JP3149741B2 - 耐疲労特性に優れた非調質鋼材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐疲労特性に優れ
た非調質鋼材及びその製造方法に関する。更に詳しく
は、熱間加工後に焼入れ焼戻しの調質処理を施さずとも
高い疲労強度を有する、機械構造部品などの素材として
好適な非調質鋼材及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、高い疲労強度を必要とする機械構
造部品などは所定の形状に熱間加工した後、焼入れ焼戻
しの調質処理を施すのが一般的であった。しかしこの調
質処理には多くのエネルギーとコストを費やす。そのた
め近年、省エネルギーと低コスト化の観点から熱間加工
のままで調質鋼と同等の耐疲労特性を持つ非調質鋼の開
発が行われてきた。

【０００３】ところが、例えば特開昭６２−１６７８５
５号公報に開示されている様な従来の非調質鋼は、Ｖの
炭窒化物を析出させてフェライト基地を強化し、これに
よって高強度化及び高疲労強度化を達成しようとするも
ので、中炭素鋼にＶを添加した化学組成を有し、その組
織は粗大なフェライト・パーライト組織からなるもので
あった。そのため高強度化は達成できても、靭性は中炭
素鋼の調質処理材に比べて低いという問題を有してい
た。更に、Ｖは高強度化には有効であっても高価な元素
であるためコストの増加が避けられないという問題も含
んでいた。

【０００４】Ｖを必須成分として添加する非調質鋼の問
題を解決するものとして、特開昭６２−１９６３５９
号、特開昭６２−２０２０５４号及び特開昭６２−２０
７８２１号の各公報には、Ｚｒを添加して非金属介在物
（主に硫化物と酸化物）を微細分散させ、熱間鍛造前の
高温加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化抑制と鍛造
後の組織を微細化させて靭性向上を図る「熱間鍛造用非
調質鋼」及び「熱間鍛造用非調質鋼の製造方法」が提案
されている。しかし上記の公報に記載の化学組成や製造
方法では「鋳込み」を連続鋳造法とした場合には効果を
奏しないことがあった。更に、特開昭６２−２０２０５
４号公報及び特開昭６２−２０７８２１号公報の提案
は、鋼材組織がベイナイトを基地とするためフェライト
・パーライト組織を基地とする非調質鋼より被削性の点
で劣り、又、変態による歪が大きくなるという問題があ
った。又、特開平４−１４１５５０号公報には、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｎｂ及びＴｉを複合添加して微細なベイナイト組
織とした「熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。し
かしこの非調質鋼もベイナイト型であるため従来のフェ
ライト・パーライト型の非調質鋼に比べて被削性が劣る
し、更には大きな変態歪が生じるため曲がりが大きくな
るという問題を有していた。従って、曲がり取りの矯正
工程が必要となってコストアップにつながるものであっ
た。

【０００５】一方、熱間加工後に冷却した鋼材をオ−ス
テナイト温度域まで再加熱して焼入れし、次いで焼戻し
処理する調質処理に替わるものとして、特開平６−２１
２３４７号公報に特定の化学組成を有する鋼を熱間鍛造
後直ちに焼入れし、その後焼戻し処理を行ってＴｉＣを
析出させる「高疲労強度を有する熱間鍛造品及びその製
造方法」が開示されている。しかしこの公報に記載の熱
間鍛造品は、熱間鍛造後に直ちに焼入れしてマルテンサ
イト組織とするので、焼入れ時の焼き割れに対する管理
が必要となるし、固溶したＴｉＣを析出させるために焼
戻しを行うのでエネルギーコストが嵩むという問題も有
していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ｖを添加したフェライ
ト・パーライト型の非調質鋼では高強度化を達成できて
も、高価な元素であるＶを含むため低コスト化という産
業界の要請には応えきれない。又、ベイナイト型の非調
質鋼にも前記した問題があって、産業界の要請に応じる
ことができていない。更に近年、多様な機械構造用部品
を低コストに製造するため鋼種を統合することも要請さ
れ出したが、合金元素の含有量が微妙に異なるため、従
来鋼では充分な鋼種統合ができていない。

【０００７】本発明の目的は、Ｖのような高価な合金元
素を含有せず、且つ汎用性のある鋼材であって、焼戻し
を含めて熱処理を行うことなく非調質のままで優れた耐
疲労特性を有し、且つ被削性にも優れ、機械構造部品な
どの素材用として好適な低コストの鋼材とその製造方法
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するため非調質鋼材の化学組成及び組織について
研究を重ねた結果、下記の知見を得た。

【０００９】フェライト・パーライト組織の場合には
疲労強度は降伏強度（ＹＳ）と正の良い相関を示す。従
って、疲労強度を高めるためにはＹＳを向上させれば良
い。引張強度（ＴＳ）を上げることは被削性の点から好
ましくないので、フェライト・パーライト組織のＴＳを
上げずにＹＳを高めることで被削性と高い疲労強度を兼
備できる。

【００１０】フェライト粒の微細化とパーライトラメ
ラ間隔の微細化はフェライト・パーライト組織のＴＳを
それほど上げることなくＹＳを高めるのに有効である。

【００１１】Ｎ量を０．００２〜０．００８重量％に
した鋼材に適正量のＴｉを含有させて熱間加工後の冷却
条件を適正化すれば、フェライト・パーライト組織のＴ
Ｓをそれほど上げることなくＹＳを高めることができ、
疲労強度が飛躍的に向上する。これは次の理由によるも
のである。

【００１２】（イ）冷却中に微細なＴｉＣが析出してフ
ェライトが強化される。

【００１３】（ロ）冷却中、フェライト変態の前に析出
したＴｉＣがフェライト生成核となってフェライト粒を
微細化し、微細強化（粒界強化）の効果をもたらす。

【００１４】上記知見に基づく本発明は下記（１）に示
す耐疲労特性に優れた非調質鋼材及び（２）に示す耐疲
労特性に優れた非調質鋼材の製造方法を要旨とする。

【００１５】（１）重量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、
Ｓ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、
Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．
０５％、Ｎ：０．００２〜０．００８％を含有し、残部
はＦｅ及び不可避不純物からなり、且つ、ｆｎ１＞０及
びｆｎ２＞０の組成であって、組織がＪＩＳ粒度番号６
以上のフェライトとラメラ間隔０．２μｍ以下のパーラ
イトからなるフェライト・パーライト組織である耐疲労
特性に優れた非調質鋼材。但し、ｆｎ１＝Ｔｉ（％）−
１０Ｎ（％）、ｆｎ２＝Ａｌ（％）−１．９５Ｎ（％）
とする。

【００１６】（２）上記（１）に記載の化学組成を有す
る鋼を、１１００〜１３００℃の温度域の温度に加熱し
た後９００℃以上の温度域で熱間加工を行い、次いで５
〜３０℃／分の冷却速度で冷却して、ＪＩＳ粒度番号６
以上のフェライトとラメラ間隔０．２μｍ以下のパーラ
イトからなるフェライト・パーライト組織となすことを
特徴とする耐疲労特性に優れた非調質鋼材の製造方法。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」
を意味する。

【００１８】（Ａ）鋼材の化学組成 Ｃ：Ｃは強度を確保するのに有効な元素である。その効
果を確保するためには０．２％以上の含有量を必要とす
る。しかし、０．６％を超えて含有するとフェライト・
パーライト組織におけるフェライト相の体積率が低下
し、それに伴ってフェライト強化の効果が薄れて疲労強
度が低下すると共に硬いパーライト相により被削性も劣
化するようになる。従って、Ｃの含有量を０．２〜０．
６％とした。

【００１９】Ｓｉ：Ｓｉは鋼の脱酸のために添加する。
更にＳｉにはフェライト相を強化する作用がある。しか
しその含有量が０．０５％未満では添加効果に乏しく、
一方、１．０％を超えると前記効果が飽和するばかりか
被削性が劣化するようになるので、その含有量を０．０
５〜１．０％とした。

【００２０】Ｍｎ：Ｍｎは固溶強化によって疲労強度を
向上させる効果がある。しかし、その含有量が０．４％
未満では所望の効果が得られず、２．０％を超えるとこ
の効果が飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高くな
りすぎてベイナイト組織あるいは島状マルテンサイト組
織の生成を促進し、耐久比（疲労限度／引張強度）及び
降伏比（降伏強度／引張強度）が低下するようになる。
従って、Ｍｎの含有量を０．４〜２．０％とした。

【００２１】Ｓ：ＳはＭｎと共にＭｎＳを形成し被削性
を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が
０．０１％未満では所望の効果が得られず、０．１％を
超えるとその効果は飽和すると共にＭｎＳが粗大化し、
これが疲労亀裂発生の核となって疲労強度が低下するよ
うになる。従って、Ｓの含有量を０．０１〜０．１％と
した。

【００２２】Ｃｒ：Ｃｒも固溶強化によって疲労強度を
向上させる効果がある。しかし、その含有量が０．０３
％未満では所望の効果が得られず、２．０％を超えると
この効果が飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高く
なりすぎてベイナイト組織あるいは島状マルテンサイト
組織の生成を促進し、耐久比及び降伏比が低下するよう
になるので、その含有量を０．０３〜２．０％とした。

【００２３】Ｔｉ：Ｔｉは本発明において重要な元素で
ある。冷却中に微細なＴｉＣとして析出し鋼を析出強化
すると共に、冷却中フェライト変態の前に析出したＴｉ
Ｃがフェライト生成核となってフェライト粒を微細化
し、微細強化（粒界強化）の効果をもたらす。加えて、
前記の析出強化と微細強化とが重畳して疲労強度を改善
する作用を有する。しかし、その含有量が０．０４％未
満では所望の効果が得られず、０．２５％を超えると粗
大なＴｉＣが生成して却って疲労強度が低下する。更
に、フェライト生成核密度が異常に増加してフェライト
量が多くなりすぎ、鋼全体の強度が低下し、コストも嵩
む。従って、Ｔｉの含有量を０．０４〜０．２５とし
た。なお、安定して疲労強度を向上させるためには、Ｔ
ｉの含有量を０．０８〜０．２０％とすることが好まし
い。

【００２４】Ａｌ：Ａｌは、強力な脱酸作用を持つ元素
である。その効果を確保するためには０．００５％以上
の含有量を必要とする。しかし、０．０５％を超えて含
有してもその効果が飽和しコストが嵩むばかりである。
従って、Ａｌの含有量を０．００５〜０．０５％とし
た。

【００２５】Ｎ： 本発明においてはＮを０．００２〜０．００８％にする
ことが極めて重要である。すなわち、ＮはＴｉとの親和
力が大きく容易にＴｉＮを生成してＴｉを固定してしま
うので、Ｎを多量に含有する場合には前記したＴｉの効
果が充分に発揮できないこととなる。Ｎ含有量が０．０
０２〜０．００８％で、且つ後述のｆｎ１とｆｎ２が共
に正の値の場合に前記したＴｉの効果が確保される。な
お、Ｔｉの効果を高めるために、Ｎ含有量の上限は０．
００５％とするのが一層好ましい。

【００２６】ｆｎ１、ｆｎ２： Ｎ含有量が０．００２〜０．００８％で、ｆｎ１＝Ｔｉ
（％）−１０Ｎ（％）＞０、且つｆｎ２＝Ａｌ（％）−
１．９５Ｎ（％）＞０の場合に前記したＴｉの効果が確
保される。従って、本発明ではｆｎ１＞０、且つｆｎ２
＞０と規定する。

【００２７】なお、Ｐは粒界偏析を起こして靭性を著し
く劣化させるので、本発明鋼中の不純物元素としてのＰ
は、鋼の靭性確保の点から０．０４％以下とすることが
好ましい。

【００２８】（Ｂ）鋼材の組織 上記の化学組成を有する鋼であっても、熱間加工後の組
織がベイナイトやマルテンサイトといった所謂「低温変
態生成物」からなるものでは、被削性が劣化する。更
に、熱間加工後の冷却過程で、製品に大きな変態歪が生
じて曲がりが大きくなるため曲がり取りの矯正工程が必
要となってコストアップにつながる。従って、良好な被
削性を得ると共に変態歪を小さくするために鋼の組織
は、先ずフェライト・パーライト組織とする必要があ
る。なお、前記の化学組成は熱間加工後に鋼材を適正な
条件で冷却すれば「低温変態生成物」が生成しないよう
に配慮されたものである。

【００２９】フェライト・パーライト組織において、フ
ェライトがＪＩＳ粒度番号６以上の細粒であり、且つパ
ーライトのラメラ間隔が０．２μｍ以下の場合にフェラ
イト・パーライト組織のＴＳを上げることなくＹＳを高
めることができるので、被削性を低下させることなく疲
労強度を高めることができる。従って、鋼材の組織を、
ＪＩＳ粒度番号６以上のフェライトとラメラ間隔が０．
２μｍ以下のパーライトからなるフェライト・パーライ
ト組織とした。

【００３０】フェライト粒とパーライトのラメラ間隔
は、微細であればあるほど前記した効果（フェライト・
パーライト組織のＴＳを上げることなくＹＳを高める効
果）が大きいので、フェライトのＪＩＳ粒度番号の上限
及びパーライトのラメラ間隔の下限は特に規定されるも
のではない。

【００３１】（Ｃ）熱間加工 鋼材を前記の所望組織とするためには、熱間での加工
は、１１００〜１３００℃の温度域の温度に加熱した
後、９００℃以上の温度域で行う必要がある。

【００３２】１３００℃を超える高温加熱の場合には、
オ−ステナイト粒の粗大化が著しいため所望のサイズの
フェライト・パーライト組織が得られないという品質面
での問題があることに加えて、コストアップになるとい
う経済面での不利もある。又、１１００℃を下回る温度
域で加熱した場合には、Ｔｉのオ−ステナイト中への固
溶が充分でないため、熱間加工後に適正な冷却条件で冷
却しても微細なＴｉＣの析出が充分生じず、所望の組織
及び機械的性質が得られない。従って、本発明において
は熱間加工の加熱温度を１１００〜１３００℃に限定し
た。

【００３３】熱間加工を９００℃以上の温度域で行うの
は、９００℃を下回る温度域で熱間加工すれば加工中に
ＴｉＣが加工誘起析出してしまうので再結晶が抑制さ
れ、所望の組織が得難いためである。また鋼材の変形抵
抗が高くなって疵の発生や割れにつながることにもな
る。このため、熱間加工は９００℃以上の温度域で行う
こととした。この加工温度の上限は１０５０℃程度とす
るのが良い。また熱間加工時の加工度は断面減少率で１
０〜９０％程度とすることが好ましい。なお、所望の特
性をより安定して得るために、上記の熱間加工時の加工
度を断面減少率で３０〜９０％程度とすることが一層好
ましい。

【００３４】（Ｄ）熱間加工後の冷却 熱間加工終了後は鋼材を５〜３０℃／分の冷却速度で少
なくとも５００℃まで空冷あるいは放冷する必要があ
る。３０℃／分を超える冷却速度で冷却した場合には、
微細なＴｉＣの充分な量の析出が生じないので所望の組
織と機械的性質が得られない。一方、５℃／分未満の冷
却速度ではＴｉＣが粗大化してしまい所望の微細な組織
が得られず、機械的性質も所望のものが得られない。な
お、５〜３０℃／分の冷却速度で５００℃まで冷却した
後の冷却速度は特に規制しなくても良い。

【００３５】上記の（Ａ）に示した成分組成を有する鋼
材に、上記の（Ｃ）及び（Ｄ）に示した条件で熱間加工
・冷却を行うことにより、上記の（Ｂ）に示した組織を
有する非調質鋼材を製造することができる。

【００３６】

【実施例】表１、２に示す化学組成の鋼を５０ｋｇ真空
溶解炉を用い通常の方法によって溶製した。表１におけ
る鋼１〜１１は本発明鋼、表２における鋼１２〜１９は
成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外
れた比較鋼である。

【００３７】次いで、これらの鋼を１２５０℃の温度に
１時間加熱してから９００℃以上で仕上げる熱間鍛造を
１回あるいは２〜３回行って直径６０ｍｍの丸棒を作製
した。なお、直径６０ｍｍの丸棒とするための最終の熱
間鍛造工程において、熱間鍛造後の冷却条件は１５℃／
分とし常温まで冷却した。

【００３８】こうして得られた丸棒の表面から１５ｍｍ
の位置（Ｒ／２部位置、Ｒは丸棒の半径）から、ＪＩＳ
１４Ａ号の引張試験片、小野式回転曲げ試験片（平行部
の直径が８ｍｍでその長さが１８．４ｍｍ）を採取し、
室温での引張特性（ＴＳ、ＹＳ、伸び（Ｅｌ）及び絞り
（ＲＡ））と疲労強度を調査した。又、光学顕微鏡によ
る組織観察を行った。

【００３９】ドリル穿孔試験による被削性の評価も行っ
た。すなわち、直径６０ｍｍの丸棒を４５ｍｍの長さの
輪切りにしたものを用いてその長さ方向に深さ４０ｍｍ
の孔をあけ、刃先摩損により穿孔不能となった時の孔の
個数を判定した。穿孔条件はＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ
５１のφ１０ｍｍドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用
いて、送り０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、回転数９８０ｒｐｍ
で行った。

【００４０】これらの結果を表３、４に示す。表３と４
の比較から、本発明鋼は良好な被削性を有すると共に、
ＹＳが高く耐疲労特性に優れていることが明らかであ
る。すなわち、本発明鋼１〜１１については所望の疲労
特性（疲労限度（σｗ）：４００ＭＰａ以上、耐久比
（σｗ／ＴＳ）：０．４５以上）が得られている。これ
に対して比較鋼１２と１３は、本発明において重要な意
味を持つＴｉやＮ、更にはｆｎ１やｆｎ２が規定の値か
ら外れるため所望の疲労特性が得られていない。比較鋼
１４も本発明で重要な意味を持つＴｉを過剰に含有する
ため、所望の疲労特性が得られていない。又、比較鋼１
５と１６は各々ＭｎとＣｒが規定の含有量から外れるた
め所望の疲労特性が得られていない。比較鋼１７〜１９
では各々Ｓｉ、Ｃ、Ｓの含有量が規定の範囲から外れる
ため所望の疲労特性が得られておらず、更に、被削性も
大きく低下している。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】

【表４】

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非調質鋼
材は耐疲労特性に優れているので機械構造部品などの素
材として利用することができる。この耐疲労特性に優れ
た非調質鋼材は本発明方法によって比較的容易に低コス
トで製造することができる。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−264162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−57914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−24953（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−157824（ＪＰ，Ａ) 特公 昭34−2405（ＪＰ，Ｂ１) 蒲ら”極低炭素鋼の加熱オーステナイ ト粒の観察”，「材料とプロセス」，Ｖ ｏｌ．７，Ｎｏ．３，（1994），ｐ. 819 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 8/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：
   ０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｓ：
   ０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｔ
   ｉ：０．０４〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０
   ５％、Ｎ：０．００２〜０．００８％を含有し、残部は
   Ｆｅ及び不可避不純物からなり、且つ、ｆｎ１＞０及び
   ｆｎ２＞０の組成であって、組織がＪＩＳ粒度番号６以
   上のフェライトとラメラ間隔０．２μｍ以下のパーライ
   トからなるフェライト・パーライト組織である耐疲労特
   性に優れた非調質鋼材。 但し、ｆｎ１＝Ｔｉ（％）−１０Ｎ（％）、ｆｎ２＝Ａ
   ｌ（％）−１．９５Ｎ（％）とする。
2. 【請求項２】請求項１に記載の化学組成を有する鋼を、
   １１００〜１３００℃の温度域の温度に加熱した後９０
   ０℃以上の温度域で熱間加工を行い、次いで５〜３０℃
   ／分の冷却速度で冷却して、ＪＩＳ粒度番号６以上のフ
   ェライトとラメラ間隔０．２μｍ以下のパーライトから
   なるフェライト・パーライト組織となすことを特徴とす
   る耐疲労特性に優れた非調質鋼材の製造方法。