JPWO2013031640A1 - 非調質機械部品用線材、非調質機械部品用鋼線、及び、非調質機械部品とそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材であって、質量％でＣ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、金属組織が、体積率で６４?（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、線材の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満である。Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

Description

本発明は、線材から製造され、ボルトやトーションバー、スタビライザーなどの軸形状を有する自動車部品や各種産業機械に使用する、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品、これを製造するための鋼線、さらに、この鋼線を製造するための線材、及び、これらの製造方法に関するものである。なお、本発明で対象とする機械部品には建築用のボルト等も含まれる。本願は、２０１１年８月２６日に日本に出願された特願２０１１−１８４７３７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

自動車や各種産業機械は、軽量化や小型化を目的に、９００ＭＰａ以上の引張強さを有する高強度機械部品が使用されている。従来、この種の高強度機械部品は、機械構造用炭素鋼にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、又は、Ｂなどの合金元素を添加した合金鋼や特殊鋼の鋼材を用いて、熱間圧延後に球状化焼鈍を行い軟質化し、冷間鍛造や転造で所定の形状に成形し、その後、焼入れ焼戻し処理を行って強度を付与して製造している。

しかし、これらの鋼材は、合金元素を含有しているので鋼材価格が高くなり、また、部品形状に成形する前の軟質化焼鈍や、成形後の焼入れ焼戻し処理を必要とするので、製造コストが上昇する。

軟質化焼鈍や焼入れ焼戻し処理を省略し、急速冷却や析出強化などで強度を高めた線材に伸線加工を施し、所定の強度を付与する技術が知られている。この技術はボルト等に利用され、この技術を用いて製造したボルトは非調質ボルトと呼ばれている。

特許文献１には、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜０．５５％、Ｍｎ：１．１〜２．０％の線材を熱湯浴中で冷却し、減面率２０〜５０％で引抜き加工する非調質ボルトの製造方法が開示されている。この製造方法では、球状化焼鈍や焼入れ焼戻し処理を省略することが可能であるが、実施例に記載のボルトの最大強度は８８ｋｇｆ／ｍｍ²であり、強度面で十分とは言えず、高強度化に限界がある。

特許文献２には、Ｃが０．４〜１．０％で、かつ、成分組成が特定の条件式を満たし、組織がパーライトや疑似パーライトからなる冷間鍛造用鋼が開示されている。この鋼は、Ｃ量が多く、従来、ボルト等の機械部品に用いている機械構造用炭素鋼や機械構造用合金鋼と比較して、冷間鍛造性が劣る。

このように、従来技術による非調質線材では、良好な冷間鍛造性を有し、かつ、９００ＭＰａ以上の強度を有する機械部品や、これを製造するための鋼線及び線材が得られていない。

特開平０２−２７４８１０号公報 特開２０００−１４４３０６号公報

本発明は、従来技術における上記課題に鑑み、(a)安価に製造することが可能な、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの高強度機械部品、(b)該機械部品の製造に用いる、軟質化焼鈍や焼入れ焼戻し処理などの熱処理の省略が可能な鋼線、(c)その鋼線を製造するための線材、及び、(d)それらを製造する製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、軟質化熱処理を省略しても冷間鍛造が可能であり、かつ、焼入れ焼戻しなどの調質処理を行わなくても、引張強さが９００ＭＰａ以上の高強度機械部品を得るための鋼材の成分組成と組織の関係を調査した。本発明は、この調査で得た冶金的知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

[１]
引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
線材の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満である、非調質機械部品用線材。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[２]
さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、[１]に記載の非調質機械部品用線材。

[３]
引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材を製造する方法であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
次いで、冷却する、非調質機械部品用線材の製造方法。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[４]
引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる鋼線であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
鋼線の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満であり、
鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である、非調質機械部品用鋼線。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[５]
さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、[４]に記載の非調質機械部品用鋼線。

[６]
引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる鋼線を製造する方法であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
次いで、冷却し、
その後、総減面率１５〜８０％で伸線加工を行う、非調質機械部品用鋼線の製造方法。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[７]
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼線を冷間加工して製造された、機械部品であって、
金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
前記鋼線の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満であり、
前記鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[８]
さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、[７]に記載の非調質機械部品。

[９]
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
次いで、冷却し、
その後、総減面率１５〜８０％で伸線加工を行い、
さらに、冷間加工する、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造方法。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[１０]
前記伸線加工を行った後、軟質化熱処理を行わずに冷間加工する、[９]に記載の非調質機械部品の製造方法。

[１１]
前記冷間加工を行った後、２００〜６００℃に１０分以上保持する、[９]に記載の非調質機械部品の製造方法。

本発明によれば、自動車、各種産業機械、及び、建設用部材の軽量化や小型化に寄与する、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの高強度機械部品を安価に提供することができる。

引張強さ（ＴＳ）と、表層から０．１Ｄの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径と内部の平均ブロック粒径の比の関係を示す図である。

本発明者らは、前述したように、軟質化熱処理を省略しても冷間鍛造が可能であり、かつ、焼入れ焼戻しなどの調質処理を行わなくても、引張強さが９００ＭＰａを超える高強度機械部品を得るための鋼材の成分組成と組織の関係を詳細に調査した。そして、本発明者らは、高強度機械部品を安価に製造するため、調査で得た冶金的知見に基づいて、線材の熱間圧延時の保有熱を利用したインライン熱処理、及び、その後の鋼線・機械部品までの一連の製造方法について、総合的な検討を進め、以下の結論に到達した。

（ｘ）伸線加工と冷間鍛造により、線材に高強度を付与するには、鋼組織を、加工硬化能が優れたパーライト組織とすることが有効であるが、パーライト組織は、加工性が劣り、変形抵抗が高く、かつ、加工割れが発生し易い。

（ｙ）パーライト組織の加工性を向上させるためには、(y1)合金元素の量を低減すること、(y2)表層のパーライト組織のブロック粒径を微細にすることが有効である。

（ｚ）即ち、Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６を０．６０未満とするとともに、表層から０．１Ｄ（Ｄ：線材の直径）の領域のパーライトブロックの粒径を１５μｍ以下とし、かつ、線材内部のパーライトブロックの粒径との比を１．０未満とすると、パーライト組織の冷間加工性を著しく高めることができる。

このように、鋼材の成分組成と組織を改良することにより、優れた加工硬化能を確保するとともに、焼入れ焼戻し処理を省略しても高強度を維持し、かつ、冷間鍛造性を向上させることが可能となった。

このような、軟質化熱処理を省略しても冷間鍛造が可能であり、かつ、焼入れ焼戻しなどの調質処理を行わなくても高強度となる機械部品を得るための素材となる鋼線は、鋼線の段階で、既に、上記特徴のミクロ組織を有するものとし、これを、加工前の熱処理を行わずに、機械構造用部品に加工することが有効である。

この場合、球状化焼鈍を行い軟質化する従来の製造方法に比べれば、冷間加工性は劣化するが、軟質化焼鈍費用と加工後の焼入れ焼戻し費用を削減できるので、コスト面において、本発明が有利である。

さらに、鋼線の素材となる線材の製造方法については、熱間圧延時の残熱を利用して、圧延後直ちに、２槽からなる溶融塩浴に浸漬すれば、高価な合金元素を添加しなくても、ほぼ完全なパーライト組織の鋼材を得ることができる。この製造方法は、安価で、優れた材質特性を得ることができる最良の製造方法である。

即ち、本発明は、パーライト組織とすべく成分組成を調整した鋼材を、熱間圧延時の残熱を利用して溶融塩浴に浸漬して、ほぼ完全なパーライト組織の線材とし、これを室温で特定の条件にて伸線加工して、高強度のパーライト組織の調整を行い、機械部品に成形した後、延性を回復させるための比較的低温の熱処理を行う一連の製造方法である。

それ故、本発明は、従来の製造法や知見では製造が極めて困難であった引張強さ９００〜１３００ＭＰａの機械部品を安価に製造できる。

まず、本発明の鋼材（線材、鋼線、非調質機械部品）の成分組成を限定した理由について説明する。以下、成分組成に係る％は、質量％を意味する。

Ｃは、所定の引張強さを確保するために添加する。０．２０％未満では、９００ＭＰａ以上の引張強さを確保することが困難であり、一方、０．５０％を超えると、冷間鍛造性が劣化するので、Ｃは０．２０〜０．５０％とした。強度と冷間鍛造性を両立する好ましい範囲は０．３５〜０．４８％である。

Ｓｉは、脱酸元素として機能するとともに、固溶強化により引張強さを高める効果を奏する。０．０５％未満では、添加効果が不十分であり、２．０％を超えると、添加効果が飽和するとともに、熱間延性が劣化して疵が発生し易くなって製造性が低下するので、Ｓｉは０．０５〜２．０％とした。製造性を考慮した好ましい範囲は０．１８〜０．５％である。

Ｍｎは、パーライト変態後の鋼の引張強さを高める効果を奏する。０．２０％未満では、添加効果が不十分であり、１．０％を超えると、添加効果が飽和するので、０．２０〜１．０％とした。より好ましい範囲は０．５０〜０．８％である。

ＰとＳは、不可避的不純物である。これらの元素は、結晶粒界に偏析して、耐水素脆化特性を劣化させるので、少ないほうがよく、上限を、いずれも０．０３０％とした。好ましくは０．０１５％以下である。下限は０％を含むが、Ｐ、Ｓとも、不可避的に、少なくとも０．０００５％程度は混入する。

Ｎは、動的歪み時効により冷間加工性を劣化させるので、少ないほうがよく、上限を０．００５％とした。好ましくは０．００４％以下である。下限は、０％を含むが、不可避的に、少なくとも０．０００５％程度は混入する。

Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｍｎの含有量の関係式（１）：Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６が０．６０以上になると、変形抵抗が増加し、冷間加工性が劣化するので、Ｆ１を０．６０未満とした。

Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｍｎは、強度を向上させる元素である。Ｆ１は、強度向上に寄与する程度を考慮して、Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｍｎの総量を規制する式である。

本発明では、Ａｌを０．００３〜０．０５０％含有してもよい。Ａｌは、脱酸元素として機能する他、ＡｌＮを形成して固溶Ｎを低減し、動的歪み時効を抑制する。ＡｌＮは、ピン止め粒子として機能して結晶粒を細粒化し、冷間加工性を向上させる。

０．００３％未満では、添加効果がなく、０．０５０％を超えると、添加効果が飽和するとともに、製造性が劣化するので、Ａｌは０．００３〜０．０５０％とした。好ましくは、０．００８〜０．０４５％である。

本発明では、脱酸元素として、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は、脱酸元素として機能するとともに、ＣａＳやＭｇＳなどの硫化物を形成して固溶Ｓを固定し、耐水素脆化特性を向上させる効果を奏する。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、及び、Ｖは、強度を高め、冷間加工性を劣化させるので、低減する必要がある。ただし、不純物として含有される量が、Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６＋（Ｃｒ（％）＋Ｍｏ（％））／５＋Ｎｉ（％）／４０＋（Ｔｉ（％）＋Ｎｂ（％）＋Ｖ（％））／５の値で０．６０未満であれば、冷間加工性への影響は小さいので、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、及び、Ｖは、上記値が０．６０未満の範囲で許容される。上記値は、０．５８以下が好ましい。

なお、Ｏは、鋼中に不可避的に、Ａｌ、Ｃａ、及び／又は、Ｍｇの酸化物の形態で存在する。Ｏ量が多いと粗大な酸化物が生成して、疲労破壊の原因となるので、０．０１％以下が好ましい。ただし、Ｏは、不可避的に、少なくとも０．００１％程度は混入する。

本発明では、上記成分組成の鋼片を熱間圧延し、特定のミクロ組織を持つ鋼材（線材、鋼線、非調質機械部品）にする必要がある。次に、鋼材（線材、鋼線、非調質機械部品）のミクロ組織の限定理由について説明する。

パーライト組織は、優れた加工硬化特性を有する組織である。体積率が“６４×（Ｃ％）＋５２％”未満の場合、伸線加工及び冷間鍛造の際の加工硬化が小さくなって、強度が低下するととともに、非パーライト組織部が破壊の起点となって、冷間鍛造の際に加工割れが発生し易くなるので、パーライト組織の体積率の下限を“６４×（Ｃ％）＋５２％”とした。

パーライト組織以外の残部組織として、初析フェライト組織やベイナイト組織を含むことができる。マルテンサイト組織は、伸線加工や冷間鍛造の際の割れを発生し易くするとともに、耐水素脆化特性を劣化させるので、含有しない。

パーライト組織の体積率は、例えば、走査型電子顕微鏡で、線材のＣ断面（線材の長手方向に垂直な断面）を１０００倍の倍率で撮影し、画像解析して求める。例えば、線材のＣ断面において、線材の表層（表面）近傍、１／４Ｄ部（線材の表面から線材の中心方向に線材の直径Ｄの１／４離れた部分）、及び、１／２Ｄ部（線材の中心部分）を、それぞれ、１２５μｍ×９５μｍの領域で撮影する。検鏡面（Ｃ断面）に含まれる組織の面積率は、組織の体積率と等しいので、画像解析で得た面積率が、組織の体積率である。なお、鋼線および非調質機械部品のパーライト組織の体積率も、同様に定められる。

表層から０．１Ｄの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍを超えると、冷間鍛造の際に加工割れが発生し易くなるので、上記平均ブロック粒径の上限を１５μｍとした。

（表層から０．１Ｄの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心の範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０以上となると、加工割れが発生し易くなるので、上記平均ブロック粒径の比率を１．０未満とした。好ましい上限は０．９０である。

次に、本発明では、線材を伸線加工して得た鋼線において、鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域における、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である。図１に、引張強さ（ＴＳ）と、表層から０．１Ｄの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径と内部の平均ブロック粒径の比の関係を示す。図中、黒四角は、成分組成が本発明の範囲外で、かつ、Ｆ１が０．６以上の鋼材の場合である。

図中、黒三角は、成分組成は本発明の範囲内であるが、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の体積率が、全パーライト組織に対して７０％未満の本発明の範囲外の鋼線の場合で、◆は、成分組成が本発明の範囲内で、かつ、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の体積率が、全パーライト組織に対して７０％以上の鋼線の場合である。

平均ブロック粒径は、例えば、ＥＢＳＰ（Electron Back Scattering Pattern）装置を用いて測定できる。具体的には、線材の長手方向に垂直な線材断面において、表層から０．１Ｄの範囲、及び、１／４Ｄ部（鋼線の表面から鋼線の中心方向に鋼線の直径Ｄの１／４離れた部分）から１／２Ｄ部（鋼線の中心部分）の範囲にて、それぞれ、２７５μｍ×１６５μｍの領域を測定する。

ＥＢＳＰ装置で測定したｂｃｃ構造の結晶方位マップから、方位差が１０°以上となる境界を、ブロック粒界とする。そして、一つのブロック粒の円相当粒径をブロック粒径と定義し、その体積平均を平均粒径と定義する。

非調質機械部品とは、軟質化焼鈍や焼入れ焼戻し処理などの熱処理を省略して、伸線や鍛造などの加工効果により強度を付与した機械部品であり、ここでは、初期断面からの減面率が１０％以上である機械部品とする。

次に、鋼材（線材、鋼線、非調質機械部品）の製造方法について説明する。所定の成分組成からなる鋼片を加熱し、次いで、線材形状に熱間圧延し、その後、リング状に巻き取る。巻取り温度は８００〜９００℃とし、巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却する。

巻取り温度は、変態後のパーライトブロック粒に影響する。巻取り温度が９００℃を超えると、熱間圧延後の線材のパーライトブロック粒径が粗粒となり、表層部において１５μｍを超えて、冷間鍛造性を劣化させる。巻取り温度が８００℃未満になると、変態後の組織の初析フェライトの体積率が増加し、パーライト組織の体積率が“６４×（Ｃ％）＋５２％”未満となる。このため、巻取り温度は８００〜９００℃とした。

巻取り後の冷却速度が２０℃／秒未満であると、線材の初析フェライト組織の体積率が増加し、パーライト組織の体積率が“６４×（Ｃ％）＋５２”％未満となる。冷却速度を１００℃／秒超とするためには、過剰な冷却設備が必要になる。それ故、巻取り後６００℃までの冷却速度は２０〜１００℃／秒とした。

６００℃から５５０℃までの冷却速度が２０℃／秒を超えると、組織中にベイナイト組織が生成し、冷間鍛造性が劣化するので、６００℃から５５０℃までの冷却速度の上限を２０℃／秒とした。下限は生産性の点から１℃／秒が好ましい。

次に、熱間圧延時の残熱を利用し、線材を溶融塩槽に浸漬して、恒温パーライト変態を生じさせる。

５５０℃まで冷却した後、線材を、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に浸漬し、それぞれ、５〜１５０秒、恒温保持し、その後、冷却して、上記のミクロ組織を有する線材を製造する。

溶融塩槽１の温度が４００℃未満であると、ベイナイトが生成し、冷間鍛造性が劣化する。溶融塩槽１の温度が６００℃を超えると、パーライト変態時間が長時間化する。それ故、溶融塩槽１の温度は４００〜６００℃とする。

溶融塩槽１に続く溶融塩槽２では、最も短時間でパーライト変態を終了させるため、温度を５００〜６００℃とする。溶融塩槽への浸漬時間は、鋼材の充分な温度保持と生産性の点から、いずれの槽でも５〜１５０秒とする。溶融塩槽に所定時間保持した後の冷却は、水冷でも放冷でもよい。

なお、浸漬槽として、溶融塩槽ではなく、鉛浴槽や流動床などの設備を使用しても、同様の効果が得られるが、環境や製造コストの点で、本発明が優れている。

このように製造された線材を、伸線加工して所望の強度及び冷間鍛造性を有する鋼線とするには、表層から１．０ｍｍまでの領域におけるパーライト組織の態様が重要である。

鋼線の表層から深さ１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の体積率が、全パーライト組織に対して７０％未満の場合、冷間鍛造性の向上効果が得られない。そのため、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の体積率の下限を７０％とした。アスペクト比が２．０未満のブロックの体積率は少ないほどよいので、上記組織の体積率の好ましい下限は８０％である。

パーライトブロックのアスペクト比が２．０未満の場合、冷間鍛造性の向上効果が小さいので、上記アスペクト比の下限は２．０とした。なお、アスペクト比は、ブロック粒の長径と短径の比であり、伸線加工後の軸方向の径と、軸に垂直方向の径の比（軸方向の径／軸に垂直方向の径）に等しい。

伸線加工においては、減面率を１５〜８０％とする。伸線加工の減面率が１５％未満の場合、加工硬化が不十分で強度が不足するので、減面率の下限を１５％とした。減面率が８０％を超えると、冷間鍛造の際に加工割れが発生し易くなるので、減面率の上限を８０％とした。好ましい減面率は２０〜６５％である。なお、伸線加工は１回でもよく、また、複数回でもよい。

このようにして得られた鋼線を用いて、最終の機械部品へ成形加工するが、上記ミクロ組織の特徴を維持するため、成形加工前に熱処理は行わなくても良い。このようにして得られた鋼線を冷間鍛造（冷間加工）することにより、引張強さが９００〜１３００ＭＰａである非調質機械部品が得られる。本発明は、引張強さで９００ＭＰａ以上の非調質機械部品を得ることを基本としている。部品としての強度が引張強さで９００ＭＰａ未満では、本発明を適用する必要がない。一方、１３００ＭＰａを超える部品は、冷間鍛造で製造することが困難であり、製造コストが増加する。それ故、部品強度として、引張強さを９００〜１３００ＭＰａとした。

好ましい引張強さは９００〜１２５０ＭＰａ、より好ましくは９００〜１２００ＭＰａ未満である。機械部品として、このままでも高強度であるが、降伏強度・降伏比、又は、延性という、機械部品として必要な他の材質特性を向上させるために、部品形状に冷間鍛造した後、機械部品を、２００〜６００℃に１０分〜５時間保持し、その後、冷却してもよい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

実施例に供した鋼材の成分組成と、式Ｆ１＝（Ｃ％）＋（Ｓｉ％）／２４＋（Ｍｎ％）／６の値を表１に示す。鋼種Ｌ、Ｍ、Ｎ、及び、Ｏは、本発明の範囲を外れる比較例である。

これらの鋼種からなる鋼片を、線径８．０〜１５．０ｍｍの線材に熱間圧延した。熱間圧延後、巻取り、冷却を行い、圧延ライン上の溶融塩槽１、２にて恒温変態処理を施し、次いで、冷却した。

表２に、熱間圧延線材の線径、熱間圧延後の巻取り温度、巻取り温度から６００℃までの冷却速度、６００℃から５５０℃までの冷却速度、溶融塩槽１、２の各槽での恒温保持温度と恒温保持時間を示す。冷却後の熱間圧延線材に、表２に示す減面率で伸線加工を施し、熱処理を行った。熱処理の熱処理温度と保持時間を表２に示す。

表３に、溶融塩槽１、２にて恒温変態処理を施した後、冷却して得られた線材の金属組織、パーライト組織の体積率、表層から０．１Ｄの領域でのパーライト組織の平均ブロック粒径、内部のパーライト組織の平均ブロック粒径（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）と、表層と内部の平均ブロック粒径の比を示す。なお、金属組織において、Ｆは初析フェライト、Ｐはパーライト、Ｂはベイナイト、Ｍはマルテンサイトを示す。

伸線加工後の鋼線の組織も、表３に示す組織と同じである。表３には、鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域における、アスペクト比２．０以上のパーライトブロックからなる組織の全パーライト組織に対する比率を示した。また、表３には“６４×（Ｃ％）＋５２％”で計算したパーライト組織の体積率の下限を示した。

表４に、鋼線を冷間鍛造（冷間加工）して得られた最終の機械部品での引張強さと、熱処理前の鋼線の冷間鍛造性を示す。

引張強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２０１の９Ａ試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の試験方法に準拠した引張試験を行って評価した。冷間鍛造性は、伸線加工後の鋼線を機械加工して作製したφ５．０×７．５ｍｍの試料を用いて、同心円状に溝がついた金型で端面を拘束して圧縮し、歪み１．０に相当する圧縮率５７．３％で加工した時の最大応力（変形抵抗）と、割れが発生しない最大の圧縮率（限界圧縮率）で評価した。

圧縮率５７．３％で加工した時の最大応力が１２００ＭＰａ以下のとき、変形抵抗が優れていると判定し、割れが発生しない最大の圧縮率が６５％以上のとき、限界圧縮率が優れていると判定した。

水準１０は、表２に示すように、巻取り後に恒温変態処理を行わずに、ステルモア上で冷却した従来の製造方法であり、パーライト組織の体積率が本発明範囲を外れている。

水準１１は、ステルモア上で冷却して製造した水準１０の線材を、９５０℃に１０分加熱し、５８０℃の鉛浴で１００秒保持した比較例であり、表層から０．１Ｄの範囲でのパーライト組織の平均ブロック粒径、及び、表層と内部の平均ブロック粒径の比率が、本発明範囲を外れている。
水準１３は、巻取温度が本発明範囲の上限を超える例である。表層から０．１Ｄの範囲でのパーライト組織の平均ブロック粒径、及び、表層と内部の平均ブロック粒径の比率が、本発明範囲を外れている。

水準１５は、伸線減面率が本発明範囲の下限より小さい例であり、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が、本発明範囲の下限に達していない。

水準１６は、溶融塩槽の温度が本発明範囲の下限より低い例であり、金属組織にマルテンサイト組織が混在して、本発明の組織から外れるとともに、パーライト組織の体積率、及び、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が、本発明範囲の下限に達していない。マルテンサイト組織が混在する水準１６では、伸線加工性が劣化し、伸線加工中に断線が発生した。
水準２２は巻取温度が本発明範囲の下限未満の例である。初析フェライトが生成し、パーライト組織の体積率が本発明範囲の下限未満である。
水準２３は溶融塩槽１の温度が本発明範囲の上限を超える例である。金属組織にマルテンサイト組織が混在して、本発明の組織から外れるとともに、パーライト組織の体積率が本発明範囲の下限未満である。
水準２４は溶融塩槽２の温度が本発明範囲の上限を超える例である。金属組織にマルテンサイト組織が混在して、本発明の組織から外れるとともに、パーライト組織の体積率、及び、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が、本発明範囲の下限に達していない。
水準２５は溶融塩槽１、及び、溶融塩槽２の保持時間が本発明範囲の下限未満の例である。金属組織にマルテンサイト組織が混在して、本発明の組織から外れるとともに、パーライト組織の体積率、及び、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が、本発明範囲の下限に達していない。マルテンサイト組織が混在する水準２５では、伸線加工性が劣化し、伸線加工中に断線が発生した。

表４に、各水準の機械的特性を示す。

パーライト組織の体積率と、表層と内部の平均ブロック粒径の比が本発明範囲を外れる水準１０、表層から０．１Ｄまでの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径と、表層と内部の平均ブロック粒径の比が本発明の範囲を外れる水準１１、表層から０．１Ｄまでの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径が本発明範囲を外れる水準１３、表層と内部の平均ブロック粒径の比が本発明範囲を外れる水準１５、金属組織にマルテンサイト組織が混在し本発明の組織を外れるとともに、パーライト組織の体積率と、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が本発明範囲を外れる水準１６、水準２４、パーライト組織の体積率と、アスペクト比が２．０以上のパーライト組織の体積率が本発明範囲を外れる水準１８、パーライト組織の体積率が外れる水準２２、金属組織にマルテンサイト組織が混在し本発明の組織を外れるとともに、パーライト組織の体積率が本発明範囲を外れる水準２３は、限界圧縮率が、いずれも６５％未満で不良である。

ＣｒとＭｏが本発明範囲を外れる鋼種Ｍを用いた水準１９、ＣとＦ１が本発明範囲を外れる鋼種Ｎを用いた水準２０、ＣとＮが本発明範囲を外れる鋼種Ｏを用いた水準２１は、いずれも、圧縮率５７．３％での応力が１２００ＭＰａを超え、変形抵抗が不良である。

以上より、本発明の機械部品は、軟質化焼鈍を省略しても冷間鍛造が可能な加工性を有していて、焼入れ焼戻し処理を省略しても、９００〜１３００ＭＰａの強度を有することが解る。

前述したように、本発明によれば、自動車、各種産業機械、及び、建設用部材の軽量化や小型化に寄与する高強度機械部品を安価に提供することができる。よって、本発明は、機械産業において利用可能性が高いものである。

[１]
引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
線材の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満であり、
総減面率１５〜８０％で伸線加工を行って製造される鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である、非調質機械部品用線材。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

[３]
［１］に記載の非調質機械部品用線材を製造する方法であって、
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
次いで、冷却する、非調質機械部品用線材の製造方法。
Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）

Claims (11)

1. 引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材であって、
   質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
   金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
   線材の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満である、非調質機械部品用線材。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
2. さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、請求項１に記載の非調質機械部品用線材。
3. 引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる線材を製造する方法であって、
   質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
   巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
   その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
   次いで、冷却する、非調質機械部品用線材の製造方法。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
4. 引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる鋼線であって、
   質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
   金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
   鋼線の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満であり、
   鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である、非調質機械部品用鋼線。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
5. さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、請求項４に記載の非調質機械部品用鋼線。
6. 引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造に用いられる鋼線を製造する方法であって、
   質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
   巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
   その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
   次いで、冷却し、
   その後、総減面率１５〜８０％で伸線加工を行う、非調質機械部品用鋼線の製造方法。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
7. 質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼線を冷間加工して製造された、機械部品であって、
   金属組織が、体積率で６４×（Ｃ％）＋５２％以上のパーライト組織を含み、残部が、初析フェライト組織及びベイナイト組織の１種又は２種からなり、
   前記鋼線の直径をＤとしたとき、表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径が１５μｍ以下で、かつ、（表層から０．１Ｄまでの領域のパーライト組織の平均ブロック粒径）／（０．２５Ｄから中心までの範囲のパーライト組織の平均ブロック粒径）が１．０未満であり、
   前記鋼線の軸方向と平行な断面における表層から１．０ｍｍまでの領域において、アスペクト比が２．０以上のパーライトブロックからなる組織の面積率が、全パーライト組織に対して７０％以上である、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
8. さらに、質量％で、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１０％の１種又は２種以上を含有する、請求項７に記載の非調質機械部品。
9. 質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５％以下に制限され、下記式（１）で定義するＦ１が０．６０未満であり、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼片を加熱し、線材形状に熱間圧延し、巻取り温度８００〜９００℃で巻き取り、
   巻取り終了温度から６００℃までを、２０〜１００℃／秒の冷却速度で冷却し、さらに、６００℃から５５０℃までを、２０℃／秒以下の冷却速度で冷却し、
   その後、４００〜６００℃の溶融塩槽１と、それに連続する５００〜６００℃の溶融塩槽２に、それぞれ、５〜１５０秒恒温保持し、
   次いで、冷却し、
   その後、総減面率１５〜８０％で伸線加工を行い、
   さらに、冷間加工する、引張強さが９００〜１３００ＭＰａの非調質機械部品の製造方法。
   Ｆ１＝Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｍｎ（％）／６ ・・・（１）
10. 前記伸線加工を行った後、軟質化熱処理を行わずに冷間加工する、請求項９に記載の非調質機械部品の製造方法。
11. 前記冷間加工を行った後、２００〜６００℃に１０分以上保持する、請求項９に記載の非調質機械部品の製造方法。

Images