JPH0524201B2

JPH0524201B2 -

Info

Publication number: JPH0524201B2
Application number: JP11565483A
Authority: JP
Inventors: Terutaka Tsumura; Yasuo Ootani
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-06-27
Filing date: 1983-06-27
Publication date: 1993-04-07
Also published as: JPS609825A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、例えば極寒冷地等のような低温環
境で使用される大型構造物素材として好適な強靭
鋼を、高価な合金元素や格別な設備を要すること
なく低コストで製造する方法に関するものであ
る。近年、我々を取り巻く各種産業の進展ぶりには
目を見張るものがあり、これにともなつて地下資
源の開発、或いは海洋資源の開発・育成等、様々
な資源開発活動も益々活発化の度合を深めて来て
いる。そして、これらの活動を支えるものとして、
種々の分野に使用されている鋼材構造物の進歩・
発展を見逃すことができないが、開発活動の高能
率化や、自然条件の苛酷な未開発地での活動の必
要性から鋼材構造物は一層巨大化する傾向を見せ
はじめてきており、同時に極寒冷地等の厳しい環
境での使用も余儀無くされるようになつてきた。ところで、鋼は、一般に、低温になると靭性の
急激な劣化を来たすという低温脆化現象を呈する
ことが知られており、このようなことから、極寒
冷地で使用する大型構造物用鋼材には、高い強度
を備えていることはもちろんのこと、極寒におい
ても優れた靭性を示すものが強く要望されていた
のである。従来、このような要望に応えるための鋼の強靭
化は、Ni鋼を基本成分鋼として選び、これに熱
処理を施すことによつて微細焼戻しマルテンサイ
ト組織と焼戻し時に析出する微細な逆変態オース
テナイトを生成せしめるか、或いは微細焼戻しマ
ルテンサイトと微細焼戻しベイナイトとの混合組
織並びに微細な逆変態オーステナイトを生成せし
めるかして達成されるのが普通であつた。しかしながら、このようにして得られる強靭鋼
はNiの多量添加を欠くことができず、従つて鋼
材コストの大幅上昇を免れることがづきないとい
う極めて不利な問題を抱えていたのである。そこで、本発明者等は、先に、「Ni等の高価な
元素を多量に含有することのない鋼であつても、
オーステナイト状態からの冷却条件を特定のもの
に制限すると、高強度と優れた靭性とを同時に示
すようになる」との知見に基づいた強靭鋼の製造
方法を特開昭57−89424号として提案し、低価格
で、しかも優れた特性を備えた強靭鋼を提供して
来たが、この特開昭57−89424号として提案され
た方法にも、「鋼の成分毎にその冷却条件を変更
しなければならないので、製造作業が幾分煩わし
い」との声が聞かれていたのである。本発明者等は、上述のような観点から、Ni元
素の添加が無い安価な成分の鋼を素材とし、しか
も煩わしい作業を要することもなく、極寒冷地等
で使用する大型構造物等として十分に適用が可能
な強靭鋼を、簡単容易に、かつ低コストで製造す
る方法を見出すべく研究を行つた結果、以下(a)〜
(d)に示す如き知見を得るに至つたのである。即
ち、 (a) 従来のように、Ni鋼を基本成分鋼として選
び、更にその焼戻し時に析出してくる微細な逆
変態オーステナイトを利用しなくても、鋼の組
織を極微細な焼戻しマルテンサイト組織、或い
は極微細な焼戻しマルテンサイトと焼戻し低温
ベイナイトとの混合組織とするだけで、極寒冷
地における大型構造物素材鋼として十分に満足
し得る適度の強度及び靭性を具備した鋼材が得
られること、 (b) 一般に、鋼の結晶粒微細化のためには誘導加
熱法等の急速加熱手段を用いて焼入れを行うと
有効であることが知られているが、特定量のＣ
成分と、特定量のNb及びTi成分の１種以上と
を同時に含有する鋼においては、電気炉加熱の
ような１℃／sec以下程度のゆつくりした加熱
速度で加熱しても、Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕
の温度に加熱後焼入れる処理を少なくとも２回
以上繰返すと、焼入れによつて細粒のマルテン
サイト組織、又はマルテンサイトと低温ベイナ
イトとの微細混合組織が得られ、しかも形成さ
れるTi（Ｃ、Ｎ）或いはNb（Ｃ、Ｎ）が、次の
焼入れ時の加熱の際、オーステナイトへの変態
直前の高温になるまでマルテンサイト又はベイ
ナイトのラス（lath）を崩さず、転位の減少を
防止することとなるので、オーステナイトが、
旧マルテンサイト粒界のほかにラス境界からも
生成されて微細組織となり、焼入れによつて一
層微細な低温変態組織（マルテンサイト、低温
ベイナイト）を生ずる。そして更に、Nb及び
Tiがオーステナイト結晶粒の粗大化を防ぐた
め、加熱温度が少々高くなつても格別な支障を
来たすことがなく、安定な操業を行うことがで
きる。従つて、これをAc₁点以下の温度で焼戻
しすれば、極めて微細な焼戻しマルテンサイト
組織、或いは極微細な、焼戻しマルテンサイト
と焼戻し低温ベイナイトとの混合組織が得られ
ること、 (c) ｍを２個以上の整数として（ｍ−１）回目の
焼入れ処理の後、ｍ回目の焼入れに際しての加
熱の前に、置き割れ等を防止するための焼戻し
処理（以下、ラフテンバーと称す）を行うと、
熱処理作業性が極めて容易になること、 (d) 鋼中に、更にCu、Cr、Ｖ、Mo及びＷの１種
以上を添加含有せしめると鋼の強度等が一層向
上し、また、Ca及び稀土類元素の１種以上を
添加含有させると鋼中の介在物が球状化される
とともに鋼の清浄化がなされて靭性の改善を
見、そして微量のＢを添加含有せしめると鋼の
強度及び靭性が一層改善されること。この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、Ｃ：0.15〜0.45％（以下、％は重量割合とす
る）、 Si：0.05〜0.10％、Mn：0.3〜2.0％、 Al：0.01〜0.10％、 Nb及びTiの１種又は２種：0.005〜0.150％、を含有し、必要により更に、第１区分… Cu：0.05〜0.50％、 Cr：0.05〜2.00％、Ｖ：0.01〜0.15％、 Mo及びＷの１種又は２種： Mo＋1/2Ｗで0.05〜1.20％、第２区分… Ca：0.001〜0.050％、希土類元素：0.001〜0.050％、第３区分… Ｂ：0.0005〜0.0050％、のうちの１種以上をも含むとともに、 Fe及び不可避不純物：残り、から成り、かつ不純物中のＰ及びＳの含有量がそ
れぞれ、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.015％以下、である鋼を熱間圧延した後、Ac₃点〜〔Ac₃点＋
200℃〕の温度域に加熱してオーステナイト状態
から焼入れし、続いて、Ac₃点〜〔Ac₃点＋200
℃〕の温度域に加熱後焼入れする処理を更に１回
以上繰返して行うか、或いはAc₁点以下の温度で
の焼戻し（ラフテンバー）と、Ac₃点〜〔Ac₃点
＋200℃〕の温度域に加熱後焼入れする処理とを
この順序で１回以上繰返して行い、その後再度
Ac₁点以下の温度で焼戻し処理を行うことによ
り、高強度と、極寒冷地等のような低温環境にお
いても優れた靭性を示す強靭鋼を得る点に特徴を
有するものである。なお、この発明の方法において、２回目以降の
ｎ回目の焼入れに際するオーステナイト化加熱温
度は、（ｎ−１）回目の焼入れの際のオーステナ
イト化加熱温度未満であるのが好ましく、このよ
うにすることによつて鋼の組織は一層細粒で、か
つ整粒となり、靭性がより改善されることとな
る。また、置き割れ等を防止するためのラフテンパ
ーを実施する際に、該ラフテンパーの条件を A₁＝Ｔ（A₂＋logt）〔但し、Ｔ：ラフテンパー温度（〓）ｔ：ラフテンパー温度での保持時間（hr）、 A₂＝22−４×Ｃ（％）−10×Nb（％）−10×Ti
（％）〕なる式で計算されるA₁が A₁19.0×10³ を満足するように設定するのが好ましく、このよ
うにすることによつてラフテンパーによるマルテ
ンサイトラスや低温ベイナイトラスの崩れが小さ
く抑えられ、ｍ回目の焼入れで（ｍ−１）回目よ
りも微細な組織を得ることができるのである。更に、第１回目の焼入れにおける加熱を通常の
電気炉加熱のようにゆつくりとした加熱速度で行
つた後焼入れし、次に急速加熱処理して焼入れを
行えば、より一層の細粒化組織を達成できて、靭
性改善効果が著しくなることはもちろんのことで
ある。次に、この発明の強靭鋼の製造方法において、
鋼の化学成分組成、及び熱処理条件を前記のよう
に限定した理由を説明する。Ａ鋼の化学成分組成ＣＣ成分は、鋼の焼入れ性増加、強度増加に
加えて、細粒化のためには欠くことのできな
いものであるが、その含有量が0.15％未満で
は、ゆつくりとした加熱速度の場合に２回以
上の繰返し焼入れ処理を行つても所望の細粒
化が達成できず、また強度低下及び焼入れ性
劣化を来たすこととなり、一方0.45％を越え
て含有させると靭性劣化を招くようになるこ
とから、Ｃ含有量は0.15〜0.45％と定めた。 Si Si成分は、鋼の脱酸剤として有効なもので
あるほか、強度及び焼入れ性を高める作用を
有するものであるが、その含有量が0.05％未
満では前記作用に所望の効果を得ることがで
きず、他方1.00％を越えて含有されると靭性
を劣化するようになるので、Si含有量を0.05
〜1.00％と定めた。 Mn Mn成分には、焼入れ性改善作用、強度及
び靭性向上作用、及び鋼の脱酸作用がある
が、その含有量が0.3％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、他方2.0％を越えて
含有されると逆に靭性の劣化を招くこととな
るので、Mn含有量を0.3〜2.0％と定めた。 Al Al成分は、鋼の脱酸の安定化、均質化及
び細粒化を図るために添加するものである
が、その含有量が0.01％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、他方0.10％を越えて
含有させると脱酸効果は飽和してしまい、ま
た介在物増大による疵の発生や靭性の劣化を
も招くことから、Al含有量を0.01〜0.10％と
定めた。 Nb、及びTi Nb及びTi成分には、鋼の強度増加作用、
焼戻し軟化抵抗の増大作用に加えて、組織を
細粒化するという均等な作用があるが、これ
らの元素の１種又は２種の合計含有量が
0.005％未満では、特にゆつくりとした加熱
速度の場合、２回以上の繰返し焼入れ処理を
行つても所望の細粒化が達成できず、他方に
これらの元素の１種又は２種の合計含有量が
0.150％を越えると前記作用にそれ以上の向
上効果が得られないばかりでなく、靭性劣化
をも来たすようになるので、Nb及びTiの１
種又は２種の含有量を0.005〜0.150％と定め
た。Ｐ、及びＳＰ及びＳ分は、鋼の靭性向上のためには可
及的に少ない方が好ましいものであるが、鋼
の製造コストを考慮してＰの上限を0.025％、
Ｓの上限を0.015％とそれぞれ定めた。 Cu、Cr、Ｖ、Mo及びＷこれらの成分には鋼の強度を向上する作用
があるので、必要に応じて１種以上を添加含
有せしめるものであるが、以下、個々の元素
についてその詳細な特性及び含有量限定理由
を説明する。 (i) Cu Cu成分は、鋼の靭性をそれ程阻害する
ことなく強度上昇をもたらす好ましい元素
であるが、その含有量が0.05％未満では所
望の効果を得ることができず、他方0.50％
を越えて含有させると熱間加工性の劣化を
招くようになることから、Cu含有量を0.05
〜0.50％と定めた。 (ii) Cr Cr成分には、鋼の焼入れ性、強度、及
び焼戻し軟化抵抗を増大させる作用がある
が、その含有量が0.05％未満では前記作用
に所望の効果を得ることができず、他方
2.00％を越えて含有させると靭性の劣化を
招くことから、Cr含有量を0.05〜2.00％と
定めた。 (iii) Mo、及びＷ Mo及びＷ成分には、いずれも焼入れ性
及び強度を上昇させ、焼戻し軟化抵抗を増
大するという均等な作用があるが、Ｗは
Moに対して原子量が約２倍であり効果の
点では、Mo含有量がＷの半分で丁度均等
となるものである。そして、Mo＋1/2Ｗ
の値が0.05％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、Mo＋1/2Ｗで1.20％を越え
てMo及びＷの１種以上を含有させても強
度上昇効果が飽和してしまう上、かえつて
靭性の劣化を招くようになることから、
Mo及びＷの１種又は２種以上の含有量を
Mo＋1/2Ｗで0.05〜1.20％と定めた。 (iv) ＶＶ成分には、鋼の強度を上昇するととも
に、焼戻し軟化抵抗を増大する作用を有す
るものであるが、その含有量が0.01％未満
では前記作用に所望の効果を得ることがで
きず、他方、0.15％を越えて含有させると
靭性の劣化を招くようになることから、Ｖ
含有量を0.01〜0.15％と定めた。 Ca、及び稀土類元素これらの成分には、いずれも鋼中の介在物
を球状化するとともに鋼を清浄化して、圧延
方向と直角をなす方向における靭性を改善し
鋼の異方性を小さくする作用があるので、必
要に応じて１種以上の添加含有せしめらるも
のであるが、いずれも0.001％未満の含有量
では前記作用に所望の効果を得ることができ
ず、他方、いずれも0.050％を越えて含有せ
しめると前記靭性改善効果が飽和してしまう
のみならず、酸化物等の非金属介在物が増大
して鋼の清浄性が低下するので、それぞれの
含有量をともに0.001〜0.050％と定めた。な
お、稀土類元素はミツシユメタルの形で添加
することが実用上好ましい手段である。ＢＢ成分には、鋼の焼入れ性を向上させて強
度及び靭性を改善する作用があるので、必要
に応じて添加含有せしめられる元素である
が、その含有量が0.0005％未満では前記作用
に所望の効果を得ることができず、他方
0.0050％を越えて含有させてもそれ以上の向
上効果がもたらされないことから、Ｂ含有量
を0.0005〜0.0050％と定めた。なお、Ｂ処理を行つた鋼の場合には、鋼中
のＮ含有量（％）が〔2.5×Ｂ（％）−1.5×
10^-3〕以下であるとAc₁点以下での焼戻し時
には粗大なボロカーバイドが析出して所望の
高靭性を有する鋼を得ることができなくなる
恐れがあり、更にＮ含有量（％）が〔３×Ｂ
（％）−1.2×10^-2〕以上であるとＢの焼入れ
性向上作用が十分に発揮されず、強度及び靭
性が劣化する恐れがでてくることから、 2.5×Ｂ（％）−1.5×10^-3＜Ｎ（％）＜３×Ｂ（％）−1.2×10^-2 なる制限を設けることが望ましい。また、この場合に、鋼が0.005％以上のTi
を含んでいないならば、焼入れ加熱温度を
1075℃以上にすることが望ましい。Ｂ熱処理条件この発明の方法は、以上のように構成された
鋼を溶製し、通常の方法にて厚板、形鋼、鋼管
等に圧延加工した後、特定の熱処理を施すもの
であるが、その熱処理条件は次の通りである。焼入れ条件焼入れは、まず熱間圧延材をAc₃点〜
〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱して組織を
完全にオーステナイト化した後、適当な冷却
媒体によつて焼入れし、低温変態組織とする
操作を２回以上繰返すものであるが、その際
の加熱温度がAc₃点未満であると当然のこと
ながらオーステナイト化が達成できず、一方
〔Ac₃点＋200℃〕を越えて加熱するとオース
テナイト結晶粒が粗大化してしまつて、本発
明処理によつても所望の微細組織を得ること
ができなくなる。更に、加熱温度を〔Ac₃点
＋200℃〕以下にすることは、オーステナイ
ト粒の粗大化を抑えるので焼入れ時の焼割れ
感受性を低減するという２次的効果をも生ず
ることとなる。以上のように、焼入れ時の加熱温度をこの
ように限定することにより、電気炉加熱のよ
うなゆつくりとした加熱速度であつても、加
熱焼入れを２回以上繰返すことで極微細な低
温変態組織を実現することができ、靭性を大
幅に向上し得るのである。なお、前にも述べたように、２回目以後の
焼入れ時の加熱は、前回のそれよりも低くす
ることが好ましく、これによつて一層の細粒
かつ整粒組織が実現され、鋼材性能を向上す
ることができる。焼戻し条件上述のような焼入れ処理によつて得た微細
組織を、最終的にAc₁点以下の温度で焼戻し
処理すれば、鋼に所望の強度と靭性とが付与
されるのである。この場合、焼戻し温度がAc₁点を越えると
鋼材強度が大幅に変動し靭性も劣化すること
から、該温度をAc₁点以下と定めた。なお、ラフテンパーの温度は、先にも述べ
たように、 A₁＝Ｔ（A₂＋logt）〔但し、Ｔ：ラフテンパー温度（〓）ｔ：ラフテンパー温度での保持時間（hr）、 A₂＝22−４×Ｃ（％）−10×Nb（％）−10×Ti
（％）〕なる式で計算されるA₁が A₁19.0×10³ を満足するように設定するのが好ましい。次に、この発明の実施例により比較例と対比し
ながら具体的に説明する。実施例１まず、通常の方法によつて第１表に示す如き成
分組成の鋼１〜62を溶製した。次にこれらを熱間圧延した後、第２表に示され
ている条件にて焼入れ・焼戻し処理を行つた。得られた鋼板について、降伏点、引張強さ、及
びシヤルピー破面遷移温度を測定し、その結果も
第２表に併せて示した。第２表に示される結果からも、鋼の成分組成及
び熱処理条件が本発明の範囲内にあるものは強度
及び靭性が優れていとともに、そのバランスが良
好であるのに対して、鋼の成分組成、或いは熱処
理条件が本発明の範囲から外れている比較鋼で
は、上記特性に劣つていることが明白である。実施例２前記第１表中の本発明対象鋼である鋼45及び46
を、第３表に示す条件にて焼入れ・焼戻し処理し
た後、その強度及び靭性を測定した。このようにして得られた結果を、第３表に併せ
て示した。なお、第３表において「比較法」とは
※印を付した点で本発明の熱処理条件を満足しな

【表】

【表】 (注) ＊印は、本発明の条件を外れていることを示す
。

【表】いものである。第３表に示される結果からも、本発明の方法に
よれば、強度及び靭性のバランスが極めて優れた
鋼材を得られることが明らかである。これに対し
て、熱処理条件が本発明の範囲から外れると靭性
の劣つた鋼材しか得られないことも明白である。実施例３前記第１表中の本発明対象鋼である鋼45を使用
し、第４表中に示される条件で焼入れ処理をし、
そのオーステナイト粒度番号（ATSMNo.）を測
定した。得られた結果も第４表に併せて示した。第４表に示される結果からも、本発明方法にお
けるように、焼入れを２回以上繰返すことによつ
てはじめて極めて微細な鋼材組織が達成でき、優
れた靭性を有する鋼材が得られることがわかる。実施例４前記第１表中の本発明対象鋼である鋼23を第５
表に示す条件にて、途中にラフテンパー処理をは
さんで焼入れ焼戻し処理し、強度及び靭性を測

【表】定した。得られた結果も、第５表に併せて示し
た。第５表に示される結果からは、各焼入れ処理の
間に、置き割れ防止等の意味でラフテンパー処理
を施しても強度及び靭性の優れた鋼材が得られる
ことが明白であり、また、この際のラフテンパー
条件を、 A₁19.0×10³ にすると、強度・靭性バランスの一層優れた鋼材
となることもわかる。上述のように、この発明によれば、Ni等の高
価な元素を添加することなく、しかも格別な設備
や煩わしい作業を要することもなく、極寒冷地等
で使用する大型構造物等に好適な強靭鋼を、簡単
容易に、かつ低コストで製造できるなど、工業上
有用な効果がもたらされるのである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量割合で、Ｃ：0.15〜0.45％、Si：0.05〜1.00％、 Mn：0.3〜2.0％、Al：0.01〜0.10％、 Nb及びTiの１種又は２種：0.005〜0.150％、を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る組
成を有し、かつ不可避不純物中のＰ及びＳの含有
量がそれぞれ、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.015％以下、である鋼を、熱間圧延した後、 Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱して
オーステナイト状態から焼入れし、続いて、Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に
加熱後焼入れする処理を更に１回以上繰返して行
ない、その後Ac₁点以下の温度で焼戻し処理を行うこ
と、を特徴とする強靭鋼の製造方法。２重量割合で、Ｃ：0.15〜0.45％、Si：0.05〜1.00％、 Mn：0.3〜2.0％、Al：0.01〜0.10％、 Nb及びTiの１種又は２種：0.005〜0.150％、を含有し、更に、 Cu：0.05〜0.50％、Cr：0.05〜2.00％、Ｖ：0.01〜0.15％、 Mo及びＷの１種又は２種：Mo＋1/2Ｗで0.05
〜1.20％、 Ca：0.001〜0.050％、希土類元素：0.001〜0.050％、Ｂ：0.0005〜0.0050％、から成る群のうちの１種以上を含有し、残りが
Feと不可避不純物から成る組成を有し、かつ不
可避不純物中のＰ及びＳの含有量がそれぞれ、Ｐ：0.025％、Ｓ：0.015％、である鋼を、熱間圧延した後、 Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱して
オーステナイト状態から焼入れし、続いて、Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に
加熱後焼入れする処理を更に１回以上繰返して行
ない、その後Ac₁点以下の温度で焼戻し処理を行うこ
と、を特徴とする強靭鋼の製造方法。３重量割合で、Ｃ：0.15〜0.45％、Si：0.05〜1.00％、 Mn：0.3〜2.0％、Al：0.01〜0.10％、 Nb及びTiの１種又は２種：0.005〜0.150％、を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る組
成を有し、かつ不可避不純物中のＰ及びＳの含有
量がそれぞれ、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.015％以下、である鋼を、熱間圧延した後、 Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱して
オーステナイト状態から焼入れし、続いて、Ac₁点以下の温度での焼戻しと、Ac₃
点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱後焼入れ
する処理とをこの順序で１回以上繰返して行い、その後再度Ac₁点以下の温度で焼戻し処理を行
うこと、を特徴とする強靭鋼の製造方法。４重量割合で、Ｃ：0.15〜0.45％、Si：0.05〜1.00％、 Mn：0.3〜2.0％、Al：0.01〜0.10％、 Nb及びTiの１種又は２種：0.005〜0.150％、を含有し、更に、 Cu：0.05〜0.50％、Cr：0.05〜2.00％、Ｖ：0.01〜0.15％、 Mo及びＷの１種又は２種：Mo＋1/2Ｗで0.05
〜1.20％、 Ca：0.001〜0.050％、希土類元素：0.001〜0.050％、Ｂ：0.0005〜0.0050％、から成る群のうちの１種以上を含有し、残りが
Feと不可避不純物から成る組成を有し、かつ不
可避不純物中のＰ及びＳの含有量がそれぞれ、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.015％以下、である鋼を、熱間圧延した後、 Ac₃点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱して
オーステナイト状態から焼入れし、続いて、Ac₁点以下の温度での焼戻しと、Ac₃
点〜〔Ac₃点＋200℃〕の温度域に加熱焼入れす
る処理とをこの順序で１回以上繰返して行い、その後再度Ac₁点以下の温度で焼戻し処理を行
なうこと、を特徴とする強靭鋼の製造方法。