JPH03243745A - 耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、１４０　ｋｇｆ／ｍ−以上の引張り強さを有
し、且つ耐遅れ破壊性に優れた高張力ボルトやＰＣ鋼棒
、更には大型機械用の高張力鋼板などの機械構造用鋼に
関するものである。

更に詳細には本発明は、構造物の大型化に伴い自重の軽
減と断面減少による材料と旅行費の節約によって経済性
の向上が要求されつつある量産鋼である高張力鋼、更に
は構造物、機械部品などの高性能化、軽量化に伴って高
応力に耐え、しかも比強度の高いことの要求される強力
鋼および超強力鋼に関するものである。

（従来の技術） 近年、特に構造物の大型化、自動車やトラック、土木機
械等の軽量化に伴い引張り強さが１４０　ｋｇｆ／閤２
以上２以上構造用鋼、特に高張力ボルトやＦＣ鋼棒の開
発が要求されてきている。

従来、一般に１００　ｋｇｆ／ａｍ”以上の引張り強さ
を有する機械構造用強靭鋼は、例えば、０．３５％Ｃ−
１，０％Ｃｒ−０，２％Ｍｏの組成を有するＪＩＳ　Ｇ
　４１０５　ＳＣＭ４３５低合金鋼や、０．３１％Ｃ−
Ｏ，Ｓ％Ｃｒ−１．８％Ｎｉ−０，２％Ｍｏの組成を有
するＪＩＳ　Ｇ４１０３５Ｎ（１：Ｍ４３１の低合金鋼
や、さらに０．２％Ｃ−０，８％Ｃｒ−０，００２％Ｂ
の組成を有するボロン鋼などの熱延材に焼入れ焼戻し処
理を施すことによって製造されている。

しかし、これらの機械構造用強靭鋼を実用に供した場合
、１２５　ｋｇｆ／ａｓ２以上の引張り強さを有するも
のにおいては、使用中に遅れ破壊を生しる場合があるこ
とから、高張力ボルトやＰＣ１ｉ棒をはしめとして自動
車や土木機械の重要保安部品としては品質の安定性に欠
けるという問題があった。

なお、遅れ破壊とは、静荷重下におかれた鋼がある時間
経過後に突然脆性的に破断する現象であり、外部環境か
ら鋼中に侵入した水素による一種の水素脆性とされてい
る。

このようなことから上記の機械構造用鋼においては、実
用上その強度レヘルが引張り強さで１２５ｋｇ　ｆ　／
　ｍｕ　”以下に制限されているのが現状であり、例え
ば高力ボルトに関しては、ＪＩＳ　８１１８６（１９７
９）の「摩擦接合用高力六角ボルト、六角ナンド、平座
金セント」においてＦ８Ｔ　（引張り強さ：８０〜１０
０ｋｇｆ／ｍｍ”）　、Ｆ　１０　Ｔ　（同１００１０
０−ｌ２０／ｎｍ＋”）、及びＦＬＩＴ（同１１０〜１
３０　ｋｇｆ／ａｍ”　）の３種に規定され、しかもＦ
ｌｌＴについては、なるべく使用しないことと注意事項
が付されている。また、土木建設機械用として耐摩耗性
の要求される鋼板においても引張り強さが１２５　ｋｇ
ｆ／ｍ２を超えるものでは使用中の遅れ破壊が問題とさ
れている。

これに対して、上記の通常の低合金鋼より耐遅れ破壊性
の優れた鋼として、例えば１８％Ｎｉ　−７，５％Ｃｏ
−５％Ｍｏ−０，５％Ｔｆ−０．１％ＡＩの組成を有す
る１８％Ｎｉマルエージング鋼があり、この鋼は、弓張
り強さが１５０　ｋｇｆ／ｍｍ２程度のものまで遅れ破
壊の発生の恐れなく使用できるが、きわめて高価な鋼で
あるため、経済性の点で一部のきわめて限られた用途に
しか実用化されておらず、機械構造用として広く使用さ
れるには至っていない。

これに対して、経済的であり、高強度且つ耐遅れ破壊性
に優れた構造用鋼として、例えば特開昭６１−１１７２
４８号、特開昭６１−１３０４５６号、特開昭６２−８
６１４９号、特開昭６３＝１９９８２０号、特開昭６４
−４７８３５号、及び特開平１−９６３５４号等の各公
報に各種収骨の高強度鋼及びそれらの製造法が提案され
ている。

しかしながら、これらの１２５　ｋｇｆ／ｍ−を超える
引張り強さを有する鋼でも、例えば橋梁用高張力ボルト
に使用できるほど完全に遅れ破壊の発生する危険を払底
できるものではなく、それらの適用範囲は不確定で十分
なものではない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記した産業界の要求に答えるべく、１４０　
ｋｇｆ／ｍ＋ｎ”以上の引張り強さを有し且つ耐遅れ破
壊性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的とする
。

更に本発明の目的を詳細に説明すると、例えば橋梁用高
張力ボルト等と異なり、定期的な補修或いは取替えを前
提とし、一定期間例えば２０００時間以内の遅れ破壊の
発生の恐れのない１４０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上の引張り
強さを有する機械構造用鋼を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） 上記した本発明の目的を達成するために、本発明者等は
、鋭意実験・研究を重ねた結果、２０００時間以上の期
間にわたり遅れ破壊が発生せず、且つ１４０　ｋｇｆ／
ａｍ”以上の引張り強さを有する鋼を得るためには、以
下に示す条件を満足することが有効であることを知見し
た。

（ａ）　　低Ｐ、低Ｓ化にして更に低Ｍｎ、低Ｓｉ、低
Ｃｒ化することにより、粒界偏析の著しい軽減化が行わ
れ、それによって粒界が極めて強化されて耐遅れ破壊性
が大きく改善されること。

（ｂ）　　ＮｉとＭｏ、　Ｖ及びＮｂとを複合添加すれ
ば鋼の細粒化が著しく促進され、それに伴う粒界偏析の
軽減が耐遅れ破壊性の改善に有効であること。

（Ｃ）　　上記のＮｉとＭｏ、　Ｖ及びＮｂとの複合添
加は、また鋼の焼戻し軟化抵抗を著しく高め、それによ
って高い焼戻し温度の採用が可能となり、耐遅れ破壊性
の改善に有効であること。

本発明はかかる知見に基づいて成されたものであり、そ
の要旨は、重量％で、Ｃ：　０．３５〜０．５０％、Ｓ
ｉ　：　０．２０％以下、Ｍｎ　：　０．３５％以下、
Ｐ　：　０．０１２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ
　：　１．０〜３．０％、Ｃｒ：０．２５％以下、Ｍｏ
　：　０．４０〜１．５％、Ｖ　：　０．０５〜０．５
０％、Ｎｂ　：　０．００５〜０．２０％、Ａｔ　：　
０．００５〜０．１０％を含有し、必要に応して更に、 ■　Ｃｕ　：　０．０５〜０．６０％ ■　Ｚｒ　：　０．１５％以下、Ｔｉ　：　０．１０％
以下の１種又は２種 の１区分又は両区骨を含み、残部は実質的にＦｅ及び不
可避的不純物からなる耐遅れ破壊性に優れた機械構造用
鋼である。

（作　　用） 以下に、本発明における鋼の成分組成の限定理由につい
て述べる。

Ｃ：Ｃは鋼の焼入性増加、強度増加に加えて結晶粒の細
粒化のためにも有効な成分であるが、その含有量が０．
３５％未満では焼入性劣化を来たし、又所望の強度を確
保することが出来ない。一方、０．５０％を超えて含有
させると焼入れ時の焼割れ感受性が増加し、また他の合
金成分と関連して靭性劣化をも招くことから、本発明で
はその含有量を０．３５〜０．５０％とした。

Ｓｉ：Ｓｉは鋼の脱酸及び強度増加のために有効な元素
であるが、多量に添加すると粒界脆化をきたして遅れ破
壊の発生を促進する。従って耐遅れ破壊性の改善を目的
とする本発明ではＳｉの含有量を低く抑えて０．２０％
以下とした。

Ｍｎ　：　Ｍｎは脱酸の他、焼入性向上に有効な元素で
あるが、多量に添加すると粒界に旧の酸化物を生成する
ことにより、また粒界でのＰやＣｒとの共偏折により、
粒界脆化現象が生して遅れ破壊の発生を促進する。

さらに、ＭｎはＳと結合してＭｎＳを形威し、これが割
れの起点となることからも、耐遅れ破壊性の改善のため
には極力その含有量を低下させなければならない。従っ
て、耐遅れ破壊性の改善を目的とする本発明ではＭｎの
含有量を０．３５％以下とした。

ＦＤＰはいかなる熱処理を施してもその粒界偏析を完全
に消滅することはできず、かつ、粒界強度を低下させ耐
遅れ破壊性を劣化させるため、その上限を０．０１２％
とした。

ＳＯ３は上述したように旧と結合して割れの起点となり
、さらに単独でも粒界に偏析して脆化を促進するため、
極力その含有量を低く制限することが必要である。従っ
て、本発明ではＳを０．０１％以下とした。

Ｎｉ：Ｎｉは鋼の焼入性と靭性を向上させ、且つ特にＭ
ＯｌＶ、Ｎｂとの複合添加で著しく鋼を細粒化し、焼戻
し軟化抵抗も著しく高めるので耐遅れ破壊性の改善に極
めて有効な元素である。しかし、その含有量が１．０％
未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方、３．
０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、且つコス
ト的に高くつくので、本発明ではその含有量を１．０〜
３．０％とした。

Ｃｒ　：　Ｃｒは鋼の焼入性と強度増加のために有効な
元素であるが、多量に添加すると粒界でＰやＭｎとの共
偏析により、粒界脆化現象を生じて遅れ破壊の発生を促
進する。従って、耐遅れ破壊性の改善を目的とする本発
明では、Ｃｒの含有量を低く抑えて０．２５％以下とし
た。

Ｍｏ　：　Ｍｏは鋼の焼入性を向上させ、且つ鋼に焼戻
し軟化抵抗を付与する作用があり、特にＮｉ、　Ｎｂ、
■との複合添加で焼戻し軟化抵抗を著しく増大させ、高
い焼戻し温度で安定して１４０　ｋｇｆ／■２以上の高
い引張り強さが得られ、また鋼が著しく細粒化するので
耐遅れ破壊性の改善に有効である。しかし、その含有量
が０．４０％未満では、前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方、１．５％を超えて添加してもその効果は飽和
し、コストの上昇を招くだけであるため、本発明ではそ
の含有量を０．４０〜１．５％とした。

Ｖ：ｖは鋼を細粒化し、さらに析出硬化して鋼の強度を
向上させる作用を有し、特にＮｉ、　Ｍｏ、　Ｎｂとの
複合添加でそれらの作用が著しくなり、細粒化と高温焼
戻しの効果で耐遅れ破壊性の改善にも有効な元素である
が、０．０５％未満では前記効果が得られず、０．５０
％を超えて含有させると効果が飽和する上に却って靭性
の劣化を招く場合があることから、本発明ではその含有
量を０．０５〜０．５０％と定めた。

Ｎｂ　：　Ｎｂは鋼の強度、靭性の向上と細粒化に対し
て効果を有し、特にＮｉ、　Ｍ◇、■との複合添加で著
しく鋼を細粒化し、焼戻し軟化抵抗も著しく高めるので
耐遅れ破壊性の改善に極めて有効な元素である。しかし
ながら、その効果を確保するためには、０．００５％以
上の添加が必要である。

一方、０．２０％を超えて添加するとその効果は飽和し
、かつコスト的に高くつくので、本発明ではその範囲を
ｏ、ｏｏｓ〜０．２０％とした。

Ａｌ　：　Ａｌは鋼の脱酸の安定化、均質化および細粒
化を図るのに有効であるが、ｏ、ｏｏｓ％未満では所望
の効果を得ることができず、一方、０．１０％を超えて
含有させてもその効果は飽和してしまい、また介在物の
増大により疵が発生し、靭性も劣化するので、本発明で
はその含有量を０．００５〜０．１０％とした。

Ｃｕ　：　Ｃｕは外部環境からの鋼中への水素の侵入を
抑制し、また鋼の焼戻し軟化抵抗を付与して高い焼戻し
温度の採用を可能とすることによって、耐遅れ破壊性を
一層改善させる効果を有するため、特に高強度の鋼の場
合に高い耐遅れ破壊性を確保する目的で含有させるが、
０．０５％未満ではその効果が小さく、一方、０．６０
％を超えて含有させると、熱間加工性及び靭性の劣化を
きたすので本発明ではその含有量を０．０５〜０．６０
％とした。

Ｚｒ　：　Ｚｒは鋼中に炭化物を球状微細に分散させて
耐遅れ破壊性を一層改善させる効果を有するため、特に
高強度の綱の場合に、高い耐遅れ破壊性を確保する目的
で含有させるが、０．１５％を超えて含有させると靭性
劣化をきたすので、本発明ではその含有量を０゜１５％
以゛下と定めた。

Ｔｉ　：　Ｔｉは鋼の細粒化と高強度化に効果を有する
ため、高強度を確保する目的で添加するが、０．１０％
を超えて含有させると鋼の靭性及び被削性が劣化するよ
うになるので、本発明ではその含有量を０．１０％以下
と定めた。

（実　施　例） 次に、本発明を実施例により比較例と対比しながら説明
する。なおこれらの実施例は本発明の効果を示す例示で
あって、本発明の技術的範囲を何等制限するものでない
ことは勿論である。

先ず通常の方法によって下記第１表に示す成分組成の鋼
（符号Ａ−０）を溶製した。

鋼Ａ〜■は、本発明の範囲内の組成を有しているもので
、鋼Ｊ−０は第１表中＊印を付した点において本発明の
範囲から外れたものである。

これらの溶製鋼を連続鋳造法、或いは鋼塊法にて鋼片と
なした後、１２００−１２５０″ｃに加熱Ｌテ１５ｍｍ
厚に圧延し、これを８７０−１０２０″Ｃの温度から、
圧延後直ちに焼入れを施す直接焼入れ、あるいは前記し
た温度域に再加熱した後焼入れを施す再加熱焼入れを施
した後、２３０〜６５０’Ｃ（ＤＡ度域で焼戻しして、
遅れ破壊特性を調査し、その結果を下記第２表に示した
。

なお、遅れ破壊の発生有無の確認は、第１図に示すくさ
び挿入型の遅れ破壊試験方法によった。

すなわち、第１図（イ）に示すような形状、寸法の試験
片のノツチ部（第１図（ロ）に示す）に第１図（ハ）に
示すようなくさびを挿入して静荷重をかけ、これを５５
°Ｃに保持した温水中に入れ、割れの発生の時間を観察
した。なお、図中において、数字は閣の単位の長さを示
す。

試験環境として、５５℃の温水中は、実使用環境の最も
厳しい環境に相当する。従って、得られた遅れ破壊時間
は、実使用のうちもっとも厳しい環境での遅れ破壊発生
時間に相当すると考えられる。

なお、耐遅れ破壊性の一つの判断基準を２０００時間と
した。この２０００時間を一つの判断基準としたのは、
１．５ケ月を機材の定期的な補修あるいは点検期間と仮
定し、その約半分の誤差を見積もったからである。

第２表より、本発明鋼は遅れ破壊発生時間が長く、耐遅
れ破壊性に優れていることが明らかである。

（発明の効果） 以上述べた如く、本発明によると、１４０　ｋｇ　ｆ　
／　ｍｍ　２以上の引張り強さを有し、かつ２０００時
間以上の期間にわたり遅れ破壊を発生しない機械構造用
鋼を得ることができ、前述したように定期的補修または
取替えを前提とし、必要な耐遅れ破壊性の程度の明確な
用途の鋼材、例えば大型ブルドーザ−のシューボルトな
どには、本発明による機械構造用鋼を広範囲に使用でき
る。すなわち、本発明鋼は遅れ破壊発生時間が長く、耐
遅れ破壊性に優れた鋼である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例で実施した遅れ破壊試験で用いた試験
片と、くさびの形状および寸法を示す図であり、（イ）
は試験片を示し、（ロ）は試験片のノツチ部の詳細を示
し、（ハ）は試験片のノツチ部に挿入して負荷を加える
ためのくさびを示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．３５〜０．５０％、Ｓｉ：０
   ．２０％以下、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｐ：０．０１２
   ％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：１．０〜３．０％
   、Ｃｒ：０．２５％以下、Ｍｏ：０．４０〜１．５％、
   Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．２
   ０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有し、残部は
   実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴と
   する耐遅れ破壊性に優れた機械構造用鋼。
2. （２）成分元素として、更にＣｕ：０．０５〜０．６０
   ％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐遅れ破
   壊性に優れた機械構造用鋼。
3. （３）成分元素として、更にＺｒ：０．１５％以下、Ｔ
   ｉ：０．１０％以下の１種又は２種を含有することを特
   徴とする請求項１又は２記載の耐遅れ破壊性に優れた機
   械構造用鋼。