JPH0625745A - 耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の製造方法 - Google Patents

耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の製造方法

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JPH0625745A
JPH0625745A JP12780192A JP12780192A JPH0625745A JP H0625745 A JPH0625745 A JP H0625745A JP 12780192 A JP12780192 A JP 12780192A JP 12780192 A JP12780192 A JP 12780192A JP H0625745 A JPH0625745 A JP H0625745A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 引張強度125kgf/mm2 以上を有し、
耐遅れ破壊特性に優れる機械構造用鋼の製造方法を提供
する。 【構成】 C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、M
o、Al、V、Ti、Nb、Nを特定した鋼において、
圧延後の冷却速度をK1≦130を満たす条件で冷却
し、さらに所定の形状に成形後焼入れ・焼戻しを行うに
際して、焼戻しを400℃以上で行う。ただし、K1=
D1+260×log10(CR) D1=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕)(単位:mm、
〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、125kgf/mm2
以上の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機械構
造用鋼の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高強度機械構造用鋼は、例えば高強度ボ
ルトとして、機械、自動車、橋、建物に多用されている
ほか、PC鋼線、自動車部品としても広く使用されてい
る。しかしながら、どの品種についても、引張強度が1
25kgf/mm2 を超えると遅れ破壊の危険性が高ま
ることが知られている。従って、現在使用されているボ
ルトの強度は、110kgf/mm2 級が上限となって
いる。
【0003】しかしながら、近年、構造物の大型化に伴
い、継手効率の向上、軽量化の観点からボルトの高強度
化に対する要求が強くなってきている。一方、地球環境
保護の観点から燃費の向上が必要となる自動車において
も、燃費に直接的に関与する車体軽量化を達成するため
に、各種部品の高強度化が要請されている。而して、こ
れらの要請を満たすためには、強度が125kgf/m
2 を超える機械構造用鋼の遅れ破壊の問題を解決しな
ければならない。高強度部材の遅れ破壊は、鋼中の水素
が原因であるとされている。特に、常温付近で容易に移
動し得る拡散性水素が引張応力集中部の結晶粒界に集積
し、粒界割れを助長するために遅れ破壊を惹起すると考
えられている。
【0004】従って、高強度機械構造用鋼は、水素、就
中拡散性水素に対して抵抗力のある鋼でなければならな
い。一方、高強度機械構造用鋼、例えば棒鋼、線材の製
造工程においては、材料を通常の冷却速度で冷却する
と、表層にミクロ偏析によってPが濃化した箇所から遅
れ破壊感受性の高い低温変態組織が形成され、材料巻取
り後において遅れ破壊を生じ、製品歩留りを低下させる
という問題もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐遅れ破壊
特性に優れた125kgf/mm2 以上の引張強度を有
する機械構造用鋼を製造する方法を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは下記のとおりである。 (1) 重量で、C:0.15〜0.50%、Si≦
2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S≦
0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2〜
1.2%、Al:0.005〜1.0%、N≦0.03
%を含有し、さらにV:0.20%超、0.50%以
下、Ti:0.05%超、0.50%以下、Nb:0.
05%超、0.50%以下の1種または2種以上を含
み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を熱間圧
延した後、下記式によって定義されるKl≦130を満
たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を施した後、冷
間加工によって所定の形状に成形し、次いで焼入れ・焼
戻し処理を施すに際し、焼戻しを400℃以上の温度域
で行うことを特徴とする125kgf/mm2 以上の引
張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の
製造方法。
【0007】Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec ) (2) 重量で、C:0.15〜0.50%、Si≦
2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S≦
0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2〜
1.2%、Al:0.005〜1.0%、N≦0.03
%を含有し、さらにV:0.20%超、0.50%以
下、Ti:0.05%超、0.50%以下、Nb:0.
05%超、0.50%以下の1種または2種以上を含
み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼に圧延仕
上温度を650〜900℃の温度域とする熱間圧延を施
した後、下記式によって定義されるKl≦130を満た
す条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を施した後、冷間
加工によって所定の形状に成形し、次いで焼入れ・焼戻
し処理を施すに際し、焼戻しを400℃以上の温度域で
行うことを特徴とする125kgf/mm2 以上の引張
強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の製
造方法。
【0008】Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec ) (3) 重量で、C:0.15〜0.50%、Si≦
2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S≦
0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2〜
1.2%、Ni≦2.0%、Al:0.005〜1.0
%、N≦0.03%を含有し、さらにV:0.20%
超、0.50%以下、Ti:0.05%超、0.50%
以下、Nb:0.05%超、0.50%以下の1種また
は2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物から
なる鋼を熱間圧延した後、下記式によって定義されるK
l≦130を満たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍
を施した後、冷間加工によって所定の形状に成形し、次
いで焼入れ・焼戻し処理を施すに際し、焼戻しを400
℃以上の温度域で行うことを特徴とする125kgf/
mm2 以上の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた
機械構造用鋼の製造方法。
【0009】Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec ) (4) 重量で、C:0.15〜0.50%、Si≦
2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S≦
0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2〜
1.2%、Ni≦2.0%、Al:0.005〜1.0
%、N≦0.03%を含有し、さらにV:0.20%
超、0.50%以下、Ti:0.05%超、0.50%
以下、Nb:0.05%超、0.50%以下の1種また
は2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物から
なる鋼に圧延仕上温度を650〜900℃の温度域とす
る熱間圧延を施した後、下記式によって定義されるKl
≦130を満たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を
施した後、冷間加工によって所定の形状に成形し、次い
で焼入れ・焼戻し処理を施すに際し、焼戻しを400℃
以上の温度域で行うことを特徴とする125kgf/m
2 以上の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機
械構造用鋼の製造方法。
【0010】Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec ) 以下、本発明を詳細に説明する。
【0011】本発明者等は、上記課題を解決すべく研究
を重ねた結果、鋼の化学成分の調整、特にMn、P含有
量を低下させること、Mo、Ni含有量を増加させるこ
と、およびV、Ti、Nbの1種または2種以上を添加
すること、ならびに焼戻し温度を調整することによっ
て、遅れ破壊に至らない限界拡散水素量を増加し得ると
いう知見を得、また熱間圧延後の材料の冷却速度を制御
することによって材料の遅れ破壊の発生頻度を大きく低
下させ得るという知見を得て本発明を完全させるに至っ
た。本発明によって、従来鋼よりも高い限界拡散水素量
を示す125kgf/mm2 以上の引張強度を有する機
械構造用鋼を得ることができる。
【0012】本発明者等は、耐遅れ破壊特性に及ぼす合
金元素の影響ならびに熱処理における焼戻し温度の影響
を調べた結果、従来の機械構造用鋼に比し、Mn、P含
有量を少なくすること、Mo、Ni含有量を増加させる
こと、V、Ti、Nbの多量添加が有効であること、な
らびに400℃以上の温度域で焼戻しを施すことが有効
であることを見出した。
【0013】また、材料の焼入れ性に応じて熱間圧延後
の材料の冷却速度を調節することによって、ワイヤ・コ
イル或はバー・コイルの割れ発生を抑えることができる
ことを見出した。さらに、熱間圧延における仕上温度を
650〜900℃の範囲内とすることによって、ワイヤ
・コイル或はバー・コイルの割れ発生をより一層抑制し
得ることを見出した。
【0014】次に、本発明における材料の合金成分組成
の限定理由を説明する。Cは、焼入れ・焼戻しによって
高い強度の鋼とするためには、0.15%以上を含有せ
しめる必要がある。一方、0.50%を超える多量のC
を含有せしめると、鋼の靱性を劣化せしめるのみなら
ず、耐遅れ破壊特性をも劣化させる。Siは、鋼の脱酸
および鋼の強度向上のために必要な元素であるが、2.
0%を超える多量の添加は鋼の冷間加工性を損なう。
【0015】Mnは、鋼の脱酸および鋼の焼入れ性確保
のために必要な元素であるが、オーステナイト域へ鋼を
加熱したときに粒界に偏析して粒界を脆化させるのみな
らず、鋼の耐遅れ破壊特性を劣化させるため0.6%以
下とした。Pは焼入れ性向上元素としては有効である
が、凝固時にミクロ偏析し、さらにオーステナイト域加
熱時に粒界に偏析して粒界を脆化させるとともに、耐遅
れ破壊特性を劣化させる元素であるために0.015%
以下とした。
【0016】Sは不可避的不純物であるが、オーステナ
イト域加熱時に粒界に偏析して粒界を脆化させるととも
に、耐遅れ破壊特性を劣化させる元素であるために0.
02%以下とした。Crは鋼の焼入れ性を得るためには
0.1%以上必要であるが、多すぎると靱性の劣化、冷
間加工性の劣化を招く元素であるために3.0%以下と
した。
【0017】Moは鋼の焼入れ性を得るために必要であ
るとともに、焼戻し軟化抵抗を有し、400℃以上の焼
戻し温度で安定して125kgf/mm2 以上の引張荷
重を得るのに有効な元素であるが、多すぎるとその効果
は飽和し、コストの上昇を招くために1.2%以下とし
た。Alは鋼の脱酸に有効な元素であるために0.00
5%以上必要であるが、多すぎると靱性の劣化を招くた
めに1.0%以下とした。
【0018】Nはオーステナイト加熱時に粒界に偏析し
て粒界を脆化させるとともに、耐遅れ破壊特性も劣化さ
せる元素であるため0.03%以下とした。Niは必要
に応じて添加され、靱性を向上させるとともに、耐遅れ
破壊特性を向上させる元素である。しかし2.0%を超
えるとその効果は飽和し、むしろコスト上昇を招くため
に2.0%以下とした。
【0019】V、Ti、Nbは、結晶粒の微細化に寄与
し、かつ水素との親和性に富み、鋼中での水素の拡散・
集積を抑制することにより耐遅れ破壊特性向上に有効な
元素であるため、それぞれV:0.20%超、Ti:
0.05%超、Nb:0.05%超の添加が必要であ
る。ただし、多すぎるとその効果は飽和しむしろ靱性を
劣化させる元素であるために、添加量をそれぞれV:
0.50%以下、Ti:0.50%以下、Nb:0.5
0%以下とした。
【0020】熱処理条件に関しては125kgf/mm
2 以上の高強度において遅れ破壊を起こさないために焼
戻温度の下限値を設定した。すなわち、400℃未満で
は粒界脆化が顕著となり、耐遅れ破壊特性も劣化するた
め、焼戻温度を400℃以上とした。一方、棒鋼・線材
コイルの耐遅れ破壊特性を向上させ、コイル割れ発生を
抑制し、コイルの歩留りを上げるために圧延後の冷却速
度を決定し、さらにより一層のコイル割れ抑制のために
圧延仕上温度も決定した。すなわち、圧延後の冷却速度
に関しては、遅れ破壊感受性の高い低温変態組織の生成
を抑制し、遅れ破壊起因の割れを減少させるために徐冷
することが必須であるが、鋼材の焼入性・冷却速度を考
慮して、冷却速度(CR)をKl≦130を満たす範囲
に限定した。
【0021】ただし、 Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%Si〕) ×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.83×〔%P〕) ×(1+0.62×〔%S〕)×(1+2.33×〔%Cr〕) ×(1+0.52×〔%Ni〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:mm、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:冷却速度(単位:℃/sec) また、圧延仕上温度に関しては、細粒化によりコイルの
耐遅れ破壊特性を一層向上させるために有効な手段であ
るが、その効果は900℃を超えた温度では無効とな
り、650℃未満の温度では効果は飽和し、むしろ生産
性を阻害するために圧延仕上温度を650〜900℃と
した。
【0022】
【実施例】供試鋼の化学成分を表1に示す。(A)〜
(J)は本発明鋼であり、(K)〜(O)は比較鋼であ
る。これらの20mmφの棒鋼を用いて、引張強度が1
50 〜160kgf/mm2 を目標に、熱処理(焼入れ
・焼戻し)を行った。この時の熱処理条件および引張強
度を表2に示す。これらの鋼が遅れ破壊に対し、どの程
度の拡散性水素を許容し得るか、すなわち各鋼の限界水
素量を調べた。
【0023】以下に限界水素量を求める方法について述
べる。図1に示したM10ボルトで軸部に2mmVの円
周ノッチを設けた試験片を作り、2本を組にして水素を
富化するために、20〜36%HClに20〜120分
間浸漬することにより試験片中の水素量を変化させた。
このうち1本はHClに浸漬し、大気中に30分放置し
た後、熱的分析法により水素量を測定し、他の1本は浸
漬後30分間大気中に放置した後、図2に示した試験機
で遅れ破壊試験を行った。図2において1は試験片、2
はバランスウェイト、3は支点を示す。また遅れ破壊試
験における試験荷重はHCl溶液に浸漬する前の各試験
片の破断荷重の70%と一定にした。
【0024】以上の手順に従い、HClの濃度・浸漬時
間を種々変えた場合に、得られた拡散性水素量と遅れ破
壊試験における破断時間との関係を表3に示す。同表か
ら、各鋼の遅れ破壊を起こさない上限の拡散性水素量、
すなわち限界拡散性水素量を推定すると表4のようにな
る。この表より、本発明の組成および焼戻温度の範囲に
ある(A)〜(J)は、比較材である(K)〜(O)に
比べて限界水素量が高く、遅れ破壊しにくいことが明ら
かである。
【0025】次に本発明鋼を用いて1200℃に加熱
後、圧延仕上温度および圧延後の冷却速度を変えて断面
25mmφ、直径1400mmのコイルを100kgず
つ製造した場合の、製造後100時間以内のコイル割れ
発生状況を表5に示す。本発明の冷却条件の範囲外であ
るKl>130の冷却速度で冷却した場合には、圧延仕
上温度に関係なくコイルの割れ発生率は0.17%以上
であるのに対し、本発明のKl≦130を満たす冷却速
度で冷却した場合には、0.05%以下の発生率に抑え
られ、割れ発生率の低減にKl≦130を満たす徐冷を
行うことが有効であることが明らかである。さらに圧延
仕上温度を1000℃から850℃に下げることにより
コイルの割れ発生率は0.02%以下に抑えられ、圧延
仕上温度を900℃以下に下げることが、コイル割れ発
生率低減に有効であることが明らかである。
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】
【表3】
【0029】
【表4】
【0030】
【表5】
【0031】
【発明の効果】本発明により125kgf/mm2 以上
の引張強度を有し、耐遅れ破壊特性の優れたボルトが期
待できる。これによってボルトの継手効率の向上が図ら
れ、自動車等の軽量化に寄与する。またコイル製造後の
割れ発生も抑制でき歩留り低下という操業上の問題点も
解決できる。従って工業的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】試験片の形状の説明図である。
【図2】遅れ破壊試験装置の説明図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量で、C:0.15〜0.50%、S
    i≦2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S
    ≦0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2
    〜1.2%、Al:0.005〜1.0%、N≦0.0
    3%を含有し、さらにV:0.20%超、0.50%以
    下、Ti:0.05%超、0.50%以下、Nb:0.
    05%超、0.50%以下の1種または2種以上を含
    み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を熱間圧
    延した後、下記式によって定義されるKl≦130を満
    たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を施した後、冷
    間加工によって所定の形状に成形し、次いで焼入れ・焼
    戻し処理を施すに際し、焼戻しを400℃以上の温度域
    で行うことを特徴とする125kgf/mm2 以上の引
    張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の
    製造方法。 Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
    i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
    3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
    2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
    i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
    m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec )
  2. 【請求項2】 重量で、C:0.15〜0.50%、S
    i≦2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S
    ≦0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2
    〜1.2%、Al:0.005〜1.0%、N≦0.0
    3%を含有し、さらにV:0.20%超、0.50%以
    下、Ti:0.05%超、0.50%以下、Nb:0.
    05%超、0.50%以下の1種または2種以上を含
    み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼に圧延仕
    上温度を650〜900℃の温度域とする熱間圧延を施
    した後、下記式によって定義されるKl≦130を満た
    す条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を施した後、冷間
    加工によって所定の形状に成形し、次いで焼入れ・焼戻
    し処理を施すに際し、焼戻しを400℃以上の温度域で
    行うことを特徴とする125kgf/mm2 以上の引張
    強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機械構造用鋼の製
    造方法。 Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
    i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
    3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
    2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
    i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
    m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec )
  3. 【請求項3】 重量で、C:0.15〜0.50%、S
    i≦2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S
    ≦0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2
    〜1.2%、Ni≦2.0%、Al:0.005〜1.
    0%、N≦0.03%を含有し、さらにV:0.20%
    超、0.50%以下、Ti:0.05%超、0.50%
    以下、Nb:0.05%超、0.50%以下の1種また
    は2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物から
    なる鋼を熱間圧延した後、下記式によって定義されるK
    l≦130を満たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍
    を施した後、冷間加工によって所定の形状に成形し、次
    いで焼入れ・焼戻し処理を施すに際し、焼戻しを400
    ℃以上の温度域で行うことを特徴とする125kgf/
    mm2 以上の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた
    機械構造用鋼の製造方法。 Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
    i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
    3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
    2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
    i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
    m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec )
  4. 【請求項4】 重量で、C:0.15〜0.50%、S
    i≦2.0%、Mn≦0.6%、P≦0.015%、S
    ≦0.02%、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.2
    〜1.2%、Ni≦2.0%、Al:0.005〜1.
    0%、N≦0.03%を含有し、さらにV:0.20%
    超、0.50%以下、Ti:0.05%超、0.50%
    以下、Nb:0.05%超、0.50%以下の1種また
    は2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物から
    なる鋼に圧延仕上温度を650〜900℃の温度域とす
    る熱間圧延を施した後、下記式によって定義されるKl
    ≦130を満たす条件下に冷却し、次いで球状化焼鈍を
    施した後、冷間加工によって所定の形状に成形し、次い
    で焼入れ・焼戻し処理を施すに際し、焼戻しを400℃
    以上の温度域で行うことを特徴とする125kgf/m
    2 以上の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた機
    械構造用鋼の製造方法。 Kl=Dl+260×1og10(CR) Dl=(5×〔%C〕+3)×(1+0.64×〔%S
    i〕)×(1+4.10×〔%Mn〕)×(1+2.8
    3×〔%P〕)×(1−0.62×〔%S〕)×(1+
    2.33×〔%Cr〕)×(1+0.52×〔%N
    i〕)×(1+3.14×〔%Mo〕) (単位:m
    m、〔%X〕:元素Xの重量%) CR:鋼材の冷却速度(単位:℃/sec )
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