JPH0551653B2

JPH0551653B2 -

Info

Publication number: JPH0551653B2
Application number: JP58002374A
Authority: JP
Inventors: Zonmaa Rihyaruto
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1982-01-16
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1993-08-03
Also published as: DE3201204C2; EP0085828A1; EP0085828B1; DE3201204A1; JPS58123856A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、圧延、鍛造またはプレス作業による
構造部材の最低成形温度1000℃に達した場合静止
または流動空気中で制御して冷却するか、ないし
は成形の終りに1000℃の温度を下廻つた場合には
1000℃に再焼鈍し、引き続き静止または流動空気
中で制御して冷却した後に、フエライト約５〜20
％、残りパーライトを有するフエライト・パーラ
イト組織を有しかつ降伏点ないしは0.2％耐力が
少なくとも580N／mm²であり、IOS−Ｕノツチ試
験片で測定した切欠き衝撃仕事が少なくとも25J
である、約40cm²以上の断面積を有する棒状構造部
材用材料に関する。西ドイツ国特許第3009443号明細書からは、大
きい強度とともに、注目すべき靱性、すなわち、
費用のかかる熱処理を施す必要なしに、降伏点な
いしは0.2％耐力580N／mm²ならびにDVM試験片
で測定した切欠き衝撃仕事値35Jを有する、特定
の構造部材用鋼が公知である。このような条件を
満足する鋼の組成として以下が記載されている：炭素 0.3〜0.6％珪素 0.65〜1.2％マンガン 0.55〜1.5％バナジウム 0.05〜0.2％クロム０〜５％硫黄０〜0.2％アルミニウム０〜0.1％窒素０〜0.04％残分の鉄および溶融に起因する不純物。前述の特許明細書に記載された、分析限界値内
で相対的に大きい分量のバナジウム、アルミニウ
ムおよび窒素を含有する鋼は、155mmφに圧延し
た棒を空気中で冷却した場合、降伏点ないしは
0.2％耐力578N／mm²、引張り強さ865N／mm²なら
びにDVM試験片で測定した切欠き衝撃仕事値
35Jを有する。これに対し、本発明の課題は、同時に少なくと
も極めて大きい靱性でさらに大きい強度を有する
棒状構造部材用の材料を得ることであり、その場
合これは構造部材を熱間加工ないしは焼鈍工程後
に調質熱処理（焼入れ、焼なまし）なしに空気中
で簡単に冷却することにより達成できるべきであ
る。この課題の解決策として、前述の目的のため
に、特許請求の範囲第１項記載の分析組成：炭素 0.3〜0.6％珪素 0.2〜0.6％マンガン 0.55〜2.5％バナジウム 0.05〜0.2％硫黄 0.01〜0.04％硼素 0.0005〜0.005％および１種またはそれ以上の下記成分：ニオブ 0.2％以下クロム 0.5％以下アルミニウム 0.1％以下窒素 0.04％以下ならびに残分の鉄および溶融に起因する不純物
を含有する鋼からなり、圧延、鍛造またはプレス
作業による構造部材の最低成形温度1000℃に達し
た場合静止または流動空気中で制御して冷却する
か、ないしは成形の終りに1000℃の温度を下廻つ
た場合には1000℃に再焼鈍し、引き続き静止また
は流動空気中で制御して冷却した後に、フエライ
ト約５〜20％、残りパーライトを有するフエライ
ト・パーライト組織を有しかつ降伏点ないしは
0.2％耐力が少なくとも580N／mm²であり、ISO−
Ｕノツチ試験片で測定した切欠き衝撃仕事が少な
くとも25Jである、約40cm²以上の断面積を有する
棒状構造部材用材料が提案される。上記鋼組成の数値限定の理由は、下記に個々の
合金元素につき詳述する： − 炭素：0.3％の最低含量が必要であるのは、
さもないと所定の大きい構造部材断面積（40
cm²よりも大きい）の場合、熱間加工ないしは
焼鈍工程後の、課題による空気での構造部材
の簡単な冷却のため、それに対し同様に作用
する他の添加物が最適化されているときでも
必要な最小降伏値は維持することができない
からである。0.6％の最高含量は、組織中の
パーライト含量、それから生じる鋼の硬度お
よび脆性の増加によつて規定される。さら
に、炭素含量を0.6％に制限するのは、他の
基礎添加物によつて共析点が低下し、セメン
タイト生成の危険が存在するために必要なの
である。 − 珪素：この元素は所定の処理法の場合目指す
鋼性質を得るのに著しい影響を有しない。従
つて、珪素は炭素鋼における通常の範囲内に
存在することができる。 − マンガン：マンガンの添加は、いわばクロム
の添加と同様に考えられている。それという
のも双方の金属は若干の点で補完しかつ特定
の性質を達成するために部分的に相互に交換
可能であるからである。マンガンの最低含量
は固定された構造部材断面積（40cm²よりも大
きい）および所定の冷却法によつて規定され
ている。記載の最低含量を下廻ると、必要な
最小降伏値は殆ど達成することができない。
マンガンの最高含量は、３％にまで達しうる
が、2.5％に制限することが必要である。そ
の理由はマンガン含量1.8％から既に、最適
よりも緩慢な冷却の際に強度の低下は次第に
小さくなるからである。さらに、弾性は殊に
マンガン含量の増加する構造部材縁部におい
ては、もはや耐力の増加ほど強くは増加しな
い。 − バナジウム：バナジウムはアルミニウム、ジ
ルコニウムおよびニオブと同様、微粒子形成
のための結晶核としての窒化物および炭化窒
化物形成により、フエライトの良好な分配に
より、ならびにフエライト中での析出硬化に
よつて、降伏値対破断強度比の増大および強
度の増大を惹起する。しかしこの作用は、固
定の最低含量を下廻らないときにだけ得られ
る。バナジウムの最高含量は、バナジウムの
含量がさらに増加してもさきに挙げた有利な
作用はほんの僅かしか増加しないこと、およ
び時折同時に、鋼の性質に対して不利な影響
が惹起されることによつて生じる。 − ニオブ：含量数値範囲のそれぞれの下限およ
びそれぞれの上限についてはバナジウムの場
合と同じ基準があてはまる。 − クロム：クロムは共析点の低下を惹起する。
さらに、クロムは炭化物およびセメンタイト
の形成を惹起し、これにより構造部材の加工
性が損なわれる。従つて、クロムの最高含量
を上廻ると、鋼の性質の著しい劣化が生じ
る。さらに、クロムの添加は、マンガンの添
加と同一視される（マンガンの項参照）。 − 硫黄：硫黄の最低含量は、動的外力を受ける
大きい構造部材に対し不可避であるような鋼
の良好な加工性の要求によつて規定されてい
る。最高含量は、長期の組織中断を惹起し、
こうして鋼の縦および横強度に影響を及ぼす
硫化マンガンの生成を制限することによつて
記載された小さい値に決定されている。 − アルミニウム：バナジウムの項参照。 − 硼素：最低含量は、硼素が窒素と、鋼溶湯が
固体状態へ移行する際既に結合し、こうして
凝固した鋼中に溶解した窒素が残留して亜硫
酸鉄の生成を阻止することにより鋼の靱性を
改善することによつて定められている。さら
に、少量に硼素を添加することにより変換速
度が著しく遅くなる。この作用は、記載され
た硼素の最低含量が与えられている場合にの
み得ることができる。最高含量を上廻ると鋼
の脆化が生じる。 − 窒素：硼素と一緒になつて達成される、鋼の
良好な靱性と同時に高い強度は、窒素の最低
含量の決定を必要としない。記載された最高
含量を上廻ると、鋼の脆化が生じる。水素が最高含量0.0003％を上廻ると鋼の脆化が
生じる。本発明によるもう１つの有利な鋼組成は従属請
求項に記載されている。この場合、本発明は、以
下に記載した認識が基礎になつている。炭素含分の増大とともに、鋼中のパーライト含
量およびそれとともにまたその強度、硬度および
脆性が増大する；同時にまた、約0.6％にまでの
炭素含量が、最終加工温度または焼鈍温度から冷
却される際のその変態速度をも低減する。マンガ
ンは、0.3％にまでの分量で、α鉄中のクロムと
同じく極めて良溶性でありかつ、高い靱性を得る
ために必要であるフエライト成分の硬度増大によ
る脆化なしに強度を増大させる。しかしながらマ
ンガンは、クロムとは異なり、構造部材の後加工
性を劣化させる炭化物の形成が著しく僅小であ
り、かつ共析点の低下もクロムよりも非常にわず
かであり；マンガン含量が相対的に大きい場合で
さえ、セメンタイトの形成が回避される。このセ
メンタイトの形成は殊に構造部材の後加工性を損
なう。マンガンは、前記0.6％までの炭素含量と
同じく、構造部材を約100℃の最終加工温度また
は焼鈍温度から冷却する際の変態速度を遅延させ
ると同時にすべての変態温度をも低下させ；さら
に、大きい冷却速度範囲内で、それと関連して同
じく大きい強度を有する殆ど不変のパーライト組
織が、種々の位置で異なる壁厚により惹起される
異なる冷却速度を有する構造部材においても得ら
れる。たとえば硫黄のような不純物に対するマン
ガンの大きい親和力により可能な、硫化マンガン
および封入ガスにより惹起される細長い組織中断
個所による長手方向および横方向で異なる強度
は、硫黄含量を相応する添加物を用いる取鍋処理
の際吹込み法および排気法により調節する際に、
球状の不純物の形成により回避することができ
る。これによつて強度等方性の損失は十分に低く
なり、それにもかかわらず、硫黄含量と関連して
構造部材の良好な加工性が得られる。 0.0005％の極めて少量の硼素を添加することに
より、変態速度をさらに10の１または数乗程度遅
延させることができる。バナジウムおよびアルミニウムおよび場合によ
りまたジルコニウムおよびニオブを窒素含量に相
応に同調させて微量添加することにより、微粒子
を形成するための結晶核としての窒化物形成およ
び炭窒化物形成によるフエライトの良好な分配、
並びにフエライトの析出硬度による降伏値／破断
強度比の増大およびさらに強度の増大が得られ
る。前述の工程は、他の影響を受けずに室内空気
中で約1000℃の最終加工温度または焼鈍温度から
制御して冷却される構造部材の場合、構造部材の
壁厚ないしは肉厚に依存して所定の速度で行われ
るが、この速度は、たとえば送風機を使用する軽
度の吹付けにより有利に短縮することができる。前述のこれらの条件の配慮下に、構造部材に
は、炭素−およびマンガン含量が、とりわけ目的
とする強度が達成可能であるように決められた鋼
を使用すべきであるが、その場合マンガンは、所
定の範囲内でクロムにより置換することもでき
る。同様に、微粒子を形成しかつ析出硬化する合
金成分は、相互にまた炭素−およびマンガン含量
と同調されていなければならない。さらに、硼素
は、構造部材の寸法および製造条件に適合せる冷
却条件において、静止または流動する空気中で緩
慢または迅速な冷却により所望の靱性値を生じる
パーライト組織が得られるような量で添加されて
いなければならない。こうして、高価な装置が不必要なので、慣用の
調質処理を省略して、かつ極めてわずかなエネル
ギ消費量で、容易に供給可能な安価な添加物をわ
ずかに合金化することにより、本発明の目的とす
る強度および靱性の要件を満足する、良好に後加
工しうる安価な構造部材を製造することができ
る。実施例Ａ表１に示す分析組成ならびに残分の鉄および
溶融に起因する不純物を有する鋼チヤージを使
用し、直径250mmのシヤフトを空気中で記載の
最終鍛造温度から500℃に冷却した。得られた
強度値も表１に記載されている。

【表】冷却時間は、静止空気の場合75分、（軽微な）流動空気の場合25分。上記表中の符号はそれぞれ次のものを表わす： Rm 引張強さ R_0.2 0.2％耐力Ａ伸び率Ｚ縮み率 Av ノツチ衝撃仕事 ZDW 疲れ限度Ｂ対照鋼合金例として、42CrMo4を使用した。
42CrMo4は、珪素0.3％のほかになおマンガン
0.6％、クロム1.1％およびモリブデン0.2％を含
有する調質（焼入および焼なまし）合金鋼を示
す。ここで符号“BY”は、通常の調質でな
く、鍛造熱時から制御して冷却する熱処理を表
わす。この公知合金鋼42CrMo4との比較は、
それから製造したクランクシヤフト（ピンの直
径200mm）につき実施した。その結果は表２に掲げる。

【表】表２からは、要求される特性値、殊に強度値お
よび靱性値は、対照調質鋼でもほぼ達成される
が、±σ_A［Ｎ／mm²］で示される交番曲げ強度値は、
対照合金鋼の場合±σ_A［Ｎ／mm²］＝360であるのに
対して本発明による材料の場合±σ_A［Ｎ／mm²］＝
460であることが認められる。このことは本発明
による合金鋼が対照合金鋼よりも良好な変形可能
性、ひいては良好な加工性を有することを表わ
す。それというのも本発明による合金鋼は調質鋼
よりも多量の窒素を含有し、この窒素は加工性に
対して良好な影響を有するからである。表１からは、本発明により提案された鋼を使用
した構造部材の場合、すでに静止空気中での冷却
の際極めて大きい強度値および靱性値を得ること
ができ、これらの値は、空気中での冷却を意図的
に制御することにより著しく調節してさらに良好
な値にしうることが明らかである。これらの値
は、殊に微量合金元素を有利に配合することによ
りさらに改善することができる。いずれにせよ前
述の値は、このようなBY処理されたマンガン鋼
により実際に、調質熱処理された鋼のような強度
値および靱性値を得ることができることを示し、
後者の調質熱処理鋼は同じ寸法（直径250mm）で
同じ強度値および靱性値を得るためにはクロムの
ような合金元素が最低３倍量合金されていなけれ
ばならず、これら合金元素はこの場合所要の含量
では、本発明により使用される鋼の含量とは正反
対に、構造部材の後加工性を著しく劣化させる。本発明により提案される鋼は、これらの利点
を、殊に内燃機関のクランク軸またはカム軸等の
交番応力を受ける機械部材のような40cm²を上廻る
大きい断面積を有する構造部材を製造する場合に
生じる。

Claims

【特許請求の範囲】１次の分析組成：炭素 0.3〜0.6％珪素 0.2〜0.6％マンガン 0.55〜2.5％バナジウム 0.05〜0.2％硫黄 0.01〜0.04％硼素 0.0005〜0.005％および１種またはそれ以上の下記成分：ニオブ 0.2％以下クロム 0.5％以下アルミニウム 0.1％以下窒素 0.04％以下ならびに残分の鉄および溶融に起因する不純物
を含有する鋼からなり、圧延、鍛造またはプレス
作業による構造部材の最低成形温度1000℃に達し
た場合静止または流動空気中で制御して冷却する
か、ないしは成形の終りに1000℃の温度を下廻つ
た場合には1000℃に再焼鈍し、引き続き静止また
は流動空気中で制御して冷却した後に、フエライ
ト約５〜20％、残りパーライトを有するフエライ
ト・パーライト組織を有しかつ降伏点ないしは
0.2％耐力が少なくとも580N／mm²であり、ISO−
Ｕノツチ試験片で測定した切欠き衝撃仕事が少な
くとも25Jである、約40cm²以上の断面積を有する
棒状構造部材用材料。２次の分析組成：炭素 0.43％珪素 0.30％マンガン 1.80％バナジウム 0.08％クロム 0.14％硫黄 0.046％アルミニウム 0.035％硼素 0.001％窒素 0.01％残分の鉄および溶融条件に起因する不純物を含
有する鋼からなり、圧延、鍛造またはプレス作業
による構造部材の最低成形温度900〜950℃に達し
た場合静止空気中で60分より長時間または流動空
気中で30分より短時間制御して冷却するか、ない
しは成形の終りにこの温度範囲を下廻つた場合に
は900〜950℃に再焼鈍し、引き続き静止空気中で
60分より長時間または流動空気中で30分よりも短
時間制御して冷却した後に、フエライト約５〜20
％、残りパーライトのフエライト・パーライト組
織を有し、ならびに次の強度、靱性および硬度
値： Rm［Ｎ／mm²］＝850〜970 R_0.2［Ｎ／mm²］＝580〜720 Ａ［％］＝17〜22 Ｚ［％］＝50〜57 Av［Ｊ］（ISO−Ｕ）＝26〜46 ZDW［Ｎ／mm²］＝390〜460 を有しかつ500cm²の最大断面積の周辺から中心部
への硬度低下が３％〜15％にすぎない、約40cm²〜
約500cm²の断面積を有する、特許請求の範囲第１
項記載の構造部材用材料。３構造部材が、内燃機関のクランク軸、カム軸
またはその他の交番応力を受ける機械部品であ
る、特許請求の範囲第１項または第２項記載の構
造部材用材料。