WO1998054372A1

WO1998054372A1 - Acier non trempe pour structure mecanique

Info

Publication number: WO1998054372A1
Application number: PCT/JP1998/002306
Authority: WO
Inventors: Hiromasa Takada; Tetsuro Hashiguchi; Hideo Kanisawa
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 1998-12-03
Also published as: EP0922783A1; JP3715744B2; EP0922783B1; US6036790A; DE69816948D1; EP0922783A4; JPH10324954A; DE69816948T2

Description

明細書 - 機械構造用非調質鋼技術分野

本発明は、破壊切断した際の破壊断面の変形が小さい機械構造用非調質鋼に関し、引張破壊、衝撃破壊の際の変形量が小さいことが要求される機械構造用鋼素材、機械部品一般に適用される。背景技術

自動車、産業機械用の部品となる機械構造用鋼は、通常、直棒材あるいはコィル状線材の形状で供給され、冷間や熱間で目的の形状に加工され、さらに種々の熱処理、切削加工等を受けて部品となる。鋼素材から部品に至る加工工程の中に、冷間での引張による破壊分離の工程がある場合、通常、その次工程における加工精度確保、あるいは自動加工ラインでの障害防止のために、破壊時の変形を制御することが必要となる。

また、元来、標準的な鋼部品は、熱間鍛造あるいは冷間鍛造による成形後、焼入焼戻しを施すことで必要な強度と靱性を付与していた。これに対し、近年は熱間緞造ままで十分な強度を有する熱間緞造用非調質鋼（以下「非調質鋼」と略称）の採用が拡大している。調質鋼を非調質鋼で代替することによって、熱処理工程の省略による低コスト化、焼入省略による焼歪みの解消などのメリッ卜が得られている。

衝撃引張により破壊切断して、必要部位を加工後、再び破壊破面をつき合わせて接合する熱間鍛造非調質鋼部品の加工方法は、典型的にはコネクティング口ッドの加工方法として実用化されており、例えば "Fundamental s and Applications of Mi cro-al loyjng Forg ing-Steels", (1996)29 TMS に記載されている F e - 0.72% C - 0. 22% S i 一 0.49%M n -0.062% S— 0.04% Vのように炭素含有量が比較的高い鋼が素材として用いられている。

この場合、コネクティングロッドの大まかな製造工程は、鋼素材の熱間鍛造空冷、キャップ部とロッド部の穴開け加工、大端部の機械的な破断、破面をつき合わせてボルトでの再締結、そして、仕上げ切削加工である。

この方法は、比較的安価な素材を用い、しかもそれまで必要であつた高精度の切削加工を省くことができるため、低コスト化ができるという利点がある。しかしながら、上記の鋼は破壊性を高めるために高炭素組成としているため、降伏強さと疲労強さが低く、また被削性も悪いという問題があつた。

上記の鋼より炭素量を低減しつつも破断分離性を確保して、コネクティングロッドに適用される鋼材が、特開平 8 — 291373号公報に開示されている。同公報では、開示した熱間鍛造用非調質鋼は「容易に破断分離することができ、また破断分離破面の塑性変形量も少なく、密着性もよい」としている。

また、特開平 9 一 3589号公報には、コネクティングロッドに適用される低靱性の非調質鋼が開示されている。同公報では、特に固溶 N量を増すことで破断時の破面を脆性破面とし、「常温で分割した時の破面が、フラットな脆性破面を呈する高強度 · 低靱性非調質鋼の提供を課題とする」としている。

しかしながら、特開平 8 — 291373号公報、特開平 9 一 3589号公報記載の鋼の破断分離性は、工業的に適用するには不足であった。発明の開示本発明は、熱間圧延、熱間鍛造等の熱間加工ままの状態で破壊させた際の変形が小さく、しかも安価なフヱライ卜 · パ一ライ卜組織の中炭素機械構造用非調質鋼を提供することを目的とする。

鋼の破壊時の変形を小さくするためには、鋼の延性を低下させることが最も効果的である。鋼の組成を調整して延性を低くする方法は、いくつか考えられる。例えば、前出の（1996) 29 TMS記載の 0. 72 % C含有鋼のように、炭素含有量を高める方法がある。しかし、一般にフエライト · パーライト組織の鋼は炭素量が増すほど降伏比（降伏強さ /引張り強さ）が低下し、疲労強さも低下する。また、 P を多量に含有させて結晶粒界を脆化させる方法もあるが、 Pは高温加熱時の延性も大きく低下させるため、鋼素材の铸造、圧延、および熱間加工が困難となる。

本発明者は、このような問題を起こすことなく破壊性を向上させるために種々の検討を行つた結果、以下の知見を得た。

① 破壊性の向上： M nは固溶強化元素として鋼を強化し、しかも強化による延性の低下が少ない元素であり、中炭素（ C量 0. 25 % 以上）の機械構造用鋼には、通常約 0. 6 %以上の M nを添加している。本発明者は、これらの作用に着目して M n と破壊性の関係を調ベた結果、破壊変形量と M n量は大きな相関があり、特に M nを 0. 4 %未満とすることで、鋼の延性が低下し、破壊時の変形量が減少することを見いだした。低 M n化による延性低下は、高温延性を大きく低下させないという長所があり、この点で Pの多量添加と異なる。

また、一般に非調質鋼には、析出強化元素である Vあるいは N b を添加するが、これらの元素が鋼中で Nと結合し、窒化物となると、鍛造加熱時のオーステナイト結晶粒が微細化し、さらに、鍛造冷却後の組織中のフライト量も増加するため、延性が大きくなり、低 M n とするだけでは十分低い延性（高い破壊性）が得ら _れない。よって、 N含有量を低減することで窒化物の析出を抑制することが非常に重要である。高靱性を目指した非調質鋼には、 0.01%を超える Nを添加することがあるが、そうでなくても通常の製鋼法で造られた鋼には通常 Nが 0.005 %以上含有される。特開平 9 一 3589号公報にも、 Nは 0.005 %以上なるベく多くを添加することが推奨されている。しかし、炭素量 0.5 %の添加非調質鋼で種々実験した結果、破壊破面の面積減少量で比較した変形量は、 N量 0.01%鋼が 10 0 とすると、 N量 0.004 %鋼では 70以下であり、低 Nの方が良好な結果が得られた。

② 降伏強さ、疲労強さの向上：フヱライト ' パ一ライト鋼の降伏比（降伏強さ /引張り強さ）、疲労限度比を高めるため、炭素量を低減して適当な合金元素を増加することが有効な手段である。 V 強化型の非調質鋼では、炭素含有量を 0.7 %から 0.6 %に低減するだけで、降伏比は 0.55から 0.65に向上し、また、疲労限度比は 0.39 から 0.44へ向上する。よって、必要な破壊性を確保できる範囲で、低炭素化することが重要である。また、一般に知られるように Vの析出強化により降伏比、疲労限度比を向上させることは、 C， M n 低減による強度低下を捕う意味でも不可欠である。

上記の知見に基づき、本願第 1 、第 2 、第 3 、第 4発明により下記（ 1 ) ，（ 2 ) ，（ 3 ) ，（ 4 ) の機械構造用非調質鋼が提供される。

( 1 ) 重量％で、

C ： 0.3 〜0.6 %、

S i ： 0.1 〜2.0 %、

M n ： 0.1 〜0.4 %未満、

P ： 0.01〜0.1 %、 S ： 0.01〜0.2 %、 -

V ： 0.15超〜 0.4 %、および

残部： F eおよび不可避不純物

から成り、該不可避不純物のうち N含有量が 0.005 %未満であり、組織はフライト · パーラィトであることを特徴とする機械構造用非調質鋼。

( 2 ) 更に、重量％で、

A £ ： 0.005 〜0.05%

を含有することを特徴とする（ 1 ) に記載の機械構造用非調質鋼。

( 3 ) 更に、重量％で、

T i ： 0.005 〜0.05%、および

N b ： 0.05〜0.2 %

のうち 1 種または 2種を含有することを特徴とする（ 1 ) または（ 2 ) に記載の機械構造用非調質鋼。

( 4 ) 更に、重量％で、

C r ： 0.1 〜0.5 % および

M o ： 0.1 〜0.5 %

のうち 1種または 2種を含有することを特徴とする（ 1 ) ，（ 2 ) , ( 3 ) のいずれかに記載の機械構造用非調質鋼。図面の簡単な説明

図 1 は、引張破断した切欠付き引張試験片（断面 10x 20mm、切欠底半径 1.0R、切欠深さ 2.0 mm) の破断面を模式的に示した平面図であり、図中の Aは切欠に垂直方向の長さ、 Bおよび Cは切欠に平行な方向の長さをそれぞれ表す。発明を実施するための最良の形態本発明において化学成分を限定した理由は、次のとおりである。

C ： 0. 3 〜0. 6 %

Cは機械構造部品として必要な強度を確保するために、また、鋼を脆化し破壊性を向上させるために 0. 3 %以上が必要である。しかし、多量の添加は降伏強さ、疲労強さを低下させるため、上限を 0. 6 %とする。

S i ： 0. 1 〜2. 0 %

S i は固溶強化元素であると共に、鋼の延性を低下させる元素であり、十分な延性低下作用を発揮するためには 0. 1 %以上が必要である。しかし、 2. 0 %を超えた場合、高温延性が低下し、圧延ゃ鍛造時に割れが生じやすくなり、また、脱炭を促進する。

M n ： 0. 1 〜0. 4 %未満

M nは、通常固溶強化元素として用いられるが、本発明の鋼においては 0. 4 %未満に制限することで、延性を低下させる作用がある。また、 M nは M n Sを形成して、被削性を向上させる。しかし、 0. 1 %未満とした場合、加熱時に Sが固溶状態となって粒界を脆化させるため、熱間延性が低下して、鋼素材、鋼部品製造工程において割れ、キズが発生しやすくなる。

P ： 0. 01〜0. 1 %

Pは粒界に偏析して鋼を脆化させ、破壊性を向上させる元素である。この効果を得るためには、 P含有量 0. 01 %以上が必要である。しかし、あまり多量に添加すると熱間延性が低下して割れが発生し易くなるので、 P含有量は 0. 1 %以下とする。

S ： 0. 01〜0. 2 %

Sは被削性向上のために添加する。被削性向上のためには 0. 0 1 % 以上が必要であるが、機械的性質の異方性が大きくなるので上限を

0. 2 %とする。 V ： 0. 15超〜 0. 4 % . .

Vは主に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。強化のためには V含有量 0. 15 %超が必要であるが、 V含有量 0. 4 %超ではコストに対する効果の向上が小さい。

N ： 0. 005 %未満

Nを低減することが、破壊性を向上させるために非常に重要である。 Nは V Nや N b Nを形成して、鋼素材や熱間加工材の組織を微細化し、またフェライト量を増加させて延性を高める作用があるため、なるべく低い方が望ましい。十分小さな破壊変形量を得るためには N含有量を 0. 005 %未満とする必要がある。

A ^ ： 0. 005 〜0. 05 %.

は脱酸元素である。通常の鍛造用鋼は A 脱酸で製造されるが、 A £脱酸を行うと不可避的にアルミナが鋼中に分散して被削性が低下する場合がある。よって、特に優れた被削性を要求される場合、 A 脱酸は行わない（第 1 発明）。さらに、 A £脱酸を行わないことにより、 A Nが析出せず、その結果組織が粗大化して、破壊性が向上する効果がある。

しかし、狙いとする引張強さが十分低い場合、あるいは切削加工代が小さい場合、被削性が問題となることはないので、 0. 005 %以上の A を添加しても良いが、 0. 05 %を超えると脱酸の効果が飽和する（第 2発明）。

T i ： 0. 005 〜0. 05 %

T i は析出強化元素として利用する。 T i Nが生成した場合、熱間緞造後の組織が微細化して延性が増大するが、 Nが 0. 005 %未満で、硬さが十分高い場合には、 T i を添加しても十分低い延性が得られる。析出強化するためには 0. 005 %以上の T i が必要であるが、粗大な酸化物が生成して被削性を低下させないように、 .上限を 0. 05%未満に限定する。

N b ： 0.05〜0.2 %

N bは V.と同様に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。 Vに加えて N bを添加することにより上記効果を更に向上させることができる。強化のためには N b含有量 0.05%以上が必要であるが、 N b含有量 0.2 %超ではコストに対する効果の向上が小さい。

C r ： 0. 1 〜0.5 %、 M o ： 0. 1 〜0.5 %

C r， M 0 は強度調整が必要であれば、 0. 1 %以上を添加するが、パーライト組織を微細化して破壊性を低下させるのを防止するため、 0.5 %を上限とする.。

なお、被削性向上のため、 P b : 0.01〜0.4 %、 B i : 0.01〜0. 4 %、 S e ： 0.01〜0.04%、 T e ： 0.002 〜0.005 %、および C a ： 0.0005〜0.003 %のうち 1 種または 2種以上を必要に応じて本発明の鋼に添加しても何ら支障はない。

フヱライト · パ一ライト組織の鋼の引張り強さ、硬さは、基本的に炭素当量 Ceq.で決定され、例えば、特公昭 60- 45250号公報には、 C eq. (%) = C % + (1/7) S i % + (1/5)M n % + (1/2)V %の式が記載されている。これらの式からも分かるように、本発明の鋼は、中炭素鋼であるため、一定の引張り強さを実現するために、炭素以外の高価な合金の添加が少なくて済むので安価である。また、本発明の鋼を用いて、熱間緞造非調質工程で部品を製造することにより、製造コストも大幅に低減される。

なお、本発明の鋼は、フェライト * パ一ライト組織であることを限定しているが、本発明の鋼を通常の工業的製鋼法で溶製、铸造し、通常の熱間圧延を行って棒鋼とした場合、および、熱間鍛造にて自動車用部品に成形後、空冷あるいはファン強制空冷した-場合には

、フヱライト · パ一ライト組織となるので、特別な鋼素材の製造方法や、鍛造方法を用いる必要はない。むしろ、本発明の鋼は中炭素

、低 M n組成であり、かつ、フライト変態を促進する Vを添加しているので、通常の熱間鍛造用非調質鋼と比較してペイナイトなどの過冷組織が生成しにくいのが特徴のひとつである。実施例

表 1 に示す組成の鋼を 1 50 k g 真空溶解炉で溶製し、 1 473 Kに加熱して直径 20mmの丸棒に鍛造成形し、空冷したものを素材とした。これらの鋼組織は、すべてフヱライト ' パーライ卜であった。破壊時の変形量を調べるため、これらの素材から、切欠付き引張試験片（断面 1 0 X 20mm，切欠底半径 1 . 0 R、切欠深さ 2. 0 mm) を作成し、引張りにより破壊させた。破壊後、断面の切欠に垂直な方向の変形量 (図 1 の A辺の長さ変化）は、どの試験片もほぼ同一であった。そこで、切欠と平行な方向の破断面の変形量、すなわち試験片断面上の切欠底と平滑側の幅の変化量（図 1 の Bと Cの長さ変化）の合計を破壊性の指標として評価した（表 1 の「変形量」）。また、上記素材から、平行部直径 9龍の平滑引張試験片を作成し、引張強さを測定した。

表 1 に、求めた引張強さと変形量を合わせて示した。本発明の鋼は、引張強さが 708MPaから 992MPaの範囲にあり、変形量は、従来の Q T鋼（Να 1 ： 850 。C焼入、 600 °C焼戻し）および従来の非調質鋼 ( No. 2 ) の変形量が 0. 56〜0. 65であるのに対して、 0. 40未満である。比較鋼 No. 1 2 は変形量が比較的小さい。しかし No. 1 2 の降伏比を調査したところ、同鋼は炭素量が多いため、降伏比がわずか 0. 58であり、本発明鋼の中で最も炭素量が多く、そのため降伏比が比較的小さい No. 6 および No. 4 1 (降伏比 0. 64および 0. 62) と比較-して劣つていた。また、 No. 1 9 ， No. 2 1 は多量の A を含有するため、被削性が低く、超硬ドリルで測定したところ、 VL 1000 (総穴開け長さで 1000mmを切削できる最高周速度）は、 No. 1 5 と比較して 20 %低い結果で、めった。産業上の利用可能性

以上述べたように、本発明の鋼は、自動車、産業機械に使用されるフライト · パーライト組織の機械構造用鋼として十分な強度を有し、破壊時の変形量が極めて小さいという特徴を備えており、しかも安価である。本発明の鋼は、破壊加工を施されるフヱライト · パーライト組織の鋼素材、および部品、特に、衝撃特性を要求されない部品に最適である。

1

(注）成分含有量の単位は重量％、 ΓΤ. S. J は Γ引張強さ」の、 Γ 3 + 4発明 J は 4 の組みわ J の。

Claims

1. 重量で、

C ： 0. 3 〜0. 6 %、

S i ： 0. 1 〜2. 0 %、

M n ： 0. 1 〜0. 4 %未満、

P ： 0. 0 1〜0. 1 %、

請

S ： 0. 0 1〜0. 2 %、

V ： 0. 1 5超〜 0. 4 %、および

の

残部： F eおよび不可避不純物

から成り、該不可避不純物のうち N含有量が 0. 005 %未満.であり、組織はフェライト · パ一ライトであるこ囲とを特徴とする機械構造用非調質鋼。

2. 更に、重量％で、

A ^ ： 0. 005 〜0. 05 %

を含有することを特徴とする請求項 1 記載の機械構造用非調質鋼。

3. 更に、重量％で、

T i ： 0. 005 〜0. 05 %、および

N b ： 0. 05〜0. 2 %

のうち 1 種または 2種を含有することを特徴とする請求項 1 または 2 に記載の機械構造用非調質鋼。

4. 更に、重量％で、

C r ： 0. 1 〜0. 5 %、および

M o ： 0. 1 〜0. 5 %

のうち 1 種または 2種を含有することを特徴とする請求項 1 から 3 までのいずれか 1 項に記載の機械構造用非調質鋼。

5. 更に、重量％で、 P b 0.01〜 4 %、

B i 0.01-0.4 %、

S e 0.01〜0.4 %、

T e 0.002 〜0.005 %、および

C a 0.0005- 0.003 %

のうち少なくとも 1 種を含有することを特徴とする請求項 1 から 4 までのいずれか 1 項に記載の機械構造用非調質鋼。