JPH10265891A - フェライト・パーライト型非調質鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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
型非調質鋼を低コストで提供する。 【解決手段】C：0.20〜0.40％、Si：0.4〜1.0％、Mn：
1.0〜2.0％、P≦0.05％、S：0.03〜0.10％、Cr：0.3〜
0.8％、V：0.05〜 0.30％、Ti：0.003〜0.05％、N：0.0
05〜0.025％、Al：0.005〜0.07％、Nb：0〜0.10％、P
b：0〜0.30％、Ca：0〜0.010％、Se：0〜0.30％、Te：0
〜0.10％及びBi：0〜 0.30％を含有し、残部はFe及び不
純物からなり、式中の元素記号をその元素の重量％での
含有量として表されるfn1＝C＋（1/10）Si＋（1/5）Mn
−（5/7）S＋（5/22）Cr＋1.65Vを0.8％以上の値とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。更に詳しくは、熱間加工後に焼入れ焼戻しの調
質処理を施さなくとも８００ＭＰａ以上の高い引張強度
と、０．６０以上の優れた耐久比（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
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４−１
７６８４２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」が提案さ
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６３−１９９８４
８号公報、特開平７−７０６９８号公報、特開平７−１
０２３４０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９００
ＭＰａ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：０．０３〜０．１
０％、Ｃｒ：０．３〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．３
０％、Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、Ｎ：０．００５
〜０．０２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０７％、Ｎ
ｂ：０〜０．１０％、Ｐｂ：０〜０．３０％、Ｃａ：０
〜０．０１０％、Ｓｅ：０〜０．３０％、Ｔｅ：０〜
０．１０％及びＢｉ：０〜０．３０％を含有し、残部は
Ｆｅ及び不可避不純物からなり、且つ、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式で表され
るｆｎ１が０．８％以上の値であることを特徴とするフ
ェライト・パーライト型非調質鋼。ここで、ｆｎ１＝Ｃ
＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ−（５／７）Ｓ＋
（５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・・・」である。

【００１３】

【発明の実施の形態】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。

【００１４】（ａ）特定の化学組成を有するフェライト
・パーライト型非調質鋼の強度は前記した式で整理で
き、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。

【００１５】（ｂ）フェライト・パーライト型非調質鋼
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。

【００１６】（ｃ）Ｔｉを添加して鋼中に微細なＴｉ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。

【００１７】（ｄ）適正量のＭｎとＳを含有させてＭｎ
Ｓ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。

【００１８】（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。

【００１９】（ｆ）フェライト・パーライト型非調質鋼
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。

【００２０】（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。

【００２１】（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強試験を行った時、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。

【００２２】（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ＪＩ
Ｓ粒度番号６以上の細粒である場合に安定して得られ
る。

【００２３】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。

【００２４】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。

【００２５】Ｃ：０．２０〜０．４０％ Ｃは、フェライト・パーライト組織において所望の８０
０ＭＰａ以上の引張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。

【００２６】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促進されて表面強度が下
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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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Ｍ
ｎＳ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。

【００３０】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。

【００３１】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０．０
５％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。

【００３２】Ｔｉ：０．００３〜０．０５％ Ｔｉは、Ｃ及びＮと結合してＴｉ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Ｔｉ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０．００３％
未満では所望の効果が得られない。一方、Ｔｉを０．０
５％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、Ｔｉ含有量を０．００３
〜０．０５％とした。

【００３３】Ｎ：０．００５〜０．０２５％ Ｎは、ＣとともにＶやＴｉと結合してＶ炭窒化物やＴｉ
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Ｔｉ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。

【００３４】Ａｌ：０．００５〜０．０７％ Ａｌは、脱酸作用を有する。更に、ＡｌはＮとともにＡ
ｌＮ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。

【００３５】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。

【００３６】Ｐｂ：０〜０．３０％ Ｐｂは添加しなくても良い。添加すれば、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０〜０．３０％とした。

【００３７】Ｃａ：０〜０．０１０％ Ｃａは添加しなくても良い。添加すれば、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０〜０．０１０％とした。

【００３８】Ｓｅ：０〜０．３０％ Ｓｅは添加しなくても良い。添加すれば、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０〜０．３０％とした。

【００３９】Ｔｅ：０〜０．１０％ Ｔｅは添加しなくても良い。添加すれば、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０〜０．１０％とした。

【００４０】Ｂｉ：０〜０．３０％ Ｂｉも添加しなくても良い。添加すれば、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０〜０．３０％とした。

【００４１】ｆｎ１：０．８％以上の値 特定の化学成分を有するフェライト・パーライト型非調
質鋼の強度は前記式で示されるｆｎ１で整理でき、こ
の値が０．８％以上であれば所望の８００ＭＰａ以上の
引張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
できるので、ｆｎ１の値は１．２％以下に規制すること
が好ましい。

【００４２】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。

【００４３】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所望の引張強度と耐久比
を確保することができる。

【００４４】

【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は本発明鋼、表２における鋼１６〜３
１は成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた
比較鋼である。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】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３０
ｍｍ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。

【００４８】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３０ｍ
ｍ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。

【００４９】試験結果を表３に示す。

【００５０】

【表３】

【００５１】本発明鋼である鋼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Ｊ
ＩＳ粒度番号６以上の細粒であるため、所望の８００Ｍ
Ｐａ以上の引張強度と０．６０以上の耐久比が得られて
いる。

【００５２】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鋼は、引張強度と
耐久比の少なくとも１つが所望の値に達していない。

【００５３】なお、本発明鋼の前記直径３０ｍｍの丸棒
を試験片として、ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ６
ｍｍ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条件でドリ
ル穿孔試験を行った結果、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。

【００５４】

【発明の効果】本発明のフェライト・パーライト型非調
質鋼を用いれば、８００ＭＰａ以上の引張強度及び０．
６０以上の耐久比が容易に得られるので、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
ることが可能である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓ
   ｉ：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％、Ｔｉ：
   ０．００３〜０．０５％、Ｎ：０．００５〜０．０２５
   ％、Ａｌ：０．００５〜０．０７％、Ｎｂ：０〜０．１
   ０％、Ｐｂ：０〜０．３０％、Ｃａ：０〜０．０１０
   ％、Ｓｅ：０〜０．３０％、Ｔｅ：０〜０．１０％及び
   Ｂｉ：０〜０．３０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避
   不純物からなり、且つ、下記式で表されるｆｎ１が
   ０．８％以上の値であることを特徴とするフェライト・
   パーライト型非調質鋼。 ここで、ｆｎ１＝Ｃ＋（１／１０）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ−（５／７）Ｓ＋（ ５／２２）Ｃｒ＋１．６５Ｖ・・・・・ 但し、式中の元素記号はその元素の重量％での含有量
   を表す。