JP2014012887A - マルエージング鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】0.10≦C≦0.30mass%、6.0≦Ni≦9.4mass%、11.0≦Co≦20.0mass%、1.0≦Mo≦6.0mass%、2.0≦Cr≦6.0mass%、0.5≦Al≦1.3mass%、及び、Ti≦0.1mass%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、1.00≦A≦1.08を満たすマルエージング鋼。但し、A=0.95+0.35×[C]−0.0092×[Ni]+0.011×[Co]−0.02×[Cr]−0.001×[Mo]、[]は、各元素の含有量(mass%)。
【選択図】なし
Description
マルエージング鋼は、
(1)焼入れ状態で柔らかいマルテンサイトが生成するため、加工性が良い、
(2)時効処理によってマルテンサイト地にNi3Mo、Fe2Mo、Ni3Tiなどの金属間化合物が析出するため、極めて高強度である、
(3)高強度であるにもかかわらず、靱延性が高い、
という特徴がある。
そのため、マルエージング鋼は、宇宙・航空機用の構造材料(例えば、エンジンシャフト)、自動車用の構造材料、高圧容器、工具材料などに用いられている。
例えば、特許文献1には、C:0.05〜0.20重量%、Si:2.0重量%以下、Mn:3.0重量%以下、Ni:4.1〜9.5重量%、Cr:2.1〜8.0%、Mo:0.1〜4.5重量%又はMoの一部あるいは全量を2倍量で置換したW、Al:0.2〜2.0重量%、Cu:0.3〜3.0重量%を含み、残部鉄及び不可避的不純物からなる超高張力強靱鋼が開示されている。
同文献には、低炭素Ni−Cr−Mo鋼に対してCuとAlを複合添加することにより、靱性、溶接性を大きく損なうことなく、150kg/mm2(1471MPa)以上の強度が得られる点が記載されている。
同文献の表2には、このような材料の引張強度が284〜327ksi(1959〜2255MPa)であり、伸びが7〜15%である点が記載されている。
一方、汎用材の高グレード材として、特許文献2に記載の鋼種も知られている。しかしながら、航空機の高効率化等に応えるためには、靱延性及び耐疲労性を低下させることなく、更なる高強度化(2300MPa以上)が必要とされている。
0.10≦C≦0.30mass%、
6.0≦Ni≦9.4mass%、
11.0≦Co≦20.0mass%、
1.0≦Mo≦6.0mass%、
2.0≦Cr≦6.0mass%、
0.5≦Al≦1.3mass%、及び、
Ti≦0.1mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式を満たすことを要旨とする。
1.00≦A≦1.08 ・・・・(1)
但し、A=0.95+0.35×[C]−0.0092×[Ni]+0.011×[Co]−0.02×[Cr]−0.001×[Mo]、
[]は、各元素の含有量(mass%)。
[1. マルエージング鋼]
[1.1. 主構成元素]
本発明に係るマルエージング鋼は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
Cは、Mo2CなどのMoを含む炭化物を析出させ、母材強度の向上に寄与する。また、母材中に適量の炭化物が残存していると、固溶化熱処理時にγ粒径の粗大化が抑制される。旧γ粒径が微細であるほど、微細なマルテンサイトが生成し、高強度、かつ、高靱延性が得られる。このような効果を得るためには、C含有量は、0.10mass%以上である必要がある。C含有量は、さらに好ましくは、0.15mass%以上である。
一方、C含有量が過剰になると、Moを含む炭化物が多量に析出し、金属間化合物を析出させるためのMoが不足する。また、炭化物を固溶させるためには、より高い温度での固溶化熱処理が必要となり、γ粒径の粗大化を招く。その結果、γ粒径の粗大化を抑制し、かつ、炭化物を固溶させるための最適温度範囲が狭くなり、操業困難となる。従って、C含有量は、0.30mass%以下である必要がある。C含有量は、さらに好ましくは、0.25mass%以下である。
Niは、Ni3Mo、NiAlなどの金属間化合物を析出し、母材強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ni含有量は、6.0mass%以上である必要がある。Ni含有量は、さらに好ましくは、7.0mass%以上である。
一方、Ni含有量が過剰になると、過剰の金属間化合物を析出させるためにMoが消費され、Moを含む炭化物の析出量が減少する。従って、Ni含有量は、9.4mass%以下である必要がある。Ni含有量は、さらに好ましくは、9.0mass%以下である。
Coは、母相中に固溶させておくことによって、Ni3Mo、NiAlなどの金属間化合物の析出を促進させる効果がある。このような効果を得るためには、Co含有量は、11.0mass%以上である必要がある。Co含有量は、さらに好ましくは、12.0mass%以上、さらに好ましくは、14.0mass%以上である。
一方、Co含有量が過剰になると、金属間化合物の析出が過剰に促進され、Moを含む炭化物の析出量が減少する。従って、Co含有量は、20.0mass%以下である必要がある。Co含有量は、さらに好ましくは、18.0mass%以下、さらに好ましくは、16.0mass%以下である。
Moは、Ni3Moなどの金属間化合物とMo2CなどのMoを含む炭化物を析出し、母材強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Mo含有量は、1.0mass%以上である必要がある。Mo含有量は、さらに好ましくは、2.0mass%以上である。
一方、Mo含有量が過剰になると、凝固時に析出するMo2Cなどの炭化物を固溶させるためにより高い温度での熱処理が必要となり、γ粒径の粗大化を招く。その結果、γ粒径の粗大化を抑制し、かつ、炭化物を固溶させるための最適温度範囲が狭くなり、操業困難となる。従って、Mo含有量は、6.0mass%以下である必要がある。Mo含有量は、さらに好ましくは、5.0mass%以下である。
Crは、延性の改善に寄与する。Cr添加によって延性が改善されるのは、CrがMoを含む炭化物中に固溶し、炭化物の形状を球状化させているためと考えられる。このような効果を得るためには、Cr含有量は、2.0mass%以上である必要がある。Cr含有量は、さらに好ましくは、2.5mass%以上、さらに好ましくは、3.5mass%以上である。
一方、Cr含有量が過剰になると、強度が低下する。これは、Crの過剰添加によって、Moを含む炭化物が粗大化するためと考えられる。従って、Cr含有量は、6.0mass%以下である必要がある。Cr含有量は、さらに好ましくは、5.0mass%以下、さらに好ましくは、4.5mass%以下である。
Alは、NiAlなどの金属間化合物を析出し、母材強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Al含有量は、0.5mass%以上である必要がある。Al含有量は、さらに好ましくは、0.7mass%以上である。
一方、Al含有量が過剰になると、酸化物や窒化物を形成し、清浄度が低下する。また、母材中のAl固溶量が過剰になると、靱延性が低下する。従って、Al含有量は、1.3mass%以下である必要がある。Al含有量は、さらに好ましくは、1.2mass%以下である。
Tiは、TiC、TiNなどを形成し、清浄度を低下させる。従って、Ti含有量は、0.1mass%以下である必要がある。
本発明に係るマルエージング鋼は、成分元素が上述の範囲にあることに加えて、さらに次の(1)式を満たしている必要がある。
1.00≦A≦1.08 ・・・・(1)
但し、A=0.95+0.35×[C]−0.0092×[Ni]+0.011×[Co]−0.02×[Cr]−0.001×[Mo]、
[]は、各元素の含有量(mass%)。
A値が大きくなるほど、引張強度は向上する。2300MPaを超える引張強度を得るためには、A値は、1.00以上である必要がある。
一方、A値が大きくなりすぎると、伸びが低下する。7%以上の伸びを得るためには、A値は、1.08以下である必要がある。
本発明に係るマルエージング鋼の製造方法は、溶解工程と、再溶解工程と、均質化工程と、鍛造工程と、固溶化熱処理工程と、サブゼロ処理工程と、時効処理工程とを備えている。
溶解工程は、所定の成分範囲となるように配合された原料を溶解・鋳造する工程である。使用する原料の履歴や溶解・鋳造条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。強度及び耐疲労性に特に優れたマルエージング鋼を得るためには、鋼の清浄度を高めるのが好ましい。そのためには、原料の溶解は、真空中(例えば、真空誘導炉溶解法)で行うのが好ましい。
再溶解工程は、溶解工程で得られた鋳塊を再度、溶解・鋳造する工程である。再溶解工程は、必ずしも必要ではないが、再溶解を行うことにより鋼の清浄度がさらに向上し、鋼の耐疲労性が向上する。そのためには、再溶解は、真空中(例えば、真空アーク再溶解法)で行い、かつ、複数回繰り返すのが好ましい。
均質化工程は、溶解工程又は再溶解工程で得られた鋳塊を所定の温度で加熱する工程である。均質化熱処理は、鋳造時に生じた偏析を除去するために行われる。均質化熱処理条件は、特に限定されるものではなく、凝固偏析を除去可能な条件であれば良い。均質化熱処理条件は、通常、加熱温度:1150〜1350℃、加熱時間:10時間以上、である。均質化熱処理後の鋳塊は、通常、空冷されるか、あるいは、赤熱状態のまま次工程に送られる。
鍛造工程は、均質化熱処理後の鋳塊を鍛造し、所定の形状に加工する工程である。鍛造は、通常、熱間で行われる。また、熱間鍛造条件は、通常、加熱温度:900〜1350℃、加熱時間:1hr以上、終止温度:800℃以上である。熱間鍛造後の冷却方法は、特に限定されない。熱間鍛造は、1回のみ行っても良く、あるいは4〜5工程を連続して行っても良い。
鍛造後、必要に応じて、焼鈍が行われる。焼鈍条件は、通常、加熱温度:550〜950℃、加熱時間:1〜36hr、冷却方法:空冷、である。
固溶化熱処理工程は、所定の形状に加工された鋼を所定の温度で加熱する工程である。固溶化熱処理は、母材をγ相単相とし、かつ、Mo炭化物などの析出物を固溶させるために行われる。固溶化熱処理条件は、鋼の組成に応じて最適な条件を選択する。固溶化熱処理条件は、通常、加熱温度:900〜1200℃、加熱時間:1〜10hr、冷却方法:空冷(AC)、衝風冷却(BC)、水冷(WC)又は油冷(OC)である。
サブゼロ処理は、固溶化熱処理後の鋼を室温以下の温度に冷却する工程である。サブゼロ処理は、残留しているγ相をマルテンサイト相に変態させるために行われる。マルエージング鋼は、Ms点が低いため、室温に冷却した時点では、通常、多量のγ相が残留している。多量のγ相が残ったまま時効処理を行っても、大きな強度の向上は期待できない。そのため、固溶化熱処理後にサブゼロ処理を行い、残留γ相をマルテンサイト相に変態させる必要がある。サブゼロ処理条件は、通常、冷却温度:−197〜−73℃、冷却時間:1〜10hr、である。
時効処理は、マルテンサイト相が生成した鋼を所定の温度で加熱する工程である。時効処理は、Ni3Mo、NiAlなどの金属間化合物と、Mo2Cなどの炭化物を析出させるために行われる。時効処理条件は、鋼の組成に応じて最適な条件を選択する.時効処理条件は、通常、時効処理温度:400〜600℃、時効処理時間:0.5〜24hr、冷却方法:空冷、である。
主要元素の成分範囲を特定の範囲に限定すると同時に、(1)式を満たすようにC、Ni、Co、Cr及びMoの含有量を最適化すると、引張強度が2300MPa以上、伸びが7%以上であり、かつ、疲労特性に優れたマルエージング鋼が得られる。これは、成分元素を最適化することにより、金属間化合物と炭化物の双方がバランス良く析出し、炭化物の形態が微細で、かつ、球状を呈するため、及び、これと同時に旧γ粒径が微細化されるためと考えられる。
[1. 試料の作製]
表1及び表2に示す組成の合金を真空誘導炉で溶解し、150kgの鋳塊を得た。得られた鋳塊を、さらに真空アーク溶解炉で再溶解した。溶製した鋳塊を1250℃×24hr、空冷の条件下で均質化熱処理を行った後、φ24mmの棒材に鍛造加工した。鍛造条件は、1250℃×3hr、終止800℃、空冷とした。鍛造後、650℃×8hr、空冷の条件下で焼鈍を行った。その後に、各試験用の試験片に粗加工した。
次に、1000℃×1hr、水焼入れの条件下で粗加工材の固溶化熱処理を行った。次いで、−197℃×1hrの条件下で粗加工材のサブゼロ処理を行った。さらに、500℃×5hr、空冷の条件下で粗加工材の時効処理を行った。その後に、各試験片に精加工し、引張試験、シャルピー衝撃試験、及び、低サイクル疲労試験に供した。
[2.1. 結晶粒度]
鍛伸方向横断面にて試料を採取し、10%クロム酸電界腐食により旧γ粒界の腐食を行った。JIS G 0551に準拠して、結晶粒度を粒度番号により導出した。
[2.2. 清浄度]
鋼中の非金属介在物の点算法による顕微鏡試験方法(JIS G 0555)に準じて、全介在物の面積率(%)を測定し、その鋼の清浄度(d%)とした。試験片は、焼鈍後のφ24mmの棒材から長さ10mm程度に切り出し、これを長手方向に2つ割りして、縦断面が被検面観察面となるように樹脂に埋め込み、鏡面研磨することにより作製した。
ロックウェル硬さ試験方法(JIS Z 2245)に準じて、Cスケールにて実施した。時効処理後の試料の鍛伸方向横断面にて試料を採取し、荷重150kgfで測定した。測定値は、10点の平均値を採用した。
[2.4. 引張特性]
金属引張試験方法(JIS Z 2241)に準じて、引張強度(MPa)を測定した。試験片は、JIS Z 2201による14A号試験片とした。試験温度は、室温とした。
試験片長手方向が鍛伸方向と一致するように試験片を採取し、2mmVノッチの試験片形状(5号試験片)にてJIS法(JIS Z 2242)に準拠して実施した。試験温度は、室温とした。
[2.6. 低サイクル疲労試験(LCF)]
試験片の長手方向が鍛伸方向と一致するように試験片素材を採取し、JIS法(JIS Z 2279)に準拠して試験片を作製した。これを用いて試験を実施した。試験温度は200℃とした。また、歪波形は三角波とし、周波数=0.5Hz、歪=0.9%とした。
表3及び表4に、結果を示す。表3及び表4より、以下のことがわかる。
(1)C量が少ないと、靱延性は高いが、硬さが低い。一方、C量が過剰になると、硬さは高いが靱延性に劣る。これに対し、他の元素の含有量を最適化すると同時にC量を最適化すると、高強度、高靱延性及び高耐疲労性を両立させることができる。
(2)金属間化合物及び炭化物の析出量に関係するNi、Co、Mo及びAlの含有量が少なすぎる場合、及び、多すぎる場合のいずれも、引張強度が低い。これに対し、他の元素の含有量を最適化すると同時にこれらの元素の含有量を最適化すると、高強度、高靱延性及び高耐疲労性を両立させることができる。
(3)Cr量が少ないと、高強度は得られるが靱延性が低い。Cr量が増加すると、靱延性は向上するが、Cr量が過剰になると、強度及び靱延性が低下する。これに対し、他の元素の含有量を最適化すると同時にCr量を最適化すると、高強度、高靱延性及び高耐疲労性を両立させることができる。
(4)A値が低いと、靱延性は高いが強度は低い。一方、A値が高くなると、強度は向上するが、A値が高すぎると、強度及び靱延性が低下する。これに対し、各元素の含有量を最適化すると同時にA値を最適化すると、高強度、高靱延性及び高耐疲労性を両立させることができる。
Claims (2)
- 0.10≦C≦0.30mass%、
6.0≦Ni≦9.4mass%、
11.0≦Co≦20.0mass%、
1.0≦Mo≦6.0mass%、
2.0≦Cr≦6.0mass%、
0.5≦Al≦1.3mass%、及び、
Ti≦0.1mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式を満たすマルエージング鋼。
1.00≦A≦1.08 ・・・・(1)
但し、A=0.95+0.35×[C]−0.0092×[Ni]+0.011×[Co]−0.02×[Cr]−0.001×[Mo]、
[]は、各元素の含有量(mass%)。 - 2.5≦Cr≦6.0mass%
である請求項1に記載のマルエージング鋼。
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