JPS5948929B2 - 高強度で耐水素誘起割れ性にすぐれた鋼材の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高１／弓１張り強さをもち、かつ水素誘起割
れをおこし難い特性を具備した鋼材を得ることを目白勺
とする。

一般に鋼を強化すると水素雰囲気下で脆化現象が顕著
にあらわれる。

高強度鋼を例えば化学工業、原子力産業あるいは海水の
影響を受ける環境下で用いる場合において、当然のこと
ながら鋼の強度をより向上させたいという要請があるが
、鋼を強化するに伴なって水素に起因すると考えられる
脆化現象がより顕著にあらわれ、この問題の解決が重大
な課題となっている。 本発明は鋼材に熱処理を施すこ
とによってオーステナイト均一組織とした後、該鋼材に
一方向の加工を施してオーステナイトと加工により生成
するマルテンサイトの層状組織とし、更に該鋼材に焼も
どし処理を施すことによりマルテンサイトを強化せしめ
ることを特徴とするもので、本発明により得られる鋼材
は１５０ｋｇ／１ｎ７ｒＬ程度ないしそれ以上の高１弓
１張り強さと、極めてすぐれた耐水素誘起割れ性の両特
性を兼備するものである。

本発明において先ず重要なことは、熱処理により生成
した均一オーステナイト基地から加工によってマルテン
サイトが生成される合金組織の鋼を用い、該鋼に一方向
の加工を施して、オーステナイトと加工により生成した
マルテンサイトとの層状組織を形成せしめたことである
。

一般に熱処理により均一なオーステナイ１〜組織とし
た鋼をその鋼のＭｓ点以下で、かつＭｆ点以上の温度に
冷却すると硬いマルテンサイトとオーステナイトの混合
組織となる。

しかしながらこの鋼は耐水素誘起割れ性が必ずしもすぐ
れているとはいえない。その理由は、マルテンサイトが
方向性なく混在し、水素雰囲気におかれた場合、互に相
接触して混在する各マルテンサイトに発生した割れが連
続して鋼材が破断されるものと認められる。 そこで、
本発明においてはオーステナイトと加工マルテンサイト
を一方向の層状組織とすることにより各マルテンサイト
層間を靭いオーステナイト層で遮断した組織としたこと
が一つの特徴である。

しかしながら単にマルテンサイトとオーステナイトの層
状組織としたのみでは耐水素誘起割れ性が必ずしも充分
に発揮されない。

これはマルテンサイト層に水素誘起による割れが発生し
た場合にそれが伝播してオーステナイト層に当ると、そ
のオーステナイト層に上記割れの延長方向即ち応力方向
に垂直に応力誘起マルテンサイトが生成され、そのマル
テンサイトに沿ってクラツクが進行することによるもの
と認められた。そこで本発明において重要なことは、加
工により生成されたままのマルテンサイトは靭く、焼も
どしすることにより強化される合金組成を選んだことで
ある。

このため本発明によって得られる鋼材は焼もどしされて
高い強度を発揮し、またマルテンサイト層に水素誘起に
よる割れが発生したときにそれに起因して生成されたオ
ーステナイト層中のマルテンサイトは靭いために上記の
割れの伝播はそこで阻止されるのである。更に本発明に
おいて重要なことは、上記の如く本発明の処理を施すべ
き合金は加工により生成されたままのマルテンサイトは
靭く、焼もどしすることにより強化される組成のものを
用いるのであるが、発明者らはその組成、特にチタン、
アルミニウム、ベリリウムについて検討し、本発明の目
的を達成するための最も有効な組成を選んだことである
。

このようにして本発明は極めて高強度であり、しかも耐
水素誘起割れ性のすぐれた鋼材を得ることに成功したの
である。

次に本発明の詳細につき説明する。

本発明では熱処理および加工を施すべき合金素材として
ニッケル１５ｗｔ％〜２７ｗｔ％、コバルト５ｗｔ％〜
１０ｗｔ％、モリブデン１ｗｔ％〜７ｗｔ％、チタン０
．２ｗｔ％〜２，０ｗｔ％、アルミニウム０．２ｗｔ％
〜２，５ｗｔ％、ベリリウム０．０５ｗｔ％〜０，８０
Ｗｔ％で残部実質的に鉄より成る合金を用いる。しかし
て、上記合金素材を８５０℃以上、該合金の融点以下の
温度に加熱後、その合金のＭｓ点以上で該Ｍｓ点より１
５０℃高い温度範囲に冷却してオーステナイト均一組織
とした後、該温度にて合金素材に一方向の加工を与えて
組織中に１０％ないしそれ以上の量の加工マルテンサイ
トを生成せしめてオーステナイトと加工マルテンサイト
との層状組織とし、然る後焼もどじを行なうことにより
極めて高し弓１張り強さと耐水素誘起割れ性のすぐれた
鋼材を得るのである。本発明の合金素材としては加工に
よって生成されたままのマルテンサイトは靭く、焼もど
しを行なうことにより強化される合金組成のものである
ことが必要である。マルエージング鋼の合金組成ノはこ
の条件を満足するものであって、本発明の素材の合金組
成はマルエージング鋼のそれに属するものである。ただ
し本発明においては高強度が比較的容易に得られる１５
ｗｔ％〜２７ｗｔ％ニッケル、５ｗｔ％〜１０ｗｔ％コ
バルト、１ｗｔ％〜７ｗｔ％モリブデンに少量のチタン
、アルミニウムおよびベリリウムを含む組成とし、かつ
チタン、アルミニウムおよびベリリウムをそれぞれ上記
の割合とした組成のものを選ぶ。ニッケルはマルテンサ
イトを生成するために必要である。添加量は１５ｗｔ％
より少ないと強度と靭件の向上度合が少なく、２７ｗｔ
％を越えるとオーステナイトが不安定となり、また加工
マルテンサイトの生成が困難となる。コバルトおよびモ
リブデンは共存して加工後の焼もどし処理によりチタン
、アルミニウムおよびベリリウムとニッケルとの化合物
の析出を侃進し、マルテンサイトを強化する効果を発揮
する。コバルトおよびモリブデンの添加量がそれぞれ５
ｗｔ％および１ｗｔ％に満たないとマルテンサイトの強
化程度が低く、それぞれ１０ｗｔ％および７ｗｔ％を越
えても添加量に見合う効果が得られない。チタンはＮｉ
とＮｉ３Ｔｉの金属間化合物となり、焼もどし処理によ
って加工マルテンサイト中に析出しマルテンサイトを強
化する。

またチタンは合金のＭｓ点を低下させる作用があり、ニ
ッケルと共存することにより一方向加工を施した場合に
層状の加工マルテンサイトの生成を容易にする。チタン
の添加量は０．２ｗｔ％に満たないとマルテンサイトの
強化が不充分であり、２．０ｗｔ％を越えるとＭｓ点が
低下しすぎて加工マルテンサイトは生成されにくくなり
、かつ焼もどし後のオーステナイトが脆くなり、耐水素
誘起割れ性が乏しくなる。アルミニウムもＮｉとＮｉ２
Ａｌの金属間化合物となってマルテンサイトを強化する
のに役立つ。その添加量は０．２ｗｔ％未満ではマルテ
ンサイトの強化が困難であり、２．５ｗｔ％を越えると
一方向マルテンサイト生成のための加工が困難となる。
ベリリウムはＮｉとＮｉＢｅの金属間化合物をつくり、
マルテンサイトを強化する効果を有する。

また上記したように、チタンはマルテンサイトを強化す
る効果と、Ｍｓ点を低下させる効果を有するが、チタン
量を増加させてゆくと加工マルテンサイトは強化される
。しかしＭｓ点が低下しすぎる問題がある。そこでベリ
リウムはＭｓ点を低下させずに加工マルテンサイトを強
化する効果を発揮する。添加量は０．０５Ｗｔ％未満で
は加工マルテンサイトを強化する程度が低く、０．８ｗ
ｔ％を越えるとＮｉＢｅの析出が多くなり、一方向マル
テンサイトを生成させるための加工が困難となる。また
鋼材の分塊圧延時にもＮｉＢｅの晶出物が残留しやすく
なり、加工性上好ましくない。更にチタン、アルミニウ
ム、ベリリウムは合金の強化と加工性の低下に相互に影
響を及ぼし、発明者らの行なった実験結果を綜合すると
、本発明を適用する合金中におけるチタン、アルミニウ
ム、ベリリウム量としては原子％で合金全体を１００％
としたとき、これ等金属の合計が１．５％〜６．０％で
同時二Ｔｉ≦１７２（ＡＩ＋Ｂｅ） （７）範囲にある
場合に最も安定的にすぐれた耐水素誘起割れ性が得られ
る。

本発明においては、先ず上記合金を８５０℃以上、融点
以下の温度に加熱し溶体化処理を施し、オーステナイト
の均一組織とする。

加熱温度が８５０℃未満ではオーステナイト均一組織と
ならず、融点を越えると合金は所定の形状に保持でき，
なくなる。次に冷却過程において組織中に加工マルテン
サイトを生成せしめるための加工を行なう。該加工は加
熱後合金素材を冷却せしめてＭｓ点より１５０℃高い温
度からＭｓ点に至る間に行なう。Ｍｓ点よリ１５０℃高
い温度より更に高温で加工こを行なっても加工マルテン
サイトは生成されにくい。一方、Ｍｓ点よりも低くなる
と加工によらないマルテンサイト変態が始まり、これに
より生成するマルテンサイト組織は方向性がなく、マル
エージング鋼と同様の組織となり本発明の目的が達ｑ成
されない。本発明の加工は一方向の加工であリ、かつこ
の加工により組織中に少くとも１０％の加工マルテンサ
イトを生成せしめることが必要である。一方向の加工は
オーステナイト基地中（二一方向に層状の加工マルテン
サイ１−を生成せしめるためであり、この加工により層
状のマルテンサイト間に靭いオーステナイトが介在する
組織となる。加工により組織中に少くとも１０％のマル
テンサイトを生成せしめるのは、後記実験例に示す如く
、マルテンサイト量がそれ以下では充分な引張り強さが
得られないからである。組織中に少くとも１０％の加工
マルテンサイトを生成せしめるための加工率は合金組成
または温度条件等により異るため一律に規定できない。
例えばＭｓ点以上の温度において比較的低い温度で加工
すれば加工マルテンサイトは生成されやすく、温度が高
くなるにつれて生成されにくくなる。本発明においては
更に上記により得られた層状組織をもつ合金素材に焼も
どし処理を行なう。

焼もどし温度は３００℃〜６００℃程度が適当である。
本発明の合金素材はこの焼もどし処理によって強化され
る。このようにして本発明により得られる鋼材は１５０
ｋｇ／ｍ／Ｌ程度ないしそれ以上という高い引張り強さ
をもつ。

しかして、かかる高強度の鋼は通常水素誘起割れ性が大
きいのであるが、本発明による鋼材は、極めてすぐれた
耐水素誘起割れ性を発揮する。これは上記の如く、硬い
層状のマルテンサイト間に靭いオーステナイトが介在し
た組織をもち、しかも上記マルテンサイト層に割れが発
生して、これを相接するオーステナイト中にそれぞれ応
力誘起マルテンサイトが生成されても、該マルテンサイ
トは靭いために割れの進行がそこで阻止されるためであ
る。かくして本発明は鋼の強度の向上と耐水素誘起割れ
性の向上という現在において相を反する課題に解決を与
え、上記両特性を兼備する鋼材を提供するものである。
実験例 （１）真空溶解、真空鋳造にて各種組成の鋼塊を得た後
、１１００℃で１６時間均一焼鈍し、その後１０００℃
〜１１００℃で鍛伸して直径２０ｍｍの九棒を得た。

組成の代表例を下記の表に示す。これ等の九棒の表面を
切削加工にて表面の酸化物を除去して直径１８ｍｍの九
棒とした後、１１８０℃の塩浴中で加熱し、各々のＭｓ
点直上の温度に保持した液体中で冷却した。

即ち鋼種Ａは５０℃の温水中で、鋼種Ｂは２０℃の水中
で、鋼種Ｃは０℃の氷水中で、鋼種Ｄは２００℃の、鋼
種Ｅは２４０℃の油中で冷却した。また鋼種Ｆは−７０
℃のドライアイス−エチルアルコールで冷却した。この
ように冷却して溶体化処理とし、それぞれオーステナイ
ト一相の組織を得た。以上の熱処理を施した試料をそれ
ぞれの冷却媒体の温度に保持しロータリースエージによ
り鍛伸した。

この加工によって鋼種Ａ−Ｆの組成のものはいずれもオ
ーステナイト基地中に加工マルテンサイトが一方向に生
成された。代表例として鋼種Ａの組織の顕微鏡写真を第
１図に示す。なお、この写真の組織は加工率（断面減少
率）９５％で加工マルテンサイト量７８％の場合のもの
である。更に上記の処理を行なった各試片に適当な温度
で焼もどし処理を施すことにより極めて高い強度を与え
ることができた。

一例として鋼種Ａについての強度を第３図に示す。図中
●印は上記本発明の処理を施した鋼種Ａについて、加工
により組織中に生成した加工マルテンサイト量と４５０
℃で１時間焼もどした時の引張り強さの関係を示すもの
である。加工マルテンサイト量は主として加工率および
加工温度に依存し、同一鋼種について加工率が高いほど
、また加工時の温度が低いほど生成される加工マルテン
サイト量は多くなる。第３図に示されるものは、前記の
処理条件即ち加工時の温度を約５０℃一定とした場合の
ものであって、加工マルテンサイト量はもっぱら加工率
に依存しており、例えば加工マルテンサイト量１０％。
２０％、４０％、６０％、８０％、９５％は、それぞれ
加工率を約４５％、６５％、８０％、９０％、９５％、
９９％とした場合に得られる。

図より知られる如く、本発明により得られる鋼材の引張
り強さは組織中の加工マルテンサイｌ・量が１０％で既
に１４０ｋｇ／Ｍ４に達し、加工マルテンサイト量の増
加とともにその値が上昇し、３５０ｋｇ／一をこえる高
い引張り強さを発揮するに至る。

第３図において○印で示すものは鋼種Ａを１１８０℃に
加熱後、５０℃〜−１９６℃の範囲の種々の温度に保持
した冷却媒体中に焼入れで、焼入れマルテンサイト量を
０％から１００％まで変化させたものを４５０℃で焼き
もどすことにより得られた鋼材の引張り強度である。

焼入れマルテンサイト量と引張り強さはほぼ直線関係と
なり、最高強度は１００％マルテンサイトの場合で約１
８０ｋｇ／Ｍ４を示した。なお、この１００％マルテン
サイトの場合がマルエージング鋼と称される鋼種の通常
の熱処理方法である。第３図から知られるように、焼入
れ焼もどしにより得られた鋼材に比べて、加工により生
成されたマルテンサイトを焼もどしして得られた鋼材の
方がはるかにすぐれた引張り強さを示す。

゛）本発明により得られた鋼材および種々の比較材につ
いて水素誘起割れ試験を行なった。

試験方法としては、レバー方式で試験片に荷重をかけ得
る状態とし、三酸二ヒ素（ＡＳ２Ｏ３）１００ｍｇハを
含む２．５％硫酸（Ｈ２ＳＯ４）液中で試験片を陰極、
鉛板を陽極、電流密度０．ＩＡ／Ｃｍ？として発生期の
水素雰囲気下であらかじめ無負荷状態で２時間水素チャ
ージをした後所定の応力を負荷し、その状態で破断に至
るまでの時間で水素誘起割れ性を評価する方法をとった
。

この陰極電解下での試験方法は、高湿度の大気中や海水
等の環境に比べて著しくきびしい条件とされている。第
４図は、上記のような負荷応力と破断時間との関係から
陰極電解下で１０時間耐え得る強度を下限界応力とし、
各試料についてその引張り強さと上記下限界応力との関
係の実験結果を示すものである。

図中、Ａｌ，Ａ２，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示されるものは本
発明により得られた鋼材試料の結果である。

以下、Ａ１〜Ｅの処理条件を示す。なおりツコ内に先記
したものは引張り強さの値、後記したものは下限界応力
値である。Ａ１（２１３、１４６） ：鋼種ＡＯｌｌ８
Ｏ℃から５０℃に保持した温水中に急冷して均一オース
テナイト組織としたものを該温度でロータリースエージ
加工。

加工率（断面減少率）８９％で加工マルテンサイト量５
０％。４５０℃で焼もどし処理。

Ａ２（２８０、１１９） ：加工率９５％で加工マルテ
ンサイト量７８％。その他はＡ１と同じ。Ｂ （２２５
、１３５） ：鋼種ＢＯ２Ｏ℃に保持した水中に急冷。

加工率９２％で加工マルテンサイト量７０％。その他は
Ａ１と同じ。Ｃ （２６０、１３０） ：鋼種ＣＯ氷水
中に急冷。

加工率９５％で加工マルテンサイト量８０％。その他は
Ａ１と同じ。Ｄ （２０６、１４６） ：鋼種Ｄ。

２ＯＯ℃の油中に急冷、加工率６５％で加工マルテンサ
イト量５５％。

その他はＡ１と同じ。Ｅ （１８０、１４５） ：鋼種
ＥＯ２４Ｏ℃の油中に急冷。

加工率６４％で加工マルテンサイト量５０％。その他は
Ａ１と同じ。第４図により知られる如く、本発明により
得られる鋼材の下限界応力値はＡ１−Ａ２線上付近にあ
り、引張り強さを増しても下限界応力の低下は少なく、
極めて耐水素誘起割れ性がすぐれている。

第２図は上記Ａ１の組織に発生した割れを示す写真であ
る。

荷重は上下にかかつており、荷重方向にみられる層状の
マルテンサイトと垂直に割れが発生しているがその割れ
はオーステナイト層で停止している状態が観察される。
また、この割れがオーステナイト層に当った部分で、割
れのほぼ延長方向にオーステナイト層中に応力誘起と認
められるマルテンサイトが生成されているのがみられる
。しかし、本発明に用いる組成合金は焼もどすことによ
りはじめて強化されるものであり、生成されたままの加
工マルテンサイトは靭い状態にある。従って割れの延長
方向にオーステナイト層中に応力誘起マルテンサイトが
生成されても、それ以上割れは伝播しない。本発明によ
り得られる鋼材が耐水素誘起割れ性にすぐれている事実
は、以下に示す比較材との対比により、更に明瞭に知ら
れる。

第４図においてＧ１〜Ｇ４，Ｈｌ〜Ｈ４，ＡｌＯ−Ａ１
？，Ｆ１〜Ｆ２，Ｊ，Ｋ、は比較材についての試験結果
である。

以下、各比較材について説明する。６１〜Ｇ４：強靭性
にすぐれ強力ボルト、ナットとして用いられているＪＩ
ＳＳＣＭ３を焼入れ、焼もどししたもの。

引張り強さが１００ｋｇ／７ｒＬＩＬをこえるような熱
処理をした場合には下限界応力の急激な低下がみられる
。Ｈ１〜Ｈ４：ＪＩＳＳＮＣＭ８（ＳＣＭ３と似た特性
をもつ）を焼入れ、焼もどししたもの。

下限界応力の変化はＳＣＭ３とほぼ同一の傾向を示す。
ＡｌＯ−Ａ１？：前記した表の鋼種Ａを１１８０℃で溶
体化処理後、液体窒素中にサブゼロ処理をし、５００℃
〜６５０℃で焼もどしをして引張り強さを１５５ｋｇ／
ＭＩＬｌ９４ｋｇ／Ｍ４＆したもの。

引張り強さが１７０ｋｇ／ＭＡをこえると下限界応力は
急激に低下する。図のＡｌ，Ａ２と比べると本発明の処
理がいかに耐水素誘起割れ性に有効であるかがわかる。
： Ｆｅ−Ｑ．３ｗｔ％Ｃ −２ｗｔ％Ｓｉ− ２ｗｔ
％Ｍｎ−８Ｗｔ％Ｎｉ−９ｗｔ％Ｃｒ− ４ｗｔ％ＭＯ
合金鋼を本発明と同様にＭｓ点直上で加工して一方向の
加工マルテンサイＩ・を生成させ、焼もどし処理したも
の。

この鋼は生成されたマルテンサイトがそのままの状態で
脆いために、加工マルテンサイトの割れに起因して発生
したオーステナイト層中の応力誘起マルテンサイトは脆
く、その部分に沿って割れが伝播し、耐水素誘起割れ性
の改善度は小さい。Ｆ１〜Ｆ２：前記表の鋼種Ｆを１１
８０℃から氷水中に冷却後ただちに−７０℃のドライア
イス−エチルアルコール中に冷却し、その温度付近でロ
ータリースエジ加工によりオーステナイト基地中に一方
向の加工マルテンサイトを生成させ、その後４５０℃で
焼もどしをしたもの。Ｆ１はマルテンサイト２０％（加
工率６４％）、Ｆ２はマルテンサイト９０％（加工率９
５％）。

それぞれ１７１ｋｇ／一および２６２ｋｇ／ｍ！Ｌの引
張り強さが得られた”が、下限界応力はそれぞれ７７Ｋ
ｇ／一および２９ｋｇ／ＭＡですぐれた耐水素誘起割れ
性は期待できない。これは、チタン量が４％と高いこと
によるものと認められる。Ｋ：市販の１７− ７ＰＨ鋼
（Ｆｅ−１７．２６ｗｔ％Ｃｒ一７．０７ｗｔ％Ｎｉ−
１．１Ｑｗｔ％Ａｔ）を１０５０℃で溶体化処理後水冷
して室温で加工率５１％のロータリースエージング加工
を行ない、オーステナイｌ・中に−方向の加工マルテン
サイ１・を生成させ（マルテンサイト量６５％）、４８
０℃で焼もどししたもの。

引張り強さ１８６ｋｇ／一の値が得ろメ上だが、下限界
），シ力は６５１クｇ／一の値にとどまった。上記の如
く本発明は加１−により生成されたままのマルテンサイ
１〜は靭く焼もどしすることにより強化される性質をも
つ組成合金に一方向の加工を．施すことによりマルテン
サイ｝一とオーステナイ｝・の層状組織とし、しかる後
に焼もどしをすることにより高強度とすぐれた耐水素誘
起割れ性を兼備した鋼材を提供するものである。

従来一般の鋼材は強度を上げるに伴なって水素，誘起割
れは顕著に現れるのであるが、本発明により得られる合
金は高強度としてもなおすぐｊ′シた耐水素誘起割れ性
を維持するものであり、また冷間加工、切削加工も可能
であって、各種の部品を製作したあと焼もどしすること
により強化せしめるものであるため、広い用途に用いら
れ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により得られる鋼材の組織を示す写真、
第２図は本発明により得られる鋼材の組織とその中に発
生する割れの状態を示す写真、第３図は本発明により得
られる鋼材および比較材について組織中のマルテンサー
イ１〜量と引張り強さの関係を示す図、第４図は本発明
により得られる鋼材および比較材について引張り強さと
耐水素誘起割れ性の関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ニッケル１５重量％（以下ｗｔ％という）〜２７ｗ
   ｔ％、コバルト５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、モリブデン１ｗ
   ｔ％〜７ｗｔ％、チタン０．２ｗｔ％〜２．０ｗｔ％、
   アルミニウム０．２ｗｔ％〜２．５ｗｔ％、ベリリウム
   ０．０５ｗｔ％〜０．８０ｗｔ％で残部実質的に鉄より
   成る合金を、８５０℃ないし該合金の融点以下の温度に
   加熱し、溶体化した後冷却し、該合金のＭｓ点ないしＭ
   ｓ点より１５０℃高い温度範囲において該合金に一方向
   の加工を与えて組織中に少くとも１０％の加工マルテン
   サイトの層状組織を生成せしめ、しかる後に該合金に焼
   もどし処理を施すことを特徴とする高強度で耐水素誘起
   割れ性にすぐれた鋼材の製造法。