JP2003147479A - 非調質高強度・高靭性鍛造品およびその製造方法 - Google Patents
非調質高強度・高靭性鍛造品およびその製造方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】 C、Si、Mn、Al、N、V、Nb、
Mg、Zr、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti、B 、
S、Pb、Ca、Biの含有量を規定した鋼を熱間鍛造
する際に、Ac3 点以上1350℃以下の温度に加熱
し、対数歪みで0.3以上の加工を与える熱間鍛造を7
00℃以上未再結晶上限温度以下で少なくとも1回以上
行い、500℃以上Ar3 点以下の温度域を下記(1)
式で示した冷速(CR)で冷却した後、0.1〜2℃/
secで300℃以下まで冷却して、平均粒径10μm
以下の微細ベイナイト組織を得る。 (2.5ε+1)℃/sec≦CR≦60℃/sec …(1) (ε:未再結晶温度域で与えた対数歪み)
Description
し、さらに詳しくは、自動車、建設機械および各種産業
機械等の部品として使用される材料として、熱間鍛造後
に調質処理を行わずに優れた強度と靭性を有する鍛造品
及び鍛造方法に関するものである。
に、中炭素鋼または低合金鋼素材を熱間鍛造した後、再
加熱し、焼入れ・焼戻し、すなわち調質処理を施し、目
的、用途に応じた強度および靭性を付与して、使用に供
されていた。しかし、上記調質処理には多大の熱エネル
ギー費用を要すると共に、処理工程の増加、仕掛品の増
大等のために製造費用が高くならざるを得ない。そこで
近年、機械構造用熱間鍛造品の製造において、製造工程
を簡略化、特に、熱間鍛造後の調質処理を省略するため
に、種々の非調質型熱間鍛造用鋼や、非調質熱間鍛造品
の製造方法が提案されている。このような従来の非調質
型熱間鍛造用鋼の多くは、中炭素鋼に微量のV、Nb、
Ti、Zr等のいわゆる析出硬化型合金元素を添加した
析出硬化型非調質鋼であって、熱間鍛造後の冷却工程に
おいてこれらを析出させ、その析出硬化によって高強度
を得ようとするものである。
は、中炭素鋼に微量のVを添加し、これを1100℃以
上の温度に加熱して型打鍛造し、この後、500℃まで
10〜100℃/分の冷却速度で空冷することにより、
フェライト中に微細なV炭窒化物を析出させたフェライ
ト・パーライト組織からなる非調質鍛造品の製造方法が
記載されている。しかし、このような析出硬化型非調質
鋼を用いる場合には、上記のように1000〜1100
℃またはそれ以上の高温に加熱することが必要であり、
そのまま通常の鍛造を行った場合、鍛造品においても結
晶粒が著しく粗大化するので、充分な靭性を得ることが
できない。
や鍛造方法に関して、析出硬化型元素の添加量を極力少
なくする(例えば、特開昭55−82750号公報)、
低C高Mn化する、(例えば特開昭54−121225
号公報)、析出物の種類を制御する、(例えば、特開昭
56−38448号公報)、制御冷却によって結晶粒を
微細化する、(例えば特開昭56−169723号公
報)等の方法が従来より提案されているが、いずれによ
っても、強度・靭性共に優れる非調質熱間鍛造品を得る
ことは、容易ではない。
に優れる非調質熱間鍛造品を提供することを目的とす
る。
決するため、その要旨とするところは、下記の通りであ
る。 (1) 質量%で、C:0.1〜0.6%、Si:0.
05〜2.5%、Mn:0.2〜3%、Al:0.00
5〜0.1%、N:0.001〜0.02%を含有し、
更に、V:0.05〜1%、Nb:0.005〜0.1
%の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不可避
的不純物からなり、平均結晶粒径が10μm以下のベイ
ナイトからなることを特徴とする非調質高強度・高靭性
鍛造品。 (2)(1)の成分に、質量%で、Mg:0.0001
〜0.005%、Zr:0.0001〜0.005%の
1種または2種を添加することを特徴とする非調質高強
度・高靭性鍛造品。 (3)(1)又は(2)の成分に、質量%で、Cr:
0.05〜3%、Ni:0.05〜3%、Mo:0.0
5〜3%、Cu:0.01〜2%、Ti:0.003〜
0.05%、B:0.0005〜0.005%の1種ま
たは2種以上を添加することを特徴とする非調質高強度
・高靭性鍛造品。 (4)(1)〜(3)の何れか1項に記載の成分に、質
量%で、S:0.01〜0.3%、Pb:0.03〜
0.3%、Ca:0.001〜0.05%、Bi:0.
03〜0.3%の1種または2種以上を添加することを
特徴とする非調質高強度・高靭性鍛造品。 (5)引張強さが800〜1300MPa であることを特
徴とする(1)〜(4)の何れか1項に記載の非調質高
強度・高靭性鍛造品。 (6)降伏比が0.65〜0.95であることを特徴と
する(1)〜(5)の何れか1項に記載の非調質高強度
・高靭性鍛造品。 (7)(1)〜(4)の何れか1項に記載の鋼を熱間鍛
造する際に、Ac3 点以上1350℃以下に加熱し、対
数歪みで0.3〜3の加工を与える熱間鍛造を700℃
以上未再結晶上限温度以下で少なくとも1回以上行うこ
とを特徴とする非調質高強度・高靭性鍛造品の製造方
法。 (8)鍛造後、500℃以上Ar3 点以下の温度域を下
記(1)式で示した冷速(CR)で冷却した後、0.1
〜2℃/sec で300℃以下まで冷却することを特徴と
する(7)記載の非調質高強度・高靭性鍛造品の製造方
法。
する。本発明の根幹をなす技術思想は以下の通りであ
る。強度・靭性共に優れる鍛造品を得るためには、その
鍛造品の金属組織を微細にすれば良いことは知られてき
た。最終組織を微細化するには、その前組織であるγ
(オーステナイト)に熱間鍛造により歪みを与えて再結
晶により微細化する方法、および、より鍛造温度を低め
て未再結晶温度で鍛造することにより通常再結晶により
減少してしまう転位を変態時まで残留させ核生成速度を
増加させる方法がある。従来は、再結晶温度域での鍛
造、すなわち高温での鍛造の方が反力が少ないこと、お
よび反力が少ない方が鍛造精度を上げやすい等の理由
で、再結晶温度域の鍛造により組織を微細化することが
前提であった。本発明者等は、従来鍛造で用いられなか
った未再結晶温度域での鍛造を行うことにより、飛躍的
に組織が微細化し、材質も向上することを見いだした。
が、0.1%未満では充分な強度が得られない。一方、
過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を
0.6%とする。
が、0.05%未満ではその効果がない。一方、過多に
添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の
上限を2.5%とする。
0.2%未満では充分な効果が得られない。一方、過多
に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量
の上限を3%とする。
ために有効な元素であるが、0.005%未満ではその
効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下する
ため、添加量の上限を0.1%とする。
析出強化のために必要な元素であるが、0.001%未
満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加する
と靭性が劣化するため、添加量の上限を0.02%とす
る。
を遅らせる効果がある。すなわち未再結晶温度域を高温
側に広げ、未再結晶域鍛造を容易にする元素である。ま
た、未再結晶圧延後、転位のもつれた部分にVの炭窒化
物が微細に析出し、いわゆる加工誘起析出により、強度
が上昇するため有効な元素である。これらの効果を享受
するためには0.05%以上の添加が必要である。一
方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上
限を1%とする。
出強化のために必要な元素であるが、0.005%未満
では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると
靭性が劣化するため、添加量の上限を0.1%とする。
あるいはこれらの複合物を形成し、加熱時のオーステナ
イトの粗大化を抑制する効果を持つ元素であり、またベ
イナイト変態時の成長も抑制するので組織微細化に有効
である。またこれらの酸化物はMnSの析出核になるた
め被削性も向上する。いずれも、0.0001%未満で
はその効果はなく、0.005%を越えると、靱性が劣
化するため、添加量の上限を0.005%とする。
添加においては靱性を損なうことなく強度を増大する元
素である。Cr,Ni,Moは、いずれも0.05%未
満ではその効果はなく、3%を越えると靱性が大きく劣
化するため、その添加量の下限をそれぞれ0.05%、
上限を3%とする。また、Cuは0.01%未満ではそ
の効果はなく、2%を越えると靱性が大きく劣化するた
め、その添加量の下限をそれぞれ0.01%、上限を2
%とする。
物は高温まで固溶せずに残るため、加熱時のオーステナ
イト粗大化を防止するのに有効である。また炭化物は微
細に分散して析出強化に有効である。0.003%未満
ではこれらの効果は現れず、0.05%を越えると靱性
が劣化するため、その添加量の下限を0.003%、上
限を0.05%とする。
き入れ性を増加することにより強度を増し、さらに粗大
な初析フェライトの生成を防止して組織の微細化を促進
するのに有効な元素である。0.0005%未満ではこ
れらの効果は現れず、0.005%を越えると靱性が劣
化するため、その添加量の下限を0.0005%、上限
を0.005%とする。
を向上する元素である。いずれも過小の添加はその効果
がなく、過大の添加は靱性を劣化させるため、Sは0.
01%以上0.3%以下に、Pbは0.03%以上0.
3%以下に、Caは0.001%以上0.05%以下
に、Biは0.03%以上0.3%以下に添加量を限定
する。
る。
位は整理され転位密度は低い。このため、ほとんどの変
態はγ粒界を基点として始まり、粒内に向かって成長し
ていく。また再結晶γである限り、粒界単位面積当たり
の変態核生成数はほぼ一定の値をとる。このため変態後
の組織の粒数は単位体積当たりのγ粒界の面積にほぼ比
例し、再結晶後のγ粒径が小さいほど、変態後の組織は
細かくなる。一方、未再結晶γでは再結晶による転位の
整理が未だ行われていない状態であるので、粒内の転位
密度は高い。これにより、粒界のみならず粒内からも変
態が開始する。さらに粒界にも加工の影響が残ってお
り、粒界単位面積当たりの変態核生成数も再結晶γと比
べ大きい値をとる。このため粗大なγからでも、微細な
変態組織が得られる。未再結晶γからの変態によって得
られる変態組織は、加工後の冷速によってフェライト+
パーライト、ベイナイト、マルテンサイトに大別できる
が、いずれも平均結晶粒径が10μm以下となる。ただ
し、冷速によっては、これらの組織の混合組織となり、
靭性が著しく劣化するため、後述の冷速制御によりベイ
ナイト鋼とする。尚、ここで述べる平均結晶粒径とは、
破壊の単位となる結晶粒径であり、フェライト+パーラ
イトの場合はフェライトの平均粒径、ベイナイトおよび
マルテンサイトの場合は平均パケット・サイズを指す。
ベイナイトを選定した理由は、組織強化により強度が得
やすく、合金コストの削減に有効だからである。一方、
粒径が微細になると強度、靭性、降伏比、伸びが向上す
ることは知られているが、平均粒径が10μm以下であ
ると、これらの効果が顕著に現れてくる。さらに効果を
求めるのであれば、平均粒径が5μm 以下であることが
望ましい。一方、平均粒径の下限は特に定めないが、鍛
造コストの面から、2μm以上とすることが好ましい。
鏡により断面厚1/4t位置を200〜1000倍で3
〜5視野観察し、切断法により求めた値と定義する。
800MPa に限定した。一方、1300MPa を越える
と、靭性が著しく低下し、切削寿命および金型寿命も著
しく低下するため、上限を1300MPa 以下にした。
65に下限を限定した。一方、0.95以上に降伏比を
上げても疲労強度の向上は飽和するので、上限は0.9
5に限定した。
からAc3 点以上とする。また、その上限は現在の炉の
最高加熱温度1350℃とした。前述のように、未再結
晶圧延を容易にするためには、VないしはNbをある程
度固溶させておくことが望ましいため、1050℃以上
の加熱が望ましい。尚、Ac3 点は(2)式により求め
た値と定義する。
る。(3)式は、加工フォーマスターを用い、V、Nb
含有成分の鋼について加工焼入試験を行い、組織観察を
行った結果得られた回帰式である。尚、(3)式は加工
度の影響を表す項を除いた簡易式である。
結晶温度域で与える歪みに依存する。対数歪みで0.3
未満の歪みでは、充分な組織微細化ができないため、そ
の下限を対数歪み0.3とする。でき得れば、0.8以
上の歪みが望ましい。一方、歪みの増加は鍛造反力の増
加を招きコストが上昇するため対数歪みは3以下とす
る。複数回の鍛造で成形する場合には、再結晶温度域で
の鍛造と組み合わせてもよい。更に今回規定した未再結
晶温度域の鍛造で、特に800℃未満の鍛造は顕著に組
織が微細化し強度上昇・靭性向上に寄与するので、80
0℃未満の鍛造が望ましい。また、700℃未満の鍛造
温度では鍛造前にフェライトが生成し、鍛造時に加工フ
ェライトとなり靭性を劣化させるため、鍛造下限温度を
700℃とする。
で定義した歪みである。元厚高さ平均とは、鍛造前素材
の鍛造方向を高さとしたときの平均値であり、仕上げ厚
高さ平均とは、鍛造後の高さの平均値である。ただし、
押し出し等の加工の場合は、(5)式に従うものとす
る。元断面積平均とは鍛造前素材の鍛造方向に垂直な面
の平均断面積であり、仕上げ断面積平均とは、鍛造後の
断面積平均である。
が、以下冷速について述べる。
大しているため、T−T−Tノーズが短時間側にシフト
し、フェライトが生成しやすくなっている。このため、
ベイナイトを生成するためには、500℃以上Ar3 点
以下の温度域を(1)式に示した冷速で冷却した後、
0.1〜2℃/sec以下の冷速で300℃以下まで冷
却すればよい。(1)式は図1に記載した直線からを求
めた式である。ベイナイトを生成させるためには、より
高温の変態組織であるフェライトが生成する冷速・歪み
域を避ければ良い。(1)式の冷却速度の下限を(2.
5ε+1)℃/secとしたのは、それより遅い冷速で
あると、フェライト+パーライトが生成するためであ
る。一方、上限を60℃/secとしたのは、これより
速い冷速で冷却することが困難だからである。また、
(1)式に示した冷速の冷却制御温度域の開始温度をA
r3 点以下としたのは、変態が始まる温度だからであ
る。一方、その下限を500℃としたのは、この温度で
はフェライト+パーライト変態が起こらないからであ
る。500℃以下の温度範囲における冷速について、そ
の下限を0.1℃としたのはそれ以下の冷速では生産性
が著しく低下するためである。一方、その上限を2℃/
secとしたのは、それより速い冷速では、ベイナイト
変態が完了せず、残部がマルテンサイトとなるためであ
る。0.1〜2℃/secでの冷却はベイナイト変態が終
了する温度300℃まで行えば良く、その後は急冷して
もかまわない。ただし、上記の0.1〜2℃/secは
空冷に相当するため、そのまま室温まで空冷する方がプ
ロセスの簡素化のため好ましい。(1)式に示した冷速
の冷却制御温度域の冷却方法は風を当てる等の強制空冷
ないしは水冷が考えられるが、特に限定しない。
の鍛造用試験片を切り出し、高周波で加熱して、第2表
に示す本発明方法および比較方法を適用して高さ方向の
平板圧縮鍛造を行った。第2表中の歪みは(4)式を適
用して求めた。さらに本発明方法を適用して冷却した場
合、第2表中に示したような粒径、強度、降伏比、靭性
となった。尚、冷却時の温度制御は衝風ないしは水スプ
レー冷却で行った。組織は鍛造品の中央から30mm離
れた場所の1/4t位置を光顕撮影し、切断法により平
均粒径(平均パケット・サイズ)を求めた。中央から3
0mm離したのはデッドメタル部を避けるためである。
機械特性はJISA3号引張試験片およびJIS3号シ
ャルピー試験片(幅5mm)を用いて測定した。第2表
中、比較鋼1,2,10は本発明必須元素のNb,Vを
必要量含んでいないため再結晶が生じ、粗大な組織とな
っている。このため強度・降伏比・靭性が低値である。
比較鋼9,11は、Nb,Vを必要以上含んでいるた
め、靭性が低値である。比較鋼3は、加熱温度が低すぎ
たため加熱時にγ単相とならず、γ+α二相状態で鍛造
したため、αが加工されて降伏比・靭性が低値である。
比較鋼4は加工温度が高く再結晶が生じたため、粗大な
組織となり強度・降伏比・靭性が低値である。比較鋼5
は加工度が少ないため、充分な核生成速度が得られず、
粗大な組織となり強度・降伏比・靭性が低値である。比
較鋼6は加工後Ar3点以下500℃以上の冷速が遅す
ぎたため、フェライトが生成し、粗大な組織となり強度
・降伏比・靭性が低値である。比較鋼7は、500℃以
下の冷速が早すぎたため一部マルテンサイトが生成した
ため、靭性が低値である。比較鋼8は加工温度が低す
ぎ、加工時に一部αが生成した状態で加工したため、強
度・降伏比・靭性が低値である。
靭性が向上しており、本発明は有効である。
歪みと500℃〜Ar3 の温度域の冷速の影響を示す図
である。
Claims (8)
- 【請求項1】 質量%で C 0.1〜0.6% Si 0.05〜2.5% Mn 0.2〜3% Al 0.005〜0.1% N 0.001〜0.02% を含有し、更に V 0.05〜1% Nb 0.005〜0.1% の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなり、平均結晶粒径が10μm以下のベイナ
イトからなることを特徴とする非調質高強度・高靭性鍛
造品。 - 【請求項2】 質量%で Mg 0.0001〜0.005% Zr 0.0001〜0.005% の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1
記載の非調質高強度・高靭性鍛造品。 - 【請求項3】 質量%で Cr 0.05〜3% Ni 0.05〜3% Mo 0.05〜3% Cu 0.01〜2% Ti 0.003〜0.05% B 0.0005〜0.005% の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求
項1又は2記載の非調質高強度・高靭性鍛造品。 - 【請求項4】 質量%で S 0.01〜0.3% Pb 0.03〜0.3% Ca 0.001〜0.05% Bi 0.03〜0.3% の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求
項1〜3の何れか1項に記載の非調質高強度・高靭性鍛
造品。 - 【請求項5】 引張強さが800〜1300MPa である
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の非
調質高強度・高靭性鍛造品。 - 【請求項6】 降伏比が0.65〜0.95であること
を特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の非調質
高強度・高靭性鍛造品 - 【請求項7】 請求項1〜4の何れか1項に記載の成分
からなる鋼を熱間鍛造する際に、Ac3 点以上1350
℃以下に加熱し、対数歪みで0.3〜3の加工を与える
熱間鍛造を700℃以上未再結晶上限温度以下で少なく
とも1回以上行うことを特徴とする非調質高強度・高靭
性鍛造品の製造方法。 - 【請求項8】 鍛造後、500℃以上Ar3 点以下の温
度域を下記(1)式で示した冷速(CR)で冷却した
後、0.1〜2℃/sec で300℃以下まで冷却するこ
とを特徴とする請求項7記載の非調質高強度・高靭性鍛
造品の製造方法。 (2.5ε+1)℃/sec≦CR≦60℃/sec …(1) (ε:未再結晶温度域で与えた対数歪み)
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