JPH0867944A - 耐疲労特性に優れた熱間加工用非調質鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】耐疲労特性に優れ、機械構造部品などの素材用
に好適な熱間加工用非調質鋼を高価な合金元素を用いる
ことなく低コストで提供する。 【構成】重量％で、Ｃ：0.2 〜0.6 ％、Si：0.01〜0.1
％、Mn：0.7 〜2.0％、Ｓ：0.01〜0.1 ％、Cr：0.1 〜
2.0 ％、Nb：0.005 〜0.05％、Al：0.002 〜0.02％、
Ｎ：0.01〜0.05％を含有し、残部がFeおよび不可避不純
物からなり、フェライト・パーライト組織を有する熱間
加工用非調質鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐疲労特性に優れた熱
間加工用非調質鋼に関する。更に詳しくは、熱間加工後
に焼入れ焼戻しの調質処理を施さずとも高い疲労強度を
有する、機械構造部品などの素材として好適な非調質鋼
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高い疲労強度を必要とする機械構
造部品などは所定の形状に熱間加工した後、焼入れ焼戻
しの調質処理を施すのが一般的であった。しかしこの調
質処理には多くのエネルギとコストを費やすため、近年
省エネルギと低コスト化の観点から熱間加工のままで調
質鋼と同等の疲労特性を持つ非調質鋼の開発が行われ、
例えば、特開昭62ー167855号公報などに開示されてい
る。あるいは非調質鋼とは行かないまでも、特定の化学
組成を有する鋼を熱間鍛造後オンラインで直ちに焼入れ
し、その後焼戻しを行う高疲労強度熱間鍛造品の製造法
が特開平 6ー 73446号公報に提案されている。

【０００３】しかしこれらの公報に記載の化学組成や製
造法では低コスト化や省エネルギ、更には焼入れ歪の点
で必ずしも十分とは言えない。すなわち前記公報に記載
の非調質鋼には高強度化のためにＶが必須であるが、Ｖ
は高強度化には有効であっても高価な元素であるためコ
ストの増加は避けられない。一方オンラインで直ちに焼
入れした後焼戻しするものでは焼戻しをすることでエネ
ルギコストの増加を避けられず、加えて焼入れするため
焼入れ歪が生じ、曲がりが大きくなるので曲がりを矯正
する工程が必要となってコストが嵩むという問題があっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｖを添加した非調質鋼
では高強度化を達成できても、高価な元素であるＶを含
むため低コスト化という産業界の要請には応えきれな
い。更に近年、多様な機械構造用部品を低コストに製造
するため鋼種を統合することも要請され出したが、合金
元素の添加量が微妙に異なるため、従来鋼では十分な鋼
種統合ができていない。本発明の目的は、Ｖのような高
価な合金元素を用いることなく、かつ、汎用性のある鋼
を、それも焼戻しを含めて熱処理を行うことなく非調質
のままで高い疲労強度を有する機械構造部品などの素材
用の鋼を、低コストで提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を達成するため非調質鋼材の化学組成および組織につい
て研究を重ねた結果、下記の知見を得た。

【０００６】（１）SiおよびＮは、フェライト基地の固
溶強化に有効な元素であるが、これらを同時添加する
と、SiにＮを引きつける作用があるためＮの強化効果が
著しく低減しそれぞれ単独で添加したときに比べて強化
の効果が小さくなること。

【０００７】（２）低Siで、高Ｎ化することにより高強
度化と高疲労強度化が達成され、加えて軟窒化処理が施
される部品に対しては、軟窒化処理後の歪矯正時に割れ
を生ずる原因となる鋼表層部の SiNの生成を防止するこ
とができること。

【０００８】（３）高Ｎ鋼にNbを添加すると NbNの析出
によりフェライト基地が析出強化して、高強度と高疲労
強度が達成されること。

【０００９】（４）低Si−高ＮのNb添加鋼にＣ、Mnおよ
びCrを複合添加することにより安定して高強度が得られ
疲労強度も高くなること。

【００１０】（５）含有成分を適正に調整した上で鋼の
組織をフェライト・パーライト組織にすることにより、
熱処理歪のない状態で、高強度化と高疲労強度化が図れ
ること。

【００１１】上記知見に基づく本発明は下記に示す化学
組成および組織を有する耐疲労特性に優れた熱間加工用
非調質鋼を要旨とする。

【００１２】重量％で、Ｃ：0.2 〜0.6 ％、Si：0.01〜
0.1 ％、Mn：0.7 〜2.0 ％、Ｓ： 0.01 〜0.1 ％、Cr：
0.1 〜2.0 ％、Nb：0.005 〜0.05％、Al：0.002 〜0.02
％、Ｎ：0.01〜0.05％を含有し、残部がFeおよび不可避
不純物からなり、フェライト・パーライト組織を有する
耐疲労特性に優れた熱間加工用非調質鋼。

【００１３】

【作用】以下に、本発明における鋼の化学組成および組
織を上記のように限定する理由を説明する。なお、合金
元素の「％」は「重量％」を意味する。

【００１４】Ａ）鋼の化学組成 Ｃ：Ｃは強度を確保するために添加するが、その含有量
が0.2 ％未満では添加効果に乏しく、一方、0.6 ％を超
えると靭性が劣化するので、その含有量を0.2 〜0.6 ％
とした。

【００１５】Si：Siは鋼の脱酸のために添加するが0.01
％未満ではこの効果は不十分であり、一方、0.1 ％を超
えると本発明の重要な要素であるところのＮによる疲労
強度向上の効果が極めて小さくなることに加えて軟窒化
処理時に鋼の表層に SiNが形成されるようになるので、
その含有量を0.01〜0.1 ％とした。なおＮの疲労強度向
上効果を十分に発揮させるには、Siの上限を0.05％とす
ることが望ましい。

【００１６】Mn：Mnは固溶強化によって疲労強度を向上
させる効果がある。しかし、その含有量が0.7 ％未満で
は所望の効果が得られず、2.0 ％を超えるとこの効果が
飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高くなりすぎて
島状マルテンサイト組織の生成を促進し、疲労限度比
（疲労限度／引張り強さ）並びに降伏比（耐力／引張り
強さ）が低下するようになるので、その含有量を0.7 〜
2.0 ％とした。

【００１７】Ｓ：Ｓは被削性の向上に有効な元素であ
る。しかし、その含有量が0.01％未満では所望の効果が
得られず、 0.1％を超えると靭性が劣化するようになる
ので、その含有量を0.01〜0.1 ％とした。

【００１８】Cr：Crも固溶強化によって疲労強度を向上
させる効果がある。しかし、その含有量が0.1 ％未満で
は所望の効果が得られず、2.0 ％を超えるとこの効果が
飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高くなりすぎて
島状マルテンサイト組織の生成を促進し、疲労限度比
（疲労限度／引張り強さ）並びに降伏比（耐力／引張り
強さ）が低下するようになるので、その含有量を0.1 〜
2.0 ％とした。

【００１９】Nb：Nbは鋼中で炭窒化物を形成してオース
テナイト粒の粗大化を防止するとともにNbNとしてフェ
ライト中に析出してフェライト基地を強化し、疲労強度
を向上させる効果を有する。しかし、その含有量が 0.0
05％未満では所望の効果を得ることができず、0.05％を
超えるとその効果は飽和してしまい、逆に粗大な窒化物
を形成して、靭性を低下させることになり加えてコスト
も高くなるので、その含有量を 0.005〜0.05％とした。

【００２０】Al：Alは強力な脱酸作用を持つ元素であ
る。その効果を確保するためには 0.002％以上の含有量
を必要とするが、0.02％を超えて含有してもその効果が
飽和するのみならず、被削性が劣化するようになるの
で、その含有量を 0.002〜0.02％とした。

【００２１】Ｎ：Ｎは本発明において重要な元素であ
る。それ自体固溶強化によって疲労強度を向上させると
ともに、Nbを添加した鋼中で NbNとして析出してオース
テナイト粒の粗大化を防止し、フェライト基地を強化す
ることによって、疲労強度を向上させる。しかし、その
含有量が0.01％未満では所望の効果が得られず、0.05％
を超えるとその効果は飽和してしまい、逆に鋼の靭性を
劣化させることになるのでその含有量を0.01〜0.05％と
した。

【００２２】なお本発明鋼中の不純物元素としてのＰは
鋼の靭性確保の点から0.02％以下とすることが望まし
い。

【００２３】Ｂ）鋼の組織 上記の化学組成を有する鋼であっても、熱間加工後常温
まで冷却したままでその組織がベイナイトやマルテンサ
イトといったいわゆる低温変態生成物からなるもので
は、被削性が劣化することに加えて大きな変態歪が生じ
て曲がりが大きくなるため曲がり取りの矯正工程が必要
となりコストアップにつながる。従って、良好な被削性
を得るとともに変態歪を小さくするために鋼の組織をフ
ェライト・パーライト組織とする必要がある。そのため
の製造法としては例えば、鋼片を1200〜1250℃に加熱し
てから直径60mm程度の丸棒に熱間鍛造し、900 ℃以上の
温度で仕上げた後空冷する処理がある。

【００２４】

【実施例】表１、２に示す化学組成の鋼を通常の方法に
よって溶製した。表１における鋼１〜１２は本発明鋼、
表２における鋼１３〜２３は成分のいずれかが本発明で
規定する含有量の範囲から外れた比較鋼である。

【００２５】次いで、これらの本発明鋼および比較鋼を
連続鋳造法あるいは造塊−分塊法によって鋼片となした
後、1250℃の温度に加熱してから直径60mmの丸棒に熱間
鍛造した。なお鍛造仕上げ温度は900 ℃以上となるよう
にして鋼の組織がフェライト・パーライトになるように
調整した。

【００２６】こうして得られた丸棒の表面よりＲ／２の
位置（Ｒ：丸棒の半径、30mm）からＪＩＳ１４Ａ号引張
り試験片、ＪＩＳ３号衝撃試験片、小野式回転曲げ試験
片（平行部：18.4mm）、および被削性試験片を採取し、
引張り強さ、20℃での吸収エネルギ、疲労強度と被削性
を調べた。被削性は旋削による工具寿命で判定した。

【００２７】すなわち、旋盤による切削（切削速度：20
0m/min、送り：0.35mm/rev、切り込み：2.0mm ）でフラ
ンク摩耗量が 0.2mmとなったときの工具（三菱マテリア
ル製の、ＣＮＭＧ−４３３ＭＡ−ＣＳＩを使用）の寿命
を被削性の判定基準とした。これらの試験結果を表３、
４に示す。

【００２８】本発明鋼１〜１２については、低Si鋼であ
るため340MPaを超える疲労強度と41％以上の高い疲労限
度比が得られており耐疲労特性に優れているとともに、
靭性と被削性も良好なことが明らかである。すなわち、
本発明鋼１、２と比較鋼１３を比べると比較鋼１３の方
がＮ含有量が高いにも関わらず耐疲労特性に劣ってい
る。これは、本発明鋼１、２に対し比較鋼１３のＳｉ含
有量が高いため、特にＮの強化作用が妨げられたためで
ある。同様の低Ｓｉ化の効果は本発明鋼３、４と比較鋼
１４や、本発明鋼５、６と比較鋼１５において、更には
本発明鋼７、８と比較鋼１６や、本発明鋼９と比較鋼１
９、本発明鋼１０と比較鋼２０、本発明鋼１１と比較鋼
２１および本発明鋼１２と比較鋼２２においても認めら
れる。比較鋼１７と２０はそれぞれＮｂとＭｎの含有量
が低いため充分な疲労特性が得られていない。一方比較
鋼１８ではＮｂの含有量が高いので、靭性が劣化してい
る。

【００２９】また、比較鋼２３では、Ｓｉの含有量が高
く、かつＮの含有量が低いので充分な疲労特性が得られ
ていない。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】

【表４】

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱間加工
用非調質鋼は耐疲労特性に優れ、しかも比較的安価に得
ることが可能であり、産業上極めて有用である。

【００３５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：0.2 〜0.6 ％、Si：0.01〜
   0.1 ％、Mn：0.7 〜2.0 ％、Ｓ： 0.01 〜0.1 ％、Cr：
   0.1 〜2.0 ％、Nb：0.005 〜0.05％、Al：0.002 〜0.02
   ％およびＮ：0.01〜0.05％を含有し、残部がFeおよび不
   可避不純物からなり、フェライト・パーライト組織を有
   する耐疲労特性に優れた熱間加工用非調質鋼。