CN1705763A - 成形品和其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是以具有由平均粒径3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料、只由成形而制造的、完全不实施调质处理的高强度品，不由添加合金元素或调质处理而由超微细组织来确保高强度和高韧性。

Description

成形品和其制造方法

技术领域

本申请的发明涉及成形品和其制造方法。更详细地说，本申请的发明涉及不由添加合金元素或调质处理而由超微细组织来确保高强度和高韧性的成形品及可以简便地制造它的方法。

背景技术

历来，作为金属和合金的成形品的制造方法，一般在原材料方面使用钢的棒材或线材，对其实施冷或温加工成形后，实施淬火、渗碳淬火和回火的调质处理。但是，在该成形品的制造中，淬火回火的调质处理是费工的工序，如果可以省去调质处理而以非调质制造，就可以提高生产率，对工业是极有好处的。

另外，这里所谓“成形品”，以螺钉、螺栓、螺母、轴、铆钉、销、双头螺栓、紧固件类、齿轮、轴类、弹簧、其它机械结构部件(日本钢铁协会发行，渡边敏幸著，机械结构用钢p46、p97)等作为对象。

最近，在螺钉、螺栓的领域内以JIS强度划分的直至8.8的制造中，可以由非调质制造。由该非调质制造的场合，由于必须提高作为原料的原材料本身的强度，所以在原材料中必须添加Cr、Ti、Nb、B等的合金元素。但是，这些合金元素的添加会导致成形品韧性的降低等，未必是优选的方法。因此，即使以JIS强度划分的直至8.8，多半的螺钉、螺栓也是通过按照历来的由调质的制造方法制造。而且，作为抗拉强度具有800MPa以上的高强度的高强度螺钉、螺栓的制造方法依然必须采取淬火回火的调质处理。

因此，鉴于以上所述情况，本申请的发明的课题在于，消除现有技术的问题，可以提供不由添加合金元素或调质处理而由超微细组织来确保强度的高强度的成形品，例如锻压品和各种部件、构件和可以简便地制造这样高强度的成形品的以螺钉、螺栓为主的高强度的成形品，及其制造方法。

发明内容

因此，为了解决上述课题，本申请的发明提供如下发明。

即，本申请的发明，首先第1，提供一种成形品，其特征在于，具有由平均粒径3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织；第2，提供一种成形品，其特征在于，以具有由短径平均在3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，由成形而制造，其后不实施调质处理。

这里，所谓由铁素体晶粒构成的超微细组织，是指以铁素体晶粒为主体的组织。这意味着，铁素体晶粒组织无论是铁素体单相组织、还是含有作为第2相的碳化物、珠光体、马氏体、奥氏体等都行。另外，也可以含有微细的碳氮化物等析出物。

而且，本申请的发明，在上述的发明中，第3，提供一种成形品，其特征在于，具有由短径的平均粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织；第4，提供一种成形品，其特征在于，以具有由短径的平均粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，由成形而制造，其后不实施调质处理；第5，提供一种成形品，其特征在于，以重量％计，其组成是：

C：0.001％以上、1.2％以下、

Si：2％以下、

Mn：3％以下、

P：0.2％以下、

S：0.1％以下、

Al：0.3％以下、

N：0.02％以下、

其余是Fe和不可避免的杂质；第6，提供一种成形品，其特征在于，具有200以上的维氏硬度。

另外，本申请的发明，第7，提供一种成形品的制造方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行成形，不进行调质处理；第8，提供一种成形品的制造方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢；第9，提供一种成形品的制造方法，其特征在于，作为原材料使用将具有超微细组织的原材料进行温加工或者冷加工而具有由短径的粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行成形，不进行调质处理。

本申请的发明，第10，提供一种螺钉或螺栓，其特征在于，具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织；第11，提供一种螺钉或螺栓，其特征在于，以具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，只由成形而制造，不实施调质处理；第12，提供一种第10或第11所述的高强度的螺钉或螺栓，其特征在于，具有以JIS强度划分的8.8以上的强度；第13，提供一种螺钉或螺栓的制造方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行由冷·温的至少任一种加工的成形，不实施调质处理；第14，提供一种螺钉或螺栓的制造方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径0.7μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢。

第15，提供一种螺钉或螺栓，其特征在于，具有由短径的平均粒径在1μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织；第16，提供一种螺钉或螺栓，其特征在于，以具有由短径的平均粒径在1μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，只由成形而制造，不实施调质处理；第17，提供一种螺钉或螺栓的制造方法，其特征在于，作为原材料使用将具有超微细组织的原材料进行温加工或者冷加工而具有由短径的粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只由成形而制造，不实施调质处理。

长期以来，本申请的发明人对铁素体钢的结晶粒的微细化反复进行了锐意的研究。这种结晶粒的超微细化是不由添加合金元素、只由晶粒微细化提高钢材强度的方法，是同时还可以提高韧性的唯一的方法。因此，众所周知，可以作为钢材中的最理想的高强度化方法。

而且最近，本申请发明人实现了远远超过历来的所谓5μm左右的微细化界限的、直至0.5μm的晶粒的超微细化(特开平11-315342、特开2000-309850、特愿2002-54670)。进而可以想到，将这种晶粒的超微细化的技术使用于高强度锻压品的原材料中就可以实现充分的高强度化，直至出现本申请的发明。

此次进一步锐意研究的结果发现，即使是铁素体晶粒在一个方向上伸长的晶粒，也可以通过控制其短径，作为高强度原材料和高强度成形品，得到各种锻压品和部件、构件。这在生产技术上是非常有用的。

螺钉的轴径是2.0mm以下的小螺钉等的场合，根据淬火后的残余应力、渗碳淬火的场合的渗碳层的深度与螺纹直径、螺纹牙的大小的关系有时难以进行淬火等的热处理。是这样微小的构件而又要得到高强度的构件时，本发明的方法是非常有效的方法。

附图说明

图1是例示铁素体粒径和抗拉强度的关系的图。

图2是例示平均粒径1μm以下的超微细组织棒钢的外形和SEM图像的照片。

图3是例示在实施例中制造的锻压品的俯视图和侧视图的照片。

图4是例示(a)本申请的发明的锻压品和(b)历来锻压品的锻压品部的断面组织图像的照片。

图5是表示实施例的例子的外形的照片。

具体实施方式

本申请的发明具有如上所述的特征，以下说明其实施方式。

本申请的发明提供的高强度的成形品实质上以具有由平均3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料。而且另外，还添加的特征是具有由短径平均在3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织。具有这样的由铁素体晶粒构成的超微细组织，在成形品中完全预料不到，是由本申请的发明最初形成的。

作为这样的原材料的具有由平均3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，对其制造方法和组成不作特别的限制。也可以是原材料被冷加工或温加工而铁素体晶粒伸长。

例如，适宜使用将本申请的发明人提出(特愿2002-54670)的具有超微细粒组织的厚钢板制成的棒材或线材。也就是说，可以使用通过对厚钢板实施在热温度区域的多方向多道次的轧制、导入比临界应变更大的应变而形成平均粒径在1μm以下的超微细粒组织的钢材等。例如，对具有这样的超微细组织的钢通过晶粒微细化可以实现高强度化，完全不利用由相变的高强度化的结构。因此，以这样的钢材作为原材料的锻压品在制造时完全不必进行渗碳淬火或者淬火、回火等的调质处理而可以提供高强度的成形品。

另外，所谓本申请的发明的高强度的成形品中的高强度，可以定义为在铁素体晶粒的平均粒径是3μm的场合维氏硬度在200以上。

另外，在组成方面，由于完全不利用由相变的高强度化的结构、不必添加用于提高强度的合金元素，所以对于钢的组成不作限定，例如，可以使用铁素体单相钢、奥氏体单相钢等那样不存在相变的钢种等的广泛成分范围的钢材。更具体地说，例如，以重量％计，可以以下述组成作为1个例子表示：

C：0.001％以上、1.2％以下、

Si：2％以下、

Mn：3％以下、

P：0.2％以下、

S：0.1％以下、

Al：0.3％以下、

N：0.02％以下、

Cr、Mo、Cu、Ni合计5％以下、

Nb、Ti、V合计0.5％以下、

B：0.01％以下、

其余是Fe和不可避免的杂质。不言而喻，上述的Cr、Mo、Cu、Ni、Nb、Ti、V、B等的合金元素根据需要也可以超过上述范围添加，相反也可以完全不含有。

更具体地例示上述那样的本申请发明的高强度螺钉时，例如，对于主组成是0.15％C-0.3％Si-1.5％Mn的高强度螺钉，如图1代表性地所示那样，在铁素体平均粒径是1.0μm时可以实现抗拉强度是700MPa，在0.7μm时是800MPa。另外，作为可以充分满足以JIS强度划分的8.8以上的强度的高强度螺钉，要提供的平均粒径在0.7μm以下。不言而喻，这些值是一个例子，对于组成不同的螺钉，可以实现更高强度的螺钉。

另外，在本申请的发明中，铁素体晶粒的平均粒径由JISG0552铁素体结晶粒度试验方法中的切断法规定，短径可以定义为伸长的晶粒的垂直断面的粒径。

以上的本申请的发明提供的高强度成形品的制造方法的特征在于，作为原材料使用具有由短径平均在3μm以下的铁素体晶粒、特别是短径在3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，完全不实施调质处理，只进行锻压等的成形。

对于成形的方法不作特别的限定，根据作为目的的规格和形状等可以利用锻压、锻造、切削、如果有螺纹可以利用镦锻成型、滚轧等公知的各种方法进行。例如，具体地说，可以例示出以由超微细组织钢构成的棒材或者线材作为原材料，镦锻加工该原材料的前端部、形成锻压品的头部后，切断成规定的长度，然后由滚轧加工成形锻压品的螺纹部等。

这样，本申请的发明人以该超微细粒组织钢作为原材料，可以不必进行调质处理而简便地制造至少维氏硬度在200以上的、甚至于以JIS强度划分的8.8以上的锻压品(至少维氏硬度在250以上)。也就是说，完全不进行渗碳、淬火、回火的调质处理而可以制造具备高的芯部强度、拉伸应力、剪切应力的高强度成形品、锻压品、部件、构件。

以下表示实施例，进一步详细地说明本发明的实施方式。

(实施例)

(实施例1～4)

熔制表1所示的化学成分的钢材，通过在热温度区域导入比临界应变更大的应变，制成平均粒径1μm以下的超微细组织棒钢。图2例示了该钢材的外形图像和其组织的扫描型电子显微镜(SEM)图像。

                                            表1                                                [质量％]

	C	Si	Mn	P	S	s.Al	N
								1	0.05	0.3	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
2	0.10	0.3	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
								3	0.15	0.3	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
4	0.30	1.0	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
								5	0.45	0.3	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
6	0.76	0.3	1.5	0.01	0.001	0.031	0.002
								7(SWCH16A)	0.16	0.1	0.8	0.01	0.001	0.031	0.002

将该超微细组织钢制成φ1.3mm的线材，镦锻成形前端部、形成螺纹头部后，切断成规定的长度，由滚轧成形螺纹部，制造带有十字穴的M1.6盘头小螺钉(实施例1～4)。

图3例示了得到的螺钉的俯视图和侧面图。为了比较，作为原材料使用化学成分是表1的3和7、铁素体粒径是20μm的线材，同样制造螺钉(比较例1、2)。另外，以化学成分是表1的7作为原材料，进行成形，按照历来法进行由淬火回火的调质处理制造螺钉。

对于这些螺钉，测定组织的铁素体粒径、抗拉强度和螺钉芯部硬度，其结果示于表2。另外，对于实施例1和比较例1的螺钉，将其螺纹部的断面组织图像分别例示于图4的(a)、(b)中。

                                        表2

	组成	成形品形状	热处理	铁素体粒径(μm)	抗拉强度(MPa)	螺钉芯部硬度
							实施例1	3	螺钉	无	0.7	807	269
实施例2	2	螺钉	无	0.5	843	281
							实施例3	3	螺钉	无	1.0	700	233
实施例4	1	螺钉	无	0.5	800	266
							比较例1	3	螺钉	无	20	546	182
比较例2	7	螺钉	无	20	492	164
							比较例3	7	螺钉	淬火·回火	马氏体	730	242

可以明显看出，相对于不进行淬火回火的调质处理的比较例1、2的螺钉的维氏硬度达不到190，实施例1、2、4的螺钉的维氏硬度超过250，即使是实施例3，也具有超过230的高硬度。这是与比较例3的实施由历来法的调质处理的螺钉同等或在其以上的硬度。

另外，由图4可以确认，与比较例1的螺钉相比，实施例1的本申请发明的高强度螺钉具有极微细的组织。另外，在实施例1的高强度螺钉中，完全观察不到淬火生成的马氏体组织。

由以上可以确认，本申请的发明的螺钉即使不实施调质处理，由其的超微细组织也可以具有高强度。

不言而喻，本发明对以上的例子不作限定，对其细节当然可以有各种方式。

(实施例5～9)

将表1的组成的超微细组织钢制成φ8mm的线材，镦锻加工前端部、形成螺栓头部后，切断成规定的长度，由滚轧加工制造M8螺栓形状的锻压品(实施例5、7、8)。另外，将该超微细组织钢制成φ3mm的线材，镦锻加工前端部后，切断成规定的长度，制造铆钉(实施例6、9)。图5是例示实施例6的外形的照片。

为了比较，作为原材料使用化学成分是表1的组成、铁素体粒径是20μm的线材，同样制造螺栓、铆钉(比较例4～6)。另外，以化学成分是表1的7作为原材料，进行冷镦锻加工，按照历来法进行由淬火回火的调质处理。

对于这些锻压品，测定组织的铁素体粒径、抗拉强度和成形品芯部硬度，其结果示于表3。

                                         表3

	组成	成形品形状	热处理	铁素体粒径(μm)	抗拉强度(MPa)	维氏硬度
							实施例5	3	螺栓	无	0.6	810	275
实施例6	3	铆钉	无	0.5		285
							实施例7	4	螺栓	无	2.5	600	205
实施例8	1	螺栓	无	1	700	235
							实施例9	6	铆钉	无	0.7		340
比较例4	3	螺栓	无	20	546	182
							比较例5	7	铆钉	无	20		164
比较例6	7	螺栓	淬火·回火	马氏体	730	242

可以明显看出，相对于不进行淬火回火的调质处理的比较例4、5的冷镦锻加工的螺栓的维氏硬度不足190，实施例5～9的成形品的维氏硬度超过200，在实施例5、6、9中超过250。这是与比较例6的实施由历来法的调质处理的锻压品同等或在其以上的强度。

另外，在实施例5～9的高强度成形品中，完全观察不到淬火生成的马氏体组织。

由以上可以确认，本申请的发明的锻压品即使不实施调质处理，由其的超微细组织也可以具有高强度。

不言而喻，本发明对以上的例子不作限定，对其细节当然可以有各种方式。

如以上详细说明的那样，由本发明可以提供不由添加合金元素或调质处理而由超微细组织来确保高强度和高韧性的高强度成形品和可以简便地制造这种高强度成形品的高强度成形品的制造方法。

Claims (17)

1.一种成形品，其特征在于，具有由平均粒径3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织。

2.一种成形品，其特征在于，以具有由平均粒径在3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，由成形而制造，其后不实施调质处理。

3.一种成形品，其特征在于，具有由短径的平均粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织。

4.一种成形品，其特征在于，以具有由短径的平均粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，由成形而制造，其后不实施调质处理。

5.根据权利要求1～4的任一项所述的成形品，其特征在于，以重量％计，组成是：

C：0.001％以上、1.2％以下、

Si：2％以下、

Mn：3％以下、

P：0.2％以下、

S：0.1％以下、

Al：0.3％以下、

N：0.02％以下、

其余是Fe和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1～4的任一项所述的成形品，其特征在于，具有200以上的维氏硬度。

7.一种制造成形品的方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径3μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行成形，不进行调质处理。

8.根据权利要求7所述的制造成形品的方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢。

9.一种制造成形品的方法，其特征在于，作为原材料使用将具有超微细组织的原材料进行温加工或者冷加工而具有由短径的粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行成形，不进行调质处理。

10.一种螺钉或螺栓，其特征在于，具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织。

11.一种螺钉或螺栓，其特征在于，以具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，只由成形而制造，不实施调质处理。

12.权利要求10或11所述的高强度的螺钉或螺栓，其特征在于，具有以JIS强度划分的8.8以上的强度。

13.一种制造螺钉或螺栓的方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径1μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只进行由冷、温的至少任一种加工的成形，不实施调质处理。

14.根据权利要求13所述的制造螺钉或螺栓的方法，其特征在于，作为原材料使用具有由平均粒径0.7μm以下的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢。

15.一种螺钉或螺栓，其特征在于，具有由短径的平均粒径在1μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织。

16.一种螺钉或螺栓，其特征在于，以具有由短径的平均粒径在1μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢作为原材料，只由成形而制造，不实施调质处理。

17.一种制造螺钉或螺栓的方法，其特征在于，作为原材料使用将具有超微细组织的原材料进行温加工或者冷加工而具有由短径的粒径在3μm以下的伸长的铁素体晶粒构成的超微细组织的钢，只由成形而制造，不实施调质处理。

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