JP2013151724A - 機械構造部品用鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた加工性を有する機械構造部品用鋼板を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：0.15％以上0.35％未満、Si：0.30％以下、Mn：0.30〜1.50％、Ｓ：0.02％以下、Cr：0.01〜0.30％、Ti：0.002〜0.030％、Al：0.070％以下およびＮ：0.0070％以下を含有し、さらに下記式(1)および式(2)を満足する量のＰおよびＢを含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、硬さがHRBで95以下である、焼入れまま又は焼入れ後に400℃以下の焼戻しが施される機械構造部品用鋼板。0.018×Ｓｉ^0.5≦Ｐ≦0.2×(31／11)×(Ｂ^＊)^0.5(1)0.0005≦Ｂ^＊≦0.0050(2)Ｂ^＊は下記式(3)および式(4)により規定される。Ｂ^＊＝max［Ｂ−(11／14)×Ｎ^＊，０］(3)Ｎ^＊＝max［Ｎ−(14／48)×Ｔｉ，０］(4)
【選択図】図３

Description

本発明は、焼入れまたは焼入れ焼戻しが施される鋼板に関する。より詳しくは、本発明は、焼入れ前においては良好な表面性状と優れた加工性とを有するとともに、焼入れ後または焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを備える鋼板部材を得ることが可能な、機械構造部品用鋼板に関する。

自動車、オートバイおよび自転車等の乗り物や各種産業機械に使用されるギアや、ワッシャー、インナーレース等の部品の製造は、その素材となる鋼板を打抜いて、焼入れまま、もしくは焼入れ焼戻し、オーステンパーといった熱処理や、場合によっては、浸炭を施した上で、板厚中心部がＨＲＣで３８〜４５の硬度にすることにより行われている。このような用途に使用される鋼板素材としては、熱延鋼板を酸洗した酸洗鋼板、さらにそれを焼鈍した鋼板、および冷延鋼板が使用されることが多い。

この種の機械構造部品は、使用上強度が要求され、さらに使用条件を考えると、優れた靭性も要求される。具体的には、シャルピー試験において３０Ｊ／ｃｍ²程度の値を示す必要があるとみられる。

一方、素材の硬さとしては、打抜き性等の加工性の観点からＨＲＢで９５以下が要求される。
ここで、上記焼戻しは、焼戻し脆性が生じる温度域を回避するために、４００℃をやや超える程度の温度域で行われている。このような高温域での焼戻しの後に上記硬度を確保するには、Ｃを０.３５質量％以上含有する鋼種を使用する必要がある。このため、鋼種としてＳ３５Ｃ〜Ｓ５０Ｃ鋼等が適用されている。

しかしながら、Ｓ３５Ｃ〜Ｓ５０Ｃ鋼はＣ含有量が高いため、焼入れ前の鋼板は強度が高く加工性に劣り、焼入れ焼戻し後の鋼板部材は靭性に劣る。また、上述したように焼戻しを高温域で行わざるをえないため、製造コストが嵩む。

これに対し、炭素含有量が０.４０質量％以下程度の鋼について、炭化物の球状化の状態やフェライト粒径をはじめとする鋼組織、鋼の化学組成、或いは製造条件を特定した提案が数多くなされている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

特開平１１−２５６２７２号公報 特開２００４−１９７２１３号公報 特開２００６−２９１２３７号公報

従来の鋼板には、焼入れ後に４００℃以下の温度で焼戻しが施された場合に優れた強度および靱性を示すものはほとんどなかった。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、焼入れ前においては、良好な表面性状と優れた加工性を有するとともに、焼入れ後または焼戻し温度が４００℃以下の焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを安定して有する鋼部材を得ることが可能な、機械構造部品用鋼板を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく、鋼板の化学組成および焼戻し条件が焼入れ前の鋼板の加工性ならびに焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度および靭性に及ぼす影響について詳細な調査を行った。

その結果、従来技術において脆性確保の観点から忌避されていた４００℃以下という低い温度域の焼戻しでも良好な靭性を確保でき、したがって当該温度域での焼戻しを可能とする化学組成を新たに見出した。そして、これにより、焼入れ前においては優れた加工性を確保でき、焼入れ後または焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを確保できることを新たに見出したのである。

すなわち、本発明は以下の新たな知見に基づくものである。
（１）従来から使用されているＳ３５Ｃ〜Ｓ５０Ｃ鋼のようなＣ含有量の高い材料では、焼入れ前において優れた加工性を確保し、かつ、焼入れ焼戻し後の鋼板部材において優れた靭性を確保することはできない。

（２）これらの特性を確保するにはＣ含有量を低減させる必要があるが、従来の技術思想の延長線上ではＣ含有量を低減させることはできないか、できたとしても焼入れ前において優れた加工性を確保することはできなかった。

（３）その理由は以下のとおりである。
図１は、Ｓｉ：０.２１％、Ｍｎ：０.６１％、Ｐ：０.０１２％、Ｓ：０.００７％、Ｃｒ：０.１５％、Ｔｉ：０.００１％、ｓｏｌ.Ａｌ：０.０３４％、Ｎ：０.００４０％を基本組成として、Ｃ含有量のみを変化させた化学組成（％は質量％、以下同じ）を有する熱延鋼板に、８７０℃に２０分間保持したのちに油焼入れを施し、その後各温度で３０分間の焼戻しを施した場合における、焼戻し温度が焼入れ焼戻し後の鋼板の表面硬度に及ぼす影響を示すグラフである。

この図に示されるように、焼入れままの硬度はＣ含有量によって決定され、焼戻し温度が高温になるにしたがって表面硬度は低下する。この図より、焼戻し後にＨＲＣで３８〜４５の硬度を確保するには少なくともＣ含有量は０.１５％以上とする必要がある。しかしながら、４００℃以下の温度域で焼戻しを行うと低温脆性が生じてしまい、焼入れ焼戻し後において優れた靭性を確保することはできないから、焼戻し温度を４００℃以上とする必要がある。４００℃以上での焼戻し後に３８以上のＨＲＣを得るには、０.４０％以上のＣ含有量が必要となる。

一方、Ｃ含有量の低減に伴う焼入れ性の低下や焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度（硬度）低下を補償する手段として、Ｍｎのような元素を含有させることが考えられる。しかし、やはり４００℃以上の焼戻しを前提とするため、多量の元素を含有させる必要が生じ、このため焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性を劣化させる。

したがって、従来の技術思想の延長線上ではＣ含有量を低減させることはできないか、できたとしても、今度は焼入れ前に優れた加工性を確保することができなかった。
（４）焼入れ焼戻しのような熱処理後の硬度を確保する方法として、焼戻し温度の低下が考えられるが、上述の（３）にも記したように、低温焼戻し脆性の領域に入り、靭性が低下してしまう。この現象は鋼中のＰの粒界偏析に起因することが知られており、この問題の解決策として、Ｐの低減が考えられる。確かにＰを低減すれば、低温焼戻し脆性は軽減されるが、一方で、Ｐを低減すると熱間圧延時に縞状スケールと称する表面欠陥が発生しやすくなり、そうなると歩留り低下等を招く。

Ｐは、元来、種々の特許等においても、不可避的不純物として取扱われ、なるべく低い方がよいと謳われ、上限が規定されている場合が多かった。しかし、Ｐを極限まで低減するには精錬コストがかかる上、上記の表面欠陥の問題を招きかねない。そこで、本発明者らは、Ｐを積極的に活用し、美麗な表面性状を確実に確保することを前提にした。すなわち、Ｐを低減しなくても、４００℃以下の低温焼戻しにおいて低温脆性が回避できる鋼板を開発することを目指した。この点において、本発明は従来技術とは本質的に異なる。

（５）本発明者らは、Ｓｉ、Ｐ、Ｂのバランスを管理することにより、（ａ）鋼板表面を美麗にし、これによって生じる歩留り低下の解決を図れること、（ｂ）Ｃ含有量の低減に伴う焼入れ性の低下を補償できること、（ｃ）低温脆性を惹き起こすＰの粒界偏析を抑制して低温での焼戻しを可能にし、これによってＣ含有量の低減に伴う焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度（硬度）低下を補償することができること、および（ｄ）焼入れ前の鋼板の強度を低下させることができ、加工性を著しく向上させることができること、を新たに知見した。

（６）Ｂによる焼入れ性向上に加え、Ｐの粒界偏析抑制が固溶状態にあるＢによってもたらされることから、所定の焼入れ性を確保し、かつ４００℃以下の低温域での焼戻しを可能にするには、Ｎ含有量に応じてＢの含有量の下限を決定するとともに、固溶状態にあるＢ含有量に応じてＰ含有量の上限を決定することが必要である。

図２および図３は、後述する実施例のＮｏ.１〜４１の熱延鋼板に対して、８７０℃に２０分間保持した後に油焼入を行う焼入れ処理を施し、さらにＨＲＣで４０前後となるように２５０〜４００℃の温度域で３０分間保持する焼戻し処理を施した後の、シャルピー衝撃値に及ぼす化学組成、特にＳｉ、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｔｉの影響を示すグラフである。

これらの図に示されるように、また、Ｂの作用効果について後述するように、Ｐによる表面性状改善作用とＢによる焼入れ性向上作用およびＰの粒界偏析抑制作用との双方の効果を確実に得るとともにスラブ段階での割れや熱間圧延時の絞込みを抑制するには、下記式（１）および（２）を満足する化学組成とすることが必要である：
０.０１８×Ｓｉ^0.5≦Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 （１）
０.０００５≦Ｂ^＊≦０.００５０ （２）
式中のＳｉおよびＰは、当該元素の含有量（質量％）を表し、Ｂ^＊は下記式（３）および式（４）により規定される：
Ｂ^＊＝ｍａｘ［Ｂ−(１１／１４)×Ｎ^＊，０］ （３）
Ｎ^＊＝ｍａｘ［Ｎ−(１４／４８)×Ｔｉ，０］ （４）
式中のＢ、Ｎ、Ｔｉは当該元素の含有量（質量％）を表し、ｍａｘ［ ］は［ ］内の引数の最大値を返す関数である。

なお、Ｂ^＊およびＮ^＊は、それぞれ固溶Ｂおよび固溶Ｎの計算値である。
以上の知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
質量％で、Ｃ：０.１５％以上０.３５％未満、Ｓｉ：０.３０％以下、Ｍｎ：０.３０％以上１.５０％以下、Ｓ：０.０２％以下、Ｃｒ：０.０１％以上０.３０％以下、Ｔｉ：０.００２％以上０.０３０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０.０７０％以下およびＮ：０.００７０％以下を含有し、さらに下記式（１）および式（２）を満足する量のＰおよびＢを含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、硬さがＨＲＢで９５以下であることを特徴とする、焼入れまま又は焼入れ後に４００℃以下の焼戻しが施される機械構造部品用鋼板。

０.０１８×Ｓｉ^0.5≦Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 （１）
０.０００５≦Ｂ^＊≦０.００５０ （２）
式中のＳｉおよびＰは、当該元素の含有量（質量％）を表し、Ｂ^＊は下記式（３）および式（４）により規定される：
Ｂ^＊＝ｍａｘ［Ｂ−(１１／１４)×Ｎ^＊，０］ （３）
Ｎ^＊＝ｍａｘ［Ｎ−(１４／４８)×Ｔｉ，０］ （４）
式中のＢ、Ｎ、Ｔｉは当該元素の含有量（質量％）を表し、ｍａｘ［ ］は［ ］内の引数の最大値を返す関数である。

前記化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、下記から選ばれた少なくとも１種の元素をさらに含有しうる（％はいずれも質量％である）：
（ａ）Ｃｕ：０.１５％以下、
（ｂ）Ｎｂ：０.０３０％以下、
（ｃ）Ｎｉ：０.１５％以下、Ｍｏ：０.３０％以下およびＶ：０.１５％以下からなる群から選ばれる１種もしくは２種以上、ならびに
（ｄ）Ｃａ：０.００５０％以下。

本発明に係る、硬さがＨＲＢで９５以下であり、焼入れまま又は焼入れ後に４００℃以下の焼戻しが施される上記機械構造部品用鋼板は、
（Ａ）熱延後に酸洗および焼鈍を受けた鋼板、
（Ｂ）熱延後に冷間圧延および焼鈍を受けた鋼板、または
（Ｃ）熱延後に酸洗、焼鈍、冷間圧延および焼鈍を受けた鋼板、
のいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、焼入れ前においては良好な表面性状と優れた加工性とを有するとともに、焼入後または焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを備える鋼板部材を得ることが可能な、機械構造部品用鋼板が提供される。

Ｃ含有量のみが異なる組成の鋼板について、焼戻し温度が焼入れ焼戻し後の鋼板の表面硬度に及ぼす影響を示すグラフである。 焼入れ処理後にＨＲＣ４０前後となるよう２５０〜４００℃の温度域で３０分間保持する焼戻し処理を施した後の、シャルピー衝撃値に及ぼすＳｉとＰの影響を示すグラフである。 図２と同じ焼入れ処理および焼戻し処理後のシャルピー衝撃値に及ぼす，Ｂ^*（固溶Ｂ計算値）とＰの影響を示すグラフである。

以下に、本発明に係る鋼板の最良の形態や製造条件の範囲およびこれらの設定理由について説明する。なお、本明細書における鋼の化学組成を表す「％」は、特に断りがない場合には質量％を意味する。

１．化学組成
（１）Ｃ：０.１５％以上０.３５％未満
Ｃは、焼入れまたは焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度（硬度）を決定するとともに、焼入れ前の鋼板の加工性（強度）に大きな影響を及ぼす重要な元素である。Ｃ含有量が０.１５％未満では、焼入れまたは焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度を十分に高めることが困難となる。例えば、鋼板部材がワッシャーである場合には、焼入れまたは焼入れ焼戻し後にワッシャー芯部の硬度をＨＲＣで４０〜４５とすることが困難となる。したがって、Ｃ含有量は０.１５％以上とする。一方、Ｃ含有量が０.３５％以上では、焼入れ前の鋼板は強度が高く、打抜き等の加工性が困難となる。したがって、Ｃ含有量は０.３５％未満とする。Ｃ含有量は好ましくは０.３０％以下である。

（２）Ｓｉ：０.３０％以下
Ｓｉは、本発明において重要な意味がある。Ａｌと同様に脱酸剤として有効な元素であり、そのため必要に応じて製鋼作業時に添加が必要となるが、一方で、鋼板表面のスケール欠陥（通称縞状スケールまたは赤スケールとも言う）の発生原因であり、過剰に含有すると製品としての表面品質を著しく損ねることがある。この表面欠陥に対し本発明者らは調査の結果、Ｐの含有量と一定の関係があるという知見を得た。その事実を図２に示す。この図は、Ｓｉに対し、Ｐ≧０.０１８Ｓｉ^0.5で規定される量のＰを含有させると、表面品質が良好に保てることを示している。これによって、ある量までのＳｉが、Ａｌの代わりの脱酸剤として使え、Ａｌを用いて脱酸する場合に生じる、いわゆる介在物であるＡｌ酸化物を低減することが可能となる。一方、Ｓｉは、固溶強化元素でもあり、母材の強度を高くし、加工性を劣化させる。したがって、その上限は０.３０％以下とする。Ｓｉ含有量の下限は特に限定されないが、一般には０.００５％以上である。特にＳｉを添加しなくても、０.０１％程度のＳｉが鋼中に存在することが多い。

（３）Ｍｎ：０.３０％以上１.５０％以下
Ｍｎは、脱酸剤として有効な元素であるとともに、焼入れ時の焼入れ倍数を高め、硬化深度を高めるのに有効な元素でもある。このため、Ｍｎ含有量を０.３０％以上とする。好ましくは０.４０％以上である。一方、Ｍｎを過剰に含有すると、焼入れ前の鋼板の強度が高くなり、加工性が劣化するので、Ｍｎ含有量を１.５０％以下とする。好ましくは１.２％以下である。

（４）Ｐ：Ｐ≧０.０１８×Ｓｉ^0.5 ・・・ (ａ)
Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 ・・・ (ｂ)
Ｂ^＊は、上記式（３）および（４）により定義される。

Ｐは、本発明において重要な元素である。Ｐは、不純物として鋼中に含有されているのが普通であるが、オーステナイト粒界に偏析しやすく、これにより粒界強度を低下させて靭性を著しく劣化させる。したがって、靭性だけに着目するならば、Ｐ含有量は少ないほど好ましい。しかし、本発明では、Ｓｉについて述べたように、表面品質を確保する上でＰが一定の効果を及ぼし、このＰの効果を有効に利用すれば、極めて表面品質のよい鋼板が得られる。すなわち、Ｓｉ含有量に応じて、上記式(ａ)を満たす量のＰを含有させることにより、上述したＰの効果を発揮させることができる。このように、本発明においては、Ｐは単にその含有量を低減させればよいという不純物ではなく、一定量を含有させる元素である。そして、Ｐ含有量の下限は上記式(ａ)により規定される。

一方、本発明においては、後述するようにＢを含有させる。このＢのうち、Ｎと結合してＢＮを形成していない固溶状態にあるＢは、焼入れ時にＰに優先してオーステナイト粒界に偏析し、Ｐの粒界偏析を抑制し、その効果は、１原子当りでＰの約２０倍であることが確認できた。したがって、Ｐ含有量の上限はＢ含有量、より厳密には固溶Ｂ量に応じて緩和されることとなる。この事実を図３に示す。そのため、Ｐ含有量の上限は上記式(ｂ)により規定される。上述したように、Ｂ^＊は固溶Ｂ量の計算値である。

このように、本発明では、ＳｉおよびＢ^*との関係においてＰの含有量が下記式(１)を満足するようにすることによって、Ｓｉによる表面品質の劣化を防止しつつ、Ｐによる靭性の劣化代は回復することができる：
０.０１８×Ｓｉ^0.5≦Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 （１）
式中の各記号の意味は前述した通りである。

（５）Ｓ：０.０２％以下
Ｓは、不純物として鋼中に含有される元素であり、Ｓ含有量が０.０２％超では焼入れまたは焼入れ焼戻し後の鋼板部材の靭性を劣化させる。したがって、Ｓ含有量は０.０２％以下とする。好ましくは、０.０１％以下である。

（６）Ｂ：０.０００５≦Ｂ^＊≦０.００５０ （２）
Ｂ^＊＝ｍａｘ［Ｂ−(１１／１４)×Ｎ^＊，０］ （３）
Ｎ^＊＝ｍａｘ［Ｎ−(１４／４８)×Ｔｉ，０］ （４）
Ｂは、本発明において最も重要な元素である。Ｂは、焼入れ時の焼入れ倍数を高め、鋼板部材の板厚中心部まで焼きを入れるのに有効な元素である。さらに、焼入れ時にＰに優先してオーステナイト粒界に偏析して、低温脆性を惹き起こすＰの粒界偏析を抑制する元素でもある。このようなＢの作用を利用することにより、Ｃ含有量の低減にともなう焼入れ性の低下を補償することのみならず、従来は低温脆性を回避するために忌避されていた４００℃以下の低温焼戻しによっても良好な靭性を確保することを可能にする。その結果、かかる低温焼戻しを適用することによって、低いＣ含有量でありながら、焼戻し後において高い強度を確保することをも可能にする。

すなわち、適正量のＢを含有させることによって、Ｃ含有量の低減と低温焼戻しの適用とを可能にすることにより、焼入れ前においては優れた加工性を有するとともに、焼入れまままたは焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを備える鋼板を得ることが可能になる。

Ｂによるこれらの作用は、Ｂ^＊なる記号で示される、固溶状態にある有効Ｂによってもたらされものである。換言すると、Ｎと結合してＢＮを形成しているＢは、焼入れ性向上およびＰの粒界偏析抑制に寄与しない。そこで、Ｂによる焼入れ性向上作用およびＰの粒界偏析抑制作用による効果を確実に得るために、上記式（３）および（４）で規定されるＢ^＊が０.０００５以上となるようにＢを含有させる。Ｂ^＊は好ましくは０.００１０以上である。一方、固溶Ｂ含有量が過剰になると、スラブ段階での割れや熱間圧延時の絞込みが生じやすくなり、製造が困難になるなどの弊害が現れる。このため、Ｂ^＊が０.００５０以下となるようにＢを含有させる。Ｂ^＊は好ましくは０.００３０以下である。

（７）ｓｏｌ．Ａｌ：０.０７０％以下
Ａｌは、脱酸剤として有効な元素であるので、必要に応じて添加してもよい。一方、過剰に含有すると、表面欠陥を生じ易くなったり、焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化したりする。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０.０７０％以下とする。Ａｌによる脱酸を目的とする場合には、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０.００５％以上とすることが好ましい。なお、脱酸をＳｉのみで行う場合には、Ａｌは添加しなくともよい。

（８）Ｎ：０.００７０％以下
Ｎは、不純物として鋼中に含有される元素であり、上述したようにＢと結びついてＢＮを形成し、固溶状態にある有効Ｂを減少させてしまう。したがって、Ｎ含有量は少ないほど好まく、本発明においては０.００７０％以下とする。好ましくは０.００５０％以下である。

（９）Ｔｉ：０.００２％以上０.０３０％以下
Ｔｉは、Ｂよりも高温域でＮと結合して、ＮをＴｉＮとして固定する作用を有するので、Ｎと結合することにより消費されるＢの量を低減し、有効Ｂを確保するのに有効な元素である。したがって、Ｔｉ含有量を０.００２％以上とする。好ましくは０.００５％以上である。しかし、過剰に含有すると、Ｎに対して過剰なＴｉがＣを結合してＴｉＣを形成し、焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化する。また、炭窒化物を形成することにより、靭性の劣化や焼入れ性の低下を招く。したがって、Ｔｉ含有量を０.０３０％以下とする。好ましくは０.０２５％以下である。

（１０）Ｃｒ：０.０１％以上０.３０％以下
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入れ時の焼入れ倍数を高め、硬化深度を高める有効な元素であり、本発明においても充分な焼入れ性の確保という点で重要な位置付けの元素である。このため、Ｃｒ含有量を０.０１％以上とする。上記効果をより確実に得るには、Ｃｒ含有量を０.０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒを過剰に含有すると、焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化するばかりか、製造コストの増加も招く。このため、Ｃｒ含有量は０.３０％以下とする。好ましくは０.２５％以下である。

以下に説明する元素は、本発明に係る鋼板の化学組成における任意元素である。
（１１）Ｃｕ：０.１５％以下
Ｃｕは、酸洗時の過酸洗を抑制し、酸洗後の表面状態を安定化する作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。一方、過剰に含有すると焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化する。また、コストの増加も招く。このため、Ｃｕ含有量を０.１５％以下とする。好ましくは０.１２％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｃｕ含有量を０.０５％以上とすることが好ましく、０.０８％以上とすることがさらに好ましい。

（１２）Ｎｂ：０.０３０％以下
Ｎｂは、焼入れ時にオーステナイト結晶粒を細粒化し、靭性を向上させる効果を有する有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。一方、過剰に含有すると、炭化物を形成して、焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性を劣化させたり、焼入れ時の焼入れ性を低下させたりする。したがって、Ｎｂ含有量を０.０３０％以下とする。好ましくは０.０２５％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｎｂ含有量を０.００５％以上とすることが好ましく、０.０１０％以上とすることがさらに好ましい。

（１３）Ｎｉ：０.１５％以下
Ｎｉは、靭性向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。一方、Ｎｉは高価な元素であり、過剰な添加は著しいコストの増加を招く。したがって、Ｎｉ含有量を０.１５％以下とする。好ましくは０.１２％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｎｉ含有量を０.０４％以上とすることが好ましく、０.０６％以上とすることがさらに好ましい。

（１４）Ｍｏ：０.３０％以下
Ｍｏも、靭性向上に有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。一方、過剰に含有すると焼入れ前の鋼板の強度が高くなり、加工性が劣化する。また、コストの増加も招く。したがって、Ｍｏ含有量を０.３０％以下とする。好ましくは０.２８％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｍｏ含有量を０.０２％以上とすることが好ましく、０.０５％以上とすることがさらに好ましい。

（１５）Ｖ：０.１５％以下
Ｖは、焼入れ性に一定の効果のある元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。一方、過剰に含有すると焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化する。また、コストの増加も招く。したがって、Ｖ含有量を０.１５％以下とする。好ましくは０.１０％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｖ含有量を０.０１％以上とすることが好ましく、０.０２％以上とすることがさらに好ましい。

（１６）Ｃａ：０.００５０％以下
Ｃａは、特性の異方性低減に有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。一方、過剰に含有すると焼入れ前の鋼板の強度が高くなり加工性が劣化するばかりか、清浄度が悪化してかえって靭性の劣化をまねく場合がある。また、コストの増加も招く。したがって、Ｃａ含有量を０.００５０％以下とする。好ましくは０.００３０％以下である。上記効果をより確実に得るには、Ｃａ含有量を０.００２０％以上とすることが好ましい。

２．硬さ
上述したように、素材の硬さとしては、打抜き性等の加工性の観点からＨＲＢで９５以下であることが要求される。したがって、鋼板の硬さはＨＲＢで９５以下とする。

３．用途
本発明に係る鋼板は、Ｐを積極的に添加することにより、Ｓｉによるスケール発生に起因する表面欠陥が防止され、美麗な表面を有する。さらに、Ｂを含有させることにより、Ｃ含有量の低減に伴う焼入れ性の低下を補償するのみならず、低温脆性を惹き起こすＰの粒界偏析を抑制して低温での焼戻しを可能にし、これによってＣ含有量の低減に伴う焼き入れまたは焼入れ焼戻し後の鋼板部材の強度（硬度）低下を補償する。その結果、焼入れ前においては優れた加工性を有しながら、焼入れまたは焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを備える鋼板となる。さらに、焼入れ後に４００℃以下という低い温度で、焼戻し脆性を伴わずに焼戻しを施すことができる。

したがって、本発明に係る鋼板は、適当な方法により所望の形状に成形した後、焼入れにより高強度化し、焼入れまま、または焼入れ後に焼戻しが施される用途に供されるものであり、その際の焼戻しは４００℃以下の低温焼戻しとする。従来と同様に焼戻し温度を４００℃超としたのでは、焼戻し後において目的する強度を確保することが困難となるからである。焼戻しの加熱時間は焼戻し温度に応じて適宜決定すればよく、例えば１５〜６０分間とすればよい。

成形方法は特に制限されない。例えば、冷間において、深絞り成形を含むプレス成形、曲げ加工、打ち抜きの１種または２種以上を組み合わせて、目的とする機械構造部品の形状に成形を行うことができる。成形は熱間で実施することもできる。

成形後の焼入れは常法に従って実施すればよい。加熱は、例えば、加熱炉、高周波加熱などにより実施でき、加熱後の冷却は、成形部材の表面酸化を防止するため、油焼入れが好ましいが、適当な腐食抑制剤を添加した水を用いた水冷も可能である。

本発明の鋼板から得られた機械構造部品は、焼入れ後に焼戻しを実施せず、焼入れままでも、必要な強度と靱性を示す場合があり、従って焼入れままで使用することも可能である。しかし、靱性を高めるために、焼入れ後に焼戻しを行うことができ、通常はそうすることが好ましい。焼戻しは、上述したように４００℃以下の温度で行う。

４．製造方法
本発明に係る鋼板は、常法にしたがって熱間圧延工程などを行うことにより製造することができ、上記化学組成を有し、硬さをＨＲＢで９５以下とすることによって、得られた鋼板は、焼入れ前においては良好な表面性状と優れた加工性とを有するとともに、焼入れ後または焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性とを備える。したがって、本発明に係る鋼板の製造方法は硬さをＨＲＢで９５以下とするものであれば特に限定する必要はないが、その好適な製造方法を以下に例示として説明する。なお、硬さをＨＲＢで９５以下とするには、例えば後述するように巻取温度の高温化や焼鈍による鋼板の軟質化作用を利用することにより達成することができる。

（１）熱間圧延工程
ｉ）熱間圧延完了温度：８５０〜９１０℃
熱間圧延完了温度が９１０℃超の場合には、スケール厚が厚くなりすぎて、酸洗効率や歩留まりが低下したり、表面品質が劣化したりする場合がある。一方、熱間圧延完了温度が８５０℃未満の場合には、鋼塊または鋼片の変形抵抗が大きくなって熱間圧延そのものの実施が困難になったりする場合がある。そのため、熱間圧延完了温度は８５０〜９１０℃とすることが好ましい。

ｉｉ）巻取温度：５５０〜６６０℃
巻取温度が低すぎると鋼板が高強度となり、熱間圧延ままの鋼板を焼入れに供する場合には焼入れ前の鋼板の加工性が劣化するため、巻取温度は５５０℃以上とすることが好ましい。一方、巻取温度があまりに高すぎると、スケール厚が厚くなりすぎて、酸洗効率や歩留まりが低下したり、表面品質が劣化したりする場合があるので、巻取温度は６６０℃以下とすることが好ましい。

（２）その他の工程
本発明に係る鋼板は、熱延鋼板であっても冷延鋼板であってもよい。
熱延鋼板の場合には、熱間圧延ままの鋼板であってもよく、熱延板焼鈍を施してさらに軟質化した鋼板であってもよい。熱延板焼鈍を施す場合には、焼鈍温度を６５０℃以上７６０℃以下とし、焼鈍時間を０.１時間以上３０時間以下とすることが好ましい。通常酸洗処理が施されてから、機械構造部品の形状に成形加工され、焼入れまたは焼入れ焼戻しが施される。

冷延鋼板の場合には、冷間圧延ままの鋼板であってもよく、焼鈍を施してさらに軟質化した鋼板であってもよい。ここで、冷間圧延に供する熱延鋼板は、上述したような熱間圧延ままの鋼板であってもよく、熱延板焼鈍を施して軟質化した鋼板であってもよい。冷間圧延における冷圧率（圧下率）としては２０〜７０％が例示できる。焼鈍を施す場合には、焼鈍温度を６５０℃以上７６０℃以下とし、焼鈍時間を０.１時間以上３０時間以下とすることが好ましい。焼鈍雰囲気は還元性または不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。冷間圧延と焼鈍とを複数回繰り返してもよい。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
表１および表２に示す化学組成を有するスラブを１２５０℃に加熱して、熱間圧延完了温度：８７０℃、巻取温度：６２０℃の条件にて熱間圧延を施して２.６ｍｍ厚の熱延鋼板とした。得られた熱延鋼板に酸洗処理を施して各試験に供した。表１には化学組成が本発明の範囲内である発明例の鋼板を示し、表２には化学組成が本発明の範囲外である比較例の鋼板を示した。表１、２において、Ｂ^*は前記の式（３）および式（４）により算出され、式（ａ）および式（ｂ）は下記の通りである：
Ｐ≧０.０１８×Ｓｉ^0.5 (ａ)
Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 (ｂ)。

評価方法としては、まず、熱延鋼板について、硬さ試験により表面硬さ（ＨＲＢ）を測定して機械特性を評価した。硬さ試験はＪＩＳ Ｚ ２２４５に基づいて行った。
次に、熱延鋼板を加熱炉で８７０℃に２０分間保持した後に油焼入を行う焼入れ処理を施し、さらに表面硬度がＨＲＣで約４０前後となるように、２５０〜４００℃の温度域で選択した温度に３０分間保持する焼戻し処理を施した。ただし、Ｎｏ.３１については、表面品質上ピンホール疵という問題があったため、焼入れ以降の処理および試験を省略した。

このようにして焼入れ焼戻しが施された鋼板について表面硬度（ＨＲＣ）を測定するとともに、シャルピー試験により靭性についても評価した。
シャルピー試験は、圧延方向の試験片を採取して、硬度を確認した後、表面にひずみを与えないように電解研磨により板厚を２.５ｍｍに揃え、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に基づいて行った。

結果を表１および表２に併記する。
表中、母材表面性状は、焼入れ前の熱延鋼板の表面を目視観察して、縞状スケールの有無により、次の基準で判定した（○が合格）：
○：表面の色が均一でスケールに起因する縞状模様のないもの、
△：表面の色は均一で縞状模様はないが、他の欠陥（ピンホール疵など）があるもの、
×：表面の色が不均一で縞状模様のあるもの。

表１、２において、母材硬さは焼入れ前の熱延鋼板のロックウェルＢスケール硬さ（ＨＲＢ）であり、熱処理後硬さは焼入れ焼戻し後の熱延鋼板のロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）である。上述した通り、本発明では焼入れ前のＨＲＢは９５以下であり、焼入れ焼戻し後のＨＲＣは機械構造部品用途では一般に３８〜４５の範囲内が好適とされている。熱処理後靱性は、同じく焼入れ焼戻し後の熱延鋼板のシャルピー試験で求めた靱性である。

表１、２の結果に基づいて、表面性状について検討してグラフ化したものが、図２である。Ｓｉが多くなりＰが少なくなると、縞状スケールが発生し、表面品質が損なわれてしまうことが確認できる。この図から、境界を式で求めると図中に示したようになり、従って、表面が良好な範囲は上記の式（ａ）で規定される。

次に、シャルピー試験の成績について良好な値が得られた鋼板について、ＰとＢの関係をみると、図３に示すようになった。この図では、Ｓ含有量が高いことに起因すると思われる靭性値の不芳材（試験Ｎｏ．２４および３０）については除いてある。靭性を悪化させるＰの量が多くなっても、それに応じたＢを添加すれば、良好な靭性が得られることが確認できる。図中、靱性は○が３０以上、×が３０未満（単位：Ｊ／ｃｍ²）で区分した。この関係についても、その境界について式で表現したものを図中に示す。Ｐの量に対し一定のＢが添加されれば、Ｐによる靭性への弊害を軽減できることがわかる。そして、靱性が良好（○）である鋼板は、上記の（ｂ）式を満たす必要があることが判明した。

本発明によれば、焼入れ前においては良好な表面性状と優れた加工性とを有するとともに、焼入れまたは焼入れ焼戻し後においては高い強度と優れた靭性を備える機械構造部品を製造することが可能な、機械構造部品用鋼板が得られる。前記鋼板は、例えば各種ワッシャー類や自動車、オートバイおよび自転車等の各種産業機械に使用されるギアの素材鋼板として好適である。また、熱処理の際に浸炭されるような用途に対しても好適である。

Claims (8)

1. 質量％で、Ｃ：０.１５％以上０.３５％未満、Ｓｉ：０.３０％以下、Ｍｎ：０.３０％以上１.５０％以下、Ｓ：０.０２％以下、Ｃｒ：０.０１％以上０.３０％以下、Ｔｉ：０.００２％以上０.０３０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０.０７０％以下およびＮ：０.００７０％以下を含有し、さらに下記式（１）および式（２）を満足する量のＰおよびＢを含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、表面硬さがＨＲＢで９５以下であることを特徴とする、焼入れまま又は焼入れ後に４００℃以下の焼戻しが施される機械構造部品用鋼板。
   ０.０１８×Ｓｉ^0.5≦Ｐ≦０.２×(３１／１１)×(Ｂ^＊)^0.5 （１）
   ０.０００５≦Ｂ^＊≦０.００５０ （２）
   式中のＳｉおよびＰは、当該元素の含有量（質量％）を表し、Ｂ^＊は下記式（３）および式（４）により規定される。
   Ｂ^＊＝ｍａｘ［Ｂ−(１１／１４)×Ｎ^＊，０］ （３）
   Ｎ^＊＝ｍａｘ［Ｎ−(１４／４８)×Ｔｉ，０］ （４）
   式中のＢ、Ｎ、Ｔｉは当該元素の含有量（質量％）を表し、ｍａｘ［ ］は［ ］内の引数の最大値を返す関数である。
2. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０.１５％以下を含有する請求項１に記載の機械構造部品用鋼板。
3. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０.０３０％以下を含有する請求項１または２に記載の機械構造部品用鋼板
4. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０.１５％以下、Ｍｏ：０.３０％以下およびＶ：０.１５％以下からなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の機械構造部品用鋼板。
5. 前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０.００５０％以下を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の機械構造部品用鋼板。
6. 熱延後に酸洗および焼鈍を受けた鋼板である、請求項１〜５のいずれかに記載の機械構造部品用鋼板
7. 熱延後に冷間圧延および焼鈍を受けた鋼板である、請求項１〜５のいずれかに記載の機械構造部品用鋼板。
8. 熱延後に酸洗、焼鈍、冷間圧延および焼鈍を受けた鋼板である、請求項１〜５のいずれかに記載の機械構造部品用鋼板。

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