JP5233409B2 - 冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車部品に適用して好適な、冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法に関するものである。
自動車の構造用部品は、冷間鍛造などにより所定の部品形状に成形加工されるが、近年の省エネルギー化の促進に伴い、冷間鍛造前の焼鈍処理などを省略する指向が強くなっており、圧延ままでの冷間鍛造性の一層の向上が要求されている。
例えば、特許文献１に開示された技術では、Ｃ：0.38％超〜0.58％、Si：0.01〜0.15％、Mn：0.85〜1.7％、Ｓ：0.005〜0.15％、Cr：0.35％以下、Ｂ：0.0005〜0.005％、Al：0.015〜0.05％、Ｎ：0.007％未満、Ti：0.015〜3.4Ｎ＋0.02％、Ｐ：0.025％以下およびＯ：0.0025％以下の成分組成を有し、フェライト結晶粒度が25μm以下、フェライトバンド評点が１〜５である、高強度特性と低熱処理歪み特性に優れた高周波焼入れ用鋼材が示されている。
しかしながら、ここに開示された鋼は、そもそも高周波焼入れを前提としているために、Ｃ及びMn量が高く、圧延ままでの冷間鍛造性には劣るものであった。
また、特許文献２には、Ｃ：0.10〜0.40％、Si：0.05〜1.5％、Mn：0.3〜3.0％、Mo：0.5％以下、N：0.02％以下、且つNb、Ti、Zr、TaおよびHfよりなる群から選んだ、少なくとも1種の元素を0.5％以下で且つ、所定の関係の下で含有し、1250℃以上の温度で均熱処理し、1000℃以上の温度で浸炭加熱処理する、疲労特性に優れた高強度機械構造用鋼材が示されている。
しかしながら、当該公報には、圧延ままでの冷間鍛造性は言及されておらず、1250℃以上の均熱処理を設定するのは、浸炭焼入れ時におけるNb、Ti、Zr、TaおよびHfの固溶を促進し、浸炭焼き入れ後におけるSM値の上昇効果を発揮させるとともに、焼入れ時の結晶粒成長を抑えて芯部靱性の低下を抑えるためと記載されている。すなわち、従来開示されている技術においては、圧延ままで十分な冷間鍛造性を実現するためには改良の余地があった。
特許３８０９００４号公報
特開２００７−３９７３２号公報
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであり、圧延ままでも優れた冷間鍛造性を有する機械構造用鋼について、その有利な製造方法に併せて提供することを目的とする。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
（１）Ｃ：0.18〜0.33mass％、Si：0.03〜0.3mass％、Mn：0.2〜0.8mass％、Cr：0.2mass％以下およびＳ：0.002〜0.03mass％を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、フェライトおよびパーライトからなる組織を有し、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点が1未満であることを特徴とする冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼。
（１）Ｃ：0.18〜0.33mass％、Si：0.03〜0.3mass％、Mn：0.2〜0.8mass％、Cr：0.2mass％以下およびＳ：0.002〜0.03mass％を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、フェライトおよびパーライトからなる組織を有し、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点が1未満であることを特徴とする冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼。
（２）Ｃ：0.18〜0.33mass％、Si：0.03〜0.3mass％、Mn：0.2〜0.8mass％、Cr：0.2mass％以下およびＳ：0.002〜0.03mass％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、1150〜1300℃の温度域で１〜20時間均熱処理したのち、減面率90％以上の熱間圧延を施し、次いで800℃〜500℃の温度範囲を１〜５℃／秒の速度で冷却することを特徴とする冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼の製造方法。
本発明によれば、圧延ままで冷間鍛造性に卓越した鋼材を得られるから、特に省エネルギー等の要求に対し偉効を奏する。
以下、本発明の機械構造用鋼について、詳しく説明する。
まず、本発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.18〜0.33mass％
Ｃは、機械構造用部品として必要な強度を確保する上で重要な元素であり、0.18mass％未満では硬さ不足により冷間鍛造後の静的強度が不足するため、0.18mass％以上で含有させる。一方、Ｃを0.33mass％を超えて含有させると、冷間鍛造性が劣化して、割れが生じたり、鍛造金型寿命が低下するという不利が生じる。したがって、Ｃ量は0.18〜0.33mass％に限定する。より好ましくは、0.22〜0.28mass％である。
まず、本発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.18〜0.33mass％
Ｃは、機械構造用部品として必要な強度を確保する上で重要な元素であり、0.18mass％未満では硬さ不足により冷間鍛造後の静的強度が不足するため、0.18mass％以上で含有させる。一方、Ｃを0.33mass％を超えて含有させると、冷間鍛造性が劣化して、割れが生じたり、鍛造金型寿命が低下するという不利が生じる。したがって、Ｃ量は0.18〜0.33mass％に限定する。より好ましくは、0.22〜0.28mass％である。
Si：0.03〜0.3mass％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、鋼に必要な強度を与えるのに有用であるが、その効果を発揮させるには0.03mass％以上の添加を必要とする。しかし、Siを過剰に添加すると冷間鍛造性を劣化させるため、0.3mass％を上限とした。より好ましくは0.1〜0.2mass％である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、鋼に必要な強度を与えるのに有用であるが、その効果を発揮させるには0.03mass％以上の添加を必要とする。しかし、Siを過剰に添加すると冷間鍛造性を劣化させるため、0.3mass％を上限とした。より好ましくは0.1〜0.2mass％である。
Mn：0.2〜0.8mass％
Mnは、Siと同様に、脱酸剤として作用するとともに、鋼に必要な強度を与えるのに有用である。その効果を発揮させるには、0.2mass％以上の添加を必要とする。しかし、Mnを多量に添加すると冷間鍛造性を劣化させるため、0.8mass％を上限とした。より好ましくは0.3〜0.6mass％である。
Mnは、Siと同様に、脱酸剤として作用するとともに、鋼に必要な強度を与えるのに有用である。その効果を発揮させるには、0.2mass％以上の添加を必要とする。しかし、Mnを多量に添加すると冷間鍛造性を劣化させるため、0.8mass％を上限とした。より好ましくは0.3〜0.6mass％である。
Cr：0.2mass％以下
Crは、セメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化する。そのため、Crの偏析があると熱間圧延後の冷却過程でパーライトの生成にむらを生じ易くなる。したがって、Crの含有量は極力低減することが望ましいが、0.2mass％までは許容される。より好ましくは0.15mass％以下である。
Crは、セメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化する。そのため、Crの偏析があると熱間圧延後の冷却過程でパーライトの生成にむらを生じ易くなる。したがって、Crの含有量は極力低減することが望ましいが、0.2mass％までは許容される。より好ましくは0.15mass％以下である。
Ｓ：0.002〜0.03mass％
Ｓは、鋼中でMnSを形成し被削性を向上させる有用元素であるが、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより疲労強度を低下させる弊害もあるため、0.03mass％を上限とする。一方、その含有量が0.002mass％に満たないと被削性を著しく悪化させるため、0.002mass％を下限とする。より好ましくは0.008〜0.02mass％である。
上記した元素以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
Ｓは、鋼中でMnSを形成し被削性を向上させる有用元素であるが、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより疲労強度を低下させる弊害もあるため、0.03mass％を上限とする。一方、その含有量が0.002mass％に満たないと被削性を著しく悪化させるため、0.002mass％を下限とする。より好ましくは0.008〜0.02mass％である。
上記した元素以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
以上、成分組成範囲について説明したが、本発明では、上記の範囲に限定するだけでは不十分であり、さらに、フェライトおよびパーライトからなる組織を有し、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点が1未満であることが肝要である。
すなわち、フェライトおよびパーライトからなる組織とするのは、ベイナイトあるいはマルテンサイト、又はそれらのいずれかを含んだ組織では、冷間鍛造性に劣るためである。
すなわち、フェライトおよびパーライトからなる組織とするのは、ベイナイトあるいはマルテンサイト、又はそれらのいずれかを含んだ組織では、冷間鍛造性に劣るためである。
このフェライトおよびパーライトからなる組織において、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点が1未満である必要がある。なぜなら、フェライトバンド評点が１以上では、組織が均一でないため、変形を受けた際に歪がフェライトの層状組織あるいはパーライトの層状組織に集中することにより、破壊起点となり易く、結果として冷間鍛造性が劣るためである。
ここで、フェライトバンドの測定は、ナイタールエッチングにより、フェライトおよびパーライトが現出するようにエッチングし、光学顕微鏡により100倍で観察し、日本金属学会誌第３４巻第９６１頁に示されるミクロ組織と対比し、フェライトバンド評点として判定する。
ちなみに、フェライトバンド評点は、「日本金属学会誌第３４巻第９号第９６１頁」において、１〜７の７段階に評点化されている。該評点では、評点の番号が小さいほどフェライトバンドが軽微であり、図１に評点１〜３を示すように、該評点の番号が大きいほどフェライトバンドが顕著であることを示している。
次に、上記した機械構造用鋼を製造するための方法について説明する。
上述の成分組成範囲に調整された鋼素材、例えば連続鋳造した鋼片を、1150〜1300℃の温度域で１〜20時間均熱処理したのち、減面率90％以上の熱間圧延を施し、次いで800℃〜500℃の温度範囲を１〜５℃／秒の速度で冷却することによって、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点を１未満とする。
上述の成分組成範囲に調整された鋼素材、例えば連続鋳造した鋼片を、1150〜1300℃の温度域で１〜20時間均熱処理したのち、減面率90％以上の熱間圧延を施し、次いで800℃〜500℃の温度範囲を１〜５℃／秒の速度で冷却することによって、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点を１未満とする。
まず、均熱処理における温度範囲を1150〜1300℃とするのは、加熱温度が1150℃未満ではフェライトバンドと呼ばれるフェライト／パーライトの縞状組織が顕著に現れるためである。一方、1300℃を超えてもフェライトバンドを抑制する効果は少なく、逆にオーステナイトを著しく粗大化させるため、1150℃〜1300℃とした。
同様に、均熱処理時間を１〜20時間とするのは、１時間未満ではフェライトバンドの抑制効果が少なく、20時間を超えるとフェライトバンドの抑制効果が飽和するためである。より好ましくは、1200〜1280℃で５〜15時間である。
同様に、均熱処理時間を１〜20時間とするのは、１時間未満ではフェライトバンドの抑制効果が少なく、20時間を超えるとフェライトバンドの抑制効果が飽和するためである。より好ましくは、1200〜1280℃で５〜15時間である。
また、フェライトバンド評点を１未満とするためには、上記均熱処理条件を操作した上、続く熱間圧延での減面率を90％以上とし、さらに800℃〜500℃の温度範囲を１〜５℃／秒の速度で冷却する必要がある。
すなわち、減面率は高いほどフェライトバンドの抑制には好ましいが、圧延機の荷重制約なども考慮すると、90％以上であれば有効である。より好ましくは95％以上である。
また、800℃〜500℃の温度範囲を１℃／秒未満で徐冷すると、Ｃの拡散が進行してフェライトバンドを形成しやすくなり、一方５℃／秒を超えて冷却すると、ベイナイトの生成をまねき、冷間鍛造性が著しく悪化するため、１〜５℃／秒の冷却速度に限定する。より好ましくは1.5〜4℃／秒である。
すなわち、減面率は高いほどフェライトバンドの抑制には好ましいが、圧延機の荷重制約なども考慮すると、90％以上であれば有効である。より好ましくは95％以上である。
また、800℃〜500℃の温度範囲を１℃／秒未満で徐冷すると、Ｃの拡散が進行してフェライトバンドを形成しやすくなり、一方５℃／秒を超えて冷却すると、ベイナイトの生成をまねき、冷間鍛造性が著しく悪化するため、１〜５℃／秒の冷却速度に限定する。より好ましくは1.5〜4℃／秒である。
表１に示す成分組成になる溶鋼を転炉にて溶製し、連続鋳造にて鋼片とし、この鋼片に、表２に示す条件にて均熱処理及び熱間圧延を施して棒鋼に仕上げた。なお、減面率は仕上がり棒鋼径を変更することにより行った。また、熱間圧延後の冷却速度は必要に応じて、徐冷炉、空冷、衝風および油冷により変更した。
かくして得られた棒鋼を、冷間鍛造試験に供した。冷間鍛造試験は、上記圧延ままの素材棒鋼の直径の１／４深さ位置から、６mmφ×９mm長の据込み試験片を採取し、該試験片の組織におけるフェライトバンド評点を上述に従って判定するとともに、該試験片を日本塑性加工学会 冷間鍛造分科会基準の冷間据込み試験方法に準拠して評価した。得られた評価結果を、表２に併記する。なお、フェライトバンド評点を１未満と判定した組織の写真を図１に示す。
表１および表２より、成分組成、均熱処理条件、熱間圧延後の冷却条件および組織のいずれもが本発明の範囲を満たす場合には、冷間鍛造性に優れていることが判る。
これに対し、成分組成、均熱処理条件、熱間圧延後の冷却条件および組織のいずれかが本発明の条件を満足しない比較例は、冷間鍛造性が劣っている。
これに対し、成分組成、均熱処理条件、熱間圧延後の冷却条件および組織のいずれかが本発明の条件を満足しない比較例は、冷間鍛造性が劣っている。
Claims (2)
- Ｃ：0.18〜0.33mass％、
Si：0.03〜0.3mass％、
Mn：0.2〜0.8mass％、
Cr：0.2mass％以下および
Ｓ：0.002〜0.03mass％
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、フェライトおよびパーライトからなる組織を有し、圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンド評点が1未満であることを特徴とする冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼。 - Ｃ：0.18〜0.33mass％、
Si：0.03〜0.3mass％、
Mn：0.2〜0.8mass％、
Cr：0.2mass％以下および
Ｓ：0.002〜0.03mass％
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、1150〜1300℃の温度域で１〜20時間均熱処理したのち、減面率90％以上の熱間圧延を施し、次いで800℃〜500℃の温度範囲を１〜５℃／秒の速度で冷却することを特徴とする冷間鍛造性に優れた機械構造用鋼の製造方法。
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