JPS648051B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、焼戻しマルテンサイトとベーナイト
が共存する高強度高靭性鋼を、ベーナイト変態を
加速しながら製造する方法に関するもので、本明
細書において本発明法を“引上げオーステンパー
法”と名ずけることにする。 熱処理鋼としてオーステンパー処理された鋼と
焼入れ焼戻し処理された鋼がよく知られている。
両者を比較すると、前者は靭性に富むが、オース
テンパー処理でベーナイトを生成させるさいに、
処理温度が高い場合は後者に比べて著しく軟質と
なり、硬質化を意図して処理温度を低下させる場
合は保持時間が著しく増大して製造性がわるくな
るという制約を受ける。他方、後者は、高強度材
を得やすいが、靭性が前者に劣る。 本発明はこの両者の欠点の解消を目的としてな
されたもので、両者の欠点をあい補いながら両者
の長所を具備し、かつ製造性よく高強度高靭性鋼
を製造する方法を提供するものである。すなわち
本発明は、炭素を0.40〜1.10％の範囲で含有する
中高炭素鋼を素材とし、これをこの鋼のA₃変態
点〜A₃変態点＋150℃の温度域に保持してオース
テナイト化処理し、このオーステナイト域からこ
の鋼のMs点〜M₉₀％点の温度域に過冷オーステ
ナイトが存在するように焼入したあと少なくとも
10容積％以上の未変態オーステナイトが存在して
いる時間内にこの温度域から300〜550℃の温度域
に再加熱し、この再加熱温度域において過冷オー
ステナイトのベーナイトへの変態と初晶マルテン
サイトの焼戻しを行なわせることによつて、ベ−
ナイト変態を加速させながら短縮した時間のもと
で焼戻しマルテンサイトとベ−ナイトの混合組成
織からなる高強度高靭性鋼を得る方法を提供する
ものである。本発明の引上げオーステンパー法
は、ベーナイト変態が加速されるので、特に帯鋼
や線材の連続ラインに適用する場合に有利であ
る。しかし、半製品や成形品などの単品生産にも
勿論適用できる。 以下に本発明法の詳細を説明する。 第１図は本発明の引上げオーステンパー法の各
熱処理段階を説明するための基本図であり、図示
のように、本法は、 段階……温度T₁、保持時間t₁ 段階……温度T₂、保持時間t₂ 段階……温度T₃、保持時間t₃ の３段階の処理からなる。 まず、段階は材料のオーステナイト化のため
の処理であり、T₁はA₃〜A₃＋150℃の温度範囲
である。T₁に上限（A₃＋150℃）を設けたのは、
これを超える温度になるとオーステナイト粒が粗
大化して成品の靭性を低下させる原因となるから
である。t₁は加熱方法や材料寸法によつて適切な
時間に定められ、未溶解炭化物が10％以下となる
に要する時間、例えば0.5〜15分であれば、ほぼ
均一なオーステナイト化が達成される。 段階は、段階からT₂温度に保持された媒
体中に材料を浸漬して焼入れする処理である。こ
の焼入れのための媒体（冷媒）としては、塩浴、
オイル浴、非鉄金属または合金浴、その他の公知
の浴を使用する。T₂温度はMs〜M₉₀％の温度域、
すなわち、その温度で90％（容積比）未満のマル
テンサイトが生成する温度域であり、通常のMf
点以下までの焼入れ温度とは異なる。マルテンサ
イト変態は無拡散変態であるので、その生成量は
焼入れ温度には支配されるがその温度での保持時
間t₂にはほとんど影響されない。しかし、冷媒の
種類や材料寸法によつてこのT₂温度に材料が完
全に冷却されるまでの時間には若干の差が現われ
る。したがつて、このt₂時間は目標とするT₂温度
に材料温度が達するに必要な時間であればよい
が、長すぎてはいけない。すなわち、この温度
（Ms〜M₉₀％）への焼入れによつて10容積％以上
の過冷オーステナイトが存在するようにするので
あるが、この過冷オーステナイトが下部ベーナイ
トに変態を終了させてはならない。つまり、この
冷媒浴への保持時間t₂は、10容積％以上、好まし
くは40容積％以上の未変態オーステナイトが存在
している時間とすることが必要である。この段階
での処理によつて生成する初晶マルテンサイト
の量は60％以下とすることがより好ましい。 段階は、段階からMs以上の300〜550℃の
温度T₃に材料を再加熱する処理である。この加
熱もこのT₃温度に保持された加熱炉または浴を
使用する。この段階において、段階で生成し
た初晶マルテンサイトは焼戻されると共に、未変
態オーステナイトはベーナイトに変態する。した
がつて、このT₃温度での保持時間t₃は、ベーナイ
ト変態が終了する時間以上とすることが必要であ
る。もし、このt₃を体積割合で５％以上の未変態
オーステナイトが存在するような時間で打切る
と、その大半は二次生成マルテンサイトとなり延
性および靭性を大きく害することになるので、こ
のような状態は避ける必要がある。段階の処理
が終了してから室温まで冷却させるさい、ベーナ
イト変態が終了していれば、水中急冷と徐冷のど
ちらでもよく、両者に材質の差は実質上あらわれ
ない。しかし、T₃＞350℃の場合は、350℃まで
は冷速10℃／sec以下の徐冷を行なうのがよく、
これ以上の急冷は避ける必要がある。 このような３段階処理からなる本発明法を実施
すると、従来のオーステンパー処理に比べて、焼
入れストレツシングとも言うべき、ベーナイト変
態の加速化を行なわせることができる。以下にこ
れを試験例によつて説明する。 表１の化学成分の冷延焼鈍板を供試材とし、
T₁＝850℃、t₁＝12分：T₂＝120℃、t₂＝１分：
T₃＝変量、t₃＝変量とした場合のベーナイト変態
開始点（Bs）とベーナイト変態終了点（Bf）を
熱膨張計（Formaster Ｆ）によつて求め、その
結果を第２図のT.T.T.図において破線で示した。
また、この供試材のオーステンパー処理（T₁＝
850℃、t₁＝12分からMs点以上の温度に急冷し恒
温保持）の恒温変態（Bs）（Bf）を第２図に実線
で示した。

【表】 第２図の結果から明らかなように、本発明法に
従う引上げオーステンパー処理を行なつた場合の
Bs、Bfはオーステンパー処理（Bs）、（Bf）より
大巾に左方（短時間）に移動する。この理由は、
段階の処理を行なつたことによるマルテンサイ
ト生成に伴う過冷オーステナイトのストレツシン
グの影響によるものと考えられる。このベイナイ
ト変態の加速によつて、従来のオーステンパー処
理では望み得なかつた高速熱処理が可能となり、
段階、、を全て連続的に鋼板（帯）または
線材を通過させる連続処理ラインが好適に行ない
得る。 しかも、本発明法による場合は、オーステンパ
ー処理鋼に比べて、焼戻しマルテンサイトが存在
するベーナイトとの混合組織が得られるから、高
強度特性が靭性と共に発現され得る。以下に試験
例によつてこれを示す。 前記表１の化学成分値の鋼の冷延焼鈍板（板厚
2.0mm）を供試材とし、段階はソルトバスでT₁
＝850℃、ｔ＝12分の一定とし、段階と段階
の温度（T₂とT₃を変量とし（ただし、t₂とt₃はそ
れぞれ3.5分および２分の一定条件）、段階はオ
イルバス、段階はソルトバスによつて処理した
場合のビツカース硬度とシヤルピー衝撃値（Ｕノ
ツチ２mm）を測定し、その結果を第３図に総括し
て示した。なお、第３図において、曲線ａはT₃
＝400℃、曲線ｂはT₃＝350℃、曲線ｃはT₃＝300
℃であり、各曲線ａ、ｂ、ｃにおける記号は、◎
印はT₂＝T₃、□印はT₂＝180℃、◇印はT₂＝150
℃、〇印はT₂＝120℃、△印はT₂＝40℃、▽印は
T₂＝10℃を示している。また曲線ｄは通常の焼
入れ焼戻し処理を行なつた場合の値であり、同一
のオーステナイト化処理後に80℃のオイルバスに
焼入れし10分保持し、次いで、☆１は400℃×30
分、☆２は350℃×30分、☆３は300℃×30分、☆
４は250℃×30分の焼戻し処理をしたものである。 第３図の結果から次のことが明らかである。ま
ず第１に、ベーナイト変態を終了させることが良
好な靭性を得る上で基本的な条件となり、T₃＝
300℃、T₂＞150℃（曲線ｃの◎印、□印）では
未変態オーステナイトが多くベーナイト変態が終
了していないので、二次生成のマルテンサイトが
生じて靭性が低下する。また、この曲線ｃに見ら
れるように、T₂＝150℃付近で衝撃値が極大を示
す。これはT₂の焼入温度が低くなるにつれて過
冷オーステナイト量が低下し、ベーナイト変態の
生成量が減少したことを示している。次に、T₃
＝350℃、T₃＝400℃の場合はベーナイト変態は
終了し、初晶マルテンサイトと上部ベーナイトと
の混合組織となつており、この場合、ベーナイト
生成量が10％以上あれば、曲線ｄの焼入れ焼戻し
材に比べて、硬度（ひいては強度）と靭性特性は
極めて良好である。なお、この硬度−靭性特性図
から、初晶マルテンサイト量は60％以下とするこ
と、すなわちT₂150℃（第２図のＭ点参照）に
するのが望ましいことがわかる。 第４図は、T₃とt₃を変えた場合の特性変化を調
べたもので、T₂＝150℃（M₅₀％）の場合におい
て、ＡはT₃＝350℃、ＢはT₃＝300℃、ＣはT₃＝
280℃としたときのt₃と硬度−衝撃値の関係を示
したものである。第４図から明らかなように、
T₃温度が低くなるほど、良好な靭性を得るため
の適正な処理時間（破線）は長時間化する。本発
明の特徴の１つであるベーナイト変態加速化によ
る短時間処理の利点を損なわないようにするに
は、t₃が10分以下程度とすることが望ましいが、
このためには、第４図によりT₃は300℃以上とす
ることが必要であることがわかる。しかし、T₃
＞550℃では必要以上に焼戻しが進行して軟質化
するので、段階のT₃は300〜550℃が好適であ
る。 本発明法が適用される鋼種は、0.40〜1.10％の
炭素量の中高炭素鋼が好ましい。本発明法は高強
度鋼（TS＞100Kg／mm²、Hv＞320）を得る場合に
適用するのが有益であり、したがつて、通常のオ
ーステンパー処理や焼入れ焼戻し処理に適用され
る鋼種と本質的に相違するものではないが、過冷
オーステナイトのベーナイト変態を利用してさら
に靭性を高めるものである関係上、オーステナイ
トの安定化度が或る程度高いものでなければ本発
明の適用による効果は十分に発揮できない。すな
わち、恒温変態図におけるその材料のＳ曲線の鼻
（nose）と湾（bay）が長時間側（右）に存在し
ている程、本発明法に適する材料であると言え
る。もし、湾の位置が短時間であると焼入れ浴で
恒温変態が進行して過冷オーステナイト量が減少
することになる。このようなことから、Ｃ0.40
％が満足される成分系においてオーステナイトの
安定化を図ることが望ましい。一方、Ｃ、Si、
Mn、Ni、Ｗ、Mo等の添加元素量は、Ms点が常
温以上となる成分系の場合に適用可能であるが、
Ｃは1.10％を超える場合には本発明法を適用して
も靭性の向上効果は認められなくなる。 実施例 表２に示した化学成分値の鋼を第１図の処理パ
ターンで処理し、その組織構成と機械的性質を調
べ表３および表４の結果を得た。ただし、表３は
表２の鋼(1)についての結果であり、表４は表２の
鋼(2)の結果である。

【表】

【表】

【表】

【表】 表３および表４の結果から明らかなように、本
発明に従う３段階の処理を行なうことによつて、
強度と靭性がともに優れた高強度高靭性鋼が得ら
れる。なお、本発明法に従う場合、初晶マルテン
サイトが90％以下において、二次マルテンサイト
が生成しない焼戻しマルテンサイトとベーナイト
の混合組織となつている。強度を重視したい場合
は、この混合組織中のマルテンサイト量を増量す
ればよく、これは、T₂温度、T₃温度、t₃時間を
調整することによつて行ない得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う処理段階を示すパターン
図、第２図は本発明の引上げオーステンパー法と
従来のオーステンパー法を比較した恒温変態図、
第３図は本発明法を実施した場合のビツカース硬
度と衝撃値の関係図、第４図は本発明法のt₃時間
と衝撃値および硬さとの関係図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素を0.40〜1.10％の範囲で含有する中高炭
   素鋼を当該鋼のA₃変態点〜A₃変態点＋150℃の温
   度域に保持してオーステナイト化処理し、このオ
   ーステナイト域から当該鋼のMs点〜M₉₀％点の
   温度域に過冷オーステナイトが存在するように焼
   入したあと少なくとも10容積％以上の未変態オー
   ステナイトを保持したままでこの温度域から300
   〜550℃の温度域に再加熱し、この再加熱温度域
   において過冷オーステナイトのベーナイトへの変
   態と初晶マルテンサイトの焼戻しを行なわせるこ
   とからなる高強度高靭性鋼の製法。 ２ 鋼が帯状または線状の形状を有し全処理が連
   続ラインで実施される特許請求の範囲第１項記載
   の製法。 ３ 再加熱温度域に保持する時間は末変態オース
   テナイトの95容積％以上がベーナイトに変態する
   に要する時間である特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の製法。