JPH0557350B2

JPH0557350B2 -

Info

Publication number: JPH0557350B2
Application number: JP59234872A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Inoe; Tadashi Koseki; Takeshi Miki; Masahiro Toda
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1993-08-23
Also published as: JPS61113744A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は冷間鍛造用強靱鋼に関し、特に冷間鍛
造性を向上せしめた機械構造用炭素鋼に関するも
のである。（従来技術及び問題点）一般に、強靱鋼はたとえば特開昭59−13048号
公報などに見られるように、使用時の耐摩耗性、
耐転動疲労性より0.4％以上の高炭素鋼を焼入、
焼もどし処理し、表面硬さを高くして使用され
る。ところが、このような高炭素の材料は球状化
焼鈍処理（以下S.A.と略す）を行つても、変形抵
抗（加工に要する力の大きさで示す）が高い。そ
れゆえ従来は冷間鍛造が困難で熱間鍛造にて成形
されていた。しかし熱間鍛造では寸法精度が悪
く、その後に切削工程が必要となる。しかし乍ら
この切削工程は多くの工数を要し非常に煩雑であ
るので、鍛造後の寸法精度がよく、そのため切削
工程を殆んど必要としない冷間鍛造材の開発が望
まれ、さらに焼入・焼もどし後の靱性・延性の向
上も望まれていた。本発明者らは、これらの点に鑑み種々検討した
結果、変形抵抗にはSi，Mn，Ｐ，Ｎ，Ｏの方が
Ｃよりむしろ悪影響をもたらしていることをつき
とめ、これに対処するには低Ｐ，低Ｎ，低Al，
低Ｏを必須とし、Si及びMnの上限をおさえ、そ
れによる焼入性の不足をTi，Ｂ，Ｃまたはさら
にCrで補い、変形抵抗及び変形能を著しく改良
した鋼を先に特開昭59−13048号公報により提案
している。即ち、この提案による鋼とは、重量％でＣ
0.4〜0.75％の機械構造用炭素鋼において、Si 0.1
％以下、Mn 0.4％以下、Ｐ 0.01％以下、Al
0.01％以下、Ｎ 0.005％以下、Ｏ 0.005％以下
に夫々低下せしめると共に、Ti 0.05％以下、Ｂ
0.003％以下、Ca 0.01％以下、又はこれにさら
にCr 0.8％以下添加したことを特徴とする冷間鍛
造用強靱鋼である。しかし乍ら本発明者らのその後の研究によれ
ば、この鋼は変形抵抗の点ではたしかに従来鋼よ
りも優れており、実用に供されているものの、焼
入性、延性および靱性の点では未だ改良の余地が
あり、近年ますます要求されるようになつたこれ
らの性質を満足させるにはさらに改良を要するこ
とがわかつた。（問題を解決するための手段）そこで本発明者らはかかる実状に鑑みさらに研
究を進めた結果、Ｃ，Si，Mn，Cr，Alを夫々適
正範囲とすると共にMn，Si，Crの三者の合金量
の間に特定の関係を満足させ、且つＳ，Ｐ，Ｎ，
Ｏをすべて低く制限することによつて、変形抵
抗、焼入性、延性および靱性を全て満足する冷間
鍛造用強靱鋼を得ることが出来るという全く新た
な知見を得て本発明を完成したものである。（発明の構成・作用）即ち本発明は重量％でＣ 0.4〜0.75％、Si
0.01〜0.05％、Mn 0.20〜0.40％、Cr 0.3〜1.0％、
Al 0.01超0.04％以下を含有し、且つMn，Si，Cr
三者の関係が下記式で表わされる変形抵抗組成係
数Ｉ：0.50以下、焼入性組成係数Ｆ：0.60以上を
夫々満足すると共に、Ｓ 0.02％未満、Ｐ 0.01
％未満、Ｎ 0.0050％以下、Ｏ 0.0050％以下に
夫々制限したことを特徴とする冷間鍛造用強靱鋼
である。但し、変形抵抗組成係数Ｉ＝（Mn％）＋2.37（Si
％）＋0.14（Cr％）焼入性組成係数Ｆ＝（Mn％）＋0.62（Si％
）＋0.83（Cr％）で表わされるものである。以下に本発明を詳細に
説明する。先ず本発明の基本成分について述べると、本発
明の鋼は重量％でＣ 0.4〜0.75％を含有する機
械構造用炭素鋼であつて、特にＣを限定したのは
Ｃが焼入硬さを決定する重要な合金元素だからで
あり、0.40％未満では十分な表面硬さが得られな
いので0.40％以上とした。また0.75％超では焼入
時の焼割れが発生しやすくなるので、上限を0.75
％とした。 Siは製鋼時の脱酸元素として必要であるため従
来は0.2〜0.3％含まれている。しかし、SiはS.A.
時の強度上昇が大きく、特に高変形時の変形抵抗
を大きく増大させる。従つて変形抵抗の十分な低
下のために上限を0.05％とし、過度に少ないと脱
酸不足によるＢ系介在物が増加し冷間鍛造時の割
れを生じることがあるので若干のSiの存在は必要
であり、従つてその下限を0.01％とした。次にMnは不純物としてのＳを固定し、熱間圧
延時の表面疵発生防止上必要である。またMnは
比較的安価で焼入性確保に重宝な元素であるの
で、従来鋼では0.7〜0.8％添加されていた。しか
し、MnはSi同様高変形時の変形抵抗低下に大き
な阻害元素となるので、Mn量の上限を0.4％とし
た。なおMn量の上限を0.4％としたことによる焼
入性の不足分は後述のCrで補うものである。一
方、Mnは熱間圧延時の割れ発生原因となる不純
物ＳをMnSとして固定・無害化するため少量の
添加は必要であり、従つて0.2％を下限とした。次にCrは焼入性の不足分を補うために添加す
るものであり、S.A.時の強度をあまり上昇しない
で焼入性を高くするもつとも優れた元素である。
変形抵抗低下のためSi及びMnの上限をおさえ、
それによる焼入性の不足をCr添加で補うために
は0.3％以上が必要である。しかし、その量が多
いと固溶硬化を生じ、S.A.時の強度を上昇するの
で上限を1.0％とした。またAlは脱酸に有効であるのみでなく、Ｎを
固定してAlNとなつて結晶粒細粒化の役目も果
たす有能な合金元素であるため下限を0.01％超と
し、一方0.04％を超えると脱酸時に生成するAl₂
O₃が冷間鍛造時の割れの原因となるため上限を
0.04％とした。以上が本発明における基本成分であるが、さら
に本発明においてはMn，Si，Crの含有量の間に
特定の関係を満足せしめることを重要な骨子の一
つとしており、これによつて得られる鋼材の変形
抵抗及び焼入性を著しく向上したものとすること
ができる。即ち、変形抵抗組成係数Ｉ＝（Mn％）＋2.37（Si
％）＋0.14（Cr％）がＩ：0.50以下であり、且つ焼
入性組成係数Ｆ＝（Mn％）＋0.62（Si％）＋0.83（Cr
％）がＦ：0.60以上であることが必要である。こ
のような関係は次に示すような実験に基いて得ら
れたものである。即ち、試験材としてＣ 0.45％、Al 0.03％を
含み、且つＳ 0.0008％、Ｐ 0.0015％、Ｎ
0.0009％，Ｏ 0.003％に制限した鋼について、
Mnを0.1〜1.0％、Si 0.01〜0.30％、Cr 0.1〜1.5
％、に夫々変化させ、これらを通常の球状化焼鈍
処理を行ない、切削加工して30mmφ×50mmの寸法
形状の試験片とした。そしてこれらについて圧縮
試験時の荷重及び高周波焼入・焼もどし後の試験
片表面から３mmの位置の硬さについて求めた。な
お焼入条件は各鋼種についてAc₃＋50℃の温度に
７秒加熱後、リングシヤワーで約20秒水冷したも
のである。また焼もどしは200℃±20℃の炉中で
30分加熱後空冷した。この結果について各組成の検討を行つた所、圧
縮試験時の荷重（ton）とMn，Si，Cr量、及び
高周波焼入・焼もどし後の硬さ（Hv）とMn，
Si，Cr量との間には夫々一定の関係があること
が示された。即ち、まず圧縮荷重は変形抵抗と同
義であるため変形抵抗と組成との関係をＩという
係数で表わすと、Ｉ＝（Mn％）＋2.37（Si％）＋0.14（Cr％）となることがわかつた。この場合、Si％に対し
2.37、又Cr％に対し0.14の係数が夫々かかつてい
るのは、変形抵抗に対する成分元素の影響がMn
を１とするとSiの場合は2.37倍、又Crの場合は
0.14倍の効果を示すことを、圧縮試験時の荷重
（ton）とMn％、Si％、Cr％との回帰計算結果か
ら知見したからである。また高周波焼入・焼もどし後の硬さと組成との
関係をＦという係数で表わすと、Ｆ＝（Mn％）＋0.62（Si％）＋0.83（Cr％）となることがわかつた。この場合、Si％に対し
0.62、又Cr％に対し0.83の係数が夫々かかつてい
るのは、硬さに対する成分元素の影響が、Mnを
１とするとSiの場合は0.62倍、又Crの場合に0.83
倍の効果を示すことを、高周波焼入・焼もどし後
の硬さとMn％、Si％、Cr％との回帰計算結果か
ら知見したからである。以上のようにして得られた係数Ｉを変形抵抗組
成係数と呼び、又、係数Ｆを焼入性組成係数と呼
ぶものであるが、これらＩ及びＦを種々のMn，
Si，Crの組合せについて求め、Ｉと荷重の関係、
及びＦと硬さの関係を図示したものが第１図及び
第２図である。まず第１図においてはＩが0.50を超えると、荷
重がこの種の鋼材に期待される変形抵抗である圧
縮試験時の荷重60（ton）を超えることにより、変
形抵抗が過大になることがわかる。よつてＩは
0.50以下でなければならない。また第２図においてはＦが0.60未満では、この
種の鋼材に要求される高周波焼入・焼もどし後の
硬さとして要求されるHv550を下まわることにな
る。よつてＦは0.60以上でなければならない。以
上の結果よりMn，Si，Crの組合せは変形抵抗組
成係数Ｉ：0.50％以下で焼入性組成係数Ｆ：0.60
以上を満足する組合せでなけばならない。次に本発明においてはＳ，Ｐ，Ｎ，Ｏを夫々低
減せしめることも重要な骨子の一つとするもので
ある。その理由は次の通りである。まずＳは熱間圧延時の表面疵発生や加工硬化の
点から極力低減すべきであり、また延性・靱性向
上の見地から0.02％未満とした。Ｐ，Ｎは鋼中に
不純物元素として含まれるが、多いと炭素鋼でも
焼もどし脆性を引き起こし焼もどし後の延性・靱
性を低下させ、さらに冷間鍛造時の温度上昇に伴
ない時効硬化して変形抵抗上昇の原因となるため
極力低減すべきである。従つてＰは0.01％以下、
Ｎは0.005％以下とした。ＯはＰ，Ｎと同様、そ
の量が多いと時効硬化を起こし、またAl，Siな
どと結びついて酸化物となり、冷間鍛造時の割れ
の原因となる。従つてその量を0.005％以下とし
た。次に本発明の効果を実施例に基づいてさらに具
体的に説明する。（実施例）第１表に示す化学成分の鋼材を用いて、球状化
焼鈍処理を行ない圧縮試験時の荷重を調査すると
共に、30mmφの試験材の表面を高周波焼入・焼も
どし試験を行い、表面から３mmの位置の硬さを測
定した。また靱性・延性の調査は、30mmφの試験
材を炉加熱焼入・焼もどしした後、中心部より２
mmＶノツチシヤルピー試験片およびA2号引張試
験片を採取して行つた結果も合せて示した。同表のNo.１〜No.９は比較材であり、No.10〜No.14
は本発明鋼である。先ず比較鋼においてNo.１〜No.
７はＣを0.45％程度添加したものである。No.１と
No.２は、焼入性組成係数Ｆが1.30，0.91と高く、
高周波焼入焼もどし後の硬さは690，650で、一般
に耐摩耗性、耐転動疲労性より目標レベルとされ
る550より高くなつており、焼入性は十分である。
しかし、変形抵抗組成係数Ｉは1.31，1.26と高
く、その変形抵抗である圧縮試験時の荷重はそれ
ぞれ81（ton），78（ton）で、この種の鋼材に期待
される圧縮試験時の荷重60（ton）より高い。変形
抵抗がこのように高くなると、この種の鋼材を加
工するのに期待される工具の寿命より短くなるの
で実用的でない。 No.３はSiを、No.４はMnを通常レベルより下げ
圧縮試験時の荷重低下を狙つたものであるが、変
形抵抗組成係数はそれぞれ、0.90，0.86と高く、
従つて圧縮試験時の荷重も73（ton），71（ton）と
依然高くなつており、工具寿命に悪影響を及ぼ
す。 No.５，No.６はSiとMnを通常レベルより同時に
下げ、No.５にはCr 1.3％、No.６にはCr 0.1％添加
して、圧縮試験時の荷重を低下させ高周波焼入・
焼もどし後の硬さ上昇させることを狙つたもので
ある。しかしNo.５は変形抵抗組成係数Ｉが0.51
で、圧縮試験時の荷重は63（ton）と高くなつてお
り、工具寿命にとつて好ましくない。またNo.６は
圧縮試験時の荷重が56（ton）と十分低くなつてい
るものの、高周波焼入・焼もどし後の硬さは420
と不足している。 No.７はSi，Mnを通常レベルより下げ、Crを0.5
％添加したもので、高周波焼入・焼もどし後の硬
さは590と良好であるが、Al，Ｓ，Ｐ，Ｏ，Ｎが
高いため、変形抵抗組成係数Ｉが0.44と低いわり
に圧縮試験時の荷重が61（ton）と高く、工具寿命
を短くし、しかも炉加熱焼入・焼もどし後の靱性
が低くなつている。No.８はＣ：0.55％，No.９は
Ｃ：0.64％と高めているため、高周波焼入・焼も
どし後の硬さは700，730と高く、焼入性を向上さ
せているが、Si，Mn量が高いため圧縮試験時の
荷重は82（ton），85（ton）と高くなつており、工
具寿命が著しく短かくなる。これに対してNo.10〜No.14の本発明鋼は、いずれ
も高周波焼入・焼もどし後の硬さが目標レベル
550を十分に満足し、しかも圧縮試験時の荷重が
60（ton）以下であり、従つてこの種の材料におけ
る所期の工具寿命を保つことができる。また靱
性、延性も７Kgｆ−ｍ以上25％以上と高く、その
性能は比較鋼に対し大きく向上している。（発明の効果）上記のごとく本発明によれば焼入・焼もどし後
の強度と冷間鍛造特性（変形抵抗）を向上させた
鋼を得ることが可能となるものであり、産業上の
効果は極めて顕著なものがある。【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は変形抵抗組成係数Ｉと圧縮試験時の荷
重との関係を示す図、第２図は焼入性組成係数Ｆ
と高周波焼入・焼もどし後の硬さとの関係を示す
図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％でＣ 0.4〜0.75％ Si 0.01〜0.05％ Mn 0.20〜0.40％ Cr 0.3〜1.0％ Al 0.01超〜0.04％以下を含有し、且つMn，Si，Cr三者の関係が下記式
で表わされる変形抵抗組成係数Ｉ：0.50以下、焼
入性組成係数Ｆ：0.60以上を夫々満足すると共
に、Ｓ 0.02％未満Ｐ 0.01％未満Ｎ 0.0050％以下Ｏ 0.0050％以下に夫々制限したことを特徴とする冷間鍛造用強靱
鋼。但し、変形抵抗組成係数Ｉ＝（Mn％）＋2.37（Si
％）＋0.14（Cr％）焼入性組成係数Ｆ＝（Mn％）＋0.62（Si％
）＋0.83（Cr％）