JPS61174327A - 耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強さを有し
、且つ耐遅れ破壊性に優れた高張力ボルトやＰＣ鋼棒、
更に大型機械用の高張力鋼板などの機械構造用鋼の製造
法に関する。

更に詳細には本発明は、構造物の大型化に伴い自重の軽
減と断面減少による材料と旅行費の節約によって経済性
の向上が要求されつつある量産鋼である高張力鋼、更に
は構造物、機械部品などの高性能化、軽量化に伴って高
応力に耐え、しかも比強度の高いことの要求される強力
鋼および超強力鋼の製造法に関する。

従来の技術 近年、特に構造物の大型化、自動車やトラック、土木機
械等の軽量化に伴い引張強さが１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以
上の機械構造用鋼、特に高張力ボルトやＰＣ鋼棒の開発
が要求されてきている。

従来、一般に１００ｋｇｆ／ｎｕｎ２以上の引張強さを
有する機械構造用強靭鋼は、例えば０．３５％Ｃ−１，
０％Ｃｒ−０，２％Ｍｏの組成を有するＪＩＳ−３ＣＭ
４３１低合金鋼や、０．３１％Ｃ−１，８％Ｃｒ　−０
，２％Ｍｏの組成を有するＪ　Ｉ　Ｓ　−Ｓ　ＮＣＭ４
３１の低合金鋼や、さらに０．２％Ｃ−０，８％Ｃｒ　
−０，００２％Ｂの組成を有するボロン鋼などの熱延材
に焼入れ、焼戻し処理を施すことによって製造されてい
る。

しかし、これらの機械構造用強靭鋼を実用に供した場合
、１２５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強さを有するものに
おいては、使用中に遅れ破壊を生じる場合があることか
ら、高張力ボルトやＰＣ鋼棒をはじめとして自動車や土
木機械の重要保安部品としては品質安定性に欠けるとい
う問題があった。

なお、遅れ破壊とは、静荷重下にお゛かれた鋼が、ある
時間経過後に突然脆性的に破断する現象であり、外部環
境から鋼中に侵入した水素による一種の水素脆性とされ
ている。

このようなことから上記の機械構造用鋼においては、実
用上その強度レベルが引張強さで１２５ｋｇｆ／ｍｍ２
以下に制限されているのが現状であり、例えば高力ボル
トに関しては、Ｊ　Ｉ　Ｓ　−Ｂ−１１８６（１９７，
９）の「摩擦接合用高力六角ボルト、六角ナツト、平座
金セット」において、Ｆ８Ｔ　（引張強さ：８（］−１
００ｋｇｆ／ｍｍ２）　、ＦＩＯＴ　（同１００〜１２
０ｋｇｆ７ｍｍ２）　、及びＦＬＩＴ　（同１１０〜１
３０ｋｇｆ／ｍｍ２）の３種に規定され、しかもＦＬＩ
Ｔについては、なるべく使用しないことと注意事項が付
されている。

また、土木建設機械用として耐摩耗性の要求される鋼板
においても引張強さが１２５ｋｇｆ／ｍｍ２を越えるも
のでは使用中の遅れ破壊が問題とされている。

これに対して、上記の通常の低合金鋼より耐遅れ破壊性
の優れた鋼として、例えば１８％Ｎｉ−７，５％Ｃｏ−
５％Ｍｏ−０，５％Ｔｉ−０．１％ＡＩの組成を有する
１８％Ｎｉマルエージング鋼があり、この鋼は、引張強
さが１５０ｋｇｆ／ｍｍ’程度のものまで遅れ破壊の発
生の恐れなく使用できるが、きわめて高価な鋼であるた
め、経済性の点で一部のきわめて限られた用途にしか実
用化されておらず、機械構造用として広く使用されるに
は到っていない。

これに対して、経済的であり、高強度且つ耐遅れ性に優
れた構造用鋼として、例えば特開昭５８−６１２１９号
、特開昭５８−８４９６０号、特開昭５８−１１３３１
７号、特開昭５８−１１７８５６号及び特開昭５８−１
５７９２１号等に各種成分の高強度鋼及びそれらの製造
法が提案されている。

しかしながら、これらの１２５ｋｇｆ／ｍｍ２を越える
引張強さを有する鋼でも、例えば橋梁用高張力ボルトに
使用できるほど完全に遅れ破壊を発生する危険を払底で
きるものではなく、それらの適用範囲は不確定且つ十分
なものでない。

発明の解決すべき問題点 本発明は上記した産業界の要求に答えるべく、１４５ｋ
ｇｆ／ｎ＋ｍ２以上の引張強さを有し且つ耐遅れ破壊性
に優れた機械構造用鋼の製造法を提供することを目的と
する。

更に本発明の目的を詳細に説明すると、例えば橋梁用高
張力ボルト等と異なり、定期的な補修或いは取替えを前
提し、一定期間、例えば１０００時間以内の遅れ破壊の
発生の恐れのない、１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強
さを有する機械構造用鋼の製造法を提供することを本発
明の目的とする。このような用途としては、各種構造物
用高張力鋼、自動車、土木機械、産業機械用のボルト用
鋼及び高張力鋼板、特に大型ブルドーザ−のシューボル
トがあり、これらに本発明により製造された鋼材を使用
するごとによって上記した産業界の要求に答えることが
可能である。

すなわち、本発明は、橋梁用高張力ボルトはどの耐遅れ
破壊性でなくとも所定の期間のあいだ遅れ破壊の発生す
る危険のなく、従って定期的な補修或いは取替えを前提
する部品等に好適に使用できる１４５ｋｇｆ／　ｍｍ２
以上の引張強さを有する機械構造用鋼の製造法を提供す
ることを目的とする。

問題点を解決する手段 上記した本発明の目的を達成するため、本発明者等は鋭
意実験・研究を重ねた結果、１０００時間以上の期間に
わたり遅れ破壊を発生せず且つ１４５ｋｇｆ／ｍｌ１１
２以上の引張強さを有する鋼を製造するには、低Ｐ化、
低Ｓ化による粒界偏析の軽減および清浄化は勿論のこと
、低Ｍｎ化により耐遅れ破壊性を改善し、更にＮｂを０
．０１〜０．１０％含有せしめると同時に製造に際して
熱間圧延後８７０℃以上の温度から急冷することにより
Ｐ等の不純物元素のオーステナイト粒界への偏析を軽減
することが有効であることを発見したものである。

従って、本発明に従い、 Ｃ：０．２０〜０．３０％、 Ｓｉ：０．５％以下、 Ｍｎ：０．５％未満、 Ｐ：０．０１％以下、 Ｓ：０．０１％以下、 Ｃｒ：０．５〜５％、 Ｎｂ：０１０１〜０．１０％、 を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼
を熱間圧延後、８７０℃以上の温度から焼入れを行い、
次いで１５０〜４５０℃の範囲内の温度で低温焼戻を行
うことを特徴とする１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強
さを有し且つ耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼の製造
法が提供される。

更に本発明の好ましい態様に従うと、熱間圧延を８７０
℃以上の仕上温度で行い、圧延材を８７０℃以下に冷却
することなく直接焼入を行うのが好ましい。

更に、本発明の他の態様に従うと、焼入れ後の圧延材に
ついて１５０〜４５０℃の範囲内の温度で低温焼戻を行
う。

なお、本明細書において鋼成分をパーセントで表示する
ときはすべて重量パーセントである。

作用 ついで、本発明の方法において採用する成分組成及び製
造条件を上記のとおりに限定した理由を説明する。

（Δ）成分組成 ａ）Ｃ： Ｃは鋼に強度を付与する作用があり、１４５ｋｇｆ／ｍ
ｍ２以上の引張強さを確保するには０．２０％以上必要
であり、一方、０．３０％を越えて含有させると、他の
合金成分と関連して靭性が劣化すると同時に耐遅れ破壊
性も劣化するのでその含有量を０．２０〜０．３０％と
定めた。

ｂ）Ｓｉ： Ｓｉは鋼の脱酸のために必要な元素であるが、その含有
量が、０．５％をこえると鋼の脆化が著しくなるため、
その上限値を０．５％と定めた。

Ｃ）Ｍｎ： Ｍｎは脱酸の他、焼入性向上に有効な元素であるが、多
量に添加すると、粒界にＭｎの酸化物あるいは炭化物等
が生成し、粒界脆化現象が生じ、遅れ破壊の発生を促進
する。さらに、ＭｎはＳと結合して、これが割れの起点
となることからも耐遅れ破壊性の改善のためには極力そ
の含有量を低下させなければならない。従って、耐遅れ
破壊性の改善を目的とする本発明ではＭｎの含有量を０
．５％未満とした。このようにＭｎの含有量を制限し、
他の合金成分および熱処理条件を調整することによって
１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強さを有し且つ耐遅れ
破壊性に優れた機械構造用鋼の製造が可能となる。

ｄ）Ｐ： Ｐはいかなる熱処理を施してもその粒界偏析を完全に消
滅させることはできず、かつ、粒界強度を低下させ耐遅
れ破壊性を劣化させるため、その上限を０．０１％とし
た。

ｅ）Ｓ： 上述したようにＳはＭｎと結合して割れの起点となり、
さらに単独でも粒界に偏析して脆化の促進するため、極
力その含有量を低く制限することが必要である。従って
、本発明ではＳを０．０１％以下とした。

ｆ）Ｃｒ： Ｃｒは鋼の焼入性を向上させ、かつ鋼に焼戻軟化抵抗を
付与する作用があるが、その含有量が０．５％未満では
、前記作用に所望の効果が得られず、他方Ｃ「は高価な
合金元素であるため経済性を考慮し、その含有量を０．
５〜５％とした。

ｇ）Ｎｂ： Ｎｂは、本発明において重要な添加元素であり、低Ｐ１
低Ｓおよび低Ｍｎの清浄鋼に添加されると、耐遅れ破壊
特性を著しく改善せしめる。その効果を確保するために
は、０．０１％以上の添加が必要である。他方、０．１
０％以上添加すると、その効果は飽和し、かつコスト的
に高くつくので、その範囲を０．０１〜０．１０％とし
た。

ｈ）　その他の元素として、本発明でその範囲を限定し
ていないがｓｏｌ、ＡＩは脱酸元素として必要であり、
０．０１〜０．０８％程度添加するのが好ましい。しか
しながら、このｓｏｌ、ＡＩの含有範囲は通常鋼のレベ
ルであるので本発明では特に限定しない。

（Ｂ）熱処理条件 ａ）焼入温度 引張強さが１４５ｋｇｆ／ｍｍ２を越える強靭鋼は、通
常の低合金鋼の熱延棒鋼あるいは熱延鋼板をＡｃ１点以
上に再加熱した後焼入れし、引続きＡｃ、意思下の温度
で焼戻すことにより製造される。Ｃ含有量が０．２０〜
０．３０％の鋼では、焼入れは８７０℃以上で実施され
るため、焼入温度を８７０℃以上とした。

また焼入方法としては、圧延後直接焼入れする方法と圧
延後再加熱する方法があり、双方とも有効であるが、前
者の方がγ粒界におけるＰ等の偏析が少なくなるので、
より効果的である。

ｂ）焼戻温度 一般に焼入ままの綱は降伏点が低く、機械構造用鋼とし
て使用さる場合に使用中に応力緩和の増大が生じ、さら
に焼入れままでは靭性、加工性などが良好でないという
問題がある。従って、鋼に所定の強度および靭性を付与
するためには、焼入後、焼戻処理を行う必要がある。一
般に鋼の焼戻しは、Ａｃ、意思下の温度で行うが、一般
的には１５０〜６００℃の温度範囲にて行われる。しか
し、４５０℃を超える焼戻しを行う場合、強度低下が顕
著になり焼入時の強度上昇のため成分的にもより高合金
化しなければならず高コスト化につながる。そこで、焼
戻軟化を極力抑える目的で、その焼戻温度は１５０〜４
５０℃と定める。

実施例 次に、本発明を比較例と対比しながら実施例により説明
する。

通常の溶解法により第１表に示す化学組成の鋼を溶製し
、直径５００ｍｍ　ｘ長さ１ｍの寸法のビレットに成形
し、ついで前記ビレットを１２００℃に１時間均熱した
後、仕上温度が９００℃以上になるように熱間圧延を実
施し、２５ｍｍφの棒鋼に仕上げた。

１４５ｋｇｆ／＋＋＋ｍ２以上の強度を得るため、熱処
理としては、熱間圧延後直ちに焼入れを施す直接焼入方
法と、８７０℃以上の温度に再加熱した後焼入を行う通
常法を採用した。また焼戻温度は、引張強さが１４５ｋ
ｇｆ／ｍｍ２以上となる様に予備実験にて確認し、それ
ぞれ選定した。

一方、遅れ破壊の発生有無の確認は、第１図に示すくさ
び挿入型の遅れ破壊試験方法によった。

すなわち、第１図（ａ）に示すような形状、寸法の試験
片のノツチ部（第１図ら）に示す）に第１図（Ｃ）に示
すようなくさびを挿入して静荷重をかけ、これを５５℃
に保持した温水中に入れ、割れの発生の時間を観察した
。なお、図中において、数字はｍｍの単位の長さを示す
。

１０００時間を耐遅れ破壊性の一つの判断基準としたの
は、１ケ月を機材の定期的な補修あるいは点検期間と仮
定し、その約半分の誤差を見積ったからである。試験環
境として、５５℃の温水中は、実使用環境の最も厳しい
環境に相当する。従って、得られた遅れ破壊時間は、実
使用のうちもっとも厳しい環境での遅れ破壊発生時間に
相当すると考えられる。

第１表の鋼Ｎｏ、　ｌ〜６が本発明鋼で、鋼Ｎｏ、　７
〜９が比較鋼である。第１表に示す試験結果かられかる
ように、低Ｍｎ・低Ｐ・３％Ｃｒ　−Ｎｂ添加鋼である
Ｎｏ、　ｌおよびＮｏ、　２の鋼は極めて良好な耐遅れ
破壊性が発揮し、５０００時間経過後も遅れ破壊を発生
しなかった。しかしながら、このように良好な耐遅れ破
壊性を発揮するＮｏ、　２の鋼でもＰが０．００９％と
若干高いため３５０℃という低温焼戻領域での焼戻しに
より粒界強度が低下し、耐遅れ破壊性が劣化しており、
焼戻温度としては極力この低温焼戻領域をさけるべきで
ある。

またＮｏ、３の鋼において比較的遅れ破壊発生時間が短
いのはＣ量が若干高いためと推測される。

一方、Ｎｏ、　１〜２の鋼とＮα７〜８の鋼はＮｂ添加
の有無の効果を示しており、明らかにＮｂ添加により耐
遅れ破壊性が改善されていることがわかる。

また、比較鋼のＮｏ、　９の鋼において、遅れ破壊を発
生しない時間として１０００時間を確保できないのはＣ
ｒが０．３５％と高く、さらにＭｎが０．７６％と高い
ためである。

発明の効果 以上の実施例よりＣ：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０
．５％以下、Ｍｎ：０．５％未満、Ｐ：０．０１以下、
Ｃｒ：０．５〜５％およびＮｂ：０．０１〜０．１０％
を含有し、残りがＦｅと不可避的不純物からなる鋼を、
熱間圧延後、８７０℃以上の仕上温度から急冷し、１５
０〜４５０℃の温度範囲内で低温焼戻処理を行うか、あ
るいは熱間圧延後８７０℃以上の温度で再加熱焼入処理
を施し、１５０〜４５０℃の温度範囲内で低温焼戻処理
を行うことによって、１４５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張
強さを有し、かつ耐遅れ破壊性の優れた機械構造用鋼を
製造し得ることが判明した。

すなわち本発明の方法に従うと、１４５ｋｇｆ／　ｍｍ
２以上の引張強さを有し、かつ１０００時間以上の期間
にわたり遅れ破壊を発生しない機械構造用鋼をうろこと
ができ、前述したように定期的補修または取替を前提と
し、必要な耐遅れ破壊性の程度の明確な用途の鋼材、例
えば大型ブルドーザ−のシューボルトなどには本発明の
方法により製造された機械構造用鋼を広範囲に使用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例で実施した遅れ破壊試験で用いた試験
片とくさびの形状および寸法を示す図である。第１図（
ａ）は試験片を示し、第１図ら）は試験片のノツチ部の
詳細を示し、第１図（Ｃ）は試験片のノツチ部に挿入し
て負荷を加えるためのくさびを示す。なお、図中におい
て数字はｍｍの単位の長さを示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ：０．２０〜０．３０％、 Ｓｉ：０．５％以下、 Ｍｎ：０．５％未満、 Ｐ：０．０１％以下、 Ｓ：０．０１％以下、 Ｃｒ：０．５〜５％、 Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、 を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼
   を熱間圧延後、８７０℃以上の温度から焼入れを行い、
   次いで１５０〜４５０℃の範囲内の温度で低温焼戻を行
   うことを特徴とする１４５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上の引張
   強さを有し且つ耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼の製
   造法。
2. （２）上記熱間圧延を８７０℃以上の仕上温度で行い、
   圧延材を８７０℃以下に冷却することなく、直接焼入を
   行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の機械
   構造用鋼の製造法。
3. （３）上記熱間圧延後に圧延材を８７０℃以上の温度に
   再加熱して焼入を行うことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の機械構造用鋼の製造法。