JP3089424B2

JP3089424B2 - 強靭非調質鋼の製造方法

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Publication number: JP3089424B2
Application number: JP01167946A
Authority: JP
Inventors: 直樹岩間; 一衛野村
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 2000-09-18
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH0331416A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は熱間鍛造後、焼入れ、焼きもどし等の熱処理
を行わず非調質のままで引張強さ90kgf/mm²以上、シャ
ルピー衝撃値8kgf/mm²以上の高強度、高靱性を有し、特
に高強度と高靱性を必要とする自動車の足廻り部品に用
いられる鋼として有用な強靱非調質鋼の製造方法に関す
る。

［従来の技術］従来、ステアリングナックル、アッパーアーム等の自
動車の足廻り部品または建設機械等の大形部品に用いら
れる鋼には、高強度と高靱性が要求され、機械製造用合
金鋼であるSCM440あるいはSCr440が用いられ、熱間鍛造
により成形後、高強度、高靱性を付与させるため焼入れ
焼きもどし等の熱処理（以下調質と称する。）が施され
ていた。

しかしこれらの熱処理工程はかなり高価であり、熱処
理工程を省略できれば、大幅なコスト低減が図られ、省
エネルギーの社会的要請に応えることができる。そこで
熱間鍛造のままで使用することのできる非調質鋼の開発
が近年盛んに行われている。

例えば、Ｃを0.30〜0.50％含有する中炭素鋼、あるい
はMn鋼に0.03〜0.20％のＶを添加したフェライト−パー
ライト型の非調質鋼が提案されている。この非調質鋼は
熱間鍛造後の冷却過程でＶの炭窒化物が析出し、このＶ
炭窒化物がフェライト生地を強化するものである。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら従来開発された非調質鋼は、粗大なフェ
ライト・パーライト組織を有するものであり、靱性は中
炭素鋼の調質材と同等の性能が得られるが、SCM440等の
性能には遠く及ばない。一方、Ｃ含有量を低下させると
ともに合金元素を増加したベイナイト型の非調質鋼が提
案されているが、強度および靱性が不足し、未だ不十分
な結果しか得られていない。特に、小さな部品では靱性
が確保できるが、大きな部品になると靱性が不足するの
で、未だ実用化には至っていない。

本発明は従来の非調質鋼の前記のごとき問題点に鑑み
てなされたもので、非調質でSCM440またはSCr440以上の
引張強さおよび衝撃値を得ることができ、強度および靱
性等の性能の高い強靱非調質鋼の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］発明者等は現状のベイナイト型非調質鋼が何故強度お
よび靱性が出ないのかその原因について鋭意研究を重ね
た。その結果、ベイナイト鋼の場合、小型の部品であっ
て冷却速度が十分に速いと、強度および靱性ともに優れ
たものが得られるが、部品が大型になり冷却速度が遅く
なると、ベイナイトラスの間隔が大きい粗い組織とな
り、十分な強度と靱性が得られなくなることが判明し
た。

そこで、ベイナイトラス間隔の大きいベイナイト組織
を、細かい組織にするための種々の方策について研究を
重ねた。この粗い組織はベイナイトラスと未変態のオー
ステナイトの混合組織からなるが、発明者等は熱間鍛造
後の700℃から500℃まで、および500℃から300℃までの
冷却速度を制御することにより、この未変態のオーステ
ナイトが細かい炭化物とフェライトに分解し易くなり、
ベイナイトラス間隔の細かく詰まった組織が得られ、強
度および衝撃値を著しく改善出来ることを見出だした。

また、本発明方法で使用される鋼の特徴としては、第
１に低炭素化により靱性を向上させたこと、第２にMn、
Cr、Moの添加により焼入性を向上させ、熱間鍛造後放冷
するだけで強度と靱性の優れたベイナイト組織を得たこ
とである。さらに、第３としてベイナイト組織は一般的
に加熱後の冷却速度が変化すると強度および靱性も変化
し、扱いにくい組織であったが、これにＶを添加するこ
とにより、冷却速度の変化に対する強度および靱性の変
化を小さくしたことである。

本発明の強靱非調質鋼の製造方法は前記のごとき知見
に基づき完成されたものであって、第１発明として、重
量比でC;0.05〜0.20％、Si;0.10〜0.50％、Mn;1.50〜2.
50％、Cr;0.30〜1.50％、Mo;0.50〜0.30％、V;0.05〜0.
30％を含有し、残部がFeおよび不純物元素からなる鋼
を、熱間鍛造後700℃から500℃までを10℃／分以上の冷
却速度で冷却し、500℃から300℃までを10℃〜200℃／
分の冷却速度で冷却することを要旨とする。

さらに、第２発明は第１発明の切削性を改善するた
め、さらにS;0.04〜0.12％、Pb;0.05〜0.30％、Ca;0.00
05〜0.0100％のうち１種または２種以上を含有した鋼
を、また第３発明は第１発明の靱性をさらに改善するた
め、Ni;0.20〜2.0％を含有した鋼を、第４発明は第１発
明の切削性と併せて靱性を改善するため、さらにNi;0.2
0〜2.0％と、S;0.04〜0.12％、Pb;0.05〜0.30％、Ca;0.
0005〜0.0100％のうち１種または２種以上を含有した鋼
を、それぞれ熱間鍛造後700℃から500℃までを10℃／分
以上の冷却速度で冷却し、500℃から300℃までを10℃〜
200℃／分の冷却速度で冷却することを要旨とするもの
である。

［作用］本発明の強靱非調質鋼の製造方法においては、熱間鍛
造後の700℃から500℃までの冷却速度を、10℃／分以上
としてので、ポリゴナルフェライトの析出を防止するこ
とができる。700℃から500℃までの冷却速度を10℃／分
以上としたのは、10℃未満になるとポリゴナルフェライ
トか析出し、強度が低下するからである。

また、500℃から300℃までの冷却速度を10〜200℃／
分としたので、未変態のオーステナイトを細かい炭化物
とフェライトに分解し、ベイナイトラス間隔の細かく詰
まった組織が得られ、強度および衝撃値を著しく改善出
来る。500℃から300℃までの冷却速度を10〜200℃／分
としたのは、冷却速度が10℃／分未満になるとベイナイ
トラスを十分に細かい組織とすることができないからで
あり、冷却速度が200℃／分を越えるとマルテンサイト
が生成するようになるからである。

次に本発明にかかる強靱非調質鋼の成分組成の限定理
由について説明する。

C;0.05〜0.20％Ｃは強度を確保するために必要な元素であり0.05％未
満であると強度が不足するので下限を0.05％とした。ま
た、Ｃが0.20％を越えると靱性が低下するので、上限を
0.20％とした。

Si;0.10〜0.50％ Siは製鋼時の脱酸剤として添加されるものであり、0.
10％は必要である。しかし、0.50％を越えると靱性が低
下するので、上限を0.50％とした。

Mn;0.50〜2.50％ Mnは焼入れ性を向上させて組織をベイナイト化するの
に必要な元素である。Mnが1.50％未満であると焼入れ性
が不足しベイナイトの生成が不足し、強度が不足するの
で、下限を1.50％とした。しかし、2.5％を越えると焼
入れ性が向上し過ぎてマルテンサイトが生成され、靱性
が低下するので、上限を2.50％とした。

Cr;0.30〜1.50％ Crは組織をベイナイト化するのに必要な元素である。
0.30％未満であると前記効果が不充分であるので、下限
を0.30％とした。しかし、0.50％を越えると前記効果が
飽和するとともに、コスト的に高くなるので、上限を1.
50％とした。

Mo;0.05〜0.30％ Moは組織をベイナイト化するために必要な元素であ
る。Moが0.05％未満であるとベイナイト化が不充分であ
るので、下限を0.50％とした。Moは高価な元素であり、
0.30％を越えると前記効果が飽和すると共にコスト高と
なるので、上限を0.30％とした。

V;0.05〜0.30％ＶはMoと共に微細な炭化物を析出し強度および靱性を
付与するに必要な元素であり、熱間鍛造後の冷却速度の
変化に対して強度を安定化させる効果がある。0.05％未
満ではその効果が不充分なので、下限を0.05％とした。
しかし、0.30％を越えて含有させてもその効果が飽和す
ると共にコスト高となるので、上限を0.30％とした。

S;0.04〜0.12％Ｓは被削性を一層改善するため有効な元素であり、そ
の効果を得るためには0.04％以上が必要である。しか
し、0.12％を越えて含有させてもその効果が飽和し、靱
性を低下させるので上限を0.12％とした。

Pb;0.05〜0.30％ Pbは被削性を一層改善するため有効な元素であり、そ
の効果を得るためには0.05％以上が必要である。しか
し、0.30％を越えて含有させてもその被削性改善の効果
の向上が少なくなるので上限を0.30％とした。

Ca;0.0005〜0.0100％ Caは被削性を一層改善するため有効な元素であり、そ
の効果を得るためには0.0005％以上が必要である。しか
し、0.0100％を越えて含有させてもその被削性改善の効
果の向上が少なくなるので上限を0.0100％とした。

Ni;0.2〜2.0％以下 Niは焼入れ性を一層向上し靱性を改善するのに有効な
元素である。前記効果を得るためには少なくとも0.20％
以上添加する必要がある。しかし、2.0％を越えて含有
させても前記効果が飽和しコスト高となるので、上限を
2.0％とした。

［実施例］本発明の実施例を比較鋼および従来鋼と比較しつつ説
明し本発明の特徴を明らかにする。

（実施例１）第１表は、本発明鋼、比較鋼および従来鋼の化学成分
を示したものである。第１表においてNo.1〜16は本発明
鋼であって、No.1〜４は第１発明、No.5〜８は第２発
明、No.9〜11は第３発明、No.12〜16は第４発明であ
る。No.17〜20は比較鋼であって、No.17はＣが本発明の
組成範囲より高い比較鋼、No.18は他の元素は本発明の
組成範囲であるがMoを含有しない比較鋼、No.19はMnが
本発明の組成範囲より低い比較鋼、No.20は他の元素は
本発明の組成範囲であるがＶを含有しない比較鋼であ
る。また、No.21は従来鋼であってその組成はSCM445に
相当する。

第１表の発明鋼および比較鋼を200mm直径の棒鋼と
し、これを1250℃に加熱した後、約1100℃で熱間鍛造を
行い、これより30mm直径100mm直径および150mm直径の棒
鋼を形成し、その後は第２表に示すように、700℃から5
00℃の間を自然冷却または強制冷却し、500℃から300℃
の間を自然冷却または強制冷却した。各供試材の中心部
よりJIS4号試験片およびシャルピーJIS3号試験片を採取
し試験に供した。また、従来鋼のNo.21は、30mm直径、1
00mm直径および150mm直径の棒鋼に形成した後850℃にて
油焼入後、520℃にて焼もどしを行い、同様に試験片を
製作して引張強さおよび衝撃値を測定した。測定した結
果は第２表に示した。なお、第２表において700〜
（自）は700℃から500℃までを自然冷却した場合を、70
0〜（強）は700℃から500℃までを強制冷却した場合
を、500〜（自）は500℃から300℃までを自然冷却した
場合を、500〜（強）は500℃から300℃までを強制冷却
した場合を示す。

第２表から知られるように、No.17はＣ含有量が高か
ったので、衝撃値がいずれも低く靱性が不足する。No.1
8はMoを含有しないので、強度および靱性において劣
る。No.19はMn含有量が低いので、同様に強度および靱
性が劣る。No.20はＶの含有量が低かったので、靱性が
劣る。

また、本発明鋼であっても、冷却速度が本発明方法の
範囲外であったもの、すなわち100mm直径で自然冷却し
たもの、150mm直径で自然冷却したもの、150mm直径で70
0℃からかまたは500℃からのいずれか一方のみを強制冷
却したものは、所期の引張強さおよび衝撃値が得られな
かった。

これに対して、本発明鋼を用いて本発明方法の冷却速
度の範囲、すなわち700℃から500℃までの冷却速度が10
℃／分以上であって、かつ500℃から300℃までの冷却速
度が10℃〜200℃／分であったものは、いずれも引張強
さが90kgf/mm²以上であり、衝撃値は8.0kgfm/cm²以上で
あって、本発明方法の効果が確認された。

（実施例２）第１表に示した発明鋼および比較鋼について、実施例
１の鍛造を施したままの状態で、従来鋼Ｒ鋼については
実施例１と同様の焼入焼もどしを行った状態で、ドリル
穿孔試験を行った。なお、ドリルの材質はSKH9、ドリル
回転数は1710rpm、切削油なし、荷重75kg、ドリルは5mm
φストレートシャンクを用いた。測定した結果は第２表
に示したが、従来鋼のＲ鋼の定荷重単位時間穿孔距離を
100とし、それぞれの穿孔距離を整数比で示した。得ら
れた結果は第３表に示す。

第３表に示したように切削性については従来鋼No.21
に比べて、本発明鋼は非常に良好で、特にＳ、Pbを添加
した第２発明、第４発明はその効果が大きく表れてい
る。

［発明の効果］本発明の強靱非調質鋼の製造方法は以上説明したよう
に、強靱化するため低炭素化し、焼入れ性を向上させて
ベイナイト組織を得、冷却速度に対する強度の低下を緩
和するためＶを添加した鋼を用い、700℃から500℃まで
の冷却速度を10℃／分以上にすることにより、フェライ
トの析出を遅らせ、500℃から300℃までの冷却速度を10
〜200℃／分とすることにより、ベイナイトラス間隔の
細かく詰まった組織を得て、強度および衝撃値を著しく
改善したものであって、引張強さが90kgf/mm²以上、衝
撃値が8.0kgfm/cm²の大型部品が非調質で得られ、自動
車の足廻り部品および建設機械等の大形部品の製造に極
めて有用である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 6/00 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でC;0.05〜0.20％、Si;0.10〜0.50
％、Mn;1.50〜2.50％、Cr;0.30〜1.50％、Mo;0.50〜0.3
0％、V;0.05〜0.30％を含有し、残部がFeおよび不純物
元素からなる鋼を、熱間鍛造後700℃から500℃までを10
℃／分以上の冷却速度で冷却し、500℃から300℃までを
10℃〜200℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とす
る強靱非調質鋼の製造方法。
【請求項２】重量比でC;0.05〜0.20％、Si;0.10〜0.50
％、Mn;1.50〜2.50％、Cr;0.30〜1.50％、Mo;0.50〜0.3
0％、V;0.05〜0.30％を含有し、さらにS;0.04〜0.12
％、Pb;0.05〜0.30％、Ca;0.0005〜0.0100％のうち１種
または２種以上を含有し、残部がFeおよび不純物元素か
らなる鋼を、熱間鍛造後700℃から500℃までを10℃／分
以上の冷却速度で冷却し、500℃から300℃までを10℃〜
200℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする強靱
非調質鋼の製造方法。
【請求項３】重量比でC;0.05〜0.20％、Si;0.10〜0.50
％、Mn;1.50〜2.50％、Cr;0.30〜1.50％、Mo;0.50〜0.3
0％、V;0.05〜0.30％、Ni;0.20〜2.0％を含有し、残部
がFeおよび不純物元素からなる鋼を、熱間鍛造後700℃
から500℃までを10℃／分以上の冷却速度で冷却し、500
℃から300℃までを10℃〜200℃／分の冷却速度で冷却す
ることを特徴とする強靱非調質鋼の製造方法。
【請求項４】重量比でC;0.05〜0.20％、Si;0.10〜0.50
％、Mn;1.50〜2.50％、Cr;0.30〜1.50％、Mo;0.50〜0.3
0％、V;0.05〜0.30％、Ni;0.20〜2.0％を含有し、さら
にS;0.04〜0.12％、Pb;0.05〜0.30％、Ca;0.0005〜0.01
00％のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよ
び不純物元素からなる鋼を、熱間鍛造後700℃から500℃
までを10℃／分以上の冷却速度で冷却し、500℃から300
℃までを10℃〜200℃／分の冷却速度で冷却することを
特徴とする強靱非調質鋼の製造方法。