JP4957325B2

JP4957325B2 - 非調質鋼材

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Publication number: JP4957325B2
Application number: JP2007086293A
Authority: JP
Inventors: 達也長谷川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008240130A

Description

本発明は、非調質鋼材に関し、詳しくは、降伏特性が良好で、自動車エンジンなどのコネクティングロッドや自動車の足回り部品であるナックルなどの素材として好適な非調質鋼材に関する。

自動車エンジンなどのコネクティングロッド（以下、「コンロッド」という。）は、ピストンとクランクシャフトを連結するエンジン部品であり、爆発力を駆動軸に伝達する役割を担っている。このため、コンロッドには高い降伏応力（以下、「０．２％耐力」という。）が要求される。特に、近年のエンジンの高出力化にともなって、コンロッドに要求される降伏応力はますます大きくなっている。

また、自動車の足回り部品であるナックルなどについても同様の高強度化の動向があり、要求される０．２％耐力が大きくなっている。

ＪＩＳＧ４０５１（２００５）に規定された「機械構造用炭素鋼鋼材」のうち、Ｓ４８Ｃなどのいわゆる「中炭素鋼鋼材」は、これに「焼入れ−焼戻し」のいわゆる「調質処理」を施せば、安定して６００ＭＰａ以上の０．２％耐力が確保できる。

このため、従来のコンロッドやナックルは、Ｓ４８Ｃなど中炭素の機械構造用炭素鋼鋼材を調質処理して製造されてきた。

しかしながら、最近の厳しい経済情勢や自動車業界の競争を反映して、各種自動車部品の製造コスト低減や高性能化の動きが活発化しており、この動きはエンジン部品であるコンロッドや足回り部品のナックルなどにおいても例外ではなくなってきている。

このため、製造コストが嵩む「焼入れ−焼戻し」の調質処理を行うことなく、つまり非調質で、前記中炭素の機械構造用炭素鋼鋼材を調質処理した場合と同等の０．２％耐力を確保したいとの要望が大きくなり、一部の車種では採用され始めた。

また、高性能化のために自動車部品はどんどん軽量化されてきており、そのため軽量な状態で十分な０．２％耐力を確保する必要があり、従来のＳ４８Ｃなど中炭素の機械構造用炭素鋼鋼材を「焼入れ−焼戻し処理」した部品よりも高い０．２％耐力を有するものへの要望が大きくなっている。例えば、具体的には０．２％耐力で９００ＭＰａ以上の高強度を有する部品が必要とされる場合がある。

そこで、特に自動車部品を対象として、「焼入れ−焼戻し」の調質処理や冷間加工などの特別な処理を施すことなく、熱間鍛造のままで、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力を確保できる非調質鋼材への要望が大きくなっている。

このため、例えば、特許文献１〜３に、鋼の化学組成や製造方法を制御して高い０．２％耐力を得るための非調質鋼材やその製造方法が開示されている。特許文献４には耐摩耗性に優れた非調質鋼、特許文献５には衝撃特性の異方性に優れる非調質鋼が開示されている。

具体的には、特許文献１に、重量比にして、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．００５〜２．００％、Ｍｎ：０．４０〜２．００％、Ｓ：０．０１〜０．１０％、Ａｌ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、Ｎ：０．００２０〜０．０２００％、Ｖ：０．２０〜０．７０％を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｍｏ：０．０２〜１．００％のうちの１種または２種、（ｂ）Ｎｂ：０．００１〜０．２０％、（ｃ）Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％のうちの１種または２種、の群から選ばれる１種または２種以上の元素を含有し、残部はＦｅならびに不純物元素からなる組成の鋼材を、Ａｃ₃点以上の温度に加熱して熱間鍛造を施し、冷却させて変態が終了した後の金属組織の９０％以上がフェライト＋パーライト組織であるようにし、これにさらに２００〜７００℃の温度で時効処理を行う「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。

特許文献２に、重量比にして、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．００５〜２．００％、Ｍｎ：０．４０〜２．００％、Ｓ：０．０１〜０．１０％、Ａｌ：０．０００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％、Ｎ：０．００２０〜０．０２００％、Ｖ：０．２０〜０．７０％を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｍｏ：０．０２〜１．００％のうちの１種または２種、（ｂ）Ｎｂ：０．００１〜０．２０％、（ｃ）Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％のうちの１種または２種、の群から選ばれる１種または２種以上の元素を含有し、残部はＦｅならびに不純物元素からなる組成の鋼を、Ａｃ₃点以上の温度に加熱して、鍛造仕上げ温度が７５０〜９００℃の条件で亜熱間鍛造を施し、冷却させ変態が終了した後の金属組織の９０％以上がフェライト＋パーライト組織であるようにし、これにさらに２００〜７００℃の温度で時効処理を行う「降伏強度、靱性および疲労特性に優れる亜熱間鍛造非調質鋼材の製造方法」が開示されている。

特許文献３に、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０〜０．１５％、Ｓ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．１５〜０．４０％、Ａｌ：０．００１〜０．１％を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｃｒ：０．０５〜０．２％、（ｂ）Ｎ：０．００２〜０．０３％、（ｃ）Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％のうちの１種または２種、の群から選ばれる１種または２種以上の元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる素材鋼を、１０００℃以上に加熱して熱間鍛造を行い、その後室温にまで冷却してミクロ組織をフェライト・パ−ライト組織とし、さらに加工度が２〜１０％の冷間加工を施す「非調質鋼熱間鍛造部材の製造方法」が開示されている。

特許文献４に、質量％で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：０．３〜２．０％およびＳｉ：０．５〜２．５％を含有し、Ｆ＝［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］／３．５で規定されるＦ値が１．０以上、あるいは、必要に応じてさらに、（ａ）Ｖ：０．４％以下、Ｎｂ：０．１５％以下、Ｔｉ：０．１５％以下のうちの１種以上、（ｂ）Ｃｒ：１．５％以下、（ｃ）Ａｌ：０．０４％以下、（ｄ）Ｓ：０．１２％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．１％以下、Ｂｉ：０．１％以下のうちの１種以上、の群から選ばれる１種または２種以上の元素を含有し、Ｆ′＝［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］／３．５＋３［Ｖ］＋２．５［Ｎｂ］＋２．５［Ｔｉ］で規定されるＦ′値が１．０以上で、かつ、任意の縦断面における、被検面積３００ｍｍ²当たりの平均粒径２０μｍ以上の酸化物系介在物が１０個以下である「耐摩耗性に優れた熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。

特許文献５に、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜１．８０％、Ｍｎ：０．２０〜３．５０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｏ：０．０１％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｎｉ：１．５０％以下、Ｂ：０．０１５％以下のうちの１種または２種以上、（ｂ）Ｖ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．５０％以下のうちの１種または２種以上、（ｃ）Ｂｉ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下のうちの１種または２種、の群から選ばれる１種または２種以上の元素を含有し、さらに硫化物形態を制御する化学成分として、Ｍｎよりも硫化物を形成しやすい元素、および、Ｍｎと化合物を形成する元素を含有し、残部がFｅおよび不可避不純物からなり、鋼の圧延又は鍛造方向に垂直な衝撃値と圧延又は鍛造方向に平行な衝撃値とが硫化物系介在物の延伸率（アスペクト比）と特定の関係式を満たす「圧延又は鍛造方向に垂直な方向の衝撃特性に優れる非調質鋼」が開示されている。

特開平７−１０２３４０号公報特開平７−１５７８２４号公報特開２００４−１３７５４２号公報特開２０００−３２８１９３号公報特開２００２−１８０１９４号公報

前記の特許文献１で開示された非調質鋼材の０．２％耐力（降伏強度）は高々８３４ＭＰａ（８５．０ｋｇｆ／ｍｍ²）という低いものでしかない。

同様に、特許文献２で開示された非調質鋼材の０．２％耐力（降伏強度）も高々８２９ＭＰａ（８４．５ｋｇｆ／ｍｍ²）という低いものでしかない。

一方、特許文献３で開示された非調質鋼材の場合、９００ＭＰａを超える９５５．８ＭＰａという大きな０．２％耐力を達成しているものもあるが、これは前記特許文献３の段落〔００４３〕に記載されているように、初期降伏応力（０．２％耐力）は冷間加工時の塑性変形量の増加とともに上昇するため、加工度が５％の冷間加工を施していることによるものである。しかしながら、冷間加工を施すと、部品の製造工程が複雑になり、製造コストが過大になってしまう。

特許文献４で開示された技術の主眼点の１つは、その段落〔００１１〕に記載されているように、ＳｉやＭｎのフェライトへの固溶によりフェライトを強化させるために添加元素を適正化することである。すなわち、従来から行われているＶ等の炭窒化物による析出強化ではなく、ＳｉやＭｎによるフェライトの固溶強化による非調質鋼の強化を目指すものである。したがって、ＶやＮｂはいわゆる「任意添加元素」との位置づけであるので、例えば、前記特許文献４の実施例で具体的に開示されている鋼におけるＶ含有量は、高々０．１９５％と低いものである。このため、前記実施例において得られている硬さも２９２ＨＶ（ビッカース硬さで２９２）程度の値である。

ＳＡＥＪ４１７（１９８３）の硬さ換算表における「鋼のビッカース硬さに対する近似的換算値」によれば、上記の２９２というビッカース硬さは、ほぼ９２３ＭＰａの引張強さに相当する。そして、非調質鋼の場合には、その降伏比（「０．２％耐力／引張強さ」）は低く、０．９７５を超えるような大きな値は決して得られるものではない。このため、特許文献４で開示された非調質鋼材では、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力を達成することはできない。

特許文献５で開示された非調質鋼材は、硫化物に起因する靱性の異方性の改善のみに着目したものであり、９００ＭＰａ以上という自動車部品で要求されるような高い０．２％耐力を得ようとするものではない。そのため、前記特許文献４の場合と同様に、ＶやＮｂはいわゆる「任意添加元素」との位置づけで、例えば、前記特許文献５の実施例で具体的に開示されている鋼におけるＶ含有量は、高々０．２５％と低いものである。また、その非調質鋼材の組織はベイナイト組織であってもよいものであるが、ベイナイト組織の降伏比は、フェライト・パーライト組織に比べて低い。したがって、特許文献５で開示された非調質鋼材では、高い０．２％耐力を確保することが困難である。

そこで、本発明の目的は、「焼入れ−焼戻し」の調質処理や冷間加工などの特別な処理を施すことなく、熱間鍛造のままで、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力を確保できる非調質鋼材を提供することである。

本発明者らは前記した課題を解決するために種々の検討を行った。その結果、０．２％耐力を高めるためには、次に示す〈１〉〜〈６〉によることが有効であるとの知見を得た。

〈１〉組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であると、ベイナイト組織が生成した場合に生じる降伏比の低下がほとんど起こらず、高い０．２％耐力を得ることができる。

〈２〉０．２％耐力を高めるためには、フェライト中に炭化物を大量に析出させればよい。

〈３〉炭化物を析出させるためには、いわゆる「炭化物形成元素」が窒化物として消費されることを抑止する必要があり、このためには、製鋼過程で混入するＮ（窒素）の含有量を少なくする必要がある。

〈４〉ただし、製鋼過程で混入するＮの含有量を０にすることはできない。このため、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒという、Ｎとの親和力の大きい元素を含有させることによってＮを窒化物として固定すれば、これによって、炭化物形成元素を炭化物として析出させることが可能となる。そして、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒによってＮを窒化物として固定するためには、式中の元素記号をその元素の質量％での含有量として、下記の（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えるように制御する必要がある。
ｆｎ１＝（０．２９３Ｔｉ＋０．１５１Ｎｂ＋０．１５４Ｚｒ）−Ｎ・・・（１）。

〈５〉Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒは、Ｏ（酸素）と結合して硬質な酸化物を形成するため被削性の低下をきたす。このため、良好な被削性確保のためには、鋼中のＯ含有量を低くして、硬質な酸化物の形成を抑える必要がある。

〈６〉窒化物を形成した残りのＴｉ、ＮｂおよびＺｒは、フェライト中で炭化物を形成して０．２％耐力を高める作用を有するが、その析出強化の程度はＶ炭化物に比べると小さい。したがって、大きな０．２％耐力を確保するためには、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物を過剰に形成させずに、Ｖ炭化物を有効活用するのがよい。そして、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物を過剰に形成させないためには、前記の（１）式で表されるｆｎ１の値が０．１２以下となるように制御する必要がある。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）および（２）に示す非調質鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．３％を超えて０．５５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．００５〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．４％、Ｖ：０．３５〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００８％未満およびＯ：０．００３５％以下を含むとともに、Ｔｉ：０．０５％を超えて０．４％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．４％およびＺｒ：０．０２〜０．４％のうちの１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えて０．１２以下の条件を満足する化学組成で、かつ、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であることを特徴とする非調質鋼材（但し、質量％で、Ｃ：０．５５％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：１．２３％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：０．０１５％、Ｃｒ：０．１５％、Ｖ：０．３９％、Ａｌ：０．０２９％、Ｎ：０．００５３％、Ｏ：０．００１１％およびＮｂ：０．０５０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成の非調質鋼材を除く）。
ｆｎ１＝（０．２９３Ｔｉ＋０．１５１Ｎｂ＋０．１５４Ｚｒ）−Ｎ・・・（１）。
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

（２）質量％で、Ｃ：０．３％を超えて０．５５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．００５〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．４％、Ｖ：０．３５〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００８％未満およびＯ：０．００３５％以下を含むとともに、Ｔｉ：０．０５％を超えて０．４％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．４％およびＺｒ：０．０２〜０．４％のうちの１種または２種以上を含有し、さらに、Ｃａ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＳｅ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えて０．１２以下の条件を満足する化学組成で、かつ、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であることを特徴とする非調質鋼材。
ｆｎ１＝（０．２９３Ｔｉ＋０．１５１Ｎｂ＋０．１５４Ｚｒ）−Ｎ・・・（１）。
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

以下、上記（１）および（２）の非調質鋼材に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」および「本発明（２）」という。また、総称して「本発明」ということがある。

本発明の非調質鋼材は、「焼入れ−焼戻し」の調質処理や冷間加工などの特別な処理を施すことなく、熱間鍛造のままで、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力を確保できるので、高強度化が要求されている近年の自動車エンジンなどのコンロッドや自動車の足回り部品であるナックルなどの素材として好適であり、製造コスト削減に大きく寄与する。

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「質量％」を意味する。

（Ａ）化学組成
Ｃ：０．３％を超えて０．５５％以下
Ｃは、Ｖ、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒとともに炭化物を形成してフェライト中に析出し、析出強化によって鋼材強度を高める作用を有する。この効果を得るためには、Ｃは０．３％を超えて含有させる必要がある。しかしながら、Ｃの含有量が０．５５％を超えると、その含有量の割りには降伏比が高くならず、しかも、フェライトに対するパーライトの比率が大きくなりすぎて被削性の低下を招く。したがって、Ｃの含有量を、０．３％を超えて０．５５％以下とした。Ｃ含有量の好ましい範囲は、０．３２〜０．５０％である。

Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸に有効であるとともに、固溶強化によって鋼材強度を高める作用を有するので、これらの効果を得るために、０．０１％以上含有させる。しかしながら、Ｓｉの含有量が多くなって１．０％を超えると、固溶強化作用が飽和するし、熱間延性の低下による製造性の悪化を招く。したがって、Ｓｉの含有量を、０．０１〜１．０％とした。Ｓｉ含有量の好ましい範囲は、０．１％以上０．５％未満である。

Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは、脱酸作用を有するとともに、焼入れ性を高めて鋼材強度を向上させる作用を有する。また、ＭｎにはＳと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上する作用もある。これらの効果を得るためには、Ｍｎの含有量は０．６％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると、熱間加工性が低下し、また、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイト組織を生じやすくなるので降伏比が低下して所望の高い０．２％耐力が得られなくなる。したがって、Ｍｎの含有量を、０．６〜２．０％とした。Ｍｎ含有量の好ましい範囲は、０．９〜１．４％である。

Ｐ：０．１５％以下
Ｐは、不純物として含有される元素であり、靱性や熱間加工性を低下させ、特に、その含有量が０．１５％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を、０．１５％以下とした。極めて良好な靱性が要求される場合には、Ｐの含有量は低いほど望ましい。

なお、Ｐは、固溶強化元素として鋼材強度を高める作用を有し、また、フェライトを脆化するので被削性としての表面粗さや切屑処理性を高める作用がある。上記のような効果を得たい場合には、Ｐの含有量は、０．０３〜０．１５％とすることが望ましい。

Ｓ：０．００５〜０．２０％
Ｓは、ＭｎとともにＭｎＳを形成し、被削性を改善する作用がある。この効果を得るためには、Ｓの含有量は、０．００５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｓの含有量が多すぎてもその効果が飽和するばかりか、熱間加工性を低下させ、特に、０．２０％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を、０．００５〜０．２０％とした。Ｓ含有量の好ましい範囲は、０．０３〜０．１３％である。

Ｃｒ：０．０２〜０．４％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させて、鋼材強度を高める作用を有する。この効果を得るためには、Ｃｒの含有量は０．０２％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が０．４％を超えると、合金コストが嵩むばかりではなく、焼入れ性が高くなりすぎてベイナイト組織を生じやすくなるので降伏比が低下して所望の高い０．２％耐力が得られなくなる。したがって、Ｃｒの含有量を、０．０２〜０．４％とした。Ｃｒ含有量の好ましい範囲は、０．０５〜０．２％である。

Ｖ：０．３５〜１．０％
Ｖは、本発明において最も重要な元素であって、Ｖ炭化物を形成して０．２％耐力を高める作用を有する。すなわち、Ｖには、フェライト・パーライト組織におけるフェライト中に炭化物として析出して鋼の強度を高める作用があり、これにより高い０．２％耐力が得られるのである。この効果を得るためには、Ｖの含有量は０．３５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｖの含有量が１．０％を超えると、その効果が飽和するばかりか、熱間加工性の低下を招く。したがって、Ｖの含有量を、０．３５〜１．０％とした。Ｖ含有量の好ましい範囲は、０．４〜０．９％である。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、０．０５％を超えてＡｌを含有させても前記の効果が飽和するばかりか、コストが嵩むし、硬質酸化物が原因で被削性も低下する。したがって、Ａｌの含有量を、０．０５％以下とした。Ａｌ含有量の好ましい範囲は、０．００８〜０．０５％である。

Ｎ：０．００８％未満
Ｎは、炭化物析出による強化作用を阻害するため、本発明においては望ましくない元素である。そのために、Ｎの含有量は０．００８％未満にする。なお、Ｎの含有量は低いほど望ましい。

Ｏ：０．００３５％以下
Ｏは、不純物として含有される元素であり、Ａｌを含有する本発明の場合には硬質なＡｌ酸化物を形成して被削性の低下を招き、特に、その含有量が０．００３５％を超えると、被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｏの含有量を０．００３５％以下とした。なお、Ｏの含有量は、低ければ低いほどよい。

Ｔｉ：０．０５％を超えて０．４％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．４％およびＺｒ：０．０２〜０．４％のうちの１種または２種以上
Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒは、Ｎを固定するための重要な元素である。そして、Ｔｉの場合は０．０５％を超えて、Ｎｂの場合は０．０２％以上、Ｚｒの場合は０．０２％以上の量を単独あるいは複合して、しかも、前記の（１）式で表されるｆｎ１の値で０を超えるように含有することによって、窒化物を形成して窒素を固定するとともに、Ｔｉの場合はＴｉ炭化物、Ｎｂの場合はＮｂ炭化物、Ｚｒの場合はＺｒ炭化物としてフェライト中に析出し、析出強化に寄与するため、０．２％耐力を向上させることができる。

しかしながら、上記のＴｉ炭化物、Ｎｂ炭化物およびＺｒ炭化物の析出強化の程度は、前述のＶ炭化物に比べると小さく、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒのいずれの元素についても、その含有量が０．４％を超えると、これら元素の炭化物の析出量が過剰になって、Ｖ炭化物の形成が阻害されてしまうので、析出強化作用の大きいＶ炭化物を有効に利用できなくなってしまう。

したがって、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの含有量は、それぞれ、０．０５％を超えて０．４％以下、０．０２〜０．４％および０．０２〜０．４％とした。

なお、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒは、単独または２種以上の複合で含有させればよいが、Ｎを固定するだけではなく、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物を過剰に形成させないためには、次に述べるように、前記の（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えて０．１２以下となるようにする必要がある。

ｆｎ１の値：０を超えて０．１２以下
前記の（１）式で表されるｆｎ１は、ＴｉＮ、ＮｂＮおよびＺｒＮとして消費されるＮ量の和からＮの全含有量を引いたものである。

このｆｎ１の値が０を超える場合は、Ｎが、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒによって固定されているとともに、ＴｉおよびＮｂおよびＺｒのうちの一部が炭化物を形成して、これらの炭化物による析出強化作用が得られることを意味する。すなわち、ｆｎ１の値が０を超える場合には、Ｖ炭化物だけではなく、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物、またはこれらの複合炭化物によって析出強化が達成されるので、大きな０．２％耐力を確保することができる。一方、ｆｎ１の値が大きくなって、特に、０．１２を超えると、前記Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物の総量が多くなりすぎるので、最も析出強化に有効なＶ炭化物の析出量を十分に確保することができなくなる。したがって、前記の（１）式で表されるｆｎ１の値を０を超えて０．１２以下とした。

上記の理由から、本発明（１）に係る非調質鋼材の化学組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ、Ｏを上述した範囲で含有するとともに、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒのうちの１種または２種以上を上述した範囲で含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、前記（１）式で表されるｆｎ１の値が上述の規定を満たすこととした。

なお、本発明（１）に係る非調質鋼材の化学組成は、そのＦｅの一部に代えて、必要に応じてさらに、Ｃａ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＳｅ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を選択的に含有させることができる。

すなわち、被削性を高めるために、前記のＣａ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＴｅおよびＳｅのうちの１種または２種以上を任意元素として添加し、含有させてもよい。

以下、上記の任意元素に関して説明する。

Ｃａ：０．０５％以下
Ｃａは、被削性を高めるのに有効な元素である。この効果を確実に得るには、Ｃａの含有量は、０．０００５％以上とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．０５％を超えると、熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＣａの含有量は、０．０５％以下とした。なお、添加する場合のＣａの含有量は、０．０００５〜０．０５％とすることが好ましく、０．０００５〜０．０１％であればより好ましい。

Ｐｂ：０．４％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０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．４％を超えると、熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＰｂの含有量は、０．４％以下とした。なお、添加する場合のＰｂの含有量は、０．０２〜０．４％とすることが好ましく、０．０９〜０．３５％であればより好ましい。

Ｂｉ：０．３％以下
Ｂｉ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、Ｂｉは０．０３％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．３％を超えると、熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＢｉの含有量は、０．３％以下とした。なお、添加する場合のＢｉの含有量は、０．０３〜０．３％とすることが好ましく、０．０５〜０．２５％であればより好ましい。

Ｔｅ：０．１％以下
Ｔｅは、被削性を高めるのに有効な元素である。この効果を確実に得るには、Ｔｅの含有量は、０．００２％以上とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．１％を超えると、熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＴｅの含有量は、０．１％以下とした。なお、添加する場合のＴｅの含有量は、０．００２〜０．１％とすることが好ましく、０．００５〜０．０６％であればより好ましい。

Ｓｅ：０．５％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０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．５％を超えると、熱間加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＳｅの含有量は、０．５％以下とした。なお、添加する場合のＳｅの含有量は、０．０００５〜０．５％とすることが好ましく、０．０００５〜０．１％であればより好ましい。

なお、上記のＣａ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＴｅおよびＳｅは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有することができる。

上記の理由から、本発明（２）に係る非調質鋼材の化学組成は、本発明（１）に係る非調質鋼材のＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＳｅ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有することとした。

なお、本発明に係る非調質鋼材においては、以上に述べた元素以外は、本質的に不純物であって、意図的に添加することはない。

ここで、不純物除去のための製鋼工程でのいたずらなコストアップを避け、また、過剰な含有による熱間割れを防止するなどの観点から、不純物中のＣｕ、ＮｉおよびＭｏの含有量は、それぞれ、０．３％以下、０．２５％以下および０．３％以下の範囲で許容できる。

（Ｂ）組織
前記（Ａ）項で述べた化学組成を有していても、組織中のベイナイトの割合が多くなって、フェライト＋パーライトの占める比率が８０％を下回ると、降伏比が低下するため、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力が得られなくなる。

したがって、本発明においては、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であることとした。

なお、本発明に係る非調質鋼材は、例えば、次に示す〔１〕〜〔３〕の工程を順に経ることにより、製造することができる。

〔１〕前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼を、高炉−転炉プロセスや電気炉溶解プロセスによって溶製した後、連続鋳造法やインゴット鋳造法によって鋳片や鋼塊を製造する。

〔２〕前記の鋳片や鋼塊を、例えば１８０ｍｍ角の鋼片に成形して中間素材とし、その後さらに、直径が２０〜２００ｍｍ程度の丸棒に熱間圧延して鍛造用素材を作製する。

〔３〕上記のようにして得た鍛造用素材を、１２００〜１２５０℃に加熱して、１２００〜９００℃で所望の部品形状に熱間鍛造した後、Ｖ、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒの炭化物の析出温度域である８００〜５００℃を、０．１〜３℃／秒の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度域を、大気中放冷やミスト冷却など適宜の冷却手段によって室温まで冷却することにより、非調質鋼材の組織を、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であるものとすることができる。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼１〜２８を真空溶解炉によって溶解し、インゴットを作製した。

なお、表１中の鋼１〜１６および鋼２８は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼１７〜２７は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。

上記のインゴットを、通常の方法によって鋼片とした後、１２５０℃加熱、１０００℃仕上げの熱間圧延で直径２０ｍｍの丸棒を作製した。

次いで、熱間鍛造を想定した特性を評価した。

すなわち、鋼１〜２７を用いた試験番号１〜２７については、上記のようにして得た直径２０ｍｍの丸棒を、熱間鍛造時の加熱を想定して１２５０℃に加熱し、大気中で放冷して室温まで冷却した。なお、この時の８００〜５００℃における冷却速度は、１℃／秒であった。

鋼２８を素材とする直径２０ｍｍの丸棒は、これを２等分し、いずれも熱間鍛造時の加熱を想定して１２５０℃に加熱した後、試験番号２８については、４℃／秒の冷却速度で冷却して意図的にベイナイトが生成しやすい状態にした。一方、試験番号２９については、前記試験番号１〜２７と同様に、大気中で放冷して室温まで冷却した。なお、この試験番号２９の８００〜５００℃における冷却速度も１℃／秒であった。

このようにして得た直径が２０ｍｍの加熱冷却した丸棒から各種の試験片を採取して、ミクロ組織、ビッカース硬さ（以下、「Ｈｖ硬さ」という。）および引張特性を調査した。

ミクロ組織は、前記した各丸棒から鍛錬軸に垂直な面を観察面とする試験片を切り出し、鏡面研磨してナイタルで腐食した後、光学顕微鏡で倍率を４００倍として４視野観察し、「相」（組織）の判定を行うとともに、通常の方法で画像解析して、各視野中でのフェライト＋パーライトの占める比率を調査した。

Ｈｖ硬さは、各丸棒から鍛錬軸に垂直な面を試験面とする試験片を切り出して鏡面研磨した後、Ｒ／２部位（ただし、「Ｒ」は丸棒の半径を表す。）を４点と中心部位を１点の計５点について、９８．０７Ｎの試験力で測定し、算術平均して、全硬さとしてのＨｖ硬さ（以下、「ＴＨｖ」という。）を求めた。

引張特性は、各丸棒からＪＩＳＺ２２０１（１９９８）に記載の１４Ａ号試験片（ただし、平行部の直径：７ｍｍ）を切り出し、室温で引張試験を行って０．２％耐力を測定した。

表２に、組織、ＴＨｖおよび０．２％耐力の結果をまとめて示す。なお、表２の組織欄には、フェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上の場合に「○」、ベイナイトの混在量が多く、フェライト＋パーライトの占める比率が８０％を下回る場合を「×」と記載した。

表２から、明らかなように、化学組成および組織が本発明で規定する範囲内にある試験番号１〜１６および試験番号２９の場合には、「焼入れ−焼戻し」の調質処理や冷間加工など特別な処理を施すことなく、９００ＭＰａ以上という大きな０．２％耐力、具体的には、９０５〜１２５０ＭＰａの０．２％耐力が得られている。

これに対して、化学組成または／および組織が本発明で規定する条件から外れた試験番号１７〜２８の場合には、０．２％耐力は９００ＭＰａを下回るものである。

すなわち、試験番号１７〜２１および試験番号２４〜２７の場合には、組織は本発明で規定する条件を満たすものの、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼１７〜２１および鋼２４〜２７を用いたので、０．２％耐力は９００ＭＰａを下回っている。

また、試験番号２２および試験番号２３の場合には、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼２２および鋼２３を用い、しかも、その組織が本発明で規定する条件から外れているので、０．２％耐力は９００ＭＰａを下回っている。

さらに、試験番号２８の場合には、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼２８を用いているが、組織が本発明で規定する条件から外れているので、０．２％耐力は９００ＭＰａを下回る８８０ＭＰａである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３％を超えて０．５５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．００５〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．４％、Ｖ：０．３５〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００８％未満およびＯ：０．００３５％以下を含むとともに、Ｔｉ：０．０５％を超えて０．４％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．４％およびＺｒ：０．０２〜０．４％のうちの１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えて０．１２以下の条件を満足する化学組成で、かつ、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であることを特徴とする非調質鋼材（但し、質量％で、Ｃ：０．５５％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：１．２３％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：０．０１５％、Ｃｒ：０．１５％、Ｖ：０．３９％、Ａｌ：０．０２９％、Ｎ：０．００５３％、Ｏ：０．００１１％およびＮｂ：０．０５０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成の非調質鋼材を除く）。
ｆｎ１＝（０．２９３Ｔｉ＋０．１５１Ｎｂ＋０．１５４Ｚｒ）−Ｎ・・・（１）。
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．３％を超えて０．５５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．００５〜０．２０％、Ｃｒ：０．０２〜０．４％、Ｖ：０．３５〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．００８％未満およびＯ：０．００３５％以下を含むとともに、Ｔｉ：０．０５％を超えて０．４％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．４％およびＺｒ：０．０２〜０．４％のうちの１種または２種以上を含有し、さらに、Ｃａ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下およびＳｅ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０を超えて０．１２以下の条件を満足する化学組成で、かつ、組織中のフェライト＋パーライトの占める比率が８０％以上であることを特徴とする非調質鋼材。
ｆｎ１＝（０．２９３Ｔｉ＋０．１５１Ｎｂ＋０．１５４Ｚｒ）−Ｎ・・・（１）。
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。