JP4669317B2

JP4669317B2 - 冷間鍛造性に優れた鋼線及びその製造方法

Info

Publication number: JP4669317B2
Application number: JP2005137344A
Authority: JP
Inventors: 新磯; 世紀西田; 真吾山崎; 修加田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: JP2006316291A

Description

本発明は、ボルト、ナット、ねじ、歯車あるいはバーインコイル、その他の機械部品を冷間鍛造によって製造する際に、優れた冷間鍛造性を示す鋼線及びその製造方法に関するものである。

冷間鍛造は、生産性が高く製品の寸法精度に優れ、鋼材の歩留が良いことから幅広い分野で利用されている。このような冷間鍛造に供される鋼材は、局部的に大きな変形を受けるため、高い冷間鍛造性が求められている。これは鋼材の冷間鍛造性が悪い場合、材料割れによる不良品の発生や、工具ダイスの破損などが生じ、経済性が悪化するからである。こうしたことから、冷間鍛造性を向上させる方策の一つとして球状化焼鈍を実施している。

球状化焼鈍は、鋼中の炭化物を球状化して微細かつ均一に分散させ、これにより冷間加工性、被削性、および最終製品の耐磨耗性を向上させるものである。球状化焼鈍は一般的に１０〜２０時間の処理時間を要する。

冷間鍛造時の加工性能の向上と変形抵抗の低減に関する技術は、これまでにも様々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、線径の表面から１０〜２５％の領域のフェライトの平均粒径が２〜５．５μmで、且つ長径が３μm以下で（長径／短径）で示されるアスペクト比が３以下のセメンタイトが、全セメンタイトに対して７０％以上であり、更に前記領域より内部においてはフェライト及びパーライト組織が合わせて８０面積％以上とすることによって、熱間圧延ままで変形抵抗を低減し、充分な変形能を与える鋼線が開示されている。

また、初析フェライト分率が５〜３０面積％、残りの組織をベイナイト主体とし、かつベイナイトのラス間隔の平均値が０．３μm以上という技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている技術によれば、球状化処理後の球状化比率が向上し、加工性能の向上、及び変形抵抗の低減が可能となる。
特開２０００−１９２１４８号公報特開２００１−８９８３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、表面から２５％以内の内面部位でフェライト、パーライト組織が８０面積％以上を占めるため、セメンタイト不均一分散（等間隔に配置されていない）に起因する加工性能の低下が懸念される。また、熱間圧延工程で低温圧延を実施し、その後徐冷処理を施すため、エネルギーコストの増加や生産性の低下を招いている。

また、特許文献２に記載の技術では、熱間圧延後の熱処理で徐冷を施すことによって当該組織を実現するため、生産性の低下とコスト上昇を招いている。また、ベイナイト分率が過剰となった場合は、球状化処理後の冷間加工時の変形抵抗が高くなってしまうという問題もある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、冷間鍛造時の加工性能の向上を図ることができ、優れた冷間鍛造性を示す鋼線及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、冷間鍛造時の加工性能の向上と変形抵抗の低減の両方を満足させるための最適な前組織について検討した結果、本発明を見出した。
すなわち、本発明の冷間鍛造性に優れた鋼線は、鋼成分が質量％でＣ：０．００５〜０．６％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１％以下を含み、更に、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残余がＦｅ及び不可避不純物である鋼線であって、セメンタイト間距離の標準偏差を前記セメンタイト間距離の平均値で除した値が０．５０以下となる組織を有することを特徴とする。
このような鋼線とすることで、冷間鍛造時にフェライトとセメンタイトとの界面への転位集積は軽減され、応力が集中せず割れ難くなり、冷間鍛造時の加工性能の向上を図ることができる。

また、本発明の冷間鍛造性に優れた鋼線においては、長径を短径で除した値であるアスペクト比が１．５０以下であるセメンタイト形状を有するものとすることができる。
また、本発明の冷間鍛造性に優れた鋼線においては、鋼成分が質量％で、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１％以下を含み、更に、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残余がＦｅ及び不可避不純物であるものとすることができる。
このような鋼線とすることで、焼入れ性や冷間鍛造の強度を向上させることができるという利点がある。

また、上記課題を解決するために本発明の冷間鍛造性に優れた鋼線の製造方法は、上記のいずれかに記載の冷間鍛造性に優れた鋼線の製造方法であって、質量％でＣ：０．００５〜０．６％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１％以下を含み、更に、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残余がＦｅ及び不可避不純物である鋼成分の鋼を熱間圧延して、７５０〜１０００℃から４００〜５５０℃までを２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、４００〜５５０℃において２０秒以上保持して恒温変態を完了させ、室温まで冷却した後、４０％以下の減面率で粗伸線して球状化焼鈍を行い、その後２０％以下の減面率で仕上伸線することを特徴とする。

本発明によれば、冷間鍛造時の加工性能の向上と変形抵抗の低減を達成することができ、優れた冷間鍛造性を発揮する鋼線を提供できる。

次に、本発明について詳細に説明する。
本発明の冷間鍛造性に優れた鋼線は、鋼成分が質量％でＣ：０．００５〜０．６％含む鋼線であって、セメンタイト間距離の標準偏差を前記セメンタイト間距離の平均値で除した値が０．５０以下となる組織を有する。セメンタイト間距離の標準偏差を前記セメンタイト間距離の平均値で除した値が（標準偏差/平均値）が０．５０以下であるとは、セメンタイトがほぼ均一な間隔で分布していることを表している。セメンタイトがほぼ均一な間隔で分布していると、応力が集中せず割れ難くなり、その結果、冷間鍛造時の加工性能が向上する。また、セメンタイト間距離の標準偏差を前記セメンタイト間距離の平均値で除した値が（標準偏差/平均値）が０．５０を越えると、セメンタイト間距離のばらつきが大きくなり、加工を加えた場合に、フェライトとセメンタイトとの界面への応力集中が大きくなりやすくなる。これによりフェライトとセメンタイトとの界面へ転位集積によるボイドが発生し、これらボイドが連結することによってマクロ割れが生じやすくなる。

セメンタイト間距離の標準偏差および平均値は、以下に示すように算出する。まず、走査型電子顕微鏡で５０００倍の倍率で、２０μm×２０μmの視野範囲の写真撮影を行う。この写真について、６μm×６μmを１視野として重複箇所がないように９視野を選択し、１視野ごとにセメンタイト間距離を測定し、得られた測定値の平均値を１視野ごとの距離データ（個々値）とする。さらに、９視野分の「１視野の距離データ（個々値）」について、セメンタイト間距離の標準偏差とセメンタイト間距離の平均値とを算出する。１視野ごとのセメンタイト間距離の測定は、１視野を縦３３０等分、横３３０等分し、短径が０．０５μm以上のセメンタイトを対象として、セメンタイト外郭間の距離を縦、横について測定することによって行う。測定機器としては、例えば（株）ニレコ社製の画像解析装置（ＬＵＺＥＸＩＩＩ）を用いることができる。

また、本発明の鋼線は、長径を短径で除した値であるアスペクト比が１．５０以下であるセメンタイト形状を有するものであることが望ましい。長径を短径で除した値であるアスペクト比が１．５０以下である場合、冷間鍛造時にフェライトとセメンタイトとの界面への転位集積は軽減される。一方、アスペクト比が１．５０を越える場合、フェライトとセメンタイトの界面に転位が集積してボイドが発生し、割れが生じやすくなってしまう。
アスペクト比の観察は、走査型電子顕微鏡で５０００倍の倍率で、２０μm×２０μmの視野範囲の写真撮影を行い、短辺が０．０５μm以上のセメンタイトを対象として、長径／短径比を画像解析にて測定することによって行う。測定機器としては、例えば（株）ニレコ社製の画像解析装置（ＬＵＺＥＸＩＩＩ）を用いることができる。

また、本発明の鋼線は、鋼成分が質量％でＣを０．００５〜０．６０％含むものである。また、鋼成分が質量％でＳｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１％以下含むものとすることできる。これら元素の範囲限定理由は下記の通りである。

Ｃ：０．００５〜０．６０％
Ｃは、ボルト、ねじ等の強度により規定される。０．００５％未満では必要な強度が得られないため下限は０．００５％とする。一方、０．６０％を超えると冷間加工性の低下、靭性の低下が生じるため、０．６０％を上限とする。

Ｓｉ：０．５０％以下
Ｓｉは、脱酸材として及び固溶体硬化による最終製品の強度増加目的に添加されるが、多量に添加すると強度増加が著しくなって靭性の劣化を招くため、上限を０．５０％とする。

Ｍｎ：０．２０〜１.００％
Ｍｎは、焼入れ性を高め強度を向上させる元素として添加されるが、その効果を発揮させるためには０．２０％以上含有させる必要がある。一方、添加量が過剰になると、冷間鍛造性や靭性の低下を招くため、上限は１．００％とする。

Ａｌ：０．０１％〜０．０６％
Ａｌは、Ｎを固定して冷間鍛造中の動的歪時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。この効果を得るためには、少なくとも０．０１％含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させると靭性を低下させるため、上限は０．０６％とする。

Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下
ＰとＳは、不可避的に含有される成分である。Ｐは鋼中で粒界偏析や中心偏析を起こし靭性を劣化させるため、０．０２％以下とする必要がある。Ｓは冷間加工において有害な元素であるため、０．０２％以下とする必要がある。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、冷間鍛造中に動的歪時効を起こし変形抵抗の上昇と加工性能の低下を招く。よって、Ｎは０．０１％以下とする。

本発明の鋼線は、鋼成分として、更に、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有するものとすることできる。

Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．００％以下
Ｃｒ、ＭｏおよびＮｉは、焼入れ性を高めることに有効な元素である。しかし、過剰に含有させると延性の劣化を引き起こすため、上記範囲内に抑える。

Ｖ：０．５０％以下
Ｖは、析出強化を目的として添加しても良い。しかし、多量に添加すると、延性の劣化を引き起こすため、上記範囲内に抑える。

Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは焼入れ性を向上させる元素であり、必要により添加しても良い。但し、過剰に含有させると靭性を劣化させるため上限を０．００５０％とする。

Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは固溶Ｎの固定による動的歪時効抑制効果によって、冷間鍛造時の変形抵抗低減に有効な元素であるため、必要により添加しても良い。但し、過剰に含有させると粗大なＴｉＮが析出し、この粗大なＴｉＮを起点とする割れが生じやすくなることから、上限を０．０５％とする。

このような鋼線を得るため、以下の製造を行う。
上記成分の鋼を熱間圧延後、７５０〜１０００℃で捲取る。ここで捲取圧延温度が７５０℃未満ではリング状に捲き取ることが困難となることから７５０℃を下限とし、また１０００℃を超えると酸化スケールが増大し、歩留ロスが生じるため１０００℃を上限とする。

捲取後、７５０〜１０００℃から４００〜５５０℃までを２０℃／ｓ以上の速度で冷却し、４００〜５５０℃で２０秒以上保持して恒温変態を完了させ、室温まで冷却する。冷却速度を２０℃／ｓ以上としたのは、線材圧延後に擬似パーライトやベイナイトといったセメンタイトが均一に分散した組織を得るためである。線材圧延後に擬似パーライトやベイナイト組織が存在した場合、球状化焼鈍後もセメンタイトは均一な間隔で分布することが可能となる。

また、恒温保定温度を４００〜５５０℃としたのは、４００℃未満では変態に長時間を要し、更に冷却後の組織に大量のベイナイトやマルテンサイトが生じて冷間鍛造時の変形抵抗が高くなるため、４００℃を下限とする。また、５５０℃を超えると層状パーライト組織が急増し、球状化焼鈍時間に長時間を要し、かつ加工性能の低下を招いてしまうため５５０℃を上限温度とする。恒温保定時間は、恒温変態を終了させるために２０秒以上とする。上限は特に規定するものではないが、生産性向上の観点から、１５０秒以内とすることが望ましい。

この線材に対し、４０％以下の減面率で粗伸線した後に球状化焼鈍を実施し、その後２０％以下の減面率で仕上伸線を行う。粗伸線は、寸法形状確保、強度確保、セメンタイト球状化促進という観点から必要である。４０％を超えた場合、球状化焼鈍後の強度が高くなることにより最終鋼線の強度が上昇し、冷間鍛造時の変形抵抗が高くなってしまうため、減面率の上限は４０％とする。

また、仕上伸線に関しても、寸法形状確保、強度確保という観点から必要であるが、２０％を超えると最終鋼線の強度が上昇し、冷間鍛造時の変形抵抗が高くなってしまうため減面率２０％以下が望ましい。球状化焼鈍はＡ１点直下、もしくは二相域の雰囲気温度にて所定時間の保持を行い、セメンタイトの球状化を図るものである。焼鈍保定時間の上限は特に規定するものではないが、上述の線材圧延後組織である場合、焼鈍保定時間の短縮が可能である。生産性向上、エネルギーコスト低減の観点から、球状化焼鈍時の保定時間は５Ｈr以内とすることが望ましい。以上により、加工性能の向上と変形抵抗の低減を達成する、優れた冷間鍛造性を有する鋼線材となる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に特徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

「実施例」
表１に示す鋼成分Ｉ〜Ｖの鋼を、熱間圧延して、７５０〜１０００℃で捲取し、７５０〜１０００℃から４００〜５５０℃までを２０〜１００℃／ｓの速度で冷却し、表２に示す恒温保定温度において２０秒以上保持して恒温変態を完了させ、室温まで冷却し、その後、表２に示す減面率で粗伸線して球状化焼鈍（Ａ１点直下まで１５０℃／Ｈｒで昇温し、Ａ１点直下で１Ｈｒ保持した後、空冷）を行い、その後表２に示す減面率で仕上伸線を行った。

仕上伸線後の鋼線から切り出した実験例１〜実験例１９から得た直径４〜５ｍｍ、中心に開口部が角度θ＝１２０°で面取りされた直径２ｍｍの孔４を有するテストピース（円筒の直径ｄと高さｈとの比：ｈ／ｄ＝１．５）を使用して冷間据込み性試験を実施し、加工性能、変形抵抗を測定した。なお、割れの出難い実験例１〜実験例１２については、図１に示すテストピース１を使用して冷間据込み性試験を実施した。図１に示すテストピース１は、図１（ａ）に示すように、直径ｄ４〜５ｍｍの円筒形（円筒の直径ｄと高さｈとの比：ｈ／ｄ＝１．５）であり、側面に図１（ｃ）に示す半径ｂ：０．８ｍｍ、中心角ａ：３０°、底部の曲率R＝０．１５ｍｍの平面視扇型の切欠部２を有し、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、中心に開口部が角度θ＝１２０°で面取りされた直径２ｍｍの孔４を有するものである。
なお、冷間据込み性試験は、ＪＣＦＣＳ−１９８０の基準に則って実施した。その結果を表２に示す。
なお、表１および表２中のＣｅｑ＝Ｃ％＋１／３Ｓｉ％＋１／６Ｍｎ％である。
また、加工性能は、肉眼または拡大鏡を用いて、長さ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの微細割れが観察されなかった場合「良好」と判断し、微細割れが観察された場合「悪い」と判断した。
また、変形抵抗は、圧縮率７０％、歪速度＝１０s^−１の条件で測定し、得られた結果が表２に示すｃｅｑにより求められた基準変形抵抗よりも小さい場合は「良好」と判断し、得られた結果が基準変形抵抗値よりも大きい場合は「悪い」と評価した。
そして、加工性能と変形抵抗のいずれもが良好である場合を「○」と判定し、加工性能が良好で変形抵抗が悪い場合を「△」と判定し、加工性能と変形抵抗のいずれもが悪い場合を「×」と判定し、「△」「×」と判定した場合には理由を記載した。

表１および表２より、セメンタイト間距離の標準偏差/平均値が０．５０以下である実験例２および、セメンタイト間距離の標準偏差/平均値が０．５０以下であって、アスペクト比が１．５０以下である実験例１、３、５〜７、９〜１１、１３〜１５、１７〜１９では、「○」または「△」となった。
また、ＣrとＮｉが好ましい範囲を越えて含まれている鋼成分Ｖの鋼を用いた実験例１７〜１９は、鋼成分Ｉ〜ＩＶの鋼を用いた実験例１〜３、５〜７、９〜１１、１３〜１５と比較して、マルテンサイト等の硬質組織が多量に発生し、同等Ｃｅｑ（ＩＶ鋼）で比較した場合、冷間鍛造時の変形抵抗が高い。

さらに、「○」または「△」となった実験例１、３、５〜７、９〜１１、１３〜１５のうち、恒温保定温度、粗伸線減面率、仕上伸線減面率が好ましい範囲である実験例３、７、１１、１５は、「○」となった。
すなわち、実験例１、５、９、１３は、恒温保定温度が４００℃を下回るため、マルテンサイト等の硬質組織が大量に発生し、同等Ｃｅｑで比較した場合、冷間鍛造時の変形抵抗が高い。また、実験例６、１４は、粗伸線での減面率が４０％を超えるため、同等Ｃｅｑで比較した場合、冷間鍛造時の変形抵抗が高い。実験例１０は、粗伸線での減面率が４０％を、仕上伸線での減面率が２０％を超えるため、同等Ｃｅｑで比較した場合、冷間鍛造時の変形抵抗が高い。
また、実験例２は、セメンタイト間距離の標準偏差/平均値が０．５０以下であるが、アスペクト比が好ましい範囲を越え、仕上伸線での減面率が２０％を超えるため、同等Ｃｅｑで比較した場合、冷間鍛造時の変形抵抗が高い。

実験例４、８、１２、１６では、標準偏差の比率（標準偏差/平均）が０．５を越え、アスペクト比が１．５０を越えているため、冷間鍛造時の加工性能が悪く「×」となった。

図１は、実験例１〜実験例１２に使用したテストピースを示す図面であり、図１（ａ）は側面図であり、図１（ｂ）は平面図であり、図１（ｃ）は切欠部を説明するための拡大図である。

符号の説明

１…テストピース、２…切欠部、４…孔、ａ…中心角、ｂ…半径、ｄ…直径、ｈ…高さ、R…曲率

Claims

鋼成分が質量％でＣ：０．００５〜０．６％、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：０．２０〜１．００％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎ：０．０１％以下を含み、
更に、Ｃｒ：１．５０％以下、
Ｍｏ：０．５０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残余がＦｅ及び不可避不純物である鋼線であって、セメンタイト間距離の標準偏差を前記セメンタイト間距離の平均値で除した値が０．５０以下となる組織を有することを特徴とする冷間鍛造性に優れた鋼線。
長径を短径で除した値であるアスペクト比が１．５０以下であるセメンタイト形状を有することを特徴とする請求項１に記載の冷間鍛造性に優れた鋼線。
請求項１または請求項２に記載の冷間鍛造性に優れた鋼線の製造方法であって、
質量％でＣ：０．００５〜０．６％、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：０．２０〜１．００％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎ：０．０１％以下を含み、
更に、Ｃｒ：１．５０％以下、
Ｍｏ：０．５０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残余がＦｅ及び不可避不純物である鋼成分の鋼を熱間圧延して、７５０〜１０００℃から４００〜５５０℃までを２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、４００〜５５０℃において２０秒以上保持して恒温変態を完了させ、室温まで冷却した後、４０％以下の減面率で粗伸線して球状化焼鈍を行い、その後２０％以下の減面率で仕上伸線することを特徴とする冷間鍛造性に優れた鋼線の製造方法。