高強度低合金鋼
| スチール |
|---|
 |
| フェーズ |
| 微細構造 |
| クラス |
| その他の鉄系材料 |
高強度低合金鋼（HSLA ）は、炭素鋼よりも優れた機械的特性または耐食性を備えた合金鋼の一種です。HSLA鋼は、特定の化学組成ではなく特定の機械的特性を満たすように製造されている点で他の鋼と異なります。成形性と溶接性を維持するために、炭素含有量は0.05～0.25％です。その他の合金元素には、最大2.0％のマンガンと少量の銅、ニッケル、ニオブ、窒素、バナジウム、クロム、モリブデン、チタン、カルシウム、希土類元素、ジルコニウムが含まれます。[ 1 ] [ 2 ]銅、チタン、バナジウム、ニオブは強化のために添加されます。[ 2 ]これらの元素は、通常はフェライト-パーライト集合体である炭素鋼の微細構造を変化させ、ほぼ純粋なフェライトマトリックス中に合金炭化物を極めて微細に分散させることを目的としています。これにより、パーライト体積率による靭性低下効果は排除され、結晶粒径を微細化することで材料の強度は維持・向上します。フェライトの場合、平均粒径が半分になるごとに降伏強度が50%増加します。析出強化も重要な役割を果たします。HSLA鋼の降伏強度は250～590メガパスカル（36,000～86,000 psi）の範囲です。HSLA鋼は強度と靭性が高いため、通常、炭素鋼に比べて成形に25～30%多くの電力を必要とします。[ 2 ]
耐食性を高めるため、銅、シリコン、ニッケル、クロム、リンが添加されます。また、硫化物介在物の形状制御により成形性を向上させるため、ジルコニウム、カルシウム、希土類元素が添加されます。これらの元素は、ほとんどのHSLA鋼が方向性に敏感な特性を持つため、必要です。成形性と衝撃強度は、木目に対して縦方向と横方向の試験で大きく変化する可能性があります。縦方向の木目と平行な曲げ加工では、外縁部に引張荷重がかかるため、外縁部周辺で割れが発生しやすくなります。この方向性特性は、硫化物形状制御処理を施したHSLA鋼では大幅に低減されます。[ 2 ]
これらは、自動車、トラック、クレーン、橋梁、ジェットコースターなど、大きな応力に耐えられるよう設計された構造物や、優れた強度対重量比を必要とする構造物に使用されます。[ 2 ] HSLA鋼の断面と構造は、通常、同じ強度の炭素鋼よりも20～30％軽量です。[ 3 ] [ 4 ]
HSLA鋼は、パーライト（パーライト中のフェライト（ほぼ純鉄）とセメンタイトの微細層）がないため、ほとんどの炭素鋼よりも錆びにくいです。 [ 5 ] HSLA鋼の密度は通常約7800 kg/m3です。[ 6 ]
軍用装甲板は主に合金鋼で作られていますが、小火器に対抗する民間の装甲板の一部には極低温焼入れによるHSLA鋼が使用されています。[ 7 ]
分類
- 耐候性鋼：耐食性に優れた鋼。代表的な例としてはCOR-TEN鋼があります。
- 制御圧延鋼: 高度に変形したオーステナイト構造を持ち、冷却すると非常に微細な等軸フェライト構造に変化する熱間圧延鋼。
- パーライト低減鋼：炭素含有量が低いため、パーライトがほとんどまたは全く存在せず、非常に微細なフェライトマトリックスが形成されます。析出硬化によって強化されます。
- 針状フェライト鋼: これらの鋼は、非常に微細で高強度の針状フェライト構造、非常に低い炭素含有量、および優れた硬化性が特徴です。
- 二相鋼：これらの鋼は、フェライト組織を有し、その中に均一に分散した小さなマルテンサイト組織が含まれています。この組織により、鋼の降伏強度は低く、加工硬化率は高く、成形性は良好です。 [ 1 ]
- マイクロアロイド鋼: 微細粒度および/または析出硬化を実現するためにニオブ、バナジウム、および/またはチタンを微量添加した鋼。
マイクロアロイ鋼の一般的なタイプは、成形性を向上させたHSLAです。この鋼の降伏強度は最大80,000 psi（550 MPa）ですが、価格はA36鋼（36,000 psi（250 MPa））よりわずか24%高いだけです。この鋼の欠点の一つは、延性が30～40%低いことです。米国では、これらの鋼は、板金についてはASTM規格A1008/A1008MおよびA1011/A1011M、厚板についてはA656/A656Mで規定されています。これらの鋼は、強度を損なうことなく軽量化を実現するために自動車産業向けに開発されました。用途例としては、ドアイントルージョンビーム、シャーシメンバー、補強および取り付けブラケット、ステアリングおよびサスペンション部品、バンパー、ホイールなどがあります。[ 2 ] [ 8 ]
SAEグレード
自動車技術協会( SAE) は、HSLA 鋼種が自動車用途でよく使用されるため、HSLA 鋼種の標準を維持しています。
| 学年 | 炭素含有量（最大） | マンガン（最大） | リン（最大） | 硫黄含有量（最大） | シリコン（最大） | 注記 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 942X | 0.21 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブまたはバナジウム処理 |
| 945A | 0.15 | 1.00 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | |
| 945C | 0.23 | 1.40 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | |
| 945X | 0.22 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブまたはバナジウム処理 |
| 950A | 0.15 | 1.30 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | |
| 950B | 0.22 | 1.30 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | |
| 950C | 0.25 | 1.60 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | |
| 950D | 0.15 | 1.00 | 0.15 | 0.05 | 0.90 | |
| 950X | 0.23 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブまたはバナジウム処理 |
| 955X | 0.25 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブ、バナジウム、または窒素処理 |
| 960X | 0.26 | 1.45 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブ、バナジウム、または窒素処理 |
| 965X | 0.26 | 1.45 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブ、バナジウム、または窒素処理 |
| 970X | 0.26 | 1.65 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブ、バナジウム、または窒素処理 |
| 980X | 0.26 | 1.65 | 0.04 | 0.05 | 0.90 | ニオブ、バナジウム、または窒素処理 |
| 学年 | 形状 | 降伏強度（最小）[psi（MPa）] | 最大引張強度（最小）[psi（MPa）] |
|---|---|---|---|
| 942X | 最大 4 インチのプレート、形状、バー。 | 42,000 (290) | 60,000 (414) |
| 945A、C | シート＆ストリップ | 45,000 (310) | 60,000 (414) |
| プレート、シェイプ、バー: | |||
| 0～0.5インチ | 45,000 (310) | 65,000 (448) | |
| 0.5～1.5インチ | 42,000 (290) | 62,000 (427) | |
| 1.5～3インチ | 40,000 (276) | 62,000 (427) | |
| 945X | 最大 1.5 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 45,000 (310) | 60,000 (414) |
| 950A、B、C、D | シート＆ストリップ | 50,000 (345) | 70,000 (483) |
| プレート、シェイプ、バー: | |||
| 0～0.5インチ | 50,000 (345) | 70,000 (483) | |
| 0.5～1.5インチ | 45,000 (310) | 67,000 (462) | |
| 1.5～3インチ | 42,000 (290) | 63,000 (434) | |
| 950X | 最大 1.5 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 50,000 (345) | 65,000 (448) |
| 955X | 最大 1.5 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 55,000 (379) | 70,000 (483) |
| 960X | 最大 1.5 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 60,000 (414) | 75,000 (517) |
| 965X | 最大 0.75 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 65,000 (448) | 80,000 (552) |
| 970X | 最大 0.75 インチのシート、ストリップ、プレート、形状、バー。 | 70,000 (483) | 85,000 (586) |
| 980X | 最大 0.375 インチのシート、ストリップ、プレート。 | 80,000 (552) | 95,000 (655) |
| ランク | 溶接性 | 成形性 | 強靭さ |
|---|---|---|---|
| 最悪 | 980X | 980X | 980X |
| 970X | 970X | 970X | |
| 965X | 965X | 965X | |
| 960X | 960X | 960X | |
| 955X、950C、942X | 955X | 955X | |
| 945C | 950C | 945C、950C、942X | |
| 950B、950X | 950D | 945X、950X | |
| 945X | 950B、950X、942X | 950D | |
| 950D | 945C、945X | 950B | |
| 950A | 950A | 950A | |
| 最高 | 945A | 945A | 945A |
HSLA鋼の制御圧延
機構
制御されたローリング
制御圧延は、鋼板を精密に制御された温度で圧延することにより、オーステナイト母相中にフェライトの核生成サイトを大量に導入し、鋼の結晶粒を微細化することで強度を向上させる方法である。制御圧延には主に3つの段階がある。[ 12 ]
1)再結晶領域における変形。この段階ではオーステナイトが再結晶・微細化しており、後の段階でフェライト粒の微細化が可能になります。
2) 非再結晶領域における変形。オーステナイト粒は圧延によって伸長する。その内部にも変形帯が存在する可能性がある。伸長した粒界と変形帯は、いずれもフェライトの核生成サイトとなる。
3) オーステナイト-フェライト二相域における変形。フェライト核生成とオーステナイトはさらに加工硬化する。
強化メカニズム
制御圧延HSLA鋼は、複数の強化メカニズムを組み合わせます。主な強化効果は結晶粒微細化（粒界強化）によるもので、結晶粒径が小さくなるにつれて強度が増加します。その他の強化メカニズムとしては、固溶強化とマイクロアロイ元素による析出硬化が挙げられます。 [ 13 ] [ 14 ]鋼がオーステナイト-フェライト相域の温度を通過すると、加工硬化によってさらに強化されます。[ 13 ] [ 12 ]
機械的特性
制御圧延HSLA鋼は通常、強度と靭性が高く、延性脆性遷移温度[ 14 ]と延性破壊特性が低い[ 13 ] 。以下は、機械的特性を改善するために使用される一般的なマイクロアロイ元素です。
微量合金元素の効果
ニオブ：Nbは再結晶温度を約100℃上昇させ[ 12 ] 、非再結晶領域を拡大し、粒成長を遅らせます。Nbは析出強化と結晶粒微細化によって強度と靭性の両方を向上させることができます[ 14 ] 。さらに、Nbは強力な炭化物/窒化物形成元素であるため、形成されたNb(C, N)はオーステナイトからフェライトへの変態過程における粒成長を阻害する可能性があります[ 14 ] 。
バナジウム：Vは析出強化により強度と遷移温度を大幅に上昇させることができる。[ 14 ]
チタン: Ti は、結晶粒の微細化と析出物の強化の両方を通じて、わずかに強度が向上します。
Nb、V、TiはHSLA鋼によく用いられる3つの合金元素です。これらはすべて炭化物および窒化物形成元素として優れており[ 12 ] 、形成された析出物は粒界をピンニングすることで粒成長を抑制します。また、これらはすべてフェライト形成元素でもあり、オーステナイト-フェライト二相域の遷移温度を上昇させ、非再結晶域を減少させます[ 12 ] 。非再結晶域の減少は、粒界以外のフェライト核生成サイトとして、変形帯と活性化粒界の形成を促します[ 12 ] 。
その他の合金元素は、シリコン、マンガン、クロム、銅、ニッケルなど、主に固溶強化のために使用されます。[ 14 ]
参考文献
- ^ a b「炭素鋼および低合金鋼の分類」 。 2008年10月6日閲覧。
- ^ a b c d e f「HSLA Steel」 . 2002年11月15日. 2009年12月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年10月11日閲覧。
- ^デガーモ、116ページ。
- ^炭素鋼と同じ密度。次の段落を参照。
- ^ Kant, Krishan; Kumar, Lalit; Verma, Kanika; Rawat, Deepak (2016年4月10日). 「サブマージアーク溶接におけるHSLA鋼の溶接継手品質に対する引張試験および靭性試験による各種プロセスパラメータの影響」 . International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology . 2 (2): 652– 659. doi : 10.32628/IJSRSET1622216 (2025年7月12日非アクティブ).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOIは2025年7月時点で非アクティブです（リンク） - ^ 「自動車構造用途におけるステンレス鋼の特性」（PDF） Euro Inox、2000年6月。2007年9月28日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2007年8月14日閲覧。
- ^ 「Swebor Armor 500 弾道防護鋼」(PDF) . Swebarmor . 2020年1月14日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年5月21日閲覧。
- ^冷間圧延鋼板、2008年4月30日アーカイブ、2008年10月11日閲覧。
- ^オーバーグ、440-441ページ。
- ^オーバーグ、441ページ。
- ^オーバーグ、442ページ。
- ^ a b c d e f田村今尾（1988）.高強度低合金鋼の熱処理加工. バターワース. ISBN 978-0-408-11034-1。
- ^ a b c Morrison, WB; Chapman, JA (1976年7月8日). 「ローゼンハイン100周年記念会議 - 3. 材料開発の現状と将来 3.2 制御圧延」.ロンドン王立協会哲学論文集. シリーズA, 数学・物理科学. 282 (1307): 289– 303. doi : 10.1098/rsta.1976.0119 . S2CID 136154334 .
- ^ a b c d e f田中 徹 (1981年1月). 「鋼板および鋼帯の制御圧延」.国際金属レビュー. 26 (1): 185– 212. doi : 10.1179/imtr.1981.26.1.185 .
出典
- デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2003) 『製造における材料とプロセス』（第9版）ワイリー、ISBN 0-471-65653-4。
- Oberg, E.; et al. (1996), Machinery's Handbook (第25版), Industrial Press Inc
