JPH04333544A - 高熱膨張特性を有する高強度鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い熱膨張率と高い強
度が要求される部品、例えば自動車エンジン等の温度変
化が激しい部位に用いられるＡｌ合金部品固定用ボルト
等の使用に適した高強度鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等の輸送用機器に対し、省
エネルギー化、低公害化への要求は極めて強く、その対
応のために軽量化に関する開発、検討が盛んに行われて
いる。例えば、Ａｌ合金は鋼、鋳鉄に比べ軽量であるこ
とから、シリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン
、クランクプーリー、シリンダヘッドカバー等の各種エ
ンジン部品等様々な部位で鉄合金に変わって使用される
ようになってきている。

【０００３】しかし、前述したエンジン部品等のように
温度変化のある部位にＡｌ合金製部品を使用した場合、
軽量化には大きな効果を発揮するが、別の新たな問題が
発生する。すなわち、Ａｌ合金の熱膨張率は約２０×１
０−６で鋼の約１２×１０−６に比べ高いため、同一の
温度環境では鋼製部品とＡｌ合金製部品との間に膨張量
の差が生じる。そのため、例えばＡｌ合金製部品を通常
使用されるＳＣＭ４４０等の鋼製ボルトで固定した場合
、使用時間の経過とともにゆるみが生じたり、逆に締ま
りすぎるといった不具合が生じる。この場合、Ａｌ合金
製ボルトで固定すれば膨張量の差による問題は生じない
が、強度が不足してしまう。

【０００４】従来、高膨張率を得るための材料としては
、オーステナイト系材料の熱膨張率が高いことから、オ
ーステナイト相形成元素であるＭｎ、Ｎｉどちらか一方
を多量に添加した鋼が提案されている。

【０００５】例えば、Ｎｉが添加された高膨張合金は、
バイメタル機能を利用して温度センサーや温度補償部品
として電気製品に使用されているＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金
があり、高い熱膨張率を得るのに悪影響となるマルテン
サイト変態を防止するため、Ｍｓ点を低くする成分設計
を行うことが必要であり、近年数種類の合金が提案され
ている。この合金はＡｌ合金と同等の２０×１０−６と
いう高い熱膨張率が得られるが、大量のＮｉを含有して
いる（２０％程度）　ため、極めて高価であるとともに
、高強度を得ることを目的として設計された材料でなく
、強度の点で問題がある。

【０００６】一方、Ｍｎを多量添加した鋼としては、本
発明とほぼ同一目的であるＡｌ合金部品を締結するため
のボルト用鋼として、Ｍｎを１０〜２０％　、Ｎｉを少
量含有する鋼が提案されているが、多量のＭｎの含有を
必要とする割に熱膨張率が１６〜１８×１０−６とＡｌ
に比べてやや低いレベルの熱膨張率しか得られていなか
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記課題を解
決し、従来の高膨張鋼に比べ少ないＭｎ、Ｎｉ含有量で
高い熱膨張率を確保でき、かつ高い強度が得られ、エン
ジン部品等温度変化の激しい部位でかつＡｌ合金と接触
する部位に使用しても前記したゆるみ等の問題が発生す
ることのない、高熱膨張特性を有する高強度鋼を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は高い熱膨張率
と高強度を同時に得ることのできる鋼を開発するために
、特にオーステナイト形成元素であるＭｎ、Ｎｉ含有量
の最適量を求めることを中心に鋭意研究を重ねた結果、
以下の知見をなし本発明を得た。

【０００９】すなわち、Ｍｎ量のみの添加の場合１６×
１０−６以上の熱膨張率を得るのに最低１０％の含有を
必要とし、それ以上に含有させてもあまり大きく熱膨張
率は改善されず、１８×１０−６以上の熱膨張率を得る
ことは難しく、含有率が２０％　を越えると逆に低下す
ることがわかった。

【００１０】また、Ｎｉ量のみを添加した場合、従来か
ら温度補償部品等で使用されていた鋼のようにＮｉを２
０％　程度という多量に添加した場合にはＡｌ合金とほ
ぼ同等の、２０×１０−６の熱膨張率が得られるが、１
０％　以下の添加では組織がオーステナイト相とならず
、熱膨張率の向上効果が得られないことがわかった。そ
こで、ＭｎとＮｉを複合添加した場合についてさらに検
討した結果、例えばＭｎ含有率が５％の鋼でもわずか３
％程度のＮｉの添加で１８×１０−６程度の熱膨張率が
確保でき、さらにＮｉを５％まで増量すると約２０×１
０−６の高い熱膨張率が得られることを知見した。

【００１１】また、Ｍｎ、Ｎｉを複合添加した鋼の強度
について検討した結果、組織がオーステナイトであるた
め加工硬化による強度向上が得られ、伸線等の冷間加工
を施すことにより、１０００Ｎ／ｍｍ２　以上の引張強
さを確保できることを確認した。

【００１２】なお、本発明鋼を使用して、前記したＡｌ
合金製部品締結ボルトを製造する場合には、線材圧延後
、伸線加工して線径のばらつきのない素材とした後、所
定の形状に成形加工する。伸線後の加工はヘッダー、プ
レス等による鍛造後、ねじ部を転造により行う。なお、
伸線は、線径のばらつきを少なくし、鋼の強度向上をは
かるために、１５％　以上の加工率とするのが望ましい
。

【００１３】圧延ままの素材で伸線しにくい硬さを有す
る時には、　８００℃程度に加熱して焼鈍処理を施すと
、伸線が容易となる。

【００１４】伸線加工後の素材は、冷間で成形するには
延性と強度の点の問題から、加工が容易でない場合もあ
る。その時は、伸線による加工硬化の影響が消滅しない
程度の温度で加熱（約　５５０℃以下）　して、加工す
ることにより、強度が低下することなく加工を容易とす
ることができる。

【００１５】以上の知見をもとに完成した本発明の高熱
膨張特性を有する高強度鋼は、重量比にしてＣ：０．３
０〜０．８０％　、Ｓｉ：０．１０　〜１．００％　、
Ｍｎ：３．０〜９．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｍ
ｎ＋Ｎｉ：８％以上であり、残部がＦｅならびに不純物
元素からなることを特徴とするものである。

【００１６】次に、本発明の高熱膨張特性を有する高強
度鋼の成分組成限定理由について説明する。

【００１７】Ｃ：０．３０〜０．８０％Ｃ　は、１００
０Ｎ／ｍｍ２　以上の高い強度を得るために必要不可欠
な元素であり、０．３０％　以上の含有が必要である。 しかし、多量に含有させると、伸線加工及び冷間ないし
温間での加工が困難となるので、上限を０．８０％　と
した。

【００１８】Ｓｉ：０．１０　〜１．００％Ｓｉは強力
な脱酸材としての効果のある元素であり、かつ固溶強化
によって強度の上昇にも寄与する。前記効果を得るため
には０．１０％　以上の含有が必要である。しかし、多
量に含有させると、冷間ないし温間での加工時に割れが
生じやすくなり、ボルト等の部品への製造が困難になる
ので、上限を１．００％　とした。

【００１９】Ｍｎ：３．０〜９．０％ Ｍｎは、オーステナイト相を安定化させ、高い熱膨張率
を得るために不可欠な元素であり、Ｎｉとともに複合添
加した場合にその効果が大きい。前記効果を得るために
は３．０％以上の含有が必要である。しかし、多量に含
有しても前記効果が飽和するとともに、加工性も悪化す
るので、上限を９．０％とした。

【００２０】Ｎｉ：２．０〜８．０％ Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト相を安定化させ、
高い熱膨張率を得るために不可欠な元素であり、２．０
％以上含有させることが必要である。しかし、多量に含
有させてもコストが高くなる割に熱膨張率が向上しない
ので、上限を８．０％とした。

【００２１】Ｍｎ＋Ｎｉ：８．０％以上Ｍｎ、Ｎｉは複
合添加すると、どちらか一方のみを添加した場合に比べ
て少量でオーステナイト組織となり、高い膨張率が得ら
れるが、前記ＭｎとＮｉ含有量の条件を満足しても、Ｍ
ｎとＮｉの合計含有量が８％未満だとオーステナイト組
織とならず、高い熱膨張率が得られない。従って、Ｍｎ
とＮｉの合計含有率の下限値を８．０％とする必要があ
る。ただし、Ａｌとほぼ同等の約２０×１０−６という
特に高い熱膨張率を要求される部品に本発明鋼を使用す
る場合には、ＭｎとＮｉの合計含有率を１０．０％　以
上とすることが望ましい。

【００２２】

【実施例】次に本発明の特徴を従来鋼、比較鋼と比較し
て実施例でもって明らかにする。表１に実施例で使用し
た供試材の化学成分を示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１において、１〜６鋼は本発明鋼であり
、７〜１０鋼は本発明の条件を部分的に満足しない比較
鋼、１１鋼は従来鋼であるＳＣＭ４４０である。

【００２５】表１に示した鋼のうち１〜１０鋼について
は、溶製したのち熱間圧延にて直径１４ｍｍの線材を製
造し、２０％　の加工率で伸線加工を施し、　４００℃
の温度でボルト成形し、ねじ部を転造して試験材である
ボルトを製造した。製造したボルトから試験片を切出し
、後述する方法にて引張強さ、熱膨張率を調べた。また
、従来鋼である１１鋼については、前記方法にて製造し
たボルトと同形状の市販の１１Ｔボルトを入手し、成分
分析した結果を表１に示し、１〜１０鋼のボルトと同様
に引張強さ、熱膨張率を測定した。測定結果を表１に示
す。

【００２６】引張強さは、前記ボルトからＪＩＳ１４Ａ
号試験片を切り出して、島津製作所製２５ｔオートグラ
フにより引張速度１ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行うこと
により測定した。

【００２７】熱膨張率は、真空理工製熱膨張率測定装置
を用いて、常温から　１５０℃までの平均熱膨張率を測
定した。

【００２８】表１から明らかなように、比較鋼、従来鋼
である７〜１１鋼を本発明鋼と比較すると、７鋼は　Ｃ
含有率が低いため、引張強さが劣るものであり、８、９
鋼はＭｎあるいはＮｉ含有率が低く、かつＭｎとＮｉの
合計含有率が低いため、組織が十分にオーステナイト相
とならず、熱膨張率が劣るものであり、１０鋼はＭｎと
Ｎｉの合計含有率が低いため、８、９鋼と同様に熱膨張
率が劣るものである。また、従来のボルトである１１鋼
は、本発明に比べ熱膨張率が著しく劣るものである。

【００２９】これに対して本発明鋼である１〜６鋼は、
ＭｎとＮｉを適量複合添加することによって、１８×１
０−６以上の高い熱膨張率を確保でき、ＭｎとＮｉを合
計で１０％　以上含有させた場合には、１９．３〜１９
．９×１０−６という優れた熱膨張率を得ることができ
た。また、強度についても１１００Ｎ／ｍｍ２　以上と
いう優れた値が得られることが確認できた。

【００３０】

【発明の効果】本発明の高熱膨張特性を有する高強度鋼
は、ＭｎとＮｉを複合添加することにより、従来の高膨
張材に比べ少量のＭｎ、Ｎｉ量で効率良くオーステナイ
ト相を得ることができた。そして、最適なＭｎ、Ｎｉ量
とした場合には、約２０×１０−６という優れた値を確
保でき、かつ強度にも優れた鋼とすることができた。従
って、軽量化のために最近使用量が急増しつつあるＡｌ
合金とほぼ同等の熱膨張率が得られるため、Ａｌ合金製
部品締結ボルト等高強度と高膨張率をともに要求される
部位の使用に最も適した鋼となる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量比にしてＣ：０．３０〜０．８０
   ％　、Ｓｉ：０．１０　〜１．００％　、Ｍｎ：３．０
   〜９．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｍｎ＋Ｎｉ：８
   ％以上であり、残部がＦｅならびに不純物元素からなる
   ことを特徴とする高熱膨張特性を有する高強度鋼。