JPH0797624A - 高振動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制振性に優れ、かつ高い強度と靱性を有する
制振性鋼板の製造方法を提供する。 【構成】 Ｆｅ−（１．０〜７．０）％Ａｌ−（０．０
５〜１．５０）％Ｃｕ系制振鋼板において、Ｃｕによる
析出強化を目的とした４５０〜７００℃での最終熱処理
に先立ち、室温で１〜５％歪みを付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、構造物の部材に用い
て好適な機械構造用鋼に関し、とくに振動や騒音を抑制
しうる振動減衰特性に優れる、引張強さが400MPa以上の
機械構造用鋼の製造方法を提案しようとするものであ
る。近年、鉄道橋梁や自動車用道路橋など大重量の通過
車両の移動に伴う激しい振動を始めとして、とくに居住
地域に近接して立地した工場や作業場などの施設ないし
は構造物に生じる振動ないしはそれらに伴われる騒音
が、社会問題とされる風潮が著しい。

【０００２】このための対策としては、吸音材料や遮音
材料あるいは振動絶縁材料を使用したり、また構造物の
剛性を増大させて共鳴を回避したりする種々な手法が講
ぜられているが、実際にはその騒音源となる振動は複雑
で、その原因を排除することは一般には困難である。そ
こで構造部材としての材料自体に振動減衰特性いわゆる
制振性を付与して、それによる構造物の振動、騒音の抜
本的な改善を図ろうとする方法が注目されている。

【０００３】

【従来の技術】上記の制振性を付与した鋼材について、
すでにいくつかの提案が行われている。例えば、特公昭
60-26813号公報には、低降伏点でかつ粗大粒とする防振
鋼材の製造方法が提案されている。また特開昭52-14431
7 号公報には、3 〜40wt% CrでさらにTi、Alを添加した
防振鋼が、さらに特開昭57-181360 号公報には、1.5 〜
9 wt% Alを含有する制振厚鋼板が、そして特公昭57-229
81号公報には、4 〜7 wt% Cr、3 〜5 wt% Alを含有する
制振性を有する鋼材がそれぞれ開示されている。

【０００４】しかし、いずれの鋼材も比較的低強度であ
り、構造部材としての適用に制限を受け、また制振性が
十分でなかったり、合金成分が多量に添加されて高価で
あり、かつ溶接や加工性に問題を残していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の諸問題を解決し、量産が可能であり、高い制振性を有
し、靱性に優れる、比較的安価な、振動減衰特性に優れ
た引張強さが400MPa以上の機械構造用鋼を工業的規模で
安定して量産できる製造方法を提案することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】強磁性体の鋼では、磁気
スピンが揃うのに対応して結晶格子には歪( 磁歪) が生
じていて、主にこの影響を受けて内部は磁区に分割され
ている。このような鋼に外力 (振動) が加わると、磁歪
との相互作用によって磁区壁が移動する。すると強磁性
体内部に生じるこの磁区壁の移動すなわち磁化の変化を
打ち消すように渦電流が生じ、この渦電流は、逆に磁歪
を通じて歪みを引き起こす。この歪みは、外力に対して
位相が遅れるので、いわゆる磁気−力学的ヒステリシス
型の内部摩擦により振動減衰特性が現れる。これについ
ては、例えば純鉄が制振性に優れることについて知られ
ているとおりである。

【０００７】しかし、純鉄は、強度が低く、また靱性の
面からも構造部材としての適用には問題がある。これに
対し、本発明者らは先に、Mn量を0.08wt% 以下に低減し
たほぼ純鉄組成になる鋼にCuを添加し、さらにAlを1.0
〜7.0%添加することで、高い振動減衰能を維持しつつ、
しかも構造材としての強度と靱性とを兼ね備える鋼板お
よびその製造方法を提案した( 特開平4-13847 号公報お
よび特開平4-80320 号公報参照)。

【０００８】本発明者らは、上記の鋼の強度および靱性
をさらに向上させるべく種々検討を重ねた結果、上記の
鋼の製造過程において、Cu析出を目的とした最終熱処理
の前に室温で1 〜5%加工を加えることで制振性を損なう
ことなしに強度、靱性をさらに向上させ得ることを見出
した。上記の知見に基づき、先願鋼に比べ強度、靱性を
さらに向上させたこの発明は、C:0.02wt% 以下、Si:0.0
2 wt% 以下、Mn:0.08 wt% 以下、Cu:0.05 〜1.50wt%、A
l:1.0〜7.0 wt% 、N:0.0080wt% 以下を含有し、残部はF
eおよび不可避的不純物よりなる鋼材を、1000〜1300℃
に加熱後、圧延仕上げ温度を650 〜1000℃とする熱間圧
延を施し、引き続き冷却速度0.1 ℃/ s 以上で室温まで
冷却を行い、ついで800 〜1300℃に加熱保持する中間熱
処理を施した後、室温で1 〜5%の冷間加工を行い、さら
に、450 〜700 ℃に保持する最終熱処理を施すことを特
徴とする高振動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方法
であり、またこの発明は、C:0.02wt% 以下、Si:0.02 wt
% 以下、Mn:0.08 wt% 以下、Ni:0.05 〜1.50wt% 、Cu:
0.05 〜1.50wt% 、Al:1.0〜7.0 wt% 、N:0.0080wt% 以
下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物よりなる鋼
材を、1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度を650〜1
000℃とする熱間圧延を施し、引き続き冷却速度0.1 ℃/
s 以上で室温まで冷却を行い、ついで800 〜1300℃に
加熱保持する中間熱処理を施した後、室温で1〜5%の冷
間加工を行い、さらに、450 〜700 ℃に保持する最終熱
処理を施すことを特徴とする高振動減衰能を有する機械
構造用鋼の製造方法である。

【０００９】

【作用】この発明において、成分組成を上記の範囲に限
定した理由についてまず説明する。 C:0.02wt% 以下 C は、通常の鋼では強化成分として含有させるが、この
発明鋼では、Cuの析出による強化作用を利用するので、
強化成分としての量は必要ない。むしろC 含有量が0.02
wt% を越えると、制振性を劣化させるので、0.02wt% 以
下に限定した。 Si:0.02 wt% 以下 Mn量を低減した鋼への0.02wt% を越えてのSi添加は制振
性を劣化させるので、0.02wt% を上限とした。 Mn:0.08%以下 Mnは、Cu添加により強化する際に、靱性に悪い影響を与
えるので、その含有量は低いほど好ましく、その含有量
の上限は0.08wt% であるので0.08wt% 以下に限定した。 Cu:0.05 〜1.50% Cuは、時効処理により微細なε-Cu として析出させて、
鋼を強化させる成分であり、Mn含有量を低下させた鋼に
Cuを含有させることにより、制振性を損なうことなしに
強度と靱性を両立させることができる。したがってこの
発明では必須の成分であるが、Cu含有量が0.05% に満た
ないとその効果に乏しく、一方1.50% を越えて含有させ
ると熱間割れを生じる恐れがあるので0.05〜1.50% の範
囲とした。 Al:1.0〜7.0% Alは、Mnを0.08% 以下に低減し、ほぼ純鉄組成になる鋼
において振動減衰特性を向上させるが、その含有量が1.
0%に満たないとその効果がなく、一方、7.0%を越える含
有では溶接部の靱性が劣化するので含有量は1.0 〜7.0%
の範囲とした。 N:0.0080% 以下 N は、その含有量が低い方が制振性および靱性の面から
好ましく、許容できる上限は0.0080% 以下である。

【００１０】この発明の鋼は、第二発明において以上の
成分に加えてさらにNiを0.05〜1.50% 含有させる。 Ni:0.05 〜1.50wt% Niは、Cuの添加に由来する熱間割れの傾向を制振性を損
なうことなしに抑えることができる。Ni量が0.05% に満
たないとその効果に乏しく、一方1.50% を越えると経済
的でないという不都合が生じるのでNi量は、0.05〜1.50
% の範囲とした。

【００１１】上記成分の他、この発明では不純物成分と
してP 、S をそれぞれ0.01% 、0.005 wt% まで許容でき
る。P は、その含有量の増加とともに制振性を劣化させ
るが、0.01% まで許容できるので上限を0.01% とする。
S は、P 同様、制振性に好ましくない成分であり、その
含有量が0.005%を越えると制振性がとくに劣化する。し
たがってS 含有量は0.005%を上限とする。

【００１２】つぎに、圧延条件および熱処理条件の限定
理由について以下に説明する。この発明の製造方法の技
術骨子は、(1) 熱間圧延終了時にCu析出が生じていない
で、かつ十分な圧延歪みが鋼素材に蓄積される熱間圧延
およびその後の冷却条件を選定し、(2) 次に行う中間熱
処理においてこの圧延歪みを利用した結晶粒の粗大化お
よび整粒化および均質固溶化を図り、(3) 次いで室温で
の軽圧下により転位を導入し、最終熱処理で析出するCu
の核生成場所を増すことでε-Cu を微細かつ均一に析出
させ強度と靱性の向上を図るものである。かかる結晶粒
の粗大化および整粒化により振動減衰特性を向上させ、
さらにε-Cu の微細分散により鋼材の強度および靱性を
ともに高めることができる。以下具体的に説明する。

【００１３】熱間圧延に先立つ鋼材の加熱温度は、熱間
圧延が可能な温度とし、かつ結晶粒の粗大化、固溶成分
の均質固溶化を図るために1000〜1300℃とした。加熱温
度が1000℃に満たないと鋼によっては合金成分の均質固
溶が十分でなく、一方1300℃を越えると鋼表面の酸化が
著しく、また加熱費など操業上不利である。熱間圧延の
圧延仕上げ温度は、Cuの析出を制御しつつ、鋼材に十分
な圧延歪みを蓄積させ結晶粒の粗大化を容易にさせるた
めに650 〜1000℃の範囲とした。650 ℃に満たないとCu
の析出が生じ、また混粒組織が著しく発達し安定した振
動減衰特性が損なわれるばかりでなく、圧延に要する時
間が増大し、製造コスト上不利になる。一方、圧延仕上
げ温度が1000℃を越えると、被圧延材への圧延歪みの導
入、蓄積が不十分であり、その後の中間熱処理での粒粗
大化が十分でない。

【００１４】熱間圧延に引き続く冷却は、Cu析出の制御
と圧延歪みの凍結を目的とし、0.1℃/s以上の冷却速度
が必要である。なお冷却速度の上限は、この発明ではと
くに制限するものではない。工業的に実施可能な範囲と
しては、60℃/s程度以下である。中間熱処理の温度は、
圧延歪みを利用した結晶粒の粗大化、整粒化および合金
成分の均質固溶化から800 〜1300℃とした。なおAlを1
〜2%未満含有する場合は、その上限はフェライト単相と
なる900 〜950 ℃が望ましい。1 〜2%未満Al含有鋼では
950 〜1000℃でフェライト→オーステナイト変態が生
じ、細粒組織となって制振性能が低下する恐れがある。
2%以上のAlを含有する場合は、フェライト単相となって
処理温度が高温であるほど制振性向上に好ましいが、13
00℃を越えると、鋼表面の酸化が著しく、また操業コス
ト面からも不利となるため1300℃を上限とした。一方中
間熱処理温度が800 ℃に満たないと結晶粒の粗大化、整
粒化が不十分であり、また溶質成分も十分固溶しない。
なお加熱保持時間は、熱処理温度および対象鋼の厚みに
よって異なるためとくに限定はしないが、1 時間程度保
持することが好ましい。

【００１５】中間熱処理後の冷却における冷却速度はと
くに限定しない。また冷却終了温度についてはとくに限
定しないが、その後の最終熱処理温度範囲(450〜700
℃) から室温までの任意の温度が望ましい。中間熱処理
冷却後の室温での軽圧下は、最終熱処理でε-Cu を微細
かつ均一に析出させるために析出場所となる転位を導入
するために行うが、1%未満の圧下ではその効果が乏し
く、一方5%を越えて圧下すると最終熱処理により歪みが
十分には解放されず制振性を損なうため圧下量は1 〜5%
とした。なお、室温で圧下を加えることにより圧下を加
えることにより圧下を加えない場合に比べε-Cu が微細
均一に分散するため、同じ強度を得るために必要なCu添
加量が低減され経済的にも有利となる。

【００１６】最終後熱処理は、ε-Cu の析出による強度
上昇を目的に行うが、同時に室温で導入された歪みを解
消させて振動減衰特性を安定させる効果を持つ。450 ℃
未満では析出および歪み解放の効果が十分に発揮され
ず、また700 ℃を越えると析出量が十分でなくなるた
め、最終熱処理は450 〜700 ℃の温度範囲とした。なお
この保持時間については、中間熱処理と同様に熱処理温
度および対象鋼の厚みによって異なるためとくに限定は
しないが、1 時間程度保持することが好ましい。

【００１７】この発明の材料は、転炉、電気炉など通常
の溶製、ついで連続鋳造、造塊などの鋳造、さらに圧延
により厚鋼板とすることができる。また厚鋼板に限らず
薄鋼板、形鋼、棒鋼、線材などにも用いることができ
る。

【００１８】

【実施例】表 1に示す種々の成分組成になる鋼を常法に
したがって溶製、鋳造した。各鋼について、表 2に示す
種々の圧延、熱処理を施した。なお、鋼板板厚はいずれ
も25mmであり、冷却速度は焼入れ油の濃度調整および保
温材の使用などによって種々変化させた。機械的特性
は、鋼板中央部から丸棒引張試験片を採取し測定した。
また減衰特性(Q^-1) は、鋼板中央部から1.5mm 厚の短冊
状試験片を採取し機械インピーダンス法で測定した。 Q
^-1が大きな値ほど振動減衰特性が優れることを意味す
る。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】表１において、記号A 〜C はこの発明の鋼
の成分組成になる鋼板である。一方、記号D 〜F はこの
発明の成分組成範囲を外れた成分の比較鋼である。各鋼
の圧延条件、熱処理条件および得られた機械的特性、減
衰特性について表2にまとめて示す。表 2中の区分は、
この発明の実施例を〇印で、比較例を×でそれぞれ示し
たものである。

【００２３】表２から明らかなように、この発明の組成
に適合したものは内部摩擦 Q^-1は比較例に比べて著しく
向上している。またこの発明の組成および製造法に適合
したものはいずれも機械構造用鋼板として要求される機
械的特性を満足しており、しかも最終熱処理前に冷間加
工を施した本発明鋼では冷間加工を施さない先願鋼に比
べ強度、靱性ともに向上しており、かつ制振性は先願鋼
と同等であることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】この発明の製造方法による鋼材は、従来
の構造用材料と遜色のない十分な強度、靱性を有し、高
い振動減衰能をも兼ね備え、しかも工業的に容易に製造
が可能である。本鋼材は機械構造物のあらゆる箇所で、
従来鋼材の代替が可能となり、構造物の振動、騒音を確
実に低減することができ、工業上きわめて有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森影 康 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 天野 虔一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 C:0.02wt% 以下、Si:0.02 wt% 以下、M
   n:0.08 wt% 以下、Cu:0.05 〜1.50wt% 、Al:1.0〜7.0 w
   t% 、N:0.0080wt% 以下を含有し、残部はFeおよび不可
   避的不純物よりなる鋼材を、1000〜1300℃に加熱後、圧
   延仕上げ温度を650 〜1000℃とする熱間圧延を施し、引
   き続き冷却速度0.1 ℃/ s 以上で室温まで冷却を行い、
   ついで800 〜1300℃に加熱保持する中間熱処理を施した
   後、室温で1 〜5%の冷間加工を行い、さらに、450 〜70
   0 ℃に保持する最終熱処理を施すことを特徴とする高振
   動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方法。
2. 【請求項２】C:0.02wt% 以下、Si:0.02 wt% 以下、Mn:
   0.08 wt% 以下、Ni:0.05 〜1.50wt% 、Cu:0.05 〜1.50w
   t% 、Al:1.0〜7.0 wt% 、N:0.0080wt% 以下を含有し、
   残部はFeおよび不可避的不純物よりなる鋼材を、1000〜
   1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度を650 〜1000℃とする
   熱間圧延を施し、引き続き冷却速度0.1℃/ s 以上で室
   温まで冷却を行い、ついで800 〜1300℃に加熱保持する
   中間熱処理を施した後、室温で1 〜5%の冷間加工を行
   い、さらに、450 〜700 ℃に保持する最終熱処理を施す
   ことを特徴とする高振動減衰能を有する機械構造用鋼の
   製造方法。