JP4665327B2 - 熱間加工ままでの冷間加工性に優れる含ｂ高炭素鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の動力伝達部材、軸受け、工具等に使用される機械構造用の高炭素鋼に係り、とくに熱間加工ままでセメンタイトの球状化が促進され、優れた冷間加工性を具えた高炭素鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素鋼を素材とした各種の機械構造部材は、高炭素鋼の圧延素材を、棒状または板状に熱間圧延したのち、これを鍛造、引き抜き、切削、切断等の冷間加工により所望の製品形状に加工して製造される。このとき、熱間圧延後に形成される金属組織は硬質かつ板状のセメンタイト相からなるパーライト主体の組織であるために、熱間圧延のままでは冷間加工時の加工性が極めて悪い。そのため、かかる構造部材の製造方法においては、従来から、熱間圧延後に球状化熱処理を施し、板状であったセメンタイトを球状化することにより、鋼材を軟質化して加工性を向上させるのが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来から行われてきた球状化熱処理は、板状のセメンタイト相を有する鋼を、亜共析鋼ではγ／（γ＋α）すなわちＡc_３変態点、過共析鋼ではγ／（γ＋セメンタイト）すなわちＡcm変態点の温度近くまで加熱し、セメンタイト相をわずかに残して固溶させ、その後Ａ_１変態点直下に保持する球状化熱処理により、残存したセメンタイトを核として新たなセメンタイトを析出、球状化させるものであった。この方法では、Ａc_３変態点またはＡcm変態点の温度域における保持が高すぎた場合にはセメンタイトが完全に固溶してしまい、その後のＡ_１変態点直下でのセメンタイト相の析出が遅滞することとなる。このような場合、球状化には長時間を必要とするだけでなく、長時間保持のために炭化物が粗大化しやすく、製品特性の劣化を招いてしまう。このように、熱間加工後に球状化熱処理の工程を別途必要とする従来の製造方法では、十分な球状化を達成するには温度などの緻密な管理が必要であるだけでなく、熱処理時間が長いために生産性の低下や製造コストの上昇を招くという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、従来技術が抱えている上記問題に鑑み、熱間加工（主として、熱間圧延）のままでセメンタイトを球状化させて軟質化を図ることにより、球状化熱処理を施さなくとも、優れた冷間加工性が得られる高炭素鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上掲の課題の解決に向けて、鋭意、実験・検討を重ねている中で、Ｂ（ボロン）の化合物である Fe_２Ｂあるいは Fe_３（Ｃ，Ｂ）が、セメンタイト相の核生成サイトとして極めて優れた能力を有すること、また、かかるＢ化合物を核生成サイトとして有効に析出させるには、鋼組成としてＢだけでなく、AlやＮなどを適正範囲で含有させるとともに、析出前の熱間加工とその後の冷却を適正な条件で行うことがことが重要であることを知見した。
【０００６】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、Ｃ：０．６０〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００５〜０．２００ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼素材を、１０００〜９００℃の温度範囲で少なくとも１パスは１パス当たりの加工率を２５％以上とする加工、あるいは前記温度範囲における累積加工率を６０％以上とする加工、の少なくとも一方の加工条件を満たして熱間加工し、次いで、８００〜６５０℃間の冷却速度を３０℃／ｈ以下として冷却することを特徴とする、熱間加工ままでの冷間加工性に優れる含Ｂ高炭素鋼の製造方法である。また、本発明は、上記発明において、鋼素材の成分組成がさらに、Ｃｒ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｖ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．５ｍａｓｓ％以下から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、熱間加工ままでの冷間加工性に優れる含Ｂ高炭素鋼の製造方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において、Ｂ化合物である Fe_２Ｂがセメンタイト相の核生成サイトとして機能するのは、冶金的に次のような現象によるものであると考えられる。
すなわち、鋼中におけるＢ含有量がγ相における固溶限以上であると析出 Fe_２Ｂが、また0.15mass％を超えると共晶 Fe_２Ｂが出現する。そして、これらの Fe_２Ｂは高炭素鋼の球状化熱処理温度に相当する 900℃以下では未固溶のままで存在する。したがって、球状化熱処理温度に相当するＡc_３変態点またはＡcm変態点の近傍に加熱する際に、未固溶セメンタイトが極めて少なくなる高い温度条件であっても、その後のＡ_１変態点直下の保持において Fe_２Ｂがセメンタイトの核生成サイトとして作用し、析出、球状化が遅滞なく進行することとなる。また、未固溶セメンタイト相が適量残存する従来の適正な球状化処理に相当する温度条件では、Ａ_１変態点直下の保持において未固溶セメンタイトとともに Fe_２Ｂもセメンタイトの核生成サイトとして作用するため、従来の製造方法よりも球状化が速やかに進行することとなる。
【０００８】
このようなセメンタイトの核生成サイトとして作用する Fe_２Ｂを鋼中に析出させるためには、γ相における固溶限以上、すなわち0.005 mass％以上のＢ含有量が必要である。また、 Fe_２Ｂの効果を十分に発揮させるためには、AlおよびＮの含有量をAl：0.10mass％以下、Ｎ：0.0050mass％以下にまで十分低下させておく必要がある。
さらに、本発明のように、Ｂを多量に含有する高炭素鋼においては、 Fe_２Ｂ以外に、 Fe_３（Ｃ、Ｂ）がより高温でも存在できるようになる。具体的には、鋼の製造時における通常の熱間加工温度域で Fe_３（Ｃ、Ｂ）が析出しうる。
【０００９】
本発明では、上述したように、通常の熱間加工温度域で析出しうる２種類の析出物を、熱間加工後の共析変態時のセメンタイト析出核として活用し、熱間加工のままで、球状化組織を得るものである。しかし、通常の熱間加工条件では、これら２種類の析出物が、選択的にオーステナイト粒界上に析出、または、ラメラー状に析出しやすいため、その後の球状化組織に十分に寄与しにくい。
そこで、発明者らは、熱間加工条件を適正化すれば、セメンタイトに先行して析出するこれら析出物の析出／分散状態を良好な状態に制御できて、球状化に有効に寄与させることができることを見いだした。すなわち、これら析出物の析出温度範囲である1000〜900 ℃において、１パス当たりの加工率が２５％以上のパスを少なくとも１パス以上とし、さらに熱間加工終了後の 800〜650 ℃間の冷却速度を３０℃／ｈ以下とすることが有効であることがわかった。
【００１０】
このようにして、加工率２５％以上／パスの高加工を付与することにより、析出物の分散、組織の再結晶による後続の析出サイトの分散が図られる。ここに、加工率を定める温度範囲を1000〜900 ℃としたのは、この温度域がγ相とFe_２BまたはFe_３Cとの共存域であるからである。この温度範囲での加工率が２５％に満たないと、Fe_２BまたはFe_３Cが粗大化したり、偏在した組織となる。また、冷却速度を定める温度範囲を 800〜650 ℃としたのは、母相に固溶しているC が析出またはフェライトへの変態に伴いFe_３Cが析出するからであり、この温度範囲での冷却速度を３０℃／ｈ以下としたのは、３０℃／ｈを超える速い冷却速度になるとFe_３Cが球状化せずラメラー状形態を呈するからである。
【００１１】
同様の機構から、1000〜900 ℃における累積加工率を６０％以上とし、さらに熱間加工終了後の 800〜650 ℃間の冷却速度を３０℃／ｈ以下とすることも有効であることがわかった。そしてまた、発明者らは、1000〜900 ℃において、１パス当たりの加工率を２５％以上とするパスを少なくとも１パス以上とし、かつ累積加工率を６０％以上とすることによっても、同様な効果が得られることを確認した。
なお、本発明で言う加工率とは断面減少率を言い、累積加工率とは素材と最終パス後の断面積から求まる断面減少率を意味する。
【００１２】
次に、鋼組成の限定理由について説明する。
Ｃ：0.60〜1.10mass％
Ｃ量は、セメンタイト相を形成し、強度を確保するために、0.60mass％以上は必要である。しかし、過剰に含有するとセメンタイト量が過剰になり、靱性、延性の低下が著しくなるので、1.10mass％を上限とする。なお、好ましいＣ含有量は0.65超え〜1.10mass％である。
【００１３】
Si：2.0 mass％以下
Siは、固溶強化あるいは焼入れ性の増大を通じて、強度を確保するのに重要な元素である。また、脱酸材としても必要な元素である。しかし、過剰に含有すると、靱性や延性の劣化が著しくなるため、2.0 mass％を上限とする。なお、好ましいSi含有量は0.2 〜2.0 mass％である。
【００１４】
Mn：2.0 mass％以下
Mnは、焼入れ性の増大効果を通じて、強度を確保するのに重要な元素である。
しかし過剰に含有すると、靱性や延性の劣化が著しくなるため、2.0 mass％を上限とする。なお、好ましいMn含有量は0.5 超え〜2.0 mass％である。
【００１５】
Al：0.10 mass ％以下
Alは、Ｂによる球状化の改善効果を阻害する元素である。このため、Al含有量は0.10 mass ％以下に制限する必要がある。
【００１６】
Ｎ：0.0050mass％以下
Ｎは、Alと同様に、Ｂによる球状化の改善効果を阻害する元素である。このため、Ｎ含有量は0.0050mass％以下に制限する必要がある。
【００１７】
Ｂ：0.005 〜0.200 mass％
Ｂは、本発明において、とくに重要な元素であり、Ｂの化合物である Fe_２Ｂまたは Fe_３（Ｃ、Ｂ）が共析変態時のセメンタイト相の核生成サイトとして作用し、球状化の促進に寄与する。こうした効果を発現させるには、0.005 mass％以上のＢを含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させても、その効果が飽和するだけでなく、かえって Fe_２Ｂによる硬さ上昇を招くようになるので、上限を0.200 mass％とする。なお、好ましいＢ含有量は0.005 〜0.150 mass％である。
【００１８】
本発明では、上述した各成分に加えて、さらに、Cr、Mo、ＶおよびNbから選ばれる少なくとも１種または２種以上を含有させることができる。
これらの元素は、いずれもセメンタイト相に固溶し、セメンタイト相の析出、球状化を促進させる元素である。しかし、過剰に含有させても、その効果は飽和するのみならず、鋼コストの増大、焼入れ性の増大を招いてしまう。したがって、これらの元素は、Cr：2.0 mass％以下、Mo：1.0 mass％以下、Ｖ：0.5 mass％以下、Nb：0.5 mass％以下の範囲で含有させるものとする。
【００１９】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて説明する。
鋼素材の成分が表１に示すような、本発明範囲にある鋼 No.１〜７、Ｂ含有量が本発明範囲に満たない従来鋼 No.８を、1150℃に加熱後、表２に示す条件で２０ｍｍφの丸棒に熱間加工た。
得られた各試験材の1/4 部位置で、熱間加工後の硬さをビッカース硬度Hvにて測定（測定荷重 98N、 5点の平均値）し、熱間加工ままで球状化の促進によってもたらされる、軟質化による加工性向上効果を調査した。Ｈｖ値が２３０以下であれば、その後に行われる、伸線、鍛造等の冷間加工に十分耐えられるので、この範囲にあれば球状化による軟質化が良好であると判断した。その評価結果を、併せて表２に示す。表２において、Ｈｖ≦２３０のものを○印で示した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
実験Ｎｏ．１〜３、６〜１１の発明例では、熱間加工ままで、十分に低い硬さが得られており、本発明の効果が明瞭にあらわれた。一方、加工条件、冷却条件のいずれかが本発明範囲を逸脱する実験Ｎｏ．４、５の比較例、またＢ量が本発明範囲に満たない実験Ｎｏ．１２の従来例は、いずれも硬さが高く、冷間加工を行うには球状化熱処理が必要であった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱間加工のままで、鋼の軟質化が図られる。したがって、本発明によれば、従来のように、熱間圧延後に再加熱して長時間保持する球状化熱処理を行う必要がなくなり、工程省略、生産性の向上、製品コストの低減が可能になる。

Claims (2)

1. Ｃ：０．６０〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００５〜０．２００ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼素材を、１０００〜９００℃の温度範囲で少なくとも１パスは１パス当たりの加工率を２５％以上とする加工、あるいは前記温度範囲における累積加工率を６０％以上とする加工、の少なくとも一方の加工条件を満たして熱間加工し、次いで、８００〜６５０℃間の冷却速度を３０℃／ｈ以下として冷却することを特徴とする、熱間加工ままでの冷間加工性に優れる含Ｂ高炭素鋼の製造方法。
2. 請求項１において、鋼素材の成分組成がさらに、Ｃｒ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｖ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．５ｍａｓｓ％以下から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、熱間加工ままでの冷間加工性に優れる含Ｂ高炭素鋼の製造方法。