JPH03100117A - 粒界脆化感受性の低い調質高張力鋼の製造方法 - 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） 本発明は粒界脆化感受性を著しく低減することが可能な
構造用低合金調質高張力鋼の製造方法に関するものであ
る。

（従来の技術） 焼入れ焼戻し処理によって製造される調質高張力鋼は合
金成分を高めずに高強度化、高靭性化が可能なことから
構造物用鋼として重用されている。

しかし、ベイナイト〜マルテンサイト組織を有する調質
高張力鋼は焼戻しや応力除去焼鈍、あるいは使用中の加
熱によって生じる粒界脆化に対する感受性が高く、その
ため、構造物の用途によっては大きな問題を生じ、使用
が制限される場合もある。この粒界脆化はいわゆる高温
焼戻し脆性によるものが主で、４５０〜５５０°Ｃ程度
に長時間加熱されたり、この温度域を非常に小さい冷却
速度で通過するような熱履歴を受けることにより、粒界
が詭化し、大きな靭性劣化を示す。

従来、粒界脆化を防止する技術としては、鋼材の化学成
分を限定したり、不純物置を低減する方法がとられてき
た。即ち、粒界脆化がＰ、　Ｓｂ、　Ｓｎ等の不純物元
素が粒界に偏析することにより生じ、Ｍｎ、　Ｃｕ等の
合金元素により脆化が助長されることから、これらの元
素を低減ないしは一定範囲に限定する方法が一般的であ
った。例えば、特開昭５４−９６４１６号公報ではＰ、
　Ｃ，Ｎｉ量を低減することにより応力除去焼鈍におけ
る脆化を低減できるとしている。

（発明が解決しようとする課題） 従来技術にもあるように、Ｐ、　Ｎ、　Ｓｂ、　Ｓｎ等
の不純物元素の量を低減することにより粒界脆化感受性
を低下させることは可能であるが、そのためには原料を
精選したり、製鋼上複雑な工程が必要であったりするた
め、鋼材価格の上昇につながる。

また、現実に達成できる不純物量では目的とする特性が
得られない場合も生じる。また、Ｓｔ、　Ｍｎ。

Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｃｕ等の粒界脆化を助長する合金元素
を低減ないしは一定範囲に制限する方法は鋼材の他の特
性劣化につながることが多く、一般的に適用できない場
合が多い。従って、鋼材価格の上昇を招かず、一般的に
適用できる方法が必要となる。そして、本発明はこの目
的に合致する粒界脆化感受性の低い調質高張力鋼の製造
方法を提供することを目的としているものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは粒界脆化の研究に当たって、熱処理方法を
種々検討した結果、粒界脆化感受性の低い調質高張力鋼
の製造方法を発明するに至ったものであり、その要旨と
するところは、鋼材の焼入性を表わすパラメータｙが２
．０〜８．０である鋼材をＡｃ、変態点以上１１００℃
以下のオーステナイト域に加熱保持後、下記式で示され
るｘ℃／秒より小さい冷却速度でＡｒｓ変態点から［Ａ
ｒ、変態点−５０℃〕の範囲内の温度まで冷却し、当該
温度にて０−１０分保持後、水冷または油冷等の手段に
より焼入れし、さらにＡｃ、変態点以下の温度に再加熱
保持して焼戻すことを特徴とする粒界脆化感受性の低い
調質高張力鋼の製造方法にある。

但し、 ｙ＝０．３４ｘ　（Ｃ（重量＠ｔ））　””　Ｘ　（１
＋０．６４×Ｓｉ（重量％）］Ｘ　（１＋４．１０×Ｍ
ｎ（重量％））　Ｘ　（１＋０．２７ＸＣｕ（重量′１
）〕Ｘ　（１＋０．５２×Ｎｉ（重量％））　ｘ　（１
＋２．３３×Ｃｒ（重量％））Ｘ　（１＋３．１４×Ｍ
ｏ（重量％）〕ｘ（’Ｃ／秒）　＝　１０　（ｇ、３−
０．１１１　、ｙ）（作　用） 本発明者らは焼入れ焼戻し処理によって製造される調質
高張力鋼の粒界脆化感受性が旧オーステナイト粒界の性
状によって太き（変化し、旧オーステナイト粒界にわず
かにフェライトを析出させることにより粒界脆化感受性
が低下することを見出した。そして、そのための最適熱
処理条件を種々検討した結果、本発明を創案するに至っ
たものである。

以下、本発明を実験結果に基づいて詳細に説明する。

第１図は、第１表に示す化学成分の鋼材から採取した試
験片を第２図に示すように、オーステナイト域に加熱保
持後、種々の温度（焼入れ開始温度）まで５°Ｃ／秒で
冷却し、保持無しで水冷または１０分及び３０分像保持
後冷した後、６３０°Ｃ×１時間保持の焼戻し処理を行
ったものについて脆化処理（６００℃×２時間保持後、
炉冷）を行い、粒界脆化挙動を調べた結果である。

焼入れ焼戻しままでのシャルピー特性（５０％破面遷移
温度：　ｖＴｒｓ）に対する脆化処理後のｖ　Ｔｒｓの
上昇量（以下、Δｖ　Ｔｒｓという）で粒界脆化感受性
を評価すると、このΔｖ　Ｔｒｓが焼入れ開始温度及び
焼入れ開始温度における保持時間により大きく変化する
ことを見出した。特に、焼入れ開始温度が＾ｒ、変態点
以下になり、旧オーステナイト粒界からフェライト変態
が生じると、急激にΔｖ　Ｔｒｓは小さくなり、粒界脆
化感受性が低下することが判明した。なお、ここでのＡ
ｒ３変態点は連続冷却中だけでなく、焼入れ開始温度に
保持中も含めてオーステナイトからなんらかの別の相が
変態を開始する温度を指すこととする。

脆化度（ΔｖＴｒｓ）は焼入れ開始温度が下がるほど、
焼入れ開始温度での保持時間が長くなるほど小さくなる
。これはフェライトの析出量の増加に対応している０以
上の結果から粒界脆化感受性だけに限れば焼入れ開始温
度をできるだけ下げ、且つ保持時間を長くすれば良いこ
とになる。しかし、フェライトの析出量が過大となると
強度低下が著しくなり、調質高張力鋼の高強度高靭性と
いう特徴が失われてしまう。従って、本発明では粒界脆
化感受性を十分低下でき、且つ強度低下が小さいか、強
度低下量を焼戻し条件の変化で補える範囲内という観点
でさらに検討を加え、焼入れ開始温度については、Ａｒ
３変態点から（Ａｒ、変態点−５０℃〕の範囲、焼入れ
開始温度における保持時間については保持をせずにすぐ
焼入れるか、１０分以内の保持が好ましいことを見いだ
した。

以上のような条件により、旧オーステナイト粒界に少量
のフェライトを析出させた後の焼入れは水冷ないしは油
冷によりできるだけ急冷してフェライトや上部ベイナイ
トが生成しないようにすることが強度及び靭性の点から
好ましい。

以上は冷却途上で旧オーステナイト粒界にフェライトが
生成する条件下での最適な焼入れ開始温度、保持時間の
選定についての結果である。一方、フェライトを生成さ
せるためには化学成分及び焼入れ開始温度に至るまでの
冷却速度も重要となる。

即ち、化学成分については焼入性が高すぎると、オース
テナイト粒界からのフェライト生成が困難で、徐冷して
も直接ベイナイト変態を生じることになる。逆に焼入性
が低すぎると、フェライト量の制御が困難となるため、
本発明は適当な焼入性を持った化学成分範囲に適用が限
定される。焼入れ開始温度に至るまでの冷却速度が自由
に選べれば、かなり広い化学成分範囲まで適用が可能で
あるが、実際の工程では制御可能な冷却速度は限られる
。その冷却速度範囲に対応した最適化学成分範囲として
、以下の式で示される焼入性を表わすパラメータｙが２
．０〜８．０の範囲が好ましいことを種々の検討より明
らかとした。

ｙ　＝０．３４ｘ　（Ｃ（重量り］　””　Ｘ　（１＋
０．６４×Ｓｉ（重量％））Ｘ　（１＋４．１０×Ｍｎ
（重量％））　Ｘ　（１＋０．２７ＸＣｕ（重量％）〕
Ｘ　（１＋０．５２ＸＮｉ（重量り）　Ｘ　（１＋２．
３３×Ｃｒ（重量％）〕Ｘ　（１＋３．１４×Ｍｏ（重
量％））また、化学成分に応じて旧オーステナイト粒界
からフェライトの生成し得る冷却速度も変化する。

第３図はオーステナイト域から等速冷却したときに初析
フェライトが生じる最大の冷却速度（限界冷却速度：ｘ
）とパラメータｙの関係を検討した結果である。加熱温
度によりオーステナイト粒径が変化するので、加熱温度
が高いほど同じｙでもＸは小さくなる傾向にある。本発
明で限定したｙの範囲内について、その下限を直線で近
似するとｙとＸの関係は以下の式で近似できる。

Ｚｏｇｘ＝２．３−０．１８　・Ｙ 従って、 ｘ、、　ｌ　Ｑ　（１３−０，１１Ｆ）但し、ｘ：’Ｃ
／秒 従って、いずれの化学成分においてもオーステナイト域
からの冷却速度をｙの値から計算されるｘ℃／秒より小
さくすれば旧オーステナイト粒界より先ず、フェライト
が変態し、本発明の条件に基づいた適切な温度で適切な
時間保持した後、焼入れれば、粒界脆化感受性を低減す
ることが可能となる。

さらに本発明においては加熱温度をＡｃ、変態点以上１
１００°Ｃ以下のオーステナイト域に限定している。こ
れは加熱温度がへ〇、変態点以上でない場合には未変態
の組織が残存するため強度が低下し、且つ靭性にも悪影
響を及ぼすためであり、１１００°Ｃを超えると、オー
ステナイト粒が粗大化し、焼入れ焼戻しままでも靭性が
劣化したり、粒度が大きいことにより粒界脆化感受性が
高まるためである。

以上のような条件下で焼入れた後、ＡＣ４変態点以下の
適当な温度で焼戻して目的に応じて強度を調整して使用
に供する。焼戻し温度をＡｃ、点以下としたのは焼戻し
温度がＡｃｎ点を超えると再変態して靭性に悪影響を及
ぼす組織が出現するおそれがあるためである。

（実施例） 第２表に本発明により製造した鋼材の焼入れ焼戻し処理
ままのシャルピー特性（ｖＴｒｓ）、及び６００°ＣＸ
２時間保持後炉冷の脆化処理による靭性劣化度（脆化処
理後のｖ　Ｔｒｓ−焼入れ焼戻しままのｖＴｒｓ　）を
本発明の限定範囲外の組成、製造法により製造した比較
鋼の結果と対比して示す。

なお、焼入れ開始温度までの冷却速度は実質的に変態に
寄与する領域の冷却速度ということで、８００〜６００
℃までの平均冷却速度で示した。

表中、冷却速度が０．７〜０．８°Ｃ／秒のものはいず
れも放冷によるものであり、２０．０°Ｃ／秒のものは
水冷型加工熱処理（ＴＭＣＰ）設備を用いてノズル吐出
水量を調節するこことにより制御した。焼入れはいずれ
も水冷とした。

麹１〜阻８が本発明により製造した鋼材である。

成分はパラメータｙの値で２．０１〜７．５７まで広い
範囲にわたワており、成分や加熱温度に応じて焼入れ焼
戻しままでのｖ　Ｔｒｓは様々であるが、脆化度は最大
Δｖ　Ｔｒｓで＋２１°Ｃと非常に低くなっている。

一方、比較鋼隘９、Ｎ１１ｌＯは成分としてはそれぞれ
本発明のｋｌ　ｋ４と同一であるが、加熱温度から直接
焼入れでいるため、本発明により製造した鋼Ｎ１１ｌＳ
Ｎａ４よりΔｖ　Ｔｒｓで約２０〜４０°Ｃ程度大きく
なっている。また、比較鋼Ｎ１１ｌｌはパラメータｙが
本発明の範囲を超えているため、焼入れ開始温度までの
冷却速度は本発明範囲内にあるものの、そのときのＡｒ
ｓ変態点が低くなりすぎてフェライトが生成せずに上部
ベイナイト組織に変態したため、Ｎｉ量が多いにも関わ
らず焼入れ焼戻しままの靭性も劣る上に、粒界脆化感受
性も高い、比較鋼ＮＣＬ１２は逆にｙの値が本発明範囲
に比べて低いため、組織制御ができず、フェライト量が
多くなりさらに残部が上部ベイナイト組織となってしま
ったため、焼入れ焼戻しままでの靭性が低い。さらに、
Ｉｋ１３は本発明により製造した鋼に３と同一成分であ
るが、焼入れ開始温度までの冷却速度が本発明の範囲よ
り大きいため、フェライトが生成せず、全体が下部ベイ
ナイト＋マルテンサイト混合組織となったため、焼入れ
焼戻しままでの靭性は非常に良好ではあるが、ΔｖＴｒ
ｓが非常に大きく、粒界脆化感受性が大である。

以上の実施例から、本発明の製造方法によれば、不純物
元素を特別低減しなくとも、また合金元素についても大
きな制約なしに脆化処理後の靭性劣化を低減できること
が明白である。

（発明の効果） 本発明は焼入れ時の熱履歴を工夫することにより不純物
低減や、特定の合金元素の制約無しに粒界脆化感受性を
著しく低減できる調質高張力鋼の製造方法を見出したも
のであり、本発明によって、鋼材価格の上昇や、他の特
性の劣化を招かずに粒界脆化感受性の低い鋼材を製造で
きるようになり、産業上の効果はきわめて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼入れ開始温度及び焼入れ開始温度における保
持時間と粒界脆化感受性（ｌｆｋ化処理後のｖ　Ｔｒｓ
−焼入れ焼戻しままのｖ　Ｔｒｓ）との関係を示す図で
あり、第２図は第１図の実験の熱処理条件を模式的に示
した図、第３図は旧オーステナイト粒界から初析フェラ
イトが生じ得る限界の冷却速度、ｘ　’Ｃ／秒と焼入れ
性を表わすパラメータｙとの関係を示す図である。 ） 第１図 メ克入Ｎｌ＠ｔＪＪｔ−（’ｃ） 大丸入ｈＪｆ、＋牛 第３図 へ〇ラメータ　メ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 焼入性を表わす下記のパラメータｙが２．０〜８．０で
   ある鋼材をＡｃ＿３変態点以上１１００℃以下のオース
   テナイト域に加熱保持後、下記式で示されるｘ℃／秒よ
   り小さい冷却速度でＡｒ＿３変態点から〔Ａｒ＿３変態
   点−５０℃〕の範囲内の温度まで冷却し、当該温度にて
   ０〜１０分保持後、焼入れし、さらにＡｃ＿１変態点以
   下の温度に再加熱保持して焼戻すことを特徴とする粒界
   脆化感受性の低い調質高張力鋼の製造方法。 但し、 ｙ＝０．３４×〔Ｃ（重量％）〕＾１＾／＾２×〔１＋
   ０．６４×Ｓｉ（重量％）〕×〔１＋４．１０×Ｍｎ（
   重量％）〕×〔１＋０．２７×Ｃｕ（重量％〕×〔１＋
   ０．５２×Ｎｉ（重量Ｚ）〕×〔１＋２．３３×Ｃｒ（
   重量％）〕×〔１＋３．１４×Ｍｏ（重量％）〕 ｘ（℃／秒）＝１０＾（＾２＾・＾３＾−＾０＾．＾１
   ＾８＾・＾ｙ＾）