JP3715744B2 - 破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明の鋼は、破壊切断した際の破壊断面の変形が小さい鋼に関わるものであり、せん断破壊、引張り破壊、あるいは衝撃破壊した際、その変形量が小さいことが要求される機械構造用鋼素材、機械部品一般に適用される。
【0002】
【従来の技術】
自動車、産業機械用の部品となる機械構造用鋼は、通常、直棒材あるいはコイル状線材の形状で供給され、冷間や熱間で目的の形状に加工され、さらに種々の熱処理、切削加工等を受けて部品となる。鋼素材から部品に至る加工工程の中に、冷間でのせん断あるいは引張りによる破壊分離の工程がある場合、通常、その次工程における加工精度確保、あるいは自動加工ラインでの障害防止のために、破壊時の変形を制御することが必要となる。
【0003】
また、従来の標準的な鋼部品は、熱間鍛造、あるいは冷間鍛造による成形後、焼入焼戻しを施すことで強度と靭性を向上させていたが、近年は熱間鍛造ままで十分な強度を有する、熱間鍛造用非調質鋼(以下、非調質鋼)の採用が拡大している。調質鋼を非調質鋼に代替することによって、熱処理工程の省略による低コスト化、焼入省略による焼歪みの解消などのメリットが得られている。
【0004】
衝撃引張りにより破壊切断して、必要部位を加工後、再び破壊破面をつき合わせて接合する熱間鍛造非調質鋼部品の加工方法は、コネクティングロッドの加工方法として、実用化されており、Fe−0.72%C−0.22%Si−0.49%Mn−0.062%S−0.04%V(Fundamentals andApplications of Micro−alloying Forging Steels,TMS(1996)29)のような比較的高い炭素を含有する鋼を素材として用いている。コネクティングロッドは、鋼素材を熱間鍛造空冷し、穴開け加工、ボルト穴加工等をした後、大端部を物理的に2つに破壊し、最後にシャフトを挟んで破壊面をつき合わせ、ボルトで締結する、という方法で製造される。本方法は、比較的安価な素材を用い、しかも従来法で必要であった高精度の切削加工を省くことができるため、低コスト化が可能である。しかしながら、前記の現用鋼は破壊性を高めるために、高炭素組成としているため、降伏強さと疲労強さが低く、また被削性も悪いという問題があった。
【0005】
上記現用鋼より炭素量を低減しつつも破断分離性を有する、コネクティングロッドに適用される鋼材としては、特開平8−291373号公報が開示されている。同公報記載の熱間鍛造用非調質鋼は、「容易に破断分離することができ、また破断分離破面の塑性変形量も少なく、密着性もよい」としている。また、コネクティングロッドに適用される低靭性の非調質鋼として、特開平9−3589号公報も開示されている。同公報では、特に固溶N量を増すことで破断時の破面を脆性破面とし、「常温で分割した時の破面が、フラットな脆性破面を呈する高強度・低靭性非調質鋼の提供を課題とする」としている。しかしながら、特開平8−291373号公報、特開平9−3589号公報記載の鋼の破断分離性は、工業的に適用するには不足である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、熱間鍛造まま状態で破壊したときの変形が小さく、しかも安価なフェライト・パーライト組織の中炭素熱間鍛造用非調質鋼を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
鋼の破壊時の変形を小さくするためには、鋼の延性を低下させることが最も効果的である。鋼の組成を調整して延性を低くする方法は、いくつか考えられる。たとえば、前述の0.7%Cの現用鋼のように、炭素含有量を高める方法がある。しかし、一般にフェライト・パーライト組織の鋼は炭素量が増すほど降伏比(降伏強さ/引張り強さ)が低下し、疲労強さも低下する。また、Pを多量に含有させて結晶粒界を脆化させる方法もあるが、Pは高温加熱時の延性も大きく低下させるため、鋼素材の鋳造、圧延、および熱間加工が困難となる。
【0008】
本発明においては、主に以下のような手段により、課題を解決した。
【0009】
(1) 破壊性の向上:Mnは固溶強化元素として鋼を強化し、しかも強化による延性の低下が少ない元素であり、中炭素(C量0.25%以上)の機械構造用鋼には、通常約0.6%以上のMnを添加している。本発明者らは、これらの作用に着目してMnと破壊性の関係を調べた結果、破壊変形量とMn量は大きな相関があり、特にMnを0.4%未満とすることで、鋼の延性が低下し、破壊時の変形量が減少することを見いだした。低Mn化による延性低下は、高温延性を大きく低下させないという長所があり、この点でPの多量添加と異なる。また、非調質鋼には、析出強化元素であるVあるいはNbを添加するが、これらの元素が鋼中でNと結合し、窒化物となると、鍛造加熱時のオーステナイト結晶粒が微細化し、さらに、鍛造冷却後の組織中のフェライト量も増加するため、延性が大きくなり、低Mnとするだけでは十分低い延性(高い破壊性)が得られない。よって、N含有量を低減することで窒化物の析出を抑制することが非常に重要である。高靭性を目指した非調質鋼には、0.01%を超えるNを添加することがあるが、そうでなくても通常の製鋼法で造られた鋼には通常Nが0.005%以上含有される。特開平9−3589号公報にも、Nは0.005%以上なるべく多くを添加することが奨励されている。しかし、炭素量0.5%のV添加非調質鋼で種々実験した結果、破壊破面の面積減少量で比較した変形量は、N量0.01%鋼が100とすると、0.004%鋼では70以下であり、低Nの方が良好な結果が得られた。
【0010】
(2) 降伏強さ、疲労強さの向上:フェライト・パーライト鋼の降伏比(降伏強さ/引張り強さ)、疲労限度比を高めるため、炭素量を低減して適当な合金元素を増加することが有効な手段である。V強化型の非調質鋼では、炭素含有量を0.7%から0.6%に低減するだけで、降伏比は0.55から0.65に向上し、また、疲労限度比は0.39から0.44へ向上する。よって、必要な破壊性を確保できる範囲で、低炭素化することが重要である。また、一般に知られるようにVの析出強化により降伏比、疲労限度比を向上させることは、C、Mn低減による強度低下を補う意味でも不可欠である。
【0011】
以上の考察と実験に基づき、完成した破壊時の変形が小さい機械構造用鋼は、
すなわち、
(1) 重量%で、
C :0.3〜0.6%、
Si:0.1〜2.0%、
Mn:0.1〜0.4%未満、
P :0.020〜0.1%、
S :0.01〜0.2%、
V :0.15超〜0.4%、
N :0.002〜0.005%未満を含み、
残部Feと不可避不純物からなり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴とする破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【0012】
(2) さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種を含有することを特徴とする(1)記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【0013】
(3) さらに、
Nb:0.05〜0.2%
を含有することを特徴とする(1)または(2)記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
(4) さらに、
Mo:0.1〜0.5%
を含有することを特徴とする(1)、(2)または(3)記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
(5) さらに、
Pb:0.4%以下、
Bi:0.4%以下、
Se:0.4%以下、
Te:0.005%以下、
Ca:0.003%以下
の1種以上を含有することを特徴とする(1)、(2)、(3)または(4)記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【0014】
【発明の実施の形態】
C:0.3〜0.6%
Cは部品として必要な強度を確保するために、また、鋼を脆化し破壊性を向上させるために0.3%以上が必要である。しかし、多量の添加は降伏強さ、疲労強さを低下させるため、上限を0.6%とする。
【0015】
Si:0.1〜2.0%
Siは固溶強化元素であると共に、鋼の延性を低下させる元素であり、十分な延性低下作用を発揮するためには0.1%以上が必要である。しかし、2.0%を超えた場合、高温延性が低下し、圧延や鍛造時に割れが生じやすくなり、また、脱炭を促進する。
【0016】
Mn:0.1〜0.4%未満
Mnは、通常固溶強化元素として用いられるが本発明の鋼においては0.4%未満に制限することで、延性を低下させる作用がある。また、MnはMnSを形成して、被削性を向上させる。しかし、0.1%未満とした場合、加熱時にSが固溶状態となって粒界を脆化させるため、熱間延性が低下して、鋼素材、鋼部品製造工程において割れ、キズが発生しやすくなる。
【0017】
P:0.020〜0.1%
Pは粒界に偏析して鋼を脆化させ、破壊性を向上させる元素であるが、その効果を発揮させるためには、0.020%以上必要であり、多量に添加した場合、熱間延性を低下させて割れが発生しやすくなるので、0.1%以下を添加する。
【0018】
S :0.01〜0.2%
Sは被削性向上のために添加する。被削性向上のためには0.01%以上が必要であるが、機械的性質の異方性が大きくなるので上限を0.2%とする。
【0019】
V :0.15超〜0.4%
Vは主に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。強化のためにはV0.15%超の添加が必要であるが、0.4%超ではコストに対する効果の向上が小さい。
【0020】
N :0.002〜0.005%未満
Nを低減することが、本発明の効果を高めるために非常に重要である。NはVNやNbNを形成して、鋼素材や熱間加工材の組織を微細化し、またフェライト量を増加させて延性を高める作用があるため、なるべく低い方が望ましく、十分小さな破壊変形量を得るため0.005%未満に限定する。しかし、0.002%未満では製造コストが多大となる。
【0021】
Mo:0.1〜0.5%
Moは強度調整が必要であれば、0.1%以上を添加するが、パーライト組織を微細化して破壊性を低下させるのを防止するため、0.5%を上限とする。
【0022】
Al:0.005〜0.05%
Alは脱酸元素である。通常の鍛造用鋼はAl脱酸で製造されるが、Al脱酸を行うと不可避的にアルミナが鋼中に分散して被削性が低下する場合がある。よって、特に優れた被削性を要求される場合、Al脱酸は行わない(第1、2の発明)。さらに、Al脱酸を行わないことにより、AlNが析出せず、その結果組織が粗大化して、破壊性が向上する効果がある。しかし、狙いとする引張り強さが十分低い場合、あるいは切削加工代が小さい場合、被削性が問題となることはないので、0.005%以上のAlを添加しても良いが、0.05%超は脱酸の効果が飽和する(第2の発明)。
【0023】
Ti:0.005〜0.05%
Tiは脱酸元素として利用するが、TiNが生成した場合、熱間鍛造後の組織が微細化して延性が増大する。しかし、Nが0.005%未満で、硬さが十分高い場合には、Tiを添加しても十分低い延性が得られる。十分な脱酸をするためには0.005%以上のTiが必要であるが、粗大な酸化物が生成して被削性を低下させないように、上限を0.05%未満に限定する。
Nb:0.05〜0.2%
NbはVと同様に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。Nbを添加することにより上記効果をさらに向上させることができる。強化のためには0.05%以上のNb添加が必要であるが、0.2%超ではコストに対する効果の向上が小さい。
【0024】
なお、被削性向上のため、それぞれ0.4%以下のPb、Bi、およびSe、0.005%以下のTe、および0.003%以下のCaを必要に応じて本発明の鋼に添加することができる。これらの元素は、基本的には添加量が多いほど被削性を向上させる。しかし、多量に添加すると機械的性質に悪影響を与え、或は効果が飽和するため上限を上記範囲とした。
【0025】
フェライト・パーライト組織の鋼の引張り強さ、硬さは、基本的に炭素当量Ceq.で決定され、たとえば、特公昭60−45250号公報には、Ceq.(%)=C%+(1/7)Si%+(1/5)Mn%+(1/2)V%の式が記載されている。これらの式からも分かるように、本発明の鋼は、中炭素鋼であるため、一定の引張り強さを実現するために、炭素以外の高価な合金の添加が少なくて済むので安価である。また、本発明の鋼を用いて、熱間鍛造非調質工程で部品を製造すれば、製造コストも大幅に低減される。
【0026】
なお、本発明の鋼は、フェライト・パーライト組織であることを限定しているが、本発明の鋼を通常の工業的製鋼法で溶製、鋳造し、通常の熱間圧延を行って棒鋼とした場合、および、熱間鍛造にて自動車用部品に成形後、空冷あるいはファン強制空冷した場合には、フェライト・パーライト組織となるので、特別な鋼素材の製造方法や、鍛造方法を用いる必要はない。むしろ、本発明の鋼は中炭素、低Mn組成であり、かつ、フェライト変態を促進するVを添加しているので、通常の熱間鍛造用非調質鋼と比較してベイナイトなどの過冷組織が生成しにくいのが特徴のひとつである。
【0027】
【実施例】
表1に示す組成の鋼を150kg真空溶解炉で溶製し、1473Kに加熱して直径20mmの丸棒に鍛造成形し、空冷したものを素材とした。これらの鋼組織は、すべてフェライト・パーライトであった。破壊時の変形量を調べるため、これらの素材から、切欠付き引張り試験片(断面10×10mm、1.0R−2.0mmの深さの切欠付)を作成し、引張りにより破壊した。破壊後、破面の切欠に垂直な方向の変形量(図1のA辺の長さ変化)は、どの試験片もほぼ同一であった。そこで、切欠と平行な方向の破断面の変形量、すなわち試験片断面上のノッチ底と平滑側の幅の変化量(図1のBおよびCの長さ変化)の合計を破壊性の指標として評価した(表1の「変形量」)。また、上記素材から、平行部直径9mmの平滑引張り試験片を作成し、引張り強さを測定した。
【0028】
表1に引張り強さと変形量を合わせて示した。本発明の鋼は、引張り強さが708MPaから992MPaの範囲にあり、変形量は、従来のQT鋼(No.1:850℃焼入、600℃焼戻し)、および従来非調質鋼(No.2)の変形量が0.56−0.65であるのに対して、0.40未満である。比較鋼No.12は変形量が比較的小さい。しかしNo.12の降伏比を調査したところ、同鋼は炭素量が多いため、降伏比がわずか0.58であり、本発明鋼の中で最も炭素量が多く、そのため降伏比が比較的小さいNo.6およびNo.41(降伏比0.64および0.62)と比較して劣っていた。また、No.19、21は多量のAlを含有するため、被削性が低く、超硬ドリルで測定したところ、VL1000(総穴開け長さで1000mmを切削できる最高周速度)は、No.15と比較して20%低い結果であった。
【0029】
【表1】
【0030】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の鋼は、自動車、産業機械に使用されるフェライト・パーライト組織の機械構造用鋼として十分な強度を有し、破壊時の変形量が極めて小さいという特徴を備えており、しかも安価である。本発明の鋼は、破壊加工を施されるフェライト・パーライト組織の鋼素材、および部品、特に、衝撃特性を要求されない部品に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は切欠付き引張り試験片(断面10×10mm、1.0R−2.0mm深さの切欠付)の斜視図、(b)は引張り破断した切欠付き引張り試験片の破断面を示した図である。
【符号の説明】
A 破面の切欠に垂直方向の長さ
B 切欠と平行な方向の長さ
C 切欠と平行な方向の長さ
Claims (5)
- 重量%で、
C :0.3〜0.6%、
Si:0.1〜2.0%、
Mn:0.1〜0.4%未満、
P :0.020〜0.1%、
S :0.01〜0.2%、
V :0.15超〜0.4%、
N :0.002〜0.005%未満を含み、
残部Feと不可避不純物からなり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴とする破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。 - さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種を含有することを特徴とする請求項1記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。 - さらに、
Nb:0.05〜0.2%
を含有することを特徴とする請求項1または2記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。 - さらに、
Mo:0.1〜0.5%
を含有することを特徴とする請求項1、2または3記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。 - さらに、
Pb:0.4%以下、
Bi:0.4%以下、
Se:0.4%以下、
Te:0.005%以下、
Ca:0.003%以下
の1種以上を含有することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
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