CN1209846A - 切削性优良的高强度高韧性非调质钢 - Google Patents

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Abstract

提供在加工后不进行特别的处理,能原样不动地供加工使用的高强度、高韧性、而且切削性优良的非调质钢。作为成分组成,以达到C0.05重量%以下、Si0.005～2.0重量%、Mn0.5～5.0重量%、Ni0.1～10.0重量%、Cu1.0以上～4.0重量%、Al0.0002～1.0重量%、S0.005～0.50重量%和N0.0010～0.0200重量%,得到高强度、高韧性而且切削性优良的非调质钢。

Description

切削性优良的高强度高韧性非调质钢
技术领域
本发明是关于热轧后，根据需要进行热加工或冷加工后，适合于进行终切削加工而使用的机械结构用钢，在热轧后切削加工前即使不进行调质处理，就具有高强度而且高韧性、并且显示优良的切削性的非调质处理钢。
背景技术
以往，对以高强度而且高韧性作为必要的机械结构部件或者汽车部件来说，使用按照JIS G4105规定的机械结构用合金钢：SCM435或SCM440。通常，顺序地进行①轧制并根据需要利用热加工或冷加工进行成形，②用于赋予强度和韧性的淬火回火等调质处理，③切削加工而形成部件。
就上述机械结构用合金钢来说，②的调质处理是为了满足所要求的强度和韧性所必要的工序。
在此，调质处理，即热处理工序需要时间和费用。因此，如果能省去调质处理，就能大幅度地降低成本，也能达到节能，为此已提出各种建议。
例如，已提出在C0.3～0.5重量％的中碳系含Mn钢中，添加0.10重量％左右的V的铁素体-珠光体型非调质钢。在热轧的冷却过程中析出V碳氮化物，在强化铁素体基体的同时，利用珠光体的强度使钢整体强度提高。
另外，关于热锻造用钢，在特公平6-63025和特开平4-371547中已公开在C0.05～0.3重量％的低碳系钢中添加Mn、Cr或V等的贝氏体型和马氏体型的非调质钢。
但是，前者的铁素体-珠光体型非调质钢，难以同时获得抗拉强度和韧性。这是因为作为珠光体中的渗碳体，所存在的0.3～0.5重量％的C使强度提高，而使韧性降低的缘故。另外，为了谋求在铁素体-珠光体组织中析出V碳氮化物而提高强度，要限制得到稳定性能的冷却速度范围。因此，在轧制后或者热加工后，必须控制冷却速度，而使制造工序复杂化。再者，由于进行冷锻造等冷加工，即使碳浓度不增加，也能够确保强度，但存在得不到与调质钢同等的韧性的问题。
另一方面，在后者的特公平6-63025中提出的贝氏体型非调质钢在原样的热锻造状态，屈服强度也比调质钢低。因此，为了提高屈服强度，必须在热锻造后进行200～600℃的时效处理，然后进行空冷。因此，不能达到是非调质钢的优点之一的节能效果。另外，在特开平4-37154中提出的高强度、高韧性非调质钢的制造方法，也必须进行回火处理，因此也达不到节能效果。进而，在用这种钢制造小部件时，能够使热锻造后的冷却速度快，所以容易确保足够的韧性。但是在制造大部件时，如果不将热锻造后的冷却速度控制成快的冷却速度，就不能稳定地确保足够的韧性。
再有，在特开平8-144019和特开平9-111336中，各自公开了在冷却速度慢的场合，也能确保韧性的低C-Cu-B添加钢。但是，对机械结构部件来说，如上所述，往往在轧制和锻造等各种加工及调质处理后，再进行切削加工。因此，为了作为工业上的有用材料，不仅必须具有是高强度和高韧性，而且切削性也优良是非常重要的。可是，低C-Cu-B添加钢是非调质钢，以达到高韧性作为目的，因此作为机械部件没有考虑实用上必要程度的切削性。
再者，在特开昭60-92450中公开了通过Cu的析出强化达到提高强度的钢。该钢是在氮化用钢中添加0.5～2重量％的Cu，在氮化处理时使Cu析出，以此谋求高强度化。但是，该钢也没有考虑切削性。并且因为含碳量是0.05～0.3重量％，所以在用于冷却速度慢的大直径材料和大部件的场合，取决于质量效果，抗拉强度大大降低也成为问题。
因此，本发明提供能供热加工或者冷加工原样使用的、即使对大部件也是高强度、高韧性、而且切削性优良的非调质钢。
发明的公开
本发明人对不控制热轧或者热加工后的冷却速度以及不进行时效处理等，即使对大部件也确保足够的抗拉强度、屈服强度和韧性，进而具有优良的切削性的非调质钢的组成进行了调查，从而达到完成本发明。即，发现以下所述的手段和效果。
有以下的新认识：
①由极低碳化产生的韧性提高，
②由Cu的析出和Ni的固溶强化引起的钢的强度提高，
③利用Mn及根据需要添加Nb或B等确保高强度和高韧性，
④通过同时使用Cu和S确保提高切削性和疲劳强度，尤其是如②和④所示，添加Cu，有称作与以往相反性能的高强度和高切削性同时存在的效果。
本发明是以含有下述成分组成为特征的非调质钢：C0.05重量％以下、Si0.005～2.0重量％、Mn0.5～5.0重量％、Ni0.1～10.0重量％、Cu1.0以上～4.0重量％、Al0.0002～1.0重量％、S0.005～0.50重量％和N0.0010～0.0200重量％。进而，也可以含有以下所示的组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的元素的1种或2种以上及其组合。
Ⅰ．W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下，
Ⅱ．Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％和B0.03重量％以下，
Ⅲ．Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下，
Ⅳ．P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下。
接着，说明本发明的各化学成分的限定理由。
C0.05重量％以下
C含量若达到0.05重量％以上，取决于热轧或热加工后的冷却速度而析出珠光体相，有损于韧性。因此有必要限制在0.05重量％以下，最好0.03重量％以下。
Si0.005～2.0重量％
为了确保脱氧和固溶强化，Si必须至少达到0.005重量％，另一方面，若过剩的含有，则降低韧性。因此上限规定为2.0重量％。
Mn0.5～5.0重量％
为了提高淬透性并确保强度，Mn必须是0.5重量％以上，另一方面，若超过5.0重量％，切削性就低劣。因此限定在0.5～5.0重量％的范围。
Ni0.1～10.0重量％
Ni是用于提高强度和韧性的有效成分，并且在含有Cu的场合，对于防止轧制时的热脆性是有效的，但它是高价的，而且即使过剩的含有，其效果也达到包含。因此限定在0.1～10.0重量％的范围。
Cu1.0以上～4.0重量％
Cu是为了析出强化和与S复合添加而提高切削性而添加的，为了发挥其效果，需要含有超过1.0重量％，最好添加1.5重量％以上。另一方面，超过4.0重量％，韧性急剧降低。因此规定1.0以上～4.0重量％的范围。
S0.005～0.50重量％
S是尤其与Cu复合添加而提高切削性的成分，为了发挥其效果，需要超过0.005重量％以上，最好以超过0.010重量％的添加。但是过剩地添加，导致纯净度和韧性降低。因此，上限规定为0.50重量％。
在此，详细叙述调查Cu和S对切削性影响的实验结果。
即，利用连续铸造制造数个表1所示的各种成分的钢方坯，通过热轧将各方坯轧成φ100mm的棒钢，然后以0.001～80℃/s的冷却速度进行800～400℃温度范围的冷却。
在如此得到的棒钢之中，关于以0.1℃/s冷却得到的棒钢的切削性的评价结果示于图1中。而且，切削性，以使用超硬工具的外圆切削，以切削速度200m/min、切削量2mm和进刀量0.25mm/rev(转)的条件进行无润滑的试验，以工具的后隙面磨耗量达到0.2mm的累积切削时间作为工具寿命。通常使用良好的机械结构用钢SCM435QT按照JISG4105，工具寿命是500s左右。
另外，观察以该外圆切削试验形成的切屑形状，评价结果示于图2中。在图2中，以◎表示发生长度5mm以下、细分断良好的切屑的场合，以○表示在细切屑中混杂长度超过5mm、但20mm以下的切屑的场合，以△表示在长度超过5mm、但20mm以下的切屑中混杂长度超过20mm切屑的场合，以×表示产生大致超过20mm的长切屑而防碍作业性的场合。
      表1
                                      (重量％)
    C     Si     Mn     S     Cu     Ni     Al     N     O
 0.010∫0.020  0.30∫0.40  1.80∫2.00  0.001∫0.05  0.5∫3.0  1.3∫1.4  0.03∫0.05  0.001∫0.004 0.001∫0.004
从图1和图2可知，为了具有大致通常材料的2倍的1000s以上的工具寿命，而且得到优良的切削处理性，必须Cu＞1.0重量％而且s≥0.005重量％。优选的范围是Cu≥1.5重量％而且s＞0.010重量％，得到更优良的切削性。
接着，在图3中示出轧制后的冷却速度和抗拉强度(TS)的关系。即，含有Cu2.0重量％时，轧制后的冷却速度是约5℃/s以下，TS≥900MPa。这是因为在冷却过程中Cu细小地析出，Cu对强度提高产生有效的作用。在此，在一般的棒钢制造方法中，轧制后的冷却速度是1℃/s以下。因此可知，使用按照本发明的钢，不控制轧制后的冷却速度，也能达到高强度化。
在图4中示出Cu添加量对冷却速度为0.1℃/s时的强度提高的影响。从图4可知，Cu添加量超过1.0％时，△TS(与不添加Cu时的TS差)急剧变大。并且，如果Cu≥1.5重量％，就得到更大的强度提高的效果。
另外，以往的钢的问题是，冷却速度越慢，组织越软化，存在抗拉强度降低的倾向，因此在棒钢表层部和内部之间产生强度差。这种倾向，尤其在大直径时是显著的，因此对大直径的棒钢必须管理冷却速度。这一点，如图3所示，按照本发明添加Cu的钢几乎不依赖于冷却速度。因此，同时能够避免发生由棒钢的直径差引起的强度差，然后起因于在空冷时产生的表层和内部的冷却速度差的径向抗拉强度的波动。
Al0.0002～1.0％
Al作为脱氧剂起作用，除此之外，同时与N形成AlN，具有细化组织的作用。为此，需要含有0.0002重量％以上，但若超过1.0重量％，铝系夹杂物增加，损害韧性，因此规定为0.0002～1.0重量％的范围。
N0.0010～0.0200％
N与Al同时形成AlN而析出，作为抑制晶粒长大的阻止部位，具有细化组织、提高韧性的作用。即，低于0.0010重量％，不能充分得到由AlN的析出产生的效果。而超过0.020％，效果达到饱和，除此之外，固溶N当然也降低钢材的韧性。因此规定为0.0010～0.0200％的范围。
另外，在本发明中，在上述的基本成分中添加以下所示的化学成分，能够达到提高强度或者提高加工成制品时的切削加工中的切削性。
首先，为了提高强度，添加W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下的1种或2种以上是有利的。
W0.5重量％以下
W除了由固溶而引起强化之外，还与C反应，析出WC，对提高强度产生有效的作用，但添加超过0.5重量％，导致韧性急剧降低。因此规定为0.5重量％以下。
V0.5重量％以下
在析出强化中利用V(C、N)的同时，利用以在奥氏体区析出的V(C、N)作为铁素体形成核，由此能够细化组织和提高韧性。但是，若超过0.5重量％，则效果达到饱和，而且也引起连铸裂纹等问题。由此规定为0.5重量％以下的范围。
Ti0.1重量％以下
Ti除了析出强化之外，还使C或N固定而提高韧性，另外也起脱氧剂的作用。若过剩的添加，就析出粗大的TiN，反而使韧性降低。由此上限规定为0.1重量％。
其次，为了提高淬透性并提高强度，添加Cr 3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1种或2种以上是有利的。
Cr3.0重量％以下
Cr对提高强度是有效的，但过剩的添加会降低强度。因此规定为3.0重量％以下。
Mo1.0重量％以下
Mo对提高常温和高温下的强度是有效的，但它是高价的。因此以1.0重量％以下的范围添加。
Nb0.15重量％以下
Nb是提高淬透性、用于析出强化和提高韧性的有效成分，但超过0.15重量％，妨碍热轧性。因此规定为0.15重量％以下。
B0.03重量％以下
B是提高淬透性的成分，即使含有0.03重量％以上，其效果也达到饱和。因此规定为0.03重量％以下。
进而，作为脱氧成分起作用的同时，为了细化晶粒、提高韧性，添加Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1种或者2种以上是有利的。
Zr0.1重量％以下
Zr是脱氧剂，同时对细化晶粒、提高强度和韧性是有效的，但超过0.1重量％，其效果达到饱和。因此规定为0.1重量％以下。
Mg0.02重量％以下
Mg是脱氧剂，同时对细化晶粒，提高强度、韧性是有效的，但超过0.02重量％，其效果达到饱和。因此规定为0.02重量％以下。
Hf0.1重量％以下
Hf对细化晶粒，提高强度、韧性是有效的，但超过0.1重量％，其效果达到饱和。因此规定为0.1重量％以下。
REM0.02重量％以下
REM对细化晶粒，提高强度、韧性是有效的，但超过0.02重量％，其效果达到饱和。因此规定为0.02重量％以下。
而且为了提高切削性可以含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1种或者2种以上。
P0.10重量％以下
以提高切削性为目的可以添加P，但对韧性或者耐疲劳性产生恶劣影响。因此必须限制在0.10重量％以下。
Pb0.30重量％以下
Pb的熔点低，若通过切削时的钢材发热而熔融，就发挥液体润滑作用，是提高切削性的元素，但超过0.30重量％，其效果达到饱和，而且耐疲劳性降低。因此规定为0.30重量％以下。
Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Sb0.05重量％以下、Bi0.30重量％以下
Co、Ca、Te、Sb和Bi和Pb相同是提高切削性的元素，另一方面，即使过剩的添加，其效果也达到饱和，而且导致耐疲劳性降低。因此分别规定为为Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Sb0.05重量％以下、Bi0.30重量％以下。
Se0.10重量％以下
Se与Mn结合形成MnSe，它起切屑破碎作用，从而改善切削性。但是，添加超过0.10重量％，对耐疲劳性产生恶劣影响。因此规定为0.10重量％以下。
再者，以上的添加成分，即使0.001重量％的微量添加，也能发挥其效果。
本发明的非调质钢，通过成分调整成上述的基本组成，即使在轧制后或者热加工后的冷却速度小时，也得到切削性优良的高强度且高韧性的性能。因此，不需要严格控制轧制后或者热加工后的冷却速度，只要按照机械结构用钢的通常轧制条件和部件的通常制造条件进行制造即可。
例如，将成分调整成上述基本组成的热轧棒钢在1200℃加热后，通过在1000～1200℃温度区的热轧或热锻造，得到规定的形状后，通过空冷或缓冷能够得到作为目的的性能。
接着，在热轧或热锻造后，不需要特别的热处理，但在在热轧或热锻造后，在冷却至室温后，在300℃以上、800℃以下的温度区进行30秒以上的再加热，由此也可以达到提高强度。
另外，将成分调整成上述基本组成的钢热轧后，冷却到室温后，也可以作为冷加工用途使用。在此，所谓冷加工可以是冷轧、冷拔丝和冷锻造中的任一种，没有特别限制。
进而，在要求高韧性的场合，冷加工后，也可以在300℃以上、800℃以下的温度区保持30秒以上。
再有，施行在汽车部件领域通常进行的热处理(渗碳淬火处理、碳氮化处理、氮化处理和软氮化处理)，不论从对切屑用途，还是强度、韧性、疲劳强度优良的角度考虑，即使作为转动部件、滑动部件及弹簧钢也能够分别适用。
附图的简单说明
图1是表示Cu量对工具寿命影响的曲线图。
图2是表示Cu量和S量对切屑处理性影响的曲线图。
图3是表示轧制后的冷却速度对抗拉强度影响的曲线图。
图1是表示Cu量对强度提高影响的曲线图。
实施发明的最佳方式
实施例1
采用连续铸造制造数个具有表2～5中所示的各种化学组成的钢方坯。接着，热轧各个方坯，轧成φ40mm、φ200mm和φ400mm的棒钢，然后以0.1℃/s或0.5℃/s冷却速度进行800～400℃温度区的冷却。另外也进行800～400℃温度区的冷却速度成为0.002～0.01℃/s的缓冷。进而，轧制成φ40mm的棒钢的一部分，在轧制后在800～400℃的温度温度区进行5℃/s的加速冷却。并且对这些棒钢的一部分进行在550℃、保持40分钟的热处理。
另外，关于是表5中的以往类型的非调质钢的钢54和55，与本发明同样地在轧制后以0.5℃/min、0.1℃/min和0.002℃/min的冷却速度冷却，是调质钢的钢56～58，轧制后在880℃进行1小时的加热，然后在60℃的油中淬火，接着进行580℃、1小时的回火处理。
关于如此得到的棒钢的机械性能的调查间结果示于表6和表7中。
在此，拉伸试验使用从棒钢表层从直径的1/4位置切取的拉伸试验片(JIS 4号)，求出屈服强度(YS)、抗拉强度(TS)、延伸率(El)和断面收缩率(RA)。冲击试验采用从棒钢表层从直径的1/4位置切取的冲击试验片(JIS 3号)，求出试验温度为20℃时的冲击值(uE20)。疲劳极性比使用旋转弯曲试验片(JIS 1号平滑试验片)，以转速达到4000r/min时的疲劳强度与抗拉强度的比表示。再者，切削性以和图1所示的实验相同的条件进行评价，切屑处理性以和图2所示的实验相同的条件进行评价。结果示于表6和表7中。
    表2
钢记号     C     Si     Mn     S     Cu     Ni     Al     N     其他     O     备注
    1234567891011121314151617  0.0080.0460.0110.0110.0120.0120.0080.0080.0090.0070.0090.0080.0100.0110.0120.0090.015  0.270.271.680.320.330.250.180.260.240.250.270.280.260.240.280.240.26  2.072.062.080.784.801.982.052.511.981.881.921.751.881.811.921.832.14     0.0150.0160.0200.0180.0220.0070.410.0180.0210.0190.0210.0320.0240.0220.0480.0240.014     2.202.132.182.112.221.972.181.133.822.152.062.112.081.872.372.221.99     1.181.151.231.191.210.941.211.061.080.309.801.821.331.421.061.422.08     0.0340.0340.0370.0410.0330.0410.0330.0360.0410.0210.0330.0010.880.0330.0080.0320.033     0.00180.00230.00320.00330.00260.00300.00210.00280.00290.00240.00260.00250.00280.01620.00280.00810.0026        --------------Ti:0.050V:0.12W:0.02     0.00280.00200.00280.00310.00220.00220.00210.00230.00220.00210.00260.00280.00270.00260.00330.00290.0031     发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
    表3
钢记号     C     Si     Mn     S  Cu  Ni  Al     N     其他     O 备注
    181920212223242526272829303132333435363738394041  0.0130.0090.0060.0120.0110.0090.0100.0080.0150.0410.0120.0190.0130.0070.0090.0080.0080.0100.0110.0090.0100.0110.0080.019  0.320.520.420.510.270.240.320.310.310.240.300.520.330.270.280.290.300.320.330.410.320.410.320.32  1.901.792.371.721.931.831.901.961.961.802.181.902.092 062.122.032.222.192 081.982.051.892.031.46  0.0220.0280.0370.0210.0320.0240.0220.0260.0350.0310.0260.0220.0230.0160.0180.0190.0210.0330.0260.0240.0220.0160.0180.011  2.092.112.142.262.132.222.052.092.342.032.072.082.132.192.132.092.222.162.281.961.882.322.091.74  1.091.201.831.201.111.421.091.121.141.121.211.201.111.321.251.151.161.211.241.321.050.961.970.20  0.0300.0230.0210.0290.0230.0330.0220.0360.0240.1200.0280.0290.0480.0340.0350.0360.0410.0520.0420.0360.0390.0410.0330.0003  0.00180.00190.00180.00170.00290.00960.00310.00860.00250.00260.00740.01100.00330.00210.00190.00220.00230.00250.00260.00330.00250.00210.00180.0024 Nb:0.040Cr:0.82Mo:0.25B:0.0030Ti:0.045,Nb:0.032V:0.080,Cr:1.2Ti:0.042,Mo:0.8V:0.092,B:0.0020Zr:0.010Mg:0.012Ti:0.041,Hf:0.020V:0.090,REM:0.001P:0.052Pb:0.16Co:0.05Ca:0.009Te:0.005Se:0.03Sb:0.02Bi:0.02Ti:0.032,P:0.021Ti:0.036,Pb:0.16V:0.086,Ca:0.004Ti:0.021,Zr:0.019,P:0.009  0.00260.00400.00390.00320.00350.00290.00260.00250.00110.00120.00110.00130.00270.00210.00240.00230.00210.00250.00320.00260.00210.00200.00230.0048 发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 表4
钢记号     C     Si     Mn     S     Cu     Ni     Al     N     O 备注
    424344454647484950515253  0.0580.0120.0100.0180.0200.0220.0110.0120.0140.0210.0120.013  0.260.0032.100.320.330.420.280.310.250.480.230.05  2.022.092.040.425.201.882.032.062.061.832.101.89  0.0150.0170.0210.0310.0410.0230.0170.0190.0020.0540.0920.024  2.082.172.022.181.942.230.854.212.102.382.332.13  1.061.101.031.281.270.080.991.481.059.401.371.23  0.0400.0300.0320.0510.0480.0210.0290.0550.0380.00081.100.021  0.00280.00310.00290.00280.00330.00310.00410.00330.00310.00300.00290.0230 0.00210.00810.00220.00210.00210.00280.00310.00260.00290.00920.00310.0029 比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例比较例
       表5
钢记号     C     Si     Mn     S     Cu     Ni     Al     N     其他 备注
    5455565758 0.0200.4500.3500.4200.420 1.240.250.220.250.23 1.531.350.750.850.87 0.0550.0450.0120.0180.106 0.450.020.020.010.01 0.020.030.040.030.05 0.0020.0010.0350.0250.026 0.00300.00310.00280.00320.0027 Ti:0.020,V:0.150,Nb:0.012Cr:0.21'P:0.017V:0.120,P:0.015Cr:1.10,P:0.012,Mo:0.21Cr:1.09,P:0.011,Mo:0.23Cr:1.07,P:0.010,Mo:0.26,Pb:0.21 比较例比较例比较例比较例比较例
注：54和55是以往类型的非调质钢，56、57和58是JIS调质钢。
    表6
钢记号 轧制尺寸(φmm) 热轧后冷却速度(℃/s) 再加热      YS(MPa) TS(MPa) El(％) RA(％) uE20(J/cm2) 疲劳极限比 工具寿命(s) 切屑处理性 备注
 111111234567891011121314  404040200400400200200200200200200200200200200200200200     0.50.550.10.010.0020.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.1 550℃,40min550℃,40min--------------     741763764745738729743762684837695757667987717807745704706  918942938920916911941964845105986991282712348851022897891872  26242426262624232721272628192721272728  72686872727268677363737275607363737375  209200202208210211200192235158227211242121221171216219226  0.530.530.520.530.530.530.510.520.510.530.540.530.530.540.520.520.530.530.52  2855245022602720283529752580296528053090188557451950453028902900332030352870 ◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎○◎◎◎◎◎◎◎◎     发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 1515151617   40200400200200     0.50.10.0020.10.1       -----     758753747761736  960953946951932  2222222122  6565656365  194196199197204  0.530.510.510.530.52  39504010398531702485 ◎◎◎◎◎     发明例发明例发明例发明例发明例
 181818   40200400     0.50.10.002       ---     726725717  931929919  242424  686868  204205208  0.520.540.62  296529652870 ◎◎◎     发明例发明例发明例
 19202122232425     200200200200200200200     0.10.10.10.10.10.10.1 -------     750770753773808751735     937951941931997939930     23242323202323     67686767626767     202197200204180201204     0.510.530.520.530.510.530.52     3200348530853345317029303115 ◎◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 262626272829     40200400200200200     0.50.10.0020.10.10.1 ------     755750743722718756     956949940903909933     242625272726     687270737372     255248236262271249     0.540.550.550.550.550.56     358536553745321030952955 ◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例
  表7
钢记号 轧制尺寸(φmm) 热轧后冷却速度(℃/s)     再加热     YS(MPa)     TS(MPa)     El(％)     RA(％) uE20(J/cm2) 疲劳极限比 工具寿命(s) 切屑处理性 备注
3030303132333435363738394041     40200400200200200200200200200200200200200     0.50.10.0020.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.1     --------------     764757754734720726773746744701691754739690  921912909918911869931921942876886942935852  2627272526262322242828242628  7273737071726765687575687175  208211212209211217204208200224220200203233  0.520.530.530.520.520.530.540.520.530.520.530.530.540.53     47654570415049805360482057706465562064203760661558552755 ◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎     发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
424344454647484950515253     200200200200200200200200200200200200     0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.1     ------------     779727733526836-5081074704853771717  9399099407231032-65113269021093952896  2426242720-321726222327  6872687362-825772656773  582124823452-306602151454937  0.510.380.510.500.50-0.500.510.490.280.520.51     26202805286033653340-16704730620413045203083 ◎◎◎◎○-×◎×◎◎◎     比较例比较例比较例比较例比较例(因热脆性×)"""""""
54545455     4020040040     0.50.10.0020.5     ----     568554506529  838804724745  20202621  58596860  64628238  0.510.510.500.49     468498468556 ××××      """"
 5555565656575757585858     200400402004004020040040200400     0.10.0020.50.020.0020.50.020.010.50.020.01 -Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃Q:880℃,T:580℃     505462795632593863806762862802728     71567494280376310429839321032979928     2024182021171921151717     5864626465606262515859     31287982948896102657481     0.490.500.520.510.510.520.510.510.290.280.30     592514294494551150234308863821915 ××△△△△△△△△△ """""""""""
如表6和表7所示，按照本发明的钢，不管轧制尺寸和热轧后的冷却速度如何，都得到TS≥827MPa的高强度。而且即使是高强度也能确保El≥19％和RA≥60％的延性足够高的值。也能确保uE20为121J/cm2以上的极良好的韧性。
另外，切削性也显示比是以往类型的非调质钢的钢54和55优良的结果。尤其与比较例57和58的比较可知，以往类型的调质钢由于添加易切削成分疲劳极限比降低，与此相反，本发明钢因为析出细小的Cu，所以添加易切削成分疲劳极限比也不降低，得到高的疲劳极限比。
其次，是比较例的钢42,C量超过本发明的上限，因此韧性降低。同样钢43的Si量低于本发明的下限，O量多，因此疲劳极限比低。钢44的Si量高于本发明的上限，因此韧性低。钢45的Mn量低于本发明的下限，因此强度不够。钢46的Mn量高于本发明的上限，因此韧性低。钢47的Ni量低于本发明的下限，因此在轧制中产生热脆性。钢48的Cu量低于本发明的下限，因此强度不够，外圆切削时的切屑处理性不良。钢49的Cu量高于本发明的上限，因此韧性低。钢50的S量低于本发明的下限，因此切削性和切屑处理性低劣。钢51的Al量低于本发明的下限，因此脱氧不充分，疲劳极限比低。钢52的Al量高于本发明的上限，因此韧性低。钢53的N量高于本发明的上限，因此韧性低。
另外，是以往类型的非调质钢的钢55的强度、延性和韧性对冷却速度的依存性大。即，是铁素体-珠光体组织的钢55，即使冷却速度快时，TS也低于745MPa，冷却速度慢，则进一步降低。另外，韧性即使在冷却速度快时，也是38J/cm2，冷却速度慢时，限于28J/cm2的程度。
这点，比较钢54的强度和韧性的平衡在任何冷却速度都比比较钢55良好，但与以往的调质钢56、57和发明钢相比，各性能都处于低的水平。即，是以往类型的非调质钢54和55，虽然有能适用于冷却速度较快的小部件的可能性，但对冷却速度慢的大部件是不合适的。与此相反，发明钢的机械性能或者韧性对冷却速度的依存性极小。因此，在部件形状变化大的场合，例如即使是大断面形状的场合，也得到比以往类型的调质钢优良的性能。也就是得到足够的强度、延性和韧性，而且均等地赋予良好的切削性和切屑处理性。
实施例2
采用连续铸造分别制造具有表2～5所示数种化学组成的钢方坯。接着，各方坯在150℃加热后，利用热轧轧成φ200mm的棒钢后，在1200℃加热，然后热锻造成φ30mm，此后以0.05～5℃/s的冷却速度进行800～500℃温度区的冷却。这些棒钢的一部分进行550℃、40分钟保持的热处理。另外，钢56和57，在轧制后进行900℃、1小时的加热，然后在60℃的油中淬火，接着进行570℃、1小时的回火处理。
对如此得到的棒钢的机械性能的调查结果示于表8中。在此，拉伸试验和冲击试验以和实施例1相同的条件进行。切削性以钻孔切削试验中至钻头破损时的总孔深度进行评价。其切削条件，使用φ5mm的高速钻头，以转速2000r/min、进刀量0.15mm/rev、孔深度15mm/个的条件进行。切屑处理性，以和图2所示的实验相同的方法进行评价。
    表8
钢记号 热锻造后冷却速度(℃/s) 再加热 YS(MPa) TS(MPa) El(％) RA(％)     uE20(J/cm2) 钻头寿命(s) 切屑处理性 备注
 1111     0.050.50.55         --550℃,40min-  747742771746  926930962934  26262325  72726770     146144133143 6203618059746153 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
 15151515161616     0.050.5550.10.55         ---550℃,40min---  752756749782749752744  953960958991941944936  24232321242323  68676763686767     136134134122140139142 9530960095809910713171087169 ◎◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 18181818222222232323     0.050.050.550.050.550.050.55         -550℃,40min--------  731782728727768771765794788785  942986938936938941932988983977  23202424232424202122  67626868676868626365     140124142142142140144123125127 6665636766936707754175177590679168266868 ◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 262626282828  0.050.550.050.55        ------  732735729719721715  935939931908903904  252424272626  706868737272     143141144152152154  827482398309721372137244 ◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 303030383838404040  0.050.550.050.550.050.55        ---------  748744746701704699745747742  906901904902910901945948942  262726282627222324  727372757273656768     153155154155152155139138140  711271517127678267226790624362236263 ◎◎◎◎◎◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例发明例
 545454555555  0.050.550.050.55        ------  552569601505531551  802840883713742766  201921212123  595860596164     626666303740  540480588624660672 ×××××× 比较例比较例比较例比较例比较例比较例
 565656575757  0.050.550.050.55 Q:990℃,T:570℃Q:990℃,T:570℃Q:990℃,T:570℃Q:990℃,T:570℃Q:990℃,T:570℃Q:990℃,T:570℃  795802798863871869  942944948104210331038  181918171917 626465606262     798294626873  300261228144108180 △△△△△△ 比较例比较例比较例比较例比较例比较例
如表8所示，按照本发明的钢，不管热锻造后的冷却速度如何，都得到TS≥832MPa的高强度。而且虽然是高强度，但也能确保El≥21％和RA≥62％的延性也充分高的值，韧性是122J/cm2以上，也是极良好的。进而，钻孔切削性与是以往类型的非调质钢的钢54和55相比也是极良好的。
另一方面，是以往类型的非调质钢的钢55的强度、延性和韧性，与上述的热轧后的性能同样地对冷却速度的依存性大。即，是铁素体-珠光体组织的比较钢55，即使冷却速度快时，TS也低到766MPa,冷却速度变慢更低。另外，即使冷却速度快时，韧性也是40J/cm2，冷却速度慢时，限于30J/cm2。
这点，比较钢54的强度和韧性的平衡在任何冷却速度都比比较钢55良好，但与是以往类型的调质钢56、57和发明钢相比，各性能都处于低的水平。即，比较钢55和54，虽然有能适用于冷却速度较快的小部件的可能性，但对冷却速度慢的大部件是不合适的。与此相反，发明钢的机械性能或者韧性对冷却速度的依存性极小，在部件形状变化大的场合，例如即使是大断面形状的场合，也能均等地赋予足够的强度、延性和韧性。
实施例3
采用连续铸造分别制造具有表2～5所示数种化学组成的钢方坯。接着，各方坯在1200℃加热后，利用热轧轧成φ60mm的棒钢后，通过使用冷锻造装置的前方挤压成形成φ30～50mm的棒钢。在此，调查棒钢的内部裂纹。另外，这些棒钢的一部分进行550℃、40分钟保持的热处理。
从如此得到的棒钢切取拉伸试验片(JIS 4号)和冲击试验片(JIS 3号)，调查各自的机械性能。其结果示于表9和表10中。再者，切削性以钻孔切削试验中至钻头破损时的总孔深度进行评价。其切削条件，使用φ4mm的高速钻头，以转速1500r/min、进刀量0.10mm/rev、孔深度12mm/个的条件进行。切屑处理性，以和图2所示的实验相同的方法进行评价。
关于是以往类型的调质钢的钢57，在冷锻造后，进行865℃、1小时的加热，然后在60℃的油中淬火，接着进行600℃、1小时的回火处理后，同样地进行机械性能的评价。其结果也示于表10中。再有，在表9和表10中，钢1～40是按照本发明的钢，表10中的钢57是JIS中规定的机械结构用合金钢。
如表9和表10所示，本发明钢，没有看到在比较例的钢57中发生的冷锻造引起的裂纹，并且切削性和切屑处理性也良好。由此可知，本发明钢即使作为冷锻造性用也能使用。
进而，本发明钢，通过在冷锻造后实施热处理，也不使TS显著降低，并能改善冲击性能，因此对于重视韧性的用途，最好在冷加工后进行热处理。
    表9
钢记号 轧制尺寸(φmm) 锻造尺寸(φmm) 加工率(％) 裂纹发生率(％)     热处理    YS(MPa)     TS(MPa)     El(％)     RA(％)     uE20(J/cm2) 钻头寿命(s) 切屑处理性 备注
淬火     回火
1     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  767863928809  1065118212891108  21181628  60524771     165123114180     5100459442154901 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
15     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  783876944843  1058121713121154  21171627  60514769     168110106163     9967114621235910876 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
16     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  787867941810  1063121212971129  21171628  60514771     166112111172     8135927499258635 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
18     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  766860961851  1055119213291183  22181626  62524768     169119126152     6239552149515563 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
22     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  765878964849  1069123013371163  22171526  62514568     164118102160     6489564351915967 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
23     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  794918987829  1097127213491147  21161526  60494566     154118109166     5852504547585598 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
26     60606060     50403030  31567575     0000   ----      ---550℃,40min保持  799921988853  1103126913571167  22151424  62474464     151121111158     6971606256686590 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
    表10
钢记号 轧制尺寸(φmm) 锻造尺寸(φmm) 加工率(％) 裂纹发生率(％)     热处理     YS(MPa)     TS(MPa) E1(％) RA(％)     uE20(J/cm2) 钻头寿命(s) 切屑处理性 备注
    淬火     回火
28     60606060     50403030  31567575     0000      ----       ---550℃,40min保持     765859932818     1044119012841117     25222126     67595568     173120115176     6051530849205655 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
30     60606060     50403030  31567575     0000      ----       ---550℃,40min保持     799916976838     1087126113481146     25232126     67615568     157118107166     5926510947795623 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
38     60606060     50403030  31567575     0000      ----       ---550℃,40min保持     762868961836     1046120313291143  22191724  62544964     172115106167     5901513146465403 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
40     60606060     50403030  31567575     0000      ----       ---550℃,40min保持     815930993842     1125127613721152  20171522  59514561     144114101164     4989439640894868 ◎◎◎◎ 发明例发明例发明例发明例
57     60606060     50403030  31567575     25357070      ---865℃×30min       ---600℃×1h     669741798834     104911631251980     12111012     27242340     28252359     98391287 △△△△ 比较例比较例比较例比较例
工业实用性
如以上所述，按照本发明，原则上不需要轧制后和加工后的调质处理，进而在轧制或者热加工后也不进行冷却速度的控制，在热加工或冷加工的原样材料中，能够同时得到TS≥827MPa的高强度和uE20≥101J/cm2的高韧性及优良的切削性。因此，本发明的非调质钢，即使用于比以往的非调质钢大的部件时，也具有良好的强度和韧性的平衡，因而能够广泛地用于要求高强度、高韧性的汽车用重要安全部件，轴类，弹簧类部件，转动部件和滑动部件等，以及各种机械部件。

Claims (9)

1．非调质钢，其特征在于，含有C0.05重量％以下、Si0.005～2.0重量％、Mn0.5～5.0重量％、Ni0.1～10.0重量％、Cu1.0以上～4.0重量％、Al0.0002～1.0重量％、S0.005～0.50重量％和N0.0010～0.0200重量％的成分组成。
2．权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，进而含有W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下的1种或2种以上的成分。
3．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1种或2种以上的成分。
4．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1种或2种以上的成分。
5．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1种或2种以上以及Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1种或2种以上的成分。
6．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1种或2种以上的成分。
7．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1种或2种以上，以及还含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1种或2种以上的成分。
8．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1种或2种以上，以及还含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1种或2种以上的成分。
9．权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于，进而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1种或2种以上，还含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1种或2种以上，以及还含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1种或2种以上的成分。
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