JP6488008B2 - 強度及び衝撃靭性に優れた線材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このような燃費向上のためには、自動車の軽量化や高性能化が必要とされ、自動車用素材や部品についても更なる高強度化が要求されている。同時に、自動車用素材や部品については外部衝撃に対する安定性の向上も強く要求されており、素材や部品の衝撃靭性が重要な物性項目として認識されてきている。
炭素は、強度を確保するための必須の元素で、鋼中に固溶されるか、炭化物又はセメンタイトの形態で存在する。強度を増加させるための最も簡単な方法は、炭素含有量を増加させて炭化物又はセメンタイトを形成させることであるが、炭素含有量を増加させると逆に延性及び衝撃靭性が低下するため、炭素の含有量を一定の範囲内に調節する必要がある。本実施形態では、炭素の含有量が0.05〜0.15%の範囲となるように添加することが好ましい。これは、炭素含有量が0.05%未満の場合は目標強度を得ることが難しく、0.15%を超えると衝撃靭性が急激に低下する可能性があるためである。
シリコンは、アルミニウムとともに脱酸元素として知られており、強度を向上させる元素である。シリコンは、添加時にフェライトに固溶されて鋼材の固溶強化による強度の増加に非常に大きい効果を奏する元素として知られている。しかし、シリコンの添加により強度は大きく増加するが、延性及び衝撃靭性は急激に低下するため、十分な延性を必要とする冷間鍛造部品の場合は、シリコンの添加を非常に制限している。本実施形態では、強度の低下を最小限に抑えながらも、優れた衝撃靭性を確保するために、シリコンの含有量を0.2%以下とする。これは、シリコン含有量が0.2%を超えると、目標衝撃靭性を確保することが難しくなるおそれがあり、0.1%以下とすることが更に好ましい。
マンガンは、鋼材の強度を増加させ、硬化能を向上させることで、広い範囲の冷却速度でベイナイトまたはマルテンサイトのような低温組織の形成を容易にする。しかし、マンガン含有量が3.0%未満であると硬化能が十分でないため、熱間圧延後の連続冷却工程で低温組織を安定的に確保することが難しくなる。また、4.0%を超えると、硬化能が高くなりすぎ、空冷時にもマルテンサイト組織を形成する可能性があるため適さない。これを考慮して、本実施形態では、マンガンの含有量を3.0〜4.0%とすることが好ましい。
リンは、結晶粒界に偏析して靭性を低下させ、遅延破壊抵抗性を減少させる主な原因となるため、可能な限り含まないことが好ましく、この理由により、本実施形態では、その上限を0.020%と限定する。
硫黄は、結晶粒界に偏析して靭性を低下させ、低融点硫化物を形成して熱間圧延を阻害するため、可能な限り含まないことが好ましい。この理由により、本実施形態では、その上限を0.020%と限定する。
ボロンは、硬化能を向上させる元素で、オーステナイト結晶粒界に拡散して冷却時のフェライトの生成を抑制し、ベイナイト又はマルテンサイトの形成を容易にする元素である。しかし、ボロンの添加量が0.0010%未満であると、添加による効果を期待することができず、0.0030%を超えると、それ以上の効果の上昇を期待することができなくなるとともに、ボロン系窒化物が粒界に析出することが原因で粒界の強度が低下して熱間加工性を低下させかねない。したがって、このような点を考慮して、本実施形態では、ボロンの添加範囲を0.0010〜0.0030%とする。
チタンは、窒素との反応性が最も大きいため、真っ先に窒化物を形成する。チタンの添加によりTiNが形成されて鋼中の窒素がほとんど使い尽くされると、BNの析出を防ぐことにより、ホウ素が溶解(soluble)した状態で存在できるようにすることで硬化能を向上させる効果を得ることができる。しかし、チタンの添加量が0.010%未満であると添加による効果が不十分となり、0.030%を超えると、粗大な窒化物を形成させて機械的物性を低下させる可能性がある。このような点を考慮して、本実施形態では、チタンの含有量を0.010〜0.030%とする。
窒素は、ボロンと溶解(soluble)した状態で維持される。硬化能を向上させる効果を十分に奏するようにするために、可能な限り含まないことが好ましい。したがって、本実施形態では、窒素の含有量を0.0050%以下とすることが好ましい。
アルミニウムは、強力な脱酸元素で、鋼中の酸素を除去することで清浄度を高めるだけでなく、鋼中に固溶された窒素と結合してAlNを形成することにより、衝撃靭性を向上させることができる。本実施形態では、アルミニウムを積極的に添加するが、含有量が0.010%未満であると、上記アルミニウムの添加効果を期待することが難しく、0.050%を超えると、アルミナ介在物が多量に生成して機械的物性を大きく低下させる可能性がある。このような点を考慮して、本実施形態では、アルミニウムの含有量を0.010〜0.050%の範囲にすることが好ましい。
Mn+5(Ti−3.5N)/B≧5.0
(但し、上記関係式1において、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、ボロン(B)、及び窒素(N)のそれぞれは、該当元素の重量基準含有量を意味する。)
Mn/Si≧18
(但し、上記関係式2において、マンガン(Mn)及びシリコン(Si)のそれぞれは、該当元素の重量基準含有量を意味する。)
[Mnmax]/[Mnmin]≦3
Claims (11)
- 質量%で、炭素(C):0.05〜0.15%、シリコン(Si):0.2%以下、マンガン(Mn):3.0〜4.0%、リン(P):0.020%以下、硫黄(S):0.020%以下、ボロン(B):0.0010〜0.0030%、チタン(Ti):0.010〜0.030%、窒素(N):0.0050%以下、アルミニウム(Al):0.010〜0.050%、残りはFe及び不可避不純物からなり、
微細組織は、面積分率で、90%以上のベイニティックフェライト及び残りは島状マルテンサイト(M/A)を含み、
前記島状マルテンサイト(M/A)の結晶粒度は5μm以下であることを特徴とする強度及び衝撃靭性に優れた線材。 - 前記線材はクロム(Cr):0.3%未満をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材。
- 前記マンガン(Mn)、チタン(Ti)、ボロン(B)、及び窒素(N)の含有量は下記関係式1を満たすことを特徴とする請求項1に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材。
[関係式1]Mn+5(Ti−3.5N)/B≧5.0 - 前記マンガン(Mn)及びシリコン(Si)の含有量は下記関係式2を満たすことを特徴とする請求項1に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材。
[関係式2]Mn/Si≧18 - 前記線材は、任意の断面におけるマンガンの最大濃度[Mnmax]と最小濃度[Mnmin]の比が下記関係式3を満たすことを特徴とする請求項1に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材。
[関係式3][Mnmax]/[Mnmin]≦3 - 請求項1に記載された線材を製造する方法であって、
質量%で、炭素(C):0.05〜0.15%、シリコン(Si):0.2%以下、マンガン(Mn):3.0〜4.0%、リン(P):0.020%以下、硫黄(S):0.020%以下、ボロン(B):0.0010〜0.0030%、チタン(Ti):0.010〜0.030%、窒素(N):0.0050%以下、アルミニウム(Al):0.010〜0.050%、残りはFe及び不可避不純物からなる鋼材を再加熱する段階と、
前記再加熱された鋼材を熱間圧延する段階と、
前記熱間圧延後に、冷却開始温度から相変態終了温度(Bf)〜(Bf−50)℃の温度範囲に設定された冷却終了温度まで0.1〜2℃/sの速度で冷却する段階と、
前記冷却された鋼材を空冷する段階と、
を含むことを特徴とする強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。 - 前記鋼材はクロム(Cr):0.3%未満をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
- 前記マンガン(Mn)、チタン(Ti)、ボロン(B)、及び窒素(N)の含有量は下記関係式1を満たすことを特徴とする請求項6に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
[関係式1] Mn+5(Ti−3.5N)/B≧5.0 - 前記マンガン(Mn)及びシリコン(Si)の含有量は、下記関係式2を満たすことを特徴とする請求項6に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
[関係式2]Mn/Si≧18 - 前記再加熱する段階は1000〜1100℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項6に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
- 前記熱間圧延する段階における仕上げ熱間圧延は850〜950℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項6に記載の強度及び衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
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