JPH0425343B2

JPH0425343B2 -

Info

Publication number: JPH0425343B2
Application number: JP61042721A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Mori; Takeo Harada; Kenichiro Naito; Takashi Ueno; Morio Hosaka
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1986-02-27
Publication date: 1992-04-30
Also published as: JPS62199750A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は靭性の優れた非調質棒鋼およびその製
造方法である。さらに詳しくは自動車用ボルトや
ロボツト等の製造に用いられる素材棒鋼の製造方
法に関し、冷間引き抜きあるいは冷間押し出し等
の冷間加工を施すことによりあるいは熱間圧延の
ままで、従来の焼入れ焼戻し熱処理を行なつた調
質材と同等以上の高強度と高靭性を有する非調質
棒鋼およびその製造方法に関するものである。又、本発明は自動車および建設機械用のシヤフ
トやピン部品等の製造に用いられる素材棒鋼の製
造方法に関し、熱間圧延のままで、従来の焼入れ
焼戻し熱処理を行なつた調質材と同等以上の高強
度と高靭性を有する非調質棒鋼およびその製造方
法に関するものである。〔従来の技術〕自動車用ボルトやロツド等の機械構造用部品は
高強度と共に高靭性が要求される。従来これらの
部品は中炭素鋼あるいは中性炭素低合金棒鋼鋼を
素材として用い冷間あるいは熱間加工により成形
後焼入れ焼戻し熱処理を行ない強靭化する方法で
製造されている。この熱処理を省略し、冷間加工
を施したままあるいは熱間圧延ままで高強度かつ
高靭性の非調質棒鋼の製造が可能になれば、省エ
ネルギーおよびコストの面でのメリツトは極めて
大きい。又自動車および建設機械用シヤフトやピン部品
等の機械構造用部品は70Kgｆ／mm²以上の高強度と
ともに高靭性が要求される。従来これらの部品は
中炭素鋼あるいは中炭素低合金鋼棒鋼を素材とし
て用い切削して成形後焼入れ焼戻し熱処理を行な
う方法で製造されている。この熱処理を省略し、
熱間圧延ままで高強度かつ高靭性の非調質棒鋼の
製造が可能になれば、省エネルギーおよびコスト
の面でメリツトは極めて大きい。熱間圧延ままで高強度かつ高靭性を有する非調
質鋼の開発は、棒鋼の分野のみならず薄鋼板や厚
鋼板分野においてもさかんに行なわれている。例
えば特公昭58−2570号のように、鋼板の分野にお
いては、靭性に有害なパーライトの析出を阻止し
フエライト単相となるようにＣを0.25％以下に抑
えた低炭素鋼にNbやＶを添加してその炭窒化物
の析出により強化し、さらにAr₃点直上あるいは
二相域温度にて圧延を行なうことによりフエライ
トを細粒化することを組も合わせて、強靭化を図
つてきた。しかしシヤフト等の棒鋼を素材とする
機械構造用部品の製造においては、最終工程でそ
の耐摩耗性を向上させるため高周波焼入れ表面硬
化処理を行なうことが必須とされており、そのた
めＣが従来材並の0.30〜0.55％の中炭素鋼を素材
として用いざるを得ない。中炭素非調質鋼の場合、強度が高く靭性の低い
パーライトが主体の組織となるため、高強度比較
的容易に得られる高い靭性は得難い。例えば特開
昭59−9122号、同59−170222号等に見られるよう
に、強度が70〜100Kgｆ／mm²級の非調質鋼では衝
撃値（uE₂₀）はたはだか10Kgｆ・ｍ／cm²と低く、
JIS Ｇ 4051に記載されているS45C焼入れ焼戻
し材参考値の下限値（８Kgｆ・ｍ／cm²）にようや
く到達する程度である。このような低靭性の問題
が中炭素非調質鋼実用化の障害となつている。又強度は冷間加工を施した場合それによつても
付加することが可能であるが、靭性は冷間加工を
施すほど劣化するため低靭性の素材は使用するこ
とができない。さらに素材強度が70Kgｆ／mm²を越
えると冷間加工性（工具寿命や加工負荷）が劣化
する問題があり、このため冷間加工用としては素
材強度が70〜90Kgｆ／mm²の冷間加工性が良くしか
も靭性の優れた素材棒鋼が要望されていた。〔発明が解決しようとする問題点〕本発明は中炭素鋼において熱間圧延まま高強度
かつ高靭性で、しかも冷間加工を施しても低靭性
とならない中炭素非調質鋼とその製造方法を開示
するものである。〔問題点を解決するための手段〕本発明者らは中炭素鋼を用いて、強度が70Kg
ｆ／mm²以上でかつ靭性の優れた非調質鋼を目標に
研究を行なつた結果 (a) 圧延まま材の強度は炭素当量Ceq（＝％Ｃ＋
％Si／７＋％Mn／５＋％Cr／９＋％Ｖ）を調
整することにより制御可能である。 (b) 圧延仕上げ温度を低下することにより従来知
られてきたフエライトおよびパーライト結晶粒
の微細化による靭性向上効果の他に、ある特定
温度以下とすると微細フエライトの変態が促進
され、靭性の高いフエライトの分率が急激に増
加することにより靭性向上が期待できる。さら
に圧延温度を低下させ、二相域圧延となると圧
延中に析出したフエライトが加工を受けること
により靭性は低下してしまう。 (c) しかし中炭素普通鋼では前記特定温度域での
仕上げ圧延により靭性の高い微細フエライトの
分率を増加させたとしてもフエライト分率の増
加にともなつてＣが過剰となり、パーライト中
のＣ量が増加してパーライトが脆化するため、
鋼材全体での靭性の向上は小さい。 (d) Ｖは固溶した鋼を前記特定温度域にて仕上げ
圧延を行なうと、Ｖが微細フエライトの分率増
加にともない発生する過剰なＣと反応し、靭性
を損なわずに強度を高める微細炭化物の析出が
促進されることにより強度の低下およびパーラ
イトの脆化を防止し、高強度でありながら低炭
素鋼と同等程度まで靭性を向上させることが可
能となる。等の知見を見いだした。これにより強度が70Kgｆ／mm²以上でかつ常温で
シヤルピー衝撃値（uE₂₀）が18Kgｆ・ｍ／cm²以上
と従来中炭素非調質鋼に比べ靭性が飛躍的に高
く、また中炭素調質鋼と比較しても同等以上の強
度を有する中炭素非調質鋼およびその製造方法を
発明するに至つた。以下本発明において、特許請求範囲の限定理由
について述べる。まず鋼成分について、Ｃは強度および高周波焼
入れ表面硬化による耐摩耗性向上のために0.30％
以上必要であるが、0.50％を越えると靭性および
冷間加工性を損なうため、0.30〜0.50％とした。 Siは脱酸を促進し強度を上昇させるのに有効な
元素であるが、靭性を損なうため上限を0.30％と
した。 Mnは強度を上昇させかつ組織を微細にして靭
性を上昇させるのに有効な元素で、0.60％未満で
はその効果が小さい。しかし2.0％を越えると靭
性を急に劣化させるので、0.60〜2.00％とした。Ｖは前記の如く本発明に重要な添加元素で0.06
％未満ではその効果は小さく、0.30％以上ではそ
の効果は飽和するため、0.06〜0.30％とした。 Alは窒化物を形成し結晶粒を微細化する効果
がありsol−Alで0.020％以上必要であるが、0.060
％を越えると被削性を損なうため、0.020〜0.060
％とした。ＮはAlの窒化物およびＶの炭窒化物形成のた
めに必要な元素で0.0020％を下限とするが0.0070
％を越えると靭性を損なうことから、0.0020〜
0.0070％とした。なおＶのかわりにNbを0.01〜0.20％を添加して
も同様な効果を得られるが、同一の機械的性質を
有する非調質鋼を製造する場合Nb添加鋼のほう
がＶ添加鋼に比較して成分的にコスト高につくこ
とや加熱温度を上昇させる必要がある等の欠点が
ある。本発明において圧延まま材の強度はCeq＝％Ｃ
＋％Si／７＋％Mn／５＋％Cr／９＋％Ｖで示さ
れる炭素当量と相関関係があり、70〜90Kgｆ／mm²
とするためには炭素当量が0.60〜0.90未満必要で
ある。炭素当量の式からわかるように、Crも強度を
向上させるのに有効な元素であり、0.01％未満で
はその効果がなく、0.50％越すと強度向上の効果
はほぼ飽和し、コスト的に見合わなくなるので、
Crは0.01〜0.50％の範囲で添加すべきである。本発明は前記のように、従来知られているフエ
ライト結晶粒を微細化することによる靭性向上だ
けでなくフエライトの分率を増加させることによ
る大幅な靭性向上が大きな特徴である。上記の成
分範囲の鋼では制御圧延を行なわないと、そのフ
エライト分率は含有炭素量が（％Ｃ）の場合0.5
−0.63×（％Ｃ）以下であるが、特定温度域での
制御圧延を行なうと0.5−0.63×（％Ｃ）を上回り
この時靭性が大幅に向上することからフエライト
分率の下限値を0.5−0.63×（％Ｃ）とした。この
際フエライト粒度はNo.７〜９からNo.10以上No.12程
度まで微細化して靭性向上に寄与しており、フエ
ライト粒度の下限値をNo.10とした。また硬質組織
であるベイナイトあるいはマルテンサイトの発生
は靭性および冷間加工性を劣化させるため、フエ
ライト−パーライト組織であることとした。ここで、フエライト粒度はJIS Ｇ 0552比較法
に準じ測定した粒度番号であり、フエライト分率
は光学顕微鏡機能を備えた画像解析装置（商品
名：日本レギユレーター株式会社製の
LUZEX500）でパーライト組織と混在している
フエライト組織占有量を測定し表わす。圧延および冷却条件について以下に述べる。加
熱温度は特に限定しないが、Ｖを鋼中に固溶させ
所定の効果を出させることが重要であり、Ｖ添加
鋼で一般に適用されている1000℃以上、望ましく
は1050℃以上とすべきである。最終仕上げ圧延温度を650〜800℃としたのは、
前記のフエライト分率を増加させる特定温度範囲
にあたり、本発明の成分の鋼では650℃未満では
二相域圧延にかかるため靭性は逆に低下し、800
℃を越えるフエライト分率増加の効果は急に小さ
くなるためである。さらに圧延後の冷却速度であるが、前記のよう
に本発明鋼はフエライト−パーライト組織である
ことが重要であり、ベイナイトあるいはマルテン
サイトが析出すると靭性を劣化させることから、
ベイナイトあるいはマルテンサイトの析出を阻止
すべく2.0℃／sec以下とした。〔実施例〕以下に本発明の実施例をもつて説明する。第１表に供試材の成分を示す。供試材はすべて
転炉で溶製しRH処理後連続鋳造により鋳造した
もので、120mm角鋼片から30mm丸棒鋼に圧延した。
圧延後の冷却速度は、いずれも0.8〜1.0℃／sec内
にした。供試材は圧延ままあるいは熱処理を施さ
れた後、引張試験および常温でのシヤルピーＵノ
ツチ衝撃試験により評価された。第２表にこれら
の結果を示す。番号に丸印を付してあるのが本発
明例でありそれ以外は比較例である。同表にさら
にフエライト粒度および含有炭素量に応じたフエ
ライト分率の目標値とその実測値も併せ示した。
なお比較例11は調質鋼として一般に使用されてい
るJIS S45C規格鋼であり熱処理方法はJIS Ｇ
4051を参考とした。本発明の実施例，，，，，はいず
れも圧延ままで70〜90Kgｆ／mm²の強度とともに18
Kgｆ・ｍ／cm²以上の衝撃値を達成している。比較
例５は従来非調質鋼の圧延条件であり、仕上げ温
度が高いためフエライト結晶粒が大きいとともに
フエライト分率が小さく、靭性が劣化している。
比較例８はＶの添加がないため、同じく比較例９
はＮ過多のため、靭性が劣化している。比較例10
は炭素当量過多のため、強度が過大で冷間加工に
向かない。第２表には本発明の実施例，，，，
，に関して減面率15％の冷間引き抜きを行な
つた場合の冷間加工材の強度と靭性を併せて示し
てあるが、いずれも90Kgｆ／mm²以上の強度ととも
に12Kgｆ・ｍ／cm²以上の衝撃値を確保している。
これを比較例11であるS45C調質鋼と比較すると、
本発明鋼は強度は同等であり、靭性いずれも高
く、従来調質鋼で製造されてきた機械構造用部品
の非調質化が可能であることがわかる。第１図は本発明鋼の代表例として実施例の圧
延まま材の組織を示す顕微鏡写真を示し、そのフ
エライト粒度およびフエライト分率を示したもの
である。第２図は前記供試材記号Ｃを用いた場合
の圧延最終仕上げ温度とフエライト粒度、フエラ
イト分率および圧延まま材の引張強度、衝撃値の
関係を示す図である。本発明である最集仕上げ温
度650〜800℃の範囲でフエライト分率は急激に増
加するとともにフエライト粒は微細となり、それ
により衝撃値は急激に向上するが強度の低下はほ
とんどなく、この実施例の目的の強度70〜90Kg
ｆ／mm²、衝撃値18Kgｆ・ｍ／cm²以上の材質が圧延
ままで得られる。

【表】

〔発明の効果〕

以上に説明したように本発明は鋼材成分・金属
組織および圧延方法を限定することにより、従来
の中炭素非調質棒鋼に見られた低靭性という問題
を解決し、冷間加工性のために70Kgｆ／mm²以上の
強度とするとともに衝撃値が18Kgｆ・ｍ／cm²以上
という優れた靭性を有する中炭素非調質棒鋼およ
びその製造方法を確立した工業的に極めて価値の
高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例(A)−鋼の金属組織を
示す顕微鏡写真。第２図は圧延最終仕上げ温度と
フエライト粒度、フエライト分率および圧延まま
材の引張強度、衝撃値の関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ 0.30〜0.50％、 Si 0.30％以下、 Mn 0.60〜2.00％、 Cr 0.01〜0.50％、Ｖ 0.06〜0.30％、 sol−Al 0.020〜0.060％、Ｎ 0.0020〜0.0070％、ただし、％Ｃ＋％Si／７＋％Mn／５＋％Cr／
９＋％Ｖの値が0.60〜0.90未満として含有し、残
余はFeおよび不可避的不純物からなる成分で、
しかもフエライト粒度がNo.10以上かつフエライト
分率が含有炭素量（％Ｃ）に応じて0.5−0.63×
（％Ｃ）以上であるフエライト−パーライト組織
を有した圧延まま棒鋼で、引張強度が70〜90Kg
ｆ／mm²でかつ常温でのシヤルピー衝撃値が18Kg
ｆ・ｍ／cm²以上であることを特徴とする靭性の優
れた非調質棒鋼。２Ｃ 0.30〜0.50％、 Si 0.30％以下、 Cr 0.01〜0.50％、 Mn 0.60〜2.00％、Ｖ 0.06〜0.30％、 sol−Al 0.020〜0.060％、Ｎ 0.0020〜0.0070％、ただし、％Ｃ＋％Si／７＋％Mn／５＋％Cr／
９＋％Ｖの値が0.60〜0.90未満として含有し、残
余はFeおよび不可避的不純物からなる成分を有
する鋼片を加熱し、つづく熱間圧延において最終
仕上げ温度を650〜800℃で行い、圧延後500℃ま
でを2.0℃／sec以下の冷却速度で冷却することを
特徴とする靭性の優れた非調質棒鋼の製造方法。