WO2024024407A1 - 合金鋼 - Google Patents

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WO2024024407A1
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alloy steel
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mass
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理 荒木
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株式会社プロテリアル
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium

Definitions

  • the present invention relates to alloy steel.
  • the alloy specified by AMS6491 is called M50, and its composition is 0.80 to 0.85% C (carbon), 0.15 to 0.35% Mn (manganese), and Cr (mass%). Contains 4.00 to 4.25% of chromium), 4.00 to 4.50% of Mo (molybdenum), 0.90 to 1.10% of V (vanadium), and the balance is Fe (iron) and Steel made of impurities.
  • This M50 is quenched and tempered and used as bearing steel, for example, as aircraft engine parts.
  • Patent Document 1 states that in terms of weight ratio, C: 0.60 to 1.50%, Si: 0.15 to 1.00%, Mn: 0.15 to 0.50%, Cr: 3.0 ⁇ 19.0%, Mo: 0.50 ⁇ 6.50%, V: 0.05 ⁇ 1.50%, Al: 0.020 ⁇ 1.50%, balance Fe and inevitable impurities,
  • a method for producing steel for bearings is described, which is characterized in that nitriding is carried out at a temperature of 500 to 600°C.
  • This patent document 1 also discloses that addition of V is effective for grain refinement and that setting the quenching temperature to 1200° C. or less is effective.
  • an object of the present invention is to provide an alloy steel that can suppress variations in grain size by reducing the maximum grain size after quenching of an M50-equivalent alloy.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems. That is, in the present invention, C: 0.70 to 0.95%, Si: 0.05 to 0.35%, Mn: 0.05 to 0.45%, and Cr: 3.90 to 4.35% by mass. %, one or two of Mo and W according to the relational expression (Mo+W/2): 3.90 to 4.60%, V: 0.80 to 1.20%, remainder: Fe and inevitable impurities It is an alloy steel which further contains Al and N so as to satisfy the following conditions (1) and (2).
  • condition (1) is Al: 0.02% or more or N: 0.005% or more in mass%
  • condition (2) is 7.5 ⁇ -ln([Al]% ⁇ [N] %) ⁇ 11.5.
  • the maximum grain size number according to ASTM-E930 is 6.0 or more.
  • the average grain size number according to ASTM-E112 is 8.0 or more.
  • FIG. 2 is a photograph of a cross section of a sample after quenching of an inventive example and a comparative example.
  • C 0.70 to 0.95% by mass (hereinafter also simply expressed as "%")
  • C is an effective element for improving hardness and requires a minimum content of 0.70%; however, adding more than 0.95% of C will reduce toughness, so C should be added at 0.70%. ⁇ 0.95%.
  • it is 0.80% or more.
  • it is preferably 0.85% or less.
  • Si 0.05-0.35%
  • Si is used as a deoxidizing agent during steel manufacturing and is an effective element for improving machinability. If Si is less than 0.05%, the ductility of the material is too high, impeding cold cutting workability. On the other hand, since adding more than 0.35% of Si reduces toughness, the Si content is set to 0.05% to 0.35%. Preferably it is 0.10% or more. Moreover, it is preferably 0.25% or less.
  • Mn 0.05-0.45%
  • Mn is used as a deoxidizing agent and desulfurizing agent during steel manufacturing, and is an effective element for improving hardenability, and requires a minimum content of 0.05%.
  • Mn is set at 0.05% to 0.45%.
  • it is 0.15% or more.
  • it is preferably 0.35% or less.
  • Cr 3.90-4.35%
  • Cr has the effect of improving hardenability and tempering softening resistance at high temperatures, so it is necessary to add at least 3.90%.
  • Cr exceeds 4.35%, precipitation of carbides is promoted, making it difficult to control hardness during manufacturing. Therefore, Cr is set at 3.90% to 4.35%.
  • it is 4.00% or more.
  • it is preferably 4.25% or less.
  • Mo and W have similar effects and are defined as (Mo+W/2) due to their atomic weights. Since it has the effect of improving hardenability and tempering softening resistance at high temperatures, it is necessary to add at least 3.90%. On the other hand, when it exceeds 4.60%, precipitation of carbides is promoted, making it difficult to control hardness during manufacturing. Therefore, (Mo+W/2) is set to 3.90% to 4.60%. Preferably it is 4.00% or more. Moreover, it is preferably 4.50% or less. Note that, by following the composition of an alloy equivalent to M50, the entire W content can be replaced with that of Mo.
  • Mo 3.90 to 4.60%. And preferably it is 4.00% or more. Moreover, it is preferably 4.50% or less.
  • W may be included as an impurity, and for example, if the composition is based on the composition of an alloy equivalent to M50, W may be included in an amount of 0.25% or less.
  • V 0.80-1.20%
  • V has the effect of improving temper softening resistance and making crystal grains finer.
  • V is set to 0.80% to 1.20%.
  • V is 0.90% or more.
  • it is preferably 1.10% or less.
  • the alloy steel of the present invention is characterized in that Al and N are further included so as to satisfy the following conditions (1) and (2).
  • condition (1) is Al: 0.02% or more or N: 0.005% or more in mass %
  • condition (2) is 7.5 ⁇ -ln([Al]% ⁇ [N ]%) ⁇ 11.5.
  • Al is used as a deoxidizing agent
  • N is an element that can remain as an impurity.
  • -ln ([Al]% x [N]%) exceeds 11.5, although the formation of AlN can be suppressed, the amount of solid solution of Al and N is also small, so the above-mentioned solid solution of Al or N is The effect of this is not apparent. Therefore, 7.5 ⁇ -ln([Al]% ⁇ [N]%) ⁇ 11.5.
  • the lower limit of ⁇ ln([Al]% ⁇ [N]%) is preferably 8.0, more preferably 8.5, and even more preferably 9.0.
  • the preferable upper limit of -ln ([Al]% ⁇ [N]%) is 11.0, more preferably 10.5, and still more preferably 10.0.
  • Unavoidable impurities include P, S, Ni, Co, Cu, and O.
  • the upper limit of each is in mass%, P ⁇ 0.015%, S ⁇ 0 .008%, Ni ⁇ 0.15%, Co ⁇ 0.25%, Cu ⁇ 0.10%, and O ⁇ 0.0030%.
  • the alloy steel of the present invention having the alloy composition range described above has a small maximum grain size (large maximum grain size number) and small variations in grain size, so it is expected to stably obtain good mechanical properties. can.
  • the preferred maximum grain size number (according to ASTM-E930) of the present invention is 6.0 or more.
  • the average grain size number (according to ASTM-E112) of the present invention is preferably 8.0 or more.
  • a more preferable lower limit of the average grain size number is 8.5, and an even more preferable lower limit of the average grain size number is 9.0.
  • a 10 kg steel ingot of an M50 equivalent alloy having the composition shown in Table 1 was melted to obtain steel ingots Nos. 1 to 5, which are examples of the present invention, and steel ingots, Nos. 6 to 8, which are comparative examples. Thereafter, hot working was performed to obtain a 30 mm square rod-shaped experimental material.
  • test pieces were taken after annealing the experimental materials of the invention examples and comparative examples obtained above.
  • the sampling point of the test piece the W/4-T/4 (W: length in the width direction, T: length in the thickness direction) position of a 30 mm square cross section, and the length direction is L/2 (L: length direction (length) position.
  • each material was hardened at 1115°C, and the grain size was measured using an optical microscope according to ASTM standards (average grain size is ASTM-E112-13 (2021), maximum grain size is ASTM-E930-18). The results are shown in Table 2.
  • No. 6 was a mixed grain and the average grain size could not be measured, the distribution ratio of the grain size is shown.
  • the inventive example is different from Sample No. 1, which is a comparative example. 7.No. Although it was at the same level as No. 8, the maximum crystal grain size was 6.0 or more, which was finer than that of the comparative example, and it was confirmed that the variation in crystal grain size was small.
  • No. 2.No. 3.No. 6, No. An optical micrograph of No. 8 is also shown in FIG.
  • the observation position was the longitudinal section of the test piece after quenching (TL section cut in half parallel to the length direction). Note that the observation magnification in the upper row of FIG. 1 is 200 times, and the observation magnification in the lower row is 500 times.
  • the crystal grain size is fine overall and has small variations, while in the comparative examples (No. 6, No. In .8), coarse grains exceeding 50 ⁇ m were confirmed among the fine grains, and it was confirmed from FIG. 1 that there was a large variation in crystal grain size.

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Abstract

Ｍ５０相当合金の焼入れ後の最大結晶粒度を小さくして結晶粒度のばらつきを抑制することが可能な合金鋼を提供する。　質量％でＣ：０．７０－０．９５％、Ｓｉ：０．０５－０．３５％、Ｍｎ：０．０５－０．４５％、Ｃｒ：３．９０－４．３５％、（Ｍｏ＋Ｗ／２）の関係式によるＭｏおよびＷのうちの１種または２種：３．９０－４．６０％、Ｖ：０．８０－１．２０％、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物でなり、さらにＡｌとＮが、下記条件（１）および条件（２）を満たすように含まれる、合金鋼。ここで条件（１）は質量％でＡｌ：０．０２％以上、またはＮ：０．００５％以上であり、条件（２）は７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ］％×［Ｎ］％）＜１１．５である。

Description

合金鋼
　本発明は、合金鋼に関するものである。
　ＡＭＳ６４９１で規定される合金は、Ｍ５０と呼ばれ、その組成は、質量％でＣ（炭素）が０．８０～０．８５％、Ｍｎ（マンガン）が０．１５～０．３５％、Ｃｒ（クロム）が４．００～４．２５％、Ｍｏ（モリブデン）が４．００～４．５０％、Ｖ（バナジウム）が０．９０～１．１０％を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不純物からなる鋼である。このＭ５０は、焼入れ焼戻しされ、軸受鋼として、例えば、航空機のエンジン部品として用いられる。
　例えば特許文献１には、重量比にして、Ｃ：０．６０～１．５０％、Ｓｉ：０．１５～１．００％、Ｍｎ：０．１５～０．５０％、Ｃｒ：３．０～１９．０％、Ｍｏ：０．５０～６．５０％、Ｖ：０．０５～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～１．５０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成る鋼を、５００～６００℃の温度で窒化を行なうことを特徴とする軸受用鋼の製造方法が記載されている。この特許文献１には、結晶粒微細化にＶの添加が有効であることや、焼入れ温度を１２００℃以下にすることが有効である旨も開示されている。
特開平５－１７９４０１号公報
　上述したようなＭ５０製品の機械的特性を低下させる要因の一つとして、結晶粒の粗大化が挙げられる。特に平均結晶粒度が小さくても、結晶粒が部分的に粗大化して粗大粒と微細粒とが混在した混粒組織となっている場合、粗大粒部を起因とした亀裂の発生が懸念されるため、最大結晶粒度も併せて小さくすることが重要である。このような最大結晶粒度を小さくすることについて上述した特許文献では検討されていない。
　よって本発明の目的は、Ｍ５０相当合金の焼入れ後の最大結晶粒度を小さくして結晶粒度のばらつきを抑制することが可能な合金鋼を提供することである。
　本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
　即ち本発明は、質量％でＣ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．０５～０．３５％、Ｍｎ：０．０５～０．４５％、Ｃｒ：３．９０～４．３５％、（Ｍｏ＋Ｗ／２）の関係式によるＭｏおよびＷのうちの１種または２種：３．９０～４．６０％、Ｖ：０．８０～１．２０％、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物でなり、さらにＡｌとＮが、下記条件（１）および条件（２）を満たすように含まれる、合金鋼である。ここで、条件（１）は質量％でＡｌ：０．０２％以上、またはＮ：０．００５％以上であり、条件（２）は７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)＜１１．５である。
　好ましくは、ＡＳＴＭ－Ｅ９３０に準拠した最大結晶粒度番号が６．０以上である。
　好ましくは、ＡＳＴＭ－Ｅ１１２に準拠した平均結晶粒度番号が８．０以上である。
　本発明によれば、Ｍ５０相当合金の焼入れ後の最大結晶粒度を小さくして結晶粒度のばらつきを抑制することが可能となる。
本発明例および比較例の焼入れ後の試料断面写真である。
　先ず、本発明で規定する合金鋼（Ｍ５０相当合金）の組成限定理由について述べる。
　Ｃ：０．７０～０．９５質量％（以下、単に「％」とも表記）、
　Ｃは硬さを向上させるのに有効な元素であり、最低０．７０％を必要とするが、０．９５％を超えるＣの添加は靭性を低下させてしまうため、Ｃは０．７０％～０．９５％とする。好ましくは０.８０％以上である。また、好ましくは０.８５％以下である。
　Ｓｉ：０．０５～０．３５％、
　Ｓｉは製鋼時に脱酸剤として使用され、被削性を高めるために有効な元素である。Ｓｉが０．０５％未満では、材料の延性が高すぎ、冷間での切削加工性を阻害してしまう。一方０．３５％を超えるＳｉの添加は靭性を低下させてしまうため、Ｓｉは０．０５％～０．３５％とする。好ましくは０.１０％以上である。また、好ましくは０.２５％以下である。
　Ｍｎ：０．０５～０．４５％、
　Ｍｎは製鋼時に脱酸剤や脱硫剤として使用され、焼入性を向上させるのに有効な元素であり、最低０．０５％を必要とする。一方、Ｍｎが０．４５％を超えると、硬度が上昇しすぎてしまい、加工性を悪くするといった問題が発生するため、Ｍｎは０．０５％～０．４５％とする。好ましくは０.１５％以上である。また、好ましくは０.３５％以下である。
　Ｃｒ：３．９０～４．３５％、
　Ｃｒは後述するするＭｏと同様、焼入性の向上、及び高温での焼戻し軟化抵抗を向上させる効果があるため最低３．９０％の添加が必要である。一方、Ｃｒが４．３５％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、Ｃｒは３．９０％～４．３５％とする。好ましくは４.００％以上である。また、好ましくは４.２５％以下である。
　（Ｍｏ＋Ｗ／２）の関係式によるＭｏおよびＷのうちの１種または２種：３．９０～４．６０％、
　ＭｏおよびＷは同様の効果があり、原子量の関係から(Ｍｏ＋Ｗ／２)で規定する。焼入性の向上と高温での焼戻し軟化抵抗を向上させる効果があるため最低３．９０％の添加が必要である。一方、４．６０％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、(Ｍｏ＋Ｗ／２)は３．９０％～４．６０％とする。好ましくは４.００％以上である。また、好ましくは４.５０％以下である。
　なお、Ｍ５０相当合金の成分組成に倣えば、Ｗの含有量の全てをＭｏのそれに替えることができる。このとき、Ｍｏ：３．９０～４．６０％となる。そして、好ましくは４.００％以上である。また、好ましくは４.５０％以下である。そして、Ｗは不純物として含まれ得て、例えば、Ｍ５０相当合金の成分組成に倣えば、０．２５％以下のＷを含むことができる。
　Ｖ：０．８０～１．２０％、
　Ｖは焼戻し軟化抵抗を向上させる効果と結晶粒を細かくする効果がある。Ｖが０．８０％未満では、ＭＣ炭化物の析出が少なく、結晶粒が粗大化する。一方、Ｖが１．２０％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、Ｖは０．８０％～１．２０％とする。好ましくは０.９０％以上である。また、好ましくは１.１０％以下である。
　本発明の合金鋼では、さらにＡｌとＮが、下記条件（１）および条件（２）を満たすように含まれることが特徴である。ここで条件（１）は、質量％でＡｌ：０．０２％以上、またはＮ：０．００５％以上であり、条件（２）は、７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)＜１１．５である。Ａｌは脱酸剤として使用され、Ｎは不純物として残留し得る元素である。ＡｌおよびＮは母相中に固溶状態で存在させることで、Ａｌは結晶粒微細化に有効なＭＣ炭化物析出時の核として作用し、Ｎは炭化物に固溶してＭＣ炭化物量を増加させることでＭＣ炭化物を微細・均一に分散させる効果がある。したがって、本発明の合金鋼はＡｌが０．０２％以上、またはＮが０．００５％以上含有する。ここで本発明鋼においてＡｌが０．０２％以上かつＮが０．００５％以上でも良い。
　そして、本発明では、上記のＡｌまたはＮの固溶による効果を得るために、ＡｌおよびＮの含有量（質量％）の積で示される「溶解度積」を調整することが効果的である。つまり、－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)が７．５未満となると多量のＡｌＮが生成し、ＭＣ炭化物の析出サイトを部分的に埋めてしまう。そして、このＡｌＮの生成部位で固溶していたＡｌ量またはＮ量も減少するため、焼入れ時に残存するＭＣ炭化物分布が不均一となり結晶粒の粗大化が生じてしまう。一方、－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)が１１．５を超過すると、ＡｌＮの生成は抑制できるものの、ＡｌおよびＮの固溶量も少ないため、上記のＡｌまたはＮの固溶による効果が顕在化しない。したがって、７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)＜１１．５とする。好ましい－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％) の下限は８．０であり、より好ましくは８．５であり、さらに好ましくは９．０である。また好ましい－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)の上限は１１．０であり、より好ましくは１０．５であり、さらに好ましくは１０．０である。
　以上、説明する各元素の他は、Ｆｅと不可避的不純物である。不可避的不純物としてはＰ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｏが挙げられ、例えば、Ｍ５０相当合金の成分組成に倣えば、それぞれの上限は質量％で、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００８％、Ｎｉ≦０．１５％、Ｃｏ≦０．２５％、Ｃｕ≦０．１０％、Ｏ≦０．００３０％と設定することができる。
　上述した合金成分範囲を有する本発明の合金鋼は、最大結晶粒径が小さく（最大結晶粒度番号が大きく、）結晶粒度のばらつきが小さいため、良好な機械的特性を安定して得ることが期待できる。好ましい本発明の最大結晶粒度番号（ＡＳＴＭ－Ｅ９３０に準拠）は、６．０以上である。また好ましい本発明の平均結晶粒度番号（ＡＳＴＭ－Ｅ１１２に準拠）は、８.０以上である。より好ましい平均結晶粒度番号の下限は８.５であり、さらに好ましい平均結晶粒度番号の下限は９.０である。これらの結晶粒度番号は、焼入れ後または焼入れ―焼戻し後の状態で測定することができる。これは焼入れ後と焼入れ―焼戻し後とで結晶粒径が実質的に変動しないためである。
　表１の成分組成を有する、Ｍ５０相当合金の１０ｋｇの鋼塊を溶製し本発明例であるＮｏ.１～５の鋼、および比較例であるＮｏ.６～８の鋼塊を得た。その後、熱間加工を行って、３０ｍｍ角棒状の実験用素材を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　焼入れ後の結晶粒サイズを確認するため、上記で得た本発明例および比較例の実験用素材に焼なまし処理を実施後、試験片を採取した。試験片の採取箇所について、３０ｍｍ角断面のＷ／４―Ｔ／４（Ｗ：幅方向の長さ、Ｔ：厚み方向の長さ）位置、長さ方向はＬ／２（Ｌ：長さ方向の長さ）位置とした。その後、各素材に１１１５℃にて焼入れ処理を実施し、ＡＳＴＭ規格（平均結晶粒度はＡＳＴＭ―Ｅ１１２―１３（２０２１）、最大結晶粒度はＡＳＴＭ―Ｅ９３０―１８）に従って光学顕微鏡により結晶粒度を測定した結果を表２に示す。なお、Ｎｏ.６は混粒で平均結晶粒度が測定できなかったため結晶粒度の分布割合を示す。表１より、質量％でＡｌ：０．０２０％以上、またはＮ：０．００５％以上であり、かつ７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)＜１１．５を満たす本発明例は、平均結晶粒度については比較例である試料Ｎｏ．７、Ｎｏ．８と同水準であるが、最大結晶粒度が結晶粒度Ｎｏ.で６．０以上と比較例よりも微細化しており、結晶粒度のばらつきが小さいことが確認できた。
　Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．６、Ｎｏ．８について、光学顕微鏡写真も図１に示す。観察位置は、焼入れ後の試験片縦断面（長さ方向に対して平行に半割したＴ―Ｌ断面）とした。なお図１の上段の観察倍率は２００倍、下段の観察倍率は５００倍である。本発明の条件（１）および条件（２）を満たす本発明例（Ｎｏ.２、Ｎｏ.３）では結晶粒サイズが全体的に微細であり、ばらつきが小さく、比較例（Ｎｏ.６、Ｎｏ.８）では微細粒の中に５０μｍを超えるような粗大粒が確認でき、結晶粒度のばらつきが大きいことが図１より確認できた。以上の結果より、本発明で規定するＡｌ、Ｎ量に制御することにより、Ｍ５０相当合金の焼入れ後の結晶粒度のばらつきを抑制することが可能である。そして、この焼入れ後のＭ５０相当合金に焼戻しを行うことで、機械的特性の低下が抑制されたＭ５０相当合金製品を提供することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 

Claims (3)

  1. 　質量％でＣ：０．７０～０．９５％、
    Ｓｉ：０．０５～０．３５％、
    Ｍｎ：０．０５～０．４５％、
    Ｃｒ：３．９０～４．３５％、
    （Ｍｏ＋Ｗ／２）の関係式によるＭｏおよびＷのうちの１種または２種：３．９０～４．６０％、
    Ｖ：０．８０～１．２０％、
    残部：Ｆｅ及び不可避的不純物でなり、
    さらにＡｌとＮが、下記条件（１）および条件（２）を満たすように含まれる、合金鋼。
     
    条件（１）質量％でＡｌ：０．０２％以上、またはＮ：０．００５％以上
    条件（２）７．５＜－ｌｎ（［Ａｌ]％×[Ｎ]％)＜１１．５
  2. 　ＡＳＴＭ－Ｅ９３０に準拠した最大結晶粒度番号が６．０以上である、請求項１に記載の合金鋼。
  3. 　ＡＳＴＭ－Ｅ１１２に準拠した平均結晶粒度番号が８．０以上である、請求項２に記載の合金鋼。

     
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