(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ  ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜０．４％未満、
Ｐ  ：０．０２０〜０．１％、
Ｓ  ：０．０１〜０．２％、
Ｖ  ：０．１５超〜０．４％、
Ｎ  ：０．００２〜０．００５％未満を含み、
残部Ｆｅと不可避不純物からなり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴とする破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項２】
さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．０５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項１記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項３】
さらに、
Ｎｂ：０．０５〜０．２％
を含有することを特徴とする請求項１または２記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項４】
さらに、
Ｍｏ：０．１〜０．５％
を含有することを特徴とする請求項１、２または３記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項５】
さらに、
Ｐｂ：０．４％以下、
Ｂｉ：０．４％以下、
Ｓｅ：０．４％以下、
Ｔｅ：０．００５％以下、
Ｃａ：０．００３％以下
の１種以上を含有することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の鋼は、破壊切断した際の破壊断面の変形が小さい鋼に関わるものであり、せん断破壊、引張り破壊、あるいは衝撃破壊した際、その変形量が小さいことが要求される機械構造用鋼素材、機械部品一般に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、産業機械用の部品となる機械構造用鋼は、通常、直棒材あるいはコイル状線材の形状で供給され、冷間や熱間で目的の形状に加工され、さらに種々の熱処理、切削加工等を受けて部品となる。鋼素材から部品に至る加工工程の中に、冷間でのせん断あるいは引張りによる破壊分離の工程がある場合、通常、その次工程における加工精度確保、あるいは自動加工ラインでの障害防止のために、破壊時の変形を制御することが必要となる。
【０００３】
また、従来の標準的な鋼部品は、熱間鍛造、あるいは冷間鍛造による成形後、焼入焼戻しを施すことで強度と靭性を向上させていたが、近年は熱間鍛造ままで十分な強度を有する、熱間鍛造用非調質鋼（以下、非調質鋼）の採用が拡大している。調質鋼を非調質鋼に代替することによって、熱処理工程の省略による低コスト化、焼入省略による焼歪みの解消などのメリットが得られている。
【０００４】
衝撃引張りにより破壊切断して、必要部位を加工後、再び破壊破面をつき合わせて接合する熱間鍛造非調質鋼部品の加工方法は、コネクティングロッドの加工方法として、実用化されており、Ｆｅ−０．７２％Ｃ−０．２２％Ｓｉ−０．４９％Ｍｎ−０．０６２％Ｓ−０．０４％Ｖ（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ−ａｌｌｏｙｉｎｇ  Ｆｏｒｇｉｎｇ  Ｓｔｅｅｌｓ，ＴＭＳ（１９９６）２９）のような比較的高い炭素を含有する鋼を素材として用いている。コネクティングロッドは、鋼素材を熱間鍛造空冷し、穴開け加工、ボルト穴加工等をした後、大端部を物理的に２つに破壊し、最後にシャフトを挟んで破壊面をつき合わせ、ボルトで締結する、という方法で製造される。本方法は、比較的安価な素材を用い、しかも従来法で必要であった高精度の切削加工を省くことができるため、低コスト化が可能である。しかしながら、前記の現用鋼は破壊性を高めるために、高炭素組成としているため、降伏強さと疲労強さが低く、また被削性も悪いという問題があった。
【０００５】
上記現用鋼より炭素量を低減しつつも破断分離性を有する、コネクティングロッドに適用される鋼材としては、特開平８−２９１３７３号公報が開示されている。同公報記載の熱間鍛造用非調質鋼は、「容易に破断分離することができ、また破断分離破面の塑性変形量も少なく、密着性もよい」としている。また、コネクティングロッドに適用される低靭性の非調質鋼として、特開平９−３５８９号公報も開示されている。同公報では、特に固溶Ｎ量を増すことで破断時の破面を脆性破面とし、「常温で分割した時の破面が、フラットな脆性破面を呈する高強度・低靭性非調質鋼の提供を課題とする」としている。しかしながら、特開平８−２９１３７３号公報、特開平９−３５８９号公報記載の鋼の破断分離性は、工業的に適用するには不足である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、熱間鍛造まま状態で破壊したときの変形が小さく、しかも安価なフェライト・パーライト組織の中炭素熱間鍛造用非調質鋼を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
鋼の破壊時の変形を小さくするためには、鋼の延性を低下させることが最も効果的である。鋼の組成を調整して延性を低くする方法は、いくつか考えられる。たとえば、前述の０．７％Ｃの現用鋼のように、炭素含有量を高める方法がある。しかし、一般にフェライト・パーライト組織の鋼は炭素量が増すほど降伏比（降伏強さ／引張り強さ）が低下し、疲労強さも低下する。また、Ｐを多量に含有させて結晶粒界を脆化させる方法もあるが、Ｐは高温加熱時の延性も大きく低下させるため、鋼素材の鋳造、圧延、および熱間加工が困難となる。
【０００８】
本発明においては、主に以下のような手段により、課題を解決した。
【０００９】
（１）  破壊性の向上：Ｍｎは固溶強化元素として鋼を強化し、しかも強化による延性の低下が少ない元素であり、中炭素（Ｃ量０．２５％以上）の機械構造用鋼には、通常約０．６％以上のＭｎを添加している。本発明者らは、これらの作用に着目してＭｎと破壊性の関係を調べた結果、破壊変形量とＭｎ量は大きな相関があり、特にＭｎを０．４％未満とすることで、鋼の延性が低下し、破壊時の変形量が減少することを見いだした。低Ｍｎ化による延性低下は、高温延性を大きく低下させないという長所があり、この点でＰの多量添加と異なる。また、非調質鋼には、析出強化元素であるＶあるいはＮｂを添加するが、これらの元素が鋼中でＮと結合し、窒化物となると、鍛造加熱時のオーステナイト結晶粒が微細化し、さらに、鍛造冷却後の組織中のフェライト量も増加するため、延性が大きくなり、低Ｍｎとするだけでは十分低い延性（高い破壊性）が得られない。よって、Ｎ含有量を低減することで窒化物の析出を抑制することが非常に重要である。高靭性を目指した非調質鋼には、０．０１％を超えるＮを添加することがあるが、そうでなくても通常の製鋼法で造られた鋼には通常Ｎが０．００５％以上含有される。特開平９−３５８９号公報にも、Ｎは０．００５％以上なるべく多くを添加することが奨励されている。しかし、炭素量０．５％のＶ添加非調質鋼で種々実験した結果、破壊破面の面積減少量で比較した変形量は、Ｎ量０．０１％鋼が１００とすると、０．００４％鋼では７０以下であり、低Ｎの方が良好な結果が得られた。
【００１０】
（２）  降伏強さ、疲労強さの向上：フェライト・パーライト鋼の降伏比（降伏強さ／引張り強さ）、疲労限度比を高めるため、炭素量を低減して適当な合金元素を増加することが有効な手段である。Ｖ強化型の非調質鋼では、炭素含有量を０．７％から０．６％に低減するだけで、降伏比は０．５５から０．６５に向上し、また、疲労限度比は０．３９から０．４４へ向上する。よって、必要な破壊性を確保できる範囲で、低炭素化することが重要である。また、一般に知られるようにＶの析出強化により降伏比、疲労限度比を向上させることは、Ｃ、Ｍｎ低減による強度低下を補う意味でも不可欠である。
【００１１】
以上の考察と実験に基づき、完成した破壊時の変形が小さい機械構造用鋼は、
すなわち、
（１）  重量％で、
Ｃ  ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜０．４％未満、
Ｐ  ：０．０２０〜０．１％、
Ｓ  ：０．０１〜０．２％、
Ｖ  ：０．１５超〜０．４％、
Ｎ  ：０．００２〜０．００５％未満を含み、
残部Ｆｅと不可避不純物からなり、組織はフェライト・パーライトであることを特徴とする破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【００１２】
（２）  さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．０５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
のうち１種または２種を含有することを特徴とする（１）記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【００１３】
（３）  さらに、
Ｎｂ：０．０５〜０．２％
を含有することを特徴とする（１）または（２）記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
（４）  さらに、
Ｍｏ：０．１〜０．５％
を含有することを特徴とする（１）、（２）または（３）記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
（５）  さらに、
Ｐｂ：０．４％以下、
Ｂｉ：０．４％以下、
Ｓｅ：０．４％以下、
Ｔｅ：０．００５％以下、
Ｃａ：０．００３％以下
の１種以上を含有することを特徴とする（１）、（２）、（３）または（４）記載の破壊切断して使用する熱間鍛造用非調質鋼。
【００１４】
【発明の実施の形態】
Ｃ：０．３〜０．６％
Ｃは部品として必要な強度を確保するために、また、鋼を脆化し破壊性を向上させるために０．３％以上が必要である。しかし、多量の添加は降伏強さ、疲労強さを低下させるため、上限を０．６％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは固溶強化元素であると共に、鋼の延性を低下させる元素であり、十分な延性低下作用を発揮するためには０．１％以上が必要である。しかし、２．０％を超えた場合、高温延性が低下し、圧延や鍛造時に割れが生じやすくなり、また、脱炭を促進する。
【００１６】
Ｍｎ：０．１〜０．４％未満
Ｍｎは、通常固溶強化元素として用いられるが本発明の鋼においては０．４％未満に制限することで、延性を低下させる作用がある。また、ＭｎはＭｎＳを形成して、被削性を向上させる。しかし、０．１％未満とした場合、加熱時にＳが固溶状態となって粒界を脆化させるため、熱間延性が低下して、鋼素材、鋼部品製造工程において割れ、キズが発生しやすくなる。
【００１７】
Ｐ：０．０２０〜０．１％
Ｐは粒界に偏析して鋼を脆化させ、破壊性を向上させる元素であるが、その効果を発揮させるためには、０．０２０％以上必要であり、多量に添加した場合、熱間延性を低下させて割れが発生しやすくなるので、０．１％以下を添加する。
【００１８】
Ｓ  ：０．０１〜０．２％
Ｓは被削性向上のために添加する。被削性向上のためには０．０１％以上が必要であるが、機械的性質の異方性が大きくなるので上限を０．２％とする。
【００１９】
Ｖ  ：０．１５超〜０．４％
Ｖは主に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。強化のためにはＶ０．１５％超の添加が必要であるが、０．４％超ではコストに対する効果の向上が小さい。
【００２０】
Ｎ  ：０．００２〜０．００５％未満
Ｎを低減することが、本発明の効果を高めるために非常に重要である。ＮはＶＮやＮｂＮを形成して、鋼素材や熱間加工材の組織を微細化し、またフェライト量を増加させて延性を高める作用があるため、なるべく低い方が望ましく、十分小さな破壊変形量を得るため０．００５％未満に限定する。しかし、０．００２％未満では製造コストが多大となる。
【００２１】
Ｍｏ：０．１〜０．５％
Ｍｏは強度調整が必要であれば、０．１％以上を添加するが、パーライト組織を微細化して破壊性を低下させるのを防止するため、０．５％を上限とする。
【００２２】
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ａｌは脱酸元素である。通常の鍛造用鋼はＡｌ脱酸で製造されるが、Ａｌ脱酸を行うと不可避的にアルミナが鋼中に分散して被削性が低下する場合がある。よって、特に優れた被削性を要求される場合、Ａｌ脱酸は行わない（第１、２の発明）。さらに、Ａｌ脱酸を行わないことにより、ＡｌＮが析出せず、その結果組織が粗大化して、破壊性が向上する効果がある。しかし、狙いとする引張り強さが十分低い場合、あるいは切削加工代が小さい場合、被削性が問題となることはないので、０．００５％以上のＡｌを添加しても良いが、０．０５％超は脱酸の効果が飽和する（第２の発明）。
【００２３】
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは脱酸元素として利用するが、ＴｉＮが生成した場合、熱間鍛造後の組織が微細化して延性が増大する。しかし、Ｎが０．００５％未満で、硬さが十分高い場合には、Ｔｉを添加しても十分低い延性が得られる。十分な脱酸をするためには０．００５％以上のＴｉが必要であるが、粗大な酸化物が生成して被削性を低下させないように、上限を０．０５％未満に限定する。
Ｎｂ：０．０５〜０．２％
ＮｂはＶと同様に析出強化により降伏強さと疲労強さを向上させ、かつ延性を低下させる元素である。Ｎｂを添加することにより上記効果をさらに向上させることができる。強化のためには０．０５％以上のＮｂ添加が必要であるが、０．２％超ではコストに対する効果の向上が小さい。
【００２４】
なお、被削性向上のため、それぞれ０．４％以下のＰｂ、Ｂｉ、およびＳｅ、０．００５％以下のＴｅ、および０．００３％以下のＣａを必要に応じて本発明の鋼に添加することができる。これらの元素は、基本的には添加量が多いほど被削性を向上させる。しかし、多量に添加すると機械的性質に悪影響を与え、或は効果が飽和するため上限を上記範囲とした。
【００２５】
フェライト・パーライト組織の鋼の引張り強さ、硬さは、基本的に炭素当量Ｃｅｑ．で決定され、たとえば、特公昭６０−４５２５０号公報には、Ｃｅｑ．（％）＝Ｃ％＋（１／７）Ｓｉ％＋（１／５）Ｍｎ％＋（１／２）Ｖ％の式が記載されている。これらの式からも分かるように、本発明の鋼は、中炭素鋼であるため、一定の引張り強さを実現するために、炭素以外の高価な合金の添加が少なくて済むので安価である。また、本発明の鋼を用いて、熱間鍛造非調質工程で部品を製造すれば、製造コストも大幅に低減される。
【００２６】
なお、本発明の鋼は、フェライト・パーライト組織であることを限定しているが、本発明の鋼を通常の工業的製鋼法で溶製、鋳造し、通常の熱間圧延を行って棒鋼とした場合、および、熱間鍛造にて自動車用部品に成形後、空冷あるいはファン強制空冷した場合には、フェライト・パーライト組織となるので、特別な鋼素材の製造方法や、鍛造方法を用いる必要はない。むしろ、本発明の鋼は中炭素、低Ｍｎ組成であり、かつ、フェライト変態を促進するＶを添加しているので、通常の熱間鍛造用非調質鋼と比較してベイナイトなどの過冷組織が生成しにくいのが特徴のひとつである。
【００２７】
【実施例】
表１に示す組成の鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、１４７３Ｋに加熱して直径２０ｍｍの丸棒に鍛造成形し、空冷したものを素材とした。これらの鋼組織は、すべてフェライト・パーライトであった。破壊時の変形量を調べるため、これらの素材から、切欠付き引張り試験片（断面１０×１０ｍｍ、１．０Ｒ−２．０ｍｍの深さの切欠付）を作成し、引張りにより破壊した。破壊後、破面の切欠に垂直な方向の変形量（図１のＡ辺の長さ変化）は、どの試験片もほぼ同一であった。そこで、切欠と平行な方向の破断面の変形量、すなわち試験片断面上のノッチ底と平滑側の幅の変化量（図１のＢおよびＣの長さ変化）の合計を破壊性の指標として評価した（表１の「変形量」）。また、上記素材から、平行部直径９ｍｍの平滑引張り試験片を作成し、引張り強さを測定した。
【００２８】
表１に引張り強さと変形量を合わせて示した。本発明の鋼は、引張り強さが７０８ＭＰａから９９２ＭＰａの範囲にあり、変形量は、従来のＱＴ鋼（Ｎｏ．１：８５０℃焼入、６００℃焼戻し）、および従来非調質鋼（Ｎｏ．２）の変形量が０．５６−０．６５であるのに対して、０．４０未満である。比較鋼Ｎｏ．１２は変形量が比較的小さい。しかしＮｏ．１２の降伏比を調査したところ、同鋼は炭素量が多いため、降伏比がわずか０．５８であり、本発明鋼の中で最も炭素量が多く、そのため降伏比が比較的小さいＮｏ．６およびＮｏ．４１（降伏比０．６４および０．６２）と比較して劣っていた。また、Ｎｏ．１９、２１は多量のＡｌを含有するため、被削性が低く、超硬ドリルで測定したところ、ＶＬ１０００（総穴開け長さで１０００ｍｍを切削できる最高周速度）は、Ｎｏ．１５と比較して２０％低い結果であった。
【００２９】
【表１】
0003715744.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の鋼は、自動車、産業機械に使用されるフェライト・パーライト組織の機械構造用鋼として十分な強度を有し、破壊時の変形量が極めて小さいという特徴を備えており、しかも安価である。本発明の鋼は、破壊加工を施されるフェライト・パーライト組織の鋼素材、および部品、特に、衝撃特性を要求されない部品に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は切欠付き引張り試験片（断面１０×１０ｍｍ、１．０Ｒ−２．０ｍｍ深さの切欠付）の斜視図、（ｂ）は引張り破断した切欠付き引張り試験片の破断面を示した図である。
【符号の説明】
Ａ  破面の切欠に垂直方向の長さ
Ｂ  切欠と平行な方向の長さ
Ｃ  切欠と平行な方向の長さ
【図１】
0003715744.tif 000003