JPH0483852A - 高マンガン鋼材および該高マンガン鋼材の製造方法 - 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） 本発明は非磁性合金として低温下での使用に供するため
の高マンガン鋼材９例えば管材、棒材。

ばね材、その他の機械部品、なかんずく衝撃ないし引張
力が負荷される部材用として用いられる高マンガン鋼材
の靭性改善に関する。

（従来の技術および問題点） Ｍｎを２５％以上含有する高マンガン鋼は低温下ではオ
ーステナイト（Ｔ）とイプシロン・マルテンサイト（ε
）の二相組織からなり、強磁性的なりｃｃεマルテンサ
イトα′）への変態については極めて安定しているので
、非磁性合金とじて使用されていることは周知である。

また組織の安定性を減することなく、−層優れた強度と
靭性の組合せを得るため、Ｍｎの一部をＮｉやＣｒに置
き換えたものも開発されている。

然し、従来の低温下でオーステナイトおよびイプシロン
・マルテンサイト・−・・−・以下単にεマルテンサイ
トと称するー・−を含む幾種類かの高マンガン鋼は衝撃
または引張力の負荷に対し延性−脆性遷移が生じ、脆性
破断するおそれがあった。

低温用高マンガン鋼材は将来ますます需要の増大が見込
まれるが、上記低温脆化は機器の安全上見地から極めて
憂慮されるところであり、脆性破断のおそれのない、靭
性に冨む高マンガン鋼材の具現が強く希求されるところ
であった。

（発明の目的） 本発明はこの種の鋼材に存する上述の問題点を解消する
ためになされたもので、低温下での衝撃または引張力の
負荷に対して脆性破断のおそれのない、靭性に冨む低温
用高マンガン網材を提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明の要旨は、低温用高マンガン鋼材の基本成分をＭ
ｎ　　；　２２〜３３重量％、　Ａｌ　　；　０．５〜
３゜０重量％としたことにある。

（発明の作用） 本発明は、高マンガン鋼へＡｌを０．５〜３．０重量％
添加することによって、オーステナイトを低温下におい
ても安定化し、低温下での衝撃または引張力の負荷に対
して、オーステナイがεマルテンサイトへ変態すること
に起因した。延性−脆性遷移が生ずるのを抑制する作用
がある。

即ち、従来のＦｅ−２７Ｍｎ二元合金は、低温下ではオ
ーステナイトとＣマルテンサイトの二相となるが、衝撃
または引張力の負荷に遭遇すると、多（の場合、大きな
εマルテンサイトの結晶粒界添いに破断が生じているこ
とが観察される。また、前掲Ｃｒ添加材である例えば２
０Ｍｎ４Ｃｒ０．５Ｃ！Ｉの破断面も同様に粒間破面と
なる。従ってこれら破断面の観察からして、従来網材の
破断は脆性破断態様である。

発明者は従来鋼材に見られる上記脆性破断態様が以下の
理由から生じるものと判断した。！！ｐち。

準安定相と言われているオーステナイトも低温下ではオ
ーステナイト−εマルテンサイト変態を生ずるが、衝撃
または引張の負荷に遭遇すると、生成した大きなεマル
テンサイト・プレートの粒界への衝突に起因して結晶粒
界に応力集中が生じ、これがため、結晶粒界に延性−脆
性遷移をきたして脆性破断するものと判断した。

上記判断に基づき、低温下でもオーステナイを安定化す
る元素を求める多数の実験を重ねた結果、ＡＩの微量添
加でオーステナイトがεマルテンサイトに変態するのを
効果的に抑制することを見いだした。以下に開示する各
種確性実験によって、本発明の有効性を順次実証する。

〔供試体の作成〕

各種実験に用いた供試体は以下に示す過程を経て作成さ
れた。各供試体それぞれの含有化学成分を第１表に示す
。

各供試体ごとの材料は、それぞれアルゴン雰囲気中で誘
導熔解し、温度１５２３にで５時間にわたり保持して均
質化し、得られたインゴットを温度８７３にでほぼ７０
％圧延して厚さ７ｍｍの板状体に形成した０次いで当該
板状体をアルゴン雰囲気中で１時間にわたり温度１３７
４Ｋを維持して溶体化処理し、その後空冷して各供試体
Ｎ００１〜９とした。

〔実験１〕 本実験はＡＩを添加した高マンガン鋼が極低温状態下で
如何にオーステナイト−εマルテンサイト変態を抑制す
るかを確認する実験である。

各供試体それぞれを液体窒素を用いた温度７７にでの３
０分間のサブゼロ処理に付し、処理後の各供試体の組織
をＸ線回折針を用いて決定した。

組織中のεマルテンサイトの体積率については、（２０
０）　ｒと（１０１１）　　εのピークの積分強度比か
ら計算した。

実験結果をεマルテンサイトの体積率とＡ１含有量との
相関関係グラフとして第１図に示す０図における曲線Ｉ
はＦｅ−１７Ｍｎ系であり、また曲線■はＦｅ−２７Ｍ
ｎ系である。

同図から、１７Ｍｎの供試体Ｎ０９１〜５については、
ＡＩ添加のない供試体Ｎ００１で体積の８０％を占めて
いたεマルテンサイトは、ＡＩ添加量がほぼ０．６％で
半減し、２．０％の添加量で全く形成しなくなること、
また２７Ｍｎの供試体Ｎｏ、　６〜９では、Ａ１添加の
ない供試体Ｎ０２６で２０％を占めていたεマルテンサ
イトが、Ａｔをわずか０．５％添加しただけで完全に抑
制されていることが確認された。

当該実験によって、高マンガン鋼へのＡＩの微量添加が
低温状態下でのオーステナイトの安定化に顕著な効果を
もたらすことを実証した。

〔実験２〕 本実験はＡ１を添加した高マンガン鋼の各種温度下での
耐衝撃性を確認する実験である。

各供試体を圧延方向添いに切り出してハーフ・サイズの
■ノツチ・シャルピー試験片（１０ｘ５　ｘ５５ｍｍ）
を各複数作成し、各供試体ごとの試験片をサブゼロ処理
または加熱処理して７７に〜４７３Ｋまでの異なる温度
となし、当該各温度状態下でシャルピー衝撃試験に付し
た。衝撃試験には９８Ｊシヤルピ一衝撃試験機を使用し
た。

添加化学成分が典型的な供試体Ｎｏ、６．７．および９
から作成した試験片それぞれについての試験結果を、縦
軸に衝撃エネルギー、横軸に温度を取ったグラフ上にプ
ロットし、プロットした点を同一供試体ごとに結んで傾
面曲線を得た。これを第２図に示す。

同図から、二元合金（ＡＩ添加なし）の供試体Ｎ００６
が温度の低下とともに衝撃エネルギー値が順次低下する
のに反し、Ａ１を０．５％添加した供試体Ｎ００７はサ
ブゼロ処理してもＮｏ、６に比べて遥かに高い衝撃エネ
ルギー値を、またＡ１２．５％添加の供試体Ｎ００９は
極低温でも常温の場合から僅かな低下を示すにすぎない
ことが確認された。

上記結果は、Ａ１が低温下での耐衝撃性の低下防止に奏
功すること、換言すれば、オーステナイト−εマルテン
サイト変態を抑制し、かつ結晶粒界での脆性破壊がＡｌ
添加量の増加につれて注し難くなる傾向があることを示
した。

当該実験は高マンガン鋼へのＡＩの微量添加が低温靭性
の改良に極めて効果的であることを証すると同時に、靭
性改善に要するＡｌ添加量の上限をも示唆するものであ
った。

〔実験３〕 本実験は上掲実験２のシャルピー衝撃試験時に平行して
記録を採るようにして実施された。高マンガン鋼の破断
強度および延性を確認する実験である。

実験において、ストレーンゲージをシャルピー試験機の
ハンマに取りつけ、衝撃試験時の荷重−時間曲線を記録
した。前掲実験２同様に添加化学成分が典型的な供試体
Ｎｏ、６．７．および９についての実験結果を抽出して
第３図に示す０図におけるｐｙは降伏曲げ荷重、Ｐｃは
最大曲げ荷重。

またｔｃは変形開始から最大曲↓ヂ荷重までに要した時
間である０割れの開始がＰｃで観察されたので、Ｐｃお
よびｔｃがそれぞれ供試体の破断強度および延性を表す
。

同図から、二元合金供試体Ｎｏ、６では、変形開始から
早期段階で破断が開始することを示している。これに対
し、ＡＩ添加した供試体Ｎｏ、７および９では、降伏曲
げ荷ｉｉ　Ｐ　ｙは供試体Ｎｏ、６と殆ど同一であり、
かつ最大曲げ荷’ｐｉ　Ｐ　ｃはＮｏ、６に比べてそれ
ほど高い値を示しはしないものの、変形開始ｐｙから最
大曲げ荷’ｆｉ　Ｐ　ｃまでに要する時間ｔｃの長大化
が顕著である。

本実験により、高マンガン鋼へのＡＩの微量添加は低温
状態下での延性を飛耀的に増大することの証明が得られ
たした。

〔実験４〕 シャルピー衝撃試験によって破断した破断表面の観察実
験を行った。

実験は供試体Ｎｏ、６．　７および９について実施され
、破面を走査型電子顕微鏡により写真撮影した。これを
第４１ｆｆｌ（ａ）〜（Ｃ）の写真図として示す。

供試体Ｎｏ、６の破断面を示す（ａ）の破断近傍で大き
なεマルテンサイト結晶の生成が見られ、それが突き当
たった粒界では、破壊の起点となるボイドが形成されて
いる。ボイドとボイドの間は延性的に破断しているが、
破壊は粒界から始まるので。

粒界破壊の一種として、脆性破断に分類される。

ＡＩを０．５％添加した供試体Ｎｏ、７の破断面を示す
（ｂ）の破断近傍には、小量のεマルテンサイトが観察
されたものの、破面ば浅い微小（ぼみと階段状の峰から
なっており、延性破断に分類される。

ＡＩを２，５％添加した供試体Ｎｏ、９の破断表面を示
す写真図（Ｃ）にはεマルテンサイトが全く認められず
、延性破断態様を示している。

上記各実験の結果から、高マンガン鋼へのＡＩ添加はオ
ーステナイトを低温下でも安定化してオーステナイト−
εマルテンサイト変態を抑制し、これに伴い低温下での
衝撃や引張力の負荷に対しても脆性破壊を生ぜしめず、
従って低温脆化を効果的に防止可能なことが実証された
。

しかして本発明はＭｎ含有量を２２〜３３Ｍ量％とする
０強磁性的なりｃｃεマルテンサイトα′）への変態を
防止するため、最低限度２２％を確保する必要があり、
かつ３３％までの含有量で十分目的を達し得るからであ
る。またＡＩの含有量を０．５〜３．ＯＭ量％とする。

ＡＩはＭｎ含有量の増大に応じて減量可能ではあるが、
０．５％以下では効果を期待し得す、また実験例３がら
判断されるように、２．５％で低温脆化の抑制にほぼ完
全に奏功しているところから、３．０％以上の添加は無
意味であると同時に、他の機械的性質上から好ましくな
い。

上記実験例は本発明を二元合金との対比として述べてい
るが、本発明は少なくとも低温下でオーステナイト−ε
マルテンサイト変態が認められる非磁性高マンガン系ｗ
ｉ種に全て通用可能である。

即ち、従来のＭｎの一部をＮｉやＣｒに置き換えた高マ
ンガン網にも実施し得ることが他の実験結果から得られ
ている。

〔発明の効果〕

本発明の実施により低温用非硼性合金とじの高マンガン
鋼に存した低温脆化の欠点が完全に解消され、低温靭性
の優れた鋼材を得ることが出来る。

また、添加するＡ１は微量で甚大な効果をももたらすの
で、材料の低廉さと相俟って１ｗｉ材の製造原価の引き
下げに資することとなる。しかして当該鋼材を使用して
製造される部材製品は低温状態下でも衝撃または引張力
の負荷に対して脆性破断のおそれがないので、機器の安
全性確保に多大の貢献をすることとなり、本発明が奏す
る効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は７７にで処理後の各供試体におけるεマルテン
サイトの容積比率とＡＩ含有量の関係を同−Ｍｎ含有量
供試体の傾向曲線として示す線図、第２図は異なる温度
状態下でシャルピー衝撃試験に付した結果を同一成分供
試体ごとの傾向曲線として示す線図、第３図はシャルピ
ー衝撃試験時に得た荷重−時間関係曲線図、第４図（ａ
）〜（Ｃ）はそれぞれシャルピー衝撃試験で破断された
各供試体破断面の走査型電子顕微鏡写真図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｍｎ；２２〜３３重量％、Ａｌ；０．５〜３．０重量％
   を基本成分としたことを特徴とする低温用高マンガン鋼
   材。