(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００２％以上０．０５０％未満、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０７０％、Ｎ：０．００８％以下、Ｔｉ：３．４×Ｎ％を超えて０．０７０％以下およびＮｂ：０．００２％以上０．０２０％未満を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とする捻り破断特性に優れたシートベルト巻き取り装置のトーションバー用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼を用いたシートベルト巻き取り装置のトーションバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捻り破断特性に優れた鋼に関する。詳しくは、熱間圧延された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して部品を製造でき、しかも、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を有し、特に、「トーションバー」と称される自動車用シートベルト巻取り装置に用いられる機械構造部品の素材として好適に用いることができる鋼およびそれを用いた機械構造部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用シートベルト装置は、衝撃などによって車体が急激に減速した場合に、シートベルトで乗員を拘束し、乗員がシートから飛び出すことを防ぐ安全装置である。シートベルトには、自動車が急激に減速した場合に大きな荷重が衝撃的に加わる。
【０００３】
したがって、シートベルト装置には、上記の衝撃エネルギーを吸収する機構が必要であり、例えば、特許文献１に、衝撃エネルギーを吸収することができる「シートベルト巻取り装置」が開示されている。そして、そのシートベルト巻取り装置には、トーションバーという機械構造部品が装備されており、衝撃エネルギーによってシートベルトが引張られると、シートベルト巻取り装置がトーションバーの軸部を捻りながら回転して塑性変形し、衝撃エネルギーを吸収できる機構になっている。
【０００４】
上記のように、トーションバーは、シートベルト巻取り装置に不可欠な重要部品であり、機械構造部品として必要な強度を有することはもちろん、破断までに所定回数捻れるという捻り破断特性を有することが必要である。
【０００５】
トーションバーは、従来ＪＩＳ  Ｇ  ３５０７の冷間圧造用炭素鋼に焼鈍を施した後、冷間鍛造して製造されていた。また、トーションバーに用いられる鋼として、例えば次のような鋼が開示されている。
【０００６】
すなわち、特許文献２に、ＡｌおよびＮｂによって、固溶Ｎを固定することを特徴とする「低温延性に優れたトーションバー用鋼」が開示されている。
【０００７】
特許文献３に、Ａｌの含有量を０．１％以下に制限し、ミクロ組織における相および結晶粒の状態を規定したトーションバー用鋼が開示されている。
【０００８】
また、例えば、特許文献４には、冷間鍛造性と切削性に優れた機械構造用鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実公昭６１−１１０８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１３６２６号公報
【特許文献３】特開２００６−２２３９７号公報
【特許文献４】特開２００６−２９１２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献２で開示されたトーションバー用鋼は、固溶Ｎの量を特定量のＡｌとＮｂを含有させることによって低減するものである。このため、固溶Ｎの低減効果は必ずしも十分とはいえず、さらに、炭化物、炭窒化物による析出硬化も必ずしも十分とはいえない。
【００１１】
特許文献３で開示されたトーションバー用鋼は、冷間鍛造時の歪み時効に影響を及ぼす固溶Ｃおよび固溶Ｎについての考慮がなされていない。さらに、破断伸びについての評価がなされているだけで、トーションバーに必要とされる強度については何ら記載されていない。
【００１２】
特許文献４で開示された機械構造用鋼は、０．１０〜０．４２％という多量のＣを含有している。このため、トーションバーのように高い捻り破断特性が必要とされる機械構造部品の素材として用いることは難しい。
【００１３】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、捻り破断特性に優れた鋼、なかでも、熱間圧延された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して部品を製造でき、しかも、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を有し、特に自動車用シートベルト巻取り装置のトーションバーなどの機械構造部品の素材として好適な鋼およびそれを用いた機械構造部品を提供することを目的とする。
【００１４】
なお、本発明の目的とする高い強度とは、後述の実施例に示す引張試験によって、４００ＭＰａ以上の引張強さを有することを指す。また、本発明の目的とする優れた捻り破断特性とは、後述の実施例に示す捻り試験によって、４回以上の捻り回数を有することを指す。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、前記した課題を解決するために、種々の実験室的な検討を行った結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。
【００１６】
（ａ）Ｃ含有量を極力低減することによって、セメンタイトの析出に基づく延性低下が抑止でき、これによって、捻り破断特性の低下を抑制することができる。
【００１７】
（ｂ）強度を高めるための合金元素の多量の含有は、捻り破断特性の低下につながる。したがって、合金元素の多量の含有を避けた高強度化のために、ＴｉとＮｂを複合して含有させ、Ｔｉ炭化物とＮｂ炭化物の析出強化作用を利用する。
【００１８】
（ｃ）ただし、ＴｉもＮｂも過剰に含有させた場合には、析出強化作用が過大になって強度が高くなりすぎ、かえって捻り破断特性が低下するので、その含有量は適正化する必要がある。
【００１９】
（ｄ）歪み時効の原因となる固溶Ｎの低減に対して、Ｎｂはそれほど効果がない。このため、固溶Ｎの低減に対しては、Ｔｉを含有させる必要がある。Ｔｉの含有量とＮｂの含有量は、〔Ｔｉ／Ｎｂ〕で１．０以上となるようにすることが望ましい。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）に示す捻り破断特性に優れたシートベルト巻き取り装置のトーションバー用鋼および下記（２）に示すトーションバーにある。
【００２１】
（１）質量％で、Ｃ：０．００２％以上０．０５０％未満、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０７０％、Ｎ：０．００８％以下、Ｔｉ：３．４×Ｎ％を超えて０．０７０％以下およびＮｂ：０．００２％以上０．０２０％未満を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とする捻り破断特性に優れたシートベルト巻き取り装置のトーションバー用鋼。
【００２２】
（２）上記（１）に記載の鋼を用いたシートベルト巻き取り装置のトーションバー。
【００２３】
残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の捻り破断特性に優れた鋼を素材鋼とすれば、熱間圧延または熱間鍛造により製造された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して、自動車用シートベルト装置のトーションバーなどの機械構造部品を製造することができ、しかも、得られた機械構造部品に、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を具備させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例で用いた捻り特性を調査するための試験について説明する図で、（ａ）は引抜き丸棒、（ｂ）は（ａ）の丸棒を冷間鍛造して得た試験片、（ｃ）は捻り特性試験方法を、それぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の捻り破断特性に優れた鋼の各要件について詳しく説明する。なお。以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２７】
Ｃ：０．００２％以上０．０５０％未満
Ｃは、後述するＴｉ炭化物とＮｂ炭化物の析出強化の作用効果を得るために、０．００２％以上の含有量とする必要がある。しかしながら、捻り破断特性を高めるためには、ミクロ組織が、セメンタイトがほとんど存在しないフェライト単相の組織であることが望ましく、また、固溶Ｃが存在した場合には、例えば、伸線後の歪み時効により冷間鍛造時の変形抵抗が増加するため、Ｃの含有量は０．０５０％未満とする必要がある。したがって、Ｃの含有量を０．００２％以上０．０５０％未満とした。Ｃの含有量は、０．０４０％以下とすることが好ましい。
【００２８】
Ｓｉ：０．０５〜０．３０％
Ｓｉは、脱酸作用および固溶強化作用を有し、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、Ｓｉの含有量が多くなって、０．３０％を超えると、捻り破断特性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜０．３０％とした。Ｓｉの含有量は、０．１０％以上、０．２５％以下とすることが好ましい。
【００２９】
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは、脱酸作用および固溶強化作用を有し、０．２０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が多くなって、０．６０％を超えると、捻り破断特性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．２０〜０．６０％以下とした。Ｍｎの含有量は、０．３０％以上、０．５０％以下とすることが好ましい。
【００３０】
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、鋼の製造過程で不可避的に混入する不純物である。Ｐの含有量が多くなって０．０２０％を超えると、熱間圧延性および冷間鍛造性が低下する。したがって、Ｐの含有量を０．０２０％以下とした。Ｐの含有量は、０．０１５％以下とすることが好ましい。
【００３１】
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは、鋼の製造過程で不可避的に混入する不純物であり、主にＭｎＳの硫化物系介在物を形成する。Ｓの含有量が多くなって０．０２０％を超えると、硫化物系介在物の量が多くなり、鋼材の捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０２０％以下とした。Ｓの含有量は少ないほど好ましい。
【００３２】
Ｃｒ：０．１５％以下
Ｃｒは、原料から不純物として混入する。Ｃｒは、捻り破断特性を低下させ、その含有量が多くなって０．１５％を超えると、捻り破断特性の低下が大きくなる。そのために、Ｃｒの含有量を０．１５％以下とした。Ｃｒの含有量は、０．１２％以下とすることが好ましい。
【００３３】
Ａｌ：０．００５〜０．０７０％
Ａｌは、脱酸作用を有する。この効果を得るためには、Ａｌを０．００５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ａｌの含有量が０．０７０％を超えると、その効果が飽和する。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．０７０％とした。
【００３４】
Ｎ：０．００８％以下
Ｎは、鋼の製造過程で不可避的に混入し、固溶Ｎとして鋼中に残存した場合、歪み時効により変形抵抗が増加する。このため、Ｎの含有量は、極力少なく抑える必要があるので、０．００８％以下とした。なお、Ｎについては、上記の含有量にしたうえで、さらにＴｉによって窒化物として固定する必要がある。
【００３５】
Ｔｉ：３．４×Ｎ％を超えて０．０７０％以下
Ｔｉは、本発明における重要な元素であり、次の２つの作用を有する。
１つ目の作用は、ＴｉがＮと結合して窒化物を形成し、固溶Ｎを固定することである。この作用によって、固溶Ｎに起因した歪み時効を抑制することができ、冷間鍛造時の変形抵抗増加を避けることができる。
２つ目の作用は、ＴｉがＴｉ炭化物を形成して、鋼を析出強化することである。優れた捻り破断特性を有しながら高い強度を得るためには、合金元素の多量の含有を避け、Ｃの含有量を低減したうえで、Ｔｉ炭化物および次に述べるＮｂ炭化物により析出強化する必要がある。
【００３６】
なお、Ｔｉは、Ｎと原子比１：１（質量％に換算した場合、３．４：１）で結合して窒化物（ＴｉＮ）を形成する。したがって、上記２つの効果を得るためには、ＴｉはＮ含有量の３．４倍、つまり、３．４×Ｎ％、を超える量を含有させる必要がある。ただし、Ｔｉの含有量が多くなりすぎると過剰に析出硬化するため捻り破断特性が低下し、０．０７０％を超えると、捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Ｔｉの含有量を３．４×Ｎ％を超えて０．０７０％以下とした。Ｔｉの含有量は、０．０５０％以下とすることが好ましい。なお、Ｔｉの含有量は、後述するＮｂの含有量以上、すなわち〔Ｔｉ／Ｎｂ〕を１．０以上とすることが好ましい。〔Ｔｉ／Ｎｂ〕は１．２以上とすることがさらに好ましく、１．３以上とすることがより好ましい。
【００３７】
Ｎｂ：０．００２％以上０．０２０％未満
Ｎｂも、本発明にとって重要な元素である。優れた捻り破断特性を有しながら高い強度を得るために、Ｃの含有量を極力低減し、かつ前述のＴｉ炭化物と、Ｎｂ炭化物とによる析出強化作用を活用するためである。上記の効果を得るためにＮｂは０．００２％以上含有する必要がある。一方、Ｎｂの含有量が多くなりすぎると過剰に析出硬化するため捻り破断特性が低下し、０．０２０％以上になると、捻り破断特性の低下が著しくなる。したがって、Ｎｂの含有量を０．００２％以上０．０２０％未満とした。
【００３８】
上記の理由から、本発明の捻り破断特性に優れた鋼は、その化学組成が上述した範囲のＣからＮｂまでの元素を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることとした。
【００３９】
本発明の機械構造部品は、上記の化学組成を有する鋼を熱間圧延または熱間鍛造により線材または棒鋼とし、寸法精度や真円度を確保するため必要に応じて引抜き加工し、その後冷間鍛造を施すことにより製造することができる。
【００４０】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００４１】
表１に示す化学組成を有する鋼１〜１２を３トン電気炉を用いて溶製し、鋼塊とした。
【００４２】
上記の鋼のうち鋼１〜５は化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、鋼６〜１２は化学組成が本発明で規定する範囲から外れた比較例の鋼である。
【００４３】
上記比較例の鋼のうちで鋼１２は、従来から焼鈍を施された後冷間鍛造してトーションバーに加工されていたＪＩＳ  Ｇ  ３５０７の冷間圧造用炭素鋼ＳＷＲＣＨ１５であり、後述のとおりこの鋼１２を引張強さおよび捻り破断特性を評価する際の基準として用いた。
【００４４】
なお、表１において鋼９は、Ｎｂ含有量が「−」のため、「Ｔｉ／Ｎｂ」欄を「∞」と表記した。鋼１２は、ＴｉとＮｂの含有量がともに「−」のため、「Ｔｉ／Ｎｂ」欄を「−−」と表記した。
【００４５】
【表１】
0005494173.tif 000002
【００４６】
上記各鋼の鋼塊を、通常の方法によって鋼片とした後、圧延のための加熱温度を１２００℃、圧延仕上げ温度を９５０℃として、直径９．５ｍｍの線材に熱間圧延した。なお、圧延終了後は８００〜５００℃の温度域における平均冷却速度が５℃／秒になるように風冷によって冷却した。なお、鋼１２については、さらに７２０℃で６時間保持した後、６５０℃まで６時間かけて炉冷し、その後大気中で放冷する焼鈍を施した。
【００４７】
このようにして得た直径が９．５ｍｍの線材を、通常の方法で直径９．０ｍｍに引抜き加工して、ミクロ組織、引張強さおよび捻り破断特性を調査した。
【００４８】
ミクロ組織調査は次のようにして実施した。
【００４９】
すなわち、引抜き加工した直径９．０ｍｍの各線のＲ／２（「Ｒ」は線の半径を表す。）の位置から、圧延方向（引抜き方向）に垂直な面を観察面とするミクロ試験片を切り出し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込み、鏡面研磨した後、ナイタル腐食してミクロ組織を現出させ、倍率を１００倍とした光学顕微鏡で観察して、ミクロ組織を構成している相の識別を行った。
【００５０】
引張特性は、上記直径９．０ｍｍの各線の中心部から、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１（１９９８）に規定される１４Ａ号試験片（ただし、平行部直径：５ｍｍ）を切り出し、通常の方法により室温で引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ）を測定した。
【００５１】
捻り破断特性は、図１に示す方法で実施した。
【００５２】
先ず、上記の引抜き加工した直径９．０ｍｍの線を、図１（ａ）に示すように、長さ６８ｍｍに切断した。次いで、図１（ｂ）に示すように、両端が掴めるよう、二面幅１３ｍｍの六角形状に冷間鍛造し、これを試験片として、図１（ｃ）に示すように衝撃的に捻って、捻り破断特性を調査した。すなわち、上記試験片の片側を治具で固定し、反対側治具を毎秒２５０回転で回転させて破断させた後、試験片についた捻れマークから回転数を測定した。
【００５３】
「引張強さ」の目標は、従来から焼鈍を施された後に冷間鍛造してトーションバーに加工されていた鋼１２を用いた試験番号１２の引張強さと同じかそれを上回ることとした。
【００５４】
「捻り破断特性」の目標は、鋼１２を用いた試験番号１２の捻り回数の２倍と同じかそれを上回ることとした。
【００５５】
表２に、上記の各試験結果をまとめて示す。
【００５６】
【表２】
0005494173.tif 000003
【００５７】
鋼１２を用いた試験番号１２の場合、引張強さは４００ＭＰａで、また、捩れ回数は２回であった。上記の２回という捩れ回数は、試験片の直径が９．０ｍｍであるので、約５７ｍｍ捻れていることになる。すなわち、シートベルトに衝撃的な荷重が加わった際に、ベルトが５７ｍｍたわんで衝撃を緩和することを意味する。
【００５８】
表２から、本発明で規定する化学組成を満たす試験番号１〜５の場合、いずれも目標とする引張強さおよび捻り破断特性が得られており、高い強度と優れたねじり破断特性を有することが明らかである。
【００５９】
これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた試験番号６〜１１の場合、引張強さ、または捻り破断特性が目標に達していない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の捻り破断特性に優れた鋼を素材鋼とすれば、熱間圧延または熱間鍛造により製造された線材または棒鋼を、焼鈍を施すことなく冷間鍛造して、自動車用シートベルト装置のトーションバーなどの機械構造部品を製造することができ、しかも、得られた機械構造部品に、高い強度と、複数回数捻っても破断しないという優れた捻り破断特性を具備させることができる。
【図１】
0005494173.tif 000004