JP3966493B2 - 冷間鍛造用線材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品、建設機械用部品等の機械構造用部品の製造に用いる冷間鍛造用線材、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用部品、建設機械用部品等の機械構造用部品、例えば、ボルトやスタビライザー等は、機械構造用炭素鋼或は合金鋼の線材を冷間鍛造することによって製造されている。
【０００３】
即ち、機械構造用炭素鋼或は合金鋼を熱間圧延して放冷した線材が出荷されており、二次加工メーカは、通常、これに１５〜３０％の減面率の粗引き伸線をした後に球状化焼鈍を施して冷間加工性を確保し、寸法精度や表面凹凸を無くすための仕上伸線及び成形のための冷間鍛造（ネジ転造等）をし、焼入れ焼戻しの熱処理を行って成形部品としている。
【０００４】
このように粗引き伸線工程を行う理由は、熱間圧延された線材の組織は、フェライトとラメラーパーライトの組織からなっていて、直接球状化焼鈍を行うことは困難である。そのため、粗引き伸線を行ってパーライトラメラー（セメンタイト）の分断及び引抜き歪を付与して、球状化焼鈍を可能にしているのである。
【０００５】
しかしながら、二次加工メーカで粗引き伸線を行うと、処理工程が多くなり生産性を低下させるのみならず、コストの増大を招き好ましくない。
【０００６】
これまで、球状化を促進させることに関連する公知技術としては、例えば、特開昭５６−１１９７２７号公報、特開昭５７−４５９２９号公報、特開昭６０−１５２６２７号公報や特開平６−３３６６２０号公報等で提案されている。
【０００７】
しかし、特開昭５６−１１９７２７号公報は、冷間引抜加工を施すことを必要とし、特開昭５９−５７０２号公報も、熱延後急冷して塑性歪を付与することを必要としている。また特開昭５８−１６４７３１号公報及び特開昭６−３３６６２０号公報では、熱延後に急冷してマルテンサイト組織とすることが開示されているが、粗引き伸線を省略して球状化焼鈍を行うこと及び球状化焼鈍後に高延性とすることについては開示がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は粗引き伸線を行うことなしに熱延線材の球状化焼鈍を可能にし、かつ、球状化焼鈍後には高延性とすることができる冷間鍛造用線材及びその製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の粗引き伸線後に球状化焼鈍を行った線材並みの良好な球状化組織を得るためには、球状化焼鈍の前組織として炭素を均一に分散させて、球状化焼鈍時の炭素の拡散距離を短くすることが重要であり、ベイナイト又はマルテンサイトの炭素均一分散組織が最も優位であることに着目した。そして、低温圧延で結晶粒を微細化することにより炭素の拡散を容易にし、かつ冷却方法を工夫することにより組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとすることにより、粗引き伸線をすることなく球状化焼鈍が可能となり、球状化焼鈍後に高延性が得られることを知見して本発明を完成した。
【００１０】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１１】
（１） 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、組織がマルテンサイト、ベイナイト、或いはベイナイト＋マルテンサイトであり、ＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００であることを特徴とする冷間鍛造用線材。
【００１２】
（２） 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、粗引き伸線を省略した球状化焼鈍後のＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内であることを特徴とする冷間鍛造用線材。
【００１３】
（３） 重量％で、さらに、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ ：０．００５％以下
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の冷間鍛造用線材。
【００１４】
（４） 重量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ ：０．０３〜０．３％
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の内のいずれかに記載の冷間鍛造用線材。
【００１５】
（５） 上記（１）、（３）及び（４）の内のいずれかに記載の鋼成分を有する鋼を、熱間圧延し、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃の温度範囲で、且つ仕上げ圧延後にＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上になる温度で仕上げ圧延後、コンベア上に連続したリング状に展開し、組織をマルテンサイト、ベイナイトあるいはベイナイト＋マルテンサイトとなるように急冷してから集束せしめ、この集束線材を結束するまでの間に３００〜６００℃の炉雰囲気温度範囲に１５分以上１時間未満保持して焼戻し、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
【００１６】
（６） 上記（５）に記載の製造工程に続いて、さらに、粗引き伸線を省略して球状化焼鈍を施し、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
従来、ボルトやスタビライザー等の機械構造用部品は、冷間鍛造により製造されている。図１（ａ）に示すように、機械構造用炭素鋼或は合金鋼を９００℃で熱間圧延後、放冷して線材とする。次いで、粗引き伸線をして球状化焼鈍を施して冷間加工性を確保し、仕上伸線をし、ネジ転造等の冷間鍛造により成形した後、強度を付与するために焼入れ焼戻しの熱処理をして機械構造用部品としている。
【００１８】
ところが、上記粗引き伸線は、通常、機械構造部品を製造する二次又は三次加工メーカによって行われており、機械構造部品の製造工程を多くし生産性を低下させるのみならず、コスト増大を招いている。
【００１９】
本発明者は、粗引き伸線工程を省略する製造方法について研究した結果、図１（ｂ）に示すように、特定成分の鋼材に対して低温圧延と冷却方法とを組み合わせることにより、粗引き伸線を行わなくても球状化焼鈍が可能であり、球状化焼鈍後に高延性の線材を得ることができることを知見した。
【００２０】
本発明は、上記知見に基づいて完成したもので、低温圧延により微細結晶粒を形成し、急冷することにより組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとして炭素を分散させ、かつ、球状化焼鈍時の炭素の拡散距離を短くして炭素の拡散を容易に行えるようにした。このため本発明では、ＪＩＳＧ ０５１１で規定する旧オーステナイト結晶粒度番号を１１以上の細粒とした。旧オーステナイト結晶粒度番号が１１未満では、球状化焼鈍時の炭素の拡散が充分でなく、冷間加工性を確保するに充分のセメンタイト粒状化物が得られない。また、冷却後に、硬さをＨｖ２５０〜７００となるように焼戻し処理を行う。
【００２１】
本発明では、熱延材をオーステナイト域よりマルテンサイト、ベイナイト或はマルテンサイト＋ベイナイトの組織とする冷却速度で冷却するので、鋼材内部に発生する残留応力及び不可避的に混入した拡散性水素のため置き割れ（焼入れした鋼が常温で放置中に割れる現象をいう）が発生し易くなる。本発明では冷却後に焼戻し処理を行うことにより、応力解放と拡散性水素の除去を同時に達成できる。置き割れ防止には、昇温分析法による鋼中拡散性水素量を０．２ｐｐｍ以下とする必要がある。０．２ｐｐｍ超となると置き割れの発生を効果的に防止できない。また、この焼戻し処理によりＨｖ２５０〜７００となる。
【００２２】
図２（ａ）、（ｂ）は、球状化焼鈍前の素材の顕微鏡写真（×１０００）である。図２（ａ）は、低温圧延後に冷水で冷却し、焼戻してマルテンサイト組織とした本発明の実施例素材の顕微鏡写真で、図２（ｂ）は、熱延後に放冷してフェライトとパーライト組織とした従来の素材の顕微鏡写真である。図２（ａ）、（ｂ）を対比すると、本発明の素材の組織は、従来に比較して微細結晶粒となっていることが分かる。
【００２３】
図３（ａ）、（ｂ）は、球状化焼鈍後の素材の顕微鏡写真（×１０００）である。図３（ａ）は、図２（ａ）の素材を球状化焼鈍した顕微鏡写真で、図３（ｂ）は、図２（ｂ）の素材を粗引き伸線後に球状化焼鈍した顕微鏡写真である。図３（ａ）に示すように、本発明鋼材の球状化焼鈍後の組織は、低温圧延による微細結晶粒の履歴が残り、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号で１１以上で、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内（例えば、Ｎｏ．１、Ｎｏ．１．５、Ｎｏ．２）の微細なセメンタイト粒状化物が分散した組織が得られている。このように、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号１１以上としたことにより、限界圧縮率が高くなる。このため本発明では、絞り値が５〜１０％高い高延性の球状化焼鈍材となる。
【００２４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明によれば、球状化焼鈍前の粗引き伸線を行わなくても、従来と同様にフェライト中にセメンタイト粒状化物が分散した組織が得られている。そして、引張り強度を測定すると両者とも約５００ＭＰａであって差が無く、本発明焼鈍材の冷間加工性は、従来の焼鈍材と同等以上であることが確認できた。なお、本発明では線材に限定されず、細径の棒鋼にも線材と同様に適用できる。
【００２５】
次に、本発明における対象鋼の成分を限定した理由について述べる。
【００２６】
Ｃは、機械構造用部品としての強度を増加するために必要な元素であるが、０．１％未満では最終製品の強度が不足し、また０．５％を超えるとむしろ最終製品の靭性の劣化を招くので、Ｃ含有量を０．１〜０．５％とした。
【００２７】
Ｓｉは、脱酸元素として及び固溶体硬化による最終製品の強度を増加させることを目的として添加するが、０．０１％未満ではこれらの硬化は不充分であり、一方、０．５％を超えるとこれらの硬化は飽和し、むしろ靭性の劣化を招くので、Ｓｉ含有量を０．０１〜０．５％とした。なお、鋼の脱酸は、Ｓｉによる脱酸のほかにＡｌ脱酸も採用される。特に酸素含有量を低くするには強力なＡｌ脱酸の適用が望ましい。このような場合、鋼中に０．２％以下のＡｌが残留することがあるが、本発明ではかかるＡｌの残留を許容できる。
【００２８】
Ｍｎは、焼入れ性の向上を通じて、最終製品の強度を増加させるのに有効な元素であるが、０．３％未満ではこの効果が不充分であり、一方、０．８％を超えるとこの効果は飽和し、むしろ靭性の劣化を招くので、Ｍｎ含有量を０．３〜０．８％とした。
【００２９】
また、Ｓは鋼中に不可避的に含有される成分であって、鋼中でＭｎＳとして存在し、被削性の向上及び組織の微細化に寄与するので、本発明においてはＳ：０．１％以下許容できる。しかし、Ｓは冷間成形加工にとっては有害な元素であるから、被削性を必要としない場合には、０．０３５％以下に抑制することが好ましい。
【００３０】
さらに、Ｐも鋼中に不可避的に含有される成分であるが、Ｐは鋼中で粒界偏析や中心偏析を起こし、靭性劣化の原因となるので、０．０３５％以下に抑制することが好ましい。
【００３１】
以上が本発明が対象とする鋼の基本成分であるが、本発明ではさらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂの１種又は２種以上を含有させることができる。これらの元素は焼入れ性の増加等により最終製品の強度を増加させるために添加する。ただし、これらの元素の多量添加は熱間圧延ままでベイナイト、マルテンサイト組織を生じて硬さの増加を招き、また経済性の点で好ましくないため、その含有量を、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ ：０．００５％以下とした。
【００３２】
さらに、本発明においては、粒度調整の目的で、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を含有させることができる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．００５％未満、Ｎｂ含有量が０．００５％未満、Ｖ含有量が０．０３％未満では、その効果が不充分であり、一方、Ｔｉ含有量が０．０４％超、Ｎｂ含有量が０．１％超、Ｖ含有量が０．３％超となると、その効果は飽和し、むしろ靭性を劣化させるので、これらの含有量を、
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ ：０．０３〜０．３％
とした。
【００３３】
次に、本発明の冷間鍛造用線材の製造方法について述べる。
【００３４】
鋼を熱間粗圧延し、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃で所定の形状の線材に仕上圧延する。仕上圧延の温度をＡｒ3直上の温度とすることによりオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ ０５５１）で１１番以上の細粒とすることができる。仕上圧延温度は、従来の圧延温度よりも低温のＡｒ3直上で行うことが好ましいが、Ａｒ3＋２００℃迄許容できる。また、Ａｒ3未満ではフェライトが析出するので好ましくない。
【００３５】
仕上圧延された線材は、コンベア上に連続したリング状に展開し、急冷し組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとしてから集束する。
【００３６】
リング状に展開して急冷するのは、全体を均一に冷却することができるからである。即ち、集束した状態で冷却すると、集束した内部と外部とで温度差が生じ、均一に冷却をすることができず、組織が不均一となるからである。また、組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとするのは、炭素を略均一に分散させ、焼鈍時に球状化が容易に生じるようにするためである。
【００３７】
急冷方法としては、冷水、２０〜９９℃の温水又は衝風により冷却することができ、公知の冷却手段である。
【００３８】
次いで、集束線材を結束するまでの間に３００〜６００℃の炉雰囲気温度範囲に１５分以上１時間未満保持して焼戻しを行う。
【００３９】
焼戻しは、置き割れ防止（焼入れした鋼材が常温で放置中に割れる現象の防止）のため、応力除去及び脱水素を目的に行うもので、拡散性水素は３００〜６００℃の温度域で放出される。
【００４０】
また、拡散性水素を０．２ｐｐｍ以下に放出させるためには、焼戻し処理は少なくとも１５分以上必要である。一方、焼戻し処理があまり長くなると拡散性水素の応力集中部への集中が起こり、置き割れが発生する可能性があるので、１時間未満とした。
【００４１】
焼戻し材に対して球状化焼鈍を施すことにより、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号１１以上で、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度Ｎｏ．２以内を有する延性に優れた冷間鍛造用球状化焼鈍材が得られる。
【００４２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例により、さらに具体的に示す。
【００４３】
表１に供試材の化学成分を示す。これらはいずれも転炉溶製後に連続鋳造で製造された。１６２ｍｍ角鋼片に分塊圧延後、表２に示す圧延条件で１１ｍｍ径線材に圧延した。本発明法の圧延Ｎｏ．Ｉは、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃の温度範囲で８００℃で仕上圧延後、コンベア上にリング状に展開し、冷水、温水或は衝風により急冷し、集束した後、線材を結束するまでの間に５００℃の雰囲気温度の炉に３０分間保持の焼戻しを行った。その後、粗引き無しに保持温度７４０℃、在炉時間１７時間の球状化焼鈍を行った。
【００４４】
比較例の圧延Ｎｏ．ＩＩについては、９００℃の仕上圧延後、コイル搬送ラインに徐冷カバーをかけることにより調整冷却を行った。さらに、表面潤滑処理し１１ｍｍ径線材から９．４ｍｍ径線材への伸線いわゆる粗引きを施し、その後本発明法と同様に球状化焼鈍を行った。
【００４５】
圧延まま材（本発明法では圧延、急冷、焼きもどしの状態）の評価として、球状化挙動おちよびに球状化焼鈍後の延性に影響する組織及び旧オーステナイト結晶粒度、ならびに置く割れに影響する拡散性水素量を測定した。また、球状化度合いの評価として、引張強度と球状化率の評価を行った。また、延性の指標として、球状化焼鈍後の絞りと限界圧縮率を測定した。本発明と比較例を対比して表３に示す。
【００４６】
これからも明らかなように、比較例の圧延Ｎｏ．ＩＩでは粗引きを入れることにより良好な粒状化組織を得られる。しかしながら、本発明法では粗引きを省略しつつ良好な球状化組織を得ることが可能であり、しかも絞りは比較例に比べ約５〜１０％高く、限界圧縮率も５％の向上という極めて高い延性を達成していることを確認できた。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、球状化焼鈍の前処理工程として必要であった粗引き伸線を行うことなく球状化焼鈍を行うことが可能となり、また、焼鈍材の性質として優れた延性を確保できるので、材質の良い焼鈍材を高生産性で、かつ低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械構造用冷間鍛造部品の製造工程を示す図であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本発明例を示す図である。
【図２】球状化焼鈍前の素材の金属組織顕微鏡写真であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は従来例の素材の金属組織顕微鏡写真である。
【図３】球状化焼鈍後の素材の金属組織顕微鏡写真であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は従来例の素材の金属組織顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品、建設機械用部品等の機械構造用部品の製造に用いる冷間鍛造用線材、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用部品、建設機械用部品等の機械構造用部品、例えば、ボルトやスタビライザー等は、機械構造用炭素鋼或は合金鋼の線材を冷間鍛造することによって製造されている。
【０００３】
即ち、機械構造用炭素鋼或は合金鋼を熱間圧延して放冷した線材が出荷されており、二次加工メーカは、通常、これに１５〜３０％の減面率の粗引き伸線をした後に球状化焼鈍を施して冷間加工性を確保し、寸法精度や表面凹凸を無くすための仕上伸線及び成形のための冷間鍛造（ネジ転造等）をし、焼入れ焼戻しの熱処理を行って成形部品としている。
【０００４】
このように粗引き伸線工程を行う理由は、熱間圧延された線材の組織は、フェライトとラメラーパーライトの組織からなっていて、直接球状化焼鈍を行うことは困難である。そのため、粗引き伸線を行ってパーライトラメラー（セメンタイト）の分断及び引抜き歪を付与して、球状化焼鈍を可能にしているのである。
【０００５】
しかしながら、二次加工メーカで粗引き伸線を行うと、処理工程が多くなり生産性を低下させるのみならず、コストの増大を招き好ましくない。
【０００６】
これまで、球状化を促進させることに関連する公知技術としては、例えば、特開昭５６−１１９７２７号公報、特開昭５７−４５９２９号公報、特開昭６０−１５２６２７号公報や特開平６−３３６６２０号公報等で提案されている。
【０００７】
しかし、特開昭５６−１１９７２７号公報は、冷間引抜加工を施すことを必要とし、特開昭５９−５７０２号公報も、熱延後急冷して塑性歪を付与することを必要としている。また特開昭５８−１６４７３１号公報及び特開昭６−３３６６２０号公報では、熱延後に急冷してマルテンサイト組織とすることが開示されているが、粗引き伸線を省略して球状化焼鈍を行うこと及び球状化焼鈍後に高延性とすることについては開示がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は粗引き伸線を行うことなしに熱延線材の球状化焼鈍を可能にし、かつ、球状化焼鈍後には高延性とすることができる冷間鍛造用線材及びその製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の粗引き伸線後に球状化焼鈍を行った線材並みの良好な球状化組織を得るためには、球状化焼鈍の前組織として炭素を均一に分散させて、球状化焼鈍時の炭素の拡散距離を短くすることが重要であり、ベイナイト又はマルテンサイトの炭素均一分散組織が最も優位であることに着目した。そして、低温圧延で結晶粒を微細化することにより炭素の拡散を容易にし、かつ冷却方法を工夫することにより組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとすることにより、粗引き伸線をすることなく球状化焼鈍が可能となり、球状化焼鈍後に高延性が得られることを知見して本発明を完成した。
【００１０】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１１】
（１） 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、組織がマルテンサイト、ベイナイト、或いはベイナイト＋マルテンサイトであり、ＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００であることを特徴とする冷間鍛造用線材。
【００１２】
（２） 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、粗引き伸線を省略した球状化焼鈍後のＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内であることを特徴とする冷間鍛造用線材。
【００１３】
（３） 重量％で、さらに、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ ：０．００５％以下
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の冷間鍛造用線材。
【００１４】
（４） 重量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ ：０．０３〜０．３％
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の内のいずれかに記載の冷間鍛造用線材。
【００１５】
（５） 上記（１）、（３）及び（４）の内のいずれかに記載の鋼成分を有する鋼を、熱間圧延し、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃の温度範囲で、且つ仕上げ圧延後にＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上になる温度で仕上げ圧延後、コンベア上に連続したリング状に展開し、組織をマルテンサイト、ベイナイトあるいはベイナイト＋マルテンサイトとなるように急冷してから集束せしめ、この集束線材を結束するまでの間に３００〜６００℃の炉雰囲気温度範囲に１５分以上１時間未満保持して焼戻し、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
【００１６】
（６） 上記（５）に記載の製造工程に続いて、さらに、粗引き伸線を省略して球状化焼鈍を施し、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
従来、ボルトやスタビライザー等の機械構造用部品は、冷間鍛造により製造されている。図１（ａ）に示すように、機械構造用炭素鋼或は合金鋼を９００℃で熱間圧延後、放冷して線材とする。次いで、粗引き伸線をして球状化焼鈍を施して冷間加工性を確保し、仕上伸線をし、ネジ転造等の冷間鍛造により成形した後、強度を付与するために焼入れ焼戻しの熱処理をして機械構造用部品としている。
【００１８】
ところが、上記粗引き伸線は、通常、機械構造部品を製造する二次又は三次加工メーカによって行われており、機械構造部品の製造工程を多くし生産性を低下させるのみならず、コスト増大を招いている。
【００１９】
本発明者は、粗引き伸線工程を省略する製造方法について研究した結果、図１（ｂ）に示すように、特定成分の鋼材に対して低温圧延と冷却方法とを組み合わせることにより、粗引き伸線を行わなくても球状化焼鈍が可能であり、球状化焼鈍後に高延性の線材を得ることができることを知見した。
【００２０】
本発明は、上記知見に基づいて完成したもので、低温圧延により微細結晶粒を形成し、急冷することにより組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとして炭素を分散させ、かつ、球状化焼鈍時の炭素の拡散距離を短くして炭素の拡散を容易に行えるようにした。このため本発明では、ＪＩＳＧ ０５１１で規定する旧オーステナイト結晶粒度番号を１１以上の細粒とした。旧オーステナイト結晶粒度番号が１１未満では、球状化焼鈍時の炭素の拡散が充分でなく、冷間加工性を確保するに充分のセメンタイト粒状化物が得られない。また、冷却後に、硬さをＨｖ２５０〜７００となるように焼戻し処理を行う。
【００２１】
本発明では、熱延材をオーステナイト域よりマルテンサイト、ベイナイト或はマルテンサイト＋ベイナイトの組織とする冷却速度で冷却するので、鋼材内部に発生する残留応力及び不可避的に混入した拡散性水素のため置き割れ（焼入れした鋼が常温で放置中に割れる現象をいう）が発生し易くなる。本発明では冷却後に焼戻し処理を行うことにより、応力解放と拡散性水素の除去を同時に達成できる。置き割れ防止には、昇温分析法による鋼中拡散性水素量を０．２ｐｐｍ以下とする必要がある。０．２ｐｐｍ超となると置き割れの発生を効果的に防止できない。また、この焼戻し処理によりＨｖ２５０〜７００となる。
【００２２】
図２（ａ）、（ｂ）は、球状化焼鈍前の素材の顕微鏡写真（×１０００）である。図２（ａ）は、低温圧延後に冷水で冷却し、焼戻してマルテンサイト組織とした本発明の実施例素材の顕微鏡写真で、図２（ｂ）は、熱延後に放冷してフェライトとパーライト組織とした従来の素材の顕微鏡写真である。図２（ａ）、（ｂ）を対比すると、本発明の素材の組織は、従来に比較して微細結晶粒となっていることが分かる。
【００２３】
図３（ａ）、（ｂ）は、球状化焼鈍後の素材の顕微鏡写真（×１０００）である。図３（ａ）は、図２（ａ）の素材を球状化焼鈍した顕微鏡写真で、図３（ｂ）は、図２（ｂ）の素材を粗引き伸線後に球状化焼鈍した顕微鏡写真である。図３（ａ）に示すように、本発明鋼材の球状化焼鈍後の組織は、低温圧延による微細結晶粒の履歴が残り、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号で１１以上で、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内（例えば、Ｎｏ．１、Ｎｏ．１．５、Ｎｏ．２）の微細なセメンタイト粒状化物が分散した組織が得られている。このように、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号１１以上としたことにより、限界圧縮率が高くなる。このため本発明では、絞り値が５〜１０％高い高延性の球状化焼鈍材となる。
【００２４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明によれば、球状化焼鈍前の粗引き伸線を行わなくても、従来と同様にフェライト中にセメンタイト粒状化物が分散した組織が得られている。そして、引張り強度を測定すると両者とも約５００ＭＰａであって差が無く、本発明焼鈍材の冷間加工性は、従来の焼鈍材と同等以上であることが確認できた。なお、本発明では線材に限定されず、細径の棒鋼にも線材と同様に適用できる。
【００２５】
次に、本発明における対象鋼の成分を限定した理由について述べる。
【００２６】
Ｃは、機械構造用部品としての強度を増加するために必要な元素であるが、０．１％未満では最終製品の強度が不足し、また０．５％を超えるとむしろ最終製品の靭性の劣化を招くので、Ｃ含有量を０．１〜０．５％とした。
【００２７】
Ｓｉは、脱酸元素として及び固溶体硬化による最終製品の強度を増加させることを目的として添加するが、０．０１％未満ではこれらの硬化は不充分であり、一方、０．５％を超えるとこれらの硬化は飽和し、むしろ靭性の劣化を招くので、Ｓｉ含有量を０．０１〜０．５％とした。なお、鋼の脱酸は、Ｓｉによる脱酸のほかにＡｌ脱酸も採用される。特に酸素含有量を低くするには強力なＡｌ脱酸の適用が望ましい。このような場合、鋼中に０．２％以下のＡｌが残留することがあるが、本発明ではかかるＡｌの残留を許容できる。
【００２８】
Ｍｎは、焼入れ性の向上を通じて、最終製品の強度を増加させるのに有効な元素であるが、０．３％未満ではこの効果が不充分であり、一方、０．８％を超えるとこの効果は飽和し、むしろ靭性の劣化を招くので、Ｍｎ含有量を０．３〜０．８％とした。
【００２９】
また、Ｓは鋼中に不可避的に含有される成分であって、鋼中でＭｎＳとして存在し、被削性の向上及び組織の微細化に寄与するので、本発明においてはＳ：０．１％以下許容できる。しかし、Ｓは冷間成形加工にとっては有害な元素であるから、被削性を必要としない場合には、０．０３５％以下に抑制することが好ましい。
【００３０】
さらに、Ｐも鋼中に不可避的に含有される成分であるが、Ｐは鋼中で粒界偏析や中心偏析を起こし、靭性劣化の原因となるので、０．０３５％以下に抑制することが好ましい。
【００３１】
以上が本発明が対象とする鋼の基本成分であるが、本発明ではさらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂの１種又は２種以上を含有させることができる。これらの元素は焼入れ性の増加等により最終製品の強度を増加させるために添加する。ただし、これらの元素の多量添加は熱間圧延ままでベイナイト、マルテンサイト組織を生じて硬さの増加を招き、また経済性の点で好ましくないため、その含有量を、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ ：０．００５％以下とした。
【００３２】
さらに、本発明においては、粒度調整の目的で、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を含有させることができる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．００５％未満、Ｎｂ含有量が０．００５％未満、Ｖ含有量が０．０３％未満では、その効果が不充分であり、一方、Ｔｉ含有量が０．０４％超、Ｎｂ含有量が０．１％超、Ｖ含有量が０．３％超となると、その効果は飽和し、むしろ靭性を劣化させるので、これらの含有量を、
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ ：０．０３〜０．３％
とした。
【００３３】
次に、本発明の冷間鍛造用線材の製造方法について述べる。
【００３４】
鋼を熱間粗圧延し、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃で所定の形状の線材に仕上圧延する。仕上圧延の温度をＡｒ3直上の温度とすることによりオーステナイト結晶粒度番号（ＪＩＳ Ｇ ０５５１）で１１番以上の細粒とすることができる。仕上圧延温度は、従来の圧延温度よりも低温のＡｒ3直上で行うことが好ましいが、Ａｒ3＋２００℃迄許容できる。また、Ａｒ3未満ではフェライトが析出するので好ましくない。
【００３５】
仕上圧延された線材は、コンベア上に連続したリング状に展開し、急冷し組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとしてから集束する。
【００３６】
リング状に展開して急冷するのは、全体を均一に冷却することができるからである。即ち、集束した状態で冷却すると、集束した内部と外部とで温度差が生じ、均一に冷却をすることができず、組織が不均一となるからである。また、組織をマルテンサイト、ベイナイト或はベイナイトとマルテンサイトとするのは、炭素を略均一に分散させ、焼鈍時に球状化が容易に生じるようにするためである。
【００３７】
急冷方法としては、冷水、２０〜９９℃の温水又は衝風により冷却することができ、公知の冷却手段である。
【００３８】
次いで、集束線材を結束するまでの間に３００〜６００℃の炉雰囲気温度範囲に１５分以上１時間未満保持して焼戻しを行う。
【００３９】
焼戻しは、置き割れ防止（焼入れした鋼材が常温で放置中に割れる現象の防止）のため、応力除去及び脱水素を目的に行うもので、拡散性水素は３００〜６００℃の温度域で放出される。
【００４０】
また、拡散性水素を０．２ｐｐｍ以下に放出させるためには、焼戻し処理は少なくとも１５分以上必要である。一方、焼戻し処理があまり長くなると拡散性水素の応力集中部への集中が起こり、置き割れが発生する可能性があるので、１時間未満とした。
【００４１】
焼戻し材に対して球状化焼鈍を施すことにより、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号１１以上で、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度Ｎｏ．２以内を有する延性に優れた冷間鍛造用球状化焼鈍材が得られる。
【００４２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例により、さらに具体的に示す。
【００４３】
表１に供試材の化学成分を示す。これらはいずれも転炉溶製後に連続鋳造で製造された。１６２ｍｍ角鋼片に分塊圧延後、表２に示す圧延条件で１１ｍｍ径線材に圧延した。本発明法の圧延Ｎｏ．Ｉは、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃の温度範囲で８００℃で仕上圧延後、コンベア上にリング状に展開し、冷水、温水或は衝風により急冷し、集束した後、線材を結束するまでの間に５００℃の雰囲気温度の炉に３０分間保持の焼戻しを行った。その後、粗引き無しに保持温度７４０℃、在炉時間１７時間の球状化焼鈍を行った。
【００４４】
比較例の圧延Ｎｏ．ＩＩについては、９００℃の仕上圧延後、コイル搬送ラインに徐冷カバーをかけることにより調整冷却を行った。さらに、表面潤滑処理し１１ｍｍ径線材から９．４ｍｍ径線材への伸線いわゆる粗引きを施し、その後本発明法と同様に球状化焼鈍を行った。
【００４５】
圧延まま材（本発明法では圧延、急冷、焼きもどしの状態）の評価として、球状化挙動おちよびに球状化焼鈍後の延性に影響する組織及び旧オーステナイト結晶粒度、ならびに置く割れに影響する拡散性水素量を測定した。また、球状化度合いの評価として、引張強度と球状化率の評価を行った。また、延性の指標として、球状化焼鈍後の絞りと限界圧縮率を測定した。本発明と比較例を対比して表３に示す。
【００４６】
これからも明らかなように、比較例の圧延Ｎｏ．ＩＩでは粗引きを入れることにより良好な粒状化組織を得られる。しかしながら、本発明法では粗引きを省略しつつ良好な球状化組織を得ることが可能であり、しかも絞りは比較例に比べ約５〜１０％高く、限界圧縮率も５％の向上という極めて高い延性を達成していることを確認できた。
【００４７】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
本発明によれば、球状化焼鈍の前処理工程として必要であった粗引き伸線を行うことなく球状化焼鈍を行うことが可能となり、また、焼鈍材の性質として優れた延性を確保できるので、材質の良い焼鈍材を高生産性で、かつ低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械構造用冷間鍛造部品の製造工程を示す図であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は本発明例を示す図である。
【図２】球状化焼鈍前の素材の金属組織顕微鏡写真であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は従来例の素材の金属組織顕微鏡写真である。
【図３】球状化焼鈍後の素材の金属組織顕微鏡写真であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は従来例の素材の金属組織顕微鏡写真である。
Claims (6)
- 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、組織がマルテンサイト、ベイナイト、或いはベイナイト＋マルテンサイトであり、ＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００であることを特徴とする冷間鍛造用線材。 - 重量％で、
Ｃ ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．３〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼であって、粗引き伸線を省略した球状化焼鈍後のＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内であることを特徴とする冷間鍛造用線材。 - 重量％で、さらに、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｂ ：０．００５％以下
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の冷間鍛造用線材。 - 重量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ ：０．０３〜０．３％
のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の内のいずれかに記載の冷間鍛造用線材。 - 請求項１、３及び４の内のいずれかに記載の鋼成分を有する鋼を、熱間圧延し、Ａｒ3からＡｒ3＋２００℃の温度範囲で、且つ仕上げ圧延後にＪＩＳ Ｇ ０５５１で規定する旧オーステナイト粒度番号が１１以上になる温度で仕上げ圧延後、コンベア上に連続したリング状に展開し、組織をマルテンサイト、ベイナイトあるいはベイナイト＋マルテンサイトとなるように急冷してから集束せしめ、この集束線材を結束するまでの間に３００〜６００℃の炉雰囲気温度範囲に１５分以上１時間未満保持して焼戻し、昇温分析法による鋼中拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以下、硬度Ｈｖが２５０〜７００とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
- 請求項５に記載の製造工程に続いて、さらに、粗引き伸線を省略して球状化焼鈍を施し、ＪＩＳ Ｇ ０５５２で規定するフェライト結晶粒度番号が１１以上、ＪＩＳ Ｇ ３５４５で規定する球状化度がＮｏ．２以内とすることを特徴とする冷間鍛造用線材の製造方法。
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