專利名稱：耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼以及曲軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用于船舶和發(fā)電機等的動力傳輸用大型曲軸等的鍛造用鋼，特別是高疲勞強度和耐氫脆性優(yōu)異的高凈化鋼。
背景技術(shù)：
作為使用于船舶和發(fā)電機等的動力傳輸用大型曲軸等的鍛造用鋼，一直以來，所使用的是以ISO規(guī)格的36CrNiMo6、DIN規(guī)格的32CrMO12或ISO規(guī)格的42CrMo4為代表的所謂Cr-Mo鋼。
因為曲軸在其使用中被曝露于嚴酷的重復(fù)應(yīng)力，所以即使采用這些Cr-Mo鋼制造，也要求成為疲勞破壞起點的MnS等的夾雜物極少的高凈化鋼。另一方面，曲軸自然對今后日益輕量化的高性能的品質(zhì)，即高疲勞強度的制品的要求度也隨之增加。
然而，因為Cr-Mo鋼的情況，是隨著追求高凈化度和高疲勞度化，氫脆性性變得易于發(fā)生，所以要從鋼的材質(zhì)面和精煉技術(shù)的兩方面考慮對策。例如，通過限定在鋼水的精煉時的氫量的上限值，在超過此值時進行脫氫處理，從而制造耐氫脆性好的鋼。
或是，下述專利文獻1，是對以提高大型鍛造鋼品的耐氫脆性為目的，使鋼中的S含量增加的現(xiàn)有方法加以改良，而增加MnS夾雜物，降低鋼的凈化度而抑制疲勞強度。同專利提出了通過將鋼水中的S量，調(diào)整到與氫量之間正好相稱，而使耐氫脆性提高的方法?；蚴?，下述專利文獻2提出了對用于改善曲軸用鋼的凈化度的現(xiàn)有的一種方法加以改良，以2次精煉使夾雜物降低，RH真空脫氣時，由桶和脫氣槽間回流鋼水以除去夾雜物的方法。
如上述的脫氫處理，在時間和處理費用的方面對氫量的降低化有界限，一般來說以1～數(shù)ppm級別進行制造管理，但是因為氫脆性由于微量的氫而發(fā)生，所以該程度的管理不能夠完全地防止氫脆性。另外，上述的調(diào)整S濃度并形成硫化物的方法，反而招致成品鋼的凈化度和機械性質(zhì)、疲勞強度的劣化，難以期待更高的高凈化度、高的疲勞強度。
另外，下述專利文獻開示了一種鍛造用鋼的改良案。專利文獻3，為了使Cr系耐熱鋼的高溫強度提高，調(diào)整鋼中的Ta、Nb等的氧化物的粒徑和形狀而使之分散。另外，專利文獻4，作為優(yōu)化CrMoV系耐熱鋼的高溫蠕變強度和低溫韌性的方法，對制品的熱處理進行改善。另外，專利文獻5，為了優(yōu)化36CrNiMo6系曲軸的強度、韌性、淬火性，通過低Ni而使成本縮減以及進一步添加V、Nb、Ta而由固溶N提高強度。還有，作為在冷軋鋼制造領(lǐng)域中的氫脆化的抑制法，公知有利用來自腐蝕等的外部要因的氫的侵入的抑制，或者由回火所致的析出碳氮化物的氫擴散抑制。但是，這些如冷卻中或常溫放置中，與比腐蝕的產(chǎn)生更短的時間之間產(chǎn)生的氫脆性，氫的舉動不同。
專利文獻1特開2003-268438號公報專利文獻2特開2003-183722號公報專利文獻3特開平7-150289號公報專利文獻4特開平9-194946號公報專利文獻5特開平2002-241892號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明著眼于曲軸這樣的大型鍛鋼品所要求的輕量化、和疲勞強度等進一步高性能化的高凈化度鋼，耐氫脆性受損的問題，將有效地降低這種鍛造用鋼的氫脆性敏感性作為解決課題。
本發(fā)明為了解決上述課題，(1)提出一種耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，含有C0.2-0.6％(重量％。以下相同。)；Si0.1～0.4％；Mn0.7～1.5％；Ni1.0％以下；Cr1.2～3.5％；Mo0.1～0.6％；Al0.01～0.05％，以及Ti、Zr、Hf或Nb的1種以上合計為0.005％以上，鋼中所含的最大弦長為1μm以上的夾雜物的圓度的平均值(以下稱為平均圓度)為0.5以上，最大弦長為20μm以上的夾雜物的個數(shù)為每100mm2低于40個，其平均圓度為0.25以上，以及最大弦長為1～10μm的夾雜物的個數(shù)為每100mm2為100個以上，(2)根據(jù)上述(1)記載的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，含有Ti、Zr、Hf或Nb的1種以上合計為0.10％以下，以及含有N為0.02％以下，(3)根據(jù)上述(1)或(2)記載的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，在鋼中所含的最大弦長為1～10μm的夾雜物之中，占據(jù)10％以上的個數(shù)的夾雜物含有Ti、Zr、Hf和Nb中的1種以上合計為1％以上，(4)根據(jù)上述(1)、(2)或(3)記載的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，含有0.005％以下的S，(5)根據(jù)上述(1)、(2)、(3)或(4)記載的鍛造用鋼，含有V0.035～0.30％，(6)根據(jù)上述(1)、(2)、(3)、(4)或(5)記載的耐氫脆性鍛造用鋼，以大型曲軸的制造為用途，以及，(7)一種曲軸，對上述(1)、(2)、(3)、(4)或(5)記載的鍛造用鋼進行鍛造而制造。
本發(fā)明將通常含于鍛造用鋼的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Al、N的各含量，根據(jù)各自的功能而限定于特定的范圍，且還將Ti、Zr、Hf和Nb也作為一并添加的組成，此外嚴密地限定了鋼中夾雜物的形狀、大小和個數(shù)。通過這兩個條件，能夠提出一種確保了高凈化度，且耐氫脆性極其優(yōu)異，而且輕量的高疲勞強度的鍛造用鋼，具有能夠有效地使用于大型曲軸等的效果。


圖1是鍛造用鋼的耐氫脆性敏感性試驗裝置的概略圖。
(1)試驗片，(2)H2SO4+KSCN水溶液的環(huán)境圖2是鋼中夾雜物的電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
本發(fā)明的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，對鋼的成分組成進行限制，而且相對地調(diào)整鋼中的夾雜物的形狀、大小和個數(shù)等的特性值。
首先，說明鋼的成分組成。
通過含有C0.2～0.6％，能夠提高鋼的淬火性和強度，為此需要0.2％以上，但是若比0.6％多，則鋼的韌性劣化，反而助長V偏析?？梢愿鼉?yōu)選為0.3～0.5％的范圍。
含有Si0.1～0.4％，是為了期待鋼的強度提高作用，為了確保充分的強度而需要0.1％以上，若過多則反而V偏析變得顯著，阻礙鋼的凈化度，所以為0.4％以下，更優(yōu)選為0.3％以下。
含有Mn0.7～1.5％，是為了進一步提高鋼的淬火性和強度，若超過1.5％以上，則反而助長V偏析，所以更優(yōu)選為0.8～1.2％的范圍。
含有Ni1.0％以下，是因為Ni固溶于鋼中，提高鋼的淬火性而且賦予其韌性，所以高價的Ni可以在1.0％以下。
Cr1.2～3.5％的含有也是為了使鋼的淬火性和韌性提高，因為若過多則反而導(dǎo)致V偏析的助長，所以可以更優(yōu)選為1.5～2.5％。
Mo0.1～0.6％的含有，有效地使鋼的淬火性、強度和韌性的全部提高，但是可以更優(yōu)選為0.15％以上的含有。不過，因為Mo的平衡分配系數(shù)小，容易形成微觀偏析(正常偏析)，所以可以在0.6％以下，更優(yōu)選抑制在0.35％以下。
另外，因為S的存在在鋼中形成MnS等的硫化物，成為劣化鋼的疲勞特性的原因，所以可以為0.005％以下，更優(yōu)選為0.003％以下。
本發(fā)明的鍛造用鋼，其特征在于，除必須含有上述的各成分以構(gòu)成這種鋼的基本的組成之外，還含有下述成分。
首先，Al0.01～0.05％的含有，因為期待Al的脫氧性，所以有必要為0.01％以上，如果由此生成的Al2O3系夾雜物細微，則不會成為氫脆性的起點，而能夠捕捉氫有助于成品鋼的耐氫脆性的提高。這是由于上述Al2O3與硫化物比較，后述的圓度顯示出大的傾向。另一方面，Al主要以AlN的形態(tài)固定N，若妨礙由N和V等的配合產(chǎn)生的鋼的強化作用，則同時也與其他大量的元素結(jié)合，生成非金屬夾雜物和金屬間化合物，對鋼的韌性造成不良影響，所以將0.05％作為限度。
其次，使Ti、Zr、Hf或Nb的1種或2種以上含有0.005％以上。這些金屬元素，存在于鋼中，構(gòu)成Ti4C2S2這樣的細微夾雜物在鋼中分散，吸留捕捉超過了固溶限的鋼中的剩余氫，具有改善鋼的耐氫脆性的巨大效果。而且，這些Ti等的夾雜物在捕捉氫時的化學(xué)結(jié)合能很強，使在鋼的冷卻時發(fā)生的氫擴散從更高溫時得到抑制。這意味著，這些Ti等的夾雜物的一方比MnS和Al2O3等的夾雜物，氫脆性抑止效果優(yōu)異。
因此，為了期待以上的作用效果，Ti等需要為0.005％以上，但是因為是活性元素，所以也有可能與鋼水中的雜質(zhì)和耐火物成分反應(yīng)，生成巨大的夾雜物。因為此夾雜物有可能顯著地劣化鋼的機械性質(zhì)和耐氫脆性，所以優(yōu)選為0.10％以下，為了更安全而控制在0.03％以下。
還有，Ti等的上述夾雜物的量和大小或種類，與Ti等的含量不同，也有被鋼水的攪拌等的精煉狀態(tài)和鑄造時的拉絲速度或冷卻速度支配的方面，在本發(fā)明中沒有特別限定。
另外，在本發(fā)明中，除上述Ti等的含有以外，可以將N的含量控制在0.02％以下，是因為與Ti等結(jié)合形成氮化物和碳氮化物，有助于鋼的氫脆性敏感性的抑制。若N的含量超過0.02％，則因為生成的氮化物等粗大化使鋼的機械的性質(zhì)劣化，所以更優(yōu)選抑制在0.01％以下。
本發(fā)明的鋼，還能夠含有V0.035～0.30％。由于V在鋼的淬火時生成碳氮化物，從而具有使鋼中的奧氏體粒細微化的效果，更優(yōu)選可以是0.007～0.25％的范圍。
本發(fā)明除以上說明的組成之外，還具有如下述這樣控制存在于鋼中的夾雜物的形狀、個數(shù)或大小等的特性值的特征。
·最大弦長為1μm以上的夾雜物的平均圓度為0.5以上，·最大弦長為20μm以上的夾雜物低于40個/100mm2，其平均圓度為0.25以上，以及，·最大弦長為1～10μm的夾雜物為100個/100mm2以上。
分散于鋼中而存在的各種夾雜物，根據(jù)組成和生成過程等形狀和大小呈多樣，但是若著眼于形狀，則與球狀相比橢圓球狀的容易成為應(yīng)力集中破裂的起點。此外，在應(yīng)力場應(yīng)變集中容易誘發(fā)氫的稠化，這被認為易于引起鋼的氫脆性。應(yīng)該定量地研究該狀況，觀察鋼截面以二元鎖定夾雜物，通過能夠由橢圓球狀的弦長和下述(數(shù)式1)表示的圓度計算測量其形狀，根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)分析研究與鋼的氫脆性性的關(guān)系。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓度越小氫脆性越容易發(fā)生。
(數(shù)式1)圓度＝4π×面積/(周長)2即，最大弦長為1μm以上的夾雜物的平均圓度低于0.5時和20μm以上的夾雜物的平均圓度低于0.25時，該鋼肯定容易有氫脆性產(chǎn)生。為了更安全，通過將最大弦長為1μm以上的夾雜物的平均圓度控制在0.6以上，20μm以上的夾雜物的平均圓度控制在0.4以上，能夠有效地抑制鋼的氫脆性。
另外，發(fā)現(xiàn)這些夾雜物在鋼中的存在個數(shù)的多少也對鋼的氫脆性敏感性產(chǎn)生影響。即，若最大弦長成為20μm以上的夾雜物，則其個數(shù)對于氫脆性性的影響大，當每100mm2為40個以上，以同夾雜物作為起點的氫脆性容易發(fā)生。為了更安全，可以控制為低于30個。
最大弦長為1～10μm的夾雜物，不但其界面起著捕捉氫這樣的作用，能夠抑制氫擴散，而且發(fā)現(xiàn)難以成為氫脆性的起點。還有，由于低于1μm的夾雜物也具有同樣的功能，所以可以含有它們。
本發(fā)明為了高效地實現(xiàn)鋼中氫的捕捉性能，而使至少Ti、Zr、Hf或Nb，或這些的2種以上含有0.005％以上，但是這些活性元素形成如已述的夾雜物而分散于鋼中。因此，若該夾雜物的最大弦長為10μm以下很細微，則易于分散，提高超過了固溶限的剩余氫的捕捉性。而且，該夾雜物的強勁的化學(xué)結(jié)合能，使氫的捕捉作用特別優(yōu)異，具有從更高溫時就能夠抑制鋼在冷卻時的氫的擴散的突出優(yōu)點，該效果比MnS和Al2O3等的夾雜物都大。
另外，來自這些Ti等的夾雜物對于氫的效果，在其最大弦長為10μm以下時顯著，而且該細微夾雜物的個數(shù)為同種夾雜物中的10％以上，更優(yōu)選為20％以上的一方顯著。另外，這些Ti等的夾雜物占其他全部夾雜物中的量，當合計為1％以下的微量時，不能期待上述效果，更優(yōu)選為控制在20％以上，則十分效果。
還有，如以上這樣，對夾雜物的各種特性值進行定量化的方法沒有規(guī)定，不過，通過例如以下的方法能夠得到。除將Al控制在本發(fā)明范圍之外，將爐渣(slag)的堿度(CaO/SiO2)設(shè)為3.0以上，由此能夠顯著抑制氧化物的個數(shù)，成為以尖晶石為中心的細微夾雜物。另外通過將形成夾雜物的S、N量控制在本發(fā)明范圍，不僅能夠控制硫化物和氮化物的尺寸還能控制組成。這些夾雜物凝集和伸展的粗大化難以產(chǎn)生，容易控制為本發(fā)明的特性值。還有，除此之外，通過對各鋼種分別定制澆注速度和攪拌方法/速度、冷卻速度、淬火/回火溫度，能夠進行更細致的夾雜物控制。此外，作為控制夾雜物的元素，也可以含有Mg和Ca。另外，夾雜物的如上述的弦長、周長、面積或個數(shù)等，通過由SEM-EPMA(日本電子株式會社制JXA·8900RL、XM·Z0043T、XM·87562)的圖像分析，而能夠容易的計算測量。
本發(fā)明鋼，允許根據(jù)用途添加含有其他的元素。例如，為了優(yōu)化鋼的淬火性，控制B或MnS的形態(tài)，可以使Ca、Mg、Te等合計含有0.03％程度以下。
本發(fā)明，包括對具有上述的化學(xué)組成，同時對含有控制了大小和形狀等的夾雜物的鋼材進行鍛造加工而制造的船用的大型曲軸，不過，該曲軸當然不是如上述的具有耐氫脆性的輕量且高性能的制品。
(實施例)作為本發(fā)明的實施鋼和比較鋼，含有(表1)和(表2)所示的化學(xué)成分，由150kg真空爐熔煉將爐渣堿度調(diào)整至3.0的鍛造用鋼作為供試鋼。鍛造各鋼錠，冷卻后，使抗拉強度成為950MPa左右，進行了淬火(870℃×1小時)和回火(600℃×13小時)。從各供試鋼，切割20mm邊×5mm厚尺寸的試驗片，每1鋼種3個，研磨各截面。
對各試驗片通過自動EPMA(日本電子株式會社制JXA·8900RL、XM·Z0043T、XM·87562)，以100倍的倍率，得到視野為10×10mm2的反射電子圖像，確認最大弦長為1μm的全部夾雜物。同時，自動計算夾雜物的最大弦長以外的圓周、面積和圓度，并且通過EDS，對夾雜物的重心點，以1點10秒進行自動分析。
在各試驗片中，以夾雜物的最大弦長為基準計算出下述4種，其就每1鋼種分別實施3次，將各值平均化。
·最大弦長1～10μm的夾雜物的個數(shù)。
·其中，含有Ti、Zr、Hf、Nb的1種或2種以上合計為1％以上的夾雜物的比例。
·最大弦長1μm以上和20μm以上的夾雜物的圓度的平均值。
·最大弦長20μm以上的夾雜物的個數(shù)。
另一方面，根據(jù)(圖1)所示的鍛造用鋼的氫脆性敏感性的比較試驗法，實驗性地比較評價各試驗片的氫脆性敏感性。圓棒形的試驗片(1)，加工為長150mm，標線間距離為10mm的啞鈴狀，形成中央部分為直徑4mm，兩端的夾具部分為直徑8mm，在長度15mm設(shè)置螺釘。將該試驗片全體浸漬在由0.5Mol/1 H2SO4+0.01Mol/1KSCN水溶液構(gòu)成的環(huán)境中，以提供于試驗。
將各試驗片浸漬于上述水溶液，以電流密度0.5A/dm2進行陰極電解，一邊添加氫一邊在(圖1)的裝置上裝載試驗片(1)。然后，通過SSRT(低應(yīng)變速度試驗)，對試驗片(1)施加長軸方向的拉伸負荷，測定其應(yīng)力S1(伸長)。將這時的試驗裝置的十字頭的拉伸速度設(shè)為2×10-3mm/min。與此不同，省略向上述水溶液的浸漬，在大氣中在與上述相同的拉伸條件下實施SSRT試驗，測定該群的試驗片的破斷應(yīng)力S0。
然后，將以上的各測定值代入下述(數(shù)式2)計算出氫脆性敏感性S值。
(數(shù)式2)S值＝(1-S1/S0)×100將所得到的S值依據(jù)下述標準評價鋼的氫脆性敏感性。
× S值為50以上…耐氫脆性差。
△ S值為40～50…耐氫脆性一般。
○ S值為30～40…耐氫脆性優(yōu)異。
◎ S值低于30…耐氫脆性極其優(yōu)異。
根據(jù)上述標準，在(表3)中表示各試驗片的夾雜物特性值和鋼的耐氫脆性的關(guān)系，不過很明確本發(fā)明鋼的實施例，作為鋼的耐氫脆性十分優(yōu)異。例如，如實施例A，如果Al含量比較少，則Al2O3系夾雜物的析出量也少，整體來說細微夾雜物的圓度比較低。另外，如實施例B，在Ti系成分的含量少時，細微夾雜物少，圓度也低。
(圖2)表示鋼中夾雜物的電子顯微鏡照片的1個示例?？梢岳斫鉃橥瑘D中的細微夾雜物Ti4C2S2，因為是使Al和Ti系的活性元素含有而產(chǎn)生，所以若也大量生成這些細微夾雜物，則鋼的氫脆性敏感性被進一步抑制。還有，特別是Ti添加最為有效。此外，如實施例F～J，若下調(diào)S含量，則氫脆性敏感性降低。
相對于此，從比較例K～O的情況可知，因為夾雜物的特性值超出本發(fā)明的規(guī)定之外，所以鋼的氫脆性敏感性一樣變高。
表1


注剩余部為Fe以及不可避免的雜質(zhì)。
表2


表3


權(quán)利要求
1.一種耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，以重量％計，含有C0.2～0.6％、Si0.1～0.4％、Mn0.7～1.5％、Ni1.0％以下、Cr1.2～3.5％、Mo0.1～0.6％、Al0.01～0.05％、選自Ti、Zr、Hf和Nb中的至少1種元素合計為0.005％以上，鋼中所含的最大弦長為1μm以上的夾雜物的平均圓度為0.5以上，最大弦長為20μm以上的夾雜物的個數(shù)為每100mm2低于40個，其平均圓度為0.25以上，以及最大弦長為1～10μm的夾雜物的個數(shù)為每100mm2有100個以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，所述選自Ti、Zr、Hf和Nb中的至少1種元素合計為0.10％以下，并且還含有以重量％計為0.02％以下的N。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，在鋼中所含的最大弦長為1～10μm的夾雜物之中，占據(jù)10％以上的個數(shù)的夾雜物含有選自Ti、Zr、Hf和Nb中的至少1種元素合計為1％以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，以重量％計，還含有0.005％以下的S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征在于，以重量％計，還含有V0.035～0.30％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼，其特征是，用于大型曲軸的制造。
7.一種曲軸，其特征在于，對權(quán)利請求1的鍛造用鋼進行鍛造而制成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種耐氫脆性優(yōu)異的鍛造用鋼和由這種鋼制造的曲軸，該鋼材，含有C0.2～0.6％(重量％，以下相同。)；Si0.1～0.4％；Mn0.7～1.5％；Ni1.0％以下；Cr1.2～3.5％；Mo0.1～0.6％；Al0.01～0.05％，以及含有Ti、Zr、Hf或Nb的1種以上合計為0.005％以上，鋼中所含的最大弦長為1μm以上的夾雜物的平均圓度為0.5以上，最大弦長為20μm以上的夾雜物的個數(shù)(每100mm
文檔編號F16C3/04GK1873042SQ200610082718
公開日2006年12月6日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者漆原亙, 佐藤俊樹, 深谷莊吾, 藤綱宣之 申請人:株式會社神戶制鋼所