JP2000265245A - 高強度高靭性非調質鋼材 - Google Patents

高強度高靭性非調質鋼材

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JP2000265245A
JP2000265245A JP11068707A JP6870799A JP2000265245A JP 2000265245 A JP2000265245 A JP 2000265245A JP 11068707 A JP11068707 A JP 11068707A JP 6870799 A JP6870799 A JP 6870799A JP 2000265245 A JP2000265245 A JP 2000265245A
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Koji Watari
宏二 渡里
Harunori Kakimi
治則 垣見
Yasutaka Okada
康孝 岡田
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】強度−被削性バランスに優れ機械構造部品など
の素材として好適な非調質鋼材を低コストで提供する。 【解決手段】C:0.21〜0.27%、Si:0.15〜0.35%、M
n:2.0超〜2.5%、S:0.030〜0.070%、Cr:0.3〜0.6
%、Mo:0.1〜0.5%、V:0.1〜0.2%、N:0.01〜0.03
%、Cu≦1.0%、Ni≦0.2%、Nb≦0.1%、Ti≦1.0%、Al
≦0.03%、Pb≦0.50%、Ca≦0.01%、Se≦0.5%、Te≦
0.05%、Bi≦0.4%を含有し、残部はFe及び不純物から
なり、不純物中の Pは0.03%以下で、組織の90%以上が
ベイナイト又はフェライト・ベイナイト組織である室温
での引張強度が930MPa以上でJIS3号シャルピー衝撃試験
片における室温衝撃値が58J/cm2以上の高強度高靭性非
調質鋼材。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高強度高靭性非調
質鋼材に関する。更に詳しくは、熱間加工後に焼入れ焼
戻しの調質処理を施さずとも優れた強度−靭性バランス
を有する、機械構造部品などの素材として好適な非調質
鋼材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、高い引張強度と靭性を必要とする
機械構造部品などは、熱間加工で所定の形状に粗加工
し、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げた後、
焼入れ焼戻しの調質処理を施すのが一般的であった。し
かしこの調質処理には多くのエネルギーとコストを費や
す。そこで近年、省エネルギーの社会的要請に応え、且
つ、一方では低コスト化を図るために、熱間加工のまま
で使用できる非調質鋼の開発が盛んに行われている。
【0003】非調質鋼は、フェライトとパーライトの混
合組織(以下、フェライト・パーライト組織という)を
有する場合が多い。しかし、フェライト・パーライト組
織を有する非調質鋼の靭性は通常低いものである。
【0004】このため、非調質鋼の組織をベイナイトに
して靭性を高める技術が、例えば、特開平5−3021
16号公報や特開平9−170047号公報に開示され
ている。
【0005】しかし、特開平5−302116号公報で
提案された「熱間鍛造用焼入省略鋼の製造方法」は、通
常の焼入れ処理を省略できるものの焼戻しを施す必要が
あって、「非調質化」を目指す産業界の要請には応えき
れないものであった。
【0006】又、特開平9−170047号公報で提案
された「高強度−高靭性ベイナイト型非調質鋼及びその
製造方法」に係る技術は、所謂「オースフォーミング」
加工を利用するものであるため特殊な処理が必要である
し、更に、C以外で鋼の焼入れ性を高める元素(例えば
Cr、Mn、NiやMoなど)をある一定量以上含有さ
せる必要があるので経済性に欠ける。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、通常の熱間加工と冷却の条件で、
それも焼戻しを含めて熱処理を行うことなく非調質のま
まで、高い強度と靭性を有する非調質鋼材を提供するこ
とを目的とする。具体的には、室温での引張強度が93
0MPa以上でJIS3号シャルピー衝撃試験片での室
温衝撃値が58J/cm2 以上の高い強度と靭性を有
し、機械構造部品などの素材として好適な非調質鋼材を
低コストで提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す高強度高靭性非調質鋼材にある。
【0009】すなわち、「重量%で、C:0.21〜
0.27%、Si:0.15〜0.35%、Mn:2.
0%を超えて2.5%以下、S:0.030〜0.07
0%、Cr:0.3〜0.6%、Mo:0.1〜0.5
%、V:0.1〜0.2%、N:0.01〜0.03
%、Cu:0〜1.0%、Ni:0〜0.2%、Nb:
0〜0.1%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.0
3%、Pb:0〜0.50%、Ca:0〜0.01%、
Se:0〜0.5%、Te:0〜0.05%、Bi:0
〜0.4%を含有し、残部はFe及び不可避不純物から
なり、不純物中のPは0.03%以下で、組織の90%
以上がベイナイト又はフェライト・ベイナイト組織であ
る室温での引張強度が930MPa以上でJIS3号シ
ャルピー衝撃試験片における室温衝撃値が58J/cm
2 以上の高強度高靭性非調質鋼材」である。
【0010】ここで、フェライト・ベイナイト組織とは
フェライトとベイナイトの混合組織を指す。組織の割合
は顕微鏡観察した際の組織割合、つまり、面積率のこと
をいう。なお、「ベイナイトが90%以上」とは組織中
にフェライトが含まれない場合において、組織の90%
以上をベイナイトが占めている状態をいい、「フェライ
ト・ベイナイトが90%以上」とはフェライトとベイナ
イトが混在する組織において、フェライトとベイナイト
との占める割合が90%以上であることをいう。
【0011】本発明者らは、非調質鋼材の化学組成及び
組織について研究を重ねた結果、適正量のMoを含有さ
せた鋼の場合、熱間加工後に放冷するだけでベイナイト
を主とする組織になって極めて良好な強度−靭性バラン
スが得られる場合があることを見いだした。そこで更に
研究を続けた結果、下記の事項を知見した。
【0012】Moはベイナイト組織を生成させるのに
極めて有効な元素である。
【0013】Moは、熱間加工後の放冷処理でベイナ
イトを生成させるのに有効であることに加えて、ベイナ
イトのラスを微細化させる効果を有する。
【0014】Moによる変態強化と組織微細化の作用
は、引張強度(以下、TSという)で930MPa以上
の高強度を有するベイナイト系非調質鋼材の強度−靭性
バランスを良好にするために極めて有効である。
【0015】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、各元素の含有量の「%」表示は
「重量%」を意味する。
【0017】(A)鋼材の化学組成 C:0.21〜0.27% Cは、強度を確保するのに有効な元素である。しかし、
その含有量が0.21%未満では、非調質鋼材の場合、
TSで930MPa以上という所望の高強度が確保し難
い。一方、0.27%を超えて含有するとパーライト組
織が生成され靭性が低下するようになる。したがって、
Cの含有量を0.21〜0.27%とした。
【0018】Si:0.15〜0.35% Siは、鋼の脱酸を促進する作用がある。しかし、その
含有量が0.15%未満では添加効果に乏しく、一方、
0.35%を超えると靭性が劣化するようになるので、
その含有量を0.15〜0.35%とした。
【0019】Mn:2.0%を超えて2.5%以下 Mnは、強度向上作用に加えてベイナイトの生成を容易
にする作用を有する。これらの効果を確実に得るには
2.0%を超える含有量が必要である。しかし、その含
有量が2.5%を超えるとマルテンサイト組織が生成さ
れるため熱処理歪などの問題が生じる。このため、Mn
の含有量を2.0%を超えて2.5%以下とした。
【0020】S:0.030〜0.070% Sは、被削性を高める作用を有する。しかし、その含有
量が0.030%未満では所望の効果が得られず、0.
070%を超えると粗大なMnSが生成するので靭性が
低下してしまう。したがって、Sの含有量を0.030
〜0.070%とした。
【0021】Cr:0.3〜0.6% Crは、Mnと同様に強度向上作用及びベイナイト組織
の生成を容易にする作用がある。これらの効果を確実に
得るには0.3%以上の含有量が必要である。しかし、
0.6%を超えて含有するとマルテンサイト組織が生成
するので熱処理歪などの問題が生じる。このため、Cr
の含有量を0.3〜0.6%とした。
【0022】Mo:0.1〜0.5% Moは、本発明において重要な元素である。Moはベイ
ナイトの生成を容易にし、更に、組織を微細化して鋼の
強度、靭性を向上させる作用を有する。しかし、その含
有量が0.1%未満では前記の効果が確実には得られな
い。一方、0.5%を超えるとマルテンサイト組織が生
成するので熱処理歪などの問題が生じる。このため、M
oの含有量を0.1〜0.5%とした。
【0023】V:0.1〜0.2% Vは、強度を向上させる効果を有する。この効果を確保
するためには、Vは0.1%以上の含有量を必要とす
る。しかし、その含有量が0.2%を超えると析出物が
粗大化するので前記の効果が飽和したり、靭性が低下し
たりする。更に、原料コストも嵩むばかりである。した
がって、Vの含有量を0.1〜0.2%とした。
【0024】N:0.01〜0.03% Nは、固溶強化によって強度を向上させるとともに、T
iやNbと結合して鋼中に窒化物を形成し、オーステナ
イト粒の粗大化を防止して靭性を高める作用を有する。
これらの効果を確実に得るには0.01%以上の含有量
を必要とする。しかし、Nを過剰に含有させると靭性が
低下し、特に0.03%を超えると靭性の低下が著しく
なる。したがってNの含有量を0.01〜0.03%と
した。
【0025】Cu:0〜1.0% Cuは添加しなくても良い。添加すれば、析出強化によ
り鋼の強度を向上させるとともに被削性を改善する効果
がある。こうした効果を確実に得るには、Cuは0.2
%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含
有量が1.0%を超えると熱間加工性が劣化することに
加えて、析出物が粗大化して前記の効果が飽和したり却
って靭性を低下させたりする。更に、コストも嵩むばか
りである。したがって、Cuの含有量を0〜1.0%と
した。
【0026】Ni:0〜0.2% Niは添加しなくても良い。添加すれば、Mn、Crと
同様に強度を高めるとともにベイナイト組織の生成を容
易にする。この効果を確実に得るには、Niは0.05
%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、0.2
%を超えて含有するとマルテンサイト組織が生成して熱
処理歪の問題が生じる場合があるし、Niは高価な元素
であるためコストも嵩んでしまう。したがって、Niの
含有量を0〜0.2%とした。
【0027】Nb:0〜0.1% Nbは添加しなくても良い。添加すれば、微細な窒化物
や炭窒化物として析出し、オーステナイト粒の粗大化を
防止するとともに、鋼の強度及び靭性を向上させる効果
を有する。この効果を確実に得るには、Nbは0.00
5%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その
含有量が0.1%を超えると前記の効果が飽和するばか
りか、粗大な硬質の炭窒化物が生じて却って靭性の低下
を招く。したがって、Nbの含有量を0〜0.1%とし
た。
【0028】Ti:0〜1.0% Tiは添加しなくても良い。添加すれば、C及びSと結
合してTiの炭硫化物を形成し、被削性を高める作用を
有する。この効果を確実に得るには、Tiは0.04%
以上の含有量とすることが好ましい。しかし、1.0%
を超えて含有させてもTi炭硫化物による被削性向上効
果が飽和するのでコストが嵩むし、更に、炭硫化物が粗
大化して靭性の低下が生じる。したがって、Tiの含有
量を0〜1.0とした。
【0029】Al:0〜0.03%、 Alは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の脱酸を促
進する作用がある。この効果を確実に得るには、Alは
0.005%以上の含有量とすることが好ましい。しか
し、0.03%を超えて含有させてもその効果が飽和し
コストが嵩むばかりである。したがって、Alの含有量
を0〜0.03%とした。
【0030】Pb:0〜0.50% Pbは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性、
特に切り屑処理性を一段と高める作用がある。この効果
を確実に得るには、Pbは0.05%以上の含有量とす
ることが好ましい。しかし、その含有量が0.50%を
超えると前記の効果が飽和するばかりか、却って粗大介
在物を生成して靭性の低下をきたす。更に、Pbの多量
添加は熱間加工性の劣化を招き、特にその含有量が0.
50%を超えると熱間加工した鋼材の表面に疵が生じて
しまう。したがって、Pbの含有量を0〜0.50%と
した。
【0031】Ca:0〜0.01% Caは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
大きく高める作用がある。この効果を確実に得るには、
Caは0.001%以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、その含有量が0.01%を超えると前記の
効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して
靭性の低下をきたす。したがって、Caの含有量を0〜
0.01%とした。
【0032】Se:0〜0.5% Seは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
一段と向上させる効果を有する。この効果を確実に得る
には、Seは0.1%以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、その含有量が0.5%を超えると前記の効
果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して靭
性の低下をきたす。したがって、Seの含有量を0〜
0.5%とした。
【0033】Te:0〜0.05% Teも添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
一段と高める効果を有する。この効果を確実に得るに
は、Teは0.005%以上の含有量とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が0.05%を超えると前記
の効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成し
て靭性の低下をもたらす。更に、Teの多量添加は熱間
加工性を著しく劣化させ、特に含有量が0.05%を超
えると熱間加工した鋼材の表面に疵が生じてしまう。し
たがって、Teの含有量を0〜0.05%とした。
【0034】Bi:0〜0.4% Biは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
大きく向上させる効果を有する。この効果を確実に得る
には、Biは0.05%以上の含有量とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が0.4%を超えると前記の
効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して
靭性の低下をきたす。更に、熱間加工性が劣化するので
鋼材の表面に疵が生じてしまう。したがって、Biの含
有量を0〜0.4%とした。
【0035】P:0.03%以下 Pは、粒界偏析を起こして靭性を低下させてしまう。特
にその含有量が0.03%を超えると靭性の低下が著し
くなる。したがって、鋼の靭性確保の点から不純物元素
としてのPの含有量を0.03%以下とした。
【0036】(B)鋼材の組織 上記した化学組成を有する非調質鋼であっても、室温で
の引張強度が930MPa以上でJIS3号シャルピー
衝撃試験片での室温衝撃値が58J/cm2 以上という
優れた強度と靭性のバランスを得るためには、非調質鋼
材の90%以上をベイナイト又はフェライト・ベイナイ
ト組織とする必要がある。そのための製造方法としては
例えば、鋼片を1050〜1300℃の温度に加熱して
から、例えば熱間鍛造などの熱間加工を行い、900℃
以上の温度で仕上げた後60℃/分以下の冷却速度で、
少なくとも300℃まで空冷あるいは放冷する処理があ
る。なお、前記(A)の化学組成は熱間加工後に鋼材を
上記の条件で冷却すれば所望の組識(組織の90%以上
がベイナイト又はフェライト・ベイナイトである組織)
が生成するように配慮されたものである。
【0037】熱間加工時の成形比が大きくなるほど組織
が微細化して強度と靭性のバランスが良好になるので、
前記熱間加工に際して成形比を1.5以上することが好
ましい。本発明でいう「成形比」とは、A0 を加工前の
断面積、Aを加工後の断面積とした場合の(A0 /A)
のことを指す。
【0038】なお、組識における旧オーステナイト粒の
結晶粒度がJIS粒度番号4以上の場合は特に靭性の優
れたものとなる。
【0039】以下、実施例により本発明を詳しく説明す
る。
【0040】
【実施例】表1に示す化学組成の鋼を150kg真空溶
解炉を用いて溶製した。表1における鋼1〜10は化学
組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例、鋼11
〜18は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範
囲から外れた比較例である。
【0041】
【表1】
【0042】次いで、これらの鋼を1250℃に加熱し
てから1000℃で仕上げる熱間鍛造を行って直径60
mmの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後の冷却条件を
冷却速度が5〜35℃/分となるように空冷又は放冷し
て300℃まで冷却し、丸棒の組識を調整した。
【0043】こうして得られた丸棒のR/2部位置(R
は丸棒の半径)から、JIS14A号の引張試験片及び
JIS3号の2mmUノッチシャルピー衝撃試験片を採
取し、室温での引張強度と衝撃値を調査した。又、JIS
G 0555の図3に則って試験片を採取し、鏡面研磨した幅
が15mmで高さが20mmの被検面をナイタルで腐食
した後に、倍率400倍の光学顕微鏡で観察して組識観
察を行った。
【0044】表2に、上記の各種試験の結果を示す。
又、図1に各供試材の引張強度と衝撃値の関係を整理し
て示す。
【0045】
【表2】
【0046】表2及び図1から、本発明例に係る試験番
号の1〜10の場合、所望の強度と靭性、つまり、室温
での930MPa以上のTSと58J/cm2 以上の衝
撃値が得られており、強度−靭性バランスが良好である
ことが明らかである。
【0047】これに対して比較例に係る試験番号の11
〜18の場合には、少なくとも強度と靭性のいずれか一
方が所望の値に達していない。
【0048】
【発明の効果】本発明の高強度高靭性非調質鋼材は、室
温でのTSが930MPa以上でJIS3号シャルピー
衝撃試験片での室温衝撃値が58J/cm2 以上の高い
強度と靭性を有しているので、機械構造部品などの素材
として利用することができる。この高強度高靭性非調質
鋼材は比較的容易に低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で用いた鋼材の引張強度と衝撃値の関係
を示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C:0.21〜0.27%、S
    i:0.15〜0.35%、Mn:2.0%を超えて
    2.5%以下、S:0.030〜0.070%、Cr:
    0.3〜0.6%、Mo:0.1〜0.5%、V:0.
    1〜0.2%、N:0.01〜0.03%、Cu:0〜
    1.0%、Ni:0〜0.2%、Nb:0〜0.1%、
    Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.03%、Pb:0
    〜0.50%、Ca:0〜0.01%、Se:0〜0.
    5%、Te:0〜0.05%、Bi:0〜0.4%を含
    有し、残部はFe及び不可避不純物からなり、不純物中
    のPは0.03%以下で、組織の90%以上がベイナイ
    ト又はフェライト・ベイナイト組織である室温での引張
    強度が930MPa以上でJIS3号シャルピー衝撃試
    験片における室温衝撃値が58J/cm2 以上の高強度
    高靭性非調質鋼材。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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