JP3167550B2 - 加工性に優れた冷間鍛造用鋼材 - Google Patents

加工性に優れた冷間鍛造用鋼材

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、冷間鍛造用の線材又は
棒鋼に関わり、球状化焼鈍−伸線加工工程を簡省略した
上で強冷間鍛造加工が可能な延性の優れた鋼材に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】強加工を施される冷間鍛造用品として、
フランジ付ナットがあげられるが、これら部品は、自動
車等の組立自働化に伴い、今後とも生産量の拡大が期待
される商品である。フランジ等の張り出し部を有する部
品は、従来、強冷間加工性確保のため、粗伸線前後で鋼
材の軟化(セメンタイトの球状化)を目的として、複数
回の焼鈍処理(SA)を実施している。パーライト生地
である素材は、セメンタイトを球状化することにより、
軟化が可能である。通常、冷間鍛造加工前に伸線を実施
して、線材コイルの寸法精度向上を図るが、伸線により
素材の表面硬度が上昇し、金型面圧増加に伴う金型寿命
低下につながる。また、冷間鍛造加工が不可能となるた
め、軟化目的に焼鈍を実施する。
【0003】表層部のみフェライト層(JIS規定、D
m−F:鋼の表層部でフェライトのみになった脱炭層の
表面からの距離)あるいは、全脱炭領域層(Dm−T:
表面からの生地の炭素濃度をもつ部分までの深さ)を有
する鋼材の対応方法として一つは、鋼材を冷間鍛造時の
2相鋼化やクラッド鋼の適用が考えられるが、コスト的
・技術的に困難であり実用化が図れない状態である。
【0004】一般に脱炭処理を行う方法として、鋼片加
熱時、圧延後の冷却方法または、製品熱処理等が挙げら
れる。鋼片加熱時、深い脱炭層を形成させたとしても熱
間圧延において断面減少率に比例した割合で脱炭層厚み
の減少を伴うもので、目標とする均一な脱炭層を得るに
は困難である。また、圧延後の冷却による方法において
も鋼に均一なフェライト層を有することは困難である。
【0005】現状行われている脱炭処理としては、高温
且つ脱炭性雰囲気下で長時間保持する方法であり、例え
ば、同出願人が特開平5−287387号で提案した2
相域下での加熱保持及び冷却工程で、表層部に炭素量
(C%)を低下させたフェライト相を有する表層脱炭線
材を製造する方法がある。しかし、上記発明鋼材の成分
は、本発明鋼材と基本成分が異なり高Si鋼であり、P
C鋼棒の遅れ破壊改善を図ったものである。
【0006】また、ナット製造用鋼材として、特開昭5
2−73161号公報に示すように、伸線した鋼材を酸
化性又は還元性雰囲気中で脱炭焼鈍処理を行った鋼材の
開発は行われているが、単純ナットのような容易に加工
される伸線された中間鋼材の開発であり、工具寿命改善
及び製品外径精度改善を図ったものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来鋼材では、各焼鈍
前後において脱炭層は認められず、表1に示すような工
程フローで強加工を施される製品に対して、軟化を目的
として複数回の焼鈍と伸線工程によるコストアップは避
けられない。また、冷間鍛造前の伸線工程は、製品強
度、寸法管理等の必要性の有無により行っている。
【0008】
【表1】
【0009】本発明は、球状化焼鈍−伸線加工工程処理
を簡省略した上で、冷間鍛造前の鋼材表層部のみを冷間
鍛造加工に必要な脱炭領域に有して、強加工を受ける鋼
材表層部の延性を著しく改善し、また、同時に内部に軟
質は球状化セメンタイト組織を有して強加工可能な冷間
鍛造用鋼材を提供するものである。
【0010】
【課題を解決しようとする手段】本発明は、質量%で C:0.1〜0.6%, Si:0.01〜0.35%, Mn:0.3〜1.65% を含有する機械構造用鋼・冷間圧造用炭素鋼・機械構造
用低合金鋼の鋼材において、熱間圧延後の断面円形の鋼
材に1回の脱炭かつ球状化焼鈍処理を施して、鋼材最表
層部に0.01〜0.5mmの深さのフェライト脱炭層
を有しせしめ、且つ該フェライト脱炭層を含む全脱炭領
域層鋼材半径に対する比として0.039〜0.37
の範囲に有しせしめ、内部球状化セメンタイト組織
したものであることを特徴とする加工性に優れた冷間鍛
造用鋼材である。
【0011】
【作用】鋼材表層部の炭素(C%)量変化させた鋼材で
ワレキズ深さと限界加工率について調査した結果、図1
に示すように、線材サイズφ14mmでワレキズ深さの
影響調査を行い、人工的に鋼材表面へキズ深さを変化さ
せた直線状のキズを軸方向と周方向の2方向に設け、そ
の鋼材を冷間鍛造加工と等価なプレス加工機で加工歪み
0.4を与えた後の製品として有害な鋼材ワレキズ深さ
(ワレ出現率=表3に示す評点1以上の鋼材出現率)を
調査した。その結果、炭素(C%)量を低減させた鋼材
で、キズ感受性は著しく改善されることを究明した。し
かし、C元素は安価な強化元素であり、機械構造用鋼、
冷間圧造用炭素鋼、機械構造用低合金鋼として、所定の
強度を確保する為には、不可欠な元素である。
【0012】そこで、ネジ、ナット類製造範囲の機械構
造用鋼、冷間圧造用炭素鋼、機械構造用低合金鋼のJI
S G 3507,4051と4106の成分範囲であ
るC:0.1〜0.6%,Si:0.01〜0.35
%,Mn:0.3〜1.65%において、鋼材表層部の
みを一回の熱処理で冷間鍛造加工に必要な脱炭領域を有
する事で、表層部の延性を著しく向上させ、内部を軟質
な球状化セメンタイト組織にした鋼材の開発を行った。
本発明の鋼材では、軟化目的の初期球状化焼鈍と粗伸線
工程を省略することが出来る。
【0013】更に、表層に多少のキズ(深さ0.05m
m以内)を保有していても表層部の脱炭による軟質化
(延性大)で鍛造時の製品へのワレが発生しないことを
確認した。
【0014】冷間鍛造加工に必要な延性を確保するた
め、フェライト層(Dm−F)を0.01〜0.5mm
にすることと、全脱炭層領域(Dm−T)の鋼材半径
(r)に対する比(Dm−T/r)を0.039〜0.
37にすることで冷間鍛造加工に必要な脱炭領域とな
り、表層部の延性が高くなり強加工が可能となる。Dm
−Fが、冷間鍛造加工前で0.01mm未満なら通常の
鋼材の機械特性を有し、加工特性の変化もない。0.5
mmを越すと加工後の製品に脱炭層を有するため、製品
に必要な強度確保が困難であり、冷間鍛造前の加工硬化
を狙って伸線工程を行っても製品必要強度の保障は出来
ない事から、Dm−F=0.01〜0.5mmとした。
【0015】また、Dm−Tとrの比が0.039未満
であると強加工を実施できなく製品にワレが発生してし
まい、比が0.37を越すと製品での脱炭組織が残存し
ているため、製品強度確保が困難となるため、Dm−T
/r=0.039〜0.37に限定した。
【0016】例えば、ナットのような機械構造用部品に
ついては、ネジ部で強度を受け持つため、鋼材断面内部
の強度は必要であるが、表層部については、あまり強度
は必要でない。
【0017】また、冷間鍛造加工の欠陥は、主に表面キ
ズを起点としてワレを発生するものであり、表層部のみ
のキズ感受性を改善すれば冷間鍛造加工時の欠陥は著し
く改善される。また、鋼材表層部のみ低C%化(脱炭領
域を有)して、キズ感受性を低下させることと延性を大
きくする事が出来、また、金型への面圧も低くする事が
出来るため金型寿命が向上しコスト低減に有効である。
【0018】そこで本発明は、鋼材表層に所定深さの脱
炭層を有すると共に、内部変形能を確保する目的のため
に、内部を軟質な球状化セメンタイト組織として優れた
冷間鍛造加工性を有する鋼材を提供するものである。
【0019】脱炭方法として図2で示す例図のセメンタ
イト球状化(SA)のヒートパターンにより、2相域下
での加熱保持及び冷却工程及び熱処理時の雰囲気コント
ロールを行い、冷間鍛造加工時に必要な表層部を低炭素
化(C%)した表層脱炭線材を製造する。
【0020】尚、従来の該球状化焼鈍においては、例え
ばRX雰囲気(CO:20%,CO2 :2%,H2 :2
6%,N2 :51%)下で、事前に鋼材表面のスケール
を酸洗、ショットブラスト等でデスケーリングを行って
いるが、鋼材の脱炭領域を有さない〔Dm−F=0,D
m−T/r=1〜2×10-3〕よう従来材の焼鈍雰囲気
は、鋼材のカーボン・ポテンシャルと同等になるよう雰
囲気(CO,CO2 )に調整してセメンタイト球状化焼
鈍を実施している。
【0021】本発明の鋼材は、表層部に脱炭層を有して
いることから、その脱炭レベルによっては焼鈍前デスケ
ーリングの省略が可能となり、また雰囲気ガスを変更
(例えば、N2 ガスに変更)して、コスト削減も図るこ
とが出来る。
【0022】
【実施例】以下、さらに実施例により本発明の効果につ
いて具体的に説明する。供試材サイズは、φ14mm,
φ21mm、鋼種は表2で示す成分値のJIS G 3
507規格SWRCH35K,SWRCH45Kの線材
コイルである。本発明材は図2のセメンタイト球状化の
ヒートパターンを用いて脱炭性雰囲気を調整してにおい
て、一次均熱(A:740℃)、二次均熱(B:690
℃)の雰囲気を変化させて、表層部を脱炭せしめ内部が
セメンタイト球状化した組織が得られる焼鈍を実施し
た。
【0023】
【表2】
【0024】表3に各々の供試材の焼鈍−伸線工程回
数、さらに焼鈍後の脱炭深さ結果を示した。その鋼材を
仕上げ伸線、冷間鍛造した後の製品において引張試験を
実施し(JIS 4号試験片による)、引張強さ、絞り
を調査した。
【0025】
【表3】
【0026】その結果が表3に示すように、本発明鋼材
は、従来の伸線後焼鈍材と同等な製品強度であることを
確認し、且つ1回の焼鈍で冷間鍛造加工に必要な脱炭領
域とかつ内部をセメンタイト球状化した鋼材を製造する
事が可能であることを確認した。
【0027】また、同表には、脱炭焼鈍後に軸方向と周
方向にキズ深さ0.5mmの直線状のキズを付けて、伸
線工程を省略し、加工プレス機で加工歪み0.2,0.
5を与えた時のワレ発生評点について記述している。
【0028】比較材のNo.3のように、フェライト脱
炭(Dm−F)が0であると1回焼鈍時のワレ発生が評
点2となり2回焼鈍が必須になる。同材のNo.5のよ
うに全脱炭領域Dm−Tと鋼材半径rとの比が0.37
を越える場合、製品時の強度不足が発生する。本発明材
のNo.6〜9のような脱炭量があると冷間鍛造加工時
の延性と強度を確保することが出来る。本発明材のN
o.6の表層断面のミクロ写真の複写図を図3(a)に
示す。
【0029】このNo.6材は、Dm−F:0.07〜
0.12mm,Dm−T:0.3〜0.45mmであ
る。
【0030】また、No.9材の表層断面ミクロ写真の
複写図を図3(b)に示す。このNo.9材は、Dm−
F:0.2〜0.3mm,Dm−T:0.4〜0.5m
mである。
【0031】
【発明の効果】本発明の冷間鍛造加工前の鋼材において
は、鋼材表層部のみが所定の深さの脱炭層を有している
ため、焼鈍−伸線工程処理を簡省略した上で強加工を受
ける鋼材表層部を冷間鍛造加工に必要な延性を著しく改
善することで冷間鍛造時のワレ感受性を向上させる事が
出来、付随として金型寿命低下につながり、低コストで
強加工可能な冷間鍛造用鋼材を提供することが可能とな
った。
【0032】自動車部品のようなある部分の強加工を必
要とする製品に対して、今まで熱処理と粗伸線工程を省
略を可能とする鋼材の開発によって、部品産業に対して
大きな貢献を行う事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】素材ワレキズ深さとワレ出現率の関係を示す
図、
【図2】鋼材表層部を脱炭せしめ、内部を球状化するた
めのヒートパターンの一例を示す図。
【図3】(a)は、熱処理で鋼材表面Dm−F:≦0.
1mm,Dm−T:0.3〜0.45mm全周均一な脱
炭領域を有する表層の組織例を示す金属組織の写真、
(b)は、Dm−F:≦0.2〜0.3mm,Dm−
T:0.3〜0.5mm全周均一な脱炭領域を有する表
層組織例を示す金属組織の写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−316560(JP,A) 特開 昭52−73161(JP,A) 特開 平5−287387(JP,A) 特開 平6−306540(JP,A) 特開 平3−120315(JP,A) 特開 昭61−157640(JP,A) 特開 平7−11380(JP,A) 日本鉄鋼協会「現場技術者のための鋼 の脱炭層深さ測定写真集 平成6年」 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 1/32,8/06,9/52 C22C 38/00 - 38/60

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量%で C:0.1〜0.6%, Si:0.01〜0.35%, Mn:0.3〜1.65% を含有する機械構造用鋼・冷間圧造用炭素鋼・機械構造
    用低合金鋼の鋼材において、熱間圧延後の断面円形の鋼
    材に1回の脱炭かつ球状化焼鈍処理を施して、鋼材最表
    層部に0.01〜0.5mmの深さのフェライト脱炭層
    を有しせしめ、且つ該フェライト脱炭層を含む全脱炭領
    域層鋼材半径に対する比として0.039〜0.37
    の範囲に有しせしめ、内部球状化セメンタイト組織
    したものであることを特徴とする加工性に優れた冷間鍛
    造用鋼材。
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