JP7401841B1 - 鋼材 - Google Patents
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Abstract
Description
0.48≦Mo/1.4+V<1.10 (1)
0.80<Mo/V<3.00 (2)
この鋼材では、化学組成中のMo含有量及びV含有量を、式(1)及び式(2)を満たすように調整する。これにより、この鋼材を素材として製造されたボルトにおいて、MC型炭化物が分散しやすくなる。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低下する。特許文献1には上記のとおり記載されている。
C:0.30~0.50%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:0.10~1.50%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cr:0.01~0.80%、
Mo:0.70~1.50%未満、
V:0.01~0.50%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0010~0.0300%、
Cu:0~0.40%、
Ni:0~0.40%、
B:0~0.0100%、
Zr:0~0.300%、
Hf:0~0.100%、
Ta:0~0.100%、
W:0~0.200%、
Ti:0~0.100%、
Nb:0~0.100%、
Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、
Bi:0~0.020%、及び、
Te:0~0.010%、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
硬質組織の面積率が90%以上であり、ビッカース硬さが220~400HVであり、
前記硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度が4.0個/μm2以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有する前記セメンタイトの個数割合が50.0%以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトの面積の標本標準偏差が0.070μm2以下である、
鋼材。
化学組成が、質量%で、C:0.30~0.50%、Si:0.01~0.30%、Mn:0.10~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.01~0.80%、Mo:0.70~1.50%未満、V:0.01~0.50%、Al:0.005~0.100%、N:0.0010~0.0300%、Cu:0~0.40%、Ni:0~0.40%、B:0~0.0100%、Zr:0~0.300%、Hf:0~0.100%、Ta:0~0.100%、W:0~0.200%、Ti:0~0.100%、Nb:0~0.100%、Ca:0~0.0050%、Mg:0~0.0050%、Bi:0~0.020%、及び、Te:0~0.010%、を含有し、残部がFe及び不純物からなる。
(特徴2)
ミクロ組織中の硬質組織の面積率が90%以上であり、鋼材のビッカース硬さが220~400HVである。ここで、硬質組織とは、炭化物を含むフェライトからなる組織であり、炭化物とフェライトとのラメラ組織を有さない。つまり、硬質組織はパーライトを含まない。このような硬質組織は、ベイナイトと称される場合もある。
硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であり、硬質組織中の複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NRが50.0%以上であり、硬質組織中において、0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差(sample standard deviation)σが0.070μm2以下である。
質量%で、
C:0.30~0.50%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:0.10~1.50%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cr:0.01~0.80%、
Mo:0.70~1.50%未満、
V:0.01~0.50%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0010~0.0300%、
Cu:0~0.40%、
Ni:0~0.40%、
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Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、
Bi:0~0.020%、及び、
Te:0~0.010%、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
硬質組織の面積率が90%以上であり、ビッカース硬さが220~400HVであり、
前記硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度が4.0個/μm2以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有する前記セメンタイトの個数割合が50.0%以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトの面積の標本標準偏差が0.070μm2以下である、
鋼材。
[1]に記載の鋼材であって、
Cu:0.01~0.40%、
Ni:0.01~0.40%、
B:0.0001~0.0100%、
Zr:0.001~0.300%、
Hf:0.001~0.100%、
Ta:0.001~0.100%、
W:0.001~0.200%、
Ti:0.001~0.100%、
Nb:0.001~0.100%、
Ca:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0050%、
Bi:0.001~0.020%、及び、
Te:0.001~0.010%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
[1]又は[2]に記載の鋼材であって、
Cu:0.01~0.40%、
Ni:0.01~0.40%、
B:0.0001~0.0100%、
Zr:0.001~0.300%、
Hf:0.001~0.100%、
Ta:0.001~0.100%、及び、
W:0.001~0.200%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
[1]~[3]のいずれか1項に記載の鋼材であって、
Ti:0.001~0.100%、及び、
Nb:0.001~0.100%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
[1]~[4]のいずれか1項に記載の鋼材であって、
Ca:0.0001~0.0050%、及び、
Mg:0.0001~0.0050%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
[1]~[5]のいずれか1項に記載の鋼材であって、
Bi:0.001~0.020%、及び、
Te:0.001~0.010%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
本実施形態の鋼材は、次の特徴を有する。
(特徴1)化学組成中の各元素含有量が以下に示す範囲内である。
(特徴2)硬質組織の面積率が90%以上であり、ビッカース硬さが220~400HVである。
(特徴3)硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であり、硬質組織中の複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NRが50.0%以上であり、硬質組織中の複数の上記セメンタイトの面積の標本標準偏差σが0.070μm2以下である。
以下、特徴1~特徴3について説明する。
本実施形態の鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材を素材として製造されるボルトの強度を高める。Cはさらに、セメンタイトを形成して、後述するセメンタイトの個数密度NDを十分に高める。そのため、ボルトの水素脆化感受性が十分に低くなる。C含有量が0.30%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、C含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、ボルトの水素脆化感受性が高くなる。
したがって、C含有量は0.30~0.50%である。
C含有量の好ましい下限は0.32%であり、さらに好ましくは0.35%である。
C含有量の好ましい上限は0.48%であり、さらに好ましくは0.45%である。
シリコン(Si)は、鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Si含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Si含有量が0.30%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Si含有量は0.01~0.30%である。
Si含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%である。
Si含有量の好ましい上限は0.25%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。
マンガン(Mn)は、鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Mn含有量が0.10%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Mn含有量が1.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、ボルトの水素脆化感受性が高くなる。
したがって、Mn含有量は0.10~1.50%である。
Mn含有量の好ましい下限は0.15%であり、さらに好ましくは0.20%である。
Mn含有量の好ましい上限は1.30%であり、さらに好ましくは1.20%であり、さらに好ましくは1.10%である。
燐(P)は不純物である。つまり、P含有量の下限は0%超である。P含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Pが粒界に偏析する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が高くなる。
したがって、P含有量は0.030%以下である。
P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%である。
P含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。
硫黄(S)は不純物である。つまり、S含有量の下限は0%超である。S含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Sが粒界に偏析する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が高くなる。
したがって、S含有量は0.030%以下である。
S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%である。
S含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Crはさらに、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高めて、ボルトの強度を高める。Cr含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Cr含有量が0.80%以下であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材への水素の侵入が十分に抑制される。その結果、ボルトの水素脆化感受性が十分に抑制される。
したがって、Cr含有量は0.01~0.80%である。
Cr含有量の好ましい下限は0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Cr含有量の好ましい上限は0.70%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高めて、ボルトの強度を高める。Moはさらに、MC型炭化物に濃化して、MC型炭化物の水素トラップ機能を高める。その結果、Moは、高強度を有するボルトの水素脆化感受性を低くする。Mo含有量が0.70%以上であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果がある程度得られる。
一方、Mo含有量が1.50%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材において十分な冷間鍛造性が得られる。
したがって、Mo含有量は0.70~1.50%未満である。
Mo含有量の好ましい下限は0.75%であり、さらに好ましくは0.80%である。
Mo含有量の好ましい上限は1.40%であり、さらに好ましくは1.30%である。
バナジウム(V)は、MoとともにMC型炭化物を形成して、ボルトの水素脆化感受性を低くする。V含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、V含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、V含有量は0.01~0.50%である。
V含有量の好ましい下限は0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。
V含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%である。
アルミニウム(Al)は、鋼精錬時の脱酸剤である。Alはさらに、Nと結合してAl窒化物を形成する。Al窒化物は、ボルト製造時の焼入れ工程において、ピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低くなる。Al含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なAl窒化物が生成する。粗大なAl窒化物は割れの起点になる。そのため、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Al含有量は0.005~0.100%である。
Al含有量の好ましい下限は0.006%であり、さらに好ましくは0.007%であり、さらに好ましくは0.008%である。
Al含有量の好ましい上限は0.090%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
本実施形態の鋼材の化学組成において、Al含有量は、全Al(Total-Al)含有量を意味する。
窒素(N)は、Alと結合してAl窒化物を形成する。Al窒化物は、ボルト製造時の焼入れ工程において、ピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低くなる。N含有量が0.0010%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、N含有量が0.0300%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成する。粗大な窒化物は割れの起点になる。そのため、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、N含有量は0.0010~0.0300%である。
N含有量の好ましい下限は0.0020%であり、さらに好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
N含有量の好ましい上限は0.0290%であり、さらに好ましくは0.0280%であり、さらに好ましくは0.0270%であり、さらに好ましくは0.0250%であり、さらに好ましくは0.0200%であり、さらに好ましくは0.0150%であり、さらに好ましくは0.0100%である。
O:0.0030%以下
Sn:0.100%以下
Pb:0.090%以下
Sb:0.050%以下
Zn:0.050%以下
Co:0.050%以下
希土類元素(REM):0.020%以下
これらの各不純物元素の含有量は0%であってもよい。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cu、Ni、B、Zr、Hf、Ta、W、Ti、Nb、Ca、Mg、Bi、及び、Teからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。
以下、これらの任意元素について説明する。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cu、Ni、B、Zr、Hf、Ta及びWからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cu、Ni、B、Zr、Hf、Ta及びWは、鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。
Cuが含有される場合、つまり、Cu含有量が0%超である場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。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。
しかしながら、Cu含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材が脆化する。その結果、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Cu含有量は0~0.40%であり、含有される場合、Cu含有量は0.40%以下(0超~0.40%)である。
Cu含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Cu含有量の好ましい上限は0.35%であり、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.25%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。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。
Niが含有される場合、つまり、Ni含有量が0%超である場合、Niは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。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。
しかしながら、Ni含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、焼入れ性が高くなりすぎる。その結果、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Ni含有量は0~0.40%であり、含有される場合、Ni含有量は0.40%以下(0超~0.40%)である。
Ni含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%である。
Ni含有量の好ましい上限は0.35%であり、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.25%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。つまり、B含有量は0%であってもよい。
Bが含有される場合、つまり、B含有量が0%超である場合、Bは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Bはさらに、Pの粒界偏析を抑制して、ボルトの水素脆化感受性を低くする。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。
しかしながら、B含有量が0.0100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なB窒化物が生成する。粗大なB窒化物は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、B含有量は0~0.0100%であり、含有される場合、B含有量は0.0100%以下(0超~0.0100%)である。
B含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0008%である。
B含有量の好ましい上限は0.0090%であり、さらに好ましくは0.0080%であり、さらに好ましくは0.0070%であり、さらに好ましくは0.0060%であり、さらに好ましくは0.0050%である。
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Zr含有量は0%であってもよい。
Zrが含有される場合、つまり、Zr含有量が0%超である場合、Zrは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Zrが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Zr含有量が0.300%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なZr窒化物が生成する。粗大なZr窒化物は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Zr含有量は0~0.300%であり、含有される場合、Zr含有量は0.300%以下(0超~0.300%)である。
Zr含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%である。
Zr含有量の好ましい上限は0.280%であり、さらに好ましくは0.250%であり、さらに好ましくは0.200%であり、さらに好ましくは0.150%であり、さらに好ましくは0.100%である。
ハフニウム(Hf)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Hf含有量は0%であってもよい。
Hfが含有される場合、つまり、Hf含有量が0%超である場合、Hfは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Hfが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Hf含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なHf窒化物が生成する。粗大なHf窒化物は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Hf含有量は0~0.100%であり、含有される場合、Hf含有量は0.100%以下(0超~0.100%)である。
Hf含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
Hf含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%である。
タンタル(Ta)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ta含有量は0%であってもよい。
Taが含有される場合、つまり、Ta含有量が0%超である場合、Taは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。Taが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ta含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なTa窒化物が生成する。粗大なTa窒化物は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Ta含有量は0~0.100%であり、含有される場合、Ta含有量は0.100%以下(0超~0.100%)である。
Ta含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
Ta含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%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。つまり、W含有量は0%であってもよい。
Wが含有される場合、つまり、W含有量が0%超である場合、Wは鋼材の焼入れ性を高めて、ボルトの強度を高める。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。
しかしながら、W含有量が0.200%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、焼入れ性が高くなりすぎる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、W含有量は0~0.200%であり、含有される場合、W含有量は0.200%以下(0超~0.200%)である。
W含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.010%である。
W含有量の好ましい上限は0.150%であり、さらに好ましくは0.120%であり、さらに好ましくは0.100%である。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ti及びNbからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ti及びNbは、析出物を形成し、結晶粒を微細化する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低くなる。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ti含有量は0%であってもよい。
Tiが含有される場合、つまり、Ti含有量が0%超である場合、TiはTi炭化物等の微細な析出物を形成し、結晶粒を微細化する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低くなる。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。
しかしながら、Ti含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なTi窒化物が生成する。粗大なTi窒化物は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Ti含有量は0~0.100%であり、含有される場合、Ti含有量は0.100%以下(0超~0.100%)である。
Ti含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。
Ti含有量の好ましい上限は0.090%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.075%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。
Nbが含有される場合、つまり、Nb含有量が0%超である場合、NbはNb炭化物等の微細な析出物を形成し、結晶粒を微細化する。その結果、ボルトの水素脆化感受性が低くなる。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。
しかしながら、Nb含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なNb炭化物等が生成する。粗大なNb炭化物等は割れの起点になる。その結果、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Nb含有量は0~0.100%であり、含有される場合、Nb含有量は0.100%以下(0超~0.100%)である。
Nb含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%である。
Nb含有量の好ましい上限は0.090%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ca及びMgからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ca及びMgは、鋼材中のMnSを微細化して、ボルトの水素脆化感受性を低くする。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ca含有量は0%であってもよい。
Caが含有される場合、つまり、Ca含有量が0%超である場合、Caは鋼材中のMnSを微細化して、ボルトの水素脆化感受性を低くする。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。
しかしながら、Ca含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Ca含有量は0~0.0050%であり、含有される場合、Ca含有量は0.0050%以下(0超~0.0050%)である。
Ca含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0005%である。
Ca含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Mg含有量は0%であってもよい。
Mgが含有される場合、つまり、Mg含有量が0%超である場合、Mgは鋼材中のMnSを微細化して、ボルトの水素脆化感受性を低くする。Mgが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Mg含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の冷間鍛造性が低下する。
したがって、Mg含有量は0~0.0050%であり、含有される場合、Mg含有量は0.0050%以下(0超~0.0050%)である。
Mg含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0005%である。
Mg含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Bi及びTeからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Bi及びTeは、鋼材の被削性を高める。
ビスマス(Bi)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Bi含有量は0%であってもよい。
Biが含有される場合、つまり、Bi含有量が0%超である場合、Biは鋼材の被削性を高める。Biが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Bi含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Bi含有量は0~0.020%であり、含有される場合、Bi含有量は0.020%以下(0超~0.020%)である。
Bi含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
Bi含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。
テルル(Te)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Te含有量は0%であってもよい。
Teが含有される場合、つまり、Te含有量が0%超である場合、Teは鋼材の被削性を高める。Teが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Te含有量が0.010%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Te含有量は0~0.010%であり、含有される場合、Te含有量は0.010%以下(0超~0.010%)である。
Te含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%である。
Te含有量の好ましい上限は0.009%であり、さらに好ましくは0.008%である。
本実施形態の鋼材のミクロ組織は、次の特徴を有する。
(特徴2)硬質組織の面積率は90%以上であり、鋼材のビッカース硬さが220~400HVである。
ここで、硬質組織は、初析フェライト及びパーライト以外の組織であって、炭化物を含むフェライトからなる組織である。このような硬質組織は、ベイナイトと称される場合もある。
本実施形態のミクロ組織は、次の方法で測定できる。
鋼材の長手方向に垂直な断面を横断面と定義する。横断面において、中心軸と鋼材表面とを結ぶ半径の中央位置を「D/4」位置と定義する。Dは横断面の直径を意味する。
鋼材のミクロ組織のビッカース硬さは次の方法で求める。鋼材の長手方向に垂直な断面(横断面)を観察面とするサンプルを採取する。サンプルの観察面は、鋼材の長手方向に垂直な断面全体とする。つまり、サンプルの観察面の直径はDである。観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨後の観察面において、鋼材の表面から径方向にD/4深さの任意の測定位置を測定位置P1とする。測定位置P1から、サンプルの観察面の中心(つまり、鋼材の横断面の中心に相当)周りに30°ピッチで測定位置P2~P12を決定する。この12箇所のD/4深さ位置である測定位置P1~P12でビッカース硬さを測定する。
本実施形態の鋼材では、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であり、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NRが50.0%以上であり、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差σが0.070μm2以下である。
鋼材を素材としたボルトの製造工程中において、鋼材の硬質組織中のセメンタイトの個数密度が高いほど、ボルト中のMC型炭化物の個数密度も高まり、ボルト中のMC型炭化物が均一に分散される。その結果、ボルトの水素脆化感受性が十分に低くなる。具体的には、上述の特徴1及び特徴2を満たす鋼材において、硬質組織中のセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であれば、ボルト中のMC型炭化物が十分に微細分散され、ボルトの水素脆化感受性が十分に低くなる。
硬質組織中のセメンタイトの個数密度NDの上限は特に限定されない。硬質組織中のセメンタイトの個数密度NDの好ましい上限は25.0個/μm2であり、さらに好ましくは20.0個/μm2であり、さらに好ましくは15.0個/μm2であり、さらに好ましくは10.0個/μm2である。
特徴1を満たす鋼材のミクロ組織を実質的にベイナイトとし、セメンタイトを粒状にしたとしても、焼戻し後のボルト中の微細MC型炭化物の生成量は、セメンタイトの粒度分布の影響を受ける。具体的には、鋼材中の複数のセメンタイトの平均粒径が小さくても、セメンタイトの粒度分布がブロードであれば、鋼材中のセメンタイトのサイズがばらついている。この場合、当該鋼材を素材として製造されたボルトの水素脆化感受性を十分に低くできない。
個数割合NRの上限は特に限定されない。個数割合NRの上限は例えば100.0%であり、例えば90.0%であり、例えば85.0%であり、例えば80.0%である。
硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度ND、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NR、及び、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差σは次の方法で測定できる。
以上の説明のとおり、本実施形態の鋼材は、次の構成を有する。
(特徴1)化学組成中の各元素含有量が本実施形態に記載の範囲内である。
(特徴2)硬質組織の面積率が90%以上であり、鋼材のビッカース硬さが220~400HVである。
(特徴3)本実施形態の鋼材では、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であり、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NRが50.0%以上であり、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差σが0.070μm2以下である。
上述の構成の鋼材では、ボルトの素材として用いられた場合に、ボルトの水素脆化感受性を低くすることができる。
本実施形態の鋼材は、軸方向(長手方向)に垂直な断面が円形状の鋼材である。具体的には、軸方向に垂直な断面が円形状の棒鋼又は線材である。鋼材はコイル状に巻かれたものであってもよいし、所定の長さに切断されたものであってもよい。本実施形態の鋼材の断面の直径は特に限定されないが、例えば、5~30mmである。
本実施形態の鋼材は、上述のとおり、ボルトの素材に適する。本実施形態の鋼材は特に、1300MPa以上の引張強さを有し、低い水素脆化感受性が求められるボルトの素材に適する。ただし、本実施形態の鋼材は、上述のボルト以外の他の用途に用いてもよい。
本実施形態の鋼材の製造方法の一例を説明する。以降に説明する鋼材の製造方法は、本実施形態の鋼材を製造するための一例である。したがって、上述の構成を有する鋼材は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の鋼材の製造方法の好ましい一例である。
(工程1)鋳造後直接熱間加工工程
(工程2)仕上げ圧延工程
(工程1での条件)
・冷却中(凝固中)の鋳造材の表面温度が1100~900℃の範囲内となった時点で鋳造材に対して熱間加工を実施(直接熱間加工)
(工程2での条件)
・加熱温度HT :1000~1200℃
・仕上げ圧延温度FT:900℃以上
・仕上げ圧延温度FT~820℃の平均冷却速度CR1:1.0~2.0℃/秒未満
・820~400℃の平均冷却速度CR2:2.0~4.0℃/秒
鋳造後直接熱間加工工程では、鋳造材を製造し、かつ、冷却中(凝固中)の鋳造材の表面温度が1100~900℃の範囲内となったときに熱間加工を開始し、ビレットを製造する。これにより、結晶粒が粗粒のビレットを製造できる。
(工程11)鋳造工程
(工程12)直接熱間加工工程
以下、各工程について説明する。
鋳造工程では、特徴1を満たす化学組成の鋳造材を製造する。具体的には、化学組成中の各元素含有量が特徴1を満たす溶鋼を準備する。準備された溶鋼を用いて、周知の鋳造法により素材を製造する。例えば、造塊法によりインゴットを製造する。又は、連続鋳造法によりブルームを製造する。以上の工程により、鋳造材(インゴット又はブルーム)を製造する。
直接熱間加工工程では、鋳造工程後冷却中(凝固中)の鋳造材に対して、熱間加工を実施して、ビレットを製造する。具体的には、冷却中(凝固中)の鋳造材であって、鋳造材の表面温度が1100~900℃の範囲内となったときに、熱間加工を開始して、ビレットを製造する。
なお、直接熱間加工工程での累積圧下率の上限は特に限定されないが、例えば、80%である。
仕上げ圧延工程では、直接熱間加工工程で製造されたビレットを加熱する。加熱されたビレットを仕上げ圧延する。仕上げ圧延されたビレットを冷却して、鋼材を製造する。仕上げ圧延工程では、次の製造条件を満たす。
仕上げ圧延工程での条件は次のとおりである。
・加熱温度HT :1000~1200℃
・仕上げ圧延温度FT:900℃以上
・仕上げ圧延温度FT~820℃の平均冷却速度CR1:1.0~2.0℃/秒未満
・820~400℃の平均冷却速度CR2:2.0~4.0℃/秒
以下、各製造条件について説明する。
仕上げ圧延工程での加熱炉での加熱温度HTは、1000~1200℃である。
仕上げ圧延工程での加熱炉の加熱温度HTが1000℃未満であれば、ビレット中の析出物が十分に固溶しない。この場合、未固溶の析出物がピンニング効果を奏するため、ビレット中の結晶粒の粗大化が抑制される。この場合、仕上げ圧延工程後の鋼材中のセメンタイトが粗大になり、特徴3が満たされない。
一方、加熱温度HTが1200℃を超えれば、製造コストが高くなる。さらに、仕上げ圧延時にビレットに割れが発生しやすくなる。
したがって、加熱温度HTは1000~1200℃である。
加熱温度HTの好ましい上限は1180℃であり、さらに好ましくは1160℃であり、さらに好ましくは1140℃である。
なお、加熱温度HTでの保持時間は特に限定されない。保持時間は例えば、0.5~4.0時間である。
仕上げ圧延工程では、一列に配列された複数の圧延スタンドを備える連続圧延機により熱間圧延(仕上げ圧延)を実施する。連続圧延機を用いた熱間圧延において、最後に鋼材を圧下したスタンドの出側での鋼材温度を、仕上げ圧延温度FT(℃)と定義する。なお、鋼材温度とは、鋼材の表面温度を意味する。
仕上げ圧延温度FTが900℃未満であれば、析出物のピンニング効果により、鋼材中の結晶粒の粗大化が抑制される。この場合、仕上げ圧延工程後の鋼材のセメンタイトが粗大になり、特徴3が満たされない。
仕上げ圧延が完了した後、仕上げ圧延された鋼材を冷却する。上述の工程での製造条件を満たすことにより、仕上げ圧延された鋼材内の結晶粒は粗粒のまま維持されている。そのため、特徴1の化学組成を有する鋼材において、CCT線図におけるベイナイトノーズは長時間側にシフトしている。つまり、ベイナイトの変態開始温度は低くなっている。
平均冷却速度CR1は、鋼材温度が仕上げ圧延温度FTから820℃に至るまでの範囲での冷却速度の算術平均値を意味する。
平均冷却速度CR2は、鋼材温度が820℃から400℃に至るまでの範囲での冷却速度の算術平均値を意味する。
参考として、本実施形態の鋼材を素材とするボルトの製造工程について説明する。本実施形態の鋼材を素材とするボルトの製造工程の一例は、次の工程を含む。なお、ボルトの製造工程は周知である。
・伸線加工工程
・球状化焼鈍工程
・冷間鍛造工程
・焼入れ及び焼戻し工程
以下、各工程について説明する。
伸線加工工程では、上述の鋼材に対して周知の伸線加工を実施して鋼線を製造する。伸線加工は、一次伸線のみであってもよいし、二次伸線等、複数回の伸線加工を実施してもよい。
球状化焼鈍工程では、伸線加工工程後の鋼線に対して球状化焼鈍を実施する。球状化焼鈍は周知の条件で実施すればよい。例えば、鋼線を720~800℃に加熱する。その後、720~800℃で1.0~6.0時間保持する。その後、冷却速度3~10℃/時間で650℃まで徐冷する。その後、常温まで冷却する。
冷間鍛造工程では、球状化焼鈍工程後の鋼線に対して、周知の冷間鍛造を実施して、ボルト形状の中間品を製造する。
焼入れ及び焼戻し工程では、中間品に対して、焼入れ及び焼戻しを実施する。
冷間鍛造工程後の中間品に対して、焼入れは周知の方法で実施される。焼入れ温度及び焼入れ温度での保持時間は特に限定されない。焼入れ温度は例えば、840~970℃である。焼入れ温度での保持時間は例えば、15分~360分(6時間)である。保持時間経過後の中間品を急冷する。具体的には、中間品に対して水冷又は油冷を実施する。
焼入れ後の中間品に対して、周知の焼戻しを実施する。焼戻しの条件は例えば、次のとおりである。焼戻し温度は例えば、570~660℃である。焼戻し温度での保持時間は例えば、0.5~6.0時間である。
ボルトの製造工程は、上述の工程以外の他の工程を含んでいてもよい。例えば、冷間鍛造工程後であって焼入れ及び焼戻し工程前に、転造加工工程を実施して、ねじ山を形成してもよい。さらに、焼入れ及び焼戻し工程後、圧縮残留応力付与工程を実施してもよい。これらの工程はいずれも、任意の工程であり、実施されなくてもよい。
製造された鋼材を用いて、次の評価試験を実施した。
(試験1)ミクロ組織観察試験
(試験2)ビッカース硬さ試験
(試験3)セメンタイトの個数密度ND、セメンタイトの個数割合NR及び標本標準偏差σ測定試験
(試験4)鋼材の伸線加工性評価試験
(試験5)鋼材の冷間鍛造性評価試験
(試験6)鋼材を素材としたボルトの水素脆化感受性評価試験
以下、各評価試験について説明する。
各試験番号の鋼材のミクロ組織中の硬質組織の面積率(%)を、上述の[鋼材のミクロ組織の測定方法]に基づいて求めた。得られた結果を、表2中の「ミクロ組織」中の「硬質組織面積率(%)」欄に示す。
各試験番号の鋼材のビッカース硬さ(HV)を、上述の[ビッカース硬さ測定方法]に基づいて求めた。得られたビッカース硬さ(HV)を、表2中の「ミクロ組織」中の「ビッカース硬さ(HV)」欄に示す。
各試験番号の鋼材において、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度ND(個/μm2)、硬質組織中の複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NR(%)、及び、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差σ(μm2)を、上述の[セメンタイトの個数密度ND、セメンタイトの個数割合NR及びセメンタイトの面積の標本標準偏差σの測定方法]に基づいて求めた。得られた個数密度ND(個/μm2)、個数割合NR(%)及び標本標準偏差σ(μm2)を、表2中の「セメンタイト」欄の「個数密度ND(個/μm2)」、「個数割合NR(%)」及び「標本標準偏差σ(μm2)」欄にそれぞれ示す。
各試験番号の鋼材に対して、次の伸線加工を実施した。各試験番号の250kgの鋼材に対して、同じ条件で潤滑処理を実施した後、伸線加工を実施した。伸線加工でのダイスでの累積減面率を25%とした。伸線加工時に断線が生じなかった場合、伸線加工性に優れると評価した(表2中の「伸線加工性」欄で「P(Pass)」で表示)。一方、伸線加工時に断線が生じた場合、伸線加工性が低いと評価した(表2中の「伸線加工性」欄で「F(Fail)」で表示)。なお、伸線加工性が低かった試験番号の鋼材に対しては、試験5~6を実施しなかった。
各試験番号の鋼材の冷間鍛造性を、次の方法により評価した。
初めに、鋼材に対して球状化焼鈍を実施した。球状化焼鈍では、鋼材を760℃に加熱した。そして、760℃で5.0時間保持した。保持時間経過後、7℃/時間で650℃まで鋼材を徐冷した。鋼材温度が650℃~常温までは空冷した。
各試験番号の鋼材を素材としたボルトの水素脆化感受性評価試験を、次の方法で評価した。
球状化焼鈍後の鋼線に対して、同じ条件で冷間鍛造(ボルト成形)を実施して、各試験番号で同じねじ谷底直径14mmのボルト形状の中間品を製造した。
以上の製造工程により、各試験番号のボルトを製造した。
ボルトの表面から1mm深さ以上の内部から、平行部の直径が7mm、長さ70mmの環状切欠き付き丸棒試験片を採取した。試験片の長手方向中央位置には、環状ノッチを形成した。切欠き形状では、切欠きの深さが1.4mm、切欠き角度が60°であり、切欠き底の曲率半径が0.175mmであった。
表1-1、表1-2、及び、表2を参照して、試験番号1~23の鋼材では、化学組成が適切であり、製造条件も適切であった。そのため、硬質組織の面積率が90%以上となり、かつ、ビッカース硬さは220~400HVであった。さらに、鋼材の硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度NDが4.0個/μm2以上であり、硬質組織中の複数のセメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有するセメンタイトの個数割合NRが50.0%以上であり、硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有する複数のセメンタイトの面積の標本標準偏差σは0.070μm2以下であった。そのため、伸線加工性に優れた。さらに、球状化処理後の冷間鍛造性に優れた。さらに、鋼材を素材として製造されたボルトの水素脆化感受性は十分に低かった。
Claims (2)
- 軸方向に垂直な断面が円形状の鋼材であって、
質量%で、
C:0.30~0.50%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:0.10~1.50%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cr:0.01~0.80%、
Mo:0.70~1.50%未満、
V:0.01~0.50%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0010~0.0300%、
Cu:0~0.40%、
Ni:0~0.40%、
B:0~0.0100%、
Zr:0~0.300%、
Hf:0~0.100%、
Ta:0~0.100%、
W:0~0.200%、
Ti:0~0.100%、
Nb:0~0.100%、
Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、
Bi:0~0.020%、及び、
Te:0~0.010%、を含有し、
残部はFe及び不純物からなり、
炭化物を含むフェライトからなる組織であって、パーライトを含まない組織である硬質組織の面積率が90%以上であり、
前記断面の直径をDとしたとき、前記鋼材の表面から径方向にD/4深さ位置での平均のビッカース硬さが220~400HVであり、
前記硬質組織中の0.0005μm2以上の面積を有するセメンタイトの個数密度が4.0個/μm2以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトのうち、0.0005~0.0100μm2の面積を有する前記セメンタイトの個数割合が50.0%以上であり、前記硬質組織中の複数の前記セメンタイトの面積の標本標準偏差が0.070μm2以下である、
鋼材。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
Cu:0.01~0.40%、
Ni:0.01~0.40%、
B:0.0001~0.0100%、
Zr:0.001~0.300%、
Hf:0.001~0.100%、
Ta:0.001~0.100%、
W:0.001~0.200%、
Ti:0.001~0.100%、
Nb:0.001~0.100%、
Ca:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0050%、
Bi:0.001~0.020%、及び、
Te:0.001~0.010%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鋼材。
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