JP3903996B2 - 被削性、冷間鍛造性および焼き入れ・焼き戻し後の疲労強度特性に優れた冷間鍛造用棒鋼および機械構造用部材 - Google Patents
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(1)C:0.1〜1.5wt%、Si:0.5〜2.0wt%、Mn:0.1〜2.0wt%、B:0.0003〜0.0150wt%、Al:0.005〜0.1wt%、O≦0.0030wt%、P≦0.020wt%、S≦0.035wt%、N:0.0015〜0.0150wt%を含有し、残部がFeと不可避的不純物からなる成分組成からなり、そのCの全量を黒鉛として析出し、かつそのサイズが20μm以下であることを特徴とする被削性,冷間鍛造性および焼き入れ・焼き戻し後の疲労強度特性に優れた冷間鍛造用棒鋼。
Cは、黒鉛相を形成するために必須の成分である。0.1wt%未満では被削性を確保する上で必要な黒鉛相を確保することが困難になるので、0.1wt%以上の添加を必要とするが、1.5wt%を超えて添加すると熱間圧延時の変形抵抗が上昇するとともに、変形能が低下し、熱間圧延材の割れ、きずの発生が増大するので、0.1〜1.5wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.2〜0.8wt%である。
Siは、溶製時の脱酸剤として必要であり、また鋼中の鉄炭化物(セメンタイト)中に固溶せず、このセメンタイトを不安定にして黒鉛化を促進させる元素としても有効であり、しかも、強度増加成分でもあることから積極的に添加する。その含有量が0.5wt%未満ではこれらの効果に乏しく、黒鉛化に時間がかかる。一方、このSiを2.0wt%を超えて添加しても黒鉛化促進の効果が飽和に達するだけでなく、液相の発生する温度領域が低下し、熱間圧延時の適正温度領域が狭まるので、0.5〜2.0wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は1.0〜1.9wt%である。
Mnは、鋼の脱酸に有効であるばかりでなく、焼入れ性を高めて鋼の強度を確保する上で有用な元素であるので積極的に添加するが、一方でセメンタイト中に固溶して黒鉛化を阻害する。0.1wt%未満の添加では、脱酸に効果がなく、かつ強度の向上に対する寄与も少ないので、少なくとも0.1wt%以上の添加が必要である。しかし、2.0wt%を超えて添加すると黒鉛化を阻害するので、0.1〜2.0wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.2〜0.8wt%である。
Bは、鋼中のNと結合してBNを形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することにより黒鉛化を促進するとともに、黒鉛粒を微細化する作用がある。また、鋼の焼入れ性を高めて焼入後の強度を確保する上でも有用な元素であるので、本発明においては重要な成分である。0.0003wt%未満の添加では、黒鉛化および焼入れ性向上への効果が小さく、0.0003wt%以上の添加を必須とするが、0.0150wt%を超えて添加すると、Bがセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化することにより、逆に黒鉛化を阻害することになるので、0.0003〜0.0150wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.0005〜0.0035wt%である。
Alは、脱酸を助ける他、鋼中のNと反応してAlNを形造り、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することにより、黒鉛化を促進するので積極的に添加するが、0.005wt%未満の添加では、その作用が小さく、少なくとも0.005wt%以上の添加を必要とする。一方、0.1wt%を超えて添加すると鋳造工程においてAl系酸化物が多数生成する。この酸化物は、単独でも疲労破壊の起点となるばかりでなく、この酸化物を核として著しく粗大な黒鉛粒が形成される。また、Al系酸化物は硬質なため、切削時に工具を摩耗させることにより被削性を低下させる。このような理由により、Alの添加量としては0.005〜0.1wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.01〜0.05wt%である。
Oは、酸化物系非金属介在物を形成し、冷間鍛造性、被削性および疲労強度をともに低下させるので極力低減すべきであるが、上限は0.0030wt%まで許容される。なお、好ましい含有量は0.0018wt%以下である。
Pは、黒鉛化を阻害するとともに、フェライト層を脆化させることにより冷間鍛造性を劣化させる元素である。また、焼入れ焼もどし時に粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、疲労亀裂の伝搬に対する抵抗を低下させ、疲労強度を低下させる。したがって、極力低減すべきであるが、上限は0.020wt%まで許容される。なお、好ましい含有量は0.010wt%以下である。
Sは、鋼中でMnSを形成し、これが冷間鍛造時の割れ発生の起点となり冷間鍛造性を劣化させる。また、MnSはそれ自身が疲労破壊の起点となることとともに、黒鉛の結晶化の核として作用することにより粗大な黒鉛を形成し、これが疲労強度を低下させる作用があるので極力低減すべきであるが、上限は0.035wt%まで許容される。なお、好ましい含有量は0.010wt%以下である。
Nは、Bと化合してBNを形成し、このBNが黒鉛結晶化の核となることにより、著しく黒鉛粒を細粒化するとともに黒鉛化を促進するので、本発明においては必須の元素である。0.0015wt%未満の添加ではBNが十分に形成されず、一方、0.0150wt%を超えて添加すると連続鋳造時に鋳片の割れを促進するので、0.0015〜0.0150wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.0015〜0.0050wt%である。
REMの、とくにLa,Ceは、Sと結合し、(La,Ce)Sを形成し、これが黒鉛化の核となって黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化する。しかし、その量が0.0005wt%未満では添加効果が乏しく、一方、0.2wt%を超えて添加しても効果が飽和するので、0.0005〜0.2wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.005〜0.03wt%である。
ZrおよびTiは、ともに炭・窒化物を形成し、これらが黒鉛の結晶化の核として作用することにより、黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒をさらに微細化する必要のある場合に用いたときに好適である。また、炭・窒化物を形成することにより、焼入れ時にBを焼入れ性に有効に作用させることが可能である。このような作用効果を発揮させるためには、Zr,Tiともに0.005wt%以上の添加が必要である。一方、Zr,Tiをそれぞれ0.2wt%および0.05wt%を超えて添加すると、BNを形成するためのNが不足し、その結果、黒鉛粒が粗大化するとともに黒鉛化時間が極めて長くなるので、それぞれ0.005〜0.2wt%および0.005〜0.05wt%の範囲に限定した。なお、それぞれ好ましい含有量は0.05〜0.2wt%および0.01〜0.03wt%である。
V,Nbはともに炭化物形成元素であるが、セメンタイト中にはほとんど固溶しないので、黒鉛化をさほど阻害しない。また、炭・窒化物を形成しこの析出強化作用により強度を上昇させる。ともに焼入れ性を向上させる元素でもあるので疲労強度を向上させる必要のある場合に用いて好適である。Vの場合には、0.05wt%未満の添加ではこれらの効果は小さく、一方、0.5wt%を超えて添加しても効果が飽和するので、0.05〜0.5wt%の範囲内の添加とした。他方、Nbの場合には0.005wt%未満の添加では、上述の効果が小さく、0.05wt%を超えて添加しても効果が飽和するので、0.005〜0.05wt%の範囲内の添加とした。なお、それぞれ好ましい含有量は0.05〜0.3wt%および0.01〜0.04wt%である。
これらの元素は、いずれも黒鉛化を促進する共通する作用を有する元素である。また、ともに焼入れ性を向上させる作用も合わせもつので、黒鉛化を阻害せずに焼入れ性を向上させることができる。この添加量としては、0.1wt%未満では、その添加効果が小さく、一方、3.0wt%を超えて添加してもその効果は飽和するので、0.1〜3.0wt%の範囲に限定した。なお、好ましい含有量は0.5〜2.5wt%である。
Moは、焼入れ性を高めると同時にMn,Crなどに比較するとセメンタイトへの分配が小さいという特徴がある。このために、黒鉛化を阻害することなく鋼材の焼入れ性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は、焼もどし軟化抵抗が大きいために、同じ焼もどし温度で硬さを向上させることができ、それ故に疲労強度を向上させる。また、焼入れ性が高いために熱間圧延ままの状態においては、微細な黒鉛を形成するベイナイト組織とすることが容易であり、この結果、焼入れ時の黒鉛の溶解を短時間に完了させることができる。このために、疲労強度特性を一層向上させる必要があるときに用いるが、0.1wt%未満の添加ではその添加効果が小さく、一方、1.0wt%を超えて添加すると黒鉛化を阻害し、冷間鍛造性および被削性を低下させるので、0.1〜1.0wt%の範囲内に限定した。なお、好ましい含有量は0.1〜0.3wt%である。
Al(s)+N(s)→AlN
の反応が生じる。しかし、これと同時にAl(s)は、既に形成されていたBNとも反応し、
Al(s)+BN→AlN+B
の反応も生じる。低温域においては前者の反応が支配的であり、一方、後者の反応は比較的高温で反応が進行する。従って熱間圧延鋼材を直ちに高温で焼鈍すると、後者の反応により生じたBがセメンタイト中に固溶し、セメンタイトを安定化するために黒鉛化の進行を遅くする。また、黒鉛結晶化の核としてより有効に作用するBNが減少するために、黒鉛の個数が減少し、粒径が粗大化する。従って、かかる反応の進行を抑制し
Al(s)+N(s)→AlN
の反応を進行させることが有効である。そこで、上記反応の優先的進行を図るためには、低温域での滞留時間を長くすることが有効であり、加熱速度をある限度以下に制御するか、または低温域で保持することが推奨される。
log [Al]・[N]=−7400/T+1.95
log [B]・[N]=−13970/T+5.24
ここで [Al],[N],[B]は、Al,NおよびBの添加量、Tは絶対温度である。
Al+BN→AlN+BよりもAl+N→AlN
の反応が優先的に生じるために、黒鉛結晶化の核として作用するBNを減少させることなく、同じように黒鉛化の核として作用するAlNを形成し得る。ここで、下限を300℃としたのは、これより低い温度ではAl+N→AlNの反応速度が遅いために実用的ではないためである。一方、上限を600℃としたのは、この温度を上回る温度では、Al+BN→AlN+Bの反応が優勢となることによる。また、300〜600℃の温度領域における保持時間を15分以上としたのは、この時間に満たない保持では、Al+N→AlNの反応が十分に行われず、その後の保持によりAl+BN→AlN+Bの反応が生じやすくなるためである。なお、好ましい温度範囲は400〜550℃である。
Claims (4)
- C:0.1〜1.5wt%、Si:0.5〜2.0wt%、Mn:0.1〜2.0wt%、B:0.0003〜0.0150wt%、Al:0.005〜0.1wt%、O≦0.0030wt%、P≦0.020wt%、S≦0.035wt%、N:0.0015〜0.0150wt%を含有し、残部がFeと不可避的不純物からなる成分組成からなり、そのCの全量を黒鉛として析出し、かつそのサイズが20μm以下であることを特徴とする被削性,冷間鍛造性および焼き入れ・焼き戻し後の疲労強度特性に優れた冷間鍛造用棒鋼。
- C:0.1〜1.5wt%、Si:0.5〜2.0wt%、Mn:0.1〜2.0wt%、B:0.0003〜0.0150wt%、Al:0.005〜0.1wt%、O≦0.0030wt%、P≦0.020wt%、S≦0.035wt%、N:0.0015〜0.0150wt%、を含み、かつREM:0.0005〜0.2wt%、Zr:0.005〜0.2wt%、Ti:0.005〜0.05wt%、V:0.05〜0.5wt%、Nb:0.005〜0.05wt%、Ni:0.10〜3.0wt%、Cu:0.1〜3.0wt%、Co:0.1〜3.0wt%およびMo:0.1〜1.0wt%のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部がFeと不可避的不純物からなり、そのCの全量を黒鉛として析出し、かつそのサイズが20μm以下であることを特徴とする被削性,冷間鍛造性および焼き入れ・焼き戻し後の疲労強度特性に優れた冷間鍛造用棒鋼。
- 請求項1又は2に記載の鋼を焼き入れ・焼き戻ししてなる疲労強度特性に優れた機械構造用部材。
- 請求項3の記載の部材において、それの疲労強度が460MPa以上であり、かつ硬さ(Hv)の1.5倍以上である機械構造用部材。
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