JP2023085215A - 鋼材 - Google Patents

Abstract

【課題】調質を行わなくても高強度を有する鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、０．３０％≦Ｃ≦０．４５％、０．１０％≦Ｓｉ≦１．００％、０．６０％≦Ｍｎ≦１．２０％、０．２０％≦Ｃｒ≦０．７０％、０．３０％≦Ｖ≦０．４７％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、質量％で、Ｔｉ≦０．０１５％、Ｐ≦０．１００％、Ｓ≦０．０８０％であり、Ｐ０＝Ｐ０’×Ｖ／Ｐ１によって求められるＰ０の値が、Ｐ０≧０．３０である、鋼材とする。ただし、Ｐ０’＝Ｍｎ＋０．４９Ｃｕ＋０．８９Ｎｉ＋０．４０Ｃｒ－０．３０Ｓｉであり、Ｐ１＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋Ｖである。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材に関し、さらに詳しくは、調質を行わなくても、自動車部品等の製造に用いうる鋼材に関する。

鋼材においては、焼入れ・焼戻し等の調質を行うことで、材料強度を高めることができる。しかし、クランクシャフト・コンロッド等の自動車エンジン部品において、製造工程の簡素化等の観点から、調質を省略し、熱間鍛造を行ったままの状態でも、高強度が得られるように成分設計された非調質鋼が、広く用いられている。その種の非調質鋼の成分組成が、例えば下記の特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１９／２０３３４８号

近年、高出力の自動車エンジンにも非調質鋼を適用することが検討されている。エンジンの高出力化に伴い、非調質鋼にも、さらなる高強度化が望まれる。非調質鋼の高強度化には、Ｖの添加が広く用いられている。特許文献１にも、「Ｖを多量添加し、微細なＶ炭化物による鋼の析出強化が利用されてきた。合金炭化物を生成する元素の中でもＶは、熱間鍛造前の加熱（１２５０℃前後）で鋼材への固溶量が多く、析出強化量が多く得られる。」と記載されている。一方で、「しかしながら、鋼材においてＶの固溶量には限界がありＶの含有量の増大だけではより一層の高強度化は難しい。」としている。そこで、特許文献１では、Ｖに加えてＴｉを鋼中に含有させることによって、さらなる高強度化を図っている。Ｔｉ炭化物が先に析出してＴｉ炭化物がＶ炭化物の核となることで、単独でＶ炭化物を析出させるよりも、微細かつ多量にＶ炭化物が析出すると説明されている。しかし、ＴｉはＶと比べて、炭化物の固溶温度が高く、オーステナイト域での粗大析出の懸念がある。よって、非調質鋼の一層の高強度化を図るにあたり、Ｔｉの添加量を多くすることは難しい。

本発明が解決しようとする課題は、調質を行わなくても高強度を有する鋼材を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明にかかる鋼材は、以下の構成を有する。
［１］本発明にかかる鋼材は、質量％で、０．３０％≦Ｃ≦０．４５％、０．１０％≦Ｓｉ≦１．００％、０．６０％≦Ｍｎ≦１．２０％、０．２０％≦Ｃｒ≦０．７０％、０．３０％≦Ｖ≦０．４７％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、質量％で、Ｔｉ≦０．０１５％、Ｐ≦０．１００％、Ｓ≦０．０８０％であり、下記の式（１）によって求められるＰ０の値が、Ｐ０≧０．３０である。
Ｐ０＝Ｐ０’×Ｖ／Ｐ１ （１）
ただし、
Ｐ０’＝Ｍｎ＋０．４９Ｃｕ＋０．８９Ｎｉ＋０．４０Ｃｒ－０．３０Ｓｉ （２）
Ｐ１＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋Ｖ （３）
である。
前記式（１）～（３）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

［２］上記［１］の態様において、前記鋼材は、調質を行わない状態で用いられるとよい。
［３］上記［１］または［２］の態様において、前記鋼材は、さらに、質量％で、０％＜Ｃｕ≦０．５０％、０％＜Ｎｉ≦０．５０％、０％＜Ｎｂ≦０．０１０％、０％＜Ｔｉ≦０．０１５％、０％＜Ｐｂ≦０．３０％、０％＜Ｂｉ≦０．２０％、０％＜Ｃａ≦０．０１００％、０％＜Ｚｒ≦０．０１０％、０％＜Ｍｇ≦０．０１０％、０％＜Ｔｅ≦０．０１０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
［４］上記［１］から［３］のいずれか１つの態様において、鋼材において、質量％で、Ｍｏ≦０．１０％、Ａｌ≦０．０５０％、Ｎ≦０．０３０％であるとよい。

［５］上記［１］から［４］のいずれか１つの態様において、前記式（３）によって求められるＰ１の値が、１．０４≦Ｐ１≦１．１５であるとよい。
［６］上記［１］から［５］のいずれか１つの態様において、下記式（４）によって求められるＰ２の値と、下記式（５）によって求められるＰ３の値が、Ｐ２／Ｐ３≧１．４を満たすとよい。
Ｐ２＝４１７－２４２Ｃ＋３０Ｓｉ－２５Ｍｎ－１７Ｃｕ－２２Ｎｉ－１４Ｃｒ－３５Ｍｏ （４）
Ｐ３=１０＾（１．３５－０．５４Ｃ＋０．０２Ｓｉ＋０．７７Ｍｎ＋０．４７Ｃｕ＋０．４２Ｎｉ＋０．５２Ｃｒ＋４．８４Ｍｏ） （５）
前記式（４）、（５）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

［７］上記［１］から［６］のいずれか１つの態様において、熱間鍛造後の状態の前記鋼材の断面において、（Ｖ＋Ｔｉ）≧３０％以上であり、かつ面積が１μｍ^２以上の析出物の個数が、１ｍｍ^２あたり１０個以下であるとよい。
［８］上記［１］から［７］のいずれか１つの態様において、熱間鍛造後の状態において、降伏点が９００ＭＰａ以上、降伏比が０．８０以上であるとよい。

［１］本発明にかかる鋼材は、上記所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖを含有し、Ｔｉ、Ｐ、Ｓの含有量が所定の上限以下に抑えられ、さらに各成分元素の含有量より求められるＰ０の値がＰ０≧０．３０を満たす成分組成を有することにより、調質を行わなくても、高強度を有するものとなる。特に、ＭｎおよびＣｒの含有量が、鋼材の降伏比の低下を招くベイナイトの生成を抑制しつつ、Ｖ系炭化物の微細析出による強度向上に高い効果が得られる範囲に設定されていることにより、多量のＶおよびＴｉを添加しなくても、鋼材が高い強度を有するものとなる。

［２］ここで、鋼材が、調質を行わない状態で用いられる場合には、調質の工程を省略することで、鋼材を用いた各種部材の製造工程が簡素化される。上記のように、本発明にかかる鋼材は、所定の成分組成を有することにより、調質を経なくても、高強度を有するものである。

［３］また、鋼材が、さらに、所定量のＣｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｅから選択される少なくとも１種を含有する場合には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉによる高強度化、またＰｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｅによる被削性向上の効果を得ることができる。

［４］鋼材において、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎの含有量が上記所定の上限以下に抑えられている場合には、Ｍｏの過剰含有によるベイナイトの生成、およびＡｌ、Ｎの過剰含有による疲労強度の低下が抑制される。

［５］上記Ｐ１の値が、１．０４≦Ｐ１≦１．１５である場合には、鋼材において、硬度および強度の向上に高い効果が得られるとともに、被削性を高く保つことができる。

［６］また、上記Ｐ２の値とＰ３の値が、Ｐ２／Ｐ３≧１．４を満たす場合には、鋼材において、降伏比の低下を招くベイナイトの生成を抑制し、高強度化に高い効果が得られる。

［７］熱間鍛造後の状態の鋼材の断面において、上記所定の成分組成および面積を有する析出物の個数が、１ｍｍ^２あたり１０個以下である場合には、粗大析出物の生成による強度低下が抑制された非調質鋼となる。

［８］また、熱間鍛造後の状態において、降伏点が９００ＭＰａ以上、降伏比が０．８０以上である場合には、自動車のエンジン部品等に適用される非調質鋼として、十分な高強度を有する鋼材となる。

Ｍｎの添加による鋼材の強度向上の効果を示す実験結果である。Ｍｎ含有量が２通りの場合について、（ａ）降伏点および（ｂ）降伏比と、Ｖの含有量との関係を示している。 （ａ）Ｐ０値と降伏比の関係、および（ｂ）Ｐ１値と降伏点の関係を示す実験結果である。

以下に、本発明の一実施形態にかかる鋼材について詳細に説明する。

本発明の一実施形態にかかる鋼材は、以下のような元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。添加元素の種類、含有量、および限定理由などは、以下のとおりである。なお、含有量の単位は、質量％である。以下、特記しないかぎり、各特性は、室温（おおむね２５℃）にて評価される値とする。本実施形態にかかる鋼材は、焼入れ・焼戻し等の調質を施して用いてもよいが、下記の成分組成を有することにより、非調質の状態でも高強度を有するものであり、非調質の状態、つまり熱間鍛造を施したまま調質を行わない状態で用いることが好ましい。

［各成分元素の含有量］
・０．３０％≦Ｃ≦０．４５％
Ｃは、ＶやＣｒと炭化物を形成することで、鋼材の強度の向上に寄与する。強度向上効果を十分に得る観点から、０．３０％≦Ｃとされる。好ましくは０．３３％≦Ｃであるとよい。

一方、Ｃの含有量が過剰になると、硬質のパーライトの生成量が多くなり、鋼材において、降伏比の低下、および被削性の悪化を招く。炭化物を含む粗大析出物の生成にもつながる。それらの現象を抑える観点から、Ｃ≦０．４５％とされる。好ましくは、Ｃ≦０．３８％であるとよい。

・０．１０％≦Ｓｉ≦１．００％
Ｓｉは、鋼材の強度を高める効果、および被削性を向上させる効果を有する。それらの効果を十分に得る観点から、０．１０％≦Ｓｉとされる。好ましくは、０．４０％≦Ｓｉであるとよい。

一方、Ｓｉの含有量が過剰になると、過剰な硬度の上昇により、熱間鍛造時に、熱間鍛造に用いる金型の寿命の低下を招く。そのような事態を避ける観点から、Ｓｉ≦１．００％とされる。好ましくは、Ｓｉ≦０．８５％であるとよい。

・０．６０％≦Ｍｎ≦１．２０％
Ｍｎは、鋼中でＶ系炭化物の微細析出を促進する効果を有する。析出物の微細析出によって、鋼材の強度が向上する。それらの効果を十分に得る観点から、０．６０％≦Ｍｎとされる。好ましくは、０．７５％≦Ｍｎであるとよい。

一方、Ｍｎは、ベイナイトの生成を促進するものとなる。ベイナイトが多量に生成すると、鋼材において、降伏比の低下による強度の低下を招く。それらの現象を避ける観点から、Ｍｎ≦１．２０％とされる。好ましくは、Ｍｎ≦１．００％であるとよい。

・０．２０％≦Ｃｒ≦０．７０％
Ｃｒも、Ｍｎと同様に、Ｖ系炭化物の微細析出の促進により、鋼材の強度を向上させる効果を有する。鋼材において、十分な高強度を得る観点から、０．２０％≦Ｃｒとされる。好ましくは、０．３０％≦Ｃｒであるとよい。

一方、Ｃｒも、Ｍｎと同様に、ベイナイトの生成により、鋼材の降伏比の低下による強度の低下を引き起こすものとなる。それらの現象を避ける観点から、Ｃｒ≦０．７０％とされる。好ましくは、Ｃｒ≦０．５０％であるとよい。

・０．３０％≦Ｖ≦０．４７％
Ｖは炭化物の析出により、鋼材の強度を高める効果を有する。十分な高強度を得る観点から、０．３０％≦Ｖとされる。好ましくは、０．３３％≦Ｖであるとよい。

一方、Ｖの含有量が多くなりすぎると、鋼材の強度向上効果が飽和するうえ、ベイナイトの生成により、十分な高強度を確保しにくくなる。それらの現象を避ける観点からＶ≦０．４７％とされる。好ましくは、Ｖ≦０．４５％、Ｖ≦０．４０％であるとよい。

本実施形態にかかる鋼材は、上記所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖを含有し、残部は、Ｆｅと不可避的不純物よりなる。ここで、不可避的不純物として、Ｔｉ、Ｐ、Ｓが含有されうるが、それらの含有量は、以下の範囲に抑えられる。

・Ｔｉ≦０．０１５％
Ｔｉは、粗大な炭化物や炭窒化物を生成するものとなる。粗大な析出物は、鋼材の強度を低下させるものになる。特に、多量のＴｉの含有により、オーステナイト域での粗大析出が起こりやすくなる。そこで、本実施形態にかかる鋼材においては、Ｔｉ≦０．０１５％に抑えることにより、粗大析出物の生成による強度低下を抑制する。好ましくは、Ｔｉ≦０．０１０％であるとよい。

・Ｐ≦０．１００％
・Ｓ≦０．０８０％
ＰおよびＳは、鋼材において、粒界偏析による脆化を引き起こす元素である。粒界偏析の影響を抑える観点から、ＰおよびＳの含有量は、それぞれＰ≦０．１００％、Ｓ≦０．０８０％の範囲内に抑えられる。好ましくは、Ｐ≦０．０８０％、またＳ≦０．０６５％であるとよい。

さらに、本実施形態にかかる鋼材においては、Ｔｉ、Ｐ、Ｓ以外の不可避的不純物として、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎが含有されうるが、それらの元素の含有量は、以下の範囲に抑えられていることが好ましい。

・Ｍｏ≦０．１０％
Ｍｏは原料に由来して、鋼材中に不可避的に混入されうるが、ベイナイトの生成を促進するものとなる。ベイナイトの生成は、鋼材の強度の低下につながる。そこで、ベイナイトの生成を抑制する観点から、Ｍｏ≦０．１０％に抑えられていることが好ましい。さらに好ましくは、Ｍｏ≦０．０５％である。

・Ａｌ≦０．０５０％
Ａｌは鋼中に粗大なＡｌ_２Ｏ_３系介在物を生成させる。Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、鋼材の疲労強度の低下を招くものとなる。Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の生成を抑制する観点から、Ａｌ≦０．０５０％に抑えられていることが好ましい。さらに好ましくは、Ａｌ≦０．０３０％である。

・Ｎ≦０．０３０％
Ｎは鋼中に粗大な窒化物系介在物を生成させる。窒化物系介在物は、鋼材の疲労強度の低下を招くものとなる。窒化物系介在物の生成を抑制する観点から、Ｎ≦０．０３０％に抑えられていることが好ましい。さらに好ましくは、Ｎ≦０．０１５％である。

本実施形態にかかる鋼材に含有されうるＴｉ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎ以外の不可避的不純物としてはＣｏ≦０．０３％、Ａｓ≦０．０１０％、Ｓｎ≦０．０１０％、Ｓｂ≦０．０１０％等を挙げることができる。また、不可避的不純物の合計量が３．０％以下に抑えられていることが好ましい。

本実施形態にかかる鋼材は、上述した必須元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含有していてもよい。各元素の含有量、限定理由などは、次のとおりである。

・０％＜Ｃｕ≦０．５０％
・０％＜Ｎｉ≦０．５０％
ＣｕおよびＮｉは、鋼中でＶ系炭化物を微細析出させる効果を有する。析出物の微細析出によって、鋼材の強度が向上する。ＣｕおよびＮｉは、少量の添加でも、微細析出の促進による鋼材の強度の向上に高い効果を示すため、含有量の下限は特に定められない。特に高い効果を得る観点からは、０．０６％≦Ｃｕ、また０．０３％≦Ｎｉとすればよい。なお、０．０６％未満のＣｕ、また０．０３％未満のＮｉは、不可避的不純物とみなしうる。

一方、ＣｕおよびＮｉは、ベイナイトの生成を促進するものとなる。ベイナイトが多量に生成すると、鋼材の降伏比の低下による強度の低下を招く。また、ＣｕおよびＮｉは高価な元素であり、多量に添加すると、鋼材のコストが上昇する。それらの現象を避ける観点から、Ｃｕ≦０．５０％、またＮｉ≦０．５０％とされる。さらに好ましくは、Ｃｕ≦０．２５％、またＮｉ≦０．２５％であるとよい。

・０％＜Ｎｂ≦０．０１０％
・０％＜Ｔｉ≦０．０１５％
ＮｂおよびＴｉは、炭化物や炭窒化物を生成させることで、鋼材の強度の向上に寄与する。ＮｂおよびＴｉは少量でも高い強度向上効果を示すので、含有量の下限は特に定められない。特に高い効果を得る観点からは、０．００１％≦Ｎｂ、０．００１％≦Ｔｉであるとよい。

しかし、ＮｂやＴｉの炭化物や炭窒化物として、粗大な析出物が生じると、鋼材の強度がかえって低下してしまう。強度低下を避ける観点から、Ｎｂ≦０．０１０％、またＴｉ≦０．０１５％とされる。さらに好ましくは、Ｎｂ≦０．００７％、またＴｉ≦０．０１０％であるとよい。なお、Ｔｉについては、上記で不可避的不純物としても挙げており、不可避的不純物としての含有量をＴｉ≦０．０１５％に制限しているが、鋼材の製造に用いる原料等により、不可避的不純物としてのＴｉの含有量は変動する。不可避的不純物としてのＴｉの含有量が少ない場合等に、Ｔｉが有する強度向上効果を利用する目的で、Ｔｉ≦０．０１５％に収まる範囲内であれば、Ｔｉを添加してもよい。

・０％＜Ｐｂ≦０．３０％
・０％＜Ｂｉ≦０．２０％
・０％＜Ｃａ≦０．０１００％
・０％＜Ｚｒ≦０．０１０％
・０％＜Ｍｇ≦０．０１０％
・０％＜Ｔｅ≦０．０１０％
Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｅはいずれも、鋼材の被削性を高める効果を有する。それらの元素は、少量の添加でも被削性の向上に高い効果を示すため、含有量の下限は特に限定されない。特に高い被削性向上の効果を得る観点からは、ＰｂおよびＢｉについては、含有量を０．０２％以上とすればよく、さらに好ましくは０．０５％以上である。Ｃａについては、含有量を０．０００５％以上とすればよく、さらに好ましくは０．００１０％以上である。Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｅについては、含有量を０．００１％以上とすればよい。

一方、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｅが鋼材に多量に含有されると、熱間加工性および疲労強度が低下しやすくなる。そこで、高い熱間加工性を確保する観点から、各元素の含有量の上限が、上記のように定められる。その効果をさらに高める観点から、Ｐｂ≦０．２０％、またＢｉ≦０．１５％、そしてＣａ≦０．００５０％とすると、より好ましい。

［成分元素の含有量の関係］
次に、成分元素の含有量の関係について説明する。以下、成分元素の含有量の関係について規定する数式においては、各元素記号が、質量％を単位とした各元素の含有量を示すものとする。また、必須元素以外の元素について、鋼中に含有されない場合には、式中の含有量をゼロとする。

本実施形態にかかる鋼材においては、下記の式（１）によって求められるＰ０の値が、Ｐ０≧０．３０となっている。
Ｐ０＝Ｐ０’×Ｖ／Ｐ１ （１）
ただし、式（１）中のＰ０’およびＰ１の値は、以下の式（２）および式（３）によってそれぞれ規定される。
Ｐ０’＝Ｍｎ＋０．４９Ｃｕ＋０．８９Ｎｉ＋０．４０Ｃｒ－０．３０Ｓｉ （２）
Ｐ１＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋Ｖ （３）

上記式（２）のＰ０’の定義式に含まれるＭｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒは、フェライト変態温度を低下させることで、Ｖ系析出物の微細析出を促進するものとなる。一方、ＳｉはＶ系析出物の微細析出を妨げるものとなる。各元素の含有量を、寄与の程度を加味して足し合わせたものが式（２）であり、Ｐ０’はＶ系析出物の微細析出促進の程度を示す指標となる。Ｐ０’の値が大きいほど、Ｖ系析出物の微細析出を促進する効果が高く得られることになる。また、式（１）の分子は、Ｐ０’値にＶの含有量を乗じたものであり、その値が大きいほど、微細なＶ系炭化物の析出が促進され、鋼材の強度向上に高い効果を示すことになる。

一方、式（３）のＰ１の定義式に含まれる各成分元素は、鋼材の硬さや引張強度を向上させるものとなる。式（１）のＰ０の定義式において、Ｐ１は分母を構成しており、Ｐ１に対してＰ０’が大きくなり、Ｐ０の値が大きくなると、鋼材の引張強度に対して、Ｖ系析出物の微細析出促進による降伏点の上昇の効果が大きくなり、降伏比が向上することになる。

このように、式（１）にて定義されるＰ０の値が大きいほど、Ｖ系炭化物の微細析出による強度向上の効果が高くなる。特に、降伏比向上の効果が高く得られる。本実施形態にかかる鋼材においては、Ｐ０≧０．３０であることで、０．８０以上のように高い降伏比を得ることができる。好ましくは、Ｐ０≧０．３５、またＰ０≧０．４０であるとよい。降伏比向上効果は大きいほど好ましく、Ｐ０の値に特に上限は定められない。

Ｐ０値が全体としてＰ０≧０．３０を満たすかぎりにおいて、Ｐ０’およびＰ１が個別にどのような値をとってもよい。しかし、１．０４≦Ｐ１≦１．１５であることが好ましい。上記のように、式（３）のＰ１の定義式に含まれる各元素は、鋼材の強度および硬さを向上させる効果を有する。そこで、１．０４≦Ｐ１としておけば、鋼材の強度向上、特に降伏点の向上に高い効果が得られ、９００ＭＰａ以上のような高い降伏点を達成しやすくなる。さらに好ましくは、１．０５≦Ｐ１であるとよい。

一方、Ｐ１の定義式に含まれる各元素は、鋼材の被削性を低下させるものとなる。そこで、Ｐ１≦１．１５としておけば、鋼材において高い被削性を確保することができる。さらに好ましくは、Ｐ１≦１．１０であるとよい。

さらに、本実施形態にかかる鋼材においては、下記の式（４）によって求められるＰ２の値と、式（５）によって求められるＰ３の値が、Ｐ２／Ｐ３≧１．４を満たすことが好ましい。
Ｐ２＝４１７－２４２Ｃ＋３０Ｓｉ－２５Ｍｎ－１７Ｃｕ－２２Ｎｉ－１４Ｃｒ－３５Ｍｏ （４）
Ｐ３=１０＾（１．３５－０．５４Ｃ＋０．０２Ｓｉ＋０．７７Ｍｎ＋０．４７Ｃｕ＋０．４２Ｎｉ＋０．５２Ｃｒ＋４．８４Ｍｏ） （５）

式（４）によって算出されるＰ２は、フェライト変態点から５００℃までの温度幅におおむね対応する。Ｐ２の値が大きいほど、フェライト・パーライト変態が完了しやすく、ベイナイトの生成が抑制される。一方、式（５）によって算出されるＰ３は、フェライト変態が完了するために必要となる５００℃までの冷却時間（臨界冷却時間）におおむね対応する。Ｐ２で表される温度幅を、Ｐ３で表される臨界冷却時間で割ったものが、臨界冷却速度となる。

そこで、Ｐ２／Ｐ３≧１．４としておけば、ベイナイト生成を抑制する効果が高く得られる。さらに好ましくは、Ｐ２／Ｐ３≧１．７、またＰ２／Ｐ３≧１．９であるとよい。Ｐ２／Ｐ３の値が大きいほど、フェライト・パーライト組織が安定となるため、Ｐ２／Ｐ３に特に上限は設けられない。

［鋼材の特性］
本実施形態にかかる鋼材は、以上に説明した成分組成を有することにより、非調質の状態でも、高強度を示す。特に、ＭｎおよびＣｒ等、Ｖ系析出物の微細析出を促進する一方、鋼材の強度の低下を招く組織であるベイナイトの生成を促進する性質を有する元素の含有量、およびそれらの元素と他の元素の含有量のバランスが調整されていることにより、鋼材の強度の向上に、高い効果が得られる。そのため、本実施形態にかかる鋼材は、フェライト・パーライト型の非調質鋼として、自動車のエンジン用部品等の製造に、好適に用いることができる。

本実施形態にかかる鋼材は、上記の成分組成を有すること、特に所定量のＭｎやＣｒをＶとともに含有することと対応して、熱間鍛造後の非調質の状態で、９００ＭＰａ以上の降伏点、および０．８０以上の降伏比を有するものとなりやすい。より好ましくは、９２０ＭＰａ以上の降伏点、また０．８１以上の降伏比を有するとよい。鋼材が高い降伏点および降伏比を有することは、鋼材が高い強度を有することを示す。Ｍｎの添加による降伏点および降伏比の上昇については、後の実施例にも示すとおりである。ここで、降伏点および降伏比は、それぞれ、０．２％耐力および０．２％耐力比（引張強さに対する０．２％耐力の比率）として、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１の引張試験によって評価すればよい。また、評価の際の熱間鍛造は、例えば、加熱温度１２５０℃、減面率７０％の条件で行えばよい。鋼材の強度は高いほど好ましいため、鋼材の強度の上限は特に指定されない。

本実施形態にかかる鋼材は、上記のように、Ｖ系析出物の微細析出により、高強度が得られるものであり、析出物のサイズも強度を反映するものとなる。Ｖを含む析出物として、粗大なものの生成量が少ないほど、鋼材が高い強度を有するものとなる。例えば、熱間鍛造後、非調質の状態にある鋼材の断面において、（Ｖ＋Ｔｉ）≧３０％であり、かつ面積が１μｍ^２以上（面積の√値が１μｍ以上）の析出物の個数が、１ｍｍ^２あたり１０個以下であることが好ましい。さらに好ましくは、当該個数が８個以下、５個以下であるとよい。評価の際の熱間鍛造は、例えば、加熱温度１２５０℃、減面率７０％の条件で行えばよい。

本実施形態にかかる鋼材は、調質を行ってから使用することを妨げるものではないが、上記のように、非調質の状態でも高強度を有するため、製品の製造工程の簡略化等の観点から、熱間鍛造を行った後、調質を行わずに、非調質鋼として用いることが好ましい。熱間鍛造の条件は、特に限定されるものではないが、鍛造加熱温度を１１００～１２６０℃とし、減面率を５０～９５％とする形態を好適に例示することができる。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。

［１］Ｍｎの添加による強度の向上
まず、Ｍｎの添加による強度向上の効果を確認するとともに、その機構を検証した。

［試料の作製］
Ｍｎを０．４％または０．９％含有し、かつＶを０．１～０．４％含有する非調質鋼を準備した。ＭｎおよびＶ以外の成分元素およびその含有量は、Ｃ：０．３５％、Ｓｉ：０．５０％、Ｐ：０．０５％、Ｃｕ：０．１２％、Ｎｉ：０．０７％、Ｃｒ：０．３０％とした。非調質鋼の調製に際しては、所定の成分組成を有する鋼を真空誘導炉で溶製した後、インゴットを鋳造した。得られたインゴットを粗鍛造したうえで、非調質鍛造して、評価に供した。非調質鍛造としては、加熱温度１２５０℃とし、円柱状の鋼材において、４０Ｄから２２Ｄへの鍛造を行った（減面率７０％）。加工終止温度は１０５０℃以上とし、冷却温度は、８００～６００℃の間の平均で、１．４～１．６℃／ｓとした。

［試験方法］
得られた非調質鋼から、ＪＩＳ １４Ａ号試験片を作製し、室温、大気中にて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１の引張試験を行い、降伏点（０．２％耐力）と引張強さを評価した。さらに、引張強さに対する降伏点の比率として、降伏比（０．２％耐力比）を算出した。

［試験結果］
図１（ａ），（ｂ）に、それぞれ降伏点および降伏比の測定結果を示す。図では、横軸にＶの含有量を示し、縦軸に降伏点および降伏比の値を示している。また、Ｍｎの含有量が０．４％の場合を丸印で表示し、０．９％の場合を四角印で表示している。図１によると、Ｍｎの含有量がいずれの場合にも、Ｖの含有量の増加に伴って、降伏点が直線的に上昇している。降伏比も、Ｖの含有量の増加に伴って上昇している。これらの結果から、非調質鋼にＶを添加し、さらにそのＶの添加量を増加させることで、非調質鋼の強度が上昇することが示される。これは、Ｖを添加することで、微細なＶの炭化物が析出し、析出強化が起こるためである。

次に、Ｍｎの含有量が０．４％と０．９％の場合を比較する。Ｖ含有量の全域において、Ｍｎが０．９％の場合の方が、降伏点および降伏比が大きくなっている。このことから、Ｍｎの含有量を増大させることで、非調質鋼の強度が高くなっていることが分かる。これは、Ｍｎの添加によってフェライト変態温度が低下し、Ｖの炭化物等、Ｖ系析出物の微細析出を促進するためであると考えられる。

さらに、Ｍｎの含有量の増大による効果を、Ｖの含有量が異なる場合について比較すると、Ｖの含有量が多くなるほど、Ｍｎの含有量を０．４％から０．９％に増大させた場合の降伏点および降伏比の向上の幅が大きくなっている。例えば、降伏点の向上量について、Ｖ含有量が０．１％の場合には、５５ＭＰａであるのに対し、Ｖ含有量が０．４％の場合には、９２ＭＰａまで大きくなっている。また、降伏比の向上量について、Ｖ含有量が０．１％の場合には、０．０１３であるのに対し、Ｖ含有量が０．４％の場合には、０．０２７まで大きくなっている。つまり、Ｖの含有量の増大による強度向上の効果が、Ｍｎの含有量を多くすることで、増幅されていると言える。特に、降伏比における増幅効果が大きくなっている。

このように、Ｖを非調質鋼に添加することで、微細析出物の生成によって、非調質鋼の強度が向上し、さらにＭｎを添加することで、Ｖ系析出物の微細析出が促進され、さらなる強度向上効果が得られる。Ｍｎだけでなく、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕについても、同様の効果が得られることを確かめている。

［２］各種成分組成を有する非調質鋼の特性
次に、多様な成分組成を有する非調質鋼を調製し、特性を評価した。

［試料の作製］
下の表１に示す成分組成（単位：質量％）を有する、各実施例および比較例にかかる非調質鋼をそれぞれ準備した。非調質鋼の調製方法、および熱間鍛造の条件は、上記試験［１］と同様とした。

［試験方法］
（１）鋼中の組織および析出物の評価
熱間鍛造後の試料の断面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察した。この際、試料断面の中心から、半径の１／２に相当する領域に対して、観察を行った。この領域において、形成されている組織の種類を判定した。各実施例および比較例において、観察された組織は、フェライト・パーライト（Ｆ＋Ｐ）、またはフェライト・パーライトに加えてベイナイト（Ｆ＋Ｐ＋Ｂ）であった。さらに、Ｆ＋Ｐの組織が得られているものについては、自動ＳＥＭ解析により、（Ｖ＋Ｔｉ）≧３０％以上であり、かつ面積が１μｍ^２以上の析出物（粗大析出物）について、１ｍｍ^２あたりの個数を評価した。

（２）強度の評価
上記試験［１］と同様の方法により、各試料の降伏点および降伏比を評価した。

［試験結果］
下の表１に、実施例１～４３および比較例１～１４にかかる非調質鋼の成分組成を示す。さらに、表２に、上記式（１）～（５）によって成分組成から計算されるＰ０～Ｐ３およびＰ２／Ｐ３の各式値、および各試験による評価の結果を示す。また、各試料のうち、各元素の個別の含有量が、上記で説明した本発明の実施形態において規定される含有量の範囲を満たす試料について、つまり各実施例および比較例１～５，１０，１３，１４について、図２（ａ）にＰ０値と降伏比の関係を示し、図２（ｂ）にＰ１値と降伏点の関係を示す。図２（ａ），（ｂ）には近似直線も合わせて示している。

図２（ａ）によると、Ｐ０値と降伏比の間には、高い相関性が見られ、Ｐ０が大きくなるほど、降伏比が上昇し、高い材料強度が得られることが分かる。このように、Ｐ０を非調質鋼の強度の良い指標として用いることができる。そして、Ｐ０値を０．３０以上としておけば、おおむね０．８０以上の降伏比が得られることが分かる。

また、図２（ｂ）によると、Ｐ１値と降伏点の間には、高い相関性が見られ、Ｐ１が大きくなるほど、降伏点が上昇し、高い材料強度が得られることが分かる。このように、Ｐ１も、非調質鋼の強度の良い指標として用いることができる。そして、Ｐ１値を１．０４以上としておけば、おおむね９００ＭＰａ以上の降伏点が得られることが分かる。

表１，２によると、各成分元素の含有量が上記で説明した本発明の実施形態において規定される含有量の範囲を満たし、かつＰ０≧０．３０となっている各実施例においては、フェライト・パーライト組織が得られ、粗大析出物の数も１０個／ｍｍ^２以下に抑えられている。また、９００ＭＰａ以上の降伏点と０．８０以上の降伏比が得られており、非調質鋼が高い強度を有していることが確認される。各実施例の中でも、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉの含有量が多く、Ｐ０値およびＰ１値も大きい試料ほど、高い降伏点および降伏比が得られ、材料強度が高くなっている傾向が見られる。

一方、各比較例においては、各成分元素の含有量が上記で説明した本発明の実施形態において規定される含有量の範囲を満たさない、および／またはＰ０≧０．３０を満たさないものとなっている。比較例１～５，１０，１３，１４においては、各成分元素の含有量は、所定の範囲を満たすものの、Ｐ０＜０．３０となっている。そのことと対応して、降伏点が９００ＭＰａ未満となり、降伏比も、比較例２，４を除き、０．８０未満となっている。

比較例６ではＴｉの含有量が０．０１５％を超えており、Ｐ０値も０．３０未満となっている。それに対応して、粗大析出物の個数が１ｍｍ^２あたり１０個を超えており、降伏比も０．８０に達していない。比較例７では、Ｃの含有量が０．４５％を超えている。それに対応して、降伏比が０．８０に達していない。比較例８ではＶの含有量が０．３０％に達しておらず、９００ＭＰａ未満の降伏点、および０．８０未満の降伏比しか得られていない。Ｖ系析出物による強度向上の効果が十分に得られていないと言える。比較例９では、Ｍｎの含有量が０．６０％未満となっており、降伏比が０.８０未満となっている。一方で、０．７０％を超えるＣｒを含有する比較例１１、および１．２０％を超えるＭｎを含有する比較例１２では、組織がベイナイトを含んでおり、降伏比が０．８０を大幅に下回っている。比較例１２については、降伏点も９００ＭＰａを大幅に下回っている。ＭｎおよびＣｒは、Ｖ系析出物の微細析出の促進による強度向上の効果を有する反面、強度の低下につながるベイナイトの生成を促進するものとなり、過剰添加によって、かえって非調質鋼において高強度を得られないことを示している。

以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。

Claims (8)

1. 質量％で、
   ０．３０％≦Ｃ≦０．４５％、
   ０．１０％≦Ｓｉ≦１．００％、
   ０．６０％≦Ｍｎ≦１．２０％、
   ０．２０％≦Ｃｒ≦０．７０％、
   ０．３０％≦Ｖ≦０．４７％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、
   質量％で、
   Ｔｉ≦０．０１５％、
   Ｐ≦０．１００％、
   Ｓ≦０．０８０％
   であり、下記の式（１）によって求められるＰ０の値が、Ｐ０≧０．３０である、鋼材。
   Ｐ０＝Ｐ０’×Ｖ／Ｐ１ （１）
   ただし、
   Ｐ０’＝Ｍｎ＋０．４９Ｃｕ＋０．８９Ｎｉ＋０．４０Ｃｒ－０．３０Ｓｉ （２）
   Ｐ１＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋Ｖ （３）
   である。
   前記式（１）～（３）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。
2. 調質を行わない状態で用いられる、請求項１に記載の鋼材。
3. さらに、質量％で、
   ０％＜Ｃｕ≦０．５０％、
   ０％＜Ｎｉ≦０．５０％、
   ０％＜Ｎｂ≦０．０１０％、
   ０％＜Ｔｉ≦０．０１５％、
   ０％＜Ｐｂ≦０．３０％、
   ０％＜Ｂｉ≦０．２０％、
   ０％＜Ｃａ≦０．０１００％、
   ０％＜Ｚｒ≦０．０１０％、
   ０％＜Ｍｇ≦０．０１０％、
   ０％＜Ｔｅ≦０．０１０％
   から選択される少なくとも１種を含有する、請求項１または請求項２に記載の鋼材。
4. 質量％で、
   Ｍｏ≦０．１０％、
   Ａｌ≦０．０５０％、
   Ｎ≦０．０３０％
   である、請求項１または請求項２に記載の鋼材。
5. 前記式（３）によって求められるＰ１の値が、１．０４≦Ｐ１≦１．１５である、請求項１または請求項２に記載の鋼材。
6. 下記式（４）によって求められるＰ２の値と、下記式（５）によって求められるＰ３の値が、Ｐ２／Ｐ３≧１．４を満たす、請求項１または請求項２に記載の鋼材。
   Ｐ２＝４１７－２４２Ｃ＋３０Ｓｉ－２５Ｍｎ－１７Ｃｕ－２２Ｎｉ－１４Ｃｒ－３５Ｍｏ （４）
   Ｐ３=１０＾（１．３５－０．５４Ｃ＋０．０２Ｓｉ＋０．７７Ｍｎ＋０．４７Ｃｕ＋０．４２Ｎｉ＋０．５２Ｃｒ＋４．８４Ｍｏ） （５）
   前記式（４）、（５）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。
7. 熱間鍛造後の状態の前記鋼材の断面において、
   （Ｖ＋Ｔｉ）≧３０％以上であり、かつ面積が１μｍ^２以上の析出物の個数が、１ｍｍ^２あたり１０個以下である、請求項１または請求項２に記載の鋼材。
8. 熱間鍛造後の状態において、
   降伏点が９００ＭＰａ以上、
   降伏比が０．８０以上である、請求項１または請求項２に記載の鋼材。

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