JP2008127595A - High strength hot forged non-heat treated steel having excellent fatigue limit ratio and toughness - Google Patents

High strength hot forged non-heat treated steel having excellent fatigue limit ratio and toughness Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high strength hot forged non-heat treated steel having excellent fatigue limit ratio and toughness even as-hot forged. <P>SOLUTION: (1) The high strength hot forged non-heat treated steel has a composition comprising 0.10 to 0.50% C, 0.05 to 2% Si, 0.3 to 3% Mn, 0.005 to 0.1% Al, ≤0.05% P, ≤0.5% S, ≤0.003% O, ≤0.02% N, at least Nb and/or Ti among Nb, Ti and V, and in which V may be comprised, where, in the case Nb is comprised, ≤0.2% Nb is satisfied, in the case Ti is comprised, ≤0.20% Ti, <0.010% N and Ti/N≥3.4 are all satisfied, and, in the case V is comprised, ≤0.6% V is satisfied, and the balance Fe with inevitable impurities. (2) Prescribed MP1 and MP2 obtained in accordance with prescribed procedures satisfy MP1≥5×10<SP>-4</SP>and MP2/MP1≥0.05. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車などの輸送機器、建設機械、その他の産業機械などの部品の素材として使用される熱間鍛造用鋼に関し、特に、熱間鍛造後に熱処理を行なわなくても(非調質)、高い疲労限度比と高靭性を有する高強度非調質熱間鍛造用鋼に関するものである。本発明の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、特に、歯車、シャフト類、軸付き歯車などの素材として好適に用いられる。   The present invention relates to a steel for hot forging used as a raw material for parts such as transportation equipment such as automobiles, construction machines, and other industrial machines, and in particular, without performing heat treatment after hot forging (non-tempered). The present invention relates to a high-strength non-tempered hot forging steel having a high fatigue limit ratio and high toughness. The high-strength non-tempered hot forging steel of the present invention is particularly suitably used as a material for gears, shafts, gears with shafts, and the like.

自動車、建設機械、その他の各種産業機械に用いられる機械部品であって、特に高強度が要求される機械部品は、通常、熱間圧延後、熱間で鍛造を行なった後に焼入れ−焼戻しなどの熱処理(いわゆる調質処理)を施して必要な機械特性を付与して製造される。しかしながら、低コスト化や製造効率などの観点から、熱間鍛造まま(非調質)でも、所望の機械的特性、特に、疲労限度比と強度に優れ、更に靭性にも優れた非調質熱間鍛造用鋼(熱間圧延材)の提供が切望されている。   Machine parts used in automobiles, construction machines, and other various industrial machines, especially those that require high strength, are usually hot-rolled, hot forged and then quenched and tempered. It is manufactured by applying heat treatment (so-called tempering treatment) to give necessary mechanical properties. However, from the viewpoints of cost reduction and manufacturing efficiency, even with hot forging (non-tempering), the desired mechanical properties, especially fatigue limit ratio and strength, and excellent toughness are also obtained. There is an urgent need to provide hot forging steel (hot rolled material).

強度向上の観点からは、例えば、C量を高めることが考えられるが、被削性が低下するといった問題がある。   From the viewpoint of improving the strength, for example, it is conceivable to increase the C content, but there is a problem that the machinability is lowered.

そこで、鋼中にTi、Nb、Vなどの析出強化元素を添加して疲労強度[特に、疲労限度比(=疲労強度/引張強度)]の改善を図る技術が提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2)。しかしながら、特許文献1の方法では、高い疲労限度比を達成できるが引張強度は850MPa程度と低く、一方、特許文献2の方法では、高い引張強度を確保できるが疲労限度比が低下するといった問題がある。
特開昭62−167855号公報 特許第3485805号公報
Therefore, a technique for improving fatigue strength [particularly fatigue limit ratio (= fatigue strength / tensile strength)] by adding precipitation strengthening elements such as Ti, Nb, and V to steel has been proposed (for example, patents). Literature 1 and Patent literature 2). However, in the method of Patent Document 1, a high fatigue limit ratio can be achieved, but the tensile strength is as low as about 850 MPa. On the other hand, in the method of Patent Document 2, a high tensile strength can be secured, but the fatigue limit ratio decreases. is there.
Japanese Patent Laid-Open No. 62-167855 Japanese Patent No. 3485805

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱間鍛造まま(非調質)でも、引張強度と疲労限度比の両方に優れており、更に靭性も改善された高強度非調質熱間鍛造用鋼を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is high strength that is excellent in both tensile strength and fatigue limit ratio and is improved in toughness even in hot forging (non-tempered). It is to provide non-tempered hot forging steel.

上記課題を解決することのできた本発明に係る疲労限度比および靭性に優れた高強度非調質熱間鍛造用鋼は、(1)鋼中成分は、C:0.10〜0.50%(質量%の意味、以下同じ。)、Si:0.05〜2%、Mn:0.3〜3%、Al:0.005〜0.1%、P:0.05%以下(0%を含まない)、S:0.5%以下(0%を含まない)、O:0.003%以下(0%を含まない)、N:0.02%以下(0%を含まない)、Nb,Ti,Vのうち、少なくともNb及び/又はTiを含み、Vを含んでいても良く、Nbを含む場合は、Nb:0.2%以下(0%を含まない)であり、Tiを含む場合は、Ti:0.20%以下(0%を含まない)、N:0.010%未満(0%を含まない)、およびTi/N≧3.4をすべて満足し、Vを含む場合は、V:0.6%以下(0%を含まない)であり、残部:Feおよび不可避不純物を満足し、且つ、(2)下記(A)〜(D)の手順に従って得られるMP1およびMP2が、MP1≧5×10-4、且つ、MP2/MP1≧0.05を満足するところに要旨を有している。
(A)10%アセチルアセトン−1%テトラメチルアンモニウムクロリドのメタノール溶液を電解液として用い、熱間圧延後の試料を200A/m2以下の電流下で抽出する。
(B)前記抽出後のサンプルを0.2μmのフィルターを用いてろ過し、フィルターに残った抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、ICP)発光分析によって定量する。
(C)鋼中に含まれるNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量から、前記(B)によって得られた抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を引き、0.2μmメッシュのフィルターを通過した抽出液中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を求め、それぞれ、[Nb]、[Ti]、[V]とする。
(D)下式に基づき、MP1およびMP2を算出する。
MP1={[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}
MP2={[Nb]/93}+{[Ti]/48}
The high strength non-tempered hot forging steel excellent in fatigue limit ratio and toughness according to the present invention that has solved the above problems is as follows: (1) The component in the steel is C: 0.10 to 0.50% (Meaning of mass%, the same shall apply hereinafter), Si: 0.05-2%, Mn: 0.3-3%, Al: 0.005-0.1%, P: 0.05% or less (0% S: 0.5% or less (not including 0%), O: 0.003% or less (not including 0%), N: 0.02% or less (not including 0%), Among Nb, Ti, and V, at least Nb and / or Ti are included, and V may be included. When Nb is included, Nb is 0.2% or less (not including 0%), and Ti If included, Ti: 0.20% or less (not including 0%), N: less than 0.010% (not including 0%), and all satisfying Ti / N ≧ 3.4 And V: 0.6% or less (excluding 0%), the balance: satisfying Fe and inevitable impurities, and (2) following the procedures (A) to (D) below The obtained MP1 and MP2 have a gist where MP1 ≧ 5 × 10 −4 and MP2 / MP1 ≧ 0.05 are satisfied.
(A) Using a methanol solution of 10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride as an electrolyte, a sample after hot rolling is extracted under a current of 200 A / m 2 or less.
(B) The sample after extraction is filtered using a 0.2 μm filter, and the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extraction residue remaining on the filter is inductively coupled. Quantification is performed by plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP) emission spectrometry.
(C) From the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) contained in the steel, Nb and / or Ti (V is further contained in the extraction residue obtained by (B) above. Each element amount of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extract that has passed through a 0.2 μm mesh filter. [Nb], [Ti], and [V].
(D) MP1 and MP2 are calculated based on the following equation.
MP1 = {[V] / 51} + {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}
MP2 = {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}

好ましい実施形態において、上記の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、更に、Mo:1%以下、及び/又はB:0.015%以下を含有する。   In a preferred embodiment, the high-strength non-tempered hot forging steel further contains Mo: 1% or less and / or B: 0.015% or less.

好ましい実施形態において、上記の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、更に、Ni:2%以下、Cu:2%以下、およびCr:3%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する。   In a preferred embodiment, the high-strength non-tempered hot forging steel further contains at least one selected from the group consisting of Ni: 2% or less, Cu: 2% or less, and Cr: 3% or less. To do.

好ましい実施形態において、上記の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、更に、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、およびREM:0.02%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する。   In a preferred embodiment, the high-strength non-tempered hot forging steel is further selected from the group consisting of Ca: 0.005% or less, Mg: 0.005% or less, and REM: 0.02% or less. Containing at least one of the above.

好ましい実施形態において、上記の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、更に、Zr:0.1%以下、Ta:0.1%以下、およびHf:0.1%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する。   In a preferred embodiment, the high-strength non-tempered hot forging steel is further selected from the group consisting of Zr: 0.1% or less, Ta: 0.1% or less, and Hf: 0.1% or less. Containing at least one of the above.

本発明によれば、熱間鍛造まま(非調質)でも、引張強度と疲労限度比の両方に優れており、靭性も更に高められた非調質熱間鍛造用鋼を提供することができた。   According to the present invention, it is possible to provide a steel for non-tempered hot forging that is excellent in both tensile strength and fatigue limit ratio and is further improved in toughness even in hot forging (non-tempered). It was.

本発明者は、Ti、Nb、Vなどの析出強化元素添加による疲労強度改善技術において、引張強度を必要以上に高くすることなしに疲労限度比が一層高められ、靭性も更に改善された技術の提供を目的として鋭意検討してきた。その結果、まず、強度および疲労限度比を高めるためには、(a)熱間圧延後熱間鍛造前の鋼材(鍛造用鋼)において、後記する方法によって得られるフィルター通過物中のNb及び/又はTi(Vが含まれていてもよい、後記するMP1)を所定値以上にしておくことが有効であること、(b)特に、鋼中にNb及び/又はTiのほかにVを含有するときは、上記(a)の要件に加え、MP1中に含まれる、Nb及び/又はTiの量(後記するMP2)の比(MP2/MP1)を多くすることが有効であり、上記(a)および(b)により、熱間鍛造加熱時に、Vや、Vに比べて固溶し難いNb及び/又はTiが再固溶し易くなるため、これら元素による析出強化作用が効果的に発揮され、高い疲労限度比と強度が得られることを突き止めた。そして、これらの要件を達成するためには、鍛造前の、分塊圧延工程または熱間圧延時の少なくともいずれかの工程において、1250℃以上で1時間以上加熱保持する高温・長時間加熱保持処理を施すことが極めて重要であることを見出した。更に、強度および疲労限度比の向上に加え、高い靭性も得るためには、熱間鍛造時の加熱条件を、オーステナイト粒が粗大化しない程度に制御すれば良い(おおむね、1150〜1250℃で1時間以下)ことを突き止め、本発明を完成した。   The inventor of the present invention is a technique for improving fatigue strength by adding precipitation strengthening elements such as Ti, Nb, V, etc., wherein the fatigue limit ratio is further increased without increasing the tensile strength more than necessary, and the toughness is further improved. We have intensively studied for the purpose of provision. As a result, first, in order to increase the strength and fatigue limit ratio, in (a) a steel material (hot steel for forging) after hot rolling and before hot forging, Nb and / or Or it is effective to set Ti (MP1 which may contain V, which will be described later) to a predetermined value or more, (b) In particular, steel contains V in addition to Nb and / or Ti. In some cases, it is effective to increase the ratio (MP2 / MP1) of the amount of Nb and / or Ti (MP2 to be described later) (MP2 / MP1) contained in MP1 in addition to the requirement (a). And (b), during hot forging heating, V and Nb and / or Ti, which are harder to dissolve than V, are easily re-dissolved, so that the precipitation strengthening action by these elements is effectively exhibited, Ascertaining high fatigue limit ratio and strength . And in order to achieve these requirements, the high temperature and long time heat holding process which heat-holds at 1250 degreeC or more for 1 hour or more in at least any process at the time of a lump rolling process or hot rolling before forging. It was found that it is extremely important to apply Furthermore, in order to obtain high toughness in addition to improvement in strength and fatigue limit ratio, the heating conditions during hot forging may be controlled so that the austenite grains do not become coarse (generally, 1150 to 1250 ° C. at 1 The present invention has been completed.

以下、本発明に到達した経緯を説明する。以下では、説明の便宜上、後記する電解抽出法→0.2μmメッシュのフィルターでろ過→フィルターを通過するものを「フィルター通過物」と呼ぶ場合がある。「フィルター通過物」には、後に詳しく説明するように、ナノサイズの超微細析出物(具体的には、おおむね、平均粒径30nm以下の超微細析出物)のほか、マトリックス中に固溶した固溶物も含まれる。上記の「フィルター通過物」は、Nb及び/又はTiを含有しており、Vを更に含有しても良いし、含有しなくてもよい。両者を区別するため、Vを含有するものを特に「V含有フィルター通過物」などと呼び、Vを含有しないものを特に「V非含有フィルター通過物」などと呼ぶ場合がある。また、V含有フィルター通過物中に含まれる超微細析出物を「V含有超微細析出物」と呼び、V非含有フィルター通過物中に含まれる超微細析出物を「V非含有超微細析出物」と呼ぶ場合がある。   Hereinafter, the background to the present invention will be described. In the following, for convenience of explanation, an electrolytic extraction method described later → filtering with a 0.2 μm mesh filter → passing through the filter may be referred to as “filtered material”. As will be described in detail later, the “filter-passed product” is a nano-sized ultrafine precipitate (specifically, generally, an ultrafine precipitate having an average particle size of 30 nm or less), or a solid solution in the matrix. Solid solutions are also included. The “filter-passed product” contains Nb and / or Ti and may further contain V or may not contain V. In order to distinguish between the two, a substance containing V is particularly referred to as a “V-containing filter-passed product” or the like, and a substance not containing V is particularly referred to as a “V-free filter-passed product” or the like. Moreover, the ultrafine precipitate contained in the V-containing filter passage is called “V-containing ultrafine precipitate”, and the ultrafine precipitate contained in the V-free filter passage is “V-free ultrafine precipitate”. May be called.

一般に、析出強化は、加熱時に固溶したVなどの析出強化元素が、鍛造後の冷却時のフェライト変態時に、フェライト中に微細に多数析出することによって得られる。析出強化に寄与する析出物は、主に、NaCl型の結晶構造を有するMX型化合物(M=Metallic elements、X=carbonまたはnitrogen)であり、例えば、鋼中にTi,Nb、Vの析出強化元素を含む場合は、(Ti、Nb、V)(C、N)析出物が生成し、鋼中にTi,Nbの析出強化元素を含む場合は、(Ti、Nb)(C、N)析出物が生成する。ところが、析出強化元素を一定量以上添加すると上記作用は飽和してしまい、更なる特性改善(特に高強度化)を図ることは困難であった。   In general, precipitation strengthening is obtained by precipitation of a large number of precipitation strengthening elements such as V, which are solid-dissolved during heating, in the ferrite during ferrite transformation during cooling after forging. Precipitates that contribute to precipitation strengthening are mainly MX type compounds (M = Metal elements, X = carbon or nitrogen) having a NaCl-type crystal structure. For example, precipitation strengthening of Ti, Nb, and V in steel When elements are included, (Ti, Nb, V) (C, N) precipitates are formed. When Ti and Nb precipitation strengthening elements are included in the steel, (Ti, Nb) (C, N) precipitates are generated. Things are generated. However, when the precipitation strengthening element is added in a certain amount or more, the above action is saturated, and it is difficult to further improve the characteristics (particularly increase the strength).

そこで、本発明者は、析出強化作用が飽和する原因を追究した。その結果、析出強化作用を一層高めるために析出強化元素の添加量を多くしても、鍛造後の冷却時に、フェライト中ではなくオーステナイト中でMX型析出物が析出してしまうために所望の特性が得られないこと、また、フェライト中で析出した場合でも析出後の粒成長が著しく速くなるため、MX型析出物が粗大に成長してしまい、析出強化作用が低減し、所望の高強度化を達成できないことを突き止めた。上記知見に基づき、本発明者は更に検討を重ねた。その結果、オーステナイト域での析出を抑制してフェライト中で上記析出物を微細に多数析出させるためには、鍛造前の分塊圧延及び/又は熱間圧延の加熱条件を適切に制御することが有効であり、特に、加熱条件を従来よりも高温で且つ長時間保持する必要があることを見出した。   Therefore, the present inventors have investigated the cause of saturation of the precipitation strengthening action. As a result, even if the addition amount of the precipitation strengthening element is increased in order to further enhance the precipitation strengthening action, MX type precipitates are precipitated in austenite, not in ferrite, during cooling after forging. In addition, even when precipitated in ferrite, the grain growth after precipitation is remarkably fast, so MX-type precipitates grow coarsely, reducing the precipitation strengthening action and increasing the desired strength. I was unable to achieve that. Based on the above findings, the present inventors have further studied. As a result, in order to suppress the precipitation in the austenite region and precipitate a large number of the precipitates in the ferrite, it is possible to appropriately control the heating conditions of the partial rolling and / or hot rolling before forging. It has been found that it is effective, and in particular, it is necessary to maintain the heating conditions at a higher temperature than before and for a long time.

なお、熱間圧延後の鍛造工程で高温且つ長時間の加熱保持を行なう方法も試みたが、この場合、オーステナイト粒が粗大化し、その結果、変態後の組織も粗大化して靭性が低下することが実験により判明した。すなわち、優れた靭性を確保するためには、熱間鍛造時の加熱条件を高温且つ長時間に設定することは好ましくなく、オーステナイト粒が粗大化しない程度の条件で加熱保持する必要があることが分かった。そこで、本発明では、熱間鍛造時の加熱温度をオーステナイト粒が粗大化しない程度に低く設定したとしても、析出強化元素であるNb、Ti、V(特に、固溶し難いNb、Ti)が再固溶するよう、鍛造前の分塊圧延及び/又は熱間圧延を高温で且つ長時間加熱保持することにした次第である。本発明によれば、鍛造前の分塊圧延及び/又は熱間圧延での高温加熱保持によって強度および疲労限度比が高められ、鍛造時の低温加熱処理(「低温」とは、オーステナイト粒が粗大化しない程度に低い温度という意味)によって靭性が高められるようになる。   In addition, although a method of performing heating and holding for a long time in the forging process after hot rolling was also attempted, in this case, austenite grains become coarse, and as a result, the structure after transformation becomes coarse and toughness decreases. Was found by experiment. That is, in order to ensure excellent toughness, it is not preferable to set the heating conditions at the time of hot forging at high temperature and for a long time, and it is necessary to heat and maintain the conditions so that the austenite grains do not become coarse. I understood. Therefore, in the present invention, even if the heating temperature at the time of hot forging is set so low that the austenite grains do not become coarse, precipitation strengthening elements Nb, Ti, and V (particularly, Nb and Ti that are difficult to dissolve) are precipitated. In order to re-dissolve, the bulk rolling and / or the hot rolling before forging are kept at a high temperature for a long time. According to the present invention, the strength and fatigue limit ratio are increased by high temperature heating and holding in the partial rolling and / or hot rolling before forging, and the low temperature heat treatment during forging (“low temperature” means that austenite grains are coarse. The toughness is increased by the low temperature).

そして、このようにして得られた熱間圧延材(鍛造用鋼)について、後記する方法でフィルター通過物の組成を定量分析すると、(a)このフィルター通過物には、多くのNb及び/又はTi(更にはV)が含まれていること(すなわち、MP1≧5×10-4)、(b)特に、Vを含有するフィルター通過物には、当該V含有フィルター通過物中(厳密には、MP1中)にNb及び/又はTiが一定量以上含まれていること(すなわち、MP2/MP1≧0.05)が判明した。すなわち、MP1およびMP2が上記要件を満足するフィルター通過物が、強度と疲労限度比の向上の改善に大きく寄与していると考えられる。V含有フィルター通過物において、特に、(MP2/MP1)の比を制御することによって上記特性が向上する理由は、詳細には不明であるが、V含有フィルター通過物(MP1)中に所定量のNb及び/又はTi(MP2)が存在すると、(i)Nb及び/又はTiは、Vに比べて拡散速度が遅いために析出物の粗大化が抑制され、ナノサイズの超微細析出物や固溶物を多数確保でき、高強度化を達成できると共に、(ii)フェライトとの整合性が悪くなり、疲労限度比の改善も達成できるためと推察される。 And about the hot rolled material (steel for forging) obtained in this way, when the composition of a filter passage thing is quantitatively analyzed by the method of postscript, (a) In this filter passage thing, many Nb and / or Ti (further V) is contained (ie, MP1 ≧ 5 × 10 −4 ), (b) In particular, a filter-passing material containing V is contained in the V-containing filter-passing material (strictly speaking, In MP1, it was found that Nb and / or Ti contained in a certain amount or more (that is, MP2 / MP1 ≧ 0.05). That is, it is thought that the filter passing material in which MP1 and MP2 satisfy the above requirements greatly contributes to the improvement in strength and fatigue limit ratio. The reason why the above characteristics are improved by controlling the ratio of (MP2 / MP1) particularly in the V-containing filter passage material is unknown in detail, but a predetermined amount in the V-containing filter passage material (MP1) In the presence of Nb and / or Ti (MP2), (i) Nb and / or Ti have a slower diffusion rate than V, and therefore coarsening of the precipitate is suppressed, and nano-sized ultrafine precipitates and solid It is presumed that a large number of solutes can be secured and high strength can be achieved, and (ii) the compatibility with ferrite is deteriorated and the fatigue limit ratio can be improved.

このように、本発明は、「微細な析出物を多く析出させて強度や疲労限度比を高める」という従来の基本的な考えから更に一歩進んで、「析出強化元素のうち特に拡散速度が遅いNbおよびTiについて、これらの元素が、熱間鍛造時の低い加熱温度(「低い加熱温度」とは、オーステナイト粒が粗大化しない程度に低い温度という意味)でも再固溶するよう、熱間圧延後の状態で、ナノサイズの超微細析出物とするか若しくは固溶物としておくことによって強度や疲労限度比の向上を図った」ところに技術的思想を有するものである。本発明の技術的思想は、前述したMP1、および(MP2/MP1)の比で表される。以下では、MP1で表される超微細析出物または固溶物を「超微細析出物・固溶物」と呼ぶ場合がある。また、(MP2/MP1)の比をQ値と呼ぶ場合がある。   As described above, the present invention goes one step further from the conventional basic idea of “precipitating a large amount of fine precipitates to increase the strength and fatigue limit ratio”. For Nb and Ti, hot rolling is performed so that these elements are re-dissolved even at a low heating temperature during hot forging (“low heating temperature” means a temperature that is low enough that the austenite grains do not become coarse). In a later state, the strength and fatigue limit ratio were improved by using nano-sized ultrafine precipitates or solid solutions, which has a technical idea. The technical idea of the present invention is expressed by the ratio of MP1 and (MP2 / MP1) described above. Hereinafter, the ultrafine precipitate or solid solution represented by MP1 may be referred to as “ultrafine precipitate / solid solution”. Further, the ratio of (MP2 / MP1) may be referred to as a Q value.

本明細書において、「非調質熱間鍛造用鋼」とは、熱間圧延後熱間鍛造が施される前の熱間圧延材であって、熱間鍛造後の調質処理が不要なものを意味する。   In the present specification, “non-tempered hot forging steel” is a hot-rolled material after hot rolling and before hot forging, and does not require tempering after hot forging. Means things.

本明細書において、「高強度」とは、熱間鍛造後の引張強度が約900MPa以上1300MPa未満のものを意味する。   In the present specification, “high strength” means that the tensile strength after hot forging is about 900 MPa or more and less than 1300 MPa.

また、本明細書において、「疲労限度比が高い」とは、熱間鍛造後の、疲労強度/引張強度の比で表される疲労限度比が、おおむね、0.30以上(好ましくは、0.33以上)のものを意味する。   Further, in this specification, “high fatigue limit ratio” means that the fatigue limit ratio expressed by the ratio of fatigue strength / tensile strength after hot forging is generally 0.30 or more (preferably 0 .33 or more).

本明細書において、「靭性に優れた」とは、20℃における吸収エネルギー(vE20)が50J以上のものを意味する。 In the present specification, “excellent toughness” means that the absorbed energy (vE 20 ) at 20 ° C. is 50 J or more.

以下、本発明の高強度非調質熱間鍛造用鋼について詳しく説明する。   Hereinafter, the high strength non-tempered hot forging steel of the present invention will be described in detail.

はじめに、本発明を最も特徴付けるMP1、およびQ値(MP2/MP1)について説明する。   First, MP1 and Q value (MP2 / MP1) that characterize the present invention will be described.

MP1およびMP2の「MP」は、Metallic elements(注:MX型化合物のM) Precipitateの略である。MP1およびMP2において、Ti、Nb、Vの各元素は、すべて、原子割合で表されている。   “MP” in MP1 and MP2 is an abbreviation for Metallic elements (Note: M of MX type compound) Precipitate. In MP1 and MP2, all elements of Ti, Nb, and V are expressed in atomic ratios.

(MP1)
MP1は下式で表される。MP1は、後記する電解抽出法→0.2μmメッシュのフィルターでろ過→フィルターを通過するフィルター通過物(超微細析出物および固溶物の両方を含む)中に含まれる析出強化元素(MX型化合物を構成するMであり、ここでは、Nb、Ti、V)の原子割合を規定したものである。
MP1={[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}
(MP1)
MP1 is represented by the following formula. MP1 is a precipitation strengthening element (MX type compound) contained in an electrolytic extraction method to be described later → filtered with a 0.2 μm mesh filter → filter passing material (including both ultrafine precipitates and solid solution) passing through the filter. In this case, the atomic ratio of Nb, Ti, V) is defined.
MP1 = {[V] / 51} + {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}

MP1が多くなるほど、熱間鍛造加熱時に再固溶しやすくなるNb、Ti、Vの量も多くなり、強度および疲労限度比だけでなく、靭性も高められるようになる。上記作用を有効に発揮させるため、本発明では、MP1≧5×10-4とする。MP1は大きいほど良く、例えば、7.0×10-4以上であることが好ましく、10.0×10-4以上であることがより好ましい。 As the amount of MP1 increases, the amounts of Nb, Ti, and V that are easily re-dissolved during hot forging heating increase, and not only the strength and fatigue limit ratio but also the toughness can be increased. In order to effectively exhibit the above action, MP1 ≧ 5 × 10 −4 is set in the present invention. The larger MP1 is, the better. For example, it is preferably 7.0 × 10 −4 or more, and more preferably 10.0 × 10 −4 or more.

フィルター通過物は、Nb及び/又はTiを含み、Vを更に含んでいてもよい。Vは選択成分である。フィルター通過物中に含まれるNb、Ti、Vは、以下に詳述するように析出物として存在しても良いし、あるいは、固溶物として存在してもよい。0.2μmメッシュのフィルターを通過し得る析出物は、平均粒径がナノサイズの超微細析出物であり、おおむね、30nm以下の平均粒径を有している。   The filter passing material contains Nb and / or Ti, and may further contain V. V is a selected component. Nb, Ti, and V contained in the filter passing material may exist as precipitates as described in detail below, or may exist as a solid solution. Precipitates that can pass through a 0.2 μm mesh filter are ultrafine precipitates having an average particle size of nano-size, and generally have an average particle size of 30 nm or less.

以下、フィルター通過物中に含まれる超微細析出物について説明する。   Hereinafter, the ultrafine precipitate contained in the filter passage will be described.

フィルター通過物がVを含有するV含有フィルター通過物中において、上記超微細析出物は、(Ti、Nb、V)(C、N)析出物として表わすことができ、具体的には、例えば、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物、Ti炭化物、Ti窒化物、Ti炭窒化物、Nb−Ti複合炭化物、Nb−Ti複合窒化物、Nb−Ti複合炭窒化物、Nb−V炭化物、Nb−V窒化物、Nb−V炭窒化物、Ti−V炭化物、Ti−V窒化物、Ti−V炭窒化物、Nb−Ti−V複合炭化物、Nb−Ti−V複合窒化物、Nb−Ti−V複合炭窒化物が挙げられる。これらのうち少なくとも一種を含んでいるものはすべて、本明細書における「V含有超微細析出物」に包含される。また、本発明における析出物の存在形態は、特に限定されず、例えば、上記のNb炭化物などが単独で存在しても良いし、あるいは、上記のNb炭化物に他の析出物(例えば、Al窒化物など)が結合した状態で存在しても良い。また、CrやMoを更に含有する場合は、CrやMoを含む炭化物や炭窒化物などとして存在してもよい。   In the V-containing filter passing material in which the filter passing material contains V, the ultrafine precipitate can be expressed as a (Ti, Nb, V) (C, N) precipitate, and specifically, for example, Nb carbide, Nb nitride, Nb carbonitride, Ti carbide, Ti nitride, Ti carbonitride, Nb-Ti composite carbide, Nb-Ti composite nitride, Nb-Ti composite carbonitride, Nb-V carbide, Nb-V nitride, Nb-V carbonitride, Ti-V carbide, Ti-V nitride, Ti-V carbonitride, Nb-Ti-V composite carbide, Nb-Ti-V composite nitride, Nb- Ti-V composite carbonitride is mentioned. All of these containing at least one kind are included in the “V-containing ultrafine precipitate” in the present specification. In addition, the presence form of the precipitate in the present invention is not particularly limited. For example, the Nb carbide may be present alone, or other precipitate (for example, Al nitride) may be present in the Nb carbide. Or the like) may be present in a combined state. Moreover, when it further contains Cr or Mo, it may exist as a carbide or carbonitride containing Cr or Mo.

一方、フィルター通過物がVを含有しないV非含有フィルター通過物中において、上記超微細析出物は、(Ti、Nb)(C、N)析出物として表わすことができ、具体的には、例えば、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物、Ti炭化物、Ti窒化物、Ti炭窒化物、Nb−Ti複合炭化物、Nb−Ti複合窒化物、Nb−Ti複合炭窒化物が挙げられる。これらのうち少なくとも一種を含んでいるものはすべて、本明細書における「V非含有超微細析出物」に包含される。また、本発明における析出物の存在形態は、特に限定されず、例えば、上記のNb炭化物などが単独で存在しても良いし、あるいは、上記のNb炭化物に他の析出物(例えば、Al窒化物など)が結合した状態で存在しても良い。また、CrやMoを更に含有する場合は、CrやMoを含む炭化物や炭窒化物などとして存在してもよい。   On the other hand, in the V-free filter passage in which the filter passage does not contain V, the ultrafine precipitate can be expressed as (Ti, Nb) (C, N) precipitate, specifically, for example, Nb carbide, Nb nitride, Nb carbonitride, Ti carbide, Ti nitride, Ti carbonitride, Nb-Ti composite carbide, Nb-Ti composite nitride, Nb-Ti composite carbonitride. All of these containing at least one kind are included in the “V-free ultrafine precipitate” in the present specification. In addition, the presence form of the precipitate in the present invention is not particularly limited. For example, the Nb carbide may be present alone, or other precipitate (for example, Al nitride) may be present in the Nb carbide. Or the like) may be present in a combined state. Moreover, when it further contains Cr or Mo, it may exist as a carbide or carbonitride containing Cr or Mo.

{Q値[=(MP2/MP1)]}
MP2は下式で表される。MP2は、後記する電解抽出法→0.2μmメッシュのフィルターでろ過→フィルターを通過するフィルター通過物中に含まれるMX型化合物を構成するM(ここで、M=Ti,Nb,V)のうち、NbおよびTiの原子割合の合計量を意味する。
MP2={[Nb]/93}+{[Ti]/48}
{Q value [= (MP2 / MP1)]}
MP2 is represented by the following formula. MP2 is an electrolytic extraction method to be described later → filtered with a 0.2 μm mesh filter → of M (where M = Ti, Nb, V) that constitutes an MX type compound contained in the filter passage through the filter , Nb and Ti mean atomic total amount.
MP2 = {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}

(MP2/MP1)の比で表されるQ値は、Vを必須成分として含有するV含有フィルター通過物において、高強度および高疲労限度比の実現に有効なTi、NbがV含有超微細析出物・固溶物中に含まれる原子比を規定したものである。本発明では、Ti、Nbによる上記作用を有効に発揮させるための要件として、Q値≧0.05を規定した。これは、V含有フィルター通過物において、V含有超微細析出物・固溶物中のTi,Nbの原子比が5%以上であれば、析出物の成長が阻害され、所望とする特性を確保することができるという経験的知見に基づいている。本発明によれば、上記のようにMP1を規定することによって熱間鍛造後の析出量を確保することができ、且つ、Q値を制御することによって強度および疲労限度比が一層高められるようになる。これらの特性を確保するためには、ナノサイズの超微細析出物や固溶物を多数生成させるだけでは不充分であり、Q値が0.05未満の超微細析出物や固溶物を多数生成させたときは、高強度化を確保できても高い疲労限度比は得られないことを実験によって確認している。   The Q value expressed by the ratio of (MP2 / MP1) is a V-containing filter containing V as an essential component. Ti and Nb, which are effective for realizing a high strength and high fatigue limit ratio, are V-containing ultrafine precipitates. This defines the atomic ratio contained in the product / solid solution. In the present invention, Q value ≧ 0.05 is defined as a requirement for effectively exhibiting the above-described effects of Ti and Nb. This is because when the atomic ratio of Ti and Nb in the V-containing ultrafine precipitate / solid solution is 5% or more in the V-containing filter-passed product, the growth of the precipitate is inhibited and the desired characteristics are secured. Based on empirical knowledge that it can. According to the present invention, the amount of precipitation after hot forging can be ensured by defining MP1 as described above, and the strength and fatigue limit ratio can be further increased by controlling the Q value. Become. In order to ensure these characteristics, it is not sufficient to generate a large number of nano-sized ultrafine precipitates or solid solutions, and a large number of ultrafine precipitates or solid solutions having a Q value of less than 0.05 are insufficient. When generated, it has been confirmed by experiments that a high fatigue limit ratio cannot be obtained even if high strength can be ensured.

Q値が大きいほど、すなわち、上記のV含有超微細析出物・固溶物中に占めるNb及び/又はTiの原子割合が大きいほど、上記作用は顕著に発揮される。好ましいQ値は、鋼中に含まれる上記成分の量などによっても相違するが、おおむね、0.10以上であることが好ましく、0.15以上であることがより好ましい。   The larger the Q value, that is, the greater the atomic ratio of Nb and / or Ti in the V-containing ultrafine precipitate / solid solution, the more the above-described effect is exhibited. The preferable Q value varies depending on the amount of the above-mentioned components contained in the steel, but is generally preferably 0.10 or more, and more preferably 0.15 or more.

なお、Q値は、フィルター通過物がVを含有するときに有用な要件である。フィルター通過物がVを含有しない場合、Q値は計算によって1となり、Q値≧0.05を必然的に満たすからである。   The Q value is a useful requirement when the filtered material contains V. This is because when the filter-passed product does not contain V, the Q value is 1 by calculation, and the Q value ≧ 0.05 is inevitably satisfied.

次に、フィルター通過物中のNb、Ti、Vの各元素量([Nb]、[Ti]、[V])を測定する方法について説明する。これらは、下記(A)〜(C)の手順に従って得られる。以下に説明するように、V含有フィルター通過物中に含まれる上記元素の量は、フィルター上に残った抽出残渣中に含まれる上記元素の量(抽出残渣量)を定量分析し、鋼中に含まれる上記元素の量から、抽出残渣量を差し引くことによって間接的に算出している。これは、V含有フィルター通過物中に含まれる上記元素の量を直接定量分析することは困難なためである。   Next, a method for measuring the element amounts ([Nb], [Ti], [V]) of Nb, Ti, and V in the filter passage will be described. These are obtained according to the following procedures (A) to (C). As will be described below, the amount of the above-mentioned element contained in the V-containing filter passage is determined by quantitatively analyzing the amount of the above-mentioned element contained in the extraction residue remaining on the filter (extraction residue amount). It is calculated indirectly by subtracting the amount of extraction residue from the amount of the element contained. This is because it is difficult to directly quantitatively analyze the amount of the element contained in the V-containing filter passage.

(A)10%アセチルアセトン−1%テトラメチルアンモニウムクロリドのメタノール溶液を電解液として用い、熱間圧延後の試料を200A/m2以下の電流下で抽出(電 気分解)する。これにより、マトリックスが溶解し、析出物が表面に露出する。熱間圧延後の試料を採取するに当たっては、特に、採取位置に留意する必要があり、例えば、熱間圧延材が円柱状の場合はD/4位置(Dは直径)、熱間圧延材が角形状または板状の場合はD/4位置(Dは厚み)から採取するようにする。なお、熱間圧延後の試料のサイズは特に限定されず、熱間圧延材の形状によって適宜適切に調整すれば良い。後記する実施例では、熱間圧延後の棒材のD/4(Dは厚み)位置から縦15mm×横15mm×長さ5mmの試料を採取した。 (A) Using a methanol solution of 10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride as the electrolyte, the sample after hot rolling is extracted (electrolytically decomposed) under a current of 200 A / m 2 or less. Thereby, a matrix melt | dissolves and a deposit is exposed to the surface. In collecting the sample after hot rolling, it is necessary to pay particular attention to the sampling position. For example, when the hot rolled material is cylindrical, the D / 4 position (D is the diameter), the hot rolled material is In the case of a square shape or a plate shape, the sample is taken from the D / 4 position (D is the thickness). In addition, the size of the sample after hot rolling is not particularly limited, and may be appropriately adjusted depending on the shape of the hot rolled material. In the examples described later, a sample having a length of 15 mm, a width of 15 mm, and a length of 5 mm was taken from the D / 4 (D is thickness) position of the bar after hot rolling.

(B)次いで、抽出後のサンプルをメッシュサイズ0.2μmのフィルターを用いてろ過し、フィルターに残った抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、ICP)発光分析によって定量する。後記する実施例では、0.2μmのフィルターとしてアドバンテック社製メンブレンフィルター(材質ポリカーボネート)を用いた。   (B) Next, the sample after extraction is filtered using a filter having a mesh size of 0.2 μm, and the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extraction residue remaining on the filter Is quantified by inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry. In Examples described later, a membrane filter (material polycarbonate) manufactured by Advantech Co., Ltd. was used as a 0.2 μm filter.

(C)鋼中に含まれるNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量から、前記(B)によって得られた抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を引き、0.2μmメッシュのフィルターを通過した抽出液中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を求め、それぞれ、[Nb]、[Ti]、[V]とする。   (C) From the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) contained in the steel, Nb and / or Ti (V is further contained in the extraction residue obtained by (B) above. Each element amount of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extract that has passed through a 0.2 μm mesh filter. [Nb], [Ti], and [V].

以上、本発明を特徴付けるMP1およびQ値について説明した。   The MP1 and Q value that characterize the present invention have been described above.

次に、鋼の化学成分を説明する。   Next, the chemical composition of steel will be described.

C:0.10〜0.50%
Cは、パーライトを形成すると共に、Ti、Nb、Viと結合してMX型化合物を形成してフェライトを強化し、高強度化に寄与する元素である。所定の強度を確保するため、C量は、0.10%以上とする。ただし、C量が過剰になると、パーライト分率が増えすぎてフェライトによる析出強化量が低減し、かえって疲労限度比が低下するため、上限を0.50%とする。C量は、0.20%以上0.45%以下であることが好ましく、0.26%以上0.40%以下であることがより好ましい。
C: 0.10 to 0.50%
C is an element that forms pearlite and combines with Ti, Nb, and Vi to form an MX type compound to strengthen ferrite and contribute to high strength. In order to ensure a predetermined strength, the C amount is 0.10% or more. However, if the amount of C becomes excessive, the pearlite fraction increases too much and the precipitation strengthening amount due to ferrite decreases, and the fatigue limit ratio decreases, so the upper limit is made 0.50%. The C content is preferably 0.20% or more and 0.45% or less, and more preferably 0.26% or more and 0.40% or less.

Si:0.05〜2%
Siは脱酸剤として作用するほか、固溶強化によってフェライトおよびパーライトを強化し、疲労限度比の向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量を0.05%以上とする。ただし、Si量が2%を超えると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比の低下を招くため、上限を2%とする。Si量は、0.1%以上1.5%以下であることが好ましく、0.4%以上1.0%以下であることがより好ましい。
Si: 0.05-2%
In addition to acting as a deoxidizer, Si is an element that strengthens ferrite and pearlite by solid solution strengthening and contributes to improvement of the fatigue limit ratio. In order to effectively exhibit such an action, the Si amount is set to 0.05% or more. However, if the amount of Si exceeds 2%, an overcooled structure such as bainite is generated at the time of cooling, and instead the fatigue limit ratio is lowered, so the upper limit is made 2%. The amount of Si is preferably 0.1% or more and 1.5% or less, and more preferably 0.4% or more and 1.0% or less.

Mn:0.3〜3%
Mnは、変態温度を低下させることによってフェライトを微細化して強度や疲労限度比、更には靭性の改善に寄与する元素である。Mn量が0.3%未満では、焼入れ性改善作用が少なく、上記作用が有効に発揮されないため、下限を0.3%とする。ただし、Mn量が過剰になると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比が低下するため、その上限を3%とする。Mn量の下限は、0.5%であることが好ましく、0.75%以上であることがより好ましい。また、Mn量の上限は、2.5%以下であることが好ましく、2.0%以下であることがより好ましく、1.8%以下であることがさらに好ましい。
Mn: 0.3 to 3%
Mn is an element that contributes to improvement of strength, fatigue limit ratio, and toughness by refining ferrite by lowering the transformation temperature. If the amount of Mn is less than 0.3%, the hardenability improving effect is small and the above effect is not effectively exhibited, so the lower limit is made 0.3%. However, if the amount of Mn becomes excessive, an overcooled structure such as bainite is generated during cooling, and the fatigue limit ratio is lowered. Therefore, the upper limit is made 3%. The lower limit of the amount of Mn is preferably 0.5%, and more preferably 0.75% or more. Further, the upper limit of the amount of Mn is preferably 2.5% or less, more preferably 2.0% or less, and further preferably 1.8% or less.

Al:0.005〜0.1%
Alは、脱酸剤として有用であり、そのために0.005%以上添加する。ただし、Al量が過剰になると、介在物が多く発生し、疲労特性、更には靭性が低下するため、上限を0.1%とした。Al量は、0.01%以上0.07%以下であることが好ましく、0.015%以上0.05%以下であることがより好ましい。
Al: 0.005 to 0.1%
Al is useful as a deoxidizer, and for that purpose, 0.005% or more is added. However, when the amount of Al becomes excessive, a lot of inclusions are generated, and the fatigue characteristics and further the toughness are lowered, so the upper limit was made 0.1%. The amount of Al is preferably 0.01% or more and 0.07% or less, and more preferably 0.015% or more and 0.05% or less.

P:0.05%以下、O:0.003%以下
PおよびOは、いずれも、靭性を劣化させる元素であるため、極力低減することが好ましい。ここでは、特別な精錬処理による低減化を行なわなくても靭性を著しく劣化させない量の上限として、Pを0.05%、Oを0.003%とした。これらの元素は少ないほど良く、Pは、0.03%以下であることが好ましく、0.02%以下であることがより好ましく、0.015%以下であることが更に好ましい。また、Oは、0.002%以下であることが好ましく、0.0015%以下であることがより好ましい。
P: 0.05% or less, O: 0.003% or less Since P and O are elements that deteriorate toughness, it is preferable to reduce them as much as possible. Here, P is set to 0.05% and O is set to 0.003% as the upper limit of the amount that does not significantly deteriorate the toughness without reduction by special refining treatment. The smaller the number of these elements, the better. P is preferably 0.03% or less, more preferably 0.02% or less, and further preferably 0.015% or less. Further, O is preferably 0.002% or less, and more preferably 0.0015% or less.

S:0.5%以下
Sは、MnSを形成して切削性改善に寄与する元素である。従って、切削性が要求される用途に使用する場合は、S量は、0.1%以上であることが好ましい。ただし、S量が過剰になると、靭性が劣化するため、上限を0.5%とする。S量は、0.2%以下であることが好ましい。なお、靭性が要求される場合には、S量は0.1%以下であることがより好ましい。
S: 0.5% or less S is an element that forms MnS and contributes to improvement of machinability. Therefore, when used for applications requiring machinability, the amount of S is preferably 0.1% or more. However, if the amount of S becomes excessive, the toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.5%. The amount of S is preferably 0.2% or less. When toughness is required, the S amount is more preferably 0.1% or less.

N:0.02%以下(0%を含まない)
Nは、Ti、Nb、V(更には、必要に応じて添加されるZr、Ta、Hf)と結合してMX型化合物を生成し、引張強度や疲労限度比の向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、N量は、0.0030%以上であることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大なMX型化合物が生成し、疲労特性が低下するため、上限を0.02%とする。N量は、おおむね、0.01%以下であることが好ましく、0.007%以下であることがより好ましく、0.0055%以下であることが更に好ましい。特には、析出強化元素としてTiを添加する場合は、後記するように、所望の超微細析出物が得られるよう、Ti量に応じてN量を適切に制御することが好ましい。
N: 0.02% or less (excluding 0%)
N is an element that combines with Ti, Nb, and V (and Zr, Ta, and Hf added as necessary) to form an MX type compound and contributes to an improvement in tensile strength and fatigue limit ratio. . In order to effectively exhibit such an action, the N content is preferably 0.0030% or more. However, if added excessively, a coarse MX-type compound is generated and the fatigue characteristics deteriorate, so the upper limit is made 0.02%. In general, the N amount is preferably 0.01% or less, more preferably 0.007% or less, and still more preferably 0.0055% or less. In particular, when adding Ti as a precipitation strengthening element, it is preferable to appropriately control the amount of N according to the amount of Ti so that a desired ultrafine precipitate can be obtained, as will be described later.

Nb,Ti,Vについて
これらの元素は、CやNと結合してMX型化合物を生成し、高強度化に寄与する元素である。このうち、NbやTiは、Vと異なって析出速度が非常に遅いため、NbやTiの添加により、フェライト中のMX型化合物の成長が著しく抑制され、所望とする超微細析出物が多数生成するようになる。従って、本発明では、少なくともNb及び/又はTiを含んでおり、Vは選択元素である。強度と疲労限度比の更なる向上といった観点からすれば、Vを含有していることが好ましく、Nb,Ti,Vをすべて含有していることが最も好ましい。以下、各成分について説明する。
For Nb, Ti, and V, these elements are elements that combine with C and N to generate MX type compounds and contribute to high strength. Of these, Nb and Ti, unlike V, have a very slow precipitation rate, so the addition of Nb and Ti significantly suppresses the growth of MX-type compounds in ferrite and produces many desired ultrafine precipitates. To come. Therefore, in the present invention, at least Nb and / or Ti are contained, and V is a selective element. From the viewpoint of further improving the strength and fatigue limit ratio, V is preferably contained, and most preferably Nb, Ti, and V are all contained. Hereinafter, each component will be described.

Nbを含む場合はNb:0.2%以下
Nb添加による上記作用を有効に発揮させるためには、Nb量は、0.022%以上であることが好ましく、0.04%以上であることがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、加熱時に固溶せずに未固溶のものが多くなり、粗大な化合物が析出しやすくなって当該粗大化合物が疲労の起点となり、疲労限度比が低下するため、上限を0.2%とする。Nb量の上限は0.1%であることが好ましく、0.08%以下であることがより好ましい。
In the case where Nb is contained, Nb: 0.2% or less In order to effectively exhibit the above-described action due to the addition of Nb, the amount of Nb is preferably 0.022% or more, and preferably 0.04% or more. More preferred. However, if added excessively, the amount of undissolved substances increases without heating during heating, and coarse compounds are likely to precipitate, and the coarse compounds become the starting point of fatigue, reducing the fatigue limit ratio. Is 0.2%. The upper limit of the amount of Nb is preferably 0.1%, and more preferably 0.08% or less.

Tiを含む場合は、Ti:0.20%以下、N:0.010%未満、およびTi/N≧3.4
Ti添加による上記作用を有効に発揮させるためには、上記のように、Ti量のみならず、N量と、TiとNの原子比を適切に制御する必要がある。Tiは、CよりもNとの反応性が強く、Nが0.01%以上含まれると粗大なTiNが凝固時に形成されるようになり、超微細析出物中に含まれるTi量が少なくなるためである。好ましくは、Ti:0.02%以上0.1%以下、N:0.0070%以下、Ti/N≧4.0であり、より好ましくは、Ti:0.04%以上0.08%以下、N:0.0055%以下、Ti/N≧5.0である。
When Ti is contained, Ti: 0.20% or less, N: less than 0.010%, and Ti / N ≧ 3.4
In order to effectively exhibit the above-described action by addition of Ti, it is necessary to appropriately control not only the amount of Ti but also the amount of N and the atomic ratio of Ti and N as described above. Ti is more reactive with N than C, and if N is contained in an amount of 0.01% or more, coarse TiN is formed during solidification, and the amount of Ti contained in the ultrafine precipitate is reduced. Because. Preferably, Ti: 0.02% or more and 0.1% or less, N: 0.0070% or less, Ti / N ≧ 4.0, and more preferably, Ti: 0.04% or more and 0.08% or less. , N: 0.0055% or less, and Ti / N ≧ 5.0.

なお、Nbは、Tiとは異なって前述した反応性の差は殆ど見られないため、Nb添加の場合は、N量と、NbとNの原子比を適切に制御する必要は特にない。   Note that Nb, unlike Ti, hardly exhibits the above-described reactivity difference, and therefore when Nb is added, it is not particularly necessary to appropriately control the amount of N and the atomic ratio of Nb to N.

Vを含む場合は、V:0.6%以下
V添加による上記作用を有効に発揮させるためには、V量は、0.15%以上であることが好ましく、0.2%以上であることがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、加熱時に固溶せずに未固溶のものが多くなり、粗大な化合物が析出しやすくなって当該粗大化合物が疲労の起点となり、疲労限度比が低下するため、上限を0.6%とする。V量の上限は0.5%であることが好ましく、0.4%以下であることがより好ましい。
When V is included, V: 0.6% or less In order to effectively exhibit the above-described action due to the addition of V, the amount of V is preferably 0.15% or more, and 0.2% or more. Is more preferable. However, if added excessively, the amount of undissolved substances increases without heating during heating, and coarse compounds are likely to precipitate, and the coarse compounds become the starting point of fatigue, reducing the fatigue limit ratio. Is 0.6%. The upper limit of the amount of V is preferably 0.5%, and more preferably 0.4% or less.

本発明の高強度非調質熱間鍛造用鋼は、上記成分を含有し、残部:Feおよび不可避不純物である。   The high-strength non-tempered hot forging steel of the present invention contains the above components, and the balance is Fe and inevitable impurities.

更に、本発明の非調質鋼部品は、他の特性改善などを目的として、下記の成分を含有しても良い。   Furthermore, the non-heat treated steel part of the present invention may contain the following components for the purpose of improving other characteristics.

Mo:1%以下、及び/又はB:0.015%以下
MoおよびBは、いずれも、変態温度を低下させることでフェライトを微細化して強度や疲労限度比の改善に寄与するほか、靭性の向上にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Moを0.1%以上、Bを0.0003%以上添加することが好ましく、Moを0.2%以上、Bを0.0006%以上添加することがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比が低下するため、上限を、Mo:1%、B:0.015%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Mo:0.75%、B:0.005%であり、更に好ましい上限は、Mo:0.5%、B:0.0035%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
Mo: 1% or less, and / or B: 0.015% or less Both Mo and B contribute to the improvement of strength and fatigue limit ratio by reducing the transformation temperature to refine the ferrite and to improve the toughness ratio. It is an element that contributes to improvement. In order to effectively exert such an action, it is preferable to add Mo 0.1% or more and B 0.0003% or more, and to add Mo 0.2% or more and B 0.0006% or more. Is more preferable. However, if added excessively, a supercooled structure such as bainite is generated at the time of cooling, and the fatigue limit ratio is lowered. Therefore, the upper limit is preferably set to Mo: 1% and B: 0.015%. More preferable upper limits are Mo: 0.75% and B: 0.005%, and still more preferable upper limits are Mo: 0.5% and B: 0.0035%. These elements may be added alone or in combination of two or more.

Ni:2%以下、Cu:2%以下、およびCr:3%以下よりなる群から選択される少なくとも一種
Ni、Cu、およびCrは、いずれも、強度向上作用を有し、更には、靭性改善にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、下限を、Ni:0.2%、Cu:0.2%、Cr:0.3%とすることが好ましい。より好ましい下限は、Ni:0.5%、Cu:0.5%、Cr:0.5%である。ただし、過剰に添加すると、上記作用が低下するため、上限を、Ni:2%、Cu:2%、Cr:3%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Ni:1.5%、Cu:1.5%、Cr:2%であり、更に好ましい上限は、Ni:1.2%、Cu:1.2%、Cr:1.5%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
At least one of Ni, Cu, and Cr selected from the group consisting of Ni: 2% or less, Cu: 2% or less, and Cr: 3% or less all have a strength-improving action, and further improve toughness. It is an element that also contributes. In order to exhibit such an action effectively, it is preferable to set the lower limit to Ni: 0.2%, Cu: 0.2%, and Cr: 0.3%. More preferable lower limits are Ni: 0.5%, Cu: 0.5%, Cr: 0.5%. However, since the said effect | action will fall if it adds excessively, it is preferable to make an upper limit into Ni: 2%, Cu: 2%, Cr: 3%. More preferable upper limit is Ni: 1.5%, Cu: 1.5%, Cr: 2%, and further preferable upper limit is Ni: 1.2%, Cu: 1.2%, Cr: 1.5. %. These elements may be added alone or in combination of two or more.

Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、およびREM:0.02%以下よりなる群から選択される少なくとも一種
Ca、Mg、REMは、いずれも、硫化物を形成し、MnSの伸長を防いで靭性改善に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、上記元素の下限を、Ca:0.0005%、Mg:0.0002%、REM:0.0005%とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、かえって靭性が低下するため、上限を、Ca:0.005%、Mg:0.005%、REM:0.02%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Ca:0.003%、Mg:0.003%、REM:0.01%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
At least one of Ca, Mg, and REM selected from the group consisting of Ca: 0.005% or less, Mg: 0.005% or less, and REM: 0.02% or less forms a sulfide, and MnS It is an element that contributes to improvement of toughness by preventing the elongation of. In order to effectively exhibit such an action, it is preferable that the lower limit of the element is Ca: 0.0005%, Mg: 0.0002%, REM: 0.0005%. However, if added in excess, the toughness is rather lowered, so the upper limit is preferably made Ca: 0.005%, Mg: 0.005%, and REM: 0.02%. More preferable upper limits are Ca: 0.003%, Mg: 0.003%, and REM: 0.01%. These elements may be added alone or in combination of two or more.

本明細書において、REMは、ランタノイド元素(周期表において、LaからLnまでの合計15元素)に、Sc(スカンジウム)とY(イットリウム)とを加えた元素群を意味する。これらの元素のなかでも、La、CeおよびYよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含有することが好ましく、Laおよび/またはCeを含有することがより好ましい。また、溶鋼へ添加するREMの形態は特に限定されず、例えば、REMとして、純Laや純Ce,純Yなど、或いは純Ca,純Zr,純Ti、更にはFe−Si−La合金,Fe−Si−Ce合金,Fe−Si−Ca合金,Fe−Si−La−Ce合金,Fe−Ca合金,Ni−Ca合金などを添加すればよい。また、溶鋼へミッシュメタルを添加してもよい。ミッシュメタルとは、セリウム族希土類元素の混合物であり、具体的には、Ceを40〜50%程度,Laを20〜40%程度含有している。ただし、ミッシュメタルは不純物としてCaを含むことが多いので、ミッシュメタルがCaを含む場合は、Ca量は上記範囲を満足していることが好ましい。後記する実施例では、ミッシュメタルを添加している。   In this specification, REM means an element group obtained by adding Sc (scandium) and Y (yttrium) to a lanthanoid element (a total of 15 elements from La to Ln in the periodic table). Among these elements, it is preferable to contain at least one element selected from the group consisting of La, Ce and Y, and it is more preferable to contain La and / or Ce. Moreover, the form of REM added to molten steel is not specifically limited, For example, as REM, pure La, pure Ce, pure Y, etc., pure Ca, pure Zr, pure Ti, and also Fe-Si-La alloy, Fe -Si-Ce alloy, Fe-Si-Ca alloy, Fe-Si-La-Ce alloy, Fe-Ca alloy, Ni-Ca alloy, etc. may be added. Moreover, you may add misch metal to molten steel. Misch metal is a mixture of cerium group rare earth elements, and specifically contains about 40 to 50% of Ce and about 20 to 40% of La. However, since misch metal often contains Ca as an impurity, when the misch metal contains Ca, the amount of Ca preferably satisfies the above range. In the examples described later, misch metal is added.

Zr:0.1%以下、Ta:0.1%以下、およびHf:0.1%以下よりなる群から選択される少なくとも一種
Zr、Ta、およびHfは、いずれも、Nと結合して安定な窒化物を形成する元素であり、加熱時のオーステナイト粒径の成長を抑制して超微細析出物の生成を促進し、特に、靭性改善に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、上記元素の下限を、Zr:0.005%、Ta:0.005%、Hf:0.005%とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大な窒化物が生成し、疲労特性が低下するため、いずれの元素も、上限を0.1%とすることが好ましい。より好ましい上限は、いずれの元素も、0.05%であり、更に好ましい上限は、いずれの元素も、0.025%である。
At least one of Zr, Ta, and Hf selected from the group consisting of Zr: 0.1% or less, Ta: 0.1% or less, and Hf: 0.1% or less is bonded to N and stable. It is an element that forms a simple nitride, promotes the formation of ultrafine precipitates by suppressing the growth of the austenite grain size during heating, and particularly contributes to toughness improvement. In order to effectively exhibit such an action, it is preferable that the lower limit of the element is Zr: 0.005%, Ta: 0.005%, and Hf: 0.005%. However, if added excessively, coarse nitrides are formed and fatigue characteristics are lowered, so the upper limit of each element is preferably 0.1%. A more preferable upper limit is 0.05% for any element, and a further preferable upper limit is 0.025% for any element.

以上、本発明の鋼中成分について説明した。   In the above, the component in steel of this invention was demonstrated.

次に、図1を参照しながら、本発明に係る高強度非調質熱間鍛造用鋼の製造方法、および当該鍛造用鋼を用いて鍛造部品を製造する方法の一実施形態を説明する。図1には、製造工程順に、鋳造工程、分塊圧延工程、熱間圧延工程、熱間鍛造工程の概略が模式的に示されている。このうち、本発明を特徴付ける工程は、分塊圧延工程および熱間圧延工程である。図1中、分塊圧延工程および熱間圧延工程には、参考のため、従来の代表的なヒートパターンを点線で示している。   Next, an embodiment of a method for producing high-strength non-tempered hot forging steel according to the present invention and a method for producing forged parts using the forging steel will be described with reference to FIG. FIG. 1 schematically shows an outline of a casting process, a block rolling process, a hot rolling process, and a hot forging process in the order of the manufacturing process. Among these, the processes characterizing the present invention are a block rolling process and a hot rolling process. In FIG. 1, a conventional representative heat pattern is indicated by dotted lines in the block rolling process and the hot rolling process for reference.

本発明では、後に詳しく説明するように、熱間鍛造前の分塊圧延工程及び/又は熱間圧延工程の少なくともいずれかの工程において、1250℃以上で1時間以上加熱保持する高温・長時間加熱保持処理を包含するものであり、これにより、所望の特性が有効に発揮される。このような高温・長時間加熱保持処理は、分塊圧延工程および熱間圧延工程のいずれかの工程で実施すれば良く、両方の工程で実施しても良い。設備上、高温に加熱しやすいのは分塊圧延工程であることを考慮すれば、分塊圧延時の加熱条件を上記のように制御することが好ましい。   In the present invention, as will be described in detail later, high temperature and long time heating at 1250 ° C. or higher for 1 hour or longer in at least one of the rolling step and / or the hot rolling step before hot forging. Including the holding treatment, the desired characteristics are effectively exhibited. Such a high-temperature and long-time heat holding treatment may be performed in any of the block rolling process and the hot rolling process, and may be performed in both processes. In consideration of the fact that it is a block rolling process that is easy to heat to a high temperature, it is preferable to control the heating conditions during the block rolling as described above.

以下では、本発明の製造方法の代表的な実施形態として、分塊圧延時の加熱条件を高温・長時間加熱保持処理するパターンを例に挙げて、工程順に説明する。本発明の製造方法は、これに限定する趣旨ではなく、例えば、熱間圧延時の加熱条件を高温・長時間加熱保持してもよい。   Below, as a typical embodiment of the production method of the present invention, the heating conditions at the time of the ingot rolling will be described in the order of steps, taking as an example a pattern in which the heating and holding treatment is performed at a high temperature for a long time. The production method of the present invention is not limited to this. For example, the heating conditions during hot rolling may be maintained by heating at a high temperature for a long time.

まず、前述した成分組成を満たす鋼を溶製し、鋳造する。鋳造条件は、特に限定されず、通常、用いられる方法を採用すれば良い。後に詳しく説明するように、本発明では、分塊圧延条件及び/又は熱間圧延条件を適切に制御することによって所望の超微細析出物および固溶物を確保するものだからである。ただし、より微細でより多くの析出物の生成を目的として、鋳造条件を適切に制御することも有効であり、例えば、鋳造時の平均冷却速度(鋳造品中心部の平均冷却速度)をできるだけ速く(おおむね、200℃/hr以上)することが好ましい。   First, steel satisfying the above-described component composition is melted and cast. Casting conditions are not particularly limited, and a generally used method may be employed. This is because, as will be described in detail later, in the present invention, desired ultrafine precipitates and solid solutions are ensured by appropriately controlling the split rolling conditions and / or hot rolling conditions. However, it is also effective to appropriately control the casting conditions for the purpose of producing finer and more precipitates. For example, the average cooling rate during casting (the average cooling rate at the center of the cast product) is as fast as possible. (Generally, 200 ° C./hr or more) is preferable.

鋳造後、分塊圧延を行なう。分塊圧延は、分塊圧延前の均熱処理を包含してもよい。分塊圧延前に均熱処理を行う場合、均熱処理は、以下に詳述する分塊圧延とほぼ同じ条件で行なうことが好ましい。具体的には、おおむね、1200℃で1時間以上行なうことが好ましい。   After casting, ingot rolling is performed. Partial rolling may include soaking before the partial rolling. When soaking is performed before the block rolling, the soaking is preferably performed under substantially the same conditions as the block rolling described in detail below. Specifically, it is generally preferable to carry out at 1200 ° C. for 1 hour or longer.

分塊圧延工程は、MP1およびQ値を本発明の範囲内に制御し、強度、疲労限度比、靭性をすべて高めるために最も重要な工程である。具体的には、以下に詳述するように、分塊圧延時の加熱条件(加熱温度および保持時間)、更には、分塊圧延後の冷却条件を適切に制御することが必要であり、これらをすべて満たす条件で製造したもののみが、所望の特性を備えている(後記する実施例を参照)。   The block rolling process is the most important process in order to control the MP1 and Q value within the range of the present invention and to increase all the strength, fatigue limit ratio, and toughness. Specifically, as described in detail below, it is necessary to appropriately control the heating conditions (heating temperature and holding time) during the batch rolling, and further the cooling conditions after the batch rolling. Only those manufactured under conditions that satisfy all of these requirements have the desired characteristics (see Examples below).

まず、分塊圧延時の加熱条件に関し、本発明では、1250℃以上の温度(図1中、T1)で1時間以上(図1中、t1)保持する。加熱時間(t1)は、当該加熱温度(T1)に達したときの保持時間を意味する。本発明の加熱パターンは、従来の代表的な加熱パターン(図1の点線部分)に比べ、温度が高く保持時間も長い。このように高温で長時間加熱保持することによって、析出強化元素であるNb、Ti、Vの固溶が促進され、特に、Vに比べて固溶し難いNbやTiの固溶が一層促進されるため、その後の冷却過程で析出する析出物へのNb、Tiの侵入が容易になり、結果的に、MP1およびQ値が上昇するようになる。上記工程では、特に、加熱時間(t1)を適切に制御することが極めて重要であり、たとえ、加熱温度(T1)を1250℃以上に高めたとしても、加熱時間(t1)が1時間未満のものは、所望の特性が得られない(後記する図1を参照)。加熱温度(T1)は高いほど、保持時間(t1)は長いほど良い。例えば、加熱温度(T1)は1275℃以上が好ましく、1300℃以上がより好ましい。また、加熱時間(t1)は、2時間以上がより好ましい。加熱温度の上限は特に限定されないが、設備などとの関係で、おおむね、1325℃とすることが好ましい。   First, regarding the heating conditions at the time of ingot rolling, in the present invention, the temperature is maintained at a temperature of 1250 ° C. or higher (T1 in FIG. 1) for 1 hour or longer (t1 in FIG. 1). The heating time (t1) means a holding time when the heating temperature (T1) is reached. The heating pattern of the present invention has a higher temperature and a longer holding time than a conventional representative heating pattern (dotted line portion in FIG. 1). Thus, by heating and holding at a high temperature for a long time, the solid solution of precipitation strengthening elements Nb, Ti, and V is promoted. In particular, the solid solution of Nb and Ti that is difficult to dissolve in comparison with V is further promoted. Therefore, it becomes easy for Nb and Ti to penetrate into the precipitate that precipitates in the subsequent cooling process, and as a result, the MP1 and Q values increase. In the above process, it is particularly important to appropriately control the heating time (t1). Even if the heating temperature (T1) is increased to 1250 ° C. or higher, the heating time (t1) is less than 1 hour. The desired properties cannot be obtained (see FIG. 1 described later). The higher the heating temperature (T1), the better the holding time (t1). For example, the heating temperature (T1) is preferably 1275 ° C. or higher, and more preferably 1300 ° C. or higher. The heating time (t1) is more preferably 2 hours or longer. Although the upper limit of heating temperature is not specifically limited, It is preferable to set it as 1325 degreeC in general in relation to an installation etc.

加熱後の圧延温度(図1中、T2)は特に限定されず、例えば、900℃以上とすることが好ましい。   The rolling temperature after heating (T2 in FIG. 1) is not particularly limited, and is preferably 900 ° C. or higher, for example.

分塊圧延後、熱間圧延を行なう。所望の特性を確保するためには、分塊圧延時のみならず熱間圧延時のNb,Ti,Vの固溶を促進しておくことが好ましく、本実施形態では、1150℃以上の温度(図1中、T3)で1時間以上(図1中、t3)保持することが好ましい。本発明の加熱パターンは、従来の代表的な加熱パターン(図1の点線部分)に比べ、温度が高く保持時間も長い。このように高温で長時間加熱保持することによって、析出強化元素であるNb、Ti、Vの固溶が促進され、特に、Vに比べて固溶し難いNbやTiの固溶が一層促進されるため、その後の冷却過程で析出する析出物へのNb、Tiの侵入が容易になり、結果的に、MP1およびQ値が上昇するようになる。加熱温度(T1)は高いほど、保持時間(t1)は長いほど良く、これにより、上記元素の固溶が一層促進される。例えば、加熱温度(T3)は1175℃以上が好ましく、1200℃以上がより好ましい。また、加熱時間(t1)は2時間以上がより好ましい。加熱温度の上限は特に限定されないが、設備などとの関係で、おおむね、1250℃とすることが好ましい。   Hot rolling is performed after the block rolling. In order to ensure the desired characteristics, it is preferable to promote the solid solution of Nb, Ti, V not only during the batch rolling but also during the hot rolling. In this embodiment, a temperature of 1150 ° C. or higher ( In FIG. 1, it is preferable to hold at T3) for 1 hour or longer (t3 in FIG. 1). The heating pattern of the present invention has a higher temperature and a longer holding time than a conventional representative heating pattern (dotted line portion in FIG. 1). Thus, by heating and holding at a high temperature for a long time, the solid solution of precipitation strengthening elements Nb, Ti, and V is promoted. In particular, the solid solution of Nb and Ti that is difficult to dissolve in comparison with V is further promoted. Therefore, it becomes easy for Nb and Ti to penetrate into the precipitate that precipitates in the subsequent cooling process, and as a result, the MP1 and Q values increase. The higher the heating temperature (T1) and the longer the holding time (t1), the better, and this further promotes solid solution of the above elements. For example, the heating temperature (T3) is preferably 1175 ° C. or higher, and more preferably 1200 ° C. or higher. The heating time (t1) is more preferably 2 hours or longer. The upper limit of the heating temperature is not particularly limited, but is preferably about 1250 ° C. because of the relationship with the equipment.

熱間圧延後、熱間鍛造を行なう。本発明によれば、上記一連の工程によって強度、疲労限度比、および靭性に優れた熱間鍛造品用鋼が得られるが、以下に説明するように、鍛造工程を更に適切に制御することにより、上記特性に優れた鍛造部品を確実に得ることができる。   Hot forging is performed after hot rolling. According to the present invention, a steel for hot forgings excellent in strength, fatigue limit ratio, and toughness can be obtained by the above-described series of steps, but as described below, by further appropriately controlling the forging step, Forged parts excellent in the above characteristics can be obtained with certainty.

まず、熱間鍛造時の加熱条件に関し、本実施形態では、1150℃以上1250℃以下の温度(図1中、T5)で0.5時間以上1時間以下(図1中、t5)保持することが好ましい。加熱時間(t5)は、当該加熱温度(T5)に達したときの保持時間を意味する。本実施形態では、従来の代表的なパターン(図1の点線部分)に比べ、加熱温度を同等若しくは若干高く設定し、加熱時間を同等若しくは若干長く設定している。このような加熱条件に制御すれば、析出強化元素であるNb、Ti、Vの固溶を促進させつつ、且つ、オーステナイト粒の粗大化を抑制することができる。加熱温度(T5)が高くなり過ぎたり加熱時間(t5)が長くなり過ぎると、オーステナイト粒が粗大化して靭性が低下する。加熱温度(T5)は、おおむね、1175℃以上であることがより好ましい。   First, regarding the heating conditions at the time of hot forging, in this embodiment, the temperature is maintained at 1150 ° C. or more and 1250 ° C. or less (T5 in FIG. 1) for 0.5 hour or more and 1 hour or less (t5 in FIG. 1). Is preferred. The heating time (t5) means a holding time when the heating temperature (T5) is reached. In the present embodiment, the heating temperature is set to be equal or slightly higher and the heating time is set to be equal or slightly longer than a typical representative pattern (dotted line portion in FIG. 1). By controlling to such heating conditions, it is possible to promote the solid solution of the precipitation strengthening elements Nb, Ti, and V, and to suppress the coarsening of the austenite grains. If the heating temperature (T5) becomes too high or the heating time (t5) becomes too long, the austenite grains become coarse and the toughness decreases. The heating temperature (T5) is more preferably about 1175 ° C. or higher.

加熱後の鍛造温度(図1中、T6)は、1100℃以上とすることが好ましい。鍛造温度を、従来に比べて高く設定することにより、析出強化に寄与しないオーステナイト中での析出物生成を抑制することができる。鍛造温度は高いほど良く、おおむね、1125℃以上であることがより好ましく、1150℃以上であることが更に好ましい。鍛造温度の上限は特に限定されず、通常、加熱温度(T5)以下となる。   The forging temperature after heating (T6 in FIG. 1) is preferably 1100 ° C. or higher. By setting the forging temperature higher than in the prior art, precipitate formation in austenite that does not contribute to precipitation strengthening can be suppressed. The higher the forging temperature, the better. In general, the forging temperature is more preferably 1125 ° C or higher, and further preferably 1150 ° C or higher. The upper limit of forging temperature is not specifically limited, Usually, it becomes below heating temperature (T5).

上記のように鍛造を行なった後、冷却するが、本実施形態では、熱間鍛造後650℃までの範囲を約60℃/min以上の平均冷却速度(CR1)で冷却(急冷)した後、650〜500℃までの範囲を約10℃/min以下の平均冷却速度(CR2)で冷却(徐冷)することが好ましい。このように、フェライト変態までの温度域を急冷することによってオーステナイト領域での粒成長が抑えられ、次いで、フェライト変態が完了するまでの温度域を徐冷することによってフェライト中への超微細析出物の生成が増大するため、最終的に、所望とする特性が有効に発揮されるようになる。CR1は大きいほど、CR2は小さいほど良いが、生産効率などとのバランスを考慮すれば、おおむね、CR1:80〜120℃/min、CR2:3〜8℃/minであることが好ましい。   After forging as described above, cooling is performed, but in the present embodiment, the range up to 650 ° C. after hot forging is cooled (rapidly cooled) at an average cooling rate (CR1) of about 60 ° C./min or more. It is preferable to cool (slowly cool) the range from 650 to 500 ° C. at an average cooling rate (CR2) of about 10 ° C./min or less. In this way, grain growth in the austenite region is suppressed by rapidly cooling the temperature region until ferrite transformation, and then ultrafine precipitates in ferrite are obtained by gradually cooling the temperature region until ferrite transformation is completed. As a result, the desired characteristics are effectively exhibited. The larger CR1 and the smaller CR2, the better. However, considering the balance with production efficiency and the like, it is generally preferable that CR1: 80 to 120 ° C / min, CR2: 3 to 8 ° C / min.

上記のようにして鍛造を行なった後、切削等の機械加工によって所望の部品形状に成形し、鍛造部品とする。   After forging as described above, it is formed into a desired part shape by machining such as cutting to obtain a forged part.

以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適切に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited by the following examples, and is appropriately within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to carry out with modification, and they are all included in the technical scope of the present invention.

(製造方法)
小型真空溶製炉を用いて表1に示すA〜Vの鋼(残部:鉄および不可避不純物)を溶製した後、鋳造した。次に、表2に示す条件で分塊圧延を行い、断面が155mm×155mmの鋼塊を得た。次いで、表2に示す条件で熱間圧延および熱間鍛造を行ない、φ30mm×500mmの鍛造部品を得た。熱間圧延後の平均冷却速度は、約150℃/minとした。
(Production method)
A to V steels shown in Table 1 (remainder: iron and inevitable impurities) were melted and cast using a small vacuum melting furnace. Next, partial rolling was performed under the conditions shown in Table 2 to obtain a steel ingot having a cross section of 155 mm × 155 mm. Subsequently, hot rolling and hot forging were performed under the conditions shown in Table 2 to obtain a forged part having a diameter of 30 mm × 500 mm. The average cooling rate after hot rolling was about 150 ° C./min.

(特性評価)
このようにして得られた鍛造部品(表2のNo.1〜28)を用い、前述した方法に基づいて、MP1およびMP2を測定し、(MP2/MP1)の比(Q値)を算出した。更に、以下のようにして引張強度および疲労限度を測定した。
(Characteristic evaluation)
Using the forged parts thus obtained (Nos. 1 to 28 in Table 2), MP1 and MP2 were measured based on the method described above, and the ratio (Q value) of (MP2 / MP1) was calculated. . Furthermore, the tensile strength and fatigue limit were measured as follows.

引張強度は、JIS Z 2241に従って測定した。ここでは、引張強度が900MPa以上1300MPa未満のものを○(合格)、900MPa未満のものを×(不合格)とした。   The tensile strength was measured according to JIS Z 2241. Here, those having a tensile strength of 900 MPa or more and less than 1300 MPa were evaluated as ◯ (passed), and those having a tensile strength of less than 900 MPa were evaluated as x (failed).

疲労強度は、応力集中係数α=1.9の切り欠き付きの小野式回転曲げ疲労試験片を用い、表面の加工層の影響を取り除くために電解研磨を施した後、JIS Z 2274に記載の方法で疲労試験を行って測定した。疲労限度比は、疲労強度/引張強度の比で算出した。ここでは、疲労限度比が0.30未満のものを×(不合格)とし、0.30以上のものを○、0.33以上のものを◎(○および◎を合格)とした。   The fatigue strength was measured according to JIS Z 2274 after electrolytic polishing was performed to remove the influence of the surface processed layer using a notched Ono-type rotary bending fatigue test piece with a stress concentration factor α = 1.9. The fatigue test was performed by the method and measured. The fatigue limit ratio was calculated by the ratio of fatigue strength / tensile strength. Here, those having a fatigue limit ratio of less than 0.30 were evaluated as x (failed), those having 0.30 or more were evaluated as ◯, and those having a fatigue limit ratio of 0.33 or more were evaluated as ◎ (◯ and ◎ passed).

靭性は、深さD/4の位置(D=直径)でJIS3号試験片を採取し、室温(20℃)における吸収エネルギー(vE20)を測定した。ここでは、vE20の値が50J以上のものを○(合格)、50J未満のものを×(不合格)とした。 As for toughness, a JIS No. 3 test piece was sampled at a position of depth D / 4 (D = diameter), and the absorbed energy (vE 20 ) at room temperature (20 ° C.) was measured. Here, a value of vE 20 of 50 J or more was evaluated as ◯ (passed), and a value of less than 50 J was evaluated as × (failed).

これらの結果を表2にまとめて示す。表2には、使用した鋼種(表1の鋼種)も併記している。また、表2に総合評価の欄を設け、下記基準で総合評価した。
×:引張強度、疲労限度比、靭性の少なくともいずれか一つが×
○:引張強度、疲労限度比、靭性のすべてが○
◎:引張強度および靭性が○、疲労限度比◎
These results are summarized in Table 2. Table 2 also shows the steel types used (the steel types in Table 1). Moreover, the column of comprehensive evaluation was provided in Table 2, and it evaluated comprehensively with the following reference | standard.
×: At least one of tensile strength, fatigue limit ratio, and toughness is ×
○: Tensile strength, fatigue limit ratio, and toughness are all ○
◎: Tensile strength and toughness ○, fatigue limit ratio ◎

Figure 2008127595
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Figure 2008127595
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表1に記載の鋼種のうち、鋼種A、C、F〜Sは、化学成分が本発明の範囲を満足する鋼であり、表1の鋼種B、D、E、T〜Vは、後に詳述するように、化学成分のいずれかが本発明の範囲を満足しない鋼である。また、本発明の範囲を満足する上記鋼種のうち、析出強化元素に着目して整理すると、鋼種A、G〜I、K〜SはNbおよびVを含有する(Tiなし)例、鋼種CはTiおよびVを含有する(Nbなし)例、鋼種FはTiとNbとVをすべて含有する例、鋼種JはTiのみを含有する(Nb、Vなし)例である。   Among the steel types listed in Table 1, steel types A, C, and F to S are steels whose chemical components satisfy the scope of the present invention, and steel types B, D, E, and T to V in Table 1 are described in detail later. As noted, any chemical component is a steel that does not satisfy the scope of the present invention. Further, among the above steel types that satisfy the scope of the present invention, when focusing on the precipitation strengthening elements, the steel types A, G to I, and K to S contain Nb and V (without Ti), the steel type C is An example containing Ti and V (no Nb), steel type F is an example containing all of Ti, Nb and V, and steel type J is an example containing only Ti (Nb, no V).

表2より、以下のように考察することができる。   From Table 2, it can be considered as follows.

表2のNo.1〜7は、本発明の要件を満足する鋼種Aを用い、分塊圧延条件、熱間圧延条件、および熱間鍛造時の加熱温度を変えて製造した例である。   No. in Table 2 Nos. 1 to 7 are examples in which the steel type A satisfying the requirements of the present invention is used and the rolling temperature, the hot rolling conditions, and the heating temperature during hot forging are changed.

このうち、No.4〜5、7は、いずれも、本発明で規定する条件で製造した本発明例であり、MP1およびQ値が本発明の要件を満たしているため、強度および疲労限度比の両方に優れており、且つ、靭性も高い。   Of these, No. 4 to 5 and 7 are examples of the present invention produced under the conditions specified in the present invention, and the MP1 and Q values satisfy the requirements of the present invention, so both the strength and the fatigue limit ratio are excellent. And toughness is high.

これに対し、No.1は、分塊圧延時の加熱時間(t1)および熱間圧延時の加熱時間(t3)が短く、熱間鍛造時の加熱温度(T5)が高い例であり、Q値が小さくなり、靭性が低下した。   In contrast, no. 1 is an example in which the heating time (t1) at the time of block rolling and the heating time (t3) at the time of hot rolling are short, and the heating temperature (T5) at the time of hot forging is high, the Q value becomes small, and the toughness Decreased.

No.2は、分塊圧延時の加熱時間(t1)および熱間圧延時の加熱時間(t3)が短い例であり、Q値が小さくなり、疲労限度比が低下した。   No. No. 2 is an example in which the heating time (t1) at the time of ingot rolling and the heating time (t3) at the time of hot rolling are short, the Q value was reduced, and the fatigue limit ratio was reduced.

No.3は熱間鍛造時の加熱温度(T5)が高い例であり、オーステナイト粒が粗大化し、靭性が低下した。   No. No. 3 is an example in which the heating temperature (T5) at the time of hot forging is high, austenite grains become coarse and toughness decreases.

No.6は熱間圧延時の加熱温度(T3)が低い例であり、MP1が小さいため、疲労限度比が低下した。   No. 6 is an example in which the heating temperature (T3) at the time of hot rolling is low, and MP1 is small, so that the fatigue limit ratio is lowered.

次に、表2のNo.8〜28について考察する。   Next, no. Consider 8-28.

No.9、12〜25は、いずれも、本発明で規定する条件で製造した本発明例であり、MP1およびQ値が本発明の要件を満足しているため、強度、疲労限度比、および靭性のすべてに優れている。   No. 9, 12 to 25 are all examples of the present invention produced under the conditions specified in the present invention, and MP1 and Q value satisfy the requirements of the present invention, so that the strength, fatigue limit ratio, and toughness of Excellent for everything.

これに対し、No.8はNbおよびTiの両方を含有しない鋼種Bを用いた例であり、MP2=0のためにQ値も0となってNb及び/又はTiによる作用が有効に発揮されないため、疲労限度比が低下した。   In contrast, no. 8 is an example using a steel type B that does not contain both Nb and Ti. Since MP2 = 0, the Q value becomes 0 and the action of Nb and / or Ti is not effectively exhibited. Declined.

No.10はTi添加鋼であってTi/Nの比が低い鋼種Dを用いた例であり、疲労限度比が低下した。   No. No. 10 is an example of using a steel type D which is a Ti-added steel and has a low Ti / N ratio, and the fatigue limit ratio has decreased.

No.11は、Ti添加鋼であってN量が多い鋼種Eを用いた例であり、N量が多いため、粗大なTiNが生成して破壊の起点となり、疲労限度比が低くなった。   No. 11 is an example using a steel type E which is a Ti-added steel and has a large amount of N. Since the amount of N is large, coarse TiN is generated and becomes a starting point of fracture, and the fatigue limit ratio becomes low.

No.26はTi量が多い鋼種Tを用いた例であり、疲労限度比が低下した。   No. No. 26 is an example using the steel type T with a large amount of Ti, and the fatigue limit ratio was lowered.

No.27はC量が多い鋼種Uを用いた例であり、疲労限度比および靭性が低下した。   No. 27 is an example using steel type U with a large amount of C, and the fatigue limit ratio and toughness were lowered.

No.28は、C量が少ない鋼種Vを用いた例であり、強度が低下した。なお、No.28は、強度が低いため、疲労強度および疲労限度比を測定しなかった(表2中、「−」)。   No. 28 is an example using the steel type V with a small amount of C, and the strength decreased. In addition, No. Since No. 28 was low in strength, the fatigue strength and fatigue limit ratio were not measured ("-" in Table 2).

図1は、本発明の製造方法の一実施態様を模式的に示す概略工程図である。FIG. 1 is a schematic process diagram schematically showing one embodiment of the production method of the present invention.

Claims (5)

(1)鋼中成分は、
C :0.10〜0.50%(質量%の意味、以下同じ。)、
Si:0.05〜2%、
Mn:0.3〜3%、
Al:0.005〜0.1%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.5%以下(0%を含まない)、
O :0.003%以下(0%を含まない)、
N :0.02%以下(0%を含まない)、
Nb,Ti,Vのうち、少なくともNb及び/又はTiを含み、Vを含んでいても良く、
Nbを含む場合は、Nb:0.2%以下(0%を含まない)であり、
Tiを含む場合は、Ti:0.20%以下(0%を含まない)、N:0.010%未満(0%を含まない)、およびTi/N≧3.4をすべて満足し、
Vを含む場合は、V:0.6%以下(0%を含まない)であり、
残部:Feおよび不可避不純物を満足し、且つ、
(2)下記(A)〜(D)の手順に従って得られるMP1およびMP2が、MP1≧5×10-4、且つ、MP2/MP1≧0.05を満足することを特徴とする疲労限度比および靭性に優れた高強度非調質熱間鍛造用鋼。
(A)10%アセチルアセトン−1%テトラメチルアンモニウムクロリドのメタノール溶液を電解液として用い、熱間圧延後の試料を200A/m2以下の電流下で抽出する。
(B)前記抽出後のサンプルを0.2μmのフィルターを用いてろ過し、フィルターに残った抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、ICP)発光分析によって定量する。
(C)鋼中に含まれるNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量から、前記(B)によって得られた抽出残渣中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を引き、0.2μmメッシュのフィルターを通過した抽出液中のNb及び/又はTi(Vを更に含んでいてもよい)の各元素量を求め、それぞれ、[Nb]、[Ti]、[V]とする。
(D)下式に基づき、MP1およびMP2を算出する。
MP1={[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}
MP2={[Nb]/93}+{[Ti]/48}
(1) Components in steel are
C: 0.10 to 0.50% (meaning mass%, the same shall apply hereinafter),
Si: 0.05-2%
Mn: 0.3-3%,
Al: 0.005 to 0.1%,
P: 0.05% or less (excluding 0%),
S: 0.5% or less (excluding 0%),
O: 0.003% or less (excluding 0%),
N: 0.02% or less (excluding 0%),
Among Nb, Ti, and V, at least Nb and / or Ti may be included, and V may be included.
When Nb is included, Nb is 0.2% or less (not including 0%),
When Ti is contained, Ti: 0.20% or less (excluding 0%), N: less than 0.010% (excluding 0%), and Ti / N ≧ 3.4 are all satisfied,
When V is included, V: 0.6% or less (not including 0%),
Balance: Fe and inevitable impurities are satisfied, and
(2) Fatigue limit ratio, wherein MP1 and MP2 obtained according to the following procedures (A) to (D) satisfy MP1 ≧ 5 × 10 −4 and MP2 / MP1 ≧ 0.05, and High strength non-tempered hot forging steel with excellent toughness.
(A) Using a methanol solution of 10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride as an electrolyte, a sample after hot rolling is extracted under a current of 200 A / m 2 or less.
(B) The sample after extraction is filtered using a 0.2 μm filter, and the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extraction residue remaining on the filter is inductively coupled. Quantification is performed by plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP) emission spectrometry.
(C) From the amount of each element of Nb and / or Ti (which may further contain V) contained in the steel, Nb and / or Ti (V is further contained in the extraction residue obtained by (B) above. Each element amount of Nb and / or Ti (which may further contain V) in the extract that has passed through a 0.2 μm mesh filter. [Nb], [Ti], and [V].
(D) MP1 and MP2 are calculated based on the following equation.
MP1 = {[V] / 51} + {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}
MP2 = {[Nb] / 93} + {[Ti] / 48}
更に、Mo:1%以下、及び/又はB:0.015%以下を含有する請求項1に記載の高強度非調質熱間鍛造用鋼。   The steel for high-strength non-tempered hot forging according to claim 1, further comprising Mo: 1% or less and / or B: 0.015% or less. 更に、Ni:2%以下、Cu:2%以下、およびCr:3%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1または2に記載の高強度非調質熱間鍛造用鋼。   The steel for high-strength non-tempered hot forging according to claim 1 or 2, further comprising at least one selected from the group consisting of Ni: 2% or less, Cu: 2% or less, and Cr: 3% or less. . 更に、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、およびREM:0.02%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の高強度非調質熱間鍛造用鋼。   The high content according to any one of claims 1 to 3, further comprising at least one selected from the group consisting of Ca: 0.005% or less, Mg: 0.005% or less, and REM: 0.02% or less. High strength non-tempered steel for hot forging. 更に、Zr:0.1%以下、Ta:0.1%以下、およびHf:0.1%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高強度非調質熱間鍛造用鋼。   The high content according to any one of claims 1 to 4, further comprising at least one selected from the group consisting of Zr: 0.1% or less, Ta: 0.1% or less, and Hf: 0.1% or less. High strength non-tempered steel for hot forging.
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