JP3954751B2 - 鍛造性と被削性に優れる鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車や一般機械などに用いられる鋼に関するものであり、特に鍛造性とその後の機械的性質および被削性に優れた鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年鋼の高強度化が進む反面、加工性が低下するため、切削能率の低下させない鋼に対するニーズが高まっている。被削性を向上させるために被削性向上元素を添加するのが有効であることが知られているが、それら被削性向上元素は高温延性を低下させたり、圧延や鍛造による異方性を大きくするので、鍛造時や加工後の部品に割れを生じ易くする。たとえばPb、Biは被削性を向上し、鍛造への影響も比較的少ないとされているが、高温延性を低減することが知られている。このことは鋳造時や熱間鍛造時に割れの原因となり易い。またPに関しても被削性を向上させることが知られているが、鋼の融点を下げるために鋳造時に割れを生じ易すく、添加量に限界がある。また被削性向上効果にもPb、Bi等と比較すると小さい。SはMnSのような切削環境下で軟質となる介在物を形成して被削性を向上させるが、MnS寸法はPb等の粒子に比べて大きく、応力集中元となり易い。特に鍛造や圧延によりMnSは伸延すると異方性を生じ、特定の方向に極端に弱くなる。また設計上もその様な異方性を考慮する必要が生じる。したがってこのような快削元素の異方性を最低限にする技術が必要になる。Teを添加すれば異方性が解消されることが主張されているが(特開昭55−41943号公報)、Teは鋳造時および圧延、鍛造時に割れを生じ易い。
【0003】
そこでこのような熱間延性と被削性を両立した鋼は、これまでに存在していないのが実状であって、さらなる技術革新が必要である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に対応するため、熱間延性、加工後の異方性および被削性の良好な鋼を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
被削性を向上させるためには快削元素Sの添加が有効である。一般に鋼は圧延や鍛造により加工が加わるが、その際の塑性流動により、MnSが変形し、機械的性質に異方性を生じる。鍛造時にはその異方性に起因する割れが実質の鍛造限界を示す。したがって鍛造性を向上させるには介在物の形状を極力球形に近くし、異方性を最低限に抑制することが有効である。また、たとえ介在物が塑性流動によって長く伸延しても介在物の寸法が小さければ、異方性の影響は小さくできる。そのため、被削性を向上させるMnSを微細に分散し、かつその形状を球状に維持するための鋼材成分とすることが望ましい。
【0006】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨は以下に示すとおりである。
【0007】
(1) 質量%で、
C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.05〜2.0%、
P :0.003〜0.2%、
S :0.003〜0.5%
を含有し、さらに、
Zr:0.0003〜0.01%、
Te:0.0003〜0.005%、
のうち1種または2種を含有するとともに、
Al≦0.01%、
total−O≦0.02%、
total−N≦0.02%
に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
【0008】
(2) 質量%で、
C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.05〜2.0%、
P :0.003〜0.2%、
S :0.003〜0.5%
を含有し、さらに、
Zr:0.0003〜0.01%、
Te:0.0003〜0.005%、
のうち1種または2種を含有するとともに、
Al≦0.01%、
total−O≦0.02%、
total−N≦0.02%
に制限し、さらに、
Cr:0.01〜2.0%、
Ni:0.05〜2.0%、
Mo:0.05〜1.0%、
B :0.0005〜0.005%のうち1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
【0009】
(3) 上記(1)または上記(2)に記載の鋼が、さらに、質量%で、
V :0.05〜1.0%、
Nb:0.005〜0.2%、
Ti:0.005〜0.1%
のうち1種または2種以上を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
【0010】
(4) 上記(1)乃至上記(3)のいずれかに記載の鋼が、さらに、質量%で、
Bi:0.05〜0.5%、
Pb:0.01〜0.5%
のうち1種または2種を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
(5) 上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の鋼が、更に、質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%
Mg:0.0003〜0.005%
のうち1種または2種を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の鋼成分の限定理由について説明する。
【0012】
Cは鋼材の基本強度に大きな影響を及ぼす元素であり、十分な強度を得るために0.1〜0.85%とした。0.1%未満では十分な強度を得られず、他の合金元素をさらに多量に投入せざるを得ず、0.85%を超えると過共析に近くなり、硬質の炭化物を多く析出するので被削性を著しく低下させる。
【0013】
Siは脱酸元素として添加されるが、フェライトの強化や焼戻し軟化抵抗を付与するために添加する。本発明においては脱酸元素としても必要である。0.01%未満ではその効果は認められず、1.5%を超えると脆化し、高温での変形抵抗も増加するのでこれを上限とした。
【0014】
Mnは鋼中硫黄をMnSとして固定・分散させるために必要であるとともに、マトリックスに固溶させて焼入れ性の向上や焼入れ後の強度を確保するために必要である。その下限値は0.05%で、それ未満であるとSがFeSとなり脆くなる。Mn量が大きくなると素地の硬さが大きくなり冷間加工性が低下するとともに、強度や焼入れ性に及ぼす影響も飽和するので、2.0%を上限とした。
【0015】
Pは鋼中において素地の硬さが大きくなり、冷間加工性だけでなく、熱間加工性や鋳造特性が低下するので、その上限を0.2%にしなければならない。一方、被削性に効果がある元素で下限値を0.003%とした。
【0016】
SはMnと結合してMnS介在物として存在する。MnSは被削性を向上させるが、伸延したMnSは鍛造時の異方性を生じる原因の一つである。異方性の程度と要求される被削性によって調整されるべきであるが、同時に熱間および冷間鍛造における割れの原因となり易いので、その上限値を0.5%とした。下限は現状の工業生産レベルでコストが大幅に上昇しない限界である0.003%とした。
【0017】
次に、Zr、Ca、Mg、Teについての限定理由を説明する。
【0018】
Zrは脱酸元素であり、酸化物を生成する。酸化物はZrO2と考えられZrO2がMnSの析出核となるので、MnSの析出サイトを増やし、MnSを均一分散させる。またZrはMnSに固溶して複合硫化物を生成してその変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形状の伸延を抑制する働きがある。したがって異方性の低減に有効な元素である。0.0003%未満ではその効果は顕著ではなく、0.01%以上添加しても歩留まりが極端に悪くなるばかりでなく、硬質のZrO2やZrSなどを大量に生成し、かえって被削性や衝撃値や疲労特性などの機械的性質を低下させる。したがって成分範囲を0.0003〜0.01%と規定した。
【0019】
Caは脱酸元素であり、軟質酸化物を生成し、被削性を向上させるだけでなく、MnSに固溶してその変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形状の伸延を抑制する働きがある。したがって異方性の低減に有効な元素である。0.0002%未満ではその効果は顕著ではなく、0.005%以上添加しても歩留まりが極端に悪くなるばかりでなく、硬質のCaOを大量に生成し、かえって被削性を低下させる。したがって成分範囲を0.0002〜0.005%と規定した。
【0020】
Mgは脱酸元素であり、酸化物を生成する。酸化物はMnSの析出核になりMnSの微細均一分散に効果がある。したがって異方性の低減に有効な元素である。0.0003%未満ではその効果は顕著ではなく、0.005%以上添加しても歩留まりが極端に悪くなるばかりで効果は飽和する。したがって成分範囲を0.0003〜0.005%と規定した。
【0021】
Teは被削性向上元素である。またMnTeを生成したり、MnSと共存することでMnSの変形能を低下させてMnS形状の伸延を抑制する働きがある。したがって異方性の低減に有効な元素である。この効果は0.0003%未満では認められず、0.005%を超えると効果が飽和するとともに高温延性を低下させ、鍛造時の割れの原因となり易い。
【0022】
Zr、Caは酸化物、硫化物、窒化物などさまざまな介在物を生成する。そのような場合、単一元素の多量添加より、複合添加することでより効果的に硫化物の析出核および変形能低減を達成でき、硫化物の球状化を促進できる。すなわちZr、Te、Mgは、これらの1種または2種以上を複合させることでそれぞれ最小限の添加量で大きな効果を得ることができる。
【0023】
Alは脱酸元素で鋼中ではAl2O3を形成する。Al2O3は硬質なので切削時に工具損傷の原因となり、摩耗を促進させる。またAlを添加するとOが少なくなり、ZrO2が生成しにくい。また微細なZrO2のを均一分散させるためにもAlを添加しない方が良い。この影響はZrの添加量や歩留まり、そしてMnSの分布や形状に大きく影響し、本発明では硬質Al2O3の抑制とZrO2を微細均一分散させるために0.01%以下に制限した。このことでZrの添加量を大きく低減でき、Zr添加の析出核としての効果とMnSとの複合化効果を大きくすることができる。
【0024】
Oはfreeで存在する場合には冷却時に気泡となり、ピンホールの原因となる。またSi、Al、Zr、Ca、Mgなどと結合すると硬質酸化物を生成するため、制限が必要である。本鋼ではZr、Ca、Mgの微細分散効果が無くなる0.02%を上限として制限した。
【0025】
Nは固溶Nの場合、鋼を硬化させる。特に切削においては動的ひずみ時効によって刃先近傍で硬化し、工具の寿命を低下させる。またTi、Al、Vなどの窒化物として存在する場合もオーステナイト粒の成長を抑制するので制限が必要である。特に高温域ではTiNやZrNを生成する。また窒化物を生成しない場合でも鋳造途中に気泡を生成し、疵などの原因となる。本発明ではその弊害が顕著になる0.02%を上限とした。
【0026】
次に、Cr、Ni、Mo、Bのうちの1種または2種以上を含有させることの限定理由を説明する。
【0027】
Crは焼入れ性向上、焼戻し軟化抵抗付与元素である。そのため高強度化が必要な鋼には添加される。その場合、0.01%以上の添加を必要とする。しかし多量に添加するとCr炭化物を生成し脆化させるため、2.0%を上限とした。
【0028】
Niはフェライトを強化し、延性を向上させるとともに焼入れ性向上、耐食性向上にも有効である。0.05%未満ではその効果は認められず、2.0%を超えて添加しても、機械的性質の点では効果が飽和するので、これを上限とした。
【0029】
Moは焼戻し軟化抵抗を付与するとともに、焼入れ性を向上させる元素である。0.05%未満ではその効果が認められず、1.0%を超えて添加してもその効果が飽和しているので、0.05〜1.0%を添加範囲とした。
【0030】
Bは固溶している場合は粒界強化や焼入れ性に効果があり、析出する場合にはBNとして析出するので被削性に効果がある。これらの効果は0.0005%未満では顕著でなく、0.005%を超えて添加してもその効果が飽和し、BNが多く析出しすぎるとかえって鋼の機械的性質を損なう。そこで0.0005〜0.005%を範囲とした。
【0031】
次に、V、Nb、Tiのうちの1種または2種以上を含有させることの限定理由を説明する。
【0032】
Vは炭窒化物を形成し、二次析出硬化により鋼を強化することができる。0.05%以下では高強度化に効果はなく、1.0%を超えて添加すると多くの炭窒化物を析出し、かえって機械的性質を損なうので、これを上限とした。
【0033】
Nbも炭窒化物を形成し、二次析出硬化により鋼を強化することができる。0.005%以下では高強度化に効果はなく、0.2%を超えて添加すると多くの炭窒化物を析出し、かえって機械的性質を損なうので、これを上限とした。
【0034】
Tiも炭窒化物を形成し、鋼を強化する。また脱酸元素でもあり、軟質酸化物を形成させることで被削性を向上させることが可能である。0.005%以下ではその効果が認められず、0.1%を超えて添加してもその効果が飽和する。またTiは高温でも窒化物となりオーステナイト粒の成長を抑制する。そこで上限を0.1%とした。
【0035】
BiおよびPbは被削性向上に効果のある元素である。その効果は0.05%以下では認められず、0.5%を超えて添加しても被削性向上効果が飽和するだけでなく、熱間鍛造特性が低下して疵の原因となり易い。したがって、Bi0.05〜0.5%、Pb0.05〜0.5%の範囲とし、これらの1種または2種を含有させることとした。
【0036】
【実施例】
本発明の効果を実施例によって説明する。
【0037】
表1に示す供試材は2t真空溶解炉で溶製後、ビレットに分解圧延、さらにφ60mmに圧延した。圧延後、熱間加工性評価用熱間据え込み試験片、冷間加工評価用冷間据え込み試験片を切り出して据え込み試験を行った。また一部は熱処理として1200℃に加熱後、放冷して切削試験に供した。
【0038】
ここで鋼中Zrの分析方法であるが、JIS G 1237−1997付属書3と同様の方法でサンプルを処理した後ICPによって測定した。ただし本発明での実施例の測定に供したサンプルは2g/鋼種で、ICPにおける検量線も微量Zrに適するように設定して測定した。
【0039】
【表1】
【0040】
図1は据え込み試験片の切り出し方向で、切り出し位置1に示すように、鋼中MnS2が長手方向になるように熱間据え込み試験片3およびノッチ5を形成した冷間据え込み試験片4を切り出した。据え込み試験では図2に示すように荷重6で負荷をかけて試験片が変形後の試験片7のように変形すると外周部に周方向に引張応力が生じる。その際、多くの場合、鋼中のMnSが破壊源となり割れ8を生じる場合が多い。このように切り出した試験片の据え込み試験により、鍛造時の加工性を評価できる。
【0041】
図3に示すように、熱間における据え込み試験片はφ20mm×30mmで熱電対を取り付けてあり、高周波により1000℃まで加熱し、荷重6により負荷をかけて3s以内に据え込み鍛造を行った。試験片は、変形前9から変形後10のように変形する。さまざまなひずみで鍛造し、割れの発生するひずみを限界ひずみとして測定した。ここでひずみとは式(1)で定義される、いわゆる公称ひずみである。
【0042】
ε=(H0−H)/H0 式(1)
【0043】
ここでε:ひずみ、H0:変形前の試験片高さ、H:変形後の試験片高さで図3に示した。
【0044】
また冷間加工性を評価するために冷間据え込み試験を行った。図1のように切り出した素材を850℃から焼き入れた後、700℃で12hrの球状化焼鈍した。その後、機械加工で2mmのノッチ付きφ7mm×14mm冷間据え込み試験片を作成した。ひずみの定義は式(1)と同様である。
【0045】
さらに被削性評価はドリル穿孔試験で行い、表2にその切削条件を示す。累積穴深さ1000mmまで切削可能な最高の切削速度(いわゆるVL1000)で被削性を評価した。
【0046】
【表2】
【0047】
表1に加工性を評価した実施例を示す。表1実施例1〜22はS45Cをベースとした鋼でS量を変化させ、Zr、Teのいずれかが添加されている。その比較例として実施例23〜27はZr、Te、Ca、Mgのいずれも添加していない鋼である。表1中には熱間鍛造における限界ひずみ、冷間鍛造における限界ひずみおよび被削性VL1000を示した。熱間鍛造における限界ひずみに関しては図4に図示した。これらの比較の結果、S添加量が多くなると限界ひずみが小さくなるが、その減少量はZr、Teのいずれかが添加されている場合は小さく、添加しない場合は大きく減少した。この傾向は冷間鍛造における限界ひずみでも同様であった。
【0048】
次に表3は、Zr、Teの添加量を変化させた場合の限界ひずみと工具寿命VL1000の関係を示す。また、表3の実施例および該実施例とS量がほぼ同程度の表1の実施例に関して、図5にZrおよびTeを変化させた場合の限界ひずみ、工具寿命VL1000、硫化物アスペクト比および硫化物の単位面積当たりの個数を示す。ZrとTeを複合して添加した場合、横軸をZr+Teの値で整理した。図5と同様の実施例に関して、図6にはCaおよびMgの添加量を変化させた場合の限界ひずみ、工具寿命VL1000、硫化物アスペクト比および硫化物の単位面積当たりの個数を示す。ZrまたはTeと複合させた場合にはそのCaまたはMg量で整理した。また実施例41はAlを規定より多く添加し、Zr、Te、Ca、Mgを添加しなかった比較例である。この結果によるとZr、Te、Ca、Mgを添加しない場合、限界ひずみが小さい。また規定を超えて添加した場合には限界ひずみまたは工具寿命VL1000のいずれかが低下する。硫化物が球状化するにもかかわらず、限界ひずみが低下する傾向にあるのはZr、Te、Ca、MgがMnSの析出物やMnSとの複合硫化物とならず、窒化物や単独の硫化物を形成するためと考えられている。またAlを添加した場合には限界ひずみだけでなく、工具寿命VL1000が他に比べて極端に低い。
【0049】
なお、図4〜6において、図中の添字は、実施例No.を示し、図中の印の表示は、共通している。
【0050】
【表3】
【0051】
表4に他の元素への影響を検討した実施例を示す。その製造方法と熱間加工性および被削性評価方法は表1に示す実施例と同様である。実施例42〜78はさまざまな合金元素を添加した場合の熱間限界ひずみと被削性を示した。比較例は被削性の差は小さくとも熱間限界ひずみの点で大きく劣った。また実施例70〜75に示すような基本的な強度をC量によって変化させた場合にも発明例は比較例より優れる。このように本発明は構造用鋼の範囲に広範に適用することができる。実施例76〜78はそれぞれtotal−O量とtotal−N量を発明の範囲外にした比較例である。これらはたとえZr、Te、Ca、Mg、Al等を規定内に調整してもtotal−O量とtotal−N量が異なると熱間限界ひずみと被削性の両面で劣った。このように本発明に含まれる実施例は同一のS量で比較した場合、良好な加工性と被削性を両立していることがわかる。
【0052】
【表4】
【0053】
【発明の効果】
本発明は熱間加工性、機械的性質、被削性を兼ね備えた鋼を供することができる。特に本発明の技術は熱処理やミクロ組織などの影響を大きく受けず、硫化物の形状制御を基本としているので、広範な鋼に適用できる。また加工に関しても熱間鍛造だけでなく、冷間鍛造に対しても有効で、鍛造加工性、機械的性質、被削性を必要とする広範囲な鋼に対して有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】鍛造加工性(熱間、冷間)評価用試験片切り出し位置と試験片形状を説明するための図である。
【図2】据え込み試験での割れ発生位置を説明する図である。
【図3】鍛造加工性評価(据え込み試験)時のひずみの定義を説明する図である。
【図4】表1の実施例に関して熱間鍛造性に及ぼすS量の影響を示す図である。
【図5】表3の実施例に関して熱間鍛造限界ひずみと工具寿命VL1000へのZrおよびTeの影響を示す図である。
【図6】表3の実施例に関して熱間鍛造限界ひずみと工具寿命VL1000へのCaおよびMgの影響を示す図である。
【符号の説明】
1 切り出し位置
2 MnS
3 熱間据え込み試験片
4 冷間据え込み試験片
5 ノッチ
6 荷重
7 変形後の試験片
8 割れ
9 変形前
10 変形後
H0 変形前の試験片高さ
H 変形後の試験片高さ
Claims (5)
- 質量%で、
C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.05〜2.0%、
P :0.003〜0.2%、
S :0.003〜0.5%
を含有し、さらに、
Zr:0.0003〜0.01%、
Te:0.0003〜0.005%、
のうち1種または2種を含有するとともに、
Al≦0.01%、
total−O≦0.02%、
total−N≦0.02%
に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。 - 質量%で、
C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.05〜2.0%、
P :0.003〜0.2%、
S :0.003〜0.5%
を含有し、さらに、
Zr:0.0003〜0.01%、
Te:0.0003〜0.005%、
のうち1種または2種を含有するとともに、
Al≦0.01%、
total−O≦0.02%、
total−N≦0.02%
に制限し、さらに、
Cr:0.01〜2.0%、
Ni:0.05〜2.0%、
Mo:0.05〜1.0%、
B :0.0005〜0.005%のうち1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。 - 請求項1または請求項2に記載の鋼が、さらに、質量%で、
V :0.05〜1.0%、
Nb:0.005〜0.2%、
Ti:0.005〜0.1%
のうち1種または2種以上を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の鋼が、さらに、質量%で、
Bi:0.05〜0.5%、
Pb:0.01〜0.5%
のうち1種または2種を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の鋼が、更に、質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%、
Mg:0.0003〜0.005%
のうち1種または2種を含むことを特徴とする鍛造性と被削性に優れる鋼。
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