JP4608242B2

JP4608242B2 - 冷間曲げ加工用鋼材

Info

Publication number: JP4608242B2
Application number: JP2004168149A
Authority: JP
Inventors: 澄恵須田; 信彦茨木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP2005344199A

Description

本発明は冷間曲げ加工（例えば、ばね、ピストンリングなどを製造する際のコイリングなど）に供するのに適した鋼材、及びこの鋼材から得られる鋼部品に関するものである。

焼入れ・焼戻し後に冷間曲げ加工することによって得られる鋼部品（例えば、ばね、ピストンリングなど）では、冷間曲げ加工後に、歪取焼鈍、窒化処理などの低温熱処理が施されることが多い。しかし、これら鋼部品は、冷間曲げ加工によって歪みが蓄積されており、この歪みが低温熱処理によって解放されるために、曲げ加工後に変形が生じてしまう。

冷間曲げ加工用鋼ではなく、冷間鍛造用鋼ではあるが、特許文献１には鋼材の中心偏析を抑制することによって、熱処理後の歪のバラツキを抑制し、熱処理後の寸法変形を抑制する技術が記載されている。中心偏析を抑制するには、鋳造方法を適切に設定することが重要である。
特開２００３−２４７０４６号公報（段落０００２〜０００６）

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、鋳造方法とは異なる因子を制御することによっても、低温熱処理後の変形を防止することができる技術を確立することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、低温熱処理時に炭化物を二次析出させれば、低温熱処理後の変形を防止できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係る冷間曲げ加工用鋼材は、Ｃ：０．３５〜０．８５％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．１〜１％、及びＮｉ：１％以下（０％を含む）を含有し、さらにＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどを下記式（１）を満足する範囲で含有する点に要旨を有するものである。
[Cr]／３＋[Mo]／２＋２×[V]＋[Ti］＋[Nb]＋[W]／２≧０．４５ …（１）
［式中、[Cr]、[Mo]、[V]、[Ti］、[Nb]、及び[W]は、鋼材中のそれぞれの元素の含有量（質量％）を示す］

前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、及びＷは、下記式をも満足することが推奨される。
[Cr]≦２、[Mo]≦２、[V]≦０．５、[Ti］≦０．１５、[Nb]≦０．５、[W]≦０．５、
[C]＋[Si]／５＋[Mn]／５＋４×[Cr]／１０＋[Mo]／２＋[V]／２＋[Ni]／２０≦２．０
（式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]、[Ti］、[Nb]、[W]は、前記と同様の意味である）

本発明によれば、低温熱処理時に適切な量の炭化物を二次析出させることができるため、低温熱処理時の変形を防止できる。

本発明の冷間曲げ加工用鋼材は、鋼片を熱間圧延することによって得られるものであり、通常、線材として得られる。この鋼材を、伸線し、焼入れ・焼戻し（オイルテンパーなど）し、次いで目的の部品に対応する形状（ばね形状、リング形状など）に冷間曲げ加工（コイリングなど）した後、適宜、低温熱処理（窒化、歪取焼鈍、硬質皮膜処理など）を施すことによって、鋼部品が製造される。

上記のような用途に使用される本発明の冷間曲げ加工用鋼材は、基本成分として、Ｃ：０．３５〜０．８５％、Ｓｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．１〜１％、及びＮｉ：１％以下（０％を含む）を含有する。

Ｃは、強度及び硬さを確保するために重要な元素となる。従ってＣは、０．３５％以上、好ましくは０．３７％以上、さらに好ましくは０．４０％以上とした。一方、Ｃが過剰になると靭性が損なわれ、伸線性や冷間曲げ加工性などが劣化する。従ってＣは、０．８５％以下、好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは０．６５％以下とする。

Ｓｉは鋼の溶製中に脱酸剤として使用されるために必ず鋼中に残留する。また焼戻軟化抵抗を向上させるのにも有効であり、また鋼部品の耐熱へたり性を向上するのにも有効である。Ｓｉ量は、例えば、０．０１％以上、好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは１．２％以上である。一方、Ｓｉが過剰になると、酸化物系介在物が増大し、伸線性や冷間加工性などが劣化する。またばねの場合には、疲労特性も劣化する。従ってＳｉは、３％以下、好ましくは２．７％以下、さらに好ましくは２．５％以下とする。

Ｍｎも脱酸剤として作用する元素である。さらに焼入性を上げて強度を確保するのにも有用であり、また鋼中のＳを固定してその悪影響を阻止するためにも有用である。従ってＭｎ量は、０．１％以上、好ましくは０．３％以上、さらに好ましくは０．５％以上とする。しかしＭｎが過剰になると、熱間圧延時やパテンティング時に硬質のマルテンサイト組織やベイナイト組織等の過冷組織が生じやすくなり、伸線性が劣化する。従ってＭｎは、１％以下、好ましくは０．９５％以下、さらに好ましくは０．９０％以下とする。

Ｎｉは鋼材の靭性を向上させるのに有用であり、必要に応じて添加される。Ｎｉは、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．１０％以上、特に０．２％以上とする。しかしＮｉを過剰にしても効果が飽和する。従ってＮｉは１％以下、好ましくは０．９％以下、さらに好ましくは０．８％以下とする。

そして本発明の鋼材は、二次析出炭化物を生成可能な元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなど）を含有している。冷間曲げ加工後に低温熱処理を施したとき、鋼材は変形し易くなっているが、この低温熱処理時に炭化物を析出（二次析出）させると、この変形を抑制することが可能となる。

前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどは、熱処理変形を抑制可能である限り、単独で添加しても２種以上組み合わせて添加してもよい。これらの元素による熱処理変形の抑制能は、下記式（１ａ）によって見積もることができる。該式（１ａ）によって算出される値が大きくなる程、熱処理変形を高度に抑制できる。式（１ａ）によって算出される値は、０．４５以上、好ましくは０．５０以上、さらに好ましくは０．６以上とする。
[Cr]／３＋[Mo]／２＋２×[V]＋[Ti］＋[Nb]＋[W]／２ …（１ａ）
［式中、[Cr]、[Mo]、[V]、[Ti］、[Nb]、及び[W]は、鋼材中のそれぞれの元素の含有量（質量％）を意味する］

一方、前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどを過剰に添加すると、冷間曲げ加工性が劣化し易くなる。冷間曲げ加工性に及ぼす影響は、下記式（２ａ）によって見積もることができる。該式（２ａ）によって算出される値が小さい程、冷間曲げ加工性が良好となる。式（２ａ）によって算出される値は、２．０以下、好ましくは１．８以下、さらに好ましくは１．６以下とすることが推奨される。
[C]＋[Si]／５＋[Mn]／５＋４×[Cr]／１０＋[Mo]／２＋[V]／２＋[Ni]／２０…（２ａ）
［式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]、及び[Ni]は、鋼材中のそれぞれの元素の含有量（質量％）を示す］

なおＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどは、それぞれ、下記に示す量以下とすることが推奨される。そして式（１ａ）の値を大きくしたい場合は、下記に示す範囲内で複数の元素を組み合わせて添加することが推奨される。
Ｃｒ：例えば、２％以下、好ましくは１．７％以下、さらに好ましくは１．５％以下。
Ｍｏ：例えば、２％以下、好ましくは１．７％以下、さらに好ましくは１．５％以下。
Ｖ：例えば、０．５％以下、好ましくは０．４％以下、さらに好ましくは０．３％以下。
Ｔｉ：例えば、０．１５％以下、好ましくは０．１２％以下、さらに好ましくは０．１０％以下。
Ｎｂ：例えば、０．５％以下、好ましくは０．４％以下、さらに好ましくは０．３％以下。
Ｗ：例えば、０．５％以下、好ましくは０．３％以下、さらに好ましくは０．２％以下。

また前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどは、それぞれ、下記に示す量以上とすることが多い。
Ｃｒ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上。
Ｍｏ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上。
Ｖ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．０３％以上、さらに好ましくは０．０５％以上。
Ｔｉ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０３％以上。
Ｎｂ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．１０％以上。
Ｗ：例えば、０．０１％以上、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．１０％以上。

残部はＦｅ及び不可避不純物であってもよい。なお製鋼時には脱酸剤として使用されるＡｌも、鋼中では積極的な有用性はなく不可避不純物とされる。従って鋼中のＡｌの量は、不純物量程度、例えば、０．０５％以下程度であり、特に脱酸剤として使用しない場合には０．００５％以下程度である。

上述した種々の元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ａｌなど）は、好ましくは下記に示す第１の組み合わせ、又は第２の組み合わせを満足するように添加してもよい。

（１）第１の組み合わせ
Ｃ：０．３５〜０．５５％
Ｓｉ：０．５％以下
Ｍｎ：０．３〜１．０％
Ｎｉ：０．２〜１．０％
Ｃｒ：０．２〜１．５％
Ｍｏ：０．５〜２．０％
Ｖ：０．５％以下
Ｔｉ：０．１５％以下
Ｎｂ：０．５％以下
Ｗ：０．５％以下
Ａｌ：０．０５％以下
この第１の組み合わせでは、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗのバランスが適切に保たれているため、高強度を維持したまま、加工性をさらに良好にできる。

（２）第２の組み合わせ
Ｃ：０．４０〜０．７５％（好ましくは０．５０〜０．７５％）
Ｓｉ：１．０〜２．５％
Ｍｎ：０．１〜１．０％（好ましくは０．５〜１．０％）
Ｎｉ：０．６％以下（好ましくは０．５％以下）
Ｃｒ：０．５〜２．０％
Ｍｏ：０．５％以下
Ｖ：０．５％以下
Ｔｉ：０．１％以下
Ｎｂ：０．５％以下
Ｗ：０．５％以下
Ａｌ：０．０５％以下
この第２の組み合わせでは、Ｓｉによる軟化抵抗向上効果が十分に発揮され、強度が極めて優れている。

本発明の鋼材に、伸線、焼入れ・焼戻し、冷間曲げ加工、低温熱処理などを施して鋼部品を製造したとき、該鋼部品には前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗなどの炭化物が二次析出している。このような鋼部品は、低温熱処理時の熱変形が抑制されているため、寸法精度に優れている。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実験例１
小型実験炉を用いて下記表１に示す種々の成分の鋼を溶製し、熱間圧延した。この熱間圧延材（線材）を直径４．０ｍｍまで伸線した後、焼入れ焼戻し（焼入れの加熱条件：温度９２０℃×３０分、焼戻しの加熱条件：温度５００℃×３０分）した。次いで直径４．０ｍｍの芯金に前記焼入れ焼戻し材を巻き付けてばね形状とした後（巻数：５回、コイル長：２４ｍｍ）、低温焼鈍（焼鈍の加熱条件：温度５００℃×６０分）した。

低温焼鈍後のコイル長を測定し、下記式に基づいて変形量を算出した。
変形量（％）＝（焼鈍後のコイル長−焼鈍前のコイル長）／焼鈍前のコイル長×１００
結果を、式（１ａ）及び式（２ａ）の算出結果と共に表２に示す。また式（１ａ）と変形量との関係を図１に示す。

表２及び図１から明らかなように、式（１ａ）によって算出される値が大きいほど、変形量を抑制できる。

本発明の冷間曲げ加工用鋼材は、冷間曲げ加工後の熱処理時の変形抵抗に優れている。そのため曲げ加工精度が要求される種々の鋼部品、例えば、ばね、ピストンリングなどに有利に使用できる。

図１は実験例１における式（１ａ）と変形量との関係を示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．３５〜０．５５％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
Ｎｉ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：０．２〜１．５％、
Ｍｏ：０．５〜２．０％、
を含有し、
さらに、Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．１５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、及びＷ：０．５％以下から選択された少なくとも一種を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、下記式（１）および下記式（２）を満足することを特徴とする冷間曲げ加工用鋼材。
[Cr]／３＋[Mo]／２＋２×[V]＋[Ti］＋[Nb]＋[W]／２≧０．６ …（１）
［式中、[Cr]、[Mo]、[V]、[Ti］、[Nb]、及び[W]は、鋼材中のそれぞれの元素の含有量
（質量％）を示す］
[C]＋[Si]／５＋[Mn]／５＋４×[Cr]／１０＋[Mo]／２＋[V]／２＋[Ni]／２０≦１．６
…（２）
［式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]、及び[Ni]は、鋼材中のそれぞれの元素の含有量（質量％）を示す］