JP6760379B2 - 機械構造用鋼 - Google Patents
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Description
Mn/S≧8.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
Mn/S≧8.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
Mn/S≧8.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の機械構造用鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼の強度を高める。機械構造用鋼を用いて部品を製造する場合、機械構造用鋼を鍛造後、浸炭処理が実施される場合がある。この場合、Cは鋼の表層の強度を高める。C含有量が0.15%未満であれば、鋼は十分な強度が得られない。軟質な鋼においては、切削時に切り屑がつながり、工具や材料に巻き付き、それらを破損させる場合がある。C含有量が0.15%未満であればさらに、鋼の切削抵抗が高まる。一方、C含有量が0.30%以上であれば、浸炭処理後の部品の芯部の硬さが高まり、表層の強度に対する靭性のバランスが低下する。したがって、C含有量は0.15〜0.30%未満である。C含有量の好ましい下限は0.16%であり、より好ましくは0.18%である。C含有量の好ましい上限は0.25%であり、より好ましくは0.23%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。脱酸処理時において、Mnを添加した後にSiを添加することにより、Siは酸化物を改質する。具体的に、溶鋼中に添加されたSiは、Mnを主体とする酸化物を、Siを主体とする酸化物に改質する。Siを添加した後、Alを添加することにより、鋼中にSi及びAlを含有する複合酸化物が生成する。複合酸化物は、MnS介在物が晶出する核となる。そのため、複合酸化物は鋼の発銹特性を高める。Siはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、強度を高める。Si含有量が0.01%未満であれば、上記効果が得られない。
マンガン(Mn)はMnS介在物と、MnS及びPbを含有する複合介在物とを生成し、鋼の被削性を高める。
りん(P)は、不可避に含有される。Pは鋼を脆化し、被削性を高める。一方、P含有量が0.030%を超えれば、熱間延性が低下する。この場合、圧延疵が発生する等、生産性が低下する。したがって、P含有量は0.030%以下である。被削性を高めるためのP含有量の好ましい下限は0.005%である。この場合、被削性、特に、切り屑処理性が高まる。P含有量の好ましい上限は0.015%である。
硫黄(S)は、鋼中でMnSを生成し、被削性を高める。MnSは特に、工具摩耗を抑制する。S含有量が0.010%未満であれば、MnSは十分に晶出せず、MnSとPbとを含有する複合介在物が生成しにくい。その結果、発銹特性が低下する。一方、S含有量が0.100%を超えれば、Sが粒界に偏析して、鋼が脆化し、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.010〜0.100%である。被削性及び機械特性のうち、機械特性を優先する場合のS含有量の好ましい下限は0.015%であり、好ましい上限は0.030%である。被削性を優先する場合のS含有量の好ましい下限は0.030%であり、好ましい上限は0.050%である。
鉛(Pb)は単独でPb介在物(Pb粒)を生成し、鋼の被削性を高める。Pbはさらに、MnS介在物と結合して複合介在物を生成し、鋼の被削性を高め、特に切り屑処理性を高める。Pb含有量が0.010%未満であれば、上記効果が得られない。一方、Pb含有量が0.100%を超えれば、被削性は高まるものの、鋼が脆化する。その結果、鋼の熱間加工性が低下する。Pb含有量が0.100%を超えればさらに、Pb介在物が過剰に増加するため、鋼の発銹特性が低下する。したがって、Pb含有量は0.010〜0.100%である。複合介在物の生成を促進し、被削性を高めるためのPb含有量の好ましい下限は0.020%であり、より好ましくは0.025%である。発銹特性を高めるためのPb含有量の好ましい上限は0.050%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。本発明による機械構造用鋼では、凝固時の空孔及び表面疵の生成を抑制するため、Alキルドによる脱酸を実施する。後述のとおり、溶鋼中にMn、Siに次いでAlを添加して脱酸を行えば、鋼中の酸化物が改質され、Si及びAlを含有する複合酸化物が生成する。複合酸化物はMnS介在物の晶出核になりやすい。そのため、MnS介在物が分散して晶出し、成長して粗大化しやすく、かつ、MnS及びPbを含有する複合介在物が生成しやすい。この場合、鋼の被削性が高まる。MnS介在物が分散して晶出した場合はさらに、微細なMnS析出物の析出が抑制される。この場合、MnS介在物、MnS析出物、Pb介在物、及び複合介在物の総個数が増加する。そのため、鋼の発銹特性が高まる。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成して、各種の熱処理におけるオーステナイト粒の粗大化を抑制する。Al含有量が0.010%未満であれば、上記効果が得られない。
窒素(N)は不可避に含有される。NはAlと結合してAlNを形成し、熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、鋼の強度を高める。一方、N含有量が0.015%を超えれば、鋼の切削抵抗が高まり、被削性が低下する。N含有量が0.015%を超えればさらに、熱間加工性が低下する。したがって、N含有量は0.015%以下である。N含有量の好ましい下限は0.002%であり、より好ましくは0.004%である。N含有量の好ましい上限は0.012%であり、より好ましくは0.008%である。本明細書でいうN含有量は、全N(t−N)の含有量を意味する。
酸素(O)は酸化物中に含まれるだけでなく、MnS介在物にも含まれる。Oは、MnS介在物の晶出核となる複合酸化物を生成する。O含有量が0.0005%未満であれば、複合酸化物の生成量が不足し、溶鋼中でMnS介在物が晶出しにくくなる。この場合、鋼の被削性が低下する。この場合さらに、凝固後に微細なMnS析出物が多数生成する。その結果、MnS介在物、MnS析出物、Pb介在物、及び、複合介在物の総個数が増加し、発銹特性が低下する。O含有量が0.0030%を超えればさらに、粗大なアルミナ系酸化物が生成し、切削工具の摩耗を促進するため、鋼の被削性が低下する。したがって、O含有量は0.0005〜0.0030%である。鋼の被削性及び鋼の発銹特性をさらに高めるためのO含有量の好ましい下限は0.0007%であり、より好ましくは0.0010%である。O含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。本明細書でいうO含有量は、全酸素(t−O)の含有量を意味する。
クロム(Cr)は鋼中に固溶して、鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、鋼の強度を高める。その結果、鋼の転動疲労特性が高まる。Crはさらに、表面硬化処理として浸炭処理を実施する場合、硬化層深さを深くする。Cr含有量が0.50%未満であれば、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が2.00%を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎ、冷却時に過冷組織(マルテンサイト)を生成し、鋼が硬くなりすぎる。この場合、鋼の被削性が低下する。Cr含有量が2.00%を超えればさらに、オーステナイトが低温でも安定化し、鋼が脆化する場合がある。したがって、Cr含有量は0.50〜2.00%である。Cr含有量の好ましい下限は0.70%であり、より好ましくは0.90%である。Cr含有量の好ましい上限は1.80%であり、より好ましくは1.60%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Niは鋼に固溶して鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Niはさらに、マトリクスの延性も高める。Niはさらに、鋼の靭性を高める。Niはさらに、鋼の耐食性を高める。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ni含有量が3.50%を超えれば、残留オーステナイトが多く残存する。この場合、加工誘起変態により、残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態し、鋼の延性が低下する。したがって、Ni含有量は0〜3.50%である。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Bは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Bはさらに、靭性を低下するP、Sの粒界への偏析を抑制し、破壊特性を高める。Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、B含有量が0.0050%を超えれば、BNが多量に生成して鋼が脆化する。したがって、B含有量は0〜0.0050%である。窒化物生成元素であるTi又はNbを含有した場合のB含有量の好ましい下限は0.0005%である。B含有量の好ましい上限は0.0020%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Vは焼戻し時及び窒化処理時にV炭化物、V窒化物、又はV炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。V析出物(V炭化物、V窒化物及びV炭窒化物)はさらに、オーステナイト粒の粗大化を抑制し、鋼の靭性を高める。Vはさらに、鋼に固溶して、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。Vが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは焼戻しや窒化処理等のA1点以下の低温での熱処理において、Mo炭化物として析出する。そのため、鋼の強度及び焼戻し軟化抵抗が高まる。Moはさらに、鋼に固溶して、鋼の焼入れ性を高める。Moが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Mo含有量が0.70%を超えれば、鋼の焼入れ性が高くなりすぎる。この場合、圧延や、伸線前の軟化熱処理等で過冷組織が生じやすくなる。したがって、Mo含有量は0〜0.70%である。
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Wは鋼中でW炭化物として析出し、鋼の強度及び焼戻し軟化抵抗を高める。W炭化物は、A3点以下の低温で生成する。そのため、Wは、VやNb、Ti等とは異なり、未溶解析出物を生成しにくい。その結果、W炭化物は、析出強化により鋼の強度及び焼戻し軟化抵抗を高める。Wはさらに、鋼に固溶して鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Wが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、NbはNb窒化物、Nb炭化物、又はNb炭窒化物を生成し、焼入れ時や焼準時においてオーステナイト粒の粗大化を抑制する。Nbはさらに、析出強化により鋼の強度を高める。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Nb含有量が0.050%を超えれば、未固溶析出物が生成して鋼の靭性が低下する。Nb含有量が0.050%を超えればさらに、過冷組織が生成しやすくなり、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.050%未満である。上記効果を安定して得るためのNb含有量の好ましい下限は0.001%であり、より好ましくは0.005%である。Nb含有量の好ましい上限は0.030%であり、より好ましくは0.015%である。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cuは脱炭を防止する。Cuはさらに、Niと同様に耐食性を高める。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Cu含有量が0.50%を超えれば、鋼が脆化して圧延疵が発生しやすくなる。したがって、Cu含有量は0〜0.50%である。上記効果を安定して得るためのCu含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.10%である。Cuを0.30%以上含有する場合、Ni含有量がCu含有量よりも高ければ、熱間延性を維持できる。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Tiは窒化物、炭化物、又は炭窒化物を生成し、焼入れ時や焼準時においてオーステナイト粒の粗大化を抑制する。Tiはさらに、析出強化により鋼の強度を高める。Tiはさらに、鋼を脱酸する。Tiはさらに、Bを含有する場合、固溶Nと結合して固溶B量を維持する。この場合、焼入れ性が高まる。Tiが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、CaはCaS又は(Mn,Ca)Sを生成してMnS介在物を球状化し、工具摩耗量を低減する。その結果、鋼の被削性が高まる。Caが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ca含有量が0.0030%を超えれば、酸化物系介在物が粗大化し、鋼の疲労強度が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.0030%である。被削性をより高めるためのCa含有量の好ましい下限は0.0001%である。被削性よりも疲労強度を優先する場合、Ca含有量の好ましい上限は0.0015%であり、より好ましくは0.0003%である。
本実施形態の機械構造用鋼の化学組成はさらに、式(1)を満たす。
Mn/S≧8.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本発明による機械構造用鋼のミクロ組織は、主としてフェライト、パーライト、及び、ベイナイトからなる。具体的に、上記化学組成の機械構造用鋼の、ミクロ組織におけるフェライト、パーライト、及び、ベイナイトの合計面積率は、99%以上である。
本発明による機械構造用鋼は、鋼中において、MnS介在物、Pb介在物、及び、MnS及びPbを含有する複合介在物のいずれかであって、円相当径が5μm以上である介在物(つまり、特定介在物)の総個数TNが40個/mm2以上である。
好ましくは、円相当径が5μm以上である複合介在物の総個数(個/mm2)の、特定介在物に対する個数(個/mm2)の比(以下、「複合比率」ともいう)RAが40%以上である。
特定介在物の個数TN及び複合比率RAは次の方法で測定できる。上述の方法で、機械構造用鋼からサンプルを採取する。R/2部のサンプルの横断面(表面)に対して、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて1000倍の倍率でランダムに20視野観察する。各視野(観察面という)において、特定介在物(MnS介在物、Pb介在物、及び、複合介在物のいずれかであり、円相当径が5μm以上である)を特定する。特定介在物と他の介在物とは、コントラストで区別可能である。さらに、特定介在物のうち、MnS介在物、Pb介在物、及び、複合介在物は、それぞれ次の方法で特定する。
RA=MN/TN×100 (2)
本発明による機械構造用鋼の製造方法の一例を説明する。本実施形態では、機械構造用鋼の一例として、棒鋼又は線材の製造方法を説明する。しかしながら、本発明による機械構造用鋼は、棒鋼又は線材に限定されない。
製鋼工程は、精錬工程と、鋳造工程とを含む。
精錬工程では、初めに周知の方法で製造された溶銑に対して、転炉での精錬(一次精錬)を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、二次精錬を実施する。二次精錬において、成分調整の合金添加を実施して、上記化学組成を有する溶鋼を製造する。
上記精錬工程により製造された溶鋼を用いて、素材(鋳片又はインゴット)を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。以下、鋳片及びインゴットを総称して素材という。ここでいう素材の横断面積はたとえば、200〜350mm×200〜600mmである。
RC=(λ2/770)−(1/0.41) (3)
熱間加工工程では通常、1又は複数回の熱間加工を実施する。各熱間加工を実施する前に、素材を加熱する。その後、素材に対して熱間加工を実施する。熱間加工はたとえば、熱間鍛造や、熱間圧延である。複数回熱間加工を実施する場合、最初の熱間加工はたとえば、分塊圧延又は熱間鍛造であり、次の熱間加工は、連続圧延機を用いた仕上げ圧延である。熱間圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。熱間加工後の素材は空冷等の周知の冷却法により冷却される。
[ミクロ組織観察]
各試験番号の棒鋼のR/2部から、組織観察用の試験片を採取した。試験片の表面のうち、棒鋼の長手方向(つまり、圧延方向又は延伸方向)と平行な断面を観察面と定義した。上述の方法に基づいて、フェライト、パーライト、及び、ベイナイトの合計面積率(%)を求めた。各試験番号の棒鋼のミクロ組織は、いずれも合計面積率が99%以上であった。合計面積率が99%以上のミクロ組織について、「F+P+B」として表2に示す。
各試験番号の棒鋼のR/2部から、組織観察用の試験片を採取した。試験片の表面のうち、棒鋼の長手方向(つまり、圧延方向又は延伸方向)と平行な断面を観察面と定義した。各試験番号の組織観察用の試験片の観察面について、上述の方法に基づいて、特定介在物個数TN(個/mm2)と、複合比率RA(%)とを求めた。結果を表2に示す。
被削性は、通常ドリルによる工具寿命特性及び切り屑処理性を評価した。
直径50mmの棒鋼を20mmの長さで切断して穿孔試験片とした。穿孔試験片に対して、穿孔を実施した。穿孔の条件を表3に示す。
直径50mmの棒鋼を所定の長さで切断して切削試験片とした。切削試験片に対して、図4に示す外周旋削を実施した。外周旋削の条件を表4に示す。
直径50mmの棒鋼を所定の長さに切断した発銹試験片を作製した。発銹試験片に対して、上述の切削試験と同様の条件で旋削加工を行った。その後、切削面に水道水を噴霧しながら、湿度70%、20℃の雰囲気内に1時間試験片を保管した。保管後、試験片の切削面を観察し、銹点の個数を測定した。測定結果を表2の「発銹特定」欄に示す。銹点が10点未満であった場合(表2中の「◎」)、及び、銹点が10点以上20点未満であった場合(表2中の「○」)、発銹特性が優れると判断した。一方、銹点が20点以上であった場合(表2中の「×」)、発銹特性が優れないと判断した。
転動疲労寿命の評価は、森式スラスト型転動疲労試験によって行った。各試験番号の棒鋼のR/2部から、図6に示す、直径60mm、厚さ5mmの円盤状の転動疲労試験片100を各10枚採取した。転動疲労試験片100に対して、浸炭を実施し、表面を硬化させた。有効硬化層深さは0.8mm以上とした。
通電加熱による熱間引張試験を実施して、熱間延性(熱間加工性)を評価した。具体的には、各試験番号の鋳片から、直径10mm、長さ100mmであって、両端がねじ加工された丸棒試験片を作製した。丸棒試験片を通電加熱により1100℃に加熱し、3分保持した。その後、放冷により丸棒試験片を900℃まで冷却した。丸棒試験片が900℃の状態で引張試験を実施し、破断時の絞り値(%)を求めた。各試験番号につき3本の丸棒試験片で引張試験を実施して、3つの値の平均を、その試験番号の絞り値(%)と定義した。絞り値を表2の「熱間延性」の欄に示す。絞り値が70%以上の場合、熱間延性(熱間加工性)が優れると評価した。一方、絞り値が70%未満の場合、熱間延性(熱間加工性)が優れないと評価した。
試験番号1〜31では、化学組成が適切であり、F1が8.0以上であり、脱酸順が適切であり、凝固冷却速度RCが100℃/分以下であった。そのため、特定介在物の個数TNが40個/mm2以上であった。その結果、CL1000が50m/分以上であり、かつ、優れた切り屑処理性が得られた。すなわち、優れた被削性が得られた。さらに、発銹特性評価試験において、いずれも、銹点が20点未満であり、優れた発銹特性が得られた。さらに、転動疲労試験において、いずれも、転動疲労寿命が4.0時間以上であり、優れた転動疲労特性が得られた。さらに、熱間延性評価試験において、絞り値が70%以上であり、優れた熱間延性が得られた。
20 Pb介在物
30 複合介在物
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.15〜0.30%未満、
Si:0.01〜0.80%、
Mn:0.20〜2.00%、
P:0.030%以下、
S:0.010〜0.100%、
Pb:0.010〜0.100%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.015%以下、
O:0.0005〜0.0030%、
Cr:0.50〜2.00%、
Ni:0〜3.50%、
B:0〜0.0050%、
V:0〜0.70%、
Mo:0〜0.70%、
W:0〜0.70%、
Nb:0〜0.050%未満、
Cu:0〜0.50%、
Ti:0〜0.100%、及び、
Ca:0〜0.0030%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)を満たす化学組成を有し、
鋼中において、MnS介在物、Pb介在物、及び、MnS及びPbを含有する複合介在物のいずれかであって、円相当径が5μm以上である特定介在物の総個数が40個/mm2以上である、機械構造用鋼。
Mn/S≧8.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の機械構造用鋼であって、
前記化学組成は、
Ni:0.02〜3.50%、
B:0.0005〜0.0050%、
V:0.05〜0.70%、
Mo:0.05〜0.70%、
W:0.05〜0.70%、
Nb:0.001〜0.050%未満、
Cu:0.05〜0.50%、及び、
Ti:0.003〜0.100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、機械構造用鋼。 - 請求項1又は請求項2に記載の機械構造用鋼であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0001〜0.0030%を含有する、機械構造用鋼。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の機械構造用鋼であって、
円相当径が5μm以上の前記複合介在物の前記特定介在物に対する個数比率が40%以上である、機械構造用鋼。
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