JP5737152B2 - 熱間鍛造用圧延棒鋼 - Google Patents
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質量%で、C:0.19〜0.29%、Si:0.05〜0.5%、Mn:1.0〜3.0%、V:0.05〜0.5%、Cr:0.29〜0.79%、Al:0.02%を超えて0.1%以下、S:0.02〜0.3%、Pb:0.02〜0.3%を含有し、必要に応じてさらに、Nb:0.1%以下、Ti:0.1%以下のうち1種または2種を含み、残部がFeおよび不純物からなり、引張強さ90kgf/mm2(883MPa)以上と、試験温度20℃におけるノッチ深さ2mmおよびノッチ底半径1mmのUノッチシャルピー衝撃試験片のシャルピー衝撃値が5kgf/cm2(49J/cm2)以上を併せ持ち、さらにドリル穿孔性を同一強度を有する他の非調質鋼に対して2割以上向上させた「被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。
質量%で、C:0.25〜0.50%、Si:0.40〜2.00%、Mn:0.50〜2.50%、Cr:0.10〜1.00%、S:0.03〜0.10%、V:0.05〜0.30%、N:0.0050〜0.0200%、さらにAl:0.005〜0.050%とTi:0.002〜0.050%の1種または2種を含み、必要に応じてさらに、Ca:0.0004〜0.0050%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
Ceq.(%)=%C+(%Si)/20+(%Mn)/5+(%Cr)/9+1.54(%V)
の式で表される炭素当量Ceq.(%)が0.83〜1.23%、
Bt=31.2−100(%C)−6.7(%Si)+9.0(%Mn)+4.9(%Cr)−81(%V)
の式で表されるベイナイト変態指数Btが0以下、
である高強度熱間鍛造用非調質鋼が開示されている。
Y1=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S・・・<1>
ただし、上記<1>式におけるC、Si、Mn、Cr、VおよびSは、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。
Y2=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S+(1/5)Cu+(1/5)Ni+(1/4)Mo・・・<2>
ただし、上記<2>式におけるC、Si、Mn、Cr、V、S、Cu、NiおよびMoは、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。
C:0.27〜0.37%
Cは、鋼を強化する元素であり、0.27%以上含有させなくてはならない。一方、Cの含有量が0.37%を超えると、熱間鍛造後の引張強度は高くなるものの、横目の耐久比の低下を招いてしまう場合がある。したがって、Cの含有量を0.27〜0.37%とした。Cの含有量は0.29%以上とすることが好ましく、0.35%以下とすることが好ましい。
Siは、脱酸元素であるとともに、固溶強化によってフェライトを強化し、熱間鍛造後の引張強度を高めるのに必要な元素である。こうした効果を確保するには、Siを0.30%以上含有させる必要がある。一方、Siの含有量が0.75%を超えると、その効果が飽和するばかりか、圧延棒鋼の表面脱炭が著しくなる。したがって、Siの含有量を0.30〜0.75とした。Siの含有量は0.35%以上とすることが好ましく、0.70%以下とすることが好ましい。
Mn:1.00〜1.45%
Mnは、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、熱間鍛造後の引張強度を高めるのに必要な元素であり、1.00%以上含有させなくてはならない。一方、Mnの含有量が1.45%を超えると、その効果が飽和するばかりか、焼入れ性が高くなり、熱間鍛造後にベイナイトが生成してしまい、横目の疲労強度の低下を招いてしまう場合がある。したがって、Mnの含有量を1.00〜1.45%とした。Mnの含有量は1.10%以上とすることが好ましく、1.40%以下とすることが好ましい。
Sは、本発明における重要な元素である。Sは、Mnと結合してMnSを形成し、熱間鍛造後のオーステナイト粒内にもフェライトの生成核を増やすので、ベイナイトの生成を抑制することができる。さらには、MnSによって被削性も向上する。そのため、Sを0.008%以上含有しなくてはならない。一方、S含有量が0.030%以上になると、MnSは延伸された粗大な形態となるため、横目の疲労強度が低下し、横目の耐久比が低下してしまう。したがって、Sの含有量は厳しく管理する必要があり、0.008%以上で0.030%未満とした。Sの含有量は0.010%以上であることが望ましく、0.027%以下であることが望ましい。
Crは、Mnと同様に、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、熱間鍛造後の引張強度を高める元素であり、0.05%以上含有させなければならない。一方、Crの含有量が0.30%を超えると、その効果が飽和するばかりか、焼入れ性が高くなり、熱間鍛造後にベイナイトが生成してしまい、横目の疲労強度の低下を招いてしまう場合がある。したがって、Crの含有量を0.05〜0.30%とした。Crの含有量は0.08%以上とすることが好ましく、0.20%以下とすることが好ましい。Crの含有量は0.20%未満とすることがより好ましい。
Alは、脱酸作用を有するだけでなく、Nと結合してAlNを形成し、そのピンニング効果により熱間鍛造時のオーステナイト粒の成長を抑制し、ベイナイト生成を抑制する作用を有する。このため、Alは0.005%以上含有させなくてはならない。一方、Alの含有量が0.050%を超えると、その効果が飽和してしまう。したがって、Alの含有量を0.005〜0.050%とした。Alの含有量は0.010%以上とすることが好ましい。
Vは、CおよびNと結合して、炭化物、窒化物または炭窒化物を形成して、熱間鍛造部品の横目の耐久比を有効に高める作用を有する。このため、0.200%以上のVを含有させる。一方、Vの含有量が0.320%を超えると、その効果が飽和するばかりか、コストの上昇を招く。したがって、Vの含有量を0.200〜0.320%とした。Vの含有量は0.220%以上とすることが好ましく、0.300%以下とすることが好ましい。
Tiは、Nと結合してTiNを形成し、そのピンニング効果により熱間鍛造時のオーステナイト粒の成長を抑制して、軽量化された小型部品、すなわち熱間鍛造後の冷却速度が自ずと速くなってしまうような部品の場合にも、熱間鍛造後のベイナイトの生成を抑制する作用を有する。このため、0.0040%を超えるTiを含有させる必要がある。しかしながら、Tiの含有量が多くなって、0.030%を超えると、TiNが粗大化し、熱間鍛造部品の軸方向に並んだ該粗大TiNによって横目の疲労強度が著しく低下してしまう。したがって、Tiの含有量は0.0040%を超えて0.030%以下とした。Tiの含有量は0.015%未満とすることが好ましく、0.010%以下とすることがより好ましい。また、Tiの含有量は0.0050%以上とすることが好ましい。
Nは、本発明における重要な元素である。Nは、Vと結合して窒化物または炭窒化物を形成して、熱間鍛造部品の横目の耐久比を有効に高める作用を有するだけでなく、TiおよびAlと結合してTiNおよびAlNを形成し、それらのピンニング効果により熱間鍛造時のオーステナイト粒の成長を抑制し、軽量化された小型部品、すなわち熱間鍛造後の冷却速度が自ずと速くなってしまうような部品の場合にも、熱間鍛造後のベイナイトの生成を抑制する作用を有する。このため、0.0080%以上のNを含有させる必要がある。しかしながら、Nの含有量が多くなって、特に0.0200%を超えると、鋼中にピンホールが形成される場合がある。したがって、Nの含有量は0.0080〜0.0200%とした。Nの含有量は0.0100%以上とすることが好ましく、0.0150%以下とすることが好ましい。
Pは、鋼中に不可避的不純物として含まれる元素であり、特に、その含有量が0.030%を超えると、偏析が著しくなり、疲労強度の低下を招く場合がある。したがって、不可避的不純物中のPの含有量を0.030%以下とした。不可避的不純物中のPの含有量は0.025%以下とすることが好ましい。不可避的不純物として含まれるPの含有量は、製鋼工程でのコスト上昇をきたさない範囲で、できる限り少なくすることが望ましい。
O(酸素)は、鋼中において、主として酸化物系介在物として存在し、横目の疲労強度の低下を招く不可避的不純物元素である。Oの含有量が多くなって、特に0.0020%を超えると、粗大な酸化物の発生頻度が高くなり、横目の疲労強度が低下し、横目の耐久比の低下を招く。したがって、不可避的不純物中のOの含有量を0.0020%以下とした。なお、不可避的不純物中のOの含有量は0.0015%以下とすることが好ましい。
Cuは、固溶強化によってフェライトおよびパーライトを強化する元素である。このため、Cuを含有させてもよい。しかしながら、Cuの含有量が0.30%を超えると、その効果が飽和するばかりか、焼入れ性が高くなり、熱間鍛造後にベイナイトが生成してしまい、横目の疲労強度の低下を招いてしまう場合がある。したがって、含有させる場合のCuの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のCuの量は0.20%以下であることが好ましい。
Niは、固溶強化によってフェライトおよびパーライトを強化する元素である。このため、Niを含有させてもよい。しかしながら、Niの含有量が0.30%を超えると、その効果が飽和するばかりか、焼入れ性が高くなり、熱間鍛造後にベイナイトが生成してしまい、横目の疲労強度の低下を招いてしまう場合がある。したがって、含有させる場合のNiの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のNiの量は0.20%以下であることが好ましい。
Moは、固溶強化によってフェライトおよびパーライトを強化する元素である。このため、Moを含有させてもよい。しかしながら、Moの含有量が0.10%を超えると、熱間鍛造後にベイナイトが生成してしまい、横目の疲労強度の低下を招いてしまう場合がある。したがって、含有させる場合のMoの量に上限を設け、0.10%以下とした。含有させる場合のMoの量は0.08%以下であることが好ましい。
非調質熱間鍛造部品に、900MPa以上の引張強度を具備させるためには、該非調質熱間鍛造部品の素材である熱間鍛造用圧延棒鋼は、
Cu、NiおよびMoを含まない場合には、前記<1>式で表わされるY1〔=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S〕が、
また、Cu、NiおよびMoのうちの1種以上を含む場合には、前記<2>式で表わされるY2〔=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S+(1/5)Cu+(1/5)Ni+(1/4)Mo〕が、
それぞれ、1.05〜1.18でなければならない。
本発明の熱間鍛造用圧延棒鋼は、サイズが0.005μm以上のTiNの個数密度が0.4個/μm2以上であり、160mm2中のTiNの最大サイズが30μm以下でなければならない。
Y3=(T1+273)×log(t1+t2 T(2))≦6.7×103・・・(3)。
(T2+273)logt2=(T1+273)logx・・・(a)。
x=t2 T(2)・・・(b)。
Y3=(T1+273)×log(t1+x)・・・(c)、
Y3=(T1+273)×log(t1+t2 T(2))・・・(d)。
ここで、T(i)=(Ti+273)/(T1+273)を意味する。
上記厚さ12mmの鍛造品の、幅方向1/2の位置で、かつ厚さ方向1/2の位置から、10mm×10mmの横断面を有する試料を切り出した。次いで、上記の横断面が被検面になるように樹脂に埋め込み、鏡面研磨した後、3%硝酸アルコール(ナイタル)で腐食してミクロ組織を現出させた。その後、倍率を500倍として光学顕微鏡を用いて5視野についてミクロ組織画像を撮影し、「相」を同定した。
上記厚さ12mmの鍛造品の厚さ方向1/2の位置から、試験片の長手方向が鍛造品の幅方向、すなわち鍛造品の軸の垂直方向となり、また試験片の平行部の中心が鍛造品の幅方向1/2になるように、2011年1月21日に財団法人日本規格協会発行のJISハンドブック[1]鉄鋼IのJIS Z 2201(1998)に規定される14A号試験片(ただし、平行部直径:5mm)を採取した。そして、標点距離を25mmとして室温で引張試験を実施し、引張強度を求めた。鍛造品の引張強度の目標は、900MPa以上であることとした。
また、上記厚さ12mmの鍛造品の幅の両端をフライス加工して、スケールを除去するとともに平面に仕上げた。次いで、上記のフライス加工した鍛造品の両端とJIS G 4051(2009)に規定された市販のS10Cを電子ビーム溶接によって溶接し、幅130mmの板材を作製した。その後、上記板材の厚さ方向1/2の位置から、試験片の長手方向が板材の幅方向、すなわち鍛造品の軸の垂直方向となるように、また試験片の平行部の中心が板材の幅方向1/2になるように、平行部の直径が8mm、長さが106mmの小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.27〜0.37%、Si:0.30〜0.75%、Mn:1.00〜1.45%、S:0.008%以上で0.030%未満、Cr:0.05〜0.30%、Al:0.005〜0.050%、V:0.200〜0.320%、Ti:0.0040%を超えて0.030%以下およびN:0.0080〜0.0200%を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物中のPおよびOがそれぞれ、P:0.030%以下およびO:0.0020%以下であり、かつ、下記の<1>式で表わされるY1が1.05〜1.18の化学組成であって、サイズが0.005μm以上のTiNの個数密度が0.4個/μm2以上であり、160mm2中のTiNの最大サイズが30μm以下であることを特徴とする熱間鍛造用圧延棒鋼。
Y1=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S・・・<1>
ただし、上記<1>式におけるC、Si、Mn、Cr、VおよびSは、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。 - 質量%で、C:0.27〜0.37%、Si:0.30〜0.75%、Mn:1.00〜1.45%、S:0.008%以上で0.030%未満、Cr:0.05〜0.30%、Al:0.005〜0.050%、V:0.200〜0.320%、Ti:0.0040%を超えて0.030%以下およびN:0.0080〜0.0200%を含むとともに、Cu:0.30%以下、Ni:0.30%以下およびMo:0.10%以下から選択される1種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物中のPおよびOがそれぞれ、P:0.030%以下およびO:0.0020%以下であり、かつ、下記の<2>式で表わされるY2が1.05〜1.18の化学組成であって、サイズが0.005μm以上のTiNの個数密度が0.4個/μm2以上であり、160mm2中のTiNの最大サイズが30μm以下であることを特徴とする熱間鍛造用圧延棒鋼。
Y2=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V−(5/7)S+(1/5)Cu+(1/5)Ni+(1/4)Mo・・・<2>
ただし、上記<2>式におけるC、Si、Mn、Cr、V、S、Cu、NiおよびMoは、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。
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