JP2950713B2 - 熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱間鍛造後に焼入れ焼戻
し等の調質処理を施さなくとも、優れた疲労強度と切削
性を同時に有する熱間鍛造用非調質鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】工程省略、製造コストの低減の観点から
自動車を始めとする機械構造用部品に対して非調質鋼の
適用が普及している。

【０００３】これらの非調質鋼は主に高い引張強度（あ
るいは硬さ）と降伏強度および靭性を有することを主眼
に開発が行われてきた。そこで例えば特開昭６２−２０
５２４５号公報などに見られるように、析出強化の代表
的元素であるＶを使った非調質鋼が提案されてきた。と
ころがこの様な高強度高靭性の非調質鋼の機械部品への
適用に際して、強度の増加に伴う切削性の劣化が大きな
障害になっている。

【０００４】機械部品として最も重要な特性は疲労強度
である。疲労強度は、一般に引張強度に依存するとさ
れ、引張強度を高くすれば高くなる。しかし引張強度を
上げることによって切削性は極端に劣化し引張強度が１
２０ｋｇｆ／ｍｍ² を超えるともはや通常の生産能率で
は生産ができなくなってしまう。そこで切削性を劣化さ
せずに疲労強度を向上させる非調質鋼の具現化が切望さ
れた。

【０００５】これには疲労強度と引張強度の比すなわち
耐久比を向上させることが有効な手段である。そこで例
えば特開平４−１７６８４２号公報などに見られるよう
に、ベイナイト主体の金属組織とし組織中の高炭素島状
マルテンサイトおよび残留オーステナイトを低減する方
法などが提案されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような開
発努力にもかかわらず、耐久比はせいぜい０．５５程度
であり、切削性も極めて不良である従来型のベイナイト
非調質鋼の高々２倍程度にしか改善されない。

【０００７】本発明は、従来の非調質鋼では実現が困難
であった、高い耐久比と切削性を有する熱間鍛造用非調
質鋼を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らはまずパーラ
イト組織に着目しこれが金属組織中に適当量存在すると
切削性が極めて良くなることを見いだした。しかし一般
に、高温変態組織であるパーライト組織率が高くなると
耐久比および靭性が劣化する。これは鍛造加熱時の若干
のオーステナイト結晶粒微細化処置等では容易に改善で
きない。

【０００９】そこで切削性が極めて良くなるパーライト
混合組織鋼に対して耐久比を高くする方策を検討した。
その結果、まずＴｉＮおよびＭｎＳ−ＶＮ複合析出物
によって鍛造加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化す
るとともにこのＭｎＳ−ＶＮ複合析出物を核発生サイト
としてフェライトを微細析出させる、ついで析出した
フェライトおよびパーライト中のフェライトマトリック
ス地にさらにＶ炭化物またはＶ炭窒化物を極めて微細に
析出させる、このような２段の析出を活用した手法によ
り組織全体が微細でかつ析出強化されたフェライト・パ
ーライト組織が得られ、この様な鋼において疲労亀裂の
進展は軟質なフェライト結晶粒から硬質なパーライト結
晶粒へ移行するまたはその逆の過程でいずれも進展速度
の低下をもたらし耐久比が向上することを見いだした。
さらにまた、このような軟質なフェライト相と硬質なパ
ーライト相が共存する２相組織とすることにより被削性
も向上することを見いだした。

【００１０】本発明者らはこのような知見に基づいて、
パーライトを含有する非調質鋼の化学成分および金属組
織の設計を行い、それらの疲労強度、引張強度および切
削性を実験評価して本発明を発明するに至った。

【００１１】すなわち本発明の第１発明は、重量比にし
てＣ：０．１０〜０．５０％、Ｓｉ：０．００５〜２．
００％、Ｍｎ：０．４０〜２．００％ Ｓ：０．０１〜
０．１０％、Ａｌ：０．０００５〜０．０５０％、Ｔ
ｉ：０．００３〜０．０５０％、Ｎ：０．００８０〜
０．０２００％、Ｖ：０．２０〜０．７０％を含有し残
部はＦｅならびに不純物元素からなる組成の鋼材に、熱
間鍛造を施し室温まで冷却した後の金属組織においてパ
ーライト組織の組織率ｆが含有炭素量Ｃ（％）に対し
て、１．０５Ｃ＋０．３≧ｆ≧１．０５Ｃ−０．１であ
ることを特徴とする熱間鍛造用非調質鋼であり、第２発
明はパーライト組織率の調整のため第１発明鋼の成分に
さらにＣｒ：０．０２〜１．５０％、Ｍｏ：０．０２〜
１．００％の１種または２種を含有させたものであり、
第３発明は結晶粒微細化のため第１発明鋼または第２発
明鋼の成分にさらにＮｂ：０．００１〜０．２０％を含
有させたものであり、第４発明は切削性のさらなる向上
のため、第１〜３発明鋼の成分にさらにＰｂ：０．０５
〜０．３０％ Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％の１
種または２種を含有させたものである。

【００１２】次に本発明の熱間鍛造用非調質鋼における
化学成分および熱間鍛造を施し室温まで冷却した後の金
属組成の限定理由について以下に説明する。

【００１３】Ｃ：パーライト組織率を調整しひいては最
終製品の引張強度を増加させる重要な元素で、０．１０
％未満では低引張強度となり、逆に０．５０％超過では
高引張強度となりすぎ耐久比、切削性のいずれも低下す
るので０．１０〜０．５０％とする。

【００１４】Ｓｉ：脱酸およびベイナイトの析出を抑え
パーライト組織率を調整する元素で、０．００５％未満
ではその効果は小さく、２．００％超過では耐久比、切
削性、のいずれも低下するので０．００５〜２．００％
とする。

【００１５】Ｍｎ：パーライト量の増加と変態温度の低
下をもたらすとともにＭｎＳとなることによりフェライ
トの析出サイトである複合析出物の基盤となる元素で、
０．４０％未満ではその効果が小さく、２．００％超過
ではベイナイトが発生して耐久比、切削性のいずれも低
下するので０．４０〜２．００％とする。

【００１６】Ｓ：ＭｎＳとなることによりフェライトの
析出サイトである複合析出物の基盤となりかつ被削性を
向上させる元素で、０．０１％未満ではその効果が小さ
く、０．１０％超過では耐久比が低下するので０．０１
〜０．１０％とする。

【００１７】Ａｌ：脱酸効果を持つ元素で、０．０００
５％未満ではその効果が小さく、０．０５０％超過では
硬質介在物を形成し耐久比、切削性のいずれも低下する
ので０．０００５〜０．０５０％とする。

【００１８】Ｔｉ：ＭｎＳ上に窒化物となって析出しフ
ェライトの析出サイトとなる複合析出物を形成する元素
で、０．００３％未満ではその効果が小さく、０．０５
０％超過では粗大硬質介在物の形成を促し耐久比、切削
性のいずれも低下するので０．００３〜０．０５０％と
する。

【００１９】Ｎ：ＴｉおよびＶと窒化物あるいは炭窒化
物を形成する元素で、０．００８０％未満ではその効果
が小さく、０．０２００％超過では耐久比、切削性のい
ずれも低下するので、０．００８０〜０．０２００％と
する。

【００２０】Ｖ：ＭｎＳおよびＴｉＮと複合析出物を形
成するとともにパーライト中のフェライトを析出強化す
る元素で、０．２０％未満ではその効果が小さく、０．
７０％超過では耐久比、切削性のいずれも低下するの
で、０．２０〜０．７０％とする。なお、Ｖの析出強化
効果を有効に活用するためには、０．３０〜０．６０％
程度が望ましい。

【００２１】以上が本願第１発明の鋼の化学成分の限定
理由である。

【００２２】次に本願第２発明においては、パーライト
組織率の調整のため、第１発明鋼の成分にさらにＣｒ、
Ｍｏの１種または２種を含有させる。これらの化学成分
の限定理由について以下に述べる。

【００２３】Ｃｒ：Ｍｎとほぼ同様に、パーライト量の
増加と変態温度の低下をもたらす元素で、０．０２％未
満ではその効果が小さく、１．５０％超過ではベイナイ
トが発生して耐久比、切削性のいずれも低下するので
０．０２〜１．５０％とする。 Ｍｏ：Ｍｎ、Ｃｒとほぼ同様の効果をもつ元素で、０．
０２％未満ではその効果が小さく、１．００％超過では
ベイナイトが発生して耐久比、切削性のいずれも低下す
るので０．０２〜１．００％とする。

【００２４】本願第３発明においては、結晶粒微細化の
ため、第１発明鋼または第２発明鋼の成分にさらにＮｂ
を含有させる。Ｎｂの限定理由は次のとおりである。

【００２５】Ｎｂ：ＴｉおよびＶとほぼ同様の効果をも
つ元素で、０．００１％未満ではその効果が小さく、
０．２０％超過では耐久比、切削性のいずれも低下する
ので、０．００１〜０．２０％ととする。

【００２６】本願第４発明においては、切削性のさらな
る向上のため、第１〜３発明鋼の成分にさらにＰｂ、Ｃ
ａの１種または２種を含有させる。これらの化学成分の
限定理由について以下に述べる。

【００２７】Ｐｂ：切削性を向上せしめる元素で、０．
０５％未満ではその効果が小さく、０．３０％超過では
その効果は飽和し耐久比が低下するので、０．０５〜
０．３０％とする。

【００２８】Ｃａ：Ｐｂとほぼ同様な効果をもつ元素
で、０．０００５％未満ではその効果が小さく０．０１
０％超過ではその効果は飽和した耐久性が低下するの
で、０．０００５〜０．０１０％とする。

【００２９】次に本願発明の鋼において熱間鍛造後室温
まで冷却した際の金属組織の限定理由について述べる。

【００３０】先に述べたように、パーライトが適当量存
在することが切削性の向上をもたらす。パーライト組織
率は鋼のＣ含有量と焼入れ性およびオーステナイト域か
らの冷却速度で制御できる。パーライトによる被削性向
上効果を得るためには、その組織率ｆが含有炭素量Ｃ
（％）に対して（１．０５Ｃ−０．１）以上が必要であ
り、一方（１．０５Ｃ＋０．３）超過となると切削性が
劣化するとともに耐久比も不良となるので、パーライト
組織率ｆを含有炭素数Ｃ（％）に対して（１．０５Ｃ−
０．１）以上（１．０５Ｃ＋０．３）以下とした。この
ようなパーライト組織を含む金属組織を達成できれば、
熱間鍛造後の冷却方法は特に指定しないが、設備や製造
コストの点からは自然放冷が当然望ましい。なお、パー
ライト組織率ｆは腐食した試験片を光学顕微鏡等で観察
しその面積率を測定することによって求める。

【００３１】以下に、本発明の効果を実施例により、さ
らに具体的に示す。

【００３２】

【実施例】以下に挙げる各表において、丸枠で試験Ｎ
ｏ．を囲んだ条件が本発明を満足する実施例であり、そ
れ以外は比較例である。

【００３３】（１）鋼材化学成分の影響 表１に示す化学成分の鋼を高周波炉にて溶解し１５０ｋ
ｇの鋼塊とし、これから鍛造用材料を切り出し、一旦９
５０℃加熱放冷で焼準した後、１１００〜１２５０℃に
加熱して１０５０〜１２００℃の温度で熱間鍛造を行
い、その後、放冷した。なおＮｏ．４３は機械構造用鋼
の代表的鋼種であるＪＩＳ−Ｓ４５Ｃ規格鋼であり、こ
れについては熱間圧延で製造した丸棒を９５０℃加熱放
冷で焼準した後、８７５℃に加熱後油冷槽で焼入れを行
い、続いて５７０℃に加熱し水冷を行って焼戻しを行
い、試験材とした。

【００３４】この材料の中央部よりＪＩＳ４号引張試験
片、ＪＩＳ１号回転曲げ試験片を採取し、引張試験およ
び回転曲げ疲労試験を行った。同材料から光学顕微鏡観
察試験片を採取し５％ナイタールで腐食して２００倍で
観察しパーライト組織率を求めた。さらに同材料より切
削試験片を採取し、ＳＫＨ９製１０ｍｍφストレートシ
ャンクドリルを用いて３０ｍｍ深さのブラインドホール
を穿孔し、ドリルが寿命破壊するまでの総穿孔距離を測
定した。測定した結果は従来鋼であるＮｏ．４３鋼の総
穿孔距離を１．００としてそれとの相対比で評価した。
なお、切削速度は５０ｍｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．３
５ｍｍ／ｒｅｖ、切削油３Ｌ／ｍｉｎの条件とした。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表２に各供試材のパーライト組織率および
性能評価結果を示す。

【００３８】まず調質鋼であるＮｏ．４３の耐久比０．
４７・切削性１．０に対し、本発明例であるＮｏ．１〜
２１はいずれも耐久比は０．５７以上でありまた切削性
もＮｏ．４３の２．５倍から４倍近く良好である。

【００３９】比較例のＮｏ．２２はＣ量が低いため引張
強度が低くかつ耐久性も低いので疲労特性は不良であ
る。比較例のＮｏ．２３はＣ量が高すぎるためベイナイ
トが発生し本発明のパーライト組織率の条件が満足でき
ず、引張強度は高くなるが本発明例に比べ耐久比が低く
切削性も不良である。

【００４０】比較例のＮｏ．２４はＳｉ量が低いため脱
酸程度が低く耐久比は本発明例に比べ低い。比較例のＮ
ｏ．２５はＳｉ量が高いためベイナイトが発生し本発明
のパーライト組織率の条件が満足できず、耐久比は本発
明例に比べ低く切削性も不良である。

【００４１】比較例のＮｏ．２６はＭｎ量が低いため複
合析出物の析出が少なく、耐久比が本発明例に比べ低
い。比較例のＮｏ．２７はＭｎ量が高いためベイナイト
が発生し本発明のパーライト組織率の条件が満足でき
ず、耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良である。

【００４２】比較例のＮｏ．２８はＳ量が低いため複合
介在物の析出が少なく、耐久比が本発明例に比べ低く、
またＭｎＳの切削性向上効果を得られないので切削性も
不良である。比較例のＮｏ．２９はＳ量が高いためＭｎ
Ｓの析出が過多となり、耐久比が本発明例に比べ低い。

【００４３】比較例のＮｏ．３０はＡｌ量が低いため脱
酸程度および結晶粒微細化効果が小さく、耐久比が本発
明例に比べ低い。比較例のＮｏ．３１はＡｌ量が高いた
め硬質介在物が形成され、耐久比は本発明例に比べ低く
切削性も不良である。

【００４４】比較例のＮｏ．３２はＴｉ量が低いため複
合析出物の析出が少なく、耐久比が本発明例に比べ低
い。比較例のＮｏ．３３はＴｉ量が高いため硬質介在物
が形成され、耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良
である。

【００４５】比較例のＮｏ．３４はＮ量が低いため複合
析出物の析出が少なく、耐久比が本発明例に比べ低い。
比較例のＮｏ．３５はＮ量が高いためマトリックスが硬
化し、耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良であ
る。

【００４６】比較例のＮｏ．３６はＶ量が低いため複合
析出物の析出が少なくかつマトリックスフェライトを析
出強化する効果が小さいので、耐久比が本発明例に比べ
低い。比較例のＮｏ．３７はＶ量が高いため、耐久比は
本発明例に比べ低く切削性も不良である。

【００４７】比較例のＮｏ．３８はＣｒ量が高いためベ
イナイトが発生し本発明のパーライト組織率の条件が満
足できず、耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良で
ある。

【００４８】比較例のＮｏ．３９はＭｏ量が高いためベ
イナイトが発生し本発明のパーライト組織率の条件が満
足できず、耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良で
ある。

【００４９】比較例のＮｏ．４０はＮｂ量が高いため、
耐久比は本発明例に比べ低く切削性も不良である。

【００５０】比較例のＮｏ．４１はＰｂ量が高いため、
切削性は良好なるも耐久比が不良である。

【００５１】比較例のＮｏ．４２はＣａ量が高いため、
切削性は良好なるも耐久比が不良である。

【００５２】

【表３】

【００５３】

【表４】

【００５４】（２）熱鍛後の冷却方法によるパーライト
組織率変化の影響 表１のＮｏ．１９に示す、本発明の化学成分の条件を満
足する鋼を、１５０ｋｇの鋼塊から鍛造用材料を切り出
し、一旦９５０℃加熱放冷で焼準した後、１１００〜１
２５０℃に加熱して１０５０〜１２００℃の温度で熱間
鍛造を行い、その後表３に示す方法で冷却した。なお、
表１のＮｏ．４３に示した機械構造用鋼の代表的鋼種で
あるＪＩＳ−Ｓ４５Ｃ規格鋼を調質した材料も比較とし
て用いた。この材料の中央部より実施例（１）と同様の
方法で引張強度、疲労強度、切削性およびパーライト組
織率を求めた。表４に各供試材のパーライト組織率およ
び性能評価結果を示す。

【００５５】Ｎｏ．４６，４７および４８は、本発明の
パーライト組織率の条件である組織率ｆが含有炭素量Ｃ
（％）に対して１．０５Ｃ−０．１以上１．０５Ｃ＋
０．３以下を満足する、本発明の例であり、いずれも耐
久比は０．５６以上を確保しまた切削性も現行調質鋼で
あるＮｏ．５２の２．４倍からほぼ４倍と良好である。
Ｎｏ．４４および４５は冷却速度を小さくする、または
フェライトの析出温度で保定処理をしたもので、その組
織は大部分がフェライトまたはフェライト＋球状セメン
タイトであってパーライト組織率が小さい。そのため引
張強度自体が低いが、フェライト＋パーライト２相組織
化による効果が消失し、耐久比は０．４５以下と低く、
切削性も本発明例に比較して不良である。

【００５６】一方、Ｎｏ．４９はパーライトの析出温度
へ保定することによってパーライト組織率を本発明の条
件を越えて高めたものであり、やはりフェライト＋パー
ライトの２相組織化による効果が消失し、耐久比も低く
切削性も不良である。

【００５７】さらにＮｏ．５０および５１は冷却速度を
高めることによりベイナイトまたはマルテンサイト等を
主とする低温変態組織としたものであり、引張強度は高
くなるものの耐久比は極めて低く、また切削性も不良で
工具寿命は極めて小さい。

【００５８】

【表５】

【００５９】

【表６】

【００６０】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明鋼はパーライト
組織率を調整することにより切削性を確保し、さらにＭ
ｎＳ，Ｔｉ窒化物およびＶ窒化物から形成される複合析
出物を使ったフェライト＋パーライト２相での金属組織
の微細化とＶ炭化物（または炭窒化物）によるフェライ
トおよびパーライト中のフェライトマトリックスの強化
を同時に行うことにより切削性を損なわずに耐久比すな
わち疲労特性を向上させることが可能となり、従来の非
調質鋼において切望されていた疲労特性と切削性の向上
を同時に満足する、産業上極めて効果の大きいものであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 賢一郎 室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式会社 室蘭製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭63−199848（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−301844（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−176055（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C22C 38/14 C22C 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にして Ｃ ：０．１０〜０．５０％ Ｓｉ：０．００５〜２．００％ Ｍｎ：０．４０〜２．００％ Ｓ ：０．０１〜０．１０％ Ａｌ：０．０００５〜０．０５０％ Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ Ｎ ：０．００８０〜０．０２００％ Ｖ ：０．２０〜０．７０％を含有し残部はＦｅならび
   に不純物元素からなる組成の鋼材に、熱間鍛造を施し室
   温まで冷却した後の金属組織においてパーライト組織の
   組織率ｆが含有炭素量Ｃ（％）に対して１．０５Ｃ＋
   ０．３≧ｆ≧１．０５Ｃ−０．１であることを特徴とす
   る熱間鍛造用非調質鋼。
2. 【請求項２】 成分がさらに Ｃｒ：０．０２〜１．５０％ Ｍｏ：０．０２〜１．００％の１種または２種を含有す
   ることを特徴とする請求項１記載の熱間鍛造用非調質
   鋼。
3. 【請求項３】 成分がさらにＮｂ：０．００１〜０．２
   ０％を含有することを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載の熱間鍛造用非調質鋼。
4. 【請求項４】 成分がさらに Ｐｂ：０．０５〜０．３０％ Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種を
   含有することを特徴とする請求項１、または請求項２、
   または請求項３記載の熱間鍛造用非調質鋼。