JP2020186446A - 線材及び鋼線 - Google Patents
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Abstract
【課題】Crの含有量が高い組成であっても、球状化焼鈍後の変形抵抗の低減と延性の向上が達成できる線材及び鋼線を提供する。【解決手段】成分組成が所内の範囲内であり、C断面におけるベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上、フェライトの面積率が5%未満、及びマルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、L断面におけるベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下、かつ、線材の直径をDとした場合に、表面から0.25D部よりも表層部におけるベイナイトブロックの平均円相当径が小さく、引張強さが1000×F2+200MPa以上1300×F2+190MPa以下である線材、及び当該線材を伸線加工した鋼線。F1及びF2は、C、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、及びVの含有量によって算出される値である。【選択図】なし
Description
本開示は、線材及び鋼線に関する。
冷間鍛造は成品の寸法精度や生産性が優れることから、鋼製のボルト、ねじ、ナット等の機械部品の成形に際して、従来から行われていた熱間鍛造からの切り替えが拡大している。
また、ボルトやナットなどの部品は構造用途に用いられることが多く、このためC、Mn、Crなどの合金元素を添加して強度を付与している。しかし、合金元素含有量が増大すると鋼材の変形抵抗が高くなること、延性が低くなることなどから、冷間鍛造の際に金型負荷が増大し金型の摩耗や損傷が発生することや、成形部品に加工割れが発生する場合がある。
また、ボルトやナットなどの部品は構造用途に用いられることが多く、このためC、Mn、Crなどの合金元素を添加して強度を付与している。しかし、合金元素含有量が増大すると鋼材の変形抵抗が高くなること、延性が低くなることなどから、冷間鍛造の際に金型負荷が増大し金型の摩耗や損傷が発生することや、成形部品に加工割れが発生する場合がある。
また、近年は部品製造コストの低減や部品の高機能化を目的として部品形状が複雑化している。このため、冷間鍛造に用いる鋼材には軟質であるとともに、極めて高い延性が要求され、従来から、熱間圧延材を球状化焼鈍などの熱処理により軟質化して、加工性を向上させることが行われている。冷間鍛造用鋼の加工性には、金型負荷に影響する変形抵抗と、加工割れの発生に影響する延性があり、各用途により求められる特性が異なり、これらの両方、あるいは一方が求められる。
球状化焼鈍は、セメンタイトを球状にして加工性を向上させる処理であり、冷間鍛造用鋼の軟質化処理として広く行われている。球状化焼鈍では、約20時間程度の熱処理時間を要することから、近年では部品の生産性及びコストを改善するために、処理時間の短縮、焼鈍温度の低減、あるいは焼鈍省略の要求が高くなっている。
また、機械構造用鋼では、機械部品として必要な強度を確保するため、CrやMoなどの合金元素を添加する場合がある。これらの合金元素を鋼に添加すると、セメンタイトの球状化が遅延し、焼鈍後の軟質化が不十分で、強度が高く、延性が低下することがある。その結果、冷間鍛造性が劣化する。このため、これらの合金元素を鋼に添加した場合には、冷間鍛造性を改善するため、球状化焼鈍を2回以上行うなどの方法が行われている。
また、機械構造用鋼では、機械部品として必要な強度を確保するため、CrやMoなどの合金元素を添加する場合がある。これらの合金元素を鋼に添加すると、セメンタイトの球状化が遅延し、焼鈍後の軟質化が不十分で、強度が高く、延性が低下することがある。その結果、冷間鍛造性が劣化する。このため、これらの合金元素を鋼に添加した場合には、冷間鍛造性を改善するため、球状化焼鈍を2回以上行うなどの方法が行われている。
このような背景のもとで、鋼材の球状化焼鈍の短時間化や、球状化焼鈍後の冷間鍛造性を向上させる技術は、従来から種々の方法が提案されている。例えば、球状化焼鈍前に減面率が20〜30%の粗引き伸線を行ってセメンタイトの球状化を促進し鋼材を軟質化させる方法や、球状化焼鈍を複数回行い、鋼材を軟質化させる方法などは、従来から広く行われている。
例えば、特許文献1には、球状化処理前の組織をベイナイト単相にする方法が開示されている。この方法は、球状化処理前の組織をベイナイト単相とすることによって、セメンタイトの球状化を促進し、短時間化を図ろうとするものである。
特許文献2には、初析フェライト分率が5〜30面積%、残りの組織をベイナイト主体とし、かつベイナイト中のセメンタイトのラス間隔の平均値が0.3μm以上の球状化後の冷間鍛造性に優れた鋼線材・棒鋼が開示されている。
特許文献3には、熱間圧延線材のフェライト組織分率を30面積%以上、ベイナイト組織とマルテンサイト組織との合計を残部の50面積%以上とすることで、粗引き伸線後の球状化焼鈍を低温かつ短時間で処理可能にする方法が開示されている。
特許文献4には、肌焼き鋼の製造方法としてベイナイト体積分率を50%以下に抑制したフェライト・パーライト組織からなる鋼材に対し、減面率28%以上の伸線引き抜き加工を行った後に、球状化焼鈍を行う冷間鍛造用肌焼鋼の製造方法が開示されている。
特許文献5には、鋼材組織中の擬似パーライトとベイナイトとフェライトとの面積率を規定することで、球状化処理時間を短縮し、球状化処理後における鋼材の変形抵抗を低減する方法が開示されている。
特許文献6には、鋼線の組織中のパーライトと初析フェライトとベイナイトの体積率と引張強さを規定することで、低温焼鈍後の延性を高くすることができる鋼線が開示されている。
特許文献7には、Cの含有量を[C%]とするとき、体積%で75×[C%]+25以上のベイナイトを含み、残部がフェライト及びパーライトの1つ以上である非調質機械部品用鋼線が開示されている。
従来の冷間鍛造用鋼線は、Crの含有量が高くなると、焼鈍後に十分にセメンタイトが球状化せず、変形抵抗が高く、加工割れが発生しやすい。
そこで、本開示は、Crの含有量が高い組成であっても、球状化焼鈍後の変形抵抗の低減と延性の向上が達成できる線材及び鋼線を提供することを目的とする。
上記課題は、以下の手段により解決される。
<1> 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
線材に含まれるC、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、及びVのそれぞれの質量%による含有量を(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)、及び(V%)で表し、F1及びF2をそれぞれ下記式で算出される値とした場合に、
F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記線材の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記線材の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、かつ、前記線材の直径をDとした場合に、(表層部におけるベイナイトブロックの平均円相当径/表面から0.25D部の深さにおけるベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満であり、
引張強さが、1000×F2+200MPa以上1300×F2+190MPa以下である、線材。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)
<2> 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす<1>に記載の線材。
<3> 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
鋼線に含まれるMn、Cr、Cu、及びMoのそれぞれの質量%による含有量を(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、及び(Mo%)で表し、F1を下記の式で算出される値とした場合に、F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記鋼線の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記鋼線の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、前記ベイナイトブロックの平均アスペクト比が1.00超1.30未満である、鋼線。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
<4> 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下、
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす<3>に記載の鋼線。
<1> 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
線材に含まれるC、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、及びVのそれぞれの質量%による含有量を(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)、及び(V%)で表し、F1及びF2をそれぞれ下記式で算出される値とした場合に、
F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記線材の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記線材の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、かつ、前記線材の直径をDとした場合に、(表層部におけるベイナイトブロックの平均円相当径/表面から0.25D部の深さにおけるベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満であり、
引張強さが、1000×F2+200MPa以上1300×F2+190MPa以下である、線材。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)
<2> 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす<1>に記載の線材。
<3> 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
鋼線に含まれるMn、Cr、Cu、及びMoのそれぞれの質量%による含有量を(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、及び(Mo%)で表し、F1を下記の式で算出される値とした場合に、F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記鋼線の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記鋼線の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、前記ベイナイトブロックの平均アスペクト比が1.00超1.30未満である、鋼線。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
<4> 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下、
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす<3>に記載の鋼線。
本開示によれば、Crの含有量が高い組成であっても、球状化焼鈍後の変形抵抗の低減と延性の向上が達成できる線材及び鋼線が提供される。
本開示の一例である実施形態について説明する。
本開示に係る線材及び鋼線は、特に、焼鈍後に軟質、かつ高延性とすることが可能な線材と鋼線に関し、例えば、冷間鍛造や転造などで成形されるボルト、ねじ、ナット等の機械部品の素材として好適に用いられる焼鈍用線材と、その線材を伸線加工した鋼線に関する。尚、本開示で対象とする線材は、熱間圧延棒鋼をコイル状に巻いた「バーインコイル」も含む。
本開示に係る線材及び鋼線は、特に、焼鈍後に軟質、かつ高延性とすることが可能な線材と鋼線に関し、例えば、冷間鍛造や転造などで成形されるボルト、ねじ、ナット等の機械部品の素材として好適に用いられる焼鈍用線材と、その線材を伸線加工した鋼線に関する。尚、本開示で対象とする線材は、熱間圧延棒鋼をコイル状に巻いた「バーインコイル」も含む。
本開示において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、「〜」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
また、成分組成の元素の含有量は、元素量(例えば、C量、Si量等)と表記する場合がある。
また、成分組成の元素の含有量について、「%」は「質量%」を意味する。
また、成分組成の元素の含有量について「0〜」と記載している場合は、その元素を含まなくてもよいことを意味する。
また、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
また、線材又は鋼線の「表面」とは「外周面」を意味する。
また、「L断面」とは、線材又は鋼線の中心軸を含み、長手方向(つまり圧延方向、または伸線方向)と平行な断面を意味する。
また、「C断面」とは、線材又は鋼線の長手方向に垂直な断面を意味する。
また、「中心軸」とは、線材又は鋼線の長手方向に垂直な断面の中心点を通り、長手方向(軸方向)に延びる仮想線を示す。
また、「数値XD」との表記は、線材又は鋼線の直径をDとしたとき、表面から、中心軸に向かって(径方向に向かって)、直径DのX倍の深さの位置を示す。例えば、「0.25D」は、直径Dの0.25倍の深さの位置を示す。
また、「〜」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
また、成分組成の元素の含有量は、元素量(例えば、C量、Si量等)と表記する場合がある。
また、成分組成の元素の含有量について、「%」は「質量%」を意味する。
また、成分組成の元素の含有量について「0〜」と記載している場合は、その元素を含まなくてもよいことを意味する。
また、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
また、線材又は鋼線の「表面」とは「外周面」を意味する。
また、「L断面」とは、線材又は鋼線の中心軸を含み、長手方向(つまり圧延方向、または伸線方向)と平行な断面を意味する。
また、「C断面」とは、線材又は鋼線の長手方向に垂直な断面を意味する。
また、「中心軸」とは、線材又は鋼線の長手方向に垂直な断面の中心点を通り、長手方向(軸方向)に延びる仮想線を示す。
また、「数値XD」との表記は、線材又は鋼線の直径をDとしたとき、表面から、中心軸に向かって(径方向に向かって)、直径DのX倍の深さの位置を示す。例えば、「0.25D」は、直径Dの0.25倍の深さの位置を示す。
本開示に係る線材及び鋼線は、所定の成分組成を有し、線材は下記(1)及び(3)を、鋼線は(1)及び(2)をそれぞれ満たす金属組織を有し、さらに線材は下記(4)の引張強さを満たす。
(1)線材及び鋼線の金属組織が、少なくともベイナイトとマルテンサイトを含み、C断面で測定した98面積%以上が、ベイナイトと、面積%が10×F1−15%以上21×F1−20%以下のマルテンサイトと、面積%が5%未満で含むことができるフェライトと、から構成される。ここでF1は、質量%でのMn、Cr、Cu、Moの含有量の値をそれぞれ(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)とするとき、F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)で表される値である。なお、線材及び鋼線の成分組成は、F1が1.50以上3.00以下を満たす範囲とする。
(2)鋼線のL断面で測定したベイナイトのブロック粒の平均円相当径が15μm以下であり、ベイナイトブロックの平均アスペクト比が1.00超1.30未満である。
(3)線材のL断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、かつ、線材の直径をDとしたとき、(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部の深さにおけるベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満である。
(4)線材の引張強さが、1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下である。ここでF2は、線材に含まれる質量%でのC、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、Vの含有量の値をそれぞれ(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Mo%)、(V%)とするとき、F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)である。
(1)線材及び鋼線の金属組織が、少なくともベイナイトとマルテンサイトを含み、C断面で測定した98面積%以上が、ベイナイトと、面積%が10×F1−15%以上21×F1−20%以下のマルテンサイトと、面積%が5%未満で含むことができるフェライトと、から構成される。ここでF1は、質量%でのMn、Cr、Cu、Moの含有量の値をそれぞれ(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)とするとき、F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)で表される値である。なお、線材及び鋼線の成分組成は、F1が1.50以上3.00以下を満たす範囲とする。
(2)鋼線のL断面で測定したベイナイトのブロック粒の平均円相当径が15μm以下であり、ベイナイトブロックの平均アスペクト比が1.00超1.30未満である。
(3)線材のL断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、かつ、線材の直径をDとしたとき、(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部の深さにおけるベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満である。
(4)線材の引張強さが、1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下である。ここでF2は、線材に含まれる質量%でのC、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、Vの含有量の値をそれぞれ(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Mo%)、(V%)とするとき、F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)である。
本開示に係る線材、鋼線は、上記構成により、球状化焼鈍時間の短縮が可能で、焼鈍後は冷間鍛造性に優れた鋼線となる。本開示に係る線材、鋼線は、次の知見により見出された。
焼鈍後の鋼線の冷間鍛造性を向上させるためには、変形抵抗を低くして、延性を高くすることが有効である。焼鈍後の鋼線の変形抵抗を低くして、かつ延性を高くするためには、焼鈍後の鋼線の組織を、フェライト粒径を粗粒にし、球状炭化物のサイズを微細にすればよい。しかし、Crの含有量が高い鋼では、セメンタイトの球状化が遅延するため、セメンタイトが球状になりにくく、フェライト粒径を粗粒にすることが困難である。また、従来技術では、セメンタイトを微細にすると、フェライトの成長が抑制されることから、フェライト粒が細粒となり、低い変形抵抗を達成することが困難である。
しかし、本発明者らは、線材の製造方法と組織を改良することで、Crを0.85%以上含有する鋼でも、焼鈍後のフェライト粒の粗粒化とセメンタイトの微細化を両立し、変形抵抗の低減と延性の向上を同時に達成することを見出した。
焼鈍後の鋼線の冷間鍛造性を向上させるためには、変形抵抗を低くして、延性を高くすることが有効である。焼鈍後の鋼線の変形抵抗を低くして、かつ延性を高くするためには、焼鈍後の鋼線の組織を、フェライト粒径を粗粒にし、球状炭化物のサイズを微細にすればよい。しかし、Crの含有量が高い鋼では、セメンタイトの球状化が遅延するため、セメンタイトが球状になりにくく、フェライト粒径を粗粒にすることが困難である。また、従来技術では、セメンタイトを微細にすると、フェライトの成長が抑制されることから、フェライト粒が細粒となり、低い変形抵抗を達成することが困難である。
しかし、本発明者らは、線材の製造方法と組織を改良することで、Crを0.85%以上含有する鋼でも、焼鈍後のフェライト粒の粗粒化とセメンタイトの微細化を両立し、変形抵抗の低減と延性の向上を同時に達成することを見出した。
本発明者らは、0.85%以上のCrを含有する鋼を用いて、球状化焼鈍後の変形抵抗と延性に及ぼす球状化焼鈍前の線材の金属組織の影響を検討した。Crを0.85%以上含有する線材では、初析フェライトとパーライトを抑制し、ベイナイトを主体としてマルテンサイトを含む組織とすることで、球状化焼鈍後の延性が高くなるとの知見を得た。この理由は以下のように推定することができる。
炭素含有量が0.50%以下の亜共析鋼を用いて、通常の方法で熱間圧延して冷却して製造した線材の組織は、フェライトとパーライトの混合組織となる。このような混合組織では、鋼中の炭素はパーライト部に偏在するため、球状化焼鈍後に炭化物は、焼鈍前にパーライトであった部分に偏在し、延性が低下する。線材の組織を、フェライトを抑制したベイナイト組織やマルテンサイト組織にすると、鋼中の炭素は均一に分布するため、球状化焼鈍後に炭化物が均一に分散し、延性が向上する。マルテンサイトは球状化焼鈍後の炭化物を微細にするため、延性の向上に有効であるが、一方で、焼鈍後のフェライト粒径を細粒にするため変形抵抗を増大させる。このため、球状化焼鈍後の鋼線の延性を向上させ、かつ変形抵抗を低減させるためには、線材の組織をベイナイトとマルテンサイトの混合組織とすることが有効である。
さらに、線材の引張強さを1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下にすることで球状化焼鈍後の強度が低下し、優れた冷間鍛造性が得られるとの知見を得た。
炭素含有量が0.50%以下の亜共析鋼を用いて、通常の方法で熱間圧延して冷却して製造した線材の組織は、フェライトとパーライトの混合組織となる。このような混合組織では、鋼中の炭素はパーライト部に偏在するため、球状化焼鈍後に炭化物は、焼鈍前にパーライトであった部分に偏在し、延性が低下する。線材の組織を、フェライトを抑制したベイナイト組織やマルテンサイト組織にすると、鋼中の炭素は均一に分布するため、球状化焼鈍後に炭化物が均一に分散し、延性が向上する。マルテンサイトは球状化焼鈍後の炭化物を微細にするため、延性の向上に有効であるが、一方で、焼鈍後のフェライト粒径を細粒にするため変形抵抗を増大させる。このため、球状化焼鈍後の鋼線の延性を向上させ、かつ変形抵抗を低減させるためには、線材の組織をベイナイトとマルテンサイトの混合組織とすることが有効である。
さらに、線材の引張強さを1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下にすることで球状化焼鈍後の強度が低下し、優れた冷間鍛造性が得られるとの知見を得た。
また、上記の特徴をもつ線材に、総減面率が20〜50%となる伸線加工などでひずみを付与し、その後、Ac1以下の温度で球状化焼鈍を行うことで、従来技術では困難であったCrを0.85〜1.50%、Cを0.10〜0.50%含有する鋼において、フェライト粒が粗粒であり、炭化物が微細で、かつ、炭化物のアスペクト比が小さい組織が得られ、変形抵抗の低減と、延性の向上を達成できることを見出した。
[成分組成]
本開示に係る線材及び鋼線の成分組成(鋼成分)は、質量%で、C:0.10〜0.50%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.20〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.050%以下、Cr:0.85〜1.50%、Al:0.001〜0.080%、N:0.0010〜0.0200%、並びに、残部:Fe及び不純物である。また、本開示に係る線材及び鋼線は、Feの一部に代えて、Ti:0.050%以下、B:0.0050%以下、Mo:0.30%以下、Ni:0.30%以下、Cu:0.50%以下、V:0.30%以下、Nb:0.050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、および、Zr:0.0050%以下の1種又は2種以上を含んでもよい。つまり、Ti、B、Mo、Ni、Cu、V、Nb、Ca、Mg、および、Zrは任意元素であり、これらの元素は、本開示に係る線材及び鋼線に含有されなくてもよいが、含有される場合は、上記範囲内とする。
以下、本開示に係る線材及び鋼線に含まれる各元素量を上記範囲に限定した理由を説明する。
本開示に係る線材及び鋼線の成分組成(鋼成分)は、質量%で、C:0.10〜0.50%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.20〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.050%以下、Cr:0.85〜1.50%、Al:0.001〜0.080%、N:0.0010〜0.0200%、並びに、残部:Fe及び不純物である。また、本開示に係る線材及び鋼線は、Feの一部に代えて、Ti:0.050%以下、B:0.0050%以下、Mo:0.30%以下、Ni:0.30%以下、Cu:0.50%以下、V:0.30%以下、Nb:0.050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、および、Zr:0.0050%以下の1種又は2種以上を含んでもよい。つまり、Ti、B、Mo、Ni、Cu、V、Nb、Ca、Mg、および、Zrは任意元素であり、これらの元素は、本開示に係る線材及び鋼線に含有されなくてもよいが、含有される場合は、上記範囲内とする。
以下、本開示に係る線材及び鋼線に含まれる各元素量を上記範囲に限定した理由を説明する。
C:0.10〜0.50%
Cは、機械部品としての強度を確保するため添加する。C量が0.10%未満では機械部品としての必要な強度を確保することが困難である。一方、C量が0.50%を越えると延性、靱性、および冷間鍛造性が劣化する。そのため、C量は、0.10〜0.50%とした。高強度と延性、靱性、冷間加工性を両立する好ましいC量の範囲は、0.15〜0.48%である。
Cは、機械部品としての強度を確保するため添加する。C量が0.10%未満では機械部品としての必要な強度を確保することが困難である。一方、C量が0.50%を越えると延性、靱性、および冷間鍛造性が劣化する。そのため、C量は、0.10〜0.50%とした。高強度と延性、靱性、冷間加工性を両立する好ましいC量の範囲は、0.15〜0.48%である。
Si:0.01〜0.50%
Siは、脱酸元素として機能するとともに、焼入れ性を付与し、焼戻し軟化抵抗を向上させて、機械部品に必要な強度を付与するのに有効な元素である。Si量が0.01%未満ではこれらの効果が不十分である。Si量が0.50%を越えると、機械部品の延性、靱性が劣化するとともに、鋼線の変形抵抗を上昇させて冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Si量は、0.01〜0.50%とした。好ましいSi量の範囲は0.03〜0.35%である。より好ましいSi量の範囲は0.05〜0.30%である。
Siは、脱酸元素として機能するとともに、焼入れ性を付与し、焼戻し軟化抵抗を向上させて、機械部品に必要な強度を付与するのに有効な元素である。Si量が0.01%未満ではこれらの効果が不十分である。Si量が0.50%を越えると、機械部品の延性、靱性が劣化するとともに、鋼線の変形抵抗を上昇させて冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Si量は、0.01〜0.50%とした。好ましいSi量の範囲は0.03〜0.35%である。より好ましいSi量の範囲は0.05〜0.30%である。
Mn:0.20〜1.00%
Mnは、焼入れ性を付与し、機械部品に必要な強度を付与するのに必要な元素である。Mn量が0.20%未満では効果が不十分である。Mn量が1.00%を越えると、機械部品の靱性が劣化するとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Mn量は、0.20〜1.00%とした。好ましいMn量の範囲は0.25〜0.90%である。より好ましいMnの範囲は0.30〜0.85%である。
Mnは、焼入れ性を付与し、機械部品に必要な強度を付与するのに必要な元素である。Mn量が0.20%未満では効果が不十分である。Mn量が1.00%を越えると、機械部品の靱性が劣化するとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Mn量は、0.20〜1.00%とした。好ましいMn量の範囲は0.25〜0.90%である。より好ましいMnの範囲は0.30〜0.85%である。
P:0.030%以下
Pは、不純物として線材及び鋼線に含有される。Pは焼入れ焼戻し後の機械部品の結晶粒界に偏析し、靱性を劣化させるため低減することが望ましい。このため、P量の上限は、0.030%とした。好ましいP量の上限は、0.020%である。より好ましいP量の上限は0.015%以下である。なお、P量の下限は、0%(つまり含まないこと)がよいが、脱Pコストを低減する観点から、0%超え(又は0.0001%以上)であってもよい。
Pは、不純物として線材及び鋼線に含有される。Pは焼入れ焼戻し後の機械部品の結晶粒界に偏析し、靱性を劣化させるため低減することが望ましい。このため、P量の上限は、0.030%とした。好ましいP量の上限は、0.020%である。より好ましいP量の上限は0.015%以下である。なお、P量の下限は、0%(つまり含まないこと)がよいが、脱Pコストを低減する観点から、0%超え(又は0.0001%以上)であってもよい。
S:0.050%以下
Sは、MnS等の硫化物として線材及び鋼線に含有される。これらの硫化物は鋼線の被削性を向上させる。S量が0.050%を超えると鋼線の冷間鍛造性を劣化させるとともに、焼入れ焼戻し後の機械部品の靱性を劣化させる。このため、S量の上限は0.050%とした。好ましいS量の上限は、0.030%である。より好ましいS量の上限は、0.010%である。なお、S量の下限は、脱Sコストを低減する観点から、0%超え(又は0.001%以上)であってもよい。
Sは、MnS等の硫化物として線材及び鋼線に含有される。これらの硫化物は鋼線の被削性を向上させる。S量が0.050%を超えると鋼線の冷間鍛造性を劣化させるとともに、焼入れ焼戻し後の機械部品の靱性を劣化させる。このため、S量の上限は0.050%とした。好ましいS量の上限は、0.030%である。より好ましいS量の上限は、0.010%である。なお、S量の下限は、脱Sコストを低減する観点から、0%超え(又は0.001%以上)であってもよい。
Cr:0.85〜1.50%
Crは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与するのに必要な元素である。さらに、Crを含有することにより、焼鈍後の炭化物の形状が球状になり、冷間加工性を向上させる。Cr量が0.85%未満では効果が不十分である。Cr量が1.50%を超えると、炭化物の球状化時間が長時間となり、製造コストを増加させるとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Cr量は、0.85〜1.50%とした。好ましいCr量の範囲は、0.87〜1.40%である。より好ましいCr量の範囲は、0.90〜1.30%である。
Crは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与するのに必要な元素である。さらに、Crを含有することにより、焼鈍後の炭化物の形状が球状になり、冷間加工性を向上させる。Cr量が0.85%未満では効果が不十分である。Cr量が1.50%を超えると、炭化物の球状化時間が長時間となり、製造コストを増加させるとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Cr量は、0.85〜1.50%とした。好ましいCr量の範囲は、0.87〜1.40%である。より好ましいCr量の範囲は、0.90〜1.30%である。
Al:0.001〜0.080%
Alは、脱酸元素として機能するとともに、AlNを形成しオーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果がある。また、固溶Nを固定して動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。Al量が0.001%未満ではこれらの効果が不十分である。Al量が0.080%を超えると効果が飽和するとともに製造性を低下させることがある。そのため、Al量は0.001〜0.080%とした。好ましいAl量の範囲は0.010〜0.060%である。より好ましいAl量の範囲は0.020〜0.050%である。
Alは、脱酸元素として機能するとともに、AlNを形成しオーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果がある。また、固溶Nを固定して動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。Al量が0.001%未満ではこれらの効果が不十分である。Al量が0.080%を超えると効果が飽和するとともに製造性を低下させることがある。そのため、Al量は0.001〜0.080%とした。好ましいAl量の範囲は0.010〜0.060%である。より好ましいAl量の範囲は0.020〜0.050%である。
N:0.0010〜0.0200%
Nは、Al、Ti、Nb、V等と窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果がある。N量が0.0010%未満では窒化物の析出量が不足し、効果が得られない。N量が0.0200%を超えると固溶Nによる動的ひずみ時効により鋼線の変形抵抗が高くなり加工性を劣化させる。そのため、N量は、0.0010〜0.0200%とした。好ましいN量の範囲は0.0020〜0.0080%である。より好ましいN量の範囲は、0.0030〜0.0050%未満である。
Nは、Al、Ti、Nb、V等と窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果がある。N量が0.0010%未満では窒化物の析出量が不足し、効果が得られない。N量が0.0200%を超えると固溶Nによる動的ひずみ時効により鋼線の変形抵抗が高くなり加工性を劣化させる。そのため、N量は、0.0010〜0.0200%とした。好ましいN量の範囲は0.0020〜0.0080%である。より好ましいN量の範囲は、0.0030〜0.0050%未満である。
本開示に係る線材及び鋼線は、以下に記載する特性の向上を目的に、Ti:0.050%以下、B:0.0050%以下、Mo:0.30%以下、Ni:0.30%以下、Cu:0.50%以下、V:0.30%以下、Nb:0.050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、およびZr:0.0050%以下の1種または2種以上を含有してもよい。
Ti:0.050%以下
Tiは、脱酸元素として機能するとともに、窒化物や炭化物を形成しオーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果、固溶Bの生成を促進し、焼入れ性を高める効果、固溶Nを固定して動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。Ti量が0.050%を超えるとこれらの効果が飽和するとともに粗大な酸化物又は窒化物を生成して、機械部品の疲労強度を劣化させることがある。そのため、Tiを含む場合、Ti量は0超〜0.050%とすることがよい。好ましいTi量の範囲は0.005〜0.030%である。より好ましいTi量の範囲は0.010〜0.025%である。
Tiは、脱酸元素として機能するとともに、窒化物や炭化物を形成しオーステナイト結晶粒を細粒化し、機械部品の靱性を向上させる効果、固溶Bの生成を促進し、焼入れ性を高める効果、固溶Nを固定して動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。Ti量が0.050%を超えるとこれらの効果が飽和するとともに粗大な酸化物又は窒化物を生成して、機械部品の疲労強度を劣化させることがある。そのため、Tiを含む場合、Ti量は0超〜0.050%とすることがよい。好ましいTi量の範囲は0.005〜0.030%である。より好ましいTi量の範囲は0.010〜0.025%である。
B:0.0050%以下
Bは、固溶Bとして粒界に偏析して焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。B量が0.0050%を超えると粒界に炭化物を生成して伸線加工性を劣化させることがある。そのため、Bを含む場合、B量は0超〜0.0050%とすることがよい。好ましいB量の範囲は0.0003〜0.0030%である。より好ましいB量の範囲は0.0005〜0.0020%である。
Bは、固溶Bとして粒界に偏析して焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。B量が0.0050%を超えると粒界に炭化物を生成して伸線加工性を劣化させることがある。そのため、Bを含む場合、B量は0超〜0.0050%とすることがよい。好ましいB量の範囲は0.0003〜0.0030%である。より好ましいB量の範囲は0.0005〜0.0020%である。
Mo:0.30%以下
Moは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。Mo量が0.30%を超えると、合金コストが増加するとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Moを含む場合、Mo量は、0超〜0.30%とすることがよい。好ましいMo量の範囲は、0.10〜0.25%である。
Moは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。Mo量が0.30%を超えると、合金コストが増加するとともに、鋼線の変形抵抗が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Moを含む場合、Mo量は、0超〜0.30%とすることがよい。好ましいMo量の範囲は、0.10〜0.25%である。
Ni:0.30%以下
Niは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。Ni量が0.30%を超えると合金コストを増加する。そのため、Niを含む場合、Ni量は0超〜0.30%とすることがよい。好ましいNi量の範囲は0.02〜0.25%とすることがよい。
Niは、焼入れ性を向上させて、機械部品に必要な強度を付与する効果がある。Ni量が0.30%を超えると合金コストを増加する。そのため、Niを含む場合、Ni量は0超〜0.30%とすることがよい。好ましいNi量の範囲は0.02〜0.25%とすることがよい。
Cu:0.50%以下
Cuは、焼入れ性を向上させたり、微細に析出して、機械部品に必要な強度を付与するとともに耐食性を向上させる効果がある。Cu量が0.50%を超えると熱間延性が劣化し表面に疵が発生しやすくなる。そのため、Cuを含む場合、Cu量は0超〜0.50%とすることがよい。好ましいCu量の範囲は0.02〜0.30%とすることがよい。
Cuは、焼入れ性を向上させたり、微細に析出して、機械部品に必要な強度を付与するとともに耐食性を向上させる効果がある。Cu量が0.50%を超えると熱間延性が劣化し表面に疵が発生しやすくなる。そのため、Cuを含む場合、Cu量は0超〜0.50%とすることがよい。好ましいCu量の範囲は0.02〜0.30%とすることがよい。
V:0.30%以下
Vは、炭化物VCを析出させて、機械部品の強度を高める効果がある。V量が0.30%を超えて含有すると合金コストが増加する。そのため、Vを含む場合、V量は0超〜0.30%とすることがよい。好ましいV量の範囲は0.01〜0.20%である。
Vは、炭化物VCを析出させて、機械部品の強度を高める効果がある。V量が0.30%を超えて含有すると合金コストが増加する。そのため、Vを含む場合、V量は0超〜0.30%とすることがよい。好ましいV量の範囲は0.01〜0.20%である。
Nb:0.050%以下
Nbは、炭化物や窒化物を析出させて、機械部品の強度を高める効果、オーステナイト結晶粒を細粒化して靱性を向上させる効果、固溶Nを低減して、変形抵抗を低減する効果等がある。Nb量が0.050%を超えると効果が飽和するとともに冷間鍛造性を劣化させることがある。そのため、Nbを含む場合、Nb量は0超〜0.050%とすることがよい。好ましいNb量の範囲は0.001〜0.030%である。より好ましいNb量の範囲は0.005〜0.020%である。
Nbは、炭化物や窒化物を析出させて、機械部品の強度を高める効果、オーステナイト結晶粒を細粒化して靱性を向上させる効果、固溶Nを低減して、変形抵抗を低減する効果等がある。Nb量が0.050%を超えると効果が飽和するとともに冷間鍛造性を劣化させることがある。そのため、Nbを含む場合、Nb量は0超〜0.050%とすることがよい。好ましいNb量の範囲は0.001〜0.030%である。より好ましいNb量の範囲は0.005〜0.020%である。
Ca、Mg、Zr:各0.0050%以下
Ca、Mg、Zrは、脱酸元素を目的に添加する。これらの元素は酸化物を微細にして疲労強度を向上させる効果がある。添加量が0.050%を超えると効果が飽和するとともに粗大な酸化物を生成し、疲労特性を劣化させることがある。そのため、Ca、Mg、又はZrを含む場合、Ca量、Mg量、又はZr量はそれぞれ0超〜0.050%とすることがよい。好ましいCa量、Mg量、又はZr量の範囲はそれぞれ0.001〜0.030%である。より好ましいCa量、Mg量、又はZr量の範囲はそれぞれ0.005〜0.020%である。
Ca、Mg、Zrは、脱酸元素を目的に添加する。これらの元素は酸化物を微細にして疲労強度を向上させる効果がある。添加量が0.050%を超えると効果が飽和するとともに粗大な酸化物を生成し、疲労特性を劣化させることがある。そのため、Ca、Mg、又はZrを含む場合、Ca量、Mg量、又はZr量はそれぞれ0超〜0.050%とすることがよい。好ましいCa量、Mg量、又はZr量の範囲はそれぞれ0.001〜0.030%である。より好ましいCa量、Mg量、又はZr量の範囲はそれぞれ0.005〜0.020%である。
残部:Fe及び不純物
本開示に係る線材及び鋼線の成分組成において、残部は、Fe及び不純物である。
ここで、不純物とは、原材料に含まれる成分、または、製造の工程で混入する成分であって、意図的に含有させたものではない成分を指す。さらに、不純物は、意図的に含有させた成分であっても、鋼線の性能に影響を与えない範囲の量で含有する成分も含む。
不純物としては、例えば、O等が挙げられる。Oは鋼線中に不可避的に含有し、Al、Tiなどの酸化物として存在する。O量が高いと粗大な酸化物が形成し、機械部品の疲労強度が低下する原因となる。そのため、O量は0.01%以下に抑制することが好ましい。
本開示に係る線材及び鋼線の成分組成において、残部は、Fe及び不純物である。
ここで、不純物とは、原材料に含まれる成分、または、製造の工程で混入する成分であって、意図的に含有させたものではない成分を指す。さらに、不純物は、意図的に含有させた成分であっても、鋼線の性能に影響を与えない範囲の量で含有する成分も含む。
不純物としては、例えば、O等が挙げられる。Oは鋼線中に不可避的に含有し、Al、Tiなどの酸化物として存在する。O量が高いと粗大な酸化物が形成し、機械部品の疲労強度が低下する原因となる。そのため、O量は0.01%以下に抑制することが好ましい。
F1
本開示に係る線材及び鋼線は、Mn、Cr、Cu、Moの含有量の質量%での値をそれぞれ(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)とするとき、下記式で表されるF1が1.50以上3.00以下である。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
F1が1.50未満では、フェライトの面積率が増大し、焼鈍後の延性が低下する。一方、F1が3.00を超えるとマルテンサイトの面積率が増加し、伸線加工の際に断線する可能性が高まる。そのため、F1を1.50以上3.00以下とした。好ましいF1の範囲は1.60以上2.80以下である。より好ましいF1の範囲は1.70以上2.60以下である。
なお、F1を示す式中、Cr、Cu、Mo、及びVは任意元素であり、線材及び鋼線に含まれない場合は「0」としてF1を算出する。
本開示に係る線材及び鋼線は、Mn、Cr、Cu、Moの含有量の質量%での値をそれぞれ(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)とするとき、下記式で表されるF1が1.50以上3.00以下である。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
F1が1.50未満では、フェライトの面積率が増大し、焼鈍後の延性が低下する。一方、F1が3.00を超えるとマルテンサイトの面積率が増加し、伸線加工の際に断線する可能性が高まる。そのため、F1を1.50以上3.00以下とした。好ましいF1の範囲は1.60以上2.80以下である。より好ましいF1の範囲は1.70以上2.60以下である。
なお、F1を示す式中、Cr、Cu、Mo、及びVは任意元素であり、線材及び鋼線に含まれない場合は「0」としてF1を算出する。
[金属組織]
次に、本開示に係る線材及び鋼線の金属組織の限定理由について述べる。
本開示に係る線材及び鋼線は、金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、C断面を観察した場合に、ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、フェライトの面積率が5%未満及びマルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たす。
ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上とは、組織観察した測定視野の全面積に対して、これらの組織の合計面積が98面積%以上であることを意味する。金属組織中にパーライトが含まれると、焼鈍後の鋼線の延性が低くなり、冷間鍛造性が劣化するため、パーライトは含まれないことが好ましい。残部組織として、2面積%未満の初析セメンタイト及び/又はオーステナイトが許容される。
次に、本開示に係る線材及び鋼線の金属組織の限定理由について述べる。
本開示に係る線材及び鋼線は、金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、C断面を観察した場合に、ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、フェライトの面積率が5%未満及びマルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たす。
ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上とは、組織観察した測定視野の全面積に対して、これらの組織の合計面積が98面積%以上であることを意味する。金属組織中にパーライトが含まれると、焼鈍後の鋼線の延性が低くなり、冷間鍛造性が劣化するため、パーライトは含まれないことが好ましい。残部組織として、2面積%未満の初析セメンタイト及び/又はオーステナイトが許容される。
<フェライト>
フェライトの面積%が5%以上になると、焼鈍後のセメンタイトの分布が不均一となり、強度が不均一となる。強度が不均一になると、冷間鍛造の際に、局部的に変形が集中し、割れが発生しやすくなる。このため、フェライトの面積%を5%未満とした。好ましいフェライトの面積%は4%以下である。より好ましいフェライトの面積%は3%以下である。なお、本開示に係る線材及び鋼線の金属組織は、フェライトを含まなくてもよい。すなわち、フェライトの面積%が0%であってもよい。
フェライトの面積%が5%以上になると、焼鈍後のセメンタイトの分布が不均一となり、強度が不均一となる。強度が不均一になると、冷間鍛造の際に、局部的に変形が集中し、割れが発生しやすくなる。このため、フェライトの面積%を5%未満とした。好ましいフェライトの面積%は4%以下である。より好ましいフェライトの面積%は3%以下である。なお、本開示に係る線材及び鋼線の金属組織は、フェライトを含まなくてもよい。すなわち、フェライトの面積%が0%であってもよい。
<マルテンサイト>
マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超えると、焼鈍後の変形抵抗が高くなり冷間鍛造性が劣化する。一方、マルテンサイトを含むと焼鈍後の炭化物が微細になり延性が向上するが、マルテンサイトの面積%が10×F1−15%未満では効果が十分得られない。このためマルテンサイトの面積%を0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下とした。なお、「0%超、かつ10×F1−15%以上」とは、「10×F1−15」の値が0以下の場合、マルテンサイトの面積%の下限値は0%超であることを意味する。
なお、マルテンサイトの面積%が30%を超えると、焼鈍前の伸線加工の際に断線が発生しやすくなるため、マルテンサイトの面積%は30%以下が好ましい。
マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超えると、焼鈍後の変形抵抗が高くなり冷間鍛造性が劣化する。一方、マルテンサイトを含むと焼鈍後の炭化物が微細になり延性が向上するが、マルテンサイトの面積%が10×F1−15%未満では効果が十分得られない。このためマルテンサイトの面積%を0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下とした。なお、「0%超、かつ10×F1−15%以上」とは、「10×F1−15」の値が0以下の場合、マルテンサイトの面積%の下限値は0%超であることを意味する。
なお、マルテンサイトの面積%が30%を超えると、焼鈍前の伸線加工の際に断線が発生しやすくなるため、マルテンサイトの面積%は30%以下が好ましい。
<ベイナイト>
ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率のうち、フェライトの面積率及びマルテンサイトの面積率を除く残部はベイナイトである。好ましいベイナイトの面積%は113−21×F1%超、115−10×F1%以下であり、より好ましくは112−17×F1%以上115−10×F1%以下である。
なお、本開示におけるベイナイトは、パーライトと同様にフェライト相(α)とセメンタイト相(Fe3C)が含まれるが、パーライトは、フェライト相とセメンタイト相とが交互に連続して層状に積層した組織であり、ベイナイトは、粒内にラス(針状の下部組織)を含み、かつ粒状または針状の炭化物が分散した組織である。
ベイナイト、マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率のうち、フェライトの面積率及びマルテンサイトの面積率を除く残部はベイナイトである。好ましいベイナイトの面積%は113−21×F1%超、115−10×F1%以下であり、より好ましくは112−17×F1%以上115−10×F1%以下である。
なお、本開示におけるベイナイトは、パーライトと同様にフェライト相(α)とセメンタイト相(Fe3C)が含まれるが、パーライトは、フェライト相とセメンタイト相とが交互に連続して層状に積層した組織であり、ベイナイトは、粒内にラス(針状の下部組織)を含み、かつ粒状または針状の炭化物が分散した組織である。
<ベイナイトブロックの平均円相当径>
ベイナイトブロックの平均円相当径を小さくすると、焼鈍の際にセメンタイトの球状化を促進し、焼鈍時間を短縮することができる。ベイナイトブロックの平均円相当径が15μmを超えると、焼鈍時間が長くなり製造コストが増大する。また、セメンタイトの球状化が不完全となるため、冷間鍛造性が劣化する場合がある。このため、ベイナイトブロックの平均円相当径を15μm以下とした。好ましいベイナイトブロックの平均円相当径は13μm以下である。
ベイナイトブロックの平均円相当径を小さくすると、焼鈍の際にセメンタイトの球状化を促進し、焼鈍時間を短縮することができる。ベイナイトブロックの平均円相当径が15μmを超えると、焼鈍時間が長くなり製造コストが増大する。また、セメンタイトの球状化が不完全となるため、冷間鍛造性が劣化する場合がある。このため、ベイナイトブロックの平均円相当径を15μm以下とした。好ましいベイナイトブロックの平均円相当径は13μm以下である。
<線材の(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径)>
線材の直径をDとしたとき、(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満であると、焼鈍後の冷間鍛造性が改善する。(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径)の好ましい比は、0.98以下である。0.60未満とするためには製造コストが増大するため、下限は0.60が好ましい。
線材の直径をDとしたとき、(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満であると、焼鈍後の冷間鍛造性が改善する。(表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径)の好ましい比は、0.98以下である。0.60未満とするためには製造コストが増大するため、下限は0.60が好ましい。
<鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比>
ベイナイトブロックのアスペクト比とは、L断面で測定したベイナイトブロックの長径と短径との比、すなわち長径/短径である。L断面で測定した鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比を1.00超とすると、焼鈍の際にセメンタイトの球状化を促進し、焼鈍時間を短縮することができる。1.00以下では焼鈍時間が短縮する効果がなく、1.30以上になると効果が飽和する。このため、L断面で測定した鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比を、1.00超1.30未満とした。
ベイナイトブロックのアスペクト比とは、L断面で測定したベイナイトブロックの長径と短径との比、すなわち長径/短径である。L断面で測定した鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比を1.00超とすると、焼鈍の際にセメンタイトの球状化を促進し、焼鈍時間を短縮することができる。1.00以下では焼鈍時間が短縮する効果がなく、1.30以上になると効果が飽和する。このため、L断面で測定した鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比を、1.00超1.30未満とした。
(組織の測定方法)
本開示に係る線材及び鋼線の金属組織の測定は、以下の方法によって行う。
本開示に係る線材及び鋼線の金属組織の測定は、以下の方法によって行う。
−線材および鋼線における金属組織の面積率の測定−
ベイナイト、フェライト、及びマルテンサイトの各面積率(面積%)は以下の手順により決定する。
まず、測定対象とする線材又は鋼線(以下「対象物」と称する場合がある。)のC断面を鏡面研磨した後、ピクラール(5%ピクリン酸+95%エタノール溶液)でエッチングして組織を現出させる。
次に、対象物の直径をDとした場合に、当該対象物の表面からの深さが250μmの深さ位置において対象物の周方向に90°おきに4箇所及び当該対象物の表面からの深さが0.25Dの深さ位置において周方向に90°おきに4箇所の計8箇所において、それぞれ深さ方向に80μm、周方向に120μmの領域と、中心軸部分(表面からの深さが0.5Dの深さ位置)の1箇所における80μm×80μmの領域と、の計9箇所を特定する。そしてこれら9箇所について走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて倍率1000倍の組織写真を撮影する。
本開示では、撮影された組織写真において、(長軸の長さ)/(短軸の長さ)が5.0以上のセメンタイトがフェライトと交互に連続して層状に積層し、層間に粒状、または針状のセメンタイトを含まない組織をパーライトとした。なお、パーライトには疑似パーライトを含む。疑似パーライトは、分断したセメンタイトが列状に並び、列間に粒状、または針状の炭化物を含まず、かつ、粒内にラス(針状の下部組織)を含まない組織とした。ベイナイトは、粒内にラスを含み、かつラス間やラス内に粒状、または針状の炭化物が分散した組織とした。
ベイナイト、フェライト、及びマルテンサイトの各面積率(面積%)は以下の手順により決定する。
まず、測定対象とする線材又は鋼線(以下「対象物」と称する場合がある。)のC断面を鏡面研磨した後、ピクラール(5%ピクリン酸+95%エタノール溶液)でエッチングして組織を現出させる。
次に、対象物の直径をDとした場合に、当該対象物の表面からの深さが250μmの深さ位置において対象物の周方向に90°おきに4箇所及び当該対象物の表面からの深さが0.25Dの深さ位置において周方向に90°おきに4箇所の計8箇所において、それぞれ深さ方向に80μm、周方向に120μmの領域と、中心軸部分(表面からの深さが0.5Dの深さ位置)の1箇所における80μm×80μmの領域と、の計9箇所を特定する。そしてこれら9箇所について走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて倍率1000倍の組織写真を撮影する。
本開示では、撮影された組織写真において、(長軸の長さ)/(短軸の長さ)が5.0以上のセメンタイトがフェライトと交互に連続して層状に積層し、層間に粒状、または針状のセメンタイトを含まない組織をパーライトとした。なお、パーライトには疑似パーライトを含む。疑似パーライトは、分断したセメンタイトが列状に並び、列間に粒状、または針状の炭化物を含まず、かつ、粒内にラス(針状の下部組織)を含まない組織とした。ベイナイトは、粒内にラスを含み、かつラス間やラス内に粒状、または針状の炭化物が分散した組織とした。
さらに、撮影された組織写真中のベイナイト、フェライト、マルテンサイト、パーライト、オーステナイト、及び初析セメンタイトの各組織を目視でマーキングし、各組織の領域の面積を画像解析(ソフト名:ニレコ製小型汎用画像処理解析システムLUZEX_AP)により求める。なお、この操作は少なくとも2個のサンプルについて測定、算出し、それらの平均値を求め、当該平均値を本開示における各組織の面積%とする。
なお、フェライトとマルテンサイトの判別が困難な場合は、観察位置を圧痕で特定し、ピクラールで腐食して組織写真を撮影した後、再研磨し、ナイタール(5%硝酸+95%エタノール溶液)でエッチングして組織を現出させる。同一箇所の組織写真をSEMを用いて倍率1000倍で撮影する。ナイタールで腐食されるが、ピクラールでの腐食が弱い領域をマルテンサイトと判定し、ナイタール、ピクラールとも腐食が弱い領域をフェライトと判定して、上述の方法にて各組織の領域を目視でマーキングし、面積%を画像解析により求める。
ベイナイトと疑似パーライトの判別が困難な場合は、対象とする線材または鋼線のC断面を鏡面研磨し、当該対象物の表面からの深さが250μmの深さ位置において対象物の周方向に90°おきに4箇所及び当該対象物の表面からの深さが0.25Dの深さ位置において周方向に90°おきに4箇所の計8箇所において深さ方向に30μm、周方向に45μmの領域と、中心軸部分の1箇所における30μm×30μmの領域と、の計9箇所のそれぞれの観察位置を特定する。ナイタールでエッチングし組織を現出後、領域内全域の組織写真をSEMを用いて5000倍で撮影する。粒内にラス(針状の下部組織)が存在し、かつ粒状、または針状炭化物が存在する組織をベイナイトと判定した。
なお、フェライトとマルテンサイトの判別が困難な場合は、観察位置を圧痕で特定し、ピクラールで腐食して組織写真を撮影した後、再研磨し、ナイタール(5%硝酸+95%エタノール溶液)でエッチングして組織を現出させる。同一箇所の組織写真をSEMを用いて倍率1000倍で撮影する。ナイタールで腐食されるが、ピクラールでの腐食が弱い領域をマルテンサイトと判定し、ナイタール、ピクラールとも腐食が弱い領域をフェライトと判定して、上述の方法にて各組織の領域を目視でマーキングし、面積%を画像解析により求める。
ベイナイトと疑似パーライトの判別が困難な場合は、対象とする線材または鋼線のC断面を鏡面研磨し、当該対象物の表面からの深さが250μmの深さ位置において対象物の周方向に90°おきに4箇所及び当該対象物の表面からの深さが0.25Dの深さ位置において周方向に90°おきに4箇所の計8箇所において深さ方向に30μm、周方向に45μmの領域と、中心軸部分の1箇所における30μm×30μmの領域と、の計9箇所のそれぞれの観察位置を特定する。ナイタールでエッチングし組織を現出後、領域内全域の組織写真をSEMを用いて5000倍で撮影する。粒内にラス(針状の下部組織)が存在し、かつ粒状、または針状炭化物が存在する組織をベイナイトと判定した。
−線材及び鋼線におけるベイナイトブロックの平均円相当径の測定−
ベイナイトブロックの平均円相当径は電子線後方散乱回折(EBSD:Electron Back Scattering Diffraction)法により測定できる。具体的には、図1に示すように、線材10又は鋼線のL断面の表層部(表面近傍:線材又は鋼線の表面から径方向に500μmまでの深さの部分)、0.25D部(線材又は鋼線の表面から鋼線の中心方向に直径Dの0.25倍の深さの部分)、0.5D部(線材又は鋼線の中心部分)での、深さ方向(径方向)に500μm、中心軸C方向に500μmの領域において、測定ステップを1.0μmとして各領域内の各測定点でのbcc−Feの結晶方位を測定し、方位差が15度以上の境界をブロック粒界と定義する。そして、このブロック粒界に囲まれた5ピクセル以上の領域をブロック粒とする。ブロック粒の平均円相当径を、混粒が前提となる粒集団の平均粒径の求め方であるJohnson−Saltykovの測定方法(「計量形態学」内田老鶴圃新社、S47.7.30発行、原著:R.T.DeHoff.F.N.Rbiness.P189参照)を用いて得た。これを2つのサンプルについて行い、合計6つの測定領域で測定した平均円相当径の平均値をベイナイトブロックの平均円相当径とする。
ベイナイトブロックの平均円相当径は電子線後方散乱回折(EBSD:Electron Back Scattering Diffraction)法により測定できる。具体的には、図1に示すように、線材10又は鋼線のL断面の表層部(表面近傍:線材又は鋼線の表面から径方向に500μmまでの深さの部分)、0.25D部(線材又は鋼線の表面から鋼線の中心方向に直径Dの0.25倍の深さの部分)、0.5D部(線材又は鋼線の中心部分)での、深さ方向(径方向)に500μm、中心軸C方向に500μmの領域において、測定ステップを1.0μmとして各領域内の各測定点でのbcc−Feの結晶方位を測定し、方位差が15度以上の境界をブロック粒界と定義する。そして、このブロック粒界に囲まれた5ピクセル以上の領域をブロック粒とする。ブロック粒の平均円相当径を、混粒が前提となる粒集団の平均粒径の求め方であるJohnson−Saltykovの測定方法(「計量形態学」内田老鶴圃新社、S47.7.30発行、原著:R.T.DeHoff.F.N.Rbiness.P189参照)を用いて得た。これを2つのサンプルについて行い、合計6つの測定領域で測定した平均円相当径の平均値をベイナイトブロックの平均円相当径とする。
なお、線材における「表層部のベイナイトブロックの平均円相当径/0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径」は、上述したEBSD法で求めた表層部のベイナイトブロックの平均円相当径を0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径で除して求める。
−鋼線におけるベイナイトブロックの平均アスペクト比の測定−
鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比は、次のように決定する。上述したEBSD法にて、表層部、0.25D部、0.5D部のブロック粒を決定する。このようにひとつのL断面の6つの領域において、円相当径が最大のものから順に10個のブロック粒を選定する。選定された10個のブロック粒についてアスペクト比(長径/短径)を測定し、その平均値を算出する。このようにして、6つの領域においてそれぞれの平均値を算出し、その平均を平均アスペクト比とする。
鋼線のベイナイトブロックの平均アスペクト比は、次のように決定する。上述したEBSD法にて、表層部、0.25D部、0.5D部のブロック粒を決定する。このようにひとつのL断面の6つの領域において、円相当径が最大のものから順に10個のブロック粒を選定する。選定された10個のブロック粒についてアスペクト比(長径/短径)を測定し、その平均値を算出する。このようにして、6つの領域においてそれぞれの平均値を算出し、その平均を平均アスペクト比とする。
<線材の引張強さ>
本開示に係る線材は、線材に含まれるC、Si、Mn、Cr、Mo、及びVのそれぞれの質量%による含有量を(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Mo%)、及び(V%)で表し、F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)とした場合に、引張強さが1000×F2+200MPa以上である。なお、Mo及びVは任意元素であり、これらの元素を含まない場合は「0」としてF2を算出する。
線材の引張強さが1000×F2+200MPa未満では、焼鈍後の軟質化が不十分で冷間鍛造性が劣化する。一方、線材の引張強さが1300×F2+190MPaを超えると、焼鈍後の冷間鍛造性が劣化する。このため、線材の引張強さを1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下とした。なお、線材の引張強さが1300MPaを超えると、焼鈍前の伸線加工の際に断線しやすくなるため、線材の引張強さは、1300MPa以下が好ましい。
線材の引張強さは、JIS Z2241(2011年)の9A試験片を用い、JIS Z2241(2011年)の試験方法に従って引張試験を行って測定した値である。
本開示に係る線材は、線材に含まれるC、Si、Mn、Cr、Mo、及びVのそれぞれの質量%による含有量を(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Mo%)、及び(V%)で表し、F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%)とした場合に、引張強さが1000×F2+200MPa以上である。なお、Mo及びVは任意元素であり、これらの元素を含まない場合は「0」としてF2を算出する。
線材の引張強さが1000×F2+200MPa未満では、焼鈍後の軟質化が不十分で冷間鍛造性が劣化する。一方、線材の引張強さが1300×F2+190MPaを超えると、焼鈍後の冷間鍛造性が劣化する。このため、線材の引張強さを1000×F2+200MPa以上、1300×F2+190MPa以下とした。なお、線材の引張強さが1300MPaを超えると、焼鈍前の伸線加工の際に断線しやすくなるため、線材の引張強さは、1300MPa以下が好ましい。
線材の引張強さは、JIS Z2241(2011年)の9A試験片を用い、JIS Z2241(2011年)の試験方法に従って引張試験を行って測定した値である。
[線材の製造方法]
本開示に係る線材の製造方法の一例について説明する。本開示に係る線材は、加熱工程と、熱間圧延工程と、冷却工程と、第1保持工程と、第2保持工程とを含む方法によって好適に製造することができる。以下各工程について詳細に説明する。
本開示に係る線材の製造方法の一例について説明する。本開示に係る線材は、加熱工程と、熱間圧延工程と、冷却工程と、第1保持工程と、第2保持工程とを含む方法によって好適に製造することができる。以下各工程について詳細に説明する。
(加熱工程)
加熱工程では、上記本開示に係る線材の成分組成を有する鋼片を、950〜1150℃に加熱する。加熱温度が950℃未満では、熱間圧延の際の変形抵抗が増大し圧延コストが嵩む。一方、加熱温度が1150℃を超えると表層部の脱炭が顕著となり、最終製品の表層硬さが低下する。
加熱工程では、上記本開示に係る線材の成分組成を有する鋼片を、950〜1150℃に加熱する。加熱温度が950℃未満では、熱間圧延の際の変形抵抗が増大し圧延コストが嵩む。一方、加熱温度が1150℃を超えると表層部の脱炭が顕著となり、最終製品の表層硬さが低下する。
(熱間圧延工程)
熱間圧延工程では、加熱された鋼片を、仕上げ圧延温度850〜1000℃で熱間圧延する。仕上げ圧延温度が850℃未満では、焼鈍後のフェライト粒が細粒化し、変形抵抗が劣化する。仕上げ圧延温度が1000℃を超えると、第1保持工程における変態完了時間が長くなり、製造コストが増加する。なお、仕上げ圧延温度とは、仕上げ圧延直後の線材の表面温度を指す。
熱間圧延工程では、加熱された鋼片を、仕上げ圧延温度850〜1000℃で熱間圧延する。仕上げ圧延温度が850℃未満では、焼鈍後のフェライト粒が細粒化し、変形抵抗が劣化する。仕上げ圧延温度が1000℃を超えると、第1保持工程における変態完了時間が長くなり、製造コストが増加する。なお、仕上げ圧延温度とは、仕上げ圧延直後の線材の表面温度を指す。
(冷却工程)
冷却工程では、熱間圧延後、850〜1000℃である線材を、850℃から550℃までを30〜250℃/sの平均冷却速度で、400〜500℃未満まで冷却する。例えば、熱間圧延後の線材をリング状に巻取って上記平均冷却速度となるように溶融塩槽への浸漬によって冷却することができる。平均冷却速度が30℃/s未満では、フェライト組織の面積%が5%未満の組織が得られない。平均冷却速度が250℃/s以上とするには製造コストが嵩む。なお、平均冷却速度とは、線材の表面冷却速度を指す。
冷却工程では、熱間圧延後、850〜1000℃である線材を、850℃から550℃までを30〜250℃/sの平均冷却速度で、400〜500℃未満まで冷却する。例えば、熱間圧延後の線材をリング状に巻取って上記平均冷却速度となるように溶融塩槽への浸漬によって冷却することができる。平均冷却速度が30℃/s未満では、フェライト組織の面積%が5%未満の組織が得られない。平均冷却速度が250℃/s以上とするには製造コストが嵩む。なお、平均冷却速度とは、線材の表面冷却速度を指す。
(第1保持工程)
第1保持工程では、400℃〜500℃未満で20秒以上保持する。保持温度が400℃未満では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線工程での断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の変形抵抗が高くなり、冷間鍛造性を劣化させる。保持温度が500℃以上では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線加工工程において断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の冷間鍛造性を劣化させる。
また、第1保持工程での保持時間が20秒未満では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線加工工程において断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の冷間鍛造性を劣化させる。なお、製造コストの観点から、保持時間の上限は、120秒がよい。第1保持工程は、例えば、溶融塩浴槽への浸漬により実施する。
第1保持工程では、400℃〜500℃未満で20秒以上保持する。保持温度が400℃未満では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線工程での断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の変形抵抗が高くなり、冷間鍛造性を劣化させる。保持温度が500℃以上では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線加工工程において断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の冷間鍛造性を劣化させる。
また、第1保持工程での保持時間が20秒未満では、マルテンサイトの面積%が21×F1−20%を超え、伸線加工工程において断線の原因となるとともに、焼鈍工程後の冷間鍛造性を劣化させる。なお、製造コストの観点から、保持時間の上限は、120秒がよい。第1保持工程は、例えば、溶融塩浴槽への浸漬により実施する。
(第2保持工程)
第2保持工程では、500℃〜600℃に30秒以上保持する。保持温度が500℃未満では線材の強度が高いため、伸線加工工程において断線の原因となる。保持温度が600℃以上では、製造コストが増加する。製造コストの観点から、保持時間の上限は、150秒がよい。第2保持工程は、例えば、溶融塩浴槽への浸漬により実施する。
第2保持工程では、500℃〜600℃に30秒以上保持する。保持温度が500℃未満では線材の強度が高いため、伸線加工工程において断線の原因となる。保持温度が600℃以上では、製造コストが増加する。製造コストの観点から、保持時間の上限は、150秒がよい。第2保持工程は、例えば、溶融塩浴槽への浸漬により実施する。
上記工程を経て製造される本開示に係る線材の線径Dとしては、好ましくは3.0〜25.0mmであり、より好ましくは5.0〜18.0mmである。
[鋼線の製造方法]
本開示に係る鋼線の製造方法の一例について説明する。本開示に係る鋼線は、本開示に係る線材を用いて、少なくとも伸線加工工程を含む方法によって好適に製造することができる。以下、伸線加工工程について詳細に説明する。
本開示に係る鋼線の製造方法の一例について説明する。本開示に係る鋼線は、本開示に係る線材を用いて、少なくとも伸線加工工程を含む方法によって好適に製造することができる。以下、伸線加工工程について詳細に説明する。
(伸線加工工程)
伸線加工工程では、第2保持工程後、室温に冷却された線材を、総減面率20〜50%で伸線加工する。伸線加工を行うことで、焼鈍工程の際に炭化物の球状化を促進するとともに、フェライト粒の成長を促進する。伸線加工の際の総減面率が20%未満では、これらの効果が不十分で冷間鍛造性が劣化する。総減面率が50%を超えても効果が飽和するとともに、鋼線径が小さくなり用途が制限される。
本開示に係る線材を伸線加工して製造される本開示に係る鋼線の線径としては、好ましくは2.5〜21.0mmであり、より好ましくは4.5〜16.0mmである。
なお、本開示に係る線材を伸線加工して本開示に係る鋼線を製造する場合、後述する焼鈍前の鋼線の金属組織の面積率は、伸線加工前の金属組織の面積率が維持される。また、伸線加工によってベイナイトブロックも長手方向に延びることになるが、ベイナイトブロックの円相当径は、伸線加工前後においてほとんど変化しない。
伸線加工工程では、第2保持工程後、室温に冷却された線材を、総減面率20〜50%で伸線加工する。伸線加工を行うことで、焼鈍工程の際に炭化物の球状化を促進するとともに、フェライト粒の成長を促進する。伸線加工の際の総減面率が20%未満では、これらの効果が不十分で冷間鍛造性が劣化する。総減面率が50%を超えても効果が飽和するとともに、鋼線径が小さくなり用途が制限される。
本開示に係る線材を伸線加工して製造される本開示に係る鋼線の線径としては、好ましくは2.5〜21.0mmであり、より好ましくは4.5〜16.0mmである。
なお、本開示に係る線材を伸線加工して本開示に係る鋼線を製造する場合、後述する焼鈍前の鋼線の金属組織の面積率は、伸線加工前の金属組織の面積率が維持される。また、伸線加工によってベイナイトブロックも長手方向に延びることになるが、ベイナイトブロックの円相当径は、伸線加工前後においてほとんど変化しない。
(焼鈍工程)
本開示に係る鋼線は、以下の焼鈍工程を行うことにより、セメンタイトが球状化し冷間鍛造性が向上する。
焼鈍工程では、650℃以上Ac1温度(℃)以下で3時間以上保持して冷却する。ここで、Ac1=723−10.7×(Mn%)+29.1×(Si%)+16.9×(Cr%)である。焼鈍温度が650℃未満では、フェライト粒が細粒となり冷間鍛造性が劣化する。Ac1を超えると、炭化物の個数が減少し、冷間鍛造性が劣化する。保持時間が3時間未満では、フェライト粒が細粒となり冷間鍛造性が劣化する。
本開示に係る鋼線は、以下の焼鈍工程を行うことにより、セメンタイトが球状化し冷間鍛造性が向上する。
焼鈍工程では、650℃以上Ac1温度(℃)以下で3時間以上保持して冷却する。ここで、Ac1=723−10.7×(Mn%)+29.1×(Si%)+16.9×(Cr%)である。焼鈍温度が650℃未満では、フェライト粒が細粒となり冷間鍛造性が劣化する。Ac1を超えると、炭化物の個数が減少し、冷間鍛造性が劣化する。保持時間が3時間未満では、フェライト粒が細粒となり冷間鍛造性が劣化する。
以下、本開示に係る線材及び鋼線について実施例を挙げてさらに具体的に説明する。ただし、これら各実施例は、本開示に係る線材及び鋼線を制限するものではない。
[線材及び鋼線の製造]
表1に示す成分組成を有する鋼種A〜Lの鋼片を用いて、表2及び表4〜表6に示す条件で、次の通り、線材と鋼線を製造した。なお、表1において「−」はその成分を意図的に添加しなかったことを意味し、下線部分は、本開示の範囲外であることを意味する。鋼種K、Lは本開示の成分範囲を満たさない比較例である。
表1に示す成分組成を有する鋼種A〜Lの鋼片を用いて、表2及び表4〜表6に示す条件で、次の通り、線材と鋼線を製造した。なお、表1において「−」はその成分を意図的に添加しなかったことを意味し、下線部分は、本開示の範囲外であることを意味する。鋼種K、Lは本開示の成分範囲を満たさない比較例である。
具体的には、表2〜表4に示す試験番号1〜10、23〜26の線材と鋼線は、次の通り製造した。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、リング状に巻取り、熱間圧延ライン後方の溶融塩浴に浸漬して470℃まで冷却した。
次に第1保持、及び第2保持して、その後、室温(25℃)まで冷却して線材を得た。
得られた線材を表4に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
次いで、鋼線を加熱して焼鈍処理した。試験番号1〜10、23〜25の鋼線の焼鈍処理は、710℃に5時間保持した後、空冷して行った。なお、試験番号26の鋼線は、伸線途中で断線した。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、リング状に巻取り、熱間圧延ライン後方の溶融塩浴に浸漬して470℃まで冷却した。
次に第1保持、及び第2保持して、その後、室温(25℃)まで冷却して線材を得た。
得られた線材を表4に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
次いで、鋼線を加熱して焼鈍処理した。試験番号1〜10、23〜25の鋼線の焼鈍処理は、710℃に5時間保持した後、空冷して行った。なお、試験番号26の鋼線は、伸線途中で断線した。
また、表2〜表4に示す試験番号11〜22、27、28の線材と鋼線は、次の通り製造した。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、リング状に巻取り、衝風冷却し室温(25℃)まで冷却して線材を得た。得られた線材を表4に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
次いで、鋼線を加熱して焼鈍処理した。試験番号11〜22、27、28の鋼線の焼鈍処理は、760℃に5時間保持した後、冷却速度15℃/hで660まで冷却し、その後空冷して行った。なお、試験番号21の鋼線は、伸線途中で断線した。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、リング状に巻取り、衝風冷却し室温(25℃)まで冷却して線材を得た。得られた線材を表4に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
次いで、鋼線を加熱して焼鈍処理した。試験番号11〜22、27、28の鋼線の焼鈍処理は、760℃に5時間保持した後、冷却速度15℃/hで660まで冷却し、その後空冷して行った。なお、試験番号21の鋼線は、伸線途中で断線した。
また、表5及び表6に示す試験番号29の線材と鋼線は、次の通り製造した。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、線材をリング状に巻取り、衝風冷却し室温(25℃)まで冷却した。その後、900℃に加熱し、480℃の鉛浴に250秒浸漬して保持を行い、その後、室温(25℃)まで冷却して線材を得た。得られた線材を表6に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
鋼線を710℃に5時間保持した後、空冷して焼鈍処理を行った。
鋼片を加熱し、熱間圧延した後、線材をリング状に巻取り、衝風冷却し室温(25℃)まで冷却した。その後、900℃に加熱し、480℃の鉛浴に250秒浸漬して保持を行い、その後、室温(25℃)まで冷却して線材を得た。得られた線材を表6に示す総減面率で伸線加工し、鋼線を得た。
鋼線を710℃に5時間保持した後、空冷して焼鈍処理を行った。
[組織観察]
上記試験番号1〜29の線材に対して、各組織の面積%、ベイナイトブロックの平均円相当径、及び表層部と0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径の比を、既述した方法に従って測定した。
上記試験番号1〜29の線材に対して、各組織の面積%、ベイナイトブロックの平均円相当径、及び表層部と0.25D部のベイナイトブロックの平均円相当径の比を、既述した方法に従って測定した。
また、焼鈍前の鋼線のベイナイトブロックの平均円相当径、ベイナイトブロックの平均アスペクト比を、既述した方法に従って測定した。なお、試験番号1の伸線加工前後の組織を観察して各組織の面積率を確認したところ、線材の金属組織面積率は、鋼線の金属組織面積率に反映されていることを確認した。
参考のため、図2に試験番号6の線材の表面から0.25D深さの位置をピクラールでエッチングした組織の例を示す。組織写真で腐食されている領域がベイナイト、平坦な領域(腐食の弱い領域)がマルテンサイトである。これらの組織の面積%は上述した方法で画像解析して求めた。
[評価]
<線材の引張試験>
既述した方法に従って引張試験を行って測定した。結果を表3及び表5に示す。
<線材の引張試験>
既述した方法に従って引張試験を行って測定した。結果を表3及び表5に示す。
<焼鈍後の鋼線に対する圧縮試験>
焼鈍後の鋼線を用いて圧縮試験を行い、変形抵抗と限界圧縮率を測定した。延性の評価指標には限界圧縮率を用いた。
焼鈍後の鋼線を、減面率8%で伸線加工し、伸線後の鋼線から直径d、高さ1.5dの円柱状の試験片を作製した。圧縮試験方法は日本塑性加工学会冷間鍛造分科会基準(塑性と加工,vol.22,no.211,1981,p139)に基づき同心円状に溝がついた金型により端面を拘束して圧縮試験を行った。
変形抵抗は、小坂田の方法(K.Osakada:Ann.CIRP,30−1(1981),p135)による相当ひずみ1.6、圧縮率73.6%で加工した際の相当応力とした。
焼鈍後の鋼線を用いて圧縮試験を行い、変形抵抗と限界圧縮率を測定した。延性の評価指標には限界圧縮率を用いた。
焼鈍後の鋼線を、減面率8%で伸線加工し、伸線後の鋼線から直径d、高さ1.5dの円柱状の試験片を作製した。圧縮試験方法は日本塑性加工学会冷間鍛造分科会基準(塑性と加工,vol.22,no.211,1981,p139)に基づき同心円状に溝がついた金型により端面を拘束して圧縮試験を行った。
変形抵抗は、小坂田の方法(K.Osakada:Ann.CIRP,30−1(1981),p135)による相当ひずみ1.6、圧縮率73.6%で加工した際の相当応力とした。
限界圧縮率は、前記伸線後の鋼線から機械加工で作製した直径5.0mm、高さ7.5mmの円柱状試験片の周部軸方向に曲率0.15mm、深さ0.8mm、角度30°の切欠きを有する試験片を用いて、圧縮試験を行った。長さ0.5mm以上の割れが観察されたとき割れ発生と認定し、割れが発生しない最大の圧縮率を限界圧縮率とした。
表4及び表6には、変形抵抗と限界圧縮率の測定結果を示し、さらに、通常鋼線(試験番号11〜20、27、28)との比較結果を示す。「同等」は通常鋼線と比較して、変形抵抗が±20MPa以内、限界圧縮率が±2%以内であることを示し、「良」は、通常鋼線より優れていることを示し、「不良」は通常鋼線より劣っていることを示す。
上記結果から、本開示で規定する要件をすべて満たす試験番号1〜10の線材及び鋼線は、焼鈍後の変形抵抗がそれぞれ比較対象の通常鋼線11〜20と同等で、限界圧縮率が優れることがわかる。
試験番号21の線材は、マルテンサイトの面積%、引張強さが本開示の上限を超える。この線材は伸線途中で断線した。
試験番号22の線材は、フェライトの面積%が本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の限界圧縮率は、比較対象の通常鋼線と同等である。
試験番号23の線材は、マルテンサイトの面積%が本開示の下限未満であり、鋼線の引張強さが本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
試験番号24の鋼線は、ベイナイトブロックの平均アスペクト比が本開示の下限未満である。この鋼線を用いた焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
試験番号25の線材は、F1が本開示の下限未満であり、フェライトの面積%が本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の限界圧縮率は、比較対象の通常鋼線と同等である。
試験番号26の線材は、F1が本開示の上限を超え、マルテンサイトの面積%が本開示の上限を超える。この線材は伸線途中で断線した。
試験番号29の線材は、表層部と0.25Dの比が本開示の上限を超える。この線材を用いて伸線した後、焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
試験番号21の線材は、マルテンサイトの面積%、引張強さが本開示の上限を超える。この線材は伸線途中で断線した。
試験番号22の線材は、フェライトの面積%が本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の限界圧縮率は、比較対象の通常鋼線と同等である。
試験番号23の線材は、マルテンサイトの面積%が本開示の下限未満であり、鋼線の引張強さが本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
試験番号24の鋼線は、ベイナイトブロックの平均アスペクト比が本開示の下限未満である。この鋼線を用いた焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
試験番号25の線材は、F1が本開示の下限未満であり、フェライトの面積%が本開示の上限を超える。この線材を用いた焼鈍後の鋼線の限界圧縮率は、比較対象の通常鋼線と同等である。
試験番号26の線材は、F1が本開示の上限を超え、マルテンサイトの面積%が本開示の上限を超える。この線材は伸線途中で断線した。
試験番号29の線材は、表層部と0.25Dの比が本開示の上限を超える。この線材を用いて伸線した後、焼鈍後の鋼線の変形抵抗は、比較対象の通常鋼線と比べ不良である。
本開示に係る線材及び鋼線は、例えば、ボルト、ねじ、ナット等の機械部品の素材として用いられる機械構造用鋼に好適に利用できる。本開示に係る線材及び鋼線は、成形割れが抑制できるため、部品形状の複雑化による高機能化、機械部品の生産性の向上に寄与し、産業上極めて有用である。
Crの含有量が高い組成の機械構造用鋼において、球状化焼鈍時間の短縮と、球状化処理後に優れた冷間鍛造性を実現できる線材及び鋼線を提供することができ、この結果、従来困難であった高強度を有する複雑形状部品の冷間鍛造による成形が可能となり、製品歩留まりや生産性が向上する。
Crの含有量が高い組成の機械構造用鋼において、球状化焼鈍時間の短縮と、球状化処理後に優れた冷間鍛造性を実現できる線材及び鋼線を提供することができ、この結果、従来困難であった高強度を有する複雑形状部品の冷間鍛造による成形が可能となり、製品歩留まりや生産性が向上する。
10 線材
C 中心軸
D 線材の直径
C 中心軸
D 線材の直径
Claims (4)
- 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
線材に含まれるC、Si、Mn、Cr、Cu、Mo、及びVのそれぞれの質量%による含有量を(C%)、(Si%)、(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、(Mo%)、及び(V%)で表し、F1及びF2をそれぞれ下記式で算出される値とした場合に、
F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記線材の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記線材の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、かつ、前記線材の直径をDとした場合に、(表層部におけるベイナイトブロックの平均円相当径/表面から0.25D部の深さにおけるベイナイトブロックの平均円相当径)が1.00未満であり、
引張強さが、1000×F2+200MPa以上1300×F2+190MPa以下である、線材。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%)
F2=(C%)+0.14×(Si%)+0.20×(Mn%)+0.11×(Cr%)+0.5×(Mo%)+1.54×(V%) - 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす請求項1に記載の線材。 - 成分組成が、質量%で、
C :0.10〜0.50%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.20〜1.00%、
P :0.030%以下、
S :0.050%以下、
Cr:0.85〜1.50%、
Al:0.001〜0.080%、
N :0.0010〜0.0200%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
鋼線に含まれるMn、Cr、Cu、及びMoのそれぞれの質量%による含有量を(Mn%)、(Cr%)、(Cu%)、及び(Mo%)で表し、F1を下記の式で算出される値とした場合に、F1が1.50以上3.00以下であり、
金属組織が、少なくともベイナイト及びマルテンサイトを含み、前記鋼線の長手方向に垂直な断面で測定した前記ベイナイト、前記マルテンサイト、及びフェライトの合計の面積率が98%以上であって、前記フェライトの面積率が5%未満、及び前記マルテンサイトの面積率が0%超、かつ10×F1−15%以上21×F1−20%以下を満たし、
前記鋼線の中心軸を含み、長手方向に平行な断面で測定したベイナイトブロックの平均円相当径が15μm以下であり、前記ベイナイトブロックの平均アスペクト比が1.00超1.30未満である、鋼線。
F1=(Mn%)+1.2(Cr%)+1.2(Cu%)+0.8(Mo%) - 前記成分組成が、質量%で、
Ti:0.050%以下、
B :0.0050%以下、
Mo:0.30%以下、
Ni:0.30%以下、
Cu:0.50%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0050%以下、及び
Zr:0.0050%以下、
からなる群より選ばれる1種又は2種以上を満たす請求項3に記載の鋼線。
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2019
- 2019-05-16 JP JP2019092641A patent/JP7226083B2/ja active Active
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