JP4909247B2 - 冷間加工性にすぐれた鋼材および冷間加工部品 - Google Patents
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(1) C:0.06〜0.5%(質量%、以下同じ。)、Si:0.01〜0.1%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.05%以下(0%を含まない。)、S:0.05%以下(0%を含まない。)、Sn:0.6%以下(0%を含まない。)、N:0.04%以下(0%を含まない。)を含有し、残部はFeおよび不可避の不純物から成り、固溶N(Sol.N)の含有量が0.006%以上で、固溶Nに対するSnの量的比率が下式(1)を満足することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材。
(2)N:0.007%以上を含む上記(1)項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(3)Al:0.2%以下(0%を含まない。)、Zr:0.2%以下(0%を含まない。)、Ti:0.2%以下(0%を含まない。)、Nb:0.5%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。)、Hf:0.1%以下(0%を含まない。)ならびにB:0.002%以下(0%を含まない。)より成る群から選ばれる1種または2種以上の選択元素を含有し、Nと選択元素との量的関係が下式(2)を満足することを特徴とする上記(1)または(2)項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
+14*Nb(%)/92.9+14*V(%)/50.9
+14*Zr(%)/91.2+14*B(%)/10.8
+14*Ta(%)/180.9+14*Hf(%)/178.5}
≧0.006%・・・(2)
ただし、式中*は積を表す。
(4)Cr:2%以下(0%を含まない。)を含有する上記(1)ないし(3)項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(5)Cu:5%以下(0%を含まない。)を含有する上記(1)ないし(4)項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(6)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。)を含有する上記(1)ないし(5)項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(7)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。)を含有する上記(1)ないし(6)項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(8)Ca:0.05%以下(0%を含まない。)、REM: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:0.3%以下(0%を含まない。)、Bi:0.2%以下(0%を含まない。)より成る群から選ばれる1種または2種以上を含有する上記(1)ないし(7)項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
(9)上記(1)ないし(8)項のいずれかに記載の鋼材を加工温度200℃以下で冷間加工してなることを特徴とする冷間加工部品。
(10)部品強度が冷間加工時の変形抵抗に対して下式(3)の関係を充足することを特徴とする上記(9)項に記載の冷間加工部品。
H :冷間加工後の部品強度(Hv)
DR:冷間加工時の変形抵抗(MPa)
各成分の役割および含有量の限定理由について以下に詳述する。
・C:0.06〜0.5%
Cは、脱酸元素であって、0.06%以上含有することが必要であり、それより少ないと、凝固過程でガスが発生して変形能が劣化する等の欠陥を生ずる。より好ましい下限は0.07%である。しかし、C量が過剰になると、変形抵抗の上昇による冷間加工性の劣化およびC化合物の増加による被削性の劣化を招くため、その上限を0.5%とし、好ましくは0.45%である。
・Si:0.01〜0.1%
Siは製鋼過程の脱酸剤として使用される元素で、含有量が少ないと、脱酸不足により凝固過程でガスが発生し、変形能が劣化する等の欠陥が生ずるので、0.01%以上添加する必要があり、好ましい下限は、0.02%である。しかし、過剰添加は割れ発生や変形抵抗の増大を招くため、上限を0.1%とし、好ましい上限は0.09%である。
・Mn:0.2〜1.5%
Mnは製鋼過程における脱酸・脱硫元素であり、含有量が少ないと、結晶粒界にFeSが膜状に析出して粒界強度を著しく低下させ変形能を劣化するので、0.2%以上添加する必要がある。より好ましい下限は0.3%である。しかし、過剰添加は、変形抵抗の増大を招き、冷間加工性を劣化させるため、その上限を1.5%とする。好ましい上限は1.2%である。
・P:0.05%以下(0%を含まない。)
Pは不可避の不純物元素であるが、これがフェライトに含有するとフェライト粒界に偏析して冷間加工性を劣化させる一方、フェライトを固溶強化して変形抵抗が増大する。したがって、Pは冷間加工性の観点から極力低減することが望ましいが、極端な低減は製鋼コストの増加を招くので、工程能力を考慮して、上限を0.05%とする。好ましくは、0.03%以下とするが、完全に0とすることは工業的に困難である。
・S:0.05%以下(0%を含まない。)
Sも不可避の不純物元素であるが、この含有はMnSの介在物を形成し、冷間加工性を劣化させるので、極力低減することが望ましく、変形能の観点から上限を0.05%とし、好ましくは0.03%以下である。しかし、他方でSは被削性の向上に有効な元素であり、極端な低減は被削性を劣化させるので、被削性を考慮して、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.006%以上含有させるのがよい。
・Sn:0.6%以下(0%を含まない。)
Snは本発明がもっとも重要とする積極的添加元素であり、冷間加工中にあって、固溶Nによる鋼材の変形抵抗の増大を抑制するのに有効に作用する。しかし、Snは素材鋼の連続鋳造時にフェライト粒界に偏析して脆化を促進させるため、過剰な添加を避けて上限を0.6%とし、より好ましくは0.55%以下とする。なお、Sn量の下限は、固溶N量との関係から、以下に説明する式(1)の条件を満足させるために0.06%以上添加する必要があり、好ましくは0.1%以上とする。
・N:0.04%以下(0%を含まない。)
Nは鋼中に固溶して冷間加工後の鋼部品強度を向上させる効果があり、本発明では、上記したSnと共存して含有させる重要な元素である。しかし、鋼中の全N量が過剰であると、固溶N量も過剰となり、鋼材の冷間加工時に割れが生ずることがあり、さらに、鋼材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、材質の安定性および連続鋳造時の歩留まり向上の観点から、鋼中の全N量の上限を0.04%とし、より好ましくは0.03%以下とする。
・固溶N量:0.006%以上
固溶N(Sol.N)は、上述したように、冷間加工後の部品強度を向上させる効果があり、所望の部品強度を確保するために、0.006%以上を含有させる点にこの発明の大きな特徴がある。固溶N量は、好ましくは、0.007%以上、より好ましくは、0.008%以上がよい。しかし、固溶N量が過剰になると、冷間加工性が劣化するため、好ましくは0.03%以下である。なお、固溶N量の上限は、当然、鋼中の全N量の上限である0.04%を超えることはない。
供試鋼素材からサンプルを切り出して、るつぼに入れ、不活性ガス気流中で融解してNを抽出し、熱伝導度セルに搬送して熱伝導度の変化を測定する。
この方法は、供試鋼素材から切り出されたサンプルを10%AA系電解液中に融解し定電流電解を行なって、鋼中の全N化合物量を測定するものである。この電解液は10%アセチルアセトン、10%塩化テトラメチルアンモニウム、残部:メタノールからなる非水溶媒系の電解液であり、鋼表面に不働態皮膜を生成させない溶液である。
・10≦Sn/Sol.N≦40・・・(1)
本発明では、鋼中の固溶Nによる鋼材の変形抵抗の増大を抑制するために必要とされるSnの割合を定量的に規定する目的で、上述の基本的な鋼成分を前提にして多数の実験結果の集約から帰結した本式を使用することが特徴である。
Zr:好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.03%以下
Ti:好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.03%
Nb:好ましくは0.3%以下、より好ましくは0.1%以下
V:好ましくは0.3%以下、より好ましくは0.1%以下
Ta:好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.02%以下
Hf:好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.02%以下
B:好ましくは0.001%以下、より好ましくは0.0008%以下
一方、これら元素のN化合物の生成は、鋼の結晶粒を微細化し、冷間加工後に得られる部品の靭性を向上し、同時に耐割れ性を向上させるために有効に機能する。したがって、各元素の含有上限は上記のとおりとするが、その上限以下であれば、より好ましい下記の範囲が必要に応じて選択されてよい。
Zr:好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上
Ti:好ましくは 0.002%以上、より好ましくは0.004%以上
Nb:好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上
V:好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上
Ta:好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上
Hf:好ましくは0.001%以上、より好ましくは0.002%以上
B:好ましくは0.0001%以上、より好ましくは0.0002%以上
そして、本発明では、基幹的鋼組成について、必須成分のSnと固溶Nとの比率について式(1)の条件を付加したように、上記選択元素の追添時にも同じ根拠にもとづいて、下式(2)が充足されることを条件とする。
+14*Nb(%)/92.9+14*V(%)/50.9
+14*Zr(%)/91.2+14*B(%)/10.8
+14*Ta(%)/180.9+14*Hf(%)/178.5}
≧0.006%・・・(2)
上式中の係数は、Nと親和力が強い元素、たとえばAlの原子量をNの原子量で除した値である。また、記号*は積(×)を意味することとする。
・Cr:2%以下(0%を含まない。)
Cr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り、必要に応じて、好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.2%以上含有できる。しかし、Crの過剰添加は変形抵抗を増大し、冷間加工性が低下するので、好ましくは1.5%以下、より好ましくは1%以下がよい。
・Cu:5%以下(0%を含まない。)
Cuは鋼材をひずみ時効にて硬化させる作用により、加工後の部品強度を向上させることができる。好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.5%以上を含有させるとよい。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できず、かえって冷間加工性の劣化を招き、部品の表面性状を悪化させるなどの不具合が生ずるため、上限は5%とし、好ましくは4%以下、より好ましくは3%以下がよい。
・Ni:5%以下および/またはCo:5%以下(0%を含まない。)
Niはフェライト−パーライト鋼の変形能を向上させるのに有効であり、また、Cuとの併添時に鋼材表面に発生する表面欠陥の防止に有効であり、好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.5%以上を含有させるとよい。なお、Cuを添加する場合は、Cuと同量かその7割程度のNiを添加するのがよい。しかし、5%を超えて添加しても効果が飽和し、逆に冷間加工性を劣化するので、上限は5%とし、好ましくは4%以下、より好ましくは3%以下がよい。
・Mo:2%以下および/またはW:2%以下(0%を含まない。)
Moは、加工後の鋼材の硬さおよび変形能を増加させる作用があり、好ましくは0.04%以上、より好ましくは0.08%以上を含有させることができる。しかし、2%を超える添加は冷間加工性を劣化させるため、上限は2%、好ましくは1.5%以下、より好ましくは1%以下である。
・Ca:0.05%以下(0%を含まない。)
Caは、MnSなどの硫化化合物系介在物を球状化させ、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与する元素であり、好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は0.05%とし、好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%以下である。
・REM:0.05%以下(0%を含まない。)
REMもCaと同様にMnSなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与するので、好ましくは0.005%以上、より好ましくは0.01%以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は0.05%とし、好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%以下である。
・Mg:0.02%以下(0%を含まない。)
MgもCaと同様にMnSなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与するので、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.005%以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は0.02%とし、好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下である。
・Li:0.02%以下(0%を含まない。)
LiはCaと同様にMnSなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めることができ、また、Al系酸化物を低融点化して無害化することにより、被削性も向上するので、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.005%以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は0.02%とし、好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下である。
・Pb:0.3%以下(0%を含まない。)
Pbは被削性向上元素として、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.02%以上を含有させることができる。しかし、0.3%を超えると圧延疵等の製造上の問題を生ずるため、上限は0.3%とし、好ましくは0.28%以下、より好ましくは0.25%以下である。
・Bi:0.2%以下(0%を含まない。)
BiもPbと同様に被削性の向上に有効であり、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.02%以上を含有させることができるが、0.2%を超えるとその効果が飽和するため、上限は0.2%とし、好ましくは0.18%以下、より好ましくは0.15%以下である。
H :冷間加工後の部品強度(Hv)
DR:冷間加工時の変形抵抗(MPa)
ここでの冷間加工法には、冷間鍛造、冷間圧造、冷間転造、冷間引き抜きあるいは冷間押出し等が含まれる。また、部品の加工に必要であれば、伸線や圧延等の加工も実施してよい。なお、冷間加工は、通常、室温で実施されるが、0℃以下では、温度依存性の影響により変形抵抗が逆に高くなるため、加工温度の好ましい下限は0℃とする。なお、加工温度とは、加工時における鋼材の雰囲気温度のことである。
本発明は、以上に説明して来たように、Snを含有し、同時にSn量と全含有Nならびに固溶Nとの量的関係を規制することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材である。また、この鋼材から製造された製品部品も上述のとおり、よい強度を有するが、目的とする部品によって、素材鋼により以上の強度あるいはより適切な変形抵抗を求められる場合、あるいはその他の事情によっては、別途つぎの対策を付加的に実施することができる。
H :冷間加工後の部品強度(Hv)
DR:冷間加工時の変形抵抗(MPa)
表6、7から明らかなように、好ましい加工条件(圧縮率および加工温度)において、本発明が規定する化学成分量および固溶N量の要件を満たす実施例鋼は、いずれも冷間加工性がすぐれており、これから得られた部品製品もすべて高強度を確保していることがわかる。しかも、この高強度と同程度の部品強度を確保しようとすると、より変形抵抗の大きい鋼材の使用が余儀なくされ、それが必然的に金型の寿命低下を招来することになる。この点で本発明鋼のすぐれた冷間加工性がよく理解される。以下に各比較材についてこの点を考察する。
Claims (10)
- C:0.06〜0.5%(質量%、以下同じ。)、Si:0.01〜0.1%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.05%以下(0%を含まない。)、S:0.05%以下(0%を含まない。)、Sn:0.6%以下(0%を含まない。)、N:0.04%以下(0%を含まない。)を含有し、残部はFeおよび不可避の不純物から成り、固溶N(Sol.N)の含有量が0.006%以上で、固溶N量に対するSn量の比率が下式(1)を満足することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材。
10≦Sn/Sol.N≦40・・・(1) - N:0.007%以上を含む請求項1に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- Al:0.2%以下(0%を含まない。)、Zr:0.2%以下(0%を含まない。)、Ti:0.2%以下(0%を含まない。)、Nb:0.5%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。)、Hf:0.1%以下(0%を含まない。)ならびにB:0.002%以下(0%を含まない。)より成る群から選ばれる1種または2種以上の選択元素を含有し、Nとこれら選択元素との量的関係が下式(2)を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
N(%)−{14*Al(%)/27+14*Ti(%)/47.9
+14*Nb(%)/92.9+14*V(%)/50.9
+14*Zr(%)/91.2+14*B(%)/10.8
+14*Ta(%)/180.9+14*Hf(%)/178.5}
≧0.006%・・・(2)
ただし、式中*は積を表す。 - Cr:2%以下(0%を含まない。)を含有する請求項1ないし3のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- Cu:5%以下(0%を含まない。)を含有する請求項1ないし4のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- 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5のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- 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6のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- Ca:0.05%以下(0%を含まない。)、REM: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:0.3%以下(0%を含まない。)、Bi:0.2%以下(0%を含まない。)より成る群から選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1ないし7のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の鋼材を200℃以下の加工温度で冷間加工してなることを特徴とする冷間加工部品。
- 強度が冷間加工時の変形抵抗に対して下式(3)の関係を充足していることを特徴とする請求項9に記載の冷間加工部品。
H≧(DR+1000)/6・・・(3)
H :冷間加工後の部品強度(Hv)
DR:冷間加工時の変形抵抗(MPa)
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