ベイナイト鋼の変態挙動、基本特性におよぼす前組織の影響
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(2) ニズムを理解するうえで非常に重要と考えられる。 本研究では、ベイナイト変態挙動におよぼすγ粒径、未再結晶γ域の加 工の影響と結果として得られたミクロ組織の特性について、熱間加工シミ ュレーターを用いて検討した。. 2.2. ベイナイトの生成温度、硬さ、組織形態におよぼす前組織の影響. 2.2.1. 実験方法. 検 討 に 用 い た 供 試 鋼 の 化 学 成 分 を 表 2 -1 に 示 す 。S t e e l 1 , 2 は 鉄 鋼 協 会 の ベ イ ナ イ ト 委 員 会 の 共 通 試 料 で あ る L o w C – 3 % M n 鋼 で あ る 。S t e e l 3 は 、 連続冷却中の急冷により組織を凍結し、ベイナイト変態挙動の詳細を観察 す る た め に 用 い た Hi g h C - N b - M o 鋼 で あ る 。 い ず れ の 鋼 も 5 0 k g 真 空 溶 解 炉 で 溶 製 し 、 1200℃ に 加 熱 後 、 750℃ 以 上 の 温 度 で 15mm ま で 圧 延 し 、 そ の 後 放 冷 し た 。 各 々 の 鋼 板 板 厚 中 央 部 か ら 、 直 径 8mm、 長 さ 12mm の 円 柱 型 試 験 片 を 採 取 し た 。 熱 間 加 工 シ ミ ュ レ ー タ の 条 件 を 表 2-2 に 示 す 。 粗 大 な 等 軸 γ を 得 る た め の 条 件 は 、 Nb 添 加 系 で 1200℃ 保 持 、 Nb フ リ ー 系 で は 11 6 0 ℃ 保 持 と し て 、直 径 約 2 0 0 μ m に γ 粒 径 を 合 わ せ た 。微 細 等 軸 γ を 得 る た め の 条 件 は 、1 0 0 0 ℃ で ε ＝ 0 . 3 4 の 歪 を 付 与 し 、N b 添 加 系 で は 2 0 秒 保 持 、N b フ リ ー 系 で は 1 秒 保 持 と し て 、直 径 約 2 0 μ m の γ 粒 径 と し た 。 未 再 結 晶 γ 域 加 工 に よ る 伸 長 γ は 、 800℃ で 加 工 を 行 っ て 単 位 体 積 あ た り の 表 面 積 が 20μ m の 等 軸 γ 粒 と 同 等 に な る よ う に 調 整 し た 。 一 般 的 に は 、C C T 曲 線 は A c 3 点 か ら の 冷 却 時 間 と 変 態 温 度 を プ ロ ッ ト す る が 、 本 検 討 に お い て は 伸 長 γ 粒 を 得 る た め の 加 工 温 度 が 800℃ で あ る た め 、CCT 曲 線 は 全 て 800℃ か ら の 冷 却 時 間 で プ ロ ッ ト し て い る 。ま た 等 軸 の 200μ m、 20μ m の γ 粒 を 得 る 加 工 条 件 で は 、 高 温 で の γ ／ α 変 態 を 抑 止 す る た め 、 加 工 後 800℃ ま で の 温 度 域 を 10℃ /s で 冷 却 し て い る 。 各熱間加工および冷却によって得られた組織は、光学顕微鏡、走査型電 子 顕 微 鏡 (SEM)、 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 (TEM)を 用 い て 観 察 し た 。 ま た ビ ッ カ ース硬さの測定を実施した。 9.
(3) 表 2-1 供 試 鋼 の 化 学 成 分 (mass%) Steel. C. Si. Mn. P. S. Mo. Nb. Ti. Al. B. N. 1. 0.040. 0.20. 2.94. 0.001. 0.0004. -. 0.028. 0.023. 0.017. 0.0002. 0.0018. 2. 0.040. 0.20. 2.95. 0.001. 0.004. -. -. 0.002. 0.017. 0.0003. 0.0019. 3. 0.178. 0.21. 1.2. 0.008. 0.002. 0.25. 0.039. 0 . 0 11. 0.024. 0.0003. 0.0052. 表 2-2 γ 域 に お け る 熱 間 加 工 条 件. γ microstructures. Nb bearing steels. Nb free steel. 1. Coarse equiaxed grain (dγ : 200μ m). No deformation. No deformtion. 2. Fine equiaxed grain (dγ : 20μ m, Sv: 107mm-1). 3. Elongated grain (Sv: 107mm-1). Final pass 1000℃ ε =0.34 Holding time before cooling 20s Final pass 800℃ ε =0.34 Holding time before cooling 20s. Final pass 1000℃ ε =0.34 Holding time before cooling 1s Final pass 800℃ ε =0.34 Holding time before cooling 20s. 2.2.2. 実験結果. 図 2 - 1 に S t e el 1 の γ 粒 径 に 伴 う C C T 曲 線 の 変 化 を 示 す 。微 細 等 軸 γ か ら の 変 態 に お い て 、 冷 却 速 度 5℃ /s 以 上 で 完 全 な ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト 組 織 が 得 ら れ て お り 、 5℃ /s 以 下 で は 擬 ポ リ ゴ ナ ル フ ェ ラ イ ト 組 織 が 生 成している。γ粒径が粗大化しても、ベイナイト変態温度、変態後のベイ ナイトの硬さに変化は認められない。しかし、擬ポリゴナルフェライトが 生成する遅い冷却速度の領域ではγ粒径の粗大化は、変態開始温度の低下 10.
(4) と変態後の硬さの上昇を招く。これは粗大等軸γにおけるフェライト生成 の遅延に基づくものである。このように等軸γにおいて、ベイナイト変態 温度、変態後の硬さにおよぼす粒径の影響は非常に小さい。 未 再 結 晶 γ 域 の 加 工 の 影 響 を 図 2 - 2 に 示 す 。ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト 、 擬 ポ リ ゴ ナ ル フ ェ ラ イ ト と も 変 態 温 度 が 2 0 〜 6 0 ℃ 上 昇 し て い る 。ま た 擬 ポ リゴナルフェライトが生成する領域も拡大している。さらに変態後の硬さ も 伸 長 γ か ら の 変 態 組 織 で は 低 下 し て い る 。 同 様 の 傾 向 は 、 Nb フ リ ー の S t e e l 2 で も 認 め ら れ る (図 2 -3 )。 図 2 -4 に は 、 冷 却 速 度 と 変 態 後 の 硬 さ の 関 係 を 示 す 。 伸 長 γ か ら の 変 態 組 織 の 硬 さ は 、 等 軸 γ か ら の 変 態 組 織 の 硬 さ と 比 較 し て お お よ そ 30 低 下 し て い る 。 等 軸 粒 で 比 較 し た 場 合 、 1℃ /s 以 下 の 冷 却 速 度 を 除 き 、 硬 さ の 差は認められない。 図 2 - 5 に は S t e e l 1 の 、ま た 図 2 - 6 に は S t e e l 2 の 5 0 % 変 態 温 度 と 変 態 後 の硬さの関係を示す。変態前のγ組織によらず、変態後の硬さはおおよそ 5 0 %変 態 温 度 で 整 理 で き る 。 写 真 2 - 1 は 、変 態 前 γ 組 織 の 異 な る S t e e l 1 に つ い て 、5 ℃ / s で 冷 却 後 の 光 学 顕 微 鏡 組 織 と SEM 組 織 で あ る 。 等 軸 γ か ら の 変 態 組 織 に は 、 微 量 の MA（ 残 留 γ ） が ラ ス 境 界 に 認 め ら れ る 。 ラ ス の 長 さ は 粗 大 γ か ら の 変 態 組織の方が長いが、γ粒径によらずラスの幅は同等である。一方、伸長γ からの変態組織では、擬ポリゴナルフェライトが一部に生成し、またベイ ニティックフェライトの回復も観察される。さらに伸長γからの変態組織 で は MA が ブ ロ ッ ク 状 を 呈 し て い る こ と も 特 徴 的 で あ る 。 写 真 2 - 2 に は 代 表 的 な T E M 写 真 を 示 す 。5 ℃ / s で 冷 却 し た 場 合 、ラ ス 内 の 回 復 が 進 ん で い る こ と が 明 ら か で あ る 。一 方 、30℃ /s で 冷 却 し た 場 合 は γ粒の形態によらず、ラスが明瞭に観察される。ラス幅は、γ粒が等軸の 場 合 、 お お よ そ 0.4μ m で あ り 、 伸 長 γ の 場 合 、 0.8μ m で あ る 。 伸 長 γ の ラ ス 幅 0.8μ m は 、 等 軸 γ に お け る 冷 却 速 度 5℃ /s で 観 察 さ れ る ラ ス 幅 と お お よ そ 等 し く 、図 2 - 4 に 示 す よ う に 伸 長 γ で 3 0 ℃ / s の 冷 却 速 度 の 場 合 と 、 11.
(5) 等 軸 γ の 5℃ /s の 場 合 で は 硬 さ も ほ ぼ 等 し い 。 こ の こ と か ら 、 ベ イ ナ イ ト 鋼の硬さは、同じ鋼種であればラス幅で決まると考えられる。 写 真 2 - 3 は 、 S t e el 3 を 用 い 、 5 ℃ / s で 冷 却 途 中 、 急 冷 し て ベ イ ナ イ ト 変 態途中の組織を凍結した組織写真である。等軸γからの変態の場合、粒径 によらずベイナイト変態はγ粒界から発生している。一方、伸長γからの 変態の場合、粒界からだけでなく、γ粒内とおぼしき箇所からも発生して いる。これは、伸長γにおいてγ粒界以外からもベイナイト変態が発生し ていることを示している。 図 2 -7 に は ベ イ ナ イ ト 変 態 途 中 か ら の 焼 き 入 れ 温 度 と そ の 凍 結 し た 組 織 に観察されるベイニティックフェライト分率の関係を示す。等軸γからの 変態の場合、粒径によらずベイニティックフェライト分率はほぼ等しい。 一方、伸長γからの変態の場合、いずれにおいても等軸γからの変態と比 較 し て 50℃ 高 温 で 同 一 ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト 分 率 が 得 ら れ る 。. 図 2-1 鋼 1 の CCT 図 の 変 化 に お よ ぼ す γ 粒 径 の 影 響. 12.
(6) 図 2-2 鋼 1 の CCT 図 の 変 化 に お よ ぼ す 未 再 結 晶 γ 域 加 工 の 影 響. 図 2-3 鋼 2 の CCT 図 の 変 化 に お よ ぼ す γ 粒 径 未再結晶γ域加工の影響. 13.
(7) 図 2-4 鋼 1 の 変 態 前 γ 組 織 、 冷 却 速 度 と 変 態 後 の 硬 さ の 関 係. 図 2-5 鋼 1 の 50%変 態 温 度 と 変 態 後 の 硬 さ の 関 係. 14.
(8) 図 2-6 鋼 2 の 50%変 態 温 度 と 変 態 後 の 硬 さ の 関 係. 写 真 2-1 鋼 1 の 初 期 γ 粒 に 伴 う 光 学 顕 微 鏡 組 織 、 SEM 組 織 の 変 化 (a)(d) 等 軸 粒 :200μ m, (b)(e) 等 軸 粒 :20μ m, (c)(f) 伸 長 粒. 15.
(9) 写 真 2-2 鋼 1 の TEM 組 織 変 化 に お よ ぼ す 初 期 γ 組 織 、 冷 却 速 度 の 影 響 (a)(d) 等 軸 粒 : 200μ m, (b)(e) 等 軸 粒 : 20μ m, (c)(f) 伸 長 粒 冷 却 速 度 ： (a)(b)(c) 5℃ /s, (d)(e)(f) 30℃ /s. (a) 等 軸 粒 : 200μ m BS = 500℃ (b) 等 軸 粒 :. 20μ m. BS = 500℃ (c) 伸 長 粒 : BS = 555℃ 写 真 2-3 鋼 3 を 用 い 変 態 開 始 温 度 か ら 10℃ 低 い 温 度 で 途 中 急 冷 し た ベイニティックフェライト組織. 16.
(10) 図 2-7 焼 入 れ 温 度 と ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト 分 率 の 関 係. 17.
(11) 2.3.. 考察. 表 2 -4 に ベ イ ナ イ ト 変 態 挙 動 と 変 態 後 の ミ ク ロ 組 織 に お よ ぼ す γ 粒 径 、 未再結晶γ域における加工の影響を示す。等軸粒の場合、微細化により変 態開始場所は増加し、ラスの長さは短くなる傾向を示すが、変態温度、変 態後のミクロ組織、硬さに影響をおよぼさない。一方伸長γでは変態開始 場所は粒界だけでなく、粒内にも発生し、ラスの長さの減少だけでなく、 ラス幅の増加が認められる。さらに変態温度が上昇し、硬さが低下する。 こ の 結 果 は 、 Nb の 有 無 に よ ら ず 同 一 の 傾 向 を 示 し て い る 。. 表 2-4 ベ イ ニ テ ィ ッ ク フ ェ ラ イ ト 組 織 と 変 態 挙 動 に お よ ぼ す γ 粒 径 と 未再結晶γ域の加工の影響. 18.
(12) 2.4.. 結論. 本章では、ベイナイト組織に関する基本的な研究として、ベイナイト変 態温度におよぼす変態前組織、特に等軸粒の場合の粒径による変化、粒界 面積が同じ場合の未再結晶オーステナイト域における加工の影響について 示した。さらに得られたベイナイト組織の硬さ、組織形態についても言及 した。 本章により得られた成果は、等軸粒であれば、粒径によらず、変態後の ベイナイト組織の硬さが、合金組成によりほぼ一義的に定まるということ である。従って、各部位で加工度の異なるレールにおいても、現状の多く のミルで用いられている孔型圧延のような低温圧延が困難な圧延機で、等 軸 粒 の 温 度 範 囲 、 即 ち 950℃ 以 上 の 再 結 晶 γ 域 で 圧 延 を 終 了 で き れ ば 、 硬 さは冷却速度が著しく異なる部位を除いてほぼ一定であり、特にレール頭 部の摩耗挙動が安定する方向を示すと考えられる。. 19.
(13) 第２章の参考文献. 1 ) I . Ta m u r a , C . O u c hi , T. Ta n a ka a n d H . S e ki n e : T he r m o m e c ha n i ca l P r o c e s si n g o f H i g h S t r e n g t h L ow A ll o y S t e e l s , B u t t e r w o r t h s, E n g l a n d , (1 9 8 8 ) 2 ) 梅 本 実 ， 堀 内 一 也 ， 田 村 今 男 ： 鉄 と 鋼 , 6 8 (1 9 8 2 ), 4 6 1 3 ) L . W. G ra h a m a n d H. J . Ax o n : J . o f I ro n S t e e l I n st . , 1 9 1 (1 9 5 9 ), 3 6 1 4 ) R . H. E dw a rds a n d N . F. K e n n o n : J . A u st . I n st . Met . , 1 9 (1 9 7 4 ), 4 5 5 ) R . F r e i w i l l i g , J . K u d r m a n a n d P. C h r a s ka : M e t a l l . Tr a n s . A , 7 A(1 9 7 6 ), 1 0 9 1 6 ) 新 倉 正 和 ， 山 本 定 弘 ， 大 内 千 秋 ， 小 指 軍 夫 ： 鉄 と 鋼 , 7 0 (1 9 8 4 ), 1 4 2 9 7 ) M. Hi l l e rt : J e rnko nt o re t s Ann. , 1 4 1 (1 9 5 7 ), 7 5 7 8 ) L . K a u f m a n , S . V. Ra d c l i f f e a n d M . C o h e n: D e c o m p o si t i o n o f A u s t e ni t e b y D i f f u si o n P r o c e s s , e d . b y V. F. Za c k e y a n d H . I . A a r o n s o n , I n t e rsci e n ce P u b l i sh e rs, N e w Yo rk, (1 9 6 2 ), 3 1 3 9 ) G . J . S h i fl e t a n d H. J . Aa ron so n : Act a Me t a l l . , 2 7 (1 9 7 9 ), 3 7 7 1 0 ) K . S h i m i z u a n d Z . N i sh i y a m a : Tra n s. J pn . I n st . Me t . , 5 (1 9 6 4 ), 2 2 5 11 ) H . K . D . H. B ha d e s h i a a n d D . V. E d m o n d s : A c t a M e t a l l . , 2 8 ( 1 9 8 0 ) , 1265 1 2 ) G . I . R e s s a n d H . K . D . H . B h a d e s hi a : M a t er. S ci . Te c h n o l . , 8 (1 9 9 2 ), 9 8 5. 20.
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