JPH039168B2

JPH039168B2 -

Info

Publication number: JPH039168B2
Application number: JP61039665A
Authority: JP
Inventors: Toshizo Tarui; Toshihiko Takahashi; Hiroshi Sato
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1991-02-07
Also published as: US4753691A; JPS62199718A; CA1290657C; GB2187202A; GB2187202B; GB8704439D0

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は機械構造用鋼の圧延材直接軟質化法に
係り、特に冷間鍛造によつて、例えばボルト、ナ
ツトなどに加工される機械構造用鋼の圧延材軟質
化法に関するものである。（従来の技術）従来、機械構造用鋼を用いて機械部品を冷間鍛
造する際、その変形抵抗を下げるために冷間鍛造
に先立つて軟質化を目的としたセメンタイトの球
状化焼鈍が実施されるのが一般的である。ところ
が、この処理は10〜20時間を要する処理であるた
め、生産性の向上あるいは省エネルギーの観点か
ら球状化焼鈍処理を省略し得える軟質圧延材の開
発は永年の課題であつた。これに対して、軟質圧延材の開発に対する従来
の知見としてたとえば「鉄と鋼」Vol.70（1984）
No.5236頁には、現行のJISに規定されたS45C、
SCM435などの中炭素機械構造用鋼を使用するこ
とを前提に、675℃近傍での低温圧延とその後の
等温保定によつて軟質化を図ることが提案されて
いるが、このような低温圧延では線材の表面きず
の発生、あるいは圧延ロールの耐久性低下という
問題があり、満足すべき解決手段とは言いがた
い。一方、特開昭58−107416号公報には、1000℃以
上の温度範囲において圧下率30％以上の圧延を
し、引き続き750〜1000℃の温度範囲において圧
下率50％以上の仕上圧延をした後、１℃／sec以
下の冷却速度で変態終了まで冷却して軟化させる
技術、特開昭59−13024号公報にはAr₁−50℃以
上の温度範囲で圧下率30％以上で仕上圧延をした
後、Ac₁〜Ac₃に再加熱し、炭化物を球状化させ
る技術、特開昭59−126720、126721号公報には
Ar₁点以下Ar₁−50℃以上の温度範囲で圧下率80
％以上の条件仕上圧延を行い、その加工熱でAc₁
〜Ac₃の温度範囲で仕上温度とするか、またはそ
のまま冷却し炭化物を球状化させる技術、さらに
は特開昭59−136421、136422、136423号公報には
Ar₁以下Ar₁−200℃以上の温度範囲で10％以上の
仕上圧延を行い、その加工熱でAc₃点以下Ac₁−
100℃以上の温度域に到達せしめた後、500℃まで
100℃／分以下の冷却速度で冷却させるか、また
はAe₁点以下500℃以上の温度範囲で７分以上保
持させるか、Ac₁点以上Ac₃点以下での圧延を繰
り返し炭化物を球状化させる技術がそれぞれ示さ
れている。ところが、通常の熱間圧延の仕上げ温
度は1000℃程度である。従つてこれらの技術はい
ずれも熱間圧延条件を規制して軟質圧延材を得る
ものであり低温仕上圧延を必要とするため、表面
きずの増大、圧延ロールの耐久性の低下という問
題がある。ところで、一般に圧延材ままの鋼材は、前記の
特開昭59−136421号公報にも見られるように、焼
入性の低い炭素鋼ではパーライト組織ないしフエ
ライト・パーライト組織、また焼入性の高い合金
鋼ではベイナイト組織となつている。従つて、圧
延材の強度を低下させるためには、強度の高いベ
イナイトの生成を防ぎフエライト・パーライト組
織とし、しかも組織の大半を占めるパーライトの
強度を低下させることが必要である。一般にパー
ライトの強度はセメンタイト間隔に反比例する関
係があるので、パーライトの強度を低下させるこ
とを考えると、そのためには、パーライトのセメ
ンタイト間間隔を粗くすることが必要になる。しかるに、パーライトのセメンタイト間間隔
は、オーステナイトからパーライトが変態生成す
る温度で一義的に決り、高い温度で変態するほど
粗くなる。従つて、圧延材を軟質化するために
は、圧延徐冷をするか、あるいは圧延後直ちにパ
ーライト変態が生じる温度範囲でできるだけ高い
温度に保定して、高温でパーライト変態させるこ
とが必要になる。ところが、パーライト変態は温
度が高くなるほど変態速度が遅くなり、パーライ
ト変態終了に極めて長時間を要するようになる。
しかし、圧延材を徐冷するにしても、あるいは高
温で保定するにしても、設備上、生産上、徐冷速
度あるいは保定時間には自ら限界が存在する。そこで、本発明者らは従来の知見を種々解析し
て、機械構造用鋼の圧延材についてその強度の支
配因子を検討した結果、通常の熱間圧延条件で機
械構造用鋼の強度の低下即ち軟質化に極めて有効
な手段である所の強度の高いベイナイトの生成を
防ぎしかもパーライトのセメンタイト間隔を粗く
すること、またさらに圧延材の軟質化のための最
大のポイントである所の高い温度でのパーライト
変態を短時間で終了させることの両者を一挙に達
成するためには、従来の鋼に含有されているMn
の一部をCrと置換えるとともに、熱間圧延後の
冷却条件あるいは保定条件に適切なものを選べば
良いという知見を得て、先に特開昭60−13891号
により提案を行なつている。ところで、この製造
手段は焼入性の低い低合金鋼の圧延材軟質化の点
できわめて優れているものの、SCr、SCM鋼の
ような高合金鋼の圧延材軟質化という点ではまだ
改良の余地があつた。（発明が解決しようとする問題点）本発明は上記の如き実状に鑑みなされたもので
あつて、焼入性の高い合金鋼を熱間圧延ままで軟
質化する方法を提供することを目的とするもので
ある。（問題点を解決するための手段）即ち、本発明者らは先に提案した技術をさらに
改良し、Ｂを添加することによつて圧延材軟質化
の最大のポイントであるところの高温でのパーラ
イト変態を一層促進させることが可能であるとい
う全く新たな知見を得て本発明をなしたものであ
る。本発明は、以上の知見に基いてなされたもので
あつて、その要旨とする所は、重量％でC0.2〜
0.65％を含む機械構造用鋼において、Si0.2％未
満、Mn0.2〜0.5％、B0.0003〜0.01％、Cr0.5超〜
1.7％、Al0.01〜0.1％を含有し、更に(A)Ni1％以
下、Mo0.1〜0.5％、Cu1％以下の１種または２種
以上、あるいは(B)Ti0.002〜0.05％、Nb0.005〜
0.05％、V0.005〜0.2％の１種または２種以上、
の(A)、(B)の群の一方または両方を含有し、残部は
Fe及び不可避不純物よりなる鋼について、熱間
圧延後、(イ)パーライト変態終了までの温度範囲を
15℃／分以下の冷却速度で徐冷する、または(ロ)直
ちに680〜730℃の範囲の温度にパーライト変態が
終了するまで保定した後放冷する、の(イ)、(ロ)のう
ちいずれかの軟質化処理を施すことを特徴とする
機械構造用鋼の圧延材直接軟質化法である。以下に本発明を詳細に説明する。（作用）まず最初に、本発明において軟質化とは、その
圧延材の引張強度を炭素当量Ceq（Ceq＝Ｃ＋Si／
24＋Mn／６＋Cr／５＋Mo／４＋Cu／13＋Ni／
40）によつて規定される強度24＋67Ceq（Kg／mm²）
以下とすることを意味する。この式はCeq量を0.2
〜1.2％と変えて回帰させて求めたものであり、
24はフエライトとパーライトの強度に、また67は
Ceq量即ちパーライト量にそれぞれ依存する項で
ある。Ceq量によつて決る同式の値を強度が超え
る場合には軟質化とは言えない。次に、本発明の対象とする鋼の成分限定理由に
ついてのべる。まず、Ｃは冷間鍛造後の焼入れ焼戻し処理にお
いて製品に所要の強度を付与するために必須の元
素であるが、0.2％未満では所要の強度が得られ
ず、一方0.65％を超えても焼入れ焼戻し後の強度
はもはや増加しないので、0.2〜0.65％の範囲に
限定した。 Siは脱酸元素として有効であるが、その固容体
硬化作用によつて圧延材の強度を高めるので、固
容体硬化の影響が小さい0.2％未満とした。好ま
しくは0.1％未満とする。つぎに、MnとＢに関してであるが、この含有
量を前記のように定めた点が本発明の最も重要な
点である。即ち、例えば従来の代表的な機械構造用鋼であ
るS45C鋼はC0.42〜0.48％、Si0.15〜0.35％、
Mn0.6〜0.85％を含むことが規定されているが、
そのMn量を減らすことによつて、S45C鋼に比べ
圧延材軟質化のポイントであるパーライト変態の
終了温度が高くなる。同様にＢは、熱間圧延後徐
冷ないし高温保定をすると、パーライト変態を抑
制することはなく、逆に固溶ＢがＢ化合物として
析出することによりパーライト変態を促進させる
効果がある。従つて、Ｂを添加した鋼を熱間圧延
後、徐冷ないし高温保定すると高温でのパーライ
ト変態を短時間で終了させることができる。なお
通常、Ｂは焼入性を向上させる元素として使用さ
れるが、本発明ではＢを熱間圧延後のパーライト
変態を促進させるために冷間鍛造後の熱処理時に
おける焼入性向上の両方に利用するものである。一例として、熱膨張試験機を用いて熱間圧延後
の徐冷過程でのパーライト変態終了温度とビツカ
ース硬さに対するMnとＢの効果を第１表に示す
が、Mn量を減らしＢを添加したＣ鋼のパーライ
ト変態終了温度が最も高くなつており、このため
ビツカース硬さも最も柔らかい。従つて、このよ
うな鋼は圧延後徐冷した場合に、高温でパーライ
ト変態が終了するために、例えばS45Cのような
現用鋼に比べ強度が非常に低下する。また、この
鋼はMn量を減らしてＢを添加することによりパ
ーライト変態温度が高温側へシフトするので、圧
延後Ar₁点近傍の温度に保定した場合にも現用鋼
に比べ短時間でパーライト変態を終了させること
ができる。

【表】なお、MnとＢの添加量を上記のように限定し
たのは以下の理由による。高温域のパーライト変態を短時間で終了させる
ためにはできるだけMnを減らした方がよいが、
Mn0.2％未満では鋼中のＳを十分に固定すること
ができず、熱間脆性をおさえることができない。
一方、Mnが0.5％を超えるとＢが添加されていて
も高温でのパーライト変態を短時間に終了させる
ことができないので、Mn量を0.2〜0.5％に限定
した。Ｂは、圧延後の徐冷域でのパーライト変態を促
進させ且つ冷間鍛造後の熱処理の焼入性を著しく
高め強度を向上させるのに有効であるが、0.0003
％未満ではその効果が上がらず、一方0.01％を超
えると冷間鍛造性を劣化させるので、0.0003％〜
0.01％に限定した。また、Crは冷間鍛造後の焼入れ処理時の焼入
性を高め、強度、靭性を向上させるのに必須の元
素であるが、0.5％以下ではその効果が不十分で
あり、本発明の目的とするところの焼入性の高い
鋼とならない。一方1.7％を超えると鋼の焼入性
が高まりすぎて、熱間圧延後のパーライト変態終
了温度が低下し軟質圧延材とならないので、0.5
超〜1.7％に限定した。さらに、Alは冷間鍛造後の焼入れ処理時のオ
ーステナイト粒度の粗大化を防止するためとＮを
AlN化合物として固定してＢの焼入性効果を確
保するために必要な元素であるが、0.01％未満で
はその効果がなく、一方0.1％を超えると上記の
効果が飽和するので、0.01〜0.1％に限定した。以上が本発明の対象とする鋼の基本成分である
が、本発明においては、さらにこの鋼に (A) Ni1％以下、Mo0.1〜0.5％、Cu1％以下の１
種または２種以上、あるいは (B) Ti0.002〜0.05％、Nb0.005〜0.05％、V0.005
〜0.2％の１種または２種以上、の(A)、(B)の群の一方または両方を含有せしめる。まず、Niは靭性を向上させるとともに焼入性
を大きくして強度を上げるために添加されるが、
１％を超えると焼入性が大きくなり過ぎて冷間鍛
造性が悪くなるのでこれを上限とした。 Moは焼入性を向上させ、強い焼戻し軟化抵抗
を有する元素であるが、0.1％未満ではその効果
がなく、また0.5％を超えても添加量に見合うだ
けの効果が期待できないので0.1〜0.5％の範囲に
限定した。 CuもNiと同様に靭性と焼入性を向上させるが、
１％を超えるとその効果は飽和するのでこれを上
限とした。一方、(B)群のTi、Nb、Ｖはいずれも熱間圧延
のオーステナイト結晶粒を微細化させ、高温域で
のパーライト変態の促進を目的に添加される。 TiはＮと結合してTiN化合物を形成し、熱間
圧延後のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し
て高温域でのパーライト変態を促進させる。また
TiとＢは組み合せて添加する方が効果的で、Ti
はAlと供にＮを固定してＢの熱間圧延後のパー
ライト変態を促進させる効果と冷間鍛造後の焼入
性効果を十分に発輝させるためにも添加される。
Tiは0.002％未満ではＮを固定する効果が不十分
であり、一方0.05％を超えると冷間鍛造性及び靭
性に有害な粗大なTiNあるいはTiCが生成するの
で、0.002〜0.05％に制限した。 Nb、Ｖはいずれも圧延後のオーステナイト粒
度を微細化させてパーライト変態を促進すること
を目的に添加するが、それぞれ0.005％未満では
微細効果が期待できず、一方Nbが0.05％、Ｖが
0.2％をそれぞれ超えると、Nb、Ｖの粗大な炭窒
化物が析出して靭性及び冷間鍛造性を劣化させる
ので、Nbは0.005〜0.05％、またＶは0.005〜0.2％
にそれぞれ限定した。次に、本発明においては、軟質化処理として熱
間圧延後、(イ)パーライト変態が終了するまでの温
度範囲を15℃／分以下の冷却速度で徐冷するか、
あるいは(ロ)直ちに680〜730℃の温度範囲にパーラ
イト変態が終了するまで保定した後放冷するかの
いずれの処理を施すのであつて、(イ)、(ロ)いずれの
手段によつても高温域でのパーライト変態を短時
間に終了せしめ、且つ引張強度を24＋67Ceq
（Kg／mm²）以下とすることが可能である。まず、(イ)熱間圧延後の冷却速度を15℃／分以下
で徐冷するのは、15℃／分より速く冷却するとパ
ーライト変態温度が下がり、またパーライトより
強度の高いベイナイトも生成し始めるので軟質化
が達成されないためである。冷却速度は遅い方が
軟質化に対して有利であるが、設備上、生産性上
の実用的な面を考慮すると、３〜10℃／分の冷却
速度が軟質化と生産性を両立させる好ましい冷却
速度範囲である。また、徐冷温度範囲は、熱間圧
延後直ちに上記の冷却速度で徐冷してもさしつか
えないが、本発明の対象とする成分系では、750
℃程度から徐冷すれば十分である。徐冷停止温度
は、パーライト変態終了前に徐冷を停止するとそ
の後の放冷過程で強度の高い低温変態パーライト
もしくはベイナイトが生成して硬くなるので、パ
ーライト変態終了温度とした。パーライト変態終
了温度は鋼種、冷却速度によつて変わるが、本発
明の対象とする成分系の鋼では、約650〜680℃で
ある。一方、(ロ)熱間圧延後直ちに680〜730℃の温度範
囲にパーライト変態が終了するまで保定しても軟
質化できるが、保定温度が730℃を超えると変態
終了に極めて長時間を要し、実用的でないのでこ
れを上限とした。また、680℃より低い温度では
パーライト部の強度が上がり、軟質材を得ること
ができないのでこれを下限とした。また、保定時
間はパーライト変態が終了する前に保定を停止す
るとその後の放冷過定で強度の高い低温変態パー
ライトあるいはベイナイトが生成して硬くなるの
で、パーライト変態終了までとした。保定温度が
高温ほど圧延材の強度は低下するが、パーライト
変態が終了するまでの時間が長くなる。生産性と
圧延材の軟質化を両立させる好ましい保定時間の
範囲は690〜710℃である。保定後は放冷を行うの
であるが、これは前記の保定によつてパーライト
変態が完了し、その後徐冷する必要がないからで
ある。以下、実施例により本発明の効果をさらに具体
的に説明する。（実施例）第２表に供試材の化学組成ならびに通常の熱間
圧延で13φmmに仕上げた後の冷却条件等を示す。
同表中試験番号No.９、10、12〜19、24〜26が本発
明例で、その他は比較例である。これらの材料を
用いて、引張試験はJIS14A号試験片で行い、冷
間鍛造性の評価は0.5mm深さのＶノツチを付けた
10φmm×15mmの試験片で据込率40％の圧縮試験を
行なつたときの割れ発生の有無で求め、〇印は割
れが発生しなかつたこと、×印は割れが発生した
ことを示す。これらの試験結果を第２表に併記す
る。同表に見られるように、本発明例はいずれも圧
延材において引張強度が24＋67Ceq（Kg／mm²）を
下まわり、満足すべき軟質化度が得られている。
また、冷間鍛造性も申し分ない。これに対して、比較例であるNo.１はMn、No.５
はSi、No.８はCrの含有量がそれぞれ多すぎるた
めに圧延後の冷却条件ないし保定条件を最適にし
てもいずれも目標の軟質化（24＋67CeqKg／mm²）
に到達していない。また、比較例であるNo.２はＢ、No.４はAlの含
有量がそれぞれ少なすぎるために、いずれも軟質
化を達成できていない。比較例であるNo.３、６、７、23、27はいずれも
熱間圧延後の冷却条件あるいは保定条件が悪かつ
たために軟質化ができなかつた例である。即ち、
No.３、23は圧延後の冷却速度が速すぎたために、
No.７、No.27は保定温度が低すぎたために、いずれ
も目標とする軟質圧延材となつていない。また、
No.６は圧延後の保定温度が高すぎるために60分保
定しても完全にパーライト変態が終了せず、この
ため強度が高い。さらに、比較例であるNo.11はＢ、No.20はTiの
含有量が過剰なため、軟質化はできているものの
冷間鍛造性が悪い。No.21はSiとMnの含有量が多
すぎるために強度が高く、しかもNb量が多すぎ
るために冷間鍛造性も悪い。No.22は目標とする軟
質化はできているが、Ｖ量が多すぎるために冷間
鍛造性が劣つていた例である。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ni：１％以下、 Mo：0.1〜0.5％、 Cu：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
パーライト変態終了までの温度範囲を15℃／分以
下の冷却速度で徐冷することを特徴とする機械構
造用鋼の圧延材直接軟質化法。２重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ni：１％以下、 Mo：0.1〜0.5％、 Cu：１％以下の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
直ちに680〜730℃の範囲の温度にパーライト変態
が終了するまで保定した後放冷することを特徴と
する機械構造用鋼の圧延材直接軟質化法。３重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ti：0.002〜0.05％、 Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：0.005〜0.2％の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
パーライト変態終了までの温度範囲を15℃／分以
下の冷却速度で徐冷することを特徴とする機械構
造用鋼の圧延材直接軟質化法。４重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ti：0.002〜0.05％、 Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：0.005〜0.2％の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
直ちに680〜730℃の範囲の温度にパーライト変態
が終了するまで保定した後放冷することを特徴と
する機械構造用鋼の圧延材直接軟質化法。５重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ni：１％以下、 Mo：0.1〜0.5％、 Cu：１％以下の１種または２種以上、及び、 Ti：0.002〜0.05％、 Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：0.005〜0.2％の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
パーライト変態終了までの温度範囲を15℃／分以
下の冷却速度で徐冷することを特徴とする機械構
造用鋼の圧延材直接軟質化法。６重量％でＣ：0.2〜0.65％、 Si：0.2％未満、 Mn：0.2〜0.5％、Ｂ：0.0003〜0.01％、 Cr：0.5超〜1.7％、 Al：0.01〜0.1％を含有し、更に Ni：１％以下、 Mo：0.1〜0.5％、 Cu：１％以下の１種または２種以上、及び、 Ti：0.002〜0.05％、 Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：0.005〜0.2％の１種または２種以上を含有し、残部はFe及び
不可避不純物よりなる鋼について、熱間圧延後、
直ちに680〜730℃の範囲の温度にパーライト変態
が終了するまで保定した後放冷することを特徴と
する機械構造用鋼の圧延材直接軟質化法。