説明

冷間鍛造用鋼の製造方法

【課題】 従来の技術では得られなかった、割れの発生しない冷鍛性に優れた中炭素鋼を提供することである。
【解決手段】 質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.50〜1.20%、Ni:0.30%以下、Cr:0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる中炭素鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して一定時間保持した後、冷却する際に730〜650℃の範囲を30℃/hr以下の徐冷の冷却速度とした後、さらに常温に冷却する方法を、図1に示すように、バッチ式炉または連続炉で2回以上繰返す方法からなる球状化焼なまし後の硬さが83HRB以下でかつ組織中の球状炭化物比率が70%以上である冷間鍛造用鋼の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車や各種産業機械の分野にて冷間鍛造を実施し、その後高周波焼入れ処理により表面に硬さの高い硬化層を付与する部品に使用される、冷間鍛造性に優れた中炭素鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車および各種産業用機械などに用いられる機械部品は、炭素鋼または合金鋼が素材として使用されてきた。これらの機械部品は、通常、棒鋼または線材を球状化焼なまし処理し、切断、冷間鍛造、切削などの加工を行うことによって製造されている。冷間鍛造は、製品の加工精度、高強度化、コストの点で優れているため多用されている。この場合、冷間鍛造性を向上させるためフェライト基地中に炭化物を球状化し、鋼材の変形抵抗を低下させる球状化焼なまし処理が施される。
【0003】
中炭素鋼を含む構造用鋼一般に対して、冷鍛性の向上を図るための球状化焼なまし法として、所定のオーステナイト化温度域から徐冷によりAr1変態点以下の温度域に至る徐冷法(通称)にて温度設定条件の適正化を図っている出願がある(例えば、特許文献1または特許文献2参照。)。
【0004】
また、類似の技術として高炭素クロム軸受鋼において、同じく冷鍛性向上を狙いオーステナイト化の加熱と徐冷を繰返す方法が出願されている(例えば、特許文献3参照。)。
【0005】
さらに、肌焼鋼や中炭素鋼を繰返し焼入れすることで、旧オーステナイト粒を微細化して強度を向上させた出願がある(例えば、特許文献4参照。)。しかし、このものは、焼入れによって高硬度のマルテンサイト組織となっており、冷間鍛造性を向上させるため、基地を軟質のフェライト組織とした本出願のものと異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2001−131631号公報)
【特許文献2】特開平9−87736号公報
【特許文献3】特公平6−2898号公報
【特許文献4】特開2006−169637号公報)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の解決しようとする課題は、従来の技術では得られなかった、冷鍛性に優れた中炭素鋼を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
従来、中炭素鋼に通常の徐冷法による球状化焼なましを施しても、割れ発生のない冷間鍛造の遂行は困難であることが判っている。一方、発明者は、冷鍛性の指標として、焼なまし後の硬さの低減と共に球状化状態の適正化が必要であることを研究的に確認した。そして、中炭素鋼において、それらを満たすためには、球状化焼なまし処理において2回以上のオーステナイト化温度域への加熱を行うことで、パーライトラメラーを分断・均質化し、硬さの低減、球状炭化物の比率を高めることが必要であることを見出し、本発明の手段を得た。
【0009】
すなわち、上記の課題を解決するための、本発明の手段は、請求項1の発明では、質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.50〜1.20%、Ni:0.30%以下、Cr:0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる中炭素鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度としてAc1と同じかそれ以上の温度でありかつAc1より50℃高い温度(以下「Ac1+50℃」という。)以下(以下これらの温度を「Ac1〜Ac1+50℃」という。)の範囲に加熱して一定時間、望ましくは少なくとも30分保持し、その後冷却する際に730〜650℃の範囲を時間当たり30℃(以下「30℃/hr」という。)以下の徐冷の冷却速度とした後、さらに常温に冷却した後、出炉する加熱および徐冷方法をバッチ式炉または連続炉で2回以上繰返すことを特徴とする冷間鍛造用鋼の製造方法である。この製造方法とすることで、球状化焼なまし後の硬さが83HRB以下、かつ、組織中の球状化炭化物の比率が70%以上である冷間鍛造用鋼が得られる。
【0010】
請求項2の発明では、質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.50〜1.20%、Ni:0.30%以下、Cr:0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる中炭素鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して一定時間、望ましくは少なくとも30分保持し、その後200℃/hr以下の冷却速度で冷却して730〜600℃の範囲に一定時間、望ましくは少なくとも30分保持し後、再び最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して一定時間、望ましくは30分以上保持し、次いで冷却する際に730〜650℃の温度範囲を30℃/hr以下の冷却速度で徐冷した後、出炉する繰返し加熱および冷却法をバッチ式炉で行って製造することを特徴とする冷間鍛造用鋼の製造方法である。この製造方法とすることで、球状化焼なまし後の硬さが83HRB以下、かつ、組織中の球状化炭化物の比率が70%以上である冷間鍛造用鋼が得られる。
【0011】
本願の請求項に係る発明は、上記のように、中炭素鋼において、2回以上のオーステナイト化を行うことをキーテクノロジーとした球状化焼なましを条件とした冷間鍛造用鋼の製造方法である。
【0012】
以下に本発明の成分限定理由について説明する。なお、以下の%は質量%を示す。
C:0.45〜0.60%
Cは、高周波焼入れ後の硬さを確保するために必要な元素で、そのためには、Cは0.45%が必要である。しかし、Cが多すぎると球状化焼なまし後の硬さを上げるため、冷間鍛造時に割れの発生を促進するので、Cは0.60%を上限とする。
【0013】
Si:0.10〜0.50%
Siは、脱酸効果を確保し、さらに高周波焼入れ性を確保するために必要な元素で、そのためには、Siは0.10%が必要である。しかし、Siが多すぎると、脱酸効果が飽和してしまう。またフェライト基地の硬さを上げるため、冷間鍛造時に割れの発生を促進してしまうので、Siは0.50%を上限とする。
【0014】
Mn:0.50〜1.20%
Mnは、脱酸効果を確保し、さらに高周波焼入れ性を確保するために必要な元素で、そのためには、Mnは0.50%が必要である。しかし、Mnが多すぎると、脱酸効果が飽和してしまう。またフェライト基地の硬さを上げるため、冷間鍛造時に割れの発生を促進してしまう。さらにPなどの脆化元素の粒界偏析を助長して靭性を低下させる。そこで、Mnは1.20%を上限とする。
【0015】
Ni:0.30%以下
Niは、多量に添加するとフェライト基地の硬さを上げるため、冷間鍛造時に割れの発生を促進し、さらにコストアップとなる。そこでNiは0.30%以下とする。なお、Niが0.20%未満は不純物として含有されるが、硬さの効果は小さくなるがそれなりに有する。
【0016】
Cr:0.30%以下
Crは、セメンタイトの球状化を促進させるが、0.30%を超えて多量に添加すると炭化物の個数が多くなり冷間鍛造時に割れの発生を促進し、セメンタイト中に濃縮し、焼入れ前の加熱の際に炭素のマトリックス中への固溶を阻害し、高周波焼入れ性を悪くし、さらにコストアップとなる。そこでCrは0.30%以下とする。なお、0.20%未満は不純物として含有されるが、セメンタイトの球状化の効果は小さくなるがそれなりに有する。
【0017】
P:0.030%以下
Pは、フェライト基地の硬さを上げるため、冷間鍛造時に割れの発生を促進し、粒界脆化によって靭性を低下させる。そこでPは0.030%以下とする。なお、P:0.020%未満は不純物として含有されている。
【0018】
S:0.030%以下
Sは、MnSを形成して冷間加工時の割れ発生の原因となり、さらにMnSの形成で転がり疲れ寿命を低下する。そこでSは0.030%以下とする。
【0019】
球状化焼なましの限定理由としての加熱時の最高点温度範囲は、Ac1〜Ac1+50℃
加熱時の最高点温度がAc1点未満では、圧延(もしくは鍛伸して焼ならし)後のフェライトとセメンタイトで構成される層状パーライトがオーステナイト中に固溶せず残存してしまう。一方、加熱時の最高点温度がAc1+50℃の温度を超えると、殆どの炭化物がオーステナイト中に固溶してしまい、球状炭化物の核生成サイトが減少もしくは殆ど無くなり、結果として冷却時に再生パーライトが生じてしまう。そこで、加熱時の最高点温度範囲:Ac1〜Ac1+50℃とする。
なお、加熱時の最高点温度の保持時間は、炭化物の球状化程度を低める層状パーライトをオーステナイト中に固溶させるために、望ましくは30分以上とする。
【0020】
冷却時の温度範囲は、730〜650℃
本発明の鋼成分の範囲では、730℃より高い温度から冷却すると、冷却時間が長くなってしまう。一方、650℃未満では、オーステナイトからフェライト+セメンタイトへの変態が終了している。そこで、冷却時の温度範囲は、730〜650℃とする。
【0021】
温度範囲730〜650℃での冷却速度は30℃/hr以下の徐冷
730〜650℃での冷却速度が30℃/hrよりも速いとパーライトが生じる。そこで、上記の温度範囲での冷却速度は30℃/hr以下の徐冷としてパーライトの発生を抑止する。
【0022】
加熱および徐冷の方法の回数を2回以上
加熱および徐冷の方法の回数が1回のみでは、パーライトラメラー層が多数残存すると冷間鍛造時に割れが発生してしまう。少なくとも2回の加熱および冷却により、オーステナイト化を繰り返すことでパーライトラメラー層の分断および均質化が可能となる。そこで、加熱および冷却の方法の回数を2回以上とする。
【0023】
球状化焼なまし硬さは83HRB以下
球状化焼なまし硬さが83HRBを超えると、冷間鍛造変形性が低下し、高加工率の冷間鍛造を行うと割れが発生してしまう。そこで、球状化焼なまし硬さは83HRB以下とする。
【0024】
球状炭化物の比率は70%以上
球状炭化物の比率が70%未満では、硬さが上昇し、冷間鍛造時に局所的な変形能が低下してしまう。さらに高加工率の冷間鍛造を行うと割れが発生してしまう。そこで、球状炭化物の比率を70%以上とする。なお、球状炭化物の比率は、被検面積0.1mm2中の長径/短径の比が5以下の炭化物の個数を被検面積0.1mm2中の炭化物総個数で除した百分率で示す値である。
【0025】
さらに、請求項2の手段で、上記の鋼成分からなる鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して30分以上保持した後、中炭素鋼の中心部の温度を冷却速度200℃/hr以下で730〜600℃の範囲に冷却した後、再び上記の最高温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱・保持した後、中炭素鋼の中心部の温度を冷却速度200℃/hr以下で730〜600℃の範囲に冷却する上記の再び以降の方法を1〜2回繰り返し、この繰返しにおける最終的な繰返し時の冷却方法を上記の730〜600℃の範囲に変えて730〜650℃の範囲とし、該範囲を冷却速度30℃/hr以下で徐冷した後、室温に冷却する方法とすることで、焼なまし後の硬さを83HRB以下で、かつ、組織中の球状炭化物比率を70%以上としてもよい。
【0026】
さらに、請求項1の手段と相違する請求項2の手段における球状化焼なましの限定理由について記載する。
【0027】
球状化焼なましにおける1回目の冷却時の冷却速度を200℃/hr以下
球状化焼なまし時間の短縮化を図るために、冷却速度は、200℃/hr以下とする。この様に冷却速度を早めて冷却速度が30℃/hrを超えるとパーライトが生じてしまうが、球状化焼なましにおける1回目の冷却速度が200℃/hr以下であれば、再び最高温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱した後、適正な冷却速度である30℃/hr以下で730〜650℃の範囲を冷却することにより、球状化状態を適正にすることができる。そこで、1回目の冷却は、冷却時間を短縮するために冷却速度を200℃/hr以下とする。
【0028】
1回目の冷却時の温度範囲を730〜600℃
本発明の鋼成分の範囲では、730℃より高い温度から冷却すると、冷却時間が長くなってしまう。一方、650℃以下ではオーステナイトからフェライト+セメンタイトへの変態が終了している。しかし、オーステナイトからフェライト+セメンタイトへの変態が終了してから、冷却時の温度範囲が600℃よりもさらに低くなると、再び最高温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱するために時間を要し、このために焼きなまし時間が長くなる。そこで、1回目の冷却時の温度範囲730〜600℃を30分以上かけて冷却するものとする。
【0029】
2回目以降の冷却時の冷却速度は30℃/hr以下
なお、2回目以降の冷却速度は請求項1と同じく30℃/hr以下とすることで、パーライトの発生を抑止する。
【0030】
球状化焼なましの繰返し加熱の回数は2回以上
加熱および冷却の方法の回数が1回のみでは、2回以上のオーステナイト化への加熱および冷却からなる球状化焼なまし処理では、パーライトラメラーが多数残存して冷間鍛造時に割れが発生してしまう。そこで、1回目のAc1〜Ac1+50℃の加熱後に200℃以上の冷却速度で鋼の中心部を730°〜600℃の範囲に冷却した後、2回目以降のAc1〜Ac1+50℃への加熱とその後の徐冷による、2回以上の加熱とその後の冷却を行うことにより、オーステナイト化を繰り返すことでパーライトラメラー層の分断および均質化を可能とする。そこで、加熱および冷却の方法の回数を2回以上とする。
【発明の効果】
【0031】
本願の請求項1の手段の方法からなる中炭素鋼は、2回以上のオーステナイト化温度域への加熱および冷却からなる球状化焼なまし処理で、パーライトラメラーを分断・均質化して形成した鋼であって、硬さが低減されかつ球状炭化物の比率が高い中炭素鋼となっているので、割れ発生のない冷間鍛造が遂行できる鋼で、硬さが83HRB以下で、球状化比率が70%以上であり、60%据込み時の変形抵抗が低く、限界据込み率が高い割れ発生のない冷間鍛造が遂行できる鋼である。さらに、請求項2の手段の方法からなる中炭素鋼は、中炭素鋼の製造時間が1回のオーステナイト化温度域への加熱および冷却の球状化焼なまし処理に比して時間がかかるので、1回目のオーステナイト化温度域への加熱後の冷却速度を高めて時間の短縮を図るが、2回目以降のオーステナイト化温度域への加熱後の冷却を徐冷として球状化焼なまし処理を確保することで、より短時間の球状化焼なまし処理で製造されながらも、パーライトラメラーを分断・均質化して形成した鋼であって、硬さが低減されかつ球状炭化物の比率が高い中炭素鋼となっているので、硬さが83HRB以下で、球状化比率が70%以上であり、60%据込み時の変形抵抗が低く、限界据込み率が高い割れ発生のない冷間鍛造が遂行できる鋼である。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】請求項1の発明に係る焼なましパターンの加熱および徐冷の2回の繰返しの例を示す図である。
【図2】請求項2の発明に係る焼なましパターンの加熱および冷却の2回の繰返しの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
本発明の実施形態について以下に説明する。先ず、表1に示す化学成分と残部Feおよび不可避不純物からなる発明鋼成分および比較鋼成分の供試材の100kgを真空溶解炉で溶製し、得られた発明鋼成分および比較鋼成分の供試材を温度1150℃で熱間鍛造し、さらに、これらの鋼からφ20mmの棒鋼に鍛伸し、これらの棒鋼を865℃で1時間保持した後空冷して球状化焼きなまし処理して棒鋼材とした。
【0034】
【表1】

【0035】
得られた棒鋼材について、請求項1の発明に係る方法では、図1に示すように、最高点温度をAc1〜Ac1+50℃に加熱して30分以上保持した後、冷却して730℃とし、続く730〜650℃を冷却速度30℃/hrで徐冷し、その後空冷する、図1の1回目の焼なましパターンを実施した。さらに、この加熱および徐冷とその後空冷する処理を繰返して図1の2回目の焼なましパターンを行った。一方、請求項2の発明に係る方法では、図2に示すように、最高点温度をAc1〜Ac1+50℃として加熱して30分以上保持した後、冷却速度200℃/hrで冷却して棒鋼材の中心部の温度を730〜600℃とした後、再び最高点温度をAc1〜Ac1+50℃に加熱して30分以上保持した後、冷却して730°とし、続く730〜650℃を冷却速度30℃/hrで徐冷した後、さらに空冷して室温とする、図2に示す、繰返し加熱と冷却を実施した。
【0036】
ここで、上記で得られた請求項1の発明に係る方法による棒鋼材と、請求項2の発明に係る方法による棒鋼材について、それらの中炭素鋼の硬さおよび球状炭化物比率を得るための球状化焼なまし条件で処理を行って、下記の硬さ(HRB)、球状炭化物比率(%)、60%据込み時の変形抵抗(MPa)および限界据込み率(%)の調査および試験を実施し、その結果を下記の表2および表3に示した。なお、表2は本願の請求項1の発明に係る方法による棒鋼材についてのものであり、表3は本願の請求項2の発明に係る方法による棒鋼材についてのものである。
【0037】
硬さ測定:球状化焼なましを行った棒鋼材の中心と外周の中間点(以下、「1/4」という。)の部分における硬さをロックウエル硬さ試験機により測定して硬さとした。
【0038】
表2および表3において、球状炭化物比率は、球状化焼なましを行った棒鋼材の1/4の部分について、被検面積0.1mm2中の長径/短径の比が5以下の炭化物個数を画像解析により測定し、この炭化物個数を被検面積0.1mm2中の炭化物総個数で除して百分率で示した値である。
【0039】
さらに、60%据込み時の変形抵抗は、球状化焼なましを行った棒鋼材からφ14mm、高さ21mmの円筒形の試験片を各3個ずつ作製し、高さが21mmから8.4mmになるまで12.6mm、すなわち高さの比率で60%相当分を据込んだ時(以下、「60%据込み時」という。)の変形抵抗を測定した値である。
【0040】
限界据込み率は、球状化焼なましを行ったφ20mm棒鋼材の中心付近からφ14mm、高さ21mmの円筒形の試験片を各5個ずつ作製し、これらの試験片を冷間にて据込み試験を実施し、割れが発生した時の据込み率を測定して限界据込み率とした。
【0041】
【表2】

【0042】
【表3】

【0043】
本願の請求項1の発明に係る方法および請求項2の発明に係る方法における化学成分からなる中炭素鋼で、かつ請求項1の発明に係る方法および請求項2の発明に係る方法のそれぞれに記載の球状化焼なまし条件を満たす表2、表3の各発明鋼成分からなる実施例の棒鋼材は、いずれも硬さが83HRB以下であり、球状化比率が70%以上である。これに対し、たとい請求項1の発明に係る方法および請求項2の発明に係る方法における化学成分からなる鋼であっても、請求項1の発明に係る方法および請求項2の発明に係る方法にそれぞれ記載の球状化焼なまし条件を一つでも満たさない比較鋼成分の鋼からなる方法のものは、硬さが83HRBを超えており、球状化比率が70%未満であり、60%据込み時の変形抵抗が本願発明の方法の発明鋼成分のものよりも高く、限界据込み率が本願発明に係る方法よりも低い。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.50〜1.20%、Ni:0.30%以下、Cr:0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる中炭素鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して30分以上保持した後、730〜650℃の範囲を冷却速度30°C/hr以下で徐冷した後、さらに室温以上の温度に冷却した後、再び上記の最高温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱・保持した後に730〜650℃の温度範囲を冷却速度30℃/hr以下で徐冷した後に室温以上の温度に冷却する上記の再び以降の方法を1〜2回繰返して最終的に室温に冷却することを特徴とする球状化焼なまし後の硬さが83HRB以下でかつ組織中の球状炭化物比率が70%以上である冷間鍛造用鋼の製造方法。
【請求項2】
質量%で、C:0.45〜0.60%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.50〜1.20%、Ni:0.30%以下、Cr:0.30%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる中炭素鋼を、球状化焼なまし処理の最高点温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱して30分以上保持した後、中炭素鋼の中心部の温度を冷却速度200℃/hr以下で730〜600℃の範囲に冷却した後、再び上記の最高温度のAc1〜Ac1+50℃の範囲に加熱・保持した後、中炭素鋼の中心部の温度を冷却速度200℃/hr以下で730〜600℃の範囲に冷却する上記の再び以降の方法を1〜2回繰り返し、この繰返しにおける最終的な繰返し時の冷却方法を上記の730〜600℃の範囲に変えて730〜650℃の範囲とし、該範囲を冷却速度30℃/hr以下で徐冷した後、室温に冷却することを特徴とする球状化焼なまし後の硬さが83HRB以下でかつ組織中の球状炭化物比率が70%以上である冷間鍛造用鋼の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2011−256456(P2011−256456A)
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−134418(P2010−134418)
【出願日】平成22年6月11日(2010.6.11)
【出願人】(000180070)山陽特殊製鋼株式会社 (601)
【Fターム(参考)】