JP3584726B2

JP3584726B2 - 高強度非調質鋼

Info

Publication number: JP3584726B2
Application number: JP07580398A
Authority: JP
Inventors: 貴俊新井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JPH11269599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度非調質鋼に関する。より詳しくは、熱間加工後に焼入れ焼戻しの調質処理を施さなくとも、高い引張強度と優れた耐久比（疲労強度／引張強度）を有する、自動車用足廻り部品を初めとする機械構造用部品の素材として好適なフェライト・パーライト型の高強度非調質鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用部品、なかでも自動車用足廻り鍛造部品としてのホイールハブ、ナックル、アームなどは、機械構造用の炭素鋼（Ｓ４５Ｃなど）あるいは合金鋼（ＳＣＭ４４０など）を用いて熱間鍛造により成形した後、機械加工と調質処理を施して所望の形状と性能を確保していた。
【０００３】
しかし、調質処理には多くのエネルギーとコストを費やす。更に、中・高Ｃ鋼を焼入れすると焼割れが生じることが多いし、たとえ焼割れを生じなくとも大きな変態歪が生ずるため「曲がり」が大きくなって、曲がり取りの矯正工程が必要となる。そこで近年、省エネルギーの社会的要請に応え、且つ一方ではコスト低減及び製造工程の簡略化を図るために、熱間鍛造のままで使用できる非調質鋼の開発が盛んに行われてきた。
【０００４】
非調質鋼としては、ベイナイト型、マルテンサイト型及びフェライト・パーライト型の非調質鋼が知られている。このうち、ベイナイト型とマルテンサイト型の非調質鋼では高い強度が得られるものの被削性が低い。このため機械加工による仕上げ成形に難があり、加えて大きな変態歪が生ずるため「曲がり」が大きくなるという問題があって、曲がり取りの矯正工程が必要なためにコストアップにつながる。例えば、特開平４−１７６８４２号公報で提案されているベイナイト型の「熱間鍛造用非調質鋼」においてもなお上記の被削性や曲がり発生の面で問題が残るものであった。
【０００５】
特開平４−２１０４４９号公報には、その組織が主としてフェライト及びベイナイトで一部パーライトが混在した「高靭性熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。この公報で提案された技術は、組織にフェライトとパーライトを含むため、ベイナイト単相の場合に比べて変態歪による「曲がり」は幾分解消されるものである。しかし、組織中にベイナイトが占める割合が高い場合には変態歪の発生による「曲がり」を矯正する工程が必要でコストアップが避けられないものであった。
【０００６】
一方、フェライト・パーライト型の非調質鋼に関する技術として、例えば特開昭６３−１９９８４８号公報、特開平７−７０６９８号公報、特開平７−１０２３４０号公報が開示されている。
【０００７】
このうち、特開昭６３−１９９８４８号公報にはＡｌ含有量を０．０２０％未満に規制することによって、Ｖの窒化物と固溶Ｎとによるフェライトの強化を図った「耐疲労性及び切削性にすぐれる熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された非調質鋼はＡｌの含有量を低く抑えたものであるため、ＡｌＮによる結晶粒微細化効果が得られないこともあってその耐久比は実施例からも明らかなように高々０．５５である。
【０００８】
特開平７−７０６９８号公報には、特定の化学組成からなる「高疲労強度快削非調質鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された技術は９００ＭＰａ以上の引張強度と０．５以上の耐久比を有する被削性に優れた非調質鋼を提供することを目的とするものであって、前記の非調質鋼は上記目標は満足するものの、その実施例の記載からも明らかなように耐久比は高々０．５４である。これは、結晶粒微細化のための配慮が充分なされていないためである。
【０００９】
特開平７−１０２３４０号公報には、熱間鍛造後に冷却した組織の９０％以上がフェライト＋パーライトからなる特定の化学組成を有する鋼材を２００〜７００℃で時効処理する「疲労特性に優れる非調質鋼の製造方法」が開示されている。しかし、この公報で提案された技術は調質処理の焼入れは省略できるものの焼戻しと同様な時効のための熱処理を行う必要があるのでエネルギーコストが嵩む。更に、この公報で提案された方法で製造された「非調質鋼」の耐久比もその実施例における記載から明らかなように高々０．５８である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、通常の熱間鍛造と冷却の条件で、それも鍛造後の時効処理を含めて熱処理を行うことなく非調質のままで、例えば、８００ＭＰａ以上の高い引張強度と、０．６０以上の優れた耐久比を有し、自動車用足廻り部品を初めとする機械構造用部品の素材として好適なフェライト・パーライト型の高強度非調質鋼を低コストで提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記に示す高強度非調質鋼にある。
【００１２】
すなわち、「重量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：０．３〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ｚｒ：０．００６〜０．１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０７％、Ｎｂ：０〜０．１０％及びＴｉ：０〜０．０５％並びにＰｂ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含み、更に、式中の元素記号をその元素の重量％での含有量として下記(1) 式で表されるｆｎ１が０．８％以上で、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成からなるフェライト・パーライト型の高強度非調質鋼。
【００１３】
ｆｎ１＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ−（５／７）Ｓ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・・・(1)」である。
【００１４】
本発明者らは、前記した目的を達成するため非調質鋼の化学組成及び組織について種々検討を重ねた結果、下記の知見を得た。
【００１５】
（ａ）特定の化学組成を有するフェライト・パーライト型の非調質鋼の強度は前記した(1) 式で整理でき、(1) 式の値が０．８％以上であれば８００ＭＰａ以上の引張強度が安定して得られる。
【００１６】
（ｂ）フェライト・パーライト型の非調質鋼の耐久比は、組織の微細化、フェライト分率の増大及びフェライトの強化によって増大させることができる。
【００１７】
（ｃ）Ｚｒを添加して鋼中に微細なＺｒの炭窒化物を析出させておけば、熱間鍛造のための加熱時にオーステナイト粒が粗大化するのを防止できるし、鍛造後の冷却時にフェライト析出サイトが増えるので、微細な組織が得られるとともにフェライト分率が増大する。
【００１８】
（ｄ）適正量のＭｎとＳを含有させてＭｎＳを生成させれば、このＭｎＳが鍛造後の冷却過程でのフェライト析出サイトとなるので、組織の微細化とフェライト分率の増大が図れる。
【００１９】
（ｅ）フェライト分率を増大させるとともにフェライトを強化するためには、Ｃ含有量を低減してＳｉとＶを含有させれば良い。
【００２０】
（ｆ）フェライト・パーライト型の非調質鋼の耐久比の増大は、鋼材の延性（絞り）を高めることによっても達成できる。
【００２１】
（ｇ）Ｃｒを含有させればパーライトのラメラ間隔が小さくなって鋼材の絞りを高めることができる。
【００２２】
（ｈ）特定の化学組成を有するフェライト・パーライト型の非調質鋼材から切り出した円形断面の試験片を用いて引張試験を行った時、５０％以上の絞りが得られれば０．６０以上の耐久比が得られる。
【００２３】
（ｉ）上記（ｈ）の５０％以上の絞りは、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以上の細粒である場合に安定して得られる。
【００２４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２５】
【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、化学成分の含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００２６】
Ｃ：０．２０〜０．４０％
Ｃは、フェライト・パーライト組織において引張強度で８００ＭＰａ以上の高強度を確保するのに有効な元素である。その効果を得るためには０．２０％以上の含有量を必要とする。しかし、０．４０％を超えて含有するとフェライト分率が低下して耐久比が０．６０を下回るようになる。したがって、Ｃの含有量を０．２０〜０．４０％とした。
【００２７】
Ｓｉ：０．４〜１．０％
Ｓｉは、脱酸を促進するとともにフェライト中に固溶してフェライトを強化して耐久比を高める作用を有する。前記の効果を充分発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．４％以上とすることが必要である。しかし、Ｓｉを過剰に添加すると前記の効果が飽和するばかりか鍛造のための加熱で鋼材表面の脱炭が進んで表面強度が下がってしまう。特に、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると鋼材表面の脱炭が著しくなる。したがってＳｉの含有量を０．４〜１．０％とした。
【００２８】
Ｍｎ：１．０〜２．０
Ｍｎは、脱酸作用及び強度を高める作用を有する。更に、Ｓと結合したＭｎＳが熱間鍛造後の冷却過程におけるフェライトの析出サイトとして働き組織の微細化とフェライト分率の増大に寄与する。こうした効果を確保するためにはＭｎは１．０％以上の含有量を必要とする。しかし、２．０％を超えて含有させてもその効果は飽和してコストが嵩む。更に、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイトや島状マルテンサイトが生成するので被削性が低下する。このため、Ｍｎ含有量を１．０〜２．０％とした。
【００２９】
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは鋼中に不純物として含有されるものであり、必須成分として添加しなくても良い。添加すれば被削性と耐久比を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｐは０．０１０％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０５％を超えると靭性の著しい低下を招く。したがって、Ｐの含有量を０．０５％以下とした。
【００３０】
Ｓ：０．０３〜０．１０％
Ｓは、鋼の被削性を高めるとともに、Ｍｎと結合したＭｎＳが熱間鍛造後の冷却過程におけるフェライトの析出サイトとして働き組織の微細化とフェライト分率の増大に寄与する。しかし、その含有量が０．０３％未満では添加効果に乏しい。一方、０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和するし、靭性の低下を招く。したがって、Ｓ含有量を０．０３〜０．１０％とした。
【００３１】
Ｃｒ：０．３〜０．８％
Ｃｒは、固溶強化元素として強度を高めるとともにパーライトラメラ間隔を小さくして延性（絞り）を大きくして耐久比を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．３％未満では添加効果に乏しい。一方、０．８％を超えて含有させてもその効果は飽和してコストが嵩む。更に、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイトや島状マルテンサイトが生成するので被削性が低下する。このため、Ｃｒ含有量を０．３〜０．８％とした。
【００３２】
Ｖ：０．０５〜０．３０％
Ｖは、析出強化元素であり、フェライトを強化して耐久比を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．０５％未満では前記の効果が得難い。一方、０．３０％を超えて含有させても前記効果は飽和し、コストのみが上昇して経済性を損なうことになる。したがって、Ｖの含有量を０．０５〜０．３０％とした。
【００３３】
Ｚｒ：０．００６〜０．１０％
Ｚｒは、Ｃ及びＮと結合してＺｒ炭窒化物として析出し、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止するとともに、上記Ｚｒ炭窒化物が鍛造後の冷却時にフェライトの析出サイトとなって組織の微細化及びフェライト分率の増大にも寄与する。しかし、その含有量が０．００６％未満では所望の効果が得られない。一方、Ｚｒを０．１０％を超えて含有させても前記効果は飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒ含有量を０．００６〜０．１０％とした。
【００３４】
Ｎ：０．００５〜０．０２５％
Ｎは、ＣとともにＶやＺｒと結合してＶ炭窒化物やＺｒ炭窒化物として析出し強度を高める作用を有する。又、上記のＺｒ炭窒化物及びＡｌと結合したＡｌＮがオーステナイト粒の粗大化を防止するので組織の微細化にも有効である。しかし、その含有量が０．００５％未満では前記の効果が得難い。一方、０．０２５％を超えて含有させてもその効果は飽和するばかりか、熱間加工性の劣化を招くようになる。したがって、Ｎの含有量を、０．００５〜０．０２５％とした。
【００３５】
Ａｌ：０．００５〜０．０７％
Ａｌは、脱酸作用を有する。更に、ＡｌはＮとともにＡｌＮを形成してオーステナイト粒の粗大化を防止し、組織を微細化して耐久比を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しく、０．０７％を超えると酸化物系の介在物が増加して切削時に工具寿命の低下を招くとともに、表皮下介在物によって疲労特性の低下をきたす。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．０７％とした。
【００３６】
Ｎｂ：０〜０．１０％
Ｎｂは添加しなくても良い。添加すれば窒化物や炭窒化物を生成して結晶粒を微細化し、強度と耐久比を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｂは０．００３％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、０．１０％を超えて含有させると鋼の熱間加工性が大きく低下するようになる。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．１０％とした。
【００３７】
Ｔｉ：０〜０．０５％
Ｔｉは添加しなくても良い。添加すれば、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止するとともに、組織の微細化及びフェライト分率の増大にも寄与する。この効果を確実に得るには、Ｔｉは０．００３％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、０．０５％を超えて含有させても前記の効果は飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉ含有量を０〜０．０５％とした。
【００３８】
Ｐｂ：０．３０％以下
Ｐｂは、被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｐｂは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性及び疲労強度の著しい低下を招く。したがって、Ｐｂ含有量を０．３０％以下とした。
【００３９】
Ｃａ：０．０１０％以下
Ｃａは、被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１０％を超えると熱間加工性及び疲労強度の著しい低下を招く。したがって、Ｃａ含有量を０．０１０％以下とした。
【００４０】
Ｓｅ：０．３０％以下
Ｓｅは、被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｓｅは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性及び疲労強度の著しい低下を招く。したがって、Ｓｅの含有量を０．３０％以下とした。
【００４１】
Ｔｅ：０．１０％以下
Ｔｅは、被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｅは０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．１０％を超えると熱間加工性及び疲労強度の著しい低下を招く。したがって、Ｔｅの含有量を０．１０％以下とした。
【００４２】
Ｂｉ：０．３０％以下
Ｂｉも、被削性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｂｉは０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると熱間加工性及び疲労強度の著しい低下を招く。したがって、Ｂｉの含有量を０．３０％以下とした。
【００４３】
ｆｎ１：０．８％以上
特定の化学成分を有するフェライト・パーライト型の非調質鋼の強度は前記(1) 式で示されるｆｎ１で整理でき、この値が０．８％以上であれば引張強度で８００ＭＰａ以上の高強度が安定して得られる。したがって、ｆｎ１の値を０．８％以上に規定した。なお、被削性は引張強度が高くなれば低下し、フェライト・パーライト組織の場合には、特に引張強度が１１００ＭＰａを超えると被削性の低下が著しくなる。上記ｆｎ１の値を１．２％以下とすれば、引張強度を１１００ＭＰａ以下に抑えることが容易になる。したがって、ｆｎ１の値は１．２％以下にすることが好ましい。
【００４４】
上記の化学組成を有する鋼は通常の方法で溶製された後、例えば通常の方法による熱間での鍛造加工を受けて（あるいは通常の方法による熱間での圧延や鍛造を受けた後に更に通常の方法による熱間での鍛造加工を受けて）所定の形状に成形され、更に必要に応じて機械加工されてホイールハブ、ナックル、アームなど所定形状の部品に仕上げられる。なお、所定形状への成形のための通常の方法による熱間鍛造を行った後の冷却は、フェライト・パーライト組織となるような冷却速度での冷却、例えば空冷や放冷とすれば良い。なお、上記の「通常の熱間鍛造方法」とは９００〜１３００℃に加熱してから鍛造する方法をいう。
【００４５】
本発明の非調質鋼を用いれば、前記の通常の方法による熱間鍛造及びその後のフェライト・パーライト組織となるような冷却速度での冷却によって、フェライトがＪＩＳ粒度番号６以上の細粒組織が得られるので、後述の実施例に示すように高い引張強度と良好な耐久比とを確保することができる。
【００４６】
【実施例】
表１、表２に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ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１〜１５は化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、表２における鋼１６〜３１はその化学組成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例の鋼である。
【００４７】
【表１】

【００４８】
【表２】

【００４９】
これらの鋼を通常の方法によって鋼片とした後、１２００〜１２５０℃に加熱してから、１０００℃の仕上げ温度で直径５０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。次いで、上記の直径５０ｍｍに熱間鍛造した丸棒を長さ１００ｍｍに切断し、更に、高周波加熱装置で１２００℃に加熱してから、熱間鍛造プレスを用いて直径が３０ｍｍの丸棒に成形した。熱間鍛造した直径３０ｍｍの丸棒は常温（室温）まで空冷した。
【００５０】
こうして得られた丸棒の中心部から平行部径が８ｍｍの小野式回転曲げ疲労試験片を切り出して常温（室温）、大気中、３０００ｒｐｍの条件で疲労試験を行ない疲労強度としての疲労限（σｗ）を求めた。又、丸棒の中心部からＪＩＳ４号引張試験片を切り出し、常温で引張試験を行って降伏強度（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、伸び及び絞りを測定した。又、直径３０ｍｍで厚さが２０ｍｍの試験片を切り出して、光学顕微鏡による中心部の組織観察を行った。
【００５１】
試験結果を表３に示す。
【００５２】
【表３】

【００５３】
本発明例の鋼である鋼１〜１５についてはいずれもフェライト・パーライト組織で且つフェライトがＪＩＳ粒度番号６以上の細粒であるため、引張強度で８００ＭＰａ以上の高強度と０．６０以上の耐久比が得られている。
【００５４】
これに対して、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例の鋼は、少なくとも引張強度が８００ＭＰａに達していないか、耐久比が０．６０に達していない。
【００５５】
なお、本発明例の鋼の前記直径３０ｍｍの丸棒を試験片として、ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ６ｍｍドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、回転数９８０ｒｐｍの条件でドリル穿孔試験を行った。その結果、引張強度が１１００ＭＰａ以下であったので被削性に問題がないことを確認した。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のフェライト・パーライト型の高強度非調質鋼を用いれば、引張強度で８００ＭＰａ以上の高強度と０．６０以上の耐久比とが安定して得られるので、機械構造用部品の素材、なかでも自動車用足廻り鍛造部品としてのホイールハブ、ナックル、アームなどの素材として利用することができる。

Claims

重量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３〜０．１０％、Ｃｒ：０．３〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ｚｒ：０．００６〜０．１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０７％、Ｎｂ：０〜０．１０％及びＴｉ：０〜０．０５％並びにＰｂ：０．３０％以下、Ｃａ：０．０１０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以下及びＢｉ：０．３０％以下から選択される１種以上を含み、更に、下記(1) 式で表されるｆｎ１が０．８％以上で、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成からなるフェライト・パーライト型の高強度非調質鋼。
ｆｎ１＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ−（５／７）Ｓ＋（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・・・(1)
但し、(1) 式中の元素記号はその元素の重量％での含有量を表す。