JP2012041587A - 高強度かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品用線材、鋼線、および機械部品とその製造方法 - Google Patents

高強度かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品用線材、鋼線、および機械部品とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】部品としての引張強度が1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を得ることが可能な特殊鋼線材、鋼線および機械部品とその製造方法を提供する。
【解決手段】鋼材化学成分が質量%で、C:0.35〜0.85％、Si:0.05〜2.0%、Mn:0.20〜1.0%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.005〜0.05%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、熱間圧延後の変態前のオーステナイト結晶粒の粒度番号が8以上であり、変態後のパーライト組織を体積率で64×(C%)+52%以上含み、残部の組織が初析フェライト組織、またはベイナイト組織の1種または2種からなる特殊鋼線材。該線材から製造された特殊鋼鋼線。該鋼線から製造された引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品。
【選択図】図１

Description

本発明は、線材から製造され、ボルトやトーションバー、スタビライザーなどの軸形状を有する自動車部品や各種産業機械に使用され、引張強さが1200MPa以上1500MPa以下の耐水素脆化特性に優れた高強度機械部品、これを製造するための特殊鋼鋼線、さらにこの特殊鋼鋼線を製造するための特殊鋼線材、並びにこれらの製造方法に関わるものである。なお、本発明で対象とする機械部品には建築用に使用されるボルト等も含まれる。
自動車や各種産業機械は、軽量化や小型化を目的に、近年では1200MPa以上の引張強さを有する高強度機械部品が求められている。従来、この種の高強度機械部品は機械構造用炭素鋼にMnやCr、Moなどの合金元素を含有した合金鋼特殊鋼鋼材を用いて、熱間圧延後に球状化焼鈍を行い軟質化した後、冷間鍛造や転造により所定の形状に成形し、焼入れ焼戻し処理を行って強度を付与して製造している。しかしながら、機械部品の高強度化に伴って、鋼材に侵入した水素の影響により本来予想される応力より小さい応力にて破壊してしまう所謂水素脆化現象が顕著になり、機械部品の高強度化や軽量化の障害となっている。この水素脆化現象は種々の形態で現れるが、例えばボルトの典型的な事例である、締結して暫く時間が経った後突然破壊する遅れ破壊と呼ばれる現象もその一種であり、改善が求められている。
高強度部品の耐水素脆化特性を向上させるべく従来より縷々検討がなされている。高強度機械部品の一例としてボルトの場合、耐遅れ破壊特性を向上させる技術の一つとして、伸線加工したパーライト組織を用いる技術が知られている。たとえば、特許文献1にはC含有量が0.5〜1.0%、Si含有量が0.55〜3%のパーライト組織の鋼を伸線加工により強化したボルトが開示されている。また、特許文献2には伸線率55〜75%で強伸線加工したパーライト組織の鋼を、ボルト形状に冷間鍛造し、熱処理を行う方法が開示されている。更に、特許文献3では0.2〜2.0%のVを添加した鋼を用いて、パーライト組織の形状を制御した耐水素脆化特性を向上させた高強度ボルトが開示されている。更に、特許文献4にはパーライト組織の鋼を用いた耐水素脆化特性に優れた高強度亜鉛めっきボルトが開示されている。しかしながらこれらの発明がなされた現在においても引張強さが1200MPa以上を越す高強度を有しかつ耐水素脆化特性が優れた機械部品の量産化は一般的でなく安価な製造方法の提案が渇望されていた。
特開2005-281860 特開2001-348618 特開2004-307929 特開2008-261027
本発明は、高強度でかつ耐水素脆化特性を向上させた機械部品の製造に関し、素材となる特殊鋼線材・同鋼線および最終製品である機械部品とその安価な製造方法を提供することを目的とする。
(1)質量%で、C:0.35〜0.85％、Si:0.05〜2.0%、Mn:0.20〜1.0%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.005〜0.05%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、熱間圧延後の変態前のオーステナイト結晶粒の粒度番号が8以上であり、変態後のパーライト組織を体積率で64×(C%)+52%以上含み、残部の組織が初析フェライト組織、またはベイナイト組織の1種または2種からなることを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼線材。
(2)質量％で、Nが0.0050%以下に制限されていることを特徴とする(1)に記載の特殊鋼線材。
(3)質量％で、さらに、Cr:0.02〜1.0％、Ni:0.02〜0.50%の1種または2種を含有することを特徴とする、(1)または(2)に記載の特殊鋼線材。
(4)質量％で、さらに、Ti:0.002〜0.050%、V:0.01〜0.20％、Nb:0.005〜0.100%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
(5)質量％で、さらに、B:0.0001〜0.0060％を含有することを特徴とする、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
(6) 質量％で、さらに、Ca:0.001〜0.010%、Mg:0.001〜0.010%、Zr:0.001〜0.010%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、（1）〜（5）のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
(7）(１)〜(6)のいずれかに記載の特殊鋼線材の製造方法であって、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の成分からなる鋼片を加熱し、次いで、線材形状に熱間圧延し、その圧延仕上温度を800℃以上950℃以下に制限し、その後、鋼材温度が750℃以上950℃以下から400℃以上600℃以下の溶融塩槽1とそれに連続する500℃以上600℃以下の溶融塩槽2にそれぞれ5秒以上150秒以下恒温保持した後冷却することを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼線材の製造方法。
(8)(1)〜(6)のいずれかに記載の成分からなり、パーライト組織を体積率で64×(C%)+52%以上含み、残部の組織が初析フェライト組織、またはベイナイト組織の1種または2種からなり、かつ軸方向と平行な断面における表層から1.0mmまでの領域において、アスペクト比が2.0以上のパーライトブロックから成る組織の体積率が70%以上95%以下であり、軸方向とラメラの方向の角度が40°以下であるパーライト組織の面積率が全パーライト組織に対して60%以上であることを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼鋼線。
(9)(8)に記載の特殊鋼鋼線の製造方法であって、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の組成を有する鋼片を加熱し、次いで、線材形状に熱間圧延し、その圧延仕上温度を800℃以上950℃以下に制限し、その後、鋼材温度が750℃以上950℃以下から400℃以上600℃以下の溶融塩槽1とそれに連続する500℃以上600℃以下の溶融塩槽2にそれぞれ5秒以上150秒以下恒温保持した後冷却し、室温にて総減面率が25%以上80％以下の伸線加工を1回ないし複数回施こすことを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼鋼線の製造方法。
(10)伸線加工に際して、最終伸線の減面率が1%以上15%以下であることを特徴とする(9)に記載の特殊鋼鋼線の製造方法。
(11)(8)に記載の特殊鋼鋼線から製造される、引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品。
(12)(8)に記載の特殊鋼鋼線を用いて、冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに加工を施し、その後300〜600℃に10分以上60分以下に保持後冷却することを特徴とする、引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品の製造方法。
本発明によれば、耐水素脆化特性が優れ高強度を達成可能な機械部品の安価な提供が可能になる。自動車や各種産業機械あるいは建設用部材の軽量化や小型化に寄与し、産業上の効果は極めて顕著なものである。
引張強さと軸方向とのラメラの方位差が40°以下であるパーライト組織の面積率との関係を示す図である。 軸方向とラメラ方向の角度を説明する概念図である。白矢印がラメラの方向を示し、軸方向を実線矢印で示した。
本発明者は引張強さが1200MPaを超える高強度機械部品の耐水素脆化特性に及ぼす鋼材成分と組織の関係を詳細に調査し耐水脆化特性の向上を検討すると共に、この冶金的知見を基にこれを安価に製造すべく線材の熱間圧延時の保有熱を利用したインライン熱処理およびその後の鋼線・機械部品までの一連の製造方法について総合的な検討を進め、以下の結論に到達した。

耐水素脆化特性を向上させるためには表層部のパーライトブロック粒を表面と平行な向きに伸長化させることが有効である。また、フェライトとセメンタイトの層状構造をもつパーライトラメラ組織の層の向きを、表面と平行な向きに揃えることで更に向上する。
即ち、表層から1.0mmまでの領域において、アスペクト比が2.0以上のパーライトブロックからなる組織の体積率が全パーライト組織に対して70%以上とすることで耐水素脆化特性が著しく向上する。アスペクト比が小さいパーライトブロック粒、即ち伸長化していないブロック粒は耐遅れ破壊特性の面から抑制することが好ましい。なお、パーライトブロックのアスペクト比とはパーライトブロックの長軸／短軸で示される比率である。
また、軸方向と平行な断面において、表層から1.0mmまでの領域における、ラメラの方向と軸方向の角度が30°以下であるパーライト組織の面積率が全パーライト組織に対して60%以上とすることで、耐水素脆化特性が更に向上させることができる。このように、機械部品の表層組織を改良することにより、従来技術のような高炭素鋼成分を用いて強伸線加工を施さなくても耐遅れ破壊特性を向上させることが可能となった。
このような高強度でかつ高い耐水素脆化特性を有する機械部品を得るための元の素材鋼線は鋼線の段階で既に上記ミクロ組織の特徴を持ったものとし、これを加工前の熱処理を行わずに機械構造用部品に加工することが有効である。この場合、従来の製造法である球状化焼鈍を行い軟質化する方法と比較して冷間加工性は劣化するが焼鈍熱処理費用の削減と高い耐水素脆化特性が得られる点で本発明法の方が有利である。
さらに鋼線の元となる特殊鋼線材の製造方法については、熱間圧延時の残熱を利用し圧延後直ちに２槽からなる溶融塩浴に浸漬することにより高価な合金元素の添加を抑制してもほぼ完全なパーライト組織の鋼材とすることができ、安価で高い材質特性が得られる最良の方法である。
すなわち本発明は、パーライト組織とすべく化学成分を調整した材料を用い、これを熱間圧延時の残熱を利用して溶融塩浴に浸漬する方法にてほぼ完全なパーライト組織の特殊鋼線材とし、これを室温で特定の条件にて伸線加工して強度および耐水素脆化特性の高いパーライト組織の調整を行い機械部品に成形した後延性を回復させるための比較的低温の熱処理を行う、という一連の鋼材および製造方法であり、これによって従来の製造法や知見では極めて困難であった引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を安価に提供できるものである。

まず本発明における特殊鋼鋼材が含有する元素の範囲を限定した理由を説明する。
Cは所定の引張強さを確保するため添加する。0.35％未満では1200MPa以上の引張強さを確保することが困難であり、一方、0.85％を越えると実質的に強度は向上せず冷間鍛造性は劣化するため0.35〜0.85%とした。強度と冷間鍛造性を両立する好ましい範囲は、0.40〜0.60%である。
Siは脱酸元素として機能するとともに、固溶強化により引張強さを高める効果がある。0.05%未満ではこれらの効果が不十分で、2.0%を越えると、これらの効果が飽和するとともに熱間延性が劣化して疵が発生しやすくなるため、0.05〜2.0%とした。製造性を考慮した好ましい範囲は0.20〜0.50%である。
Mnはパーライト変態後の鋼の引張強さを高める効果がある。0.20%未満では効果が不十分であり、1.0%を越えると効果が飽和するため、0.20〜1.0%とした。
PとSは不可避的不純物として含有される。これらの元素は結晶粒界に偏析して耐水素脆化特性を劣化させるため、抑制したほうがよく、上限を0.030%とした。好ましい範囲は0.015%以下である。
Alは脱酸元素として機能するとともに、AlNを形成しピン止め粒子として機能し結晶粒を細粒化し冷間加工性を向上させる効果や、固溶Nを低減して動的歪み時効を抑制したり、耐水素脆化特性を向上させる効果がある。0.005%未満では効果がなく、0.05%を超えると効果が飽和するとともに製造性を劣化させるため、0.005〜0.050%とした。
また、本発明の機械部品は以下に記載する特性の向上を目的に、Cr:0.02〜1.0％、Ni:0.02〜0.50%、Ti:0.002〜0.050%、V:0.01〜0.20％、Nb:0.005〜0.100%、B:0.0001〜0.0060％の1種または2種以上を含有することができる。またNについては含有量を制限した方が良い効果がもたらされる。
Crはパーライト変態後の鋼の引張強さを高める効果がある。0.02%未満では効果が不十分であり、1.0%を超えると合金コストが上がるだけでなく本発明には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって冷間加工性を劣化させるため、0.02〜1.0%とした。好ましい範囲は0.10〜0.50%である。
Niは鋼の靭性を高める効果がある。0.02%未満では効果が不十分であり、0.50%を超えるとCrと同じく合金コストが上がり本発明には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって冷間加工性を劣化させるため、0.02〜0.50%とした。好ましい範囲は0.05〜0.20%である。
Nは動的歪み時効により冷間加工性を劣化させ、耐水素脆化特性も劣化させるため、抑制したほうがよく、上限を0.005%とした。好ましい範囲は0.004%以下である。
Tiは脱酸元素として機能するとともに、TiCを析出させて引張強さや降伏強さ、耐力を高める効果や、固溶Nを低減させ冷間加工性を向上させる効果がある。0.002%未満ではこれらの効果が不十分で、0.05%を超えるとこれらの効果が飽和するとともに耐水素脆化特性を劣化させるため、0.002〜0.050%とした。
Vは炭化物VCを析出し引張強さや降伏強さ、耐力を高めるとともに、耐水素脆化特性を向上させる効果がある。0.01%未満ではこれらの効果が不十分であり、0.20%を超えて添加すると合金コストが増加するため、0.01〜0.20%とした。
Nbは炭化物NbCを析出し、引張強さや降伏強さ、耐力を高める効果がある。0.005%未満ではこれらの効果が不十分で、0.10%を超えると効果が飽和するため、0.005〜0.10%とした。
Bは粒界フェライトや粒界ベイナイトを抑制し、冷間加工性及び耐水素脆化特性を向上させる効果や、パーライト変態後の引張強さを高める効果がある。0.0001%未満では効果が不十分で、0.006%を超えると効果が飽和する。
また、脱酸元素としてCa:0.001〜0.010%、Mg:0.001〜0.010%、Zr:0.001〜0.010%の1種または2種以上を含有してもよい。これらの元素は脱酸元素として機能するとともに、CaSやMgSなどの硫化物を形成し、固溶Sを固定し、耐水素脆化特性を向上させる効果がある。
なお、Oは鋼中に不可避的に含有し、AlやTiなどの酸化物として存在する。O含有量が高いと粗大な酸化物が形成し、疲労破壊の原因となるので0.01%以下に抑制することが好ましい。
本発明では上記成分の鋼材を熱間圧延し特定のミクロ組織を持つ特殊鋼線材とする必要がある。次に特殊鋼線材のミクロ組織の限定理由について説明する。
パーライト組織は耐遅れ破壊特性を向上させる効果がある。体積率が64×(C%)+52%未満の場合、耐遅れ破壊特性の向上効果が小さくなるととともに、非パーライト組織部が破壊の起点となり冷間鍛造の際に加工割れが発生しやすくなるため、パーライト組織の体積率の下限を64×(C%)+52%とした。パーライト組織以外の残部の組織として初析フェライト組織やベイナイト組織を含むことができる。マルテンサイト組織は伸線加工や冷間鍛造の際に割れが発生しやすくなるとともに、耐水素脆化特性を劣化させるため発生させるべきではない。高温時のオーステナイト結晶粒は圧延条件の制御によって粒度番号8以上の細粒にしておかないとこの後の伸線加工や冷間鍛造時に割れが発生し易くなって製造性に問題が出る。好ましい範囲は粒度番号10以上である。なお、パーライト組織の体積率は線材の光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡による観察から測定可能であり、オーステナイト結晶粒は圧延直後の鋼材をサンプリングして急冷することによりJIS G0551の方法に準じて測定できる。
線材圧延方法として、その圧延仕上温度を800℃以上950℃以下に規制し、圧延した後、鋼材温度が750℃以上950℃以下から直ちに400℃以上600℃以下の溶融塩槽１とそれに連続する500℃以上600℃以下の溶融塩槽２にそれぞれ5秒以上150秒以下恒温保持した後冷却することにより上記のミクロ組織を有する特殊鋼鋼材を安価に製造することが出来る。
圧延仕上温度は変態前のオーステナイト結晶粒を制御するが950℃超では粒度番号8以上の細粒は得られにくく800℃未満では圧延負荷が増大して工業的な量産製造が困難となるため800℃以上950℃以下とした。好ましい下限温度は850℃である。
次にこの熱間圧延時の残熱を利用し鋼材を溶融塩槽に浸漬し恒温パーライト変態を生じさせる。浸漬前の鋼材温度が750℃未満ではフェライトが発生する可能性が高くなり一方950℃超ではパーライト変態開始温度まで低下するのに時間が掛かって溶融塩槽浸漬中にパーライト変態が終了せず結果としてベイナイトやマルテンサイト等の組織の発生を促すため、浸漬前の鋼材温度は750℃以上950℃以下とする。
次に恒温パーライト変態を生じさせる溶融塩槽への浸漬については、鋼材温度を所定のパーライト変態温度へ急速に近づける為の溶融塩槽１と実際にパーライト変態を行わせる溶融塩槽２を連続して設置する。溶融塩槽１は400℃未満ではベイナイトが発生してしまい600℃超ではパーライト変態温度への到達が遅くなる。溶融塩槽２では最も短時間でパーライト変態を終了させるべく500℃以上600℃以下の温度とし、それぞれの浸漬時間は鋼材の充分な温度保持の確保と生産性の点から5秒以上150秒以下とする。なお浸漬槽として溶融塩ではなく鉛浴や流動床などの設備も同様の効果があるが環境や製造コストの点で本発明法に劣る。
このように製造された特殊鋼線材を次に伸線加工して所望の強度および優れた耐水素脆化特性を有するパーライト組織とするには、表層から1.0mmの領域でのパーライト組織が重要で、アスペクト比が2.0以上のパーライトブロックから成る組織の体積率が全パーライト組織に対して70%未満の場合、耐水素脆化特性の向上効果が得られないため、下限を70%とした。また、95%超えると冷間鍛造性が劣化するため上限を95％とした。耐遅れ破壊特性の観点からはアスペクト比が2.0未満のブロックの体積率は少ないほどよく、好ましい下限は80%である。アスペクト比が2.0未満の場合、耐水素脆化特性の向上効果が小さいため、アスペクト比の下限は2.0とした。次にパーライト組織を構成するセメンタイト・ラメラの方向であるが、軸方向と平行な断面での、ラメラの方向と軸方向の角度が40°を超えると耐遅れ破壊特性の向上効果が劣化するため、下限を40°とした。また、これを満たす領域の面積率が全パーライト組織に対して60%未満の場合、耐遅れ破壊特性の向上効果が得られないため、下限を60%とした。好ましい下限は70%である。なお、ここで定義するパーライトブロックとはEBSD装置を用いて測定したフェライトの結晶方位マップから、方位差15度以内にあるフェライトの方位性の整ったパーライトの組織単位を言う。アスペクト比はこのブロック粒の長径と短径の比であり、伸線加工後の軸方向と軸に垂直方向の比と等しい。また、ラメラ方向は軸方向と平行な断面での電子顕微鏡による観察から測定する。
伸線加工方法として減面率が25%以上80%以下とする。伸線加工の減面率が25%未満の場合、パーライトブロック粒の伸長化が不十分で耐水素脆化特性が劣化する。伸線減面率が80%を超えると、冷間鍛造の際に加工割れが発生しやすくなるため、減面率の上限を80%とした。好ましい減面率の範囲は30%以上65%未満である。この伸線加工は１回の伸線でも複数回の伸線でもよい。
複数回の伸線加工を行う場合には、最終伸線での減面率を1%以上15%以下とすることで、表層の領域でのパーライトブロックを更に伸長化させ、ラメラ方向と軸方向の方位差を更に揃えることが可能である。最終パスの減面率が1%未満では周方向に均一に歪みを付与することが困難であり、15%を超えると効果が低下するため、下限を1％、上限を15%とした。
このようにして得られた特殊鋼鋼線を用いて最終の機械部品へ成形加工するのであるが、上記ミクロ組織の特徴を維持すべく加工前の熱処理を行わずに室温にて加工する。部品としての強度が引張強さで1200MPa未満では、水素脆化特性は鋭敏でないため、あえて本発明法を適用する必要がなく、1500MPa以上の部品は冷間鍛造により製造することが困難であり、製造コストが増加するため、部品強度として引張強さを1200MPa以上1500MPa未満とした。機械部品としてこのままでも高強度かつ優れた耐水素脆化特性を有するのであるが、降伏強度・降伏比あるいは延性といった機械部品として必要なその他の材質特性を向上させるため加工後に300〜600℃に10分以上60分以下保持後冷却することを付加することを推奨する。
鋼材成分を表1に示す。なお、鋼種N、O、は本発明の範囲を外れる比較例である。
これらの鋼種を用いて線径7.0〜15.0mmに線材圧延を行い、圧延後、圧延ライン上の溶融塩槽にて恒温変態処理を行い冷却した。
表2には熱間圧延線径、圧延仕上げ温度、各溶融塩槽の温度と保持時間、熱間圧延後の変態前のオーステナイト結晶粒の粒度番号を示す。冷却後の熱間圧延線材は表2に示した減面率で伸線加工を行った。伸線加工後に熱処理を行った水準については、熱処理温度と保持時間を表2に合わせて記載した。
表3に熱間圧延後の線材の金属組織、パーライト組織の体積を示す。伸線加工後の鋼線の組織もこれらと同じである。鋼線の、表層から1mmまでの領域におけるアスペクト比が2.0以上のパーライトブロックからなる組織の体積率、軸方向と平行な断面における、ラメラの方向と軸方向の角度が40°以下であるパーライト組織の占める領域の全パーライト組織に対する面積率を示す。また、表3には64×(C%)+52%にて計算したパーライト組織の体積率の下限も併せて示した。なお、パーライト組織の面積率は走査型電子顕微鏡を用いて、鋼線の軸方向と平行な断面にて表層から1mmまでの位置にて125μm×95μmの領域を1000倍の倍率で写真撮影して、それぞれの組織の面積率を画像解析により求めた。検鏡面の面積率は組織の体積率と等しいことから、画像解析により得られた面積率をそれぞれの組織の体積率とした。パーライト組織のブロック粒の測定にはEBSD装置を用いた。軸方向に平行な断面にて表層から1.0mmまでの範囲において275μm×165μmの領域を測定した。EBSDにて測定したフェライトの結晶方位マップから、方位差15度以上となる境界をブロック粒界とした。アスペクト比はEBSDで求めたブロック粒から、円相当径で1.0μm以上のブロックにおいて、長軸と短軸の比より求めた。アスペクト比が2.0以上のパーライトブロックからなる領域は、EBSDで求めたブロック粒から、1.0μm以上のブロックにおいてアスペクト比が2.0以上のブロックが占める領域とした。軸方向と平行な断面でのラメラの方向と軸方向の角度が40°未満の領域は、表層から1.0mmまでの範囲において撮影した5000倍のSEM写真をもとに当該領域を画像解析することで求めた。具体的には、図2の概念図に示すように、ラメラの方向と軸方向の方位差が40°未満となる領域をSEM写真で求め、当該領域の面積を画像解析することで求めた。
表4には最終の機械部品での引張強さ、耐水素脆化特性、冷間鍛造性を示す。
引張強さはJIS Z2201の9A試験片を用い、JIS Z2241の試験方法に準拠した引張試験を行い、引張強さを評価した。耐水素脆化特性の評価には、伸線加工後の鋼線をボルトに加工し、電界水素チャージによって0.5ppmの拡散性水素を試料に含有させた後、試験中に水素が試料から大気中に放出しないようにCdめっきを施し、その後、大気中で最大引張荷重の90%の荷重を負荷し、100h経過後に破断しない場合、耐水素脆化特性が良好と判断した。
冷間鍛造性の評価は、伸線加工後の鋼線より機械加工により作製したφ5.0×7.5mmの試料を用いて、同心円状に溝がついた金型により端面を拘束して圧縮試験を行い、圧縮率50%で加工し、加工割れが発生しない場合冷間鍛造性が良好と判断した。
表2の水準5，13は巻き取り後に恒温変態処理を行わずにステルモア上で冷却した従来の製造方法であり、これらはパーライト組織の体積率が本発明の範囲を外れる。水準14は溶融塩槽の保持時間が本発明の下限未満の例である。この場合、金属組織にマルテンサイト組織が混入するとともに、パーライト組織の体積率も本発明の範囲を外れる。水準17は溶融塩槽温度が本発明の下限未満の条件である。この場合は金属組織にマルテンサイト組織が混入し本発明の組織を外れるとともに、パーライト組織の体積率も本発明の範囲を外れる。水準6，21，25，26は伸線減面率が本発明の下限未満の例である。この場合、アスペクトが2.0以上のパーライト組織の体積率、またはラメラ方向と軸方向の方位差が40°以下であるパーライト組織の体積率が本発明の範囲を外れる。また水準23はCrとMoを含有した鋼種Nを用いて、巻き取り後に恒温変態処理を行わずにステルモア上で冷却して線材を製造し、その後、880℃に加熱し油焼入れを行い、次いで580℃にて焼戻しを行い製造した。組織は焼戻しマルテンサイト組織で本発明の組織を外れる。
表2に示した熱間圧延後の変態前のオーステナイト結晶粒の粒度番号は、本発明の製造条件を満たす水準4，12はいずれも粒度番号が10以上である。これに対して、製造条件が本発明から外れる5，13，23は8未満であり、表4からこれらは冷間鍛造性、あるいは耐水素脆化特性が劣ることがわかる。
マルテンサイト組織を含有する水準14,17は伸線加工中に断線や割れが発生し、伸線加工性が低下した。
表4に各水準の機械的特性を示す。パーライト組織の体積率が本発明の範囲を外れる水準5，13，23，24はいずれも耐水素脆化特性が不良である。また、アスペクト比が2.0以上のパーライト組織の体積率が本発明の範囲を外れる水準6,13,21,23,24,26はいずれも耐水素脆化特性が不良である。ラメラ方向と軸方向の角度が40°以下のパーライト組織の面積率が本発明の範囲を外れる水準5,6,13,21,23,24,25,26は耐水素脆化特性または冷間鍛造性のいずれか一方または両方が不良である。
アスペクト比が2.0以上のパーライト組織の体積率が本発明の上限を超える水準22は冷間鍛造性が不良である。
以上より本発明の機械部品は耐水素脆化特性と冷間鍛造性が優れていることがわかる。
図1はTSと軸方向とラメラの方位差が40°以下であるパーライト組織の面積率との関係を示す図である。本発明の範囲を満たす水準は耐遅れ破壊特性と冷間鍛造性がともに優れていることがわかる。

Claims (12)

  1. 質量%で、C:0.35〜0.85％、Si:0.05〜2.0%、Mn:0.20〜1.0%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.005〜0.05%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、熱間圧延後の変態前のオーステナイト結晶粒の粒度番号が8以上であり、変態後のパーライト組織を体積率で64×(C%)+52%以上含み、残部の組織が初析フェライト組織、またはベイナイト組織の1種または2種からなることを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼線材。
  2. 質量％で、Nが0.0050%以下に制限されていることを特徴とする請求項1に記載の特殊鋼線材。
  3. 質量％で、さらに、Cr:0.02〜1.0％、Ni:0.02〜0.50%の1種または2種を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の特殊鋼線材。
  4. 質量％で、さらに、Ti:0.002〜0.050%、V:0.01〜0.20％、Nb:0.005〜0.100%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
  5. 質量％で、さらに、B:0.0001〜0.0060％を含有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
  6. 質量％で、さらに、Ca:0.001〜0.010%、Mg:0.001〜0.010%、Zr:0.001〜0.010%の1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の特殊鋼線材。
  7. 請求項１〜６のいずれか1項に記載の特殊鋼線材の製造方法であって、請求項1〜６のいずれか1項に記載の成分からなる鋼片を加熱し、次いで、線材形状に熱間圧延し、その圧延仕上温度を800℃以上950℃以下に制限し、その後、鋼材温度が750℃以上950℃以下から400℃以上600℃以下の溶融塩槽1とそれに連続する500℃以上600℃以下の溶融塩槽2にそれぞれ5秒以上150秒以下恒温保持した後冷却することを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼線材の製造方法。
  8. 請求項１〜６のいずれか1項に記載の成分からなり、パーライト組織を体積率で64×(C%)+52%以上含み、残部の組織が初析フェライト組織、またはベイナイト組織の1種または2種からなり、かつ軸方向と平行な断面における表層から1.0mmまでの領域において、アスペクト比が2.0以上のパーライトブロックから成る組織の体積率が70%以上95%以下であり、軸方向とラメラの方向の角度が40°以下であるパーライト組織の面積率が全パーライト組織に対して60%以上であることを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼鋼線。
  9. 請求項8に記載の特殊鋼鋼線の製造方法であって、、請求項1〜６のいずれか1項に記載の組成を有する鋼片を加熱し、次いで、線材形状に熱間圧延し、その圧延仕上温度を800℃以上950℃以下に制限し、その後、鋼材温度が750℃以上950℃以下から400℃以上600℃以下の溶融塩槽1とそれに連続する500℃以上600℃以下の溶融塩槽2にそれぞれ5秒以上150秒以下恒温保持した後冷却し、室温にて総減面率が25%以上80％以下の伸線加工を1回ないし複数回施こすことを特徴とする、部品としての引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品を冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに得るための特殊鋼鋼線の製造方法。
  10. 伸線加工に際して、最終伸線の減面率が1%以上15%以下であることを特徴とする請求項9に記載の特殊鋼鋼線の製造方法。
  11. 請求項８に記載の特殊鋼鋼線から製造される、引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品。
  12. 請求項８に記載の特殊鋼鋼線を用いて、冷間成形前の軟質化熱処理を行わずに加工を施し、その後300〜600℃に10分以上60分以下に保持後冷却することを特徴とする、引張強さが1200MPa以上1500MPa未満であり、かつ耐水素脆化特性に優れた機械部品の製造方法。
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