JP2011225943A - 捻り破断特性に優れた鋼および機械構造部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱間圧延された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して機械構造部品を製造でき、しかも、高い強度と優れた捻り破断特性を有する鋼およびその鋼を用いた機械構造部品の提供。
【解決手段】質量%で、C:0.002%以上0.050%未満、Si:0.05〜0.30%、Mn:0.20〜0.60%、P:0.020%以下、S:0.020%以下、Cr:0.15%以下、Al:0.005〜0.070%、N:0.008%以下、Ti:3.4×N%を超えて0.070%以下およびNb:0.002%以上0.020%未満を含有し、残部はFeおよび不純物からなる捻り破断特性に優れた鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、捻り破断特性に優れた鋼に関する。詳しくは、熱間圧延された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して部品を製造でき、しかも、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を有し、特に、「トーションバー」と称される自動車用シートベルト巻取り装置に用いられる機械構造部品の素材として好適に用いることができる鋼およびそれを用いた機械構造部品に関する。
自動車用シートベルト装置は、衝撃などによって車体が急激に減速した場合に、シートベルトで乗員を拘束し、乗員がシートから飛び出すことを防ぐ安全装置である。シートベルトには、自動車が急激に減速した場合に大きな荷重が衝撃的に加わる。
したがって、シートベルト装置には、上記の衝撃エネルギーを吸収する機構が必要であり、例えば、特許文献1に、衝撃エネルギーを吸収することができる「シートベルト巻取り装置」が開示されている。そして、そのシートベルト巻取り装置には、トーションバーという機械構造部品が装備されており、衝撃エネルギーによってシートベルトが引張られると、シートベルト巻取り装置がトーションバーの軸部を捻りながら回転して塑性変形し、衝撃エネルギーを吸収できる機構になっている。
上記のように、トーションバーは、シートベルト巻取り装置に不可欠な重要部品であり、機械構造部品として必要な強度を有することはもちろん、破断までに所定回数捻れるという捻り破断特性を有することが必要である。
トーションバーは、従来JIS G 3507の冷間圧造用炭素鋼に焼鈍を施した後、冷間鍛造して製造されていた。また、トーションバーに用いられる鋼として、例えば次のような鋼が開示されている。
すなわち、特許文献2に、AlおよびNbによって、固溶Nを固定することを特徴とする「低温延性に優れたトーションバー用鋼」が開示されている。
特許文献3に、Alの含有量を0.1%以下に制限し、ミクロ組織における相および結晶粒の状態を規定したトーションバー用鋼が開示されている。
また、例えば、特許文献4には、冷間鍛造性と切削性に優れた機械構造用鋼が開示されている。
実公昭61−11085号公報 特開2003−313626号公報 特開2006−22397号公報 特開2006−291237号公報
上記の特許文献2で開示されたトーションバー用鋼は、固溶Nの量を特定量のAlとNbを含有させることによって低減するものである。このため、固溶Nの低減効果は必ずしも十分とはいえず、さらに、炭化物、炭窒化物による析出硬化も必ずしも十分とはいえない。
特許文献3で開示されたトーションバー用鋼は、冷間鍛造時の歪み時効に影響を及ぼす固溶Cおよび固溶Nについての考慮がなされていない。さらに、破断伸びについての評価がなされているだけで、トーションバーに必要とされる強度については何ら記載されていない。
特許文献4で開示された機械構造用鋼は、0.10〜0.42%という多量のCを含有している。このため、トーションバーのように高い捻り破断特性が必要とされる機械構造部品の素材として用いることは難しい。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、捻り破断特性に優れた鋼、なかでも、熱間圧延された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して部品を製造でき、しかも、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を有し、特に自動車用シートベルト巻取り装置のトーションバーなどの機械構造部品の素材として好適な鋼およびそれを用いた機械構造部品を提供することを目的とする。
なお、本発明の目的とする高い強度とは、後述の実施例に示す引張試験によって、400MPa以上の引張強さを有することを指す。また、本発明の目的とする優れた捻り破断特性とは、後述の実施例に示す捻り試験によって、4回以上の捻り回数を有することを指す。
本発明者らは、前記した課題を解決するために、種々の実験室的な検討を行った結果、下記(a)〜(d)の知見を得た。
(a)C含有量を極力低減することによって、セメンタイトの析出に基づく延性低下が抑止でき、これによって、捻り破断特性の低下を抑制することができる。
(b)強度を高めるための合金元素の多量の含有は、捻り破断特性の低下につながる。したがって、合金元素の多量の含有を避けた高強度化のために、TiとNbを複合して含有させ、Ti炭化物とNb炭化物の析出強化作用を利用する。
(c)ただし、TiもNbも過剰に含有させた場合には、析出強化作用が過大になって強度が高くなりすぎ、かえって捻り破断特性が低下するので、その含有量は適正化する必要がある。
(d)歪み時効の原因となる固溶Nの低減に対して、Nbはそれほど効果がない。このため、固溶Nの低減に対しては、Tiを含有させる必要がある。Tiの含有量とNbの含有量は、〔Ti/Nb〕で1.0以上となるようにすることが望ましい。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記(1)に示す捻り破断特性に優れた鋼および下記(2)に示す機械構造部品にある。
(1)質量%で、C:0.002%以上0.050%未満、Si:0.05〜0.30%、Mn:0.20〜0.60%、P:0.020%以下、S:0.020%以下、Cr:0.15%以下、Al:0.005〜0.070%、N:0.008%以下、Ti:3.4×N%を超えて0.070%以下およびNb:0.002%以上0.020%未満を含有し、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とする捻り破断特性に優れた鋼。
(2)上記(1)に記載の鋼を用いた機械構造部品。
残部としての「Feおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。
本発明の捻り破断特性に優れた鋼を素材鋼とすれば、熱間圧延または熱間鍛造により製造された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して、自動車用シートベルト装置のトーションバーなどの機械構造部品を製造することができ、しかも、得られた機械構造部品に、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を具備させることができる。
実施例で用いた捻り特性を調査するための試験について説明する図で、(a)は引抜き丸棒、(b)は(a)の丸棒を冷間鍛造して得た試験片、(c)は捻り特性試験方法を、それぞれ示す。
以下、本発明の捻り破断特性に優れた鋼の各要件について詳しく説明する。なお。以下の説明における各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
C:0.002%以上0.050%未満
Cは、後述するTi炭化物とNb炭化物の析出強化の作用効果を得るために、0.002%以上の含有量とする必要がある。しかしながら、捻り破断特性を高めるためには、ミクロ組織が、セメンタイトがほとんど存在しないフェライト単相の組織であることが望ましく、また、固溶Cが存在した場合には、例えば、伸線後の歪み時効により冷間鍛造時の変形抵抗が増加するため、Cの含有量は0.050%未満とする必要がある。したがって、Cの含有量を0.002%以上0.050%未満とした。Cの含有量は、0.040%以下とすることが好ましい。
Si:0.05〜0.30%
Siは、脱酸作用および固溶強化作用を有し、0.05%以上含有させる必要がある。一方、Siの含有量が多くなって、0.30%を超えると、捻り破断特性が低下する。したがって、Siの含有量を0.05〜0.30%とした。Siの含有量は、0.10%以上、0.25%以下とすることが好ましい。
Mn:0.20〜0.60%
Mnは、脱酸作用および固溶強化作用を有し、0.20%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mnの含有量が多くなって、0.60%を超えると、捻り破断特性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.20〜0.60%以下とした。Mnの含有量は、0.30%以上、0.50%以下とすることが好ましい。
P:0.020%以下
Pは、鋼の製造過程で不可避的に混入する不純物である。Pの含有量が多くなって0.020%を超えると、熱間圧延性および冷間鍛造性が低下する。したがって、Pの含有量を0.020%以下とした。Pの含有量は、0.015%以下とすることが好ましい。
S:0.020%以下
Sは、鋼の製造過程で不可避的に混入する不純物であり、主にMnSの硫化物系介在物を形成する。Sの含有量が多くなって0.020%を超えると、硫化物系介在物の量が多くなり、鋼材の捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.020%以下とした。Sの含有量は少ないほど好ましい。
Cr:0.15%以下
Crは、原料から不純物として混入する。Crは、捻り破断特性を低下させ、その含有量が多くなって0.15%を超えると、捻り破断特性の低下が大きくなる。そのために、Crの含有量を0.15%以下とした。Crの含有量は、0.12%以下とすることが好ましい。
Al:0.005〜0.070%
Alは、脱酸作用を有する。この効果を得るためには、Alを0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、Alの含有量が0.070%を超えると、その効果が飽和する。したがって、Alの含有量を0.005〜0.070%とした。
N:0.008%以下
Nは、鋼の製造過程で不可避的に混入し、固溶Nとして鋼中に残存した場合、歪み時効により変形抵抗が増加する。このため、Nの含有量は、極力少なく抑える必要があるので、0.008%以下とした。なお、Nについては、上記の含有量にしたうえで、さらにTiによって窒化物として固定する必要がある。
Ti:3.4×N%を超えて0.070%以下
Tiは、本発明における重要な元素であり、次の2つの作用を有する。
1つ目の作用は、TiがNと結合して窒化物を形成し、固溶Nを固定することである。この作用によって、固溶Nに起因した歪み時効を抑制することができ、冷間鍛造時の変形抵抗増加を避けることができる。
2つ目の作用は、TiがTi炭化物を形成して、鋼を析出強化することである。優れた捻り破断特性を有しながら高い強度を得るためには、合金元素の多量の含有を避け、Cの含有量を低減したうえで、Ti炭化物および次に述べるNb炭化物により析出強化する必要がある。
なお、Tiは、Nと原子比1:1(質量%に換算した場合、3.4:1)で結合して窒化物(TiN)を形成する。したがって、上記2つの効果を得るためには、TiはN含有量の3.4倍、つまり、3.4×N%、を超える量を含有させる必要がある。ただし、Tiの含有量が多くなりすぎると過剰に析出硬化するため捻り破断特性が低下し、0.070%を超えると、捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Tiの含有量を3.4×N%を超えて0.070%以下とした。Tiの含有量は、0.050%以下とすることが好ましい。なお、Tiの含有量は、後述するNbの含有量以上、すなわち〔Ti/Nb〕を1.0以上とすることが好ましい。〔Ti/Nb〕は1.2以上とすることがさらに好ましく、1.3以上とすることがより好ましい。
Nb:0.002%以上0.020%未満
Nbも、本発明にとって重要な元素である。優れた捻り破断特性を有しながら高い強度を得るために、Cの含有量を極力低減し、かつ前述のTi炭化物と、Nb炭化物とによる析出強化作用を活用するためである。上記の効果を得るためにNbは0.002%以上含有する必要がある。一方、Nbの含有量が多くなりすぎると過剰に析出硬化するため捻り破断特性が低下し、0.020%以上になると、捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Nbの含有量を0.002%以上0.020%未満とした。
上記の理由から、本発明の捻り破断特性に優れた鋼は、その化学組成が上述した範囲のCからNbまでの元素を含有し、残部はFeおよび不純物からなることとした。
本発明の機械構造部品は、上記の化学組成を有する鋼を熱間圧延または熱間鍛造により線材または棒鋼とし、寸法精度や真円度を確保するため必要に応じて引抜き加工し、その後冷間鍛造を施すことにより製造することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
表1に示す化学組成を有する鋼1〜12を3トン電気炉を用いて溶製し、鋼塊とした。
上記の鋼のうち鋼1〜5は化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、鋼6〜12は化学組成が本発明で規定する範囲から外れた比較例の鋼である。
上記比較例の鋼のうちで鋼12は、従来から焼鈍を施された後冷間鍛造してトーションバーに加工されていたJIS G 3507の冷間圧造用炭素鋼SWRCH15であり、後述のとおりこの鋼12を引張強さおよび捻り破断特性を評価する際の基準として用いた。
なお、表1において鋼9は、Nb含有量が「−」のため、「Ti/Nb」欄を「∞」と表記した。鋼12は、TiとNbの含有量がともに「−」のため、「Ti/Nb」欄を「−−」と表記した。
上記各鋼の鋼塊を、通常の方法によって鋼片とした後、圧延のための加熱温度を1200℃、圧延仕上げ温度を950℃として、直径9.5mmの線材に熱間圧延した。なお、圧延終了後は800〜500℃の温度域における平均冷却速度が5℃/秒になるように風冷によって冷却した。なお、鋼12については、さらに720℃で6時間保持した後、650℃まで6時間かけて炉冷し、その後大気中で放冷する焼鈍を施した。
このようにして得た直径が9.5mmの線材を、通常の方法で直径9.0mmに引抜き加工して、ミクロ組織、引張強さおよび捻り破断特性を調査した。
ミクロ組織調査は次のようにして実施した。
すなわち、引抜き加工した直径9.0mmの各線のR/2(「R」は線の半径を表す。)の位置から、圧延方向(引抜き方向)に垂直な面を観察面とするミクロ試験片を切り出し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込み、鏡面研磨した後、ナイタル腐食してミクロ組織を現出させ、倍率を100倍とした光学顕微鏡で観察して、ミクロ組織を構成している相の識別を行った。
引張特性は、上記直径9.0mmの各線の中心部から、JIS Z 2201(1998)に規定される14A号試験片(ただし、平行部直径:5mm)を切り出し、通常の方法により室温で引張試験を行い、引張強さ(TS)を測定した。
捻り破断特性は、図1に示す方法で実施した。
先ず、上記の引抜き加工した直径9.0mmの線を、図1(a)に示すように、長さ68mmに切断した。次いで、図1(b)に示すように、両端が掴めるよう、二面幅13mmの六角形状に冷間鍛造し、これを試験片として、図1(c)に示すように衝撃的に捻って、捻り破断特性を調査した。すなわち、上記試験片の片側を治具で固定し、反対側治具を毎秒250回転で回転させて破断させた後、試験片についた捻れマークから回転数を測定した。
「引張強さ」の目標は、従来から焼鈍を施された後に冷間鍛造してトーションバーに加工されていた鋼12を用いた試験番号12の引張強さと同じかそれを上回ることとした。
「捻り破断特性」の目標は、鋼12を用いた試験番号12の捻り回数の2倍と同じかそれを上回ることとした。
表2に、上記の各試験結果をまとめて示す。
鋼12を用いた試験番号12の場合、引張強さは400MPaで、また、捩れ回数は2回であった。上記の2回という捩れ回数は、試験片の直径が9.0mmであるので、約57mm捻れていることになる。すなわち、シートベルトに衝撃的な荷重が加わった際に、ベルトが57mmたわんで衝撃を緩和することを意味する。
表2から、本発明で規定する化学組成を満たす試験番号1〜5の場合、いずれも目標とする引張強さおよび捻り破断特性が得られており、高い強度と優れたねじり破断特性を有することが明らかである。
これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた試験番号6〜11の場合、引張強さ、または捻り破断特性が目標に達していない。
本発明の捻り破断特性に優れた鋼を素材鋼とすれば、熱間圧延または熱間鍛造により製造された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して、自動車用シートベルト装置のトーションバーなどの機械構造部品を製造することができ、しかも、得られた機械構造部品に、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を具備させることができる。

Claims (2)

  1. 質量%で、C:0.002%以上0.050%未満、Si:0.05〜0.30%、Mn:0.20〜0.60%、P:0.020%以下、S:0.020%以下、Cr:0.15%以下、Al:0.005〜0.070%、N:0.008%以下、Ti:3.4×N%を超えて0.070%以下およびNb:0.002%以上0.020%未満を含有し、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とする捻り破断特性に優れた鋼。
  2. 請求項1に記載の鋼を用いた機械構造部品。
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