JPS5930785B2 - high strength alloy steel - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マルテンサイト状態で時効硬化できるニッ
ケル・クロム・モリブテン・チタニウム系高強度合金鋼
に関し、特に１８％Ｎｉ系など高ニッケルのマルエージ
ング（Ｍａｒ−ａｇｉｎｇ）鋼にくらべて安価であり、
かつ強度の点でも１４０ゆ／ｍｒｌｔ以上が確保さ札ま
た従来のマルエージング鋼の難点である時効脆化を起し
にくい低コスト・高強度のマルエージング鋼を提供せん
とするものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nickel-chromium-molybdenum-titanium-based high-strength alloy steel that can be age-hardened in a martensitic state, particularly for high-nickel maraging steels such as 18% Ni-based steels. It is cheaper compared to
In addition, the present invention aims to provide a low-cost, high-strength maraging steel that is resistant to aging embrittlement, which is a drawback of conventional maraging steels.

マルエージング鋼は析出硬化型の超高抗張力鋼であり
、従来の中炭素低合金鋼や工具鋼のように、焼入れ・焼
もどしによるのではなく、極低炭素、高ニッケルのマル
テンサイト系合金に時効硬化元素を添加して、マルテン
サイト地で時効硬化（Ｍａｒ−ａｇｉｎｇ）することに
より、２００ｋｇ／一級の高い強度が得られるというの
が特徴である。Maraging steel is a precipitation hardening type ultra-high tensile strength steel, which is not hardened and tempered like conventional medium carbon low alloy steels and tool steels, but is made into an extremely low carbon, high nickel martensitic alloy. By adding age hardening elements and performing age hardening (Mar-aging) on a martensite base, it is characterized in that a high strength of 200 kg/1st class can be obtained.

このマルエージング鋼は米国において開発されたもの
で、１８％Ｎｉ、２０％Ｎｉ、２５％Ｎｉの３系列が代
表的なものであり、これらの鋼の標準的化学成分を表１
に示す。＜０．０３％Ｃ ＜０．２０％Ｍｎ＋Ｓｉ＜
０．０１（その他添加元素（０．００３％Ｂ，Ｏ．Ｏ２
％Ｚｒ、（これらのマルエージング鋼は、表１に示すよ
うに、ニッケル、コバルト、モリブデンなどの高価な元
素を多く含んでおり、また鯛造に際しても真空溶解を行
う必要があるなどの理由により、素材コストの高いこと
が難点である。This maraging steel was developed in the United States, and three series are typical: 18% Ni, 20% Ni, and 25% Ni. The standard chemical composition of these steels is shown in Table 1.
Shown below. <0.03%C <0.20%Mn+Si<
0.01 (Other additive elements (0.003% B, O.O2
%Zr, (As shown in Table 1, these maraging steels contain large amounts of expensive elements such as nickel, cobalt, and molybdenum, and also require vacuum melting when making sea bream.) The disadvantage is that the material cost is high.

ン：Ｐ（０．０１０％Ｓ５％Ｃａ） 氷 この難点を排除するために開発されたのが１２％Ｎ
ｉ系のマルエージング鋼である。N:P (0.010%S5%Ca) Ice 12%N was developed to eliminate this difficulty.
It is an i-series maraging steel.

この鋼の標準的化学成分は表２に示す通りである。The standard chemical composition of this steel is shown in Table 2.

表２からわかるように、この鋼は高価なコバルトを含ん
でおらず、またニッケル含有量も比較的少ないので、前
述のマルエージング鋼にくらべて素材コストは相当安く
なるが、強度は１５０ｋｇ／ＲｒａＮ級であり、かなり
低くなる。As can be seen from Table 2, this steel does not contain expensive cobalt and has a relatively low nickel content, so the material cost is considerably lower than the maraging steel mentioned above, but the strength is 150 kg/RraN. grade, which is quite low.

この合金では、時効処理によってＮｉ３Ｔｉ）Ｎｉ３Ｍ
ＯというＮｉに富んだ金属間化合物をマトリックス中に
析出せしめることにより上記の強度を得ているが、これ
らの化合物が析出するとマトリックス中のニッケル含有
量が低下するために、時効処理の温度によっては脆性破
壊（時効脆化）を起しやすいという難点がある。さらに
この鋼はアルミニウムを最大０．４％含有している。こ
のタイプの合金にアルミニウムが添加されると、時効処
理により前述のＮｉ３Ｔｉ，Ｎｉ３ＭＯと同様のアルミ
ニウムとニッケルの金属間化合物ＮｉｓＡＡが析出する
ため、強度は上昇するが、逆に靭性は低下する。In this alloy, by aging treatment Ni3Ti)Ni3M
The above strength is obtained by precipitating a Ni-rich intermetallic compound called O in the matrix, but as these compounds precipitate, the nickel content in the matrix decreases, so depending on the aging temperature It has the disadvantage of being prone to brittle fracture (aging embrittlement). Furthermore, this steel contains up to 0.4% aluminum. When aluminum is added to this type of alloy, the aging treatment precipitates NisAA, an intermetallic compound of aluminum and nickel similar to the aforementioned Ni3Ti and Ni3MO, so that the strength increases, but the toughness decreases.

妃シ この様子を第１図に示す。この脆化は
前述のチタニウム、モリブデンの場合と同様に、マトリ
ックス中のニッケル含有量が低下することによるものと
思われる。以上のように、１２％Ｎｉマルエージング鋼
は、前述の高ニッケル系マルエージング鋼にくらべて素
材コストは安くなるが、時効脆化を起しやすいという難
点がある。Figure 1 shows this situation. This embrittlement is thought to be due to a decrease in the nickel content in the matrix, similar to the cases of titanium and molybdenum described above. As described above, the 12% Ni maraging steel has a lower material cost than the above-mentioned high-nickel maraging steel, but it has the disadvantage of being susceptible to aging embrittlement.

本発明者らは、１８％Ｎｉ系など高ニッケルのマルエー
ジング鋼にくらべて安価であり、かつ強度の点でも１４
０ｋｇ／Ｉ４以上が確保され、また従来のマルエージン
グ鋼の難点である時効脆化を起しにくい、低コスト、高
強度のマルエージング鋼を提供すべく鋭意研究の結果、
本発明を完成するに至った。The present inventors have found that it is cheaper than high nickel maraging steel such as 18%Ni-based maraging steel, and has a strength of 14%.
As a result of intensive research to provide a low-cost, high-strength maraging steel that ensures 0 kg/I4 or more and is resistant to aging embrittlement, which is a drawback of conventional maraging steels,
The present invention has now been completed.

すなわち、本発明によるマルエージング鋼は、表３のよ
うな標準的化学成分を有する。That is, the maraging steel according to the present invention has standard chemical compositions as shown in Table 3.

前述の現在一般に使用されている１２％Ｎｉ系マルエー
ジング鋼にくらべて、モリブテン含有量は同等、ニッケ
ルは少く、チタニウムとクロムは逆に多く、またアルミ
ニウムは含んでいない。Compared to the aforementioned 12% Ni-based maraging steel currently in general use, the molybdenum content is the same, nickel is lower, titanium and chromium are higher, and aluminum is not included.

本発明合金の成分系の特徴を要約すると次の通りである
。クロムの含有量をふやしてＲ相（Ｆｅ− Ｃｒ−ＭＯ
化合物）の析出による強化を図るとともに、Ｍｉ３ＭＯ
の析出を押えてマトリックス中のニッケル減少による脆
化を防止している。またチタニウムをふやして、Ｎｔ３
Ｔｔの析出による強度上昇の効果をも図っているが、こ
の場合のマトリックス中のニッケルの減少はモリブデン
をＲ相中に捕えてＮｉ３ＭＯの析出を押えることで補っ
ている。さらに、従来の１２％Ｎｉ系マルエージング鋼
において意図的に含まれているアルミニウムは、本発明
合金では合金元素としては含まれておらず、これも脆化
防止に効果がある。炭素はマルエージング鋼では通常０
．０３％以下に押えているが、本発明合金では０．０８
％以下でよく、これは素材の溶解、製造上非常に有利で
ある。これは前述の低ニッケル含有量と相まって、素材
の低コスト化に貢献する。次に強度の点についてみると
、本発明合金は時効処理温度を適正に選ぶことにより、
１４０ｋ９／一を上回る引張強さを確保することが充分
可能であり、これは従来の１２％Ｎｉマルエージング鋼
にくらべて遜色はない。The characteristics of the composition of the alloy of the present invention are summarized as follows. By increasing the chromium content, R phase (Fe-Cr-MO
In addition to strengthening by precipitation of Mi3MO
This suppresses the precipitation of nickel and prevents embrittlement due to a decrease in nickel in the matrix. Also, by increasing titanium, Nt3
Although the effect of increasing strength due to the precipitation of Tt is also intended, the decrease in nickel in the matrix in this case is compensated for by trapping molybdenum in the R phase and suppressing the precipitation of Ni3MO. Furthermore, aluminum, which is intentionally included in conventional 12% Ni-based maraging steel, is not included as an alloying element in the alloy of the present invention, which is also effective in preventing embrittlement. Carbon is usually 0 in maraging steel.
．． 0.03% or less, but the alloy of the present invention has a content of 0.08%.
% or less, which is very advantageous in terms of material melting and manufacturing. This, combined with the aforementioned low nickel content, contributes to lower costs of the material. Next, in terms of strength, the alloy of the present invention can be improved by appropriately selecting the aging treatment temperature.
It is fully possible to secure a tensile strength exceeding 140k9/1, which is comparable to conventional 12% Ni maraging steel.

以上述べたように、本発明は従来の１２％Ｎｉマルエー
ジング鋼にくらべて強度的に同等であり、かつコスト、
靭性の点でそれを凌ぐ新しいマルエージング鋼である。
本発明合金は高強度、高靭性、高信頼性を必要とする航
空機、口ゲット、ミサイル等の航空・宇宙機器用部品を
中心に、高圧部品、ファスナ一、シャフト、ボルト、ば
ねなどに、板材、棒材、鍜造材などの形で用いることが
できるが、とくに口ゲットやミサイルのモータケース用
材料として適している。モータケースは通常素形材をフ
ローフオーミング（スピニング加工等）などの塑性加工
によって成形し、これを溶接組立することによりつくら
れるので、加工しやすくかつ溶接性の良好なことが要求
される。As described above, the present invention has the same strength as the conventional 12% Ni maraging steel, and the cost is lower.
This is a new maraging steel that surpasses that in terms of toughness.
The alloy of the present invention is used mainly in parts for aerospace equipment such as aircraft, mouthpieces, and missiles that require high strength, high toughness, and high reliability, as well as plate materials such as high-pressure parts, fasteners, shafts, bolts, and springs. It can be used in the form of , bar material, forged material, etc., but it is particularly suitable as a material for mouthpieces and missile motor cases. Motor cases are usually made by forming raw materials through plastic processing such as flow forming (spinning, etc.) and assembling them by welding, so they are required to be easy to process and have good weldability.

本発明合金は溶体化処理状態で加工性がすぐれており、
また溶接も可能であるので、溶体化処理状態で成形し、
溶接後に時効処理を行うことにより、所定の性能を得る
ことができる。１４０ｋｙ／一程度の強度は、低合金鋼
でも充分得られるが、溶接後に焼入れ、焼もどしを行う
必要があり、この際に発生する変形を矯正するために多
額の設備投資や手間がかかる。The alloy of the present invention has excellent workability in the solution treatment state,
It is also possible to weld, so it can be formed in a solution treated state,
A predetermined performance can be obtained by performing aging treatment after welding. Although a strength of about 140 ky/1 can be sufficiently obtained with low alloy steel, it is necessary to perform quenching and tempering after welding, and it takes a large amount of equipment investment and effort to correct the deformation that occurs at this time.

低合金鋼は素材費用自体は本発明合金にくらべてはるか
に安価で入手性も良いが、前述の矯正などが必要なため
加工工程が複雑となるので、トータルコストの点では加
工工程の簡単な本合金の方が結局のところ有利となる。Although the material cost of low-alloy steel is much cheaper and more readily available than the alloy of the present invention, the processing process is complicated due to the need for the above-mentioned straightening. The present alloy is ultimately more advantageous.

本発明によるマルエージンケ鋼は、前述したように次の
化学組成を有する。The Marue-Sinke steel according to the present invention has the following chemical composition as described above.

ニッケル ： ８〜１２％ クロム ： ７〜１１％ モリブデン ＝ ２〜４ ％ チタニウム ＝０．５〜１．２％ 炭素 ：０．０Ｓ％以下 残部 ：鉄および不純物 ニッケルは焼入れ性、強度および靭性の向上に有効な元
素である。Nickel: 8-12% Chromium: 7-11% Molybdenum = 2-4% Titanium = 0.5-1.2% Carbon: 0.0S% or less Balance: Iron and impurity nickel improve hardenability, strength and toughness It is an effective element for

第２図にはＣｒ８％、ＭＯ３％、ＴｉＯ．８％の場合の
本発明合金の切欠引張強さならびに硬さとニッケル含有
量の関係が、時効温度に関連させて示されている。切欠
引張強さはニッケル％とともに上昇し、ニッケルが１０
％以上になると時効温度に関係なく一定の値となる。ま
た硬さはニッケルが９〜１０％で最大となる。これらの
試験データにより本発明合金についてはニッケル含有量
は１０％前後の８〜１２％と定めた。クロムはニッケル
と同様にマルテンサイトの靭性を向上させるとともに、
時効処理を行った場合にはＲ相（Ｆｅ−Ｃｒ−ＭＯの化
合物）を析出せしめて強度を高める作用がある。Figure 2 shows 8% Cr, 3% MO, TiO. The relationship between the notch tensile strength and hardness of the inventive alloy at 8% and the nickel content is shown in relation to the aging temperature. Notch tensile strength increases with nickel%, with nickel being 10
% or more, it becomes a constant value regardless of the aging temperature. Further, the hardness is maximum at 9 to 10% nickel. Based on these test data, the nickel content for the alloy of the present invention was determined to be 8 to 12%, around 10%. Chromium, like nickel, improves the toughness of martensite and
When the aging treatment is performed, the R phase (Fe-Cr-MO compound) is precipitated to increase the strength.

本発明合金では高価なニッケルを一部クロムで置換える
ことと、Ｒ相の析出による強度上昇を目的として、約９
％前後の７〜１１％添加している。モリブデンは時効処
理によりニッケルと結びついてＮｉ３ＭＯとして析出し
強度を高める働きをするが、これによりマトリックス中
のニッケル量が減少するため靭性は逆に低下する。本発
明合金ではクロム含有量をふやして脆化を起さないＲ相
を優先的に析出させることにより、Ｎｉ３ＭＯの析出を
押えている。これらの特性を考慮し、本発明合金ではモ
リブデン含有量を約３％前後の２〜４％としている。チ
タニウムもモリブデンと同様に時効処理によりニッケル
と結びついてＮｉ３ＴｉまたはＮｉＴｉとして析出し強
度を高める働きをするので、本発明合金はチタニウムを
約０．９％の前後の０．５〜１．２％含有している。し
かしこれらの化合物が析出するとマトリックス中のニッ
ケルが減少し靭性が低下することになるので、本発明合
金ではこの点を配慮し、チタニウムを上記範囲に押えて
いる。炭素が多く含まれていると靭性を低下させること
になるので、本合金では０．０８％以下に押えている。
研究の結果、マルエージング鋼の靭性は、マトリックス
中に含有されるニッケルの量に大きく依存することが確
認された。ＮｉａＭＯｔＮｉａＴｔなどの化合物が析出
した状態でマトリックス中に残留しているニッケルの量
は、下記式で求められるＮｉｒｅｓｔ値で表わすことが
できる。において、Ｎｉｒｅｓｔ：マトリックス中のニ
ッケル量を表わす数Ｎｉ，ＭＯ，ＣＯ，Ｔｉ：合金中の 各成分の％ 代表的な１８％Ｎｉ系マルエージング鋼と、本発明のマ
ルエージング鋼について、各成分％を変化させた場合の
Ｎｉｒｅｓｔ値と靭性（ここでは切欠引張強さで代表さ
せる）ならびに硬さの関係について試験した結果は第３
図に示す通りである。In the alloy of the present invention, approximately 9%
It is added around 7 to 11%. Molybdenum combines with nickel through aging treatment and precipitates as Ni3MO, which serves to increase strength, but this reduces the amount of nickel in the matrix, which in turn causes a decrease in toughness. In the alloy of the present invention, the precipitation of Ni3MO is suppressed by increasing the chromium content and preferentially precipitating the R phase that does not cause embrittlement. Taking these characteristics into consideration, the molybdenum content in the alloy of the present invention is set at 2 to 4%, approximately 3%. Like molybdenum, titanium also combines with nickel through aging treatment and precipitates as Ni3Ti or NiTi, which increases the strength. Therefore, the alloy of the present invention contains titanium in an amount of 0.5 to 1.2%, around 0.9%. are doing. However, when these compounds precipitate, the amount of nickel in the matrix decreases and the toughness decreases, so in the alloy of the present invention, this point is taken into account and titanium is kept within the above range. If a large amount of carbon is contained, the toughness will be reduced, so in this alloy, the carbon content is suppressed to 0.08% or less.
As a result of research, it was confirmed that the toughness of maraging steel greatly depends on the amount of nickel contained in the matrix. The amount of nickel remaining in the matrix in a state in which compounds such as NiaMOtNiaTt are precipitated can be expressed by the Nirest value determined by the following formula. Nirest: Number representing the amount of nickel in the matrix Ni, MO, CO, Ti: % of each component in the alloy For the typical 18% Ni maraging steel and the maraging steel of the present invention, the % of each component The results of testing the relationship between the Nirest value, toughness (represented by notch tensile strength here), and hardness when changing the
As shown in the figure.

Ｎｉｒｅｓｔ値と靭性の間には明確な関係があり、Ｎｉ
ｒｅｓｔ値が１０ないし２０以下になると、硬さが高く
なるのに靭性は急に低くなる。したがって本発明合金の
組成は、前述の規定範囲内においてＮｉｒｅｓｔ値が上
記の限界値を下回らないように設定する必要がある。こ
のように靭性のコントロールを行うのが、本発明合金の
大きな特徴の一つである。本発明合金は通常の方法によ
り溶解し、熱間加工することにより製造することができ
るが、非金属介在物をとくに少くして、最高レベルの疲
労強度、靭性などを得るためには、真空溶解を行うこと
が望ましい。There is a clear relationship between Nirest value and toughness, and Ni
When the rest value is less than 10 to 20, the hardness increases but the toughness suddenly decreases. Therefore, the composition of the alloy of the present invention must be set so that the Niest value does not fall below the above-mentioned limit value within the above-mentioned specified range. Controlling toughness in this way is one of the major features of the alloy of the present invention. The alloy of the present invention can be manufactured by melting and hot working in a conventional manner, but in order to particularly reduce non-metallic inclusions and obtain the highest level of fatigue strength, toughness, etc., vacuum melting is required. It is desirable to do so.

本発明合金は溶体化処理したのち熱を加えて時効処理を
行うことにより、所定の強度、靭性を得ることができる
。By subjecting the alloy of the present invention to solution treatment and then aging treatment by applying heat, it is possible to obtain predetermined strength and toughness.

この場合、時効処理の温度を変化させることにより強度
レベルを変えることができる。本発明合金は約１０５０
℃で所定の時間（部品の板厚に応じて設定する）加熱し
たのち大気中で放冷することによりマルテンサイト組織
となる（溶体化処理）。In this case, the strength level can be changed by changing the aging temperature. The alloy of the present invention is about 1050
After heating at ℃ for a predetermined time (set according to the thickness of the part), it is left to cool in the atmosphere to form a martensitic structure (solution treatment).

この溶体化処理ののち、加熱による時効処理を施すと硬
化し強度が上昇する。強度および靭性と時効温度の関係
を代表的な化学組成の場合について示すと、第４図の通
りである。第４図より最犬の強度が得れるのは４８０℃
で時効処理した場合で、引張強さは１４０ｋｇ／一を上
回るが、靭性（切欠引張強さ）は最も低くなる。靭性を
考慮すると、５００℃以上の温度で時効処理するのが望
ましい。After this solution treatment, an aging treatment by heating is performed to harden and increase the strength. The relationship between strength and toughness and aging temperature for typical chemical compositions is shown in Figure 4. From Figure 4, the highest strength can be obtained at 480°C.
When subjected to aging treatment, the tensile strength exceeds 140 kg/1, but the toughness (notch tensile strength) is the lowest. Considering toughness, it is desirable to perform aging treatment at a temperature of 500°C or higher.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は、１２％Ｎｉ系マルエージング鋼のアルミニウ
ムの引張強さ、衝撃値に及ぼす影響を示す図表、第２図
は、本発明合金の切欠引張強さ、硬さに及ぼすＮｉ含有
量の影響を示す図表、第３図は、本発明合金及び１８％
Ｎｉ系エルマージング鋼の，Ｎｉｒｅｓｔ（マトリック
ス中に残留しているニッケル量）の変化に対応する硬さ
、切欠引張強さの変化を示す図表、第４図は、本発明合
金の引張強さ、切欠引張強さ（靭性）と時効温度との関
係を示す図表である。Figure 1 is a chart showing the influence of aluminum on the tensile strength and impact value of 12% Ni-based maraging steel, and Figure 2 is a graph showing the influence of Ni content on the notch tensile strength and hardness of the alloy of the present invention. A diagram showing the influence, Figure 3 shows the alloy of the present invention and 18%
A chart showing changes in hardness and notch tensile strength corresponding to changes in Nirest (amount of nickel remaining in the matrix) of Ni-based Elmerging steel, Figure 4 shows the tensile strength of the alloy of the present invention, It is a chart showing the relationship between notch tensile strength (toughness) and aging temperature.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ 重量比率でニッケル８〜１２％、クロム７〜１１％
、モリブテン２〜４％、チタニウム０．５〜１．２％、
炭素０．０８％以下、残部が不純物および随伴元素を除
いて鉄であることを特徴とするマルテンサイト状態で時
効硬化できるニッケル・クロム・モリブテン・チタニウ
ム系高強度合金鋼。1. Nickel 8-12%, chromium 7-11% by weight
, molybdenum 2-4%, titanium 0.5-1.2%,
A nickel-chromium-molybdenum-titanium-based high-strength alloy steel that can be age-hardened in a martensitic state, characterized by less than 0.08% carbon and the balance being iron, excluding impurities and accompanying elements.