JPH07138703A

JPH07138703A - 高振動減衰能を有する機械構造用鋼およびその製造方法

Info

Publication number: JPH07138703A
Application number: JP28932793A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Ota; 裕樹太田; Tomoya Koseki; 智也小関; Yasushi Morikage; 康森影; Kenichi Amano; 虔一天野
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-05-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】振動減衰特性に優れ、しかも引張強度が 400
ＭPa以上の機械構造用鋼材を得る。【構成】Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以
下、Mn：0.08mass％以下、Cu：0.05〜1.50mass％、Al：
1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含み、残
部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼板において、そ
の組織が鋼板表層部に、特定された平均結晶粒径を有す
る粗大等軸粒組織層を有するように、上記化学組成の鋼
素材を、1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度が 650
〜1000℃で累積圧下量が80％以上となる熱間圧延を施
し、冷却速度 0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、続い
て 800〜1300℃に加熱保持する中間熱処理を施した後、
さらに 450〜700 ℃に加熱保持する最終熱処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、構造物に用いて好適
な機械構造用鋼に関し、特に振動や騒音を抑制し得る振
動減衰特性に優れる、引張強度が 400ＭPa以上の機械構
造用鋼を提案しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道橋梁や自動車用道路橋など大
重量の通過車両の移動に伴う激しい振動をはじめとし
て、特に居住地域に近接して立地した工場や作業場など
の施設ないしは構造物に生じる振動ないしはそれらに伴
われる騒音が、社会問題とされる風潮がある。このため
の対策としては、吸音材料や遮音材料あるいは振動絶縁
材料を使用したり、また構造物の剛性を増大させて共鳴
を回避したりする種々の手法が講ぜられているが、実際
にはその騒音源となる振動は複雑で、その原因を完全に
排除することは極めて困難なことである。そこで、構造
部材としての材料自体に振動減衰特性いわゆる制振性を
付与して、それによる構造物の振動, 騒音の抜本的な改
善を図ろうとする技術が注目されている。上記の制振性
を付与した鋼材については、既に、注目すべきいくつか
の提案がある。例えば、特公昭60−26813 号公報には、
低降伏点かつ粗大粒とする防振鋼材の製造方法が提案さ
れている。また、特開昭52−144317号公報には、３〜40
mass％CrでさらにTi, Alを添加した防振鋼が、また特開
昭57−181360号公報には、 1.5〜９％Alを含有する制振
厚鋼板が、さらに特公昭57−22981 号公報には、４〜７
mass％のCr, ３〜５mass％のAlを含有する制振性を有す
る鋼材がそれぞれ開示されている。

【０００３】しかし、上記の既知鋼材は、いずれも強度
が比較的低く、そのために構造部材としての適用に制限
をうけること、その上、制振性が十分でなかったり、合
金成分が多量に添加されて高価であったり、さらには溶
接や加工性の点でも問題を残していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】制振材料とくに制振鋼
材に関し、上述した従来技術が抱えている各種の問題
を、本発明の解決課題とする。この課題解決手段として
の本発明の目標とするところは、比較的高い強度と高い
制振性とを有し、かつ比較的安価で振動減衰特性にも優
れ、しかも工業的規模で安定して量産ができる、引張強
度が 400ＭPa以上の機械構造用鋼材を提案しようとする
ところにある。このような課題認識の下に発明者らは、
その解決に向けて鋭意研究を続けた。その結果として、
次のような背景技術についての知見とその解決手段に想
到した。以下にその知見と解決手段について説明する。

【０００５】さて、強磁性体の鋼は、磁気スピンが揃う
のに対応して結晶格子には歪（磁歪）が生じていて、内
部は主にこの影響を受けて磁区に分割されている。この
ような強磁性体の鋼に外力（振動）が加わると、磁歪と
の相互作用によって磁区壁が移動する。すると、強磁性
体内部に生じるこの磁区壁の移動すなわち磁化の変化を
打ち消すように渦電流が生じ、この渦電流は、逆に磁歪
を通じて歪を引き起こす。この歪は、外力に対して位相
が遅れるので、いわゆる磁気−力学的ヒステリシス型の
内部摩擦により振動減衰特性が現れる。これについて
は、例えば純鉄が制振性に優れることについて知られて
いるとおりである。しかし、純鉄は強度が低く、また靱
性の面からも構造用部材としての適用には問題がある。
これに対し発明者らは先に、Mn量を0.08mass％以下に低
減したほぼ純鉄組成になる鋼にCuを添加し、さらにAlを
1.0〜7.0 mass％添加することで、高い振動減衰能を維
持しつつ、しかも構造用鋼材としての強度と靱性とを兼
ね具える鋼板およびその製造方法を提案した( 特開平４
−13847 号公報および特開平４−80320号公報参照) 。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで発明者らは、さら
に上記の鋼の振動減衰特性をより一層向上させるべく種
々検討を重ねた。その結果、上記の鋼板の表層近傍の結
晶粒を優先的に粗大化させると、制振性能の一層の向上
が得られることを見出した。すなわち、本発明は、 (1) Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以下、Mn：
0.08mass％以下、 Cu：0.05〜1.50mass％、Al：1.0 〜
7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、そ
の組織が、鋼板表層部に下記式を満足するような粗大等
軸粒組織層を有するものである高振動減衰能を有する機
械構造用鋼（第１発明）。記ｄ_s／ｄ_i≧３、かつｄ_i≧ 100μｍただし、ｄ_s：鋼板表裏面からそれぞれ板厚中心部に向
かってt/8 厚までの領域における平均結晶粒径（ｔ：鋼
板板厚）ｄ_i：板厚中心部 t/8厚の領域における平均結晶粒径
（ｔ：鋼板板厚） (2) Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以下、Mn：
0.08mass％以下、 Ni：0.05〜1.50mass％、Cu：0.05〜
1.50mass％、Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％
以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、そ
の組織が、鋼板表層部に下記式を満足するような粗大等
軸粒組織層を有するものである高振動減衰能を有する機
械構造用鋼（第２発明）。記ｄ_s／ｄ_i≧３、かつｄ_i≧ 100μｍただし、ｄ_s：鋼板表裏面からそれぞれ板厚中心部に向
かってt/8 厚までの領域における平均結晶粒径（ｔ：鋼
板板厚）ｄ_i：板厚中心部 t/8厚の領域における平均結晶粒径
（ｔ：鋼板板厚）そして、上記各機械構造用鋼は、下記の方法によって得
ることができる。 (3) Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以下、Mn：
0.08mass％以下、 Cu：0.05〜1.50mass％、Al：1.0 〜
7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼素
材を、1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度が 650〜
1000℃で累積圧下量が80％以上となる熱間圧延を施し、
冷却速度 0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、続いて 8
00〜1300℃に加熱保持する中間熱処理を施した後、さら
に 450〜700 ℃に加熱保持する最終熱処理を施すことを
特徴とする高振動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方
法（第３発明）。及び (4) Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以下、Mn：
0.08mass％以下、 Ni：0.05〜1.50mass％、Cu：0.05〜
1.50mass％、Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％
以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼素
材を、1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度が 650〜
1000℃で累積圧下量が80％以上となる熱間圧延を施し、
冷却速度 0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、続いて 8
00〜1300℃に加熱保持する中間熱処理を施した後、さら
に 450〜700 ℃に加熱保持する最終熱処理を施すことを
特徴とする高振動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方
法（第４発明）。

【０００７】

【作用】この発明の振動減衰特性に優れた機械構造用鋼
において、成分組成を上記の範囲に限定した理由につい
て説明する。Ｃ：0.02mass％以下；Ｃは、Cuの析出による強化作用を
利用する本発明鋼では、強化成分としての量は必要な
く、むしろ0.02mass％を超えると、制振性を劣化させる
ので、0.02mass％以下に限定する。 Si：0.02mass％以下；Siは、0.02mass％以上の添加は制
振性を劣化させるので、0.02mass％を上限とする。 Mn：0.08mass％以下；Mnは、Cu添加の際に靱性に悪い影
響を与えるので、その含有量は低いほど好ましい。その
含有量の上限が0.08mass％を超えると靱性の劣化が大き
くなるので0.08mass％以下に限定する。 Cu：0.05〜1.50mass％；Cuは、時効処理により微細なε
−Cuとして析出させて、鋼を強化させる成分であり、制
振性を損なうことなしに強度と靱性を両立させることが
できる。Cu含有量が0.05mass％に満たないとその効果に
乏しく、一方、1.50mass％を超えて含有させると熱間割
れを生じる恐れがあるので0.05〜1.50mass％の範囲とす
る。 Al：1.0 〜7.0 mass％；Alは、ほぼ純鉄組成になる鋼に
おいて振動減衰特性を向上させる。その含有量が1.0 ma
ss％に満たないとその効果がなく、一方 7.0mass％を超
える含有では溶接部の靱性が劣化するので含有量は 1.0
〜7.0 mass％の範囲とする。Ｎ：0.0080mass％以下；Ｎは、その含有量が低い方が制
振性及び靱性の面から好ましく、許容できる上限は0.00
80mass％以下である。

【０００８】この発明の鋼は、第２発明において、以上
の成分に加えてさらにNiを0.05〜1.50mass％含有させ
る。Niは、Cuの添加に由来する熱間割れの傾向を制振性
を損なうことなしに抑えることができる。Ni量が0.05ma
ss％に満たないとその効果に乏しく、一方1.50mass％を
超えると経済的でないという不都合が生じるので、Ni量
は0.05〜1.50mass％の範囲とする。なお、この発明にお
ける不純物成分のうち、Ｐ, Ｓは制振性を保持するうえ
から、それぞれ0.01mass％, 0.005 mass％以下とするの
が好ましい。

【０００９】次に、熱間圧延条件および熱処理条件の限
定理由について以下に説明する。この発明の製造方法の
技術骨子は、(1) 熱間圧延終了時にCu析出が生じていな
いで、かつ十分な圧延歪が鋼素材に蓄積される熱間圧延
とその後の冷却の条件を定め、(2) 次に行う中間熱処理
においてこの圧延歪を利用した結晶粒の粗大化,整粒化
および均質固溶化を図り、(3) 次いで最終熱処理により
ε−Cuを微細かつ均一に析出させ強度の向上を図るもの
である。特に(1) での圧下を80％以上加えることによ
り、中間熱処理後の鋼板表面近傍での再結晶粒の粗大化
が促進される。かかる結晶粒の粗大化および整粒化によ
り振動減衰特性を向上させ、さらにε−Cuの微細分散に
より鋼材の強度を高めることができる。以下、具体的に
説明する。

【００１０】熱間圧延に先立つ鋼材の加熱温度は、熱間
圧延が可能な温度とし、かつ結晶粒の粗大化, 固溶成分
の均質固溶化を図るために1000〜1300℃とする。加熱温
度が1000℃に満たないと、鋼によっては合金成分の均質
固溶が十分でなく、一方1300℃を超えると鋼表面の酸化
が著しく、また加熱費など操業上不利である。次に、熱
間圧延の圧延仕上げ温度は、Cuの析出を制御しつつ、鋼
材に十分な圧延歪を蓄積させ結晶粒の粗大化を容易にさ
せるために 650〜1000℃の範囲とする。 650℃に満たな
い低温仕上げを行うと圧延過程でCuの析出が生じるた
め、中間熱処理での結晶粒粗大化が妨げられ、また、鋼
板表面近傍に混粒組織が形成され、振動減衰能が損なわ
れ、さらに圧延に要する時間が増大し、製造コスト上不
利でもある。一方、圧延仕上げ温度が1000℃を超える
と、被圧延材への圧延歪の導入, 蓄積が不十分となり、
その後の中間熱処理での粒粗大化が不十分となる。

【００１１】また、制振性の改善のためには、熱間圧延
での累積圧下量を80％以上とする必要がある。すなわ
ち、累積圧下量を80％以上にすることにより、中間熱処
理後、表面近傍で結晶粒が著しく粗大化して、図１に示
すような再結晶粒が得られる。鋼板の振動では板厚方向
のたわみ振動が特に問題となるが、その際の歪振幅は板
表面に近いほど大きく、本発明鋼のように表層に制振性
能の優れる粗大粒を成長させることは鋼板の制振性向上
に極めて有効である。しかも、本発明鋼では板厚中心近
傍には微細結晶粒が存在するため、表層部の結晶粒粗大
化による鋼材の強度低下や靱性劣化といった影響がほと
んどない。

【００１２】さらに、熱間圧延に引き続く冷却は、Cu析
出の制御と圧延歪の凍結のために、冷却速度は 0.1℃／
s 以上にする必要がある。なお、冷却速度の上限は特に
制限するものではないが、工業的に実施可能な範囲は通
常、60℃／s 程度以下である。

【００１３】次に、中間熱処理の温度は、圧延歪を利用
した結晶粒の粗大化、整粒化および合金成分の均質固溶
化を図るために 800〜1300℃とする必要がある。中間熱
処理温度が 800℃に満たないと結晶粒の粗大化, 整粒化
が不十分であり、また溶質成分も十分固溶しないので、
下限を 800℃とした。一方、中間熱処理温度が1300℃を
超えると、鋼表面の酸化が著しく、また操業コスト面か
らも不利となるため1300℃を上限とした。ここで、Alを
１〜２％含有する鋼では 950〜1000℃でフェライト→オ
ーステナイト変態が生じ、細粒組織となって制振性能が
低下する恐れがあるため、加熱保持温度の上限はフェラ
イト単相となる 900〜950 ℃とするのが望ましく、２％
以上のAlを含有する鋼では、フェライト→オーステナイ
ト変態が生じないため、処理温度が上記発明温度範囲内
で高温であるほど制振性向上にとって好ましい。なお、
中間熱処理の加熱保持時間は10〜120 min 保持すること
が好ましい。中間熱処理後の冷却速度は特に限定しな
い。また、冷却終了温度についても特に限定する必要は
なく、その後の最終熱処理温度から室温までの任意の温
度とすればよい。

【００１４】上記中間熱処理を施した後、ε−Cuの析出
による強度上昇を図るために、 450〜700 ℃に加熱保持
の最終熱処理を施す。最終熱処理の温度が 450℃未満お
よび700 ℃を超えるといずれも析出効果が十分でないた
め、最終熱処理の温度を 450〜700 ℃に限定する。な
お、この保持時間については、上記中間熱処理と同様
に、特に限定はしないが、10〜120 min 保持することが
望ましい。

【００１５】本発明鋼は、上述した熱間圧延および熱処
理によって製造可能であり、他の工程については常法に
従って行えば、特に問題は生じない。すなわち、転炉,
電気炉など通常の溶製、次いで連続鋳造、造塊等の鋳造
を経て圧延素材を得たのちに本発明法を適用すればよ
い。また、本発明鋼は、厚鋼板のほか、薄鋼板, 形鋼,
棒鋼, 線材などにも用いることができる。

【００１６】

【実施例】表１に示す種々の成分組成になる鋼を常法に
従って溶製, 鋳造した。得られた各鋼について、表２に
示す種々の圧延, 熱処理を施した。なお、冷却速度は焼
入れ油の濃度調整および保温材の使用等によって種々変
化させた。これら供試鋼板の中央部から丸棒引張試験片
とシャルピー衝撃試験片を採取し機械的特性を測定し
た。また、減衰特性（Ｑ^-1）は鋼板表面を約１mm研削
後、表面部から1.5 mm厚の短冊状試験片を採取し機械イ
ンピータンス法で測定した。Ｑ^-1が大きな値ほど振動減
衰特性が優れることを意味する。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１において、記号Ａ〜Ｃは、この発明を
満足する成分組成になる鋼である。一方、記号Ｄ〜Ｆ
は、この発明の成分組成範囲を外れた成分の比較鋼であ
る。各鋼の圧延条件, 熱処理条件および得られた機械的
特性, 減衰特性について表２にまとめて示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２から明らかなように、この発明に適合
したものはいずれも、内部摩擦Ｑ^-1は比較例に比べて著
しく向上していると同時に、機械構造用鋼板として要求
される機械的特性を満足している。すなわち、鋼板表層
部に粗大結晶粒層を有する本発明鋼No.3, 6, 10, 12, 1
4 では、粗大結晶粒層を有しないNo.1, 2, 4, 5, 7,8,
9, 13に比べ制振性が向上しており、かつ強度, 靱性は
十分な値を有している。なお、本発明にかかる鋼の組成
に適合しないものでは、ｄ_s／ｄ_i≧３, かつｄ_i≧10
0 μｍを満足していても優れた制振特性を得ることはで
きない。

【００２１】

【発明の効果】この発明による鋼材は、従来の構造用材
料と遜色のない十分な強度, 靱性を有し、高い振動減衰
能をも兼ね備え、しかも工業的に容易に製造が可能であ
る。本鋼材は機械構造物のあらゆる個所で、従来の鋼材
の代替が可能となり、構造物の振動, 騒音を確実に低減
することができ、工業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼の厚み方向の結晶粒分布を示す模式図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森影康千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者天野虔一千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以
下、 Mn：0.08mass％以下、 Cu：0.05〜1.50mass％、 Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有
し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、その組織
が、鋼板表層部に下記式を満足するような粗大等軸粒組
織層を有するものである高振動減衰能を有する機械構造
用鋼。記ｄ_s／ｄ_i≧３、かつｄ_i≧ 100μｍただし、ｄ_s：鋼板表裏面からそれぞれ板厚中心部に向
かってt/8 厚までの領域における平均結晶粒径（ｔ：鋼
板板厚）ｄ_i：板厚中心部 t/8厚の領域における平均結晶粒径
（ｔ：鋼板板厚）
【請求項２】Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以
下、 Mn：0.08mass％以下、 Ni：0.05〜1.50mass％、 Cu：0.05〜1.50mass％、Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有し、残部はFeおよび不可避
的不純物からなり、その組織が、鋼板表層部に下記式を
満足するような粗大等軸粒組織層を有するものである高
振動減衰能を有する機械構造用鋼。記ｄ_s／ｄ_i≧３、かつｄ_i≧ 100μｍただし、ｄ_s：鋼板表裏面からそれぞれ板厚中心部に向
かってt/8 厚までの領域における平均結晶粒径（ｔ：鋼
板板厚）ｄ_i：板厚中心部 t/8厚の領域における平均結晶粒径
（ｔ：鋼板板厚）
【請求項３】Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以
下、 Mn：0.08mass％以下、 Cu：0.05〜1.50mass％、 Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有
し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、
1000〜1300℃に加熱後、圧延仕上げ温度が 650〜1000℃
で累積圧下量が80％以上となる熱間圧延を施し、冷却速
度 0.1℃/s以上で室温まで冷却を行い、続いて 800〜13
00℃に加熱保持する中間熱処理を施した後、さらに 450
〜700 ℃に加熱保持する最終熱処理を施すことを特徴と
する高振動減衰能を有する機械構造用鋼の製造方法。
【請求項４】Ｃ：0.02mass％以下、 Si：0.02mass％以
下、 Mn：0.08mass％以下、 Ni：0.05〜1.50mass％、 Cu：0.05〜1.50mass％、Al：1.0 〜7.0 mass％、Ｎ：0.0080mass％以下を含有し、残部はFeおよび不可避
的不純物からなる鋼素材を、1000〜1300℃に加熱後、圧
延仕上げ温度が 650〜1000℃で累積圧下量が80％以上と
なる熱間圧延を施し、冷却速度 0.1℃/s以上で室温まで
冷却を行い、続いて 800〜1300℃に加熱保持する中間熱
処理を施した後、さらに 450〜700 ℃に加熱保持する最
終熱処理を施すことを特徴とする高振動減衰能を有する
機械構造用鋼の製造方法。