JPH11246939A - 冷間鍛造用鋼 - Google Patents
冷間鍛造用鋼Info
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- JPH11246939A JPH11246939A JP10067641A JP6764198A JPH11246939A JP H11246939 A JPH11246939 A JP H11246939A JP 10067641 A JP10067641 A JP 10067641A JP 6764198 A JP6764198 A JP 6764198A JP H11246939 A JPH11246939 A JP H11246939A
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- C22C—ALLOYS
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Abstract
化学成分を調整することで、焼鈍時間の短縮を可能とし
た上で焼鈍後の冷間加工性と被削性に優れ、焼入れ焼き
戻し後に優れた強度・靱性を有する冷間鍛造用鋼を提供
しようとするものである。 【解決手段】 化学成分が重量%で、C:0.1〜1.
0%、Si:0.1〜2.0%、Mn:0.01〜1.
50%、P:0.005〜0.100%、S:0.00
3〜0.500%を含み、sol.N:0.005%以
下に制限し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
り、鋼中Cが黒鉛として存在する比率(黒鉛率:黒鉛と
して析出した炭素量/鋼中炭素含有量)が20%を越え
る組織を有し、黒鉛の平均粒径が10×(C%)1/3 μ
m以下、かつ最大粒径が20μm以下である冷間鍛造用
鋼。
Description
および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼であって、
冷間鍛造後に熱処理する機械部品用鋼に係わる。
も炭素を黒鉛化し、フェライト+グラファイトの2相組
織とすることで、冷間加工性と被削性が向上すること
が、特開平3−140411などに見られる。しかし、
そのような組織を実現するためには長時間の焼鈍が必要
であり、生産能率とコストの点で問題があった。したが
って、焼鈍時間の短縮が課題であった。
にはBを添加し、BNを析出核として用いることが報告
されている。しかしこのような特定の析出物を用いるこ
とは、焼鈍前にBN析出温度域での保温工程が必要とな
り、熱処理工程が余分に必要になる。また圧延、熱間鍛
造などでこの処理を兼ねて行うには、焼鈍に至るまで非
常に精密な温度制御を要し、事実上不可能である。
0℃程度と考えられるが、実際の圧延や熱間鍛造は10
00℃以上で行われることが多い。そのため、このよう
な黒鉛を有する冷間鍛造用鋼を用いるには、その前工程
の圧延や熱間鍛造を1000℃以下で行う必要があっ
た。このような温度での熱間加工はロールやポンチなど
の工具の寿命を低下させる。またこのように工程上の制
限が多くなることは、製造上の効率を低下させるので、
製造コストの点からも避けるべきことである。このよう
な鋼材製造や冷間鍛造の前工程の熱間鍛造などの観点か
らは、精密な温度制御を必要とせずに短時間での焼鈍、
軟化が可能な鋼材が要求されている。
することによって焼鈍時間を短縮させることも特開平2
−111842などに見られる。しかしグラファイト含
有率を抑制した結果として残留するセメンタイト量に比
例して冷間鍛造性や切削性が損なわれるので根本的な解
決にはなっていなかった。
上のために、黒鉛化を阻害せず焼入れ性を改善できる元
素の添加が考えられる。特に高周波焼入れによる表面硬
度を必要とする場合には、焼入れ層の深さを深くする必
要から、焼入れ性が重要な性能となる。しかし通常の焼
入れ性向上元素Cr、Mn、Moなどの元素は黒鉛化を
阻害することから、その添加量に制限が加えられてい
る。またBNを生成して黒鉛化焼鈍時間を短縮するよう
な場合にはBは焼入れ性向上元素としては用いることは
できず、焼入れ深さを十分に確保できない。
時間を単純な工程で短縮した上で、焼鈍後の冷間鍛造
性、焼入れ特性、被削性に優れた鋼が求められていた。
本発明は焼鈍後の冷間鍛造用鋼であって、化学成分を調
整することで、焼鈍時間の短縮を可能とした上で焼鈍後
の冷間加工性と被削性に優れ、焼入れ焼き戻し後に優れ
た強度・靱性を有する冷間鍛造用鋼を提供しようとする
ものである。
決するためになされ、その要旨は、(1)第1発明とし
て、重量%で、C:0.1〜1.0%、Si:0.1〜
2.0%、Mn:0.01〜1.50%、P:0.00
5〜0.100%、S:0.003〜0.500%を含
み、sol.N:0.005%以下に制限し、残部はF
eおよび不可避的不純物からなり、鋼中Cが黒鉛として
存在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼
中炭素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平
均粒径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が
20μm以下であることを特徴とする冷間加工性、被削
性および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。
成分に加え、Cr:0.01〜0.70%、Mo:0.
05〜0.50%のうち1種または2種を含み、鋼中C
が黒鉛として存在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出し
た炭素量/鋼中炭素含有量)が20%を越える組織を有
し、黒鉛の平均粒径が10×(C%)1/3 μm以下、か
つ最大粒径が20μm以下であることを特徴とする冷間
加工性、被削性および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造
用鋼。
(2)に記載の化学成分に加え、Ti:0.01〜0.
20%、V:0.05〜0.50%、Nb:0.01〜
0.10%、Zr:0.01〜0.30%、Al:0.
001〜0.050%のうち1種または2種以上を含
み、鋼中Cが黒鉛として存在する比率(黒鉛率:黒鉛と
して析出した炭素量/鋼中炭素含有量)が20%を越え
る組織を有し、黒鉛の平均粒径が10×(C%)1/3 μ
m以下、かつ最大粒径が20μm以下であることを特徴
とする冷間加工性、被削性および高周波焼入れ性に優れ
た冷間鍛造用鋼。
(3)のいずれかに記載の化学成分に加え、B:0.0
001〜0.0060%を含み、鋼中Cが黒鉛として存
在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼中
炭素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平均
粒径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が2
0μm以下であることを特徴とする冷間加工性、被削性
および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。
(4)のいずれかに記載の化学成分に加え、Pb:0.
01〜0.30%、Ca:0.0001〜0.0020
%、Te:0.001〜0.100%、Se:0.01
〜0.50%、Bi:0.01〜0.50%を含み、鋼
中Cが黒鉛として存在する比率(黒鉛率:黒鉛として析
出した炭素量/鋼中炭素含有量)が20%を越える組織
を有し、黒鉛の平均粒径が10×(C%)1/3 μm以
下、かつ最大粒径が20μm以下であることを特徴とす
る冷間加工性、被削性および高周波焼入れ性に優れた冷
間鍛造用鋼。
(5)のいずれかに記載の化学成分に加え、Mg:0.
0005〜0.0200%を含み、鋼中Cが黒鉛として
存在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼
中炭素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平
均粒径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が
20μm以下であることを特徴とする冷間加工性、被削
性および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。
第1の発明について、C含有量は焼入れ焼き戻し後、部
品としての強度を確保するために0.1%以上でなけれ
ばならない。上限値は焼き割れ発生を防止するために
1.0%とした。
より、黒鉛化を促進する作用がある。その下限値は黒鉛
化の観点から0.1%以上が好ましい。また2.0%を
越えると、フェライト硬さが大きくなったり、鋼の靱性
が損なわれるなどの弊害が顕著となるので上限値を2.
0%とした。またSiは黒鉛化率を調整する元素として
使用でき、含有量が低いほど焼鈍後の黒鉛化率が小さく
なる。Si低減によって黒鉛化率を低下させると、フェ
ライト硬さを低下させることから、規定範囲内であれば
硬度が大きくなることはないので、冷間鍛造性能を低下
させることはない。
させるために必要な量及びマトリックスに固溶させて焼
入れ後の強度を確保するために必要な量を加算した量が
必要であり、その下限値は0.01%である。Mn量が
大きくなると素地の硬さが大きくなり冷間加工性が低下
する。またMnは黒鉛化阻害元素であり、添加量が増え
ると焼鈍時間が長くなる傾向があるので上限を1.0%
とした。
り、冷間加工性が低下するので、その上限を0.1%に
しなければならない。下限は現状の工業生産レベルでコ
ストが大幅に上昇しない限界である0.005%とし
た。SはMnと結合してMnS介在物として存在する。
冷間加工性の点からその上限値を0.5%とした。下限
は現状の工業生産レベルがでコストが大幅に上昇しない
限界である0.005%とした。
タイト中に溶け込み、セメンタイトの分解を阻害するこ
とから、黒鉛化阻害元素となる。そのため、本発明では
sol.Nによって規定する。すなわち、sol.Nが
0.00%以上含まれると極端に黒鉛化に要する焼鈍時
間が長くなり、かつ軟質化後の硬度が高くなるため、s
ol.Nの上限を0.005%とした。このことは、s
ol.NがCの拡散と阻害して黒鉛化を遅くするととも
に、フェライト硬度を高めるからである。
黒鉛化阻害元素である。そのため焼入れ性向上が必要な
場合には0.01%以上の添加を必要とする。しかし多
量に添加すると黒鉛化を阻害するので焼鈍時間が長くな
るため、0.7%を上限とした。Moは焼入れ後の強度
を増加させるが、炭化物を生じやすく炭素の活量を低下
させる元素で黒鉛化を阻害する元素である。そこで黒鉛
化阻害効果が顕著となる0.5%を上限とし、黒鉛の核
生成を大きく阻害しない添加量にとどめた。ただし他の
焼入れ性向上元素に比べ、黒鉛化阻害の程度が小さいの
で、焼入れ性を向上させるために指定した範囲内でMo
添加量を多くすればよい。
さくする。黒鉛はγ粒界や析出物という、いわば格子の
不均一部に析出する傾向にあり、Tiの炭窒化物は黒鉛
の析出核としての役割と、γ粒径微細化による黒鉛析出
核の創出という役割を担う。さらにNを窒化物として固
定するために、sol.Nを低減させる。Tiが0.0
1%以下ではその効果が小さく、0.2%以上ではその
効果が飽和するとともに、多くのTiNが析出して機械
的性質を損なう。Vは炭窒化物を形成し、γ粒微細化と
析出核の両面で黒鉛化焼鈍時間を短縮する。また窒化物
生成時にsol.Nを低減させる。Vが0.05%以下
ではその効果が小さく、0.5%以上ではその効果が飽
和するとともに、多くの未溶解炭化物が残留するために
機械的性質を損なう。
出核の両面で黒鉛化焼鈍時間を短縮する。また窒化物生
成時にsol.Nを低減させる。Nbが0.01%以下
ではその効果が小さく、0.1%以上ではその効果が飽
和するとともに、多くの未溶解炭化物が残留するために
機械的性質を損なう。Zrは酸化物、窒化物、炭化物、
硫化物を形成する。それらは析出核として黒鉛化焼鈍時
間を短縮する。また窒化物生成時にはsol.Nを低減
させる。またMnSなどの硫化物の形状を球状化させ、
機械的性質の圧延異方性を緩和することができる。さら
に焼入れ性も向上させることができる。Zrが0.01
%以下ではその効果が小さく、0.3%以上ではその効
果が飽和するとともに、多くの未溶解炭化物が残留する
ために機械的性質を損なう。
止するために0.01%以上必要であり、脱酸の効果は
0.05%で飽和し、アルミナ系介在物が増加するので
上限を0.05%とした。またAlNとして析出した場
合には黒鉛の析出核としての役割と、γ粒径微細化によ
る黒鉛析出核の創出という役割を担う。さらにNを窒化
物として固定するので、sol.Nを低減させる。
にBNとして析出するのでsol.N低減に役立つ。ま
たBNの結晶構造は黒鉛と同じく六方晶系であり、黒鉛
の析出核となる。またsol.Bは焼入れ性を向上させ
る元素であり、焼入れ性を必要とする場合に添加するこ
とが望ましい。その下限値は0.0001%でなければ
ならない。BNを析出させる効果や焼入れ性向上効果は
0.0060%で飽和するので上限を0.005%とし
た。Pbは被削性向上元素である。被削性を必要とする
場合には0.01%以上必要であり、0.3%以上では
黒鉛化を阻害するとともに圧延きずなどの製造上の問題
を生じるため、これを上限とした。
緩和と被削性向上を必要とする場合に有効である。また
析出したCa系介在物は黒鉛の析出核として作用する。
その効果は0.0001%以下では効果が小さく、0.
0020%以上では析出物によって機械的性質を損なう
おそれがあるため、これを上限とした。Teは被削性向
上元素であるとともに、MnSの球状化による圧延異方
性の緩和に役立つ。0.001%以下では効果が小さ
く、0.1%以上では黒鉛化阻害や圧延きずなどの問題
を引き起こすので、これを上限とした。
下ではその効果が小さく、0.5%以上ではその効果が
飽和するのでこれを上限とした。Biは被削性向上に有
効で、0.01%以下ではその効果が小さく、0.5%
以上ではその効果が飽和するのでこれを上限とした。
とともに、硫化物を生成する。MgSはMnSなどと共
存することも多い。このような酸化物、硫化物は黒鉛析
出核になり、黒鉛の微細分散と焼鈍時間の短縮に有用で
ある。その効果はMg:0.0005%以下では認めら
れず、0.0200%以上では酸化物を多く生成し、鋼
の強度を低下させる。したがって、Mg:0.0005
〜0.0200%とした。
として存在するが、黒鉛は劈開性を有するので容易に変
形できる。マトリックスが軟質であれば冷間鍛造性に優
れ、切削時には内部潤滑材と破壊起点の両方の機能から
被削性を向上させる。しかし黒鉛の含有率が20%以下
となると十分な変形・潤滑機能を発揮しないので、20
%を下限とした。変形特性を優先する場合には黒鉛化率
を大きくし、良好な高周波焼入れ特性を確保するために
は、故意にCの一部を黒鉛化させず一部をセメンタイト
で残すことが有効である。
1/3 μm以下、かつ最大粒径が20μm以下としたの
は、高周波焼入れ特性に考慮した結果である。すなわ
ち、高周波焼入れを行うと、その硬化特性は黒鉛中Cの
分解・拡散に支配される。その際、黒鉛粒径が大きいと
分解・拡散に多くの熱量および時間が必要となり、高周
波焼入れで安定した硬化層を得ることが困難であるため
である。短時間に処理が終了する高周波焼入れによって
含有C量相当の硬化層を安定して得るためには、10×
(C%)1/3 μm以下であることが必要で、これを越え
ると高周波焼入れ後も未溶解の黒鉛が多かったり、拡散
途中のCを含む層と、拡散したCを未だ含まないフェラ
イトの混合組織が多く含まれるので、硬化が困難なだけ
でなく、安定した硬化層を得ることができない。図3、
4に黒鉛の平均粒径と高周波焼入れによる硬化時間の関
係、図2に黒鉛の最大粒径と高周波焼入れによる硬化時
間の関係を示す。
し、750〜850℃でφ50mmまたはφ30mmに
圧延した。比較例を含む一部の試験片については120
0℃以上で鍛造した。圧延材は圧延直後に800〜90
0℃からオンライン水冷装置によって水冷した。また鍛
造材は加熱炉により850℃まで加熱し、発明鋼は水冷
し、比較鋼は空冷または水冷した。空冷することにより
黒鉛粒径が大きくなる。その際の試験片サイズはφ30
mm×40mmである。このように冷却した熱処理材を
再度680℃に加熱し、焼鈍した。黒鉛化率はJIS
G1211に基づいて測定した。
は50視野を400倍以上の倍率で画像処理装置によっ
て測定した。黒鉛化焼鈍後、硬度測定、切削試験と高周
波焼入れ試験を行った。切削試験はφ3mmの高速度鋼
ドリルによる孔あけ加工で、切削条件は切削速度を変化
させ、工具寿命1000mm以上となるドリル周速度、
いわゆるVL1000(m/min)を被削性の指標と
して用いた。なお送り量は0.33mm/revで水溶
性油を用いた湿式切削である。その結果を表9〜11に
示す。
焼入れ時間を示す。本発明鋼は焼入れ前はHV120前
後、焼入れ後はHV600前後まで硬化することができ
る。高周波加熱による焼入れ性の評価には変態点自動測
定装置(フォーマスタ)を用いた。フォーマスタでは高
周波によって1000℃まで加熱、急冷した場合、黒鉛
は拡散時間が遅いので、高周波焼入れ後の硬度にばらつ
きを生じる。そこで加熱時間を変化させて急冷すること
で、焼入れによる硬度ばらつきがなくなるまでの時間を
測定し、それによって焼入れ性の良否を評価した。試験
片サイズはφ3mm×10mmである。ここで5点の硬
度ばらつきがHV200以下となったときに、硬度のば
らつきとがないものと見なした。
削性に優れる。被削性VL1000=150m/min
は試験装置の限界であり、さらに向上する可能性を秘め
ている。また軟質にも関わらず、高周波焼入れによって
ばらつきなく硬化した。その時間は3secとフォーマ
スタ試験の制御可能な最短時間の加熱でも十分にばらつ
きなく高周波焼入れできた。これらの傾向はTi、Cr
などの元素を添加してもその基本特性は変わらず、さら
に被削性や焼入れ性が必要な場合には必要に応じてそれ
ら元素を添加できる。
で規定した量を越える試験材、黒鉛粒径が規定量を越え
る試験材である。sol.Nの効果をさらに明確にする
ために、sol.Nと黒鉛焼鈍時間および硬さへの影響
を図1に示す。図中の円内の番号は実施例番号で、その
とき得られた硬さを付記した。sol.Nを低減すると
HV120以下にするのに必要な焼鈍時間を極端に短く
することができる。一般にC量によって硬さは影響を受
けるが、黒鉛を生成することで、フェライト硬さの影響
が顕著になる。いずれのC量でもsol.Nを多く含む
場合には焼鈍時間120時間と長くしても硬度が十分に
下がっていない。たとえtotal−Nが同レベルでも
sol.N量によって大きく変化することがわかる(実
施例7,26,57,60)。
さも低くすることができ、sol.N含有量の多い鋼よ
り、軟質にすることができる。このように添加元素に若
干の違いはあるが、sol.N量の規定を越える場合に
は焼鈍時間が長くなることがわかる。また比較例65〜
67のように焼鈍を途中で打ち切ると、黒鉛率が不足す
るので焼鈍後の硬度が十分に低下せず、冷間鍛造性に劣
る。また硬度が高いと、被削性も低下する。たとえ焼鈍
時間を長くし、コスト上不利な処理を敢えて行っても、
黒鉛粒径が規定にあるように十分に微細でなければ高周
波焼入れ時に硬度のばらつきを生じやすい。
周波焼入れによってCの拡散が困難なため、均一な硬さ
を得るには加熱時間を要する。比較例71〜73に見ら
れるように平均粒径が大きい場合もばらつきを解消する
ためには高周波焼入れ加熱時間を長くする必要がある。
このことは高周波による全体加熱と同じになり、硬化層
厚さの制御が困難で、焼き割れを生じやすくする。
有すると同時に、Cを鋼中に保持しているために熱処理
によって強度を著しく向上させることができる。したが
って、容易かつ高能率で機械部品を製造可能にしてい
る。さらに本発明鋼の化学成分は軟質化の焼鈍時間を短
縮できるので、従来の軟質鋼より安価かつ高能率に発明
鋼を供することができる。
図
と高周波加熱による硬化時間の関係を示す図
と高周波加熱による硬化時間の関係を示す図
と高周波加熱による硬化時間の関係を示す図
Claims (6)
- 【請求項1】 重量%で、 C:0.1〜1.0% Si:0.1〜2.0% Mn:0.01〜1.50% P:0.005〜0.100% S:0.003〜0.500% を含み、sol.N:0.005%以下に制限し、残部
はFeおよび不可避的不純物からなり、鋼中Cが黒鉛と
して存在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量
/鋼中炭素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛
の平均粒径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒
径が20μm以下であることを特徴とする冷間加工性、
被削性および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。 - 【請求項2】 請求項1の化学成分に加え、Cr:0.
01〜0.70%、Mo:0.05〜0.50%のうち
1種または2種を含み、鋼中Cが黒鉛として存在する比
率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼中炭素含有
量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平均粒径が1
0×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が20μm以
下であることを特徴とする冷間加工性、被削性および高
周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2記載の化学成分
に加え、Ti:0.01〜0.20%、V:0.05〜
0.50%、Nb:0.01〜0.10%、Zr:0.
01〜0.30%、Al:0.001〜0.050%の
うち1種または2種以上を含み、鋼中Cが黒鉛として存
在する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼中
炭素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平均
粒径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が2
0μm以下であることを特徴とする冷間加工性、被削性
および高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。 - 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれかに記
載の化学成分に加え、B:0.0001〜0.0060
%を含み、鋼中Cが黒鉛として存在する比率(黒鉛率:
黒鉛として析出した炭素量/鋼中炭素含有量)が20%
を越える組織を有し、黒鉛の平均粒径が10×(C%)
1/3 μm以下、かつ最大粒径が20μm以下であること
を特徴とする冷間加工性、被削性および高周波焼入れ性
に優れた冷間鍛造用鋼。 - 【請求項5】 請求項1ないし請求項4のいずれかに記
載の化学成分に加え、Pb:0.01〜0.30%、C
a:0.0001〜0.0020%、Te:0.001
〜0.100%、Se:0.01〜0.50%、Bi:
0.01〜0.50%を含み、鋼中Cが黒鉛として存在
する比率(黒鉛率:黒鉛として析出した炭素量/鋼中炭
素含有量)が20%を越える組織を有し、黒鉛の平均粒
径が10×(C%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が20
μm以下であることを特徴とする冷間加工性、被削性お
よび高周波焼入れ性に優れた冷間鍛造用鋼。 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項5のいずれかに記
載の化学成分に加え、Mg:0.0005〜0.020
0%を含み、鋼中Cが黒鉛として存在する比率(黒鉛
率:黒鉛として析出した炭素量/鋼中炭素含有量)が2
0%を越える組織を有し、黒鉛の平均粒径が10×(C
%)1/3 μm以下、かつ最大粒径が20μm以下である
ことを特徴とする冷間加工性、被削性および高周波焼入
れ性に優れた冷間鍛造用鋼。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
JP06764198A JP4119516B2 (ja) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | 冷間鍛造用鋼 |
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