JP2002212665A

JP2002212665A - 高強度高靭性鋼

Info

Publication number: JP2002212665A
Application number: JP2001003375A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nagao; 護長尾; Takuya Kochi; 琢哉高知; Hiroshi Kako; 浩家口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮｉやＣｒの多量添加や特殊な加工熱処理を
必要とすることなく、ボルト用、ばね用等の条鋼材とし
て好適な高強度高靭性鋼を提供する。【解決手段】 mass％で、Ｍｎ：０．２％≦Ｍｎ≦２．
０％、Ｃｒ：Ｃｒ≦３．０％かつＣｒ／Ｍｎ≦２．５、
Ｃ：（０．７７−０．１２Ｃｒ−０．０２Ｍｎ）％≦Ｃ
≦０．８％、Ｓｉ：Ｓｉ≦３．０％、Ａｌ：Ａｌ≦０．
１％、Ｐ：Ｐ≦０．０１％、Ｓ：Ｓ≦０．０３％および
残部Ｆｅを本質的成分として含有する。焼き戻しマルテ
ンサイトを主体とし、残部が残留オーステナイトによっ
て構成される組織を有する。旧オーステナイト粒の平均
粒径が１５μm 以下であり、かつ組織中に短径／長径で
表されるアスペクト比が０．８以上で粒径０．３〜０．
６μm の未溶解炭化物を視野２３００μm²中に５０個以
上有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ばね用鋼材、ボル
ト用鋼材等の条鋼材として好適な高強度高強靱鋼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の燃費改善のために使用鋼
材の軽量化ニーズが高まり、ばね用鋼材、ボルト用鋼材
などの条鋼材に対してもますます高強度化が望まれてい
る。例えば、ボルト用鋼材では引張強さ１２００〜２０
００ＭＰａ（ロックウェルＣ硬さ換算でＨＲＣ３９〜５
４）、ばね鋼材では１６００〜２２００ＭＰａ（ＨＲＣ
換算でＨＲＣ４７〜５８）の強度が望まれている。

【０００３】高強度鋼としてマルテンサイト鋼が利用さ
れるが、高強度化の弊害として遅れ破壊感受性や、腐食
疲労特性が劣化するため、これらの特性の向上が必要で
あり、鋼材自体の靭性を高めることが根本的な技術課題
である。前記ボルト用鋼材、ばね用鋼材の靭性について
は、規格化された評価基準がある訳ではないが、（社）
日本鉄鋼協会講演大会概要集ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪＶｏ
ｌ．１１（１９８８）−ｐ４９５に示される陰極チャー
ジ寿命試験によって破壊靭性値Ｋ_ICを代用評価する手法
では、１０００秒以上の寿命を確保することが望まれて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】マルテンサイト鋼の靭
性を高める方策として、例えば、特公昭６０−３０７３
６号公報には高周波加熱焼入れによって微細マルテンサ
イトを形成する冷間成形コイルばねの製造方法が開示さ
れている。この高周波加熱処理はオーステナイト粒を微
細化することで、間接的にマルテンサイトを微細化する
技術である。しかし、オーステナイト粒の微細化による
靭性向上にも限界があり、さらなる高靭性化技術の開発
が望まれている。

【０００５】他のマルテンサイト鋼の靭性向上技術とし
て、転位密度の高い未変態オーステナイトから焼き入れ
る技術が提唱されている。例えば、特開平６−１１６６
３７号公報には、Ｎｉを多量添加した成分系の鋼を用
い、昇温中にせん断型逆変態オーステナイト相を生成さ
せ、これを活用した技術が開示されている。しかし、Ｎ
ｉは積極的に利用するには高価な元素であるという問題
点がある。また、特開平１１−２２９０７５号公報に
は、上記問題を解決する手段として鋼成分を限定し、昇
温速度、冷却速度をさらに制限する厚鋼板の製造方法が
開示されている。しかし、この技術は利用範囲が厚板に
限られ、到達強度がＴＳ（引張強さ）で１５５１ＭＰ
ａ、靭性を示す破断応力で９４５ＭＰａ止まりであるた
め、自動車部品に使用される高強度高靭性鋼としては強
度、靭性が不足している。

【０００６】また、特開平８−６７９５０号公報には、
マルテンサイト系ステンレス鋼の靭性改善手段としてマ
トリックス中に粒径２μm 以下のＣｒ炭化物（Ｍ
₂₃Ｃ₆）を分布させ、旧オーステナイト粒径を１５〜３
０μm にまで微細化することによって、靭性を改善する
技術が開示きれている。しかし、この技術は多量のＣｒ
添加が必須であるため、ばね、ボルト用鋼材の高強度化
に寄与する鉄系の焼き戻し炭化物が析出成長せず、Ｃｒ
系炭化物が主体となるため、効果的に高強度化すること
が困難である。また、この技術によって向上する靭性
は、低温靭性であって、ばねやボルトに要求される遅れ
破壊感受性に寄与する靭性とは技術的特性が別異であ
る。

【０００７】本発明は上記問題点を解決すべくなされた
ものであり、ＮｉやＣｒなどの合金元素の多量添加や特
殊な加工熱処理を必要とすることなく、ばね、ボルトな
どの素材に供される条鋼材として好適な、環境脆化特性
に優れた高強度高靭性鋼を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者がマルテンサイ
ト鋼の靭性を改善する方策について、鋭意研究した結
果、高強度化と高靭性化を両立する根本原理はオーステ
ナイト結晶粒の微細化ではなく、その下部構造であるマ
ルテンサイト組織の下部組織を微細化することが有効で
あり、さらに特殊な熱処理を必要とせずにマルテンサイ
ト下部組織を微細化するには、マルテンサイト下部組織
の成長を抑制する障害物を鋼中に分散させることが重要
であるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。上
記知見を基に完成された本発明の特徴は、Ｃ量を亜共析
組成と呼ばれる０．８％以下に押さえて鋼の脆化を防止
しつつ、しかもＣ量を押さえたにもかかわらず、Ｍｎ、
Ｃｒ含有量を制御して、過共析組成のようにオーステナ
イト中に微細炭化物を分散析出させ、これによってマル
テンサイトの下部組織を微細化し、靭性を著しく向上さ
せたところにある。過共析とは、高温加熱時のオーステ
ナイト相から冷却したときに、熱力学的に平衡析出する
相がフェライトではなく炭化物である成分系を意味す
る。

【０００９】すなわち、本発明の高強度高靭性鋼は、
０．８％Ｃ以下であるにもかかわらず、オーステナイト
相に炭化物が分散する状態を比較的容易に得ることがで
きる成分系を有するものであり、mass％で、Ｍｎ：０．２％≦Ｍｎ≦２．０％、Ｃｒ：Ｃｒ≦３．０％かつＣｒ／Ｍｎ≦２．５、Ｃ：（０．７７−０．１２Ｃｒ−０．０２Ｍｎ）％≦Ｃ
≦０．８％、Ｓｉ：Ｓｉ≦３．０％、Ａｌ：Ａｌ≦０．１％、Ｐ：Ｐ≦０．０１％、Ｓ：Ｓ≦０．０３％、および残部Ｆｅを本質的成分として含有し、焼き戻しマ
ルテンサイトを主体とし、残部が残留オーステナイトに
よって構成される組織を有し、旧オーステナイト粒の平
均粒径が１５μm 以下であり、かつ組織中に短径／長径
で表されるアスペクト比が０．８以上で粒径０．３〜
０．６μm の未溶解炭化物を視野２３００μm²中に５０
個以上有する。

【００１０】鋼成分として、さらにＮｉ≦２．０％、Ｍ
ｏ≦１．０％、Ｃｕ≦１．０％、Ｗ≦１．０を満足する
Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕおよびＷの内の１種以上、あるいはさ
らにＶ≦０．０１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｎｂ≦０．０
１％、Ｈｆ≦０．０１％、Ｚｒ≦０．０１％、Ｔａ≦
０．０１％を満足するＶ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒおよ
びＴａの内の１種以上、あるいはさらに（Ｃａ＋Ｍｇ＋
ＲＥＭ）≦０．０１％を満足するＣａ、Ｍｇ、ＲＥＭの
内の１種以上を含有することができる。本発明鋼は、高
強度のみならず高靭性を有するので、ボルト用鋼材、ば
ね用鋼材として好適に利用される。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず、本発明鋼の成分限定理由に
ついて説明する。単位は全てmass％である。Ｍｎ：０．２％≦Ｍｎ≦２．０％Ｍｎは焼入性を高める元素であるとともに、添加するこ
とで共析組成を低炭素側に移動させる元素である。０．
２％未満では高強度化に必要な焼入性を確保することが
できない。一方、２．０％超の添加は靭性の高いマルテ
ンサイト組織であるラスマルテンサイトを減じ、靭性向
上に好ましくない双晶マルテンサイトの分率を高め、靭
性を低下させる。このため、Ｍｎ量の下限を０．２％、
好ましくは０．３％とし、その上限を２．０％、好まし
くは１．５％とする。

【００１２】Ｃｒ：Ｃｒ≦３．０％、かつＣｒ／Ｍｎ≦２．５Ｃｒは共析組成を低炭素側に大きく移動させる元素であ
り、好ましくは０．１％以上添加するのがよい。しか
し、Ｃｒ量が３．０％を超えると冷間加工性に著しい悪
影響が生じるので、Ｃｒの上限を３．０％、好ましくは
２．０％とする。一方、Ｃｒ／Ｍｎ比が２．５を超える
と、未溶解炭化物の分布状況を本発明のごとく制御して
も靭性を向上する効果を失うので、Ｃｒ／Ｍｎの比を
２．５以下に規定し、母相マルテンサイトの靭性を確保
する。

【００１３】Ｃ：（０．７７−０．１２Ｃｒ−０．０２
Ｍｎ）％≦Ｃ≦０．８％Ｃ量は靭性を確保するためには０．８％以下にすること
が必要であり、好ましくは０．７７％以下とするのがよ
い。一方、オーステナイト中に微細炭化物を析出させて
マルテンサイトを高靭性化するには、共析Ｃ量を示すＣ
パラメータｆ（Ｍｎ，Ｃｒ）＝（０．７７−０．１２Ｃ
ｒ−０．０２Ｍｎ）の値以上にすることが重要である。
このため、Ｃ量を上記範囲に規定する。

【００１４】Ｓｉ：Ｓｉ≦３．０％Ｓｉは脱酸のために有効な元素であるが、過剰の添加は
表層脱炭などの悪影響が現れるため、３．０％以下に止
める。

【００１５】Ａｌ：Ａｌ≦０．１％ＡｌもＳｉと同様、脱酸のために有効な元素であるが、
過剰の添加は表層脱炭などの悪影響が現れるため、０．
１％以下に止める。

【００１６】Ｐ：Ｐ≦０．０１％、Ｓ：Ｓ≦０．０３％これらの元素は不純物であり、少ない程よい。過多に含
有されると、粒界脆化などを引き起こすため、Ｐ：０．
０１％以下、Ｓ：０．０３％以下に止める。なお、Ｓは
被削性向上作用があるので、被削性が必要な場合には上
記範囲内で添加することができる。

【００１７】本発明の鋼は上記成分および残部Ｆｅを本
質的成分として含有するが、その他、不可避的不純物の
ほか、本発明鋼の特性を妨げない範囲で他の元素を添加
することができる。例えば、Ｎは脆化の原因になり易い
が、０．０１５％程度以下なら差し支えない。さらに、
本発明鋼の機械的性質をより向上させるため、例えば、
下記範囲でＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗの内から１種以上、あ
るいはさらにＶ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａの１種
以上、あるいはさらにＣａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（希土類元
素）の内から１種以上を添加することができる。ＲＥＭ
としては、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｙを例として挙げ
ることができる。

【００１８】Ｎｉ≦２．０％、Ｍｏ≦１．０％、Ｃｕ≦
１．０％、Ｗ≦１．０％これらの元素は、鋼の焼入性を左右する元素である。強
度調整を目的として添加することができる。しかし、過
剰の添加は熱間加工性等に悪影響を及ぼすので、各元素
の上限を上記のように定める。

【００１９】Ｖ≦０．０１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｎｂ
≦０．０１％、Ｈｆ≦０．０１％、Ｚｒ≦０．０１％、
Ｔａ≦０．０１％これらの元素は微細炭窒化物を生成し、水素トラップサ
イトとして作用するため、耐水素脆性を改善する目的で
添加することができる。しかし、各々の元素に付き、
０．０１％超の添加は析出強化が過剰となって靭性を低
下させるので、各々０．０１％以下に止める。

【００２０】Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種以上の合計で０．０１％以下Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭは介在物の形態制御が可能な脱酸元
素であり、被削性を改善する効果を有するため、０．０
１％を上限として添加することができる。

【００２１】次に、本発明鋼の組織について説明する。
本発明鋼は、組織が焼き戻しマルテンサイトを主体とす
る組織によって構成される。焼き戻しマルテンサイト
は、組織全体を占めることが望ましいが、１０体積％以
下、好ましくは５体積％以下の残留オーステナイトを含
んでいても実用上問題はない。一方、フェライト、パー
ライトは強度を劣化させるため、組織中に含まないよう
にする。

【００２２】本発明鋼は、上記のとおり、焼き戻しマル
テンサイトを主体とし、少なくとも組織中で９０体積
％、好ましくは９５体積％を占めるようにして高強度を
確保するものであるが、靭性向上の観点から、旧オース
テナイトの平均粒径を１５μm以下、好ましくは１０μm
以下とする。旧オーステナイト平均粒径が１５μm 超
になると、いわゆる粒界割れが破壊の機構として働くよ
うになり、靭性を著しく低下させるようになる。

【００２３】さらに、本発明鋼は、靭性をより向上させ
るため、マルテンサイト主体の組織中に未溶解炭化物を
分散させた組織とする。未溶解炭化物の平均粒径は、
０．３μm 以上、０．６μm 以下とする。マルテンサイ
トの下部組織の成長を抑制する障害物となるには、マル
テンサイトの下部組織の最小単位である「ラス」の幅よ
りも広い炭化物でなければならない。０．３μm より小
さい炭化物は、「ラス」の成長を抑制することができな
いため、平均粒径の下限を０．３μm とする。一方、
０．６μm 以上の粗大炭化物は、クラックの起点となっ
て靭性を低下させる。このため、未溶解炭化物の平均粒
径の下限を０．３μm 、好ましくは０．３５μm とし、
その上限を０．６μm 、好ましくは０．５５μm とす
る。

【００２４】さらに、前記未溶解炭化物である基準とし
て、炭化物のアスぺクト比を０．８以上とする。マルテ
ンサイトの下部組織の微細化に有効に作用する炭化物
は、焼き入れ前に存在するいわゆる未溶解炭化物であ
り、強度調整、靭性確保のために行われる焼き戻し中に
析出する炭化物ではない。両者は原則的に同一組成の炭
化物であるため、判別が困難とされてきたが、本発明者
の研究により、析出形態の特徴から粒状の炭化物は未溶
解炭化物であると判断できることを突き止めた。未溶解
炭化物と判断できる炭化物形態の基準として、本発明で
は炭化物のアスヘクト比を０．８以上とするものであ
る。なお、アスペクト比は、炭化物の短径／長径で求め
られる値であり、アスペクト比が１に近い程、炭化物は
真円に近い形態を取る。

【００２５】さらに、前記未溶解炭化物の個数として、
本発明では視野２３００μm²中の炭化物の個数が５０個
以上であることを必要とする。前記未溶解炭化物はオー
ステナイト粒内に存在して初めて効果を発揮する。２３
００μm²に５０個以上、好ましくは１００個以上の炭化
物を存在させることにより、オーステナイト粒内で下部
組織を分断する、すなわち一つのオーステナイト粒内で
種々の方位を持ったマルテンサイトを生成させるのに有
効に働く。５０個未満では下部組織微細化の効果が小さ
く、更なる靭性向上効果を期待することができない。

【００２６】次に本発明鋼の推奨される製造条件につい
て説明する。本発明鋼は、前記組成の鋼材を後述する条
件で焼き入れ、焼き戻すことによって製造される。焼き
入れ処理を行う前の鋼材（素材）の組織については特に
制限されない。例えば、所定組成のビレットを常法に従
って熱間圧延した条鋼材を素材として適宜使用すること
ができる。

【００２７】もっとも、未溶解炭化物の分布状況をより
容易に制御するためには、素材の組織を焼き戻しマルテ
ンサイト、あるいは球状化炭化物組織とすることが望ま
しい。焼き戻しマルテンサイトは、焼き入れ後の素材を
（Ａｃｍ点＋１００）℃以上の温度で３０分から１時間
程度加熱した後、臨界冷却速度以上で冷却し、さらに焼
き戻し温度を３００℃以上、望ましくは４５０℃以上、
６００℃以下とすることによって得ることができる。こ
のような条件にて素材を焼き戻し組織とすることで、後
段の焼き入れ処理の際の加熱時間を３０分程度以内に短
縮することが可能となる。一方、球状化組織を得る方法
としては、常法として知られているように、Ａ１点温度
直下まで徐熱、保持し、その後に徐冷する方法を挙げる
ことができる。

【００２８】前記規定した所定粒径、アスペクト比、個
数の未溶解炭化物を含むマルテンサイト主体組織を得る
ためには、少なくとも一部に前記未溶解炭化物が残存す
るオーステナイト相から、臨界冷却速度以上でＭｓ点以
下まで冷却することが必要である。加熱温度の上限は特
に定めないが、炭化物が固溶する温度Ａｃｍ点以上に長
時間加熱すると本発明の重要因子である未溶解炭化物が
保持時間を経て完全に消失することになる。このため、
Ａｃｍ点以上に加熱する場合は未溶解炭化物が完全に固
溶しない温度および時間以内で加熱することが必要であ
る。具体的には、Ａｃｍ点以上に加熱する場合、（Ａｃ
ｍ点＋８０）℃以下、望ましくは（Ａｃｍ点＋４０）℃
以下の範囲で加熱することにより保持時間の長短による
未溶解炭化物数のばらつきを少なくすることが出来る。
Ａｃｍ点以下に加熱する場合には、長時間の加熱を行っ
ても、炭化物が完全に固溶することがないので、安定し
て本発明の意図する組織を得ることが出来る。加熱時間
は旧オーステナイト粒径の制御とも関連するので、Ａｃ
ｍ点以上、あるいはそれ以下のいずれの場合でも、１ｈ
ｒ以内、好ましくは３０分以内とすることが望ましい。

【００２９】加熱後の焼き入れの際の冷却速度は、フェ
ライト変態やパーライト変態をさせないために臨界冷却
速度以上とすることが必要である。臨界冷却速度未満で
は、フェライトやパーライトが主体となる組織となって
必要な強度を確保することができない。冷却速度の上限
は特に定めないが、工業的に得られる水冷などの冷却速
度範囲であれば特に問題はない。また、マルテンサイト
組織を得るためには、Ｍｓ点として定められるマルテン
サイト変態が開始する温度より低温まで臨界冷却速度以
上で冷却することが重要である。もっとも、鋼成分、冷
却条件によっては、鋼中に残留オーステナイトが残留す
る場合があるが、既述のように、本発明では１０体積％
以下の残留オーステナイトは許容される。Ｍｓ点は実験
室的な測定によっても求めることができるが、通常、下
記式によって近似計算しても実用上問題はない。 Ms（℃）＝550−361×C−39Mn−35V−20Cr−17Ni-10Cu
−5（Mo＋W）

【００３０】焼き入れ処理後、１２００〜２３００ＭＰ
ａ程度の強度を得るように、強度調整を目的として焼き
戻し処理を実施する。焼き戻し処理での最高到達温度Ｔ
（絶対温度Ｋ）、加熱開始から冷却開始までの時間を示
す加熱時間ｔ（ｈｒ）については、常法のように、Ｔ＝
５７３〜８７３の範囲で、λ＝Ｔ×（２０＋log ｔ）が
概ね下記式を満足するように設定すればよい。１０００
０≦λ≦１８０００

【００３１】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的
に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に
解釈されるものではない。

【００３２】

【実施例】実施例１表１および表２に示す成分の鋼を実験的に溶製し、その
鋳造片に熱間加工を施して直径１６ｍｍ、長さ１５０ｍ
ｍの丸棒材を得た。これらの試験材に表３に示す条件に
て熱処理を施した。加熱は大気炉で行い、焼入れは油冷
（７０℃）とした。焼き戻しにはソルトバスを用いた。
焼き戻しの処理時間（試験材をソルトバスに投入してか
らから取り出すまでの時間）は全て１ｈｒとした。な
お、表１および２には各鋼のＭｓ点、Ａ１点、Ａｃｍ点
を、表２にはフェライト、パーライトが生成しない臨界
冷却速度も併せて示した。

【００３３】得られた試料の一部を組織観察用試験片
に、一部を靭性評価用の試験片に加工した。組織観察用
試験片を用いて旧オーステナイト粒径および未溶解炭化
物個数の測定を行うと共に組織の全体観察を行い、残留
オーステナイト量を測定した。一方、靭性評価用試験片
を用いて、強度の指標となるロックウェルＣスケール硬
さ（ＨＲＣ）および靭性評価特性値として陰極チャージ
寿命（陰極ＣＨ寿命）を測定した。陰極ＣＨ寿命は４点
曲げ−陰極チャージ試験における破断寿命を意味する。

【００３４】前記旧オーステナイト粒径の測定は、ＪＩ
ＳＧ０５５１に規定される「鋼のオーステナイト結晶
粒度試験方法」を参考として、焼き戻し処理後の試料の
表面を鏡面研磨した後、ピクリン酸アルコール溶液を塗
布して組織を現出させた後、光学顕微鏡にて倍率４００
倍で任意の位置から４枚の組織写真を撮影し、各写真と
もＪＩＳＧ０５５１附属書４に示された直線交差線分
法によって平均切片長さを求め、これを旧オーステナイ
ト粒径とした。

【００３５】前記未溶解炭化物個数の測定は、焼き戻し
処理後の試料の表面を湿式研磨にて鏡面研磨した後、酸
化皮膜が形成されないように乾燥させることなくそのま
ま５％ナイタールに２秒間浸漬し、得られた被顕組織面
をＳＥＭ（使用機種：日立製ＦＥ−ＳＥＭ、機種名Ｓ−
４５００）にて加速電圧２０ｋＶ、倍率５０００倍で自
動露光にてポラロイド（登録商標）写真を撮影し、得ら
れた写真（視野２３００μm²）をスキャナーにて取り
込み（使用機種：ＥＰＳＯＮ社製ＥＰ２０００、メージ
取り込み用ソフト：ＥＰＳｃａｎ！ＩＩ３２、取り
込み条件：２５６色グレー，中間調なし，ドロップアウ
トなし，高品位品質，解像度１２０ｄｐｉ）、取り込ん
だ画像を画像解析ソフト（The Proven Solution社製、I
mage Pro Plus ver. 4.0.0.11）にてＳＥＭ写真上にて
白い粒子として認識される炭化物をカウントさせ、アス
ペクト比として楕円長短軸比の逆数が0.8以上かつ粒径
として直径（平均）が０．３〜０．６μm のものをカウ
ントした。なお、個数測定に供した組織写真（試料No.
５）の一例を図３に示す。

【００３６】残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折
によって求めた。Ｘ線回折装置としてＲＡＤ−ＲＵ３０
０（理学電機製）を用い、Ｘ線源としてＣｏＫαを用
い、強度を４０ｋＶ−２００ｍＡとして測定した。定量
にはお互い重なりのないピークとして、α−Ｆｅに（２
００）、γ−Ｆｅに（２００）の各ピークを選択した。
また、配向を除くため、試料に回転と揺動をかけて測定
した。定量用に測定したそれぞれのデータを用いて積分
強度計算を行い、ピークの積分強度を求めた。求めたピ
ーク強度を用いて下記式により残留γ量を計算した。Ｖ_γ＝１／（（Ｉ_α／Ｉ_γ）×Ｋ＋１）×１００（vol
％）ここに、Ｖ_γはγ−Ｆｅの体積濃度（ vol％）、Ｉ_α
はα−Ｆｅ（２００）のピーク強度、Ｉ_γはγ−Ｆｅ
（２００）のピーク強度である。また、Ｋは組み合わせ
たピークに対する定数で、Ｋ＝２．３６１６である。

【００３７】硬度ＨＲＣの測定は、試料表面を湿式機械
研磨した後、４点を測定し、その平均を求めた。

【００３８】前記４点曲げ−陰極チャージ試験は以下の
要領によって実施された。先ず、焼き戻し後の試料か
ら、放電加工により長さ６０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ
１．５ｍｍの板状試験片を切出し、図１に示すように、
治具１にて試験片２を曲げ応力１４００ＭＰａで４点に
て拘束する。この試験片２を装着した治具１を０．５ｍ
ｏｌ／リットルの硫酸と０．０１ｍｏｌ／リットルのＫ
ＳＣＮとの混合液に浸し、陽極に白金電極を用い、陰極
電位−７００ｍＶを付加することで、試験片に電気化学
的に水素を供給する。電位付与後、曲げ応力を与えた試
験片が破断するまでの時間を測定する。寿命１０００ｓ
ｅｃを超えるものが、高強度高靭性鋼として実用に適す
ることから、寿命１０００ｓｅｃを合否判定基準とし
た。なお、靭性の評価は、ばね用鋼材、ボルト用鋼材の
場合、シャルピ衝撃試験のような動的な靭性や、薄板に
みられるＴＳ（引張強さ）×ＥＬ（伸び）で示される靭
性ではなく、破壊靭性値Ｋ_IC、Ｊ_ICが評価に適してい
る。しかし、寸法効果があるため正確なＫ_IC、Ｊ_ICを測
定することは困難であるので、本実施例においても、靭
性の評価として、（社）日本鉄鋼協会講演大会概要集Ｃ
ＡＭＰ−ＩＳＩＪＶｏｌ．１１（１９８８）−ｐ．４
９５に記載されているように、４点曲げ−陰極ＣＨ寿命
によって靭性を評価することとした。

【００３９】これらの測定結果を表３に併せて示す。ま
た、硬度ＨＲＣ（強度の代用）と陰極ＣＨ寿命との関係
を整理したグラフを図２に示す。組織の全体観察による
組織構成については、本発明の試料No. １〜１４につい
て、No. １〜１２は組織全体がほぼ焼き戻しマルテンサ
イトで占められたが、No. １３は焼き戻しマルテンサイ
トの他、体積率で残留オーステナイトが８％程度、No.
１４は残留オーステナイトが３％程度観察された。ま
た、No. １５は残留オーステナイトが１４％程度観察さ
れた比較例である。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】表３および図２より、本発明の成分系の鋼
を用い、かつ旧オーステナイト粒径、未溶解炭化物個数
が本発明条件に合致するNo. １〜No. １４の試料は、靭
性の指標となる陰極ＣＨ寿命が１０００秒を超える良好
な靭性を有することがわかる。しかし、本発明の組織、
成分から外れる鋼材（鋼No. １５〜４１）を用いた鋼で
は最長でも５４０秒未満であり、高靭性が得られていな
い。

【００４４】実施例２下記の本発明成分を満足する鋼を実施例１と同様の手法
で溶製し、その鋳造片を丸棒材に熱間加工し、得られた
丸棒材に対して表４に示す種々の条件にて焼き入れ、焼
き戻し処理（処理時間１ｈｒ）を行い、実施例１と同様
にして、旧オーステナイト粒径、未溶解炭化物個数、Ｈ
ＲＣ、陰極ＣＨ寿命を調べた。得られた結果を表４に併
せて示す。また、ＨＲＣと陰極ＣＨ寿命との関係を図４
に示す。なお、各試料の組織は焼き戻しマルテンサイト
がほぼ１００％であった。・鋼成分（mass％、残部Ｆｅ）Ｃ：０．５５％、Ｓｉ：０．１９％、Ｍｎ：１．６１
％、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．００７％、Ｃｒ：３．
０％、Ａｌ：０．０３１％、Ｎ：０．００６％。Ms＝２
２８．７℃、A1＝７６２℃、Acm＝８５０℃、臨界冷却
速度＝３℃／ｓ。

【００４５】

【表４】

【００４６】表４のNo. １〜５に示すように、焼き入れ
の際の熱処理条件を適切に制御することで、本発明に規
定する所定の組織が得られ、高強度とともに陰極ＣＨ寿
命が１０００秒以上の良好な靭性が得られた。一方、本
発明の鋼成分を満足していても、No. ５６では焼き入れ
の際の加熱温度が低すぎてオーステナイト化することが
できなかった。また、No. ５７のように加熱温度が高す
ぎると、未溶解炭化物が溶解して、炭化物個数が不足
し、２６０秒程度まで靭性が劣化することがわかる。ま
た、No. ５８のように、オーステナイト化の保持時間が
長すぎると、旧オーステナイト粒が粗大化し、やはり靭
性が劣化することがわかる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の高強度高靭性鋼によれば、０．
８％Ｃ以下の所定成分の下、旧オーステナイト粒径のみ
ならず、組織中に所定粒径、個数の未溶解炭化物を分散
析出する組織としたので、焼き戻しマルテンサイトを微
細化することができ、高強度のみならず優れた靭性を備
える。このため、高強度および高靭性が要求される種々
用途の条鋼材、特にボルト用鋼材、ばね用鋼材として好
適に利用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】４点曲げ−陰極チャージ試験に供する曲げ応力
付加用治具の断面説明図である。

【図２】実施例１における強度指標である硬度ＨＲＣ
と、陰極ＣＨ寿命（４点曲げ−陰極チャージ試験により
得られた破断寿命）との関係を示すグラフである。

【図３】実施例１における未溶解炭化物の個数測定に供
した金属組織写真の一例を示す図面代用写真である。

【図４】実施例２における硬度ＨＲＣと陰極ＣＨ寿命と
の関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者家口浩兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内Ｆターム(参考） 3J059 AB20 AD06 BC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 mass％で、Ｍｎ：０．２％≦Ｍｎ≦２．０％、Ｃｒ：Ｃｒ≦３．０％かつＣｒ／Ｍｎ≦２．５、Ｃ：（０．７７−０．１２Ｃｒ−０．０２Ｍｎ）％≦Ｃ
≦０．８％、Ｓｉ：Ｓｉ≦３．０％、Ａｌ：Ａｌ≦０．１％、Ｐ：Ｐ≦０．０１％、Ｓ：Ｓ≦０．０３％、および残部Ｆｅを本質的成分として含有し、焼き戻しマルテンサイトを主体とし、残部が残留オース
テナイトによって構成される組織を有し、旧オーステナ
イト粒の平均粒径が１５μm 以下であり、かつ組織中に
短径／長径で表されるアスペクト比が０．８以上で粒径
０．３〜０．６μm の未溶解炭化物を視野２３００μm²
中に５０個以上有する、高強度高靭性鋼。
【請求項２】さらに、Ｎｉ≦２．０％、Ｍｏ≦１．０
％、Ｃｕ≦１．０％、Ｗ≦１．０を満足するＮｉ、Ｍ
ｏ、ＣｕおよびＷの内の１種以上を含有する請求項１に
記載した高強度高靭性鋼。
【請求項３】さらに、Ｖ≦０．０１％、Ｔｉ≦０．０
１％、Ｎｂ≦０．０１％、Ｈｆ≦０．０１％、Ｚｒ≦
０．０１％、Ｔａ≦０．０１％を満足するＶ、Ｔｉ、Ｎ
ｂ、Ｈｆ、ＺｒおよびＴａの内の１種以上を含有する請
求項１または２に載した高強度高靭性鋼。
【請求項４】さらに、（Ｃａ＋Ｍｇ＋ＲＥＭ）≦０．
０１％を満足するＣａ、Ｍｇ、ＲＥＭの内の１種以上を
含有する請求項１から３のいずれか１項に載した高強度
高靭性鋼。
【請求項５】請求項１から４のいずれか１項に記載さ
れた高強度高靭性鋼によって形成されたボルト用鋼材。
【請求項６】請求項１から４のいずれか１項に記載さ
れた高強度高靭性鋼によって形成されたばね用鋼材。