JP2002167652A - 高強度・高耐疲労特性に優れた薄板材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のＴｉを含有するマルエージング鋼の薄
板材より優れた高耐疲労特性を有する薄板材を提供する
こと。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｎｉ：１
０．０〜１８．０％、Ｃｏ：８．０〜１６．０％、Ｍ
ｏ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜１．３％、Ｃ
ｒ：１．０〜３．０％、Ｔｉ：０．１０％以下、Ｓ：
０．００３０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｎ：０．
０３％以下及びＯ：０．０３％以下を含有し、残部がＦ
ｅ及び不可避的不純物からなる高強度・高耐疲労特性に
優れた薄板材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度・高耐疲労
特性に優れた薄板材、詳細には薄板金属ベルト等に用い
る０．５ｍｍ以下の高強度・高耐疲労特性に優れた薄板
材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属ベルト等の高強度・高耐疲疲
労特性が要求される薄板材は、Ｔｉを含有するマルエー
ジング鋼、すなわちＣ：０．０３％以下、Ｎｉ：１２．
０〜２５．０％、Ｃｏ：８．０〜１２．５％、Ｍｏ：
３．５〜４．８％、Ｔｉ：０．２〜１．７％及びＡｌ：
０．１〜０．３％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不
純物からなるマルエージング鋼によって製造されてい
た。

【０００３】しかし、上記マルエージング鋼は、強度が
極めて高く、また靱性が優れているとともに、被削性、
加工性及び溶接性も優れているので、多くの用途に用い
られているが、Ｔｉを含有しているため、疲労強度など
の疲労特性が十分でなく、また０．５ｍｍ以下の薄板材
に用いると、疲労特性が特に低下するという欠点があっ
た。

【０００４】近年、上記従来のマルエージング鋼の疲労
強度を改善したものに相当する高強度・高耐疲労構造用
鋼、すなわちＣ：０．３％以下、Ｎｉ：１０．０〜１
８．０％、Ｃｏ：８．０〜１６．０％、Ｍｏ：１．０〜
５．０％、Ａｌ：０．５〜１．３％、Ｃｒ：１．０〜
３．０％及びＴｉ：０．１０％以下を含有し、残部がＦ
ｅ及び不可避的不純物からなる高強度・高耐疲労構造用
鋼が開発され、米国特許第５，３９３，４８８号として
知られている。そして、上記米国特許の用途は、タービ
ンエンジンのファンと結合するファンシャフト等の鍛造
品、プレート、シート、棒鋼等の径が比較的大きいかま
たは厚みのあるものである。

【０００５】この高強度・高耐疲労構造用鋼は、従来の
マルエージング鋼の添加元素であるＴｉの代わりにＡｌ
及びＣｒを添加したもので、疲労強度を低下する原因の
Ｔｉ系非金属介在物をほとんど含有していないため、高
強度であるとともに、耐疲労強度も優れているものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のＴｉ
を含有するマルエージング鋼の薄板材より優れた高耐疲
労特性を有する薄板材を提供することを課題としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らは従来のマルエージング鋼を薄板材とし
て金属ベルト等に使用した場合、破断する原因について
調査・研究していたところ、従来のマルエージング鋼の
薄板材が破断する原因は、ＴｉＮを主体とするＴｉ系非
金属介在物にあること、このＴｉ系非金属介在物は硬
く、大きさが２０μｍ程度になること、板厚が０．５ｍ
ｍ以下、特に０．２ｍｍ以下より薄くなると上記Ｔｉ系
非金属介在物の影響が大きくなり、疲労特性が低下して
破断すること、上記米国特許の高強度・高耐疲労構造用
鋼は、Ｔｉ系非金属介在物を殆ど含んでいないため、薄
板材にしても疲労特性が低下しないことなどの知見を得
た。本発明は、これらの知見に基づいて発明をしたもの
である。

【０００８】すなわち、本発明の高強度・高耐疲労特性
に優れた薄板材においては、その成分組成をＣ：０．３
％以下、Ｎｉ：１０．０〜１８．０％、Ｃｏ：８．０〜
１６．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜
１．３％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｔｉ：０．１０％
以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｐ：０．０３０％以
下、Ｎ：０．０３％以下及びＯ：０．０３％以下を含有
し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものとする
ことである。

【０００９】さらに、本発明の高強度・高耐疲労特性に
優れた薄板材においては、その成分組成をＣ：０．３％
以下、Ｎｉ：１０．０〜１８．０％、Ｃｏ：８．０〜１
６．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜
１．３％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｔｉ：０．１０％
以下、Ｓ：０．００３０％以下及びＰ：０．０３０％以
下、Ｎ：０．０３％以下及びＯ：０．０３％以下を含有
し、更にＶ：０．１〜５％、Ｎｂ：０．１〜５％及びＴ
ａ：０．１〜５％のうちの１種又は２種以上を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものとすること
である。

【００１０】また、本発明の高強度・高耐疲労特性に優
れた薄板材においては、その用途を薄板金属ベルト用に
することである。本発明でいう薄板材とは、Ｔｉ系非金
属介在物の影響が特に顕著になる０．５ｍｍ以下のもの
のことである。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の高強度・高耐疲労特性に
優れた薄板材において成分組成を上記のようにする理由
を説明する。 Ｃ：０．３％以下 従来のマルエージング鋼においては、Ｃは、Ｔｉと結合
してＴｉ炭化物を形成し、強度、延性及び靱性を低下す
るので、０．０３％以下にすることが要求されていた。
しかし、本発明の高強度、高耐疲労構造用鋼において
は、Ｃは、時効によりＣｒ及びＭｏと結合して炭化物を
析出させ、二次硬化をさせるので、そのために含有させ
る元素であるが、０．３％を超えると硬くなり過ぎて機
械加工が困難になると共に、延性及び靱性が低下するの
で、その含有量を０．３％以下とする。好ましい含有量
は、０．１５〜０．２５％であり、よりに好ましい含有
量は、０．１８〜０．２２％である。

【００１２】Ｎｉ：１０．０〜１８．０％ Ｎｉは、マトリックスをオーステナイトにし、固溶化熱
処理温度から室温まで放冷することによりマトリックス
をマルテンサイトにして強度及び靱性を向上させ、延性
─靱性遷移温度を高くすると共に、時効によりＭｏ、Ａ
ｌと金属間化合物を析出し、二次硬化させるので、その
ために含有させる元素である。それらの作用効果を得る
ためには１０．０％以上含有させる必要があるが、１
８．０％を超えると固溶化熱処理温度から室温まで放冷
してもオーステナイトが残って全体がマルテンサイトに
ならないので、その含有量を１０．０〜１８．０％にす
る。

【００１３】Ｃｏ：８．０〜１６．０％ Ｃｏは、時効効果特性を高めて強度を向上させると共
に、マルテンサイ変態温度を高めて、マルテンサイ変態
をし易くするので、それらのために含有させる元素であ
る。それらの作用効果を得るためには８．０％以上含有
させる必要があるが、１６．０％を超えると、効果が飽
和し、コストも高くなるので、その含有量を８．０〜１
６．０％にする。

【００１４】Ｍｏ：１．０〜５．０％ Ｍｏは、時効によりＮｉと化合して金属間化合物（Ｎｉ
₃ Ｍｏ）を析出し、またＣｒと共にＣと結合して炭化物
を析出し、二次硬化させるので、それらのために含有さ
せる元素である。それらの作用効果を得るためには１．
０％以上含有させる必要があるが、５．０％を超えると
延性及び靱性を低下させるので、その含有量を１．０〜
５．０％にする。

【００１５】Ａｌ：０．５〜１．３％ Ａｌは、溶製時の脱酸剤であると共に、時効によりＮｉ
と化合して金属間化合物（ＮｉＡｌ等）を析出して二次
硬化させるので、それらのために含有させる元素であ
る。それらの作用効果を得るためには０．５％以上含有
させる必要があるが、１．３％を超えると延性及び靱性
を低下させるので、その含有量を０．５〜１．３％にす
る。

【００１６】Ｃｒ：１．０〜３．０％ Ｃｒは、Ｍｏと共にＣと化合して炭化物を析出し、二次
硬化させると共に、マトリックスに溶解して耐腐食性を
高めるので、それらのために含有させる元素である。そ
れらの作用効果を得るためには１．０％以上含有させる
必要があるが、３．０％を超えると延性及び靱性を低下
させるので、その含有量を１．０〜３．０％にする。

【００１７】Ｔｉ：０．１０％以下 Ｔｉは、上記のようにＣ、Ｎなどと結合してＴｉ系非金
属介在物を形成し、疲労強度などの疲労特性を低下させ
る元素であるので、その含有量を０．１０％以下にす
る。好ましい含有量は０．０１０％以下である。

【００１８】Ｓ：０．００３０％以下 Ｓは、被削性を改善させる元素であるが、ＭｎＳを形成
し、靱性及び疲労強度を低下させるので、その含有量を
０．００３％以下にする。その好ましい含有量は０．０
０２０％以下、より好ましい含有量は０．０００５％以
下である。 Ｐ：０．０３０％以下 Ｐは、靱性及び疲労強度を低下させるので、その含有量
を０．０３０％以下にする。好ましい含有量は０．００
４０％以下である。

【００１９】Ｎ：０．０３％以下 Ｎは、Ｔｉなどと化合してＴｉ系非金属介在物を形成し
て疲労強度などの疲労特性を低下させるので、その含有
量を０．０３％以下にする。好ましい含有量は０．００
２％以下である。 Ｏ：０．０３％以下 Ｏは、Ａｌなどと化合して非金属介在物を形成し、疲労
強度などの疲労特性を低下させるので、その含有量を
０．０３％以下にする。好ましい含有量は０．００１％
以下である。

【００２０】次に、本発明の薄板材及び薄板金属ベルト
について説明する。 本発明の薄板材について 従来のＴｉを含有するマルエージング鋼は、Ｔｉ系非金
属介在物が２０μｍ程度になるものがあるため、板厚が
０．５ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以下になると上記Ｔｉ
系非金属介在物の影響が大きくなり、疲労特性が特に低
下している。一方、本発明の薄板材は、Ｔｉを含有して
いないため、板厚が薄くなっても疲労特性が特に低下す
ることがないので、従来のＴｉを含有するマルエージン
グ鋼に比較して板厚が０．５ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ
以下になると疲労特性がより優れたものとなる。そこ
で、本発明の薄板材は、その板厚を０．５ｍｍ以下、よ
り好ましくは０．２ｍｍ以下とした。

【００２１】本発明の薄板材の適した用途である薄板金
属ベルトについて 薄板金属ベルトは、高強度で高疲労特性が必要な製品に
用いられるもので、現在の代表的な製品は、無断変速機
用ベルトである。このベルトは厚さ０．１〜０．４ｍｍ
のものを数枚重ね両端を溶接してベルト状にしたもので
ある。

【００２２】次に、本発明の高強度・高耐疲労特性に優
れた薄板材の製造方法及び熱処理についてその例を説明
する。本発明の高強度・高耐疲労特性に優れた薄板材
は、不純物の少ない原料を真空誘導炉で溶解し、鋳造し
てインゴットを製造し、またはリサイクル鉄および合金
等の溶解原料をエルー式アーク炉により大気溶解及び精
錬し、溶鋼を加熱装置及び真空装置の付いた取鍋精錬炉
に移して真空精錬し、鋳造してインゴットを製造する。
この真空誘導炉またはアーク炉などにより製造したイン
ゴットを用いてエレクトロスラグ再溶解法または真空ア
ーク再溶解法により溶解し、凝固させて再溶解インゴッ
トを製造する。その後このインゴットを約１１５０〜１
３００℃の温度範囲で約２４〜７２時間加熱してソーキ
ングした後空冷し、その後熱間加工又は冷間加工により
所望の製品形状に加工する。製品は最終製品に加工され
た後、約８５０〜９５０℃で約１時間固溶化して空冷
し、必要に応じて約８４０℃から油焼入れし、その後約
１５０〜５１０℃で約５時間加熱し、その後空冷する時
効処理を行うことによって製造することができる。

【００２３】

【実施例】実施例１ くず鉄の溶解原料をエルー式アーク炉により大気溶解及
び精錬して溶鋼にし、この溶鋼を加熱装置及び真空装置
の付いた取鍋精錬炉に入れて真空精錬し、鋳造してイン
ゴットを製造し、その後このインゴットを用いて真空ア
ーク再溶解法により直径５１０ｍｍの鋳型に再溶解し、
凝固させて下記表１に記載した本発明例及び比較例の成
分組成のインゴットを製造した。その後上記インゴット
を１１５０〜１２００℃の温度範囲で２４時間加熱する
ソーキングをして均質化した。この均質化したインゴッ
トを熱間鍛造及び熱間圧延により板厚４ｍｍの板材に
し、その後冷間圧延して板厚０．１５ｍｍの薄板材にし
た。その後９００℃で６０分間固溶化した後空冷し、２
００℃で５時間加熱し、空冷する時効処理を行った。

【００２４】

【表１】

【００２５】上記の方法で製造し、上記条件で熱処理し
た薄板材からベルト試験片（ベルト）を作成し、下記方
法で回転曲げ繰り返し疲労試験をした。その結果を上記
表１に記載した。 繰り返し曲げ疲労試験 ロール径がφ５５ｍｍの２個のロールを間隔を空けて設
け、これらのロールにベルト状にした試験片を掛け、両
ロールが開くように４，０００ｗの引張荷重をかけ、ロ
ールを回転して試験をした。

【００２６】表１の結果より、本発明例のものは、いず
れも繰り返し曲げ疲労試験において、破断するまでの曲
げ回数が１０⁸ 回以上であった。またＳが非常に少ない
本発明例１は、破断するまでの曲げ回数が１０⁹ 回以上
であった。これに対して、比較例１のＴｉを含有する従
来のマルエージング鋼は、破断するまでの曲げ回数が５
×１０⁶ 回であり、Ｓが本発明より多い比較例２のもの
は、破断するまでの曲げ回数が７×１０⁶ であり、また
Ｎが本発明より多い比較例３はものは、破断するまでの
曲げ回数が３×１０⁶ であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明の高強度・高耐疲労構造用鋼の薄
板材は、上記構成にしたことにより、耐疲労特性が従来
のマルエージング鋼に比較して非常に優れたものとなる
という優れた効果を奏する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で（以下同じ）、Ｃ：０．３％以
   下、Ｎｉ：１０．０〜１８．０％、Ｃｏ：８．０〜１
   ６．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜
   １．３％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｔｉ：０．１０％
   以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｐ：０．０３０％以
   下、Ｎ：０．０３％以下及びＯ：０．０３％以下を含有
   し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴
   とする高強度・高耐疲労特性に優れた薄板材。
2. 【請求項２】 Ｃ：０．３％以下、Ｎｉ：１０．０〜１
   ８．０％、Ｃｏ：８．０〜１６．０％、Ｍｏ：１．０〜
   ５．０％、Ａｌ：０．５〜１．３％、Ｃｒ：１．０〜
   ３．０％、Ｔｉ：０．１０％以下、Ｓ：０．００３０％
   以下及びＰ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０３％以下及
   びＯ：０．０３％以下を含有し、更にＶ：０．１〜５
   ％、Ｎｂ：０．１〜５％及びＴａ：０．１〜５％のうち
   の１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的
   不純物からなることを特徴とする高強度・高耐疲労特性
   に優れた薄板材。
3. 【請求項３】 上記薄板材が薄板金属ベルト用であるこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高強度・高
   耐疲労特性に優れた薄板材。