JP2013044030A - 被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本願は窒化や高周波焼入れを必要としない、十分な強度を有し、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００で、（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６で、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
【選択図】 なし
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００で、（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６で、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
【選択図】 なし
Description
本発明は、自動車、産業機械等の部品を製造するために有用な機械構造用鋼に関するものであり、特に被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼に関する。
機械構造用非調質鋼は、熱間鍛造後に主として空冷されることにより、部品に要求される硬さが得られるように成分調整が行われている。したがって、それに続く切削工程では、硬さがある程度高い状態で削る必要があることから、優れた被削性が望まれている。被削性を向上させるために、ＳやＰｂのような被削性向上元素の添加が有効である。しかし、鋼へＳを過剰に添加すると、この鋼からなる部品の強度を低下させることから、添加量には自ずと限界がある。また、Ｐｂは環境負荷物質でもあるため、今後、使用が大きく制限される可能性がある。このような背景のもと、被削性向上元素の添加のみに頼らずに、被削性を向上させた機械構造用非調質鋼のニーズが高まっている。
そこで、鋼中のフェライト分率を増やすことにより、被削性と圧縮加工後の疲労強度に優れた非調質鋼鍛造品を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この方法は、超硬工具の旋削逃げ面の摩耗が少ないという有益な効果が認められるものの、ドリル加工性については考慮されていない。
さらに、ミクロ組織がフェライトとパーライトからなる被削性に優れた熱間鍛造非調質鋼部品の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この方法は鍛造前の加熱温度を少なくとも１２５０℃以上に上げる必要があることから、製造効率の面で不利である。
一方、発明者は、上記の問題点を解決するために、Ｖを必須の添加元素とし、さらにＣ量とＶ量をバランスさせて熱間鍛造温度から空冷した際の硬さが概ね従来と同等で、かつフェライト−パーライト組織となるように調整した非調質鋼において、ドリル加工性に優れるＣ、Ｖ量のバランスについて鋭意検討を行った。その結果、フェライト分率が多い（このときＣ／Ｖ比は低い）ほどドリル加工性が良好になるであろうという、従来の見方に反して、パーライト分率が多い（このときＣ／Ｖ比は高い）方がドリル加工性に優れていることを見出した。一方、旋削加工における超硬工具逃げ面の摩耗量および非調質鋼部品の強度指標として重要な耐力比（すなわち０．２％耐力／引張強度）は、Ｃ／Ｖ比が高い場合に低下することが分かった。さらに、非調質鋼の硬さ、被削性に影響する因子であるＣ当量についても併せて適正範囲を明らかにし、本発明に至ったものである。
本願は、上記した発明者の鋭意研究と究明とにより見出した事柄に基づいて、窒化や高周波焼入れを必要としない、十分な強度を有し、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供することである。
上記の課題を解決するための本発明の手段では、請求項１の発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。さらに、この鋼は、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００の範囲にあり、下記（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６の範囲にあり、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼である。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
請求項２の発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｔｉ：０．００６〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。この鋼は、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００の範囲にあり、下記（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６の範囲にあり、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼である。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
上記の発明の機械構造用非調質鋼の化学成分の限定理由について以下に説明する。なお、％は質量％である。
Ｃ：０．３５〜０．５５％
Ｃは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、このためには、Ｃは０．３５％以上が必要である。しかし、Ｃが０．５５％を超えると切削加工性や強度が低下する。そこで、Ｃは０．３５〜０．５５％とし、望ましくは０．３５〜０．４５％、より望ましくは０．３６〜０．４２％とする。
Ｃは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、このためには、Ｃは０．３５％以上が必要である。しかし、Ｃが０．５５％を超えると切削加工性や強度が低下する。そこで、Ｃは０．３５〜０．５５％とし、望ましくは０．３５〜０．４５％、より望ましくは０．３６〜０．４２％とする。
Ｓｉ：０．４０〜０．８０％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素であり、また非調質鋼の強度確保に不可欠な元素である。このためには、Ｓｉは０．４０％以上必要である。しかし、Ｓｉが０．８０％を超えるとフェライト相が硬くなり被削性の低下を招く。そこで、Ｓｉは０．４０〜０．８０％とし、望ましくは０．５０〜０．７０％とする。
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素であり、また非調質鋼の強度確保に不可欠な元素である。このためには、Ｓｉは０．４０％以上必要である。しかし、Ｓｉが０．８０％を超えるとフェライト相が硬くなり被削性の低下を招く。そこで、Ｓｉは０．４０〜０．８０％とし、望ましくは０．５０〜０．７０％とする。
Ｍｎ：０．９０〜１．６０％
Ｍｎは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、また被削性を向上させるＭｎＳ生成に必要な元素である。このためには、Ｍｎは０．９０％以上必要である。しかし、Ｍｎが１．６０％より多過ぎるとベイナイトを生成して被削性を大きく低下させる。そこで、Ｍｎは０．９０〜１．６０％とし、望ましくは０．９０〜１．４０％とし、より望ましくは１．００〜１．４０とする。
Ｍｎは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、また被削性を向上させるＭｎＳ生成に必要な元素である。このためには、Ｍｎは０．９０％以上必要である。しかし、Ｍｎが１．６０％より多過ぎるとベイナイトを生成して被削性を大きく低下させる。そこで、Ｍｎは０．９０〜１．６０％とし、望ましくは０．９０〜１．４０％とし、より望ましくは１．００〜１．４０とする。
Ｓ：０．０３０〜０．０８０％
Ｓは、ドリル加工や旋削加工等における被削性や切り屑処理性の確保に不可欠な元素である。このためには、Ｓは０．０３０％以上必要である。しかし、Ｓが０．０８０％より多過ぎると静的強度、疲労強度などの強度特性を低下し、さらに熱間加工性を低下する。そこで、Ｓは０．０３０〜０．０８０％とし望ましくは、０．０４０〜０．０７０％とする。
Ｓは、ドリル加工や旋削加工等における被削性や切り屑処理性の確保に不可欠な元素である。このためには、Ｓは０．０３０％以上必要である。しかし、Ｓが０．０８０％より多過ぎると静的強度、疲労強度などの強度特性を低下し、さらに熱間加工性を低下する。そこで、Ｓは０．０３０〜０．０８０％とし望ましくは、０．０４０〜０．０７０％とする。
Ｎｉ：０．３０％以下
Ｎｉは、鋼中に不可避的に含有されるが、非調質鋼の切削性を低下させる。そこで、Ｎｉは０．３０％以下に規制する。
Ｎｉは、鋼中に不可避的に含有されるが、非調質鋼の切削性を低下させる。そこで、Ｎｉは０．３０％以下に規制する。
Ｃｒ：０．３５％以下
Ｃｒは、非調質鋼の硬さ確保のため、必要に応じて添加しても良いが０．３５％以上の添加により被削性を低下させる。そこでＣｒは０．３５％以下とする。
Ｃｒは、非調質鋼の硬さ確保のため、必要に応じて添加しても良いが０．３５％以上の添加により被削性を低下させる。そこでＣｒは０．３５％以下とする。
Ｍｏ：０．０５％以下
Ｍｏは、鋼中に不可避的に含有されるが、０．０５％より多く含まれるとベイナイトを生成させやすくなり、被削性を低下させる。そこで、Ｍｏは０．０５％以下に規制する。
Ｍｏは、鋼中に不可避的に含有されるが、０．０５％より多く含まれるとベイナイトを生成させやすくなり、被削性を低下させる。そこで、Ｍｏは０．０５％以下に規制する。
Ａｌ：０．００８〜０．０３５％
Ａｌは、窒化物を形成して鍛造加熱時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素で、このためには０．００８％以上必要である。しかし、被削性および疲労寿命に有害なＡｌ2Ｏ3を低減する必要があるので、Ａｌは上限を０．０３５％とする。そこで、Ａｌは０．００８〜０．０３５％とし、望ましくは０．０１６〜０．０３０％とする。
Ａｌは、窒化物を形成して鍛造加熱時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素で、このためには０．００８％以上必要である。しかし、被削性および疲労寿命に有害なＡｌ2Ｏ3を低減する必要があるので、Ａｌは上限を０．０３５％とする。そこで、Ａｌは０．００８〜０．０３５％とし、望ましくは０．０１６〜０．０３０％とする。
Ｖ：０．０７〜０．１４％
Ｖは、非調質鋼の強度確保に必要な元素であり、このためには０．０７％以上必要である。しかし、Ｖは０．１４％より多くなると、熱間鍛造後の組織形成過程においてフェライトの核となるＶ系析出物が過剰となってフェライト量が大幅に増大し、ドリル加工性を損なう。そこで、Ｖは０．０７〜０．１４％とし、望ましくは０．０８〜０．１２％とする。
Ｖは、非調質鋼の強度確保に必要な元素であり、このためには０．０７％以上必要である。しかし、Ｖは０．１４％より多くなると、熱間鍛造後の組織形成過程においてフェライトの核となるＶ系析出物が過剰となってフェライト量が大幅に増大し、ドリル加工性を損なう。そこで、Ｖは０．０７〜０．１４％とし、望ましくは０．０８〜０．１２％とする。
Ｔｉ：０．００６〜０．０２０％
Ｔｉは、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑える作用がある。そこで、熱間鍛造の加熱時間が長いといった場合などの必要に応じて、Ｔｉは０．００６％以上の添加を行っても良い。ただし、Ｔｉが０．０２０％より多く添加されると被削性を損なう。そこで、Ｔｉは上限を０．０２０％とする。
Ｔｉは、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑える作用がある。そこで、熱間鍛造の加熱時間が長いといった場合などの必要に応じて、Ｔｉは０．００６％以上の添加を行っても良い。ただし、Ｔｉが０．０２０％より多く添加されると被削性を損なう。そこで、Ｔｉは上限を０．０２０％とする。
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、被削性や疲労寿命に有害な酸化物系介在物を生成する。そこで、Ｏは０．００３０％以下に制限する必要があり、望ましくは０．００２０％以下に制限する。
Ｏは、被削性や疲労寿命に有害な酸化物系介在物を生成する。そこで、Ｏは０．００３０％以下に制限する必要があり、望ましくは０．００２０％以下に制限する。
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％
Ｎは、Ａｌと窒化物を形成し、鍛造加熱時の結晶粒粗大化の抑制に効果のある元素である。そこで、Ｎは０．００３０％以上の添加が必要である。しかし、Ｎが０．０２００％より多くても結晶粒粗大化の抑制効果が飽和する。そこで、Ｎは０．００３０〜０．０２００％とし、望ましくは、０．００３０〜０．０１５０％とする。
Ｎは、Ａｌと窒化物を形成し、鍛造加熱時の結晶粒粗大化の抑制に効果のある元素である。そこで、Ｎは０．００３０％以上の添加が必要である。しかし、Ｎが０．０２００％より多くても結晶粒粗大化の抑制効果が飽和する。そこで、Ｎは０．００３０〜０．０２００％とし、望ましくは、０．００３０〜０．０１５０％とする。
また、本発明で使用する鋼は、上記の元素以外に不可避不純物としてＰやＣｕを含有する。しかし、その量は多くても、Ｐは０．０３０％以下、Ｃｕは０．３０％以下である。
質量％で、Ｃ／Ｖ比を２．８０〜６．００に限定する理由
Ｃ／Ｖ比を２．８０〜６．００の範囲に制限することにより、被削性すなわち本発明においてはドリル加工性、および旋削加工における超硬工具逃げ面摩耗量、および０．２％耐力／引張強度から求められる耐力比に優れた非調質鋼が得られる。Ｃ／Ｖ比が２．８０より小さい場合では、フェライト分率が過剰となり、ドリル加工性が低下する。一方、Ｃ／Ｖ比が６．００より大きい場合では、パーライト分率が多くなり過ぎるため、ドリル加工性は良好なものの、超硬工具による旋削加工性と耐力比を損なう。そこで、Ｃ／Ｖ比を２．８０〜６．００とする。
Ｃ／Ｖ比を２．８０〜６．００の範囲に制限することにより、被削性すなわち本発明においてはドリル加工性、および旋削加工における超硬工具逃げ面摩耗量、および０．２％耐力／引張強度から求められる耐力比に優れた非調質鋼が得られる。Ｃ／Ｖ比が２．８０より小さい場合では、フェライト分率が過剰となり、ドリル加工性が低下する。一方、Ｃ／Ｖ比が６．００より大きい場合では、パーライト分率が多くなり過ぎるため、ドリル加工性は良好なものの、超硬工具による旋削加工性と耐力比を損なう。そこで、Ｃ／Ｖ比を２．８０〜６．００とする。
Ｃ当量を０．７２〜０．８６に限定する理由
上記した本発明鋼の化学成分の限定、およびＣ／Ｖ比の限定に加えて、本発明ではＣ当量を０．７２〜０．８６に限定する。その理由は、Ｃ当量が０．７２より小さい場合は、硬さが低いために非調質鋼製部品として必要な強度が不足する。一方、Ｃ当量が０．８６より大きい場合は、通常の熱間鍛造では硬さが高くなり過ぎ、かつベイナイトが生成するためにドリル加工性を大きく損なう。そこで、Ｃ当量を０．７２〜０．８６の範囲に限定する。
上記した本発明鋼の化学成分の限定、およびＣ／Ｖ比の限定に加えて、本発明ではＣ当量を０．７２〜０．８６に限定する。その理由は、Ｃ当量が０．７２より小さい場合は、硬さが低いために非調質鋼製部品として必要な強度が不足する。一方、Ｃ当量が０．８６より大きい場合は、通常の熱間鍛造では硬さが高くなり過ぎ、かつベイナイトが生成するためにドリル加工性を大きく損なう。そこで、Ｃ当量を０．７２〜０．８６の範囲に限定する。
本発明の鋼は、鋼成分を限定、Ｃ／Ｖ比の限定およびＣ当量の限定により、通常の熱間鍛造により製造される非調質鋼からなる部品において、被削性向上元素に頼ることなく、ドリル加工性に優れ、旋削加工における超硬工具摩耗量が少なく、耐力比の高い、有益な効果を奏するものである。
なお、本発明鋼は、Ｖが必須添加されており、窒化を行った場合には、表面にＶ系硬質化合物が形成されて強度が大きく損なわれるので、本発明の鋼には窒化を行わない。また、本発明鋼は熱間鍛造後に空冷することにより十分な硬さが得られるので、本発明は高周波焼入れも必要としない。
本発明の実施の形態について、以下に説明する。表１に示す本発明例および比較例の化学成分の鋼の１００ｋｇを真空溶解炉で溶製し、インゴットを得た。続いて、このインゴットを１２５０℃に加熱して５時間保持した後、３０ｍｍ角の棒鋼と直径３５ｍｍの丸棒に鍛造した。続いて、通常の熱間鍛造を想定して、１２００℃に加熱した後、空冷する熱処理を施した。
続いて、上記で鍛造して得た３０ｍｍ角の棒鋼を用いてドリル加工性を評価した。ドリル加工性については、表２に記載の条件により実施した。
さらに、上記で鍛造して得た径３５ｍｍの丸棒を用いて超硬工具による旋削加工性を評価した。超硬工具による旋削加工性については、表３に記載の条件により実施した。
また、径３５ｍｍの丸棒の中周部の長手方向より、平行部が径６ｍｍの引張試験片を作製し、常温引張試験を行って０．２％耐力と引張強度を測定し、０．２％耐力／引張強度から求められる耐力比を求めた。この結果を表４に示す。なお、１２００℃に加熱後に空冷した、これらの３０ｍｍ角の棒鋼の硬さと直径３５ｍｍの丸棒の硬さは同等であった。したがって、これら両者を代表して直径３５ｍｍの丸棒の硬さを表４に示した。
表４に見られるとおり、本発明の実施例である発明例のＮｏ．１〜１０のものは、それぞれが所定の化学成分の範囲を満足し、さらにＣ／Ｖ比が２．８０〜６．００の範囲にあり、かつＣ当量が０．７２〜０．８６の範囲にある。それに対して、化学成分、Ｃ／Ｖ比、およびＣ当量のうちの少なくとも１つ以上が本発明の範囲を外れる比較例のＮｏ．１１〜２０のものは、ドリル穿孔不能までの穴数で示すドリル加工性、旋削加工における超硬工具逃げ面摩耗量および耐力比の少なくとも１つ以上が発明例に対して劣っている。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００であり、下記（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６であり、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトであることを特徴とする被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１） - 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．９０〜１．６０％、Ｓ：０．０３０〜０．０８０％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３５％以下、Ｍｏ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００８〜０．０３５％、Ｖ：０．０７〜０．１４％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｔｉ：０．００６〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｃ／Ｖ比が２．８０〜６．００であり、下記（１）式で示されるＣ当量が０．７２〜０．８６であり、熱間鍛造後の組織がフェライト−パーライトであることを特徴とする被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼。
Ｃ当量＝Ｃ％＋Ｓｉ％／７＋Ｍｎ％／５＋Ｃｒ％／９＋Ｖ％／２……（１）
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