JPS60125323A - 高強度高靭性鋼の製造方法 - 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】 より詳しくは、熱間加工とそれに続く直接焼入れ処理及
び焼戻し処理によって１強度と靭性がともに優れた鋼板
、鋼管、形鋼等の鋼材をコスト安く製造する方法に関す
るものである。

〈産業上の利用分野〉 近年、土木や建築、造船、エネルギー産業等。

あらゆる分野における各種構造物は益々巨大化する傾向
を見せておシ、これに伴って、よシ高い強度と靭性とを
兼ね備えた鋼が高い安全性の確保と言う見地から強くめ
られるようになってきた。

特に、限られた空間の有効利用を余儀なくされ、更には
エネルギー事情の厳しい変化を避けることができない情
勢を考えると、こうした構造物の巨大化傾向は今後も止
まるところを知らず、それに対処するだめの高強度高靭
性鋼への要求は拡大の一途をたどるものと推測される。

〈従来技術〉 従来、鋼に高強度及び高靭性を付与する手段としては、
鋼の合金元素を調整するととも１（、これ状及び分布状
態を調整すると言う方法が採用されており、そして、前
記焼入れ処理は、鋼を熱間加工した後、完全に常温まで
冷却してから再加熱して行われるのが普通であった。従
って、熱間における加工の直後に鋼材が保有している熱
エネルギーは、すべて無為に捨て去られてしまい、省エ
ネルギーと言う見地から見ると決して好ましいものでは
なかった。

また、この際に、鋼の焼入れ性が不足していたり、或い
は焼入れ時の冷却速度が不十分な場合には、得られる鋼
材製品の焼入れ組織を改善するためにＣｒ　、　Ｍｏ　
、　Ｎｉ等の合金元素を多量に添加して焼入れ性を上げ
たり、或いは冷却速度を上げる意味から例えば冷却水の
水量や水圧等を増すように焼入れ冷却設備を増強したシ
して焼入れすることが行われてきたが、合金元素の含有
量を高めることは省資源やコスト低減等の観点から好ま
しくなく、一方、設備増強対策も費用が嵩む上、在来設
備のレイアウトに阻まれて新設備の設置場所に困ると言
う切実な問題を来たすこともあった。

一方、最近になって、鋼を熱間加工してから直接焼入れ
し５次いで焼戻しを行うことによって該鋼に高強度を付
与する方法が注目を集めるようになってきた。

しかしながら、この方法は、省エネルギーの観点からは
非常に有効なものであったが、得られる鋼材の結晶粒が
粗大になってしまって靭性の面で満足できない結果がも
たらされると言う問題点を抱えており、まだ粗大粒であ
るが故に鋼材に焼割れを誘発しやすいと言う危惧の大き
いものであった。

〈発明の目的〉 本発明者等は、上述の如き現状に鑑み、省エネルギー・
省資源にして、しかも比較的容易に高強度高靭性鋼を製
造すべく、鋼成分のみならず、理想臨界直径（Ｉｈ　）
　、熱間加工条件と焼入れ法を含めた熱処理条件等、鋼
の製造に関係する各種の要因について基本的な調査・研
究を行った結果、以下に示す如き知見を得るに至ったの
である。　：１〈知見事項〉 焼入れ手段として直接焼入れ法を採用するとともに、鋼
の合金成分によって決まる理想臨界直径（Ｄ、）と熱間
加工における断面圧縮率（ＲＡ）、及び直接焼入れにお
ける冷却条件を選定し、適宜な範囲で組合わせると、高
価な合金元素の多量添加や設備の増強を必要とすること
なり、シかも省エネルギー下で強度並びに靭性の極めて
優れた鋼が得られる。

〈発明の構成〉 この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 理想臨界直径（Ｄ、　）が１．０インチ（２５，４鵡）
以上の鋼をオーステナイト化した後、１１００℃以下で
の断面圧縮率（ＲＡ）が２０％以上となる熱間加工を施
し、続いてオーステナイト状態から直接焼入れするとと
もに、該鋼材の厚み中心部温度が〔ＭＳ点＋５０℃〕〜
〔Ｍｓ点−１３０℃〕になった時点で焼入れを中止し、
その後は大気中放冷にて常温近傍まで冷却し、次いでＡ
ｃ１点以下の温度で焼戻し処理することにより、高強度
と高靭性とを兼ね備えだ鋼を低コストで製造する点、に
特徴を有するものである。

ここで、理想臨界直径（ＤＩ）及び断面圧縮率（ＲＡ）
は、それぞれ次の０式及び０式によってめられるもので
ある。

Ｄ、（インチ）　ｗ　ＤｏＸｆ８ｔＸｆｕｎＸｆｃｒＸ
ｆｙ（、ＸｆＢ　−−■そして、この発明の方法によっ
て得られる鋼材の最終組織は、焼戻されたところの、マ
ルテンサイトと低温ベイナイトとの混合組織を呈してお
り、これによって高強度と高靭性を達成できるのである
。

以下、この発明の高強度高靭性鋼の製造方法を、その工
程を追って更に詳しく説明する。

まず、この発明の方法は、転炉や電気炉等による通常の
溶製方法と、連続鋳造法或いは造塊・分塊法によって、
ＤＩが１０インチ以上の鋼片を製造することから始まる
。Ｄ、は前記の式によってめられる数値であり、後に説
明する第１図に示されるようにＤＩが１．０インチ（２
５，４ＩｌｌＪ＋）以上となる領域であることによって
、この発明の処理方法で高度の靭性が得られるのである
。即ち、ＤＩが１．０インチの鋼材が、通常の十分な冷
却速度が得られるとされている冷却装置を用い、かつ本
発明の条理条件を適用したときに、マルテンサイトと低
温ベイナイトから成る所望の混合組織の得られる限界成
分なのである。

換言すれば、実用の冷却設備にて鋼に所望の焼入れ効果
を確保する目的から、ＤＩ　を１．０インチ（２５，４
＋１Ｕｌｌ）以上とする必要があり、それを下回ると十
分な靭性が得られないのである。

なお、第１図は、１１００℃以下での断面圧縮率（ＲＡ
）を５０％として直接水焼入れし、その後すべての鋼材
について引張強さがほぼ８５ｋｙ／ｍｔｌになるように
Ａｃ１点以下の温度で焼戻ししたものの、Ｄ、値と、本
発明処理によって靭性値が改善される度合との関係を示
したグラフである。そして、第１図において、縦軸の△
ｖＴｒｓ　（１：）は次の式によってめられる値である
。即ち、 △ｖＴｒＳ−（直接水焼入れしてそのまま常温まで冷却
した鋼材のｖＴｒｓ　）　−（直接水焼入れするととも
に、鋼材の厚み中心部 温度が（Ｍｓ点−２０℃〕になった時点で水冷を中止し
、その後大気中放冷し て常温まで冷却した鋼材のｖＴｒｓ　）。

なお、ここでｖＴｒｓ（ｔ）はシャルピー破面遷移温度
を表わす。

また、本発明の方法においては、鋼の成分組成は格別に
特定されるものではなく、前記０式で表わされる理想臨
界直径（１）Ｉ　）が１．０インチ（２５，４Ｍ）以上
のものであればいずれも適用対象となるものであるが、
本発明の目的からすれば、最も好ましい鋼は。

Ｃ：　０．−１０〜０４５チ、Ｓｉ：１．０％以下。

Ｍｎ　：　０５−２．０％、　Ｃｒ：１．０％以下。

Ｍｏ　：　０．５チ以下、　Ｂ：０．００５０チ以下。

ＡＱ　：　０．０１〜０．１０％、Ｐ：０．０３０％以
下。

Ｓ：０．Ｏ１５チ以下 で、残部が実質的にＦｅから成る鋼であり、また、必要
により、該鋼に Ｎｉ：２．０％以下、　Ｃｕ：０．５％以下。

ＮＶ）：０．１％以下、　Ｖ：０．１％以下。

Ｔ＋：０．０５％以下 のうちの１種又は２種以上を選択して含有させたものも
好適なものである。

さて、ＤＩが１．０インチ（２５，４１１１７Ｉ＋）以
上に製造された鋼片は、高温度に加熱して鋼板、鋼管、
形鋼等に熱間加工されるが、オーステナイト粒を微細化
して銅に高強度と高靭性を付与するため、１１００℃以
下での前記０式で計算される断面圧縮率（ＲＡ）が２０
％以上となる熱間加工が施される。この場合の温度と断
面圧縮率は、その効果が顕著に認められる限界値であり
、１１００℃以下での断面圧縮率が２０チ未満ではオー
ステナイト粒の十分な細粒化が達成されず、所望の高強
度と高靭性を達成できないのである。

斯くの如く熱間加工された鋼材はオーステナイト状態か
ら鋼成分に応じた適当な冷却媒体を用いて直接焼入れさ
れるが、その際の冷却速度の下限はフェライトや高温ベ
イナイト等の高温変態組織の生成を抑制・防止するに足
る冷却速度とする必要があって、ＤＩが１０インチ（２
５，４ｍｍ）程度では冷却速度は５℃／秒以上とするの
が好ましい、っ一方、処理途中での焼入れ停止を容易に
するためには冷却速度を１２０℃／秒以下にすることが
好ましい。

直接焼入れされた鋼材は、厚み中心部の温度が（Ｍｓ点
＋５０℃）　〜［Ｍｓ点−１３０℃〕になった時間で焼
入れを中止し、その後大気中放冷で常温近傍まで冷却し
てマルテンサイトと低温ベイナイトの混合組織とする。

ここで、焼入れ停止温度の上限を〔Ｍｓ点＋５０℃〕と
定めたのは、これを上回る温度では高温ベイナイト組織
が出現して強靭性を劣化するためであり、一方〔Ｍｓ点
−１３０℃〕を下回る温度まで焼入れするとマルテンサ
イトの占める割合が大きくなり過ぎ、却って強靭性が劣
化することから、焼入れ停止温度の下限を（Ｍｓ点−１
３０℃〕と定めた。その後大気中放冷で常温近傍まで冷
却するのは、変態を完全に終了させ。

その後の焼戻しで良好な強靭性を得るためであり。

高温から焼戻し処理したものでは強靭性が劣化する。

そして、この直接焼入れ処理の途中で焼入れを停止する
ことは、上述のように鋼の強靭化に有効であるのみなら
ず、焼割れを防止できると言う副次的効果をも生じるの
である。

次に、上述のような焼入れ処理によって得た組織をＡｃ
１点以下の温度で焼戻し処理すると、鋼に所望の強度と
靭性が付与される。この場合、焼戻し温度がＡｃ１点を
越えると鋼材強度が大幅に変動し、靭性も劣化すること
から、該温度をＡｃ１点以下の温度と定めた。

〈実施例〉 次いで、この発明を実施例にょシ具体的に説明する。

実施例　１ 第１表に示す如き成分組成を有する鋼Ａ及びＢを常法に
て溶製した後、それぞれ複数の鋼片となし、これを１２
２０℃に均熱してから熱間圧延機にかけて、１１００Ｃ
以下での断面圧縮率が各種の値をとるように熱間圧延し
た。

そして、圧延終了後直ちに９３０℃から水焼入　′”′
：れし、板厚中央部温度が３ｏｏ℃になった時点で水冷
を中止し、その後常温まで大気中放冷した。

次いで、これを更に５９０〜６４０℃程度にて焼戻しし
て各鋼板の引張強さをほぼ９０　Ｊｆ／ｌｄに揃え、こ
れをシャルピー衝撃試験に供した。

このようにして得られたシャルピー破面遷移温度（ｖＴ
ｒｓ　）と断面圧縮率（ＲＡ）の関係を第２図に示す。

第２図に示される結果からは、１１００℃以下での断面
圧縮率が２０チ以上であれば、鋼に良好な靭性（低い破
面遷移温度）を確保できることが明らかである。

実施例　２ 第２表に示す如き組成を有する鋼Ｃ〜Ｈを常法にて溶製
した後、それぞれ複数の鋼片となし、これらを１２００
℃に均熱して熱間圧延機にかけ、１１００℃以下での断
面圧縮率（ＲＡ）が４０％程度になるように熱間圧延し
た。続いてこれを。

第３表に示す各種条件にて直接焼入れし、焼戻しすると
ともに、一部については通常の再加熱焼入れ・焼戻し処
理を施した。

得られた各鋼板について強度及び靭性を測定しその結果
を第３表に併せて示した。

第３表に示される結果からも明らかな如く、本発明方法
では高強度にして高靭性を有する鋼板か得られるのに対
して、直接焼入れした際の鋼板厚み中心部温度が［Ｍｓ
点＋５０℃〕を上回るか或いは（Ｍｓ点−１３０℃〕を
下回る温度で焼入れを中止したものは強度と靭性の一方
又は双方が劣るものしか得られないことがわかり、更に
、従来性われていた通常の再加熱焼入れ・焼戻しを行っ
た場合も強度と靭性の一方又は双方が劣っていることが
確認できる。

実施例　３ 第４表に示す如き組成を有する鋼Ｉ、Ｊを常法にて溶製
した後、夫々複数の鋼片となし、これらを１２００℃に
均熱して熱間圧延機にかけ、　１１００℃以下での断面
圧縮率（ＲＡ）が６０％程度になるように熱間圧延した
。続いてこれを、第５表に示す各種条件にて直接焼入れ
し、次いで焼戻し処理を行った。

得られた各鋼板について強度及び靭性を測定し、その結
果を第５表に併せて示した。

第５表に示される結果からも明らかな如く、本発明法で
は高強度にして高靭性を有する鋼板が得られるのに対し
て、直接焼入れした際の鋼板中心部温度が（Ｍｓ点−１
３０℃〕を下回る温度で焼入れを中止したもの及び／又
は焼入れ中止後、大気中放冷で常温近傍まで冷却せずに
高温から焼戻ししたものは、強度と靭性の一方又は双方
が劣るものしか得られないことがわかる。

〈総括的な効果〉 上述のように、この発明によれば、高価な合金元素を殊
更に添加することなく、簡単な工程で、高強度を有する
とともに優れた靭性を併せ持った鋼を製造することがで
き、工業上極めて大きな効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は理想臨界直径（ＤＩ）と本発明処理によって靭
性値が改善される度合（ΔｖＴｒｓ）との関係を示した
グラフであり、第２図は本発明実施例における１１００
℃以下での断面圧縮率（ＲＡ）と破面遷移温度（ｖＴｒ
ｓ）との関係を示すグラフである。 出願人　住友金属工業株式会社 代理人　富　１）　和　夫ほか１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 理想臨界直径ＣＤｘ　）が１０インチ（２５，４ｍ）以
   上の鋼をオーステナイト化した後、１１００℃以下での
   断面圧縮率（ＲＡ）が２０％以上となる熱間加工を施し
   、続いてオーステナイト状態から直接焼入れするととも
   に、該鋼材の厚み中心部温度が［Ｍｓ点＋５０℃〕〜〔
   ル点−１３０℃〕になった時点で焼入れを中止し、その
   後は大気中放冷にて常温近傍まで冷却し、次いでＡｃ１
   点以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする高強度
   高靭性鋼の製造方法。