JP6465206B2 - 熱間圧延棒線材、部品および熱間圧延棒線材の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2015年3月31日に、日本に出願された特願2015−071714号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、優れた曲げ疲労強度、面疲労強度、耐摩耗性及び被削性を有する、熱間圧延棒線材、部品およびその製造方法を提供することである。
(b)Mo含有量を高めると、熱間圧延または熱間鍛造後、あるいはさらに焼きならしを行った後に、フェライト組織、パーライト組織に加えてベイナイト組織の生成が促進されて鋼が硬くなるため、被削性が低下する。また、Moを添加しない場合でもCr含有量が多くなり過ぎると、同様にベイナイト組織の生成が促進されて、被削性が低下する。
1.70≦Cr+2×Mo≦2.10 ・・・(1)
Mnmax/Mn<2.4 ・・・(2)
Mnmaxは、次の方法で求められる。製造した連続鋳造鋳片の表層から厚さ方向に幅50mm×長さ50mm×厚さ8mmの試験片を採取する。幅50mm×長さ50mmの表面を「被検面」とする。試験片を樹脂埋めした後、被検面を鏡面研磨する。
(1)本発明は、質量%で、
C:0.05〜0.30%、
Si:0.30〜0.60%、
Mn:0.40〜1.0%、
S:0.008〜0.040%未満、
Cr:1.60〜2.00%、
Mo:0〜0.1%、
Al:0.025〜0.05%、
N:0.010〜0.025%、
Ti:0〜0.003%、
Bi:0.0001〜0.0050%
を含有するとともに、
残部がFe及び不純物からなり、不純物中のP及びOがそれぞれ、
P:0.025%以下及び、
O:0.002%以下、
である化学組成を有し、組織がフェライト・パーライトまたはフェライト・パーライト・
ベイナイトからなり、かつ、式(1)を満たし、さらに、JIS−SCM420Hの鋼を10分間、超硬P20種グレードのチップで切削した場合の逃げ面主切刃摩耗量を100とした場合の規格化した主切刃摩耗量が70%以下であることを特徴とする熱間圧延棒線材に関する。
1.70≦Cr+2×Mo≦2.10 …(1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(3)本発明は、(1)又は(2)に記載の熱間圧延棒線材であって、前記Feの一部に代えて、Cu:0.40%以下、及びNi:0.80%以下から選ばれる1種以上を含有する、熱間圧延棒線材に関する。
(4)本発明は、(1)乃至(3)の何れか一項に記載の熱間圧延棒線材を切削加工して得られた部品に関する。
Mnmax/Mn<2.4 … (2)
ここで、式(2)中のMnには、鋼のMn含有量(質量%)が代入され、Mnmaxは、鋳片のデンドライトの1次アームの樹間のMn含有率が代入される。
(6)本発明の製造方法は、(5)に記載の熱間圧延棒線材の製造方法において、前記連続鋳造法または造塊法で製造する際に溶鋼の液相線温度から固相線温度までの平均冷却速度を100℃/min以上500℃/min以下とすることを特徴とする熱間圧延棒線材の製造方法に関する。
熱間圧延棒線材の成分元素の含有量について説明する。ここで、成分についての「%」は質量%である。
(C:0.05〜0.30%)
炭素(C)は、鋼の引張強度及び疲労強度を高める。一方、C含有量が多すぎれば、鋼の被削性が低下する。したがって、C含有量は0.05〜0.30%である。好ましいC含有量は0.10〜0.28%であり、さらに好ましくは、0.15〜0.25%である。
シリコン(Si)は、鋼の焼入れ性を高める。Siはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。したがって、Siは、鋼の面疲労強度及び耐摩耗性を高める。一方、Siが過剰に含有されれば、鋼の熱間圧延または熱間鍛造後の強度が過剰に高くなる。その結果、鋼の被削性が低下する。Siが過剰に含有されればさらに、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Si含有量は0.30〜0.60%である。好ましいSi含有量の下限は0.30%よりも高く、さらに好ましくは0.40%以上であり、さらに好ましくは0.45%以上である。好ましいSi含有量の上限は0.60%未満であり、さらに好ましくは0.57%以下であり、さらに好ましくは0.55%以下である。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。したがって、Mnは、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れされた機械部品の芯部の強度を高める。一方、Mnが過剰に含有されれば、熱間圧延または熱間鍛造後の鋼の被削性が低下する。さらに、Mnはデンドライト樹間で偏析し易く、偏析することにより硬質なベイナイトを生成しやすく被削性が低下する。したがって、Mn含有量は、0.40〜1.0%である。好ましいMn含有量の下限は0.50%超であり、さらに好ましくは0.55%以上であり、さらに好ましくは0.60%以上である。Mn含有量の好ましい上限は1.0%未満であり、さらに好ましくは0.95%以下であり、さらに好ましくは0.9%以下である。
硫黄(S)はMnと結合してMnSを形成する。MnSは鋼の被削性を高める。一方、Sが過剰に含有されれば、粗大なMnSが形成される。粗大なMnSは鋼の曲げ疲労強度及び面疲労強度を低下する。したがって、S含有量は、0.008〜0.040%未満である。好ましいS含有量の下限は0.008%超であり、さらに好ましくは0.009%以上であり、さらに好ましくは0.010%以上である。好ましいS含有量の上限は0.030%以下であり、さらに好ましくは0.030%未満であり、さらに好ましくは0.020%未満である。
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性、及び、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。そのため、Crは鋼の曲げ疲労強度、面疲労強度及び耐摩耗性を高める。一方、Crが過剰に含有されれば、熱間圧延後、熱間鍛造後、又は、焼きならし後の鋼でベイナイトの生成が促進される。そのため、鋼の被削性が低下する。したがって、Cr含有量は1.60〜2.00%である。好ましいCr含有量の下限は1.60%超であり、さらに好ましくは1.70%以上であり、さらに好ましくは1.80%以上である。好ましいCr含有量の上限は2.00%未満であり、さらに好ましくは1.95%以下であり、さらに好ましくは1.90%以下である。
モリブデン(Mo)は、含有されなくても含有されてもよい。Moは鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める。そのため、Moは鋼の曲げ疲労強度、面疲労強度及び耐摩耗性を高める。一方、Moが過剰に含有されれば、熱間圧延後、熱間鍛造後、又は、焼きならし後の鋼でベイナイト生成が促進される。そのため、鋼の被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0〜0.10%である。好ましいMo含有量の下限は0.02%以上である。好ましいMo含有量の上限は0.10%未満であり、さらに好ましくは0.08%以下であり、さらに好ましくは0.05%以下である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成する。AlNは、浸炭加熱によるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する。一方、Alが過剰に含有されれば、粗大なAl酸化物を形成する。粗大なAl酸化物は、鋼の曲げ疲労強度を低下する。したがって、Al含有量は0.025〜0.05%である。好ましいAl含有量の下限は0.025%超であり、さらに好ましくは0.027%以上であり、さらに好ましくは0.030%以上である。好ましいAl含有量の上限は0.05%未満であり、さらに好ましくは0.045%以下であり、さらに好ましくは0.04%以下である。
窒素(N)は、Al又はNbと結合して、AlN又はNbNを形成する。AlN又はNbNは、浸炭加熱によるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する。一方、Nが過剰に含有されれば、製鋼工程において安定して製造しにくくなる。したがって、N含有量は0.010〜0.025%である。好ましいN含有量の下限は0.010%超であり、さらに好ましくは0.012%以上であり、さらに好ましくは0.013%以上である。好ましいN含有量の上限は0.025%未満であり、さらに好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.018%以下である。
チタン(Ti)は、Nと結合して粗大なTiNを形成する。粗大なTiNは、鋼の疲労強度を低下する。したがって、Ti含有量はなるべく低い方が好ましい。Ti含有量は0〜0.003%である。好ましいTi含有量の上限は0.003%未満であり、さらに好ましくは0.002%以下である。
Biは、本発明において重要な元素である。微量のBiは、凝固の接種核となって、凝固時のデンドライトアーム間隔を小さくし、凝固組織を微細化する作用がある。その結果、Mn等の偏析し易い元素の偏析を軽減し、ミクロ偏析起因のベイナイト組織の生成を抑制し、被削性を向上する。凝固組織の微細化効果を得るには、Biの含有率を0.0001%以上とする必要がある。しかし、Biの含有率が0.0050%以上になると、凝固組織の微細化効果が飽和し、かつ鋼の熱間加工性が劣化し、熱間圧延が困難となる。これらのことから、本発明では、Bi含有率を0.0001%以上0.0050%未満とする。被削性をさらに向上させるには、Bi含有率を0.0010%以上とすることが好ましい。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の疲労強度や熱間加工性を低下する。したがって、P含有量は少ない方が好ましい。P含有量は0.025%以下である。好ましいP含有量は0.025%未満であり、さらに好ましくは、0.020%以下である。
酸素(O)は、Alと結合して酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物は、鋼の曲げ疲労強度を低下する。したがって、O含有量はなるべく低い方が好ましい。O含有量は0.002%以下である。好ましいO含有量は0.002%未満であり、さらに好ましくは0.001%以下である。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さらに望ましい。
ニオブ(Nb)は選択元素である。Nbは、C、Nと結合してNb炭化物、Nb窒化物又はNb炭窒化物を形成する。Nb炭化物、Nb窒化物及びNb炭窒化物は、Al窒化物と同様に、浸炭加熱時においてオーステナイト結晶粒が粗大化するのを抑制する。Nbが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Nbが過剰に含有されれば、Nb炭窒化物、Nb窒化物及びNb炭窒化物が粗大化する。そのため、浸炭加熱時においてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制できない。したがって、Nb含有量は、0.08%以下である。好ましいNb含有量の下限は0.01%以上である。好ましいNb含有量の上限は、0.08%未満であり、さらに好ましくは、0.05%以下である。
ニッケル(Ni)は、焼入れ性を高める効果があり、より疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Niの含有量が過剰に含有されると、焼入れ性の向上による疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、熱間圧延後、熱間鍛造後又は焼準処理後において、鋼中にベイナイト組織が生成しやすくなる。そのため、含有させる場合のNiの量を0.80%以下とした。含有させる場合のNiの量は0.60%以下であることが好ましい。さらに、Niの焼入れ性向上による疲労強度を高める効果を安定して得るためには、含有させる場合のNiの量は0.10%以上であることが好ましい。
銅(Cu)は、焼入れ性を高める効果があり、より疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Cuの含有量が過剰に含有されると、熱間延性及び熱間加工性の低下が顕著となる。そのため、含有させる場合のCuの量を0.40%以下とした。さらに、含有させる場合のCuの量は0.30%以下であることが好ましい。好ましいCu含有量の下限は0.1%以上である。
本発明の実施形態による熱間圧延棒線材の化学組成においてさらに、式(1)で定義されるF1は、1.70〜2.10である。
F1=Cr+2×Mo …(1)
ここで、式F1中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本発明の熱間圧延棒線材を熱間圧延によって製造する際に用いる鋼鋳片においてMnがミクロ偏析すると、熱間圧延後の鋼組織中において硬質なベイナイト組織の生成を助長し、被削性が低下する。したがって、鋼鋳片においてMnのミクロ偏析を抑制することが好ましい。式(1)を満たしても、Mnのミクロ偏析が大きければ、硬質なベイナイト組織の量が増え、被削性が低下する。
Mnmax/Mn<2.4 … (2)
熱間圧延棒線材の組織(相)がマルテンサイトを含む場合には、マルテンサイトが硬質で延性が低いことに起因して、熱間圧延棒鋼または線材の矯正や運搬時に割れが発生しやすくなる。従って本発明の熱間圧延棒線材は、フェライト・パーライト組織またはフェライト・パーライト・ベイナイト組織とする。
本発明の一実施形態による熱間圧延棒線材の製造方法を説明する。
[連続鋳造工程]
上記化学組成を満たし、かつデンドライトの1次アームの樹間のMn含有率Mnmaxと鋼中のMn含有率との比(Mnmax/Mn)が式(2)を満たす鋳片を製造する。上記化学組成を有する鋼を連続鋳造法により鋳片にしてもよく、造塊法によりインゴット(鋼塊)にしてもよい。鋳造条件は例えば、220×220mm角の鋳型を用いて、タンディッシュ内の溶鋼のスーパーヒートを10〜50℃とし、鋳込み速度を1.0〜1.5m/分とする。
λ=710×A−0.39
RD={1−(棒鋼または線材の断面積/鋼片の断面積)}×100…(3)
なお、上記の断面積は、長手方向に対して垂直な断面における面積、つまり、横断面の面積を意味する。
このようにして、本実施形態の熱間圧延棒線材が製造される。
また、鋳造時の表面割れ発生の有無を目視にて判定し、表1に記載した。
Mnmaxは次の方法で求めた。製造した鋳片の表層から厚さ方向に幅50mm×長さ50mm×厚さ8mmの試験片を採取し、幅50mm×長さ50mmの表面を「被検面」とした。試験片を樹脂埋めした後、被検面を鏡面研磨した。Mn含有率の分布の測定にはEPMAを使用した。EPMAによる測定時のビーム径は1μmとし、鋳片表面から15mm離れた位置において表面と平行に50mmの範囲で線分析を行った。EPMAによる線分析によって、デンドライトの一次アーム間のMn含有率の分布を測定し、測定されたMn含有率の最大値をデンドライト樹間のMn含有率(Mnmax)とした。そして、線分析で測定されたデンドライト樹間のMn含有率を、鋳片のMn平均含有率で除した値をF2値とした。
直径35mmの各棒鋼について、長手方向に垂直、かつ、中心部を含む断面(横断面)を切り出した後、鏡面研磨してナイタールで腐食した試験片を、光学顕微鏡を用い倍率400倍で、表層の脱炭層を除いた領域から、ランダムに各15視野観察して組織調査を行った。なお、各視野の大きさは250μm×250μmである。
各鋼番号の直径35mmの丸棒を機械加工して、図1に示すローラピッチング小ローラ試験片(以下、単に小ローラ試験片という)と、図2に示す切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片(図1及び図2ともに、図中の寸法の単位はmm)を作製した。図1に示す小ローラ試験片は、中央に試験部(直径26mm、幅28mmの円柱部)を備えた。
ローラピッチング試験では、上記の小ローラ試験片と、図4に示す形状の大ローラ(図中の寸法の単位はmm)とを組合せた。図4に示す大ローラは、JIS規格SCM420(鋼番号17)の規格を満たす鋼からなり、一般的な製造工程、つまり、焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨、の工程によって作製された。
小ローラ試験片と大ローラとを用いたローラピッチング試験を表2に示す条件で行った。
すべり率=(V2−V1)/V2×100
ローラピッチング試験において、繰り返し数が1.0×106回となった小ローラ試験片の試験部の摩耗量を測定した。具体的には、JIS B0601(2001)に準拠して、最大高さ粗さ(Rz)を求めた。Rz値が小さいほど、耐摩耗性が高いことを示す。摩耗量の測定には、粗さ計を用いた。表3に、摩耗量を示す。表3中の摩耗量では、鋼番号16の摩耗量を基準値(100%)とした。そして、各鋼番号の摩耗量を基準値に対する比(%)で示した。摩耗量が80%以下であれば、優れた耐摩耗性が得られたと判断した。
曲げ疲労強度は、小野式回転曲げ疲労試験により求めた。小野式回転曲げ疲労試験での試験数は各鋼番号8個とした。試験時の回転数は3000rpmとし、その他は通常の方法により試験を行った。繰り返し数1.0×104回、及び1.0×107回まで破断しなかったもののうち、最も高い応力をそれぞれ中サイクル、及び高サイクル回転曲げ疲労強度と定義した。
切削試験を実施し、被削性を評価した。以下の方法により切削試験片を得た。各鋼番号の直径70mmの棒鋼を1250℃の加熱温度で30分加熱した。加熱された棒鋼を950℃以上の仕上げ温度で熱間鍛造し、直径60mmの丸棒を得た。この丸棒から機械加工によって、直径55mm、長さ450mmの切削試験片を得た。切削試験片を用いて、下記の条件で切削試験を行った。
チップ:母材材質 超硬P20種グレード、コーティング なし
条件:周速200m/分、送り0.30mm/rev、切り込み1.5mm、水溶性切削油を使用
測定項目:切削時間10分後の逃げ面の主切刃摩耗量
ここで、表3中の下線は、本発明の式(2)の条件及び目標を満足しないことを意味する。
鋼19は、本実施の形態による熱間圧延棒線材のMo含有量の上限を超え、Al含有量の下限以下であった。Al含有量が少なく、オーステナイト結晶粒が粗大化したが、Mo含有量が過剰であり、曲げ疲労強度の低下は避けられた。しかしながら、F1の値が式(1)の上限を超え、被削性が低くなった。
鋼32は、本実施の形態による熱間圧延棒線材の化学成分範囲内であった。しかしながら、F1の値が式(1)の上限を超えたため、被削性が低くなった。
鋼33は、本実施の形態による熱間圧延棒線材の化学成分範囲内であった。しかしながら、平均冷却速度が望ましい上限値以上であり、凝固組織が不均一となり、不均一組織を起因とした割れが発生してしまう恐れがある。このため熱間加工性が低下し、割れが生じた。
鋼34は、本実施の形態による熱間圧延棒線材の化学成分範囲内であった。しかしながら、平均冷却速度が下限未満であり、凝固が遅すぎるため、デンドライト樹間が広がり、Mnが偏析し、結果としてF2の値が式(2)の上限を超え、被削性が低下した。
鋼35は、本実施の形態による熱間圧延棒線材のAl含有量の上限を超えた。この結果、粗大なAl酸化物が生成し、曲げ疲労強度が低くなった。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.05〜0.30%、
Si:0.30〜0.60%、
Mn:0.40〜1.0%、
S:0.008〜0.040%未満、
Cr:1.60〜2.00%、
Mo:0〜0.1%以下、
Al:0.025〜0.05%、
N:0.010〜0.025%、
Ti:0〜0.003%、
Bi:0.0001〜0.0050%
を含有するとともに、
残部がFe及び不純物からなり、不純物中のP及びOがそれぞれ、
P:0.025%以下及び、
O:0.002%以下、
である化学組成を有し、組織がフェライト・パーライトまたはフェライト・パーライト・ベイナイトからなり、かつ、式(1)を満たし、さらに、
JIS−SCM420Hの鋼を10分間、超硬P20種グレードのチップで切削した場合の逃げ面主切刃摩耗量を100とした場合の規格化した主切刃摩耗量が70%以下である熱間圧延棒線材。
1.70≦Cr+2×Mo≦2.10 … (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.08%以下を含有する、請求項1に記載の熱間圧延棒線材。
- 請求項1又は請求項2に記載の熱間圧延棒線材であって、前記Feの一部に代えて、Cu:0.40%以下、及びNi:0.80%以下から選ばれる1種以上を含有する、熱間圧延棒線材。
- 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の熱間圧延棒線材を切削加工して得られた部品。
- 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の化学成分を有し、かつデンドライトの1次アームの樹間のMn含有率Mnmaxと鋼中のMn含有率との比(Mnmax/Mn)が下記式(2)を満たす鋳片を連続鋳造法または造塊法で製造し、前記鋳片を熱間圧延することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の熱間圧延棒線材の製造方法。
Mnmax/Mn<2.4 … (2)
ここで、式(2)中のMnには、鋼のMn含有量(質量%)が代入され、Mnmaxは、鋳片のデンドライトの1次アームの樹間のMn含有率が代入される。 - 前記連続鋳造法または造塊法で製造する際に溶鋼の液相線温度から固相線温度までの平均冷却速度を100℃/min以上500℃/min以下とすることを特徴とする請求項5に記載の熱間圧延棒線材の製造方法。
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