JP4319879B2 - 面内異方性の小さな高炭素鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、焼き入れ・焼き戻し等の熱処理を伴う円筒状の自動車部品等に成型される高炭素鋼板に関し、特に円筒状部品の成型後および熱処理後の寸法精度の良好な高炭素鋼板に関する。

高炭素鋼板は、チェーン部品、ベアリングケース、自動車の駆動系部品等をはじめとした機械構造用部品に使用されている。これらはプレス加工あるいは打抜き、切削等の加工で部品形状に成型後に焼き入れ焼き戻し等の熱処理を経て、強度を調整して用いられる。部品に成型後に焼き入れ、焼き戻し熱処理を行うため、熱処理による寸法の変化が問題となる。この寸法変化の要因の一つに加工品の均一性があり、成型部品を均一にするには鋼板の面内異方性を小さくする必要がある。

高炭素鋼板の面内異方性を小さくする技術を開示したものとして、下記特許文献１〜３が開示されている。
特開２０００−３２８１７２号公報 特開２００１−７３０７７号公報 特開２００１−７３０７６号公報

特許文献１に開示された技術は、成分を特定し、炭化物の平均粒径を０．５μｍ以上、炭化物球状化率を９０％以上に制御し、フェライトの積分強度比（２２２）／（２００）を６−８．０×Ｃ（％）以上にすることで、△ｒを−０．２０〜０．２０の範囲にすることができるという技術である。しかし、この方法を実験室で再現してみると、フェライトの積分強度比（２２２）／（２００）＞６−８．０×Ｃ（％）の条件を満足する条件では加工後の寸法精度が不満足である。またこの技術においては焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化に関する検討もなされていない。

特許文献２に開示された技術は、熱延条件と熱延板焼鈍条件、冷延条件、焼鈍条件の組み合わせにより、△ｒ＝−０．１５〜０．１５の鋼板を得るものである。具体的には一次焼鈍と二次焼鈍温度を特定し、冷間圧延率が５０％以上の冷延を行うのであるが、高炭素鋼板は硬質のため、冷間圧延率を高くすると、幅方向、長手方向の板厚精度が低下するという欠点があると同時に、冷間圧延率が高いと焼鈍後の特性が硬質となり、加工性を損なう欠点がある。
また、熱延の仕上げ入り側あるいはスタンド間で加熱する特殊な熱延が必要であり、コストの上昇を招く欠点もある。また、機械構造部品は肉厚の厚い部品が多く、冷延率を５０％以上とするためには熱延板厚が厚くなりすぎ、現有の設備能力では製造できない欠点もある。また、この技術も焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化に関する検討はなされていない。

特許文献３に開示された技術は、熱間仕上げ圧延後の巻き取り温度、一次焼鈍温度、冷間圧延率、二次焼鈍温度を適当に制御すること、または熱間粗圧延後のバーまたは圧延材をＡｒ3 変態点温度以上の温度で誘導加熱して、板厚方向の組織の均一化を高めた上で、これらの熱延後の巻き取り温度、一次焼鈍温度、冷間圧延率、二次焼鈍温度を炭化物の存在状態を適切に調整することで、△ｒ＝−０．１５〜０．１５、または△ｍａｘが０．２０未満の鋼板が得られるとしている。
しかし、この技術も冷間圧延率を５０％以上とする必要があり、硬質な高炭素鋼板では、冷間圧延率を高くすると、幅方向、長手方向の板厚精度が低下すると共に冷間圧延の生産性が劣化する欠点があると同時に、冷間圧延率が高いと焼鈍後の特性が硬質となり、加工性を損なう欠点がある。また、機械構造部品は肉厚の厚い場合が多く、冷延率を５０％以上とするためには熱延板厚が厚くなりすぎ、現有の設備能力では製造できない欠点もある。

本発明は、上記に鑑み、熱処理後の寸法精度の良好な高炭素鋼板を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、Ｃ：０．２５〜０．６０％の高炭素鋼板の成型加工寸法精度を高め、かつ焼き入れ・焼き戻し後の寸法変化を少なくする技術を低コストで製造する方法を鋭意検討した結果、鋼成分と集合組織を制御することで得られることを知見した。

本発明は上記知見に基づいて完成したもので、その要旨は次の通りである。
質量％で、
Ｃ ：０．２５〜０．６０％、 Ｍｎ：０．５８〜１．５０％、
Ｃｒ：０．０４〜０．６０％、 Ｓｉ：０．１２〜０．５％、
Ｐ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．０８％以下、
Ｎ ：０．０１％以下、 Ｔｉ：０．０１０〜０．０６０％、
Ｂ ：０．０００３〜０．００５０％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物を含有し、Ｘ線積分強度比で（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％）を満足することを特徴とする面内異方性の小さな高炭素鋼板。

本発明によれば、（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％）の関係を満足することで、成型部品の寸法精度が良いだけでなく、焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化も極めて小さいことから、精密な部品を成型加工するに際し、切削加工等を極力少なくすることで製造可能となる。また、冷間圧延率を小さくすることで、成型後の寸法精度の良好な鋼板が得られることから、現行の製造設備でも板厚の厚い鋼板の提供が可能となり、より広い構造用部品への適用が可能となるだけでなく、鋼板をより低コストで製造可能となり、工業的に極めて有用な発明である。

以下、本発明について具体的に説明する。まず、本発明の鋼組成について説明する。
Ｃ量が０．２５％未満になると焼き入れ焼き戻し後の強度が低くなるため、Ｃ量の下限を０．２５％に特定した。一方、Ｃ量が０．６０％を超えると加工性が劣化するため、上限を０．６０％に特定した。

Ｍｎは焼入れ性を高める元素であることが知られているが、１．５％を超えて添加すると加工性を低めると同時に冷間圧延後の再結晶温度を高くする。一方、αからγへの変態温度を低くし、安定した焼鈍温度域を狭くするため、上限を１．５％に特定した。一方、Ｍｎ量が０．２０％未満になると焼き入れ性が低くなると共に、炭化物が粗大になり易く、逆に加工性が劣化するため、下限を０．２０％に特定した。

Ｃｒは焼き入れ性を高める元素であることが良く知られており、亜共析炭素鋼板の組織を均質化させるのに有効な元素である。しかし、添加量が多くなると鋼板を硬質化するため、添加する場合は０．６０％を上限とするのが望ましい。下限は鋼板の均質化、焼き入れ性を高める手段が別に存在するので、特に規定しない。

Ｂは焼き入れ性を高める元素であることが知られている。本発明でも、Ｃ量が低い鋼や、特に焼入れ性を必要とする場合に０．０００３〜０．００５０％の範囲で添加する。０．０００３％未満では焼き入れ性を高める効果がない。一方、０．００５０％を超えると鋼の製造時に内部欠陥等の疵の原因となりやすいため、上限は０．００５０％に特定するのが望ましい。さらに好ましくは、同様の理由から０．０００５〜０．００３０％である。

ＴｉはＢの効果を有効に発揮させるために０．０１０〜０．０６０％の範囲で添加するのが望ましい。

精密成型の寸法精度と焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化を小さくするには、前記特許文献１に開示された技術とは逆に、Ｘ線積分強度（Ｘ線積分反射強度ともいう）比の（２２２）を低く抑え、（２００）を高くする手段を採用することで可能となり、下記の式を満足する必要があることを知見した。
（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％） …………（１）

上記の式を満足する集合組織を制御することにより、精密成型の寸法精度と焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化を小さくすることが可能となる理由は定かでないが、本発明者らは次のように考えている。
（１１１）積分強度比が高くなると、深絞り成型では絞り比の大きな成型が可能となるが、逆に成型品の円周方向での残留応力が不均一となり、あとの熱処理時に寸法変化が大きくなる。高炭素鋼板では炭化物が多数存在するため、（１００）積分強度比が低くなるとやはり面内異方性が増加し、成型寸法精度、および焼き入れ・焼き戻しによる寸法変化が大きくなる。
本発明の特徴である成型製品の寸法精度、および焼き入れ・焼き戻し後の寸法精度をより高めるために、（２２２）／（２００）を、６．１−８．５×Ｃ（％）以下にすることが好ましい。

Ｓｉは添加量が多くなると鋼板を硬質化するので、０．５％以下とすることが好ましい。
Ｐは加工性を損なうだけでなく、焼入れ焼き戻し後の靭性を劣化させるので、０．０３％以下とすることが好ましい。
Ａｌは過剰に添加すると焼き入れ性が悪くなるので、０．０８％以下とすることが好ましい。
Ｎは、過剰に添加すると延性が劣化するだけでなく、焼き入れ、焼き戻し後の靭性が劣化するので、０．０１％以下にすることが好ましい。

上記のような鋼は転炉、あるいは電気炉、必要に応じ真空脱ガス処理を用いて成分調整する。このようにして成分調整された高炭素鋼は、造塊−分塊圧延または連続鋳造によりスラブとする。このスラブは熱間圧延に供される。熱間圧延後に冷間圧延するが、冷間圧延前に焼鈍しても本発明の特徴は損なわない。冷間圧延後に焼鈍し、必要に応じて調質圧延して、成型加工に供される。
本発明鋼のような集合組識は、冷間圧延率を低くしたり（例えば３５％以下）、焼鈍時間を短くする（例えば０．０２Ｈｒ以下）ことで得ることができる。

表１に示す組成の鋼を熱延・酸洗−冷延・焼鈍し、板厚中心層の（２２２），（２００）Ｘ線積分反射強度をランダム方位サンプルとの比で測定し、同表に（２２２）／（２００）を記した。同鋼板を図１に示す断面形状の円筒状品に成型し、成型後の円筒部の真円度を測定した。この部品を８９０℃×３０分の加熱後に６０℃の油中に焼き入れ、３８０℃×５０分焼き戻し処理を行い、円筒部の真円度を再び測定し、併せて表１に示した。真円度は全円周を連続して測定し、その最大直径と平均直径の差で評価した。
鋼成分はいずれも本発明範囲内であるが、Ｘ線積分反射強度の（２２２）／（２００）が変化したものである。

（２２２）／（２００）が本発明範囲外の鋼Ｎｏ．４は成型後の真円度が劣り、焼き入れ・焼き戻しを行うと真円度の崩れが大きくなる。

（２２２）／（２００）が本発明範囲外の鋼Ｎｏ．８は成型後の真円度が劣り、焼き入れ・焼き戻しを行うと真円度の崩れが大きくなる。

鋼 No.５，６はＴｉ，Ｂを添加した鋼の実施例である。やはりこの鋼でも、（２２２）／（２００）の比が５．５−５×Ｃ（％）より低い鋼 No.５は成型後の真円度が良好で、しかも焼入れ・焼き戻しを行っても真円度の良好性を維持している。一方、（２２２）／（２００）が本発明範囲外の鋼 No.６は成型後の真円度が劣り、焼き入れ・焼き戻しを行うと真円度の崩れが大きくなる。

質量％でＣ：０．３５％、Ｓｉ：０．１７％、Ｍｎ：０．７４％、Ｐ：０．０１１％、Ｓ：０．００３％、Ａｌ：０．０２２％、Ｎ：０．００３４％の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造機でスラブを造り、熱間圧延で１．８〜７．５ｍｍ厚の鋼板を造り、酸洗後に、表２に記載の条件で冷間圧延、焼鈍を行い、１．５ｍｍ厚の鋼板を製造した。この鋼板の板厚中心層の（２２２），（２００）Ｘ線積分反射強度を測定し、（２２２）／（２００）を求め、同表に記した。

この鋼板を図１に記載した形状の二段円筒に成型し、その真円度を測定した。成型品を８５０℃×３０分の加熱保定後に、７０℃の油中に焼き入れし、その後、３５０℃×４５分の焼き戻し熱処理を行い、この熱処理品の真円度を測定した。真円度は全円周方向に連続して直径を測定し、その平均直径と最大直径の差で真円度とした。測定した真円度を併せて表２に記した。

鋼 No.１０，ｌｌは冷間圧延率が１５％、１９％と極めて低い冷延率で、しかも焼鈍温度を低くすることで、（２２２）／（２００）が上記式（１）の条件を満足し、本発明範囲の実施例である。また、焼鈍温度は通常温度の７００℃であり、焼鈍時間が極めて短い鋼 No.１４は、冷延率が３５％と通常に用いられる冷延率であるが、（２２２）／（２００）の要件を満足している。
一方、冷間圧延率が７０％，８０％と高く、焼鈍温度も通常の６９０℃の焼鈍条件で製造した比較例の No.１２，１３は、（２２２）／（２００）に対応した式（１）の条件を満足していない。

（２２２）／（２００）の集合組織要件を満足した鋼 No.１０，１１，１４は成型品、熱処理品ともに良好な真円度が得られ、寸法精度が優れることが分かる。
一方、通常の製造条件の冷間圧延率あるいは焼鈍条件で製造し、（２２２）／（２００）の要件が本発明範囲外である鋼 No.１２，１３は、真円度が本発明範囲内の実施例より劣ることが分かる。

表３に示す組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造でスラブを造った。このスラブから板厚１１．７〜４．１１ｍｍの鋼帯を造った。この鋼帯を酸洗し、表４に記載の一次焼鈍条件で焼鈍し、同表記載の冷延率で３．５ｍｍ厚まで冷間圧延した。この鋼帯を再び同表記載の二次焼鈍条件で焼鈍した。この鋼板の板厚中心層のＸ線積分反射強度を測定し、（２２２）／（２００）を求め、表４に示した。
この鋼板から、図１に示す断面形状の円筒状のプレス品を成型し、円筒部の真円度を測定した。この成型品を８５０℃×３０分の加熱保定後に、７０℃の油中に焼き入れし、その後、３５０℃×４５分の焼き戻し熱処理を行った。この熱処理品の真円度を測定した。 真円度は全円周方向に連続して直径を測定し、その平均直径と最大直径の差をｍｍで測定し、真円度とした。測定した真円度を併せて表４に記した。

鋼ＡはＳ３５Ｃの実施例である。Ａ２は冷間圧延率が６０％、二次焼鈍：６６０℃×１６時間の、通常に採用されている条件で製造した比較例であるが、（２２２）／（２００）が３．９と高く、式（１）を満足しておらず、成型後、焼き入れ・焼き戻し後の真円度も劣っている。

鋼ＢはＳ５５Ｃ相当の成分である。Ｂ２は冷間圧延率が７０％で、二次焼鈍が６６０℃×１６時間の通常に採用されている製造条件で製造した比較例であるが、（２２２）／（２００）が２．８５と高く、式（１）を満足しておらず、成型後、焼き入れ・焼き戻し後の真円度も劣っている。

鋼ＣはＴｉ，Ｂを添加し、ＭｎをＳ３５Ｃより下げ、Ｃｒを添加した鋼である。Ｃ２は冷間圧延率が６５％で、二次焼鈍が６９０℃×１６時間の通常に採用されている冷延・焼鈍条件で製造した比較例であり、この鋼板は（２２２）／（２００）が３．９０と高く、式（１）を満足しておらず、成型後、焼き入れ・焼き戻し後の真円度も劣っている。

Ｄｌ，Ｄ２はＣ：０．２５％にＴｉ，Ｂ，Ｃｒを添加した鋼である。
Ｄ１は一次焼鈍：７００℃×１８時間、冷間圧延率：１８％、二次焼鈍：６２０℃×１２時間の条件で製造した実施例である。この鋼板の（２２２）／（２００）は２．４５で式（１）の条件を満足しており、成型後の真円度、焼き入れ後の真円度ともに良好な値である。
一方、冷延率：７０％、二次焼鈍：６９０℃×１２時間の通常に行われている条件で製造したＤ２は、（２２２）／（２００）が４．５１と式（１）の関係を満足しておらず、成型後の真円度が劣り、焼き入れ・焼き戻しにより更に真円度が劣化している。

以上の実施例から分かるように、冷間圧延率が極めて低く、焼鈍温度も極めて低くする、あるいは短時間の焼鈍をすることによって、初めて（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％）の関係を満足する鋼板を製造可能となる。（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％）を満足することにより、成型加工の寸法精度が良好になり、焼き入れによる寸法変化を小さくすることが可能である。

本発明鋼により製造したプレス成型部品の断面を表わす図である。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．２５〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．５８〜１．５０％、
   Ｃｒ：０．０４〜０．６０％、
   Ｓｉ：０．１２〜０．５％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ａｌ：０．０８％以下、
   Ｎ ：０．０１％以下、
   Ｔｉ：０．０１０〜０．０６０％、
   Ｂ ：０．０００３〜０．００５０％、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物を含有し、Ｘ線積分強度比で（２２２）／（２００）＜５．５−５×Ｃ（％）を満足することを特徴とする面内異方性の小さな高炭素鋼板。

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