JP4784103B2 - 高耐力比非調質鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、機械部品の材料とする、高耐力比を示す非調質鋼と、それを使用した機械部品の製造方法に関する。ここで、「耐力比」とは、（０．２％耐力／引張強さ）の比を意味する。
機械部品の設計・製作において、材料の耐力が重要な因子であることはいうまでもない。一方、被削性は、製造コストや部品精度などに影響を与える、これも重要な因子である。一般に被削性は、引張強さが増大すると低下する。したがって、耐力設計の部品の場合、耐力比が高いということは、同等の被削性を有する材料から、より高い強度をもった部品を製作することが可能になるということを意味する。
従来、非調質鋼を使用してコンロッドなどの部品を製造した場合、その耐力比は、通常の１２００℃前後の加熱温度における鍛造・空冷の製造条件では、０．７５レベルが上限である。１０５０℃前後の低温鍛造・空冷という製造条件を選択し、鍛造金型の寿命が低下すること、製品に欠肉が生じるおそれ、鍛造後の冷却速度を増加させる必要にこたえた衝風冷却の採用など、製造コストの増大を忍んで非調質鋼部品を製造しても、得られる改善は僅かであって、実現する耐力比は０．８０近辺が限界であり、これ以上の耐力比が必要な場合には、一般に調質鋼が使用されていた。
コンロッドの製造に関しては、キャップ部分の構成を機械切断でなく、脆性破壊により行なう改善が実施されている。この目的に適した低延性の非調質鋼であって、高強度かつ高降伏比のものが提案された（特許文献１）。その鋼は、Ｃ：０．２０〜０．６５％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０、Ｐ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．１〜０．１０５％、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．２０％、Ａｌ：０〜０．１００％およびＮ：０〜０．０２％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｓｉ（％）＋２Ｖ（％）＋５Ｐ（％）−０．８≧０およびＣ（％）＋Ｓｉ（％）／１０＋Ｍｎ（％）／５＋５Ｃｒ（％）／２２＋１．６５Ｖ（％）−５Ｓ（％）／７−０．８≧０である合金組成を特徴とする。この発明が確保した降伏比のレベルは「０．７以上」である。（「降伏比」の定義が与えられていないので、本発明で意図した耐力比との関係は明らかでないが、類似の物性を理解した。）
特開平９−１１１４１２
発明者らは、調質鋼レベルの耐力比０．８０以上を確実に示す非調質鋼を実現することを意図して、種々研究の結果、下記の知見を得た。
・固溶強化によってフェライトを強化するＳｉおよびＰを、また析出強化によりフェライトを強化するＶを積極添加するとよいこと。
・これらの強化機構を効果的に発揮させるには、フェライトの量をともに、生成するフェライトが微細化するよう、ＳおよびＰをそれぞれ適正な量添加するとよいこと。そして、ＰおよびＳの複合添加効果によって、高耐力比が得られること。
・鋼の合金組成が特定の範囲にある場合、Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８以下の条件を満たせば、被削性にとって有害なベイナイト組織の生成を抑えられること。
・そのような鋼において、Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖであらわされる炭素当量Ｃｅｑの値が０．８０〜１．１５以上であるという条件を満たせば、通常の鍛造・空冷を行なって、一般に部品に要求される硬さ２０ＨＲＣ以上を有するフェライト・パーライト型非調質鋼部品が得られること。
・鍛造後の冷却速度は、ベイナイト組織が生成しない範囲内では高い方がよいこと。少なくとも８００〜５００℃の温度範囲を、平均値にして０．８℃/sec以上の速度で冷却するのが望ましく、それにより、さらに耐力比が向上すること。これには、衝風冷却が効果的であること。
・固溶強化によってフェライトを強化するＳｉおよびＰを、また析出強化によりフェライトを強化するＶを積極添加するとよいこと。
・これらの強化機構を効果的に発揮させるには、フェライトの量をともに、生成するフェライトが微細化するよう、ＳおよびＰをそれぞれ適正な量添加するとよいこと。そして、ＰおよびＳの複合添加効果によって、高耐力比が得られること。
・鋼の合金組成が特定の範囲にある場合、Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８以下の条件を満たせば、被削性にとって有害なベイナイト組織の生成を抑えられること。
・そのような鋼において、Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖであらわされる炭素当量Ｃｅｑの値が０．８０〜１．１５以上であるという条件を満たせば、通常の鍛造・空冷を行なって、一般に部品に要求される硬さ２０ＨＲＣ以上を有するフェライト・パーライト型非調質鋼部品が得られること。
・鍛造後の冷却速度は、ベイナイト組織が生成しない範囲内では高い方がよいこと。少なくとも８００〜５００℃の温度範囲を、平均値にして０．８℃/sec以上の速度で冷却するのが望ましく、それにより、さらに耐力比が向上すること。これには、衝風冷却が効果的であること。
本発明の目的は、上記した発明者らが得た新しい知見を利用して、通常の１２００℃前後の鍛造、または１２５０℃程度の高温の鍛造を行なった場合でも、常に調質鋼レベルの耐力比０．８０以上が得られる非調質鋼と、それを使用した機械部品の製造方法を提供することにある。それによって、機械部品のコンパクト化、軽量化を可能にし、しかも製造コストの増大は抑制することが、最終的な目的である。
本発明の高耐力比非調質鋼は、基本的な態様においては、質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜１．５％、Ｐ：０．０６〜０．１５％、Ｓ：０．０７〜０．１５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：（０％を含み）０．０５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０５０％、Ｖ：０．２０〜０．４５％およびＮ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、ただし、
Ｐ＋Ｓ：０．１４％以上、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８％以下、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖ：０．８０〜１．１５
であって、鍛造後の組織が主として（フェライト+パーライト）からなり、０．８０以上の耐力比を示す非調質鋼である。
Ｐ＋Ｓ：０．１４％以上、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８％以下、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖ：０．８０〜１．１５
であって、鍛造後の組織が主として（フェライト+パーライト）からなり、０．８０以上の耐力比を示す非調質鋼である。
本発明の高耐力比非調質鋼は、適切な合金組成の選択により、既存の非調質鋼がもっていた被削性を損なうことなく、０．８以上の高い耐力比を確実に達成することができるから、従来と変わりのない加工性で高耐力の機械部品を製作することを可能にする。この高い耐力比は、低温鍛造をえらばず、通常の１２００℃前後の鍛造、または１２５０℃程度の高温の鍛造を行なった場合でも、常に得られる。
その結果、機械部品の小型化および軽量化が実現する。これは、その部品自体の性能の向上と製造コストの低減という効果を奏するだけでなく、その部品を組み込む機械の小型化・軽量化にも寄与する。鍛造に当たって、通常の加熱温度またはより高温の加熱温度を採用することができ、低温鍛造をする必要がないから、長い鍛造金型寿命を享受することができ、これも部品製造コストにとって有利に作用する。
本発明の高耐力比非調質鋼は、上記した基本的な合金成分に加えて、下記のグループに属する任意添加元素のひとつまたはふたつ以上を含有することができる。
（Ｉ）Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％およびＴｉ：０．００１〜０．０５０％の１種または２種
これらの元素は結晶粒微細化作用を有するから、鍛造温度が１２５０℃またはそれ以上の高温である場合、成形品の組織が粗くなって所望の耐力比が得られないという事態を避けたいときに推奨される任意添加成分である。
（ＩＩ）Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％およびＯ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種
これらは、介在物の形態を制御するはたらきがある。合金組成によって被削性が低い場合や、とくに高い被削性を望む場合添加するとよい。
（Ｉ）Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％およびＴｉ：０．００１〜０．０５０％の１種または２種
これらの元素は結晶粒微細化作用を有するから、鍛造温度が１２５０℃またはそれ以上の高温である場合、成形品の組織が粗くなって所望の耐力比が得られないという事態を避けたいときに推奨される任意添加成分である。
（ＩＩ）Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％およびＯ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種
これらは、介在物の形態を制御するはたらきがある。合金組成によって被削性が低い場合や、とくに高い被削性を望む場合添加するとよい。
以下に、本発明の高耐力比非調質鋼における各合金成分のはたらきと、合金組成を上記のように限定した理由を、基本的な合金組成および変更態様について説明する。
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは強度を確保するために必要であって、少なくとも０．１０％を存在させる。多量に添加すると耐力比が低下するため、上限を０．３５％とした。
Ｃは強度を確保するために必要であって、少なくとも０．１０％を存在させる。多量に添加すると耐力比が低下するため、上限を０．３５％とした。
Ｓｉ：０．４〜１．０％
Ｓｉは鋼の溶製時に脱酸剤としてはたらくとともに、フェライト中に固溶してこれを強化し、耐力や強度を向上させる。このような効果を明確に得るためには、０．４％以上のＳｉを含有させる必要がある。多量に添加すると、鍛造用金型の寿命を短くするので、１．０％までの添加に止める。
Ｓｉは鋼の溶製時に脱酸剤としてはたらくとともに、フェライト中に固溶してこれを強化し、耐力や強度を向上させる。このような効果を明確に得るためには、０．４％以上のＳｉを含有させる必要がある。多量に添加すると、鍛造用金型の寿命を短くするので、１．０％までの添加に止める。
Ｍｎ：０．６〜１．５％
Ｍｎは脱酸に必要であるだけでなく、強度を向上させる作用がある。この効果は、その含有量が０．６％未満の少量では得られず、一方、多すぎるとベイナイトが生成して被削性が低くなるため、１．５％以下の添加量をえらぶ。
Ｍｎは脱酸に必要であるだけでなく、強度を向上させる作用がある。この効果は、その含有量が０．６％未満の少量では得られず、一方、多すぎるとベイナイトが生成して被削性が低くなるため、１．５％以下の添加量をえらぶ。
Ｐ：０．０６〜０．１５％
Ｓ：０．０７〜０．１５％
ただし、Ｐ＋Ｓ：０．１４％以上
Ｐは耐力比を向上させる上で有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、０．０６％以上の含有が必要であるが、多量に含有されると熱間加工性が低くなるので、０．１５％を上限とした。Ｓもまた耐力比を向上させるのに有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、０．０７％以上の含有が必要であるが、多量に含有されると、かえって耐力比が低下する。本発明で意図した耐力比０．８以上を確保するためには、Ｓ量は０．１５％が適正な上限である。Ｐ＋Ｓの合計量は、耐力比０．８以上を得るためには、０．１４％以上とすべきである。
Ｓ：０．０７〜０．１５％
ただし、Ｐ＋Ｓ：０．１４％以上
Ｐは耐力比を向上させる上で有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、０．０６％以上の含有が必要であるが、多量に含有されると熱間加工性が低くなるので、０．１５％を上限とした。Ｓもまた耐力比を向上させるのに有効な元素であり、その効果を発揮させるためには、０．０７％以上の含有が必要であるが、多量に含有されると、かえって耐力比が低下する。本発明で意図した耐力比０．８以上を確保するためには、Ｓ量は０．１５％が適正な上限である。Ｐ＋Ｓの合計量は、耐力比０．８以上を得るためには、０．１４％以上とすべきである。
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％
Ｎｉ：０．０５〜０．５０％
ＣｕもＮｉも、Ｐと同様に耐力比の向上に有効な成分であり、その存在意義は、ともに含有量０．０５％以上において見出されるが、多量に添加することは経済的に不利であるから、それぞれの上限として選択した０．５０％までの範囲から添加量を選ぶ。
Ｎｉ：０．０５〜０．５０％
ＣｕもＮｉも、Ｐと同様に耐力比の向上に有効な成分であり、その存在意義は、ともに含有量０．０５％以上において見出されるが、多量に添加することは経済的に不利であるから、それぞれの上限として選択した０．５０％までの範囲から添加量を選ぶ。
Ｃｒ：０．０５〜０．５０％
Ｃｒは、強度を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０５％未満では所望の効果が得られず、また多すぎるとベイナイトが生成して被削性を損なうから、０．０５〜０．５０％の範囲内の添加量が適切である。
Ｃｒは、強度を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０５％未満では所望の効果が得られず、また多すぎるとベイナイトが生成して被削性を損なうから、０．０５〜０．５０％の範囲内の添加量が適切である。
Ｍｏ：０．０５％以下
Ｍｏは強度を向上させる元素であるが、多すぎるとベイナイトを生成し、被削性に不利にはたらくので、０．０５％を添加の上限とした。
Ｍｏは強度を向上させる元素であるが、多すぎるとベイナイトを生成し、被削性に不利にはたらくので、０．０５％を添加の上限とした。
Ｖ：０．２０〜０．４５％
Ｖは、ＰならびにＣｕおよびＮｉと同様、耐力比の向上に有効な成分である。０．８以上の耐力比を安定に得るために、０．２％以上のＶを添加する。多量に添加してもその効果が飽和するし、コスト面で不利になるから、０．４５％までの添加が得策である。
Ｖは、ＰならびにＣｕおよびＮｉと同様、耐力比の向上に有効な成分である。０．８以上の耐力比を安定に得るために、０．２％以上のＶを添加する。多量に添加してもその効果が飽和するし、コスト面で不利になるから、０．４５％までの添加が得策である。
Ｎ：０．００８〜０．０２５％
Ｎは、Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂなどと窒化物や炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化させ、結果として耐力を向上させる点で有用である。この効果を得るためには、０．００８％以上のＮが必要である。多量に添加しようとすると、ブローホールが発生して健全な鋼塊が得られないおそれがあるから、その上限を０．０２５％とした。
Ｎは、Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂなどと窒化物や炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化させ、結果として耐力を向上させる点で有用である。この効果を得るためには、０．００８％以上のＮが必要である。多量に添加しようとすると、ブローホールが発生して健全な鋼塊が得られないおそれがあるから、その上限を０．０２５％とした。
Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８％以下
この値が１．８を超えるとベイナイトが多量に析出し、被削性を悪くするし、耐力比も低下するため、Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏをこの限度に止める。
この値が１．８を超えるとベイナイトが多量に析出し、被削性を悪くするし、耐力比も低下するため、Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏをこの限度に止める。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖ：０．８０〜１．１５
強度を確保するという観点から、非調質鋼製部品のほとんどは、その硬さが２０ＨＲＣ以上であることが必要であり、一方、被削性の観点からは、２５ＨＲＣ程度までであることを要する。トラック用クランクシャフトなどの大物部品を別にすれば、通常の非調質鋼製部品は、鍛造後の８００〜５００℃の温度領域における平均冷却速度が、約０．７℃/sec（鋼材相当径を約３５mmと考えた場合）以上となる。このような条件下で、所望の硬さ２０ＨＲＣ以上を得るためには、炭素当量Ｃｅｑの値が０．８０以上であることが必要である。Ｃｅｑが１．１５を超えると、硬さが高くなりすぎて被削性が低下する。そこで、Ｃｅｑの範囲を、上記の０．８０〜１．１５とした。
強度を確保するという観点から、非調質鋼製部品のほとんどは、その硬さが２０ＨＲＣ以上であることが必要であり、一方、被削性の観点からは、２５ＨＲＣ程度までであることを要する。トラック用クランクシャフトなどの大物部品を別にすれば、通常の非調質鋼製部品は、鍛造後の８００〜５００℃の温度領域における平均冷却速度が、約０．７℃/sec（鋼材相当径を約３５mmと考えた場合）以上となる。このような条件下で、所望の硬さ２０ＨＲＣ以上を得るためには、炭素当量Ｃｅｑの値が０．８０以上であることが必要である。Ｃｅｑが１．１５を超えると、硬さが高くなりすぎて被削性が低下する。そこで、Ｃｅｑの範囲を、上記の０．８０〜１．１５とした。
Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％およびＴｉ：０．００１〜０．０５０％の１種または２種
ＮｂおよびＴｉは、窒化物および炭窒化物を生成し、鍛造後の結晶粒を微細化して強度を向上させるが、多量に添加すると、逆に強度が低下する。適切な添加量はいずれも、０．００１〜０．０５０％である。
ＮｂおよびＴｉは、窒化物および炭窒化物を生成し、鍛造後の結晶粒を微細化して強度を向上させるが、多量に添加すると、逆に強度が低下する。適切な添加量はいずれも、０．００１〜０．０５０％である。
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％およびＯ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種
Ｃａおよび０は、ＭｎＳ介在物の形態を制御する作用があり、それによって工具摩耗を抑制し、被削性を改善する効果がある。この効果を得るためには、Ｃａ：０．０００１％以上、Ｏ：０．００１％以上が必要である。多量に添加すると、どちらも熱間加工性を低くするので、上限を、いずれも０．０１０％とした。
Ｃａおよび０は、ＭｎＳ介在物の形態を制御する作用があり、それによって工具摩耗を抑制し、被削性を改善する効果がある。この効果を得るためには、Ｃａ：０．０００１％以上、Ｏ：０．００１％以上が必要である。多量に添加すると、どちらも熱間加工性を低くするので、上限を、いずれも０．０１０％とした。
表１（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成（重量％、残部Ｆｅ）をもつ鋼を真空溶解し、常法にしたがって鋼片にしたのち、１２００℃以上に加熱してから、１２００〜１０００℃の温度範囲で熱間鍛造し、直径２５mmの丸棒とし、つづいて常温まで空冷した。このときの、８００〜５００℃の温度領域における平均冷却速度は、０．８℃/secであった。
この熱間鍛造・空冷材からＪｌＳ４号試験片を切り出して、常温における引張試験を行なった。あわせて、引張試験片を採取した位置に隣接する部分から硬さ測定用およびミクロ組織用のサンプルを採取し、硬さ測定およびミクロ組織を観察した。それらの結果を、Ｐ＋ＳおよびＭｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏの値とともに、表３（実施例）および表４（比較例）に示す。
本発明の高耐力比非調質鋼は、その高い耐力と低い製造コストにより、代表的には自動車エンジンのクランクシャフトや、コンロッドのような部品を製造する材料として最適である。そのほか、小型で軽量であることを要求される、さまざまな機械部品の材料としても有用である。
Claims (4)
- 質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜１．５％、Ｐ：０．０６〜０．１５％、Ｓ：０．０７〜０．１５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：（０％を含み）０．０５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０５０％、Ｖ：０．２０〜０．４５％およびＮ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる合金組成を有し、ただし、
Ｐ＋Ｓ：０．１４％以上、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋２Ｍｏ：１．８％以下、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋０．０７Ｓｉ＋０．１６Ｍｎ＋０．６１Ｐ＋０．１９Ｃｕ＋０．１７Ｎｉ＋０．２Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋Ｖ：０．８０〜１．１５
であって、鍛造後の組織が主として（フェライト+パーライト）からなり、０．８０以上の耐力比を示す非調質鋼。 - 合金が、請求項１に記載の合金成分に加えて、Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％およびＴｉ：０．００１〜０．０５０％の１種または２種を含有する請求項１の高耐力比非調質鋼。
- 合金が、請求項１または２に記載の合金成分に加えて、Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％およびＯ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種を含有する請求項１または２の高耐力比非調質鋼。
- 請求項１ないし３のいずれかの合金組成を有する非調質鋼を機械部品の形状に熱間加工により成形し、８００〜５００℃の温度範囲を、平均値にして０．８℃/sec以上の速度で冷却することからなる高耐力比を示す機械部品の製造方法。
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