(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルテンサイト系鋼が０．４％〜３％のＡｌ含有量で、および０℃未満のマルテンサイト変態温度Ｍｆで金属間化合物および炭化析出物によって硬化されることができるように、ある含有量の他の金属を含むマルテンサイト系鋼を製造する方法であって、
この熱処理方法は、
（ａ）鋼の全体をそのオーステナイト化温度よりも上に加熱するステップと、
（ｂ）前記鋼を室温に冷却するステップと、
（ｃ）前記鋼を温度Ｔ１の低温媒体中に配置するステップと、
を含み、
温度Ｔ１が、マルテンサイト変態温度Ｍｆ未満であり、任意の温度Ｔ１について、鋼の最も熱い部分が、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した瞬間から前記低温媒体中に前記鋼を保持するための時間が、少なくともゼロ以外の時間ｔ１に等しく、温度Ｔ１（＋／−５℃の許容範囲の℃で）および時間ｔ１（その単位は時間単位であり、その許容範囲は＋／−５％である）が、式Ｔ１＝ｆ（ｔ１）によって関連付けされており、関数ｆが、ｆ（ｔ）＝５７．６６６×（１−１／（ｔ０．３−０．１４）１．５）−９７．３８９によって与えられることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記鋼が、組成に関して、０．１８〜０．３％のＣ、５〜７％のＣｏ、２〜５％のＣｒ、１〜２％のＡｌ、１〜４％のＭｏ＋Ｗ／２、痕跡量から０．３％までのＶ、痕跡量から０．１％までのＮｂ、痕跡量から５０ｐｐｍまでのＢ、１０．５〜１５％のＮｉ（但、Ｎｉ≧７＋３．５Ａｌ）、痕跡量から０．４％までのＳｉ、痕跡量から０．４％までのＭｎ、痕跡量から５００ｐｐｍまでのＣａ、痕跡量から５００ｐｐｍまでの希土類元素、痕跡量から５００ｐｐｍまでのＴｉ、溶融金属から発生されたなら痕跡量から５０ｐｐｍまでのＯ、または粉末冶金によって発生されたなら痕跡量から２００ｐｐｍまでのＯ、痕跡量から１００ｐｐｍまでのＮ、痕跡量から５０ｐｐｍまでのＳ、痕跡量から１％までのＣｕ、痕跡量から２００ｐｐｍまでのＰ、残部のＦｅからなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
０．２００％〜０．２５０％のＣ、１２．００％〜１４．００％のＮｉ、５．００％〜７．００％のＣｏ、２．５％〜４．００％のＣｒ、１．３０％〜１．７０％のＡｌ、１．００％〜２．００％のＭｏとすることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
必要な最小維持時間ｔ１が、１時間より長いことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）で、前記鋼が、空気と等しいまたは空気より高い弾性を有する媒体中で急冷することによって、室温に冷却されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ｂ）における冷却の間の部品の表面温度が、８０℃の温度に達した瞬間後７０時間未満に、前記鋼が前記低温媒体中に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記鋼中の残留オーステナイトレベルが３％未満であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルテンサイト系鋼が０．４％〜３％のＡｌ含有量で、および０℃未満のマルテンサイト変態温度Ｍｆで金属間化合物および炭化析出物によって硬化されることができるように、他の金属の含有量を含むマルテンサイト系鋼を製造する方法に関し、
この熱処理方法は、
（ａ）鋼の全体をそのオーステナイト化温度ＡＣ３よりも上に加熱するステップと、
（ｂ）前記鋼をおよそ周囲温度に冷却するステップと、
（ｃ）前記鋼を温度Ｔ１の低温媒体中に配置するステップと、
を含む。
【背景技術】
【０００２】
ある用途について、特に、ターボ機関伝動軸については、４００℃まで非常に高い機械的強度（降伏強度および破壊荷重）および同時に良好な耐脆性破壊（高い剛性および延性）を有するそのような鋼を使用することが必要である。これらの鋼は、良好な疲労挙動を有している。
【０００３】
そのような鋼の組成は、文献の仏国特許第２，８８５，１４２号で以下のように与えられている（重量％）：０．１８〜０．３％のＣ、５〜７％のＣｏ、２〜５％のＣｒ、１〜２％のＡｌ、１〜４％のＭｏ＋Ｗ／２、０．３％までの微量のＶ、０．１％までの微量のＮｂ、５０ｐｐｍまでの微量のＢ、１０．５〜１５％のＮｉ（但、Ｎｉ≧７＋３．５Ａｌ）、０．４％までの微量のＳｉ、０．４％までの微量のＭｎ、５００ｐｐｍまでの微量のＣａ、５００ｐｐｍまでの微量の希土類元素、５００ｐｐｍまでの微量のＴｉ、５０ｐｐｍまでの微量のＯ（溶融金属からの発生）または２００ｐｐｍまでの微量のＯ（粉末冶金による発生）、１００ｐｐｍまでの微量のＮ、５０ｐｐｍまでの微量のＳ、１％までの微量のＣｕ、２００ｐｐｍまでの微量のＰ、残部がＦｅである。
【０００４】
この鋼は、非常に高い機械的強度（２０００ＭＰａから２５００ＭＰａまでが可能である破壊荷重）および同時に非常に良好な弾性（１８０・１０３Ｊ／ｍ２）、靱性（４０〜６０ＭＰａ・√ｍ）、および良好な疲労挙動を有する。
【０００５】
これらの機械的性質は、鋼が受ける熱処理のために得られる。特に、鋼は、次の処理を受ける：鋼は、加熱され、その温度が実質的に均一となるまでそのオーステナイト化温度ＡＣ３の上に保持され、鋼は、次いでほぼ周囲温度に冷却され、次いで、鋼は、低温が支配する筐体内に配置され、保持される。「低温」は、０℃未満の温度を称する。
【０００６】
低温筐体内にそのような鋼を配置する目的は、鋼中の残留オーステナイト含有量を最小限にすることであり、つまり、鋼におけるマルテンサイトへのオーステナイトの変態を最適化することである。実際、鋼の機械的強度特性は、そのオーステナイト含有量に対して逆に増大する。本出願によってカバーされる鋼について、マルテンサイト変態温度Ｍｆは、熱力学平衡条件下で評価された−３０℃〜−４０℃の間に含まれている。マルテンサイトへのオーステナイトの最適の変態を確実にするためには、したがって、低温筐体内の温度が温度Ｍｆのわずか下でなければならないと一般的に考えられる。このように、マルテンサイトへのオーステナイトの変態の影響されない性質を考えると、低温筐体内の温度が−４０℃未満でなければならず、鋼の最も熱い部品がその温度に達した場合には、マルテンサイトへの最適の変態が起こることが可能とされる。鋼は、次いで、低温筐体から取り出される。
【０００７】
このような低温処理後にこの鋼で行われた機械的硬度および引張試験の結果は、鋼の機械的性質の大きなばらつきを示し、それは望ましくない。さらに、これらの結果は、低温処理パラメーターの観点から通常の統計的原理に従わず、逆に、結果は、熱処理条件による多くの通常の原理の合計、特に、低温媒体への通過によって分布される。このインターモーダル挙動は、さらに、計算されたばらつきを強調し（同じ族においてこれらの結果のすべてをカバーする場合）、平均値を低下させる。そのとき、サイジング曲線の最小値（平均未満の３つの標準偏差に計算された）は、まださらに低くされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】仏国特許第２，８８５，１４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、これらの欠点を解決することを目的とする。
【００１０】
本発明は、その機械的性質のばらつきを低減することを可能にし、通常の統計的原理に従うばらつきをもたらし、平均してこれらの機械的性質を増大させるこの種の鋼処理方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、温度Ｔ１がマルテンサイト変態温度Ｍｆより実質的に低く、鋼の最も熱い部分が、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した瞬間から温度Ｔ１で前記低温媒体中に前記鋼を保持するための時間ｔが、少なくともゼロ以外の時間ｔ１に等しいことにより達成される。
【００１２】
これらの条件のために、鋼中でマルテンサイトに潜在的に変態される可能性があるオーステナイトのすべては、それが低温媒体に導入されるので、最適に変態される。最適の変態は、鋼中の残留オーステナイト含有量が鋼のすべてにおいて最小であることを意味する。したがって、機械的性質の値のばらつきは減少し、オーステナイト含有量が鋼のすべてにおいて均一であるからである。さらに、これらの値は平均して増大され、鋼中のオーステナイト含有量が最小限にされるからである。
【００１３】
例えば、温度Ｔ１（＋／−５℃の許容範囲で）および時間ｔ１（＋／−５％時間の許容範囲で）は、式によって実質的に関連付けられる。
【００１４】
Ｔ１＝ｆ（ｔ１）、ｆ（ｔ）＝５７．６６６×（１−１／（ｔ０．３−０．１４）１．５）−９７．３８９
【００１５】
有利には、部品の表面上の温度がステップ（ｂ）でのその冷却の間に、８０℃の温度に達した瞬間後７０時間未満、鋼は低温媒体中に配置される。
【００１６】
このように、低温媒体中のその配置によって鋼中で予測されることができるマルテンサイトへのオーステナイトの変態の最高率は、可能な限り高い。
【００１７】
本発明は、一層よく理解され、その利点は、限定しない例として示された１つの実施形態の次の詳細な説明を読むことでよりよく見える。添付の図面を参照して説明がなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による方法において、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に低温筐体内に鋼が保持された時間ｔ１と、筐体内の温度Ｔ１との間の式Ｔ１＝ｆ（ｔ１）を示す。
【図２】鋼の最も熱い部分が、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に鋼がその筐体内に保持される異なる時間ｔ１の間、低温筐体内の温度Ｔ１の関数としての鋼中に残留するオーステナイトのレベルのばらつきを示す。
【図３】鋼の最も熱い部分が、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に鋼がその筐体内に保持される異なる時間ｔ１の間、低温筐体内の温度Ｔ１の関数としての鋼の硬度のばらつきを示す。
【図４】オーステナイト化温度からの鋼の冷却の終了を隔てる期間、および鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後、鋼がその筐体内で保持される異なる時間ｔ１の間、低温筐体内の前記鋼の配置の関数としての鋼内に残留するオーステナイトのレベルのばらつきを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
前文で示されるように、本出願によってカバーされる鋼は、その残留オーステナイト含有量を最小限にする目的で次の処理を受ける：この鋼はその温度が実質的に均一となるまでそのオーステナイト化温度の上に加熱、保持され、鋼は、次いで、およそ周囲温度に冷却され、次いで、鋼は、低温が広がる筐体内に配置され、保持される。
【００２０】
本発明者らは、上記の処理を受けたそのような鋼のテストを行った。これらの鋼は、次の組成を有する：０．２００％〜０．２５０％のＣ、１２．００％〜１４．００％のＮｉ、５．００％〜７．００％のＣｏ、２．５％〜４．００％のＣｒ、１．３０〜１．７０％のＡｌ、１．００％〜２．００％のＭｏ。
【００２１】
図２は、これらのテストの結果による、異なる長さの時間ｔ１の間に、低温筐体内の温度Ｔ１の関数としての鋼中に残留するオーステナイトのレベルのばらつきを示し、ここで、ｔ１は、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に前記鋼が前記低温筐体内に保持される時間である。
【００２２】
これらの結果は、鋼の最も熱い部分が、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後、鋼が２時間筐体内に保持される場合には、残留オーステナイトレベルが最小であるために、筐体の温度が−９０℃以下であることが必要であることを示す。その温度より上では、残留オーステナイトレベルはより高い。−９０℃未満では、残留オーステナイトレベルは、実質的に一定のままであり、その最小値、この場合、およそ２．５％（測定の自然なばらつきを考慮に入れた測定）に等しい。
【００２３】
同様に、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に、鋼が５時間または８時間筐体内に保持される場合には、残留オーステナイトレベルが最小であるために、筐体の温度がそれぞれほぼ−７１℃および−６７℃以下である必要がある。
【００２４】
結果は、すべての場合に、残留オーステナイトレベルが実質的に等しいことを示す。
【００２５】
より一般的には、時間ｔ１および温度Ｔ１が、図１で与えられる曲線Ｔ１＝ｆ（ｔ１）の下に位置している場合には、残留オーステナイト含有量は、最小であり、実質的に一定である。
【００２６】
この曲線の式は次のとおりである：
【数１】
0005996427.tif 000002
【００２７】
曲線Ｔ１＝ｆ（ｔ１）は、鋼の領域がすべて最大限にマルテンサイトに変態され、したがって、最小で均一の残留オーステナイト含有量を有するように、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に、時間ｔ１（時間で表された）の期間の間鋼が保持されなければならない低温室で温度Ｔ１（℃で表される）を与える。
【００２８】
曲線Ｔ１＝ｆ（ｔ１）は、下の表１に与えられた実験結果の統計的近似によって得られる。したがって、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低く温度に達した後、低温室で鋼を保持するための所定の時間ｔ１の間、その低温室内の温度は、近似的に曲線Ｔ１＝ｆ（ｔ１）によって与えられるもの以下でなければならないと理解される。ｔ、ｆ’（ｔ）に関する関数ｆの一次導関数は正であり、ｔ，ｆ”（ｔ）に関するｆの二次導関数は、負である。
【００２９】
この曲線の外観は、この族においてすべての鋼に有効であり、鋼の化学組成の関数として垂直方向（温度変化）に平行移動する。この式の水平漸近線（無限の維持時間ｔ１が必要な温度Ｔ１、つまり筐体のためのできるだけ高い温度）は、鋼の化学組成に依存する（この組成は、開始Ｍｓおよび終了Ｍｆマルテンサイト変態温度に直接に影響する）。問題の鋼について、この温度は、−４０℃にほぼ等しい。必要な最小維持時間ｔ１は、１時間にほぼ等しく、この族においてすべての鋼について実質的に一定である。
【００３０】
【表１】
0005996427.tif 000003
【００３１】
意外に、これらの温度Ｔ１は、マルテンサイトへのオーステナイトの最適変態を可能にするように一般的に可能とされる−４０℃の温度よりはるかに低く、保持時間ｔ１は０ではないことが留意される。このように、本発明者らは、鋼の最も熱い部分が、最適なマルテンサイトへのそれらの部分の変態のために、温度Ｍｆ（またはわずかに低温）に達することは十分ではないが、それらの最も熱い部分が、ｔ１に少なくとも等しい期間、マルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後、低温室（温度Ｔ１が支配する）内で保持されることも必要であることを示した。
【００３２】
図３は、本発明者らによって行われた他のテストの結果によれば、異なる持続時間ｔ１の間、低温筐体内の温度Ｔ１の関数としての鋼の硬度のばらつきを示し、ここで、ｔ１は、鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に、前記鋼が前記低温筐体内で保持される時間の長さである。
【００３３】
これらの結果は、時間ｔ１および温度Ｔ１が、図１に与えられた曲線Ｔ１＝ｆ（ｔ１）の下に位置している場合に、硬度が最大であり実質的に一定であることを示す。
【００３４】
したがって、図２および図３の曲線を比較することによって、鋼中の残留オーステナイトレベルとその鋼の硬度の間の相関関係を確立することが可能である。鋼中のオーステナイト含有量が低いと、鋼の硬度はより高いことがこれから結論を出すことができる。他の機械的性質について本発明者らによって行われたテストの結果は、同様の傾向を示し、つまり、機械的性質は、オーステナイトレベルの減少とともに増大する。
【００３５】
本発明による方法のために、鋼中のオーステナイト含有量は最小限にされ、従って、鋼の機械的性質は平均して増大される。
【００３６】
さらに、図１の曲線によって示されるように、鋼部品の領域が温度Ｍｆより低い温度に達し、そこで十分に長く保持される場合には、鋼部品の領域における最小オーステナイト含有量が達せられる。
【００３７】
鋼の最も熱い部分がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に、部品は、温度Ｔ１が式Ｔ１＝ｆ（ｔ１）を満足する時間ｔ１より短い時間ｔの間支配する低温筐体内に保持される場合には、そのとき、部品の特定のより中央領域は、温度Ｍｆ未満に十分に長くとどまっておらず、一方、部品の表面のより多くの特定領域は、温度Ｍｆで十分に長くとどまっている。したがって、残留オーステナイトレベルは、前記中央領域の方にそれらの表面領域から増大する。残留オーステナイトレベルのこの空間ばらつきは、テストの間に得られた機械的性質の値のばらつきを引き起こす。
【００３８】
しかし、本発明による方法では、鋼の最も熱い部品がマルテンサイト変態温度Ｍｆより低い温度に達した後に、鋼は、低温筐体内に十分に長く保持され、それは、マルテンサイトへのその部分の最適変態を確実にする。したがって、本発明による方法のために、均一で最小の鋼中での残留オーステナイトレベルを得ることを可能にし、本発明者らによって理解されるように、機械的性質の値のばらつきは最小限にされることが理解される。例えば、先行技術による処理方法を適用することによって、処理された鋼の平均硬度は、５６０Ｈｖであり、統計的最小値は５３５Ｈｖであり最大値は５７９Ｈｖである。本発明による方法を使用することによって、処理された鋼の平均硬度は、５７５Ｈｖであり、統計的最小値は５７０Ｈｖであり最大値は５７９Ｈｖである。
【００３９】
鋼が低温筐体内に配置される前に、それは、ステップ（ｂ）で、周囲温度に鋼を冷却するように、流体（媒体）中で急冷を受ける。理想的には、この流体は、空気と少なくとも等しい弾性（ｄｒａｓｔｉｃｉｔｙ）を有する。例えば、流体は空気である。
【００４０】
急冷媒体の弾性は、そこに沈められた部品の最接近層において熱量を吸収するとともに、媒体の残りに熱量を拡散するためのその媒体の容量を称する。この容量は、前記媒体に沈められた部品の表面の冷却速度を調整する。
【００４１】
本発明者らによって行われたテストは、ステップ（ｂ）でその冷却の間に部品の表面温度が、８０℃の温度に達した瞬間後７０時間未満、鋼が低温媒体中に理想的には配置されなければならないことを示す。
【００４２】
図４は、これらのテストの結果を示す。鋼がステップ（ｂ）でその冷却の間に部品の表面温度が８０℃の温度に達した瞬間後７０時間以下、低温媒体（筐体）内に配置される場合には、次いで、鋼中の残留オーステナイト含有量は、本発明の条件によって低温筐体内に保持された後にその最小値に達することができる。しかし、鋼がその瞬間後７０時間を超えて低温媒体中に配置される場合には、そのとき、残留オーステナイト含有量は、後の維持期間および低温筐体内の温度に関係なく、その最小値に達することはできない。
【００４３】
残留オーステナイト含有量の最小値は、これらのテストでテストされた鋼種に関してほぼ２．５％である。より一般的に、本発明による鋼の種類については、最小残留オーステナイト含有量は３％未満である。
【００４４】
鋼の他の族について、最小時間ｔ１値は変化する。例えば、時間ｔ１は、２時間を超えてもよく、３時間を超えてもよく、または４時間を超えてもよい。
【００４５】
これらの各時間ｔ１について、筐体の温度は、温度Ｔ１未満でなければならず、温度Ｔ１は、例えば、−５０℃、または−６０℃、または−７０℃と等しい。
【００４６】
本発明は、本発明による方法によって得られた鋼からなる部品に関し、その鋼中の残留オーステナイトレベルは３％未満である。
【００４７】
例えば、部品は、ターボ機軸であってもよい。
【図１】
0005996427.tif 000004
【図２】
0005996427.tif 000005
【図３】
0005996427.tif 000006
【図４】
0005996427.tif 000007