JP2023049316A - 耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
Description
実験には3種類の供試鋼(A、B、C)を用いた。その化学組成を表1に示す。
〔1〕質量%で、C:0.02~0.40%、Si:0.010~0.500%、Mn:0.05~2.00%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Al:0.100%以下、N:0.1000%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する鋼材であって、該鋼材の金属組織が、ベイナイト組織、マルテンサイト組織またはベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合組織のうちのいずれかの組織であり、さらに、炭化物、窒化物および炭窒化物の析出物のうち1種以上が存在することを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔2〕〔1〕において、前記化学組成に加えて、さらに、質量%で、Cu:0.01~2.00%、Ni:0.01~5.00%、Cr:0.01~3.00%、Mo:0.01~1.00%、Nb:0.001~0.100%、V:0.001~0.100%、Ti:0.001~0.100%、B:0.0001~0.0100%、REM:0.001~0.100%のうちから選ばれた1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔3〕〔1〕または〔2〕において、前記各金属組織と面積率50%以下のフェライト組織が存在していることを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔4〕〔1〕ないし〔3〕のいずれか一つにおいて、前記鋼材の板厚が、5~100mmであることを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔5〕〔1〕ないし〔4〕のいずれか一つにおいて、前記析出物の個数が、前記鋼材の板厚中央部で、1~100個/3.8μm2であることを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔6〕〔1〕ないし〔5〕のいずれか一つにおいて、前記鋼材の疲労き裂伝播試験における応力拡大係数範囲〔ΔK〕が20MPa・m1/2である場合に、疲労き裂伝播速度〔da/dN〕が、4.26×10-8m/cycle以下であることを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
〔7〕〔1〕ないし〔6〕のいずれか一つに記載の鋼材の製造方法であって、質量%で、C:0.02~0.40%、Si:0.010~0.500%、Mn:0.05~2.00%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、N:0.1000%以下、Al:0.100%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する鋼素材を、Ac3点以上に加熱し、再加熱焼入れ処理を施し、100~450℃で冷却を停止することを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
〔8〕〔7〕において、前記鋼素材の化学組成に加えて、さらに、質量%で、Cu:0.01~2.00%、Ni:0.01~5.00%、Cr:0.01~3.00%、Mo:0.01~1.00%、Nb:0.001~0.100%、V:0.001~0.100%、Ti:0.001~0.100%、B:0.0001~0.0100%、REM:0.001~0.100%のうちから選ばれた1種以上を含有することを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
〔9〕〔7〕または〔8〕において、前記再加熱焼入れ処理が、冷却速度:5~275℃/sで行うことを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
次に、本発明に係る鋼材の基本化学組成について、説明する。なお、以下、化学組成における「%」は、「質量%」であることを意味する。
Cは、強度確保のために0.02%以上の添加が必要である。しかし、0.40%以上の添加は、溶接性を阻害する。したがって、0.02~0.40%の範囲に限定した。好ましくは、0.02~0.35%である。より好ましくは、0.02~0.33%である。さらに好ましくは、0.02~0.30%である。
Siは、脱酸剤として有効であるとともに高強度化のためには0.010%以上必要であるが、0.500%を越えて添加すると溶接性、靭性を劣化させる。したがって、0.010~0.500%の範囲に限定した。好ましくは、0.050~0.450%である。より好ましくは、0.050~0.430%である。さらに好ましくは0.050~0.400%である。
Mnは、安価に焼入れ性の増加を通じて強度を高めるだけでなく、靭性向上の観点から0.05%以上必要であるが、2.00%を越えると溶接性の劣化に繋がる。したがって、0.05~2.00%の範囲に限定した。好ましくは、0.05~1.90%である。より好ましくは、0.05~1.85%である。さらに好ましくは、0.05~1.80%である。
Pは、不純物で靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、0.050%以下の範囲に限定する。好ましくは、0.040%以下である。より好ましくは、0.030%以下である。さらに好ましくは、0.020%以下である。
Sは、不純物で靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、0.050%以下の範囲に限定する。好ましくは、0.040%以下である。より好ましくは、0.030%以下である。さらに好ましくは、0.020%以下である。
Alは、脱酸剤として作用し、高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスにおいてもっとも汎用的に使われる。また、鋼中のNをAlNとして固定し母材の靭性向上に寄与する。一方、0.100%を超える添加は、母材の靭性が低下するとともに、溶接時に溶接金属部に混入して靭性を劣化させる。このためAlは、0.100%以下に限定する。好ましくは、0.080%以下である。より好ましくは、0.070%以下である。さらに好ましくは、0.060%以下である。
Nは、固溶状態では延性、靭性に悪影響を及ぼすために好ましくないが、V、AlやTiと結びついてオーステナイト粒微細化や析出強化に有効に働くため、微量であれば機械的特性向上に有効である。しかし、過剰に含有すると固溶Nが増加し延性や靱性に悪影響を及ぼす可能性があるので、Nは、0.1000%以下の範囲に限定する。好ましくは、0.0900%以下である。より好ましくは、0.0800%以下である。さらに好ましくは、0.0700%以下である。
上述した化学組成が本発明の鋼材の基本化学組成であり、本発明では、この基本化学組成に加えてさらに、任意的選択化学組成として、必要に応じて、強度、靭性や溶接性等の調整、耐候性の付与などを目的として、Cu:0.01~2.00%、Ni:0.01~5.00%、Cr:0.01~3.00%、Mo:0.01~1.00%、Nb:0.001~0.100%、V:0.001~0.100%、Ti:0.001~0.100%、B:0.0001~0.0100%、REM:0.001~0.100%のうちから選ばれた1種以上を選択して含有することができる。
Cuは、固溶による強度上昇効果をもたらすとともに耐候性を向上させる。このため下限を0.01%とするのが好ましい。しかし、その含有量が2.00%を超えると、溶接性を損なうとともに鋼材製造時に疵が生じやすくなる。従って、含有する場合は、0.01~2.00%とするのが好ましい。より好ましくは、0.01~1.50%である。さらに好ましくは、
0.01~1.00%である。
Niは、低温靭性を向上させるとともに耐候性やCuを添加した場合に生ずる熱間脆性の改善に有効である。このため下限を0.01%とするのが好ましい。しかし、その含有量が5.00%を超えると溶接性を阻害する上、コスト上昇に繋がる。従って、含有する場合は、0.01~5.00%とするのが好ましい。より好ましくは、0.01~4.00%である。さらに好ましくは、0.01~3.00%である。
Crは、耐候性や強度を向上させる。このため0.01%を添加の下限とするのが好ましい。しかし、その含有量が3.00%を超えると溶接性および靭性を損なう。従って、含有する場合は、0.01~3.00%とするのが好ましい。より好ましくは、0.01~2.50%である。さらに好ましくは、0.01~2.00%である。
Moは、強度を上昇させるために0.01%以上含有してもよい。しかし、その含有量が1.00%を超えると、溶接性および靭性の劣化が生じる。従って、含有する場合は、0.01~1.00%とするのが好ましい。より好ましくは、0.01~0.90%である。さらに好ましくは、0.01~0.80%である。
Nbは、圧延時のオーステナイト再結晶を抑制し細粒化を図ると同時に、析出により高強度化をもたらす働きを有するため0.001%以上含有してもよい。しかし、0.100%を超えて含有すると靭性が劣化する。従って、含有する場合は、0.001~0.100%とするのが好ましい。より好ましくは0.001~0.090%である。さらに好ましくは、0.001~0.080%である。
VもNbと同様、析出により高強度化をもたらす働きを有するため0.001%以上含有してもよい。しかし、0.100%を超えて含有すると、溶接性および靭性の低下を招く。従って、含有する場合は、0.001~0.100%とするのが好ましい。より好ましくは、0.001~0.090%である。さらに好ましくは、0.001~0.080%である。
Tiは、強度上昇と溶接部靭性を改善するために0.001%以上含有してもよい。しかし、その含有量が0.100%を超えるとコスト上昇を招く傾向にある。従って、含有する場合は、0.001~0.100%とするのが好ましい。より好ましくは、0.001~0.090%である。さらに好ましくは、0.001~0.080%である。
Bは、焼入れ性を高め強度上昇に寄与するために0.0001%以上含有してもよい。しかし、0.0100%を超えて含有すると溶接性を害する。従って、含有する場合は、0.0001~0.0100%とするのが好ましい。より好ましくは、0.0001~0.0090%である。さらに好ましくは、0.0001~0.0080%である。
REMは、Sc、Y、La、Ceなどの希土類元素をいう。微量添加の際は、HAZ靭性の向上に寄与するため0.001%以上含有してもよい。しかし、0.100%を超えて含有すると溶接性を害する。従って、REMを含有する場合には、0.001~0.100%とするのが好ましい。より好ましくは、0.001~0.090%である。さらに好ましくは、0.001~0.080%である。
上記した化学組成以外の残部化学組成は、Feおよび不可避的不純物からなる。この不可避的不純物元素としては、O(酸素)、Sn、Sb、As、Pb、Bi、Ca、Mgなどが例示でき、合計0.10%以下であれば許容できる。また、前述の基本化学組成および任意的選択化学組成を満足する限り、これら以外の不可避的不純物元素が含有されることを妨げるものではなく、そのような実施態様も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明では、前述の化学組成を有する鋼材を、後述する製造方法により得ることができる。得られた鋼材の板厚中央部の金属組織は、その化学組成が異なることで、また、鋼材の板厚に応じて冷却速度を変化することで、焼入れ処理などの熱処理条件によって、次のような金属組織を有することが分かった。その組織とは、ベイナイト組織、マルテンサイト組織またはベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合組織のうちのいずれかの組織であり、また、それらの金属組織の組織内に、面積率50%以下のフェライト組織が存在している場合もある。すなわち、以下の金属組織を有するものである。
(a)ベイナイト組織
(b)マルテンサイト組織
(c)ベイナイト組織およびマルテンサイト組織の混合組織
(d)面積率50%以下のフェライト組織とベイナイト組織
(e)面積率50%以下のフェライト組織とマルテンサイト組織
(f)面積率50%以下のフェライト組織、ベイナイト組織およびマルテンサイト組織の混合組織
なお、これらの金属組織は、前述したように、走査型電子顕微鏡(SEM)(倍率:500倍)を用いた組織観察によって判定することができる。
前述のTEMによる金属組織観察において、金属組織中に炭化物、窒化物および炭窒化物の析出物のうちの1種以上が存在することが重要であることが分かった。具体的には、金属組織観察において、析出物の個数が、鋼材の板厚中央部で、1~100個/3.8μm2であることにより、耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材が得られる。すなわち、鋼材の板厚中央部での金属組織観察において、1つの測定視野が3.8μm2であって、その視野を50μm間隔で10視野観察し、それらの各視野のどこかに(1視野以上に)上記析出物の個数が1~100個/3.8μm2であることが好ましい。
本発明に係る鋼材の製造方法は、前述の組成となるように調整した鋼素材を、Ac3点以上に加熱し、再加熱焼入れ処理を施し、100~450℃で冷却を停止することを特徴とする。ここで、温度は、鋼材(鋼板)の板厚中央部の温度とした。これにより、鋼材の板厚中央部の組織は、板厚に応じて冷却速度を調整し、前述した金属組織および金属組織内に析出物が得られる。そして、このような金属組織を有する鋼材の場合に、後述するように耐疲労き裂伝播特性が向上することが確認された。このような効果は、鋼材(鋼板)の板厚が、5~100mmの範囲で確認している。
鋼材の金属組織を完全オーステナイト化するために、Ac3点(オーステナイト変態温度)以上に加熱する。この加熱を再加熱ともいい、この温度を再加熱温度ともいう。Ac3点に満たない加熱は、加熱前組織が残存し強度低下が生じる。このAc3点は、鋼材の組成%によって次式(1)にて計算できる。
Ac3=937.2-436.5×C+56×Si-19.7×Mn-16.3×Cu-26.6×Ni-4.9×Cr+38.1×Mo+124.8×V+136.3×Ti-19.1×Nb+198.4×Al+3315×B ・・・・ (1)
なお、含有されていない場合は0とする。
鋼材の板厚中央部における金属組織を、前述したベイナイト組織、マルテンサイト組織またはベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合組織とするために、焼入れ処理を施す。これらの組織は、板厚に応じて水冷時の冷却速度が変化することと化学組成の調整により適宜得られる。フェライト組織が析出していなくても、あるいは、その析出が面積率で50%以下であれば、後述する所望の機械的特性は得られるが、フェライト組織が面積率で50%を上回る場合には、その特性は得られない。
上記焼入れ処理を行い、冷却される過程において、100~450℃で冷却を停止することにより、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織、あるいはベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合組織になり、前述した炭化物、窒化物または炭窒化物である析出物が発現する。
鋼材の耐疲労き裂伝播特性は、ASTM E647の規格に準拠した疲労き裂伝播試験により、応力拡大係数範囲〔ΔK〕と疲労き裂伝播速度〔da/dN〕を求めて評価している。この応力拡大係数範囲〔ΔK〕とは、ΔK=Kmax-Kminであり、応力拡大係数の最大値と最小値の差を表している。また、疲労き裂伝播速度〔da/dN〕は、応力波形で1サイクルのときの疲労き裂進展量[m/cycle]であり、特にΔKの中間領域(およそΔK=約10MPa・m1/2からΔK=約70MPa・m1/2)においては、パリス則と呼ばれるda/dN=CΔKm(C、mは定数)という線形の関係式が成立する。
本発明の鋼材の機械的特性の目標値は、引張試験における降伏応力〔YS〕≧400MPa、引張強さ〔TS〕≧500MPa、シャルピー衝撃試験における試験温度:0℃における吸収エネルギー〔VE0〕≧27J、耐疲労き裂伝播試験における応力拡大係数範囲〔ΔK〕が20MPa・m1/2の時の疲労き裂伝播速度〔da/dN〕≦4.26×10-8[m/cycle]とした。
得られた試験片から、JIS Z 2241、2242の規定に準拠して、引張試験片(平行部径6mmφ)およびシャルピー衝撃試験片(Vノッチ)を採取し、引張試験、衝撃試験を実施した。
Claims (9)
- 質量%で、C:0.02~0.40%、Si:0.010~0.500%、Mn:0.05~2.00%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Al:0.100%以下、N:0.1000%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する鋼材であって、該鋼材の金属組織が、ベイナイト組織、マルテンサイト組織またはベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合組織のうちのいずれかの組織であり、さらに、炭化物、窒化物および炭窒化物の析出物のうち1種以上が存在することを特徴とする耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 前記化学組成に加えて、さらに、質量%で、Cu:0.01~2.00%、Ni:0.01~5.00%、Cr:0.01~3.00%、Mo:0.01~1.00%、Nb:0.001~0.100%、V:0.001~0.100%、Ti:0.001~0.100%、B:0.0001~0.0100%、REM:0.001~0.100%のうちから選ばれた1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 前記各金属組織と面積率50%以下のフェライト組織が存在していることを特徴とする請求項1または2に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 前記鋼材の板厚が、5~100mmであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 前記析出物の個数が、前記鋼材の板厚中央部で、1~100個/3.8μm2であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 前記鋼材の疲労き裂伝播試験における応力拡大係数範囲〔ΔK〕が20MPa・m1/2である場合に、疲労き裂伝播速度〔da/dN〕が、4.26×10-8m/cycle以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材。
- 質量%で、C:0.02~0.40%、Si:0.010~0.500%、Mn:0.05~2.00%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Al:0.100%以下、N:0.1000%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する鋼素材を、Ac3点以上に加熱し、再加熱焼入れ処理を施し、100~450℃で冷却を停止することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
- 前記鋼素材の化学組成に加えて、さらに、質量%で、Cu:0.01~2.00%、Ni:0.01~5.00%、Cr:0.01~3.00%、Mo:0.01~1.00%、Nb:0.001~0.100%、V:0.001~0.100%、Ti:0.001~0.100%、B:0.0001~0.0100%、REM:0.001~0.100%のうちから選ばれた1種以上を含有することを特徴とする請求項7に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
- 前記再加熱焼入れ処理が、冷却速度:5~275℃/sで行うことを特徴とする請求項7または8に記載の耐疲労き裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
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