Improving Pitting Corrosion Resistance at Inclusions and Ductility of a Martensitic Medium-Carbon Steel: Effectiveness of Short-Time Tempering

Abstract

The optimal tempering conditions for a martensitic medium-carbon steel (0.47 mass% C) were investigated in terms of balancing ductility and pitting corrosion resistance. By tempering the as-quenched martensite, its Vickers hardness drastically decreased within 0.1 h, suggesting that ductility was sufficiently recovered by short-time tempering. Based on the results of micro-scale polarization in boric-borate buffer solutions with NaCl (pH 8.0), stable pits were initiated at non-metallic inclusions in the specimens tempered for at least 1 h; however, no stable pit was generated on the 0.1 h tempered and as-quenched specimens. Short-time tempering of martensite was suggested to be a feasible approach to striking an optimal balance between facilitating pitting corrosion resistance and achieving the desired mechanical properties of martensitic carbon steels. To reduce the weight of automobiles and other transportation vehicles, ultra-high strength steels with excellent ductility are necessary. It is desirable that excellent mechanical properties be attained without deteriorating the corrosion resistance. Even if organic or inorganic coatings are used in the actual applications of the steels, bare steel surfaces are exposed at cut edges, scratched surfaces, and other damaged areas of the coatings. Therefore, high corrosion resistance remains a fundamental requirement for ultra-high strength steels.A martensitic structure with fine grains is favored for strengthening steels, and interstitial carbon imparts high strength to martensite. The martensitic structure is formed during shear-dominated transformation via quenching.1 In the phase transformation from austenite to martensite in carbon steels, interstitial carbon atoms in the fcc (facecentered cubic) crystal structure of austenite remain as supersaturated carbon in the bct (body-centered tetragonal) martensitic structure. 1-5Supersaturation of interstitial carbon, a fine structure, and a high dislocation density are introduced by this transformation. 5 To optimize the balance between ductility and strength, the as-quenched martensite is subjected to tempering because the ductility of as-quenched martensitic steels is relatively low.1 During this process, the strength of the steel decreases and the ductility recovers, supplying an optimum balance of strength and ductility. In the case of carbon steel, precipitation of carbides also occurs during tempering. As a result, the concentration of interstitial carbon in martensite decreases, which is associated with changes in both the chemical and mechanical properties. Kadowaki et al. demonstrated that the pitting corrosion resistance of as-quenched martensite (0.47 mass% C) is higher than that of low-carbon martensite prepared by quenching after decarburization treatment.6 Despite the optimum balance between strength and ductility achieved by quenching and tempering treatments, the pitting corrosion resistance decreased during tempering. This seems to be because of the decrease of the interstitial carbon concentration. An...

Role of CaS Inclusions in Pitting Initiation of Carbon Steel: Triggering Steel Depassivation

“…Sulfide inclusions, such as MnS and CaS, readily act as pitting initiation sites for carbon steels and stainless steels. 16,17,21,28) This is because the dissolution of the inclusions exposes bare steel surfaces and releases sulfur species that are harmful to the corrosion resistance of the steel matrix. 2,3,[29][30][31][32] As shown in Fig.…”

“…14) Sulfide inclusions, such as MnS and CaS, readily act as pitting initiation sites for carbon steels in chloride environments. [16][17][18][19][20][21][22][23][24][25] Pitting corrosion resistance at sulfide inclusions tends to be lower as the inclusions become more soluble in aqueous solutions. [26][27][28] This is because the dissolution of the inclusions exposes bare steel surfaces and releases sulfur species that are harmful to the corrosion resistance of the steel matrix.…”

Electrochemical Properties of Microstructures of Carbon Steels and Metallurgical Approaches for Improving Corrosion Resistance

“…には，電子伝導を担うフェルミ準位近傍の価電子が関与して いる (42) (44) ．Fe の価電子数が減少するということは，Fe の 電気化学反応を担う電子の数が減少するということであり， 反応速度定数が小さくなることに相当している (42) ．電荷密 度分布に加え，Fe の電子状態密度 (32) や仕事関数 (45) ルテンサイト試料でも SEM 観察が実施されており，MnS/ 母相境界部には溝が形成されているが，孔食発生には至らな かったことが確認されている (30) ．   靱性と耐食性を両立する焼戻し条件 上述の実験結果に基づき，靱性と耐孔食性を両立するため の熱処理の指針が提案されている (30) ．図は，図 4 および 図 5 の解析に用いた炭素鋼 S45C のマルテンサイト組織につ いて，874 K で焼戻した際のビッカース硬さと孔食電位を整 理したものである (30) ．孔食電位としては，MnS を含まない…”

“…Hv となり，それよりも長 時間では，ほとんど変化しない．鉄鋼材料において，ビッカ ース硬さは靱性や引張強さなどの機械的特性と線形的な関係 にあることが知られており (46) ，図 6 での硬さの低下はマル テンサイトの靱性が向上したことを意味している (30) ．ま た，マルテンサイト中の固溶 C 濃度も，ビッカース硬さと 線形な関係にあることが知られている (46) ．したがって，硬…”

“…など， 鋼の電子構造に由来する様々な表面特性も固溶 C の存在に より変化することが報告されている．このような固溶 C に よる Fe の電子構造の変化が，マルテンサイトの活性溶解を 抑制し，優れた耐孔食性をもたらす要因の一つであると考え られている．C などの軽元素は，遷移金属である Fe とは， 電気陰性度に大きな差異がある．しかも，侵入型の元素であ るため，置換型の元素に比べ Fe 原子により近接できる．そ の結果，比較的少ない添加量でも Fe の電子構造を大きく変 図 4 焼入れままおよび焼戻しマルテンサイトの NaCl 含有ホ ウ酸 ホウ酸塩緩衝液(pH 8.0)中での動電位マイクロア ノード分極曲線．(a) MnS を含有しない電極面を使用， NaCl 濃度500 mM．(b) 一つの MnS を含有する電極 面を使用，NaCl 濃度1 mM (30) ． 図 5 図 4(b)の0.1時間焼戻したマルテンサイト試料に含まれ る MnS 介在物の，分極測定後の SEM 観察画像 (30) ． 1123 K から水焼き入れした焼入れままマルテンサイト と，それを 873 K で焼戻した焼戻しマルテンサイトについ て，NaCl を含有するホウ酸 ホウ酸塩緩衝液(pH 8.0)中で動 電位アノード分極曲線を測定した結果である (30) ．この際は， 23 mV min -1 で電位を貴な方向に掃引している．この図か ら，耐孔食性に及ぼす焼戻し時間の影響を把握することがで きる．鉄鋼材料では MnS などの介在物が起点となり孔食が 発生することが知られている (23) (26) ．このため，図 4 では， MnS を含有しない微小領域と MnS を含有する微小領域に ついて測定を実施し，孔食発生挙動を解析している． 図 4(a)は MnS を含有しない約 100 mm 四方の領域を電極 面として，500 mM NaCl を含有するホウ酸 ホウ酸塩緩衝 液中で測定した分極曲線である b)の分極曲線測定終了後に，0.1時間の焼戻図 6 マルテンサイトの焼戻し時間に対するビッカース硬さ および孔食電位の変化(30) ． 図 7 0.3 mass固溶 C 添加鋼，0.3 mass固溶 N 添加鋼， および C・N 無添加鋼のホウ酸 ホウ酸塩緩衝液(pH 8.0)中での動電位アノード分極曲線(33) ．…”