JPH06271930A

JPH06271930A - 疲労特性に優れた高強度高靭性鋼の製法

Info

Publication number: JPH06271930A
Application number: JP8247093A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tagashira; 聡田頭; Shoichi Kadani; 昇一甲谷; Toshiro Yamada; 利郎山田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1994-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】強度延性に優れ且つ良好な疲労特性を有する
高強度鋼靭性鋼を得る。【構成】Ｃ：0.4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重量％,
Ｍn：0.1〜3.0重量％を必須元素として含有し，場合に
よってさらに，Ｃr：0.1〜3.0重量％，Ｎi：0.2〜2.0重
量％, Ｍo,Ｖ,Ｎb,Ｗの１種または２種以上：0.05〜2.0
重量％を含有し，残部がＦeおよび不可避的不純物から
なる鋼をＡc₃点以上の温度に加熱してオーステナイト化
した後, この温度からＭs点以上５００℃以下の温度域
に冷却しこの温度域に所要の時間保持してベイナイトと
体積率１０％以上の残留オーステナイトを主相とする複
合組織を生成せしめ，得られた複合組織の鋼の表面をシ
ョットピーニング処理して表層部の残留オーステナイト
相を歪誘起変態させることからなる疲労特性に優れた高
強度高靭性鋼の製法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，ショットピーニングに
よって強靱鋼の表面に高い圧縮残留応力を付与する高強
度高靭性鋼の製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ショットピーニング加工は，鋼球などの
ショット材を材料表面に高速で衝突させることによって
表面層に塑性変形を加える加工方法である。塑性変形層
が表層に限られることから，ショットピーニング加工後
には材料の表面には圧縮残留応力が発生するが，圧縮残
留応力の発生は多くの場合疲労特性の向上をもらたす。
このため，ショットピーニング加工を用いて積極的に疲
労特性を向上させようとする試みが数多くなされてい
る。

【０００３】鋼材の場合，疲労特性が重視される歯車や
バネなどには工業的にはほとんどのケースでショットピ
ーニングが利用されているのが現状であり，ショットピ
ーニング加工を施す対象材料としては浸炭焼入材が多く
用いられる。特公平1-306521号公報や特公平1-306545号
公報は，歯車に浸炭焼入を施して表層に残留オーステナ
イトを生成させ，これにショットピーニングを施して疲
労特性を改善する方法を開示する。

【０００４】浸炭焼入材は表層の浸炭層に高濃度の炭素
原子が固溶しているために，内部に比べて多量の残留オ
ーステナイトが存在する。従って, ショットピーニング
加工による表層の塑性変形に伴う硬さの上昇と圧縮残留
応力の発生に加えて, 表面の浸炭層の残留オーステナイ
トが歪誘起変態するさいの圧縮残留応力が重畳し，非常
に大きな圧縮残留応力が得られる。

【０００５】浸炭層中の残留オーステナイトを歪誘起変
態させると圧縮残留応力が発生するのは次のような理由
による。すなわち，浸炭焼入後の残留オーステナイトは
室温では準安定相であり, 熱的, 機械的外因によってマ
ルテンサイトに変態する。マルテンサイト変態は体積膨
張を伴うので，組織中の残留オーステナイトがマルテン
サイトに変態すると周囲の相に圧縮応力を与える。浸炭
焼入材の場合, 残留オーステナイトは表面に多く存在す
るため，なんらかの方法で表層の残留オーステナイトの
みをマルテンサイト変態せしめることができれば大きな
圧縮残留応力を発生させることができるのである。

【０００６】従って，表層のみに塑性変形を与えること
を特徴とするショットピーニング加工は，浸炭焼入材に
圧縮残留応力を発生させるために非常に有効な方法であ
る。このように，浸炭焼入材を用いてショットピーニン
グ加工を施すことで，表面に大きな圧縮残留応力を発生
せしめることができ，疲労特性の大幅な向上など機械的
性質の改善に大きな効果がもたらされる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし，浸炭焼入材に
ショットピーニング加工を施す場合には，浸炭処理中に
浸炭異常層が生成するとショットピーニングの効果が現
れ難くなるという問題がある。また，浸炭層中の残留オ
ーステナイトは安定度が低いので残留オーステナイト量
の経時変化が起こり, このため寸法や形状に狂いが生じ
やすいという問題がある。

【０００８】加えて，浸炭焼入した材料そのものはかな
り硬質であるため，用途が限られるという問題がある。
すなわち，曲げなどの成型性が悪くまた衝撃靭性に劣る
等，材料自体の延・靭性に欠けており，歯車のように加
工後に浸炭焼入れの熱処理を施す場合には適している
が，熱処理後に曲げ等の加工を付与する部品や衝撃荷重
の加わる部品に適用するのは困難である。そして浸炭焼
入処理は長時間の工程と浸炭ガスなど厳密なライン管理
を必要とするために，コストの上昇を招くことは否めな
い。

【０００９】本発明は，以上のような浸炭焼入材に付随
する数々の問題点を解決することを目的としたものであ
り，単純な熱処理工程のみで製造可能であり, 安定した
ショットピーニング効果が得られ, かつ曲げなど加工性
と衝撃靭性を具備し，ショットピーニングによって大き
な圧縮残留応力を発生することのできる高強度高靭性鋼
材の開発を意図したものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，Ｃ：0.
4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重量％, Ｍn：0.1〜3.0重
量％を必須元素として含有し，場合によってはさらにＣ
r：0.1〜3.0重量％，Ｎi：0.2〜2.0重量％, Ｍo,Ｖ,Ｎ
b,Ｗの１種または２種以上：0.05〜2.0重量％を含有
し，残部がＦeおよび不可避的不純物からなる鋼をＡc₃
点以上の温度に加熱してオーステナイト化した後, この
温度からＭs点以上５００℃以下の温度域に冷却しこの
温度域に所要の時間保持してベイナイトと体積率１０％
以上の残留オーステナイトを主相とする複合組織を生成
せしめ，得られた複合組織の鋼の表面をショットピーニ
ング処理して表層部の残留オーステナイト相を歪誘起変
態させることからなる疲労特性に優れた高強度高靭性鋼
の製法を提供する。該複合組織の鋼をショットピーニン
グ処理した表層部は500N/mm²以上の圧縮残留応力を有す
る。

【００１１】

【作用】本発明に従う鋼がショットピーニング加工によ
って大きな圧縮残留応力の発生をみるのは，ベイナイト
と残留オーステナイトの混合組織における残留オーステ
ナイトの歪誘起変態によるものである。その残留オース
テナイトは，浸炭焼入材の場合には浸炭処理によって表
層に非常に高濃度の炭素原子を濃縮させることによって
得られていたのに対して，Ｓi含有鋼のベイナイト変態
に特有のセメンタイトを含まないベイニティックフエラ
イトの生成と，それに伴う未変態オーステナイト中への
炭素原子の濃縮現象によって残留オーステナイトを得て
いることが本発明の特徴である。

【００１２】まず，本発明に従う鋼がオーステンパー熱
処理によって残留オーステナイトを生成する挙動は次の
とおりである。Ｓiを多量に含む炭素鋼をベイナイト変
態させた場合，Ｓiが炭化物の生成を抑制する作用を有
するために未変態オーステナイト中にベイニティックフ
エライト中の炭素原子が排出される。このために未変態
オーステナイト中の炭素濃度は上昇し，マルテンサイト
変態温度（Ｍs点) が室温以下にまで低下する。この時
点以降（恒温変態以降）では鋼を室温まで冷却してもマ
ルテンサイトは生成せず，ベイナイトと残留オーステナ
イトの混合組織が得らる。

【００１３】こうして生成した残留オーステナイトは室
温では準安定相であり，熱的, 機械的な外因を与えると
マルテンサイトに歪誘起変態を起こすことができる。残
留オーステナイトの歪誘起変態は，ある条件のもとで非
常に良好な延性をもたらす。これをＴＲＩＰ (Transfor
mation Induced-Plasticity：変態誘起塑性) 現象と呼
び, 特公昭58-42246号公報や特開平3-215623号公報で
は，この現象を利用した高延性鋼の製造方法が示されて
いる。

【００１４】本発明者等が注目したのは, Ｓiを多量に
含む炭素鋼をベイナイト変態させたときに得られる残留
オーステナイトは, ショットピーニング加工によっても
歪誘起変態を起こし得ること，また，その時にマルテン
サイト変態に伴う体積膨張によって圧縮残留応力が発生
すること，さらには，この鋼に含まれる残留オーステナ
イトは強度延性バランスの向上にも有効に働き, 曲げや
軽度の絞り加工なども可能であることである。

【００１５】本発明によれば，従来は浸炭焼入鋼にショ
ットピーニング加工を施し, 圧縮残留応力を導入して疲
労特性の向上を図ってきたところを, 単純なオーステン
パー熱処理鋼にショットピーニング加工を施すため，熱
処理工程が大幅に簡略化できる。さらに浸炭焼入処理を
行った部品は硬質で靭性に乏しかったが，本発明の場合
には残留オーステナイトのＴＲＩＰ現象によって素材自
体の靭性が極めて高いので，部品加工後の軽度の成型性
も確保できる。このように, 本発明はショットピーニン
グ処理に供する素材として最適の特性を持つものである
と考えられ，工業上極めて有用である。

【００１６】以下に, 本発明法を適用する鋼の各合金元
素の作用と添加量範囲について個別に説明する。

【００１７】Ｃはオーステナイト安定化元素であり，ベ
イナイト変態を起こさせるに不可欠な元素である。その
含有量は最終的に生成する残留オーステナイト（以下，
γ_Rと略記することがある）量に大きく影響し，Ｃ含有
量が 0.4％以下ではγ_Rを含有した状態で高強度を得る
ことができない。また，Ｃ量が 1.2％以上では生成する
γ_R量が多すぎ, ＹＳが著しく低下するのみか，材料の
靭性もかえって低下してしまう。従って, 適切なγ_R量
を含みつつ高い強度を得た上で, その後のプリストレス
加工に供するためには，Ｃ量は 0.4〜1.2％の範囲にす
る必要がある。

【００１８】Ｓiは炭化物の生成を抑制する元素であり,
Ｃ濃度の高い安定なγ_Rを得るうえで極めて有効に作用
する。Ｓi量が 1.0％未満では上記の効果は希薄であ
り，反対にＳi量が3.0％を超えるとベイナイト変態が著
しく抑制されるばかりでなく,熱間圧延−冷間圧延等の
製造性が悪くなる。従って, Ｓi量は 1.0〜3.0％の範囲
に限定される。

【００１９】Ｍnは, オーステナイト安定化元素であ
り，焼入れ性を向上させることによってパーライト等の
生成を抑制する作用がある。しかし，Ｍn量が0.1％未満
では焼入れ性が不十分で, パーライト等の生成によって
十分なγ_Rが得られなくなる。また，Ｍn量が 3.0％を超
えるとベイナイト変態の速度が遅くなり，やはり十分な
γ_Rを得られなくなる。この理由からＭn量は 0.1〜3.0
％とする。

【００２０】Ｃrは, 熱延板の軟化焼鈍が必要な場合,
焼鈍中に起こる黒鉛化を抑制する作用がある。またベイ
ナイト変態を遅らせる作用があり，ベイナイト変態の制
御をしやすくする元素である。前記の黒鉛化を防止する
ためにはＣr量は最低 0.1％は必要であるが，3.0％を超
えて添加してもそれ以上の効果は望めないばかりか軟化
焼鈍時のセメンタイトの球状化を困難にし，ベイナイト
自体の靭性を劣化させる傾向があるために, その含有量
は 0.1〜3.0％の範囲とする。

【００２１】Ｍo,Ｖ,ＮbおよびＷは，ベイナイト変態の
形態を大きく変える元素であり，適量添加することによ
りベイナイト組織を微細化し，ＴＳと靭性を高める効果
を発揮する。さらにはＶとＮbはオーステナイト域に加
熱したときのオーステナイト粒径を微細化する作用があ
るために，ベイナイト変態を促進することができる。Ｍ
o,Ｖ,ＮbおよびＷは0.05％未満の添加量ではＴＳの向上
とオーステナイト粒径の微細化の効果は少なく，また2.
0％を超えて添加してもそれ以上の効果は望めず, かえ
って健全なベイナイト組織の生成に支障となるので，0.
05〜2.0％に限定する。

【００２２】Ｎiは, Ｍnと同様オーステナイト形成元素
であり，焼入れ性を向上させることによってパーライト
等の生成を抑制する作用を有するが，それとともに残留
オーステナイトを安定化させる効果が大きいためにＣ量
の少ない成分鋼の場合やベイナイト変態量を少なくした
場合でも十分な残留オーステナイト量を得ることができ
る。従って, Ｎiを添加することによって, より軟質な
強度レベルで多量の残留オーステナイトを得ることがで
きる。しかし，Ｎiには黒鉛化を助長する作用が大きい
ために2.0％を越える添加は避けなければならない。ま
た，0.2％未満の添加量では残留オーステナイトの安定
化効果は希薄である。このためＮiの添加量は 0.2〜2.0
％とする。

【００２３】以上の成分組成を有する鋼を複合組織の鋼
にするには，Ａc₃点以上の温度域でオーステナイト化し
た後, Ｍs点以上, 500℃以下の温度域に保持してベイナ
イト変態させ，体積率10％以上のγ_Rとベイナイトの混
合組織とすることが必要である。変態生成物を十分に生
成させて強度を確保するためには，オーステナイト化温
度はＡc₃点以上が必要である。保持温度が500℃を超え
ると, ベイナイトは生成しない。また，保持温度がＭs
点未満ではベイナイトの生成に先立ってマルテンサイト
が生成するために，本発明の特徴であるγ_Rを含む混合
組織が得られない。従って, 保持温度はＭs点以上500℃
以下の温度域に限定される。

【００２４】本発明の成分鋼を当該熱処理条件でベイナ
イト変態させ，体積率10％以上の残留オーステナイトと
ベイナイトを主相とする複合組織を生成せしめた場合,
この複合組織は強度−延性ともに良好なものとなり, さ
らにショットピーニングを施すことによって鋼材表層部
に500N/mm²以上の圧縮残留応力を発生させることができ
る。残留オーステナイトの体積率が10％以下の場合, 残
留オーステナイトの歪誘起変態が起こっても組織中に導
入される体積膨脹の効果は小さく, 発生する圧縮残留応
力も小さい。従って, 残留オーステナイトの体積率は10
％以上必要である。

【００２５】

【実施例】表１に供試材の化学成分値（重量％）を示
す。鋼No.Ａ，ＢおよびＣはいずれか一つの成分の含有
量が本発明で規定する範囲を外れる比較鋼であり，No.
Ｄ，Ｅ，Ｆ，ＧおよびＨは本発明で規定する成分組成範
囲内の鋼である。いずれも通常の熱間圧延，軟化焼鈍，
冷間圧延を経て厚さ２mmの鋼板とした。

【００２６】これらの鋼板から所定の大きさに切出した
試片を，オーステンパ熱処理，焼入焼戻し処理または浸
炭焼入れのいずれかの熱処理を行った。オーステンパ熱
処理はＡc₃点以上の温度に加熱してオーステナイト化し
た後, Ｍs点以上５００℃以下の範囲における或る所定
温度に保持した浴中に投入し，その温度に所定の時間恒
温保持し，常温まで放冷する処理である。各鋼に対して
行ったオーステンパ熱処理条件は表２に示した熱処理N
o.1〜６のいずれかである。また，比較のために行った
焼入焼戻処理の条件を表３の熱処理No.7および８に，浸
炭焼入れの条件を表４の熱処理No.9に示した。

【００２７】鋼Ａ〜Ｈに対して，熱処理No.1〜９のいず
れかを行ったときの熱処理ままでの機械的性質（JIS 13
Bに従う引張試験値) を測定し，また残留オーステナイ
ト量（γ_R量) をＸ線回折によって測定した。その結果
を表５に示した。

【００２８】また，各熱処理材をショットピーニング
し，ショットピーニング後の鋼材表層部の最大圧縮残留
応力値と平面曲げ疲労限の測定結果も表５に示した。シ
ョットピーニングは粒径0.6mmφ，硬さがHRC 60のスチ
ールショットを用い，アークハイト0.4mmA のピーニン
グを行った。圧縮残留応力値はピーニング後の鋼材につ
いてＸ線回折を用いて測定し，鋼材の表面から50μm深
さにおける圧縮残留応力値を表５に記した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】

【表５】

【００３４】表５の結果から次のことがわかる。

【００３５】比較鋼ＡとＢは通常の焼入焼戻し熱処理を
施して使用される鋼であり，いずれもＳiが添加されて
いない。これを用いた比較例Ａ・７およびＢ・７の場
合，熱処理条件が焼入焼戻し処理であるために残留オー
ステナイトが生成せず，高い延性靭性は得られないうえ
に，ショットピーニングによる圧縮残留応力の発生量も
小さくて高い疲労強度が得られない。

【００３６】比較例Ｂ・２の場合は熱処理条件は本発明
で規定する範囲内であるものの，本発明で規定するより
も低いＳi量の比較鋼Ｂを用いたものであり，残留オー
ステナイトが生成しない。このために高い延性靭性を得
ることはできない。

【００３７】比較鋼Ｃは通常浸炭焼入処理を施す鋼であ
るが，比較例Ｃ・９に見られるように，表層に生成した
残留オーステナイトがショットピーニングによって圧縮
残留応力の発生をもたらし，高い疲労強度を得ることが
できる。しかし，この表層の残留オーステナイトは母材
そのものの延性靭性改善には効果はなく，引張延性，衝
撃靭性に劣っている。

【００３８】これに対し，本発明鋼Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ
に対してオーステンパー熱処理を施した本発明材Ｄ・
３，Ｅ・３，Ｆ・２，Ｇ・２〜４およびＨ・５は，ベイ
ナイトと残留オーステナイトの混合組織が生成するため
に，強度延性，衝撃靭性に極めて優れており，さらに，
ショットピーニング加工によって表層部の残留オーステ
ナイトが歪誘起変態することによる圧縮残留応力の発生
により，その疲労特性は非常に優れたものとなってい
る。

【００３９】しかし，本発明鋼Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの場
合でも，本発明で規定する範囲外の条件で熱処理を施し
た場合には優れた特性を得ることはできない。例えば比
較例Ｄ・８の場合は，オーステンパーではなく焼入焼戻
し処理を行ったために残留オーステナイトを得ることが
できず，このために強度は高いが延性靭性およびショッ
トピーニングによる効果が得られない。

【００４０】また比較例Ｄ・１の場合は，オーステンパ
ーにおける恒温保持温度が低すぎてＭs点以下になった
ためにマルテンサイトが多量に生成し，ベイナイトと残
留オーステナイトの混合組織が生成しなかったために強
度−延性靭性が低い。比較例Ｄ・６の場合は，恒温保持
温度が高すぎたために保持中にパーライトが生成し，残
留オーステナイトが生成しなかったために強度−延性靭
性が低い。

【００４１】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように，本発
明によれば強度−延性靭性に優れた鋼材であって且つシ
ョットピーニングによって大きな圧縮残留応力が発生し
高い疲労強度を示す高強度高靭性鋼材が得られる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重
量％, Ｍn：0.1〜3.0重量％，残部がＦeおよび不可避的
不純物からなる鋼をＡc₃点以上の温度に加熱してオース
テナイト化した後, この温度からＭs点以上５００℃以
下の温度域に冷却しこの温度域に所要の時間保持してベ
イナイトと体積率１０％以上の残留オーステナイトを主
相とする複合組織を生成せしめ，得られた複合組織の鋼
の表面をショットピーニング処理して表層部の残留オー
ステナイト相を歪誘起変態させることからなる疲労特性
に優れた高強度高靭性鋼の製法。
【請求項２】Ｃ：0.4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重
量％, Ｍn：0.1〜3.0重量％，Ｃr：0.1〜3.0重量％，残
部がＦeおよび不可避的不純物からなる鋼をＡc₃点以上
の温度に加熱してオーステナイト化した後, この温度か
らＭs点以上５００℃以下の温度域に冷却しこの温度域
に所要の時間保持してベイナイトと体積率１０％以上の
残留オーステナイトを主相とする複合組織を生成せし
め，得られた複合組織の鋼の表面をショットピーニング
処理して表層部の残留オーステナイト相を歪誘起変態さ
せることからなる疲労特性に優れた高強度高靭性鋼の製
法。
【請求項３】Ｃ：0.4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重
量％, Ｍn：0.1〜3.0重量％，Ｃr：0.1〜3.0重量％，Ｍ
o,Ｖ,Ｎb,Ｗの１種または２種以上：0.05〜2.0重量％，
残部がＦeおよび不可避的不純物からなる鋼をＡc₃点以
上の温度に加熱してオーステナイト化した後, この温度
からＭs点以上５００℃以下の温度域に冷却しこの温度
域に所要の時間保持してベイナイトと体積率１０％以上
の残留オーステナイトを主相とする複合組織を生成せし
め，得られた複合組織の鋼の表面をショットピーニング
処理して表層部の残留オーステナイト相を歪誘起変態さ
せることからなる疲労特性に優れた高強度高靭性鋼の製
法。
【請求項４】Ｃ：0.4〜1.2重量％, Ｓi：1.0〜3.0重
量％, Ｍn：0.1〜3.0重量％，Ｃr：0.1〜3.0重量％，Ｎ
i：0.2〜2.0重量％, Ｍo,Ｖ,Ｎb,Ｗの１種または２種以
上：0.05〜2.0重量％，残部がＦeおよび不可避的不純物
からなる鋼をＡc₃点以上の温度に加熱してオーステナイ
ト化した後, この温度からＭs点以上５００℃以下の温
度域に冷却しこの温度域に所要の時間保持してベイナイ
トと体積率１０％以上の残留オーステナイトを主相とす
る複合組織を生成せしめ，得られた複合組織の鋼の表面
をショットピーニング処理して表層部の残留オーステナ
イト相を歪誘起変態させることからなる疲労特性に優れ
た高強度高靭性鋼の製法。
【請求項５】ショットピーニング処理した表層部は50
0N/mm²以上の圧縮残留応力を有する請求項１，２，３ま
たは４に記載の高強度高靭性鋼の製法。