JP5972823B2 - 冷間鍛造用鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用部品や軸受け、建設機械用部品等の各種部品の製造に用いられる冷間鍛造用鋼を製造する方法に関するものである。

自動車用部品や軸受け、建設機械用部品等の各種部品は、通常、熱間圧延材を冷間鍛造し、その後、切削加工などを施して所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行って最終的な強度調整が行われて製造される。熱間圧延材の冷間鍛造性は、鋼材中に存在している炭化物の形状に影響を受け、棒状の炭化物が存在していると、それらが割れの起点となり、冷間鍛造性が悪くなる。そこで熱間圧延材を冷間鍛造するにあたっては、熱間圧延材の冷間鍛造性を良好にするために炭化物を球状化するための熱処理（球状化焼鈍）が施される。

球状化焼鈍方法としては、例えば、特許文献１〜３の技術が知られている。これらのうち特許文献１には、新たな焼鈍熱処理ヒートパターンを確立することによって、２０時間以上要していた鋼の球状化焼鈍処理を１時間程度に短縮する技術が開示されている。しかし上記特許文献１に記載されている球状化焼鈍処理は、通常のバッチ炉では実施できず、特別な設備が必要となる。

特許文献２には、Ｃ：０．４０〜０．８０重量％、Ｃｒ：０．８０重量％以下を含有する軸受用鋼材について、下記（１）〜（３）の処理の後、（４）〜（５）の処理を１回以上繰り返し、その後冷却する球状化焼鈍方法が開示されている。
（１）Ａ₃点以上に加熱保持後急速冷却を行う。
（２）Ａ₃点＋（５〜３０）℃の温度範囲に再加熱保持する。
（３）Ａ₁点−（５〜３０）℃の温度範囲で保持する。
（４）（Ａ₁点＋５）〜（Ａ₃点＋３０）℃の温度範囲で保持する。
（５）Ａ₁点−（５〜３０）℃の温度範囲で保持する。

特開平８−２４６０４０号公報 特開平４−３６２１２３号公報

上記特許文献２では、Ａ₁点付近で加熱と冷却を複数回繰返す熱処理を行うことによって、炭化物（未固溶炭化物）を球状化しつつ成長させている。球状化焼鈍の途中で炭化物を粗大化させておくと、オーステナイト域（γ域）から冷却する際に棒状のセメンタイトが再析出しにくくなる。また、球状炭化物の粗大化によって素材が軟質化し、冷間鍛造性向上に有効に作用する。しかし上記特許文献２のように、加熱と冷却を複数回繰り返すとエネルギーコストが高くなる。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、特別な設備や加熱冷却の複数回の繰り返しを必須としなくても、鋼材中の炭化物を球状化でき、冷間鍛造用鋼を製造できる方法を提供することにある。

上記課題を解決するため鋭意検討を重ねてきた結果、鋼材中の炭化物を球状化するには、熱間圧延後、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域を平均冷却速度１℃／秒以下で冷却した後、第１加熱保持、第２加熱保持、第１冷却、第２冷却の順に処理を施せばよく、特に、第１加熱保持は、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の相対的に低温の温度域において１５０分間以上の充分な時間行い、第２加熱保持は、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の相対的に高温の温度域において１０〜３００分間として行えばよいことを見出し、本発明を完成した。

即ち、上記課題を解決することのできた本発明に係る冷間鍛造用鋼の製造方法とは、Ｃ：０．３％（質量％の意味。以下同じ。）超、０．６％以下、Ｓｉ：０．００５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：１．８％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）およびＮ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材を熱間圧延し、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における平均冷却速度は１℃／秒以下として少なくとも６００℃以下まで冷却した後、下記の第１加熱保持、第２加熱保持、第１冷却、第２冷却の順に処理する点に要旨を有している。
（１）第１加熱保持
Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域における滞在時間：１５０分間以上
（２）第２加熱保持
加熱速度（Ａ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間の平均）：１２℃／時間以上
Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域における滞在時間：１０〜３００分間
（３）第１冷却
冷却速度（Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間の平均）：１０℃／時間以上
（４）第２冷却
冷却速度（Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間の平均）：１０℃／時間未満

前記鋼材は更に、
（１）Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）およびＢ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種の元素や、
（２）Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）およびＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種の元素、
を含んでもよい。

本発明によれば、熱間圧延後の冷却条件、低温側と高温側の２段階の加熱保持、およびその後の冷却条件を適切に制御しているため、Ｃを０．３％超、０．６％以下の範囲で含有する亜共析鋼からなる鋼材を確実に球状化焼鈍できる。その結果、冷間鍛造性に優れた鋼材を提供できる。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、熱間圧延し、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における平均冷却速度は１℃／秒以下として少なくとも６００℃以下まで冷却した後、第１加熱保持として、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域における滞在時間を１５０分間以上とし、第２加熱保持としてＡ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間の平均加熱速度を１２℃／時間以上としたうえで、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域における滞在時間を１０〜３００分間とし、更にＡ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間の平均冷却速度（第１冷却）およびＡ₁点〜Ａ₁点−３０℃間の平均冷却速度（第２冷却）を適切に制御すれば、Ｃを０．３％超、０．６％以下の範囲で含有する亜共析鋼からなる鋼材を、確実に球状化焼鈍できることを見出し、本発明を完成した。

以下、本発明法が対象とする鋼材について説明した後、本発明法について説明する。

１． 対象鋼
本発明法は、Ｃを０．３％超、０．６％以下の範囲で含有している亜共析鋼を対象としており、Ｃ以外の元素としては、Ｓｉを０．００５〜０．５％、Ｍｎを０．１〜１．５％、Ｃｒを１．８％以下（０％を含まない）、Ａｌを０．０１〜０．１％、Ｐを０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓを０．０３％以下（０％を含まない）、Ｎを０．０１５％以下（０％を含まない）含有する鋼材を対象としている。

Ｃは、鋼材の強度（即ち、最終製品の強度）を確保するために必要な元素であり、冷間鍛造性に重要な影響を及ぼす。また炭化物を生じるため、球状化焼鈍方法の設計に当たって考慮しなければならない。本発明はＣを０．３％超含有する鋼材を対象とした。Ｃ量は、好ましくは０．３２％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかしＣを過剰に含有すると、強度が高くなり過ぎて冷間鍛造性が悪くなる。従ってＣ量は、０．６％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．５８％以下、より好ましくは０．５５％以下である。

Ｓｉは、脱酸元素として、および固溶体硬化による最終製品の強度を増加させるために含有させる元素であり、０．００５％以上とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．１０％以上である。しかしＳｉ量が０．５％を超えると、過度に強度が上昇して冷間鍛造性を劣化させることがある。従ってＳｉ量は、０．５％以下とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．４％以下、より好ましくは０．３０％以下である。

Ｍｎは、焼入れ性を向上し、最終製品の強度を増加させるのに作用する元素であり、０．１％以上含有させる必要がある。Ｍｎ量は、好ましくは０．３０％以上、より好ましくは０．５０％以上である。しかし過剰に含有すると強度が過度に上昇して冷間鍛造性が劣化する。従ってＭｎ量は１．５％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは１．２％以下、より好ましくは１．０％以下である。

Ｃｒは、焼入れ性を向上し、最終製品の強度を増加させるのに作用する元素であり、こうした作用を確実に発揮させるには、Ｃｒは０．０５％以上含有することが好ましく、より好ましくは０．１０％以上、さらに好ましくは０．４％超とする。しかしＣｒが１．８％を超えると、強度が高くなり過ぎて冷間鍛造性が劣化する。従ってＣｒ量は１．８％以下とする。Ｃｒ量は、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１．３％以下である。

Ａｌは、脱酸元素として作用すると共に、鋼材中に存在する固溶ＮをＡｌＮとして固定し、冷間鍛造性を向上させる元素である。従ってＡｌ量は０．０１％以上とする必要があり、好ましくは０．０１５％以上、より好ましくは０．０２０％以上である。しかしＡｌ量が過剰になると、鋼材中にＡｌ₂Ｏ₃が過剰に生成し、冷間鍛造性が劣化する。従ってＡｌ量は、０．１％以下とする必要があり、好ましくは０．０８０％以下、より好ましくは０．０５０％以下である。

Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、粒界偏析を起こすと延性劣化の原因となる。従ってＰ量は、０．０３％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。

Ｓは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、Ｓは鋼材中にＭｎＳとして存在し、延性を劣化させて冷間鍛造性を悪化させる。従ってＳ量は０．０３％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｓ量はできるだけ低減することが好ましいが、Ｓは鋼材の被削性を向上させるのに作用する。こうした作用を確実に発揮させるには、Ｓ量は０．００１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．００５％以上、更に好ましくは０．０１０％以上とする。

Ｎは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、鋼材中に固溶Ｎとして存在すると、歪み時効による硬度上昇および延性低下を招き、冷間鍛造性を劣化させる。従ってＮ量は０．０１５％以下とする。Ｎ量は、好ましくは０．０１３％以下、更に好ましくは０．０１０％以下である。

残部成分は特に限定されないが、鉄と、Ｐ、ＳおよびＮ以外の不可避不純物である。

上記鋼材は更に、（１）Ｃｕ、Ｎｉ、ＭｏおよびＢよりなる群から選択される少なくとも１種の元素、および／または（２）Ｔｉ、ＮｂおよびＶよりなる群から選択される少なくとも１種の元素、等を含んでもよい。

（１）の場合、Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）およびＢ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有させる。これらの元素は、いずれも鋼材の焼入れ性を向上させて最終製品の強度を高めるのに有効に作用する元素である。これらの元素は単独で、または２種以上含有させてもよい。前記作用を確実に発揮させる観点から、Ｃｕは０．０２％以上、Ｎｉは０．０２％以上、Ｍｏは０．０２％以上、Ｂは０．０００３％以上含有させることが好ましく、より好ましくは、Ｃｕは０．０５％以上、Ｎｉは０．０５％以上、Ｍｏは０．０５％以上、Ｂは０．０００５％以上である。しかし過剰に含有すると、強度が高くなり過ぎて、冷間鍛造性が劣化することがある。従ってＣｕは０．２５％以下、Ｎｉは３％以下、Ｍｏは１％以下、Ｂは０．０１％以下であることが好ましく、より好ましくは、Ｃｕは０．２３％以下、Ｎｉは２．５％以下、Ｍｏは０．９０％以下、Ｂは０．００７％以下であり、更に好ましくは、Ｃｕは０．２０％以下、Ｎｉは２．０％以下、Ｍｏは０．８０％以下、Ｂは０．００５％以下である。

（２）の場合、Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）およびＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有させる。これらの元素は、いずれも鋼材中に存在するＮと結合して窒化物を形成し、固溶Ｎを低減することにより、変形抵抗を低下させて冷間鍛造性を向上させる元素である。これらの元素は単独で、または２種以上を含有させてもよい。こうした作用を確実に発揮させるには、Ｔｉは０．０３％以上、Ｎｂは０．０３％以上、Ｖは０．０３％以上含有させることが好ましく、より好ましくは、Ｔｉは０．０５％以上、Ｎｂは０．０５％以上、Ｖは０．０５％以上である。しかし過剰に含有すると、形成される窒化物が変形抵抗を高め、冷間鍛造性を劣化させることがある。従ってＴｉは０．２％以下、Ｎｂは０．２％以下、Ｖは０．５％以下であることが好ましく、より好ましくは、Ｔｉは０．１８％以下、Ｎｂは０．１８％以下、Ｖは０．４５％以下、更に好ましくは、Ｔｉは０．１５％以下、Ｎｂは０．１５％以下、Ｖは０．４０％以下である。

２． 製造方法
本発明の製造方法で採用する球状化焼鈍法は、熱間圧延後のＡ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における冷却速度を制御する点と、その後、２段階に分けて熱処理（第１加熱保持、第２加熱保持）を行う点と、熱処理後、冷却するにあたり、２つの温度域における冷却条件（第１冷却、第２冷却）を適切に制御している点に特徴がある。以下、熱処理パターンに沿って順に説明する。なお、本明細書において、Ａ₁点の温度は、レスリー鉄鋼材料学（丸善）の第２７３頁に記載の下記式（１）で算出されるＡｃ₁点である。下記式（１）において、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示しており、含有しない元素は、０質量％として計算すればよい。
Ａｃ₁点＝７２３＋２９．１×［Ｓｉ］−１０．７×［Ｍｎ］＋１６．９×［Ｃｒ］−１６．９×［Ｎｉ］＋２９０×［Ａｓ］＋６．３８×［Ｗ］ ・・・（１）

２．１ 熱間圧延後の冷却
熱間圧延後は、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域を平均冷却速度１℃／秒以下で徐冷する。この温度域を徐冷することによりＣやその他の合金元素の析出を促進できるため、炭化物を多く生成させることができ、後述する第１加熱保持で炭化物を粗大化させることができる。また、この温度域を徐冷することにより球状化焼鈍後におけるフェライト粒径を大きくすることができ、球状化焼鈍後の鋼材の硬さを低下させ、一層軟質化できる。しかし上記平均冷却速度が１℃／秒を超えると、炭化物が微細に分散するため、その後の熱処理で炭化物の粗大化が不十分となり、鋼材が硬くなって冷間鍛造性が悪くなる。従って上記平均冷却速度は１℃／秒以下とし、好ましくは０．８℃／秒以下、より好ましくは０．５℃／秒以下とする。

上記Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域を徐冷した後は、少なくとも６００℃以下まで冷却する。なお、Ａ₁点−４０℃から６００℃以下までの冷却条件は本発明の効果を損なわない範囲で特に限定されない。

２．２ 第１加熱保持
少なくとも６００℃以下まで冷却した後は、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域に加熱し、第１加熱保持を行う。第１加熱保持では、上記成分組成を満足する鋼材を、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域で１５０分間以上滞在させる。この温度域で１５０分間以上滞在させることによって、上記熱間圧延後の冷却時に鋼材中に生成させた炭化物を成長、粗大化させることができる。その結果、後述するＡ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域（第２加熱保持）で滞在させることによって、炭化物を未固溶炭化物として安定的に確保でき、更にＡ₁点〜Ａ₁点−３０℃間（第２冷却）を適切な条件で冷却することによって、球状化組織を得ることができる。即ち、Ｃ含有量が０．３％超、０．６％以下の亜共析鋼の場合、Ａ₁点より高い温度域で加熱すると、未固溶炭化物が消失し易く、逆に、加熱温度がＡ₁点より低い場合（例えば、Ａ₁点−５０℃以下）には圧延材組織中にラメラ−パーライトが残存し、鋼材の硬さが低くなったり、棒状炭化物の生成を抑制できない。

従って本発明法では、２段階に分けた加熱保持を行うこととし、第１加熱保持での加熱温度は、Ａ₁点−３０℃以上とする。上記Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域において恒温保持する場合は、Ａ₁点−２５℃以上とすることが好ましい。また、滞在時間は、１５０分間以上とし、好ましくは１８０分間以上、より好ましくは２１０分間以上とする。しかし加熱温度が高過ぎると、鋼材中の炭化物は成長せず、オーステナイト組織中に溶解するため、球状化組織は得られない。従って第１加熱保持での加熱温度は、Ａ₁点＋５℃未満とする。上記Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域において恒温保持する場合は、Ａ₁点＋３℃以下とすることが好ましい。滞在時間の上限は特に限定されないが、長時間保持してもその効果は飽和し、生産性が低下する。従って滞在時間の上限は、例えば、２０時間以下とすればよい。

上記鋼材をＡ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域で１５０分間以上滞在させるにあたっては、上記鋼材は、この温度域内で恒温保持してもよいし、この温度域内で徐々に加熱および／または冷却を行なってもよく、鋼材がこの温度域内に滞在した合計時間が１５０分間以上であればよい。また、鋼材の温度が途中で一時的にＡ₁点−３０℃を下回ってもよいが、例えば、Ａ₁点−３５℃を下回らないように温度管理することが好ましい。

なお、熱間圧延後に所定の温度まで冷却した後、第１加熱保持までの加熱速度は適宜設定すればよく、例えば、０．１〜１０℃／分程度、好ましくは０．３〜６℃／分程度、より好ましくは１〜５℃／分程度の範囲で設定できる。

２．３ 第２加熱保持
第１加熱保持の後は、引き続いて第２加熱保持を行う。第２加熱保持では、Ａ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間を平均加熱速度１２℃／時間以上で加熱したうえで、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域における滞在時間を１０〜３００分間とする。

上記平均加熱速度を１２℃／時間以上とすることによって、上記第１加熱保持終了時点で残存した棒状炭化物を分断できるため、後述するＡ₁点〜Ａ₁点−３０℃間における第２冷却時に球状化組織が得られる。即ち、上記Ａ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間における加熱速度を大きくすることによって、オーステナイトの核生成を均一に行うことができる。その結果、オーステナイトが均一に生成するため、第１加熱終了時点で棒状炭化物の分断が均一に起こる。よって第２冷却時に球状化組織が得られる。また、上記加熱速度を大きくすることで、上記第１加熱保持で粗大化させた炭化物の溶解を抑制できるため、未固溶炭化物を均一に残存させることができ、後述する第２冷却時に球状化組織が得られる。従って上記平均加熱速度は１２℃／時間以上とし、好ましくは１５℃／時間以上、より好ましくは２０℃／時間以上、更に好ましくは４０℃／時間以上である。上記平均冷却速度の上限は特に限定されないが、設備上６００℃／時間以下とすることが好ましい。

Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域に加熱した後は、この温度域で１０〜３００分間滞在させる。この温度域で滞在させることによって、上記第１加熱保持終了時点で残存した棒状の炭化物を溶解消失させることができる。加熱温度がＡ₁点＋１５℃を下回ると棒状の炭化物を充分に溶解消失させることができないため、球状化組織が得られない。従って加熱温度はＡ₁点＋１５℃以上とする。上記Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域において恒温保持する場合は、Ａ₁点＋１８℃以上とすることが好ましい。また、滞在時間が１０分間を下回ると、棒状炭化物を分断させることができず、球状化組織が得られない。従って滞在時間は、１０分間以上とし、好ましくは３０分間以上とする。しかし加熱温度がＡ₁点＋６０℃を超えるか、滞在時間が３００分間を超えると、上記第１加熱保持で成長させた炭化物が溶解消失するため、球状化組織を得ることができない。従って加熱温度はＡ₁点＋６０℃以下とする。上記Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域において恒温保持する場合は、Ａ₁点＋５５℃以下とすることが好ましく、より好ましくはＡ₁点＋５０℃以下である。また、滞在時間は３００分間以下とし、好ましくは２７０分間以下、より好ましくは２４０分間以下、更に好ましくは２１０分間以下である。

上記鋼材をＡ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域で１０〜３００分間滞在させるにあたっては、上記鋼材は、この温度域内で恒温保持してもよいし、この温度域内で徐々に加熱および／または冷却を行なってもよく、鋼材がこの温度域内に滞在した合計時間が１０〜３００分間であればよい。また、鋼材の温度が途中で一時的にＡ₁点＋１５℃を下回ってもよいが、例えば、Ａ₁点＋１０℃を下回らないように温度管理することが好ましい。

２．４ 第１冷却、第２冷却
第２加熱保持した後は、冷却するが、本発明では、第１冷却として、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間を平均冷却速度１０℃／時間以上で冷却し、第２冷却として、Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間を平均冷却速度１０℃／時間未満で冷却する必要がある。

上記第１冷却では、上記第２加熱保持終了時点で得られている未固溶炭化物を溶解消失させないように、比較的に速やかに冷却することを目的とする。従って本発明では、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間の平均冷却速度は１０℃／時間以上とし、好ましくは１５℃／時間以上、より好ましくは２０℃／時間以上、更に好ましくは４０℃／時間以上である。この温度域における平均冷却速度の上限は特に限定されないが、例えば、６０℃／時間以下である。

上記第２冷却では、再生パーライトのような棒状の炭化物の析出を抑制しつつ、上述した未固溶の炭化物を球状化することを目的とする。従って本発明では、Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間の平均冷却速度は１０℃／時間未満とし、好ましくは８℃／時間以下、より好ましくは６℃／時間以下、更に好ましくは４℃／時間未満とする。この温度域における平均冷却速度の下限は、例えば、０．５℃／時間以上であり、好ましくは１℃／時間以上である。

第２冷却以後もさらに冷却（第３冷却）を実施してもよく、この第３冷却の最終温度は適宜設定できるが、例えば、６００℃以下、好ましくは４００℃以下、より好ましくは１００℃以下であり、室温であってもよい。

なお、本明細書において、各温度は、線材コイル表面の温度を指し、線材コイルの表面に取り付けられた熱電対、もしくは線材コイルの近傍に設置された熱電対によって測定される温度である。

２．５ 熱間圧延までの工程
本発明の鋼材を製造するに当たり、熱間圧延までの工程は特に限定されず、例えば、通常の鋼材の製造方法に従えばよい。例えば、所定の成分に調整した鋼材を鋳造し、必要に応じて分塊圧延することができる。

２．６ 球状化焼鈍後工程
上記のようにして球状化焼鈍された鋼材は、冷間鍛造性に優れているため、簡便に所定の形状に成形できる。この成形体は、焼入れ焼戻し処理などの最終的な強度調整を行い、鋼部品となる。本発明は、軸受けなどの自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品を製造するのに極めて有用である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１に示す成分組成（残部は、鉄およびＰ、Ｓ、Ｎ以外の不可避不純物）の鋼材（鋼種Ａ〜Ｍ）を熱間圧延した後、室温まで冷却し、φ１０〜１８ｍｍの線材コイル（１個あたり２トン）を製造した。下記表１には、各鋼種について、成分組成と上記式（１）に基づいて算出したＡ₁点、Ａ₁点−４０℃、Ａ₁点−３０℃、Ａ₁点＋５℃、Ａ₁点＋１５℃、Ａ₁点＋６０℃の温度も示した。

下記表２には、熱間圧延後、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における平均冷却速度を示す。冷却速度は、コンベア冷却時の鋼材温度をサーモビュアによって測定して算出した。

得られた線材コイルを、バッチ式炉に入れて球状化焼鈍を行った。具体的には、下記表２に示す第１加熱保持の加熱温度に加熱した後、下記表２に示す第２加熱保持の加熱温度に加熱した。下記表２には、第１加熱保持として、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域における滞在時間（分）、第２加熱保持として、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域における滞在時間（分）を示す。

なお、下記表２に示すＮｏ．６は、第２加熱保持における加熱温度がＡ₁点＋６０℃を超える例であり、この例では、８０５℃で９０分間恒温保持した。従ってこの例では、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域で滞在させていないが、下記表２では、便宜上、第２加熱保持の滞在時間の欄に９０分と表記した。また、下記表２に示すＮｏ．９は、第２加熱保持における加熱温度がＡ₁点＋１５℃を下回る例であり、この例では、７４２℃で９０分間恒温保持した。従ってこの例では、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域で滞在させていないが、下記表２では、便宜上、第２加熱保持の滞在時間の欄に９０分と表記した。また、下記表２に示すＮｏ．１１は、第１加熱保持における加熱温度がＡ₁点−３０℃を下回る例であり、この例では、６８６℃で６０分間恒温保持した。従ってこの例では、Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域で滞在させていないが、下記表２では、便宜上、第１加熱保持の滞在時間の欄に６０分と表記した。

第１加熱保持終了後、第２加熱保持の加熱温度に昇温したときにおけるＡ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間の平均加熱速度（℃／時間）を下記表２に示す。なお、下記表２に示すＮｏ．５は、第１加熱保持を行わなかった例である。

次に、第２加熱保持後、室温まで冷却した。このとき第１冷却として、Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間の平均冷却速度、第２冷却として、Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間の平均冷却速度を夫々下記表２に示す。

球状化焼鈍後、次の手順で金属組織を観察し、炭化物の形状を調べ、球状化焼鈍が適切に行なわれているか否かを評価した。即ち、球状化焼鈍して得られた線材コイルの端部から試験片を切り出し、Ｄ／８位置（Ｄは試験片の直径）の横断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、倍率４０００倍で観察し、写真を１０枚撮影した。撮影した写真を夫々画像解析し、写真内に観察された炭化物のアスペクト比（長径／短径の比）を算出した。写真内に観察された炭化物の個数（総数）に対し、アスペクト比が４．０以下の炭化物の個数割合を算出した。撮影した１０枚の写真について、全ての写真においてアスペクト比が４．０以下の炭化物の個数割合が９０％以上である場合を球状化焼鈍合格（下記表２では○印）、１枚でもアスペクト比が４．０以下の炭化物の個数割合が９０％未満である場合を球状化焼鈍不合格（下記表２では×印）と評価した。評価結果を下記表２に示す。

次に、球状化焼鈍して得られた線材コイルの端部から試験片を切り出し、Ｄ／８位置（Ｄは試験片の直径）における硬さを測定した。硬さの測定には、ビッカース硬度計を用い、荷重１ｋｇｆで５箇所測定し、その平均値を鋼材の硬さ（実測値）とした。硬さは、鋼材に含まれるＣ量に影響を受けるため、下記式（２）で硬さの合格基準値を算出し、この合格基準値を下回る場合を合格とした。下記式（２）は、本発明者らが実験を繰り返した結果見出した式である。
硬さの合格基準値（ＨＶ）＝［鋼材に含まれる炭素量（質量％）］×８４．６＋１１２．６ ・・・（２）

下記表１、表２から次のように考察できる。Ｎｏ．１、４、７、１０、１３、１５〜２１は、本発明で規定している要件を満足している例である。いずれもＣを０．３０％超、０．６０％以下の範囲で含有する亜共析鋼からなる線材コイルに含まれる炭化物を球状化できており、硬さが低く、軟質化できている。従って冷間鍛造性に優れていると考えられる。

一方、Ｎｏ．２、３、５、６、８、９、１１、１２、１４、２２は、いずれも本発明で規定している要件を満足していない例であり、球状化組織が得られないか、軟質化できなかった。従って冷間鍛造性を改善できていないと考えられる。詳細には、次の通りである。

Ｎｏ．２は、第２加熱保持における滞在時間が長過ぎた例であり、第１加熱保持において粗大化させた炭化物が固溶消失したため、球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。Ｎｏ．３、９は、熱間圧延後におけるＡ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における平均冷却速度が大き過ぎた例であり、Ｃやその他の合金元素の析出が促進されなかったため、硬さを低下させることができなかった。また、Ｎｏ．９は、第２加熱保持における加熱温度が低過ぎたため、第１加熱保持終了時において残存した棒状炭化物を溶解させることができず、球状化組織は得られなかった。Ｎｏ．５は、第１加熱保持を行わずに、７８０℃まで一気に加熱した例であり、炭化物を充分に成長させることができなかった。そのため球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。Ｎｏ．６は、第２加熱保持における加熱温度が高過ぎた例であり、第１加熱保持で粗大化させた炭化物が固溶消失したため、球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。

Ｎｏ．８は、第２加熱保持後、第２冷却（Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間）における平均冷却速度が大き過ぎた例であり、再生パーライトのような棒状の炭化物が新たに析出したため、球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。Ｎｏ．１１は、第１加熱保持における加熱温度が低く、また滞在時間が短過ぎた例であり、炭化物が充分に成長しなかったため、球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。Ｎｏ．１２は、第１加熱保持での加熱温度から第２加熱保持での加熱温度まで加熱する際の、Ａ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間における平均加熱速度が小さ過ぎた例であり、第１加熱保持で部分的に残存した棒状の炭化物を促進できず、また第１加熱保持で粗大化させた炭化物が溶解したため、球状化組織は得られず、硬さを低下させることはできなかった。Ｎｏ．１４は、第２加熱保持後、第１冷却（Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間）における平均冷却速度が小さ過ぎたため、第２加熱保持終了時に残存した未固溶炭化物が固溶消失してしまい、球状化組織は得られなかった。なお、未固溶炭化物が固溶消失する一方で、棒状の炭化物が析出し、これが粗大化したため、硬さは低下したと考えられる。Ｎｏ．２２は、Ｃｒ量が本発明で規定している範囲を超えている例であり、表２に示した熱処理条件では、硬さを低下させることができなかった。

以上の通り、本発明によれば、Ｃ量が０．３％超、０．６％以下の亜共析鋼からなる鋼材に含まれる炭化物を球状化でき、軟質化できる。

Claims (3)

1. Ｃ ：０．３％（質量％の意味。以下同じ。）超、０．６％以下、
   Ｓｉ：０．００５〜０．５％、
   Ｍｎ：０．１〜１．５％、
   Ｃｒ：１．８％以下（０％を含まない）、
   Ａｌ：０．０１〜０．１％、
   Ｐ ：０．０３％以下（０％を含まない）、
   Ｓ ：０．０３％以下（０％を含まない）および
   Ｎ ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含有し、
   残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材を熱間圧延し、Ａ₁点からＡ₁点−４０℃の温度域における平均冷却速度は１℃／秒以下として少なくとも６００℃以下まで冷却した後、下記の第１加熱保持、第２加熱保持、第１冷却、第２冷却の順に処理することで鋼材中の炭化物を球状化する冷間鍛造用鋼の製造方法。
   （１）第１加熱保持
   Ａ₁点−３０℃以上、Ａ₁点＋５℃未満の温度域における滞在時間：１５０分間以上
   （２）第２加熱保持
   加熱速度（Ａ₁点＋５℃〜Ａ₁点＋１５℃間の平均）：１２℃／時間以上
   Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋６０℃の温度域における滞在時間：１０〜３００分間
   （３）第１冷却
   冷却速度（Ａ₁点＋１５℃〜Ａ₁点＋５℃間の平均）：１０℃／時間以上
   （４）第２冷却
   冷却速度（Ａ₁点〜Ａ₁点−３０℃間の平均）：１０℃／時間未満
2. 前記鋼材が更に、
   Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、
   Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）、
   Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）および
   Ｂ ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１に記載の製造方法。
3. 前記鋼材が更に、
   Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、
   Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）および
   Ｖ ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１または２に記載の製造方法。