JP2005133153A - 冷間鍛造性及び肌焼処理時の耐粗粒化特性に優れた肌焼用鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 冷間鍛造性及び肌焼処理時の耐粗粒化特性に優れた肌焼用鋼は、C:0.05〜0.3%(質量%の意。以下同じ)、Si:0.01〜0.35%、Mn:0.2〜2%、P:0.001〜0.02%、S:0.001〜0.02%、焼入性元素(Ni:0.01〜2%、Cr:0.01〜2%、Mo:0.01〜0.5%から選択された少なくとも1種)、Ti:0.005〜0.02%、Al:0.020〜0.1%、N:0.005〜0.02%を含有し、残部はFe及び不可避的不純物であり、上記Ti、Al、及びNはさらに下記式(1)を満足している。
Al/(N−Ti/3.4)≧4 … (1)
【選択図】 なし
Description
三野匡之,外2名,「高強度鋼の粗粒化特性に及ぼすNb,Al,N及び冷間加工の影響」,住友金属技報,住友金属工業株式会社,1989年10月,第41巻,第4号,第35〜41頁
しかも上記Ti、Al、及びNはさらに下記式(1)を満足する点に要旨を有するものである。前記肌焼用鋼は、球状化焼鈍省略用鋼でもある。
前記肌焼用鋼は、通常、平均粒径5〜50nmの析出物を、0.25μm2当たり、13個以上含有し、平均粒径50nm超の析出物は、0.25μm2当たり、3個以下となっている。またフェライト面積率及びフェライトの結晶粒度番号を断面全体に亘って均等に測定したとき、通常、フェライト面積率の平均値が50%以上であり、結晶粒度番号の平均値が9.0〜12.5番である。引張強さは400〜750N/mm2であるのが望ましく、絞りは60%以上であるのが望ましい。下記式(2)で定義される炭素当量Ceqを0.7以下としたとき、及び/又は下記式(3)で定義される理想臨界直径DI値を10以上としたとき、強度コントロールが簡便となる。
(式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]は、それぞれ、C、Si、Mn、Cr、Mo、又はNiの含有量(質量%)を示す)
前記肌焼用鋼は、C:0.05〜0.3%、Si:0.01〜0.35%、Mn:0.2〜2%、P:0.001〜0.02%、S:0.001〜0.02%、焼入性元素(Ni:0.01〜2%、Cr:0.01〜2%、Mo:0.01〜0.5%から選択された少なくとも1種)、Ti:0.005〜0.02%、Al:0.020〜0.1%、及びN:0.005〜0.02%を含有し、残部はFe及び不可避的不純物であり、しかも上記Ti、Al、及びNがさらに上記式(1)を満足している鋼塊、鋳片又は鋼片を、下記に示す条件で熱間圧延し、冷却することによって製造できる。
圧延温度(仕上圧延を除く):780〜900℃
仕上圧延温度:750〜850℃
冷却開始温度:750〜800℃
温度750〜550℃の範囲の冷却速度:0.05〜0.3℃/秒
以下、各成分の限定理由について説明する。
Cは強度確保のために必須の元素である。従ってC量は0.05%以上、好ましくは0.08%以上、さらに好ましくは0.10%以上とする。一方、Cが過剰になると、鋼のフェライト分率(面積率)が低下し易くなり、冷間鍛造時の変形能が低下し易くなる。従ってC量は、0.3%以下、好ましくは0.28%以下、さらに好ましくは0.25%以下とする。
Siは脱酸に有用であるだけでなく、固溶強化によって所定の強度を確保するのにも有用である。従ってSi量は、0.01%以上、好ましくは0.5%以上、さらに好ましくは1.0%以上とする。一方、Siが過剰になると冷間鍛造性が低下する。従ってSi量は、0.35%以下、好ましくは0.30%以下、さらに好ましくは0.2%以下とする。
Mnは鋼の焼入性を高め、所定の強度を確保するのにも有用である。従ってMn量は、0.2%以上、好ましくは0.3%以上、さらに好ましくは0.4%以上とする。一方、Mnが過剰になると鋼のフェライト分率が低下し易くなり、冷間鍛造時の変形能が低下し易くなる。従ってMn量は、2%以下、好ましくは1.7%以下、さらに好ましくは1.5%以下である。
Pは冷間鍛造時の加工硬化を助長し、変形能を低下させるため極力低減するのが望ましい。従ってP量は、0.02%以下、好ましくは0.015%以下、さらに好ましくは0.012%以下とする。なおPを0%とするのは困難又はコスト高となる。従ってP量は0.001%以上、好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.005%以上とする。
Sは硫化物系介在物を形成して冷間鍛造時の変形能を低下させる。従ってP量は、0.02%以下、好ましくは0.015%以下、さらに好ましくは0.012%以下とする。なおSを0%とするのは困難又はコスト高となる。従ってS量は、0.001%以上、好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.005%以上とする。
これら焼入性元素は強度を確保するのに有用である。従ってNi量は、0.01%以上、好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.10%以上とする。Cr量は、0.01%以上、好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.10%以上とする。Mo量は、0.01%以上、好ましくは0.03%以上、さらに好ましくは0.05%以上とする。一方、これら焼入性元素を過剰に添加すると、フェライト分率が高くなって冷間鍛造時の変形能が低下し易くなる。従ってNi量は、2%以下、好ましくは1.7%以下、さらに好ましくは1.5%以下とする。Cr量は、2%以下、好ましくは1.7%以下、さらに好ましくは1.5%以下とする。Mo量は、0.5%以下、好ましくは0.4%以下、さらに好ましくは0.3%以下とする。
Tiは、造塊時又は連続鋳造時にTiNを形成する。このTiNは、得られた鋼を肌焼するときに、ピンニング作用によってオーステナイト粒が粗大化するのを抑制するため、Tiは耐粗粒化特性を高めるのに有用である。従ってTi量は、0.005以上とする。なお0.01%以上、例えば0.013%以上、特に0.015%以上としてもよい。なお本発明ではAlも添加しているため、Tiが少ないときにはAlNがピンニング作用を発揮するものの、Tiが少ないときはAlNが粗大化しており、そのピンニング効果(耐粗粒化特性)が不十分となっている。従って本発明ではTiを所定量以上添加するのが重要である。一方Tiが過剰になると、TiNが粗大化してしまい、前記ピンニング作用が不十分となる。また本発明では、後述するように、制御圧延によって微細なTiCの析出を防止しているものの、Tiが過剰となると余ったTiが微細なTiCとして析出し易くなり、鋼の引張強さが高くなり過ぎて、冷間鍛造時の変形抵抗が高くなってしまう。より正確にいえば、CをTiで固定すると、コットレル雰囲気に起因するひずみ時効による硬化を防止できる点では冷間鍛造性の向上には有用であるものの、TiCは極めて微細に析出するため、鋼の引張強さを過剰に高くしてしまう点では冷間鍛造性の向上には不利である。Ti量が過剰になると、TiC析出の影響が強く出てしまい、変形抵抗が高くなってしまう。従ってTi量は、0.02%以下とする。好ましくは0.018%以下、さらに好ましくは0.015%以下とする。なおTiNはTiC程には微細化しないため、冷間鍛造性を低下させない。
NはTiN及びAlNを形成し、ピンニングによって耐粗粒化特性を高めるのに有用である。特に本発明では、Tiではなく、Nを過剰(N−Ti/3.4が、例えば0超、好ましくは0.002以上、さらに好ましくは0.003以上)となるように添加している。Nを過剰に添加すれば、Tiを過剰に添加した場合と異なってTiNの粗大化を抑制でき、TiNのピンニング効果を有効に発揮できる。
Alは脱酸に有用であるだけでなく、AlNを形成し、ピンニングによって耐粗粒化特性を高めるのに有用である。特にTiを所定量以上含有する場合、AlNが適度に微細化するため、AlNのピンニング作用を有効に利用できる。従ってAl量は、0.020%以上、好ましくは0.023%以上、さらに好ましくは0.025%以上とする。一方、Alを添加し過ぎると、酸化物系介在物が増大して他の特性(例えば耐疲労特性など)を低下させる場合があるため、その上限を0.1%とした。好ましい上限は、0.05%、特に0.045%である。
本発明は、造塊時又は連続鋳造時にTiNを形成しなかった余剰のN(=N−Ti/3.4)に対して、Alを4倍以上、好ましくは4.5倍以上、さらに好ましくは5.0倍以上添加する。本発明の鋼は、球状化焼鈍が省略されるため、球状化焼鈍工程で余剰のNをAlNにすることができず、鋼の製造段階(造塊時、連続鋳造時、分塊圧延時など)に余剰のNを確実にAlNにする必要がある。従ってAlを余剰のNに対して十分となる量を添加する。また余剰のNを確実にAlNとすることで、AlNのピンニング効果を利用でき、耐粗粒化特性を高めることができる。また余剰のNをAlNとすれば、ひずみ時効が生じるのを防止でき、冷間鍛造性を確保するのにも有用である。
すなわち本発明では、Zr、Nb、W、Vなどの析出強化元素を添加しない。これら析出強化元素を添加すると、TiNを十分に形成することができない。なおNbは、Nb(CN)となってピンニング効果を発揮することが知られているものの、Nb(CN)は極めて微細であって冷間鍛造時の変形抵抗を高めてしまう。従って本発明ではNb(CN)ではなく、TiNを有効利用することとしている。
(1)平均粒径5〜50nmの析出物:0.25μm2当たり、13個以上
平均粒径50nm超の析出物:0.25μm2当たり、3個以下
すなわち本発明では、上述したように、Ti、Al及びNのバランスが適切に制御されており、またNbなどの析出強化元素も無添加であるため、平均粒径が50nm超となるような粗大な析出物(AlN、TiNなどの窒化物など)が抑制されており、平均粒径が5〜50nm程度の適度な大きさの析出物(AlN、TiNなどの窒化物など)が数多くなっている。適度な大きさの析出物(AlN、TiNなどの窒化物など)は、冷間鍛造性と耐粗粒化特性を両立させるのに有用である。なお析出物のサイズ及び個数を制御するには、後述の制御圧延も有効である。
(2)フェライト面積率が50%以上
フェライトの結晶粒度番号が9.0〜12.5番
フェライト面積率が大きい程、またフェライトの結晶粒度番号が大きい程、球状化焼鈍を省略したときの冷間鍛造性を確保するのに有用である。また鋼材(特に線材)の絞りを高めるのにも有用である。
(3)引張強さ:400〜750N/mm2
絞り:60%以上
引張強さは強度確保の点からは高い程望ましいが、冷間鍛造性確保の点からは低い程望ましいため、所定の範囲に制御するのが望ましい。また絞りは高いほど、冷間鍛造性が高くなるため望ましい。
(4)炭素当量Ceq:0.7以下
理想臨界直径DI値:10以上
炭素当量Ceqは下記式(2)で定義されるものであり、理想臨界直径DI値は下記式(3)で定義されるものである。
(式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]は、それぞれ、C、Si、Mn、Cr、Mo、又はNiの含有量(質量%)を示す)
Ceqは強度の指標となり、DI値は焼入性の指標となるため、これらを所定の範囲に調整すれば、鋼の強度コントロールと焼入性コントロールが容易となる。
圧延温度(仕上圧延を除く):780〜900℃(好ましくは790〜850℃)
仕上圧延温度:750〜850℃(好ましくは775〜825℃)
冷却開始温度:750〜850℃(好ましくは775〜825℃)
温度750〜550℃の範囲(最終冷却)の冷却速度:0.05〜0.3℃/秒
なお上記圧延温度とは、仕上圧延以外の圧延、例えば粗圧延、中間圧延の温度を意味する。圧延温度、仕上圧延温度は、中間水冷の採用、圧延速度の調整などによって制御できる。圧延終了後は、ただちに冷却(最終冷却)を開始してもよく、必要に応じて水冷等によって冷却開始温度まで冷却した後、冷却(最終冷却)を開始してもよい。
下記表1に示す成分の鋼を溶製し、分塊した後、下記表2に示す条件で制御圧延及び冷却することによって直径17mmの線材を得た。なお下記表2のうち、No.6についてはさらに球状化焼鈍(条件:温度760℃で7時間加熱した後、冷却速度15℃/hrで温度680℃まで冷却し、空冷)した。
線材を切断し、横断面を研磨して鏡面仕上げした後、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察した(倍率:100倍)。白いコントラストで観察される領域をフェライトとして面積率を測定した。前記断面から均等に選択した3視野分の平均値をフェライトの面積率(分率)とした。
上記線材を切断、研磨した後、透過型電子顕微鏡(TEM)で0.5μm×0.5μm(0.25μm2)の視野を撮影した。得られた写真を画像処理し、TiN、AlNなどの析出物の個数とサイズを求めた。なお析出物のサイズは、析出物の面積を測定した後、同じ面積となる円の直径として求めた。前記断面から均等に選択した3視野分の平均値を析出物のサイズとした。
上記線材の引張強さをJIS Z 2201に準拠して測定した。また、破断後の断面積から、絞り(RA)を算出した。
上記線材を伸線して直径16.3mmとし、高さ24.5mmに切断して試験片を得た。
上記線材(直径17.0mm)を伸線して直径16.3mmとした後、さらに前方に3段の押し出し加工を行った。得られた加工品は、先端側から順に、直径4.7mm(線材からの減面率=70%)、直径6.0mm(線材からの減面率=50%)、直径7.1mm(線材からの減面率=30%)となっており、これと根元(直径16.3mm)を合わせると4段の段付き形状となっている。
Claims (8)
- C:0.05〜0.3%(質量%の意。以下同じ)、Si:0.01〜0.35%、Mn:0.2〜2%、P:0.001〜0.02%、S:0.001〜0.02%を含有し、
Ni:0.01〜2%、Cr:0.01〜2%、Mo:0.01〜0.5%から選択された少なくとも1種も含有し、さらに
Ti:0.005〜0.02%、Al:0.020〜0.1%、N:0.005〜0.02%を含有し、
残部はFe及び不可避的不純物であり、
上記Ti、Al、及びNはさらに下記式(1)を満足するものであることを特徴とする冷間鍛造性及び肌焼処理時の耐粗粒化特性に優れた肌焼用鋼。
Al/(N−Ti/3.4)≧4 … (1) - 球状化焼鈍省略用鋼である請求項1に記載の肌焼用鋼。
- 平均粒径5〜50nmの析出物を、0.25μm2当たり、13個以上含有し、平均粒径50nm超の析出物は、0.25μm2当たり、3個以下となっている請求項1又は2に記載の肌焼用鋼。
- フェライト面積率及びフェライトの結晶粒度番号を断面全体に亘って均等に測定したとき、フェライト面積率の平均値が50%以上であり、結晶粒度番号の平均値が9.0〜12.5番である請求項1〜3のいずれかに記載の肌焼用鋼。
- 引張強さが400〜750N/mm2、絞りが60%以上である請求項1〜4のいずれかに記載の肌焼用鋼。
- 下記式(2)で定義される炭素当量Ceqが0.7以下である請求項1〜5のいずれかに記載の肌焼用鋼。
Ceq=[C]+[Si]/7+[Mn]/5+[Cr]/9+[Mo]/2+[Ni]/6 … (2)
(式中、[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]は、それぞれ、C、Si、Mn、Cr、Mo、又はNiの含有量(質量%)を示す) - 下記式(3)で定義される理想臨界直径DI値が10以上である請求項1〜6のいずれかに記載の肌焼用鋼。
- 請求項1に示す化学成分を有する鋼塊、鋳片又は鋼片を、下記に示す条件で熱間圧延し、冷却することを特徴とする冷間鍛造性及び浸炭時の耐粗粒化特性に優れた肌焼用鋼の製造方法。
圧延開始温度:800〜950℃
圧延温度(仕上圧延を除く):780〜900℃
仕上圧延温度:750〜850℃
冷却開始温度:750〜800℃
温度750〜550℃の範囲の冷却速度:0.05〜0.3℃/秒
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