エンジニアリング材料用35MNnB鋼を理解する

序文

35MnB鋼は、ボロン合金化された中炭素マンガン鋼で、建設機械のクローラーシャシー部品の製造に広く採用されています。この鋼材の人気は、その卓越した焼入れ性と熱処理工程に対する優れた反応性から、耐摩耗性と機械的特性が強化された部品が得られることに起因している。

クローラーシステムにおける35MnB鋼の主な用途は以下の通り：

1. ローラーホイールのボディ：これらの重要な部品は、機械の重量を支え、軌道のスムーズな移動を促進する。
2. クローラチェーンレールリンク：軌道のアライメントを維持し、荷重を足回りに分散させるために不可欠。
3. トゥースブロック：トラクションを与え、ドライブスプロケットと噛み合わせるのに重要。
4. その他の耐摩耗部品：アイドラーホイール、トラックシュー、テンションアジャスターなど。

このような用途に35MnB鋼を使用することで、耐用年数の延長、高応力条件下での性能の向上、過酷な環境で稼働する建設機械のメンテナンス要件の低減が実現します。

1.35MnB鋼における主要元素の影響

35MnB鋼の用途が過酷な使用条件であることを考慮すると、焼入れ・焼戻し処理が必要である。

焼入れ性と硬化性は、次のような重要な指標となる。 焼き入れと焼き戻し 鋼は、焼入れ性に大きな影響を与える炭素（C）、ケイ素（Si）、マンガン（Mn）、ホウ素（B）、クロム（Cr）などの主要元素を厳密に管理することで、その値を維持するのが一般的である。

1.1 C含有量の影響

について 炭素含有量 35MnB鋼の炭素含有量は焼入れ後の硬度を決定する。炭素含有量が高いほど焼入れ硬度は高くなりますが、割れのリスクも高くなり、鋼の塑性と衝撃靭性も低下します。

クローラーシャーシのような重要な部品では、炭素含有量の変動が表面硬度や焼入れ層深さに及ぼす影響を最小限に抑えるため、炭素含有量の選定条件を設定する必要がある。一般に、炭素含有量の上限と下限は0.05%の範囲で管理される。

1.2 Si含有量の影響

35MnB鋼に含まれるシリコンは、強度と焼入れ性を向上させるだけでなく、鋼中のガスを除去し、製鋼中の鋼を安定させる働きもある。

しかし、ケイ素含有量が増加すると、鋼の塑性と靭性が低下し、帯状組織が形成されやすくなる。

1.3 Mn含有量の影響

35MnB鋼の主合金元素であるマンガン（Mn）は、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼の硬度を下げる。 臨界冷却速度.Mnは加熱中にフェライト相と固溶体を形成し、鋼の強度を高める。Mnは通常、硬化層の深さが4mmを超える場合に使用される。これは、臨界冷却速度を低下させ、冷却条件が安定しない場合でも、より均一な焼入れ硬さが得られるためである。

図1および図2に示すように、鋼中のMn含有量が1.10%の場合、塑性の低下はわずかで、靭性もわずかに改善されるだけで、強度は大幅に向上する。しかし、Mn含有量がこれを超えると、焼入れ性と強度は引き続き向上するが、靭性は著しく低下する。

図1 固溶体強化に及ぼす合金元素の影響

図2 フェライトの衝撃エネルギーに及ぼす合金元素の影響

1.4 B含有量の影響

焼入れ・焼戻しされた高強度鋼では、以下の添加が必要である。 合金元素 Bは硬化性を高めることができる。これは、少量のBを高温の オーステナイト.冷却中、Bは、硫化水素に偏析する。 オーステナイト 粒界を形成し、フェライトの核生成を抑制するため、特に低冷却速度での焼入れ性が向上する。

しかし、鋼中のBは活性元素であり、Nと容易に反応して安定なBNを形成するが、これは焼入れ温度では不溶性である。このため、オーステナイト固溶体中の有効B量が減少し、焼入れ性向上効果が低下する。

焼入れ性を向上させるためには、窒化物形成元素を添加し、N元素を制御し、オーステナイト中のB固溶量を維持する必要がある。さらに、B含有量が30ppmを超えると、材料の塑性と靭性が著しく低下する。

V、Ti、Al、Bなどの元素は、鋼中の強い窒化物形成元素であり、それぞれ窒化物VN、AlN、BN、TiNを形成する。Bを含む鋼に添加すると、鋼中のNは優先的にTiNまたはTi (C, N)として析出する。この析出はBNの析出開始温度よりはるかに高い1400℃以上の温度で開始する。温度が下がると、TiN中の固体Nの割合が増加し、鋼中のNが固定され、BNの生成が防止されるため、オーステナイト中の有効B含有量が増加し、焼入れ性が向上する。

有効B含有量を最大にするためには、鋼中のTiN比を制御することが重要であり、理想値は3.42である。TiN比が3.42未満の場合、残留N量が増加し、BNの析出が起こり、有効B量が減少し、焼入れ性が低下し、脆性が増加する。これらの影響を避けるためには、鋼中の残留N量を厳密に管理することが重要である。

1.5 Cr含有量の影響

Crは鋼の焼入れ性を大幅に高める元素である。

中炭素クロム鋼にCrを添加すると、相変態のインキュベー ション期間が長くなり、等温変態曲線が右にシフト する。これにより、パーライト変態は高温で、ベイナイト変態は低温で起こる。

その結果、適切な量のクロムが鋼に添加されれば、製造工程で徐冷されても、クロムの含有量は変わらない。 焼き入れ工程このため、過冷却オーステナイトはマルテンサイト変態温度に達する前にパーライトやベイナイトに変態せず、鋼の焼入れ性が大幅に向上する。

しかし、Crはニッケル鋼やマンガン鋼の調質脆性を著しく悪化させる。そのため、35MnB鋼のCr含有量は慎重に規制されている。

35MnBクローラリンク鋼の焼入れ性に及ぼす微量Crの影響に関する研究によると、Cr含有量のわずかな変化(Cr≤0.20%)でも焼入れ性に大きな影響を与え、特にCr含有量が0.10%を超えると顕著になる。これにより、特に水冷端から遠い箇所で鋼の硬度が著しく向上します。

下図は、水冷端から1.5～20.0mの範囲で焼入れ硬さが平均2～3HRC上昇することを示している。水冷端からの距離が20.0mを超えると、硬度はさらに上昇し、約6HRC上昇します。

さらに、Cr0.18%を含有する35Mnb鋼の焼入れ可能な丸棒の直径は、Cr0.02%を含有する鋼の直径よりも約20mm大きい。

図3 焼入れ性に及ぼすCr含有量の影響

Crは炭化物を形成する性質があるため、加熱温度の上昇と加熱時間の延長が必要となり、高周波焼入れには不向きである。

2.35MnB鋼における錫の害

製鋼工程では、錫の融点が高いため、鋳造・凝固前の液相中に錫が析出する。その結果、液中に錫粒子が形成されるが、その大きさは通常2～10μmである。

これらの粒子は、図6に示すように、正方形、ひし形、または三角形の形状を持ち（BNとは異なる）、極めて高い硬度（1000V以上）を示す。

図4と図5に示すように、これらの粒子はどのような加工方法でも変化させることができず、高温固溶体で溶解させることもできない。さらに、大きな衝撃エネルギー分散をもたらす。

図4 スズ光学顕微鏡による観察

図5 電子顕微鏡によるスズの観察

図6 電子顕微鏡によるBNの観察

図7は、1400℃、1450℃、1500℃における液体鉄の溶解度積曲線である；

図に示すように、凝固開始時の溶鋼温度が1500℃の場合、鋼中のN量が80ppm、Ti量が0.043%を超えると、液体と錫の析出が生じる。同様に、鋼中のN含有量が40ppm、Ti含有量が0.086%を超えると、液体および錫の析出が生じる。

デンドライト溶鋼の最終凝固温度が1400℃の場合、Nが80ppm、Tiが0.012%を超えると液体と錫が析出する。さらに、鋼中のN含有量が40ppm、Ti含有量が0.024%を超えると、液体および錫の析出が生じる。

図7 スズの溶解度積曲線

液状化錫の発生を防止するためには、鋼中のTiとNの含有量を適切に調整することが重要である。これにより、凝固中の液状化錫の析出を抑制し、鋳造時の冷却速度を速めることで、最終凝固溶鋼中の析出を抑制することができる。冷却速度を速めることで、析出が動的に発生する時間がなくなる。

液体鉄中のスズの溶解度積を計算すると、製錬・注湯時の最終凝固温度は約1495℃で、スズの平衡溶解度積は0.00302である。

N含有量を80ppmに制御した場合、最終凝固温度で液体鉄中に溶解するスズの最大量は0.0413%である。錫の液体析出を避けるため、化学組成はTi含有量≦0.0413%であるべきである。

窒素含有量を60ppmに制御した場合、最終凝固温度で液体鉄に溶解できる最大T含有量は0.05%である。液体錫の生成を避けるため、鋼の化学組成の 設計Ti含有量は0.05%以下であるべき である。

35MnB鋼の有効B含有量を増やすには、鋼中のN含有量を60ppm以下にする必要がある。

スズの液相析出が6μmを超えると、材料の疲労寿命と衝撃靭性を大きく低下させる。6μmを超える場合はAlと判断する。₂O₃ 脆いインクルージョン。

錫、Alなどの介在物₂O₃MgO - Al₂O₃そして曹-アル₂O₃硬くてもろく、変形温度下では塑性を持たない。これらは変形中に本体構造から容易に分離し、その連続性を損なう。ひどい場合には、未変形介在物の端に亀裂や空洞が生じることもある。

使用中、交互応力は応力集中を引き起こしやすく、金属疲労の原因となる。

3.概要

グッド 素材構成 の管理は、材料の性能を保証するために不可欠である。35MnB材の溶融時の推奨組成（重量％）は以下の通りである：