JPH10324954A - 機械構造用鋼 - Google Patents
機械構造用鋼Info
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- JPH10324954A JPH10324954A JP9149950A JP14995097A JPH10324954A JP H10324954 A JPH10324954 A JP H10324954A JP 9149950 A JP9149950 A JP 9149950A JP 14995097 A JP14995097 A JP 14995097A JP H10324954 A JPH10324954 A JP H10324954A
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Abstract
まま状態で、破壊した時の変形が小さく、しかも安価な
フェライト・パーライト組織の中炭素機械構造用鋼を提
供する。 【解決手段】 重量%で、C :0.3〜0.6%、S
i:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜0.4%未満、
P :0.01〜0.1%、S :0.01〜0.2
%、V :0.15超〜0.4%、N :0.002〜
0.005%未満を含み、残部Feと不可避不純物から
なり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴
とする機械構造用鋼。および、さらにAl:0.005
〜0.05%、Ti:0.005〜0.05%の1種ま
たは2種を含有する機械構造用鋼。および、さらにN
b:0.05〜0.2%を含有することを特徴とする機
械構造用鋼。および、さらにCr:0.1〜0.5%、
Mo:0.1〜0.5%の1種または2種を含有する機
械構造用鋼。
Description
際の破壊断面の変形が小さい鋼に関わるものであり、せ
ん断破壊、引張り破壊、あるいは衝撃破壊した際、その
変形量が小さいことが要求される機械構造用鋼素材、機
械部品一般に適用される。
造用鋼は、通常、直棒材あるいはコイル状線材の形状で
供給され、冷間や熱間で目的の形状に加工され、さらに
種々の熱処理、切削加工等を受けて部品となる。鋼素材
から部品に至る加工工程の中に、冷間でのせん断あるい
は引張りによる破壊分離の工程がある場合、通常、その
次工程における加工精度確保、あるいは自動加工ライン
での障害防止のために、破壊時の変形を制御することが
必要となる。
造、あるいは冷間鍛造による成形後、焼入焼戻しを施す
ことで強度と靭性を向上させていたが、近年は熱間鍛造
ままで十分な強度を有する、熱間鍛造用非調質鋼(以
下、非調質鋼)の採用が拡大している。調質鋼を非調質
鋼に代替することによって、熱処理工程の省略による低
コスト化、焼入省略による焼歪みの解消などのメリット
が得られている。
を加工後、再び破壊破面をつき合わせて接合する熱間鍛
造非調質鋼部品の加工方法は、コネクティングロッドの
加工方法として、実用化されており、Fe−0.72%
C−0.22%Si−0.49%Mn−0.062%S
−0.04%V(Fundamentals andA
pplications of Micro−allo
ying Forging Steels,TMS(1
996)29)のような比較的高い炭素を含有する鋼を
素材として用いている。コネクティングロッドは、鋼素
材を熱間鍛造空冷し、穴開け加工、ボルト穴加工等をし
た後、大端部を物理的に2つに破壊し、最後にシャフト
を挟んで破壊面をつき合わせ、ボルトで締結する、とい
う方法で製造される。本方法は、比較的安価な素材を用
い、しかも従来法で必要であった高精度の切削加工を省
くことができるため、低コスト化が可能である。しかし
ながら、前記の現用鋼は破壊性を高めるために、高炭素
組成としているため、降伏強さと疲労強さが低く、また
被削性も悪いという問題があった。
分離性を有する、コネクティングロッドに適用される鋼
材としては、特開平8−291373号公報が開示され
ている。同公報記載の熱間鍛造用非調質鋼は、「容易に
破断分離することができ、また破断分離破面の塑性変形
量も少なく、密着性もよい」としている。また、コネク
ティングロッドに適用される低靭性の非調質鋼として、
特開平9−3589号公報も開示されている。同公報で
は、特に固溶N量を増すことで破断時の破面を脆性破面
とし、「常温で分割した時の破面が、フラットな脆性破
面を呈する高強度・低靭性非調質鋼の提供を課題とす
る」としている。しかしながら、特開平8−29137
3号公報、特開平9−3589号公報記載の鋼の破断分
離性は、工業的に適用するには不足である。
する課題は、鋼素材の圧延まま状態で、あるいは熱間鍛
造まま状態で破壊した時の変形が小さく、しかも安価な
フェライト・パーライト組織の中炭素機械構造用鋼を提
供することである。
くするためには、鋼の延性を低下させることが最も効果
的である。鋼の組成を調整して延性を低くする方法は、
いくつか考えられる。たとえば、前述の0.7%Cの現
用鋼のように、炭素含有量を高める方法がある。しか
し、一般にフェライト・パーライト組織の鋼は炭素量が
増すほど降伏比(降伏強さ/引張り強さ)が低下し、疲
労強さも低下する。また、Pを多量に含有させて結晶粒
界を脆化させる方法もあるが、Pは高温加熱時の延性も
大きく低下させるため、鋼素材の鋳造、圧延、および熱
間加工が困難となる。
により、課題を解決した。
素として鋼を強化し、しかも強化による延性の低下が少
ない元素であり、中炭素(C量0.25%以上)の機械
構造用鋼には、通常約0.6%以上のMnを添加してい
る。本発明者らは、これらの作用に着目してMnと破壊
性の関係を調べた結果、破壊変形量とMn量は大きな相
関があり、特にMnを0.4%未満とすることで、鋼の
延性が低下し、破壊時の変形量が減少することを見いだ
した。低Mn化による延性低下は、高温延性を大きく低
下させないという長所があり、この点でPの多量添加と
異なる。また、非調質鋼には、析出強化元素であるVあ
るいはNbを添加するが、これらの元素が鋼中でNと結
合し、窒化物となると、鍛造加熱時のオーステナイト結
晶粒が微細化し、さらに、鍛造冷却後の組織中のフェラ
イト量も増加するため、延性が大きくなり、低Mnとす
るだけでは十分低い延性(高い破壊性)が得られない。
よって、N含有量を低減することで窒化物の析出を抑制
することが非常に重要である。高靭性を目指した非調質
鋼には、0.01%を超えるNを添加することがある
が、そうでなくても通常の製鋼法で造られた鋼には通常
Nが0.005%以上含有される。特開平9−3589
号公報にも、Nは0.005%以上なるべく多くを添加
することが奨励されている。しかし、炭素量0.5%の
V添加非調質鋼で種々実験した結果、破壊破面の面積減
少量で比較した変形量は、N量0.01%鋼が100と
すると、0.004%鋼では70以下であり、低Nの方
が良好な結果が得られた。
ライト・パーライト鋼の降伏比(降伏強さ/引張り強
さ)、疲労限度比を高めるため、炭素量を低減して適当
な合金元素を増加することが有効な手段である。V強化
型の非調質鋼では、炭素含有量を0.7%から0.6%
に低減するだけで、降伏比は0.55から0.65に向
上し、また、疲労限度比は0.39から0.44へ向上
する。よって、必要な破壊性を確保できる範囲で、低炭
素化することが重要である。また、一般に知られるよう
にVの析出強化により降伏比、疲労限度比を向上させる
ことは、C、Mn低減による強度低下を補う意味でも不
可欠である。
時の変形が小さい機械構造用鋼は、すなわち、 (1) 重量%で、C :0.3〜0.6%、Si:
0.1〜2.0%、Mn:0.1〜0.4%未満、P
:0.01〜0.1%、S :0.01〜0.2%、
V :0.15超〜0.4%、N:0.002〜0.0
05%未満を含み、残部Feと不可避不純物からなり、
組織はフェライト・パーライトであることを特徴とする
機械構造用鋼。
05%、Ti:0.005〜0.05%のうち1種また
は2種を含有することを特徴とする(1)記載の機械構
造用鋼。
%、Cr:0.1〜0.5%、Mo:0.1〜0.5%
のうち1種または2種以上を含有することを特徴とする
(1)または(2)記載の機械構造用鋼。
を脆化し破壊性を向上させるために0.3%以上が必要
である。しかし、多量の添加は降伏強さ、疲労強さを低
下させるため、上限を0.6%とする。
る元素であり、十分な延性低下作用を発揮するためには
0.1%以上が必要である。しかし、2.0%を超えた
場合、高温延性が低下し、圧延や鍛造時に割れが生じや
すくなり、また、脱炭を促進する。
鋼においては0.4%未満に制限することで、延性を低
下させる作用がある。また、MnはMnSを形成して、
被削性を向上させる。しかし、0.1%未満とした場
合、加熱時にSが固溶状態となって粒界を脆化させるた
め、熱間延性が低下して、鋼素材、鋼部品製造工程にお
いて割れ、キズが発生しやすくなる。
元素であるが、多量に添加した場合、熱間延性を低下さ
せて割れが発生しやすくなるので、本発明の鋼では必要
に応じて補助的に0.1%以下を添加する。また、Pに
よる脆化が必要ないとしても、あまりに低減すると製造
コストが高くなるので、下限を0.01%とする。
は0.01%以上が必要であるが、機械的性質の異方性
が大きくなるので上限を0.2%とする。
0.05〜0.2% VとNbは主に析出強化により降伏強さと疲労強さを向
上させ、かつ延性を低下させる元素である。強化のため
にはV0.15%超、Nb0.05%以上が必要である
が、V0.4%超、Nb0.2%超はコストに対する効
果の向上が小さい。
に重要である。NはVNやNbNを形成して、鋼素材や
熱間加工材の組織を微細化し、またフェライト量を増加
させて延性を高める作用があるため、なるべく低い方が
望ましく、十分小さな破壊変形量を得るため0.005
%未満に限定する。しかし、0.002%未満では製造
コストが多大となる。
0.5% Cr、Moは強度調整が必要であれば、0.1%以上を
添加するが、パーライト組織を微細化して破壊性を低下
させるのを防止するため、0.5%を上限とする。
造されるが、Al脱酸を行うと不可避的にアルミナが鋼
中に分散して被削性が低下する場合がある。よって、特
に優れた被削性を要求される場合、Al脱酸は行わない
(第1、2の発明)。さらに、Al脱酸を行わないこと
により、AlNが析出せず、その結果組織が粗大化し
て、破壊性が向上する効果がある。しかし、狙いとする
引張り強さが十分低い場合、あるいは切削加工代が小さ
い場合、被削性が問題となることはないので、0.00
5%以上のAlを添加しても良いが、0.05%超は脱
酸の効果が飽和する(第2の発明)。
合、熱間鍛造後の組織が微細化して延性が増大する。し
かし、Nが0.005%未満で、硬さが十分高い場合に
は、Tiを添加しても十分低い延性が得られる。十分な
脱酸をするためには0.005%以上のTiが必要であ
るが、粗大な酸化物が生成して被削性を低下させないよ
うに、上限を0.05%未満に限定する。
%以下のPb、Bi、およびSe、0.005%以下の
Te、および0.003%以下のCaを必要に応じて本
発明の鋼に添加しても何ら支障はない。
強さ、硬さは、基本的に炭素当量Ceq.で決定され、
たとえば、特公昭60−45250号公報には、Ce
q.(%)=C%+(1/7)Si%+(1/5)Mn
%+(1/2)V%の式が記載されている。これらの式
からも分かるように、本発明の鋼は、中炭素鋼であるた
め、一定の引張り強さを実現するために、炭素以外の高
価な合金の添加が少なくて済むので安価である。また、
本発明の鋼を用いて、熱間鍛造非調質工程で部品を製造
すれば、製造コストも大幅に低減される。
イト組織であることを限定しているが、本発明の鋼を通
常の工業的製鋼法で溶製、鋳造し、通常の熱間圧延を行
って棒鋼とした場合、および、熱間鍛造にて自動車用部
品に成形後、空冷あるいはファン強制空冷した場合に
は、フェライト・パーライト組織となるので、特別な鋼
素材の製造方法や、鍛造方法を用いる必要はない。むし
ろ、本発明の鋼は中炭素、低Mn組成であり、かつ、フ
ェライト変態を促進するVを添加しているので、通常の
熱間鍛造用非調質鋼と比較してベイナイトなどの過冷組
織が生成しにくいのが特徴のひとつである。
で溶製し、1473Kに加熱して直径20mmの丸棒に
鍛造成形し、空冷したものを素材とした。これらの鋼組
織は、すべてフェライト・パーライトであった。破壊時
の変形量を調べるため、これらの素材から、切欠付き引
張り試験片(断面10×10mm、1.0R−2.0m
mの深さの切欠付)を作成し、引張りにより破壊した。
破壊後、破面の切欠に垂直な方向の変形量(図1のA辺
の長さ変化)は、どの試験片もほぼ同一であった。そこ
で、切欠と平行な方向の破断面の変形量、すなわち試験
片断面上のノッチ底と平滑側の幅の変化量(図1のBお
よびCの長さ変化)の合計を破壊性の指標として評価し
た(表1の「変形量」)。また、上記素材から、平行部
直径9mmの平滑引張り試験片を作成し、引張り強さを
測定した。
た。本発明の鋼は、引張り強さが708MPaから99
2MPaの範囲にあり、変形量は、従来のQT鋼(N
o.1:850℃焼入、600℃焼戻し)、および従来
非調質鋼(No.2)の変形量が0.56−0.65で
あるのに対して、0.40未満である。比較鋼No.1
2は変形量が比較的小さい。しかしNo.12の降伏比
を調査したところ、同鋼は炭素量が多いため、降伏比が
わずか0.58であり、本発明鋼の中で最も炭素量が多
く、そのため降伏比が比較的小さいNo.6およびN
o.41(降伏比0.64および0.62)と比較して
劣っていた。また、No.19、21は多量のAlを含
有するため、被削性が低く、超硬ドリルで測定したとこ
ろ、VL1000(総穴開け長さで1000mmを切削
できる最高周速度)は、No.15と比較して20%低
い結果であった。
車、産業機械に使用されるフェライト・パーライト組織
の機械構造用鋼として十分な強度を有し、破壊時の変形
量が極めて小さいという特徴を備えており、しかも安価
である。本発明の鋼は、破壊加工を施されるフェライト
・パーライト組織の鋼素材、および部品、特に、衝撃特
性を要求されない部品に最適である。
0×10mm、1.0R−2.0mm深さの切欠付)の
破断面を示した図である。
%、を含有することを特徴とする(1)または(2)記
載の機械構造用鋼。 (4) さらに、Cr:0.1〜0.5%、Mo:0.
1〜0.5%のうち1種または2種を含有することを特
徴とする(1)、(2)、または(3)記載の機械構造
用鋼。 (5) さらに、Pb:0.4%以下、Bi:0.4%
以下、Se:0.4%以下、Te:0.005%以下、
Ca:0.003%以下の1種以上を含有することを特
徴とする(1)、(2)、(3)または(4)記載の機
械構造用鋼。
せ、かつ延性を低下させる元素である。強化のためには
V0.15%超の添加が必要であるが、0.4%超では
コストに対する効果の向上が小さい。
合、熱間鍛造後の組織が微細化して延性が増大する。し
かし、Nが0.005%未満で、硬さが十分高い場合に
は、Tiを添加しても十分低い延性が得られる。十分な
脱酸をするためには0.005%以上のTiが必要であ
るが、粗大な酸化物が生成して被削性を低下させないよ
うに、上限を0.05%未満に限定する。Nb:0.05〜0.2% NbはVと同様に析出強化により降伏強さと疲労強さを
向上させ、かつ延性を低下させる元素である。Nbを添
加することにより上記効果をさらに向上させることがで
きる。強化のためには0.05%以上のNb添加が必要
であるが、0.2%超ではコストに対する効果の向上が
小さい。
%以下のPb、Bi、およびSe、0.005%以下の
Te、および0.003%以下のCaを必要に応じて本
発明の鋼に添加することができる。これらの元素は、基
本的には添加量が多いほど被削性を向上させる。しか
し、多量に添加すると機械的性質に悪影響を与え、或は
効果が飽和するため上限を上記範囲とした。
0mm、1.0R−2.0mm深さの切欠付)の斜視
図、(b)は引張り破断した切欠付き引張り試験片の破
断面を示した図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 重量%で、C :0.3〜0.6%、S
i:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜0.4%未満、
P :0.01〜0.1%、S :0.01〜0.2
%、V :0.15超〜0.4%、N:0.002〜
0.005%未満を含み、残部Feと不可避不純物から
なり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴
とする機械構造用鋼。 - 【請求項2】 さらに、Al:0.005〜0.05
%、Ti:0.005〜0.05%のうち1種または2
種を含有することを特徴とする請求項1記載の機械構造
用鋼。 - 【請求項3】 さらに、Nb:0.05〜0.2%、C
r:0.1〜0.5%、Mo:0.1〜0.5%のうち
1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項
1または2記載の機械構造用鋼。
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