JP2012041601A - Steel material for machine structural use suitable for friction pressure welding, and friction pressure welding part superior in impact property and bending fatigue property - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steel material for machine structural use that is suitable for friction pressure welding, and in which part properties such as a fatigue strength and an impact strength are increased, and to provide a friction pressure welding part.SOLUTION: The steel material is produced by a specific rolling condition to have a specified composition containing a solid solution [V] and also to have a steel structure, wherein an average area ratio of ferrite grains to pearlite grains and a ferrite-pearlite area ratio, are a specific mixed-phase structure of specific fine ferrite grains and pearlite grains, so as to increase the part properties such as the fatigue strength and the impact strength of a composite steel material or composite steel part that is formed by joining the steel material to other steel materials by friction pressure welding.

Description

本発明は、摩擦圧接される用途に適した機械構造用の鋼材および衝撃特性、曲げ疲労特性に優れた摩擦圧接部品に関する。   The present invention relates to a steel material for a machine structure suitable for a friction welding application and a friction welding component excellent in impact characteristics and bending fatigue characteristics.

例えば、自動車のエンジン、変速機、差動機などに用いられるピストンピンなどのエンジン部品、歯車、シャフト、コンロッドなどの鋼製の機械構造部品は、近年、省エネルギー化による車体重量の軽量化に伴い、小型化が追求されている。そして、自動車などのエンジンの高出力化に伴い、前記小型化との相乗作用で、これら機械構造部品への負荷は増大しつつある。このため、これらの機械構造部品には、基本的な要求特性である強度、靭性に加えて、衝撃特性、曲げ疲労特性、面圧疲労特性といった各種特性の向上がより求められている。   For example, engine parts such as piston pins used in automobile engines, transmissions, differentials, etc., and steel mechanical structural parts such as gears, shafts, connecting rods, etc. in recent years have been accompanied by a reduction in vehicle weight due to energy savings. Miniaturization is being pursued. And with the increase in the output of engines such as automobiles, the load on these mechanical structural parts is increasing due to the synergistic effect with the downsizing. For this reason, these mechanical structural parts are required to improve various characteristics such as impact characteristics, bending fatigue characteristics, and surface fatigue characteristics, in addition to basic required characteristics such as strength and toughness.

通常、これら機械構造部品の素材である鋼材には、加工性に優れた鋼材(肌焼き鋼、フェライトとパーライトとの混合組織)が用いられる。この鋼材は、通常、熱間圧延や熱間鍛造による棒材や線材などへの加工後に、必要により、冷間鍛造などの冷間加工が施された上で、機械構造部品形状に精密な切削・仕上げ加工が行われている。   Usually, steel materials excellent in workability (hardened steel, mixed structure of ferrite and pearlite) are used for the steel materials that are the materials of these mechanical structural parts. This steel is usually processed into bars and wires by hot rolling or hot forging, and then cold-worked, such as cold forging, if necessary. -Finishing is being performed.

ここで、上記のように負荷増大に対応した機械構造部品の素材として、素材である機械構造用鋼材の強度、靭性を高くすると、前記精密な切削加工が著しく困難となる。したがって、前記高強度、高靭性な部品特性と被削性とを兼備した鋼材が求められるが、強度と被削性とは相反する関係にあり、単一の機械構造用鋼材で、強度と被削性とを両立させることは著しく困難である。   Here, when the strength and toughness of the mechanical structural steel material, which is the raw material, is increased as the material of the mechanical structural component corresponding to the load increase as described above, the precise cutting process becomes extremely difficult. Therefore, there is a need for a steel material having both the above-mentioned high strength and high toughness of the component characteristics and machinability. However, the strength and the machinability are in a contradictory relationship. It is extremely difficult to achieve both machinability.

このため、前記高強度、高靭性な部品特性と被削性を両立させる方策の一つとして、強度、靭性などの前記部品特性が必要な部分に用いる鋼材と、被削性が必要な部分に用いる鋼材とをそれぞれ別個に準備し、これら特性が各々異なる両鋼材を互いに接合することによって、複合鋼材あるいは複合鋼部品とし、前記部品特性と被削性を両方達成する方法がある。   For this reason, as one of the measures to achieve both the high strength and high toughness of the part characteristics and the machinability, the steel material used for the parts where the part characteristics such as strength and toughness are required, and the parts where the machinability is necessary. There is a method in which both steel properties and machinability are achieved by preparing steel materials to be used separately and joining both steel materials having different properties to each other to form composite steel materials or composite steel parts.

このような複合鋼材を作成するための、互いの鋼材間あるいは鋼部材間の接合方法としては、大きく分けて溶融接合法と固相接合法に分類される。このうち溶融接合では、互いの鋼材の接合部分が融点以上の高温状態となるため、接合部位で結晶粒の粗大化、気泡の発生など接合欠陥が発生しやすい。また、熱影響部が大きくなり、母材と熱影響部の界面で割れが発生しやすい問題も生じる。   Methods for joining such steel materials or steel members for producing such a composite steel material are roughly classified into a melt joining method and a solid phase joining method. Among these, in the fusion bonding, since the joining portions of the steel materials are in a high temperature state higher than the melting point, joining defects such as coarsening of crystal grains and generation of bubbles are likely to occur at the joining portions. In addition, the heat affected zone becomes large, and there is a problem that cracks are likely to occur at the interface between the base material and the heat affected zone.

一方、固相接合は、互いの鋼材の接合面が固相面同士の溶接方法のことであり、溶加材を用いることなく、母材の融点以下の温度で接合することができる。代表的な固相接合法としては摩擦圧接法がある。この摩擦圧接法は、2つの鋼材同士(鋼部材同士)を加圧・回転させながら、接触面(当接面)に摩擦熱を発生させることで、互いの鋼材の接合部分(以下、接合部とも言う)を加熱、軟化した後、この接合部に対するアップセット力(圧接力)を作用させて接合(溶着)する方法である。   On the other hand, solid phase bonding is a welding method in which the joining surfaces of the steel materials are solid phase surfaces, and can be joined at a temperature below the melting point of the base material without using a filler material. As a typical solid phase bonding method, there is a friction welding method. This friction welding method generates frictional heat on the contact surface (contact surface) while pressurizing and rotating two steel materials (steel members) to each other, thereby joining each steel material (hereinafter referred to as a joint part). This is a method of joining (welding) by heating and softening, and then applying an upset force (pressure contact force) to the joint.

このような摩擦圧接法では、半溶融状態に加熱された部分がアップセット力の作用でバリとして接合面から排出されるため、清浄面同士が融点以下の温度で接合されることになる。このため、前記溶融接合法と比較して、接合部位で結晶粒の粗大化、気泡の発生、熱影響部の界面による割れなどが発生しにくい特徴がある。   In such a friction welding method, a portion heated to a semi-molten state is discharged from the joining surface as a burr by the action of the upset force, and the clean surfaces are joined at a temperature below the melting point. For this reason, compared with the said melt-bonding method, it has the characteristics that the coarsening of a crystal grain, the generation | occurrence | production of a bubble, the crack by the interface of a heat affected zone, etc. do not generate | occur | produce easily in a joining part.

このような鋼材同士の摩擦圧接方法自体は従来から公知であって、例えば、特許文献1などで、この摩擦圧接方法の改良技術が提案されている。即ち、特許文献1では、摩擦圧接方法における、投入エネルギーおよび素材の無駄遣いを抑え、製品の寸法精度、接合強度、機械的性質のばらつきを抑えることが可能であることが開示されている。ただし、この特許文献1には、摩擦圧接方法に適した、素材鋼材に関する記述はない。   Such a friction welding method itself between steel materials is conventionally known. For example, Patent Document 1 discloses an improved technique for the friction welding method. That is, Patent Document 1 discloses that it is possible to suppress waste of input energy and materials in the friction welding method, and to suppress variations in product dimensional accuracy, bonding strength, and mechanical properties. However, this Patent Document 1 does not describe a material steel material suitable for the friction welding method.

一方、このような特徴を有する摩擦圧接法を鋼材同士の接合に適用した場合には、摩擦熱により熱影響を受ける部分(HAZ部)の強度低下や、逆に接合部分の強度増加が問題となる。この接合部分では、摩擦熱による加熱後、周りの母材によって急速に冷却されるため、マルテンサイト相となりやすく、強度が増加しやすいからである。そして、このような熱影響部の強度低下や接合部分の強度増加が大きいと、母材、前記熱影響部、前記接合部分の、摩擦圧接された複合鋼材(複合鋼部品)の部位による強度変動が大きく、疲労強度、衝撃強度などの部品特性を低下させることとなる。   On the other hand, when the friction welding method having such characteristics is applied to the joining of steel materials, there is a problem in that the strength of the portion (HAZ portion) that is affected by frictional heat is reduced, and conversely, the strength of the joining portion is increased. Become. This is because the joint portion is rapidly cooled by the surrounding base material after being heated by frictional heat, so that it tends to become a martensite phase and the strength tends to increase. If the strength reduction of the heat affected zone and the strength increase of the joined portion are large, the strength fluctuation due to the friction welded portion of the base material, the heat affected zone, and the joined portion of the composite steel material (composite steel part) Is large and deteriorates the component characteristics such as fatigue strength and impact strength.

このような課題に対して、前記熱影響部の強度低下だけ、あるいは前記接合部分の強度増加だけなど、個別の問題への対応でしかないが、従来から摩擦圧接用の素材鋼材側を改良した技術が種々提案されている。   For such a problem, only the strength reduction of the heat affected zone or only the strength increase of the joint portion can be dealt with individually, but the material steel side for friction welding has been improved conventionally. Various techniques have been proposed.

例えば、特許文献2には、前記熱影響部の強度低下を抑制した、摩擦圧接用の高強度電縫鋼管の製造方法が提案されている。この特許文献2では、C:0.08〜0.23%、Si:0.5 %以下、Mn:1.8 %以下、Nb:0.01〜0.1 %、Mo:0.05〜0.60%を含有する鋼を、熱間圧延後、摩擦圧接時に析出するMo、Nbの炭窒化物を固溶状態に保つため、熱延鋼板の巻取り温度を450 ℃未満とする。そして、これら固溶状態としたNb、Moを摩擦圧接の際に、炭窒化物として析出させ、析出強化によって熱影響部の軟化を抑制している。   For example, Patent Document 2 proposes a method for manufacturing a high-strength ERW steel pipe for friction welding, in which a decrease in strength of the heat-affected zone is suppressed. In this Patent Document 2, C: 0.08 to 0.23%, Si: 0.5% or less, Mn: 1.8% or less, Nb: 0.01 to 0.1%, Mo: 0.05 to In order to keep Mo and Nb carbonitrides precipitated at the time of friction welding after hot rolling the steel containing 0.60%, the coiling temperature of the hot-rolled steel sheet is set to less than 450 ° C. These Nb and Mo in a solid solution state are precipitated as carbonitrides during friction welding, and softening of the heat affected zone is suppressed by precipitation strengthening.

しかし、前記した析出強化は、単に熱影響部だけでなく、通常は互いの鋼材の接合部分にまで及ぶ。この接合部分は、摩擦熱による加熱後、周りの母材によって急速に冷却されるため、マルテンサイト相となりやすく、元々強度が増加しやすい。そこへ、この析出強化も加わった場合は、前記マルテンサイト相化との相乗硬化によって、逆に接合部分の強度は顕著に増加してしまう。   However, the precipitation strengthening described above extends not only to the heat-affected zone but also to the joint portion of the steel materials. Since this joined portion is rapidly cooled by the surrounding base material after being heated by frictional heat, it tends to become a martensite phase, and the strength tends to increase originally. If this precipitation strengthening is also added, the strength of the joined portion is conspicuously increased by synergistic hardening with the martensite phase.

このような接合部分の強度増加は、前記した衝撃、曲げ疲労、面圧疲労といった負荷が増大した機械構造部品では、使用中の接合部分の脆化を著しく促進させ、割れを発生しやすくする。このため、機械構造部品あるいは機械構造用鋼材としての信頼性を低下させる。   Such an increase in the strength of the joint portion significantly accelerates the embrittlement of the joint portion in use and makes it easy to generate cracks in mechanical structural parts with increased loads such as impact, bending fatigue, and surface fatigue. For this reason, the reliability as a machine structural component or steel for machine structures is reduced.

特許文献3には、このような摩擦圧接による接合部分の強度増加を、素材である高炭素熱延鋼材側で抑制する技術が開示されている。この特許文献3では、微量の固溶Nbを含有させることによって、摩擦圧接の高圧力下での急速加熱における、高炭素鋼材のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、接合部分の硬さ増加と脆化を抑制している。この場合、固溶Nbは、摩擦圧接後に、NbCとして析出して結晶粒の粗大化防止に寄与している。   Patent Document 3 discloses a technique for suppressing an increase in strength of a joint portion due to such friction welding on the high carbon hot rolled steel material side that is a material. In this Patent Document 3, by containing a small amount of solute Nb, the austenite crystal grains of the high carbon steel material are prevented from coarsening in rapid heating under high pressure of friction welding, and the hardness of the joined portion is increased. Brittleness is suppressed. In this case, the solute Nb precipitates as NbC after friction welding and contributes to prevention of coarsening of crystal grains.

このような固溶Nbの利用は、予め焼入れ焼き戻しした鋼材同士を摩擦接合させた時の結晶粒の粗大化によるマルテンサイト変態を抑制する技術である。したがって、本技術では、硬さの変動による部品強度の劣化は抑制できるものの、組織は母材と同程度の結晶粒度であり、接合面の改善には十分でない。即ち、圧縮・引張といった単軸の負荷に対しては性能を発揮するものの、曲げのような多軸の負荷に対しては、摩擦圧接技術の性質上、接合面に沿って破壊が進行しやすい。このため、母材の数分の一まで曲げが入るような、特に衝撃負荷下において、顕著に劣化する問題が生じる。   The use of such solute Nb is a technique for suppressing martensitic transformation due to coarsening of crystal grains when steel materials that have been quenched and tempered in advance are friction-joined. Therefore, although the present technology can suppress the deterioration of the component strength due to the variation in hardness, the structure has the same crystal grain size as that of the base material and is not sufficient for improving the joint surface. In other words, it exhibits performance for uniaxial loads such as compression and tension, but for multiaxial loads such as bending, fracture tends to proceed along the joint surface due to the nature of friction welding technology. . For this reason, the problem which deteriorates notably arises especially under the impact load which bends to a fraction of a base material.

因みに、この他の技術として、特許文献4では、Cが0.1%以上の中高炭素鋼材について、摩擦圧接による接合部分(接合界面)に生じる硬化層(酸化物)をバリとして排出して、接合部分の曲げ延性を確保するために、素材鋼の組織を制御している。即ち、素材鋼の組織をフェライトとパーライトとを合わせた面積率を40%未満とした、ベイナイト組織またはベイナイトとマルテンサイトとの混合組織として、摩擦圧接時の加熱による軟化を遅らせて、前記硬化層をバリとして排出しやすくし、接合部分の曲げ延性を確保している。   By the way, as another technique, in Patent Document 4, C is 0.1% or more of medium and high carbon steel materials, and the hardened layer (oxide) generated at the joining portion (joining interface) by friction welding is discharged as burrs. In order to ensure the bending ductility of the joint portion, the structure of the material steel is controlled. That is, the hardened layer is made of a bainite structure or a mixed structure of bainite and martensite in which the area ratio of the material steel is less than 40% by combining ferrite and pearlite, and softening due to heating during friction welding is delayed. Is easily discharged as burrs, and the bending ductility of the joint is ensured.

ただ、この特許文献5のようなベイナイト組織またはベイナイトとマルテンサイトとの混合組織化は、加工性に優れたフェライトとパーライトとの混合組織鋼材には、全く適用できない。   However, the bainite structure or the mixed structure of bainite and martensite as in Patent Document 5 cannot be applied at all to a mixed structure steel material of ferrite and pearlite having excellent workability.

特開平11−47958号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-47958 特開平4−116123号公報JP-A-4-116123 特開2002−294404号公報JP 2002-294404 A 特開2003−183768号公報JP 2003-183768 A

前記した通り、通常の機械構造部品用の素材である鋼材において、摩擦接合ままで熱影響部の強度低下や接合部分の強度増加を、合わせて(同時に)抑制して、母材、前記熱影響部、前記接合部分の各強度変動を最小限に抑え、複合鋼材の疲労強度、衝撃強度などの部品特性を低下させない(向上させる)技術は、未だ提案されていない。   As described above, in steel materials, which are materials for ordinary machine structural parts, the strength reduction of the heat-affected zone and the strength increase of the joint zone are suppressed together (simultaneously) while still being friction-bonded. There has not yet been proposed a technique for minimizing the strength fluctuations of the joints and the joints and not reducing (improving) the component properties such as fatigue strength and impact strength of the composite steel material.

前記自動車などのエンジン部品用などの機械構造部品では、前記した通り、小型化、高出力化に伴う部品への負荷の増大に対応して、疲労強度、衝撃強度の向上が求められている。したがって、摩擦圧接法による複合鋼材(複合鋼部品)にも、このような用途に適用するためは、当然これらの特性向上が求められる。   As described above, mechanical structural parts for engine parts such as automobiles are required to have improved fatigue strength and impact strength in response to an increase in load on the parts due to downsizing and higher output. Therefore, in order to apply the composite steel material (composite steel part) by the friction welding method to such a use, it is naturally required to improve these characteristics.

この点、前記熱影響部、前記接合部分の各強度変動を最小限に抑えるだけでなく、摩擦接合によって、接合部の靭性を向上させない限りは、疲労強度、衝撃強度を向上させることができず、摩擦圧接法による複合鋼材(複合鋼部品)は、前記自動車などのエンジン部品としては信頼性に欠け使用できない。   In this respect, fatigue strength and impact strength cannot be improved unless the toughness of the joint is improved not only by minimizing each strength variation of the heat affected zone and the joint, but also by friction welding. The composite steel material (composite steel part) by the friction welding method lacks reliability and cannot be used as an engine part of the automobile or the like.

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、摩擦接合ままで、疲労強度、衝撃強度などの部品特性を向上させることができる、摩擦圧接に適した機械構造用鋼材および摩擦圧接部品を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and provides a steel material for mechanical structure and a friction welded part suitable for friction welding, which can improve part properties such as fatigue strength and impact strength while maintaining friction welding. With the goal.

上記目的を達成するための、本発明の摩擦圧接に適した機械構造用鋼材の要旨は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.02〜2.0%、Mn:0.7〜3.0%、P:0.03%以下(但し0%を含まない)、S:0.005〜0.1%、Cr:1%以下(但し0%を含まない)、Al:0.005〜0.1%、N:0.02%以下(但し0%を含まない)、V:0.03〜0.5%を各々含み、固溶[V]=[V]−3.6[N]([V]はV含有量、[N]はN含有量)で計算される固溶Vが0.01%以上である一方で、固溶Nが0.001%以下(0%を含む)であり、残部は鉄および不可避不純物からなると共に、鋼組織が、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比(フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積)が0.05以上、0.5以下であるとともに、フェライト−パーライトの合計の面積率が全組織に対して90%以上である、フェライト粒とパーライト粒との混相からなることである。   In order to achieve the above object, the gist of the steel for machine structure suitable for friction welding according to the present invention is mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.02 to 2.0%, Mn: 0.7 to 3.0%, P: 0.03% or less (excluding 0%), S: 0.005 to 0.1%, Cr: 1% or less (excluding 0%) ), Al: 0.005 to 0.1%, N: 0.02% or less (excluding 0%), V: 0.03 to 0.5%, respectively, and solid solution [V] = [ V] -3.6 [N] ([V] is V content, [N] is N content) The solid solution V calculated by V is -0.01% or more, while the solid solution N is 0.00%. 001% or less (including 0%), the balance is made of iron and inevitable impurities, and the steel structure has an average area ratio of ferrite grains to pearlite grains (average area of ferrite grains / average area of pearlite grains) of 0.00. It is 05 or more and 0.5 or less Moni, ferrite - total area ratio of pearlite is 90% or more relative to the total tissue is to consist of mixed phase of ferrite grains and pearlite grains.

また、上記目的を達成するための、本発明の衝撃特性、曲げ疲労特性に優れた摩擦圧接部品の要旨は、前記した要旨の、あるいは後述する好ましい態様の機械構造用鋼材が、常温を含む温度域での鍛造あるいは切削により、所望の形状に成形された後に、摩擦圧接によって同じ機械構造用鋼材同士あるいは他の鋼材と接合された複合鋼材とされることである。   In order to achieve the above object, the gist of the friction welded part having excellent impact characteristics and bending fatigue characteristics of the present invention is the temperature at which the steel material for machine structural use according to the gist mentioned above or in a preferred mode described later includes normal temperature. After being formed into a desired shape by forging or cutting in a region, it is a composite steel material joined by the same mechanical structural steel materials or other steel materials by friction welding.

本発明の冷間および熱間加工用鋼材は、先ず、V添加を必須として、固溶Vを含んだ上で、組織を面積比を規定したフェライト粒とパーライト粒との混相としている。この組み合わせによって、摩擦接合時の接合面近傍の組織をフェライト−パーライト組織のままで微細化することができ、摩擦接合品の疲労強度を向上させることができ、且つ衝撃強度の劣化を抑制することができる。   The steel material for cold and hot working according to the present invention first requires V addition, contains solid solution V, and has a structure of a mixed phase of ferrite grains and pearlite grains with a specified area ratio. By this combination, the structure in the vicinity of the joint surface at the time of friction bonding can be refined with the ferrite-pearlite structure as it is, the fatigue strength of the friction bonded product can be improved, and the deterioration of the impact strength can be suppressed. Can do.

通常、摩擦圧接した鋼材の接合部は、急速加熱と冷却によって結晶粒の粗大化とマルテンサイト変態による硬さの急激な増加が生じる。そのため、接合部および接合部近傍が脆化し、疲労強度、衝撃強度などの部品特性が満足できなくなる。   Usually, in a joint portion of steel materials subjected to friction welding, rapid heating and cooling cause crystal grain coarsening and a sharp increase in hardness due to martensitic transformation. For this reason, the joint portion and the vicinity of the joint portion become brittle, and parts characteristics such as fatigue strength and impact strength cannot be satisfied.

このため、従来技術では、固溶Nbの活用によって結晶粒の粗大化を抑制しているが、通常のフェライト−パーライト組織鋼を使用すると、部品強度を確保することができないため、予め焼入れ焼き戻しした鋼材を使用する必要がある。そのため、鋼材自体の硬さが高くなっており、被削性が劣化する問題がある。また、摩擦接合後の接合部は、母材と結晶粒度が近いことが特徴であり、摩擦接合の弱点である靭性の劣化を十分に改善させることができない。   For this reason, in the prior art, the coarsening of crystal grains is suppressed by utilizing solid solution Nb. However, when normal ferrite-pearlite structure steel is used, the strength of the parts cannot be ensured, and therefore quenching and tempering in advance. It is necessary to use the finished steel. Therefore, there is a problem that the hardness of the steel material itself is high and the machinability is deteriorated. In addition, the joint after friction welding is characterized by a crystal grain size close to that of the base material, and the deterioration of toughness, which is a weak point of friction welding, cannot be sufficiently improved.

これに対して、本発明の技術では、摩擦接合部が、接合前と比較して、微細化するという特徴がある。このような摩擦接合部の結晶粒の微細化は、靭性の向上に有効であり、摩擦接合による衝撃強度の劣化を、結晶粒微細化による靭性の向上効果によって、抑制することが可能である。   On the other hand, the technique of the present invention is characterized in that the friction joint portion is miniaturized as compared to before joining. Such refinement of crystal grains in the friction joint is effective in improving toughness, and it is possible to suppress the deterioration of impact strength due to friction joining by the effect of improving toughness by refinement of crystal grains.

本発明では、摩擦圧接によって圧接部およびその近傍には強い塑性変形が付与される。一般的な鋼材では、フェライト、パーライト共に同じように塑性変形が付与されるため摩擦圧接後は、容易に結晶粒が粗大化する。ここで、フェライトとパーライト粒にサイズの差を持たせておく(パーライトに比べてフェライトを十分小さくしておく)と、比較的小さいフェライト粒は塑性変形、比較的大きいパーライト粒は分断される現象が生じる。   In the present invention, strong plastic deformation is imparted to the pressure contact portion and the vicinity thereof by friction welding. In general steel materials, both ferrite and pearlite are similarly plastically deformed, so that crystal grains are easily coarsened after friction welding. Here, if the ferrite and pearlite grains have a size difference (ferrite is sufficiently small compared to pearlite), the relatively small ferrite grains are plastically deformed, and the relatively large pearlite grains are fragmented. Occurs.

通常、パーライト粒は、温度上昇によってオーステナイト化し、凝集してオーステナイト粒の粗大化につながるが、微細で、且つ、塑性変形しているフェライト粒に阻害され、粗大化が容易に生じることがない。分断しているオーステナイトは冷却中にマルテンサイト変態しにくくなるため、結果として、接合部および接合部近傍は微細フェライト−パーライト組織となり、硬さをあまり増加させること無く、結晶粒の微細化が達成させる。   Usually, pearlite grains are austenitized due to a temperature rise and aggregate to lead to coarsening of the austenite grains, but are inhibited by ferrite grains that are fine and plastically deformed, so that coarsening does not easily occur. Since the austenite that has been divided is less likely to undergo martensitic transformation during cooling, the result is a fine ferrite-pearlite structure at the joint and in the vicinity of the joint, achieving a refinement of crystal grains without increasing the hardness too much. Let

これには固溶Vも重要な役割を果たしており、摩擦圧接時に析出するVCが、上記オーステナイトの粗大化抑制に有効に作用しているものと推察している。摩擦接合によって上記のように接合部および接合部近傍を微細化した鋼材は、摩擦接合ままの部品であっても、衝撃特性の低下を抑制した部品とすることができる。   Solid solution V also plays an important role in this, and it is presumed that VC precipitated during friction welding acts effectively on the suppression of the austenite coarsening. The steel material in which the joint portion and the vicinity of the joint portion are miniaturized by friction welding as described above can be a component in which the deterioration of impact characteristics is suppressed even if the steel material is a friction-joined component.

このような効果を有するVCを、摩擦圧接時に析出させるためには、摩擦圧接前には、鋼材中のVを予め固溶状態で存在させておく必要がある。摩擦圧接前に予めVCとなっている場合には、この予め存在するVCはオーステナイトの粗大化抑制には有効に作用しない。また、固溶Vも不足している(少ない)ために、摩擦圧接時に析出するVCも不足して、オーステナイトの粗大化抑制効果が不足する。   In order to deposit VC having such an effect at the time of friction welding, it is necessary to make V in the steel material exist in a solid solution state before the friction welding. In the case where VC is preliminarily set before friction welding, this preexisting VC does not effectively act to suppress the austenite coarsening. Further, since the solid solution V is also insufficient (small), the VC precipitated during friction welding is also insufficient, and the effect of suppressing the austenite coarsening is insufficient.

本発明鋼材の組織を示す図面代用写真であり、図1(a)が接合前の鋼材で、図1(b)が摩擦圧接後の鋼材である。FIG. 1 is a drawing-substituting photograph showing the structure of the steel material of the present invention. FIG. 1 (a) is a steel material before joining, and FIG. 1 (b) is a steel material after friction welding. 従来の機械構造用鋼材の組織を示す図面代用写真であり、図2(a)が接合前の鋼材で、図2(b)が摩擦圧接後の鋼材である。It is a drawing substitute photograph which shows the structure | tissue of the steel material for conventional mechanical structures, Fig.2 (a) is the steel material before joining, FIG.2 (b) is the steel material after friction welding.

鋼材組成:
まず、本発明鋼材の化学成分組成の限定理由について説明する。本発明機械構造用の鋼材(肌焼き鋼)の化学成分組成は、前記した自動車のエンジン部品などの機械構造部品に要求される強度や靭性特性、これに加えた衝撃特性、曲げ疲労特性、面圧疲労特性などの特性向上のためや、これらの特性向上のための前記本発明組織とするための前提条件となる。
Steel composition:
First, the reason for limiting the chemical composition of the steel of the present invention will be described. The chemical composition of the steel material for machine structure of the present invention (skin-hardened steel) is the strength and toughness characteristics required for machine structural parts such as the engine parts of automobiles, impact characteristics, bending fatigue characteristics, surface This is a precondition for improving the characteristics such as the pressure fatigue characteristics and for obtaining the structure of the present invention for improving these characteristics.

このため、本発明鋼材は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.02〜2.0%、Mn:0.7〜3.0%、P:0.03%以下(但し0%を含まない)、S:0.005〜0.1%、Cr:1%以下(但し0%を含まない)、Al:0.005〜0.1%、N:0.02%以下(但し0%を含まない)、V:0.03〜0.5%を各々含み、固溶[V]=[V]−3.6[N]([V]はV含有量、[N]はN含有量)で計算される固溶Vが0.01%以上であり、固溶Nが0.001%以下(0%を含む)であり、残部は鉄および不可避不純物からなる化学成分組成とする。なお、以下の元素含有量の単位は全て質量%だが、単に%と表記する場合もある。   For this reason, this invention steel material is the mass%, C: 0.25-0.65%, Si: 0.02-2.0%, Mn: 0.7-3.0%, P: 0.03. % Or less (excluding 0%), S: 0.005 to 0.1%, Cr: 1% or less (excluding 0%), Al: 0.005 to 0.1%, N: 0 0.02% or less (excluding 0%), V: each containing 0.03 to 0.5%, solid solution [V] = [V] -3.6 [N] ([V] contains V The solid solution V calculated by the amount, [N] is N content) is 0.01% or more, the solid solution N is 0.001% or less (including 0%), and the balance is iron and inevitable impurities It is set as the chemical component composition which consists of. In addition, although the unit of the following element content is all the mass%, it may only describe with%.

ここで、本発明鋼材は、種々の特性を向上させるために、前記特定の化学成分組成に加えて、選択的な添加元素として、更に、Ti:0.2%以下(但し0%を含まない)、Nb:0.2%以下(但し0%を含まない)、B:0.01%以下(但し0%を含まない)、Mo:1%以下(但し0%を含まない)、Cu:1%以下(但し0%を含まない)、Ni:1%以下(但し0%を含まない)の内の1種または2種以上を含有しても良い。また、更に、Ca:0.02%以下(但し0%を含まない)、REM:0.02%以下(但し0%を含まない)、Li:0.005%以下(但し0%を含まない)、Mg:0.005%以下(但し0%を含まない)のいずれか1種または2種以上を含有しても良い。   Here, in order to improve various properties, the steel material of the present invention further includes Ti: 0.2% or less (excluding 0%) as a selective additive element in addition to the specific chemical component composition. ), Nb: 0.2% or less (excluding 0%), B: 0.01% or less (excluding 0%), Mo: 1% or less (excluding 0%), Cu: 1% or less (however, not including 0%), Ni: 1% or less (however, not including 0%) may be included, or one or more may be included. Further, Ca: 0.02% or less (excluding 0%), REM: 0.02% or less (excluding 0%), Li: 0.005% or less (excluding 0%) ), Mg: 0.005% or less (but not including 0%), or one or more of them may be contained.

これら以外のその他の元素は、基本的には不純物であり、通常の、この種機械構造用の鋼材(肌焼き鋼)の不純物含有量 (許容量) レベルとする。   Other elements other than these are basically impurities, and the impurity content (allowable amount) level of the steel material for this type of mechanical structure (hardened steel) is used.

以下に、各主要元素の含有量と、その限定理由(意義)について説明する。   Below, content of each main element and its limitation reason (meaning) are demonstrated.

C:0.25〜0.65%
Cは、機械構造用部品としての必要強度を確保するための基本元素である。C含有量が少なすぎると、本発明が対象とする機械構造用部品に要求される強度を確保できない。しかし、Cを過剰に含有させると、延性を劣化させ、また鋼材が脆化し、衝撃特性が劣化する。このため、C含有量は0.25〜0.65%の範囲とし、下限値は好ましくは0.28%、より好ましくは0.30%とする。また、上限値は好ましくは0.62%、より好ましくは0.60%とする。
C: 0.25 to 0.65%
C is a basic element for ensuring the necessary strength as a machine structural component. If the C content is too small, the strength required for the machine structural component targeted by the present invention cannot be ensured. However, when C is contained excessively, ductility is deteriorated, the steel material becomes brittle, and impact characteristics deteriorate. Therefore, the C content is in the range of 0.25 to 0.65%, and the lower limit value is preferably 0.28%, more preferably 0.30%. The upper limit is preferably 0.62%, more preferably 0.60%.

Si:0.02〜2.0%
Siは溶製中の鋼の脱酸作用に寄与する。また、固溶強化により母材強度を高める作用を有する。Si含有量が少なすぎると、脱酸が不十分となり、溶製時にガス欠陥が発生しやすくなる。また、本発明が対象とする機械構造用部品に要求される強度も確保できない。しかし、Siを過剰に含有させると、変形抵抗の増大や変形能の低下を生じさせる。この傾向はSi含有量が2%を超えると顕著に見られはじめる。このため、Si含有量は0.02〜2.0%の範囲とし、下限値は好ましくは0.05%、より好ましくは0.08%とする。また、上限値は好ましくは1.5%、より好ましくは1%とする。
Si: 0.02 to 2.0%
Si contributes to the deoxidizing action of steel during melting. Moreover, it has the effect | action which raises base material intensity | strength by solid solution strengthening. If the Si content is too small, deoxidation becomes insufficient, and gas defects are likely to occur during melting. Further, the strength required for the machine structural component targeted by the present invention cannot be ensured. However, when Si is contained excessively, an increase in deformation resistance and a decrease in deformability occur. This tendency begins to be noticeable when the Si content exceeds 2%. Therefore, the Si content is in the range of 0.02 to 2.0%, and the lower limit is preferably 0.05%, more preferably 0.08%. The upper limit is preferably 1.5%, more preferably 1%.

Mn:0.7〜3.0%
Mnは、溶製中の鋼の脱酸、脱硫元素として有効であり、また、鋼材への熱間加工時の加工性の劣化を抑制する効果を有する。更に、Sと結合することで鋼材の変形能を向上させることにも有効である。Mn含有量が少なすぎるとこれらの効果が得られず、変形能が劣化し、割れが生じやすくなる。一方で、Mnを過剰に含有させると、固溶強化による変形抵抗の増加と変形能の低下をもたらす。また、Pの粒界への偏析を助長し、粒界強度の低下、疲労強度の低下を生じさせる。このため、Mn含有量は0.7〜3.0%の範囲とし、下限値は好ましくは0.75%、より好ましくは0.8%とする。また、上限値は好ましくは2.5%、より好ましくは2.0%とする。
Mn: 0.7-3.0%
Mn is effective as a deoxidizing and desulfurizing element for steel during melting, and has an effect of suppressing deterioration of workability during hot working on steel. Furthermore, it is effective to improve the deformability of the steel material by combining with S. If the Mn content is too small, these effects cannot be obtained, the deformability is deteriorated, and cracking is likely to occur. On the other hand, when Mn is contained excessively, an increase in deformation resistance and a decrease in deformability due to solid solution strengthening are brought about. Moreover, segregation to the grain boundary of P is promoted, and the fall of grain boundary strength and the fall of fatigue strength are caused. For this reason, the Mn content is in the range of 0.7 to 3.0%, and the lower limit is preferably 0.75%, more preferably 0.8%. The upper limit is preferably 2.5%, more preferably 2.0%.

P:0.03%以下(但し0%を含まない)
Pは不可避的に混入し、不純物として含有する元素であり、フェライト粒界に偏析し、変形能を劣化させる。また、Pはフェライトを固溶強化させ、変形抵抗を増大させる。したがって、変形能の観点からPは極力低減することが望ましいが、極端な低減は製鋼コストの増加を招く。したがって、P含有量は0.03%以下の低いほど良いが、0%とすることは製造上困難であるので、0.03%以下(但し0%を含まない)と規定する。上限値は好ましくは0.025%、より好ましくは0.02%とする。
P: 0.03% or less (excluding 0%)
P is an element inevitably mixed in and contained as an impurity, segregates at the ferrite grain boundary, and deteriorates deformability. Further, P strengthens the solid solution of ferrite and increases the deformation resistance. Therefore, it is desirable to reduce P as much as possible from the viewpoint of deformability, but extreme reduction leads to an increase in steelmaking cost. Therefore, the lower the P content is, the better the content is 0.03% or less. However, since it is difficult to make it 0%, it is defined as 0.03% or less (but not including 0%). The upper limit is preferably 0.025%, more preferably 0.02%.

S:0.005〜0.1%
Sも不可避的に混入し、不純物として含有する元素であり、Feと結合すると、FeSとして粒界上に膜状に析出するため、変形能を劣化させる。したがって、Sは全量をMnと結合させ、MnSとして無害に析出させる必要がある。ただし、このMnSの析出量が増えると、やはり変形能が劣化する。一方で、Sは被削性向上効果があり、S含有量を極端に低減すると被削性を劣化させる。したがって、S含有量は変形能と被削性のバランスを考慮して0.005〜0.1%の範囲とし、下限値は好ましくは0.010%、より好ましくは0.015%とし、上限値は好ましくは0.09%、より好ましくは0.08%とする。
S: 0.005-0.1%
S is also an element that is inevitably mixed and contained as an impurity, and when combined with Fe, FeS is deposited on the grain boundary as a film, so that the deformability is deteriorated. Therefore, it is necessary to combine S with Mn and deposit it as MnS harmlessly. However, as the amount of MnS deposited increases, the deformability also deteriorates. On the other hand, S has an effect of improving machinability, and when the S content is extremely reduced, the machinability is deteriorated. Accordingly, the S content is in the range of 0.005 to 0.1% in consideration of the balance between deformability and machinability, and the lower limit is preferably 0.010%, more preferably 0.015%, and the upper limit. The value is preferably 0.09%, more preferably 0.08%.

Cr:1%以下(但し0%を含まない)
Crは、摩擦圧接部品の強度を確保し、接合部の靭性を高めるのに有効な元素である。ただし、Cr含有量が過剰になると、旧オーステナイト粒界に炭化物として偏析するため、疲労強度、衝撃強度低下の原因となる。したがって、Cr含有量は1%以下(但し0%を含まない)とし、下限値は好ましくは0.05%、より好ましくは0.10%とし、上限値は好ましくは0.8%、より好ましくは0.6%とする。
Cr: 1% or less (excluding 0%)
Cr is an element effective for securing the strength of the friction welded part and enhancing the toughness of the joint. However, if the Cr content is excessive, it segregates as carbides at the prior austenite grain boundaries, which causes a decrease in fatigue strength and impact strength. Accordingly, the Cr content is 1% or less (excluding 0%), the lower limit is preferably 0.05%, more preferably 0.10%, and the upper limit is preferably 0.8%, more preferably. Is 0.6%.

Al:0.005〜0.1%
Alは溶製中の鋼の脱酸元素として有効である。Al含有量が少なすぎると、溶製中の脱酸が不十分となり、ガス欠陥が生じやすくなるので、割れが生じやすくなる。一方、Al含有量が過剰になっても、酸化アルミ系の酸化物などの非金属介在物が生成し、被削性を劣化させる。したがって、Al含有量は0.005〜0.1%の範囲とし、下限値は好ましくは0.008%、より好ましくは0.01%とし、上限値は好ましくは0.08%、より好ましくは0.06%とする。
Al: 0.005 to 0.1%
Al is effective as a deoxidizing element for steel during melting. If the Al content is too small, deoxidation during melting becomes insufficient and gas defects are likely to occur, so that cracking is likely to occur. On the other hand, even if the Al content is excessive, non-metallic inclusions such as aluminum oxide-based oxides are generated and the machinability is deteriorated. Therefore, the Al content is in the range of 0.005 to 0.1%, the lower limit is preferably 0.008%, more preferably 0.01%, and the upper limit is preferably 0.08%, more preferably 0.06%.

N:0.02%以下(但し0%を含まない)
Nは、Al、Vなどの窒化物形成元素と窒化物を形成し、組織微細化、整粒化に寄与するが、固溶状態で存在すると、熱間延性の劣化、動的ひずみ時効による変形能の低下を招くため、全量をVと結合させて、固溶Nを無くし、VNとして析出させておく必要がある。したがって、N含有量は0.02%以下(但し0%を含まない)の範囲とし、上限値は好ましくは0.015%、より好ましくは0.012%とする。
N: 0.02% or less (excluding 0%)
N forms nitrides with nitride-forming elements such as Al and V, and contributes to refinement of the structure and grain size. However, when present in a solid solution state, N deteriorates hot ductility and deforms due to dynamic strain aging. In order to reduce the performance, it is necessary to combine the entire amount with V to eliminate the solid solution N and to precipitate it as VN. Therefore, the N content is 0.02% or less (excluding 0%), and the upper limit is preferably 0.015%, more preferably 0.012%.

固溶N:0.001%以下(但し0%を含む)
Nが固溶状態で存在すると、熱間延性の劣化、動的ひずみ時効による衝撃特性の低下を招くため、予め窒化物形成元素(例えば、Al、Vなど)と結合させて、窒化物として析出させ、固溶Nをできるだけ少なくしておく必要がある。ただし、固溶Nが0.001%以下であれば、そのような悪影響を抑制できるため、許容される上限量を0.001%とした。この上限量は、好ましくは0.0008%以下、より好ましくは0.0005%以下である。
Solid solution N: 0.001% or less (including 0%)
When N is present in a solid solution state, the hot ductility is deteriorated and impact characteristics are deteriorated due to dynamic strain aging. Therefore, it is combined with a nitride-forming element (for example, Al, V, etc.) in advance and precipitated as nitride. Therefore, it is necessary to reduce the solid solution N as much as possible. However, if the solute N is 0.001% or less, such an adverse effect can be suppressed, so the upper limit amount allowed is set to 0.001%. This upper limit amount is preferably 0.0008% or less, more preferably 0.0005% or less.

V:0.03〜0.5%
Vは、炭化物、窒化物を形成して、特にNを固定し、固溶Nによる変形能の劣化を防止し、オーステナイト粒の微細化、整粒化に寄与する。また、本発明においては、固溶Vが残存できるだけのVを含有させる必要がある。この固溶Vは、前記した通り、摩擦圧接中にVCを形成する。このVCはオーステナイト粒を微細化、整粒化させ、摩擦接合部の硬さ増加の抑制に寄与する。V含有量が少なすぎると、十分な量の固溶Vを摩擦圧接時に作用させることができない。一方、V含有量が多すぎると、VCが多量に生成するため、VCの析出強化によって接合部の硬さが高くなりすぎ、部品特性が劣化する。したがって、V含有量は0.03〜0.5%の範囲とし、下限値は好ましくは0.04%、より好ましくは0.05%とし、上限値は好ましくは0.45%、より好ましくは0.40%とする。
V: 0.03-0.5%
V forms carbides and nitrides, particularly fixes N, prevents deterioration of deformability due to solute N, and contributes to austenite grain refinement and grain sizing. Further, in the present invention, it is necessary to contain V as much as the solid solution V can remain. As described above, this solid solution V forms VC during friction welding. This VC contributes to the suppression of the increase in hardness of the friction bonded portion by making the austenite grains finer and sized. If the V content is too small, a sufficient amount of solute V cannot be applied during friction welding. On the other hand, if the V content is too large, a large amount of VC is generated, so that the hardness of the joint becomes too high due to precipitation strengthening of the VC, and the component characteristics deteriorate. Therefore, the V content is in the range of 0.03 to 0.5%, the lower limit is preferably 0.04%, more preferably 0.05%, and the upper limit is preferably 0.45%, more preferably 0.40%.

固溶V:0.01%以上
本発明では、摩擦圧接の接合部および接合部近傍を微細フェライト−パーライト組織とし、硬さをあまり増加させること無く、結晶粒の微細化を達成させるために重要な役割を果たす、固溶V量を確保する。このVCによる接合部の組織微細化による靭性改善効果を最大に発揮させるためには、0.01%以上の固溶Vが必要である。固溶Vが摩擦圧接時にVCとして析出し、これがオーステナイトの粗大化抑制に有効に作用しているものと推察される。摩擦接合によって上記のように接合部および接合部近傍を微細化した鋼材は、摩擦接合ままの部品であっても、衝撃特性の低下を抑制した部品とすることができる。
Solid solution V: 0.01% or more In the present invention, the joint of friction welding and the vicinity of the joint have a fine ferrite-pearlite structure, which is important for achieving refinement of crystal grains without significantly increasing the hardness. The solid solution V amount is secured. In order to maximize the effect of improving the toughness due to the refinement of the microstructure of the joint by VC, 0.01% or more of solid solution V is required. It is inferred that the solid solution V precipitates as VC during friction welding, and this effectively acts to suppress the austenite coarsening. The steel material in which the joint portion and the vicinity of the joint portion are miniaturized by friction welding as described above can be a component in which the deterioration of impact characteristics is suppressed even if the steel material is a friction-joined component.

このような効果を有するVCを、摩擦圧接時に析出させるためには、摩擦圧接前には、鋼材中のVを予め固溶状態で存在させておく必要がある。添加されたVが、摩擦圧接前に鋼材中で予めVCとなっている場合、この予め存在するVCは、摩擦圧接時には、オーステナイトの粗大化抑制には有効に作用しない。また、固溶Vも不足している(少ない)ために、摩擦圧接時に析出するVCも不足して、オーステナイトの粗大化抑制効果が不足する。すなわち、Vが添加されていても、摩擦圧接前に予め必要量固溶されていない鋼材では、上記のような効果を十分に発揮させることができない。   In order to deposit VC having such an effect at the time of friction welding, it is necessary to make V in the steel material exist in a solid solution state before the friction welding. In the case where the added V is VC in advance in the steel before friction welding, this pre-existing VC does not effectively act to suppress austenite coarsening during friction welding. Further, since the solid solution V is also insufficient (small), the VC precipitated during friction welding is also insufficient, and the effect of suppressing the austenite coarsening is insufficient. That is, even if V is added, the above effects cannot be sufficiently exhibited with a steel material in which a necessary amount is not previously dissolved before friction welding.

VがNを全量固定するためには、VとNは、0.01≦[V]−3.6[N]の関係式を満足する必要がある。また、摩擦圧接時にVとCとを結合させ、このVCによる接合部の組織微細化による靭性改善効果を最大に発揮させるためには、0.01%以上の固溶Vが必要である。固溶Vが0.01%未満となると、摩擦圧接時の靭性の劣化を十分に抑制することができない。なお、固溶Vの上限は、鋼中に含有するVが全て固溶している状態を指す。固溶Vは、固溶[V]=[V]−3.6[N]で計算される(ここで[V]はV含有量、[N]はN含有量である)。固溶Vの下限値は好ましくは0.015%、より好ましくは0.02%とする。   In order for V to fix the entire amount of N, V and N need to satisfy the relational expression of 0.01 ≦ [V] −3.6 [N]. Moreover, in order to combine V and C at the time of friction welding and to maximize the effect of improving toughness by refining the structure of the joint by VC, 0.01% or more of solid solution V is required. If the solid solution V is less than 0.01%, deterioration of toughness during friction welding cannot be sufficiently suppressed. In addition, the upper limit of the solid solution V indicates a state in which all V contained in the steel is in solid solution. The solid solution V is calculated by solid solution [V] = [V] -3.6 [N] (where [V] is the V content and [N] is the N content). The lower limit value of the solid solution V is preferably 0.015%, more preferably 0.02%.

Ti、Nb、B、Mo、Cu、Niの1種又は2種以上
Ti、Nb、B、Mo、Cu、Niは、前記特許文献5でも同効元素として記載している通り、いずれも、靱性を損なうことなく、素材としての鋼材や摩擦圧接後の複合鋼材の強度を向上させるのに有効である。
One or more of Ti, Nb, B, Mo, Cu, and Ni Ti, Nb, B, Mo, Cu, and Ni are all tough as described in Patent Document 5 as effective elements. It is effective in improving the strength of the steel material as a raw material and the composite steel material after friction welding without impairing the strength.

Ti、Nb、B:
このうちでも、Ti、Nb、Bは、いずれも炭化物などを形成し、摩擦圧接後の熱影響部における強度低下を抑制し、実質的に強度を向上させることができる。そこで、必要に応じて、Ti:0.2%以下(但し0%を含まない)、Nb:0.2%以下(但し0%を含まない)、B:0.01%以下(但し0%を含まない)の1種又は2種以上を添加する。
Ti, Nb, B:
Among these, Ti, Nb, and B can all form carbides, suppress the strength reduction in the heat-affected zone after friction welding, and substantially improve the strength. Therefore, as required, Ti: 0.2% or less (excluding 0%), Nb: 0.2% or less (excluding 0%), B: 0.01% or less (provided that 0% is not included) 1 type or 2 types or more are added.

選択的に添加する場合のTi含有量の下限は0.005%以上とすることが好ましく、0.01%以上とすることがより好ましく、0.015%以上とすることが更に好ましい。一方、Ti含有量が多すぎるとTiCが多量に生成するため、逆に強度が低下する。したがって、Ti含有量の上限は0.15%以下とすることが好ましく、0.1%以下とすることがより好ましい。   The lower limit of the Ti content when selectively added is preferably 0.005% or more, more preferably 0.01% or more, and still more preferably 0.015% or more. On the other hand, if the Ti content is too large, a large amount of TiC is generated, and the strength is reduced. Therefore, the upper limit of the Ti content is preferably 0.15% or less, and more preferably 0.1% or less.

選択的に添加する場合のNb含有量の下限は0.005%以上とすることが好ましく、0.01%以上とすることがより好ましく、0.015%以上とすることが更に好ましい。一方、Nb含有量が多すぎるとNbCが多量に生成するため、逆に強度が低下する。したがって、Nb含有量の上限は0.15%以下とすることが好ましく、0.1%以下とすることがより好ましい。   When the Nb content is selectively added, the lower limit of the Nb content is preferably 0.005% or more, more preferably 0.01% or more, and still more preferably 0.015% or more. On the other hand, if the Nb content is too large, a large amount of NbC is generated, and the strength is reduced. Therefore, the upper limit of the Nb content is preferably 0.15% or less, and more preferably 0.1% or less.

選択的に添加する場合のB含有量の下限は0.0005%以上とすることが好ましく、0.0010%以上とすることがより好ましい。一方、B含有量が多すぎると焼入れ性が向上し、マルテンサイトが多量に生成するため、靭性、衝撃特性が低下する。したがって、B含有量の上限は0.008%以下とすることが好ましく、0.006%以下とすることがより好ましい。   The lower limit of the B content when selectively added is preferably 0.0005% or more, and more preferably 0.0010% or more. On the other hand, if the B content is too large, the hardenability is improved and a large amount of martensite is generated, so that toughness and impact properties are deteriorated. Therefore, the upper limit of the B content is preferably 0.008% or less, and more preferably 0.006% or less.

Mo:1%以下(但し0%を含まない)
Moは、鋼材の靭性を向上させるのに有効な元素である。そこで、必要に応じて、Mo:1%以下(但し0%を含まない)を添加する。一方、Moの含有量が過剰になると、母材の硬度が必要以上に高くなって靭性、衝撃特性が劣化するので、1%以下に限って、好ましくは0.8%以下、より好ましくは0.5%以下添加する。なお、Moによる前記効果を有効に発揮させるためには、0.04%以上の添加が好ましく、より好ましくは0.06%以上、更に好ましくは0.08%以上添加する。
Mo: 1% or less (excluding 0%)
Mo is an element effective for improving the toughness of the steel material. Therefore, if necessary, Mo: 1% or less (but not including 0%) is added. On the other hand, if the Mo content is excessive, the hardness of the base material becomes higher than necessary and the toughness and impact properties deteriorate, so only 1% or less, preferably 0.8% or less, more preferably 0. Add less than 5%. In order to effectively exhibit the effect of Mo, 0.04% or more is preferably added, more preferably 0.06% or more, and still more preferably 0.08% or more.

Cu、Niの1種又は2種
Cu、Niはいずれも鋼材をひずみ時効させ、母材や接合部分の強度を向上させるのに有効である。そこで、必要に応じて、Cu:1%以下(但し0%を含まない)、Ni:1%以下(但し0%を含まない)の1種又は2種を添加する。一方、Cu、Niの含有量が過剰になると熱間延性が劣化するので、各々1%以下に限って、好ましくは各々0.8%以下、より好ましくは各々0.6%以下添加する。なお、Cu、Niによる前記効果を有効に発揮させるためには、0.1%以上の添加が好ましく、より好ましくは各々0.2%以上、更に好ましくは各々0.3%以上添加する。
1 type or 2 types of Cu and Ni Both Cu and Ni are effective in strain-aging the steel material and improving the strength of the base material and the joint portion. Therefore, one or two of Cu: 1% or less (excluding 0%) and Ni: 1% or less (excluding 0%) are added as necessary. On the other hand, if the Cu and Ni contents are excessive, the hot ductility deteriorates, so each is limited to 1% or less, preferably 0.8% or less, more preferably 0.6% or less. In order to effectively exhibit the effects of Cu and Ni, addition of 0.1% or more is preferable, more preferably 0.2% or more, and still more preferably 0.3% or more.

Ca、REM、Li、Mgの1種又は2種以上
Ca、REM、Li、Mgは、共通して、MnS等の硫化化合物系介在物を球状化させ、鋼材の変形能を高めると共に、被削性向上に寄与する元素である。そこで、必要に応じて、Ca:0.02%以下(但し0%を含まない)、REM:0.02%以下(但し0%を含まない)、Li:0.02%以下(但し0%を含まない)、Mg:0.02%以下(但し0%を含まない)の1種又は2種以上を添加する。
One or more of Ca, REM, Li, and Mg Ca, REM, Li, and Mg commonly spheroidize sulfide compound inclusions such as MnS to increase the deformability of the steel material and cut the workpiece. It is an element that contributes to improving the properties. Therefore, as necessary, Ca: 0.02% or less (excluding 0%), REM: 0.02% or less (excluding 0%), Li: 0.02% or less (excluding 0%) 1) or 2 or more of Mg: 0.02% or less (excluding 0%).

前記効果を有効に発揮させるためには、Ca、REMは0.0005%以上の添加が好ましく、より好ましくは各々0.001%以上、更に好ましくは各々0.0015%以上添加する。同じく、Li、Mgは0.0001%以上の添加が好ましく、より好ましくは各々0.0002%以上、更に好ましくは各々0.0003%以上添加する。一方、これらを過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できず経済的に不利である。そのため、Ca、REMは各々0.02%以下の添加が好ましく、より好ましくは各々0.01%以下、更に好ましくは各々0.005%以下添加する。同じく、Li、Mgは各々0.02%以下の添加が好ましく、より好ましくは各々0.0025%以下、更に好ましくは各々0.001%以下添加する。   In order to effectively exhibit the above effects, Ca and REM are preferably added in an amount of 0.0005% or more, more preferably 0.001% or more, and still more preferably 0.0015% or more. Similarly, Li and Mg are preferably added in an amount of 0.0001% or more, more preferably 0.0002% or more, and still more preferably 0.0003% or more. On the other hand, even if these are added excessively, the effect is saturated, and an effect commensurate with the amount added cannot be expected, which is economically disadvantageous. Therefore, Ca and REM are each preferably added in an amount of 0.02% or less, more preferably 0.01% or less, and still more preferably 0.005% or less. Similarly, Li and Mg are each preferably added in an amount of 0.02% or less, more preferably 0.0025% or less, and still more preferably 0.001% or less.

鋼材組織:
本発明機械構造用鋼材の摩擦圧接に適した組織について以下の通り説明する。図1(a)に本発明鋼材の400倍の光学顕微鏡により観察された組織(図面代用写真)を示す。また、図2(a)に、従来の(通常の)機械構造用鋼材の同じく400倍の光学顕微鏡により観察された組織(図面代用写真)を示す。
また、これら図1(a)、図2(a)の鋼材の摩擦圧接後の組織を、段落0091に記載の通り、400倍の光学顕微鏡により観察された組織(図面代用写真)として、図1(b)、図2(b)として各々示す。ちなみに、摩擦圧接前の組織である図1(a)、図2(a)と、摩擦圧接後の組織である図1(b)、図2(b)とは、前記した通り、同じ倍率の光学顕微鏡による観察結果であるが、これら各図のように、摩擦圧接によって、その組織の様子(様相)が大きく変わっている。
Steel structure:
The structure suitable for friction welding of the steel for machine structure of the present invention will be described as follows. FIG. 1 (a) shows a structure (drawing substitute photograph) of the steel material of the present invention observed with an optical microscope of 400 times. FIG. 2 (a) shows a structure (drawing substitute photograph) of a conventional (ordinary) mechanical structural steel material observed with an optical microscope at a magnification of 400 times.
Further, the structure after friction welding of the steel materials shown in FIGS. 1 (a) and 2 (a) is observed as a structure (photograph substituted for drawing) observed with a 400 × optical microscope as shown in paragraph 0091. (B) and FIG. 2 (b), respectively. Incidentally, the structures before friction welding are shown in FIGS. 1 (a) and 2 (a), and the structures after friction welding are shown in FIGS. 1 (b) and 2 (b). Although it is an observation result by an optical microscope, as shown in each of these drawings, the appearance (mode) of the structure is greatly changed by friction welding.

図1は後述する実施例表1、4の発明例鋼種1Gの組織を示し、鋼材組成が適正で、固溶V量を適量含み、固溶N量を規制した組織である。図1(a)が接合前の鋼材(表1)で、図1(b)が摩擦圧接後の鋼材(表4)である。これに対して、図2は後述する実施例表2,5の比較例鋼種2Xの組織を示し、鋼材のV含有量が少なすぎるために、固溶V量が少なすぎた組織である。図2(a)が接合前の鋼材(表2)で、図2(b)が摩擦圧接後の鋼材(表5)である。   FIG. 1 shows the structure of invention type steel 1G of Examples Tables 1 and 4 to be described later, the steel material composition is appropriate, it contains an appropriate amount of solute V, and the amount of solute N is regulated. FIG. 1A shows a steel material before joining (Table 1), and FIG. 1B shows a steel material after friction welding (Table 4). On the other hand, FIG. 2 shows the structure of Comparative Example Steel Type 2X in Examples Tables 2 and 5 to be described later, and is a structure in which the V content of the steel material is too small and the amount of solute V is too small. FIG. 2A shows a steel material before joining (Table 2), and FIG. 2B shows a steel material after friction welding (Table 5).

図1(a)に示す本発明機械構造用鋼材の組織は、摩擦圧接に適した組織とするために、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比であるフェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積が0.05以上、0.5以下であるフェライト粒とパーライト粒との混相からなる。図1(a)に示すように、本発明鋼材の組織は白っぽく見えるフェライト粒と、黒っぽく見えるパーライト粒との微細な混相からなるが、パーライト粒の方がフェライト粒よりも数倍以上大きい。このように、フェライト粒の方がパーライト粒よりも数倍以上大きくなれば、必然的にパーライト粒の平均面積の方がフェライト粒の平均面積よりも大きくなる。また、本発明鋼材のフェライト組織はパーライト粒の周りに複雑な形状を有している。したがって、本発明鋼材の組織はパーライト粒の方がフェライト粒よりも数倍以上大きく、大きなパーライト粒の周りに小さなフェライト粒が配置されたような、新規なフェライト粒とパーライト粒との微細な混相組織であると言うことができる。   In order to obtain a structure suitable for friction welding, the structure of the steel for machine structural use according to the present invention shown in FIG. 1 (a) has an average area ratio of ferrite grains / average area of pearlite grains, which is an average area ratio of ferrite grains to pearlite grains. It consists of a mixed phase of ferrite grains and pearlite grains that are 0.05 or more and 0.5 or less. As shown in FIG. 1 (a), the structure of the steel of the present invention is composed of a fine mixed phase of ferrite grains that appear whitish and pearlite grains that appear black. The pearlite grains are several times larger than the ferrite grains. Thus, if the ferrite grains are several times larger than the pearlite grains, the average area of the pearlite grains inevitably becomes larger than the average area of the ferrite grains. Moreover, the ferrite structure of the steel material of the present invention has a complicated shape around the pearlite grains. Therefore, the microstructure of the steel material of the present invention is a fine mixed phase of new ferrite grains and pearlite grains in which pearlite grains are several times larger than ferrite grains and small ferrite grains are arranged around large pearlite grains. It can be said that it is an organization.

このような微細な混相組織であるため、表1、4の発明例鋼種1Gは、図1(b)の通り、また後述する表4の通り、摩擦圧接後の鋼材の、摩擦圧接によって形成された接合部界面から1mmの深さ範囲における、フェライト粒の平均粒径が5μm以下の微細な組織となっている。   Because of such a fine mixed phase structure, the inventive steel types 1G in Tables 1 and 4 are formed by friction welding of the steel material after friction welding as shown in FIG. In the depth range of 1 mm from the bonded interface, the ferrite grains have a fine structure with an average grain size of 5 μm or less.

一方、図2(a)に示す実施例表2、5の比較例鋼種2X(従来の機械構造用鋼材)の組織は、本発明鋼材の組織と同じく白っぽく見えるフェライト粒と、黒っぽく見えるパーライト粒との混相からなるが、フェライト粒はパーライト粒とほぼ同じ大きさである。しかも、フェライト粒とパーライト粒とは似たような単純な粒状の形状をして、互いに隣り合って並んでいる。このため、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比であるフェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積は0.05以上、0.5以下を満足するものの、平均粒径が粗大である。   On the other hand, the structure of Comparative Example Steel Type 2X (conventional steel for machine structural use) shown in Example Tables 2 and 5 shown in FIG. 2 (a) is the same as the structure of the steel material of the present invention, ferrite grains that appear whitish, and pearlite grains that appear dark. The ferrite grains are approximately the same size as the pearlite grains. Moreover, the ferrite grains and the pearlite grains have a similar simple granular shape and are arranged next to each other. For this reason, although the ferrite grain average area / pearlite grain average area, which is the average area ratio of ferrite grains to pearlite grains, satisfies 0.05 or more and 0.5 or less, the average grain size is coarse.

このため、実施例表2、5の比較例鋼種2Xは、図2(b)の通り、また後述する表5の通り、摩擦圧接後の鋼材の、摩擦圧接によって形成された接合部界面から1mmの深さ範囲における、フェライト粒の平均粒径が5μm以下とはならずに全面がマルテンサイト化している。この結果、比較例鋼種2Xは、後述する表5の通り、自動車のエンジン部品などに要求される衝撃特性、曲げ疲労特性が、発明例に比して著しく劣っている。   For this reason, the comparative example steel type 2X in Examples Tables 2 and 5 is 1 mm from the joint interface formed by friction welding of the steel material after friction welding as shown in FIG. 2B and Table 5 described later. In the depth range, the average grain size of the ferrite grains does not become 5 μm or less, and the entire surface is martensite. As a result, as shown in Table 5 described later, the comparative example steel type 2X is significantly inferior to the invention example in impact characteristics and bending fatigue characteristics required for automobile engine parts and the like.

フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積:
通常、摩擦圧接による接合部の組織は、急速加熱と急速冷却によって、主にマルテンサイト相で構成される。従来の機械構造用鋼材のように、フェライト粒とパーライト粒の面積比が1に近い場合、接合部が摩擦圧接によって、オーステナイト温度に加熱され、パーライトがオーステナイト化し、それらが凝集するので、組織が粗大化しやすい。そして、その後の冷却によってマルテンサイト相となった場合には、接合部の強度が増加し過ぎ、脆化が促進されるため、割れが発生しやすくなる。このため、摩擦接合部品としての疲労強度、衝撃強度などの特性が低下して、機械構造部品としての信頼性が無くなる。
Average area of ferrite grains / average area of pearlite grains:
Usually, the structure of the joint by friction welding is mainly composed of a martensite phase by rapid heating and rapid cooling. When the area ratio of ferrite grains to pearlite grains is close to 1 as in the conventional steel for machine structural use, the joint is heated to austenite temperature by friction welding, pearlite is austenitized, and they agglomerate. Easy to coarsen. And when it becomes a martensite phase by subsequent cooling, since the intensity | strength of a junction part will increase too much and embrittlement will be accelerated | stimulated, it will become easy to generate | occur | produce a crack. For this reason, characteristics such as fatigue strength and impact strength as a friction bonded part are lowered, and reliability as a machine structural part is lost.

これに対して、本発明では、フェライト粒/パーライト粒の平均面積比(フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積)を0.5以下、好ましくは0.4以下とし、パーライト粒に比較して、フェライト粒の方を著しく小さくする。これによって、接合部が摩擦圧接によって、塑性流動が生じたとき、微細なフェライト粒がオーステナイトの粗大化を阻害し、その後の冷却中の動的再結晶によって、オーステナイト粒が微細化し、最終的には微細なフェライトとパーライトの混相組織となる。微細混相組織は、靭性を向上させるのに有効であり、且つ、接合部の強度増加を抑制することができるため、衝撃特性、疲労特性を向上させることができる。   On the other hand, in the present invention, the average area ratio of ferrite grains / pearlite grains (average area of ferrite grains / average area of pearlite grains) is 0.5 or less, preferably 0.4 or less, compared to pearlite grains, Make ferrite grains significantly smaller. As a result, when plastic flow occurs due to friction welding of the joint, the fine ferrite grains hinder the austenite coarsening, and the austenite grains are refined by the subsequent dynamic recrystallization during cooling. Becomes a mixed phase structure of fine ferrite and pearlite. The fine mixed phase structure is effective for improving toughness, and can suppress an increase in strength of the joint portion, so that impact characteristics and fatigue characteristics can be improved.

このような衝撃特性、疲労特性などの特性を保障する、摩擦圧接部品(複合鋼材)における接合部の、微細混相組織の目安としては、摩擦圧接によって形成された接合部界面から1mmの深さ範囲における、フェライト粒の平均粒径が5μm以下とする。これによって、パーライトの平均粒径、ひいてはフェライトとパーライトの混相も合わせて微細化される。これを超えて、フェライト粒の平均粒径が粗大化した場合、接合部の衝撃特性、疲労特性などの特性を保障できなくなる可能性が生じる。   As a guideline for the fine mixed phase structure of joints in friction welded parts (composite steel materials) that ensure such characteristics as impact characteristics and fatigue characteristics, a depth range of 1 mm from the joint interface formed by friction welding The average grain size of the ferrite grains is 5 μm or less. As a result, the average particle size of pearlite, and hence the mixed phase of ferrite and pearlite, is also refined. If the average grain size of the ferrite grains becomes larger than this, there is a possibility that characteristics such as impact characteristics and fatigue characteristics of the joint cannot be guaranteed.

このような微細混相組織からなる接合部分を得るために、本発明では、フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積が0.5以下とする。ただし、平均面積比が1に近づくにつれ(フェライトとパーライトの大きさが近づく)と、フェライトによる粗大化抑制効果が失われるため、最大でも0.5とする必要がある。一方、このフェライト/パーライトの平均面積比が0.05を下回るとフェライトの粗大化抑制効果が機能しなくなるため、下限は好ましくは0.06以上、より好ましくは0.07以上とする一方、このフェライト/パーライトの上限は好ましくは0.45以下、より好ましくは0.40以下とする。   In order to obtain a joint portion composed of such a fine mixed phase structure, in the present invention, the ferrite grain average area / pearlite grain average area is set to 0.5 or less. However, as the average area ratio approaches 1 (the sizes of ferrite and pearlite approach), the effect of suppressing the coarsening by ferrite is lost, so it is necessary to set it to 0.5 at the maximum. On the other hand, if the average area ratio of ferrite / pearlite is less than 0.05, the ferrite coarsening suppression effect does not function, so the lower limit is preferably 0.06 or more, more preferably 0.07 or more. The upper limit of ferrite / pearlite is preferably 0.45 or less, more preferably 0.40 or less.

本発明鋼材でも、少量であればベイナイトなどのその他の組織を含んでいても良いが、必要な総合特性を得るためには、フェライト−パーライトの合計の面積率(分率)が、ベイナイトなどの他の組織を含めた全組織に対して90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは97%以上とする(前記光学顕微鏡観察で測定される組織中の面積割合)。なお、組織全体のフェライトとパーライトの面積率は、主にはC量によって決定される。フェライト粒とパーライト粒との混相からなる組織において、必要な総合特性を得るためには、フェライトの面積率の範囲は30〜80%、パーライトの面積率の範囲は10〜60%とし、フェライト粒とパーライト粒とすることが好ましい。   Even the steel of the present invention may contain other structures such as bainite as long as the amount is small, but in order to obtain the necessary overall characteristics, the total area ratio (fraction) of ferrite-pearlite is such as bainite. It is 90% or more, preferably 95% or more, and more preferably 97% or more with respect to the whole tissue including other tissues (area ratio in the tissue measured by the optical microscope observation). The area ratio of ferrite and pearlite in the entire structure is mainly determined by the amount of C. In order to obtain necessary overall characteristics in a structure composed of a mixed phase of ferrite grains and pearlite grains, the ferrite area ratio range is 30 to 80%, the pearlite area ratio range is 10 to 60%, and the ferrite grains And pearlite grains are preferable.

本発明鋼材の製造方法:
上記した本発明組織を形成するためには、以下の条件が必要である。まず、機械構造用鋼材自体は、通常の前記自動車部品用の機械構造用鋼材の製造工程で製造できる。即ち、鋳造された鋼片を熱間圧延あるいは熱間鍛造によって線棒材などの鋼材に加工される。但し、上記した特定の成分組成の機械構造用鋼材の温度履歴としては、熱間圧延あるいは熱間鍛造の温度を1000℃以上、その後、その温度で5〜60分保持し、以下、500℃までの冷却速度を0.2〜1.5℃/sとする必要がある。
Production method of the steel of the present invention:
In order to form the above-described structure of the present invention, the following conditions are necessary. First, the steel for machine structure itself can be manufactured by a normal manufacturing process of the steel for machine structure for automobile parts. That is, the cast steel slab is processed into a steel material such as a wire rod by hot rolling or hot forging. However, as the temperature history of the mechanical structural steel material having the above specific component composition, the temperature of hot rolling or hot forging is kept at 1000 ° C. or higher, and then held at that temperature for 5 to 60 minutes. It is necessary to set the cooling rate of 0.2 to 1.5 ° C./s.

なお、機械構造用鋼材自体は、通常の前記自動車部品用の機械構造用鋼材の製造工程で製造できる。即ち、鋳造された鋼片を熱間圧延あるいは熱間鍛造によって線棒材などの鋼材に加工される。本発明鋼材は、熱間圧延上がり、あるいは熱間鍛造上がりの鋼材(熱間加工まま材)あるいは更に冷間鍛造などによって部品形状に形成された鋼材、更に精密な切削・仕上げ加工によって機械構造部品とされた鋼材であっても良い。   In addition, the steel material for machine structure itself can be manufactured by the manufacturing process of the steel material for machine structure for the said said motor vehicle parts normally. That is, the cast steel slab is processed into a steel material such as a wire rod by hot rolling or hot forging. The steel of the present invention is a steel material that has been hot-rolled or hot forged (as hot-worked material) or a steel material that has been formed into a part shape by cold forging, etc. It may be a steel material.

熱間圧延あるいは熱間鍛造:
熱間圧延あるいは熱間鍛造の工程では、1000℃以上で圧延、鍛造した後、5〜60分保持する。本発明では、有害となる固溶Nを完全に固定するため、まず、1000℃以上に加熱して、この温度で圧延あるいは鍛造し、VN、AlNを分解する必要がある。また、この圧延あるいは鍛造の後、5〜60分保持することでVN、AlNを再度均一に析出させることができ、固溶Nを完全に固定することができる。
Hot rolling or hot forging:
In the process of hot rolling or hot forging, after rolling and forging at 1000 ° C. or higher, hold for 5 to 60 minutes. In the present invention, in order to completely fix the solute N which is harmful, it is necessary to first heat to 1000 ° C. or higher and to roll or forge at this temperature to decompose VN and AlN. Moreover, after this rolling or forging, VN and AlN can be uniformly precipitated again by holding for 5 to 60 minutes, and solid solution N can be completely fixed.

圧延あるいは鍛造温度が1000℃未満に低くなっては、そのような効果が得られないため、好ましくは1025℃以上、更に好ましくは1050℃以上とする。一方、VN、AlNを分解するという観点では、圧延あるいは鍛造温度は高ければ高いほど好ましいが、1250℃を超えると、ビレットの端部が熱によってだれる問題が生じ始めるため、上限は1250℃程度とする。   Since such an effect cannot be obtained when the rolling or forging temperature becomes lower than 1000 ° C., the temperature is preferably 1025 ° C. or higher, more preferably 1050 ° C. or higher. On the other hand, from the viewpoint of decomposing VN and AlN, the higher the rolling or forging temperature, the better. However, when the temperature exceeds 1250 ° C., the problem that the end of the billet begins to sag due to heat starts, so the upper limit is about 1250 ° C. And

この圧延あるいは鍛造の後の保持時間が5分以下と短くなると、VN、AlNによる固溶Nの固定が不十分となるので、好ましくは8分以上、更に好ましくは10分以上とする。因みに保持時間が60分を超えても特に問題は無いが、製造工程の無駄になるため、上限を60分とした。また、この保持(熱処理)によって、固溶Vを、固溶[V]=[V]−3.6[N]([V]はV含有量、[N]はN含有量)で計算される固溶Vの量で0.01%以上確保することができる。   If the holding time after this rolling or forging becomes as short as 5 minutes or less, the fixation of the solid solution N by VN and AlN becomes insufficient, so it is preferably 8 minutes or more, more preferably 10 minutes or more. Incidentally, even if the holding time exceeds 60 minutes, there is no particular problem, but since the manufacturing process is wasted, the upper limit was set to 60 minutes. Further, by this holding (heat treatment), the solid solution V is calculated as a solid solution [V] = [V] -3.6 [N] ([V] is the V content, and [N] is the N content). 0.01% or more can be ensured by the amount of solid solution V.

なお、通常、この種の鋼材を製造するにあたっては、熱間圧延後に本件のように高い温度のままで保持するようなことは行わない。すなわち、圧延の生産効率上からも、熱間圧延後は直ちに冷却されるのが一般的であり、上記保持時間でいえば1分以内程度の短時間である。   Normally, in manufacturing this type of steel material, it is not performed to keep the high temperature as in the present case after hot rolling. That is, from the viewpoint of the production efficiency of rolling, it is generally cooled immediately after hot rolling, and the holding time is a short time of about 1 minute or less.

500℃までの冷却速度:0.2〜1.5℃/s
圧延あるいは鍛造された鋼材は、摩擦圧接後に接合部分を微細化させるために、フェライト・パーライトの混相組織としておく必要がある。このため、前記保持が完了した鋼材は、500℃までの冷却速度が0.2〜1.5℃/sの範囲で冷却する。注意すべきは、500℃までの平均冷却速度が速すぎるとベイナイトが生成し始めるため、接合部分の微細化効果が得られなくなる。このため、500℃までの冷却速度は、好ましくは、1.4℃/s以下、より好ましくは1.3℃/s以下とする。一方で、冷却速度が0.2℃/sよりも遅くなると、初析フェライトが成長しやすくフェライトを微細化することができないので、好ましくは0.3℃/s、より好ましくは0.4℃/s以上とする。
Cooling rate to 500 ° C: 0.2 to 1.5 ° C / s
The rolled or forged steel material needs to have a mixed phase structure of ferrite and pearlite in order to refine the joint after friction welding. For this reason, the steel material which the said holding was completed cools in the range whose cooling rate to 500 degreeC is 0.2-1.5 degree-C / s. It should be noted that if the average cooling rate up to 500 ° C. is too high, bainite begins to be generated, and the effect of miniaturizing the joint portion cannot be obtained. For this reason, the cooling rate to 500 ° C. is preferably 1.4 ° C./s or less, more preferably 1.3 ° C./s or less. On the other hand, if the cooling rate is slower than 0.2 ° C./s, pro-eutectoid ferrite tends to grow, and the ferrite cannot be refined, so that it is preferably 0.3 ° C./s, more preferably 0.4 ° C. / S or more.

摩擦圧接、複合材化:
本発明が対象とする摩擦圧接による複合材は、市販の摩擦圧接機により摩擦圧接が可能であれば、目的とする前記機械構造部品に応じて、本発明の鋼材に対して、種々の鋼種の相手鋼材が選択できる。また、本発明の鋼材形状や複合材形状も、目的とする前記機械構造部品に応じて種々の形状が選択できる。例えば、本発明の鋼材同士を摩擦圧接しても良く、また、相手材をS45CやSCr420Hなどの機械構造用炭素鋼、合金鋼、V添加鋼、B添加鋼などとして、切削性や強度などの種々の特性を基準に選択して組み合わせても良い。また、形状も、摩擦圧接する鋼材同士の形状が異なっていても、同じあるいは類似であっても勿論良く、棒材同士の組み合わせ、頭部(円形材、角形材、傘状材、リング状材など)と軸となる棒材との組み合わせなど、自由に複合材形状が選択できる。
Friction welding, composite material:
The composite material by friction welding which is the subject of the present invention can be made of various steel types according to the target mechanical structure component, as long as friction welding can be performed by a commercially available friction welding machine. The other steel can be selected. In addition, various shapes can be selected for the steel material shape and the composite material shape of the present invention in accordance with the target mechanical structural component. For example, the steel materials of the present invention may be friction-welded, and the counterpart material may be a carbon steel for mechanical structures such as S45C or SCr420H, alloy steel, V-added steel, B-added steel, etc. You may select and combine on the basis of various characteristics. In addition, the shape of the steel materials to be friction welded may be different or the same or similar. Of course, a combination of bars, a head (round material, square material, umbrella material, ring material) Etc.) and a bar material to be used as a shaft.

これら摩擦圧接による複合材は、主として、摩擦圧接ままで使用されるが、接合される鋼材が合金鋼の場合は、浸炭、窒化、浸炭窒化などの表面硬化処理を施され、次いで、合金鋼側だけが焼戻し処理されて、機械構造部品とされることも許容される。なお、機械構造部品としての用途に応じて、公知の防錆処理や防錆被覆などの適当な表面処理が施されても良い。   These friction welding composite materials are mainly used as friction welding, but when the steel material to be joined is alloy steel, it is subjected to surface hardening treatment such as carburizing, nitriding, carbonitriding, and then the alloy steel side. Only the tempering process can be made into machine structural parts. In addition, according to the use as a machine structural component, suitable surface treatments, such as a well-known antirust process and antirust coating, may be given.

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limitedly interpreted by this Example.

表1〜3に示す種々の成分組成の鋼材を、表4〜7に示す通り、熱間圧延あるいは熱間鍛造の温度、保持時間、500℃までの冷却速度などを制御し、固溶V量とフェライト粒とパーライト粒との平均面積比などを作り分けて製造した。そして、機械構造部品を模擬して、これら鋼材を、これら鋼材同士および相手材をS45C、SCr420Hの鋼材として、各々摩擦圧接して複合材とした。   As shown in Tables 4 to 7, the steel materials having various composition shown in Tables 1 to 3 are controlled in terms of the temperature of hot rolling or hot forging, the holding time, the cooling rate to 500 ° C., and the like. And the average area ratio of ferrite grains and pearlite grains was made separately. Then, by simulating machine structural parts, these steel materials were made into composite materials by friction welding with these steel materials and the counterpart materials as steel materials of S45C and SCr420H.

製造した素材鋼材の、固溶V量を表1に、また、固溶N量や、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比などを表4〜7に示す。また、摩擦圧接後の鋼材部分のフェライト粒径や、複合鋼材(摩擦圧接部品)の衝撃特性、回転曲げ疲労特性の測定、評価をなどを、各々表4〜7に示す。ここで、表1は表4、5に、表2は表6に、表3は表7に各々対応して(続いて)いる。   Table 1 shows the solid solution V amount of the manufactured material steel, and Tables 4 to 7 show the solid solution N amount, the average area ratio of ferrite grains and pearlite grains, and the like. In addition, Tables 4 to 7 show the ferrite grain size of the steel material part after friction welding, the measurement and evaluation of impact characteristics and rotational bending fatigue characteristics of composite steel materials (friction welding parts), respectively. Here, Table 1 corresponds to Tables 4 and 5, Table 2 corresponds to Table 6, and Table 3 corresponds to (follows) Table 7.

鋼材の製造条件:
表1、2と表4、5、6の鋼材は、熱間圧延により、下記の製造条件によって、丸棒として製造した。
溶解・鋳造:供試鋼150kgを真空誘導炉で溶解し、上面:φ245mm×下面:φ210mm×長さ:480mmのインゴットに鋳造した。
ビレット鍛造:このインゴットを1200℃に加熱して、ビレット(155mm角)に熱間鍛造し、冷却した。
切断、溶接:この鍛造ビレットの端部を切断し、ダミービレット(155mm角×9〜10m長さ)を溶接した。
熱間圧延:このダミービレット溶接後のビレットを950〜1250℃に加熱後、Φ80mmの丸棒に圧延し、その温度で1〜50分保持後、0.05〜12℃/sで冷却した。
Steel production conditions:
The steel materials of Tables 1, 2, and 4, 5, and 6 were manufactured as round bars by hot rolling under the following manufacturing conditions.
Melting / casting: 150 kg of the test steel was melted in a vacuum induction furnace and cast into an ingot having an upper surface: φ245 mm × lower surface: φ210 mm × length: 480 mm.
Billet forging: This ingot was heated to 1200 ° C., hot forged into a billet (155 mm square), and cooled.
Cutting and welding: The end of this forged billet was cut and a dummy billet (155 mm square × 9 to 10 m long) was welded.
Hot rolling: The billet after the dummy billet welding was heated to 950 to 1250 ° C., rolled into a round bar of Φ80 mm, held at that temperature for 1 to 50 minutes, and then cooled at 0.05 to 12 ° C./s.

一方、表3、7の鋼材は、熱間鍛造により、下記の製造条件によって丸棒として製造した。溶解・鋳造、ビレットの熱間鍛造およびダミービレット溶接までは、上記熱間圧延材と同じと同じ条件で製造し、ビレットを1050℃加熱後、Φ80mmの丸棒に熱間鍛造し、その温度で10分保持後、0.6℃/sで冷却した。   On the other hand, the steel materials of Tables 3 and 7 were manufactured as round bars by hot forging under the following manufacturing conditions. Manufacturing up to melting / casting, hot forging of billet and dummy billet welding under the same conditions as the above hot rolled material, heating billet to 1050 ° C, hot forging to 80mm round bar, at that temperature After holding for 10 minutes, it was cooled at 0.6 ° C./s.

固溶N量の測定:
本発明における「固溶N量」の値は、JIS G 1228に準拠し、鋼中の全N量から全N化合物を差し引くことで鋼中の固溶N量を算出した。
(a)鋼中の全N量は、不活性ガス融解法−熱伝導度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、サンプルをるつぼに入れ、不活性ガス気流中で融解してNを抽出し、熱伝導度セルに搬送して熱伝導度の変化を測定した。
(B)鋼中の全N化合物量は、アンモニア蒸留分離インドフェノール青吸光光度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、10%AA系電解液(鋼表面に不働態皮膜を生成させない非水溶媒系の電解液であり、具体的には10%アセチルアセトン、10%塩化テトラメチルアンモニウム、残部:メタノール)中で、定電流電解を行なう。約0.5gサンプルを溶解させ、不溶解残渣(N化合物)を穴サイズが0.1μmのポリカーボネート製のフィルタでろ過する。不溶解残渣を硫酸、硫酸カリウム及び純Cuチップ中で加熱して分解し、ろ液に合わせる。この溶液を水酸化ナトリウムでアルカリ性にした後、水蒸気蒸留を行い、留出したアンモニアを希硫酸に吸収させる。フェノール、次亜塩素酸ナトリウム及びペンタシアノニトロシル鉄(III)酸ナトリウムを加えて青色錯体を生成させ、光度計を用いて、その吸光度を測定した。
上記の方法によって求めた鋼中の全N量から、全N化合物量を差し引くことで鋼中の固溶N量を算出した。
Measurement of the amount of solute N:
The value of “solid solution N amount” in the present invention was calculated in accordance with JIS G 1228 by subtracting all N compounds from the total N amount in steel.
(a) The total amount of N in steel uses an inert gas melting method-thermal conductivity method. A sample was cut from the test steel material, put in a crucible, melted in an inert gas stream, extracted N, transported to a thermal conductivity cell, and the change in thermal conductivity was measured.
(B) The amount of total N compounds in steel is determined by ammonia distillation separation indophenol blue absorptiometry. A sample is cut out from the test steel material, 10% AA electrolyte (non-aqueous solvent electrolyte that does not produce a passive film on the steel surface, specifically 10% acetylacetone, 10% tetramethylammonium chloride, Constant current electrolysis is performed in the remainder: methanol). About 0.5 g sample is dissolved, and the insoluble residue (N compound) is filtered through a polycarbonate filter having a hole size of 0.1 μm. The insoluble residue is decomposed by heating in sulfuric acid, potassium sulfate and pure Cu chips and combined with the filtrate. After making this solution alkaline with sodium hydroxide, steam distillation is performed, and the distilled ammonia is absorbed by dilute sulfuric acid. Phenol, sodium hypochlorite and sodium pentacyanonitrosyl iron (III) were added to form a blue complex, and the absorbance was measured using a photometer.
The amount of solute N in the steel was calculated by subtracting the amount of all N compounds from the total amount of N in the steel determined by the above method.

フェライトとパーライトとの平均面積比の測定方法:
前記製造後の各丸棒を長手方向の中心で切断し、切断面(長手方向に対して90°方向の径方向断面)を樹脂に埋め込み、エメリー紙、ダイヤモンドバフで試料表面を鏡面研磨後、表面をナイタールでエッチングした。これを光学顕微鏡を用い、D/4位置を倍率400倍で観察し、5箇所写真撮影した。この撮影写真を、Image Pro Plusを用い、画像を2値化し、フェライト粒(相)を白色、パーライト粒(相)を黒色とした。前記図1(a)、図2(a)はこの一例を示している。
Method for measuring the average area ratio of ferrite and pearlite:
Cut each round bar after manufacture at the center in the longitudinal direction, embed the cut surface (radial cross section in the 90 ° direction relative to the longitudinal direction) in resin, and mirror-polish the sample surface with emery paper and diamond buff; The surface was etched with nital. Using an optical microscope, the D / 4 position was observed at a magnification of 400 times and five photographs were taken. The image was binarized using Image Pro Plus, and the ferrite grains (phase) were white and the pearlite grains (phase) were black. FIG. 1A and FIG. 2A show an example of this.

そして、これら画像の各粒(相)のそれぞれの最大直径から、各視野におけるフェライトとパーライトの平均結晶粒径を求め、この平均結晶粒径から、フェライト粒とパーライト粒との各平均面積を求めた。そして、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比、フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積を算出し、これら5視野の平均値をフェライト/パーライトの平均面積比とした。なお、ここで、発明例、比較例を問わず、本実施例における全ての例の組織は、前記図1(a)、図2(a)に示した、フェライト粒とパーライト粒とのみの混相からなるものであった。   Then, the average crystal grain size of ferrite and pearlite in each visual field is obtained from the maximum diameter of each grain (phase) of these images, and the average area of ferrite grains and pearlite grains is obtained from this average crystal grain size. It was. And the average area ratio of a ferrite grain and a pearlite grain and the average area of a ferrite grain / the average area of a pearlite grain were computed, and the average value of these 5 fields of view was made into the average area ratio of a ferrite / pearlite. Here, regardless of invention examples and comparative examples, the structure of all examples in this example is a mixed phase of only ferrite grains and pearlite grains shown in FIGS. 1 (a) and 2 (a). It consisted of.

摩擦圧接試験:
前記熱処理後の各丸棒の長手方向に沿って、D/4位置からφ20mm×100mmLの棒材(試験片)を切出した。自動摩擦圧接機として日東制機(株)製の製品名FF−4511−Cを用い、ブレーキ法によって摩擦圧接した。即ち、前記切出した棒材同士、および前記切出した棒材の相手材をS35C、熱間鍛造非調質鋼として、各々長手方向に端部同士を突き合わせた丸棒複合鋼材(鋼部品)として、各々摩擦圧接した。摩擦圧接は、各例とも共通して以下の条件に従って行った。
Friction welding test:
A bar (test piece) of φ20 mm × 100 mmL was cut out from the D / 4 position along the longitudinal direction of each round bar after the heat treatment. A product name FF-4511-C manufactured by Nitto Seiki Co., Ltd. was used as an automatic friction welding machine, and friction welding was performed by a brake method. That is, as the round bar composite steel material (steel part) in which the ends are butted against each other in the longitudinal direction as S35C, hot forged non-heat treated steel, and the cut bar material, and the counterpart material of the cut bar material, Each was friction welded. Friction welding was performed in accordance with the following conditions in common with each example.

摩擦圧接条件:
摩擦圧力:80MPa、摩擦時間:7sec、
アップセット圧力(接合部への丸棒両端部からの加圧力):160MPa、
アップセット時間(接合部への加圧時間):7sec、
回転数:1600rpm、
全寄りしろ:5〜12mm(当初の丸棒長さからの縮み量)
Friction welding conditions:
Friction pressure: 80 MPa, friction time: 7 sec,
Upset pressure (pressure applied from both ends of the round bar to the joint): 160 MPa,
Upset time (pressurization time to the joint): 7 sec.
Rotation speed: 1600 rpm,
Total margin: 5-12mm (shrinkage from the original round bar length)

摩擦圧接後の組織評価:
フェライト相の同定、大きさの評価は以下のように行なった。摩擦圧接後のサンプルを接合面(圧接面)の水平方向中心で切断し、冷間樹脂に埋め込み、エメリー紙、ダイヤモンドバフ、電解研磨で試料表面を鏡面研磨した。そして、この試料表面が、組織を観察、測定される表面として、摩擦圧接によって接合された接合部界面から1mmまでの深さの範囲内となるようにした。この試料表面を400倍の倍率の光学顕微鏡で観察・画像撮影した。そして、更に、結晶方位解析装置(EBSP)を用い、この光学顕微鏡による画像を解析して、BCCをフェライトとし、円相当直径をフェライト粒の直径として測定した。
Evaluation of structure after friction welding:
Identification of the ferrite phase and evaluation of the size were performed as follows. The sample after friction welding was cut at the center in the horizontal direction of the joint surface (pressure contact surface), embedded in cold resin, and the sample surface was mirror-polished with emery paper, diamond buffing, and electrolytic polishing. Then, the surface of the sample was made to be within a depth range of 1 mm from the joint interface joined by friction welding as a surface on which the structure was observed and measured. The sample surface was observed and photographed with an optical microscope having a magnification of 400 times. Further, using a crystal orientation analyzer (EBSP), an image obtained by this optical microscope was analyzed, and BCC was measured as ferrite, and the equivalent circle diameter was measured as the diameter of ferrite grains.

衝撃特性評価:
Φ20mm×約200mmLの前記摩擦接合品(丸棒複合鋼材)の中央位置から、接合部分がノッチ底となるように、JIS Z 2242に準拠し、1辺が10mmの正方形断面×55mmLのシャルピー試験片を作製した。なお、ノッチ形状は、Uノッチとし、ノッチ半径1mm、ノッチ深さ2mmとした。 次いで、シャルピー衝撃試験機にて、試験片の衝撃特性評価を行った。試験条件は、室温、負荷速度5m/sの条件で、5回行い、シャルピー衝撃値(吸収エネルギー)を測定した。そして、全ての接合部品で、吸収エネルギーが30J(ジュール)以上となる複合鋼材を合格とした。表4から7に記載したシャルピー値は、全てこの吸収エネルギーの値(単位:J)を示す。
Impact property evaluation:
Charpy test piece having a square cross section of 55 mmL and a square side of 10 mm in accordance with JIS Z 2242 so that the joining portion becomes a notch bottom from the center position of the friction bonded product (round bar composite steel material) of Φ20 mm × about 200 mmL Was made. The notch shape was a U notch, a notch radius of 1 mm, and a notch depth of 2 mm. Subsequently, the impact characteristic evaluation of the test piece was performed with the Charpy impact tester. The test conditions were room temperature and a load speed of 5 m / s. The test was performed 5 times, and the Charpy impact value (absorbed energy) was measured. And in all joining components, the composite steel material from which absorbed energy became 30J (joule) or more was set as the pass. All Charpy values listed in Tables 4 to 7 indicate the value of the absorbed energy (unit: J).

疲労特性評価
Φ20mm×約200mmLの前記摩擦接合品(丸棒複合鋼材)の中央位置から、JIS Z 2274に準拠し、標点間直径がφ6mmの1号試験片を作製した。
次いで、回転曲げ疲労試験機にて、試験片の回転曲げ疲労特性評価を行った。試験条件は、周波数20Hzで負荷応力700MPaから200MPaの間で変化させ、10回寿命に相当する応力(MPa)を求め、これを疲労強度の指標とした。本実施例では、全ての接合部品で、疲労限応力が300MPa以上となる複合鋼材を合格とした。表4から7に記載した10回寿命は、全て、この疲労限応力(単位:MPa)を示す。
Fatigue property evaluation A No. 1 test piece having a diameter between gauges of φ6 mm was prepared from the center position of the friction bonded product (round bar composite steel material) of Φ20 mm × about 200 mmL according to JIS Z2274.
Subsequently, the rotating bending fatigue characteristic evaluation of the test piece was performed with the rotating bending fatigue testing machine. The test conditions were changed at a frequency of 20 Hz between a load stress of 700 MPa and 200 MPa, and a stress (MPa) corresponding to 10 7 times life was obtained, which was used as an index of fatigue strength. In this example, a composite steel material having a fatigue limit stress of 300 MPa or more was regarded as acceptable for all joined parts. The 10 7 times life described in Tables 4 to 7 all indicate this fatigue limit stress (unit: MPa).

表1と対応する表4、5の圧延材の一部(鋼種1F−1、5、9、12、13を除く)と、表2と対応する表6の圧延材鋼種2A〜2K、表3と対応する表7の鍛造材鋼種全ては、発明例である。これらの発明例は、固溶Vを含む鋼成分組成や、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比を含む組織が、本発明条件を満足する。この結果、前記摩擦圧接された複合材として、自動車のエンジン部品などに要求される衝撃特性、曲げ疲労特性が優れている。   Table 1 and some of the rolled materials in Tables 4 and 5 (except for steel types 1F-1, 5, 9, 12, and 13), Table 2 and the corresponding rolled material steel types 2A to 2K in Table 6 and Table 3 All the forging steel types in Table 7 corresponding to are invention examples. In these invention examples, the steel component composition containing solute V and the structure including the average area ratio of ferrite grains and pearlite grains satisfy the conditions of the present invention. As a result, the friction-welded composite material has excellent impact characteristics and bending fatigue characteristics required for automobile engine parts and the like.

これに対して、表1と対応する表4の圧延材の一部、鋼種1F−1、1F−5、1F−9、1F−12、1F−13、および表2と対応する表6の圧延材鋼種2L〜2Zは比較例であり、自動車のエンジン部品などに要求される衝撃特性、曲げ疲労特性が、発明例に比して著しく劣っている。   On the other hand, a part of the rolling material of Table 4 corresponding to Table 1, steel types 1F-1, 1F-5, 1F-9, 1F-12, 1F-13, and rolling of Table 6 corresponding to Table 2 The steel types 2L to 2Z are comparative examples, and the impact characteristics and bending fatigue characteristics required for automobile engine parts and the like are significantly inferior to those of the invention examples.

表4の圧延材の比較例鋼種1F−1、1F−5、1F−9、1F−12、1F−13は、表1の通り、V量を含めて鋼成分組成は本発明条件を満足する。しかし、これらの鋼種は、他の発明例の鋼種1Fに比して、適正な固溶N量を得るための圧延条件(製造条件)が不適正であり、本発明の組織要件を満たさない。したがって、衝撃特性、曲げ疲労特性が、他の発明例の鋼種1Fに比して著しく劣っている。
鋼種1F−1は圧延温度が低すぎるため、固溶N量が上限値を外れている。
鋼種1F−5は圧延後の保持時間が短かすぎるため、固溶N量が上限値を外れている。
鋼種1F−9は保持後の冷却速度が遅すぎるため、摩擦圧接後の粒径が粗大化している。
鋼種1F−12、1F−13は保持後の冷却速度が速すぎるため、フェライト粒とパーライト粒との分率が低すぎる。
Comparative Examples of Rolled Materials in Table 4 Steel types 1F-1, 1F-5, 1F-9, 1F-12, 1F-13, as shown in Table 1, the steel component composition including the V amount satisfies the conditions of the present invention. . However, these steel types are inadequate in rolling conditions (manufacturing conditions) for obtaining an appropriate amount of solute N as compared with steel type 1F of other invention examples, and do not satisfy the structural requirements of the present invention. Therefore, impact characteristics and bending fatigue characteristics are remarkably inferior compared with the steel type 1F of other invention examples.
Since the rolling temperature of steel type 1F-1 is too low, the amount of solute N is outside the upper limit.
In Steel Type 1F-5, the retention time after rolling is too short, so the amount of solute N is outside the upper limit.
In Steel Type 1F-9, the cooling rate after holding is too slow, so the particle size after friction welding is coarsened.
In steel types 1F-12 and 1F-13, the cooling rate after holding is too fast, so the fraction of ferrite grains and pearlite grains is too low.

表2の通り、比較例鋼種2L〜2Zまでの鋼種は、主要な元素の含有量や、固溶V量、固溶N量などが、本発明で規定する範囲(上下限値)を外れている。この結果、これら比較例は、前記摩擦圧接された複合材として、自動車のエンジン部品などに要求される衝撃特性、曲げ疲労特性が、表6の通り、発明例に比して著しく劣っている。   As shown in Table 2, the steel types of Comparative Example Steel Types 2L to 2Z are out of the ranges defined by the present invention (upper and lower limits) in terms of the content of main elements, the amount of solute V, the amount of solute N, and the like. Yes. As a result, as shown in Table 6, the comparative examples are significantly inferior to the invention examples in terms of impact characteristics and bending fatigue characteristics required for automobile engine parts and the like as the friction-welded composite materials.

このうち、鋼種2X、2Y、2Zは、圧延条件(製造条件)は適正であるものの、元々のV量や固溶V量が本発明で規定する上限値を外れて多すぎる。
鋼種2Yは鋼材の元々のV量が多すぎ、前記摩擦圧接された複合材として、自動車のエンジン部品などに要求される靭性や衝撃特性などが低い。
鋼種2Xも鋼材の元々のV量が少なすぎ、固溶V量が少なすぎる。このため、フェライト/パーライトの比が1に近く、マルテンサイトになってしまい、前記靭性や衝撃特性などが低い。
鋼種2Zも鋼材の固溶V量が判定式を満たさず多すぎる。このため、やはり、フェライト/パーライトの比が1に近く、マルテンサイトになってしまい、前記靭性や衝撃特性などが低い。
Among these, the steel types 2X, 2Y, and 2Z have appropriate rolling conditions (manufacturing conditions), but the original V amount and solute V amount are too much outside the upper limit values defined in the present invention.
Steel type 2Y has an excessive amount of V of the steel material, and the toughness and impact characteristics required for automobile engine parts and the like are low as the friction-welded composite material.
In steel type 2X, the original V amount of the steel material is too small, and the solute V amount is too small. For this reason, the ferrite / pearlite ratio is close to 1, resulting in martensite, and the toughness and impact characteristics are low.
In steel type 2Z, the solid solution V amount of the steel material does not satisfy the judgment formula and is too much. Therefore, the ferrite / pearlite ratio is close to 1, resulting in martensite, and the toughness and impact characteristics are low.

更に、鋼種2L〜2Zまでの鋼種は主要な元素の含有量が、本発明で規定する範囲(上下限値)を外れている。
鋼種2L、2MはC含有量が上下限を各々外れている。
鋼種2N、2OはSi含有量が上下限を各々外れている。
鋼種2P、2QはMn含有量が上下限を各々外れている。
鋼種2RはP含有量が上限を外れている。
鋼種2SはS含有量が上限を外れている。
鋼種2TはCr含有量が上限を外れている。
鋼種2U、2VはAl含有量が上下限を各々外れている。
鋼種2WはN含有量が上限を外れている。
Furthermore, in the steel types 2L to 2Z, the content of main elements is outside the range (upper and lower limit values) defined in the present invention.
In steel types 2L and 2M, the C content deviates from the upper and lower limits.
In the steel types 2N and 2O, the Si content deviates from the upper and lower limits.
In steel types 2P and 2Q, the Mn content deviates from the upper and lower limits.
In the steel type 2R, the P content is outside the upper limit.
In the steel type 2S, the S content is outside the upper limit.
In steel type 2T, the Cr content is outside the upper limit.
In steel types 2U and 2V, the Al content deviates from the upper and lower limits.
In the steel type 2W, the N content is outside the upper limit.

したがって、以上の実施例の結果から、本発明における鋼材の成分組成や組織、製法の、前記摩擦圧接された複合材として要求される衝撃特性、曲げ疲労特性を得るための臨界的な意義乃至効果が裏付けられる。   Therefore, from the results of the above examples, the critical significance or effect for obtaining the impact characteristics and bending fatigue characteristics required for the friction-welded composite of the composition, structure, and manufacturing method of the steel material according to the present invention. Is supported.

Figure 2012041601
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本発明によれば、疲労強度、衝撃強度などの部品特性を向上させた、摩擦圧接に適した機械構造用の鋼材および摩擦圧接部品を提供できる。このため、自動車のエンジン、変速機、差動機などに用いられるピストンピンなどのエンジン部品、歯車、シャフト、コンロッドなどの、摩擦圧接された機械構造部品として、好適に用いることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the steel materials and friction welding components for machine structures suitable for friction welding which improved component characteristics, such as fatigue strength and impact strength, can be provided. For this reason, it can be suitably used as an engine component such as a piston pin used in an automobile engine, a transmission, a differential, or the like, or a mechanical structure component such as a gear, a shaft, or a connecting rod, which is friction-welded.

Claims (5)

質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.02〜2.0%、Mn:0.7〜3.0%、P:0.03%以下(但し0%を含まない)、S:0.005〜0.1%、Cr:1%以下(但し0%を含まない)、Al:0.005〜0.1%、N:0.02%以下(但し0%を含まない)、V:0.03〜0.5%を各々含み、固溶[V]=[V]−3.6[N]([V]はV含有量、[N]はN含有量)で計算される固溶Vを0.01%以上含む一方で、固溶Nを0.001%以下(0%を含む)に規制し、残部は鉄および不可避不純物からなるとともに、鋼組織が、フェライト粒とパーライト粒との平均面積比(フェライト粒平均面積/パーライト粒平均面積)が0.05以上、0.5以下であるとともに、フェライト−パーライトの合計の面積率が全組織に対して90%以上である、フェライト粒とパーライト粒との混相からなることを特徴とする摩擦圧接に適した機械構造用鋼材。   In mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.02 to 2.0%, Mn: 0.7 to 3.0%, P: 0.03% or less (including 0%) S): 0.005 to 0.1%, Cr: 1% or less (excluding 0%), Al: 0.005 to 0.1%, N: 0.02% or less (provided 0%) V: 0.03 to 0.5% each, solid solution [V] = [V] -3.6 [N] ([V] is V content, [N] is N content) The amount of solid solution V calculated in (quantity) is 0.01% or more, while the amount of solid solution N is restricted to 0.001% or less (including 0%), the balance is made of iron and inevitable impurities, and the steel structure However, the average area ratio of ferrite grains to pearlite grains (average area of ferrite grains / average area of pearlite grains) is not less than 0.05 and not more than 0.5, and the total area ratio of ferrite-pearlite is based on the total structure. Over 90% That the machine structural steel suitable for friction welding, characterized by comprising a mixed phase of ferrite grains and pearlite grains. 前記機械構造用鋼が、更に他の元素として、Ti:0.2%以下(但し0%を含まない)、Nb:0.2%以下(但し0%を含まない)、B:0.01%以下(但し0%を含まない)、Mo:1%以下(但し0%を含まない)、Cu:1%以下(但し0%を含まない)、Ni:1%以下(但し0%を含まない)の内の1種または2種以上を含む請求項1に記載の摩擦圧接に適した機械構造用鋼。   In the steel for machine structure, Ti: 0.2% or less (excluding 0%), Nb: 0.2% or less (excluding 0%), B: 0.01 as other elements % Or less (excluding 0%), Mo: 1% or less (excluding 0%), Cu: 1% or less (excluding 0%), Ni: 1% or less (excluding 0%) The steel for machine structural use suitable for friction welding according to claim 1, comprising one or more of the following. 前記機械構造用鋼が、更に他の元素として、Ca:0.02%以下(但し0%を含まない)、REM:0.02%以下(但し0%を含まない)、Li:0.005%以下(但し0%を含まない)、Mg:0.005%以下(但し0%を含まない)のいずれか1種または2種以上を含む請求項1または2に記載の摩擦圧接に適した機械構造用鋼。   In the steel for machine structure, as other elements, Ca: 0.02% or less (excluding 0%), REM: 0.02% or less (excluding 0%), Li: 0.005 % Or less (however, not including 0%), Mg: 0.005% or less (not including 0%), or any one or more of them is suitable for friction welding according to claim 1 or 2. Steel for machine structure. 請求項1乃至3のいずれかに記載の機械構造用鋼が、鍛造あるいは切削により所望の形状に成形された後に、摩擦圧接によって同じ機械構造用鋼材同士あるいは他の鋼材と接合された複合鋼材とされた衝撃特性、曲げ疲労特性に優れた摩擦圧接部品。   The steel for machine structure according to any one of claims 1 to 3 is formed into a desired shape by forging or cutting, and then a composite steel material joined to the same steel for machine structure or other steel materials by friction welding. Friction welded parts with excellent impact and bending fatigue properties. 前記摩擦圧接部品が、前記摩擦圧接によって接合された接合部界面から1mmまでの深さの範囲において、フェライト粒の平均粒径が5μm以下である請求項4に記載の衝撃特性、曲げ疲労特性に優れた摩擦圧接部品。   5. The impact characteristics and bending fatigue characteristics according to claim 4, wherein the average diameter of the ferrite grains is 5 μm or less in a depth range from the joint interface where the friction welding parts are joined by the friction welding to 1 mm. Excellent friction welding parts.
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