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本章では、レールへベイナイト鋼を適用するにあたり、ベイナイト組織の基本特性、特に変態温度、変態後の組織形態、硬さにおよぼす変態前組織の影響について検討を行う。
2.1. 緒言
鋼の変態挙動や変態後のミクロ組織に変態前のオーステナイト（γ）が影響を与えることは良く知られている。特に変態挙動が拡散により支配されるフェライト（α）－パーライト（Ｐ）変態においては、制御圧延と関連づけられてγ粒径、未再結晶γ域における加工が、γ／α変態、変態後のミクロ組織、機械的特性へおよぼす影響について多く研究されている1)。反対にせん断型メカニズムのマルテンサイト変態では、上記のγ粒径、未再結晶γ域の加工が変態後の組織におよぼす影響が比較的少ないことも知られている。
ベイナイト変態に関しては、等保持変態における反応速度にγ粒径の影響が認められることが報告されている程度である2),3)。また、これらの報告では、γ粒径の粗大化により反応速度が減少するという報告もあれば、逆の報告もある。従って、ベイナイト変態におけるγ粒径の影響は、必ずしも系統的には検討されていない。また、これらの研究は、基本的に等温変態挙動について検討されている4),5)。
ベイナイト鋼の工業的開発の見地からは、連続冷却中における変態挙動を明確にする必要がある。しかし、連続冷却中のベイナイト変態におよぼすγ組織の影響に関する検討は少ない6)。ベイナイト変態挙動に関しては、大きく分けて拡散型とせん断型の二種類のメカニズムが提案されている7)-12)。γ粒界は、フェライト－パーライト変態のような拡散型変態において重要な役割を担っていると考えられている。このように、ベイナイト変態におけるミクロ組織の影響を明確にすることは、ベイナイト変態のメカ
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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。Steel 1,2は鉄鋼協会のベイナイト委員会の共通試料であるLow C – 3%Mn鋼である。Steel 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High C-Nb-Mo鋼である。いずれの鋼も50kg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1160℃保持として、直径約200μmにγ粒径を合わせた。微細等軸γを得るための条件は、1000℃でε＝0.34の歪を付与し、Nb添加系では20秒保持、Nbフリー系では1秒保持として、直径約20μm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20μmの等軸γ粒と同等になるように調整した。
一般的には、CCT曲線はAc3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200μm、20μm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
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
0.011
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: 200μm)
No deformation
No deformtion
2
Fine equiaxed grain
(dγ: 20μm, Sv: 107mm-1)
Final pass 1000℃
ε=0.34
Holding time before cooling 20s
Final pass 1000℃
ε=0.34
Holding time before cooling 1s
3
Elongated grain
(Sv: 107mm-1)
Final pass 800℃
ε=0.34
Holding time before cooling 20s
Final pass 800℃
ε=0.34
Holding time before cooling 20s
2.2.2 実験結果
図2-1にSteel 1のγ粒径に伴うCCT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
1 0
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20～60℃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Steel 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Steel 1の、また図2-6にはSteel 2の50%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50%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Steel 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TEM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0.4μmであり、伸長γの場合、0.8μmである。伸長γのラス幅0.8μm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30℃/sの冷却速度の場合と、
11
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、Steel 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 1 2
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 1 3
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
1 4
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:200μm, (b)(e) 等軸粒:20μm, (c)(f) 伸長粒
1 5
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: 200μm, (b)(e) 等軸粒: 20μm, (c)(f) 伸長粒
冷却速度：(a)(b)(c) 5℃/s, (d)(e)(f) 30℃/s
(a) 等軸粒: 200μm
BS = 500℃
(b) 等軸粒: 20μm
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
1 6
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
1 7
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
1 8
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。 1
第２章の参考文献
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