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技術 疲労特性の優れた高強度鋼およびその製造方法

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 樽井敏三山崎真吾小畑達郎
出願日 2000年2月23日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 2000-046163
公開日 2001年8月28日 (19年3ヶ月経過) 公開番号 2001-234277
状態 特許登録済
技術分野 磁性鉄合金の熱処理 熱処理
主要キーワード 内部破壊 昇温分析 疲労限度 ピンニング作用 介在物サイズ 高疲労強度化 鋼材成分 添加範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年8月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

本発明は、引張強さが1500MPa以上である高強度鋼において、疲労特性を向上させた鋼材とその製造方法を提供する。

解決手段

質量%で、C:0.2〜1.3%、Si:0.01〜3.0%、Mn:0.2〜3.0%、必要に応じてその他の元素を含有し、下式で示す炭素当量(Ceq)が0.8%以上であり、且つ室温から500℃に加熱する際に放出される水素量を0.3ppm 以下に低減することによって、1500MPa以上の高強度鋼の疲労特性を向上させる。

Ceq=C%+Si%/15+Mn%/10+Cr%/11+Mo%/7+V%/5+Ni%/45+Cu%/45

概要

背景

ばね、シャフト軸受け鋼などで使われている鋼は、伸線冷間鍛造あるいは熱間鍛造等により所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理によって製造され、強度が1500MPa以上の高強度鋼が使用されている。部品の軽量化、あるいは高疲労強度化ニーズが強く、これに応じるためには鋼材の一層の高強度化が必要である。

鋼材を高強度化する際にネックとなる課題の一つは疲労特性である。通常の疲労破壊鋼材表面で亀裂が生成し内部に亀裂が伝播するプロセスで起きる。しかし、鋼材を高強度化していくと疲労亀裂が内部から発生し(以下、内部破壊)、疲労寿命が低下する現象が生じる。内部破壊の起点には、非金属介在物が多く観察されることから、非金属介在物量の減少あるいは非金属介在物サイズを小さくする手段がとられている。

しかしながら、鋼材を高強度化するほど要求される非金属介在物のサイズ・量は一層厳しくなり、工業的規模で非金属介在物のサイズ・量を制御することは困難であった。

概要

本発明は、引張強さが1500MPa以上である高強度鋼において、疲労特性を向上させた鋼材とその製造方法を提供する。

質量%で、C:0.2〜1.3%、Si:0.01〜3.0%、Mn:0.2〜3.0%、必要に応じてその他の元素を含有し、下式で示す炭素当量(Ceq)が0.8%以上であり、且つ室温から500℃に加熱する際に放出される水素量を0.3ppm 以下に低減することによって、1500MPa以上の高強度鋼の疲労特性を向上させる。

Ceq=C%+Si%/15+Mn%/10+Cr%/11+Mo%/7+V%/5+Ni%/45+Cu%/45

目的

本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、疲労特性の優れた高強度鋼を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

質量%で、C :0.2〜1.3%、Si:0.01〜3.0%、Mn:0.2〜3.0%を含有し残部はFeおよび不可避的不純物からなり、(1)式で示す炭素当量(Ceq)が0.8%以上であり、且つ室温から500℃に加熱する際に放出される水素量が0.3ppm 以下であることを特徴とする疲労特性の優れた高強度鋼。Ceq=C%+Si%/15+Mn%/10+Cr%/11+Mo%/7+V%/5+Ni%/45+Cu%/45 ・・・(1)

請求項2

鋼成分がさらに、質量%で、Cr:0.05〜3.0%、Mo:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜3.0%、Cu:0.05〜1.5%、B :0.0003〜0.01%の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の疲労特性の優れた高強度鋼。

請求項3

鋼成分がさらに、質量%で、Al:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.3%、Nb:0.005〜0.3%、V :0.05〜1.0%の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の疲労特性の優れた高強度鋼。

請求項4

鋼成分がさらに、質量%で、Ca:0.0003〜0.01%、Mg:0.0003〜0.01%、REM:0.005〜0.1%の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1、2または3のいずれかに記載の疲労特性の優れた高強度鋼。

請求項5

請求項1乃至4のいずれかに記載の成分を含有する鋼をAc1点以上の温度に加熱後、冷却しマルテンサイト組織にした後、500〜650℃で焼き戻すことを特徴とする疲労特性の優れた高強度鋼の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、ばね、シャフト軸受けなどに使われている高強度鋼に関するものであり、特に疲労特性の優れた高強度鋼に関するものである。

背景技術

0002

ばね、シャフト、軸受け鋼などで使われている鋼は、伸線冷間鍛造あるいは熱間鍛造等により所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理によって製造され、強度が1500MPa以上の高強度鋼が使用されている。部品の軽量化、あるいは高疲労強度化ニーズが強く、これに応じるためには鋼材の一層の高強度化が必要である。

0003

鋼材を高強度化する際にネックとなる課題の一つは疲労特性である。通常の疲労破壊鋼材表面で亀裂が生成し内部に亀裂が伝播するプロセスで起きる。しかし、鋼材を高強度化していくと疲労亀裂が内部から発生し(以下、内部破壊)、疲労寿命が低下する現象が生じる。内部破壊の起点には、非金属介在物が多く観察されることから、非金属介在物量の減少あるいは非金属介在物サイズを小さくする手段がとられている。

0004

しかしながら、鋼材を高強度化するほど要求される非金属介在物のサイズ・量は一層厳しくなり、工業的規模で非金属介在物のサイズ・量を制御することは困難であった。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、疲労特性の優れた高強度鋼を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明者らは、まず高強度鋼において生じる内部破壊の原因について詳細に究明した。この結果、内部破壊は非金属介在物のサイズと量以外に、鋼材中に含まれる水素に大きく影響されることを初めて見いだした。即ち、鋼材中の水素を低下させれば、内部破壊が発生しなくなり、疲労寿命が大幅に向上することを見いだした。更に、鋼材の高強度化手段と鋼材中の水素量を低下させる技術を確立した。本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨とするところは、次の通りである。
(1) 質量%で、C :0.2〜1.3%、 Si:0.01〜3.0%、Mn:0.2〜3.0%を含有し残部はFeおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示す炭素当量(Ceq)が0.8%以上であり、且つ室温から500℃に加熱する際に放出される水素量が0.3ppm 以下であることを特徴とする疲労特性の優れた高強度鋼。
Ceq=C%+Si%/15+Mn%/10+Cr%/11+Mo%/7+V%/5+Ni%/45+Cu%/45 ・・・(1)
(2) 鋼成分がさらに、質量%で、Cr:0.05〜3.0%、 Mo:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜3.0%、 Cu:0.05〜1.5%、B :0.0003〜0.01%の1種または2種以上を含有することを特徴とする前項(1)記載の疲労特性の優れた高強度鋼。
(3) 鋼成分がさらに、質量%で、Al:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.3%、Nb:0.005〜0.3%、 V :0.05〜1.0%の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の疲労特性の優れた高強度鋼。
(4) 鋼成分がさらに、質量%で、Ca:0.0003〜0.01%、Mg:0.0003〜0.01%、REM:0.005〜0.1%の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)、(2)または(3)のいずれかに記載の疲労特性の優れた高強度鋼。
(5) 前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の成分を含有する鋼をAc1点以上の温度に加熱後、冷却しマルテンサイト組織にした後、500〜650℃で焼き戻すことを特徴とする疲労特性の優れた高強度鋼の製造方法。

発明を実施するための最良の形態

0007

まず本発明における疲労特性の優れた高強度とは、引張強さが1500MPa以上であり108サイクルでの疲労強度が引張強さの0.4以上であることを意味している。

0008

以下に、本発明の対象とする鋼の成分の限定理由について述べる。
C:Cは鋼の強度を増加させるために有効な元素であるが、0.2%未満では本発明で目的とする1500MPa以上の引張強さを得ることが困難である。一方、1.3%を超える過剰な添加は強度が高くなるものの靭性が低下しやすい。従って、Cの添加範囲を0.2〜1.3%に限定した。

0009

Si:Siは脱酸に有効であるとともに固溶強化および焼戻し軟化抵抗を増加させ、高強度化に有効な元素である。0.01%未満では前記の効果が期待できず、一方、3.0%を超えて添加しても効果が飽和するため、0.01〜3.0%の範囲に制限した。

0010

Mn:Mnは脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、マルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素である。更に焼戻し軟化抵抗を増加させる効果も有している。0.2%未満では上記の効果が得られず、一方、3.0%を超えて添加しても効果が飽和するため0.2〜3.0%の範囲に制限した。

0011

以上が本発明の高強度鋼の基本成分であるが、本発明では焼入性あるいは焼戻し軟化抵抗を増加させて高強度化を達成するためにCr、Mo、Ni、Cu、Bの1種または2種以上、またオーステナイト粒径細粒化あるいは析出強化を図るためにAl、Ti、Nb、Vの1種または2種以上、更に非金属介在物のサイズを小さくして内部破壊を防止するためにCa、Mg、REMを1種または2種以上を必要に応じて選択含有することができる。

0012

Cr:Crは焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、0.05%未満ではその効果が十分に発揮できず、一方、3.0%を超えて添加しても効果が飽和するために0.05〜3.0%に限定した。

0013

Mo:MoはCrと同様に強い焼戻し軟化抵抗を有し熱処理後の引張強さを高めるために有効な元素であるが、0.05%未満ではその効果が少なく、一方、1.0%を超えて添加しても添加量に見合う効果が得られないため0.05〜1.0%に制限した。

0014

Ni:Niは高強度化に伴って劣化する延性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、0.05%未満ではその効果が少なく、一方、3.0%を超えても添加量に見合う効果が発揮できないため、0.05〜3.0%の範囲に制限した。

0015

Cu:Cuは焼戻し軟化抵抗を高めるために有効な元素であるが、0.05%未満では効果が発揮できず、1.5%を超えると熱間加工性が劣化するため、0.05〜1.5%に制限した。

0016

B:Bは極微量の添加で焼入性を著しく高める効果を有しているが、0.0003%未満では前記の効果が発揮されず、0.01%を超えても効果が飽和するため0.0003〜0.01%に制限した。

0017

Al:Alは脱酸に有効であり、更に熱処理時においてAlNを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにNを固定し焼入性向上に有効な固溶Bを確保する効果も有しているが、0.005%未満ではこれらの効果が発揮されず、0.1%を超えても効果が飽和するため0.005〜0.1%の範囲に限定した。

0018

Ti:TiもAlと同様に脱酸に有効であり、更に熱処理時においてTiNを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにNを固定し焼入性向上に有効な固溶Bを確保する効果も有しているが、0.005%未満ではこれらの効果が発揮されず、0.3%を超えても効果が飽和するため0.005〜0.3%の範囲に限定した。

0019

V:Vは焼入れ処理時において炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させるとともに強い焼戻し軟化抵抗を有する元素であるが、0.05%未満では前記作用の効果が得られず、一方、1.0%を超えても効果が飽和するため0.05〜1.0%に限定した。

0020

Nb:NbもVと同様に炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させるために有効な元素である。0.005%未満では上記効果が不十分であり、一方、0.3%を超えるとこの効果が飽和するため0.005〜0.3%に制限した。

0021

Ca、Mg、REM:Ca、Mg、REMはいずれも微細な酸化物あるいは硫化物もしくはこれらの混合物を形成し、介在物サイズを小さくさせる効果があり、内部破壊の起点を減少させる作用を有している。更に、Ca、Mg、REMを含む微少な酸化物あるいは硫化物もしくはこれらの混合物はピンニング作用により熱処理時のオーステナイト粒径を細粒化させる効果も有している。これらの効果を発揮するための下限の含有量は、CaおよびMgは0.0003%、REMは0.005%である。一方、過剰に添加しても効果が飽和するため、上限をそれぞれ、Ca、Mgは0.01%、REMは0.1%に制限した。

0022

P、Sについては特に制限しないものの、高強度鋼の靭性低下を防ぐ点で、それぞれ0.02%以下が好ましい範囲である。また、NはTi、Al、V、Nbの窒化物を生成することによりオーステナイト粒の細粒化効果があるため、0.003〜0.015%が好ましい範囲である。

0023

以上の化学組成の限定に加えて、本発明においては以下の理由により、(1) 式で示す炭素当量(Ceq)の下限を0.8に限定している。
Ceq=C%+Si%/15+Mn%/10+Cr%/11+Mo%/7+V%/5+Ni%/45+Cu%/45 ・・・(1)
炭素当量が0.8%未満であると本発明の目的とする引張強さが1500MPa以上の高強度鋼を製造することが困難となるため、下限を0.8%に限定した。上限は本発明の効果を得るためには特に限定する必要はないが、1.5%を超えると靭性が低下するため、1.5%とすることが好ましい。

0024

次に本発明で重要な点である鋼材中に含まれる水素量の限定理由について述べる。図1は、強度が1716〜1796MPaの高強度鋼を用いて、鋼中の水素量と回転曲げによる疲労強度(108サイクル)の関係について解析した一例である。強度および鋼材中に含まれる水素量は、化学組成および熱処理条件(焼入れ:温度、時間、雰囲気焼戻し:温度、時間)によって変化させたものである。

0025

図1から明らかなように鋼材中の水素量が0.3ppm を超えると疲労強度が大幅に低下することが明らかである。また、0.3ppm を超える領域では内部疲労破壊の比率が多くなる。以上の結果から、鋼材中の水素量の上限を0.3ppm に制限した。なお、水素量が0.2ppm 以下では、水素の影響が一層低下することから、好ましい条件は0.2ppm 以下である。

0026

なお、本発明での水素の測定条件は下記の通りである。水素量の測定はガスクロマトグラフによる昇温分析法(加熱抽出法)である。試料表層スケールを除去、脱脂したものを用い、試料重量分析精度の点で20g以上が良い。また、昇温分析時の昇温速度は100℃/時間である。本発明では、室温から500℃に加熱する際に鋼材中から放出される水素量について測定を行っている。

0027

次に1500MPa 以上の高強度鋼と鋼中の水素量を0.3ppm以下にするための製造条件について説明する。
加熱温度:加熱温度がAc1点未満では完全にオーステナイト化できず、その後の冷却で全面のマルテンサイト組織にすることができないため、加熱温度の下限をAc1 点に限定した。

0028

鋼材中の水素は、加熱時に熱処理雰囲気中の水素ガスあるいは水分、メタン等が分解して鋼材中に侵入し、加熱温度が高くなるほど、加熱時間が長くなるほど鋼材中の水素量は増加する。このため、加熱雰囲気は水素ガス、水分等を減少させることが好ましい条件である。

0029

また、加熱温度は低い方が良く、加熱温度の上限は1100℃が好ましい条件である。加熱時間は短い方が水素量が低くなるため、むやみに長くしないことが必要である。このような点で、高周波加熱のような加熱速度が速く加熱時間が短時間ですむ方法が好ましい加熱条件である。

0030

焼戻し温度:焼戻し温度が500℃未満では鋼材中の水素量を0.3ppm 以下にすることが困難であるため、焼戻し温度の下限を500℃に限定した。焼戻し温度が500℃以上になると通常は強度が大幅に低下するが、炭素当量を0.8以上とすることにより500℃以上の焼戻し温度でも1500MPa以上の高強度鋼を製造することが可能となる。一方、焼戻し温度が650℃を超えると強度低下が大きくなり高強度鋼にすることが困難になるため、焼戻し温度の上限を650℃に限定した。また、焼戻し処理手段は、通常の電気炉ガス炉等よりも、高周波加熱のような加熱速度が速く加熱時間が短時間ですむ方法が好ましい焼戻し条件である。これは、同一の温度で焼戻しした場合、高周波加熱では時間が短時間ですむため、焼戻し時の強度低下が少なく、より高強度化するためである。

0031

以下、実施例により本発明の効果を更に具体的に説明する。表1に示す化学組成を有する供試材熱間圧延で32mm径仕上げた。その後、高周波加熱あるいは電気炉による焼入れ・焼戻し処理を行った。高周波加熱の場合は、焼入れ時の加熱時間が20秒、焼戻し時の加熱時間が3〜20秒の条件で、また電気炉の場合は焼入れおよび焼戻し時の加熱時間が45分の条件で行った。焼戻し処理後の鋼材中の水素量および機械的性質調査するとともに回転曲げ疲労試験によって108サイクルの疲労限を求めた。これらの結果を表2に示す。

0032

表2において、試験No.1〜11が比較例で、試験 No.12〜37が本発明例である。同表に見られるように本発明例は、いずれも1500MPa以上の高強度と高い疲労限を有する鋼が実現されている。これに対して比較例である No.1〜9は、いずれも従来の鋼材を用いた場合である。 No.1、3、4、6〜9は、1500MPa以上の高強度は達成できているものの、炭素当量が0.8未満であるため焼戻し温度が低くなり、この結果鋼材中の水素量が0.3ppm 以上となって疲労限が低下している。また、 No.2、5は、焼戻し温度が500℃以上の例である。本発明の目的とする疲労限度と引張強さの比が0.4以上になっているが、引張強さは1500MPa未満となっている。比較例の No.10、11は炭素当量が0.8以上であるが、焼戻し温度が低いために水素量が0.3ppm 以上あり、疲労限度と引張強さの比が0.4未満となっている。

0033

0034

発明の効果

0035

以上の実施例からも明らかなごとく、本発明は鋼材成分と焼戻し温度を限定することによって、1500MPa以上の高強度と高い疲労特性を有する高強度鋼を実現したものであり、産業上の効果は極めて顕著なものがある。

図面の簡単な説明

0036

図1高強度鋼の疲労限に及ぼす水素の影響について解析した一例を示す図である。

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