JP5486634B2 - 冷間加工用機械構造用鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品の製造に用いられる冷間加工用機械構造用鋼に関し、特に球状化焼鈍後の変形抵抗が低く冷間加工性に優れた鋼材、及びその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、冷間鍛造、冷間圧造、冷間転造等の冷間加工によって製造される自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品(例えば、ボルト、ねじ、ナット、ソケット、ボールジョイント、インナーチューブ、トーションバー、クラッチケース、ケージ、ハウジング、ハブ、カバー、ケース、受座金、タペット、サドル、バルグ、インナーケース、クラッチ、スリーブ、アウターレース、スプロケット、コアー、ステータ、アンビル、スパイダー、ロッカーアーム、ボディー、フランジ、ドラム、継手、コネクター、プーリー、金具、ヨーク、口金、バルブリフター、スパークプラグ、ピニオンギヤ、ステアリングシャフト、コモンレール等の機械部品、伝送部品等)に用いられる高強度機械構造用線材および棒鋼を対象としており、上記の各種機械構造用部品を製造するときの室温および加工発熱領域における変形抵抗が低く、且つ金型や素材の割れが抑制されることで優れた冷間加工性を発揮できる。
自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品を製造するにあたっては、炭素鋼、合金鋼等の熱間圧延材に冷間加工性を付与する目的で、球状化焼鈍処理を施してから冷間加工を行い、その後切削加工などを施して所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行って最終的な強度調整が行われている。
近年は、部品形状が複雑化、大型化する傾向にあり、それに伴って冷間加工工程では、鋼材を更に軟質化し、鋼材の割れの防止や金型寿命を向上させるという要求がある。鋼材を更に軟質化させるためには、より長時間の球状化焼鈍処理を施すことも方法の一つであるが、省エネルギーの観点からは、熱処理時間を長くし過ぎることには問題がある。
これまでにも球状化を促進するための鋼材がいくつか提案されている。例えば、特許文献1では、初析フェライトとパーライトを有し、平均結晶粒径が6〜15μmであり、且つ初析フェライトの体積率が所定範囲である鋼線材が、迅速な球状化焼鈍処理と冷間鍛造性を両立できることが開示されている。しかし、組織を微細にする場合には、球状化焼鈍処理時間の短縮化は図れるものの、10〜30時間程度の通常の球状化焼鈍処理を行った時の素材の軟質化は不十分である。
一方、特許文献2では、転位セルの大きさとフェライト結晶粒度番号を特定することによって、熱間圧延のままで軟質化を図る技術が開示されている。しかし、この技術も更なる軟質化には未だ不十分である。
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は通常の球状化焼鈍処理を施すことによって、十分な軟質化を実現できる冷間加工用機械構造用鋼及びその製造方法を提供することにある。本発明は、特にCrなどの合金元素を含む合金鋼を対象とする。
上記目的を達成した本発明は、C:0.2〜0.6%(質量%の意味。以下、化学成分組成について同じ)、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.2〜1.5%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.001〜0.05%、Al:0.01〜0.1%、N:0.015%以下(0%を含まない)、及びCr:0.5%超、2.0%以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、金属組織が、パーライトと初析フェライトを有し、全組織に対するパーライトと初析フェライトの合計面積率が90%以上であるとともに、初析フェライトの面積率Aが、下記式(1)で表されるAeと、A>Aeの関係を有し、初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径が15〜25μmであることを特徴とする冷間加工用機械構造用鋼である。
Ae=(0.8−Ceq)×96.75・・・(1)
但し、式(1)において、Ceq=[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
Ae=(0.8−Ceq)×96.75・・・(1)
但し、式(1)において、Ceq=[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
本発明の冷間加工用機械構造用鋼は、必要に応じて更に(a)Mo:1%以下(0%を含まない)、Ni:3%以下(0%を含まない)、Cu:0.25%以下(0%を含まない)、及びB:0.010%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上、(b)Ti:0.2%以下(0%を含まない)、Nb:0.2%以下(0%を含まない)、及びV:0.5%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上を含有することも好ましい。
本発明は、上記冷間加工用機械構造用鋼の製造方法も包含し、具体的には上記のいずれかの化学成分組成を有する鋼を、850〜1100℃で仕上圧延した後、10℃/秒以上の平均冷却速度で720〜780℃まで冷却し、その後、1℃/秒以下の平均冷却速度で680℃以上まで冷却し、更に0.5℃/秒以下の平均冷却速度で640℃以下まで冷却することを特徴とする冷間加工用機械構造用鋼の製造方法である。
本発明によれば、各種成分を適切に調整するとともに、パーライトと初析フェライトを90面積%以上有する組織とし、更にフェライト(初析フェライトとパーライト中のフェライト)結晶粒径及び初析フェライトの面積率を所定範囲にしているため、球状化焼鈍化後の軟質化を実現でき、冷間加工に適した機械構造用鋼を提供できる。
本発明の鋼材は、(i)パーライトと初析フェライトを有する組織であって、全組織に対するパーライト及び初析フェライトの合計面積率が90%以上であること、(ii)初析フェライトの面積率が、平衡初析フェライト量の75%を超えること、及び(iii)初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径が15〜25μmである点に特徴を有している。
(i)金属組織がパーライトと初析フェライトを有する組織であること、及び全組織に対するこれら組織の合計面積率について
金属組織がベイナイトやマルテンサイト等の微細な組織を含む場合には、一般的な球状化焼鈍を行っても、球状化焼鈍後はベイナイトやマルテンサイトの影響によって組織が微細となり、軟質化が不十分となる。従って、金属組織はパーライトと初析フェライトを有する組織とし、これらの合計面積率を90面積%以上と定めた。パーライトと初析フェライトの合計面積率は、好ましくは95面積%以上であり、より好ましくは97面積%以上である。なお、パーライトと初析フェライト以外の金属組織として、例えば製造過程で生成し得るマルテンサイトやベイナイト等が挙げられるが、これら組織の面積率が高くなると強度が高くなって冷間加工性が劣化することがあるため、できるだけ含まれていないことが好ましい。よって、パーライトと初析フェライトの合計面積率は100面積%が最も好ましい。
金属組織がベイナイトやマルテンサイト等の微細な組織を含む場合には、一般的な球状化焼鈍を行っても、球状化焼鈍後はベイナイトやマルテンサイトの影響によって組織が微細となり、軟質化が不十分となる。従って、金属組織はパーライトと初析フェライトを有する組織とし、これらの合計面積率を90面積%以上と定めた。パーライトと初析フェライトの合計面積率は、好ましくは95面積%以上であり、より好ましくは97面積%以上である。なお、パーライトと初析フェライト以外の金属組織として、例えば製造過程で生成し得るマルテンサイトやベイナイト等が挙げられるが、これら組織の面積率が高くなると強度が高くなって冷間加工性が劣化することがあるため、できるだけ含まれていないことが好ましい。よって、パーライトと初析フェライトの合計面積率は100面積%が最も好ましい。
(ii)初析フェライトの面積率について
本発明では、球状化焼鈍前の初析フェライトの面積率をできるだけ多く確保することによって、球状化焼鈍前にあらかじめセメンタイトが局在化することとなり、球状化焼鈍によってセメンタイトの球状化が促進されることで軟質化を実現できる。本発明者らは、初析フェライトを平衡量程度まで析出させるという観点から検討し、実験に基づき平衡初析フェライト量は(0.8−Ceq)×129で表されることを明らかにした。更に、球状化焼鈍の後に軟質化を実現するためには、前記した平衡初析フェライト量の75%を超える量の初析フェライト量を確保すれば良いことを見出した。すなわち、本発明における初析フェライトの面積率Aは、下記式(1)で表されるAeと、A>Aeの関係を有する。
Ae=(0.8−Ceq)×129×0.75
=(0.8−Ceq)×96.75 ・・・(1)
但し、式(1)において、Ceq=[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
本発明では、球状化焼鈍前の初析フェライトの面積率をできるだけ多く確保することによって、球状化焼鈍前にあらかじめセメンタイトが局在化することとなり、球状化焼鈍によってセメンタイトの球状化が促進されることで軟質化を実現できる。本発明者らは、初析フェライトを平衡量程度まで析出させるという観点から検討し、実験に基づき平衡初析フェライト量は(0.8−Ceq)×129で表されることを明らかにした。更に、球状化焼鈍の後に軟質化を実現するためには、前記した平衡初析フェライト量の75%を超える量の初析フェライト量を確保すれば良いことを見出した。すなわち、本発明における初析フェライトの面積率Aは、下記式(1)で表されるAeと、A>Aeの関係を有する。
Ae=(0.8−Ceq)×129×0.75
=(0.8−Ceq)×96.75 ・・・(1)
但し、式(1)において、Ceq=[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
(iii)初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径について
初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径は15μm以上とする。このようにすることで、球状化焼鈍後の軟質化が可能となる。一方、前記平均粒径が大きくなりすぎると、通常の球状化焼鈍では再生パーライト等の強度が増加し、軟質化が困難となる。そこで、初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径は25μm以下とする。前記平均粒径の下限は、好ましくは16μm以上、より好ましくは17μm以上であり、好ましい上限は23μm以下であり、より好ましくは21μm以下である。
初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径は15μm以上とする。このようにすることで、球状化焼鈍後の軟質化が可能となる。一方、前記平均粒径が大きくなりすぎると、通常の球状化焼鈍では再生パーライト等の強度が増加し、軟質化が困難となる。そこで、初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径は25μm以下とする。前記平均粒径の下限は、好ましくは16μm以上、より好ましくは17μm以上であり、好ましい上限は23μm以下であり、より好ましくは21μm以下である。
前記平均粒径の測定に際しては、隣り合う2つの結晶粒の方位差が15°よりも大きい大角粒界で囲まれたフェライト(初析フェライト及びパーライト中のフェライト)結晶粒(bcc−Fe結晶粒)を対象とする。これは、方位差が15°以下の小角粒界では、球状化焼鈍による影響が小さいからである。方位差が15°よりも大きい大角粒界で囲まれた前記フェライト結晶粒の大きさを上記範囲とすることで、球状化焼鈍後に十分な軟質化を実現できる。
上記平均粒径とは、同一面積の円に換算したときの直径(円相当直径)の平均値を意味する。また、前記方位差は、「ずれ角」又は「斜角」と呼ばれているものであり、方位差の測定にはEBSP法(Electron Backscattering Pattern法)を採用すれば良い。
次に、本発明に係る機械構造用鋼の化学成分組成について説明する。
C:0.2〜0.6%
Cは、鋼の強度(最終製品の強度)を確保する上で有用な元素である。こうした効果を有効に発揮させるため、C量を0.2%以上と定めた。C量は、好ましくは0.25%以上であり、より好ましくは0.30%以上である。一方、C量が過剰になると強度が高くなりすぎて冷間加工性が低下する。そこでC量を0.6%以下と定めた。C量は、好ましくは0.55%以下であり、より好ましくは0.50%以下である。
Cは、鋼の強度(最終製品の強度)を確保する上で有用な元素である。こうした効果を有効に発揮させるため、C量を0.2%以上と定めた。C量は、好ましくは0.25%以上であり、より好ましくは0.30%以上である。一方、C量が過剰になると強度が高くなりすぎて冷間加工性が低下する。そこでC量を0.6%以下と定めた。C量は、好ましくは0.55%以下であり、より好ましくは0.50%以下である。
Si:0.01〜0.5%
Siは、脱酸作用を有するとともに、固溶体硬化による最終製品の強度向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量を0.01%以上と定めた。Si量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.03%以上(特に0.05%以上)である。一方、Si量が過剰になると、硬度が過度に上昇して冷間加工性が劣化する。そこで、Si量を0.5%以下と定めた。Si量は、好ましくは0.45%以下であり、より好ましくは0.40%以下である。
Siは、脱酸作用を有するとともに、固溶体硬化による最終製品の強度向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量を0.01%以上と定めた。Si量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.03%以上(特に0.05%以上)である。一方、Si量が過剰になると、硬度が過度に上昇して冷間加工性が劣化する。そこで、Si量を0.5%以下と定めた。Si量は、好ましくは0.45%以下であり、より好ましくは0.40%以下である。
Mn:0.2〜1.5%
Mnは、焼入れ性の向上を通じて、最終製品の強度を増加させるのに有効な元素である。そのような作用を有効に発揮させるため、Mn量を0.2%以上と定めた。Mn量は、好ましくは0.3%以上であり、より好ましくは0.4%以上である。一方、Mn量が過剰になると、硬度が過度に上昇して冷間加工性が劣化する。そこで、Mn量を1.5%以下と定めた。Mn量は、好ましくは1.1%以下であり、より好ましくは0.9%以下である。
Mnは、焼入れ性の向上を通じて、最終製品の強度を増加させるのに有効な元素である。そのような作用を有効に発揮させるため、Mn量を0.2%以上と定めた。Mn量は、好ましくは0.3%以上であり、より好ましくは0.4%以上である。一方、Mn量が過剰になると、硬度が過度に上昇して冷間加工性が劣化する。そこで、Mn量を1.5%以下と定めた。Mn量は、好ましくは1.1%以下であり、より好ましくは0.9%以下である。
P:0.03%以下(0%を含まない)
Pは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中で粒界偏析を起こし、延性の劣化の原因となる元素である。そこで、P量は0.03%以下に抑制する。P量は好ましくは0.02%以下であり、より好ましくは0.015%以下である。Pは少なければ少ないほど好ましいが、製造工程上の制約から、通常0.001%程度は含まれる。
Pは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中で粒界偏析を起こし、延性の劣化の原因となる元素である。そこで、P量は0.03%以下に抑制する。P量は好ましくは0.02%以下であり、より好ましくは0.015%以下である。Pは少なければ少ないほど好ましいが、製造工程上の制約から、通常0.001%程度は含まれる。
S:0.001〜0.05%
Sは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中でMnSとして存在し、延性を劣化させるため冷間加工に有害な元素である。従って、S量は0.05%以下に抑制する。S量は、好ましくは0.04%以下であり、より好ましくは0.03%以下である。但し、Sは被削性を向上させる作用があるので、0.001%以上含有することは有用である。S量は、好ましくは0.002%以上であり、より好ましくは0.003%以上である。
Sは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中でMnSとして存在し、延性を劣化させるため冷間加工に有害な元素である。従って、S量は0.05%以下に抑制する。S量は、好ましくは0.04%以下であり、より好ましくは0.03%以下である。但し、Sは被削性を向上させる作用があるので、0.001%以上含有することは有用である。S量は、好ましくは0.002%以上であり、より好ましくは0.003%以上である。
Al:0.01〜0.1%
Alは、脱酸元素として有用であるとともに、鋼中に存在する固溶NをAlNとして固定するのに有用な元素である。こうした作用を有効に発揮させるため、Al量を0.01%以上と定めた。Al量は、好ましくは0.013%以上であり、より好ましくは0.015%以上である。一方、Al量が過剰になると、Al2O3が過剰に生成して冷間加工性を劣化させる。そこで、Al量は0.1%以下と定めた。Al量は、好ましくは0.090%以下であり、より好ましくは0.080%以下である。
Alは、脱酸元素として有用であるとともに、鋼中に存在する固溶NをAlNとして固定するのに有用な元素である。こうした作用を有効に発揮させるため、Al量を0.01%以上と定めた。Al量は、好ましくは0.013%以上であり、より好ましくは0.015%以上である。一方、Al量が過剰になると、Al2O3が過剰に生成して冷間加工性を劣化させる。そこで、Al量は0.1%以下と定めた。Al量は、好ましくは0.090%以下であり、より好ましくは0.080%以下である。
N:0.015%以下(0%を含まない)
Nは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中に固溶Nが含まれると、歪み時効による硬度上昇及び延性低下を招き、冷間加工性を劣化させる。そこで、N量を0.015%以下と定めた。N量は、好ましくは0.013%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。N量は、少なければ少ない程好ましいが、製造工程上の制約により、通常0.001%程度含まれる。
Nは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中に固溶Nが含まれると、歪み時効による硬度上昇及び延性低下を招き、冷間加工性を劣化させる。そこで、N量を0.015%以下と定めた。N量は、好ましくは0.013%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。N量は、少なければ少ない程好ましいが、製造工程上の制約により、通常0.001%程度含まれる。
Cr:0.5%超、2.0%以下
Crは、鋼材の焼入れ性を向上させることによって最終製品の強度を増加させるのに有効な元素であるとともに、球状炭化物中に少量含まれるため、球状化焼鈍時の炭化物の安定性を高め、再生パーライトを抑制するなどの作用によって球状化促進に有用な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Cr量を0.5%超と定めた。Cr量は、好ましくは0.6%以上であり、より好ましくは0.7%以上である。一方、Cr量が過剰になると、強度が高くなりすぎて冷間加工性を劣化させる。そこで、Cr量を2.0%以下と定めた。Cr量は、好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.5%以下である。
Crは、鋼材の焼入れ性を向上させることによって最終製品の強度を増加させるのに有効な元素であるとともに、球状炭化物中に少量含まれるため、球状化焼鈍時の炭化物の安定性を高め、再生パーライトを抑制するなどの作用によって球状化促進に有用な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Cr量を0.5%超と定めた。Cr量は、好ましくは0.6%以上であり、より好ましくは0.7%以上である。一方、Cr量が過剰になると、強度が高くなりすぎて冷間加工性を劣化させる。そこで、Cr量を2.0%以下と定めた。Cr量は、好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.5%以下である。
本発明の機械構造用鋼の基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。なお、「実質的に鉄」とは、鉄以外にも本発明の鋼材の特性を阻害しない程度の微量成分(例えば、Sb、Zn等)を許容できる他、P、S、N以外の不可避不純物(例えば、O、H等)も含み得ることを意味する。また、本発明の機械構造用鋼は、必要に応じて、以下の元素を含んでいても良い。
Mo:1%以下(0%を含まない)、Ni:3%以下(0%を含まない)、Cu:0.25%以下(0%を含まない)、及びB:0.010%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上
Mo、Ni、Cu及びBは、いずれも鋼材の焼入れ性を向上させることによって最終製品の強度を増加させるのに有用な元素であり、必要に応じて単独で又は2種以上用いることができる。このような作用を有効に発揮させるため、Mo、Ni及びCuはいずれも0.02%以上とすることが好ましく、より好ましくは0.05%以上である。Bは、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.002%以上である。一方、Mo、Ni、Cu及びBの含有量が過剰になると、強度が高くなり過ぎ、冷間加工性が劣化する。そこで、Mo量は1%以下が好ましく(より好ましくは0.90%以下、さらに好ましくは0.80%以下)、Ni量は3%以下が好ましく(より好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは2.0%以下)、Cu量は0.25%以下が好ましく(より好ましくは0.20%以下、さらに好ましくは0.15%以下)、B量は0.010%以下が好ましい(より好ましくは0.007%以下、さらに好ましくは0.005%以下)。
Mo、Ni、Cu及びBは、いずれも鋼材の焼入れ性を向上させることによって最終製品の強度を増加させるのに有用な元素であり、必要に応じて単独で又は2種以上用いることができる。このような作用を有効に発揮させるため、Mo、Ni及びCuはいずれも0.02%以上とすることが好ましく、より好ましくは0.05%以上である。Bは、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.002%以上である。一方、Mo、Ni、Cu及びBの含有量が過剰になると、強度が高くなり過ぎ、冷間加工性が劣化する。そこで、Mo量は1%以下が好ましく(より好ましくは0.90%以下、さらに好ましくは0.80%以下)、Ni量は3%以下が好ましく(より好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは2.0%以下)、Cu量は0.25%以下が好ましく(より好ましくは0.20%以下、さらに好ましくは0.15%以下)、B量は0.010%以下が好ましい(より好ましくは0.007%以下、さらに好ましくは0.005%以下)。
Ti:0.2%以下(0%を含まない)、Nb:0.2%以下(0%を含まない)、及びV:0.5%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上
Ti、Nb及びVは、Nと化合物を形成し、固溶Nを低減することで変形抵抗低減の効果を発揮するため、必要に応じて単独で又は2種以上用いることができる。このような効果を有効に発揮させるため、Ti及びNbはいずれも0.03%以上が好ましく、より好ましくは0.05%以上であり、Vは0.03%以上が好ましく、より好ましくは0.05%以上である。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、形成される化合物が変形抵抗の上昇を招き、却って冷間加工性を低下させる。そこで、Ti及びNbは、いずれも0.2%以下が好ましく、より好ましくは0.18%以下、さらに好ましくは0.15%以下である。Vは、好ましくは0.5%以下であり、より好ましくは0.45%以下、さらに好ましくは0.40%以下である。
Ti、Nb及びVは、Nと化合物を形成し、固溶Nを低減することで変形抵抗低減の効果を発揮するため、必要に応じて単独で又は2種以上用いることができる。このような効果を有効に発揮させるため、Ti及びNbはいずれも0.03%以上が好ましく、より好ましくは0.05%以上であり、Vは0.03%以上が好ましく、より好ましくは0.05%以上である。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、形成される化合物が変形抵抗の上昇を招き、却って冷間加工性を低下させる。そこで、Ti及びNbは、いずれも0.2%以下が好ましく、より好ましくは0.18%以下、さらに好ましくは0.15%以下である。Vは、好ましくは0.5%以下であり、より好ましくは0.45%以下、さらに好ましくは0.40%以下である。
本発明の機械構造用鋼は、線材又は棒鋼を対象とし、その直径は特に限定されないが、例えば5.0〜20mm程度である。
本発明の機械構造用鋼を製造するためには、仕上圧延温度及び仕上圧延後の冷却条件を適切に調整することが重要である。具体的には、仕上圧延温度を850〜1100℃とし、その後の冷却では、10℃/秒以上の平均冷却速度で720〜780℃まで冷却し(冷却1)、その後1℃/秒以下の平均冷却速度で680℃以上まで冷却し(冷却2)、更に0.5℃/秒以下の平均冷却速度で640℃以下まで冷却する(冷却3)。以下、それぞれの条件について詳述する。
仕上圧延温度:850〜1100℃
仕上圧延温度は、上述したフェライト(初析フェライト及びパーライト中のフェライト)の平均粒径に影響する。仕上圧延温度が1100℃を超えると、前記フェライトの平均粒径が25μmを超え、仕上圧延温度が850℃未満となると、前記フェライトの平均粒径が15μm未満となる。仕上圧延温度の下限は、好ましくは900℃以上であり、より好ましくは950℃以上であり、上限は、好ましくは1050℃以下であり、より好ましくは1000℃以下である。
仕上圧延温度は、上述したフェライト(初析フェライト及びパーライト中のフェライト)の平均粒径に影響する。仕上圧延温度が1100℃を超えると、前記フェライトの平均粒径が25μmを超え、仕上圧延温度が850℃未満となると、前記フェライトの平均粒径が15μm未満となる。仕上圧延温度の下限は、好ましくは900℃以上であり、より好ましくは950℃以上であり、上限は、好ましくは1050℃以下であり、より好ましくは1000℃以下である。
冷却1:仕上圧延後、10℃/秒以上の平均冷却速度で720〜780℃まで冷却
仕上圧延後の平均冷却速度が遅いと、オーステナイト粒が粗大化して焼入れ性が上がることによって、(i)上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライトを確保できない、及び/又は(ii)初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上確保できない。従って仕上圧延後の平均冷却速度は10℃/秒以上とする。該平均冷却速度は、好ましくは15℃/秒以上であり、より好ましくは20℃/秒以上であり、上限は特に限定されないが、現実的な範囲は通常100℃/秒以下である。
仕上圧延後の平均冷却速度が遅いと、オーステナイト粒が粗大化して焼入れ性が上がることによって、(i)上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライトを確保できない、及び/又は(ii)初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上確保できない。従って仕上圧延後の平均冷却速度は10℃/秒以上とする。該平均冷却速度は、好ましくは15℃/秒以上であり、より好ましくは20℃/秒以上であり、上限は特に限定されないが、現実的な範囲は通常100℃/秒以下である。
また、冷却1における冷却停止温度が低いと上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライト量を確保できない。そこで、冷却停止温度は720℃以上とする。冷却停止温度の下限は、好ましくは730℃以上であり、より好ましくは740℃以上である。一方、冷却停止温度が高いと、オーステナイト粒が粗大化して焼入れ性が上がることによって、(i)上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライトを確保できない、及び/又は(ii)初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上確保できない。従って、冷却停止温度は780℃以下とする、冷却停止温度の上限は、好ましくは770℃以下であり、より好ましくは760℃以下である。
冷却2:1℃/秒以下の平均冷却速度で680℃以上まで冷却
冷却1の後の平均冷却速度が速いと、上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライトを確保できない。従って、平均冷却速度は1℃/秒以下とする。平均冷却速度は好ましくは0.8℃/秒以下であり、より好ましくは0.6℃/秒以下であり、その下限は特に限定されないが、通常0.1℃/秒程度である。
冷却1の後の平均冷却速度が速いと、上記したA>Aeの関係を満足する量の初析フェライトを確保できない。従って、平均冷却速度は1℃/秒以下とする。平均冷却速度は好ましくは0.8℃/秒以下であり、より好ましくは0.6℃/秒以下であり、その下限は特に限定されないが、通常0.1℃/秒程度である。
冷却2における冷却停止温度が低いと、初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上とできない。そこで、冷却停止温度は680℃以上とした。冷却停止温度は、好ましくは685℃以上であり、より好ましくは690℃以上である。なお、冷却2における平均冷却速度が0.5℃/秒以下の場合は、冷却停止温度を680℃以下とすることもできる。冷却停止温度の上限は、780℃以下であれば良い。
冷却3:0.5℃/秒以下の平均冷却速度で640℃以下まで冷却
冷却3における平均冷却速度が速い場合や、冷却停止温度が高い場合は、初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上とすることができない。平均冷却速度は、0.5℃/秒以下であり、好ましくは0.4℃/秒以下、より好ましくは0.3℃/秒以下であり、下限は特に限定されないが、通常0.1℃/秒程度である。また、冷却停止温度は640℃以下であり、好ましくは630℃以下、より好ましくは620℃以下である。
冷却3における平均冷却速度が速い場合や、冷却停止温度が高い場合は、初析フェライトとパーライトの合計面積率を90面積%以上とすることができない。平均冷却速度は、0.5℃/秒以下であり、好ましくは0.4℃/秒以下、より好ましくは0.3℃/秒以下であり、下限は特に限定されないが、通常0.1℃/秒程度である。また、冷却停止温度は640℃以下であり、好ましくは630℃以下、より好ましくは620℃以下である。
冷却3の後は、放冷などによって、室温まで冷却すればよい。上記のような条件で圧延及び冷却を行った後、球状化焼鈍を行えば良いが、球状化焼鈍の前に、必要に応じて伸線を行ってもよい。伸線減面率は特に限定されないが、例えば5〜30%程度である。
本発明の機械構造用鋼は、球状化焼鈍化後に十分に軟質化できるため、冷間加工性に優れており、冷間鍛造、冷間圧造、冷間転造等の冷間加工によって製造される自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品に好適に用いることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、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。
下記表1に示す化学成分組成の鋼を用い、表2及び表4に示した各条件(仕上圧延温度、冷却1〜3における平均冷却速度及び冷却停止温度)で、φ8.0mm〜17mmの線材を作製した。
得られた各線材(圧延材)について、以下に示す方法によって、組織の観察及び面積率の測定、フェライト平均粒径の測定、球状化焼鈍後の硬さの測定を行った。これらはいずれも各線材の縦断面(軸線に平行な断面)が観察できるように樹脂埋めした試料を作製し、D/4(Dは、線材の直径)位置で観察又は測定した。
1.フェライトの平均粒径の測定
平均粒径の測定には、EBSP解析装置及びFE−SEM(電解放出型走査電子顕微鏡)を用いた。結晶方位差(斜角)が15°を超える境界、すなわち大角粒界を結晶粒界として結晶粒を定義し、フェライト(初析フェライト及びパーライト中のフェライトの両者を含む)結晶粒の平均粒径を測定した。測定領域は任意の400μm×400μm、測定ステップは0.7μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックス(Confidence Index)が0.1以下の測定点は解析対象から削除した。
平均粒径の測定には、EBSP解析装置及びFE−SEM(電解放出型走査電子顕微鏡)を用いた。結晶方位差(斜角)が15°を超える境界、すなわち大角粒界を結晶粒界として結晶粒を定義し、フェライト(初析フェライト及びパーライト中のフェライトの両者を含む)結晶粒の平均粒径を測定した。測定領域は任意の400μm×400μm、測定ステップは0.7μm間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックス(Confidence Index)が0.1以下の測定点は解析対象から削除した。
2.組織の観察及び面積率の測定
各試料について、ナイタールエッチングによって組織を現出させ、光学顕微鏡にて倍率400倍で10視野を撮影した。撮影した写真を画像解析し、初析フェライト及びパーライトの合計面積率(表中、「P+Fの割合」と表す)、及び初析フェライトの面積率を判定した。なお、組織の解析に際しては、上記各写真について、ランダムに100点(すなわち、合計で1000点測定した)選び、各組織(初析フェライト、パーライトの他、ベイナイト、マルテンサイトなどの組織)が存在した点数を全点数で割ることによって組織分率を求めた。
各試料について、ナイタールエッチングによって組織を現出させ、光学顕微鏡にて倍率400倍で10視野を撮影した。撮影した写真を画像解析し、初析フェライト及びパーライトの合計面積率(表中、「P+Fの割合」と表す)、及び初析フェライトの面積率を判定した。なお、組織の解析に際しては、上記各写真について、ランダムに100点(すなわち、合計で1000点測定した)選び、各組織(初析フェライト、パーライトの他、ベイナイト、マルテンサイトなどの組織)が存在した点数を全点数で割ることによって組織分率を求めた。
3.球状化焼鈍後の硬さの測定
各試料について、球状化焼鈍後の硬さ測定は、ビッカース硬度計を用い、荷重1kgfで5点測定し、その平均値(HV)を求めた。この時の硬さの基準として、下記式(2)を用い、前記平均値が下記式(2)よりも小さい場合を合格と判断した。
硬さの基準値=88.4×Ceq2+88.0 ・・・(2)
但し、Ceq2=[C]+0.2×[Si]+0.2×[Mn]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
各試料について、球状化焼鈍後の硬さ測定は、ビッカース硬度計を用い、荷重1kgfで5点測定し、その平均値(HV)を求めた。この時の硬さの基準として、下記式(2)を用い、前記平均値が下記式(2)よりも小さい場合を合格と判断した。
硬さの基準値=88.4×Ceq2+88.0 ・・・(2)
但し、Ceq2=[C]+0.2×[Si]+0.2×[Mn]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。
実施例1
上記表1に示した鋼種Aを用いて、ラボの加工フォーマスタ試験装置を用い、仕上加工温度(仕上圧延温度に相当)、冷却条件を下記表2に示すように変化させて、組織の異なるサンプルをそれぞれ作製した。このとき、加工フォーマスタサンプルはφ8.0mm×12.0mmとし、熱処理後に2等分して、それぞれ組織調査用(球状化焼鈍前)サンプル、及び球状化焼鈍後の硬さ測定用サンプルとした。これらサンプルについて、フェライトの平均粒径、組織の面積率、球状化焼鈍後の硬さを測定し、下記表3に示した。球状化焼鈍では、各サンプルをそれぞれ真空封入し、大気炉にて760℃で6時間保持後、一旦680℃まで冷却して再度760℃に加熱し(トータルで4時間)、760℃で6時間保持後、平均冷却速度6℃/時間で680℃まで冷却した。なお、鋼種Aについて上記式(2)に基づいて求めた硬さの基準値はHV134である。
上記表1に示した鋼種Aを用いて、ラボの加工フォーマスタ試験装置を用い、仕上加工温度(仕上圧延温度に相当)、冷却条件を下記表2に示すように変化させて、組織の異なるサンプルをそれぞれ作製した。このとき、加工フォーマスタサンプルはφ8.0mm×12.0mmとし、熱処理後に2等分して、それぞれ組織調査用(球状化焼鈍前)サンプル、及び球状化焼鈍後の硬さ測定用サンプルとした。これらサンプルについて、フェライトの平均粒径、組織の面積率、球状化焼鈍後の硬さを測定し、下記表3に示した。球状化焼鈍では、各サンプルをそれぞれ真空封入し、大気炉にて760℃で6時間保持後、一旦680℃まで冷却して再度760℃に加熱し(トータルで4時間)、760℃で6時間保持後、平均冷却速度6℃/時間で680℃まで冷却した。なお、鋼種Aについて上記式(2)に基づいて求めた硬さの基準値はHV134である。
本発明の要件を満たす試験No.1〜4は、球状化焼鈍後に十分に軟質化している。一方、No.5は仕上加工温度が低かったため、フェライトの平均粒径が小さくなり、No.6は、冷却1における冷却停止温度が低く初析フェライト量が確保できず、No.7は冷却3における平均冷却速度が速かったため、初析フェライトとパーライトの合計面積率が確保できず、またNo.8は仕上加工温度が高かったため、フェライトの平均粒径が大きくなり、いずれも球状化焼鈍後の硬さが高くなった。
実施例2
上記表1に示した鋼種B〜Jを用い、下記表4に示す条件(仕上圧延温度、冷却条件)で圧延し、組織の異なるサンプルを作製した。球状化焼鈍は実施例1と同様の方法で実施した。なお、試験No.12、16については、圧延材作製後、約20%の減面率で伸線した後に球状化焼鈍を実施した。これらサンプルについて、フェライトの平均粒径、組織の面積率、球状化焼鈍後の硬さを測定し、下記表5に示した。
上記表1に示した鋼種B〜Jを用い、下記表4に示す条件(仕上圧延温度、冷却条件)で圧延し、組織の異なるサンプルを作製した。球状化焼鈍は実施例1と同様の方法で実施した。なお、試験No.12、16については、圧延材作製後、約20%の減面率で伸線した後に球状化焼鈍を実施した。これらサンプルについて、フェライトの平均粒径、組織の面積率、球状化焼鈍後の硬さを測定し、下記表5に示した。
本発明の要件を満たす試験No.9〜16は、球状化焼鈍後に十分に軟質化している。一方、No.17は冷却2における平均冷却速度が速かったため、初析フェライト量が確保できず、No.18は冷却1における平均冷却速度が遅く、冷却3における冷却停止温度が高かったため初析フェライトとパーライトの合計面積率が低く、No.19は冷却1における冷却停止温度が高く、かつ冷却2における冷却停止温度が低かったため、初析フェライトとパーライトの合計面積率が低く、かつ初析フェライト量が確保できず、No.20はN量とCr量が多い鋼種Jを用いたため、初析フェライトとパーライトの合計面積率が低く、いずれも球状化焼鈍後の硬さが高くなった。
Claims (4)
- C :0.2〜0.6%(質量%の意味。以下、化学成分組成について同じ)、
Si:0.01〜0.5%、
Mn:0.2〜1.5%、
P :0.03%以下(0%を含まない)、
S :0.001〜0.05%、
Al:0.01〜0.1%、
N :0.015%以下(0%を含まない)、及び
Cr:0.5%超、2.0%以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
金属組織が、パーライトと初析フェライトを有し、全組織に対するパーライトと初析フェライトの合計面積率が90%以上であるとともに、
初析フェライトの面積率Aが、下記式(1)で表されるAeと、A>Aeの関係を有し、
初析フェライト及びパーライト中のフェライトの平均粒径が15〜25μmであることを特徴とする冷間加工用機械構造用鋼。
Ae=(0.8−Ceq)×96.75・・・(1)
但し、式(1)において、Ceq=[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]であり、[(元素名)]は各元素の含有量(質量%)を意味する。 - 更に、
Mo:1%以下(0%を含まない)、
Ni:3%以下(0%を含まない)、
Cu:0.25%以下(0%を含まない)、及び
B :0.010%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上を含有する請求項1に記載の冷間加工用機械構造用鋼。 - 更に、
Ti:0.2%以下(0%を含まない)、
Nb:0.2%以下(0%を含まない)、及び
V:0.5%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上を含有する請求項1又は2に記載の冷間加工用機械構造用鋼。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の化学成分組成を有する鋼を、
850〜1100℃で仕上圧延した後、10℃/秒以上の平均冷却速度で720〜780℃まで冷却し、その後、1℃/秒以下の平均冷却速度で680℃以上まで冷却し、更に0.5℃/秒以下の平均冷却速度で640℃以下まで冷却することを特徴とする冷間加工用機械構造用鋼の製造方法。
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