JP4295314B2 - 高速冷間加工用鋼及びその製造方法、並びに高速冷間加工部品の製造方法 - Google Patents
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C:0.03〜0.15%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.005〜0.6%、
Mn:0.05〜2%、
P:0.05%以下(0%を含まない)、
S:0.05%以下(0%を含まない)、および
N:0.04%以下(0%を含まない)
を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなり、
鋼中の固溶窒素量が0.006%以上であることを特徴とするものである。
C(炭素)は、鋼の強度を確保するために必要な元素である。そこで炭素量の下限を0.03%と定めた。より好ましい下限は0.04%である。一方、炭素量が過剰であると被削性および冷間加工性が劣化する。そこで炭素量の上限を0.15%と定めた。より好ましい上限は0.12%である。
Siは、製鋼過程において脱酸剤として使用される元素である。Si量が少なすぎると、凝固過程でガスが発生し、これらが欠陥として作用しやすくなるため、冷間加工中に割れが発生し得る。そこでSi量の下限を0.005%と定めた。より好ましい下限は0.008%である。一方、Si量が過剰でも、効果が飽和し、且つ冷間加工性が低下する。そこでSi量の上限を0.6%と定めた。より好ましい上限は0.5%である。
Mnは、製鋼過程においてSiと同様に脱酸剤として作用する。また、Mnは脱硫剤としても有効な元素であり、Mn量が少なすぎると結晶粒界にFeSが膜状に析出し、粒界強度を著しく低下させるため、冷間加工中に割れが発生し得る。そこでMn量の下限を0.05%と定めた。より好ましい下限は0.1%である。一方、Mn量が過剰であると冷間加工性が低下する。そこでMn量の上限を2%と定めた。より好ましい上限は1%である。
Pは、フェライトを固溶強化させることにより冷間加工性を劣化させる元素であり、極力低減することが好ましい。そこでP量を、0.05%以下、より好ましくは0.03%以下に低減することが推奨される。但しP量を0にすることは、工業上困難である。
Sは、Mnと共に、冷間加工時の割れの起点として作用するMnS介在物を形成する元素である。そこで変形能の観点からS量を、0.05%以下、より好ましくは0.03%以下に低減することが推奨される。但しS量を0にすることは、工業上困難である。なおSは、被削性を向上させるという効果を有し、被削性向上の観点からは、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.006%以上含有させることが推奨される。
窒素(N)は、鋼中に固溶して冷間加工後の鋼部品の硬さを上昇させるという作用を有し、本発明における必須元素である。しかし鋼中の全窒素量が過剰であると、固溶窒素量も過剰となって冷間加工時に割れが生ずることがあり、さらに鋼の内部欠陥や連続鋳造時のスラブ割れも発生しやすくなる。そこで鋼の変形能、並びに材質の安定性および鋳造時の歩留向上の観点から、鋼中の全窒素量の上限を0.04%と定めた。より好ましい上限は0.03%である。一方、全窒素量の下限は、後述する固溶窒素量の下限を満たすことができるものであれば特に限定は無い。但し固溶窒素を安定して確保するために、全窒素量の下限は、好ましくは0.007%、より好ましくは0.008%である。
冷間加工後の硬化上昇を充分に確保するために、本発明では鋼中の固溶窒素量の下限を0.006%と定めた。好ましい下限は0.007%である。一方、固溶窒素量が過剰になると、冷間加工時に割れが生ずる。よって固溶窒素量は、好ましくは0.03%以下である。なお固溶窒素量の上限は、当然、鋼中の全窒素量の上限である0.04%を超えることは無い。ここで本発明における「固溶窒素量」の値は、JIS G 1228に準拠し、鋼中の全窒素量から全窒化化合物量を差し引くことで鋼中の固溶窒素量を算出する。
Alは、製鋼過程における脱酸元素として有効な元素であり、また鋼の耐割れ性にも有効である。そこでAlを、必要に応じて、好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.005%以上で含有させることが推奨される。しかしAlは窒素(N)との親和力が強く、Al窒化物を形成して固溶窒素量を低減させるため、含有させる場合の上限を0.1%と定めた。Al量は、好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.03%以下である。
Zr、Ti、Nb、V、TaおよびHfは、窒素と共に窒化物を形成して結晶粒を微細化し、冷間加工後に得られる部品の靱性を高めるために有効な元素である。そこで必要に応じて、Zrを好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上、Tiを好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上、Nbを好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上、Vを好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上、Taを好ましくは0.003%以上、より好ましくは0.006%以上、およびHfを好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上の量で含有させることが推奨される。
Bは結晶粒界の強度を高めることにより鋼の変形能を向上させる元素である。Crも同様に、鋼の変形能を向上させることができる。そこで必要に応じて、Bを好ましくは0.0001%以上、より好ましくは0.0002%以上、Crを好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.2%以上の量で含有させることが推奨される。しかしBは、窒素との親和力が強く、B窒化物を形成して固溶窒素量を低減させる。またB窒化物が過剰になると、冷間加工性が低下する。Crも過剰になると変形抵抗を増大させる。したがってこれらの元素を含有させる場合、B量は、好ましくは0.001%以下、より好ましくは0.0008%以下、Cr量は、好ましくは1.5%以下、より好ましくは1%以下である。
Cuは、鋼部品の強度を向上させる作用を有する。そのため、Cuを好ましくは0.1%以上、好ましくは0.5%以上の量で含有させることが推奨される。しかしCuを過剰に含有させても、その効果は飽和し、また冷間加工性および部品の表面性状を劣化させる。そこで含有させる場合のCu量の上限を5%と定めた。Cu量は、好ましくは4%以下、より好ましくは2%以下である。
NiおよびCoは、鋼を強靭化させるために有効な元素である。またNiは、Cuが含有される場合に、鋼の表面欠陥を防止する作用も有する。そこでNiを好ましくは0.1%以上、好ましくは0.5%以上、Coを好ましくは0.1%以上、好ましくは0.5%以上の量で含有させることが推奨される。しかしNi量が過剰になっても、その効果は飽和し、また冷間加工性が劣化する。またCo量が過剰になると、鋳造や圧延等の鋼の製造工程で結晶粒界を劣化し、割れが生じ易くなる。そこで含有させる場合の上限を、それぞれ5%と定めた。Ni量は、好ましくは4%以下、より好ましくは2%以下、Co量は、好ましくは4%以下、より好ましくは2%以下である。
MoおよびWは、冷間加工後の部品の硬さおよび靱性を向上させる作用を有する。そこでMoを好ましくは0.04%以上、より好ましくは0.1%以上、Wを好ましくは0.04%以上、より好ましくは0.1%以上の量で含有させることが推奨される。しかしこれらの量が過剰になると冷間加工性が劣化する。そこで含有させる場合の上限を、それぞれ2%と定めた。Mo量は、好ましくは1.5%以下、より好ましくは1%以下、W量は、好ましくは1%以下、より好ましくは0.5%以下である。
Ca、REM、Mg、Li、PbおよびBiは、鋼の被削性向上に寄与する元素である。またCa、REM、MgおよびLiは、MnS等の硫化物系介在物を球状化させ、鋼の靱性を高める作用も有する。Caを好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上、REMを好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上、Mgを好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.008%以上、Liを好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.005%以上、Pbを好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上、およびBiを好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上の量で含有させることが推奨される。
H≧(DR+1000)/6・・・(2)式
但し、H:硬さ(Hv)、DR:変形抵抗(MPa)
部品No.6(鋼No.1F)は、炭素量が多いため、部品に割れが発生した。
部品No.7(鋼No.1G)は、Si量が少ないため、部品に割れが発生した。
部品No.15(鋼No.1O)は、Mn量が少ないため、部品に割れが発生した。
部品No.24(鋼No.1X)は、Mn量が多いため、部品に割れが発生した。
部品No.27および28(鋼No.2Aおよび2B)は、S量が多いため、部品に割れが発生した。
部品No.29(鋼No.2C)は、固溶窒素量が少ないため、変形抵抗(MPa)/硬さ(Hv)が2.4を超えており、部品硬さに対して変形抵抗が大きかった。
部品No.37〜38(鋼No.2F〜G)は、加工温度が高いため、部品に割れが発生した。
部品No.77(鋼No.3T−1)、部品No.81および82(鋼No.3U−1および2)、部品No.85(鋼No.3V−1)、部品No.89および90(鋼No.3W−1および2)、部品No.93および94(鋼No.3X−1および2)、部品No.97(鋼No.3Y−1)、部品No.101および102(鋼No.3Z−1および2)、並びに部品No.105(鋼No.4A−1)は、固溶窒素量が少ないため、上記(2)式を満たさず、部品硬さに対して変形抵抗が大きかった。
Claims (13)
- C:0.03〜0.15%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.005〜0.6%、
Mn:0.05〜2%、
P:0.05%以下(0%を含まない)、
S:0.05%以下(0%を含まない)、および、
N:0.04%以下(0%を含まない)、
を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなり、
鋼中の固溶窒素量が0.006%以上であることを特徴とする高速冷間加工用鋼。 - N:0.007%以上を含有する請求項1に記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、Al:0.1%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、
Zr:0.2%以下(0%を含まない)、
Ti:0.1%以下(0%を含まない)、
Nb:0.1%以下(0%を含まない)、
V:0.5%以下(0%を含まない)、
Ta:0.1%以下(0%を含まない)、および、
Hf:0.1%以下(0%を含まない)
よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。 - さらにB:0.0015%以下(0%を含まない)および/またはCr:2%以下(0%を含まない)を含有する請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、Cu:5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、Ni:5%以下(0%を含まない)および/またはCo:5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、Mo:2%以下(0%を含まない)および/またはW:2%以下(0%を含まない)を含有する請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。
- さらに、
Ca:0.05%以下(0%を含まない)、
希土類元素:0.05%以下(0%を含まない)、
Mg:0.02%以下(0%を含まない)、
Li:0.02%以下(0%を含まない)、
Pb:0.1%以下(0%を含まない)、および、
Bi:0.1%以下(0%を含まない)
よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼を加工温度200℃以下で高速冷間加工することを特徴とする高速冷間加工部品の製造方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の高速冷間加工用鋼を歪み速度が100/秒以上で高速冷間加工することを特徴とする高速冷間加工部品の製造方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の成分組成を有する鋼材を、Ac3点+30℃以上の温度に加熱し、Ac3点+30℃以上の温度領域で熱間加工した後、0.5℃/s以上の冷却速度で500℃以下まで冷却することを特徴とする高速冷間加工用鋼の製造方法。
- 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の成分組成を有する鋼材を、Ac3点+30℃以上の温度に加熱した後、0.5℃/s以上の冷却速度で500℃以下まで冷却することを特徴とする高速冷間加工用鋼の製造方法。
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