JP2009132949A

JP2009132949A - 冷間加工性にすぐれた鋼材および冷間加工部品

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Publication number: JP2009132949A
Application number: JP2007307741A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Masuda; 智一増田; Takehiro Tsuchida; 武広土田; Shogo Murakami; 昌吾村上; 琢哉 ▲高▼知; Takuya Kochi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: JP4909247B2

Abstract

【課題】
加工中にすぐれた冷間加工性を発揮し、しかも冷間加工後に良好な部品強度が確保され、したがって、成形用金型の寿命も満足でき、さらには省エネルギー面でも実用的な冷間加工用鋼材の提供を課題とする。
【解決手段】
Ｃ:０．０６〜０.５％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ:０.０１〜０．１％、Ｍｎ:０.２〜１．５％、Ｐ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓｎ:０．６％以下（０％を含まない。）、Ｎ:０.０４％以下（０％を含まない。）を含有し、残部はFeおよび不可避の不純物から成り、固溶Ｎ（Ｓｏｌ．Ｎ）の含有量が０.００６％以上で、且つ下式(１)を満足することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材。
１０≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦４０・・・(１)
【選択図】なし

Description

本発明は、ボルト・ナット等の機械部品、とくに自動車用の各種部品を製造するための素材として有用な冷間加工用鋼材、とりわけ冷間加工用線材および棒鋼に関する。さらに、本発明は、この冷間加工用鋼により製造される冷間加工部品、さらには、熱処理あるいは加工熱処理による冷間加工用鋼材の製造方法にも関係する。

近年、環境保護の観点から、自動車などの車両の燃費向上を意図した部品の軽量化に対する要望がますます高まっている。この種の軽量化に堪えることのできる一般的な高強度部品は、母材鉄に添加される各種合金元素の含有量を増加させることにより、部品としての所要強度を確保している。

また、この種鋼材に適用される最適の加工方法は、通常、２００℃以下の雰囲気における冷間加工であり、この冷間加工は、熱間加工や温間加工に比較して生産性が高く、しかも寸法精度および鋼材の歩留がともに良好な利点がある。

ところで、このような冷間加工して部品を製造する場合に問題となるのは、冷間加工された部品の強度を、期待される所定値以上に確保するためには、必然的に変形抵抗の高い鋼材を用いる必要性があることである。ところが、使用する鋼材の変形抵抗が高いほど冷間加工用金型の寿命低下を招くばかりか、冷間加工時に割れが発生しやすい難点がある。

この点を考慮し、従来、鋼材を所定形状に冷間加工した後、焼入れ焼戻し等の熱処理をおこなうことにより、所定強度（硬度）が確保された高強度部品を製造する方法が実施されることもあった。しかし、冷間加工後の熱処理は、部品寸法がなかば必然的に変化するため、二次的に切削などの機械加工により修正する必要があり、熱処理やその後の加工が省略できるような解決策が望まれている。

以上のような状況を改善するために、冷間加工中における鋼材の変形抵抗を低減すると同時に、所定の部品強度を確保し、しかも生産性向上ならびに省エネルギーをはかるために、すでにいくつかの対策が提案されている。

下記特許文献１は、通常、冷間加工前に実施される軟化目的の球状加焼鈍が長時間加熱を必要とし、エネルギー消費の点で問題があることから、圧延ままで使用できる冷間加工性のよい線棒状鋼の製法を提案する。すなわち、フェライト粒内に微細な窒化物を析出させ、これを核としてセメンタイトなどのＣ化合物を析出させることにより、１００〜３５０℃での冷間加工中の変形抵抗の増大を抑制するとしている。

また、特許文献２は、この種棒鋼材を１００〜２００℃で冷間鍛造する場合の動的歪時効による工具寿命の低下と製品の脆化を考慮した耐歪時効性にすぐれた棒鋼線材の製法を開示する。すなわち、鋼材中のＮおよび固溶Ａｌ量を制御してＮをＡｌＮとして固定し、さらに２００〜５００℃での時効硬化処理によりＣをＣ化合物として析出させることで、冷間固溶Ｃおよび固溶Ｎによる時効硬化を抑制するとしている。

特許文献１および２の方法は、いずれも動的歪時効による変形抵抗の増大を抑制するため、フェライト粒内に存在する固溶Ｎおよび固溶ＣをＮ化合物およびＣ化合物としてそれぞれ固定化させる方法である。したがって、固溶Ｎを固定するためには、Ｎ化合物形成元素であるＡｌを添加する必要がある。ところが、その発明の実施例に示されるように、Ａｌの添加量が０.０３９〜０.０４５％の程度であれば、鋼中のＮ量が０.０１５％であっても、固溶ＮのほとんどはＡｌによってＮ化合物として固定されるので、固溶Ｎはほとんど存在しないものと考えられる。このような鋼材を加工して作成される部品は、加工中の変形抵抗に応じた部品強度となる。

また、下記特許文献３は、２００〜４００℃での高速鍛造による鋼材の変形抵抗の低減および工具寿命の向上を目的とする冷間圧造用低Ｃ棒鋼線材を開示する。この鋼材はＡｌキルドをベースとし、これに固溶軟化作用を有するＣｒを添加するとともに、さらにＡｌを添加することによる固溶Ｎの固定化により、冷間加工時の変形抵抗を低減するとしている。しかし、この方法は、Ａｌを添加することで固溶ＮがＮ化合物として固定化されているため、特許文献１および２と同様に固溶Ｎがほとんど存在しないことが想定される。

上述したように、この種の鋼部品材には、冷間加工性すなわち変形抵抗および変形能と冷間加工後の部品強度とは相反する性質がある。したがって、所定の部品強度を確保しようとすると、金型寿命が劣化し、また加工中に割れが生じやすくなるなどの共通的な問題が発生する。一方、金型寿命を改善するため冷間加工性を向上させると、所定の部品強度が確保できなくなる。

このような状況から、上例に代表されるような従来技術では、これら両者の特性がともに良好な非調質型の冷間加工用の鋼材を製造するにはなお不十分さを残している。

また、この種の冷間加工された鋼製部品は、上述したように、所定の部品強度を確保するために硬化熱処理、たとえば焼入れ焼戻しが行なわれることがあるが、生産性向上および省エネルギーの観点から、焼入れ焼戻しの熱処理を省略することが求められている。
特開２０００−００８１３９号公報特開昭６０−０８２６１８号公報特公昭５７−０６０４１６号公報

本発明は、加工中にあってはすぐれた冷間加工性を発揮し、しかも冷間加工後には良好な部品製品としての強度が確保され、したがって、成形用金型の寿命も満足でき、さらには省エネルギー面でも実用的な冷間加工用鋼材の提供を主課題とする。また、本発明は、同様の線材・棒鋼製冷間加工用部品の提供を課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、下記の各手段により、ＳｎおよびＮの含有と固溶Ｎの制御を特徴とする冷間加工用鋼材およびこの鋼の熱処理・加工熱処理による冷間加工用鋼材の製造方法ならびにこの鋼材の冷間加工により得られた高品質の製品部品をそれぞれ特徴とする。
(１) Ｃ:０．０６〜０.５％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ:０.０１〜０．１％、Ｍｎ:０.２〜１．５％、Ｐ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓｎ:０．６％以下（０％を含まない。）、Ｎ:０.０４％以下（０％を含まない。）を含有し、残部はFeおよび不可避の不純物から成り、固溶Ｎ（Ｓｏｌ．Ｎ）の含有量が０.００６％以上で、固溶Ｎに対するＳｎの量的比率が下式(１)を満足することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材。

１０≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦４０・・・(１)
（２）Ｎ:０.００７％以上を含む上記(１)項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（３）Ａｌ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｚｒ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｔｉ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｎｂ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｖ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｔａ:０.１％以下（０％を含まない。）、Ｈｆ：０.１％以下（0％を含まない。）ならびにＢ:０.００２％以下（０％を含まない。）より成る群から選ばれる１種または２種以上の選択元素を含有し、Ｎと選択元素との量的関係が下式(２)を満足することを特徴とする上記(１)または（２）項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。

Ｎ(％)−｛１４＊Ａｌ(％)／２７＋１４＊Ｔｉ(％)／４７．９
＋１４＊Ｎｂ(％)／９２.９＋１４＊Ｖ(％)／５０.９
＋１４＊Ｚｒ(％)／９１.２＋１４＊Ｂ(％)／１０.８
＋１４＊Ｔａ(％)／１８０.９＋１４＊Ｈｆ(％)／１７８.５}
≧０.００６％・・・(２)
ただし、式中＊は積を表す。
（４）Ｃｒ:２％以下（０％を含まない。）を含有する上記(１)ないし（３）項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（５）Ｃｕ:５％以下（０％を含まない。）を含有する上記(１)ないし（４）項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（６）Ｎｉ:５％以下（０％を含まない。）および／またはＣｏ:５％以下（０％を含まない。）を含有する上記(１)ないし（５）項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（７）Ｍｏ:２％以下（0％を含まない。）および/またはＷ:２％以下（０％を含まない。）を含有する上記(１)ないし（６）項に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（８）Ｃａ:０．０５％以下（０％を含まない。）、ＲＥＭ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｍｇ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｌｉ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｐｂ:０．３％以下（０％を含まない。）、Ｂｉ:０.２％以下（０％を含まない。）より成る群から選ばれる１種または２種以上を含有する上記(１)ないし（７）項のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
（９）上記(１)ないし（８）項のいずれかに記載の鋼材を加工温度２００℃以下で冷間加工してなることを特徴とする冷間加工部品。
（１０）部品強度が冷間加工時の変形抵抗に対して下式(３)の関係を充足することを特徴とする上記(９)項に記載の冷間加工部品。

Ｈ≧(ＤＲ＋１０００)／６・・・(３)
Ｈ：冷間加工後の部品強度(Ｈｖ)
ＤＲ:冷間加工時の変形抵抗(ＭＰａ）

本発明の冷間加工用鋼は、通常の所定量とされる以上の固溶Ｎ量を含有しているので、冷間加工後の焼入れ焼戻しの熱処理を省略しても冷間加工後に所定の部品強度を確保することができる。さらに、本発明の冷間加工用鋼は、Ｓｎが添加されるとともに、このＳｎとＮの含有量の割合が一定の範囲に適正化され、かつ、その用途が２００℃程度以下での冷間加工に指向されているので、確実に良好な冷間加工性が期待できる。同時に、使用すべき成形用金型の寿命が被加工材によっていたずらに阻害されることも有効に救済される利点がある。

最初に本発明の冷間加工性にすぐれた鋼材の化学組成について説明する。

本発明になるこの鋼材は、基本成分として、Ｃ:０．０６〜０.５％、Ｓｉ：０.０１〜０.１％、Ｍｎ:０.２〜１．５％、Ｐ:０．０５%以下（０％を含まない。）ならびにＳ:０．０５％以下（０％を含まない。）を含有する。さらに、Ｓｎ:０．６％以下（０％を含まない。）およびＮ:０．０４％以下（０％を含まない。）を含有する点が特徴である。そして、固溶状態としてのＮの含有量（Ｓｏｌ．Ｎ）が０．００６％以上であり、同時に固溶Ｎに対するＳｎの量的比率が下式（１）を充足するように調整されることを特徴とする。

１０≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦４０・・・（１）
各成分の役割および含有量の限定理由について以下に詳述する。
・Ｃ:０．０６〜０．５％
Ｃは、脱酸元素であって、０．０６％以上含有することが必要であり、それより少ないと、凝固過程でガスが発生して変形能が劣化する等の欠陥を生ずる。より好ましい下限は０．０７％である。しかし、Ｃ量が過剰になると、変形抵抗の上昇による冷間加工性の劣化およびＣ化合物の増加による被削性の劣化を招くため、その上限を０．５％とし、好ましくは０．４５％である。
・Ｓｉ:０．０１〜０．１％
Ｓｉは製鋼過程の脱酸剤として使用される元素で、含有量が少ないと、脱酸不足により凝固過程でガスが発生し、変形能が劣化する等の欠陥が生ずるので、０．０１％以上添加する必要があり、好ましい下限は、０．０２％である。しかし、過剰添加は割れ発生や変形抵抗の増大を招くため、上限を０．１％とし、好ましい上限は０．０９％である。
・Ｍｎ:０．２〜１．５％
Ｍｎは製鋼過程における脱酸・脱硫元素であり、含有量が少ないと、結晶粒界にＦｅＳが膜状に析出して粒界強度を著しく低下させ変形能を劣化するので、０．２％以上添加する必要がある。より好ましい下限は０．３％である。しかし、過剰添加は、変形抵抗の増大を招き、冷間加工性を劣化させるため、その上限を１．５％とする。好ましい上限は１．２％である。
・Ｐ:０．０５％以下（０％を含まない。）
Ｐは不可避の不純物元素であるが、これがフェライトに含有するとフェライト粒界に偏析して冷間加工性を劣化させる一方、フェライトを固溶強化して変形抵抗が増大する。したがって、Ｐは冷間加工性の観点から極力低減することが望ましいが、極端な低減は製鋼コストの増加を招くので、工程能力を考慮して、上限を０．０５％とする。好ましくは、０．０３％以下とするが、完全に０とすることは工業的に困難である。
・Ｓ:０．０５％以下（０％を含まない。）
Ｓも不可避の不純物元素であるが、この含有はＭｎＳの介在物を形成し、冷間加工性を劣化させるので、極力低減することが望ましく、変形能の観点から上限を０．０５％とし、好ましくは０．０３％以下である。しかし、他方でＳは被削性の向上に有効な元素であり、極端な低減は被削性を劣化させるので、被削性を考慮して、好ましくは０．００２％以上、より好ましくは０．００６％以上含有させるのがよい。
・Ｓｎ:０．６％以下（０％を含まない。）
Ｓｎは本発明がもっとも重要とする積極的添加元素であり、冷間加工中にあって、固溶Ｎによる鋼材の変形抵抗の増大を抑制するのに有効に作用する。しかし、Ｓｎは素材鋼の連続鋳造時にフェライト粒界に偏析して脆化を促進させるため、過剰な添加を避けて上限を０．６％とし、より好ましくは０．５５％以下とする。なお、Ｓｎ量の下限は、固溶Ｎ量との関係から、以下に説明する式（１）の条件を満足させるために０．０６％以上添加する必要があり、好ましくは０．１％以上とする。

なお、Ｓｎはスクラップ材が有効利用できるので省エネルギーに貢献できる。
・Ｎ:０．０４％以下（０％を含まない。）
Ｎは鋼中に固溶して冷間加工後の鋼部品強度を向上させる効果があり、本発明では、上記したＳｎと共存して含有させる重要な元素である。しかし、鋼中の全Ｎ量が過剰であると、固溶Ｎ量も過剰となり、鋼材の冷間加工時に割れが生ずることがあり、さらに、鋼材の内部欠陥や連続鋳造時のスラブ割れも発生しやすくなる。そこで、鋼の変形能、材質の安定性および連続鋳造時の歩留まり向上の観点から、鋼中の全Ｎ量の上限を０．０４％とし、より好ましくは０．０３％以下とする。

一方、全Ｎ量は、つぎに説明する固溶Ｎ量の下限を満たすために、鋼材としては、０．００７％以上の量を確保するのがよい。すなわち、これ以下では、十分な量の固溶Ｎ量の確保が困難となり、所定の部品強度を得るためには素材の変形抵抗を増大させなければならなくなる。したがって、全Ｎ量は、０．００７５％以上、できれば０．００８％以上が好ましい。
・固溶Ｎ量:０．００６％以上
固溶Ｎ（Ｓｏｌ．Ｎ）は、上述したように、冷間加工後の部品強度を向上させる効果があり、所望の部品強度を確保するために、０．００６％以上を含有させる点にこの発明の大きな特徴がある。固溶Ｎ量は、好ましくは、０．００７％以上、より好ましくは、０．００８％以上がよい。しかし、固溶Ｎ量が過剰になると、冷間加工性が劣化するため、好ましくは０．０３％以下である。なお、固溶Ｎ量の上限は、当然、鋼中の全Ｎ量の上限である０．０４％を超えることはない。

このように、本発明は、固溶Ｎ量を所定量以上含有させることにより冷間加工後の部品強度を向上させ、かつ、ＳｎとＮとの量的比率を特定範囲に制御することにより、冷間加工中における固溶Ｎ量の弊害を抑制して良好な冷間加工性を維持する従来にない考え方である。この点は後述する。

なお、本発明における「固溶Ｎ量」の値は、ＪＩＳＧ１２２８に準拠し、鋼中の全Ｎ量から全Ｎ化合物を差し引いて算出する。実用的な測定法を以下に例示する。

（ａ）不活性ガス融解法−熱伝導度法
供試鋼素材からサンプルを切り出して、るつぼに入れ、不活性ガス気流中で融解してＮを抽出し、熱伝導度セルに搬送して熱伝導度の変化を測定する。

（ｂ）アンモニア蒸留分離インドフェノール青吸光光度法
この方法は、供試鋼素材から切り出されたサンプルを１０％ＡＡ系電解液中に融解し定電流電解を行なって、鋼中の全Ｎ化合物量を測定するものである。この電解液は１０％アセチルアセトン、１０％塩化テトラメチルアンモニウム、残部：メタノールからなる非水溶媒系の電解液であり、鋼表面に不働態皮膜を生成させない溶液である。

供試鋼素材のサンプル約０．５ｇをこの電解液中に溶解させ、その不溶解残渣（Ｎ化合物）を、穴サイズが０．１μｍのポリカーボネート製のフィルタでろ過する。この不溶解残渣を硫酸、硫酸カリウムおよび純銅製チップ中で加熱して分解し、ろ液に合わせる。この溶液を水酸化ナトリウムでアルカリ性にした後、水蒸気蒸留を行い、留出したアンモニアを希硫酸に吸収させる。フェノール、次亜塩素酸ナトリウムおよびペンタシアノニトロシル鉄（III）酸ナトリウムを加えて青色錯体を生成させ、光度計を用いてその吸光度を測定する。

この方法により求められた鋼中の全Ｎ量（ａ）から全Ｎ化合物量（ｂ）を差し引いて鋼中の固溶N量を算出する。
・１０≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦４０・・・（１）
本発明では、鋼中の固溶Ｎによる鋼材の変形抵抗の増大を抑制するために必要とされるＳｎの割合を定量的に規定する目的で、上述の基本的な鋼成分を前提にして多数の実験結果の集約から帰結した本式を使用することが特徴である。

すなわち、Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ比が１０以下になると、Ｓｎは固溶Ｎによる変形抵抗の増大を十分に抑制することができず、変形抵抗の増大や加工性の低下を招くようになる。好ましいのは１２≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎで、より好ましいのは１５≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎである。

なお、Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ比が４０以上となってもＳｎの効果が飽和するだけでなく、Ｓｎの固溶Ｎ強化作用によって変形抵抗が増大するので、好ましいのはＳｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦３８、より好ましいのはＳｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦３５とする。

本発明鋼の基本組成は上記の通りで、残部は実質的に鉄であり、製造原料、資材、製造設備などの状況によっては、持ち込まれる不可避の不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。

本発明の冷間加工用鋼材は、上記の基幹成分に対して、必要に応じてさらに、Ａｌ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｚｒ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｔｉ：０.２％以下（０％を含まない。）、Ｎｂ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｖ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｔａ:０.１％以下（０％を含まない。）、Ｈｆ:０.１％以下（０％を含まない。）あるいはＢ:０.００２％以下（０％を含まない。）のいずれかを、以下に説明するように、その目的に応じて追加的に添加することができる。これらの元素は、１種だけでもよいが、２種以上の複合添加であってもよい。

ただし、これらの元素を併添する場合、Ｎ量との関係で下式(２)を満足させることが必要にして有効な条件である。

Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、ＨｆおよびＢは、Ｎとの親和力が強く、Ｎと共存してＮ化合物を形成し固溶Ｎ量を低減させるので、追添する場合の上限を上記のとおりに規制した。しかし、この上限以下の範囲でも下記の配合に留意するのが効果的である。

Ａｌ：好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０.０３％以下
Ｚｒ：好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０.０３％以下
Ｔｉ：好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０.０３％
Ｎｂ：好ましくは０.３％以下、より好ましくは０.１％以下
Ｖ：好ましくは０.３％以下、より好ましくは０.１％以下
Ｔａ：好ましくは０.０４％以下、より好ましくは０.０２％以下
Ｈｆ：好ましくは０.０４％以下、より好ましくは０.０２％以下
Ｂ：好ましくは０.００１％以下、より好ましくは０.０００８％以下
一方、これら元素のＮ化合物の生成は、鋼の結晶粒を微細化し、冷間加工後に得られる部品の靭性を向上し、同時に耐割れ性を向上させるために有効に機能する。したがって、各元素の含有上限は上記のとおりとするが、その上限以下であれば、より好ましい下記の範囲が必要に応じて選択されてよい。

Ａｌ：好ましくは０.００２％以上、より好ましくは０.００４％以上
Ｚｒ：好ましくは０.００２％以上、より好ましくは０.００４％以上
Ｔｉ：好ましくは０.００２％以上、より好ましくは０.００４％以上
Ｎｂ：好ましくは０.００１％以上、より好ましくは０.００２％以上
Ｖ：好ましくは０.００１％以上、より好ましくは０.００２％以上
Ｔａ：好ましくは０.００１％以上、より好ましくは０.００２％以上
Ｈｆ：好ましくは０.００１％以上、より好ましくは０.００２％以上
Ｂ：好ましくは０.０００１％以上、より好ましくは０.０００２％以上
そして、本発明では、基幹的鋼組成について、必須成分のＳｎと固溶Ｎとの比率について式（１）の条件を付加したように、上記選択元素の追添時にも同じ根拠にもとづいて、下式（２）が充足されることを条件とする。

Ｎ（％）−｛１４＊Ａｌ（％）／２７＋１４＊Ｔｉ（％）／４７.９
＋１４＊Ｎｂ（％）／９２.９＋１４＊Ｖ（％）／５０.９
＋１４＊Ｚｒ（％）／９１.２＋１４＊Ｂ（％）／１０.８
＋１４＊Ｔａ（％）／１８０.９＋１４＊Ｈｆ（％）／１７８.５｝
≧０.００６％・・・（２）
上式中の係数は、Ｎと親和力が強い元素、たとえばＡｌの原子量をＮの原子量で除した値である。また、記号＊は積（×）を意味することとする。

本条件について説明する。本発明の鋼が固溶Ｎ量を０.００６％以上含有していることを特徴としているのは既述のとおりであり、この固溶Ｎ量を確保するためには、鋼中の全Ｎ量を増大させ、Ｎと親和力の高い元素を低減させることが要求される。したがって、Ｓｎに付加して上記したようなＮとの親和力の強い選択元素を追添するときは、各含有量について、０.００６％以上の固溶Ｎ量を確保することが必要がある。

すなわち、鋼中の全Ｎ量を増大させ、Ｎと親和力の高い元素を低減させることであり、鋼がＡｌなどのＮと親和力の強い元素を含有している場合、ＮはＡｌなどとＮ化合物を形成し、固溶Ｎ量が低減する。そこで、鋼中の全Ｎ量をそれよりも多くすれば、ＡｌなどがすべてＮとＮ化合物を形成したとしても、十分な固溶Ｎ量が確保できる。

上式（２）はこの条件を指示するものである。この式にもとづいて選択元素の添加量を算出して配合すれば、製造された鋼材中に所要の全Ｎ量、したがって、０.００６％以上の固溶Ｎ量が確保できる。

つぎに、本発明の冷間加工用鋼材は、上記成分のほか、必要に応じて、Ｃｒ:２％以下（０％を含まない。）、Ｃｕ:５％以下（０％を含まない。）、Ｎｉ:５％以下（０％を含まない。）および／またはＣｏ:５％以下（０％を含まない。）、Ｍｏ:２％以下（０％を含まない。）および／またはＷ:２％以下（０％を含まない。）のいずれも任意に含有させることが有効である。以下、個々について説明する。
・Ｃｒ:２％以下（０％を含まない。）
Ｃｒは結晶粒界の強度を高めることにより鋼の変形能を向上させる元素であり、必要に応じて、好ましくは０．１％以上、より好ましくは０.２％以上含有できる。しかし、Ｃｒの過剰添加は変形抵抗を増大し、冷間加工性が低下するので、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１％以下がよい。
・Ｃｕ:５％以下（０％を含まない。）
Ｃｕは鋼材をひずみ時効にて硬化させる作用により、加工後の部品強度を向上させることができる。好ましくは０．１％以上、より好ましくは０.５％以上を含有させるとよい。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できず、かえって冷間加工性の劣化を招き、部品の表面性状を悪化させるなどの不具合が生ずるため、上限は５％とし、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下がよい。
・Ｎｉ:５％以下および／またはＣｏ:５％以下（０％を含まない。）
Ｎｉはフェライト−パーライト鋼の変形能を向上させるのに有効であり、また、Ｃｕとの併添時に鋼材表面に発生する表面欠陥の防止に有効であり、好ましくは０．１％以上、より好ましくは０.５％以上を含有させるとよい。なお、Ｃｕを添加する場合は、Ｃｕと同量かその７割程度のＮｉを添加するのがよい。しかし、５％を超えて添加しても効果が飽和し、逆に冷間加工性を劣化するので、上限は５％とし、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下がよい。

Ｃｏは、Ｎｉと同様に、フェライト−パーライト鋼の変形能を向上させるのに有効であり、好ましくは０．１％以上、より好ましくは０.５％以上を含有させるとよい。しかし、５％を超えると、鋳造、圧延等の製造工程で粒界強度を低下させ、割れが生じやすくなるため、５％を上限とし、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下である。
・Ｍｏ:２％以下および／またはＷ:２％以下（０％を含まない。）
Ｍｏは、加工後の鋼材の硬さおよび変形能を増加させる作用があり、好ましくは０.０４％以上、より好ましくは０.０８％以上を含有させることができる。しかし、２％を超える添加は冷間加工性を劣化させるため、上限は２％、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１％以下である。

ＷはＭｏと同様に加工後の硬さおよび変形能を増加させる作用を有し、好ましくは０.０４％以上、より好ましくは０.０８％以上を含有させるとよいが、２％を超える添加は冷間加工性を劣化させるため、上限は２％とし、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１％以下である。

本発明の冷間加工用鋼は、上記成分のほか、必要に応じてさらに、Ｃａ:０．０５％以下（０％を含まない。）、ＲＥＭ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｍｇ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｌｉ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｐｂ:０．３％以下（０％を含まない。）ならびにＢｉ:０.２％以下（０％を含まない。）より成る群から、目的に応じて選ばれる１種もしくは２種以上を含有させることも有効である。以下、個々に説明する。
・Ｃａ:０．０５％以下（０％を含まない。）
Ｃａは、ＭｎＳなどの硫化化合物系介在物を球状化させ、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与する元素であり、好ましくは０.００５％以上、より好ましくは０.０１％以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は０.０５％とし、好ましくは０.０４％以下、より好ましくは０.０３％以下である。
・ＲＥＭ:０．０５％以下（０％を含まない。）
ＲＥＭもＣａと同様にＭｎＳなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与するので、好ましくは０.００５％以上、より好ましくは０.０１％以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は０．０５％とし、好ましくは０.０４％以下、より好ましくは０.０３％以下である。
・Ｍｇ:０.０２％以下（０％を含まない。）
ＭｇもＣａと同様にＭｎＳなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めるとともに、被削性向上に寄与するので、好ましくは０.００２％以上、より好ましくは０.００５％以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は０.０２％とし、好ましくは０.０１８％以下、より好ましくは０.０１５％以下である。
・Ｌｉ:０.０２％以下（０％を含まない。）
ＬｉはＣａと同様にＭｎＳなどの硫化化合物系介在物を球状化し、鋼の変形能を高めることができ、また、Ａｌ系酸化物を低融点化して無害化することにより、被削性も向上するので、好ましくは０.００２％以上、より好ましくは０.００５％以上を含有させることができる。しかし、過剰に添加してもその効果が飽和し、添加量に見合う効果が期待できないため、上限は０.０２％とし、好ましくは０.０１８％以下、より好ましくは０.０１５％以下である。
・Ｐｂ:０．３％以下（０％を含まない。）
Ｐｂは被削性向上元素として、好ましくは０.０１％以上、より好ましくは０.０２％以上を含有させることができる。しかし、０．３％を超えると圧延疵等の製造上の問題を生ずるため、上限は０．３％とし、好ましくは０.２８％以下、より好ましくは０.２５％以下である。
・Ｂｉ:０.２％以下（０％を含まない。）
ＢｉもＰｂと同様に被削性の向上に有効であり、好ましくは０.０１％以上、より好ましくは０.０２％以上を含有させることができるが、０.２％を超えるとその効果が飽和するため、上限は０.２％とし、好ましくは０.１８％以下、より好ましくは０.１５％以下である。

なお、これらＣａ以下の任意元素は目的別に配合される合金剤であるから、ＡｌやＴｉ等を選択的に配合する場合のように、とくにＮ量との関係に制約を受けることは少なく、したがって、前式（２）のような規制は必要としない。

つぎに、本発明は、以上に詳述した特性の鋼を２００℃以下に制限された温度で冷間加工してなることを特徴とする製品部品を含む。この冷間加工温度は、当然ながら冷間加工性に影響するため、上限値を２００℃に制約するものであり、好ましくは１８０℃、より好ましくは１６０℃とするのがよい。これより高温での冷間加工は、変形中に動的ひずみ時効が発生して変形抵抗が上昇し、金型寿命が劣化する。

このような条件下で得られた本発明の部品製品は、冷間加工時の変形抵抗との関係において、下式（３）を充足する強度を付与されていることが特徴であり、この部品強度（Ｈｖ）は、この種冷間加工用鋼部品としては十分に満足できるレベルを意味する。

Ｈ≧(ＤＲ＋１０００)／６・・・(３)
Ｈ：冷間加工後の部品強度(Ｈｖ)
ＤＲ:冷間加工時の変形抵抗(ＭＰａ）
ここでの冷間加工法には、冷間鍛造、冷間圧造、冷間転造、冷間引き抜きあるいは冷間押出し等が含まれる。また、部品の加工に必要であれば、伸線や圧延等の加工も実施してよい。なお、冷間加工は、通常、室温で実施されるが、０℃以下では、温度依存性の影響により変形抵抗が逆に高くなるため、加工温度の好ましい下限は０℃とする。なお、加工温度とは、加工時における鋼材の雰囲気温度のことである。
本発明は、以上に説明して来たように、Ｓｎを含有し、同時にＳｎ量と全含有Ｎならびに固溶Ｎとの量的関係を規制することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材である。また、この鋼材から製造された製品部品も上述のとおり、よい強度を有するが、目的とする部品によって、素材鋼により以上の強度あるいはより適切な変形抵抗を求められる場合、あるいはその他の事情によっては、別途つぎの対策を付加的に実施することができる。

すなわち、既述した本発明の冷間加工用鋼を、そのＡｃ１点以上の温度に加熱したのち、そのまま、あるいはこの温度領域で所要の熱間加工を行なった後、１℃／Ｓ以下の冷却速度で５００℃以下まで冷却するとよい。

この方法は、焼ならし処理、ライトアニーリング（ＬＡ）処理あるいは球状化処理等の各種熱処理をベースとするもので、Ａｃ１点＋２５℃〜５０℃以上・５００℃以下の加熱温度で、１０〜３０分以上・４時間以下の熱処理でよい。また、上記加熱保持中に伸線、圧延またはプレスなどの熱間加工を適宜おこなうことも可能である。

以下の実施例は、このような鋼材の熱処理あるいは加工熱処理をも例示するが、本発明は、このような付加的な熱処理を必須とするものではなく、すでに詳述されたとおりの鋼材それ自体の特性に由来して強度ならびに変形抵抗等にすぐれた冷間加工性を発揮する点に注意するべきはいうまでもない。

表１〜４に記載の成分組成から成る鋼記号１Ａ〜４Ｔの１００種類の供試鋼を真空炉溶製ならびに熱間鍛造法によりビレットとし、ビレット溶接を行なった後、いずれもφ１２ｍｍの線材に圧延した。

表１〜４中の「成分範囲」欄において、いずれかの成分元素の含有量が本発明の規制範囲を逸脱する例については、その旨を注記し、あわせて「×」印を付して比較例としての鋼であることを指している。「（１）、（２）式による判定」欄の「○」「×」は、成分元素の量的条件が本発明の規制範囲を規制する前記の二式（１）（２）を充足するかどうかの当否を指示する。また、同表中の「Ｎ」は全Ｎ量を示す。なお、同表中に記載の「固溶Ｎ量」は、既述したＪＩＳＧ１２２８に準拠する方法により計測された値である。

つぎに、上記１００種の各圧延線材の内、同表中の「製法」欄に（ｊ）印を付した一部の線材は、何等の熱処理を施さないで圧延ままとし、その他は、圧延線材に対して表５の（ａ）〜（ｉ）に示すように、比較目的で８００〜１１００℃の異なる加熱温度のもとでそれぞれ熱処理を行なった。その内の半数（ｂ、ｄ、ｇ）は単に熱処理のみとし、他はその加熱温度のもとで加工熱処理を施した。なお、上記加熱処理は、４３０〜５００℃まで冷却したのち、３０分の保持時間を設けた。

つぎに、上記熱処理を施した各線材ならびに圧延ままの線材から、その中心部からφ６ｍｍ×９ｍｍＬの試験片を切り出し、各試験片を、容量２００ＫＮ加工フォーマスタ試験装置を用いて冷間鍛造により圧縮加工した。冷間鍛造の条件は、加工ひずみ速度：約１０／Ｓ、加工温度：２０〜２００℃ならびに圧縮率：２０〜８０％とした。なお、上記加工ひずみ速度は、加工中（塑性変形中）のひずみ速度の平均値とする。

得られた各部品について、実体顕微鏡により、観察倍率２０倍で表面を観察して割れの有無を確認した。各部品の加工条件、割れの有無および変形抵抗を表６、７に示す。

また、ビッカース硬さ試験機を用いて、荷重：１０００ｇ、測定位置：試験片断面のＤ／４位置中央部（Ｄ：部品直径）および測定回数：５回の条件で、各部品のビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定し、同じく表６、７に表示した。

これら一連の試験結果に対する評価は、部品に割れがなく、しかも部品硬さに対して鋼の変形抵抗が低い鋼（具体的には前式（３）による条件を満たすもの。）を、冷間加工性にすぐれたものと判定して「○」を表示した。一方、式（３）の条件を充足しない比較例の試験片で、割れが発生したものに「×」を表示してある。参考のために、同式をここに再記する。

Ｈ≧(ＤＲ＋１０００)／６・・・(３)
Ｈ：冷間加工後の部品強度(Ｈｖ)
ＤＲ：冷間加工時の変形抵抗(ＭＰａ）
表６、７から明らかなように、好ましい加工条件（圧縮率および加工温度）において、本発明が規定する化学成分量および固溶Ｎ量の要件を満たす実施例鋼は、いずれも冷間加工性がすぐれており、これから得られた部品製品もすべて高強度を確保していることがわかる。しかも、この高強度と同程度の部品強度を確保しようとすると、より変形抵抗の大きい鋼材の使用が余儀なくされ、それが必然的に金型の寿命低下を招来することになる。この点で本発明鋼のすぐれた冷間加工性がよく理解される。以下に各比較材についてこの点を考察する。

なお、上記実施例のうち、圧延ままの鋼材に対して、熱処理を付加したａ〜ｉに相当する鋼材は、その品質がいずれも前者と同等程度によい性能を示しており、本発明の鋼材が熱処理を実施しなくても圧延ままで部品化できることがわかる。

Ｎｏ．３はＭｎ量が少ない鋼記号１Ｃを使用した例であり、Ｍｎが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．７はＣ量が多い鋼記号１Ｇを使用した例であり、Ｃが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．９はＳｎ量が多い鋼記号１Ｉを使用した例であり、Ｓｎが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．２１はＳｉ量が多い鋼記号１Ｕを使用した例であり、Ｓｉが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．４２はＳｉ量が少ない鋼記号２Ｐを使用した例であり、Ｓｉが所定の範囲より少ないため割れが発生している。

Ｎｏ．５１はＭｎ量が多い鋼記号２Ｙを使用した例であり、Ｍｎが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．６７はＮ量が多い鋼記号３Ｏを使用した例であり、Ｎが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．７１はＳｎ量が多い鋼記号３Ｓを使用した例であり、Ｓｎが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．８６はＳ量が多い鋼記号４Ｈを使用した例であり、Ｓが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．９６はＰ量が多い鋼記号４Ｒを使用した例であり、Ｐが所定の範囲を超えているため割れが発生している。

Ｎｏ．９８はＣ量が少ない鋼記号４Ｖを使用した例であり、Ｃが所定の範囲より少ないため割れが発生している。

Ｎｏ．４４、Ｎｏ．６１、Ｎｏ．６２、Ｎｏ．７４、Ｎｏ．７５、Ｎｏ．７７およびＮｏ．８０は、固溶Ｎ量が少ない鋼２Ｒ、３Ｉ、３Ｊ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｙおよび４Ｂをそれぞれ使用した例である。いずれも固溶Ｎ量が所定の範囲より少なく、しかも式（２）の条件を満たさないため、加工後も式（３）の条件を逸脱していることがわかる。

Ｎｏ．４７、Ｎｏ．８４、Ｎｏ．８５、Ｎｏ．８８およびＮｏ．８９は、式（２）の条件を満たさない化学組成となっているため、変形抵抗が増大して加工後も式（３）の条件を逸脱していることがわかる。

Claims

Ｃ:０．０６〜０.５％（質量％、以下同じ。）、Ｓｉ:０.０１〜０．１％、Ｍｎ:０.２〜１．５％、Ｐ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｓｎ:０．６％以下（０％を含まない。）、Ｎ:０.０４％以下（０％を含まない。）を含有し、残部はFeおよび不可避の不純物から成り、固溶Ｎ（Ｓｏｌ．Ｎ）の含有量が０.００６％以上で、固溶Ｎ量に対するＳｎ量の比率が下式(１)を満足することを特徴とする冷間加工性にすぐれた鋼材。
１０≦Ｓｎ／Ｓｏｌ．Ｎ≦４０・・・(１)
Ｎ:０.００７％以上を含む請求項１に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ａｌ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｚｒ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｔｉ:０.２％以下（０％を含まない。）、Ｎｂ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｖ:０.５％以下（０％を含まない。）、Ｔａ:０.１％以下（０％を含まない。）、Ｈｆ：０.１％以下（0％を含まない。）ならびにＢ:０.００２％以下（０％を含まない。）より成る群から選ばれる１種または２種以上の選択元素を含有し、Ｎとこれら選択元素との量的関係が下式(２)を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ｎ(％)−｛１４＊Ａｌ(％)／２７＋１４＊Ｔｉ(％)／４７．９
＋１４＊Ｎｂ(％)／９２.９＋１４＊Ｖ(％)／５０.９
＋１４＊Ｚｒ(％)／９１.２＋１４＊Ｂ(％)／１０.８
＋１４＊Ｔａ(％)／１８０.９＋１４＊Ｈｆ(％)／１７８.５}
≧０.００６％・・・(２)
ただし、式中＊は積を表す。
Ｃｒ:２％以下（０％を含まない。）を含有する請求項１ないし３のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ｃｕ:５％以下（０％を含まない。）を含有する請求項１ないし４のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ｎｉ:５％以下（０％を含まない。）および／またはＣｏ:５％以下（０％を含まない。）を含有する請求項１ないし５のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ｍｏ:２％以下（0％を含まない。）および/またはＷ:２％以下（０％を含まない。）を含有する請求項1ないし６のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
Ｃａ:０．０５％以下（０％を含まない。）、ＲＥＭ:０．０５％以下（０％を含まない。）、Ｍｇ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｌｉ:０.０２％以下（０％を含まない。）、Ｐｂ:０．３％以下（０％を含まない。）、Ｂｉ:０.２％以下（０％を含まない。）より成る群から選ばれる１種または２種以上を含有する請求項1ないし７のいずれかに記載の冷間加工性にすぐれた鋼材。
請求項１ないし８のいずれかに記載の鋼材を２００℃以下の加工温度で冷間加工してなることを特徴とする冷間加工部品。
強度が冷間加工時の変形抵抗に対して下式(３)の関係を充足していることを特徴とする請求項９に記載の冷間加工部品。
Ｈ≧(ＤＲ＋１０００)／６・・・(３)
Ｈ：冷間加工後の部品強度(Ｈｖ)
ＤＲ:冷間加工時の変形抵抗(ＭＰａ）