JP2001073068A - 機械構造用高剛性鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、通常の溶解、鋳造プロセスを用い
て製造しても高いヤング率を有するとともに、機械構造
用鉄鋼材料として重要な特性である熱処理特性をも有す
る機械構造用高剛性鋼を提供すること。 【解決手段】 重量％で（以下同じ）、Ｃ：１〜４％、
Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：
０．０１〜５％、Ｖ：５〜２０％、ｓ−Ａｌ：０．００
５〜０．０５％及びＮ：０．００５〜０．０５％を含有
し、更に必要に応じてＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ及び
Ｔａのうちから選ばれる１種又は２種以上を含有し、残
部がＦｅ及び不可避不純物からなる機械構造用高剛性
鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械構造用部品に
適用することができる機械構造用高剛性鋼、詳しくは溶
製法で製造可能な通常の鋼より高い剛性率を有する機械
構造用高剛性鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼材料は多くの機械構造用部品に用い
られている。この機械構造用部品に用いられる鉄鋼材料
に要求される特性には、強度、靱性及び剛性がある。こ
の強度及び靱性についてはこれまで幅広い研究が進めら
れており、含有させる合金元素や熱処理の適正化により
大幅な向上が実現されている。しかしながら、剛性すな
わちヤング率は機械部品の設計時には重要な因子であ
り、ヤング率を向上させることにより著しい部品の小型
化を図ることが可能になるが、このヤング率に注目した
鉄鋼材料の開発は、まだ十分行われていなかった。これ
らを背景に近年、ヤング率の高い機械構造用高剛性鋼の
開発の要求が強くなってきた。特に、クランクシャフ
ト、コンロッド、ピストンピンなどの高速で運動する部
品にはヤング率向上による部品小型化のメリットが大き
く、高剛性材料の適用が期待されている。

【０００３】従来、この高ヤング率を得る材料として４
Ａ，５Ａ属元素のホウ化物を鉄又は鉄合金に分散させる
ことにより高ヤング率の鋼材を製造方法が特開平７─１
８８８７４号公報、特開平７─２５２６０９号公報に開
示されている。しかしながら、ホウ化物を用いた鋼材
は、ホウ素と４Ａ，５Ａ属元素の元素を化学量論組成配
合しても、一部分離したホウ素が鉄と共晶反応を生じ、
熱間加工性を大きく阻害する問題があった。

【０００４】また、５〜５０ｖｏｌ％の４Ａ，５Ａ属元
素の炭化物、ホウ化物及びその複合化合物を鉄又は鉄合
金に分散させることにより高ヤング率の鋼材を溶製法に
より製造する方法が特開平１０─６８０４８号公報に開
示されている。しかしながら、この方法は、真空中で約
２０００℃の高温に加熱して脱酸及び還元するとともに
溶解し、凝固中に溶湯中より化合物を晶出させるもので
あるので、非常に高温に加熱する必要があり、技術的に
難しく、またコストが高くなるという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、通常の溶
解、鋳造プロセスを用いて製造しても高いヤング率を有
するとともに、機械構造用鉄鋼材料として重要な特性で
ある熱処理特性をも有する機械構造用高剛性鋼を提供す
ることを課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らは、械構造用高剛性鋼について成分組成
などについて鋭意研究していたところ、ＶＣは、高いヤ
ング率を有するとともに他の炭化物より低温で析出する
（鋳造性がよい）こと、鋼中にＣ及びＶを含有させ、鋼
中に多量のＶＣを形成させれば、高いヤング率の鋼を製
造することができること、マトリックス中に適度な炭
素、シリコン、マンガン、クロムなどの合金元素を含有
させることにより熱処理特性を有する鋼を製造すること
ができることなどの知見を得て本発明をなしたものであ
る。

【０００７】すなわち、本発明の機械構造用高剛性鋼に
おいては、Ｃ：１〜４％、Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍ
ｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：０．０１〜５％、Ｖ：５〜２
０％、ｓ−Ａｌ０．００５〜０．０５％及びＮ：０．０
０５〜０．０５％を含有し、更に必要に応じてＭｏ：
０．０１〜５％、Ｗ：０．０１〜５％、Ｔｉ：０．０１
〜５％、Ｎｂ：０．０１〜５％、Ｚｒ：０．０１〜５％
及びＴａ：０．０１〜５％のうちから選ばれる１種又は
２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からな
るものとすることである。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明について詳細に説明
する。先ず、本発明の機械構造用高剛性鋼の成分及びそ
の含有量を限定した理由を説明する。 Ｃ：１〜４％ Ｃは、ヤング率の高い炭化物を形成するとともに、一部
マトリックス中に固溶して熱処理性及び強度を高くする
ので、そのために含有させる元素である。これらの作用
効果を得るためには１％以上含有させる必要があるが、
４％を超えて含有させると機械構造用鋼としては硬くな
り過ぎるので、その含有量を１〜４％とする。また、他
の合金元素を考慮すると、Ｖ／3.7 ＋Ｍｏ／15.5＋Ｗ／
14.8＋Ｔｉ／3.5 ＋Ｎｂ／7.2 ＋Ｚｒ／7.1 ＋Ｔａ／1
4.6≧Ｃ≧Ｖ／4.7 ＋Ｍｏ／16.5＋Ｗ／15.8＋Ｔｉ／4.5
＋Ｎｂ／8.2 ＋Ｚｒ／8.1 ＋Ｔａ／15.6 の範囲が好
ましい。

【０００９】Ｓｉ：０．０１〜２％ Ｓｉは、鋼溶製時に脱酸作用を有するとともに、フェラ
イト中に固溶して硬さを増加して強度を高くするので、
そのために含有させる元素である。これらの作用効果を
得るためには０．０１％以上含有させる必要があるが、
２％を超えると硬さが必要以上に増加して被削性を低下
するので、その含有量を０．０１〜２％とする。

【００１０】Ｍｎ：０．１〜２％ Ｍｎは、主にマトリックスに分配し、マトリックスの焼
入性を高め、熱処理性を改善するので、そのために含有
させる元素である。この作用効果を得るためには０．１
％以上含有させる必要があるが、２％を超えると焼きな
ましや焼きならし処理によっても硬さが低下しにくくな
り、加工性を阻害するので、その含有量を０．１〜２％
とする。

【００１１】Ｃｒ：０．０１〜５％ Ｃｒは、Ｍｎと同様にマトリックスの焼入性を高め、熱
処理性を改善するので、そのために含有させる元素であ
る。この作用効果を得るためには０．０１％以上含有さ
せる必要があるが、５％を超えると焼きなましや焼きな
らし処理によっても硬さが低下しにくくなり、加工性を
阻害するので、その含有量を０．１〜５％とする。

【００１２】Ｖ：５〜２０％ Ｖは、Ｃと結合して高いヤング率を有するＶＣとなり、
鋼中に分散して高剛性化に寄与するので、そのために含
有させる元素である。このＶＣは、他のＮｂ、Ｔｉ、Ｚ
ｒなどの炭化物と異なり、晶出温度が低く、マトリック
ス中に均一かつ微細に分散させることができる。このた
め鋳造性、熱間加工性などの製造性を大きく低下させる
ことなく高剛性化を図ることができる。これらの理由に
より本発明では主にＶＣにより高剛性化をはかってお
り、このような作用効果を得るためには５％以上含有さ
せる必要があるが、２０％より多く含有させると鋳造性
及び熱間加工性を低下し、コストも高くなるので、その
含有量を５〜２０％とする。好ましくは、７〜１３％で
ある。

【００１３】ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．０５％ ｓ−Ａｌは、鋼溶製時に脱酸を行うために添加する元素
である。この作用効果を得るには０．００５％以上含有
させる必要があるが、０．０５％を超えて含有させても
脱酸の効果は飽和するとともに、鋳造性や熱間加工性を
阻害するので、その含有量を０．００５〜０．０５％と
する。

【００１４】Ｎ：０．００５〜０．０５％ Ｎは、Ｃ同様に高いヤング率の窒化物を形成し、高剛性
化のために有効であるので、そのために含有させる元素
である。この作用効果を得るには０．００５％以上含有
させる必要があるが、０．０５％を超えて含有させると
多量の窒化物の晶出により鋳造性が著しく低下するの
で、その含有量を０．００５〜０．０５％とする。

【００１５】Ｍｏ：０．０１〜５％、Ｗ：０．０１〜５
％、Ｔｉ：０．０１〜５％、Ｎｂ：０．０１〜５％、Ｚ
ｒ：０．０１〜５％、Ｔａ：０．０１〜５％ Ｍｏは、Ｃｒと同様にマトリックスの焼入性を高め、熱
処理性を改善するので、そのために含有させる元素であ
る。これらの作用効果を得るためには０．０１％以上含
有させる必要があるが、５％を超えるとヤング率の低い
炭化物を形成し、ヤング率を上げずに、不必要な硬さの
増加を招くので、その含有量を０．０１〜５％とする。

【００１６】Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＴａは、Ｖと同
様にヤング率の高い炭化物を形成し、高剛性化に寄与す
るので、そのために含有させる元素である。この作用効
果を得るためには０．０１％以上含有させる必要がある
が、これらの炭化物はＶＣに比べて晶出温度が高いた
め、５％を超えて含有させると多量の晶出温度が高い炭
化物が生成し、鋳造性を著しく低下させるので、その含
有量を０．０１〜５％とする。

【００１７】また、本発明の機械構造用高剛性鋼の不純
物は、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：００３％以下、Ｃｕ：
０．３０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：０．３
０％以下、Ｏ：０．００３％以下が好ましい。

【００１８】次に、本発明の機械構造用高剛性鋼の製造
方法及び熱処理方法について説明する。本発明の機械構
造用高剛性鋼の製造は、大気中で、特に高温で加熱する
ことなく普通の鋼の溶製方法と同様な溶製方法で製造す
ることができ、さらに鋳造方法も砂型、水冷銅鋳型など
普通の鋳型を用いてインゴットに鋳造することができ、
また普通の分塊鍛造又は圧延、熱間鍛造又は圧延をする
ことによって行うことができる。

【００１９】本発明の機械構造用高剛性鋼の熱処理方法
は、成分組成、用途、大きさなどによって異なるが、焼
きなましは、約８００〜９００℃前後の温度で約０．５
〜２時間加熱して炉冷することによって行うことができ
る。また焼きならしは、加熱保持後空冷することによっ
て行うことができる。さらに、焼入れは、約８００〜９
００℃の温度で約１０分〜１時間加熱してから水冷また
は油冷することによって行うことができる。また、焼戻
しは、約５００〜７００℃の温度に２０分〜１時間加熱
してから空冷することによって行うことができる。

【００２０】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。下
記表１に記載した成分組成の本発明例及び比較例の鋼を
高周波誘導炉で溶製し、鋳型に鋳込んで５０ｋｇのイン
ゴットに造塊した。比較例の No.９、１１〜１５のもの
はるつぼ内で凝固（推定融点２０００℃以上）し、鋳造
することができなかった。このインゴットを１１００℃
でφ２５ｍｍに鍛造後（比較例の No.７と８のものは、
鍛造中に割れが発生し、下記試験片が作成できなかっ
た。）、８５０℃で６０ｍｉｎ加熱し、炉冷する焼なま
しを行った。焼なましを行った丸棒より硬さを測定する
試験片を切り出し、その硬さをビッカース硬さで測定
し、その結果を下記表２に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、上記焼なましを行った丸棒を８５０
℃で３０ｍｉｎ加熱後水冷する焼入れをし、その後６０
０℃×６０ｍｉｎ加熱後空冷する焼戻しを行った。この
焼入れ及び焼戻しを行った丸棒の中心より厚さ２ｍｍ×
幅８ｍｍ×長さ６０ｍｍの試験片を切り出し、ＪＩＳ
Ｚ ２２８０に基づいてヤング率を測定した。また、試
験片の硬さをビッカース硬さで測定した。これらの結果
を下記表２に示す。なお、本発明例及び比較例の鋼に
は、不純物としてＰ：０．０３％以下、Ｓ：００３％以
下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃ
ｏ：０．３０％以下及びＯ：０．００３％以下を含有し
ていた。

【００２３】

【表２】

【００２４】上記結果より、本発明例のものは、焼きな
まし硬さがＨＶで２８６〜３２４であり、焼入れ焼戻し
硬さがＨＶで３０６〜３４２であった。またヤング率が
２１９〜２６８ＧＰａであった。これに対して、Ｃ含有
量が本発明より低い比較例 No.１のものは、焼きなまし
硬さ、焼入れ焼戻し硬さ及びヤング率が本発明例のもの
より低くなっていた。Ｃ含有量又はＳｉ含有量が本発明
より高い比較例 No.２及び No.３のものは、焼きなまし
硬さ及び焼入れ焼戻し硬さが高い割にヤング率が本発明
例のものと同等又は低くなっていた。

【００２５】Ｍｎ含有量又はＣｒ含有量が本発明より高
い比較例 No.４及び No.５のものは、ヤング率が本発明
例のものと同程度であるが、焼きなまし硬さが高く、被
削性に問題があった。Ｖ含有量が本発明より低い比較例
No.６のものは、ヤング率が本発明例のものよりかなり
低く、高剛性鋼とは言えないものであった。Ｖ含有量が
本発明より高い比較例 No.７のものは、ＶＣ量が多過ぎ
るために熱間加工性が低下して熱間鍛造時に割れを発生
した。

【００２６】Ａｌ含有量が本発明より低い比較例 No.８
のものは、脱酸不良による鋳造欠陥が認められ、また熱
間加工性が低下して熱間鍛造時に割れが発生した。Ｎ含
有量が本発明より高い比較例 No.９のものは、多量のＶ
Ｎが晶出し、鋳造性が低下したためにるつぼ内で凝固し
た。Ｍｏ含有量が本発明より高い比較例 No.１０のもの
は、ヤング率が本発明例のものと同程度であるが、焼き
なまし硬さが高く、被削性に問題がある。

【００２７】Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａ含有量が本発
明より高い比較例 No.１１〜１５は、多量の晶出物を生
成し、鋳造性が低下したためにるつぼ内で凝固した。Ｃ
含有量が本発明より低く、Ｖなどを含有しないＪＩＳの
Ｓ４５Ｃに相当する比較例 No.１６は、焼入れ焼戻し硬
さが本発明例のものよりかなり低く、またヤング率も約
１０〜２０％低くなっている。

【００２８】

【発明の効果】本発明の機械構造用高剛性鋼は、上記成
分組成にしたことにより、次のような優れた効果を奏す
る。 （１）ヤング率及び焼入れ焼戻し硬さが十分高く、また
焼きなまし硬さが機械切削できる程度のものである。 （２）焼入れ焼戻し、焼なましなどの熱処理ができる。 （３）特別な溶解及び鋳造を必要とすることなく、普通
の溶製法及び鋳造方法で製造することができる。 （４）熱間鍛造をすることができるので、容易に成形す
ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で（以下同じ）、Ｃ：１〜４％、
   Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：
   ０．０１〜５％、Ｖ：５〜２０％、ｓ−Ａｌ：０．００
   ５〜０．０５％及びＮ：０．００５〜０．０５％を含有
   し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる機械構造用高
   剛性鋼。
2. 【請求項２】 Ｃ：１〜４％、Ｓｉ：０．０１〜２％、
   Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：０．０１〜５％、Ｖ：５〜
   ２０％、ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．０５％及びＮ：
   ０．００５〜０．０５％を含有し、更にＭｏ：０．０１
   〜５％、Ｗ：０．０１〜５％、Ｔｉ：０．０１〜５％、
   Ｎｂ：０．０１〜５％、Ｚｒ：０．０１〜５％及びＴ
   ａ：０．０１〜５％のうちから選ばれる１種又は２種以
   上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる機械
   構造用高剛性鋼。