(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３〜１．２％（質量％の意味、以下同じ）、Ｍｎ：０．１５〜２．０％を夫々含有する他、（１）Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）およびＣｕ：１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、（２）Ｓｉ：３．０％以下（０％を含まない）および／またはＡｌ：１．５％以下（０％を含まない）、（３）Ｔｉ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、を含有し、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０２％以下（０％を含む）に夫々抑制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、マルテンサイト組織を主体とし、且つロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）が４５〜６４、Ｘ線回折におけるα−Ｆｅ（２００）ピークの半価幅ＨＷα（２００）が下記（１）式を満足することを特徴とする靭性に優れた鋼材。
ＨＷα（２００）＞−０．９４＋３．９４×１０−２×ＨＲＣ      ……（１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輸送機械や建築構造物等の機械構造物に用いられる鋼材に関し、特にばねやボルトの素材に適した高強度で高靭性の鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、輸送機械や建築構造物等に使用される機械構造物用鋼材は、軽量化および長寿命化という目的から、より一層の高強度化が要求されている。こうした高強度化を達成することは、例えば自動車における燃費や排ガス低減が図れ、その結果として環境への負荷の低減が図れるのである。
【０００３】
上記の様な高強度機械構造用鋼材としては、焼入れ・焼戻し処理によって組織をマルテンサイト化した鋼（マルテンサイト鋼）が主に用いられており、その強度レベルはロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）で４５以上、好ましくはＨＲＣ５０以上が必要とされている。しかしながら、鋼材の高強度化を図ることは靭性の劣化を招くという弊害が生じることになる。こうしたことから、高強度化を図ると共に、遅れ破壊感受性や腐食疲労特性等の靭性をも良好にすることが現在の重要な課題とされている。
【０００４】
高強度と良好な靭性を兼ね備えた鋼材の開発を目指してこれまでにも様々な技術が提案されており、例えば特公昭６０−３０７３６号には、冷間成形コイルばねの靭性向上を目標として、高周波加熱焼入れによってマルテンサイト組織を微細化する技術が提案されている。但し、この技術では、急速加熱処理によってオーステナイト組織を微細化し、間接的にマルテンサイト組織を微細化するものであるので、靭性向上の程度も十分に満足できるものではなく、更なる高靭性化の技術の開発が望まれている。
【０００５】
また、特開平６−１１６６３７号には、成分組成としてＮｉを多量（８．０〜１１．０％程度）に含有させると共に、昇温中に剪断型逆変態オーステナイト相を生成させ、転位密度の高い未変態オーステナイトから焼入れることによって、マルテンサイト鋼の靭性を向上させる技術が提案されている。しかしながら、Ｎｉは積極的に多量添加するには高価な元素であるという欠点がある。
【０００６】
更に、特開平７−２２４３５５号には、マルテンサイト鋼に１回の伸線加工を施して鋼材表層に<１１０>集合組織を形成させることによって、マルテンサイト鋼の旧オーステナイト粒界における割れを防止して靭性を向上させる方法が開示されている。しかしながらこの技術は、ＰＣ(prestressed concrete)鋼棒に適用されることを想定してなされたものであるので、こうした用途で要求される特性が重視されており、またマルテンサイト鋼の強度を決定する添加Ｃ量も０．１〜０．４％と低く設定されており、ばねやボルト用鋼として適用するには強度および靭性ともに要求水準を満足するものではかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、ＨＲＣ４５以上の高強度が要求される構造部材として用いても十分な強度を有すると共に、靭性にも優れた鋼材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の鋼材とは、Ｃ：０．３〜１．２％、Ｍｎ：０．１５〜２．０％を夫々含有する他、（１）Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）およびＣｕ：１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、（２）Ｓｉ：３．０％以下（０％を含まない）および／またはＡｌ：１．５％以下（０％を含まない）、（３）Ｔｉ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、を含有し、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０２％以下（０％を含む）に夫々抑制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、マルテンサイト組織を主体とし、且つロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）が４５〜６４、Ｘ線回折におけるα−Ｆｅ（２００）ピークの半価幅ＨＷα（２００）が下記（１）式、望ましくは下記（２）式を満足する点に要旨を有するものである。
ＨＷα（２００）＞−０．９４＋３．９４×１０−２×ＨＲＣ      ……（１）
ＨＷα（２００）＞−０．９０＋３．９４×１０−２×ＨＲＣ      ……（２）
【００１０】
【発明の実施の形態】
マルテンサイト鋼の最高到達硬さは、炭素含有量によってほぼ決定されることが知られている。これは、マルテンサイト鋼の強度レベルを決定する各種強化機構の中で、Ｃの固溶強化と析出強化を含む時効再配列等による寄与が、格子欠陥による強化に比べて大きいからである。従って、マルテンサイト鋼の高強度化には、Ｃ含有量を増加させることや炭化物形成元素の添加等が有効となる。しかしながら、Ｃ含有量を増加させることにより高強度化を図った場合には、靭性の確保が非常に困難になる。
【００１１】
一方、強度と靭性を両立させる強化手段として、結晶粒の微細化を図ることが有効であることも良く知られている。しかしながら、現状のレベルよりも更に結晶粒微細化を図ることは、現在のところ非常に困難である。また、結晶粒微細化以外の強化機構については、靭性に及ぼす影響が明らかにされている訳ではない。
【００１２】
上記の様な状況の下で本発明者らは、結晶粒微細化以外の手段で鋼材の強度と靭性を両立させる強化機構について様々な角度から検討を重ねた。その結果、格子欠陥の導入による強化機構においては、靭性劣化への影響が非常に小さいことが判明した。そして、こうした知見に基づいて更に検討を重ねたところ、鋼材に多量の格子欠陥を導入して全強度に対する格子欠陥の寄与をできるだけ増大させてやれば、高強度と高靭性を兼ね備えた鋼材が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明で規定する各要件について説明する。
【００１３】
まず本発明の鋼材は、基本的にＣ：０．３〜１．２％、Ｍｎ：０．１５〜２．０％を夫々含有すると共に、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０２％以下（０％を含む）に夫々抑制したものであるが、これらの元素の範囲限定理由は下記の通りである。
【００１４】
Ｃ：０．３〜１．２％
本発明の鋼材に目標とする強度・靭性レベルを確保させるためには、Ｃは少なくとも０．３％含有させる必要がある。鋼材は、Ｃ含有量の増加に伴って高強度化が達成されることになる。また、Ｃ含有量を増加することによって、焼入れ後のマルテンサイト鋼中の欠陥密度が高くなるので、高欠陥密度による靭性向上を図る本発明においては、Ｃ含有量はできるだけ高い方が有利である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になって１．２％を超えると、焼割れが生じ易くなる。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．３％程度であり、好ましい上限は０．８％程度である。
【００１５】
Ｍｎ：０．１５〜２．０％
Ｍｎは、焼入れ性向上元素として添加されるが、その効果を発揮させるためには０．１５％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になると、冷間成形性や靭性の低下を招くので、上限を２．０％とする。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２％であり、好ましい上限は１．０％である。
【００１６】
Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含む）
ＰとＳが鋼材中に過度に存在すると、オーステナイト結晶粒界に偏析して粒界破壊を助長して靭性を低下させるので、できるだけ少ない方が良いが、いずれも０．０２％以下に抑制すればこうした不都合を回避することができる。尚、これらの元素は、いずれも０．０１％以下に抑制することが好ましい。
【００１７】
本発明の鋼材における基本的な化学成分組成は上記の通りであるが、その他、（１）Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）およびＣｕ：１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、（２）Ｓｉ：３．０％以下（０％を含まない）および／またはＡｌ：１．５％以下（０％を含まない）、（３）Ｔｉ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、等を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるものである。これらの元素の範囲限定理由は、下記の通りである。尚、これらの成分以外にも、本発明の鋼材には、その特性を阻害しない範囲の微量成分（例えば、Ｂ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｓｂ，Ｗ，希土類元素等）も含み得るものであり、こうした鋼材も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１８】
Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）およびＣｕ：１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素
Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｉおよびＣｕは、耐食性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰に含有させると焼入れ性が高くなり過ぎ、ボルト成形時等における冷間成形性を劣化させる。また、これらの元素は高価であるので、増量による特性向上とコスト増加との兼ね合いから、上限を夫々上記の様に設定した。尚、これらの元素による上記効果は、上記範囲内でその含有量を増加させるにつれて大きくなるが、上記効果を発揮させる為には、いずれも０．１％以上含有させることが好ましい。
【００１９】
Ｓｉ：３．０％以下（０％を含まない）および／またはＡｌ：１．５％以下（０％を含まない）
ＳｉおよびＡｌは、ばね鋼として要求される耐へたり性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰に含有させると熱処理時の脱炭や鋳造時の凝固割れ等の問題が起こるので、上限を夫々上記の様に設定した。尚、上記の様な効果を有効に発揮させるためには、Ｓｉで０．５％以上、Ａｌで０．２％以上含有させることが好ましい。
【００２０】
Ｔｉ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素
Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒは、微量の添加で微細析出物を形成し、析出強化をもたらすと共に、鋼材組織の粗大化抑制および微細化等に寄与し、靭性を向上させるのに有効な元素である。これらの効果は、その含有量が増加するにつれて大きくなるが、過剰に含有させると析出物が粗大化し加工性が悪くなるので、上限を夫々上記の様に設定した。尚、上記の様な効果を有効に発揮させるためには、いずれも０．０５％以上含有させることが好ましい。
【００２１】
本発明の鋼材は、前述の如くマルテンサイト組織を主体とするものである。焼入れ後や焼戻し後の組織には、未変態のオーステナイト（残留オーステナイト）を含む場合があるが、本発明におけるマルテンサイト組織とは、焼入れ・焼戻し後の残留オーステナイトを除く組織を指す。また、「マルテンサイト組織を主体とする」とは、マルテンサイト組織が９０体積％程度以上であることを意味し、この体積割合は例えばＸ線回折法によって求められる残留オーステナイト量から計算することができる。この様に、マルテンサイト組織を主体とする組織とすることによって、前記Ｃ含有量と相俟って、鋼材の強度をロックウェルＣ硬さＨＲＣで４５〜６４とすることができる。
【００２２】
但し、上記の要件（化学成分および組織）を満足するだけでは、本発明で目的とする高靭性を達成することができない。本発明では格子欠陥密度の評価パラメータの一つであるＸ線回折におけるα−Ｆｅ（２００）ピークの半価幅ＨＷα(200)を用いて、本発明の意図する高靭性を達成する為の指標となる格子欠陥密度を限定したのである。
【００２３】
即ち、本発明においては、マルテンサイトのα−Ｆｅ（２００）ピークの半価幅ＨＷα(200)が、上記ＨＲＣとの関係で上記（１）式［好ましくは上記（２）式］を満足すれば、本発明で意図する優れた高靭性が発揮されるためである。尚、前記半価幅ＨＷα(200)は、湿式切断した鋼材の圧延方向横断面に切断加工歪み影響部を除去するのための湿式研磨や電界研磨を施して測定面とし、Ｘ線回折法によって求められるものである。
【００２４】
上記の様な要件を満足する本発明のマルテンサイト鋼は、高強度および高靭性の両特性を具備したものとなり、高強度ばねや高強度ボルトの素材として好適である。この様なマルテンサイト鋼を製造するに当たっては、鋼材中の欠陥密度を高めるという観点から、例えば後記実施例の製造パターンＡの条件に示す如く、マルテンサイト鋼の製造プロセスである焼入れ・焼戻し処理において、焼入れ後および焼戻し後の夫々において、総減面率が２０％以上となる様な冷間加工を１回以上施せば良い。
【００２５】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２６】
【実施例】
下記表１に示す化学成分組成を有する各種鋼材（Ｎｏ．１〜１８）を、溶製、形状加工し、直径：１８ｍｍの棒材を得た。
【００２７】
【表１】
0003749656.tif 000002
【００２８】
次に、下記表２に示す３つの製造パターンＡ〜Ｃによって、マルテンサイト鋼を作製した。この製造プロセスは、▲１▼焼入れ処理、▲２▼中間加工処理、▲３▼焼戻し処理、▲４▼後加工処理および▲５▼ブルーイング処理の５つの処理工程からなり、下記表２には各工程の処理条件範囲を示してある（但し、「−」は処理無しであることを意味する）。
【００２９】
【表２】
0003749656.tif 000003
【００３０】
焼入れ処理については、後の冷間加工時の加工性を確保する為に昇温速度および処理時間を制御し、加熱温度はＡｃ3〜Ａｃ3＋２００℃とした。但し、製造パターンＡについては、高いレベルでの特性実現の為に、製造パターンＢ，Ｃと比べて各焼入れ処理条件を更に制限した。また、焼入れ時の冷却については、冷却速度が臨界冷却速度以上となる様に水冷で行なった。
【００３１】
焼入れ後、製造パターンＡ，Ｂでは、中間加工処理として室温にて伸線加工を行なった。この伸線加工は、前述の如く、鋼中の欠陥密度を高める目的で行なうものであり、内部まで加工される様に、総減面率が２０％以上となる様に行なった。これに対して、製造パターンＣでは、中間加工は行なわなかった。尚、この実施例では、加工方法として伸線を選択したけれども、欠陥密度を高めるための手段としての加工方法はこれに限定されるものではなく、例えば圧延、転造、ショットピーニング等、その他の方法も採用することができる。
【００３２】
焼戻し処理については、必要な強度レベルに調整する様に条件を設定した。焼戻し処理時に欠陥密度は回復によって減少するので、鋼材における最終的な欠陥密度を高める為には、できるだけ（ａ）昇温速度を大きく、（ｂ）加熱温度を低く、（ｃ）処理時間を短くした方が良い。こうした観点から、上記製造パターンＡ〜Ｃのいずれにおいても、３０℃／ｓｅｃ以上という比較的大きな昇温速度にしているが、特に製造パターンＡでは条件を更に制限し、昇温速度を１００℃／ｓｅｃ以上とした。
【００３３】
焼戻し後、製造パターンＡ，Ｃでは、後加工処理として室温で伸線加工を施した。この後加工処理では、前述した中間加工処理と同様、鋼材中の欠陥密度を高める為に行なうものであり、内部まで加工される様に、総減面率が２０％以上となる様に行なった。この後加工処理においても、前記中間加工処理と同様に、圧延その他の方法を採用することができる。
【００３４】
後加工した後は、いくつかの試料においては、更に強度を高めることを目的としてブルーイング処理を行なった。加工した鋼材に熱処理を施すと、固溶Ｃが再配列することによって、強度が上昇する。ブルーイング処理は、処理中に欠陥密度が低下し過ぎない様に、比較的低温の３００℃×１０分とした（製造パターンＡ，Ｃ）。
【００３５】
尚、各熱処理時の温度は、試料作成工程において、試料表面に熱電対を溶接して表面温度を測定し、測定温度から昇温速度を算出した。
【００３６】
焼戻し、後加工およびブルーイング後の鋼材の強度評価として、ロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）を求めた。このとき、圧延方向横断面を測定面とする為に、湿式切断、♯８０および♯１５０のエミリー紙を用いて湿式研磨後、Ｄ／４（Ｄ：直径）位置の硬さを４点測定し、その平均値を求めた。
【００３７】
また、靭性評価特性値として、４点曲げ−陰極チャージ試験における破断寿命を採用した。例えば、ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ，１１（１９９８），４９５において、４点曲げ−陰極チャージ試験の破断寿命が、破断靭性値ＫICと良い相関を得ることが報告されており、本発明においてもこうした試験方法を靭性評価の試験方法として採用した。本発明で採用したこの試験方法の概要は、下記の通りである。
【００３８】
［４点曲げ−陰極チャージ試験］
まず、焼戻し後の試料から、放電処理によって長さ：６０ｍｍ，幅：１５ｍｍ，厚さ：１．５ｍｍの板状試験片を切り出し、図１に示す治具によって曲げ応力１４００ＭＰａで４点にて拘束した。そして、この拘束した試験片を装着した治具を、０．５ｍｏｌ／ｌ硫酸および０．０１ｍｏｌ／ｌのＫＳＣＮの混合液に浸し、陽極に白金電極を用いて、陰極電位−７００ｍＶを付加することで、試験片に電気化学的に水素を供給した。電位付与後、曲げ応力を与えた試験片が破断するまでの時間で測定した。そして、寿命が１０００ｓｅｃを超えるものが、実用に適する靭性を有することから、寿命が１０００ｓｅｃを合否の判断基準とした。
【００３９】
また、鋼材中の欠陥密度の評価基準となる前記半価幅ＨＷα(200)は、下記の手順によって求めた。
【００４０】
［半価幅ＨＷα(200)の測定条件］
ターゲットとしてＣｏを用い、モノクロメータによりＣｏ−Ｋαに単色化した。また、配向の異方性を除くため試料に回転と振動をかけながら測定を行なった。測定条件は、ターゲット電圧：４０ｋＶ，ターゲット電流：２００ｍＡ，発散スリット：１°，受光スリット：０．１５ｍｍ，モノクロメータ受光スリット：０．６ｍｍ，サンプリング幅：０．０２０°，走査速度：０．０８０°／ｍｉｎ，測定範囲：７４．５〜８１．０°として、α−Ｆｅ（２００）ピークデータを測定し、半価幅ＨＷα(200)を算出した。
【００４１】
前記表１に示した鋼材を、表２に示した製造パターンで製造した試料における特性を測定した結果を、詳細な製造条件と共に下記表３に示す。尚、下記表３における記号は、例えば表１の鋼材１を表２の製造パターンＡで製造したときには、「１−Ａ」と表記してある。また、下記表３における「１７−Ａ」のものは、焼入れ後の脱炭が許容外のものであり、また１８−Ａは中間加工処理の際に断線が生じたものであるので、いずれもその後の評価は行なわなかった。
【００４２】
【表３】
0003749656.tif 000004
【００４３】
表３の結果に基づき、ＨＲＣとＸ線半価幅ＨＷα(200)の関係を図２に示す。製造パターンＡで作製した試料では、製造パターンＢ，Ｃで作成した試料に比べてＸ線半価幅ＨＷα(200)が大きくなっており、このＸ線半価幅ＨＷα(200)はＨＲＣとの間で前記（１）式の関係を満足していることが分かる。
【００４４】
図３に、４点曲げ−陰極チャージ試験の結果を示す。Ｘ線回折の結果から、本発明で規定する成分を満足し、半価幅ＨＷα(200)とＨＲＣが前記（１）式の間系を満足するものでは、いずれも寿命が１０００ｓｅｃを上回っており、良好な靭性が発揮されていた。更に、前記（２）式を満足するものでは、いずれも１２００ｓｅｃを上回る優れた靭性を示していた。しかしながら、化学成分組成が本発明で規定する範囲を外れている鋼材Ｎｏ．１４〜１６を用いたものでは、製造パターンＡで製造し、且つ半価幅ＨＷα(200)が前記（１）式の関係を満足していても、靭性が低下しており、本発明の効果が発揮されていないことがわかる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、ばねやボルトの素材として十分な強度を有すると共に、靭性にも優れたマルテンサイト鋼材が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】４点曲げ−陰極チャージ試験で用いた治具を示す概略説明図である。
【図２】ＨＲＣとＸ線半価幅ＨＷα(200)の関係を示すグラフである。
【図３】４点曲げ−陰極チャージ試験の結果を示すグラフである。
【図１】
0003749656.tif 000005
【図２】
0003749656.tif 000006
【図３】
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