JP6695570B2 - 時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記したフェライト+パーライト型鋼では、高価なVを多量に含有させることで高い耐力が得られるものの、850MPa程度が限界であり、近年の要求レベルからすると不十分である。また、上記特許文献1,2に記載の時効硬化型ベイナイト非調質鋼では、フェライト+パーライト型よりもさらに高い1100MPa程度の耐力が得られるが、これによっても近年の要求レベルからすると、必ずしも十分とは言えない。
一方、自動車用コンロッドでは、製造コスト低減を目的に、クラッキング(かち割り)する破断分離加工により製造される、いわゆるクラッキングコンロッドが主流になりつつある。このようなクラッキングコンロッドの場合、破断分離を容易にするため、その使用される鋼材に対してより低靭性(低衝撃値特性)が要求される。
熱間鍛造による非調質鍛造工程と、500〜700℃の範囲内にある所定の時効温度下での時効硬化処理工程と、時効温度よりも低く、かつ200〜600℃の範囲内にある所定の加工温度下で加工率を3〜35%に設定したひずみ時効硬化処理工程と、を含むことを特徴とする。
3×[C]+10×[Mn]+2×[Cu]+2×[Ni]+12×[Cr]
+9×[Mo]+2×[V]≧20 …式(1)
32×[C]+3×[Si]+3×[Mn]+2×[Ni]+3×[Cr]
+11×[Mo]+32×[V]+65×[Ti]+36×[Nb]≧24.0…式(2)
この場合、例えば質量%で、さらに下記式(3)を満たす、同非調質鋼を用いた部品の製造方法とすることができる。
321×[C]−31×[Mo]+213×[V]+545×[Ti]
+280×[Nb]≧100 …式(3)
また、例えば質量%で、B:0.0001〜0.0100%、Pb:0.001〜0.300%、Bi:0.001〜0.300%、Te:0.001〜0.300%、Ca:0.001〜0.010%、のうち1種又は2種以上をさらに含む、同非調質鋼を用いた部品の製造方法とすることもできる。
また、本発明の発明者らは、低靭性を達成するための成分間の含有関係を上記式(3)に示すように定式化し得ることを見出した。つまり、上記式(1)〜(3)を満たす時効硬化型ベイナイト非調質鋼に、ひずみ時効硬化処理を加えることで、ひずみ時効硬化処理後の硬さが33HRC以上、耐力が900MPa以上であることに加え、室温におけるシャルピー衝撃値(2mmU)が30J/cm2以下である、時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品を得ることができる。
Cは強度を確保するために必要な元素である。Cは時効硬化処理によりMo,V,Ti,Nbの炭化物を析出させて鋼を高強度化する。また、Cはひずみ時効硬化時の強度アップにも寄与する。その働きのために0.10%以上が必要である。一方、0.40%を超えて過剰に含有させると、被削性の悪化を招くため、0.40%を上限とする。好ましくは0.15〜0.35%である。
Siは鋼の溶製時の脱酸剤として、また強度向上のために加えられる。その働きのために0.01%以上含有させる必要がある。一方、2.00%を超えて過剰に含有させると、熱間鍛造時の金型寿命を低下させ、製造コストを上昇させてしまうため、2.00%を上限とする。好ましくは0.10〜1.00%である。
Mnは焼入れ性の確保(ベイナイト組織の確保)、強度向上、及び被削性の向上(MnSの晶出)のために有効な元素であり、0.10%以上が必要である。ただし、3.00%を超えて過剰に含有させると、マルテンサイトの生成を促進し、被削性劣化を招くため、3.00%を上限とする。好ましくは0.50〜2.50%である。
Pは不可避に鋼中に存在し、その含有が許容される。ただし、0.150%を超えて過剰に含有させると、低衝撃値化のコントロールが困難となるため、0.150%を上限とする。なお、ベイナイト組織において、Pの添加量が0.050%以下であれば衝撃特性に影響を与えないことを確認している。
Sは被削性確保のために0.001%以上含有させる必要がある。ただし、0.200%を超えて過剰に含有させると、製造性悪化の要因となるため、0.200%を上限とする。好ましくは0.010〜0.120%である。
Cuは焼入れ性の確保(ベイナイト組織の確保)、及び強度向上のために含有させる。2.00%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらし、製造性悪化の要因となるため、2.00%を上限とする。好ましくは0.05〜1.00%、更に好ましくは0.10〜0.50%である。
NiはCuと同様、焼入れ性の確保(ベイナイト組織の確保)、及び強度向上のために含有させてもよい。ただし、Niはコストの増加を招くため、0.40%以下に含有量を調整する必要がある。好ましくは0.05〜0.20%である。
Crは焼入れ性の確保(ベイナイト組織の確保)、及び強度向上のために含有させる。その働きのために0.10%以上含有させる必要がある。ただし、3.00%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらし、またマルテンサイトの生成を促進し、被削性劣化を招くため、3.00%を上限とする。好ましくは0.20〜1.50%である。
V:0.02〜2.00%、
Ti:0.001〜0.250%、
Nb:0.010〜0.100%、の何れか1種又は2種以上
Moは時効硬化処理によりMo炭化物を析出させる。MoはMo炭化物の析出強化による高強度化のために含有させる。その働きのために0.02%以上含有させる必要がある。ただし、2.00%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、2.00%を上限とする。好ましくは0.10〜2.00%、更に好ましくは0.30〜1.00%である。
Vは時効硬化処理によりV炭化物を析出させる。VはV炭化物の析出強化による高強度化のために含有させる。その働きのために0.02%以上含有させる必要がある。ただし、2.00%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、2.00%を上限とする。好ましくは0.10〜2.00%、更に好ましくは0.20〜1.00%である。
Tiは時効硬化処理によりTi炭化物を析出させる。TiはTi炭化物の析出強化による高強度化のために含有させる。その働きのために0.001%以上含有させる必要がある。ただし、0.250%を超えて過剰に含有させると、被削性の悪化を招くため、0.250%を上限とする。好ましくは0.005〜0.200%、更に好ましくは0.01〜0.10%である。
Nbは時効硬化処理によりNb炭化物を析出させる。NbはNb炭化物の析出強化による高強度化のために含有させる。その働きのために0.010%以上含有させる必要がある。ただし、0.100%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、0.100%を上限とする。好ましくは0.020〜0.070%である。
Bは成形時にFe炭化物を析出させる。BはFe炭化物の析出により靭性を低下させる効果を有するため、低衝撃値の観点から含有させてもよい。その働きのためには0.0001%以上含有させる。ただし、0.0100%を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、0.0100%を上限とする。好ましくは0.0010〜0.0050%である。
Bi:0.001〜0.300%、
Te:0.001〜0.300%、
Ca:0.001〜0.010%、
これらの元素は、快削元素として必要に応じて含有させることができる。ただし、含有量が多すぎると強度や熱間加工性の低下をもたらすので、Pb,Bi,Teについては0.300%を上限とし、Caについては0.010%を上限とする。
なお、表1ではFe及び不可避不純物の記載を省略してある。
3×[C]+10×[Mn]+2×[Cu]+2×[Ni]+12×[Cr]
+9×[Mo]+2×[V]≧20 …式(1)
式(1)はベイナイト面積率の指標となる条件式を示したものである。式(1)を満たすようにC,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,Vの成分量(質量%)を規定することにより、時効硬化処理前における鋼組織のベイナイト面積率を85%以上に設定することができる。本発明では、熱間鍛造後の鋼組織がほぼベイナイト単相であることが前提となっている。
32×[C]+3×[Si]+3×[Mn]+2×[Ni]+3×[Cr]
+11×[Mo]+32×[V]+65×[Ti]+36×[Nb]≧24.0…式(2)
式(2)は時効硬化処理後の硬さの指標となる条件式を示したものである。時効硬化処理により炭化物を析出させるMo,V,Ti,Nbの含有量が多いほど、時効硬化処理後の硬さは高くなる。式(2)を満たすようにC,Si,Mn,Ni,Cr,Mo,V,Ti,Nbの成分量(質量%)を規定することにより、時効硬化処理後の硬さを30HRC以上に設定することができる。
321×[C]−31×[Mo]+213×[V]+545×[Ti]
+280×[Nb]≧100 …式(3)
式(3)はシャルピー衝撃値の指標となる条件式を示したものである。時効硬化処理により炭化物を析出させる元素であっても、Moは高靭性化に寄与し、一方でV,Ti,Nbは低靭性化に寄与するように作用する。式(3)を満たすようにC,Mo,V,Ti,Nbの成分量(質量%)を規定することにより、シャルピー衝撃値(2mmU)を30J/cm2以下に設定することができる。
500〜700℃の温度にて例えば0.5〜4時間の条件下で時効処理を施すことにより、30HRC以上の硬さを有する部品を得ることができる。より好ましい時効温度は550〜675℃であり、より好ましい時効時間は2〜3時間である。
加工温度を時効温度よりも低くするのは、加工温度が時効温度よりも高いと、硬さの低下を招くおそれがあるからである。また、加工温度が200℃を下回ると、部品に割れが発生するおそれがある一方、加工温度が600℃を上回ると、33HRC以上の硬さを得ることが困難となるからである(図3参照)。より好ましい加工温度は300〜500℃である。
加工率が3%を下回ると、33HRC以上の硬さを得ることが極めて困難となる一方、加工率が35%を上回っても、硬化量に対する加工の寄与度が飽和するからである(図4参照)。より好ましい加工率は7〜25%である。
まず、表1に示す化学組成(残部はFe及び不可避不純物)の鋼材150kgを真空誘導溶解炉にて溶解し(S1工程)、1250℃でφ50mmの丸棒に鍛伸した(熱間鍛造:S2工程)。
硬さ試験は、JIS Z 2245に準拠し、ロックウェル硬度計にて荷重150kgfダイヤモンド円錐圧子で実施した。硬さは試験片の半径1/2の個所で測定を行った。
ミクロ組織観察では、ナイタール腐食後、光学顕微鏡(倍率400倍)にて観察し、ベイナイト組織の面積率(以下、ベイナイト面積率という)を測定した。表2では、ベイナイト面積率が85%以上であった場合を「○」、ベイナイト組織とフェライト組織の混合(フェライト組織の面積率が15%以上)であった場合を「×F」、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合(マルテンサイト組織の面積率が15%以上)であった場合を「×M」とする評価を行った。なお、表2ではこれらの評価と併せて、かっこ書きで実測されたベイナイト面積率を表示してある。
引張試験については、ひずみ時効処理後の供試材より、Φ5mmの平行部とM10のネジ部を備えたJIS Z2201 14A号試験片を作製して、0.2%耐力(以下、単に耐力という)を測定した。そして、耐力値が900MPa以上の条件を満たしているかを確認した。
シャルピー衝撃試験では、JIS Z 2202 2mmUノッチ試験片を作製し、当該試験を室温で実施してシャルピー衝撃値(以下、衝撃値という)を測定した。そして、衝撃値が30J/cm2以下の条件を満たしているかを確認した。
実施例1〜36に示されるように、各化学成分が所定の範囲にあり、しかも式(1)及び(2)を満たすことにより、より一層高強度の時効硬化型ベイナイト非調質鋼、すなわちベイナイト面積率が85%以上、時効硬化処理後の硬さが30HRC以上、ひずみ時効硬化処理後の硬さが33HRC以上であり、しかもひずみ時効硬化処理後の硬さが時効硬化処理後の硬さに比べて2HRC以上高く、ひずみ時効硬化処理後の硬さが時効硬化処理前の硬さに比べて5HRC以上高く、かつ耐力が900MPa以上となる鋼、ひいてはその鋼材を用いることで上記特性を具備した部品を得ることができる。また、実施例12〜36は、式(3)の成分範囲をも満たす鋼材であるが、これらは、ひずみ時効硬化処理後、一層の高強度だけでなく、低靭性値をも有しており、具体的には、室温におけるシャルピー衝撃値(2mmU)が30J/cm2以下である。
また、実施例37〜39では、それぞれ対応する実施例8、15、22と同等の耐力、衝撃値が得られた。
11,12 背切り面
S1工程 溶解
S2工程 鍛造
S3工程 非調質鍛造
S4工程 時効硬化処理
S5工程 ひずみ時効硬化処理
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.10〜0.40%、
Si:0.01〜2.00%、
Mn:0.10〜3.00%、
P:0.001〜0.150%、
S:0.001〜0.200%、
Cu:0.001〜2.00%、
Ni:0.40%以下、
Cr:0.10〜3.00%、
を含有し、さらに
Mo:0.02〜2.00%、
V:0.02〜2.00%、
Ti:0.001〜0.250%、
Nb:0.010〜0.100%、
の何れか1種又は2種以上を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量%が下記式(1)及び(2)を満たす時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品の製造方法であって、
熱間鍛造による非調質鍛造工程と、
500〜700℃の範囲内にある所定の時効温度下での時効硬化処理工程と、
前記時効温度よりも低く、かつ200〜600℃の範囲内にある所定の加工温度下で加工率を3〜35%に設定したひずみ時効硬化処理工程と、
を含むことを特徴とする時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品の製造方法。
3×[C]+10×[Mn]+2×[Cu]+2×[Ni]+12×[Cr]
+9×[Mo]+2×[V]≧20 …式(1)
32×[C]+3×[Si]+3×[Mn]+2×[Ni]+3×[Cr]
+11×[Mo]+32×[V]+65×[Ti]+36×[Nb]≧24.0…式(2) - 質量%で、さらに下記式(3)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品の製造方法。
321×[C]−31×[Mo]+213×[V]+545×[Ti]
+280×[Nb]≧100 …式(3) - 質量%で、
B:0.0001〜0.0100%、
Pb:0.001〜0.300%、
Bi:0.001〜0.300%、
Te:0.001〜0.300%、
Ca:0.001〜0.010%、
のうち1種又は2種以上をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の時効硬化型ベイナイト非調質鋼を用いた部品の製造方法。
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