JP3241897B2 - 引張強度、疲労強度および被削性に優れる熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents

引張強度、疲労強度および被削性に優れる熱間鍛造用非調質鋼

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JP3241897B2 JP25433593A JP25433593A JP3241897B2 JP 3241897 B2 JP3241897 B2 JP 3241897B2 JP 25433593 A JP25433593 A JP 25433593A JP 25433593 A JP25433593 A JP 25433593A JP 3241897 B2 JP3241897 B2 JP 3241897B2
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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、優れた引張強度と疲労
強度および被削性を同時に有する熱間鍛造ままで使用す
る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
適用において真に障害となるものは疲労強度および被削
性である。
【０００４】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被削性は極端に劣化し引張強度が
１２０ｋｇｆ／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。そこで被削性を劣化
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】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、被削性も極
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】本発明者らは先に被削性の良好なパーライ
ト含有組織に着目しこれにまずＭｎＳ上にＴｉＮおよ
びＶＮを複合析出させこれ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
いでパーライトが析出するに当たって、析出したパーラ
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炭室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
析出強化されたパーライトを有する金属組織を得ること
を組み合わすことによって疲労強度および被削性の優れ
る熱間鍛造用非調質鋼を発明した。しかしこの型の非調
質鋼では引張強度で高々１００ｋｇｆ／ｍｍ2 程度が限
界でありそれ故耐久比を向上させたとしても疲労強度に
も限界があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の非調
質鋼では実現が困難であった、高い疲労強度および引張
強度と被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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】高疲労強度を得ようとし
た場合、最も容易な方法は引張強度（硬さ）を上げるこ
とである。引張強度を上げるためには、マルテンサイト
あるいはベイナイトといった低温変態組織を導入すれば
良いが、従来技術の中で述べたごとく、このような方法
は被削性を顕著に劣化せしめる。
【００１０】本発明者らはフェライト組織に適当量のベ
イナイト組織が混ざる金属組織を持つ数種類の熱間鍛造
材について、その疲労特性および被削性について検討し
た。その結果、組織を微細化する目的でＭｎＳ＋Ｔｉ
Ｎ＋ＶＮの複合析出物をフェライトの析出核として活用
する低Ｃおよび低Ｎ化により硬さを制御したベイナイ
ト組織を適当量含有するフェライト−ベイナイト２相組
織とするベイナイト組織中にＶ炭化物を析出させるこ
との３点から、引張強度および疲労強度を向上させかつ
被削性も現行の切削工程で許容可能なレベルを確保でき
るフェライト−ベイナイト型の熱間鍛造用非調質鋼を発
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：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜２．０
０％、Ｍｎ：０．４０〜２．００％、Ｓ：０．０３〜
０．１０％、Ａｌ：０．０００５〜０．０５０％、Ｔ
ｉ：０．００３〜０．０５０％、Ｎ：０．００２０〜
０．００７０％、Ｖ：０．３０〜０．７０％を含有し、
残部はＦｅならびに不純物元素からなる組成を有し、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ベ
イナイト組織の組織率ｆが含有炭素量Ｃ（％）に対して
１．４Ｃ＋０．４≧ｆ≧１．４Ｃであり、引張強度が９
５．６ｋｇｆ／ｍｍ 2 以上であることを特徴とする熱間
鍛造したままで使用するフェライト−ベイナイト型非調
質鋼であり、第２発明は結晶粒微細化とベイナイト組織
率の調整および被削性のさらなる向上のため、第１発明
鋼の成分にさらにＣｒ：０．０２〜１．５０％、Ｍｏ：
０．０２〜１．００％、Ｎｂ：０．００１〜０．２０
％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、Ｃａ：０．０００５
〜０．０１０％の内の１種または２種以上を含有させた
ものである。
【００１２】次に本発明のフェライト−ベイナイト型非
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織の限定理由について以下に説明す
る。
【００１３】Ｃ：ベイナ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あるが過多
であると強度が上がりすぎて被削性が顕著に劣化する。
すなわち、０．１０％未満では低引張強度および低疲労
強度となり、逆に０．３５％超過では高引張強度となり
すぎ被削性が顕著に低下するので０．１０〜０．３５％
とする。
【００１４】Ｓｉ：脱酸およびベイナイト組織率を調整
する元素で、０．１５％未満ではその効果は小さく、
２．００％超過では耐久比、被削性、のいずれも低下す
るので０．１５％〜２．００％とする。
【００１５】Ｍｎ：ベイナイト組織率を調整するととも
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多
量発生して耐久比、被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、０．０３〜０．１０％とする。
【００１７】Ａｌ：脱酸および結晶粒微細化効果をもつ
元素で、０．０００５％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、被削
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、被削
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、０．００２０％未満ではその効果
が小さく、０．００７０％超過では耐久比、被削性のい
ずれも低下するので、０．００２０〜０．００７０％と
する。
【００２０】Ｖ：ＭｎＳおよびＴｉＮと複合析出物を形
成するとともにベイナイト中のマトリックスフェライト
を析出強化する元素で、０．３０％未満ではその効果が
小さく、０．７０％超過では耐久比、被削性のいずれも
低下するので、０．３０〜０．７０％とする。
【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。本願第２発明においては、結晶粒微細化と
ベイナイト組織率の調整および被削性のさらなる向上の
ため、第１発明鋼の成分にさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐ
ｂ、Ｃａの内の１種または２種以上を含有させる。これ
らの化学成分の限定理由について以下に述べる。
【００２２】Ｃｒ：Ｍｎとほぼ同様に、ベイナイト組織
率を調整する元素で、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多量発生して耐
久比、被削性のいずれも低下するので０．０２〜１．５
０％とする。
【００２３】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、１．０
０％超過ではベイナイトが多量発生して耐久比、被削性
のいずれも低下するので０．０２〜１．００％とする。
【００２４】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、被削性のいずれも低下する
ので、０．００１〜０．２０％とする。
【００２５】Ｐｂ：被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
その効果は飽和し疲労強度および耐久比が低下するの
で、０．０５〜０．３０％とする。
【００２６】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疲労強度および耐久比が
低下するので０．０００５〜０．０１０％とする。
【００２７】以上が本願第２発明の鋼において付加され
た化学成分の限定理由である。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。
【００２８】先に述べたように、フェライト−ベイナイ
トの２相組織としベイナイトが適当量存在することが高
い引張強度、高い疲労強度および被削性の確保をもたら
す。ベイナイト組織率は鋼の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。ベイナ
イト組織を有効に活用するためには、その組織率ｆが含
有炭素量Ｃ（％）に対して１．４Ｃ以上が必要であり、
一方１．４Ｃ＋０．４超過となると被削性が極端に劣化
するので、ベイナイト組織率ｆを含有炭素量Ｃ（％）に
対して１．４Ｃ以上１．４Ｃ＋０．４以下とした。この
ようなベイナ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、ベイ
ナイト組織率ｆは腐食した試験片を光学顕微鏡等で観察
するとともにマイクロビッカース硬度計によりその組織
硬度を求め、最終的に面積率を測定することによって求
める。
【００２９】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。
【００３０】
【実施例】以下に挙げる各表において、太枠で囲んだ条
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。
【００３１】（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、１５０
ｋｇ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。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２
００倍で観察しベイナ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鋼の
総穿孔距離を１．００とし、それとの相対比で切削性を
評価した。なお、切削速度は５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度
は０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、切削油７Ｌ／ｍｉｎの条件と
した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】表２に各供試材のベイナイト組織率および
性能評価結果を示す。
【００３５】まず調質鋼であるＮｏ．４２の耐久比０．
４７・切削性１．００に対し、本発明例であるＮｏ．１
〜２０はいずれも引張強度が９５．６ｋｇｆ／ｍｍ 2 以
上で耐久比は０．５７以上であり、また切削性もＮｏ．
４２の２倍から３倍近く良好である。
【００３６】比較例のＮｏ．２１はＣ量が低いため引張
強度が低くかつ耐久比も低いので疲労特性は不良であ
る。比較例のＮｏ．２２はＣ量が高すぎるためマルテン
サイトが発生し本発明のベイナ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。
【００３７】比較例のＮｏ．２３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．２４はＳｉ量が高いためマルテンサイトが発生し本
発明のベイナ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。
【００３８】比較例のＮｏ．２５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．２６はＭｎ量が高いためマルテンサ
イトが発生し本発明のベイナ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。
【００３９】比較例のＮｏ．２７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．２８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。
【００４０】比較例のＮｏ．２９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．３０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。
【００４１】比較例のＮｏ．３１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．３２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。
【００４２】比較例のＮｏ．３３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．３４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。
【００４３】比較例のＮｏ．３５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．３６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。
【００４４】比較例のＮｏ．３７はＣｒ量が高いためマ
ルテンサイトが発生し本発明のベイナイト組織率の条件
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。
【００４５】比較例のＮｏ．３８はＭｏ量が高いためマ
ルテンサイトが発生し本発明のベイナイト組織率の条件
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。
【００４６】比較例のＮｏ．３９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。
【００４７】比較例のＮｏ．４０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。
【００４８】比較例のＮｏ．４１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。
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】（２）熱鍛後の冷却方法によるベイナイト
組織率変化の影響 表１に示す化学成分の鋼を高周波炉にて溶解し、１５０
ｋｇ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、その後同じく表３に示す方法で放冷した。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、被削性およびベイナイト組織率を求めた。表４に
各供試材のベイナイト組織率および性能評価結果を示
す。
【００５２】Ｎｏ．４５、４６、４７および４８は、本
発明のベイナ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１．４Ｃ＋０．４以上１．４Ｃ以
下を満足する本発明の例であり、いずれも耐久比は０．
５５以上を確保しまた切削性も現行調質鋼であるＮｏ．
４２の２．５倍程度と良好である。
【００５３】Ｎｏ．４３および４４は冷却速度を小さく
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ベイナイト組織率が
小さい。そのため引張強度自体が低いが、フェライト＋
ベイナイト２相組織化による効果が消失し、耐久比は
０．５４以下と低く、切削性も本発明例に比較して不良
である。
【００５４】一方、Ｎｏ．４９は冷却速度を高めること
によりマルテンサイトを主とする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小さい。
【００５５】
【表５】
【００５６】
【表６】
【００５７】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明鋼はフェライト
−ベイナイト２相組織とすることにより高い引張強度を
得ると共に被削性を確保し、さらにＭｎＳ，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て金属
組織の微細化とＶ炭化物（または炭窒化物）によるベイ
ナイト中のフェライトマトリックスの強化を同時に行う
ことにより被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、切望されていた
高引張強度でかつ高い疲労強度と被削性の兼備を満足す
る熱間鍛造用非調質鋼を提示することが可能となり、産
業上極めて効果が大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】重量比にして Ｃ ：０．１０〜０．３５％ Ｓｉ：０．１５〜２．００％ Ｍｎ：０．４０〜２．００％ Ｓ ：０．０３〜０．１０％ Ａｌ：０．０００５〜０．０５０％ Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ Ｎ ：０．００２０〜０．００７０％ Ｖ ：０．３０〜０．７０％を含有し 残部はＦｅならびに不純物元素からなる組成を有し熱間
    鍛造を施し室温まで冷却した後の金属組織においてベイ
    ナイト組織の組織率ｆが含有炭素量Ｃ（％）に対して １．４Ｃ＋０．４≧ｆ≧１．４Ｃ であり、引張強度が９５．６ｋｇｆ／ｍｍ 2 以上である
    ことを特徴とする熱間鍛造したままで使用するフェライ
    ト−ベイナイト型非調質鋼。
  2. 【請求項２】成分がさらに Ｃｒ：０．０２〜１．５０％ Ｍｏ：０．０２〜１．００％ Ｎｂ：０．００１〜０．２０％ Ｐｂ：０．０５〜０．３０％ Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％ の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする
    請求項１記載の熱間鍛造したままで使用するフェライト
    −ベイナイト型非調質鋼。
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