910 鉄 と 鋼 第 74 年 (1988) 第 5 号
C1988 ISIJ
論
文
鋼 の焼 入 性 改 善 に寄与 す る最 適 ボ ロ ン量
上
野
正
勝*・ 伊
藤
亀 太 郎*2
The Optimum Condition to Obtain the Maximum Hardenability Effect of
Boron
Masakatsu UENO and .Kametaro ITOH
Synopsis :
The effect of N, Ti and B on the hardenability of low and middle carbon steels has been studied, in order to make clear the optimum condition for obtaining the maximum hardenability of boron(B)-steels. The main results are as follows:
(1) The hardenability of B-containing steel is expressed by the following equation:
In the case of •kB•l•… 5 ppm, log Vc-90 log VC-90•‹-0.14 •kB•l, and when •kB•l•† 5 ppm, VC-90 = 0.2 Vc-90•‹ where Vc-90 is the hardenability defined as critical cooling rate (•Ž/s) at which 90% of martensite is formed during cooling in B-containing steel, and Vc--90° is the hardenability as shown above in the base steel (B-free steel), and [B] is soluble B content (ppm). This means that the effect of B becomes maximum and constant when soluble B content exceeds 5 ppm.
(2) The B-precipitate observed by a -autoradiography can be considered as BN because that the resolve temperature of the B-precipitate coincidents well with that of BN. Therefore, the amount of BN and/or re- solved B can be calculated by widely used solubility product of B-N.
(3) Boron-factor (fB), defined by GROSSMANN, is a function of the hardenability of the base steel (B-free steel) as well as [B] as shown below.
〔B〕≦ 5ppm,fB =1 - F/ b•EDI•‹
where, F is a function of [B], and b is constant, DI° is the hardenability expressed by ideal critical
dia-meter of the base steel.
Key words: heat treatment; alloying element; hardenability.
1. 緒 言 微 量 の ボ ロ ン(B)添 加 で 鋼 の焼 入性 が 著 し く向 上 す る こ と は良 く知 られ て い る1)∼6).その ためBは 焼 入 性 向 上 元 素 と して 広 範 囲 に利 用 され て きた.そ の 反 面,Bに は ま だ良 く理解 され て い な い問 題 が 残 さ れて い る.例 え ば,実 用 面 で 重要 な 問題 で あ る(1)Bの 効 果 が 最 大 に な る た め の 条 件7)∼10)と(2)そ の 時 の 効 果 の 大 き さ1)∼5)7)∼10) につ い て は必 ず し も良 くわ か つ て い な い.Bが 合 金 元 素 と して信 頼 性 を もつ て 商用 鋼 に用 い ら れ る た め に は これ ら の疑 問 の 解 決 は不 可 欠 で あ る.特 に(1)の問 題 は製 品 の 品質 の ば らつ き を抑 える た め に非 常 に重 要 で あ る.し た がつ て本 実 験 で まず この 問 題 を と りあ げ,B鋼 を製 造 す る に あ た つ て の必 要 条 件 を明 確 にす る た め の実 験 を行 つ た. これ まで焼 入性 に対 して有 効 なBは 鋼 中 に 固 溶 したB (い わ ゆ るSolubleB)と 考 え られ て きた10).一 方 著 者 ら6)は α-autoradiography(以 下 α-track法)を 用 い鋼 中 のBの 分 布 状 態 とBの 効 果 と の 関 係 を調 べ,Bが γ → α変 態 を抑 制 す る 効 果 は γ粒 界 にお けるBの 偏析 状 態 に よつ て 異 な る こ と を明 らか に した.す なわ ち,Bが 偏 析 す る と変 態 は抑 制 され る が,Bが 析 出 物 を形 成 す る と このBの 効 果 は 著 し く減少 す る こ とを見 出 した.Bの 焼 入 性 効 果 を 考 え る と き,こ の よ う に α-track法 で 観 察 され る析 出 物 は非 常 に 重要 な役 割 を は たす の で,本 実験 で は この 析 出 物 の 実体 を明 らか にす る実 験 も行 つ た 。 昭 和 62 年 1 月 28 日 受 付(Roceived Jan. 28, 1987) * 新 日 本 製 鉄(株)八 幡 製 鉄 所(Yawata Works
, Nippon Steel Corp, 1-1-1 Edamitsu Yahata-higashi-ku Kitakyushu 805) *2 新 日 本 製 鉄(株)厚 板 技 術 部(Plate Technical Division , Nippon Steel Corp)
鋼 の焼入性改善 に寄与す る最適 ボロン量 911
2. 実
験
方
法
2・1 試料 本 実験 に使 用 した 鋼 の 化 学 成 分 をTable1∼3に 示 す.Bの 効 果 はNに よ つ て著 し く減 少 す る の で,Bの 効 果 を正確 に求 め る た め に は このNの 影響 を完全 に 除 い た 条件 で実験 をす る必 要 が あ る.Table1の 鋼 は そ の条 件 を明 らか にす る 実験 に用 い ら れ た鋼 で あ る.Nの 固定 元 素 と してTiを 用 い,実 験 の信 頼 性 を高 め る た め に基 本 成分 が異 なる2種 類 の成 分 系 を用 い て 実験 を行 つ た.B の含 有量 は一 般 に 商用 鋼 に使 用 され る 範 囲 を考 え,10∼ 4oppmと した. Table2はB鋼 の焼 入性 に お よ ぼ す オー ス テ ナ イ ト化 条件 の影 響 を調 べ る た め に 準 備 され た鋼 で あ る.Table 3はNがTiで 固 定 され た鋼 に お い てB量 とBの 効 果 と の 関係 を調 べ る た め に準 備 さ れ た鋼 で あ る.こ れ らの鋼 は150kgの 真 空 溶 解 炉 で 溶 製 され,3分 鋳 に よつ て50 kgの 鋼 塊 が 作 ら れ た.そ し て こ れ ら の50kg鋼 塊 は 1250℃ で2h加 熱 され,熱 間圧 延 で13mmの 板 に圧 延 され た.こ れ ら熱 延 ま ま材 か ら ジ ョ ミニ ー試 験 片 を切 り 出 した. 2・2 焼 入性 試 験 鋼 の焼 入 性 は ジ ョ ミニ ー試 験 で調 べ た.こ の試 験 に は Fig1に 示 す 小 型 試 験 片 を用 い,著 者 ら が 開 発 した 全 自動 ジ ョミ ニ ー試 験 装 置11)を 用 い て行 つ た.ジ ョ ミニ ー 試 験 は各 鋼 と も3本 行 い,そ れ ら の結 果 を重 ね て ジ 滋 ミ ニ ー 曲線 を作 製 し,こ の曲線 から臨界冷却速度 を読 み取 つ た. 本 実 験 にお け る焼 入性 は90%マ ル テ ンサ イ ト組 織 が 得 ら れ る 臨 界 冷 却 速 度(V土cーgo)で 定 義 した.冷 却 速 度 は慣 習 に したが い800∼500℃C間 の 平 均 冷 却 速 度 で 表 示Fig. 1. Dimensions of jominy specimen.
Table 1. Chemical composition of steels (%).
Table 2. Chemical composition of steels (%).
912 鉄 と 鋼 第 74 年 (1988) 第 5 号 した.焼 入性 の 定 義 がGR℃SSMANNの 方 法 と異 な る の は, この 方 が 実 用 的 見 地 か ら見 て よ り有 用 と考 え たか らで あ る. ジ ョ ミニ ー試 験 に お け る90%マ ル テ ンサ イ ト位 置 は Fi&2に 示 す 図 か ら求 め た. 2・3 Bの 析 出 物 の 固 溶 温 度 の 測 定 酔tmck法 で観 察 され る析 出 物 の 固 溶 温 度 を求 め る た め,ご く単 純 な 成 分 系 で あ る 低 炭 素Si-Mn-(Cr)鋼 を 基 本 成 分 に して これ にB,Nを 添 加 した 鋼 を用 いて 実 験 を行 つ た.脱 酸 剤 と して のA1は,Alが 多 量 存 在 す る とAINが 析 出 しBと 反 応 す るNの 量 が減 少 す る 可 能 性 が あ る ので 添 加 量 は0.03%以 下 と した. こ れ ら の鋼 か ら直 径3mm,長 さ10mmのFormastor 用 試 験 片 を 切 り 出 し た.こ れ ら の 試 験 片 を800∼ 1200℃ の 溶 体 化 温 度 に加 熱 し,各 温 度 で30min保 持 した あ とHeガ ス で 冷 却 した.Bの 固 溶状 態 は α一track 法 で 観 察 した.中 性 子 の照 射 条 件 は5.2×1014n/cm2, α線 の検 出 体 と して の セ ル ロ イ ドの エ ッチ ン グ は6N のNaOHを 用 い,40℃ で 約30s行 つ た. 3. 実 験 結 果 3・1 Nを 固定 す る た めの 必 要 条 件 B鋼 の焼 入 性 はN量 と と も に著 し く減少 す る.こ のN に よ る影 響 を 除 くた め,通 常TiやAlを 添 加 してNの 固 定 が 行 わ れ る.本 実 験 で はNの 固定 元素 と してTiを 選 ん だ.そ の理 由 はTiはAlに 比 べ て少 量 の 添 加 でN の 固 定 が 可 能 な こ とお よ びTiNの 溶 解 温 度 が 高 い た め, 幅広 い温 度 範 囲 で使 え る ため で あ る. 本 実験 に使 用 した鋼 の化 学 成 分 をTable1に 示 した. 焼 入性 試 験 に お け る オ ー ス テ ナ イ ト化 温度 は通 常 の 熱 処 理 条 件 を 考 慮 して950℃ と し た.加 熱 時 間 はTi+ N2TiNの 平 衡 が成 立 す る 条件 を知 つ て 決 定 す る 必要 が あ る の で,次 に述 べ る予 備 実 験 を行 つ て 決 定 した. Table2に 示 した 鋼 を 用 い て 行 つ た予 備 実 験 結 果 を Fig3に 示 す.鋼M-3は 比 較 材 と し て の 低 窒 素 の Ti-free鋼 で あ る.こ の 図 か ら わ か る とお り,ど の鋼 に お いて も オー ス テ ナ イ ト化 時 間 に よ る焼 入 性 の 変化 は見 られ な かつ た。 ま たN固 定 鋼(K-25)の 焼 入 性 と低 窒 素 B鋼(M-3)の 焼 入 性 との 間 に はほ と ん ど差 が な い こ と か ら,短 時 間加 熱 で もTiに よ るNの 固定 は 十分 行 わ れ る こ とが わ か つ た.こ の結 果 か ら本 実 験 にお け る オ ー ス テ ナ イ ト化 時 間 を5sと した. Bの 焼 入性 効 果 に影 響 をお よ ぼ すNはTiNが 析 出 し て も な お存 在 す るN(以 下 ムNと す る)で あ る か ら, Tiの 添 加 条 件 は ムNを パ ラ メ ー ター に して表 示 す る の が 妥 当 で あ る.し か し,実 際 の 製鋼 作 業 にお いて 管 理可 能 な の はTi量 で あ る の で,こ こで はTi量 に着 目 して ムTi≡Ti-TiasTiNを 用 い てTiの 適 正 添 加 量 を求 め た. TiNの 析 出量 は溶 解 度 積 か ら求 め る こ と が で きる. しか し950℃ に お け るTi,Nの 溶 解 度 積 は非 常 に小 さ
Fig. 2. Hardness of martensite
products as the function of
C-content.
Fig. 3. Effect of holding time on hardenability of B-added steels.
鋼の焼入性改善 に寄与する最適ボ ロン量 913
b
a
いの で,Nあ る い はTiの 全 量 がTiNに な る と仮 定 し
て ΔTiを 計 算 した.
Fig.4の 下 半 分 の 図aは この よ うに して求 め た △Ti
とB鋼 の 焼 入 性 と の 関 係 を示 す.こ の 図 か ら △Ti≧ -0 .007%の ときB鋼 の焼入性 は最大 になるこ とが わか つた.こ の 最 大 値 をVc.go堵 とす る と,こ の値 はNの 影 響 を受 け な い と きのB鋼 の焼 入 性 とみ なす こ とが で き る.こ の値 を基 準 に し,Bの 効 果 が 最 大 の と き に1.0 になる よ うな値 η=V6.go*/Vと ーgoを定 義 す る と,こ の 値 はBの 効 率 を示 す 値 とみ な す こ とが で きる.Fig.4a に示 した2種 類 の 成 分 系 に お け る結 果 を この 値 で 整 理 す るとFig.4の 上半 分 の図bが 得 られ た.Fig.4aに 示 さ れた二 つ の 曲線 が 重 なつ て 示 され る こ とか ら,鋼 の 成 分 が異 なつ て も ηを用 い る こ とでBの 効 果 が一 義 的 に表 さ れるこ とが わ か つ た. 3・2 最 適B量 の検 討 次 にNが 固定 され た鋼 を用 いB量 とBの 効 果 との 関係 を調べ た. 3I1で 述 べ た ΔTi≧-0.007%の 条 件 はBが10ppm 以上含 ま れ る鋼 にお い て得 られ た 結 果 で あ る.△Ti<o で ある 限 りBNが 析 出 す る可 能 性 が あ る の で,Bが 少 ない鋼 の場 合 は この 条 件 で 十分 とは必 ず しも い え ない. ここで は添 加B量 と固 溶B量 が等 し くな る条 件 下 で 実 験 した い た め,BNの 析 出 が お こ ら な い と 考 え ら れ る 立△Ti≧0の 条件 下 で実 験 を行 つ た. Table3に 示 した試 料 を用 い て 調 べ たB量 とBの 効 果 との 関 係 をFi&5に 示 すIこ の と きの オ ー ス テ ナ イ ト 化 条 件 は940℃,5sで あ る.こ の 図 か ら わ か る とお り B≦5ppmの 範 囲 で はBの 増 加 と と も にBの 効 果 は増 加 す る が,B≧5ppmで はBの 効 果 は一 定 に な る.す な わ ち,固 溶Bが5ppm以 上 で あ れ ばBの 効 果 は最 大 に な る こ とが わ か つ た. 3・3 Bの 析 出 物 の 固 溶 温 度 これ まで の 光 学 顕微 鏡 や 電子 顕微 鏡 に よ る観 察 か ら, Bの 析 出 物 に はBNとFe23(C,B)6が あ る こ とが 知 ら れ て い る.渡 辺 ら13)は 高 張 力 鋼 中 のBの 析 出 挙 動 を調 べ,BNは 高 温 か らの 冷 却 過 程 で析 出 し,Fe23(C,B)6 は 昇 温 過 程 の α一温 度 域 で 析 出 す る こ と を明 ら か に して い る.α 一track法 で 観 察 され る析 出 物 は 高 温(1000℃ 付 近)で 析 出 す る6)こ とやNが 多 い ほ ど析 出 速 度 が 速 く な る6)等 の特 徴 が あ り,こ れ ま で の知 見 と考 え併 せ る と この析 出物 はBNで あ る可 能 性 が きわ め て高 い.
Fig. 4. Effect of Ti on hardenability of B-added steels.
Fig. 5. Effect of B on hardenability.
Photo. 1. a-autoradiograph of an as-rolled steel containing 0.0011%B and 0.0045%N. Precipitation of boron can be observed mainly along austenite grain boundaries. Those boron-precipitates seem to be formed as a result of B+N•¨BN reaction after rolling.
914 鉄 と 鋼 第 74 年 (1988) 第 5 号 a) Quenched from 1 050•Ž b) Quenched from 1100•Ž 通 常 析 出 物 の 同 定 にはX線 回折 法 が用 い ら れ る.し か し,本 実 験 で は析 出 物 の 同 定 は もち ろ ん,こ の析 出物 の 析 出条 件 を明 確 にす る こ と も重 要 な課 題 で あ る ので,固 溶 温 度 を 求 め る方 法 で 析 出物 がBNと み な さ れ る か 否 か の判 断 を行 つ た. まず こ れ ら の鋼 の 圧 延 ま ま材 でBの 分布 状 態 の一 例 を Photo.1に 示 す.こ れ はB;11,N=45ppmを 含 む鋼 の Bの 分 布 状 態 で あ る.Bは 旧 オー ステ ナ イ ト粒 界 に析 出 して い る こ とが わ か る. これ ら の鋼 を加 熱 し,そ れ ぞ れ の 温 度 で30min保 持 した 後 焼 入 れ し,α 一track法 を用 い て析 出物 が 固 溶 して ゆ くよ うす を調 べ た.加 熱 温 度 と 固 溶 状 態 との 関 係 を Photo.2に 示 す.こ れ はPhoto.1に 示 し た 鋼 を1050, 1150。Cに 加 熱 後,焼 入 れ し た と き のBの 分 布 状 態 を 示 す.1050。Cで は 一 部 未 固 溶 で あ る が,1100℃ で は 完 全 に 固 溶 して い る こ と が わ か る. α一track法 に よ る 観 察 結 果 を 未 固 溶(● ▲),約 半 分 ほ ど 固 溶(0△),完 全 固 溶(○ △)の3水 準 に 分 け て 示 し た(Fig.6).比 較 の た め こ の 図 中 にR.W FOUNTAINI4)ら が 求 め た 溶 解 温 度 を 点 線 で 示 し た. こ の 図 か ら わ か る と お り,α 一track法 で 観 察 さ れ る 析 出 物 の 固 溶 温 度 はBNの 固 溶 温 度 と 良 い 一一致 を 示 す. こ の 結 果 か ら α一track法 で 観 察 さ れ る 析 出 物 はBNと 考 え ら れ,粒 界 に 偏 析 す るBや マ ト リ ッ ク ス 中 に 固 溶 す るBは 化 学 分 析 で い うSoluble.Bと み た さ れ る こ と が わ か つ た. 4. 考 察 4・1 固 溶B量 とBの 効 果 と の 関 係 以 上 述 べ た 一 連 の 実 験 か ら 次 の3点 が 明 ら か と な つ た 。 1) 10ppm以 上 のBを 含 む 鋼 に お い てBが 有 効 に 働 く た め に は △Ti≧-0.007%が 必 要 で あ る(Fig.4). 2) Nの 固 定 が 十 分 で あ れ ば5ppmのB添 加 で 十 分 で あ る.そ れ 以 上 のBを 添 加 し て も焼 入 性 は 向 上 し な い (Fig.5). 3) α一track法 で 観 察 さ れ る 析 出 物 はBNと 考 え て 良 い.し た が つ て 固 溶Bは 化 学 分 析 で 求 め ら れ たB-Nの 溶 解 度 積 か ら 計 算 で 求 め ら れ る(Fig.6). こ れ ま でBの 効 果 は 固 溶Bに 依 存 す る と い わ れ て き
Photo. 2. Distribution of boron of the steel shown in Photo. 1 af-ter quenching from 1 050°C and 1 100°C. Some precipitates still can be observed in the sample
quenched from 1 050°C but no
precipitate can be seen in the sample quenched from 1 100°C. Those results show that disolu-tion temperature of boron-pre-cipitate is between 1 050°C and 1
100°C in the case of B = 0.0011 and N=0.0045%.
Fig. 6. Dissolution temperature of B-precipitates observed by autoradiography.
鋼の焼入性改善に寄与する最適ボ ロン量 915 た10>.本 実 験 で も上 記2)に 述 べ た とお りBの 効 果 は [瑚 の関 数 に な る こ と が確 認 さ れ た.し た が つ て 上 記 1)の 結 果 も[B]の 観 点 か ら説 明 で き る は ず で あ る. そこで溶 解度 積 か ら 〔B]を 計 算 し,こ の値 を用 い て1) の結果 を解 析 した. 解析 に必 要 な[B]の 計 算 を簡 単 にす る た め,ま ず 次 の二つ の仮 定 を お い た. (1)B,N,Tiが 共存 す る と き,ま ずTiNが 析 出 す る. 続 いて,残 るNとBの 問 でB+N2B土Nの 平 衡 が 成 立 す る. (2)950℃ 付 近 で のTi-Nの 溶解 度 積 は 小 さい の で, 近 似的 に[Ti][N]=0と す る こ と が で きる.す る と, TiNが 析 出 した あ と残 るN,ムNは 次 の 式 で 与 え ら れ る.
( 1 )
この △Nを 用 い る と[B]は 次 の 連 立 方 程 式 を解 くこ とで得 られ る.(2 )
(3 )
こ こでTは オ ー ス テ ナ イ ト化 温 度(K)で あ る 。 この よ う に し て 得 ら れ た[B]を 用 い てFig4の 結 果 を整 理 し,Fig5に 重 ね る とFig.7が 得 ら れ た.こ の 図 か ら わ か る と お りB鋼 の 焼 入 性 は 固 溶Bの 関 数 に な る こ と が 明 ら か と な つ た.す な わ ち,[B]≦5ppmで は logV土c-go=logレrc.go。 ―0.14[B3と な り,[B]≧5ppm で はV土c.goは 一 定 と な り,Vc.go=0.2Vをc.go。 と な る. こ こ でyc-goはB鋼 の 焼 入 性,Vσgo。 はB-free鋼 の 焼 入性 を示 す. 次 に 固 溶Bと γ粒 界 に お け るBの 濃 度 と の 関 係 に つ い て考 察 す る. 焼 入 性 に 寄 与 す るBは 粒 界 に 偏 析 し たBで あ る か ら6),本 来Bの 効 果 の最 適 条 件 は こ の粒 界 のB濃 度 で 表 示 され る べ き で あ る.そ こ で 粒 界 のB濃 度 をB86と し た と き,[B】 ≦5ppmの 条 件 がB86に 対 して どの よ う な 意 味 を持 つ か を考 察 す る. B8δ と マ ト リ ッ ク ス 中 のBと の 間 に 平 衡 関 係 が 成 立 し,そ の 関係 がMc猛 姻 の 式 で 表 せ る と仮 定 す る とB8δ は次 式 で表 せ る.(4 )
こ こ で 湾: 定 数, Q: 粒 界 と 粒 内 の エ ネ ル ギ ー の 差, R: ガ ス 定 数 B鋼 が あ る オー ス テ ナ イ ト化 温 度 か ら有 限 の 冷 却 速 度 で 冷 却 され る 場 合,そ れ ぞ れ の 温 度 で(4)式 に従 つ てB の 偏 析 が お こ る.し た が つ て γ→ α変 態 抑 制 に効 果 が あ る粒 界 のB濃 度 は変 態 が 開 始 す る まで の 温 度 範 囲 で(4) 式 を温 度 につ いて 積 分 した値 とい え る. 一 方 ,こ れ までの実験土でBの 粒 界 偏 析 曲線 は700。C 付 近 に鋭 い ノ ー ズ を持 つC曲 線 に な る こ とが わか つ て い る6).し た が つ て 連 続 冷 却 過 程 で 最 もBの 偏 析 が 進 行 す る の は こ の ノ ー ズ付 近 と考 え ら れ る.Bの 偏 析 が 最 も進 行 す る と ころ の温 度 を 丁瞭 と し,こ の 温 度 以 外 の 温 度 で の 偏 析 は 無 視 で き る と仮 定 す る と,B86は[B]と T、ガ との 関 数 に な る.と ころ が 興∬ は[B]に も オー ス テ ナ イ ト化 温 度 に も依 存 しな い そ の元 素 固有 の定 数 に な る と思 わ れ る.な ぜ な ら,偏 析 曲線 は拡 散 元 素 の溶 解 度 と拡 散 速 度 で き ま り,時 間軸 で見 た ノー ズ の位 置 は そ の 元 素 の 濃 度 に依 存 す る が,そ の ノー ズ温 度 は元 素 固有 の 値 に なる と考 え ら れ る か らで あ る.Tψ が元 素 固有 の定 数 な ら ば,B8δ は[B]だ け の 関 数 とな る.し た が つ て [B]=5ppmの と き にBの 効 果 が 最 大 に な るB8ム が達 成 され る とい う こ とが で きる. [B]≧5ppmの と き,Bの 効 果 に は 変 化 が な か つ た. こ れ はB8ゐ に飽 和 値 が あ る た め と考 え られ る.B8δ が飽 和 値 に 達 す る と そ れ 以 上 のBは 粒 界 に 偏 析 で き な くな る.こ の 過 剰Bは あ た か も粒 界 の 幅 を広 げ る よ うに粒 界 近 傍 に偏 析 す る か,あ る い はBの 一 部 は 析 出物 とな つ て 析 出 す る も の と考 え ら れ る.も ち ろ ん この と き ΔN=0 で あ る か らBNの 析 出 は お こ らな い.し た が つ て この 析 出 物 は焼 入 性 に対 して 無 害 と考 え る と,Fig.7に 示 したBの 効 果 が 一 定 に な る現 象 は説 明 が つ く. 次 の 固溶Bと 焼 入 性 との関 係 で 得 ら れ た結 果 を これ ま で文 献 に報 告 され て い る結 果 と比 較 して み よ う. 4・2 最 適B量 焼 入性 に対 して有 効 なBは 先 述 した よ うに固 溶Bで あ Fig. 7. Relationship between free B content andeffect of boron on hardenability.
916 鉄 と 鋼 第 74 年 (1988) 第 5 号 るか ら,焼 入 性 に対 す る 最 適 条件 は 固溶B量 で表 示 す る の が 妥 当 な方 法 で あ る.そ の た め文 献 に報 告 さ れ て い る 結 果 を固 溶Bの 関 数 と して整 理 した. KApADIAら8)は27種 類 のB鋼 を用 い てN,Ti,Zr量 と焼 入 性 との 関 係 を調 べ,添 加B量 か らTi,Zr量 に よ つ て 補 正 され たN量 を添加B量 か ら差 し引 い た値 を"有 効B量"と し,こ の値 を用 い て最 適B量 を求 め て いる. そ の結 果,最 適B量 は 有 効Bで あ ら わ して10ppmと の 結 論 を得 て い る.著 者 らは こ の有 効B量 を先 述 した 固 溶 Bに 置 き換 え,焼 入 性 を こ の 固溶Bの 関 数 と して 整 理 し た(Fig8). この 解 析 に お い て ΔNの 計 算 は,粗 い 近似 で あ る が Zrの 影 響 を無 視 して,△N二N-Ti/3.4で 計 算 したI Fig.8の 横 軸 は オ ー ス テ ナ イ ト温 度(1650℃F)に お け る 固 溶B量 を示 す.こ の図 か は わか る とお り,固 溶B量 で 整 理 す る とKAPADIAら の 結 果 は著 者 らの 結 果 と良 い 一 致 を示 し,[B]=5ppm付 近 でBの 効 果 は最 大 に な る こ とが わ か る. 次 に 同 様 の解 析 をNAKASAToら9)が 行 つ た実 験土に つ い て も試 み た.そ の 結 果 をFig.9に 示 す.固 溶Bの 計 算 は前 述 の 方 法 で 行 つ た.NAKAsAToら はSAE1033系 お よ び低 炭 素Si-Mn鋼 の2成 分 系 を用 い て 実 験 して いる が,さ い わ い 両 者 の 焼 入 性 は ほ ぼ 等 しい の で ん 値 と [B]と の 関係 は一 本 の 曲線 に ま とめ ら れ た.こ の 図 が 示 す と お りNAKASATOら の結 果 も[B1で 整 理 で き,[B] =5ppm付 近 でBの 効 果 は最 大 にな る こ とが わ かつ た . Bの 焼 入 性 効 果 が[B】 の 関 数 と して 表 示 で きる こ と は 土 生 ら10)に よ つ て も 報 告 さ れ て い る.土 生 ら は Al-N-Bの 三 元 素 で[B]を 計 算 し,最 適Bは3∼5ppm で あ る こ と を示 した.実 験 誤 差 を考 慮 す る と土 生 らの 結 果 も著者 らの結 果 と良 い一 致 を示 して い る とい え よ う. 4・3 Bの 焼 入性 効 果 の表 示 方 法 こ れ ま でBの 効 果 は主 と して ん 値 で 表 示 され て き た.と こ ろが 一 方 で はD1値 を倍 増 させ る 難 しさ は焼 入 性 が 大 きい鋼 ほ ど難 しい とい う経験 則 か ら,焼 入 性 に対 す る 合 金 の 効 果 を1)1値 の 比 で 表 示 す る こ と に対 す る批 判 もあ つ た1亀 著 者 ら は本 実 験 にお い てBの 効 果 を η議 Vc.go*/Vc.goで 表 示 す る とlogη と[B]と は 基 本成 分 に 関 係 な く一 定 の 関係 が あ る こ と を見 出 した(F婚7). これ は ηの 方 が ん 値 よ りBの 効 果 を表 示 す る の に適 し て い る こ とを示 唆 して い る.そ こで η値 の有 用 性 を調 べ る た め,η 値 と ん 値 との 関 係 を も う少 し詳 し く解 析 す る こ とにす る. D∬値 もVσgoも と も に ジ ョ ミニ ー 試 験 か ら求 め られ る値 で あ る か ら,お 互 い に 変 換 で き る.F培10に 実 験 的 に 求 め られ たD1値 と臨界 冷 却 速 度 との 関係 を示 す. こ の図 か ら両 者 の 関係 は 近似 的 に(5)式 で 表 す こ とが で きる.
(5 )
こ こ で,￠,6は 定 数Fig. 8. Relation between free-boron
content FBI
and boron-factor (fB). [B] and fB-value were
calcu-lated from KAPADIA'S
data (4).
Fig. 9. Relation between free-B content and B factor.
Fig. 10. Correlation between D/ and critical cool-ing velocity.
鋼の焼入性改善に寄与する最適ボ ロン量 917
こ の 関 係 を 用 い てfB値 と η と の 関 係 を 求 め る こ と に す る.
こ こ でB鋼 の 臨 界 冷 却 速 度 お よ びDI値 を Vc-90*, DI* と し, B-free 鋼 の こ れ ら の 値 をVc-90°, DI° と す る と,η と ん と の 関 係 は 次 式 で 表 さ れ る.
(6 )
ゆ え に,(7 )
(7)式 か ら わ か る とお り,fB 値 は F 値 と DI° の 関数 になる.こ れ までfB 値 はBの み の 関 数 と考 え ら れ て き た.し か し,fB値 が(7)式 に従 うの で あ れ ばfB値 はB 量のほ かそ の鋼 の基 本 成 分 の 焼 入 性 に依存 す る.こ れ ま での報 告 で ん 値 が 研 究 者 に よ つ て 異 なつ た の は供 試 鋼 によつてDI° が 異 な り,そ の 影 響 がfB値 に現 れ た もの と考 えら れる. 先述 の と お り η値(あ る い はF値)は 鋼 の 成 分 に よ らず 固溶Bだ けの 関 数 とな つ た.と ころ がfB値 はBだ けの 関数 で は ない の で,Bの 効 果 を示 す 指 標 と して は η の方 が妥 当 と考 え られ る. 5. 結 論 小型 ジ ョ ミニ ー試 験 を行 いB鋼 の焼 入 性 が最 大 に な る 条件 を求 め た.ま た α-track法 で 観 察 され るBの 析 出 物 はBの 焼 入 性 効 果 に対 して顕 著 な影 響 を お よ ぼ す の で,そ の析 出物 の実 体 を調 べ た.そ の結 果,下 記 の こ と が明確 とな つ た. (1) 鋼 の 焼 入 性 を90%マ ル テ ンサ イ ト組 織 が得 ら れ る臨界 冷却 速 度 ・VC-90(℃/s)で 表 示 す る と,B鋼 の焼 入性 は次 式 で表 され る. こ こ でVC-90° はB-free の 場 合 の 焼 入 性,[B]は オ ー ス テ ナ イ ト化 時 に 固 溶 し たB量(ppm)を 示 す. (2) し か し,Bの 効 果 は[B]=5ppmで 最 大 に な る. そ の 時 の 焼 入 性 はVC-90=0.2Vc-90° で あ る. [B]>5 ppmに な つ て もBの 焼 入性 効 果 は 変 わ らな い. (3) α-track法 で観 察 され る析 出物 の 固 溶 温度 はBN の 固 溶 温 度 に等 し い こ とか ら,そ の 析 出 物 はBNと 考 え られ る.し た が つ て α-track 法 で 観 察 され る 固 溶B の 量 は従 来 の溶 解 度 積 か ら計 算 で求 め ら れ る. (4)Bの 効 果 をfB値 で表 示 す る と, fB 値 は B-free 鋼 の 焼 入 性 の 逆 数 に対 応 して 変 化 す る.す な わ ち,fB 値 はBだ け の 関数 で は な い.こ れ まで多 くの研 究 者 に よ つ て 求 め ら れ た ん 値 が 必 ず し も一 致 しな い の は きわ め て 当然 とい え る. 終 わ りに,本 研 究 を実 施 す る に あ た り適 切 な助 言 を賜 つ た新 日本 製鉄(株)第 一 技 術 研 究所 井 上泰 博 士 に感 謝 の 意 を表 し ます.文
献
1 ) M. A. GROSSMANN: Trans. Metall. Soc. AIME, 150 (1942), p. 227
2) R. A. GRANGE and T. M. GARVEY: Trans. ASM, 37 (1946), p. 136
3) R. A. GRANGE and J. B. MICHELL: Trnas. ASM, 53 (1961), p. 157
4) C. R. SIMCOE, A. R. ELSEA and G. K. MANNING: Trans. AIME, 206 (1956), p. 984
5) F. G. MELLOY, P. R. SLIMMON and P. P. PODGURSKY:
Metall. Trans., 4 (1973), p. 2279
6) M. UENO and T. INOUE: Trans. Iron Steel Inst. Jpn., 13 (1973), p. 210
7) W. CRAFTS and J. L. LAMONT: Trans. Metall. Soc. AIME, 158 (1944), p. 157
8) B. M. KAPADIA, R. M. BROUN and W. J. MURPHY: Trans. Metall. Soc. AIME, 242 (1968), p. 1689
9) F. NAKASATO and M. TAKAHASHI: Met. Technol., 6 (1979), p. 102 10) 土 生 隆 一, 宮 田 政 祐, 関 野 昌 蔵, 合 田 進: 鉄 と 鋼, 60 (1974), p. 1470 11) 上 野 正 勝, 中 村 勝 治, 伊 藤 亀 太 郎, 峰 松 祐 行: 鉄 と鋼, 68 (1982), p. 155 12) 成 田 貴 一: 日本 化 学 雑 誌, 77 (1956), p. 1536 13) 渡 辺 征 一, 大 谷 泰 夫: 鉄 と鋼, 62 (1976), p. 1851 14) R. W. FOUNTAIN and J. CHIPMAN: Trans. AIME, 224
(1962), p. 599
