JP2016056418A

JP2016056418A - 冷間加工用鋼材

Info

Publication number: JP2016056418A
Application number: JP2014184577A
Authority: JP
Inventors: 琢哉高知; Takuya Kochi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】熱処理を省略しても高い強度が得られ、冷間加工性及び耐水素脆化特性に優れた冷間加工用鋼材を提供する。
【解決手段】冷間加工用鋼材を、Ｃを０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎを０．００５〜０．０３質量％、Ｐを０．０５質量％を超え０．３質量％以下、Ｓｉを３質量％以下（０質量％を含まない）及びＭｎを３質量％以下（０質量％を含まない）含有すると共に、Ｓを０．０５質量％以下、Ａｌを０．０２質量％以下、Ｖを０．０２質量％以下、Ｔｉを０．０２質量％以下、Ｎｂを０．０２質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以下に規制し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、固溶窒素量が０．００４〜０．０３質量％である組成にする。
【選択図】なし

Description

本発明は、冷間加工用鋼材に関する。より詳しくは、機械構造部材などの冷間加工が施される用途に使用される冷間加工用鋼材に関する。

機械構造部材、特に自動車などの輸送機に使用される鋼材には、より高い強度が求められている。一方、機械構造部材の製造工程では、ＣＯ_２排出削減の観点から、熱処理工程の省略についての要求が高い。そこで、従来、冷間加工により高強度化することが可能で、調質処理を省略することができる所謂「非調質鋼」が開発されている。しかしながら、従来の冷間加工非調質鋼材（高強度鋼材）は、割れ性や変形抵抗などの冷間加工性に劣るという問題点がある。また、従来の冷間加工非調質鋼材は、共強度化すると、耐水素脆化特性が低下するという問題もある。

このような非調質鋼材の冷間加工性を改善する技術としては、例えば、パーライト組織を制御することにより、冷間鍛造時の耐割れ性及び加工後の強度を向上させた中高炭素鋼がある（特許文献１参照）。また、中炭素鋼においてミクロ組織をフェライト及びパーライトの２相組織とし、パーライト面積率及びラメラ間隔を制御することにより、耐遅れ破壊率及び冷間鍛造性を向上させたボルト用鋼線もある（特許文献２参照）。

更に、極低炭素化して固溶窒素を一定量確保することにより、変形抵抗の低下及び加工後の強度の向上を図った冷間加工用鋼材も提案されている（特許文献３〜６参照）。特に、特許文献５，６に記載の冷間加工用鋼材では、セメンタイト相の組織分率を減らし、フェライト相の組織分率を高めることで、優れた冷間加工性を実現している。一方、低炭素鋼のミクロ組織をフェライト及びマルテンサイト含有する複合組織とし、各組織の面積率、結晶粒径、アスペクト比など特定することで、耐水素脆化特性の向上を図った超高強度鋼材もある（特許文献７参照）。

特開２０００−１４４３０６号公報特開２０１３−８２９６３号公報特開２００８−１６３４１０号公報特開２００９−２２８１２５号公報特開２０１０−２８０９６３号公報特開２０１１−９９１３５号公報特開２０１０−１２６７８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような中高炭素鋼は、変形抵抗が高いため、金型の寿命が短いという問題がある。一方、特許文献２に記載のボルト用鋼線では、炭素含有量を低めに設定しているため、金型寿命や割れ性の問題は解決することができるが、冷間鍛造後に２５０℃で２時間の熱処理を行う必要があり、ＣＯ_２削減の観点から問題がある。

また、特許文献３〜６に記載の冷間加工用鋼材は、水素脆化特性が考慮されていないため、耐水素脆化特性が十分とは言えない。更に、特許文献７に記載の超高強度鋼材は、硬質相であるマルテンサイトを含有するため、変形抵抗を十分に下げることができず、冷間加工性に課題がある。

そこで、本発明は、熱処理を省略しても高い強度が得られ、冷間加工性及び耐水素脆化特性に優れた冷間加工用鋼材を提供することを主目的とする。

本発明に係る冷間加工用鋼材は、Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎ：０．００５〜０．０３質量％、Ｐ：０．０５質量％を超え０．３質量％以下、Ｓｉ：３質量％以下（０質量％を含まない）、Ｍｎ：３質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、Ｓ：０．０５質量％以下、Ａｌ：０．０２質量％以下、Ｖ：０．０２質量％以下、Ｔｉ：０．０２質量％以下、Ｎｂ：０．０２質量％以下、Ｚｒ：０．０２質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、固溶窒素量が０．００４〜０．０３質量％である。
この冷間加工用鋼材は、必要に応じて、Ｃｕ：３質量％以下、Ｎｉ：３質量％以下、Ｃｒ：３質量％以下及びＭｏ：３質量％以下からなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有することができる。
一方、Ｃ含有量は０．０１質量％以下にしてもよい。
また、Ｎ含有量を０．００８質量％以上とすると共に、固溶窒素量を０．００７質量％以上とすることもできる。
更に、Ｐ含有量は０．０８質量％以上にしてもよい。

本発明によれば、冷間加工のみで高強度化することができ、更に、冷間加工性及び耐水素脆化特性に優れた冷間加工用鋼材を実現することができる。

Ａは加工後硬さの切断方向を示す図であり、Ｂは加工後硬さの測定位置を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本実施形態の冷間加工用鋼材は、必須成分として、Ｃを０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎを０．００５〜０．０３質量％、Ｐを０．０５質量％を超え０．３質量％以下、Ｓｉを３質量％以下（０質量％を含まない）及びＭｎを３質量％以下（０質量％を含まない）含有すると共に、固溶窒素量を０．００４〜０．０３質量％としている。また、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｓを０．０５質量％以下、Ｃｕを３質量％以下、Ｎｉを３質量％以下、Ｃｒを３質量％以下、Ｍｏを３質量％以下、Ａｌを０．０２質量％以下、Ｖを０．０２質量％以下、Ｔｉを０．０２質量％以下、Ｎｂを０．０２質量％以下、Ｚｒを０．０２質量％以下に規制している。

［Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）］
炭素（Ｃ）は、鉄鋼材料中で炭化物を形成して強度の向上に寄与する元素であり、鋼材中の炭素量が増加すると顕著に高強度化する。その一方で、鋼材中の炭素量が増加すると、変形抵抗が高くなり冷間加工性が低下すると共に、炭化物は割れの要因になる。具体的には、Ｃ含有量が０．０２質量％を超えると冷間加工性が低下するため、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｃ含有量を０．０２質量％以下とする。また、変形抵抗の低減及び割れ低減の観点から、Ｃ含有量は０．０１５質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０１質量％以下である。

一方、Ｃは、不可避的不純物としても含有されるため、実製造上０質量％とすることは困難である。このため、Ｃ含有量は、製造コストなどの実製造上の観点から０．００１質量％以上とすることが好ましく、また、強度向上の観点から０．００５質量％以上とすることが好ましい。

［Ｎ：０．００５〜０．０３質量％、固溶窒素量：０．００４〜０．０３質量％］
窒素（Ｎ）は、鉄鋼材料中で窒化物として又は固溶状態で存在する。鋼材中の窒化物は結晶粒を微細化する効果があるが、固溶状態で窒素が存在すると、冷間加工後に顕著な硬化を示す。

Ｎ含有量が０．００５質量％未満又は固溶窒素量が０．００４質量％未満の場合、十分な強度が得られない。一方、Ｎ含有量が０．０３質量％を超えるか又は固溶窒素量が０．０３質量％を超えると、強度の過度な上昇や冷間加工性の低下を招く。よって、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｎ含有量を０．００５〜０．０３質量％とし、かつ、固溶窒素量を０．００４〜０．０３質量％とする。

なお、強度確保の観点から、Ｎ含有量は０．００８質量％以上が好ましく、より好ましくは０．０１１質量％以上である。固溶窒素量も同様に、強度確保の観点から、０．００７質量％以上が好ましく、より好ましくは０．０１質量％以上である。一方、強度と加工性のバランスの観点から、Ｎ含有量は０．０２５質量％以下にすることが好ましく、より好ましくは０．０２質量％以下である。固溶窒素量も同様に、強度と加工性のバランスの観点から、０．０２５質量％以下が好ましく、より好ましくは０．０２質量％以下である。

［Ｐ：０．０５質量％を超え０．３質量％以下］
りん（Ｐ）は、鉄鋼材料中で固溶状態又はりん化合物として存在する。Ｐは、多量に含有すると鋼材を脆化させる有害元素として扱われており、極力低減させることが一般的である。これに対して、本発明者は、Ｐを有効活用できないか検討を行い、特定組成の鋼材ではＰ含有量を多くしても、冷間加工の際に脆化しないこと及び耐水素脆化特性が優れることを見出した。

ただし、Ｐ含有量が０．０５質量％以下の場合、強度と冷間加工性と耐水素脆化のバランスが低下する。一方、Ｐの過度の添加は、必要以上の強度上昇や加工性劣化を招く。具体的には、Ｐ含有量が０．３質量％を超えると、強度の過度な上昇や冷間加工性の低下を招く。

よって、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｐ含有量を０．０５質量％を超え０．３質量％以下とする。なお、高強度化の観点から、Ｐ含有量は、０．０８質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．１１質量％以上である。また、強度と加工性のバランスの観点から、Ｐ含有量は０．２５質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．２質量％以下である。

［Ｓｉ：３質量％以下（０質量％を含まない）］
Ｓｉは、脱酸元素として作用し、また、固溶強化の効果を有する。しかしながら、Ｓｉを過度に添加すると変形抵抗が増加する。具体的には、Ｓｉ含有量が３質量％を超えると、変形抵抗が増加して、冷間加工性が低下する。よって、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｓｉ含有量を３質量％以下に規制する。また、冷間加工性向上の観点から、Ｓｉ含有量は２質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは１質量％以下である。

なお、Ｓｉは、不可避的不純物として含有されるため、積極的な低減を図らなければ鋼材中に０．０２質量％程度含まれる。そこで、製造コストなどの観点から、Ｓｉ含有量は０．０２質量％以上とすることが好ましい。

［Ｍｎ：３質量％以下（０質量％を含まない）］
Ｍｎも脱酸元素であり、また、ＭｎにはＳをＭｎＳとして固定する効果もある。しかしながら、脱酸効果は他の元素でも代用が可能であり、また、３質量％を超えて、Ｍｎを過度に添加しても前述した効果の向上は見られないだけでなく、変形抵抗が増加する原因となる。よって、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｍｎ含有量を３質量％以下とする。なお、加工性向上の観点から、Ｍｎ含有量は２質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは１質量％以下である。一方、Ｍｎ含有量の下限値は、Ｓ含有量に応じて好ましい値が変化するが、Ｓ固定化効果の安定化の観点から、Ｍｎ含有量は０．０５質量％以上であることが好ましい。

［Ｓ：０．０５質量％以下］
Ｓは、有害元素であり、鋼材中のＳ量は低減することが望ましい。また、Ｓによる影響は、Ｍｎなどを添加して固定することで回避することができるが、ＭｎＳは割れの要因となるため、やはりＳ量は極力少ない方が好ましい。具体的には、Ｓ含有量が０．０５質量％を超えると、割れ発生の原因となるＭｎＳなどのＳ化合物の量か増加するため、耐割れ性が低下する。よって、本実施形態の冷間加工用鋼材では、Ｓ含有量を０．０５質量％以下に規制する。なお、耐割れ性向上の観点から、Ｓ含有量は０．０３質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０１質量％以下である。

［Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ：０．１５〜３質量％］
Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒは、耐食性を向上させる効果があり、更に、耐食性向上を通じて耐水素脆化特性の向上に寄与するため、必要に応じて添加される。ただし、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒの含有量が、それぞれ０．１５質量％未満の場合、前述した効果が十分に得られない。そこで、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒを添加する場合は、これらのうちの少なくとも１種を０．１５質％以上添加することが好ましい。また、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒの含有量は、耐食性向上の観点から、それぞれ０．３質量％以上であることが好ましく、それぞれ０．５質量％以上であることがより好ましい。

一方、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒを、それぞれ３質量％を超えて過剰に添加すると、脆化やスケール剥離性が低下すると共に、製造コストに問題が生じる。よって、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒを添加する場合は、その含有量を、それぞれ０．１５〜３質量％とする。

［Ｍｏ：０．１５〜３質量％］
Ｍｏは、靭性を向上させる効果がある元素であり、必要に応じて添加される。ただし、Ｍｏ含有量が０．１５質量％未満の場合、その添加効果が十分に得られない。一方、Ｍｏを、３質量％を超えて過剰に添加すると、脆化を招く他、製造コストの面からも問題がある。よって、Ｍｏは、０．１５〜３質量％の範囲で添加する。なお、靭性向上の観点から、Ｍｏ含有量は０．２質量％以上であることが好ましく、０．５質量％以上であることより好ましい。

［Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ：それぞれ０．０２質量％以下］
Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒは、窒化物を形成する元素であり、本実施形態の冷間加工用鋼材においては、固溶窒素量を確保するため、極力低減すべき元素である。具体的には、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒの含有量がそれぞれ０．０２質量％を超えると、前述した固溶窒素量を得ることができず、強度が低下する。よって、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒの含有量は、それぞれ０．０２質量％以下とする。なお、強度向上の観点から、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒの含有量は、０．０１質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．００５質量％以下、特に好ましくは０．００２質量％以下である。

［残部］
本実施形態の冷間加工用鋼材における上記以外の成分、即ち残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。ここで、本実施形態の冷間加工用鋼材に含まれる不可避的不純物としては、例えばＨ、Ｏ、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｈｆ及びＣｏなどが挙げられる。

本実施形態の冷間加工用鋼材によれば、冷間加工のみで高強度が得られるため、熱処理を省略することができる。また、本実施形態の冷間加工用鋼材は、冷間加工性に優れるだけでなく、耐水素脆化特性にも優れる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、下記表１に示す組成の鋼材を溶製し、「固溶窒素量」、「冷間鍛造性」及び「水素脆化特性」について評価した。

［固溶窒素量］
固溶窒素量は、ＪＩＳＧ１２２８に規定される方法に準拠して測定した。

［冷間加工性］
冷間加工性は、室温で７０％圧縮加工し、変形抵抗、割れの有無及び加工後硬さで評価した。変形抵抗は、圧縮試験機を用いて、歪み速度を１０／秒として７０％圧縮した際の最大荷重を測定し、試験片寸法から応力値を算出した。割れの有無は、実体顕微鏡を用いて２０倍の倍率で観察した。

加工後硬さの測定は、以下に示す方法で行った。図１Ａは加工後硬さの切断方向を示す図であり、図１Ｂは加工後硬さの測定位置を示す図である。先ず、図１Ａに示すように、圧縮加工後の円盤状試験片１を、湿式切断法により圧縮方向に対して平行方向に切断した。切断後の試験片１を樹脂に埋め込み、切断面を鏡面研磨して、図１Ｂに示す断面の高さ１／２で幅１／４の位置（硬さ測定位置１ａ）において、荷重を４．９Ｎ（５００ｇｆ）にして、マイクロビッカース硬さ試験を行った。

その結果、変形抵抗が８００ＭＰａ以下で、割れが無く、加工後硬さが３００Ｈｖ以上のものを合格とした。

［水素脆化特性］
水素脆化特性は、７０％伸線加工したものを丸棒引張試験片に加工し、１５％塩酸に６０分間浸漬した後、引張試験機を用いて、歪み速度を１０^−３／秒にして引張試験を行い、引張強度（ＴＳ）及び絞り（ＲＡ）を求めた。その結果、ＳＣＭ調質鋼を規準（比較鋼）とし、ＴＳが８４０ＭＰａ以上、ＲＡが６５％以上のものを合格とした。なお、この水素脆化試験は、前述した冷間加工性試験において変形抵抗、割れ及び加工硬さの全てが合格であったものについてのみ実施した。

以上の結果を、下記表２にまとめて示す。

上記表２に示すように、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．Ａ１の鋼材は、水素脆化特性が劣っていた。Ｎ含有量及び固溶窒素量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．Ａ１０の鋼材は、加工後硬さが劣っていた。それぞれ、Ａｌ含有量、Ｔｉ含有量、Ｎｂ含有量及びＶ含有量が、本発明の範囲を超えており、かつ固溶窒素量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．Ａ１１〜Ａ１４の鋼材は、加工後硬さが劣っていた。

Ｃ含有量が本発明の範囲を超え、かつ固溶窒素量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．Ａ１５の鋼材は、割れが発生した。固溶窒素量は本発明の範囲内であるが、比較例のＮｏ．Ａ１５の鋼材よりも更にＣを多く含有している比較例のＮｏ．Ａ１６の鋼材は、割れの発生だけでなく、変形抵抗も高かった。また、Ｃ含有量が本発明の範囲を大幅に超過し、更に固溶窒素量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．Ａ１７，Ａ１８の鋼材も同様に、割れが発生し、変形抵抗が高かった。

これに対して、本発明の実施例のＮｏ．Ａ２〜Ａ９及びＮｏ．Ａ１９の鋼材は、冷間加工性及び水素脆化特性のいずれも優れていた。

以上の結果から、本発明によれば、熱処理を行わなくても高い強度が得られ、冷間加工性に優れ、ＳＣＭ調質鋼（比較鋼）と同等又はそれ以上の耐水素脆化特性を有する冷間加工用鋼材が得られることが確認された。

１試験片
１ａ硬さ測定位置

Claims

Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｎ：０．００５〜０．０３質量％、
Ｐ：０．０５質量％を超え０．３質量％以下、
Ｓｉ：３質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｍｎ：３質量％以下（０質量％を含まない）、
を含有し、
Ｓ：０．０５質量％以下、
Ａｌ：０．０２質量％以下、
Ｖ：０．０２質量％以下、
Ｔｉ：０．０２質量％以下、
Ｎｂ：０．０２質量％以下、
Ｚｒ：０．０２質量％以下
に規制され、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
固溶窒素量が０．００４〜０．０３質量％である冷間加工用鋼材。
更に、Ｃｕ：０．１５〜３質量％、Ｎｉ：０．１５〜３質量％及びＣｒ：０．１５〜３質量％からなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有する請求項１に記載の冷間加工用鋼材。
更に、Ｍｏ：０．１５〜３質量％を含有する請求項１又は２に記載の冷間加工用鋼材。
Ｃ含有量が０．０１質量％以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷間加工用鋼材。
Ｎ含有量が０．００８質量％以上であり、かつ固溶窒素量が０．００７質量％以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷間加工用鋼材。
Ｐ含有量が０．０８質量％以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷間加工用鋼材。