JP3241748B2 - 加工性と焼入れ性に優れた鋼材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工性とともに焼入れ
性にも優れ、さらには加工後の熱処理により高い強度と
耐摩耗性にも優れた特性を示す機械部品用鋼として好適
に用いられる鋼材と、その製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、機械部品用鋼は、成形後に焼入
れ焼もどしなどの熱処理を施すことにより、所望の強
度、耐摩耗性のものとしている。それ故に、この種の鋼
としては、焼入れ性を有する高炭素鋼を用いるのが普通
である。ところで、近年、生産性の向上のために、上述
の如き焼入れ性を有する高炭素鋼についても冷間で成形
したいという要望があり、そのために、焼入れ性の他に
加工性にも優れた鋼が必要となってきた。この点につい
て本発明者らは、所定の成分組成を有する高炭素鋼を焼
鈍することにより、セメンタイトに代えて微細な黒鉛を
フェライト中に析出させることにより、焼入れ性を低下
させることなく、単純引張り試験時の強度及び伸びを低
炭素鋼並みにできる方法を特開平２−107742号公報にて
提案した。また、フェライト中に黒鉛を析出させた組織
を利用する技術については、特開昭63−317629号公報に
開示されたような方法もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
従来技術の場合、黒鉛の析出に着目して特性（焼入れ
性）を向上させることとした点で斬新なアイデアであっ
たが、黒鉛はセメンタイトに比べると溶解する速度が非
常に遅いため、この焼入れ性の改善はなお不十分なもの
であった。このことは、たとえ黒鉛を微細化する方法を
採用したとしても、それでは単に焼入れ性の低下を抑え
るだけにしかならず、本質的にはその低下は避けがたい
ものであった。特に、加工性を向上させるために、フェ
ライトと黒鉛を主体とするミクロ組織鋼板を高周波焼入
れする場合は、この焼入れ性の低下が顕著になるという
問題があった。

【０００４】そこで本発明の目的は、上述した従来技術
の欠点を克服して、高炭素鋼における加工性の改善を焼
入れ性の低下を招くことなく実現するための技術を提案
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの研究を進めた結果、本発明者らは、所要の成分組成
の鋼を、２つの温度域に分けて一定時間保持するという
特有の焼鈍を行うことによってＣの一部を黒鉛化させた
場合には、フェライト中に球状化セメンタイトと、適量
の黒鉛が析出したミクロ組織となり、球状化処理材や、
従来の一定温度で保持する焼鈍で黒鉛化を行った鋼では
得られなかった高い加工性が得られるとともに、いわゆ
る比較的低い黒鉛化率、すなわち、高い焼入れ性を有し
たままであっても、加工性が著しく改善されることを知
見し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、 Ｃ：0.14超え〜0.8 wt％、Mn：0.05〜1.0 wt％を含み、
かつＢ：0.0003〜0.010wt％及びAl：0.003 〜1.0 wt％
のいずれか少なくとも１種を含み、残部Fe及び不可避的
不純物よりなり、Ｃの１〜80wt％が黒鉛の形態で析出し
ており、一方その残りのＣが球状化セメンタイト（球状
化組織の程度がＪＩＳ Ｇ３５３９のＮｏ．２以下）と
して析出した組織を有する加工性と焼入れ性に優れた鋼
材、および上記の成分組成のうちMn：0.05〜3.0 wt％と
した鋼に、さらに、Si：３wt％以下、Ni：３wt％以下及
びCu：１wt％以下のうちから選ばれるいずれか１種以上
を含み、残部Fe及び不可避的不純物よりなり、Ｃの１〜
80wt％が黒鉛の形態で析出しており、一方その残りのＣ
が球状化セメンタイト（球状化組織の程度がＪＩＳＧ３
５３９のＮｏ．２以下）として析出した組織を有する加
工性と焼入れ性に優れた鋼材である。

【０００６】また、本発明は、上記各成分組成を有する
鋼を、それぞれ、 700〜900 ℃の温度域で１分以上加熱
保持した後、 500〜700 ℃未満の温度域で１時間以上保
持する焼鈍を行うことにより、Ｃの１〜80wt％を黒鉛の
形態で析出させるとともに、その残りのＣを球状化セメ
ンタイトとして析出させる加工性と焼入れ性とに優れた
鋼材を製造する方法についての提案である。

【０００７】

【作用】本発明は、鋼組成とミクロ組織および焼鈍の方
法に特徴を有するものである。とくに、前述のような鋼
組成とした場合には、この鋼を焼鈍するとＣの黒鉛化が
生じるようになる。もっとも、この黒鉛生成の機構は必
ずしも全部が明らかとなっている訳ではないが、本発明
者らが考えるところによれば、ＢやAlがＢＮやAlＮとし
て析出し黒鉛の析出サイトとなることで黒鉛化を促進す
るものと思われる。また、Si, Ni, Cuについては、フェ
ライト中のＣの活量を上げることで、黒鉛の析出をこの
面でも促進すると考えられる。

【０００８】次に、本発明においては、前述のようなミ
クロ組織とすることにより、加工性を従来ミクロ組織の
場合よりも一層向上させることができる。この機構は必
ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。本
発明者らの研究によれば、球状化セメンタイトを黒鉛化
した場合、加工硬化は小さくなるものの、黒鉛がボイド
のように作用するために鋼が却って脆くなる。そのため
に黒鉛化率が増加するに伴い加工性は一旦向上して、黒
鉛化率がある値を超えるとまた低下する。このように考
えると、加工性を良好にする黒鉛化率の範囲というもの
が存在することが推定される。また、本発明者らの研究
によれば、セメンタイトと黒鉛が混在する組織の場合、
黒鉛化率が一定であれば、セメンタイトが球状化してい
る場合に、その加工性が最良となることも判ってきた
（なお、本発明における球状化セメンタイトとは、球状
化の程度がJIS Ｇ 3539 にある球状化組織の程度でいう
No.2以下である時のセメンタイトである)。

【０００９】また、本発明者らの知見によれば、後で詳
述するように、Ｃの１〜80％が黒鉛で、残りのＣが球状
化セメンタイトとなっている場合に、従来では得られな
かったような高い加工性が得られることも判った。

【００１０】以上説明したように、本発明において特有
である組成の鋼に、本発明において特有な焼鈍を施すこ
とにより、従来では得られなかったような本発明に特有
のミクロ組織が得られ、良好な加工性が得られる。上述
したように、この機構は必ずしも全部が解明されている
訳ではないが、本発明者らは次のように考えている。す
なわち、セメンタイトの球状化も黒鉛化も共に焼鈍によ
り生じるが、それぞれの最も速く進む温度がずれてお
り、黒鉛化を生じる温度ではセメンタイトの球状化が遅
く、セメンタイトの球状化が速く進む温度では黒鉛化は
生じない。そのため、通常の一定温度で保持する焼鈍方
法では、黒鉛化が速く進む温度の場合は黒鉛化率が良好
な加工性の得られる範囲を超えることなくセメンタイト
の球状化を行うことは不可能であり、セメンタイトの球
状化が速く進む温度の場合は黒鉛化を生じない。そのた
め、本発明の焼鈍方法のように、初めにセメンタイトの
球状化が進む温度に保持して球状化を十分に進めた後、
次には黒鉛化が進む温度に保持して適切な量だけ黒鉛化
が進むようにした場合にのみ、本発明に特有なミクロ組
織が得られ、良好な加工性が得られる。

【００１１】このことに関連して、本発明者らは、従来
の一定温度で保持する焼鈍方法でミクロ組織と切欠伸び
が保持温度によってどのように変化するか、種々実験を
行った。この実験は、表１に示す化学成分の鋼(No.1)を
転炉にて溶製し、 920℃で50％の圧延を行い、その後、
従来の一般的な焼鈍方法である図１に示すような条件(6
40〜750 ℃× 1〜100h) で焼鈍を行った鋼材について、
焼鈍温度とミクロ組織及び切り欠き伸びの関係について
調査したものである。その結果を図２に示す。

【００１２】なお、この図２中の黒丸印は、黒鉛化率が
１〜80wt％で、かつセメンタイトの球状化がなかったこ
とを示し、黒三角印は、黒鉛化率が80wt％以上でセメン
タイトの球状化があったことを示す。この図２から明ら
かなように、700 ℃未満の温度で１時間以上保持する
と、黒鉛化とセメンタイトの球状化が起きる。しかし、
この例においては、黒鉛化を生じた500 〜700 ℃未満の
温度域では、黒鉛化率が80wt％を超えると、初めてセメ
ンタイトの球状化を生じるため、切欠き伸びはせいぜい
10％で飽和する。一方、 700℃〜900 ℃の温度で１分以
上保持することでセメンタイトの球状化を生じて切欠き
伸びが向上するが、焼鈍を十分に長い時間行っても高々
11％で飽和する。従って、このような焼鈍方法では、高
い切欠き伸びが得られないことが判る。

【００１３】次に、表１に示す化学成分の鋼（No.1, 2,
3)を転炉にて溶製し、920 ℃で50％の圧延を行い、その
後、本発明にもとづく焼鈍方法に従って、図３に示すよ
うな条件(720℃×20h, 50 ℃/h冷却、640 ℃×１〜100
h) の焼鈍を行った鋼材について、セメンタイト球状化
後に黒鉛化させた時の黒鉛化率と切欠き伸びの関係を調
査した。その結果を図４に示す。併せて、セメンタイト
の球状化だけを行った場合の切欠き伸びを各供試材ごと
に点線で示す。この図から判るように、黒鉛化したＣ量
の添加量に対する割合、すなわち、黒鉛化率を１〜80wt
％の範囲に制御すれば、いずれの供試材の切欠き伸びも
セメンタイトを球状化しただけの場合の値以上になる。
しかし、黒鉛化率が80wt％を超えると球状化セメンタイ
ト材より切欠き伸びが低下することが判る。

【００１４】

【００１５】以上の実験結果をまとめると、まず、従来
の単純な焼鈍方法では、焼鈍温度によりミクロ組織は以
下のように変化することが判った。すなわち、700℃未
満の温度域では、黒鉛化とセメンタイトの球状化が同時
に進むが、セメンタイトの球状化より黒鉛化が早く進
む。そのために、加工性が良好となる黒鉛量の時は、セ
メンタイトの球状化が不十分となり、逆にセメンタイト
の球状化が十分なときには黒鉛量が多くなり過ぎるとい
う現象を生じて加工性が悪くなる。一方、 700℃以上の
温度域では、黒鉛化が著しく遅くなるので、実質的には
セメンタイトの球状化のみを生じるため、この温度域の
焼鈍だけでは適切な黒鉛量が得られず、加工性が十分に
向上しないことになる。

【００１６】このような知見に基づき、本発明において
望ましいミクロ組織を得るための種々の焼鈍条件を検討
した結果、図３, 図４に示すように、第１段階としてセ
メンタイトの球状化のみが生じる 700℃以上の温度域に
おいてセメンタイトを十分に球状化させ、その後第２段
階として、黒鉛化が生じる 700℃未満の温度域で１時間
以上保持して適切な量だけ黒鉛化を図る方法に想到し
た。このような２段階に亘る焼鈍処理によれば、フェラ
イト中に適量の黒鉛と球状化したセメンタイトとが析出
したミクロ組織となって、最良の加工性が得られ、そし
て、この時に図５に示すような最良の加工性と焼入れ性
のバランスが得られることが判明したのである。

【００１７】次に、上述した焼鈍条件にあわせて本発明
の作用効果を実現する上で必要となる鋼の化学組成につ
いて、それが前記のように限定される理由について説明
する。 Ｃ：Ｃは、熱処理後の強度、耐摩耗性に応じて適量添加
されるが、このＣ量が0.1 wt％未満では十分な強度、耐
摩耗性が得られない。一方、 0.8wt％を超えると熱間圧
延が著しく困難になるため、下限を0.1 wt％、上限を0.
8 wt％とした。 Mn：Mnは、鋼中のＳを固定して清浄な鋼とするために、
また、焼入れ性を確保するために必要であるが、このMn
量が0.05wt％未満では前記２つの効果とも不十分である
ため下限を0.05％とした。一方で、このMnは黒鉛化阻害
元素でもあり、Si, Ni, Cuがいずれも添加されない場合
には、このMn量が 1.0wt％を超えると黒鉛化が進まなく
なるため上限を 1.0wt％とし、Si, Ni, Cuのいずれかが
添加される場合でも 3.0wt％を超えると黒鉛化が進まな
くなるため上限を 3.0wt％とした。 Si, Ni, Cu：これらの元素は、いずれも黒鉛化促進元素
であり、また、鋼を固溶強化する元素であって、必要に
応じて適量添加される。ただし、いずれの元素もそれぞ
れ３wt％, ３wt％, １wt％を超えて添加しても、黒鉛化
促進効果、固溶強化とも飽和するため、これを上限とし
た。 Ｂ：Ｂは、ＢＮとして析出し、黒鉛の析出サイトとして
働き、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を細かくする効
果がある。その効果はＢ量が0.0003wt％未満では生ぜ
ず、0.010 wt％を超えても飽和するため、下限を0.0003
wt％、上限を0.010 wt％とした。 Al：AlはAlＮ、またAl₂O₃ として析出し、黒鉛の析出サ
イトとして働き、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を細
かくする効果がある。また、Fe中に固溶して黒鉛化を促
進する効果がある。それらの効果は、Al量が0.003 wt％
未満では生ぜず、1.0 wt％を超えても飽和するため、下
限を0.003 wt％、上限を1.0 wt％とした。

【００１８】さて、本発明においては、上述したよう
に、Ｃの一部を黒鉛化することにより、球状化セメンタ
イト単独の状態よりも加工硬化が小さくなって加工性を
向上させることができるが、一方で、黒鉛はボイドのよ
うに働くため、図４に示したように、セメンタイトを球
状化したままの状態から黒鉛化を進めていくと、加工性
は黒鉛化率が１％以上になると向上するが、さらに黒鉛
化が進むと低下し始め、黒鉛化率が80％を超えると球状
化セメンタイト単独の状態より加工性が低下する。よっ
て、好適な黒鉛量の範囲を加工性向上に効果の現れる１
％以上から80％以下に定めた。

【００１９】次に、本発明において、上述したミクロ組
織を得るために必要となる焼鈍処理について説明する。
なお、この焼鈍処理の意義については既に説明したが、
図２から明らかなように、セメンタイトの球状化と黒鉛
化が同時に生じるような温度域(700℃未満) では、加工
性が良好となる添加Ｃ量中の黒鉛量：１〜80wt％では、
セメンタイトの球状化は十分でない。逆にセメンタイト
の球状化が十分な場合には黒鉛量が多くなり過ぎる。そ
こで、初めに黒鉛化させずにセメンタイトを球状化させ
る必要があるが、そのためには 700℃以上で焼鈍する必
要がある。従って、第１段階での焼鈍温度は 700℃が下
限となる。ただし、焼鈍温度が 900℃を超えると、オー
ステナイト化を開始してセメンタイトの球状化を生じな
くなるため、この温度の上限は 900℃とした。しかし、
この温度範囲であっても、焼鈍時間が１分未満ではセメ
ンタイトの球状化が十分に進まないため、１分以上の焼
鈍を行うことを特徴とするが必要である。次に、第２段
階の処理については、 700℃未満で適切な時間保持して
適量の黒鉛を析出させる必要がある。ただし、焼鈍温度
が 500℃未満では黒鉛化するに必要な時間が長くなり過
ぎるので、この温度の下限は 500℃とした。なお、この
焼鈍は、一定温度に保持する必要はなく、それぞれの温
度範囲に所定の時間以上滞留していれば良い。

【００２０】以上説明したように本発明の製造方法は、
上述した成分組成の鋼を、転炉または電気炉などにて溶
製後、 600〜1100℃で10％以上の圧延を行った後、 700
℃未満まで冷却した後に前述した条件の焼鈍を行うこと
により、フェライト中に添加Ｃ量の１〜80％が黒鉛とし
て、残りが球状化セメンタイトとしてそれぞれ析出した
ミクロ組織を得ることができる。このようなミクロ組織
を有する鋼は、同じＣ量の鋼の球状化処理材と比べる
と、軟質で、加工性特に切欠き引張り特性等に優れ、か
つ熱処理性も同程度以上に行うことができるのはもちろ
ん、絞り、張り出し等の加工性などにも優れた特性を示
すものである。さらに、析出した黒鉛のチップブレーク
作用による快削性、黒鉛とフェライトの弾性係数の差に
よる制振性等にも優れていることが判った。

【００２１】

【実施例】実施例１ この実施例は、表２に示すような化学成分の鋼を溶製
後、 920℃で50％の圧延を行った後、種々の焼鈍を行っ
たその結果を、表２に示す供試材について、黒鉛化率を
調査し切欠き引張り試験及び焼入れ試験を行った。な
お、この試験の条件は次のとおりの条件で行った。 (1) 黒鉛化率は、バフ研磨により鏡面に仕上げた供試材
を光学顕微鏡にて観察、画像解析装置により求めた。 (2) セメンタイト球状化の有無は、バフ研磨により鏡面
に仕上げた供試材を３％ナイタール液で腐食後、光学顕
微鏡にて 400倍で観察し、JIS Ｇ3539にある球状化組織
の写真と比べ、No.2以下の場合を球状化有りと判定した
もの。 (3) 切欠き引張り試験は、板厚 2.9mmの供試材から圧延
方向に垂直な方向のJIS５号試験片を採取、その平行部
の中心位置の両側に１mm深さのＶノッチを機械加工して
試験片とし、JIS の金属材料引張り試験方法に準拠して
試験を行い伸びElを測定した。 (4) 焼入れ硬度は、供試材を 900℃で１sec 保持した
後、水焼入れを行った後測定した。

【００２２】実施例２ 表２に示す本発明範囲内の化学成分を有する供試材(No.
2)を、転炉にて溶製して920 ℃で50％の圧延を行い鋼材
を得た。その後、比較法である図１及び本発明法である
図３に示すような条件の焼鈍を行い、それぞれの場合で
の切欠き伸びと焼入れ硬度の関係について調査した。そ
の結果を図５に示す。なお、図中黒丸印は比較材、白丸
印は発明材である。本発明範囲内の焼鈍条件で、この特
許出願の請求項に記載した範囲内のミクロ組織である○
が優れた加工性と焼入れ性のバランスを有していること
が判る。

【００２３】実施例３ 表１に示す本発明の範囲内の化学成分を有する供試材
（No.1〜10、12、13) と、比較材(No.14,15)を転炉にて
溶製し、通常の薄板の連続圧延を行った。その後、図６
のＡ〜Ｄに示す本発明範囲内の条件で焼鈍を行った時
の、黒鉛量と切欠き伸びおよび焼入れ硬度について調査
した結果を表３に示す。また、加工性を比較するため
に、各供試材を 720℃で20時間焼鈍し、セメンタイトを
球状化した時の切欠き伸びを併せて示す。この処理で
は、いずれの供試材も黒鉛を生じていない。本発明範囲
内の化学成分を有する供試材（No.1〜10、12、13) は、
いずれもセメンタイトが球状化しているとともに適切な
黒鉛量が得られており、球状化処理材以上の加工性と良
好な焼入れ硬度が得られる。これに対し、Mn量が本発明
範囲外の比較材（No.14, 15)は黒鉛化を生じないため良
好な加工性が得られない。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、化学成分
および焼鈍方法を適切に維持することによって、ミクロ
組織をフェライトと球状化セメンタイトと適切な量の微
細な黒鉛にすることが可能になるため、従来の球状化焼
鈍材および黒鉛化材では到達し得なかった高い加工性と
十分な焼入れ性を併せ有する鋼板が提供できるようにな
った。また、本発明鋼は、鋼中黒鉛のチップブレーク作
用による快削性、黒鉛とフェライトの弾性係数の差によ
る制振性および黒鉛の潤滑効果による良好な摺動摩擦性
等を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の単純な焼鈍方法を示す模式図
（従来の単純な焼鈍方法でのミクロ組織と切欠き伸びを
調査するための実験条件を示す）である。

【図２】図２は、焼鈍温度のミクロ組織と切欠き伸びに
及ぼす影響を示す図である。

【図３】図３は、本発明に含まれる焼鈍方法を示す模式
図である。

【図４】図４は、黒鉛化率の切欠き伸びに及ぼす影響を
示す図である。

【図５】図５は、本発明材と従来材の加工性と焼入れ性
のバランスを比較する図である。

【図６】図６のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、本発明に含まれる他
の焼鈍方法を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−25946（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−17054（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−17051（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 6/00 C21D 9/46

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：0.14超え〜0.8 wt％、Mn：0.05〜1.
   0 wt％を含み、かつＢ：0.0003〜0.010 wt％及びAl：0.
   003 〜1.0 wt％のいずれか少なくとも１種を含み、残部
   Fe及び不可避的不純物よりなり、Ｃの１〜80wt％が黒鉛
   の形態で析出しており、一方その残りのＣが球状化セメ
   ンタイト（球状化組織の程度がＪＩＳＧ３５３９のＮ
   ｏ．２以下）として析出した組織を有する加工性と焼入
   れ性に優れた鋼材。
2. 【請求項２】 Ｃ：0.14超え〜0.8 wt％、Mn：0.05〜3.
   0 wt％を含み、Ｂ：0.0003〜0.010 wt％及びAl：0.003
   〜1.0 wt％のいずれか少なくとも１種を含み、かつSi：
   ３wt％以下、Ni：３wt％以下及びCu：１wt％以下のうち
   から選ばれるいずれか１種以上を含み、残部Fe及び不可
   避的不純物よりなり、Ｃの１〜80wt％が黒鉛の形態で析
   出しており、一方その残りのＣが球状化セメンタイト
   （球状化組織の程度がＪＩＳ Ｇ３５３９のＮｏ．２以
   下）として析出した組織を有する加工性と焼入れ性に優
   れた鋼材。
3. 【請求項３】 Ｃ：0.14超え〜0.8 wt％、Mn：0.05〜1.
   0 wt％を含み、かつＢ：0.0003〜0.010 wt％及びAl：0.
   003 〜1.0 wt％のいずれか少なくとも１種を含み、残部
   Fe及び不可避的不純物よりなる鋼を、 700〜900 ℃の温
   度域で１分以上加熱保持した後、 500〜700 ℃未満の温
   度域で１時間以上保持する焼鈍を行うことにより、Ｃの
   １〜80wt％を黒鉛の形態で析出させるとともに、その残
   りのＣを球状化セメンタイト（球状化組織の程度がＪＩ
   Ｓ Ｇ３５３９のＮｏ．２以下）として析出させること
   を特徴とする加工性と焼入れ性に優れた鋼材の製造方
   法。
4. 【請求項４】 Ｃ：0.14超え〜0.8 wt％、Mn：0.05〜3.
   0 wt％を含み、Ｂ：0.0003〜0.010 wt％及びAl：0.003
   〜1.0 wt％のいずれか少なくとも１種を含み、かつSi：
   ３wt％以下、Ni：３wt％以下及びCu：１wt％以下のうち
   から選ばれるいずれか１種以上を含み、残部Fe及び不可
   避的不純物よりなる鋼を、 700〜900℃の温度域で１分
   以上加熱保持した後、 500〜700 ℃未満の温度域で１時
   間以上保持する焼鈍を行うことにより、Ｃの１〜80wt％
   を黒鉛の形態で析出させるとともに、その残りのＣを球
   状化セメンタイト（球状化組織の程度がＪＩＳ Ｇ３５
   ３９のＮｏ．２以下）として析出させることを特徴とす
   る加工性と焼入れ性に優れた鋼材の製造方法。