JPS6353208A - 機械構造用合金鋼の球状化焼鈍法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は機械構造用合金鋼の球状化焼鈍法に係り、特に
冷間鍛造によって１例えばボルト、ナツトなどに加工さ
れる機械構造用合金鋼の軟質化を目的とする球状化焼鈍
法の改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来１機械構造用合金鋼は、冷間鍛造に際し、その変形
抵抗を下げて冷間鍛造性の向上をはかるために、軟質化
処理が行われ、その手段の一つとしてセメンタイトの球
状化焼鈍処理が行われている。

この球状化焼鈍処理は、たとえば特開昭５９−１３６４
２１号公報などに見られるように、Ａ８点以上の温度に
加熱した後、１０℃／時程度の超徐冷で連続冷却するか
、あるいはＡ０点直下に３時間以上保定するという方法
で行われている。

しかしながら、これでは処理時間が非常に長くなり工業
的に不利である。一方、焼鈍時間の短縮を目的として連
続冷却の冷却速度を速くしたり、あるいはＡ１点直下の
保定時間を短くするような試みを行うと、結果として強
度が増加し、いずれも軟質化の目的を達成できない。

ところで、一般に球状化焼鈍材はフェライト。

パーライト組織となっている。従って強度を低下させる
ためには、組織の大半を占めるパーライトの強度を低下
させることが必要である。

一般にパーライトの強度は、セメンタイト間隔に反比例
する関係があるので、球状パーライト強度を低下させる
ことを考えると、そのためにはパーライトのセメンタイ
ト間間隔を粗くすることが必要になる。

しかるに、球状パーライトのセメンタイト間間隔は、オ
ーステナイトからパーライトが変態生成する温度で一義
的に決り、高い温度で変態するほど粗くなる。ところが
パーライト変態は、温度が高くなるほど進行が遅れ、終
了にきわめて長時間を要するようになる。

そこで本発明者らは、かかる従来の知見を種々解析して
、中炭素系機械構造用鋼についてその強度の支配因子を
検討した結果、Ａ１点近傍の温度域でのパーライト変態
を促進して、短時間の球状化焼鈍により鋼材の軟質化を
はかるための手段として、従来の鋼に含まれるＭｎの一
部をＣｒとおき変えるとともに、球状化焼鈍条件として
適正なるものを選択すればよいという知見を得て、先に
特願昭６０−１３６０７号により提案を行っている。

ところで、この製造手段は焼入性の低い低合金鋼の軟質
化という点では極めて優れているものの、Ｓ　Ｃｒ、　
Ｓ　ＣＭ鋼のような焼入性の高い合金鋼の軟質化という
点ではまだ改良の余地があった。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明は上記のごとき実情に鑑みなされるものであって
、焼入性の高い合金鋼を短時間の球状化焼鈍で軟質化す
る方法を堤供することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段　作用］即ち、本発明者
らは先に提案した技術をさらに改良し、Ｂを添加するこ
とによって軟質化の最大のポイントであるところの高温
でのパーライト変態を一層促進させるとともに、球状化
焼鈍条件として適正なものを選択することにより、焼入
性の高い合金鋼でも短時間で軟質化が可能であるという
全く新たな知見を得て本発明をなしたものである。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって
、その要旨とする所は、重量％でＣ：　０．１５〜０．
６５％、Ｓｉ：　０．１％未満。

Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｂ　：　０．０００３−０．
０１％、Ｃｒ：０．９超〜１．８％、ＡＱ：０．０１−
０．１％を含有し、Ｐを０．０２％未満、Ｓを０゜０２
％未満と制限し、その他必要に応じて（Ａ）Ｎｉ：１％
以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｃｕ：１％以下の１種また
は２種以上、（Ｂ）Ｔｉ：　０．００２〜０．０５％、
Ｎｂ：　０．００５〜０．０５％、ｖ：０　、、ＯＯ５
〜０．２％の１種または２種以上、の（Ａ）、（Ｂ）の
群の一方または両方を含有し。

残部は、Ｆｅおよび不可避不純物よりなる鋼について、
７４０超〜８５０℃に２０秒〜２時間加熱した後、（イ
）５℃／分以下の冷却速度でパーライト変態終了までの
温度範囲を徐冷するか、あるいは（ロ）６９０〜７４０
℃の範囲の温度に１５分〜３時間保定した後放冷するか
（イ）、（ロ）いずれかの球状化処理を実施することを
特徴とする機械構造用合金鋼の球状化焼鈍法にある。

以下に本発明の詳細な説明する。

まず最初に、本発明において軟質化とは、その焼鈍材の
引張強度を、炭素当Ｊ＋ｔ　Ｃａｑ　（Ｃａｑ＝　Ｃ＋
ＳＬ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ１５＋Ｃｕ／１３＋Ｍ。

／４＋Ｎｉ／４０）によって規定される強度＝　２０　
＋　５９　Ｃｅｑ　（Ｋｇ／ａｍ”）以下とすることを
意味する。この強度式はＣａｑｉを０゜３〜１．３の範
囲内で求めたものであり、２０はフェライトとパーライ
トの強度に、また５９はＣｅｑ量即ちパーライト量にそ
れぞれ依存する項である。Ｃａｑ量によって決る同大の
値を強度が越える場合には球状化焼鈍により軟質化した
とは言えない。

次に１本発明の対象とする鋼の成分限定理由についての
べる。

まず、Ｃは冷間鍛造後の焼入れ焼戻し処理において製品
に所要の強度を付与するために必須の元素であるが、０
．１５％未満では所要の強度が得られず、一方０．６５
％を越えても焼入れ焼戻し後の強度はもはや増加しない
ので、０．１５〜０゜６５％の範囲に限定した。

また、Ｓｉはその固容体硬化作用によって圧延材の強度
を高めるので、固容体硬化の影響を無視できるようにな
る０、１％未満に含有量を限定した。また、このように
ＳＬを下げても、焼入処理時に要求される焼入性は低下
しない。

つぎに、ＭｎとＢに関してであるが、この含有量を前記
のように定めた点が本発明の最も重要な点である。

即ち、例えば従来の代表的な機械構造用クロム鋼である
Ｓ　Ｃｒ４３０鋼は Ｃ：　０．２８〜０．３３％、Ｓｉ：　０．１５〜０．
３５％、Ｍｎ：　０．６０〜０．８５％、Ｃｒ：　　０
．９０〜１．２０％を含むことが規定されているが、そ
のＭ　ｎ　Ｊｉｌを減らすことによって、Ｓ　Ｃｒ４３
０鋼に比べ軟質化のポイントであるパーライト変態の終
了温度が高くなる。Ｍｎｉが減少しただけ焼入性は低下
するが、これはＢを添加することによって補う。さらに
、Ｂは徐冷域ではパーライト変態を抑制することはなく
、逆に固溶ＢがＢ化合物として析出することによりパー
ライト変態を促進させる効果がある。従って、Ｂを添加
した鋼を徐冷すると高温でのパーライト変態を短時間で
終了させることができる。なお通常、Ｂは焼入性を向上
させる元素として使用されているが、本発明ではＢを焼
鈍時のパーライト変態を促進させるためと冷間鍛造後の
熱処理時における焼入性向上の両方に利用するものであ
る。従って、このような鋼は５Ｃｒ４３０ｔ！ｌ！に比
べ高速で冷却しても同じ温度でパーライト変態させられ
る。また、この錆はＭｎ量を減らしてＢを添加すること
によりパーライト変態温度が高温側ヘシフトするので、
Ａ８点近傍の温度に保定した場合にも短時間でパーライ
ト変態を終了させることができる。

ここで、ＭｎとＢの添加量を上記のように限定したのは
以下の理由による。

高温域のパーライト変態を短時間で終了させるためには
、できるだけＭｎを減らした方がよいが。

Ｍｎが０．２％未満では鋼中のＳを十分に固定すること
ができず、熱間脆性をおさえることができない、一方、
Ｍｎが０．５％を越えるとＢが添加されていても高温で
のパーライト変態を短時間に終了させることができない
ので、Ｍｎ量を０．２〜０゜５％に限定した。

Ｂは、徐冷域でのパーライト変態を促進させ且つ冷間鍛
造後の熱処理の焼入性を著しく高め強度を向上させるの
に有効であるが、０．０００３％未満ではその効果が上
がらず、一方Ｃ）、０１％を越えると冷間鍛造性を劣化
させるので、０．０００３〜０．０１％に限定した。

また、Ｃｒは焼入性を高め、強度、靭性を向上させるの
に有効であるが、０．９％以下ではその効果が不十分で
あり本発明の目的とするところの焼入性の高い鋼となら
ない、一方、１．８％を越えると鋼の焼入性が高まりす
ぎてパーライト変態終了温度が低下し軟質材とならない
ので、０．９超〜１．８％に限定した。

Ａ　Ｑは冷間鍛造後の焼入れ処理時のオーステナイト粒
度の粗大化を防止するためとＮをＡＱＮ化合物として固
定しＢの焼入性効果を確保するために必要な元素である
が、０．０１％未満ではその効果がなく、一方０．１％
を試えると上記の効果が飽和する上、むしろ冷間鍛造性
を劣化させるので、０．０１〜０．１％に限定した。

Ｐ、Ｓはいずれも冷間鍛造性に有害な元素である。いず
れも０．０２％を越えると悪影響が顕著になるので、こ
れ未満に限定した。

以」−が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本
発明においてｌよ、さらにこの鋼に（Ａ）Ｎｉ：　１％
以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｃｕ：１％以下の１種また
は２種以上、 ＣＢ）Ｔｉ：　０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：　０．
００５〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜０．２％の１種
または２種以上 の（Ａ）、（Ｂ）の群の一方または両方を含有せしめる
こともできる。

まず、（Ａ）群のＮｉは靭性を向上させるとともに焼入
性を大きくして強度を上げるために添加されるが、１％
を越えると焼入性が大きくなり過ぎて冷間鍛造性が悪く
なるのでこれを上限とした。

Ｍｏは焼入れ性を向上させ、強い焼戻し軟化抵抗を与え
る元素であるが、０．３％を越えても添加量に見合うだ
けの効果が期待できないのでこれを上限とした。

Ｃｕ＋ＪＮｉと同様に靭性と焼入性を向上させるが。

１％を越えるとその効果は飽和するのでこれを上限とし
た。

一方、（Ｂ）群のＴｉ、Ｎｂ、Ｖはいずれも熱間圧延後
のオーステナイト結晶粒を微細化させ焼鈍時の高温域で
のパーライト変態の促進を目的に添加される。

ＴｉはＮと結合してＴｉＮ化合物を形成し、熱間圧延後
のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する。また、Ｔ
ｉとＢは組合せて添加する方が効果的で、ＴｉはＡＱと
共にＮを固定してＢのパーライト変態を促進させる効果
と冷間鍛造後の焼入性効果を十分に発揮させるために添
加される。Ｔｉは０．００２％未満ではＮを固定する効
果が不十分であり、一方０．０５％を越えると冷間鍛造
性及び靭性に有害な粗大なＴ　ｉ　ＮあるいはＴｉＣが
生成するので、０．００２〜０．０５％に制限した。

Ｎｂ、Ｖはいずれも圧延後のオーステナイト粒度を微細
化させて、焼鈍時のパーライト変態を促進することを目
的に添加するが、それぞれ０．００５％未満では微細効
果が期待できず、一方Ｎｂが０．０５％、■が０．２％
をそれぞれ越えるとＮｂ、　ｖの粗大な炭窒化物が析出
して靭性及び冷間鍛造性を劣化させるので、Ｎｂは０．
００５〜０゜０５％、またＶは０．００５〜０．２％ニ
ソれぞれ限定した。

次に、本発明においては、軟質化処理のための球状化焼
鈍条件として、７４０超〜８５０℃に２０秒〜２時間加
熱した後、（イ）５℃／分の冷却速度でパーライト変態
が終了するまでの温度範囲を徐冷するか、あるいは（ロ
）６９０〜７４０℃の範囲の温度に１５分〜３時間保定
した後放冷するかの（イ）、（ロ）のうちいずれかの処
理を施すのであって、（イ）、（ロ）いずれの手段によ
っても高温域でのパーライト変態を短時間に終了せしめ
、且つ引張強度を２０　＋　５９　Ｃｅｑ（ｋｇ／ｍｍ
”）以下とすることが可能である。

まず、加熱温度を７４０℃超以上に限定したのは、７４
０℃以下の温度ではセメンタイトが十分にオーステナイ
トへ溶は込まないので、その後の冷却で球状パーライト
に変態させられないで、目標とする軟質化度が得られな
いためである。一方。

加熱温度が８５０”Ｃを越えると、オーステナイトから
球状パーライトではなく層状パーライトが変態生成して
目標の軟質化度が得られないので８５０℃を上限とした
。なお、好ましい加熱温度範囲は７５０℃〜７９０℃で
ある。

加熱時間を２０秒〜２時間に限定したのも同じ理由で、
２０秒未満ではセメンタイトの溶は込みが不十分なため
、又２時間を越えると、球状パーライトを変態生成させ
られないためである。

次に、上記のごとき条件で加熱後、（イ）連続冷却によ
り徐冷を行う場合は、その冷却速度が５℃／分を越える
と、球状パーライトの変態態度が下がりすぎて層状の低
温変態パーライトもしくはベイナイトが生成して軟質化
できないのでこれを上限とした。軟質化の点からは、冷
却速度は小さい方がいいが、設備上、生産性上の実用的
な面を考慮すると、０．２〜ｂ 化と生産性を両立させる望ましい冷却速度範囲である。

徐冷停止温度は、パーライト変態終了前に徐冷を停止す
るとその後の放冷過程で強度の高い低温パーライトもし
くはベイナイトが生成して硬くなるので、パーライト変
態終了温度とした。パーライト変態終了温度は鋼種、冷
却速度によって変るが、本発明の対象とする成分系の鋼
では、約６６０〜６９０℃である。

一方、（ロ）保定を行う場合、保定温度の上限を７４０
℃に限定したのは、７４０℃を越えると球状パーライト
変態を終了させるのに５時間以上を要し実用的でないた
めである。しかし、６９０℃より下ではセメンタイト間
隔が細かくなって。

目標の軟質化度が得られない、また、保定時間は１５分
未満ではパーライト変態が終了せず、目標の軟質化に到
達しないので１５分保定を下限とした。一方３時間を越
えて保定しても軟質化はもはや進行しないので３時間を
上限とした。保定後は放冷を行うものであるが、これは
前記保定によってパーライト変態が完了するので、その
後徐冷する必要がないからである。　　　　” 以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明
する。

［実施例］ 第１表に供試材の化学組成ならびに通常の熱間圧延で１
１φＩに仕上げた後の冷却条件等を示す。

同表中試験番号Ｎｏ、４．６．１０−１５．２１−２４
．２８が本発明例で、その他は比較例である。これらの
材料を用いて、引張試験はＪＩＳＩ４Ａ号試験片で行い
、冷鍛性の評価は０　、５　ｍｍ深さのＶノツチを付け
た１０φｍｍＸ１５ｍｍの試験片で据込率４０％の圧縮
試験を行った時の割れの発生の有無で求め、○印は割れ
が発生がしなかったこと、Ｘ印は割れが発生したことを
示す、これらの試験結果を第１表に併記する。

同表に見られるように、本発明例はいずれも圧延材にお
いて引張強度２０　＋５９　Ｃｅｑ　（ｋｇ／＋ｉｍ”
）を十分に下まわり、満足すべき軟質化度が得られてい
る。また、冷間鍛造性と焼入れ焼戻し処理後の靭性も申
し分ない。

これに対して、比較例であるＮｏ、３．８，９゜２５．
２６．２７はいずれも焼鈍条件が不適切なために軟質化
されなかった例である。即ち、Ｎｏ。

３は加熱後の冷却速度が速すぎたために、セメンタイト
間隔が細かくなって、またＮｏ、８は加熱源底が高すぎ
たために層状パーライト変態が生成して、いずれも軟質
化されなかった。さらに、Ｎｏ、９は保定温度が高すぎ
、Ｎｏ、２５は加熱時間が短かすぎ、Ｎｏ、２６は保定
時間が短かすぎ、Ｎｏ、２７は保定温度が低すぎるため
に、いずれも目標強度を下回ることができなかった。。

一方、比較例であるＮｏ、１．．２，５，７．１６−２
０は、鋼材組成が不適切な例で、　Ｎｏ、　１はＣｒ、
Ｎｏ、、２はＭｎ、Ｎｏ、５はＳｉの含有是がそれぞれ
多すぎろために軟質化されていない。また、Ｎｏ、７は
１１．Ｎｏ、１９はＶ、Ｎｏ、２０は゛［ｉの含有址が
それぞれ多すぎるために軟質化は達成されているものの
冷間ｔ８造性が悪い例である。

さらに、Ｎｏ、１８はＳｉとＭｎの含有址が多すぎるた
めに強度が高く、しかもＮｂｉが多すぎるために冷間鍛
造性も悪い、Ｎｏ、２５．２６はそれぞれｐ、ｓｍが多
すぎて冷間鍛造性に問題があった例である。

［発明の効果］ 以上の実施例からも明らかなごとく、本発明は鋼材組成
と球状化焼鈍条件とを適９ｊに選択することによって、
機械構造用高合金鋼の球状化焼鈍時間の短縮と軟質化の
確保、冷間鍛造性の確保を両立させることを可能にした
ものであり、産業上の効果は極めて顕著なものがある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ：０．１５〜０．６５％、Ｓｉ：０．
   １％未満、 Ｍｎ：０．２〜０．５％、 Ｂ：０．０００３〜０．０１％、 Ｃｒ：０．９超〜１．８％、 Ａｌ：０．０１〜０．１％、 を含有し、Ｐを０．０２％未満、Ｓを０．０２％未満と
   制限し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなる鋼につ
   いて、７４０超〜８５０℃に２０秒〜２時間加熱した後
   、（イ）５℃／分以下の冷却速度でパーライト変態終了
   までの温度範囲を徐冷するか、あるいは（ロ）６９０〜
   ７４０℃の範囲の温度に１５分〜３時間保定した後放冷
   するか、（イ）、（ロ）いずれかの球状化処理を実施す
   ることを特徴とする機械構造用合金鋼の球状化焼鈍法。
2. （２）重量％でＣ：０．１５〜０．６５％。 Ｓｉ：０．１％未満、 Ｍｎ：０．２〜０．５％、 Ｂ：０．０００３〜０．０１％、 Ｃｒ：０．９超〜１．８％、 Ａｌ：０．０１〜０．１％ を含有し、Ｐを０．０２％未満、Ｓを０．０２％未満と
   制限し、更に （Ａ）Ｎｉ：１％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｃｕ：１
   ％以下の１種または２種以上、 （Ｂ）Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．００
   ５〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜０．２％の１種また
   は２種以上、 の（Ａ）、（Ｂ）の群の一方または両方を含有し、残部
   はＦｅおよび不可避不純物よりなる鋼について、７４０
   超〜８５０℃に２０秒〜２時間加熱した後、（イ）５℃
   ／分以下の冷却速度でパーライト変態終了までの温度範
   囲を徐冷するか、あるいは（ロ）６９０〜７４０℃の範
   囲の温度に１５分〜３時間保定した後放冷するか、（イ
   ）、（ロ）いずれかの球状化処理を実施することを特徴
   とする機械構造用合金鋼の球状化焼鈍法