JP4299744B2 - 冷間鍛造用熱間圧延線材及びその製造方法 - Google Patents

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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熱間圧延線材、及びその製造方法に関するものである。
従来、自動車用部品、建設機械用部品等の機械構造用部品、例えばボルトやナット等は、機械構造用炭素鋼あるいは合金鋼の熱間線材を冷間鍛造等することによって製造されている。
通常、冷間鍛造等での冷間加工性を確保するために、線材に、必要に応じて粗引き伸線をした後、球状化焼鈍を行い、しかる後に冷間鍛造、引き抜き、切削等の冷間加工により成形し、焼入れ焼戻しを施して成形部品とされている。
粗引き伸線の実施有無や球状化焼鈍での保持温度、時間は冷間加工量に依って適宜選択
され、例えば、冷間加工量の多いフランジ付きボルト等では、粗引き伸線をした後、高温、長時間の球状化焼鈍が施される。
本発明者は、高温、長時間の球状化焼鈍を行なっても従来は必要であった粗引き伸線を省略できる冷間鍛造用線材とその製造方法を提案した(特許文献1参照)。
しかし、一方では、粗引き伸線を行なった上で、球状化焼鈍を低温・短時間化することによる生産能力の向上やエネルギーコストの低減が要求されている。
本発明者は、球状化焼鈍の短時間化を可能とする機械構造用熱間圧延線材・棒鋼とその製造方法を提案したが(特許文献2参照)、この発明は従来粗引き伸線を必要としないレベルのものに適用されるものであり、従来粗引き伸線が必要なものには採用されない。
特許文献3には、体積含有率40〜75%のフェライトと残部がマルテンサイト、ベイナイト又はこれらの混合組織からなる低温変態生成相との混合組織とすることにより球状化焼鈍の省略を可能とする製造方法が提案されている。この発明はMn含有量が1.0%以上の鋼を対象としており、高硬度のため球状化焼鈍を簡省略すると加工量の多い冷間鍛造が困難であるという問題がある。
特開2000−336457号公報 特開2000−336460号公報 特開昭61−130425号公報
そこで、本発明は上記実情に鑑み、熱間圧延線材の鋼組織を適正に制御することにより粗引き伸線後の球状化焼鈍を低温かつ短時間で処理可能とする冷間鍛造用熱間圧延線材とその製造方法を提供することを課題とするものである。
本発明者らは、熱間圧延線材の鋼組織を制御することについて鋭意研究を行い、熱間圧延線材のフェライト粒度、フェライト組織分率、残部組織中のベイナイト+マルテンサイト組織分率を適正に制御すれば、粗引き伸線後の球状化焼鈍を低温かつ短時間で処理しても従来並みの冷間加工性が得られることを知見し、本発明を完成した。
本発明の要旨は、以下のとおりである。
(1) 質量%でC:0.1〜0.30%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.3〜0.9%、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であって、JIS G 0552で規定するフェライト結晶粒度番号が9以上であり、フェライト組織分率が30面積%以上、残部がパーライト、ベイナイト、マルテンサイト又はこれらの混合組織から成り、ベイナイト+マルテンサイト組織分率が残部の50面積%以上であることを特徴とする冷間鍛造用熱間圧延線材。
(2)質量%で更に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記載の冷間鍛造用熱間圧延線材。
(3) 質量%で更に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または2記載の冷間鍛造用熱間圧延線材。
(4) 上記(1)〜(3)のいずれかに記載の鋼成分を有する鋼を、Ar3点からAr3点+150℃の温度範囲で仕上圧延後、Ar1点から300℃の間を5〜40℃/秒の冷却速度で冷却することにより、JIS G 0552で規定するフェライト結晶粒度番号が9以上であり、フェライト組織分率が30面積%以上、残部がパーライト、ベイナイト、マルテンサイト又はこれらの混合組織から成り、ベイナイト+マルテンサイト組織分率が残部の50面積%以上とすることを特徴とする冷間鍛造用熱間圧延線材の製造方法。
本発明によれば、従来よりも低温(例えば、30℃以下)かつ短時間(例えば3.5時間短縮)の球状化焼鈍処理でも球状化焼鈍後の硬さ、球状化率、限界圧縮率等は従来並みであって、従来と同等の冷間鍛造性を得ることができ、生産能力の向上やエネルギーコストの低減を享受できる。
以下に本発明の規定理由を述べる。
本発明の冷間鍛造用熱間圧延線材では、フェライト結晶粒度番号がJIS G 0552で規定する9以上とする必要がある。フェライト結晶粒度番号が9番未満と小さい場合、粗引き伸線かつ球状化焼鈍処理を施しても十分な球状化率が得られず、所望の変形能を達成することができない。
またフェライト組織分率を30面積%以上とする必要がある。このフェライト組織率がこれ未満になると、球状化焼鈍後の硬さが増加し、球状化焼鈍時間を短縮できないので、フェライト組織分率の下限を30面積%と規定した。フェライト組織分率が100面積%であっても良いが、後述する鋼成分では実操業上セメンタイトが必ず生成し100面積%には成ることはない。
また、本発明の線材では、上記フェライト組織以外の残余の部分は、ベイナイトまたはマルテンサイトを主体とする組織からなるものであるが、両組織の他にパーライトが存在していても良い。しかしながら、多量のパーライトが存在すると、球状化焼鈍後も球状化率が悪く、硬さが低下せず、冷間鍛造時のつば割れ等の原因になるので、パーライト分率は残部の50面積%未満、即ち、ベイナイトとマルテンサイトの組織分率がフェライト組織以外の残部の50面積%以上とすべきである。
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。
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0.30%を超えると球状化焼鈍後の硬さが軟化せず、むしろ最終製品の靭性の劣化を招くので、C含有量を0.1〜0.30%とした。
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、鋼の精錬において、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の残留を不純物として許容できる。
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十分であり、一方、0.9%を超えると球状化焼鈍後の硬さが高いため良好な冷間加工性が得られず、むしろ靭性の劣化を招くので、Mn含有量を0.3〜0.9%とした。
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。
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。
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。
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。
次に、本発明の製造方法における各要件について説明する。本発明方法では、Ar3点からAr3点+150℃の温度範囲で仕上圧延する必要がある。この熱間仕上圧延温度がAr3点+150℃を超えると組織の粗大化が起こってフェライト結晶粒度番号9以上が得られない。一方、熱間仕上げ圧延温度がAr3点未満となると、オーステナイトとフェライトの2相域での圧延となり、製品の寸法不良や圧延後に均一なフェライト・ベイナイト・マルテンサイト組織が得られないため好ましくない。仕上圧延温度は、最終仕上圧延機出側での表面温度で規定したものである。
熱間仕上げ圧延した後は、まず5℃/秒以上40℃/秒以下の冷却速度でAr1点から300℃までの温度範囲を冷却するものであるが、この冷却工程ではオーステナイトの成長を抑制しつつ微細化に有利に作用する。即ち、冷却速度が5℃/秒未満になると、オーステナイトが粗大になる為に最終的に得られる圧延材組織も粗大かつベイナイト+マルテンサイト組織分率も小さくなり、球状化し難くなる。また40℃/秒を超えると圧延後の強度が高くなりすぎて、粗引き伸線かつ球状化焼鈍後の強度も所望の軟質レベルまで達成しなくなる。また、冷却温度範囲については、Ar1点から300℃までの温度範囲が好ましい。冷却開始温度がAr1点よりも低い温度では、パーライト変態が開始してしまうため、冷却終了後のパーライト分率が大きくなりすぎて所望の組織を得られなくなる。また、冷却最終温度が300℃以下では、すでに変態が完了しているため、これ以下の温度域を空冷または急冷しても特に材質には影響を及ぼさない。
更に上記方法で得られた冷間鍛造用熱間圧延線材に通常の粗引き伸線(減面率20〜35%)を施せば、従来の焼鈍パターンにおける高温保持温度を約30℃低下かつ高温保持時間を約1/2以下で従来と同等な硬度・変形能を有する機械構造用線材・棒鋼を得ることが可能となる。また、熱間圧延後の組織は、微細なベイナイト組織を主体となるため、粗引き伸線後の球状化焼鈍では、従来よりも約30℃低い730℃、かつ従来よりも1/2短時間な2.5時間保持すれば、十分に炭化物が溶解して、均一な球状化組織(球状化率85%以上)が得られ、かつ軟質化度も従来同様のレベルとなる。
以下に、本発明を実施例により、さらに具体的に示す。
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15mm径線材に圧延した後、同表で示す条件で粗引き伸線後、球状化焼鈍を施した。表3に圧延後の試料の組織及び球状化焼鈍後の特性(硬さ、球状化率、限界圧縮率)について示す。限界圧縮率は8Φmm×長さ10mmの冷間据え込み試験片を製作して試験した。
表2、3において、水準1〜13は従来例、水準14〜25は本発明例、水準26〜31は比較例である。従来例は、仕上圧延後に冷却速度2℃/秒で空冷し、粗引き伸線後に保定温度を730℃、保持時間を6時間の球状化焼鈍を行なった。
発明例は、球状化焼鈍での保持温度、時間を従来例より夫々30℃低下、3.5時間短縮したにも拘わらず、球状化焼鈍後の硬さ(HRBで64〜68)、球状化率(85〜90%)、限界圧縮率(85〜90%)は、従来例並みである。このため、従来と同等の冷間鍛造性を得ることができた。なお、表3中において、冷間鍛造性の評価が良好な場合を○、不良の場合を×で表記した。
比較例の水準26は鋼成分のMn含有量が規定上限を超えているため、球状化焼鈍後の硬度が高くなり限界圧縮率が低くなった例である。水準31は冷却速度が規定上限を超えたため、フェライト組織分率が30%未満となり硬度が高くなり、限界圧縮率が低くなった例である。水準27は仕上げ温度が高かったためにフェライト結晶粒度番号が9未満となり、球状化率が85%未満になり結果として硬度が高くなり、限界圧縮率が低くなった例である。水準28、29、30は夫々、冷却開始温度外れ、冷却終了温度外れ、冷却速度下限外れにより、ベイナイト+マルテンサイト組織分率が残部の50%未満となり、球状化率が低下した結果、硬度が高く、限界圧縮率が低くなった例である。

Claims (4)

  1. 質量%でC:0.1〜0.30%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.3〜0.9%、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼であって、JIS G 0552で規定するフェライト結晶粒度番号が9以上であり、フェライト組織分率が30面積%以上、残部がパーライト、ベイナイト、マルテンサイト又はこれらの混合組織から成り、ベイナイト+マルテンサイト組織分率が残部の50面積%以上であることを特徴とする冷間鍛造用熱間圧延線材。
  2. 質量%で更に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記載の冷間鍛造用熱間圧延線材。
  3. 質量%で更に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または2記載の冷間鍛造用熱間圧延線材。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の鋼成分を有する鋼を、Ar3点からAr3点+150℃の温度範囲で仕上圧延後、Ar1点から300℃の間を5〜40℃/秒の冷却速度で冷却することにより、JIS G 0552で規定するフェライト結晶粒度番号が9以上であり、フェライト組織分率が30面積%以上、残部がパーライト、ベイナイト、マルテンサイト又はこれらの混合組織から成り、ベイナイト+マルテンサイト組織分率が残部の50面積%以上とすることを特徴とする冷間鍛造用熱間圧延線材の製造方法。
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