JPH03243744A - 耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼 - 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、１２５　ｋｇｆ／ａｍ”以上ノ引張す強すヲ
有し、且つ、耐遅れ破壊性に優れた高張力ボルトやＰＣ
鋼棒、更に大型機械用の高張力鋼板などの機械構造用鋼
に関するものである。

（従来の技術） 近年、特に構造物の大型化、自動車やトラック、土木機
械等の軽量化に伴い引張り強さが１２５　ｋｇｆ／Ｗｚ
以上の機械構造用鋼、特に高張力ボルトやＰＣ鋼棒の開
発が要求されてきている。

従来、一般に１００　ｋｇｆ／ａｍ”以上の引張り強さ
を有する機械構造用強靭鋼は、例えば、０．３５％Ｃ−
１，０％Ｃｒ−０，２％Ｍｏの組成を有するＪＩＳ　Ｇ
　４１０５に規定されたＳＣＭ４３５の低合金鋼や、０
．３１％Ｃ−０，８％Ｃｒ−１，８％Ｎ１−（Ｌ２％門
０の組成を有するＪＩＳＧ４１０３４．：規定されたＳ
ＮＣＭ４３１（７）低合金鋼や、更ニ０．２％Ｃ−０，
８％Ｃｒ−０，００２％Ｂの組成を有するボロン鋼など
の熱間圧延材に焼入れ焼戻し処理を施すことによって製
造されている。

しかし、これらの機械構造用鋼を実用に供した場合、１
２５　ｋｇｆ／ｍ＋＋＋”以上の引張り強さを有するも
のにおいては、使用中に遅れ破壊を生じる場合があるこ
とから、高張力ボルトやＰＣ鋼棒をはしめとして自動車
や土木機械の重要保安部品としては品質の安定性に欠け
るという問題があった。

なお、遅れ破壊とは、静荷重下におかれた綱がある時間
経過後に突然脆性的に破断する現象であり、外部環境か
ら鋼中に侵入した水素による一種の水素脆性とされてい
る。

このようなことから上記の機械構造用鋼においては、実
用上その強度レヘルが引張り強さで１２５ｋｇ　ｆ　／
　ｍｍ　２以下に制限されているのが現状であり、例え
ば高力ボルトに関しては、ＪＩＳ　Ｂ　１１８６（１９
７９）の「摩擦接合用高力六角ボルト、六角ナツト、平
座金セット」においてＦ８Ｔ　（引張り強さ：８ｏ〜１
００ｋｇｆ／ｍｎ＋”）　、Ｆ　１０　Ｔ　（同１００
〜１２０ｋｇｆ／ｍｍ”）、及びＦＩ　ＩＴ　（同１１
０〜１３０　ｋｇｆ／＋＋ａｚ）の３種に規定され、し
かもＦＩＩＴについては、なるべく使用しないことと注
意事項が付されている。

また、土木建設機械用として耐摩耗性の要求される鋼板
においても、引張り強さが１２５　ｋｇｆ／ｍｍ２を超
えるものでは使用中の遅れ破壊が問題とされている。

これに対して、上記の通常の低合金鋼より耐遅れ破壊性
の優れた鋼として、例えば１８％Ｎｉ−７，５％Ｃｏ−
５％Ｍｏ　−０，５％Ｔｉ−０，１％ＡＩの組成を有す
る１８％Ｎｉマルエージング鋼があり、この鋼は、引張
り強さが１５０　ｋｇｆ／ｎｕｎ２程度のものまで遅れ
破壊の発生の恐れなく使用できるが、きわめて高価な綱
であるため、経済性の点で一部のきわめて限られた用途
にしか実用化されておらず、機械構造用として広く使用
されるには至っていない。

これに対して、経済的であり、高強度且つ耐遅れ破壊性
に優れた構造用鋼として、例えば特開昭６１−１１７２
４８号、特開昭６１−１３０４５６号、特開昭６２−８
６１４９号、特開昭６３１９９８２０号及び特開昭６４
−４７８３５号等の各公報に各種成分の高強度鋼及びそ
れらの製造法が開示されている。

しかしながら、これらの１２５　ｋｇｆ／ｍ＋”を超え
る引張り強さを有する鋼でも、例えば橋梁用高張力ボル
トに使用できるほど完全に遅れ破壊の発生する危険を払
底できるものではなく、それらの適用範囲は確定できる
ものでもないし、また十分なものでもない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記した産業界の要求に答えるべく１２５　ｋ
ｇｆ／ｍｍ”以上の引張り強さを有し、且つ耐遅れ破壊
性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的とするも
ので、例えば橋梁用高張力ボルト等と異なり、定期的な
補修或いは取替えを前提とし、一定期間、例えば５００
０時間以内の遅れ破壊の発生の恐れのない１２５　ｋｇ
ｆ／ｌｌｌｌ１２以上の引張り強さを有する機械構造用
鋼を提供することを目的とする。

このような用途としては、各種構造物用高張力鋼、自動
車、土木機械、産業機械用のボルト用鋼及び高張力鋼板
があり、これらにこの発明鋼を使用することによって上
記した産業界の要求に答えることが可能である。

即ち、本発明は、橋梁用高張力ボルトはどの耐遅れ破壊
性でなくても所定の期間の間遅れ破壊の発生する危険が
なく、従って定期的な補修或いは取替えを前提とする部
品等に好適に使用できる１２５　ｋｇｆ／ｍａｄ”以上
の引張り強さを有する機械構造用鋼を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した本発明の目的を達成するために、本発明者等は
、鋭意実験、研究を重ねた結果、５ｏｏｏ時間以上の期
間にわたり遅れ破壊が発生せず、かつ１２５　ｋｇｆ／
ａ”以上の引張り強さを有する綱を得るためには、以下
に示す条件を満足することが有効であることを知見した
。即ち、 （ａ）　　低Ｐ、低Ｓ化による粒界偏析の軽減及び清浄
化、低Ｍｎ化が耐遅れ破壊性の改善に有効であること。

（ｂ）　　ＮｂをＣｒ、　Ｍｏと共に複合添加し、かつ
Ｎｉｌを制御すれば鋼の細粒化が著しく促進され、それ
に伴う粒界偏析の軽減が耐遅れ破壊性の改善に有効であ
ること。

（ｃ）　　ＮｂとＣｒ、　Ｍｏ及びＣｕとの複合添加は
鋼の焼戻し軟化抵抗を著しく高め、それによって高い焼
戻し温度の採用が可能となり、耐遅れ破壊性の改善に有
効であること。

本発明は、上記した知見に基づいて成されたものであり
、その要旨とするところは、重量％で、Ｃ：　０．３０
〜０．５０％、Ｓｉ　：　０．０５〜０．５０％、Ｍｎ
　：　０．５０％未満、Ｐ：０．０１５％以下、ｓ二ｏ
、ｏ１％以下、Ｃｕ：　０．０１〜０．６０％、Ｃｒ　
：　０．１〜５．０％、Ｍｏ　：　０．０１〜０．８０
％、Ｎｂ　：　０．００５〜０．２０％、ＡＩ　：　０
．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％
を含有し、必要に応して更に、 ■　Ｎｉ　：　０．０５〜０．６０％ ■　Ｚｒ　：　０．１５％以下、Ｔｉ　：　０．０１〜
０．１０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％のうち
の一種以上のどちらか一区分又は両区分を含み、この場
合区分■の元素を含む場合にはＮに代えて、Ｎ＊＝Ｎ−
−（Ｚｒ／６．４２）−（Ｔｉ／３．４３）　　（Ｂ１
０．７８）を満足するＮ”をｏ、ｏｏｓ〜０．０３０％
含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避的不純物からな
る成分と、焼入れ焼戻し組織からなる１２５　ｋｇｆ／
＋ｍａ”以上の引張強さを有する耐遅れ破壊性に優れた
機械構造用鋼である。

（作　　用） 以下に、本発明における鋼の成分組成及び組織ノ限定理
由について述べる。

（Ａ）成分組成 Ｃ：Ｃは鋼の焼入性増加、強度増加に加えて細粒化のた
めにも有効な成分であるが、その含有量が０．３０％未
満では焼入性の劣化を来たし、また所望の強度を確保す
ることが出来ず、一方、０．５０％を超えて含有させる
と焼入時の焼割れ感受性が増大し、また他の合金成分と
関連して靭性劣化を招くことから、本発明ではその含有
量を０．３０〜０．５０％と定めた。

Ｓｉ　：　Ｓｔは綱の脱酸及び強度増加のために有効な
元素であるが、その含有量が０．０５％未満では前記作
用に所望の効果が得られず、他方、その含有量が０．５
０％を超えると偏析して靭性の劣化をきたす場合がある
ため、本発明ではその含有量を０．０５〜０．５０％と
定めた。

Ｍｎ　：　Ｍｎは脱酸の他、焼入性向上に有効な元素で
あるが、多量に含有させると粒界脆化現象が生じ、遅れ
破壊の発生を促進する。更に、ＭｎはＳと結合して、こ
れが割れの起点となることからも、耐遅れ破壊性の改善
のためには極力その含有量を低下させなければならない
。従って、耐遅れ破壊性の改善を目的とする本発明では
Ｍｎの含有量を０．５０％未満とした。

ＦＤＰはいかなる熱処理を施１．７てもその粒界偏析を
完全に消滅することはできず、かつ粒界強度を低下させ
耐遅れ破壊性を劣化させるため、本発明ではその上限を
０．０１５％とした。

ＳＯ３は上述したようにＭｎと結合して割れの起点とな
り、更に単独でも粒界に偏析して脆化を促進するため、
極力その含有量を低く制限することが必要である。従っ
て、本発明ではＳを０．０１％以下とした。

Ｃｕ　：　Ｃｕは本発明において重要な元素であり、外
部環境からの鋼中への水素の侵入を抑制すると共に、Ｎ
ｂ、　Ｍｏ及びＣｒと複合添加させることによって鋼の
焼戻し軟化抵抗を著しく高めることができるので高い焼
戻し温度がとれることと相俟って耐遅れ破壊性を著しく
改善する作用を有する。

しかし、その含有量が０．０１％未満ではその効果が小
さく、一方、０．６０％を超えて含有させると熱間加工
性及び靭性の劣化をきたすので、本発明ではＣｕの含有
量を０．０１〜０．６０％とした。

Ｃｒ　：　Ｃｒは綱の焼入性を向上させ、かつ鋼に焼戻
し軟化抵抗を付与する作用がある。特にＭｏ、　Ｎｂ、
Ｃｕとの複合添加で著しい焼戻し軟化抵抗を鋼に付与す
るが、その含有量が０゜１％未満では前記作用に所望の
効果が得られず、他方、Ｃｒは高価な合金元素であるた
め経済性を考慮し、本発明ではその含有量を０．１〜５
．０％と定めた。

Ｍｏ　：　Ｍｏは鋼の焼入性を向上させ、かつ鋼に焼戻
し軟化抵抗を付与する作用があり、特にＣｕ、　Ｃｒ、
Ｎｂとの複合添加で焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させ
、高い焼戻し温度の採用を可能にして耐遅れ破壊性の改
善にも有効である。しかしその含有量が０．０１％未満
では前記作用に所望の効果が得られず、一方、０．８０
％を超えて添加してもその効果は飽和し、コストの上昇
を招くだけであるため、本発明ではその含有量を０．０
１〜０．８０％と定めた。

Ｎｂ　：　Ｎｂは綱の強度、靭性の向上と細粒化及び冷
間成型後の焼入れ処理時の粗粒化防止に対して効果を有
し、特にＣｒ、　Ｍｏとの複合添加で著しく鋼を細粒化
し、焼戻し軟化抵抗も著しく高めるので耐遅れ破壊性の
改善に極めて有効な元素である。

しかしながら、その効果を確保するためには、０．００
５％以上の含有が必要である。一方、０．２０％を超え
て添加するとその効果は飽和し、かつコスト的に高くつ
くので、本発明ではその範囲をｏ、ｏｏｓ〜０．２０％
とした。

Ａｌ　：　Ａｌは鋼の脱酸の安定化、均質化および細粒
化を図るのに有効であるが、０．００５％未満では所望
の効果を得ることができず、一方、０．１０％を超えて
含有させてもその効果は飽和してしまい、また介在物の
増大により疵が発生し、靭性も劣化するので、本発明で
はその含有量を０．００５〜０．１０％と定めた。

ＮＵＮは本発明において重要な元素である。すなわち、
Ｎは鋼の細粒化を図り、耐遅れ破壊性を改善するのに有
効な元素であるが、低合金鋼において０．０３０％を超
えて添加することは難しいため、その含有量をＯ，０３
０％以下とした。一方、Ｎ量が０．００５％未満のとき
には、断面減少率で５０％以上の冷間加工を施した後に
焼入れするとオーステナイト粒が粗大化して耐遅れ破壊
性が劣化することが本発明者らの研究によって明らかと
なったので、下限を０．０Ｏ５％とした。

Ｎｉ　：　Ｎｉは鋼の靭性を向上させるのに有効な元素
である。しかしその含有量が０．０５％未満では前記作
用に所望の効果が得られない。一方、Ｎｉは高価な合金
元素であるため経済性を考慮して本発明ではその含有量
を０，０５〜０．６０％とした。

Ｚｒ　：　Ｚｒは鋼中に炭化物を球状微細に分散させて
耐遅れ破壊性を一層改善させる効果を有するため、特に
高強度の鋼の場合に、高い耐遅れ破壊性を確保する目的
で含有させるとよいが、０．１５％を超えると靭性劣化
をきたすのでその含有量を０．１５％以下とした。しか
し、０．０１％未満ではその効果が小さいため、含有量
の好ましい範囲は０．０１〜０，１５％である。

Ｔｉ及びＢ：Ｔｉ及びＢには鋼の焼入性を一段と向上さ
せる作用があるので１．特に鋼製品寸法が大きい場合に
高強度を確保する目的で含有させるとよいが、夫々Ｔｉ
が０．０１％未満、Ｂが０．０００３％未満では、前記
作用に所望の効果が得られず、またＴｊが０．１０％、
Ｂが０．００５０％を超えて含有させると綱の靭性及び
耐遅れ破壊性が劣化するようになり、かつＴｉにおいて
は切削性も劣化するようになる。従って本発明ではＴｉ
及びＢについてその含有量を夫々Ｔｉを０．０１−０．
１０％、Ｂは０．０００３〜０．００５０％と定めた。

Ｎ”　；　Ｚｒ５Ｔｉ、、ＢはＮとの結合力が強いため
、たとえＮが０．００５％以上含まれていてもｚｒ、　
Ｔｉ、Ｂとの化合物に消費されてしまい冷間加工後の焼
入れ処理でオーステナイト粒の粗大化を生じて耐遅れ破
壊性の劣化をきたす。このときＺｒ、Ｔｉ、　Ｂと化合
物を形成した残りのＮであるＮ９として０．００５％以
上含有しておればオーステナイト粒の粗大化を生じない
のでＮ″″の下限をｏ、ｏｏｓ％とした。一方、低合金
鋼でＮｏを０．０３０％を超えて添加することは難しい
ため、Ｎｏの含有量はｏ、ｏｏｓ〜０．０３０％とした
。

（Ｂ）＆ＩＩ織 上記した成分組成を有する鋼であっても、１２５）ｃｇ
　ｆ　／　ｍ　”以上の引張り強さと良好な耐遅れ破壊
性とを具備させるには、通常の熱間圧延を行い、圧延後
直ちに焼入れするか、又は再加熱してから焼入れを施し
て低温変態生成物（マルテンサイトやベイナイト）とな
し、これを焼戻しした所謂焼入れ焼戻し組織とすること
が必要である。

即ち、焼ならし材、焼ならし焼戻し材、圧延のまま材、
圧延材を焼戻ししたものといった高温での変態生成物で
ある高温へイナイト、フェライト、パーライトを主とす
る組織では安定して引張り強さで１２５　ｋｇｆ／ｍｍ
”以上の高強度を得難く、耐遅れ破壊性と引張り強さで
ｉ２５　ｋｇｆ／ｍｍ”以上の高強度を共に得ようとす
る本発明の所期の目的を遠戚することができない。一方
、焼入れままの鋼は引張り強さは高いが、降伏点が低く
機械構造用鋼として使用される場合に使用中に応力緩和
の増大が生し、さらに焼入れままでは耐遅れ破壊性、靭
性、加工性などが良好でないという問題がある。

従って、鋼に所定の強度と耐遅れ破壊性を付与するため
には焼入れ後焼戻し処理して、鋼の組織を焼入れ焼戻し
ｖＡ織とする必要がある。

（実　施　例） 次に本発明を一実施例により比較例と対比しながら説明
する。なおこれらの実施例は本発明の効果を示す例示で
あって、本発明の技術的範囲を何等制限するものでない
ことは勿論である。

先づ通常の方法によって下記第１表に示す成分組成の鋼
（符号Ａ−３）を溶製した。綱Ａ−Ｌは、本発明の範囲
内の組成を有しているものであり、鋼Ｍ−３は第１表中
本印を付した点で、本発明の範囲から外れた組成のもの
である。

これらの溶製した鋼を連続鋳造法、或いは造塊法にて鋼
片となした後、１２００〜１２５０’ｃに加熱後通常の
方法で１５〜２８閣厚さの鋼板に熱間圧延し、次にこれ
を８５０〜１０２０’Ｃの温度から、熱間圧延後直ちに
焼入れを施す直接焼入れ、あるいは前記温度域に再加熱
した後焼入れする再加熱焼入れを行った後、２００〜６
８０°Ｃの温度で焼戻しして、その組織が焼入れ焼戻し
組織で、その引張り強さが１２５ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ　
”以上となるように調整して遅れ破壊特性を調査した。

その結果を第２表に示した。

なお、遅れ破壊の発生有無の確認は、くさび挿入型の遅
れ破壊試験方法によった。

即ち、第１図（イ）に示すような形状、寸法の試験片の
ノツチ部（第１図（ロ）に示す）に第１図（ハ）に示す
ようなくさびを挿入して静荷重をかけ、これを５５°Ｃ
に保持した温水中に入れ、割れの発生時間を観察したの
である。なお、第１図中において数字は篩の単位の長さ
を示す。

試験環境として５５′Ｃの温水中は、実使用環境の最も
厳しい環境に（・目当する。従って、得られた遅れ破壊
時間は実使用のうちもっとも厳しい環境での遅れ破壊発
生時間に相当すると考えられる。

また、耐遅れ破壊性の一つの判断基準を５０００時間と
した。

この５０００時間を・一つの判断基準としたのは、３γ
月を機材の定期的な補修あるいは点検期間と仮定し、そ
の約２倍の誤差を見積もったからである。

第２表より、本発明の鋼は遅れ破壊発生時間が長く耐遅
れ破壊性に優れていることが明らかである。

即ち、本発明によると１２５　ｋｇｆ／ｍｍ”以上の引
張り強さを有し、かつ５０００時間以上の期間にわたり
遅れ破壊を発生しない機械構造用鋼を得ることができ、
前述したように定期的補修または取替を前提とし、必要
な耐遅れ破壊性の程度の明確な用途の鋼材には、本発明
による機械構造用鋼を広範囲に使用できる。

（発明の効果） 上記した如く、本発明は１２５　ｋｇｆ／ｍｕ”以上の
引張り強さを有し、かつ耐遅れ破壊性に優れた機械構造
用鋼で、定期的な補修或いは取替えを前提とした一定期
間内での遅れ破壊の発生の恐れのない各種構造物用高張
力鋼、自動車、土木機械、産業機械用のボルト用鋼に廉
価な低合金高強度鋼として提供することができる産業上
有効な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例で実施した遅れ破壊試験で用いた試験
片と、くさびの形状および寸法を示す図であり、（イ）
は試験片を示し、（ロ）は試験片のノツチ部の詳細を示
し、（ハ）は試験片のノツチ部に挿入して負荷を加える
ためのくさびを示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０
   ．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．５０％未満、Ｐ：０．
   ０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：０．０１〜
   ０．６０％、Ｃｒ：０．１〜５．０、％、Ｍｏ：０．０
   １〜０．８０％、Ｎｂ：０．００５〜０．２０％、Ａｌ
   ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００５〜０．０３
   ０％を含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避的不純物
   からなる成分と、焼入れ焼戻し組織からなることを特徴
   とする１２５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上の引張強さを有する
   耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼。
2. （２）成分元素として、更にＮｉ：０．０５〜０．６０
   ％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐遅れ破
   壊性に優れた機械構造用鋼。
3. （３）請求項１又は２記載の耐遅れ破壊性に優れた機械
   構造用鋼において、Ｎに代えて、 Ｎ＾＊＝Ｎ−（Ｚｒ／６．４２）−（Ｔｉ／３．４３）
   −（Ｂ／０．７８）を満足するＮ＾＊を０．００５〜０
   ．０３０％含有し、更にＺｒ：０．１５％以下、Ｔｉ：
   ０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５
   ０％のうちの一種以上を含有することを特徴とする耐遅
   れ破壊性に優れた機械構造用鋼。