JP6521088B2 - 熱間鍛造用鋼及び熱間鍛造品 - Google Patents
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Description
まず、熱間鍛造用鋼を熱間鍛造して中間品を製造する。製造された中間品に対して、必要に応じて、調質処理を実施する。熱間鍛造ままの非調質の中間品又は調質処理後の中間品に対して、切削や穿孔等を行うことにより部品形状に機械加工する。機械加工された中間品に対して、高周波焼入れ、浸炭、窒化等の表面硬化処理を実施する。表面硬化処理後、中間品に対して研削や研磨により仕上げ加工を実施し、熱間鍛造品を製造する。
特許文献3では、Tiを含有し、かつ、N含有量を低くすることで、鋼中にMnSに代えてTiSに起因した炭硫化物を形成させることが開示されている。特許文献3によれば、この炭硫化物が分散することにより、被削性を維持しつつ、擬似模様の発生が抑制されると記載されている。
しかしながら、鋳片サイズが小さく、かつ棒鋼のサイズが大きくなるような大物熱間鍛造品では、圧下比を大きくできないので、粗大なMnSが残存する恐れがある。圧下比が小さい場合でも、MnSを微細化するには、熱間圧延前の鋳片の段階で出来るだけMnSを微細にする必要がある。
d+3σ<20 ・・・(a)
式(a)中の、dは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの単位μmでの平均円相当径であり、σは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの前記円相当径の標準偏差である。
d+3σ<20 ・・・(b)
式(b)中の、dは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの単位μmでの平均円相当径であり、σは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの前記円相当径の標準偏差である。
(a)鋼中のS含有量を少なくすれば、MnSが少なくなり、磁粉探傷試験時における擬似模様の発生が抑制される。しかしながら、MnSが少なくなると鋼の被削性が低下してしまう。すなわち、擬似模様の発生抑制と被削性の向上とは相互に相反する関係にある。
デンドライトの1次アーム間隔に関する研究は従来から行われており、下記(A)式で表すことができる(下記参考文献参照)。
λ∝(D×σ×ΔT)0.25 …(A)
ここで、λ:デンドライトの1次アーム間隔(μm)、D:拡散係数(m2/s)、σ:固液界面エネルギー(J/m2)、ΔT:凝固温度範囲(℃)である。
本発明者らは、鋼にBiを微量含有させることにより、固液界面エネルギーを低下させ、デンドライト組織を微細化できること、さらには、λを減少させることができれば、デンドライト樹間に晶出するMnSのサイズを微細化できることを見出した。
以下、本発明の一実施形態に係る熱間鍛造用鋼(本実施形態に係る熱間鍛造用鋼)及び熱間鍛造品(本実施形態に係る熱間鍛造品)について詳細に説明する。
炭素(C)は、鋼の引張強度及び疲労強度を高める。この効果を得るため、C含有量を0.30%超とする。好ましくは0.32%以上である。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含有量を0.60%未満とする。好ましく0.55%以下である。
シリコン(Si)は、鋼中のフェライトに固溶して、鋼の引張強度を高める。この効果を得るため、Si含有量を0.10%以上とする。好ましくは0.17%以上である。一方、Si含有量が多すぎれば、熱間鍛造品の表面にスケールが残りやすくなり、熱間鍛造品の外観が損なわれる。したがって、Si含有量を0.90%以下とする。好ましくは0.74%以下である。
マンガン(Mn)は、鋼に固溶して鋼の引張強度、疲労強度及び焼入れ性を高める。Mnはさらに、鋼中の硫黄(S)と結合してMnSを形成し、鋼の被削性を高める。これらの効果を得るため、Mn含有量を0.50%以上とする。鋼の引張強度、疲労強度及び焼入れ性を高める場合、好ましいMn含有量は0.60%以上であり、さらに好ましくは0.75%以上である。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼の被削性が低下する。したがって、Mn含有量を2.00%以下とする。鋼の被削性をさらに高める場合、好ましいMn含有量は1.90%以下であり、さらに好ましいMn含有量は1.70%以下である。
硫黄(S)は、鋼中のMnと結合してMnSを形成し、鋼の被削性を高める。この効果を得るため、S含有量を0.010%以上とする。鋼の被削性を高める場合、好ましいS含有量の下限は0.015%であり、さらに好ましくは、0.020%である。一方、Sを過剰に含有すれば、鋼の疲労強度が低下する。さらに、高周波焼入れ後の熱間鍛造品に対して磁粉探傷試験を実施する場合、熱間鍛造品の表面に擬似模様が発生しやすくなる。したがって、S含有量を0.100%以下とする。好ましいS含有量の上限は、0.090%であり、さらに好ましくは0.080%である。
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性及び引張強度を高める。また、Crは、鋼の焼入れ性を高め、浸炭処理や高周波焼入れ後の鋼の表面硬度を高める。これらの効果を得るため、Cr含有量を0.01%以上とする。鋼の焼入れ性及び引張強度を高める場合、好ましいCr含有量は、0.03%以上であり、より好ましくは0.10%以上である。一方、Cr含有量が多すぎると、鋼の被削性が低下する。したがって、Cr含有量を1.00%以下とする。被削性の低下を抑制するためには、Cr含有量は好ましくは0.70%以下であり、より好ましくは0.50%以下である。
アルミニウム(Al)は脱酸作用を有すると同時に、Nと結合してAlNを形成し、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化防止に有効な元素である。しかしながら、Alの含有量が0.005%以下では、安定してオーステナイト粒の粗大化を防止できない。オーステナイト粒が粗大化した場合、曲げ疲労強度が低下する。そのため、Al含有量を0.005%超とする。好ましくは0.030%以上である。一方、Alの含有量が0.100%を超えると、粗大な酸化物が形成されやすくなり、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Alの含有量を0.100%以下とする。好ましくは0.060%以下である。
窒素(N)は、TiやNbとともに含有させると、窒化物や炭窒化物を生成することにより、オーステナイト結晶粒を微細化し、鋼の疲労強度を高める元素である。この効果を得るため、N含有量を0.0030%以上とする。好ましくは、0.0050%以上である。一方、N含有量が過剰になると、鋼中の窒化物が粗大化し、鋼の被削性が低下する。したがって、N含有量を0.0200%以下とする。好ましくは0.0180%以下である。
ビスマス(Bi)は、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼において重要な元素である。従来、Biを含有させても、微量では被削性の向上に寄与しないと考えられていた。しかしながら、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼では、微量のBiを含有することによって、鋼の凝固組織が微細化し、それに伴い、MnSが微細分散し、その結果、切削工具の摩耗量が減少する。すなわち、被削性が向上する。MnSの微細化効果を得るには、Bi含有量を0.0001%超とする必要がある。さらにMnS微細分散化効果を高めて被削性向上させるには、Bi含有量を0.0010%以上とすることが好ましい。一方、Biの含有量が0.0050%を超えると、デンドライト組織の微細化効果が飽和する上、鋼の熱間加工性が劣化するので、熱間圧延が困難となる。そのため、Bi含有量を0.0050%以下とする。熱間加工性の低下によるきずを防止する観点からは、Bi含有量を0.0040%以下とすることが好ましい。
燐(P)は不純物であり、鋼の疲労強度や熱間加工性を低下させる元素である。したがって、P含有量は少ない方が好ましい。Pが0.050%を超えると上記の悪影響が顕著になるので、P含有量を0.050%以下とする。好ましいP含有量は0.020%以下であり、より好ましくは0.018%以下であり、さらに好ましくは、0.015%以下である。
酸素(O)は、不純物元素であり、Alと結合して硬質な酸化物系介在物を形成して、曲げ疲労強度を低下させる元素である。特に、O含有量が0.0050%を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、O含有量を0.0050%以下とする。Oの含有量は0.0010%以下にすることが好ましく、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より好ましい。
ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。
本実施形態に係る熱間鍛造用鋼はさらに、Feの一部に代えて、Ti、V、Ca、Pbから選択される1種または2種以上を含有してもよい。ただし、これらの選択元素は必ずしも含有されなくてもよいので、その下限は0%である。
チタン(Ti)は窒化物や炭窒化物を形成する元素である。窒化物や炭窒化物は、オーステナイト結晶粒を微細化し、鋼の疲労強度を高める。疲労強度を高める場合、Ti含有量を0.001%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.005%以上である。一方、Tiが過剰に含有されれば、鋼の被削性が低下する。また、Ti含有量が0.040%以上であると、Ti4C2S2が生成し、十分な数のMnSが生成しないことが懸念される。したがって、含有させる場合でもTi含有量は0.040%未満とする。好ましくは、0.020%以下である。
バナジウム(V)は、鋼中で炭化物を形成し、鋼の疲労強度を高める元素である。バナジウム炭化物は、フェライト中に析出して鋼の芯部(表層以外の部分)の強度を高める。Vを少しでも含有すれば、上記効果が得られる。V含有量が0.03%以上であれば、上記効果が顕著に得られるので好ましい。より好ましくは0.04%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。一方、V含有量が多すぎれば、鋼の被削性及び疲労強度が低下する。したがって、含有させる場合でもV含有量を0.30%以下とする。好ましく0.20%以下であり、さらに好ましくは0.10%以下である。
カルシウム(Ca)は、MnSに固溶してMnS系介在物を球状化することにより、MnS系介在物を微細化する元素である。MnS系介在物が微細化すると、磁粉探傷試験における擬似模様の発生が抑制される。この効果を得る場合、Ca含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。一方、Caが過剰に含有されれば、粗大な酸化物が形成される。粗大な酸化物は、鋼の被削性を低下させる。したがって、含有させる場合でもCa含有量を0.0040%以下とする。好ましくは0.0035%以下である。
鉛(Pb)は、鋼の被削性を高める元素である。Pbを少しでも含有すれば、上記効果が得られるが、十分な効果を得る場合には、Pb含有量を、0.05%以上とすることが好ましい。一方、Pbが過剰に含有されれば、鋼の靭性及び熱間延性が低下する。したがって、含有させる場合でもPb含有量を0.40%以下とする。好ましくは0.25%以下である。
熱間鍛造用鋼から熱間鍛造品を得るために行う熱間鍛造や熱処理によっては、化学組成は変化しない。そのため、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼の化学組成と本実施形態に係る熱間鍛造用鋼を素材として得られた本実施形態に係る熱間鍛造品の化学組成とは同じである。
MnSは、被削性の向上に有用であり、その個数密度を一定以上確保することが必要である。ただし、S含有量が増加すると被削性は向上する一方で、粗大なMnSが増加する。粗大なMnSは、磁粉探傷時に擬似模様として検出される。そのため、被削性の向上には、MnSの個数とサイズとを制御することが必要である。具体的には、鋼材の圧延方向と平行な断面において、円相当径で2.0μm未満のMnSが300個/mm2以上の存在密度(個数密度)で鋼中に存在すると、工具の摩耗が抑制される。円相当径で2.0μm未満のMnSの個数密度の上限は規定する必要はないが、本成分系では、700個/mm2より多くならないと考えられる。
介在物がMnSであることは、走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線解析によって確認すればよい。また、MnSの円相当径はMnSの面積と等しい面積を有する円の直径であり、画像解析によって求めることができる。同様に、MnSの個数密度は、画像解析によって求められる。
MnSの円相当径および個数密度は、具体的には、以下の方法で求められる。すなわち、光学顕微鏡によって鋼の熱間鍛造用鋼の長手方向(軸方向)と平行な断面の金属組織を観察し、組織中のコントラストから析出物を判別する。走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光分析装置(EDS)とを用いることで、析出物がMnSであることが確認できる。また、試験片の析出物を判別した断面と同じ断面を光学顕微鏡にて100倍で写真撮影して、0.9mm2の検査基準面積(領域)の画像を10視野分準備する。その観察視野(画像)中のMnSの中から大きい順に10個選定し、選定された各MnSの寸法を、析出物の面積と同一の面積を有する円の直径を示す円相当径に換算して求める。また、検出したMnSの粒径分布から、硫化物の平均円相当径および標準偏差を算出する。
F1の値は、観察視野9mm2の範囲内で観察される硫化物の円相当径及び円相当径の標準偏差から予測される、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼に存在する光学顕微鏡で観察可能な硫化物の個数のうちの99.7%の個数の硫化物における最大円相当径を示している。すなわち、F1値が20(μm)未満であれば、熱間鍛造用鋼中に最大円相当径で20μm以上の硫化物はほとんど存在しないことを示している。このような鋼は擬似模様発生を抑制できる。MnSの円相当径はMnSの面積と等しい面積を有する円の直径であり、上述したように画像解析によって求めることができる。観察対象としたMnSの円相当径を1.0μm以上としたのは、現実的に汎用の機器で、粒子のサイズと成分とを統計的に扱うことが可能でかつ、これより小さな硫化物を制御しても熱間鍛造性および切りくず処理性に与える影響が少ないためである。
上述したように、連続鋳造鋳片の凝固組織は、通常はデンドライト形態を呈している。鋼材中のMnSは、凝固前(溶鋼中)、または凝固時に晶出することが多く、デンドライト1次アーム間隔に大きく影響を受ける。すなわち、デンドライト1次アーム間隔が小さければ、その樹間に晶出するMnSは小さくなる。本実施形態に係る熱間鍛造用鋼は、鋳片の段階におけるデンドライト1次アーム間隔が600μm未満であることが望ましい。
MnSを安定的にかつ効果的に微細分散させるには、微量のBiを含有させ、溶鋼中の固液界面エネルギーを低減させることが有効である。固液界面エネルギーが低減することにより、デンドライト組織が微細となる。デンドライト組織が微細化することで、デンドライト一次アームから晶出するMnSが微細化される。
鋳片のデンドライト組織は、熱間鍛造用鋼では観察されないが、鋳片の段階で1次アーム間隔が600μm未満であったかどうかは、例えば、熱間加工前の鋳片から採取したサンプルの断面をピクリン酸にてエッチングし、鋳片表面から15mmの深さの位置について、直接デンドライト組織を観察することにより確認することができる。
次に、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼の製造方法を説明する。本実施形態では、一例として、熱間鍛造用鋼、及びこの熱間鍛造用鋼からなる熱間鍛造品(熱間鍛造用鋼を素材として得られる熱間鍛造品)を製造するのに好ましい工程を説明する。熱間鍛造品はたとえば、自動車及び建設用機械等に利用される機械部品であり、たとえば、クランクシャフトに代表されるエンジン部品である。
本実施形態に係る熱間鍛造用鋼は、上記の化学成分を有し、かつ表層から15mmの範囲内におけるデンドライト1次アーム間隔が600μm未満である鋳片を連続鋳造し、この鋳片を熱間加工し、更に必要に応じて焼鈍することによって製造される。熱間加工は、熱間圧延を含んでもよい。
上記化学組成及びd+3σ<20を満たす鋼の鋳片を連続鋳造法により製造する。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/minとする条件を例示できる。
さらに、上述したデンドライト一次アーム間隔を600μm未満にするために、上記化学組成を有する溶鋼を鋳造する際に、鋳片表面から15mmの深さにおける液相線温度から固相線温度までの温度域内の平均冷却速度を100℃/min以上500℃/min以下とすることが望ましい。好ましくは120℃/min以上500℃/min以下である。平均冷却速度が100℃/min未満では、鋳片表面から15mmの深さ位置におけるデンドライト一次アーム間隔を600μm未満とすることが困難となり、MnSを微細分散できないおそれがある。MnSが微細に分散しない場合、MnSの個数密度も少なくなる。一方、平均冷却速度が500℃/min超では、デンドライト樹間から晶出するMnSが微細になり過ぎ、被削性が低下してしまう恐れがある。
また、中心偏析低減のため、連続鋳造の凝固途中の段階で圧下を加えてもよい。
次いで、鋳造工程で得られた鋳片又はインゴットに分塊圧延等の熱間加工を行い、ビレット(鋼片)を製造する。更に、ビレットを熱間圧延し、必要に応じて焼鈍することにより、本実施形態に係る熱間鍛造用鋼である棒鋼や線材とする。熱間加工における圧下比に特に制限はない。
熱間鍛造性を高めるためには、さらに、焼鈍を実施することが好ましい。焼鈍は、公知の条件で球状化焼鈍を実施すればよい。一例としては、丸棒を、加熱炉を用いて740℃で8時間均熱し、均熱後、15℃/hの冷却速度で650℃まで冷却する条件が例示される。
これらの工程を含む製造方法によれば、棒鋼や線材(熱間鍛造用鋼)が製造される。
本実施形態に係る熱間鍛造品は、熱間鍛造用鋼と同じ化学成分を有し、熱間鍛造用鋼と同様に円相当径が2.0μm未満のMnSの存在密度が300個/mm2以上であり、d+3σ<20(μm)を満足するものとなる。ただし、熱間鍛造品では高周波焼入れが行わるので、表面硬化層を有するものとなる。
凝固組織として、上記の鋳片の断面をピクリン酸にてエッチングし、鋳片表面から深さ方向に15mm位置を鋳込み方向に5mmピッチでデンドライト1次アーム間隔を100点測定し、その平均値を求めた。
各試験番号の丸棒(熱間鍛造用鋼)のミクロ組織を観察した。丸棒のD/4(D:直径)を軸方向(長手方向)に対して平行に切断し、ミクロ組織観察用の試験片を採取した。試験片の切断面を研磨し、光学顕微鏡によって鋼の金属組織を観察し、組織中のコントラストから析出物を判別した。被検面は、熱間鍛造用鋼の長手方向と平行な断面である。一部の析出物については、走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光分析装置(EDS)とを用いてMnSであることを確認した。また、同じ断面から、縦10mm×横10mmの研磨試験片を10個作製し、これらの研磨試験片の所定位置を光学顕微鏡にて100倍で写真撮影して、0.9mm2の検査基準面積(領域)の画像を10視野分準備した。その観察視野(画像)中のMnSの中から大きい順に10個選定し、選定された各MnSの円相当径を算出した。これらの寸法(直径)は、析出物の面積と同一の面積を有する円の直径を示す円相当径に換算した。検出したMnSの粒径分布から、硫化物の平均円相当径および標準偏差を算出した。
試験例1〜50の棒鋼(直径90mm)を直径が85mmになるまでピーリングして旋削試験片とした。
製造された試験片を用いて、旋削加工を実施した。旋削加工では、JIS規格に準拠したP種の超硬工具を使用した。超硬工具はコーティング処理されていなかった。切削速度を250m/min、送り速度を0.30mm/rev、切り込みを1.5mmとし、潤滑油を使用せずに旋削加工を実施した。旋削加工を開始してから10分経過後、超硬工具の逃げ面の摩耗量(mm)を測定した。
超硬工具の逃げ面の摩耗量が0.20mm以下であれば、被削性に優れると判断した。
試験例1〜50の丸棒の中心部から、直径50mm、長さ100mmの丸棒試験片を採取した。丸棒試験片の軸方向は、各丸棒の軸方向と同じであった。丸棒試験片の円周面に対して、周波数40kHz、電圧6kV、加熱時間3.0秒の条件で高周波焼入れを実施した。高周波焼入れ後、疲労試験片に対して焼戻しを実施した。具体的には、丸棒試験片を150℃で1時間加熱し、その後、大気中で放冷した。焼戻し後、丸棒試験片の円周面を仕上げ研磨し、表面粗さを調整した。具体的には、仕上げ研磨により、円周面の中心線平均粗さ(Ra)を3.0μm以内とし、最大高さ(Rmax)を9.0μm以内にした。仕上げ研磨された複数の丸棒試験片に対して、JIS Z2343−1(2001)に準拠した浸透探傷試験を実施し、疵のない丸棒試験片を各試験例につき50本選択した。
選択された50本の丸棒試験片に対して、下記に示す条件で磁粉探傷試験を実施した。
磁粉:黒色磁粉
磁粉濃度:1.8ml(磁粉の沈殿容積)/100ml(単位容積)
検出媒体の種類:湿式
磁粉の適用時期:連続法
磁化方法:軸通電法
磁化時間:5秒以上
磁化電流:AC
電流値:2500A
Claims (10)
- 質量%で、
C:0.30超〜0.60%未満、
Si:0.10〜0.90%、
Mn:0.50〜2.00%、
S:0.010〜0.100%、
Cr:0.01〜1.00%、
Al:0.005超〜0.100%、
N:0.0030〜0.0200%、
Bi:0.0001超〜0.0050%、
Ti:0〜0.040%未満、
V:0〜0.30%、
Ca:0〜0.0040%、および
Pb:0〜0.40%、
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
前記不純物中のPおよびOがそれぞれ、
P:0.050%以下、および
O:0.0050%以下であり、
下記式(1)を満たし、
鋼材の圧延方向と平行な断面において円相当径が2.0μm未満のMnSの存在密度が300個/mm2以上である
ことを特徴とする熱間鍛造用鋼。
d+3σ<20 ・・・(1)
式(1)中の、dは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの単位μmでの平均円相当径であり、σは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの前記円相当径の標準偏差である。 - 質量%で、Ti:0.001〜0.040%未満を含有することを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造用鋼。
- 質量%で、V:0.03〜0.30%を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の熱間鍛造用鋼。
- 質量%で、Ca:0.0003〜0.0040%およびPb:0.05〜0.40%からなる群から選択される1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱間鍛造用鋼。
- 質量%で、P:0.020%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱間鍛造用鋼。
- 質量%で、
C:0.30超〜0.60%未満、
Si:0.10〜0.90%、
Mn:0.50〜2.00%、
S:0.010〜0.100%、
Cr:0.01〜1.00%、
Al:0.005超〜0.100%、
N:0.0030〜0.0200%、
Bi:0.0001超〜0.0050%、
Ti:0〜0.040%未満、
V:0〜0.30%、
Ca:0〜0.0040%、および
Pb:0〜0.40%、
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
前記不純物中のPおよびOがそれぞれ、
P:0.050%以下、および
O:0.0050%以下であり、
下記式(2)を満たし、
鋼材の圧延方向と平行な断面において円相当径が2.0μm未満のMnSの存在密度が300個/mm2以上であることを特徴とする熱間鍛造品。
d+3σ<20 ・・・(2)
式(2)中の、dは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの単位μmでの平均円相当径であり、σは前記円相当径が1.0μm以上のMnSの前記円相当径の標準偏差である。 - 質量%で、Ti:0.001〜0.040%未満を含有することを特徴とする請求項6に記載の熱間鍛造品。
- 質量%で、V:0.03〜0.30%を含有することを特徴とする請求項6または7に記載の熱間鍛造品。
- 質量%で、Ca:0.0003〜0.0040%およびPb:0.05〜0.40%からなる群から選択される1種または2種を含有することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の熱間鍛造品。
- 質量%で、P:0.020%以下であることを特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の熱間鍛造品。
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