(57)【要約】【課題】  ＸＡＦＳ測定法を用いてＣｕ含有鋼の時効処理過程におけるＣｕ析出物の析出状態を把握し、時効処理の適否を非破壊で確認できる時効状態評価方法およびこの評価方法を用いた時効処理法を提供することである。【解決手段】  Ｃｕを１〜５質量％含有する鋼材の時効状態を、鋼材中の時効に関与する析出物を構成するＣｕの、常温でＸＡＦＳ法により測定した蛍光Ｘ線スペクトルＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるときに、適正に時効処理がなされたと評価するようにしたのである。それにより、試料調整を行なう必要がある引張り試験や硬さ試験などの材料試験を行なわなくても、Ｃｕ含有鋼材の硬さ上昇など時効処理状態を非破壊で評価することができ、時効処理の是非およびＣｕ含有時効処理鋼材の品質の確認が簡便化される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを１〜５質量％含有する鋼材の時効状態評価方法であって、鋼材中の時効に関与する析出物を構成するＣｕの、ＸＡＦＳ法により測定した蛍光Ｘ線スペクトルＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さを用いて、鋼材の時効状態を非破壊で評価することを特徴とする鋼材の時効状態評価方法。
【請求項２】
前記ＸＡＦＳ法による測定が常温で行なわれ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるときに、適正に時効処理がなされたと判定することを特徴とする請求項１に記載の時効状態評価方法。
【請求項３】
Ｃｕを１〜５質量％含有する鋼材の時効処理方法であって、予め前記鋼材の時効処理後の硬さと、前記鋼材中の時効に関与する析出物を構成するＣｕの、常温でＸＡＦＳ法により測定した蛍光Ｘ線スペクトルＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さの値とを対応づけ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるように時効処理することを特徴とする鋼材の時効処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱処理後の鋼材の特性を非破壊で評価する方法に係り、詳しくは、Ｃｕ含有鋼材の時効処理後の硬さをＸＡＦＳ法により評価し、時効状態の是非を評価・判定する方法およびこの評価方法を用いた時効処理法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、国内にはスクラップとして鉄資源が蓄積されており、この鉄スクラップには電気配線等に使用されているＣｕが不純物として混入する場合が多い。Ｃｕは鋼材から除去することが困難な元素であるため、鋼材には、今後、Ｃｕが含有される割合が多くなるものと予想される。このＣｕは、鋼材の合金元素としてみると、鉄に高温では固溶し、低温では析出するという性質があるため、時効処理による鋼材の強化に活用できる元素である。従来、クラスターも含めて析出物として活用されてきた物質は、金属元素の炭化物、窒化物、酸化物またはこれらの複合化合物であり、これらの析出物は材料を強化する能力は高いものの、析出物自体が非常に硬いため、一般に、延性や靭性が低下するという問題がある。このような問題に対し、クラスターも含めてＣｕの析出物は金属自体の析出物であるため、延性等を阻害しない析出物として活用が期待されている。
【０００３】
前記時効処理は、鋼材等の金属材料を、添加した合金元素が固溶する高温域で溶体化処理した後室温近くまで急冷して合金元素を過飽和に固溶させ、その後、鋼材が相変態しない温度域に再加熱し、過飽和に固溶している合金元素を析出させて強化する熱処理であり、鋼材の材質を向上させる熱処理の一つとして広く知られている。この時効処理を施すと硬さが上昇し、硬さ試験や引張り試験などの材料試験により材質が強化したことを確認できる。このように、材質変化を確認するために、従来から材料試験が行なわれているが、この材料試験は破壊試験であるため、貴重なサンプルを破壊することのほか、例えば引張り試験片の作製など試料調整を行なう必要があり、試験準備が非常に煩雑である。
【０００４】
前記材質変化を非破壊で検出できれば、貴重なサンプルの破壊や試料調整を行なわずに済み、材質確認が簡便化される。このような、非破壊試験の主なものに、Ｘ線回折、超音波測定、熱膨張解析、電気抵抗測定等をそれぞれ用いた試験がある。Ｘ線回折試験で得られるのは、通常、物質中の結晶情報であり、時効処理時に生じるといわれる結晶化する前のクラスター（原子の集団）等の情報を得ることはできない。また、時効処理が、析出物の析出が進行する段階に移行した後も、時効処理用に添加される合金元素量が少ない場合では析出物からの信号が小さいため、バックグラウンドノイズに埋もれてしまうことが多く、Ｘ線回折ではこの信号を検出することができない。
【０００５】
前記超音波を用いた測定では、マトリックス中の物質、即ち測定対象物がある程度以上の大きさを有している必要があるため、前記クラスターを超音波で検出することは不可能である。また、熱膨張解析を用いた試験では、時効処理自体が熱処理であり、材料温度が上昇して状態が変化するため析出物を精度よく検出することは困難である。さらに、電気抵抗測定を用いる試験法は、合金元素が析出することによるその固溶量変化を検出する方法であるが、時効処理用に添加される程度の合金元素量では、固溶量変化の検出は困難である。
【０００６】
一方、微細な構造を測定する手法としてＸＡＦＳ（Ｘ-ray Absorption Fine Structure、Ｘ線吸収微細構造）が知られており、Ｘ線の吸収スペクトルを解析することにより、原子構造に関する情報、即ち鋼材表面の耐候性に関連の深いさび層の原子の並び（鉄原子の周りの動径分布）を求めた例が開示されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５６４６３号公報（［００１２］〜［００２３］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、時効現象をもたらす析出物は、鋼材のマトリックス成分であるＦｅ元素量に比べて非常に微量であるため、析出に関与する元素についての信号が比較的小さいく検出が困難であり、また、時効処理は、その処理過程で材料内部に生じている冶金現象が完全には明らかになっていないため、硬さ上昇などの材質変化をもたらす物理現象を捉えられず、非破壊試験による特性把握はほとんどできていなかった。さらに、Ｃｕなどの析出強化用合金元素を添加した鋼材は、前述のように、時効処理により強度などの材質特性が改善されるが、過時効など時効処理条件が適正でなくなると材質特性が逆に低下するという問題を伴う。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、Ｃｕ含有鋼材の時効処理過程におけるＣｕ析出物の析出状態を、ＸＡＦＳ法を用いて把握し、時効処理が適正に実施されているか否かを非破壊で確認できる時効状態評価方法およびこの評価方法を用いた時効処理法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１１】
即ち、Ｃｕを１〜５質量％含有する鋼材の時効状態評価方法で、鋼材中の時効に関与する析出物を構成するＣｕの、ＸＡＦＳ法により測定した蛍光Ｘ線スペクトルＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さを用いて、鋼材の時効状態を非破壊で評価するようにしたのである。
【００１２】
本発明者らは、微量のＣｕを含有する鋼材の時効過程におけるＣｕ析出物を、熱処理条件を変えてＸ線を用いた分析により種々検討したところ、ＸＡＦＳ測定により鋼材中のＣｕのＫ吸収端近傍でピーク信号を検出でき、さらに常温で測定したＫ吸収端近傍のＸＡＦＳ蛍光Ｘ線スペクトルをより詳細に解析することにより、８．９８ＫｅＶ位置でのピーク高さと時効処理後の硬さに非常によい相関があることを見出した。従って、前記蛍光Ｘ線スペクトルの８．９８ＫｅＶのピーク高さに注目して解析を行なえば、Ｃｕ含有鋼材の時効処理による硬さ変化、即ち材質変化を非破壊で測定することができ、試料調整を行なう必要がある引張り試験や硬さ試験などの材料試験を行なわずとも、時効処理状態を評価することができる。なお、鋼材のＣｕ含有量が１〜５％を前提としているのは、Ｃｕの析出物により鋼材を強化するには、１質量％程度のＣｕが必要であり、一方、Ｃｕ含有量が５％を超えると、熱間加工や鋳造時に割れが発生しやすくなって、鋼材の製造に支障が生じることによる。Ｃｕ以外の鋼材成分はとくに前提としないが、本願発明の対象となる一般的な鋼材成分としては、Ｃ量が０．０１〜１．２％、Ｓｉ量が０．１〜３%、Ｍｎ量が０．１〜３％をベースとし、その他不可避的不純物Ｐ、ＳやＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の合金元素およびＴｉ、Ｎｂ、Ｖ等の炭化物形成元素が適宜含まれる。
【００１３】
前記ＸＡＦＳ法による測定が常温で行なわれ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるときに、適正に時効処理がなされたと判定することが望ましい。
【００１４】
前記Ｃｕ含有鋼材の時効処理後の硬さと、前記蛍光Ｘ線スペクトルの８．９８ＫｅＶのピーク高さとの相関を詳細に検討したところ、このピーク高さの値が規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるときに、適正な硬さ上昇が得られる。このピーク高さの値が２．８よりも小さい範囲では硬さが殆んど上昇せず、３．８を超える範囲では過時効となって硬さが低下する。このような判定基準を用いることにより、適正な時効状態であるか否かを非破壊で評価することができる。
【００１５】
Ｃｕを１〜５質量％含有する鋼材の時効処理方法で、予め前記鋼材の時効処理後の硬さと、前記鋼材中の時効に関与する析出物を構成するＣｕの、常温でＸＡＦＳ法により測定した蛍光Ｘ線スペクトルＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さの値とを対応づけ、前記ピーク高さの値が、規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲に収まるように時効処理することが望ましい。
【００１６】
このように、時効処理後の硬さと８．９８ＫｅＶのピーク高さとを関連付けた判定基準を設け、この基準を満たすような熱処理条件を選択して時効処理を行なうことにより、過時効や不完全時効を防止でき、確実に適正な時効処理を行なうことができる。
【００１７】
また、前記８．９８ＫｅＶのピーク高さの値が規格化した蛍光収量で表示して２．８〜３．８の範囲にあることが確認されたＣｕ含有鋼材は、上述のように適正な硬さ上昇が得られてことが保証され、材質確認に材料試験を行なわずに済む。
【発明の効果】
【００１８】
この発明では、Ｃｕ含有鋼材の時効処理後の硬さを、この材質特性と非常に良好な相関があるＸＡＦＳ測定による蛍光Ｘ線スペクトルのＫ吸収端近傍の８．９８ＫｅＶのピーク高さで評価するようにしたので、試験片などの試料調整等が煩雑な材料試験を行なわなくても、簡単な非破壊検査で時効処理が適正に実施されているか否かを確認することができる。この時効状態評価方法を用いることにより、適正硬さ、即ち適正材質を確実に実現できる時効処理を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施形態を、実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
ＦｅにＣｕを１．５％含有させた合金を溶製し、熱間圧延により約１ｍｍの板材を作製し、供試材とした。この板材を８００℃で１０分間加熱保持してＣｕを完全に固溶させた後水冷し（溶体化処理）、その後４００〜５００℃の温度域で２０分間保持して時効処理を施した。一部の供試材には、溶体化処理過程において８００℃に１０分間加熱保持後１０％の引張り歪を予歪として付与して水冷し、その後４００〜５００℃の温度域に２０分間保持することにより時効処理を施した。これらの板材についてのＸＡＦＳ測定には、（財）高輝度光科学研究センターの大型放射光実験施設Ｓｐｒｉｎｇ−８の共同ビームラインＢＬ３８Ｂ１ＸＡＦＳ測定装置を用い、蛍光法により常温でＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを測定した。蛍光Ｘ線（Ｋα線）の検出にはライトル検出器を用いた。
【００２１】
図１に、時効条件等の処理条件を変えた場合の、前記供試材のＸＡＦＳ測定で得られたＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光収量スペクトルのＸＡＮＥＳ（前記吸収端近傍の微細構造）部分を示す。横軸は光子エネルギーを、縦軸は、測定チャンスによる誤差を除去するために、蛍光収量で規格化した任意単位である。図２に、ＸＡＮＥＳ部分の光子エネルギー８．９８ＫｅＶ付近を拡大したスペクトルを示す。図２から、予歪なしの５００℃、２０ｍｉｎ時効材および１０％予歪を付与した４００℃、２０ｍｉｎ時効材の８．９８０ＫｅＶ付近の強度が高くなっていることがわかる。
【００２２】
一方、材質調査の結果からは、予歪なしでは時効処理温度が５００℃で硬さが上昇し、１０％予歪では同４００℃で既に硬さの上昇が認められ、この硬さの上昇は、時効処理過程でのＣｕクラスターの生成に起因するものと推定される。８．９８０ＫｅＶでの蛍光収量の増加はこの硬さの上昇とよく対応していることから、８．９８０ＫｅＶでの蛍光収量の増加、即ち蛍光Ｘ線スペクトルのピーク高さから、時効処理過程でのＣｕクラスターの生成または結晶構造を有するＣｕの析出、すなわち時効状態を評価することが可能であることがわかる。
【実施例２】
【００２３】
実施例１の場合と同様に、ＦｅにＣｕを１．５％含有させた合金から熱間圧延により作製した約１ｍｍの板材を供試材とし、この板材を８００℃で１０分間加熱保持してＣｕを完全に固溶させた後水冷し（溶体化処理）、その後、３００〜６５０℃の温度域で２０分間保持して時効処理を施した。一部の供試材には、溶体化処理過程において、８００℃に１０分間加熱保持後、１０％の引張り歪を予歪として付与した後水冷し、その後３００〜５００℃の温度域に２０分間保持することにより、時効処理を施した。時効処理後、常温で、これらの板材について実施例１の場合と同様に、ＸＡＦＳ測定装置および蛍光Ｘ線（Ｋα線）検出用のライトル検出器を用いて、蛍光法により常温でＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを測定した。時効処理後の常温での硬さはヴィッカース硬度計で測定した。時効処理条件、硬さおよび前記８．９８ＫｅＶでのピーク高さ（規格化した蛍光収量）の測定結果を表１に、８．９８ＫｅＶのピーク高さに対する時効処理による硬さ上昇（ΔＨｖ）を図３に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
図３から、時効処理による材質変化を示す硬さ上昇ΔＨｖと８．９８ＫｅＶのピーク高さとの間に相関があり、８．９８ＫｅＶのピーク高さ（規格化した蛍光収量）が、２．８〜３．８の範囲にあるときに、適正な硬さ上昇が得られていることがわかる。このように、ＸＡＦＳ測定による８．９８ＫｅＶのピーク高さから、時効処理時の硬さ上昇、即ち材質変化を非破壊で測定することができ、時効状態の評価が可能となる。
【実施例３】
【００２６】
Ｃｕを４．０％含有させた鋼合金（Ｆｅ−０．１８５％Ｃ−１．５％Ｍｎ−４．０％Ｃｕ）を溶製し、熱間圧延により約１ｍｍの板材を作製し、供試材とした。この板材を８００℃で１０分間加熱保持してＣｕを完全に固溶させた後水冷し（溶体化処理）、その後、４５０℃で保持時間を３種類変化（保持時間１分、２０分、６０分）させて、それぞれ時効処理を施した。これらの板材について、実施例１の場合と同様に、ＸＡＦＳ測定装置および蛍光Ｘ線（Ｋα線）検出用のライトル検出器を用いて、蛍光法により常温でＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光Ｘ線スペクトルを測定した。
【００２７】
図４に、時効処理時の保持時間を変化させた前記供試材のＸＡＦＳ測定で得られたＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光収量スペクトルのＸＡＮＥＳ部分を示す。図５に、前記ＸＡＮＥＳ部分の光子エネルギー８．９８ＫｅＶ付近を拡大したスペクトルを示す。図６に、規格化した蛍光収量の８．９８０ＫｅＶでの値を、前記時効処理条件に対してプロットした結果を示す。４５０℃での保持時間（時効処理時間）が長くなるほど、８．９８０ＫｅＶでの蛍光収量が大きくなっており、時効処理による硬さの上昇に対応していることがわかる。この硬さの上昇は、Ｃｕの析出に対応していると推定されるため、Ｃｕ含有量が４％と上昇しても、８．９８０ＫｅＶでの蛍光収量の増加、即ち蛍光Ｘ線スペクトルのピーク高さから、時効処理過程でのＣｕクラスターの生成または結晶構造を有するＣｕの析出、すなわち時効状態を評価することが可能であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
この発明は、今後増加すると予想されるＣｕ含有鋼材の時効処理後の硬さ上昇に伴う材質向上、即ち時効状態を非破壊で評価する方法として利用することができる。さらに、Ｃｕのほかに鋼中に微量添加されるＴｉやＶの状態分析や局所構造解析に利用できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態の、１．５％Ｃｕ鉄合金のＸＡＦＳ測定で得られたＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光Ｘ線スペクトルのＸＡＮＥＳ部分を示す説明図である。
【図２】図１のＸＡＮＥＳ部分の光子エネルギー８．９８ＫｅＶ付近を拡大した蛍光Ｘ線スペクトルを示す説明図である。
【図３】上記光子エネルギー８．９８ＫｅＶのピーク高さと時効処理後の硬さ上昇ΔＨｖとの関係を示す説明図である。
【図４】実施形態の、４％Ｃｕ含有鋼のＸＡＦＳ測定で得られたＣｕのＫ吸収端近傍の蛍光Ｘ線スペクトルのＸＡＮＥＳ部分を示す説明図である。
【図５】図４のＸＡＮＥＳ部分の光子エネルギー８．９８ＫｅＶ付近を拡大した蛍光Ｘ線スペクトルを示す説明図である。
【図６】図４および図５の光子エネルギー８．９８０ＫｅＶでのピーク高さ（規格化した蛍光収量）の時効処理条件に対する変化を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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