WO2013027676A1 - 被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a machine structural steel useful for producing parts for automobiles, industrial machines, etc., and particularly to a non-heat treated steel for hot forging excellent in machinability.
- Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-82840
- the present inventor has V as an essential additive element, further balances the C amount and the V amount, and the hardness when air-cooled from the hot forging temperature is approximately the same as the conventional one.
- V an essential additive element
- the non-heat treated steel adjusted so as to have a ferrite-pearlite structure
- an intensive study was made on the balance between the C content and the V content that are excellent in drilling workability.
- the pearlite fraction is higher (at this time the C / V ratio is higher).
- the proof stress ratio ie 0.2% proof stress / tensile strength
- C / V ratio the appropriate range was also clarified about C equivalent which is a factor influencing the hardness and machinability of non-heat treated steel, and it came to this invention.
- an object of the present invention is to provide a non-heat treated steel for hot forging having sufficient strength and excellent machinability that does not require nitriding or induction hardening.
- C 0.35-0.55%, Si: 0.40 to 0.80%, Mn: 0.90 to 1.60%, S: 0.030 to 0.080%, Ni: 0.30% or less, Cr: 0.35% or less, Mo: 0.05% or less, Al: 0.008 to 0.035%, V: 0.07 to 0.14%, O: 0.0030% or less, N: 0.0030 to 0.0200% Ti: 0 to 0.020% Comprising the balance Fe and inevitable impurities,
- the non-tempered steel for hot forging with excellent machinability having a C equivalent of 0.72 to 0.86 and a structure after hot forging of ferrite-pearlite is provided.
- the present invention is a non-tempered steel for hot forging excellent in machinability, and this non-tempered steel is, by mass, C: 0.35 to 0.55%, Si: 0.40 to 0. 80%, Mn: 0.90 to 1.60%, S: 0.030 to 0.080%, Ni: 0.30% or less, Cr: 0.35% or less, Mo: 0.05% or less, Al: 0.008 to 0.035%, V: 0.07 to 0.14%, O: 0.0030% or less, N: 0.0030 to 0.0200%, Ti: 0 to 0.020% Comprising, consisting of the balance Fe and inevitable impurities, preferably consisting essentially of these elements, more preferably consisting of only these elements.
- C is an element indispensable for ensuring the strength of non-tempered steel.
- C needs to be 0.35% or more.
- the C content is set to 0.35 to 0.55%, desirably 0.35 to 0.45%, and more desirably 0.36 to 0.42%.
- Si is an element necessary as a deoxidizing agent and an essential element for securing the strength of non-heat treated steel.
- Si needs to be 0.40% or more.
- the Si content is set to 0.40 to 0.80%, preferably 0.50 to 0.70%.
- Mn is an element indispensable for ensuring the strength of non-heat treated steel, and is an element necessary for MnS generation to improve machinability.
- Mn needs to be 0.90% or more.
- the Mn content is 0.90 to 1.60%, preferably 0.90 to 1.40%, and more preferably 1.00 to 1.40.
- S is an element indispensable for ensuring machinability and chip disposal in drilling and turning.
- S needs to be 0.030% or more.
- the S content is 0.030 to 0.080%, preferably 0.040 to 0.070%.
- Ni is inevitably contained in steel, but reduces the machinability of non-tempered steel. Therefore, the Ni content is restricted to 0.30% or less.
- the Cr may be added as necessary to ensure the hardness of the non-heat treated steel, but it lowers the machinability by adding 0.35% or more. Therefore, the Cr content is set to 0.35% or less.
- Mo is inevitably contained in the steel, but if it is contained in an amount of more than 0.05%, bainite is likely to be generated and machinability is lowered. Therefore, the Mo content is regulated to 0.05% or less.
- Al is an element that forms nitrides and is effective in suppressing grain coarsening during forging heating. For this purpose, 0.008% or more is necessary. However, Al 2 O 3 harmful to the machinability and fatigue life needs to be reduced, so the upper limit of Al is 0.035%. Therefore, the Al content is set to 0.008 to 0.035%, preferably 0.016 to 0.030%.
- V is an element necessary for securing the strength of the non-heat treated steel, and for this purpose, 0.07% or more is necessary.
- V is more than 0.14%, V-based precipitates that become ferrite nuclei become excessive in the structure forming process after hot forging, and the amount of ferrite is greatly increased, and drill workability is impaired. Therefore, the V content is 0.07 to 0.14%, preferably 0.08 to 0.12%.
- Ti has the effect of suppressing crystal grain coarsening during hot forging. Therefore, Ti may be added in an amount of 0.006% or more as necessary, such as when the heating time for hot forging is long. However, if Ti is added more than 0.020%, the machinability is impaired. Therefore, the upper limit of Ti is 0.020%. However, since Ti is an optional element, the non-tempered steel of the present invention may not contain Ti or may contain Ti as an inevitable impurity. Therefore, it can be said that the Ti content is 0 to 0.020%.
- the O content needs to be limited to 0.0030% or less, and is preferably limited to 0.0020% or less.
- N is an element that forms nitrides with Al and is effective in suppressing grain coarsening during forging heating. Therefore, N needs to be added in an amount of 0.0030% or more. However, even if N is more than 0.0200%, the effect of suppressing grain coarsening is saturated. Therefore, the N content is set to 0.0030 to 0.0200%, preferably 0.0030 to 0.0150%.
- the steel used in the present invention contains P and Cu as inevitable impurities in addition to the above elements. However, even if the amount is large, P is 0.030% or less and Cu is 0.30% or less.
- the C / V ratio is limited to 2.80 to 6.00 by mass%.
- the machinability that is, the drilling workability in the present invention, the carbide flank wear amount in turning, and the yield strength determined from 0.2% yield strength / tensile strength.
- Non-tempered steel with an excellent ratio can be obtained.
- the C / V ratio is smaller than 2.80, the ferrite fraction becomes excessive and drill workability is lowered.
- the C / V ratio is larger than 6.00, the pearlite fraction becomes too large, and the drill workability is good, but the turning workability and proof stress ratio with a carbide tool are impaired. Therefore, the C / V ratio is set to 2.80 to 6.00.
- the C equivalent is limited to 0.72 to 0.86.
- the present invention limits the C equivalent to 0.72 to 0.86. The reason for this is that when the C equivalent is less than 0.72, the hardness required for non-tempered steel parts is insufficient due to low hardness. On the other hand, when the C equivalent is larger than 0.86, the hardness is too high in normal hot forging, and bainite is generated, so that drillability is greatly impaired. Therefore, the C equivalent is limited to the range of 0.72 to 0.86.
- the steel of the present invention relies on machinability improving elements in parts made of non-tempered steel produced by normal hot forging due to the limitation of steel components, C / V ratio and C equivalent. In addition, it has excellent drillability, has a small amount of carbide tool wear in turning, has a high yield ratio, and has a beneficial effect.
- V is indispensably added.
- a V-based hard compound is formed on the surface and the strength is greatly impaired. Therefore, the steel of the present invention is not nitrided. .
- the steel of the present invention can be sufficiently hardened by air cooling after hot forging, the present invention does not require induction hardening.
- Ingots were obtained by melting 100 kg of the chemical components of the present invention and comparative examples shown in Table 1 in a vacuum melting furnace. Subsequently, the ingot was heated to 1250 ° C. and held for 5 hours, and then forged into a 30 mm square steel bar and a 35 mm diameter round bar. Subsequently, assuming normal hot forging, after heating to 1200 ° C., heat treatment for air cooling was performed.
- drilling workability was evaluated using a 30 mm square steel bar obtained by forging as described above.
- a tensile test piece having a parallel part diameter of 6 mm was prepared from the longitudinal direction of the middle peripheral part of a round bar having a diameter of 35 mm, and a 0.2% proof stress and tensile strength were measured by performing a room temperature tensile test. The yield ratio obtained from% yield strength / tensile strength was determined. The results are shown in Table 4. The hardness of these 30 mm square steel bars, which were air-cooled after heating to 1200 ° C., was the same as that of the 35 mm diameter round bars. Therefore, the hardness of a round bar having a diameter of 35 mm is shown in Table 4 as a representative of both.
- the No. of the invention example which is an embodiment of the present invention. 1 to 10 each satisfy the range of the predetermined chemical component, and the C / V ratio is in the range of 2.80 to 6.00, and the C equivalent is in the range of 0.72 to 0.86. It is in.
- at least one of the chemical component, the C / V ratio, and the C equivalent is a comparative example No. 1 that falls outside the scope of the present invention.
- Nos. 11 to 20 are inferior to the inventive examples in at least one of the drillability shown by the number of holes until drill drilling is impossible, the carbide flank wear amount and the strength ratio in turning.
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Abstract
窒化や高周波焼入れを必要としない、十分な強度を有し、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼が提供される。この非調質鋼は、質量%で、C:0.35~0.55%、Si:0.40~0.80%、Mn:0.90~1.60%、S:0.030~0.080%、Ni:0.30%以下、Cr:0.35%以下、Mo:0.05%以下、Al:0.008~0.035%、V:0.07~0.14%、O:0.0030%以下、N:0.0030~0.0200%、Ti:0~0.020%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる。この非調質鋼は、C/V比が2.80~6.00であり、下記式(1): C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1) で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである。
Description
この出願は、2011年8月25日に出願された日本国特許出願2011-183354号に基づく優先権を主張するものであり、その全体の開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、自動車、産業機械等の部品を製造するために有用な機械構造用鋼に関するものであり、特に被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼に関する。
機械構造用非調質鋼は、熱間鍛造後に主として空冷されることにより、部品に要求される硬さが得られるように成分調整が行われている。したがって、それに続く切削工程では、硬さがある程度高い状態で削る必要があることから、優れた被削性が望まれている。被削性を向上させるために、SやPbのような被削性向上元素の添加が有効である。しかし、鋼へSを過剰に添加すると、この鋼からなる部品の強度を低下させることから、添加量には自ずと限界がある。また、Pbは環境負荷物質でもあるため、今後、使用が大きく制限される可能性がある。このような背景のもと、被削性向上元素の添加のみに頼らずに、被削性を向上させた機械構造用非調質鋼のニーズが高まっている。
そこで、鋼中のフェライト分率を増やすことにより、被削性と圧縮加工後の疲労強度に優れた非調質鋼鍛造品を製造する方法が提案されている(例えば、特許文献1(特開2000-239782号公報)参照)。しかし、この方法は、超硬工具の旋削逃げ面の摩耗が少ないという有益な効果が認められるものの、ドリル加工性については考慮されていない。
さらに、ミクロ組織がフェライトとパーライトからなる被削性に優れた熱間鍛造非調質鋼部品の製造方法が提案されている(例えば、特許文献2(特開2005-82840号公報)参照)。しかし、この方法は鍛造前の加熱温度を少なくとも1250℃以上に上げる必要があることから、製造効率の面で不利である。
本発明者は、上記の問題点を解決するために、Vを必須の添加元素とし、さらにC量とV量をバランスさせて熱間鍛造温度から空冷した際の硬さが概ね従来と同等で、かつ、フェライト-パーライト組織となるように調整した非調質鋼において、ドリル加工性に優れるC量及びV量のバランスについて鋭意検討を行った。その結果、フェライト分率が多い(このときC/V比は低い)ほどドリル加工性が良好になるであろうという、従来の見方に反して、パーライト分率が多い(このときC/V比は高い)方がドリル加工性に優れていることを見出した。一方、旋削加工における超硬工具逃げ面の摩耗量及び非調質鋼部品の強度指標として重要な耐力比(すなわち0.2%耐力/引張強度)は、C/V比が高い場合に低下することが分かった。さらに、非調質鋼の硬さ及び被削性に影響する因子であるC当量についても併せて適正範囲を明らかにし、本発明に至ったものである。
したがって、本発明の目的は、窒化や高周波焼入れを必要としない、十分な強度を有し、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供することにある。
本発明の一態様によれば、質量%で、
C:0.35~0.55%、
Si:0.40~0.80%、
Mn:0.90~1.60%、
S:0.030~0.080%、
Ni:0.30%以下、
Cr:0.35%以下、
Mo:0.05%以下、
Al:0.008~0.035%、
V:0.07~0.14%、
O:0.0030%以下、
N:0.0030~0.0200%
Ti:0~0.020%
を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、
C/V比が2.80~6.00であり、下記式(1):
C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1)
で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼が提供される。
C:0.35~0.55%、
Si:0.40~0.80%、
Mn:0.90~1.60%、
S:0.030~0.080%、
Ni:0.30%以下、
Cr:0.35%以下、
Mo:0.05%以下、
Al:0.008~0.035%、
V:0.07~0.14%、
O:0.0030%以下、
N:0.0030~0.0200%
Ti:0~0.020%
を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、
C/V比が2.80~6.00であり、下記式(1):
C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1)
で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼が提供される。
以下に本発明を具体的に説明する。特段の明示が無いかぎり、本明細書において「%」質量%を意味する。
本発明は、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼であり、この非調質鋼は、質量%で、C:0.35~0.55%、Si:0.40~0.80%、Mn:0.90~1.60%、S:0.030~0.080%、Ni:0.30%以下、Cr:0.35%以下、Mo:0.05%以下、Al:0.008~0.035%、V:0.07~0.14%、O:0.0030%以下、N:0.0030~0.0200%、Ti:0~0.020%を含有し(comprising)、残部Fe及び不可避不純物からなり、好ましくはこれらの元素のみから実質的になり(consisting essentially of)、より好ましくはこれらの元素のみからなる(consisting of)。その上、本発明の非調質鋼は、C/V比が2.80~6.00であり、下記式(1):
C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1)
で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである。非調質鋼の化学成分の限定理由について以下に説明する
C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1)
で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである。非調質鋼の化学成分の限定理由について以下に説明する
Cは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、このためには、Cは0.35%以上が必要である。しかし、Cが0.55%を超えると切削加工性や強度が低下する。そこで、C含有量は0.35~0.55%とし、望ましくは0.35~0.45%、より望ましくは0.36~0.42%とする。
Siは、脱酸剤として必要な元素であり、また非調質鋼の強度確保に不可欠な元素である。このためには、Siは0.40%以上必要である。しかし、Siが0.80%を超えるとフェライト相が硬くなり被削性の低下を招く。そこで、Si含有量は0.40~0.80%とし、望ましくは0.50~0.70%とする。
Mnは、非調質鋼の強度確保に不可欠な元素であり、また被削性を向上させるMnS生成に必要な元素である。このためには、Mnは0.90%以上必要である。しかし、Mnが1.60%より多過ぎるとベイナイトを生成して被削性を大きく低下させる。そこで、Mn含有量は0.90~1.60%とし、望ましくは0.90~1.40%とし、より望ましくは1.00~1.40とする。
Sは、ドリル加工や旋削加工等における被削性や切り屑処理性の確保に不可欠な元素である。このためには、Sは0.030%以上必要である。しかし、Sが0.080%より多過ぎると静的強度、疲労強度などの強度特性を低下し、さらに熱間加工性を低下する。そこで、S含有量は0.030~0.080%とし望ましくは、0.040~0.070%とする。
Niは、鋼中に不可避的に含有されるが、非調質鋼の切削性を低下させる。そこで、Ni含有量は0.30%以下に規制する。
Crは、非調質鋼の硬さ確保のため、必要に応じて添加しても良いが0.35%以上の添加により被削性を低下させる。そこでCr含有量は0.35%以下とする。
Moは、鋼中に不可避的に含有されるが、0.05%より多く含まれるとベイナイトを生成させやすくなり、被削性を低下させる。そこで、Mo含有量は0.05%以下に規制する。
Alは、窒化物を形成して鍛造加熱時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素で、このためには0.008%以上必要である。しかし、被削性及び疲労寿命に有害なAl2O3を低減する必要があるので、Alは上限を0.035%とする。そこで、Al含有量は0.008~0.035%とし、望ましくは0.016~0.030%とする。
Vは、非調質鋼の強度確保に必要な元素であり、このためには0.07%以上必要である。しかし、Vは0.14%より多くなると、熱間鍛造後の組織形成過程においてフェライトの核となるV系析出物が過剰となってフェライト量が大幅に増大し、ドリル加工性を損なう。そこで、V含有量は0.07~0.14%とし、望ましくは0.08~0.12%とする。
Tiは、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑える作用がある。そこで、熱間鍛造の加熱時間が長いといった場合などの必要に応じて、Tiは0.006%以上の添加を行っても良い。ただし、Tiが0.020%より多く添加されると被削性を損なう。そこで、Tiは上限を0.020%とする。しかしながら、Tiは任意元素であるので本発明の非調質鋼はTiを含まないか又はTiが不可避不純物として含まれる程度のものであってもよい。したがって、Ti含有量は0~0.020%であるといえる。
Oは、被削性や疲労寿命に有害な酸化物系介在物を生成する。そこで、O含有量は0.0030%以下に制限する必要があり、望ましくは0.0020%以下に制限する。
Nは、Alと窒化物を形成し、鍛造加熱時の結晶粒粗大化の抑制に効果のある元素である。そこで、Nは0.0030%以上の添加が必要である。しかし、Nが0.0200%より多くても結晶粒粗大化の抑制効果が飽和する。そこで、N含有量は0.0030~0.0200%とし、望ましくは、0.0030~0.0150%とする。
また、本発明で使用する鋼は、上記の元素以外に不可避不純物としてPやCuを含有する。しかし、その量は多くても、Pは0.030%以下、Cuは0.30%以下である。
本発明の鋼において、質量%で、C/V比は2.80~6.00に限定される。この範囲にC/V比を制限することにより、被削性すなわち本発明においてはドリル加工性、及び旋削加工における超硬工具逃げ面摩耗量、及び0.2%耐力/引張強度から求められる耐力比に優れた非調質鋼が得られる。C/V比が2.80より小さい場合では、フェライト分率が過剰となり、ドリル加工性が低下する。一方、C/V比が6.00より大きい場合では、パーライト分率が多くなり過ぎるため、ドリル加工性は良好なものの、超硬工具による旋削加工性と耐力比を損なう。そこで、C/V比を2.80~6.00とする。
本発明の鋼において、C当量は0.72~0.86に限定される。上記した本発明鋼の化学成分の限定、及びC/V比の限定に加えて、本発明ではC当量を0.72~0.86に限定する。その理由は、C当量が0.72より小さい場合は、硬さが低いために非調質鋼製部品として必要な強度が不足する。一方、C当量が0.86より大きい場合は、通常の熱間鍛造では硬さが高くなり過ぎ、かつベイナイトが生成するためにドリル加工性を大きく損なう。そこで、C当量を0.72~0.86の範囲に限定する。
本発明の鋼は、鋼成分の限定、C/V比の限定及びC当量の限定により、通常の熱間鍛造により製造される非調質鋼からなる部品において、被削性向上元素に頼ることなく、ドリル加工性に優れ、旋削加工における超硬工具摩耗量が少なく、耐力比の高い、有益な効果を奏するものである。
なお、本発明鋼は、Vが必須添加されており、窒化を行った場合には、表面にV系硬質化合物が形成されて強度が大きく損なわれるので、本発明の鋼には窒化を行わない。また、本発明鋼は熱間鍛造後に空冷することにより十分な硬さが得られるので、本発明は高周波焼入れも必要としない。
本発明の実施の形態について、以下に説明する。表1に示す本発明例及び比較例の化学成分の鋼の100kgを真空溶解炉で溶製し、インゴットを得た。続いて、このインゴットを1250℃に加熱して5時間保持した後、30mm角の棒鋼と直径35mmの丸棒に鍛造した。続いて、通常の熱間鍛造を想定して、1200℃に加熱した後、空冷する熱処理を施した。
続いて、上記で鍛造して得た30mm角の棒鋼を用いてドリル加工性を評価した。ドリル加工性については、表2に記載の条件により実施した。
さらに、上記で鍛造して得た径35mmの丸棒を用いて超硬工具による旋削加工性を評価した。超硬工具による旋削加工性については、表3に記載の条件により実施した。
また、径35mmの丸棒の中周部の長手方向より、平行部が径6mmの引張試験片を作製し、常温引張試験を行って0.2%耐力と引張強度を測定し、0.2%耐力/引張強度から求められる耐力比を求めた。この結果を表4に示す。なお、1200℃に加熱後に空冷した、これらの30mm角の棒鋼の硬さと直径35mmの丸棒の硬さは同等であった。したがって、これら両者を代表して直径35mmの丸棒の硬さを表4に示した。
表4に見られるとおり、本発明の実施例である発明例のNo.1~10のものは、それぞれが所定の化学成分の範囲を満足し、さらにC/V比が2.80~6.00の範囲にあり、かつC当量が0.72~0.86の範囲にある。それに対して、化学成分、C/V比、及びC当量のうちの少なくとも1つ以上が本発明の範囲を外れる比較例のNo.11~20のものは、ドリル穿孔不能までの穴数で示すドリル加工性、旋削加工における超硬工具逃げ面摩耗量及び耐力比の少なくとも1つ以上が発明例に対して劣っている。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.35~0.55%、
Si:0.40~0.80%、
Mn:0.90~1.60%、
S:0.030~0.080%、
Ni:0.30%以下、
Cr:0.35%以下、
Mo:0.05%以下、
Al:0.008~0.035%、
V:0.07~0.14%、
O:0.0030%以下、
N:0.0030~0.0200%
Ti:0~0.020%
を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、
C/V比が2.80~6.00であり、下記式(1):
C当量=C%+Si%/7+Mn%/5+Cr%/9+V%/2……(1)
で示されるC当量が0.72~0.86であり、熱間鍛造後の組織がフェライト-パーライトである、被削性に優れた熱間鍛造用非調質鋼。 - Tiが0.006~0.020%の量で含まれる、請求項1に記載の非調質鋼。
- C:0.35~0.55%、
Si:0.40~0.80%、
Mn:0.90~1.60%、
S:0.030~0.080%、
Ni:0.30%以下、
Cr:0.35%以下、
Mo:0.05%以下、
Al:0.008~0.035%、
V:0.07~0.14%、
O:0.0030%以下、
N:0.0030~0.0200%
Ti:0~0.020%
残部Fe及び不可避不純物
のみからなる、請求項1又は2に記載の非調質鋼。
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