JPS63293142A - 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】 （ｍｉｉ上の利用分野〕 この発明は１４５　ｋｓｆ／ｍｍ２以上の引張り強さを
ａし、且つ耐遅れ破壊性に優れた高張力ボルトやＰＣ鋼
棒、更には大Ｗ！機械用の高張力鋼板などの機械構造用
鋼に関する。

更に詳細にはこの発明は、構造物の大型化に伴い自重の
軽減と断面減少による材料と施行管の節約によって経済
性の向上が要求されつつある量産鋼である高張力鋼、更
には構造物、機械部品などの高性能化、軽量化に伴って
高応力に耐え、しかも比強度の高いことの要求される強
力ｆＩＩＩ右よび超強力鋼に関する。

〔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１４５　ｋｇｆ／ｍｍ
２以上の機械構造用鋼、特に高張力ボルトやＰＣＭ捧の
開発が要求されてきている。

従来、一般に１００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張り強さを
有する機械構造用強靭鋼は、例えばα３５％Ｃ１１，０
％Ｃｒｓ　α２％Ｍｏの組成を有するＪＩＳＧ４１０５
ＳＣＭ４３５低合金鋼や、０．３１％Ｃ１０，８％Ｃｒ
、１．８％Ｎ　ｔ　％　Ｏ−２％ＭＯの組成を「するＪ
　ＩＳＧ４ｌＳＧ４１０３ＳＮＣの低合金鋼や、さらに
０２％Ｃ１α８％Ｃｒｓα００２％Ｂの組成を有するボ
ロ／鋼などの熱延材に焼入れ焼戻し処理を施すことによ
ってｉ！２遺されている。

しかし、これらの機械構造用強靭鋼を実用に供した場合
、１２５　ｋ＠ｆ／ｍｍ２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ｐｃｍｎｔをはじめとして自動
車や土木機械の重要保安部品としては品質安定性に欠け
るという問題があった。

なお、ｎれ破壊とは、静荷重下におかれた鋼がある時間
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
用上その強度レベルが引張り強さで１２５ｋｇｆ／−以
下に制限されているのが現吠であり、例えば高力ボルト
に関しては、ＪＩＳ−ｎ−１１８０（１９７９）の「摩
擦接合用高力六角ボルト、六角ナツト、平座金セブトＪ
　において、　Ｆ８Ｔ（引張り強す：　８０〜１００ｋ
ｇｆ／ｊ）　、Ｆ　１０Ｔ（同１００〜ｌ　２０　ｋｇ
ｆ／ｗｊ　）　、及びＦＬＩＴ（同１１０〜１３０　ｋ
ｇｆ／ｊ　）の３！ｌ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１２５ｋｇｆ／−を越え
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−α５％Ｔｉ−α１％ＡＩｌの組成を有す
る１８％Ｎｉマルエージ／グ鋼があり、この鋼は、引張
り強さが１５０ｈｇ「／−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、きわめて高価な鋼であるた
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
は到っていない。

これに対して、経済的であり、高強度且つ耐８れ破壊性
に優れた構造用鋼として、例えば特開昭５８−６１２１
９号、特開昭５８−８４０６０号、特開昭５８−１１３
３１７号、特開昭５８−１１７８５６号、及び特開昭５
８−１５７９２１号等に各種成分の高強度鋼及びそれら
の製造法が提案されている。

しかしながら、これらの１２５　ｋｇｆ／ｊを越える引
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春れ破壊を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不確定且つ十分
なものではない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明は上記した産業界の要求に答えるべく、１４５
＋ｔｄ／ｍｍ２以上の引張り強さを有し且つ耐ｎ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。

更にこの発明の目的を詳細に説明すると、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
前提し一定期間、例えば２０００時間以内の連れ破壊の
発生の恐れのない１４５　ｋ（「／ｍｍ２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この発明の
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記したこの発明の目的を達成するため、本発明者等は
鋭意実験・研究を重ねた結果、２０００時間以上の期間
にわたり遅れ破壊を発生せず且つ１４５ｋｇｆ／ｍｍ２
以上の引張り強さを有する鋼を得るため低Ｐ１低Ｓ化に
よる粒界偏析の軽減及び７ｎ　１ＪＰ化と、低Ｍｎ化に
より、耐遅れ破壊性を改善し、更に高Ｓｉ化による水素
の拡散能の低下と、Ｎｂ添加による結晶粒の細粒化が、
耐遅れ破壊性の改善に有効であり、又、鋼中の炭化物は
水素の集積場所となり、この炭化物が針吠、棒吠等の切
欠欠陥形吠を呈したり、粗大に凝集したりするとそこが
起点となって遅れ破壊が発生しやすくなるが、鋼中にＺ
ｒを含有せしめると炭化物が球吠微細に分散されて耐連
れ破壊性の著しい改善に有効であることを見い出した。

この発明はこれらの新規な知見に基いてなされたもので
ある。

〔発明の構成、作用〕

即ちこの発明は、以上の知見を得てなされたものであっ
て、その要旨とするところはｆｆｌｆｆｉ％で、ＣＯ，
２０〜α４５％、Ｓｉα５０ｍ　〜ｚｏ％、Ｍｎα５％
未満、Ｐα０１％以下、Ｓα０１％以下、Ｎｉ　　α１
０超〜４０％、Ｃｒα６〜５％、Ｚｒ０．０１〜α１５
％、Ｎｂｏ、００５〜α２０％１．１ａ０１〜α１０％
、を含有し、さらに必要によりＶＱ、Ｏｌ　〜０．３０
％、Ｍｏα０１〜α８０％、Ｔｉ（ＬＯＩ〜ａｌＯ％、
ＢＱ、０００３〜（１００５０％のいずれかＩＮ又は２
種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物より成
る組成と、焼入れ焼戻し組織からなる１４５ｋｇｆ／ｍ
ｍ２以上の引張り強さを有することを特徴とする耐近れ
破壊性に優れた機械構造用鋼である。

以下にこの発明における鋼の組成及び組織の限定理由に
ついて述べる。

（Ａ）成分組成 Ｃは鋼の焼入性増加、強度増加に加えて結晶粒の細粒化
のためにも有効な成分であるが、その含有量がα２０％
未清では焼入性劣化を来たし、又所望の強度を確保する
ことが出来ず、一方α４５％を超えて含有させる焼入れ
時のｔＡ′Ｐ！４れ感受性が増加し、また他の合金成分
と関連して靭性劣化をも招くことから、その含有量をα
２０〜α４５％とした。

Ｓｉは鯛の脱酸、強度増加の他、鋼中水素の拡散能を低
下させて耐遅れ破壊性の向上にも有効な元素であるが、
その含有量がα５％以下では特に耐連れ破壊性向上に重
要な鋼中水素の拡散能低下に所望の効果が得難く、一方
その含有量が２．０％を超えると靭性の劣化が著しくな
るため、その含有量を０．５０超〜２．０％とした。

Ｍｎは脱酸の他、焼入性向上に有効な元素であるが、多
量に添加すると粒界にＭｎの酸化物あるいは炭化物等を
生成することにより、また粒界でのＰとの共偏析により
、粒界脆化現象を生じて遅れ破壊の発生を促進する。

さらに、ＭｎはＳと結合してＭｎＳを形成し、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この発明ではＭｎ
の含有量をα５％未溝とした。

Ｐはいかなる熱処理を施し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、その上限を０．０１％とした
。

Ｓは上述したようにＭｎと結合して割れの起点となり、
さら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（制限することが必要である。従って
、この発明ではＳをα０１％以下とした。

Ｎｉは鋼の強度増加、靭性向上に有効な元素であるが、
０１０％以下ではそれらの効果が得られない、一方Ｎｉ
は高価であることに加えて、その多量添加は変歯点を大
幅に低下させて、通常の焼入れ焼戻しによる強度と組織
の調整を難しくするので含有範囲の上限を　４０％とし
て、含有量をα１０超〜４０％とした。

Ｃｒは鋼の焼入性を向上させ、且つ、鯛に焼戻し軟化抵
抗を付与して１４５　ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張り強さ
を得るのに有効な元素であるが、その含有量が０５％未
満では前記作用に所望の効果が得られず、他方５％を超
えて含有させると靭性の劣化及び焼割れ感受性の増大を
きたすことから、その含イ１−１１をα５〜ａＯ％とし
た。

Ｚｒはこの発明において、重要な元素であって、鋼中に
炭化物を球伏微細に分散させて耐連れ破壊性を著しく改
善させる効果を有するが、α０１％未溝ではその効果が
小さく、一方α１５％を超えると靭性劣化をきたすので
α０１〜α１５％トシた。

Ｎｂは、鋼を細粒化する効果を有し、この発明のような
高５ｉｌｌにおける鋼の粗粒化を防止して、粗粒化によ
る耐遅れ破壊性の劣化防止に極めて「効である。その効
果を確保するためには０．００５％以上の添加が必要で
ある。一方０．２０％以上添加すると、その効果は飽和
し、且つ、コスト的に高くつくので、その範囲を０００
５〜α２ｏ％とした。

ＡＩは鋼の脱酸の安定化、均質化および細粒化を図るの
は有効であるが、α０１％０１％未満望の効果を得るこ
とができず、一方、０１０％を超えて含イｆ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α０１〜α１０％とした。

Ｖは鋼を細粒化し、さらに析出硬化して鋼の強度を向上
させる作用があるので、より高い強度が要求される場合
に添加するが、０．０１％未満では旧紀効果が得られず
α３％を超えて含有させると効果が飽和し、より一層の
強度向上効果は得られないことから、その含ｆｆｆｆ１
を０．０１〜０．３０％と定めた。

Ｍｏ、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、特に製品寸法が大きい場合に高強度を確
保する目的で添加するが、夫々Ｍ。

：００１％未漬、Ｔｉ：α０１％未膚、ｎ　：　ｏ、　
。

００３％０３％未満記作用に所望の効果が得られず、Ｍ
Ｏについては０８％を超えて添加してもその効果は飽和
し、コスト上昇を招くだけであり、またＴｉ、Ｂは夫々
ＴｉＯ，１０％、ｒ３　：　０．００５％を超えて含有
させると、鋼の靭性が劣化するようになり、かつＴｉに
おいては被削性も劣化するようになる。従ってＭｏ、Ｔ
ｉ及びＢについてその含有量を夫々Ｍｏを０．０１〜α
８０％、Ｔｉ０．０１〜α１０％、ＩＩｏ、０００３〜
０．００５％と定めた。

（Ｂ）組　織 上記した組成を「する鋼であっても１４５にに「／ｍｍ
２以上の引張り強さと良好な耐連れ破壊性とを具備させ
るには爛を焼入れして低温での変面生成物（マルテンサ
イトや低温ベイナイト）となし、これを焼戻しした所ｖ
Ｉ焼入れ焼戻し組織とすることが必要なため、鋼の組織
を焼入れ焼戻し組織と定めた。

即ち焼ならし材、焼ならし焼戻し材、圧延まま材、圧延
材を焼戻ししたもの、といった高温での変信生成物であ
るベイナイト、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１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上
の高強度を得難く、耐連れ破壊性と引張り強さで１４５
ｈｇｆ／ｍｍ２以上の高強度を共に得ようとするこの発
明のｍ期の目的を達成することができない。一方銃入れ
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
生じ、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
組織とする必要がある。

〔実　施　例〕

次に、この発明を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この発明の効果を示す例
示であって、この発明の技術的範囲を同等制限するもの
でないことは勿論である。

先ず通常の方法によって第１表に示す成分組成の鋼（符
号Ａ−Ｖ）を溶製した。

鋼Ａ〜Ｍはこの発明の範囲内の組成を有しているもので
、ｔＩ４Ｎ−Ｖは第１表中の※印を付した点においてこ
の発明の範囲から外れたものである。

第１表に成分組成を示す。

（以下余白） 前記したように溶製された鋼を連続鋳造法或は鋼塊法に
よって鋳片又は鋼片とした後製品に熱間圧延するもので
、以下この発明の実施例について説明する。

先ず通常の方法によって溶製された溶ｆＩ４（符号Ａ−
Ｖ）を鋳片とした後８０　ａｓ厚に粗鍛造後１２００〜
１２５０℃に加熱して１５ｍ−厚に圧延し、これを９１
０〜１０２０℃の温度から、圧延後直ちに焼入れを施す
直ｔ１焼入れ、あるいは前記した温度域に再加熱した後
焼入れを施す再加熱焼入れを施した後、１５０〜６５０
℃の温度域で焼戻しして、その組織が焼入れ焼戻し組織
で、その引張り強さが１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上となる
ように調整して、遅れ破壊特性を調査し、その結果を第
２表に示した。

（以下余白） 第２表 ■　−は試験を実施しなかったことを示す。

なお、迎れ破壊の発生有無の確認は、第１図に示すくさ
びｔＩＦ人型の迎れ破壊試験方法によった。

すなわち、第１図（ａ＞に示すような形吠、寸法の試験
片の７ブチ部（第１図（ｂ）に示す）に第１図（Ｃ）に
示すようなくさびを挿入して静荷重をかけ、これを５５
℃に保持した温水中に入れ、割れの発生の時間を観察し
た。なお、図中において、数字は−■の単位の長さを示
す。

又この発明における２０００時間を耐遅れ破壊性の一つ
の判断基準としたのは、１．５ケ月を機材の定期的な補
修あるいは点検期間を仮定し、その約半分の！３差を！
２４Ａっだからである。

試験環境として、５５℃の温水中は、実使用環境の最も
厳しい環境に相当する。従って、得られた連れ破壊時間
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。

第２表より、この発明鋼は連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。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、この発明に従うと、１４５ににｆ／ｍ
ｍ２以上の引張り強さを存し、かつ２０００　［１！７
間以上の期間にわたり連れ破壊を発生しないＩ！１ｔＩ
！ｉ構造用鋼をうろことができ、前述したように定期的
補修または取替えを前提とし、必要な耐遅れ破壊性の程
度の明確な用途の鋼材、例えば大型ブルドーザ−のシュ
ーボルトなどには、この発明による機械構造用鋼を広範
囲に使用できる。この発１’ｌｌｌ鋼は遅れ破壊発生時
間が長く、耐遅れ破壊性に優れた鋼である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例で実施した連れ破壊実験で用いた試験
片とくさびの形杖および寸法を示す図である。第１図（
ａ）は試験片を示し、竿１図（ｂ）は試験片の／ツヂ部
の詳細を示し、第１図（ｃ）は試験片の７ブチ部に挿入
して負荷を加えるためのくさびを示す。なお図中におけ
る数字はａｍの単位の長さを示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．５０超〜２．０
   ％、Ｍｎ：０．５０％未満、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：
   ０．０１％以下、Ｎｉ：０．１０超４．０％、Ｃｒ：０
   ．５〜５．０％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｎｂ：
   ０．００５〜０．２０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％
   を含有し、残部が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、１４
   ５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上の引張り強さを有する耐遅れ破
   壊性に優れた機械構造用鋼。
2. （２）重量％で Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．５０超〜２．０
   ％、Ｍｎ：０．５０％未満、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：
   ０．０１％以下、Ｎｉ：０．１０超〜４．０％、Ｃｒ：
   ０．５〜５．０％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｎｂ
   ：０．００５〜０．２０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０
   ％に、更に、 Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｍｏ：０．０１〜０．８０
   ％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００３〜
   ０．００５０％、の１種又は２種以上を含有し、残部が
   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。 １４５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上の引張り強さを有する耐遅
   れ破壊性に優れた機械構造用鋼。