JP2006225735A

JP2006225735A - 非調質鋼材およびその製造方法

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Publication number: JP2006225735A
Application number: JP2005042278A
Authority: JP
Inventors: Kinsei Kino; 欣成嬉野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: JP4543955B2

Abstract

【課題】特殊な添加元素を用いることなく、鋼素材に対する加熱温度条件と加工条件を調整するのみで、高靱性と高降伏比を備えた非調質鋼材を得る。
【解決手段】成分組成が、０．４＜Ｃ＜２．０ｗｔ％、０．１＜Ｓｉ＜１．０ｗｔ％、０．１＜Ｍｎ＜２．０ｗｔ％、Ｐ≦０．１ｗｔ％、Ｓ≦０．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不純物元素からなる鋼材を、９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施す。それにより、フェライトの平均粒径が２．０μｍ以下、セメンタイトの平均粒径が０．５μｍ以下であり、降伏比が０．７５以上と高く、シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であって高靱性を備えた、フェライト・セメンタイトを主とする組織からなる非調質鋼材が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、非調質鋼材とその製造方法に関し、特に、特殊な添加元素を必要とすることなく製造される高靱性と高降伏比を備える非調質鋼材とその製造方法に関する。

鋼材の強度を改善させるために、焼き入れ焼き戻し（調質処理）によるマルテンサイト組織化による強化処理や、調質処理を行わずに、Ｖなどの特殊元素を添加してフェライト粒径の微細化やフェライトへの析出強化などを行って強化処理を図ることが行われる（特許文献１、特許文献２など）。焼き入れ焼き戻しによる強化は、鍛造後の熱処理を必要とし、部品コストが高くなる。非調質処理の場合は、特殊な添加元素を必要とすることに加え、通常、フェライト・パーライト組織であり、衝撃強度が、調質したマルテンサイト組織に比べ低めの傾向にある。また、降伏比（耐力／引張強度）も低い傾向にある。

非調質処理による強化において、Ｖなどの特殊元素を添加することなく強度の高い鋼材を製造できることが、特許文献３に記載されており、そこでは、好ましくはＣが０．２ｗｔ％以下である鋼素材を８００℃以下に加熱し、フェライト再結晶温度域（５５０〜７５０℃）まで冷却して、そこで減面率２０％以上の圧延をすることにより、フェライトあるいはフェライト＋パーライトあるいはフェライト＋セメンタイトを主体とする高靱性・高延性鋼材を得るようにしている。

特許第３０３６４１６号公報特開平６−１７１２２号公報特開平１０−３０６３３９号公報

特許文献３に記載される方法は、Ｖなどの特殊な元素を必要とせず、温度条件と圧延条件を調整することで、強度の優れた非調質鋼材を得ることができ、製造プロセスおよび製造コストの面で有利性があると考えられる。しかし、初期加熱温度が８００℃以下としていることから、オーステナイト化率が２５％以下と低く、鋼材組成が不安定性になり、得られる非調質鋼材の強度に影響を与える可能性を否定できない。また、Ｃが０．２ｗｔ％以下である鋼素材を使用しており、Ｃ量が少ないことから、セメンタイトの析出が少なく、フェライトの微細化には限度があると予測される。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、特殊な添加元素を用いることなく、鋼素材に対する加熱温度条件と加工条件を調整するのみで、高靱性と高降伏比を備えた非調質鋼材を得ることのできる非調質鋼材の製造方法、および非調質鋼材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、Ｃ量が０．４ｗｔ％を越えるような鋼素材であっても、Ｆｅの実質的に全量がオーステナイト化する温度にまで一旦加熱して一定時間その温度に保持した後、フェライト−パーライト化する温度まで冷却して再度その温度に一定時間保持し、その後、温間加工（例えば、鍛造）を行うことにより、粒径の小さいフェライト粒子とセメンタイトを主とする組織からなる非調質鋼材が得られ、その鋼材は、従来の非調質鋼材と比較して、高靱性と高降伏比を備えることを知見して、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明による非調質鋼材の製造方法は、成分組成が、０．４＜Ｃ＜２．０ｗｔ％、０．１＜Ｓｉ＜１．０ｗｔ％、０．１＜Ｍｎ＜２．０ｗｔ％、Ｐ≦０．１ｗｔ％、Ｓ≦０．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不純物元素からなる鋼材を、９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施すことを特徴とする。製造される非調質鋼は、フェライトの平均粒径が２．０μｍ以下、セメンタイトの平均粒径が０．５μｍ以下、降伏比が０．７５以上、シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、フェライト・セメンタイトを主とする組織からなっている。

本発明において用いる鋼素材の成分組成は、Ｃが０．４ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満であることに特徴があり、他の成分、すなわち、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓなどの成分量は、通常の炭素鋼における値である。通常の鋼材の場合、Ｃ量が０．４ｗｔ％程度を越えると、高度は増すもののもろさが出てくるようになり、足回り部品への適用等に不適となるが、本発明で製造される鋼材はそれが現れない。その理由は、本発明による非調質鋼材は、Ｃ量が多いことから、微粒子化したセメンタイトの析出も多く、フェライトの微細化が進行し、結果として、高靱性と高降伏比を示すようになると考えられ、それから造られる製品は、衝撃特性にも優れ、高負荷環境下の使用にも長時間にわたり耐えることができるようになる。そのために、本発明による非調質鋼材は、コンロッド、ナックルアーム、クランクシャフトなどの用途に特に優れている。

本発明において、用いる鋼素材のＣ量が０．４ｗｔ％未満の場合には、セメンタイトの析出が少なく、フェライトの微細化に限度があり、十分な強度を得ることができないので好ましくない。また、２．０ｗｔ％を越えと、従来の非調質鋼材と同様にもろさが発現するので好ましくない。

本発明の方法では、上記成分組成の鋼素材を、９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持する。それにより、Ｆｅはそのほぼ全量がオーステナイト化する。保持時間が３０秒未満であると、オーステナイト化が不十分となる場合があり好ましくない。オーステナイト化した鋼素材をフェライト−パーライト化する５００℃〜７００℃に冷却する。冷却速度に特に制限はなく、１〜５０℃／秒程度の範囲であってよい。５００℃〜７００℃の温度に冷却した鋼素材を、その温度で３０秒以上、好ましくは３０秒〜９０秒に亘って保持しておき、その後、温間加工を行う。それにより、フェライトの微細化とセメンタイトの微細化の双方が進行する。５００℃〜７００℃での保持時間が３０秒未満であると、十分なフェライトの微細化とセメンタイトの微細化が得られない。

温間加工は鍛造でもよく、圧延でもよいが、鍛造加工は形状の自由度が高く、より好ましい。温間加工を行う手段も任意であり、従来の加熱鋼材を鍛造加工する手段、あるいは圧延加工する手段をそのまま用いればよい。加工条件も基本的には任意であるが、本発明者らの実験では、次式１で加工度ｔ（％）を定義したときに、温間加工を加工度７０％以上の条件で１回加工により行い、その後、通常の方法（冷却速度１〜５０℃／秒程度の範囲）により冷却することにより、フェライト平均粒径が２．０μｍ以下であり、高靱性と高降伏比を備えた非調質鋼材を確実に製造することができた。従って、温間加工を下記式１での加工度ｔ（％）が７０％以上の条件で１回加工により行うことは、本発明の好ましい態様である。なお、加工度７０％未満の場合には、変形抵抗比を小さくすることはできるが、組織がフェライト＋パーライト＋セメンタイト組織となり、フェライト粒径も大きくなり、降伏比が低下する傾向にあるので好ましくない。

式１：加工度ｔ（％）＝（加工前の鋼材厚みｔ０−加工後の鋼材厚みｔ）／（加工前の鋼材厚みｔ０）×１００

上記した１回加工による場合には、変形抵抗比が大きく加工性にやや難がある。本発明者らは実験を通して、２回加工で行うことにより、より小さい変形抵抗比でもって、上記した１回加工の場合と同等の、フェライト平均粒径が２．０μｍ以下であり、高靱性と高降伏比を備えた非調質鋼材が得られることを確認した。ただし、その場合に、上記式１での加工度ｔ（％）は３０％〜６０％の範囲とされる。２回加工を行う場合、１回目の加工と２回目の加工との間のパス間時間は１秒以下、好ましくは０．５秒程度であることが好ましく、パス間時間が長くなると、１回目の加工で小さくされたフェライト平均粒径がより大きなものに復帰してしまい、２回加工を行っても十分な効果が得られない。より好ましくは、１回目の加工と２回目の加工は加圧方向を９０度変えて行うようにする。

なお、上記の説明において変形抵抗比とは、１１００℃、５０％加工時の変形抵抗を１００としたときの相対値で示される。

以下、本発明を実施例と比較例とにより説明する。

前提となる鋼素材として、表１に示す成分組成を持つＡ〜Ｆの６種の鋼材を用意した。６種の鋼材は、Ｃ量のみが異なっており、他の成分は実質的に同じである。なお、残部はＦｅおよび不純物元素である。そして、鋼種ＥとＦは、Ｃ量が本発明の範囲から外れている。

［試験１］
各鋼種について、条件を変えて温間加工を行い、加工後の非調質鋼の主たる組織を調べ、かつ、フェライト平均粒径（μｍ）およびセメンタイトの有無とその平均粒子径（μｍ）を測定した。さらに、ＪＩＳＺ２２４１に準じた引張試験で測定した引張強さと耐力から降伏比を求め、また、ＪＩＳＺ２２４２に準じてシャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ^２）を測定した。さらに、前記した式１により温間加工時の加工度ｔ（％）を求め、そのときの変形抵抗比も求めた。その結果を表２〜表１３に示す。なお、初期加熱は所要温度で３０秒以上保持し、Ｆｅの実質的に全量がオーステナイト化するようにした。また、初期加熱から加工温度までの冷却および加工後の冷却は、定法に従い、１〜５０℃／秒の範囲で行った。

表２と表３に示すように、出発組成が同じ鋼素材であっても、加熱条件と温間加工条件を変えることによって、最終製品である非調質鋼の降伏比とシャルピー衝撃値が異なってくることがわかる。降伏比では、０．５８〜０．８８の間でばらついており、シャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ^２）では、２２〜２０１の範囲でバラツキがある。コンロッド、ナックルアーム、クランクシャフトなどの用途に用いる非調質鋼は、降伏比が０．７５以上、シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であるのが好適であり、その値をパラメータとして表２と表３に示した試験例について評価すると、評価の欄で○を付したもの（試料番号５、６、７、８、９、１１）が、それらのしきい値を越えており、合格品（本発明による非調質鋼）といえる。

それら合格品は、表２および表３に示されるように、初期加熱温度は９００〜１２００℃の範囲であり、加工温度は５００〜７００℃の範囲であり、加工温度での加工前保持時間は６０秒を越えている。また、加工度ｔ（％）はいずれも７０％を越えている。

上記の実験結果から、鋼種Ａ、すなわちＣ量が０．５５ｗｔ％前後の炭素鋼に対して、９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施すことにより、高靱性であり高降伏比である非調質鋼が得られることがわかる。また、合格品は、そのような温度条件と加工条件を行うことによって、すべてＦ（フェライト）＋Ｃ（セメンタイト）の組成となり、かつ、フェライト平均粒径はすべて２．０μｍより小さく、セメンタイトの平均粒径もすべては０．５μｍ以下と小さくなっている。この要因により、高靱性であり高降伏比である特性がもたらされたと推測できる。

試料番号１〜４は、合格品と比較して降伏比とシャルピー衝撃値の値が劣っている。いずれもフェライト平均粒径が合格品のものよりも大きく、試料番号１〜３は、Ｆ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）の組成でありＣ（セメンタイト）がない。また、試料番号４は、Ｆ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）＋Ｃ（セメンタイト）の組成となっている。試料番号１および３については温間加工温度が１０００℃、８００℃と高いこと、試料番号２については加工温度での加工前保持時間を持たなかったことがそれらの原因となり、また、試料番号４は加工度ｔ（％）が５０％と小さかったことがそれらの原因となったと推測できる。

表４と表５は、鋼種Ｂ、すなわちＣ量が０．４ｗｔ％前後の炭素鋼に対して上記と同様にして行った試験結果である。表２と表３に示した場合と同様に、ここでも、初期加熱９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施すことにより、高靱性（シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上）であり高降伏比（０．７５以上）である非調質鋼（合格品：試料番号１３、１４、１５）が得られることがわかる。また、合格品は、Ｆ（フェライト）＋Ｃ（セメンタイト）の組成となり、かつ、フェライト平均粒径は２．０μｍより小さく、セメンタイトの平均粒径も０．５μｍ以下と小さくなっている。

一方、試料番号１６は、温間加工温度が８００℃と高く、かつ加工度ｔ（％）が５０％と小さいことから、組織もＦ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）であり、また、試料番号１７は、加工度が６０％と低いことも一因となって、組織はＦ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）＋Ｃ（セメンタイト）であり、それらが要因となって、フェライト平均粒径も大きく、降伏比とシャルピー衝撃値のいずれもが低い値となっている。

表６と表７は、鋼種Ｃ、すなわちＣ量が０．７ｗｔ％前後の炭素鋼に対して上記と同様にして行った試験結果である。表２と表３に示した場合と同様に、ここでも、初期加熱９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施すことにより、高靱性（シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上）であり高降伏比（０．７５以上）である非調質鋼（合格品：試料銀号１８、１９、２０）が得られることがわかる。また、合格品は、Ｆ（フェライト）＋Ｃ（セメンタイト）の組成となり、かつ、フェライト平均粒径は２．０μｍより小さく、セメンタイトの平均粒径も０．５μｍ以下と小さくなっている。

一方、試料番号２１は、温間加工温度が８００℃と高いことから、組織もＦ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）であり、それらが要因となって、フェライト平均粒径も大きく、降伏比とシャルピー衝撃値のいずれもが低い値となっている。

表８と表９は、鋼種Ｄ、すなわちＣ量が０．９ｗｔ％前後の炭素鋼に対して上記と同様にして行った試験結果である。表２と表３に示した場合と同様に、ここでも、初期加熱９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃（６００℃）に冷却し、この温度で３０秒以上（６０秒）保持した後に温間加工を施すことにより、高靱性（シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上）（２２１Ｊ／ｃｍ^２）であり高降伏比（０．７５以上）（０．８９）である非調質鋼が得られることがわかる。また、Ｆ（フェライト）＋Ｃ（セメンタイト）の組成となり、かつ、フェライト平均粒径は２．０μｍより小さく（１．０μｍ）、セメンタイトの平均粒径も０．５μｍ以下（０．５μｍ）と小さくなっている。

表１０と表１１は、鋼種Ｅ、すなわちＣ量が０．２ｗｔ％と少ない炭素鋼に対して上記と同様にして行った試験結果である。加熱条件および加工条件が上記した合格品と同じであるにもかかわらず、フェライトの平均粒径が３．９μｍ、セメンタイトの平均粒径が０．９μｍと前記合格品よりも大きく、降伏比は０．６７、シャルピー衝撃値は８１Ｊ／ｃｍ^２と前記合格品よりも低くなっている。

また、表１２と表１３は、鋼種Ｆ、すなわちＣ量が０．１ｗｔ％とさらに少ない炭素鋼に対して上記と同様にして行った試験結果であり、ここでも加熱条件および加工条件が上記した合格品と同じ範囲内であるにもかかわらず、フェライトの平均粒径が４．７μｍ、セメンタイトの平均粒径が０．６μｍと前記合格品よりも大きく、降伏比は０．６２、シャルピー衝撃値は９４Ｊ／ｃｍ^２と前記合格品よりも低くなっている。

上記の結果から、炭素量が０．１ｗｔ％あるいは０．２ｗｔ％のような低炭素鋼には本発明の方法は不適であり、Ｃ量が０．４ｗｔ％以上である鋼素材に対して、好適に適用されることがわかる。

［試験２］
前記［試験１］での試料番号４、１７の場合のように、本発明において、上記式１で示される加工度ｔ（％）の大小がフェライト平均粒径に影響を与えることがある。１回加工の場合には、好ましくは加工度７０％以上であり、それによりフェライト平均粒径を２．０μｍ以下と小さくすることができて、降伏比が０．７５以上、シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であるフェライト・セメンタイトを主とする組織からなる非調質鋼材が得られる。しかし、加工度７０％以上を確保するには、前記した表２〜表１３に示されるように、変形抵抗比が高くなるのを避けられない。

そこで、温間加工を１回でなく、２回加工で行うことを試みたところ、１回加工よりも低い加工度と低い変形抵抗比での加工でもって、ほぼ同様の高降伏比と高靱性を備えた非調質鋼を製造できることを知った。以下に、鋼種Ａについて行ったその試験結果を表１４と表１５に示す。なお、加工度ｔ（％）は上記式１により求められる値であり、１回目の加工と２回目の加工とは９０度方向を違えて押圧した。また、温間加工を２回行った以外は、他の条件は前記１回加工の場合と同じである。

試験２において、表１４、表１５における試料番号は、表２、表３の試料番号と対応しており、温間加工までの条件は、試験１と試験２は同じである。その後、試験２では、温間加工を２回に分け、かつ条件を変えて行い、試験１と同様にして、変形抵抗比、フェライト平均粒径、セメンタイト平均粒径、降伏比、シャルピー衝撃値を測定した。また、試験２では、加工度ｔ（％）はすべて５０％以下で行った。なお、試料番号５ａは、試料番号５の同じであるが、パス時間が２秒から１．５秒とした点でのみ異なっている。試験１の場合と同様に、降伏比が０．７５以上でありかつシャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であるものを合格品として評価○を付した。

試験２では、合格品は試料番号４、６、７、８、１１であり、試験１での合格品（試料番号５、６、７、８、９、１１）とは、試料番号６、７、８、１１は共通であるが、試料番号５、９は、試験２では合格レベルに達しなかった。また、試料番号４は試験１では合格レベルに達しなかったが、試験２では合格品となっている。

試験１と試験２でともに合格した試料番号６、７、８、１１のものでは、試験２で加工率を７０％以下、すなわち、３０％〜６０％の範囲で行うことにより、変形抵抗比を３０〜１５０の範囲で低減することができ、加工性を向上させながら、同等な非調質鋼を製造できることが示される。試料番号４は、試験１では加工度５０％、変形抵抗比２５０と低い値での１回加工であったために不合格品となったが、試験２では、同じ条件で２回加工することにより、合格レベルに達しており、２回加工の有効性が示される。

一方、試験１での合格品である試料番号５，９が試験２では合格レベルに達しなかったのは、次の理由によると解される。

試料番号５（５ａ）では、１回目の加工と２回目の加工との間のパス間時間が２秒（１．５秒）と長く、そのために、その間に、微細化したフェライト粒子がより大きなものに復帰してしまい、２回加工を行っても十分な微細化が進行しなかったものと推測される。

試料番号９では、加工度が２５％と低すぎた結果、組織もＦ（フェライト）＋Ｐ（パーライト）＋Ｃ（セメンタイト）となってしまい、十分に小さいフェライト粒径が形成されなかったからと解される。

これらのことから、本発明の方法において、２回加工を採用することは有効であり、その際に、加工度が３０％〜６０％の範囲で、かつパス間間隔を１秒以下として行うことが必要であることがわかる。

なお、試料番号１２は、上記条件を満たした２回加工を行っても、合格レベルに達していない。その理由は、初期加熱温度が８００℃と低かったことにあると解される。

なお、２回加工についての試験は、上記した鋼種Ａについてのみ行ったが、同じ作用効果は他の鋼種Ｂ，Ｃ，Ｄにおいても当然に生じる。

Claims

成分組成が、０．４＜Ｃ＜２．０ｗｔ％、０．１＜Ｓｉ＜１．０ｗｔ％、０．１＜Ｍｎ＜２．０ｗｔ％、Ｐ≦０．１ｗｔ％、Ｓ≦０．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不純物元素からなる鋼材を、９００℃〜１２００℃の温度で３０秒以上保持した後、５００℃〜７００℃に冷却し、この温度で３０秒以上保持した後に温間加工を施すことを特徴とする非調質鋼材の製造方法。
温間加工を下記式での加工度ｔ（％）が７０％以上の条件で１回加工により行うことを特徴とする請求項１に記載の非調質鋼材の製造方法。
加工度ｔ（％）＝（加工前の鋼材厚みｔ０−加工後の鋼材厚みｔ）／（加工前の鋼材厚みｔ０）×１００
温間加工を下記式での加工度ｔ（％）が３０％〜６０％の範囲の条件で、かつパス間間隔を１秒以下として、２回加工により行うことを特徴とする請求項１に記載の非調質鋼材の製造方法。
加工度ｔ（％）＝（加工前の鋼材厚みｔ０−加工後の鋼材厚みｔ）／（加工前の鋼材厚みｔ０）×１００
成分組成が、０．４＜Ｃ＜２．０ｗｔ％、０．１＜Ｓｉ＜１．０ｗｔ％、０．１＜Ｍｎ＜２．０ｗｔ％、Ｐ≦０．１ｗｔ％、Ｓ≦０．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不純物元素からなる鋼材を温間加工して得られる非調質鋼材であり、
フェライトの平均粒径が２．０μｍ以下、セメンタイトの平均粒径が０．５μｍ以下、降伏比が０．７５以上、シャルピー衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、かつ、フェライト・セメンタイトを主とする組織からなる非調質鋼材。