JP5245544B2 - 疲労特性の優れたコモンレール - Google Patents
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Description
本発明者らは鋭意研究した結果、コモンレール用鋼溶製中にREMを適量添加することにより、
(1) 硫化物系介在物の平均粒径を小さくし、アスペクト比(長さ/幅)を下げられる
(2) 窒化物系介在物の平均粒径を小さくできる
(3) 酸化物系介在物の平均粒径を小さくできる
という3つの効果を同時に発現させられることを見出し、前記課題が解決できることを知見し、本発明を完成した。
なお、硫化物系介在物とは、純粋なMnSや(Mn、REM)Sが主体であるが、その他に酸化物を核として析出したMnS、(Mn、REM)S、あるいは(Mn,REM)Sを主体として含有し、Fe、Ca、Ti、Zr、Mg、等の硫化物がMnSと固溶したり、結合したりして共存している介在物を指す。また、窒化物系介在物とは、TiNやAlNを指す。また、酸化物系介在物とは、Al2O3や(Al、REM)2O3が主体であるが、一部介在物においては(Al、REM)(O、S)のようないわゆるオキシサルファイドの形をとるものも存在した。これらの介在物中のSはOと比較して十分低濃度だったため、ここではSを含まないものと区別せず酸化物系介在物と称することとした。
C:0.3〜0.5%、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.3〜1.5%、
Al:0.01〜0.1%、
Ti:0.003〜0.02%、
Cr:0.4〜1.5%、
Mo:0.1〜1.5%、
N:0.003〜0.015%、
REM:0.0003〜0.01%、
Bi:0.01〜0.03%
を含有し、
S:0.0015%以下、
P:0.035%以下、
O:0.003%以下
に制限し、
残部がFeおよび不可避不純物からなり、L断面において、長さ(L)と幅(D)の比(L/D)の平均値が4.5以下、かつ、
円相当径0.01〜5.0μmである硫化物系介在物が5×10 1 〜1×10 4 個/mm 2 分散し、円相当径5.0μmを超える硫化物系介在物が5×10 1 個/mm 2 以下であり、
円相当径0.002〜0.5μmの窒化物系介在物が1×10 3 〜1×10 6 個/mm 2 分散し、円相当径0.5μmを超える窒化物系介在物が2×10 2 個/mm 2 以下であり、
さらに円相当径0.01〜5.0μmの酸化物系介在物が5×10 1 〜1×10 4 個/mm 2 分散し、円相当径5.0μmを超える酸化物系介在物が5×10 1 個/mm 2 以下であることを特徴とするコモンレール。
Mg:0.0002〜0.01%、
Ca:0.0005〜0.01%、
Zr:0.0005〜0.02%、
Te:0.0002〜0.005%
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(1)記載のコモンレール。
(1) 硫化物系介在物の平均粒径を小さくし、アスペクト比(長さ/幅)を下げられる
(2) 窒化物系介在物の平均粒径を小さくできる
(3) 酸化物系介在物の平均粒径を小さくできる
という3つの効果と本発明の介在物の形態、分布に関する規定理由について述べる。
REMを含有する水準の硫化物系介在物の長さ(L)と幅(D)の比(L/D)の平均値は2.8、REMを含有しない水準のL/Dの平均値は3.7となり、REMを含有する硫化物系介在物のL/Dが小さくなることがわかった。REMはSとの親和力が大きく、MnSより硬質なREM−Sを形成したことが理由と考えられる。
鋼中に析出している窒化物系介在物を詳細に観察したところ、微小な酸化物を核生成サイトとして析出している窒化物系介在物、特にTiNが頻度高く存在することを見いだした。そのような微小な酸化物として、REMを含み、さらにTiとAlのいずれか1種類以上を含む酸化物(以後、TiあるいはAlが含まれずともTi−Al−REM酸化物と呼ぶ)であることを見出した。窒化物系介在物を含めたその粒子径は0.002〜0.5μmであった。
REMを添加しない場合、Al2O3を主な成分とする酸化物系介在物が生成する。Al2O3は凝集力が大きく、クラスター状の粗大酸化物系介在物を形成しやすい。しかし、Alより強い脱酸力を有するREMの添加により、一部のAl2O3が還元され、(REM、 Al)2O3なる酸化物系介在物が生成する。本実験により観察された酸化物系介在物の粒径は、REM添加水準は0.01〜5.0μmであったが、REMを添加しない水準においては5.0μmを超える粗大な酸化物系介在物がREMを添加した水準と比較して多く残存していた。メカニズムは不明であるが、REMを含有する酸化物系介在物はREMを含有しない酸化物系介在物と比較して微細に分散する傾向があり、コモンレールの疲労強度向上に有利に作用する。
単位はいずれも質量%である。
Cは静的強度だけでなく、疲労強度、靭性、延性に影響する最も基本的な元素である。Cが0.3%未満では静的強度および疲労強度が不十分である。よって下限を0.3%とする。また、0.5%を超えると靭性が劣化する。よって上限を0.5%とする。
SiはCに次いで固溶強化能が大きい重要な元素である。Siが0.05%未満では十分な強度を得ることができない。よって下限を0.05%とする。また、0.5%を超えると靭性や加工性を著しく劣化させる元素でもある。よって、上限を0.5%とする。
Mnは焼入れ性を向上させ、冷却速度が不十分な場合でも部品の内部まで硬度を確保するのに重要な元素である。Mnが0.3%未満では必要な強度が確保できない。よって下限を0.3%とする。また、1.5%を超えると靭性および加工性が劣化する。よって上限を1.5%とする。
Alは脱酸目的で用いられる必須元素であり、またAlNを生成して結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。Alが0.01%未満ではこの効果が得られにくく、結晶粒の粗大化は靭性劣化をもたらすだけでなく、部品の一部に粗大粒が発生することは機械的性質が不均一になるので望ましくない。よって下限を0.01%とする。また、0.1%を超えると、鋳造中にノズル詰まりが発生したり、鋼中に残存する酸化物系介在物が性能を劣化させたりするなどの不具合が生じやすい。よって上限を0.1%とする。
TiはAl同様窒化物を生成する元素であるが、熱的安定性に優れ、より高温まで結晶粒粗大化抑制効果を持続させる。Tiが0.003%未満ではこの効果が得られにくいため、下限を0.003%とする。また、0.02%を超えると、本発明で述べるREM添加による窒化物微細化効果が飽和し、TiN自体が粗大に成長しやすくなり、疲労強度を低下させる原因となる。よって上限を0.02%とする。
CrはMnと同様、鋼の焼入れ性を向上する有用な元素である。0.4%未満ではこの効果が十分得られない。よって下限を0.4%とする。また、1.5%を超えると効果がほぼ飽和するため、コストの増大を招いて好ましくない。よって上限を1.5%とする。
Moはその炭窒化物を微細に析出させることにより、焼戻し時に鋼を硬化させる、いわゆる2次硬化を起こす元素であり、疲労強度を改善に有効である。また、焼入れ性向上効果も大きい。0.1%未満では十分な効果が得られない。よって下限を0.1%とする。また、1.5%を超えると焼き入れ熱処理時に未溶解の炭化物が残存しやすくなり、靭性を劣化させる。よって上限を1.5%とする。
NはTiN、AlN等の窒化物系介在物を生成し、結晶粒粗大化抑制効果を発現させる。0.003%未満ではこの効果が十分に得られない。よって下限を0.003%とする。また、0.015%を超えると窒化物系介在物の粗大化を招き、疲労強度を低下させる原因となるため好ましくない。また、熱間延性を低下させ、鋳造時あるいは圧延時に表面疵の要因となる。よって上限を0.015%とする。鋼材清浄性の観点から、0.01%以下とするとさらに望ましい。
REMは本発明において最も重要な元素であり、硫化物系介在物のアスペクト比低下、窒化物系介在物の微細化、酸化物系介在物の微細化効果を持つ。0.0003%未満ではこれらの効果が十分に得られない。よって下限を0.0003%とするが、0.001%以上であればさらに望ましい。また、0.01%を超えると鋼の清浄性を低下させ、母材の靭性を劣化させる。よって上限を0.01%とする。なお、ここでREMとはLaやCe等の希土類元素を表すが、そのうちの任意の1種類、あるいは2種類以上のREMを用いることができる。
Biは鋼材の被削性を向上させる効果がある。本発明では疲労強度改善を志向し、後述するようにSを低位に抑制しているため、同じく被削性向上効果のあるMnSが十分に生成しない。コモンレールは燃料噴射用の細長い孔を必要とする場合が多く、Bi添加により被削性を確保することが必須となる。十分な被削性を得るためには0.01%未満では効果がなく、下限を0.01%とする。また、0.03%を超えると被削性向上はさらに期待できるものの熱間延性が極端に劣化し、製造が困難になる。よって上限を0.03%とする。
本発明においてSの低位制御は非常に重要である。Sが0.0015%を超えると、REMによる硫化物系介在物改質効果が十分に発揮されず、粗大化しやすくなるためコモンレールの性能を劣化させる。0.0015%以下に制限する。0.0010%以下とするとさらに望ましい。
Pは鋼に添加する元素の中でも最も粒界に偏析しやすく、かつ粒界を脆弱にする元素である。本発明では極力低減したほうが望ましい。特に、0.035%を超えると粒界破壊が著しくなるため、Pの上限を0.035%とする。0.015%以下とするとさらに望ましい。
Oは溶鋼中に含まれる元素で、主にAlやREMにより脱酸される。Oが0.003%を超えると鋼の清浄性を劣化させ、母材の靭性を劣化させる。よって上限を0.003%とする。鋼材清浄性の観点から、0.001%以下とするとさらに望ましい。
MgはREM同様、Al2O3を改質し、酸化物系介在物粗大化を抑制する効果がある。また、硫化物系介在物にも作用し、アスペクト比を低下させる効果がある。しかし、0.0002%未満ではこれらの効果が見られないため、下限を0.0002%とする。また、0.01%を超えるとMgOを主成分とする粗大なクラスター状酸化物系介在物を形成し、疲労破壊の基点となって好ましくない。よって上限を0.01%とする。
CaはREM同様、Al2O3を改質し、酸化物系介在物粗大化を抑制する効果がある。また、硫化物系介在物にも作用し、アスペクト比を低下させる効果がある。しかし、0.0005%未満ではこれらの効果が見られないため、下限を0.0005%とする。また、0.01%を超えるとCaO−Al2O3を主成分とする、硫化物系介在物同様伸長性に富んだ酸化物系介在物を形成し、疲労破壊の基点となって好ましくない。よって上限を0.01%とする。
Zrは硫化物系介在物に作用し、アスペクト比を低下させる効果がある。しかし、0.0005%未満ではこれらの効果が見られないため、下限を0.0005%とする。しかし0.02%を超えると、硬質のクラスター状酸化物系介在物を発生させ、鋼の清浄性ならびに疲労強度に悪影響を及ぼす。よって上限を0.02%とする。
Teは主にMnTeの化合物の形で存在し、MnS近傍に存在してアスペクト比の低下に寄与する。
しかし、0.0002%未満ではこれらの効果が見られないため、下限を0.0002%とする。反面、熱間延性を大きく劣化させ、0.005%を超えると鋳片の表面疵やブレークアウトが頻発するなど連続鋳造での製造が困難になる。よって上限を0.005%とする。
以上の結果を表2に示す。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.3〜0.5%、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.3〜1.5%、
Al:0.01〜0.1%、
Ti:0.003〜0.02%、
Cr:0.4〜1.5%、
Mo:0.1〜1.5%、
N:0.003〜0.015%、
REM:0.0003〜0.01%、
Bi:0.01〜0.03%
を含有し、
S:0.0015%以下、
P:0.035%以下、
O:0.003%以下
に制限し、
残部がFeおよび不可避不純物からなり、L断面において、長さ(L)と幅(D)の比(L/D)の平均値が4.5以下、かつ、
円相当径0.01〜5.0μmである硫化物系介在物が5×10 1 〜1×10 4 個/mm 2 分散し、円相当径5.0μmを超える硫化物系介在物が5×10 1 個/mm 2 以下であり、
円相当径0.002〜0.5μmの窒化物系介在物が1×10 3 〜1×10 6 個/mm 2 分散し、円相当径0.5μmを超える窒化物系介在物が2×10 2 個/mm 2 以下であり、
さらに円相当径0.01〜5.0μmの酸化物系介在物が5×10 1 〜1×10 4 個/mm 2 分散し、円相当径5.0μmを超える酸化物系介在物が5×10 1 個/mm 2 以下であることを特徴とするコモンレール。 - さらに、質量%で、
Mg:0.0002〜0.01%、
Ca:0.0005〜0.01%、
Zr:0.0005〜0.02%、
Te:0.0002〜0.005%
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1記載のコモンレール。
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