JPH0551653B2 - - Google Patents

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 (1)

1. 【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。