JPWO2013018893A1 - 熱間鍛造用非調質鋼および熱間鍛造非調質品、ならびにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明鋼は、質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.02〜0.15%、Mn:1.50〜3.00%、P:0.0002〜0.150%、S:0.001〜0.200%、Cr:0.02〜1.00%、Al:0.001〜0.300%、V:0.01〜0.30%、Mo:0.03〜1.00%、N:0.0020〜0.0070%、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物よりなることを特徴とする。同鋼組成からなり、鋼組織が、面積率で95%以上がベイナイト組織であり、鋼中にMo炭窒化物が分散した高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品および、その製造方法。
Description
(a)面積率で95%以上のベイナイト組織中に、微細なMo炭窒化物を分散させることによって、従来の非調質鋼より高い耐久比(=疲労強度/引張強さ)を有する。熱間鍛造後の冷却速度の影響が大きく、冷却速度が小さいほど耐久比は向上する。これは、冷却速度が小さいほどMo炭窒化物が析出する温度域にとどまる時間が長くなり析出量が増えることによって、引張強さおよび疲労強度は上昇するが、冷却速度が小さければ小さいほど、その炭窒化物は粗大化し引張強さは顕著に低下する一方、疲労強度は低下することなく上昇または維持するためである。一般的に析出強化に用いられるMo等の炭窒化物の析出は、疲労強度だけでなく引張強度も上昇し、被削性を著しく低下するため高疲労強度化と良被削性は両立しない。析出物を粗大化し、Mo炭窒化物のサイズを4nm以上、11nm以下に制御することによって、被削性に影響を及ぼす引張強さは上げずに疲労強度を高めることができることがわかった。ただし、主体組織をベイナイト組織とし、それ以外の初析フェライトや残留オーステナイト組織を面積率5%未満にする必要がある。
(b)VはMoと同様に、炭窒化物を形成し耐久比向上に寄与するものの、高Nではより高温で安定なV窒化物を形成し、熱間鍛造後の冷却過程で初析フェライトの核となり、強度および耐久比の低下につながる。V炭窒化物による耐久比向上の効果を十分に利用するには低Nが必要条件である。
Cは鋼の強度を決める重要な元素である。他の合金元素に比べて合金コストは安く、Cを多量に添加することができれば鋼材の合金コストは低減できる。また高周波焼入れ処理した後の表面硬さは鋼中のC量で決まり必要強度を得るためには、下限を0.45%とする。しかしながら、多量のCを添加すると、ベイナイト変態時にラスの境界にCが濃縮した残留オーステナイトや島状マルテンサイトが生成し、耐久比が低下するため、上限は0.60%とする。なお、本発明の高周波焼入れ処理が可能な鋼とは、高周波焼入れ処理した後の表面硬さが要求される強度以上になりうる鋼のことである。したがって、本発明において、0.45%以上のC量を有する鋼のことである。より高い強度を得るには、0.5%を超えるC量が好ましい。
Siは、熱間鍛造後の冷却過程におけるベイナイト変態で、鋼中に残留オーステナイト量を増加させる元素である。表層のみ加熱する高周波焼入れ処理を施す場合、非加熱部では残留オーステナイトが残存し、Si量が0.15%を超えると疲労強度、耐久比は顕著に低下する。したがって、その量を0.15%以下に制限する。しかし、0.02%未満に抑制すると製造コストが多大なものとなるため、下限を0.02%とする。
Mnはベイナイト変態を促進する元素であり、熱間鍛造後の冷却過程で組織をベイナイトとするために重要な元素である。さらにSと結合して硫化物を形成し、被削性を向上させる効果がある。これら効果を発揮するためには、下限は1.50%とする。一方、3.00超のMn量を添加すると素地の硬さが大きくなり脆くなるため、かえって被削性が顕著に低下する。上限は3.00とする。特に、2.0%を超えるMn量は、遅い冷却速度においても面積率で95%のベイナイト組織となるので、好ましい。
Pは鋼中に不可避的不純物として通常、0.0002%以上は含有しているため、下限を0.0002%以上とする。多量に添加すると、Pは旧オーステナイトの粒界等に偏析し、高周波焼入れ後の割れを助長する元素であるため、上限は0.150%とする。好ましくは0.100%以下であり、より好ましくは0.050%以下である。
SはMnと硫化物を形成し、被削性を向上させる効果があり、その効果を発揮するためには、下限を0.001%とする。SはMnと硫化物を形成し、被削性を向上させる効果があり、またオーステナイト粒の成長を抑制し高靱性を維持する効果もある。これら効果を発揮するためには、下限は0.001%とする。しかし、Mn量にも依存するが、多量に添加すると機械的性質に異方性が大きくなることから、上限は0.200%とする。
CrはMnと同様にベイナイト変態を促進するのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには、下限を0.02%とする。しかしながら、Crを多量に添加すると、Fe系炭化物を安定化させ、高周波焼入れした場合の表面硬さが低下することから、上限は1.00%とする。
Alは窒化物として鋼中に析出分散することにより、鍛造再加熱時のオーステナイト組織の粗大化を防止し、その後のベイナイト組織の粗大化も防止する効果がある。さらにAlは機械加工時に酸素と結合して工具面に付着し、工具摩耗の防止に効果がある。これら効果を発揮するためには、下限は0.001%とする。好ましくは、0.050%以上とし、より好ましくは0.100%とする。一方、0.300%超では多量の硬質介在物を形成し耐久比および被削性のいずれも低下する。したがって、上限は0.300%とする。
Vはベイナイト変態を促進するのに有効な元素であり、また炭窒化物を形成し、ベイナイト組織を析出強化し強度、および耐久比を高めるのに有効な元素である。この効果を発揮するには0.01%以上の含有量が必要である。一方、0.30%を超えると、その効果は飽和するため、上限は0.30%とする。
Moはベイナイト変態を促進するのに有効な元素だけでなく、合金炭化物による析出強化が得られるV、TiやNb等の合金元素に比べて、オーステナイト中の固溶度が最も大きく、冷却過程においてMo炭窒化物の大きな析出量が得られる。一般的に析出強化に用いられるMo等の炭窒化物の析出は疲労強度だけでなく、引張強さも上昇し被削性を著しく低下させるため好ましくない。しかし、Mo炭窒化物のサイズが4nm以上、11nm以下に制御すると、被削性に影響を及ぼす引張強さは上げずに疲労強度のみ上げることができ、つまり、疲労強度、および耐久比を高めることがわかった。この効果を発揮するには0.03%以上の含有量が必要である。一方、1.00%を超えると、その効果は飽和するため、上限を1.00%とする。
Nは、一般的にはVと窒化物を形成して熱間鍛造時のオーステナイト組織の粗大化を防止することに利用されるが、V窒化物は初析フェライトの核となり、かえって初析フェライトの変態を促進し強度、および耐久比を低下させる。V窒化物の生成を抑制するには、N量の上限を0.0070%とする。また鋼中の不可避的不純物として通常、0.0020%以上は含有しているため、下限を0.0020%とする。
Ca、Te、Zrはいずれも酸化物を形成し、Mn硫化物の晶出核となりMn硫化物を均一微細分散する効果がある。また、いずれの元素もMn硫化物中に固溶し、その変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造後のMn硫化物形状の伸延を抑制し、機械的性質の異方性を小さくする効果がある。これら効果を発揮するには、Ca、Te、Zrの下限はそれぞれ0.0002%とする。一方、Caは0.0100%、Teは0.1000%、Zrは0.2000%を超えると、かえってこれら酸化物や硫化物等の硬質介在物を多量に生成し、耐久比および被削性は低下する。したがって、Caの上限は0.0100%とし、Teの上限は0.1000%とし、Zrの上限は0.2000%とする。
組織を面積率で95%以上のベイナイト組織に規定したのは、主体組織がベイナイト組織であれば高耐久比を有するものの、その残部組織であるフェライト、残留オーステナイトまたは島状マルテンサイトが面積率で5%以上からなる場合、耐久比は著しく低下するためである。これら残部組織が少なければ少ないほど、耐久比は高く、好ましくは面積率で97%以上である。
ベイナイト組織中のMo炭窒化物の平均サイズを4nm以上に規定したのは、その平均サイズが4nm未満では、高い疲労強度を有するが同時に引張強さも高く、耐久比の値としては小さいため、高疲労強度化と被削性の両立は実現できないからである。より好ましくはその平均サイズ8nm以上である。またMo炭窒化物の平均サイズの上限値を11nmに規定したのは、その平均サイズが11nm超では、引張強さだけでなく疲労強度も著しく低下するため高疲労強度化を達成できないからである。なお、Mo炭窒化物の形状は針状であり、本明細書で用いるMo炭窒化物のサイズは長手方向の長さである。
上述した成分組成からなる鋼材を1000℃以下、1250℃以上に加熱することを規定したのは、冷却過程でMo、Vの炭窒化物を十分に析出させることが目的で、熱間鍛造前の加熱によってMo、Vを鋼中に十分に溶体化させるためである。加熱温度1000℃未満では、Mo、Vを鋼中に十分に溶体化させることができず、その後の冷却過程での析出強化量が小さく、疲労強度、耐久比は小さくなる。一方、必要以上に加熱温度を上げることは、オーステナイト粒の成長を促し、その後の冷却過程で変態した組織が粗大となりかえって耐久比が低下する。したがって、加熱温度の上限を1250℃とする。
熱間鍛造した後、200℃以下まで平均冷却速度は0.05℃/秒以上、0.80℃/秒以下に規定したのは、Mo炭窒化物が析出する温度域にとどまる時間を長くして、冷却過程で析出量を増加させ、その炭窒化物サイズを制御するためである。平均冷却速度が0.80℃/秒以上では、Mo炭化膣物の析出量が十分得られず、強度、および耐久比向上効果が小さい。特にMo炭窒化物を粗大化し高耐久比を有するには、好ましくは平均冷却速度0.50℃/秒以下が望ましい。より好ましくは0.30℃/秒以下である。一方、平均冷却速度が0.05℃/秒未満では、ベイナイトラス境界に面積率で5%以上の初析フェライトが生成し、疲労強度、および耐久比を顕著に低下する。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.45〜0.60%、
Si:0.02〜0.15%、
Mn:1.50〜3.00%、
P:0.0002〜0.150%、
S:0.001〜0.200%、
Cr:0.02〜1.00%、
Al:0.001〜0.300%、
V:0.01〜0.30%、
Mo:0.03〜1.00%、
N:0.0020〜0.0070%、
を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる高周波焼入れ処理が可能な熱間鍛造用非調質鋼。 - さらに、質量%で、
Ca:0.0002〜0.0100%、
Te:0.0002〜0.1000%、
Zr:0.0002〜0.2000%
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の高周波焼入れ処理可能な熱間鍛造用非調質鋼。 - 請求項1または2に記載の鋼成分を有し、鋼組織が、面積率で95%以上がベイナイト組織であり、鋼中に分散したMo炭窒化物の平均サイズが4nm以上、11nm以下であることを特徴とする高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品。
- 請求項1または2に記載の成分組成からなる鋼材を、1000℃以上、1250℃以下に加熱して熱間鍛造し、該熱間鍛造後、200℃までにおける平均冷却速度を0.05℃/秒以上、0.80℃/秒以下で冷却し、強度が必要な部位に高周波焼入れ処理を施すことを特徴とする熱間鍛造非調質品の製造方法。
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