JP2019502815A - 強度及び冷間加工性に優れた非調質線材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
質量%で、C:0.3〜0.4%、Si:0.05〜0.3%、Mn:0.8〜1.8%、Cr:0.5%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、sol.Al:0.01〜0.05%、N:0.01%以下、及びO:0.0001〜0.003%を含み、且つNb:0.005〜0.03%及びV:0.05〜0.3%のうち1種以上を含み、残部Fe及び不可避不純物を含み、微細組織として、フェライト(ferrite)及びパーライト(pearlite)を含み、上記パーライトの相分率は下記関係式1及び2を満たし、上記パーライトの平均ラメラ間隔は関係式3及び4を満たす非調質線材が開示される。
Description
但し、上記のように、冷間加工方法を用いて機械部品を製造するためには、本質的に鋼材の冷間加工性に優れていることが要求される。より具体的には、冷間加工時の変形抵抗が低く、延性に優れることが要求される。鋼の変形抵抗が高い場合には、冷間加工時に使用する工具の寿命が低下し、鋼の延性が低い場合には、冷間加工時の割れが発生しやすく、不良品発生の原因になるためである。
そのため、通常の冷間加工用鋼材は、冷間加工前に球状化焼鈍熱処理を行うことになる。これは、球状化焼鈍熱処理を行う場合、鋼材が軟化して変形抵抗が減少し、延性が向上して冷間加工性が向上するためである。ところが、この場合、追加費用が発生し、製造効率が低下するため、追加の熱処理を行うことなく優れた冷間加工性を確保することができる非調質線材の開発が求められている。
さらに、中心偏析によってマトリックス(Matrix)強化が行われた場合には、かかる非金属介在物の感度はさらに大きくなって冷間加工性に悪影響を与える可能性がある。したがって、中炭素鋼以上の高強度非調質鋼を開発するにあたり、かかる中心部偏析による組織差及び中心部介在物による影響について検討する必要がある。
[関係式1]VP2/VP1≦1.4
[関係式2]50≦(15VP1+VP2)/16≦70
[関係式3]DL1/DL2≦1.4
[関係式4]0.1≦(15DL1+DL2)/16≦0.3
(ここで、VP1及びVP2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライト分率(面積%)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライト分率(面積%)を意味し、DL1及びDL2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)を意味する)
まず、非調質線材の合金成分及び組成範囲について詳細に説明する。後述する各成分の含有量は、特に言及しない限り、いずれも質量基準である。
C:0.3〜0.4%
炭素は、線材の強度を向上させる役割を果たす。本発明では、かかる効果を奏するために、0.3%以上含まれることが好ましい。但し、その含有量が過剰な場合、鋼の変形抵抗が急増し、その結果、冷間加工性が劣化するという問題がある。したがって、上記炭素の含有量の上限は、0.4%であることが好ましい。
シリコンは、脱酸剤として有用な元素である。本発明では、かかる効果を奏するために、0.05%以上含まれることが好ましい。但し、その含有量が過剰な場合、固溶強化により鋼の変形抵抗が急増し、その結果、冷間加工性が劣化するという問題がある。したがって、上記シリコンの含有量の上限は、0.3%であることが好ましく、0.25%であることがより好ましい。
マンガンは、脱酸剤及び脱硫剤として有用な元素である。本発明では、かかる効果を奏するために、0.8%以上含まれることが好ましく、1.0%以上含まれることがより好ましい。但し、その含有量が過剰な場合、鋼自体の強度が過度に高くなって鋼の変形抵抗が急増し、その結果、冷間加工性が劣化するという問題がある。したがって、上記マンガンの含有量の上限は、1.8%であることが好ましく、1.6%であることがより好ましい。
クロムは、熱間圧延時のフェライト及びパーライト変態を促進させる役割を果たす。また、鋼自体の強度を必要以上に高くせず、鋼中の炭化物を析出して、固溶炭素量を低減させることで、固溶炭素による動的ひずみ時効の減少に寄与する。しかし、クロムを添加しなくても、物性の確保の側面においてさほど差し支えはない。一方、その含有量が過剰な場合、鋼自体の強度が過度に高くなって鋼の変形抵抗が急増し、その結果、冷間加工性が劣化するという問題がある。上記クロムの含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.4%であることがより好ましい。
リンは、不可避に含有される不純物であって、結晶粒界に偏析して鋼の靭性を低下させ、遅延破壊抵抗性を減少させる主な原因となる元素であるため、その含有量を可能な限り低く制御することが好ましい。理論上、リンの含有量は0%に制御することが有利であるが、製造工程上必然的に含有される。したがって、上限を管理することが重要であり、本発明では、上記リンの含有量の上限を0.02%に管理する。
硫黄は、不可避に含有される不純物であって、結晶粒界に偏析して鋼の延性を大きく低下させ、鋼中硫化物を形成して、遅延破壊抵抗性及び応力弛緩特性を劣化させる主な原因となる元素であるため、その含有量を可能な限り低く制御することが好ましい。理論上、硫黄の含有量は0%に制御することが有利であるが、製造工程上必然的に含有される。したがって、上限を管理することが重要であり、本発明では、上記硫黄の含有量の上限を0.02%に管理する。
可溶アルミニウムは、脱酸剤として有用に作用する元素であって、0.01%以上、好ましくは0.015%以上、より好ましくは0.02%以上添加する。但し、その含有量が0.05%を超えると、AlNの形成によるオーステナイト粒度の微細化効果が大きくなって冷間加工性が低下する。したがって、本発明では、上記可溶アルミニウムの含有量の上限を0.05%に管理する。
窒素は、不可避的に含有される不純物であって、その含有量が過剰な場合には、固溶窒素量が増加して鋼の変形抵抗が急増し、その結果、冷間加工性が劣化するという問題がある。理論上、窒素の含有量は0%に制御することが有利であるが、製造工程上必然的に含有される。したがって、上限を管理することが重要であり、本発明では、上記窒素の含有量の上限を0.01%に管理することが好ましく、0.008%に管理することがより好ましく、0.007%に管理することがさらに好ましい。
酸素は、非金属介在物の形態で線材内に存在し、通常0.0001%以上含有される。ところで、かかる非金属介在物は、破壊の起点となって鋼の疲労強度及び冷間鍛造性を低下させる。特に非調質鋼のように、伸線加工により強度を確保する場合には、線材の中心部において非金属介在物を起点とした破壊が起こりやすい。また、本発明者らの研究結果によると、鋼中の酸素の含有量が0.003%を超える線材の場合、非金属介在物の量が多くなって、厳格な用途向けの加工材では、断線回避が十分ではない。したがって、本発明では、酸素の上限を0.003%、より好ましくは0.001%、さらに好ましくは0.0008%に管理する。
ニオブは、炭窒化物を形成して、オーステナイト及びフェライトの粒界移動を制限する役割を果たす元素であって、0.005%以上添加する。しかし、上記炭窒化物は、破壊起点として作用して、衝撃靭性、特に低温衝撃靭性を低下させる可能性があるため、溶解度限界を守って添加することが好ましい。また、その含有量が過剰な場合には、固溶限界を超えるため、粗大な析出物を形成するという問題がある。したがって、ニオブの含有量は0.03%以下に制限することが好ましい。
但し、Tiは、本発明の効果を得るために、その含有量を極力抑えなければならない代表的な不純物に該当するため、これについて簡単に説明すると、次のとおりである。
チタンは、炭窒化物の形成元素であって、Nb及びVよりも高い温度で炭窒化物を形成する。したがって、鋼中にチタンが含まれると、C及びNの固定には有利であり得るが、Tiの炭窒化物を核として、Nb及び/またはVが析出して基地内に粗大な炭窒化物が多量形成されるため、冷間加工性が劣化する可能性がある。したがって、その上限を管理することが重要であり、本発明では、上記チタンの含有量の上限を0.005%に管理することが好ましく、0.004%に管理することがより好ましい。
[式1]Ceq=[C]+[Si]/9+[Mn]/5+[Cr]/12
(ここで、[C]、[Si]、[Mn]及び[Cr]はそれぞれ、該当元素の含有量(%)を意味する)
また、本発明の非調質線材は、パーライトの相分率(体積%)が下記関係式1及び2を満たす。
[関係式1]VP2/VP1≦1.4
[関係式2]50≦(15VP1+VP2)/16≦70
(ここで、VP1及びVP2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライト分率(面積%)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライト分率(面積%)を意味する)
一方、上記のようにVP2/VP1を1.4以下に制御する方法は様々であるため、本発明の独立請求項では特に制限しない。但し、一例として、後述のように、ブルームの加熱温度及び保持時間を適切に制御することにより、上記のようにVP2/VP1を1.4以下に制御することができる。
また、本発明の非調質線材は、パーライトの平均ラメラ間隔(μm)が下記関係式3及び4を満たす。
[関係式3]DL1/DL2≦1.4
[関係式4]0.1≦(15DL1+DL2)/16≦0.3
(ここで、DL1及びDL2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)を意味する)
一方、上記のようにDL1/DL2を1.4以下に制御する方法は様々であるため、本発明の独立請求項では特に制限しない。但し、一例として、後述のように、線材の圧延温度及び冷却速度を適切に制御することにより、上記のようにDL1/DL2を1.4以下に制御することができる。
一例によると、上記パーライトの強度差は下記関係式5を満たすことができる。
[関係式5](VP2/VP1)×(√(DL1/DL2))≦1.5
[関係式6]30≦[Al2O3]≦70
[関係式7]20≦[SiO2]≦40
[関係式8]10≦[CaO]+[MgO]≦20
(ここで、[Al2O3]、[SiO2]、[CaO]及び[MgO]はそれぞれ、該当介在物の含有量(質量%)を意味する)
Al2O3は、酸化物系介在物をより低融点且つ軟質であるようにするために有用な成分である。鋼またはスラグのうちAl2O3は必然的に存在するようになるが、スラグ内のAl2O3の含有量を適宜管理する場合、介在物の融点が低くなり、その結果、延伸性が確保されて圧延過程中に微細となって、最終素材の健全性に有利であると知られている。このような作用を有効にすべく、Al2O3の含有量を30%以上、好ましくは35%以上、より好ましくは40%以上とする。しかし、Al2O3の含有量が多すぎるようになると、硬質であるため微細化しにくいアルミナ介在物となり、熱延工程で微細化し難くなって破壊または破損の基点となるため、その上限を70%、好ましくは65%、より好ましくは60%とする。
SiO2は、上記Al2O3とともに、鋼またはスラグ内に必然的に存在するようになり、多元系酸化物のベースとなる重要な酸化物である。SiO2の含有量が20%未満の場合には、多元系酸化物の介在物としてその他の酸化物との優れた組み合わせを得ることができない。一方、40%を超えると、硬質の介在物が形成される可能性が高くなる。したがって、その下限を20%、上限を40%とすることが好ましい。
MgO及びCaOは、介在物を最適な複合組成にして低融点化するために必要な成分である。MgO及びCaOは、単独では両方とも高融点であるが、多元系酸化物の融点を低下させるという効果を奏する。かかる効果を発現するためには、合計10%以上含有させる必要がある。但し、CaO+MgOの合計含有量が多すぎると、介在物の融点が高くなるか、またはMgO及びCaOの結晶が生成されて、熱延工程で微細化し難くなって破壊または破損の起点となり得るため、その合計含有量の上限を20%以下とする。
一例によると、酸化物系介在物の平均直径は8μm以下(0μmを除く)であればよく、酸化物系介在物の最大直径は15μm以下(0μmを除く)であればよい。
以上で説明した本発明の非調質線材は、様々な方法で製造することができ、その製造方法は特に制限されない。但し、一実施例として、次のような方法により製造することができる。
まず、上記成分系を満たすブルーム(bloom)を加熱した後、鋼片圧延してビレット(billet)を得る。
ブルーム(bloom)の加熱温度は、1200℃〜1300℃であることが好ましく、1200℃〜1250℃であることがより好ましい。ブルームの加熱温度が1200℃未満の場合には、熱間圧延性が低下する可能性がある。さらに、C、Mn、Crなどの中心部偏析を助長する元素の拡散が十分に行われず偏析部と非偏析部の組織差が大きくなって冷間加工性の劣化をもたらすことがある。一方、1300℃を超えると、オーステナイトの粗大化により延性が劣化するおそれがある。
ビレットの再加熱温度は1050℃〜1250℃であることが好ましく、1100℃〜1200℃であることがより好ましい。もし、ビレットの再加熱温度が1050℃未満の場合には、熱間変形抵抗が増加して、生産性の低下をもたらす可能性がある。一方、再加熱温度が1250℃を超えると、フェライト結晶粒が過度に粗大となり、延性が低下するおそれがある。
一例によると、非調質線材の巻取温度は750〜900であり、より好ましくは800〜850である。巻取温度が750未満の場合には、冷却時に発生した表層部のマルテンサイトが復熱によって回復せず、焼戻マルテンサイトが生成されて硬くて脆い鋼となるため、冷間加工性が低下するおそれがある。一方、巻取温度が900を超えると、その表面に厚いスケールが形成されて、脱スケール時にトラブルが発生しやすいだけでなく、冷却時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
(実施例)
その後、冷却された線材のフェライト分率や、ラメラ間隔、介在物の組成及び大きさなどを測定して表2及び3に示した。
一方、各線材にそれぞれ10%、15%、20%の伸線加工量を印加して鋼線を製造した。また、製造された鋼線の冷間加工性を評価し、表4にともに示した。具体的な評価方法は上述のとおりである。
まず、上記成分系を満たすブルーム(bloom)を加熱した後、鋼片圧延してビレット(billet)を得る。
ブルーム(bloom)の加熱温度は、1200℃〜1300℃であることが好ましく、1200℃〜1250℃であることがより好ましい。ブルームの加熱温度が1200℃未満の場合には、熱間圧延性が低下する可能性がある。さらに、C、Mn、Crなどの中心部偏析を助長する元素の拡散が十分に行われず偏析部と非偏析部の組織差が大きくなって冷間加工性の劣化をもたらすことがある。一方、1300℃を超えると、オーステナイトの粗大化により延性が劣化するおそれがある。
一例によると、非調質線材の巻取温度は750〜900℃であり、より好ましくは800〜850℃である。巻取温度が750℃未満の場合には、冷却時に発生した表層部のマルテンサイトが復熱によって回復せず、焼戻マルテンサイトが生成されて硬くて脆い鋼となるため、冷間加工性が低下するおそれがある。一方、巻取温度が900℃を超えると、その表面に厚いスケールが形成されて、脱スケール時にトラブルが発生しやすいだけでなく、冷却時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
Claims (11)
- 質量%で、C:0.3〜0.4%、Si:0.05〜0.3%、Mn:0.8〜1.8%、Cr:0.5%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、sol.Al:0.01〜0.05%、N:0.01%以下、及びO:0.0001〜0.003%を含み、且つNb:0.005〜0.03%及びV:0.05〜0.3%のうち1種以上を含み、残部がFe及び不可避不純物からなり、
微細組織として、フェライト(ferrite)及びパーライト(pearlite)を含み、
前記パーライトの相分率は下記関係式1及び2を満たし、前記パーライトの平均ラメラ間隔は下記関係式3及び4を満たすことを特徴とする非調質線材。
[関係式1]VP2/VP1≦1.4
[関係式2]50≦(15VP1+VP2)/16≦70
[関係式3]DL1/DL2≦1.4
[関係式4]0.1≦(15DL1+DL2)/16≦0.3
(ここで、VP1及びVP2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライト分率(面積%)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライト分率(面積%)を意味し、DL1及びDL2はそれぞれ、線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の表面から線材の直径(D)方向の3/8Dの位置までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)、及び線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域におけるパーライトの平均ラメラ間隔(μm)を意味する) - 前記パーライトの強度差は下記関係式5を満たすことを特徴とする請求項1に記載の非調質線材。
[関係式5](VP2/VP1)×(√(DL1/DL2))≦1.5 - 前記不可避不純物は、Tiを含み、質量%で、Ti:0.005%以下に抑えられることを特徴とする請求項1に記載の非調質線材。
- 炭素当量(Ceq)が0.6以上0.7以下であることを特徴とする請求項1に記載の非調質線材。
- 線材の長さ方向に垂直な断面で、線材の直径(D)方向の3/8Dの位置から線材の中心までの領域における酸化物系介在物の平均組成は下記関係式6〜8を満たすことを特徴とする請求項1に記載の非調質線材。
[関係式6]30≦[Al2O3]≦70
[関係式7]20≦[SiO2]≦40
[関係式8]10≦[CaO]+[MgO]≦20
(ここで、[Al2O3]、[SiO2]、[CaO]及び[MgO]はそれぞれ、該当介在物の含有量(質量%)を意味する) - 前記酸化物系介在物の平均直径は8μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の非調質線材。
- 前記酸化物系介在物の最大直径は15μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の非調質線材。
- 質量%で、C:0.3〜0.4%、Si:0.05〜0.3%、Mn:0.8〜1.8%、Cr:0.5%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、sol.Al:0.01〜0.05%、O:0.0001〜0.003%、及びN:0.01%以下を含み、且つNb:0.005〜0.03%及びV:0.05〜0.3%のうち1種以上を含み、残部がFe及び不可避不純物からなり、炭素当量(Ceq)が0.6以上0.7以下のブルーム(bloom)を1200℃〜1300℃の加熱温度で加熱し、前記加熱温度で240分以上維持した後、鋼片圧延してビレット(billet)を得る段階と、
前記ビレットを再加熱した後、仕上げ圧延温度750℃〜900℃の条件下で線材圧延して線材を得る段階と、
前記線材を巻き取った後、0.3℃〜1℃/secの速度で冷却する段階と、を含むことを特徴とする非調質線材の製造方法。 - 前記不可避不純物は、Tiを含み、質量%で、Ti:0.005%以下に抑えられることを特徴とする請求項8に記載の非調質線材。
- 前記ビレットの再加熱温度は1050℃〜1200℃であることを特徴とする請求項8に記載の非調質線材。
- 前記線材の巻取温度は750℃〜900℃であることを特徴とする請求項8に記載の非調質線材。
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