JPWO2019035401A1 - 高硬度かつ靱性に優れる鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
Cは、焼入れ焼戻し後における、硬度、耐摩耗性および疲労寿命を向上させる元素である。しかし、Cが0.40%未満では十分な硬度は得られない。一方、Cが1.00%より多いと、靱性を阻害するのみならず、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そこで、Cは0.40〜1.00%とし、望ましくは0.50〜1.00%とし、さらに望ましくは0.50%〜0.90%とする。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高める働きをする。これらの効果を得るためには、Siは、0.10%以上必要であり、望ましくは0.20%以上必要である。一方、Siは、多く含有されると、素材硬さを増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そのため、Siは2.00%以下にする必要があり、望ましくは1.55%以下とする。そこで、Siは0.10〜2.00%、望ましくは0.20〜1.55%とするのがよい。
Mnは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらに、鋼に必要な焼入れ性を付与し、強度を高めるために必要な元素である。そのためには、Mnは0.10%以上添加する必要があり、望ましくは0.15%以上必要である。一方、Mnは多量に添加すると、靱性を低下させる作用があり、さらにSと結合することでMnSを形成することによっても靱性を低下させたり、加工中の割れを助長する作用があるため、1.00%以下とする必要があり、望ましくは0.70%以下とする。よって、Mnは0.10〜1.00%とし、望ましくは0.15〜1.00%とし、さらに望ましくは0.15〜0.70%とする。
Pは、鋼中に不可避的に含有される不純物元素であり、粒界に偏析し、靱性を劣化させる。そこで、Pは、0.030%以下、望ましくは0.015%以下とするのがよい。
Sは、Mnと結合してMnSを形成して靱性を劣化させる元素である。そこで、Sは、0.030%以下、望ましくは0.010%以下とするのがよい。
Crは、焼入れ性を向上させる元素であり、その効果を十分に得るには、Crは、1.10%以上必要で、望ましくは1.20%以上、さらに望ましくは1.35%以上必要である。一方、Crは過剰に添加すると、焼入れ後の冷却過程で粒界の炭化物析出を促すため、靱性に悪影響があり、それを防ぐためにCrは3.20%以下にする必要がある。望ましくは2.50%以下、さらに望ましくは2.30%以下とする。そこで、Crは、1.10〜3.20%、望ましくは1.20〜2.50%、さらに望ましくは1.35〜2.30%とするのがよい。
Alは、鋼の脱酸に不可欠な元素であり、添加が行われる。さらにNと結合してAlNを生成して、結晶粒粗大化を抑制する効果がある。これらの効果を得るためには、Alは0.010%以上必要である。一方、Alは多量に添加されると熱間加工性を損なうので0.10%以下にする必要があり、望ましくは0.050%以下とする。したがって、Alは0.010〜0.10%とし、望ましくは0.015〜0.050%とするのがよい。
Vは、Cと結合して微細な炭化物を形成し、その炭化物が焼入れの加熱時に結晶粒界をピン止めして結晶粒を微細に留める作用があり、結晶粒の微細化によって高い靱性を得るために必須の元素である。鋼の結晶粒界を炭化物で効果的にピン止めするためには、炭化物の固溶温度以上にいったん鋼を加熱して炭化物を固溶させておき、焼入温度への加熱の際に微細に析出させる必要がある。ところがNbやTiのような炭化物形成元素は、本願発明成分のC量に対して添加した場合、実用的な鋼材の加熱温度を大きく超える1250℃の加熱によっても炭化物を十分に固溶させることができないため、ピン止めに対して十分効果的でなく、かつ粗大な炭化物が残りやすいことから靱性に対しても悪影響がある。これに対して、V含有炭化物は、それより低温で固溶する特長があり、結晶粒界のピン止めに効果的に活用することが可能である。その効果を得るには、Vは0.15%以上の添加が必要であり、望ましくは0.20%以上、さらに望ましくは0.25%以上である。一方、Vは0.50%より多く含有されると、結晶粒微細化の効果が飽和するのみならず、Vを含有する粗大な炭化物が形成し、このV含有粗大炭化物が熱間加工性を阻害したり、靱性を低下させる。よってVは0.5%以下にする必要があり、望ましくは0.45%以下である。そこで、Vは0.15〜0.50%とし、望ましくは0.20〜0.50%とする。さらに望ましくは0.25〜0.45%である。
Niは、本発明では不純物としての含有(例えば、0.07%の含有量)も含むが、焼入れ性と靱性を向上させる有効な元素であり、添加してもよい。一方、Niは高価な元素であり、コストを増加させる。そこで、添加する場合のNiは2.50%以下、望ましくは1.70%以下とする。
Moは、本発明では不純物としての含有(例えば、0.04%の含有量)も含むが、焼入れ性と靱性を向上させる有効な元素であり、添加してもよい。一方、Moは高価な元素であり、コストを増加させる。そこで、添加する場合のMoは1.00%以下、望ましくは0.50%以下とする。
V含有微細炭化物の分散による結晶粒微細化作用を得るためには、CとVの合計量を少なくとも0.60%以上とする必要がある。
本願発明の鋼に高硬度を付与するためにミクロ組織はFe系のε炭化物が微細分散したマルテンサイトとする。Fe系のε炭化物が微細分散したマルテンサイトは、130℃〜250℃の低温焼戻し処理により得られる。本願発明の鋼は、化学成分やその他本発明の手段に規定する規制によって、焼入れままで靱性の高い状態が得られることとなり、130℃〜250℃の低温焼戻しにおいて優れた靱性が保たれることから、合金元素を必要以上に添加する必要が無い。他方、低温焼戻しに代えて、本願発明の成分範囲の鋼に対して500℃以上の温度で行われる高温焼戻しを行ってしまうと、2次硬化に寄与する合金元素量が少ないために、硬度が低下することとなる。すると、靱性はさらに高いものが得られるものの、高硬度が得られなくなることとなるので、必要とされる高硬度と高靱性が両立できなくなってしまう。そこで、130℃〜250℃で低温焼戻しされたFe系のε炭化物が微細分散したマルテンサイト組織としている。
マルテンサイト中に直径0.50μm以下のV含有微細炭化物を分散させることで、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制して20μm以下とし、その結果、高硬度でありながら高い靱性を達成できる。これに対して分散しているV含有炭化物の直径が0.50μm以上の場合、結晶粒微細化の効果が小さくなり、靱性が低下する。また、V含有炭化物の析出量が体積%に換算して全マルテンサイト体積の0.10vol.%未満では、旧オーステナイトナイト粒径を微細にする効果が十分得られない。そこで、V含有炭化物の析出量は0.10vol.%以上とし、望ましくはV含有微細炭化物の析出量は、0.15vol.%以上とする。一方で、V含有微細炭化物の析出量が0.90vol.%を超えると、析出量が多くなりすぎてV含有炭化物を含む結晶粒自体が脆くなり、靱性が低下するため、0.90vol.%以下とし、望ましくは0.80vol.%以下とする。よって、V含有炭化物の最大直径は0.50μm以下に規制し、V含有炭化物の析出量は全マルテンサイト体積の0.10〜0.90vol.%とし、望ましくは0.15〜0.80vol.%とする。
セメンタイトは加熱時にオーステナイト粒界上で成長しやすく、これは焼入れ焼戻し後には粒界に沿った割れを引き起こしやすいため靱性を低下させる原因となる。そこで、セメンタイトの析出量は多くとも全マルテンサイト体積の0.50vol.%以下とする。
焼入焼戻し状態における旧オーステナイト粒径を微細化することで、脆性破壊を抑制することができるため、靱性を向上させことができる。さらに、旧オーステナイト粒径を細かくすることによって体積中の粒界面積が増加し、PやSといった粒界に偏析して靱性を劣化させる不純物元素が多くの粒界に分散することで個々の粒界への不純物の偏析量が軽減されることも、靱性の向上に寄与する。よって、旧オーステナイト粒径を20μm以下、望ましくは15μm以下とする。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.40〜1.00%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.10〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:1.10〜3.20%、Al:0.010〜0.10%、V:0.15〜0.50%を含有し、さらに、Ni:2.50%以下およびMo:1.00%以下の少なくとも1種を含有し、(C+V)量が質量%で0.60%以上であり、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼であり、ミクロ組織がFe系のε炭化物が微細分散したマルテンサイト組織であり、その旧オーステナイト粒径が20μm以下である、高硬度かつ靱性に優れる鋼。
- 請求項1の化学成分およびミクロ組織を有し、130℃〜250℃で低温焼戻しされたマルテンサイト組織中に直径0.50μm以下のV含有微細炭化物が分散して析出しており、V含有微細炭化物の析出量は全マルテンサイト体積の0.10〜0.90vol.%である、請求項1に記載の高硬度かつ靱性に優れる鋼。
- 請求項1の化学成分およびミクロ組織を有し、130℃〜250℃で低温焼戻しされたマルテンサイト組織中におけるセメンタイト析出量が全マルテンサイト体積の0.50vol.%以下であるミクロ組織を有する、請求項1に記載の高硬度かつ靱性に優れる鋼。
- 請求項1の化学成分およびミクロ組織並びに請求項2のミクロ組織を有し、130℃〜250℃で低温焼戻しされたマルテンサイト組織中におけるセメンタイト析出量が全マルテンサイト体積の0.50vol.%以下である、請求項2に記載の高硬度かつ靱性に優れる鋼。
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