性を実現し、
特に低温焼戻し脆性域の吸収エネルギー低下抑制に効果
がある。しかし０．５０％超の一〇の添加はＣｕ添加に
よる水素吸収抑制効果を相殺する特性を持つことから上
限を０．５０％とし以下、Ｃｒ含有量は０゜１０〜０．
５０％と定めた。

Ｃｕ： Ｃｕは、焼入れ性に対する効果はあまり大きくないが、
表面に硫化物の皮膜を形成し、水素の侵入に対する抑制
効果が顕著である。この効果は０２１０％以上で確認さ
れているが、０．５０％超ではこの効果が飽和すること
から添加量の範囲を０．１０〜０．５０％と設定した。

Ｔｉ： Ｔｉは、鋼の焼入れ性を向上させるとともに、ＴｉＮを
形成して微細分散させることにより鋼の硬度および引張
強度を増大させる作用を有している。

その上、ＴｉＮの生成でＢの固溶を促進し、オーステナ
イトの粒界強化を促進する作用をも発揮する。

しかしＴｉ含有量が０．００５％未満では前記作用によ
る所望の効果は得られず、一方、０．０５０％を超えて
過剰に含有されるとコストアップになるだけでなく、鋼
の硬化につながって利点がなくなることから、Ｔｉ含有
量は０．００５〜０．０５０％と定めた。

Ｂ： Ｂはきわめて重要な元素であり、綱の焼き入れ性を向上
させるとともに、粒界に固溶Ｂとして析出させることに
より粒界を強化する作用を発揮し、３　ｐｐｍ以上の含
有量で脆性破壊の発生を著しく抑制する効果が確保され
る。

ただし、２０ｐｐＨ１を超えて添加しても前記の効果は
飽和してしまい、コストアップを招（ことがら、Ｓ含有
量は３〜２０ｐｐ１１と定めた。

ｓｏｌ、ＡＱ二 ＡＱは綱の脱酸材として必要に応じて添加される成分で
あるが、ｓｏｌ、ＡＱの含有量が０．０８％を超えると
コストアンプになるばかりか、鋼板の硬化をもたらすの
でなんら利点はない。このように、ｓｏｌ。

Ａｆ２の含有量は０．０８％まで許容されるとの理由か
ら、その含有量を０．０８％以下と定めた。

Ｎ： Ｎの存在は鋼の硬度や引張強度の向上に効果があるが、
過剰量存在するとＢＮを形成してＢの結晶粒界強化作用
を阻害する性質を持っておりＢの粒界強化作用を維持す
るために、含有量を０．００６％以下に制限した。

Ｎｂ： Ｎｂは所望添加元素であり、オーステナイト粒を微細化
して鋼の硬度、引張強度および靭性を共に向古させる作
用を有している。特にＢ添加鋼では再加熱時にオーステ
ナイトが粗大化しやすいため、Ｗｂの添加はオーステナ
イトの微細化にきわめて有効であり、更に水素脆化によ
る破壊の防止にも非常に有効である。しかし、その含有
量が０．００５％未満では前記作用による所望の効果が
確保できず、一方、０．１００％を超えて含有させても
これらの効果は飽和状態に達することがら、Ｎｂ含有量
は０．００５〜０．１００％と定めた。

その他： 通常の鋼においてもＳは低い方がよく、特に本発明に係
わるような高強度鋼板では、Ｓ含有量を０．００４０％
以下に抑えるのが好ましく、その方法としては精錬時の
溶鋼へのＣａの単独添加あるいはＣａ５ｔインジエクシ
ヨン処理のいずれかの手段を採用するのがよい。ただ、
Ｃａ含有量が０．０２％を超えると大型の介在物となっ
て靭性を劣化するようになることから、Ｃａ含有量が０
．０２％を超えない範囲でのＣａ添加処理を行う必要が
ある。

さて、この発明にかかる薄鋼板は、上記成分を含有する
と共に残部が実質的にＦｅである鋼を溶製し、熱間圧延
と冷間圧延により所望板厚にまで延ばされて製造される
。この間、軟化のための焼鈍を行ってもよい。いずれに
せよ、最終的には焼鈍を行って加工性を向上させるが、
この最終焼鈍は６５０〜７２０℃力（適当である。

この発明にかかる薄鋼板の板厚は特に制限ないが、チェ
ーン部品、ギア部品などを製造する場合には、一般には
１．０〜３．０　ａｍ程度の板厚とするのが有利である
。また、打ち抜き加工、曲げ加工などを行うことから、
そのような薄鋼板としての特性は、焼鈍状態で、硬度が
ＨＲＢ８０以下、降伏点４５ｋｇｆ／ｍ＋ｗ”以下、さ
らには特定範囲内の伸びなどの機械的特性を満足するこ
とが好ましい。

以上のごとくに製造された薄鋼板は、通常、ユーザーに
て加工され、次いで熱処理されて所望の硬さ・性能とさ
れる。例えば、チェーン部品、ギア部品を製造するには
、チェーンリンクへの打ち抜き等の加工を経てから通常
の焼き入れ・焼き戻しの熱処理を行うが、そのようにし
て製造された段階での各部品の特性は、硬度！（ＲＣ４
５以上、シャルピー吸収エネルギー１．４　ｋｇｆ−ｍ
以上、そして水素吸収による割れ発生時間８時間以上を
いずれも満足する程度である。

その場合の各部品への加工後の焼き入れ・焼き戻し処理
は通常のそれでよく、一般に上述のような優れた耐摩耗
性、耐衝撃性そして耐水素吸収割れ性などの特性が得ら
れる。

次いで、本発明の効果を実施例により比較例と対比しな
がら説明する。

実施例１ まず、第１表に示される如き各成分組成の鋼を溶製した
後、熱間圧延により４■厚の熱延板となし、ついで焼鈍
による軟化を行なった後、２．５ｍｍ厚にまで冷間圧延
した。

鋼ＡではＭｎを０．４３％にまで低減し、１ＩｉｉｌＢ
ではこれに更に０．０４％のＮｂを添加した。また、ａ
Ｃでは硬度増大のためＭｎ添加量を０．７８％とした。

これに対し、比較鋼りはＣｕの添加がなく、鋼ＥではＢ
の添加がない、また鋼Ｆでは？ｌｎｓ　Ｐ、　Ｍｏの添
加量がこの発明の範囲を越え、かつＢの添加がない。

次に、これらの冷延鋼板に”　６８０℃で１６ｈｒ保持
”のバッチ焼鈍を施し、焼鈍後の鋼板の硬度を第１表に
併せて示した。

次いで、これらの各焼鈍法み供試鋼板からサンプルを採
取し、８５０℃に１５分間加熱後油冷の油焼入れを行い
、更に各々の温度で焼戻し処理した。

なお焼戻し時間はいずれの場合とも３０分であった。

上記熱処理後の各サンプルについて硬度測定を行いその
ときの硬度を焼き戻し温度に対してプロットして得たグ
ラフを第１図に示す。

この結果より、本発明鋼の場合、望ましい硬度とされて
いるＨＲＣ＞４５の条件を満たすには２５０℃以下の焼
戻し温度が適当であることが分かる。

実施例２ 実施例１における各熱処理後のサンプルについて２．５
ａｍ板厚におけるＪＩＳｄ号Ｖノツチシャルピー試験片
を作成して０℃における衝撃試験を行い、衝撃吸収エネ
ルギーを調査した。この結果から試料硬度と吸収エネル
ギーの相関について第２図にグラフで示す。

第２図の結果から次のことがわかる。

供試鋼板のＣ含有量レベルでは、チェーンやギヤを用途
とした場合、硬度で１ｌＲｃ４５以上が望ましいとされ
ているが、この条件を満足しながら１．４ｋｇｆ−＋ｗ
の吸収エネルギーを確保できるのは２００℃で焼戻した
鋼Ａ−Ｄである。

実施例３ 実施例１における焼き入れ−焼き戻しの各熱処理後、硬
度が４８．１〜５０．６のレベルにあるサンプルについ
て２．５■ｌ板厚の第３図ｔａ＋ないし第３図（Ｃ）に
形状寸法を示す先端に細ノツチ１０を設けた開口部１２
を備えた試験片１４　（５０Ｘ　１１ｍｍ）を作成した
。第３図ｔａ＋に示すようにその細ノフチ付き開口部１
２よリマルエージング鋼製くさび１６を押込み、第３図
（ｃ）の矢印方向に開口部１２を押し広げるように、８
０ｋｇｆ／ｍｍ”程度の応力をかける。第３図（Ｃ１は
細ノフチ付開口部の拡大部分図である。このように細ノ
フチ１０を押し広げた状態で５０℃の温水中に保持した
ときの細ノフチ１０の先端からの水素吸収に起因する割
れ１８の発生状況を観察した。第３図ｆＣ１中の数字は
それぞれの個所の寸法（ｍｍ）である。結果は第２表に
まとめて示す。

本発明鋼では硬度がＨＲＣ＞　４８レベルでも６ｈｒ以
上割れの発生はないが比較鋼ではｌｈｒ以内で割れが発
生し、進展した後２０ｈｒでは破断した鋼種も認められ
、比較鋼Ｄ−Ｆでは焼入れまま、あるいは低温焼戻し後
の素材では、水素割れの危険性が高いことが考えられる
。

以上、実施例１〜３の結果からは、硬度、吸収エネルギ
ー、水素吸収による割れに対する８ｈｒ以上の耐久性を
いずれも満足するのは本発明鋼だけであることが確認さ
れた。

実施例４ 次に、第１表に示した６ｔｌｉｉ１種の薄鋼板（板厚２
．５ｍｍ）からチェーンリンクを打ち抜いた後、８５０
℃Ｘ］５ｍ１ｎに加熱してから油中に焼き入れし２５０
℃で３０分間の焼き戻しからなる熱処理を施した後、チ
ェーン（厚さ：　２．５ｍｍ　、周長：３．抛）に組み
立てた。このようにして得られたチェーン３０は第４図
（ａ）に示すように２つのスプロケット３２に掛けて１
５ｍ／ｓｅｅの速度で回転させた。この回転するチェー
ンを高湿度雰囲気下で、１０秒毎に断続的に小径ギヤと
接続、切離しを繰り返す回転試験を実施した。第４図（
ｂ）中、二点鎖線で示すのはチェーンリンク３５である
。なお、３６は小径ギヤ（材質−５ＣＭ４３５、硬度−
Ｌｃ：４２）である。

この結果、第３表に示すとおり鋼Ａ−Ｃの場合は８０分
までチェーンリンクの破損は認められなかったが、綱Ｄ
−Ｆでは７０分までにいずれも水素吸収による割れ発生
を生じその破面ば何れも粒界破面を呈していた。この結
果を、硬度と割れ発生までの耐久時間との関係を示すグ
ラフとして第５図にまとめて示す。

これらの結果より、本発明鋼は高い硬度を確保しながら
これらチェーンなどの割れ防止に非常に有効であること
が確認された。

実施例５ 板厚２．５ａｕ＋に冷間圧延した本発明鋼に対し各種熱
処理を施し、得られた鋼板の硬度と吸収エネルギー、更
に第３図の試験における割れ発生までの時間を第４表に
示した。

このように本発明鋼は水素を吸収し易い雰囲気の中での
割れ防止に優れ、かつ強度的にも非常に高い鋼種である
ことがｆ！認された。

第１表　供試鋼 （ｗｔ％） 第２表 口： γ白焼き入れ、 Ｔ： 焼き戻し 第３表

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の実施例の結果を示すグ
ラフ； 第３図（ａ）ないし第３図（Ｃ）は、本発明の実施例に
おいて使用する試験片の寸法形状の説明図；第４図＋ａ
＋および同ｆｂｌは、本発明の実施例における試験要領
の説明図；および 第５図は、本発明の実施例の結果を示すグラフである。 １０：細ノツチ　　　　１２：開口部 １４：試験片　　　　　１６：＜さび １８：割れ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．２５〜０．６０％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍ
   ｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｃ
   ｒ：０．５０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０
   ％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．００５〜
   ０．０５０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０８％以下、Ｎ：０
   ．００６％以下、さらにＢ：３〜２０ｐｐｍで、 残部が実質的にＦｅ から成る高靭性高炭素薄鋼板。
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．２５〜０．６０％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍ
   ｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｃ
   ｒ：０．５０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０
   ％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０．００５〜
   ０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１００％、ｓｏ
   ｌ．Ａｌ：０．０８％以下、Ｎ：０．００６％以下、 さらにＢ：３〜２０ｐｐｍで、 残部が実質的にＦｅ から成る高靭性高炭素薄鋼板。