JP4699341B2 - 疲労限度比に優れた高強度熱間鍛造非調質鋼部品 - Google Patents
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MP=[{[Nb]/93}+{[Ti]/48}]/[{[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}]・・・(1)
式中、[ ]は、前記析出物中に含まれる元素の含有量(質量%)を意味する。
(ア)10%アセチルアセトン、80%メタノール、および10%塩化テトラメチルアンモニウムを含有する電解液を用い、TEM観察用の抽出レプリカを作製する。
(イ)次に、抽出レプリカ法で処理した試料を、倍率10万倍でTEM観察し、任意に、粒径が15nm以下の析出物20個を測定した後、当該析出物中に含まれるTi、Nb、VをEDX分析する。
(ウ)次いで、前述した式(1)に基づき、各析出物のMP値を算出する。これにより、TEM観察(10万倍)によって同定された上記析出物(合計20個)中、MP≧0.05を満足する析出物の個数が得られるので、全析出物中、MP≧0.05を満足する析出物の比率を算出しておく(この比率を「X」とする)。
(エ)次に、任意の領域について、TEMにて倍率15万倍で20視野分の写真(20視野の合計面積0.75μm 2 )を撮影し、粒径15nm以下の析出物の個数を算出する。このようにして得られた析出物の個数(20視野分の合計個数)を、1μm 2 当たりの個数に換算する(この個数を「Y」とする)。
(オ)最後に、このようにして得られたY(粒径15nm以下の析出物の個数/μm 2 )に、前述したX(全析出物中、MP≧0.05を満足する析出物の比率)を乗じることによって、MP≧0.05を満足する超微細析出物の個数を得る。
まず、V含有超微細析出物について説明する。V含有超微細析出物は、(Ti、Nb、V)(C、N)析出物として表わすことができ、具体的には、例えば、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物、Ti炭化物、Ti窒化物、Ti炭窒化物、Nb−Ti複合炭化物、Nb−Ti複合窒化物、Nb−Ti複合炭窒化物、Nb−V炭化物、Nb−V窒化物、Nb−V炭窒化物、Ti−V炭化物、Ti−V窒化物、Ti−V炭窒化物、Nb−Ti−V複合炭化物、Nb−Ti−V複合窒化物、Nb−Ti−V複合炭窒化物が挙げられる。これらのうち少なくとも一種を含んでいるものはすべて、本明細書における「V含有超微細析出物」に包含される。また、本発明における析出物の存在形態は、特に限定されず、例えば、上記のNb炭化物などが単独で存在しても良いし、あるいは、上記のNb炭化物に他の析出物(例えば、Al窒化物など)が結合した状態で存在しても良い。また、CrやMoを更に含有する場合は、CrやMoを含む炭化物や炭窒化物などとして存在してもよい。
MP=[{[Nb]/93}+{[Ti]/48}]/[{[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}] ・・・ (1)
式中、[ ]は、前記析出物中に含まれる元素の含有量(質量%)を意味する。
まず、熱間鍛造後の試料を用い、D/4(Dは直径または厚み)位置から、TEM観察用の抽出レプリカを作製する。具体的には、試料が円柱状の場合、高さ方向の中央部のD/4位置(D:直径)から抽出レプリカを作製し、試料が角形状または板状の場合、長手方向および幅方向の中央部のD/4位置(D:厚み)から、抽出レプリカを作製する。抽出レプリカは、下記(a)〜(e)の手順に添って行った。
(a)10%アセチルアセトン、80%メタノール、および10%塩化テトラメチルアンモニウムを含有する電解液を用い、試料を電解腐食する。
(b)試料の表面にカーボンを蒸着させる。
(c)サンプル平面上に2〜3mm角の碁盤目状の切れ目を入れる。
(d)上記の電解液で電解腐食させ、カーボンを浮上させる。
(e)アルコール中に保存して観察に用いる。
次に、抽出レプリカ法で処理した試料を、倍率10万倍でTEM観察し、任意に、粒径が15nm以下の析出物20個を測定した後、当該析出物中に含まれるTi、Nb、VをEDX分析する。後記する実施例では、TEMとして日立製作所製「H−800」の透過型電子顕微鏡を使用している。なお、粒径は、下式に基づき、円相当径に換算したものである。
次に、任意の領域について、TEMにて倍率15万倍で20視野分の写真(20視野の合計面積0.75μm2)を撮影し、粒径15nm以下の析出物の個数を算出する。このようにして得られた析出物の個数(20視野分の合計個数)を、1μm2当たりの個数に換算する(この個数を「Y」とする)。
最後に、このようにして得られたY(粒径15nm以下の析出物の個数/μm2)に、前述したX(全析出物中、MP≧0.05を満足する析出物の比率)を乗じることによって、MP≧0.05を満足する超微細析出物の個数を得た。
次に、V非含有超微細析出物について説明する。V非含有超微細析出物は、(Ti、Nb)(C、N)析出物として表わすことができ、具体的には、例えば、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物、Ti炭化物、Ti窒化物、Ti炭窒化物、Nb−Ti複合炭化物、Nb−Ti複合窒化物、Nb−Ti複合炭窒化物が挙げられる。これらのうち少なくとも一種を含んでいるものはすべて、本明細書における「V非含有超微細析出物」に包含される。また、本発明における析出物の存在形態は、特に限定されず、例えば、上記のNb炭化物などが単独で存在しても良いし、あるいは、上記のNb炭化物に他の析出物(例えば、Al窒化物など)が結合した状態で存在しても良い。また、CrやMoを更に含有する場合は、CrやMoを含む炭化物や炭窒化物などとして存在してもよい。
Cは、パーライトを形成すると共に、Ti、Nb、Viと結合してMX型化合物を形成してフェライトを強化し、高強度化に寄与する元素である。所定の強度を確保するため、C量は、0.10%以上とする。ただし、C量が過剰になると、パーライト分率が増えすぎてフェライトによる析出強化量が低減し、かえって疲労限度比が低下するため、上限を0.50%とする。C量は、0.20%以上0.45%以下であることが好ましく、0.26%以上0.40%以下であることがより好ましい。
Siは脱酸剤として作用するほか、固溶強化によってフェライトおよびパーライトを強化し、疲労限度比の向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量を0.05%以上とする。ただし、Si量が2%を超えると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比の低下を招くため、上限を2%とする。Si量は、0.1%以上1.5%以下であることが好ましく、0.4%以上1.0%以下であることがより好ましい。
Mnは、変態温度を低下させることによってフェライトを微細化して強度や疲労限度比、更には靭性の改善に寄与する元素である。Mn量が0.3%未満では、焼入れ性改善作用が少なく、上記作用が有効に発揮されないため、下限を0.3%とする。ただし、Mn量が過剰になると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比が低下するため、その上限を3%とする。Mn量の下限は、0.5%であることが好ましく、0.75%以上であることがより好ましい。また、Mn量の上限は、2.5%以下であることが好ましく、2.0%以下であることがより好ましく、1.8%以下であることがさらに好ましい。
Alは、脱酸剤として有用であり、そのために0.005%以上添加する。ただし、Al量が過剰になると、介在物が多く発生し、疲労特性、更には靭性が低下するため、上限を0.1%とした。Al量は、0.01%以上0.07%以下であることが好ましく、0.015%以上0.05%以下であることがより好ましい。
PおよびOは、いずれも、靭性を劣化させる元素であるため、極力低減することが好ましい。ここでは、特別な精錬処理による低減化を行なわなくても靭性を著しく劣化させない量の上限として、Pを0.05%、Oを0.003%とした。これらの元素は少ないほど良く、Pは、0.03%以下であることが好ましく、0.02%以下であることがより好ましく、0.015%以下であることが更に好ましい。また、Oは、0.002%以下であることが好ましく、0.0015%以下であることがより好ましい。
Sは、MnSを形成して切削性改善に寄与する元素である。従って、切削性が要求される用途に使用する場合は、S量は、0.1%以上であることが好ましい。ただし、S量が過剰になると、靭性が劣化するため、上限を0.5%とする。S量は、0.2%以下であることが好ましい。なお、靭性が要求される場合には、S量は0.1%以下であることがより好ましい。
Nは、Ti、Nb、V(更には、必要に応じて添加されるZr、Ta、Hf)と結合してMX型化合物を生成し、引張強度や疲労限度比の向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、N量は、0.0030%以上であることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大なMX型化合物が生成し、疲労特性が低下するため、上限を0.02%とする。N量は、おおむね、0.01%以下であることが好ましく、0.007%以下であることがより好ましく、0.0055%以下であることが更に好ましい。特には、析出強化元素としてTiを添加する場合は、後記するように、所望の超微細析出物が得られるよう、Ti量に応じてN量を適切に制御することが好ましい。
これらの元素は、CやNと結合してMX型化合物を生成し、高強度化に寄与する元素である。このうち、NbやTiは、Vと異なって析出速度が非常に遅いため、NbやTiの添加により、フェライト中のMX型化合物の成長が著しく抑制され、所望とする超微細析出物が多数生成するようになる。従って、本発明では、少なくともNb及び/又はTiを含んでおり、Vは選択元素である。強度と疲労限度比の更なる向上といった観点からすれば、Vを含有していることが好ましく、Nb,Ti,Vをすべて含有していることが最も好ましい。以下、各成分について説明する。
Nb添加による上記作用を有効に発揮させるためには、Nb量は、0.022%以上であることが好ましく、0.04%以上であることがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、加熱時に固溶せずに未固溶のものが多くなり、粗大な化合物が析出しやすくなって当該粗大化合物が疲労の起点となり、疲労限度比が低下するため、上限を0.2%とする。Nb量の上限は0.1%であることが好ましく、0.08%以下であることがより好ましい。
Ti添加による上記作用を有効に発揮させるためには、上記のように、Ti量のみならず、N量と、TiとNの原子比を適切に制御する必要がある。Tiは、CよりもNとの反応性が強く、Nが0.01%以上含まれると粗大なTiNが凝固時に形成されるようになり、超微細析出物中に含まれるTi量が少なくなるためである。好ましくは、Ti:0.02%以上0.1%以下、N:0.0070%以下、Ti/N≧4.0であり、より好ましくは、Ti:0.04%以上0.08%以下、N:0.0055%以下、Ti/N≧5.0である。
V添加による上記作用を有効に発揮させるためには、V量は、0.15%以上であることが好ましく、0.2%以上であることがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、加熱時に固溶せずに未固溶のものが多くなり、粗大な化合物が析出しやすくなって当該粗大化合物が疲労の起点となり、疲労限度比が低下するため、上限を0.6%とする。V量の上限は0.5%であることが好ましく、0.4%以下であることがより好ましい。
MoおよびBは、いずれも、変態温度を低下させることでフェライトを微細化して強度や疲労限度比の改善に寄与するほか、靭性の向上にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Moを0.1%以上、Bを0.0003%以上添加することが好ましく、Moを0.2%以上、Bを0.0006%以上添加することがより好ましい。ただし、過剰に添加すると、冷却時にベイナイトなどの過冷組織が生成し、かえって疲労限度比が低下するため、上限を、Mo:1%、B:0.015%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Mo:0.75%、B:0.005%であり、更に好ましい上限は、Mo:0.5%、B:0.0035%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
Ni、Cu、およびCrは、いずれも、強度向上作用を有し、更には、靭性改善にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、下限を、Ni:0.2%、Cu:0.2%、Cr:0.3%とすることが好ましい。より好ましい下限は、Ni:0.5%、Cu:0.5%、Cr:0.5%である。ただし、過剰に添加すると、上記作用が低下するため、上限を、Ni:2%、Cu:2%、Cr:3%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Ni:1.5%、Cu:1.5%、Cr:2%であり、更に好ましい上限は、Ni:1.2%、Cu:1.2%、Cr:1.5%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
Ca、Mg、REMは、いずれも、硫化物を形成し、MnSの伸長を防いで靭性改善に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、上記元素の下限を、Ca:0.0005%、Mg:0.0002%、REM:0.0005%とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、かえって靭性が低下するため、上限を、Ca:0.005%、Mg:0.005%、REM:0.02%とすることが好ましい。より好ましい上限は、Ca:0.003%、Mg:0.003%、REM:0.01%である。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。
Zr、Ta、およびHfは、いずれも、Nと結合して安定な窒化物を形成する元素であり、加熱時のオーステナイト粒径の成長を抑制して超微細析出物の生成を促進し、特に、靭性改善に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、上記元素の下限を、Zr:0.005%、Ta:0.005%、Hf:0.005%とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大な窒化物が生成し、疲労特性が低下するため、いずれの元素も、上限を0.1%とすることが好ましい。より好ましい上限は、いずれの元素も、0.05%であり、更に好ましい上限は、いずれの元素も、0.025%である。
小型真空溶製炉を用いて表1に示すA〜Vの鋼(残部:鉄および不可避不純物)を溶製した後、鋳造した。次に、分塊均熱を模擬して、約1275℃で0.5時間加熱し、断面が155mm×155mmの鋼塊を得た。次いで、約1050℃で1時間加熱して熱間圧延を行なった後、表2に示す条件で、熱間鍛造を行ない、φ30mm×500mmの鍛造部品を得た。
このようにして得られた鍛造部品(表2のNo.1〜29)を用い、前述した方法に基づいて、MP≧0.05を満たす平均粒径15nm以下の超微細析出物の個数を算出した。更に、以下のようにして引張強度および疲労限度を測定した。
×:強度および疲労限度比の少なくともいずれか一つが×
○:引張強度および疲労限度比の両方が○
◎:引張強度○、疲労限度比◎
Claims (5)
- (1)鋼中成分は、
C :0.10〜0.50%(質量%の意味、以下同じ。)、
Si:0.05〜2%、
Mn:0.3〜3%、
Al:0.005〜0.1%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.5%以下(0%を含まない)、
O :0.003%以下(0%を含まない)、
N :0.02%以下(0%を含まない)、
Nb,Ti,Vのうち、少なくともNb及び/又はTiを含み、Vを含んでいても良く、
Nbを含む場合は、Nb:0.2%以下(0%を含まない)であり、
Tiを含む場合は、Ti:0.20%以下(0%を含まない)、N:0.010%未満(0%を含まない)、およびTi/N≧3.4をすべて満足し、
Vを含む場合は、V:0.6%以下(0%を含まない)であり、
残部:Feおよび不可避不純物を満足し、且つ、
(2)フェライト中に、Nb及び/又はTi含有析出物(Vを更に含んでいてもよい)を含有し、且つ、下式(1)で表されるMP値がMP≧0.05を満たす粒径15nm以下の前記析出物を、下記手順に従って測定したとき、前記析出物を50個/μm2以上含有することを特徴とする疲労限度比に優れた高強度熱間鍛造非調質鋼部品。
MP=[{[Nb]/93}+{[Ti]/48}]/[{[V]/51}+{[Nb]/93}+{[Ti]/48}]・・・(1)
式中、[ ]は、前記析出物中に含まれる元素の含有量(質量%)を意味する。
(ア)10%アセチルアセトン、80%メタノール、および10%塩化テトラメチルアンモニウムを含有する電解液を用い、TEM観察用の抽出レプリカを作製する。
(イ)次に、抽出レプリカ法で処理した試料を、倍率10万倍でTEM観察し、任意に、粒径が15nm以下の析出物20個を測定した後、当該析出物中に含まれるTi、Nb、VをEDX分析する。
(ウ)次いで、前述した式(1)に基づき、各析出物のMP値を算出する。これにより、TEM観察(10万倍)によって同定された上記析出物(合計20個)中、MP≧0.05を満足する析出物の個数が得られるので、全析出物中、MP≧0.05を満足する析出物の比率を算出しておく(この比率を「X」とする)。
(エ)次に、任意の領域について、TEMにて倍率15万倍で20視野分の写真(20視野の合計面積0.75μm 2 )を撮影し、粒径15nm以下の析出物の個数を算出する。このようにして得られた析出物の個数(20視野分の合計個数)を、1μm 2 当たりの個数に換算する(この個数を「Y」とする)。
(オ)最後に、このようにして得られたY(粒径15nm以下の析出物の個数/μm 2 )に、前述したX(全析出物中、MP≧0.05を満足する析出物の比率)を乗じることによって、MP≧0.05を満足する超微細析出物の個数を得る。 - 更に、Mo:1%以下、及び/又はB:0.015%以下を含有する請求項1に記載の高強度熱間鍛造非調質鋼部品。
- 更に、Ni:2%以下、Cu:2%以下、およびCr:3%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1または2に記載の高強度熱間鍛造非調質鋼部品。
- 更に、Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下、およびREM:0.02%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の高強度熱間鍛造非調質鋼部品。
- 更に、Zr:0.1%以下、Ta:0.1%以下、およびHf:0.1%以下よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高強度熱間鍛造非調質鋼部品。
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