JP3762543B2 - 熱間鍛造用非調質鋼および熱間鍛造非調質品の製造方法ならびに熱間鍛造非調質品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間で鍛造された後、調質処理を施すことなく、自動車、産業用機械などの機械部品に加工される熱間鍛造用非調質鋼素材と、それを用いた熱間鍛造非調質品の製造方法、ならびに熱間鍛造非調質品に関するものであって、特に、熱間鍛造ままで高強度、高靱性であり、かつ高周波焼入れが可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、産業用機械部品の多くは素材棒鋼を熱間で加工後、焼入焼戻し処理（調質処理）により組織を微細化し、強度と靱性を高めて使用しているが、近年はコスト削減のため、調質処理を省略したまま使用される機械部品、いわゆる熱間鍛造非調質部品が急速に普及してきている。また、最近は地球環境保護のため、自動車の低燃費化が求められるようになってきているが、自動車の低燃費化を達成するための有効な対策の一つは車両軽量化であり、強度の向上による部品の小型軽量化が指向されている。
【０００３】
これらの要求に応えるべく、各種高強度非調質鋼が研究されているが、特に近年形状が複雑化しつつある自動車部品などに対しては、熱間鍛造後空冷して用いられる、焼入れ歪のないベイナイト型非調質鋼が適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ベイナイト組織の非調質鋼に関しては、十分な研究が進んでいるとは言い難い。一般に、熱間鍛造ままのベイナイト型非調質鋼は、熱間鍛造後の空冷時にベイナイト変態温度域を通過する時間が十分でないなどの理由のため、変態しきれないオーステナイトが室温まで保存され、ベイナイト組織中にオーステナイト組織が残留する。この軟質な残留オーステナイトが存在するため、降伏強さや靱性が低いのがベイナイト型非調質鋼の難点である。対策として、焼戻しを施してオーステナイト組織をフェライトと炭化物に変態させることが可能であるが、熱間鍛造ままの状態で降伏強さと靱性を向上させる有効な手段はなかった。また、フェライト・パーライト型非調質鋼の場合、炭素量が多くなると強度が上昇し、靱性が低下することが知られており、これまではベイナイト型についても同様の傾向があると考えられてきた。そのため、０．３０％を超える高炭素を含むベイナイト型非調質鋼は少ない。一方、シャフト類は高周波焼入れにより表層を硬化して使用されるが、高周波焼入れにより十分な硬さを得るためには０．３０％以上の炭素が必要である。したがって、０．３０％超の炭素を含み、しかも焼戻しが不要なベイナイト型非調質鋼が得られれば、各種部品への適用範囲は大きく広がる。
【０００５】
すでに、特開平８−３１９５３６号公報には、炭素０．３０％超を含有するベイナイト型非調質鋼が記載されており、これは、主に残留オーステナイト組織とラス組織の微細化により、引張り強さ１０００ＭＰａ以上で、かつ高い降伏強さと衝撃値を備えた鋼である。しかしながら、残留オーステナイトそのものを低減することで、焼き戻しした状態と同等の性能を得ることができれば、一層の高性能化が可能である。
【０００６】
そこで本発明は、熱間鍛造後、焼戻ししない状態で高強度、特に高降伏強さと高靱性を備え、かつ高周波焼入れ可能なベイナイト型熱間鍛造部品用の素材、すなわち熱間鍛造用非調質鋼と、同鋼を用いた熱間鍛造非調質品の製造方法、ならびに熱間鍛造非調質品を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間鍛造用非調質鋼は、
質量％で、
Ｃ ：０．３０超〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１７％、
Ｍｎ：１．６５〜３．００％、
Ｃｒ：０．０２〜２．００％、
Ｎ ：０．００８０〜０．０２００％
を含み、さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
のうち１種または２種と、
Ｖ ：０．０１〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
のうち１種または２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなる高周波焼入れが可能な熱間鍛造用非調質鋼である。
【０００８】
また、本発明の熱間鍛造非調質品の製造方法は、前記本発明の熱間鍛造用非調質鋼を１２７０Ｋ以上の温度で加工、放冷することを特徴とする高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品の製造方法である。
【０００９】
さらに、本発明の熱間鍛造用非調質品は、
質量％で、
Ｃ ：０．３０超〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１７％、
Ｍｎ：１．６５〜３．００％、
Ｃｒ：０．０２〜２．００％、
Ｎ ：０．００８０〜０．０２００％
を含み、さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
のうち１種または２種と、
Ｖ ：０．０１〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
のうち１種または２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、鋼組織の体積の８０％以上がベイナイト組織である高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
降伏強さ、衝撃値低下の主な原因は、前述のように、時に１０％を上回る残留オーステナイトの存在である。オーステナイトはベイナイトと比較して軟質であり、降伏点低下の原因となる。そこで、本発明では、熱間鍛造後の冷却中にベイナイト変態を促進し、その結果として、残留オーステナイトを低減することにした。
【００１１】
オーステナイトが残留する原因として、熱間鍛造後の連続冷却中にベイナイト変態が完全に終了するのに必要な温度と十分な時間がとれないことが第１に挙げられる。特に、実際の熱間鍛造においては、生産性を確保するため、鍛造成形後、コンベア上で衝風冷却する方法が採られることが多く、鋼がベイナイト変態温度域に保持される時間は限られている。
【００１２】
本発明者は、ベイナイト変態時に析出する炭化物の析出促進がベイナイト変態時間を短縮するとの予測のもと、炭化物を形成する元素（Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等）、微細分散して炭化物析出サイトとなる可能性のある元素（Ｔｉ）、および炭化物形成を抑制する元素（Ｓｉ）を選び、これらが残留オーステナイト量に及ぼす影響を調べた。その結果、１２００℃加熱後、ベイナイト変態域の一定温度に一定時間保持した場合の残留オーステナイト量に対し、Ｓｉが非常に大きな影響を与えること、さらには、図１に示すように、０．２０ｗｔ％未満に制限することで、熱間鍛造後の通常の冷却条件で、十分残留オーステナイトが低減することが分かった。
【００１３】
種々の組織の鋼において、比較的多量のＳｉが炭化物の析出や成長を抑制することはすでに公知であるが、０．３０％超の炭素を含むベイナイト鋼において、連続冷却後の残留オーステナイト量に及ぼすＳｉ量の影響を調べた例、特に中炭素鋼において、Ｓｉを０．２０ｗｔ％未満に抑制した場合に、残留オーステナイトが大幅に減少することについての報告はない。
【００１４】
さらに、本発明においては、Ｔｉ、Ａｌの窒化物の分散によるベイナイト組織の微細化を組み合わせる。ＴｉＮおよびＡｌＮの微細分散化は、再加熱時のオーステナイト組織の微細化を通じたベイナイトパケットの微細化に非常に有効であり、高い降伏強さと衝撃値を得るのに有効である。
【００１５】
次に発明の限定理由について述べる。
【００１６】
Ｃ：Ｃは鋼の強靱化元素である。０．３０％以下では、引張り強さを向上させるために多量の合金が必要となり、コストが高くなると共に、熱間鍛造時の変形抵抗を大きくするため鍛造型寿命が短くなる。さらに、０．３０％以下では高周波焼入れした場合の表面硬さが、通常必要とされる程度を下回り、高周波焼入れ用として実用的でない。０．６０％を超えると降伏強さが低下し、また鍛造放冷時にフェライトやパーライト組織が変態しやすくなる。
【００１７】
Ｓｉ：Ｓｉは炭化物の析出を抑制して残留オーステナイトを増加させる元素であるので、０．１７％以下に制限する。しかし、Ｓｉを０．０２％未満まで抑制すると鋼の製造コストが多大なものとなるので、下限を０．０２％とする。
【００１８】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入れ性を高めて鍛造放冷ままの組織をベイナイトに変態させるため必要である。１．６５未満では熱間鍛造、放冷ままでの組織がベイナイトに変態しにくく、また３．００％を超えると、マルテンサイトが変態して必要以上に硬くなり、靱性、被削性を低下させる。
【００１９】
Ｃｒ：ＣｒＭｎと同様の働きをするが、ベイナイトに変態開始温度を低下させて組織を微細化するためには、Ｍｎ、Ｖなどとの併用が有効である。Ｃｒを多量に添加するとマルテンサイトが変態するため、２．００％以下とする。また、実操業上Ｃｒを０．０２％未満に抑制することは、コストがかかる割に期待できる効果がない。
【００２０】
Ａｌ、Ｔｉ：Ａｌ、Ｔｉは窒化物として鋼中に析出分散することにより、鍛造再加熱時のオーステナイト組織の粗大化を防止し、降伏強さと靱性を高める。粗大化防止に必要な添加量は、Ｔｉ：０．００５％以上、Ａｌ：０．００５％以上であるが、多量に添加すると析出物が粗大化して鋼を脆化するため上限をＴｉ：０．０５０％、Ａｌ：０．０５０％とする。
【００２１】
Ｎ：Ｎは各種窒化物を形成して熱間鍛造時のオーステナイト組織の粗大化を防止することにより、ベイナイトパケットを微細化し、降伏強さを高める元素であり、最低０．００８０％以上が必要である。しかし０．０２００％を超えて添加しても効果は飽和する。
【００２２】
Ｖ、Ｎｂ：Ｖ、Ｎｂは鍛造時にはベイナイト変態温度を低下させて鍛造放冷ままのベイナイト組織を微細組織として靱性を高め、また、一部は鍛造後の放冷時に析出して鋼を強化する。これらの効果を発揮させるためには、Ｖ、Ｎｂいずれか０．０１％以上の添加が必要である。しかしコストを抑えるためそれぞれの上限を０．３０％とする。
【００２３】
なお、Ｐは不純物として含まれるものであって、意図的に添加はしない。鋼の製造性および靱性向上の観点からは、０．０５％以下が望ましい。
【００２４】
本発明の鋼は熱間鍛造後時効してＶ、Ｎｂの析出強化を発揮させることができ、析出強化を期待するためには、鍛造後、およそ８００Ｋ以上の温度で焼き戻すのが効率的である。
【００２５】
本発明の熱間鍛造非調質品の製造方法においては、鋼をオーステナイ単相とし、かつ熱間鍛造時の変形抵抗を下げて鍛造型寿命を実用的な長さとするため、１２７０Ｋ以上の温度で加工する。また、自動車用部品の大きさであれば、前記本発明の熱間鍛造用非調質鋼を加工後に特別な冷却を施すことなく、空冷ままでベイナイト組織を主体とする組織とすることができる。
【００２６】
本発明の熱間鍛造非調質品においては、組織の体積の８０％以上をベイナイト組織とすることにより高強度と高靱性が得られる。冷却条件によりベイナイト組織が８０％未満になると、混在する他の組織のため機械的性質が低下する場合がある。例えば、混在する組織がフェライト、パーライトの場合には引張り強さが低下し、マルテンサイトとオーステナイトの混合組織が混在する場合には引張り強さが上がり、靱性が低下する。
【００２７】
被削性向上のため、Ｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、およびＣａを適量添加してもよい。被削性向上のためには、Ｓ：０．０２〜０．１０％、Ｐｂ：０．００５〜０．５０％、Ｂｉ：０．０１０〜０．５０％、Ｔｅ：０．００１〜０．２０％、Ｓｅ：０．０１０〜０．５０％の添加が望ましく、特に超硬工具を用いた切削における被削性を重要視する場合はＣａ：０．０００４〜０．００５０％の添加が効果的である。
【００２８】
なお、ＳはＭｎＳを形成して被削性を向上すると共に、旧オーステナイト粒の粗大化を防止し、靱性を改善する働きもある。
【００２９】
【実施例】
表１、２に示した種々の組成の鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、厚さ４０ｍｍに成型した鋼を素材とした。これらの鋼を１４７５Ｋの温度に６００Ｓ保持した後、直ちに５０％の鍛造加工、放冷を行い、引張り試験、衝撃試験を行った。また、同鋼のベイナイト分率を光学顕微鏡写真から測定した。その結果、表３に示したように、本発明鋼は、０．７５以上の降伏比、および５４Ｊ／ｃｍ² 以上の良好な衝撃値を有していた。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
【表３】

【００３３】
【発明の効果】
本発明の鋼は高降伏比、および高靱性を備えた高周波焼入れ可能な熱間鍛造非調質鋼部品用の素材として最適である。また、本発明の製造方法により、高降伏比、および高靱性を有する高周波焼入れ可能な熱間鍛造非調質品を製造することができる。さらに、本発明の熱間鍛造非調質品は、自動車用あるいは産業機械用の部品として使用するとき、高周波焼入れ可能であるため、部品の一層の高強度化が可能で、車両の軽量化、燃費低減、および低コスト化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】０．３５％Ｃ−２．００％Ｍｎ−０．１５％Ｃｒ−０．２０％Ｖ−０．０１５％Ｔｉ−０．０１１０％Ｎの組成の鋼において、Ｓｉ量を変え、１４７０Ｋに加熱、放冷した場合の残留オーステナイト量を示す図である。

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．３０超〜０．６０％、
   Ｓｉ：０．０２〜０．１７％、
   Ｍｎ：１．６５〜３．００％、
   Ｃｒ：０．０２〜２．００％、
   Ｎ ：０．００８０〜０．０２００％
   を含み、さらに、
   Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
   のうち１種または２種と、
   Ｖ ：０．０１〜０．３０％、
   Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
   のうち１種または２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなる高周波焼入れが可能な熱間鍛造用非調質鋼。
2. 請求項１記載の熱間鍛造用非調質鋼を１２７０Ｋ以上の温度で加工、放冷することを特徴とする高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品の製造方法。
3. 質量％で、
   Ｃ ：０．３０超〜０．６０％、
   Ｓｉ：０．０２〜０．１７％、
   Ｍｎ：１．６５〜３．００％、
   Ｃｒ：０．０２〜２．００％、
   Ｎ ：０．００８０〜０．０２００％
   を含み、さらに、
   Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
   のうち１種または２種と、
   Ｖ ：０．０１〜０．３０％、
   Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
   のうち１種または２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、鋼組織の体積の８０％以上がベイナイト組織である高周波焼入れが可能な熱間鍛造非調質品。

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