JPH06248341A

JPH06248341A - 非調質鋼からの高強度高靱性鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH06248341A
Application number: JP3368793A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kakizaki; 哲柿崎; Kazuhiko Nishida; 和彦西田; Yoshihiko Kamata; 芳彦鎌田; Mitsuo Uno; 光男宇野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1994-09-06

Abstract

(57)【要約】【目的】非調質鋼であっても高強度かつ高靱性を備え
るとともに降伏比(YR)が高い鋼の製造方法を提供する。【構成】ベイナイト組織の非調質鋼に、歪量で10％以下
の冷間加工を加えて転位密度を高くし、さらに50〜300
℃の範囲で10分以上の焼戻し処理を行って平衡状態を実
現することでYR (降伏比) を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間鍛造用高強度非調
質鋼の製造方法、特に熱間鍛造・圧延を施した後、例え
ば空冷もしくは衝風冷却することにより、ベイナイト組
織が生成することを特徴とする熱間鍛造用高強度非調質
鋼の製造方法である。

【０００２】

【従来の技術】現在、引張強度724N/mm²級の非調質鋼は
実用化されているが、最近は、工程省略、コスト低減を
目的とした非調質鋼化から一歩進み、例えば自動車用材
料としては、環境問題を考慮した軽量化 (高強度化) に
よる燃費向上を目的とし高強度非調質鋼の開発ニーズが
高まっている。

【０００３】従来の非調質鋼は、フェライト・パーライ
ト組織を有するものであって、熱間鍛造後の冷却途上に
おけるＶ、Nb等の化合物の析出硬化を利用したものであ
る。しかし、靱性が調質鋼に比べて劣る。また、フェラ
イト・パーライト組織であるため、Ｓ、Ti等の細粒化元
素を添加しても強度、靱性を両立させるのは困難であ
る。

【０００４】そこで、化学成分を調整し、組織をベイナ
イト組織にし、高強度かつ高靱性を実現する非調質鋼が
提案されてきた。例えば引張強度 980 N/mm²、シャルピ
ー衝撃値49J という非調質タイプの材料もみられるよう
になった。しかしながら、ベイナイト組織の欠点として
フェライト・パーライト系に比べて降伏比(YR)、つまり
降伏比(YR)＝ (降伏強さ) ／ (引張強さ) が低いという
問題がある。これは機械構造部品において重大な問題で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、非調質鋼であっても高強度かつ高靱性を備えるとと
もに降伏比(YR)が高い鋼の製造方法を提供することであ
る。本発明の具体的な目的は、引張強さ980 N/mm² 以
上、降伏強さ784 N/mm² 以上、シャルピー値uE₊₂₀≧4
9、uE_-50≧15であって降伏比(YR) 0.8以上の非調質タ
イプの材料を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高強度か
つ高靱性を得るためにベイナイト組織が好ましいと考え
るとともに、そのような鋼を歪時効効果を利用すること
で、YR (降伏比) の向上を図ることに着目した。

【０００７】すなわち、ベイナイト組織は低温域での変
態であるため、フェライト・パーライト組織のようなYR
を得ることができないが、その後に冷間加工による歪導
入を行うことによって鋼中の転位密度を高くし、次いで
時効処理によってそれらを平衡状態にすることにより、
高強度かつ高靱性を確保したままYRを向上させることが
できることを知り、本発明を完成した。

【０００８】かくして、本発明の要旨とするところは、
重量％で、Ｃ: 0.05〜0.25％、 Si: 0.10〜1.00
％、Mn: 0.50〜3.00％、Ｐ: 0.025 ％以下、Cr:
0.30〜3.00％、 Mo: 1.00％以下、Ｂ: 0.0005〜0.
0050％、 Ti: 0.010 〜0.100 ％、Al: 0.010 〜0.100
％、Ｎ: 0.0200％以下、さらに必要に応じて、次の群
〜から選んだ少なくとも１種を含み、 Cu: 1.0 ％以下、Ｖ: 0.01〜0.30％の１種もしくは２
種を含有し、 Ni: 1.0 ％以下、Nb: 0.010 〜0.100 ％、Zr: 0.20％
以下、Ｓ: 0.100 ％以下の１種もしくは２種以上、 Pb: 0.50％以下、Ca:0.0100 ％以下、Te:0.20 ％以
下、Se:0.50 ％以下、Bi:0.40 ％以下の１種もしくは２
種以上残部Feおよび不可避的不純物から成る鋼組成を有し、熱
間加工を施した後、例えば空冷もしくは衝風冷却するこ
とにより、ベイナイト組織とした非調質鋼に、次いで歪
量で10％以下の冷間加工を加え、さらに50〜300 ℃の範
囲で10分以上の焼戻しを行うことを特徴とする非調質鋼
からの高強度高靱性鋼の製造方法である。

【０００９】

【作用】次に、本発明において上述のように鋼組成およ
び加工条件を限定した理由を詳述する。まず、本発明に
おける鋼組成の成分の限定理由は次の通りである。

【００１０】Ｃ：0.05〜0.25％Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するのに必要な元素であ
り、最低減の静的強度を得るためには0.05％以上が必要
である。一方、0.25％を超えると、Ｂによる靱性の向上
効果が低減する。従って、Ｃ量を0.05〜0.25％と限定す
る。

【００１１】Si：0.10〜1.00％ Siは鋼の脱酸に必要であるとともに、所定の静的強度を
付与するのに必要な元素である。最低限の静的強度を付
与するためには、0.10％以上が必要である。しかし、1.
00％を超えると粒界に偏析し、粒界脆化が著しくなるた
め、Si量は0.10〜1.00％と限定する。

【００１２】Mn：0.50〜3.00％ MnはSi同様、鋼の脱酸に必要な元素であり、また焼入れ
性を向上させるのに有効な元素である。その効果を充分
発揮させるためには、0.50％以上の添加が必要である。
一方、3.00％を超えて添加すると粒界脆化を生じ靱性を
低下させる。従って、Mn量は0.50〜3.00％とする。

【００１３】Ｐ:0.025％以下Ｐは粒界に偏析し、靱性を低下する。特に0.025 ％を超
えるとその影響は大きくなる。従って、0.025 ％以下に
抑える必要がある。

【００１４】Cr：0.30〜3.00％ Crは鋼に所定の焼入性を付与し、静的強度を向上させる
のに有効な元素である。その効果を充分発揮させるため
には、0.30％以上の添加が必要である。一方、3.00％を
越えて添加するとCr炭化物が生成し、靱性を低下させ
る。従って、Cr量は0.30〜3.00％とする。

【００１５】Mo：1.00％以下 MoはNi同様、鋼に所定の焼入性を付与し、静的強度、靱
性を向上させるのに有効な元素である。任意に添加する
ことができるが、1.0 ％を超えて添加することができる
が、1.0 ％を超えて添加してもその効果は飽和し、経済
性を損なうので上限を1.0 ％とする。

【００１６】Ｂ:0.0005 〜0.0050％Ｂは焼入性を向上させると同時に靱性を向上させる効果
がある。その効果を充分発揮させるためには0.0005％以
上の添加が必要である。一方、0.0050％を超えて添加す
ると、結晶粒が粗大化し、靱性が低下するので、Ｂ量は
0.0005〜0.0050％に制御する必要がある。

【００１７】Ti：0.010 〜0.100 ％ TiはTiN として窒化物を生成させ、結晶粒を微細化する
効果がある。また、本発明の目的であるＢ添加による強
度、靱性の向上を図るためにはTiを添加し、窒化物を生
成させＮを固定する必要がある。それに必要な最低減の
添加量は0.010％である。一方、0.100 ％を超えて含有
させると巨大なTi窒化物が生成し、靱性を低下させる。
従って、Tiの添加量は0.010 〜0.100 ％とする。

【００１８】Al：0.010 〜0.100 ％ AlはSi、Mn同様、鋼の脱酸に必要な元素である。また、
Al窒化物を生成し、結晶粒を微細化する効果がある。ま
た、本発明の目的であるＢ添加による強度・靱性の向上
を図るためには、前述のTiに加え、Alを添加し、Ｎを固
定する必要がある。それに必要な最低減の添加量は0.01
0 ％である。しかし、0.100 ％を超えて添加すると巨大
なAl酸化物が生成し、疲労強度を低下させる。さらに結
晶粒が粗大化し、靱性が低下する。従ってAlの添加量は
0.010 〜0.100 ％とする。

【００１９】Ｎ: 0.0200％以下ＮはTi、Al等と結合して窒化物を生成し、結晶粒を微細
化する効果がある。本発明の目的であるＢ添加による強
度・靱性向上を図るためには、ＮをTi、Alで固定する必
要がある。しかし、0.0200％を超えて添加すると、Ti、
AlによるＮの固定は困難となり、Ｂの効果が低減する。
従って、Ｎ含有量の上限を0.0200％とする。

【００２０】本発明はあっては、さらに必要に応じて、
下記群〜の元素を少なくとも１種適正量添加するこ
とによって一層その効果が発揮される。 Cu: 1.0 ％以下、Ｖ: 0.01〜0.30％の１種または２種これらは更なる強度改善をはかるために必要に応じて添
加するものである。

【００２１】Cu: 1.0 ％以下 Cuは鋼の静的強度を向上させるのに有効な元素である。
その効果を発揮させるためには適宜添加すればよいが、
1.0 ％を超えて含有させると熱間加工性が低下する。従
って上限を1.0 ％とする。

【００２２】Ｖ: 0.01〜0.30％Ｖは鋼の高温強度を向上させるのに有効な元素である。
その効果を十分発揮させるためには0.01％以上添加する
必要がある。しかし、0.30％を超えて含有させるとCu同
様熱間加工性が低下する。従って、上限を0.30％とす
る。

【００２３】Ni: 1.00％以下、Nb: 0.010 〜0.100
％、Zr: 0.20％以下、Ｓ: 0.10％以下の１種もしくは２
種以上これらは特に結晶の微細化を通じて靱性の改善をさらに
図るために必要に応じて添加するものである。

【００２４】Ni: 1.00％以下 Niは鋼に所定の焼入性を付与し、静的強度および靱性を
向上させるので有効である。任意に添加することができ
るが1.00％を超えて添加してもその効果は飽和し、経済
性を損なうので上限を1.00％とする。

【００２５】Nb: 0.010 〜0.100 ％ Nbは窒化物を生成し結晶粒を微細化し、靱性を向上させ
る効果がある。その効果を十分に発揮させるためには少
なくとも0.010 ％以上の添加が必要である。しかし、0.
100 ％を超えて添加してもその効果は飽和するとともに
熱間加工性を低下させる。従って、Nbの添加量は0.010
〜0.100 ％とする。

【００２６】Zr: 0.20％以下 Zrは介在物を微細均一に分散させ、結晶粒粗大化を防止
し靱性を向上させる働きがある。しかしながら、0.20％
を超えて添加するとZr化合物が粗大析出し、逆に靱性を
低下させる。従って、上限を0.20％とする。

【００２７】Ｓ: 0.100 ％以下ＳはMnＳとして切削性を向上させる働きがあると同時に
結晶粒を微細化、靱性を向上させる働きがある。しかし
ながら、0.100 ％を超えて添加すると巨大なMnＳが生成
し、疲労特性を低下させる。従って上限を0.100 ％とす
る。

【００２８】Pb: 0.50％以下、Ca: 0.010 ％以下、T
e: 0.20％以下、Se: 0.50％以下、Bi:0.40％以下の１種
もしくは２種以上これらはいわゆる快削性元素であって、得られる鋼の快
削性を改善するために必要に応じて添加するものであ
る。

【００２９】Pb: 0.50％以下 Pbは切削性を向上させる元素であるが、0.50％を超えて
添加すると疲労特性が著しく低下する。従って上限を0.
50％とする。

【００３０】Ca: 0.0100％以下 CaはPb同様、切削性を向上させる元素であるが、0.0100
％を超えて添加すると靱性が著しく低下する。従って上
限を0.0100％とする。

【００３１】Te: 0.20％以下 Teは切削性を向上させる元素である。しかし、0.20％を
超えて添加すると靱性を低下させる。従って、0.20％を
上限とする。

【００３２】Se: 0.50％以下 SeもTe同様、切削性を向上させる元素である。しかし、
0.50％を超えて添加すると靱性を低下させる。従って上
限を0.50％とする。

【００３３】Bi: 0.40％以下 BiもTe、Se同様、切削性を向上させる元素である。しか
し、0.40％を超えて添加すると、靱性を低下させる。従
って上限を0.40％とする。

【００３４】かかる鋼組成を有するいわゆる非調質鋼は
熱間圧延、熱間鍛造等の熱間加工によって所定部品の形
状に加工してから、通常は空冷または衝風冷却すること
によりベイナイト組織が生成されるが、本発明によれば
このようにして成形された非調質鋼に対して、次いでさ
らに冷間加工そして焼戻処理 (時効処理) が行われる。
熱間鍛造などの熱間加工および冷却条件は特に制限され
ない。慣用の手段を用いればよい。しかし、本発明にお
いて加えられる冷間加工は転位導入のためであって、通
常の成形用の冷間加工とは区別される。そこで、本発明
において行う冷間加工および時効処理条件の限定理由に
ついて以下説明する。

【００３５】冷間加工: 歪量 (加工率) 10％以下目標の降伏比を得るには歪量 (加工率) 10％以下の冷間
加工で十分に効果が得られる。特に、１〜10％、好まし
くは５％の冷間加工での効果が発揮する。すでに鍛造な
どの熱間加工によって所定形状としていることから成形
は必要としないのである。

【００３６】時効温度: 50〜300 ℃ 時効効果が得られるためには最低限50℃以上が必要であ
る。しかし、300 ℃を超えると所定の強度が著しく低下
する。

【００３７】時効時間: 10分以上時効温度と同様に、時効効果を得るためには最低限10分
以上が必要である。処理時間の上限は特に制限ないが、
一般には経済性を考慮すれば12分程度で十分である。次
に、本発明の作用効果について実施例によってさらに具
体的に説明する。

【００３８】

【実施例】150 kg大気溶製材を1250℃に１時間加熱し直
径50mmに鍛伸した。さらに、1250℃に加熱して直径30mm
に鍛伸 (仕上げ温度: 1100℃) し、供試材とした。直径
30mmの放冷材を引張試験により、0.5 〜12％の歪を与え
30〜350 ℃の範囲で５〜30分の焼戻し処理を行った。

【００３９】表１に供試鋼の化学成分、表２、表３、表
４、表５に試験結果を示す。本例において、歪を与える
には図１に示す装置を使用し、万能試験機10の保持部12
に両端を支持された供試材14には引張りによる歪みが付
与され、その中心に取付けられた歪測定子16によって歪
み量が計測され、そのデータは歪測定器20に記録され
る。本例では引張加工時の歪量でもって代用している。

【００４０】表１、表２から明らかなように本発明によ
り製造された鋼は引張強度、シャルピー吸収エネルギー
値は、共に目標値を満足する。一方、比較例の鋼の中で
もＣ、Si、Mn、Ｐ、Cr、Ｂ、Ti、Alが規定値よりも高目
に外れたものは衝撃特性が劣り、目標値を満足しない。
また、Ｃ、Ｂ、Ti、Alが規定値よりも低目に外れたもの
は強度が低下し、目標値を満足しない。さらに、Ｎが規
定値よりも高目に外れたものについては強度が低下し、
目標値を満足しない。

【００４１】以上のようにＣ、Si、Mn、Ｐ、Cr、Mo、
Ｂ、Ti、Al、Ｎを厳密に制御することによって、強度・
靱性の優れた熱間鍛造非調質鋼が得られた。表３から明
らかなように１％未満の歪では、鋼中の転位密度があま
り高くならないため、YRはあまり向上しない。また、10
％を超えると、その効果は飽和しYRは逆に低下し始め
る。

【００４２】表４から明らかなように50℃未満の時効温
度では平衡状態になりにくいため、YRはあまり向上しな
い。また、300 ℃を超えると過時効となりYRは低下す
る。表５から明らかなように、時効時間が10分未満では
十分な時効処理が行われず、YR向上はあまり望めない。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】

【表４】

【００４７】

【表５】

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、化学成分を調整し、組
織をベイナイト組織にし、高強度かつ高靱性を得ること
ができ、しかも、歪量で10％以下の冷間加工により鋼中
の転位密度を高くし、さらに50〜300 ℃の範囲で10分以
上の焼戻しにより平衡状態に保たせることによって、YR
を向上させることができる。したがって、非調質鋼を重
要構造材として使用でき、自動車などの構造物の一層の
軽量化を簡便かつ安価な手段でもって図ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した歪付与装置の概略説明図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宇野光男北九州市小倉北区許斐町１番地住友金属工業株式会社小倉製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ: 0.05〜0.25％、 Si: 0.10〜1.00％、 Mn: 0.50〜3.00％、Ｐ: 0.025 ％以下、 Cr: 0.30〜3.00％、 Mo: 1.00％以下、Ｂ: 0.0005〜0.0050％、 Ti: 0.010 〜0.100 ％、 Al: 0.010 〜0.100 ％、Ｎ: 0.0200％以下、残部Feおよび不可避的不純物から成る鋼組成を有し、熱
間加工を施した後、ベイナイト組織とした非調質鋼に、
歪量で10％以下の冷間加工を加え、さらに50〜300 ℃の
範囲で10分以上の焼戻し処理を行うことを特徴とする高
強度高靱性鋼の製造方法。
【請求項２】前記鋼組成が、さらに重量％で、 Cu: 1.0 ％以下、Ｖ: 0.01〜0.30％の１種もしくは２種
を含む、請求項１記載の高強度高靱性鋼の製造方法。
【請求項３】前記組成が、さらに重量％で、 Ni: 1.0 ％以下、Nb: 0.010 〜0.100 ％、Zr: 0.20％以
下、Ｓ: 0.100 ％以下の１種もしくは２種以上、を含
む、請求項１または請求項２記載の高強度高靱性鋼の製
造方法。
【請求項４】前記鋼組成が、さらに重量％で、 Pb: 0.50％以下、Ca:0.0100 ％以下、Te:0.20 ％以下、
Se:0.50 ％以下、 Bi:0.40 ％以下の１種もしくは２種以上を含む、請求項
１ないし請求項３のいずれかに記載の高強度高靱性鋼の
製造方法。