(57)【要約】  本発明は、低温衝撃特性の優れる冷間圧造用鋼線とその製造方法を提供するためのものである。本発明の鋼線は、Ｃ ０．１０〜０．４０ｗｔ％、Ｓｉ １．０ｗｔ％以下、Ｍｎ ０．３０〜２．０ｗｔ％、Ｐ ０．０３ｗｔ％以下、Ｓ ０．０３ｗｔ％以下が含まれ、残部がＦｅと不純物からなる。本発明の鋼線は、オーステナイト結晶粒の大きさが５〜２０μｍであり、−４０℃での衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上であり、引張強度が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2である。本発明の冷間成型用鋼材は、従来の球状化焼鈍材や非調質鋼材に比べて−４０℃の低温で格段に高い衝撃靭性特性を示す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ ０．１０〜０．４０ｗｔ％、Ｓｉ １．０ｗｔ％以下、Ｍｎ ０．３０〜２．０ｗｔ％、Ｐ ０．０３ｗｔ％以下、Ｓ ０．０３ｗｔ％以下、および残部としてＦｅと不純物を含む冷間圧造用鋼線であって、オーステナイト結晶粒の大きさが５〜２０μｍであり、−４０℃での衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上であり、かつ引張強度が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2である、優れた低温衝撃特性を有する冷間圧造用鋼線。
【請求項２】
前記鋼線はＣｒ ０．０５〜２．０ｗｔ％、Ｍｏ ０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｂ ０．０００３〜０．００５０ｗｔ％からなる群から選択される少なくとも１つの成分をさらに含む、請求項１に記載の鋼線。
【請求項３】
Ｃ ０．１０〜０．４０ｗｔ％、Ｓｉ １．０ｗｔ％以下、Ｍｎ ０．３０〜２．０ｗｔ％、Ｐ ０．０３ｗｔ％以下、Ｓ ０．０３ｗｔ％以下、および残部としてＦｅと不純物を含む鋼材を、オーステナイト結晶粒の大きさが５〜２０μｍとなるように、Ａｃ３変態点以上に急速に加熱する工程と、
加熱された鋼材を冷却する工程と、
冷却された鋼材を下記の式（１）で表わされる、焼戻しパラメータ（Ｐ）が２１，８００〜３０，０００の範囲で、引張強度が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2となるように熱処理して、−４０℃における衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上となるようにする工程と、を含む、優れた低温衝撃特性を有する冷間圧造用鋼線の製造方法。
Ｐ＝１．８×（Ｔ＋２７３）×（１４．４４＋ｌｏｇｔ）          …式（１）
ここで、Ｔは焼戻し温度（℃）、ｔは焼戻し時間（秒）
【請求項４】
前記鋼材はＣｒ ０．０５〜２．０ｗｔ％、Ｍｏ ０．０５〜１．５ｗｔ％、Ｂ ０．０００３〜０．００５０ｗｔ％からなる群から選択される少なくとも１つの成分をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的高い強度を有する各種機械構造用部品に適用される各種ボルト類、シャフト及び建築用ＰＣ鋼棒などの材料として使われる鋼線や鋼棒（以下、‘鋼線’と称する）に関し、より詳しくは、冷間鍛造及び冷間転造プロセスに適用可能で、かつ、使用の際の低温靭性を向上させた低温衝撃特性の優れる冷間圧造用鋼線及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷間塑性用鋼材としては球状化焼鈍材と非調質鋼材などが知られている。
球状化焼鈍材は、ボルトなどの最終製品を製作するために使用される場合、冷間鍛造工程後に要求される望ましい特性としての引張強度を得るために別途の焼入れ／焼戻しを行なわなければならないという点が問題であり、これは製造を複雑化させ、結果製造コストが増加する。
【０００３】
一方、非調質鋼材は７０年代中半に開発されて以来、日本及びヨーロッパを中心に自動車及び産業機械部品などにその使用量が増加されている鋼材である。合金設計を適切にし、製鉄所などでの熱間圧延の間、冷却条件及び圧延条件を調節して材料の組織制御がなされるようにすることで、後続の熱処理（焼入れ／焼戻し）がなくても高強度を示しつつ、冷間鍛造工程の実施が可能である。したがって、非調質鋼材は製造工程の単純化と製造費用の低減を図ることができる長所がある。
【０００４】
非調質鋼材の代表的な一例として、日本公開特許公報昭５９−１３６４２０号ではマンガンの含有量が高く、通常の機械構造用炭素鋼に、析出硬化元素としてのバナジウムを少量添加して、熱間鍛造後の冷却工程中にフェライト基地組織内に炭窒化物を少量析出させることが開示されている。これにより強度が増加し、したがって、後続する焼入れ／焼戻し工程の省略が可能である。しかしながら、前記非調質鋼材は、冷間成型性と切削加工性に乏しく、冷間加工用材料には適していないという短所がある。
【０００５】
非調質鋼材の他の例として、日本公開特許公報平７−５４９４０号にはボルトを製造する技術が開示されている。この技術においては、熱間ワイヤロッドの圧延後、冷間圧造工程を通じて特定の形状の部品を製造する過程において、冷間加工性の向上のために、炭素含有量を低めて、組織微細化を通じた強度と靭性の改善のためにニオビウムを少量添加し、熱間圧延後の冷却過程で加熱処理を行なう。ところが、前記非調質鋼材で製作されたボルトは軸方向への引張及び圧縮応力が反復的に加えられる環境での使用寿命に問題があるため、自動車などの部品には適していない。
【０００６】
更に他の従来の非調質鋼材の一例として、米国特許第５，５５４，２３３号には強度増加のための強化元素を含むビレットを順次的な熱間鍛造及び制御冷却を通じてワイヤロッドに加工することにおいて、最後の熱間鍛造過程でオーステナイトの粒子微細化がなされるようにして、後続する冷却工程中に微細なベイナイト構造が生成されるようにしている。前記特許の非調質鋼材は、微細ベイナイト構造により強度と靭性が増加し、ボルトを製造するための冷間圧造工程中に付加的な熱処理を必要とせず、残留圧縮応力を有するという特徴がある。
【０００７】
前記特許は、低温靭性面において、衝撃吸収エネルギーは−４０℃で１０Ｊ／ｃｍ2程度であることを開示している。
【０００８】
一方、酷寒地や極地における装置や車両などに使われる部品には、低温衝撃靭性に優れる材料が要求されるが、前記特許の鋼材を含む従来の非調質鋼材は十分な低温衝撃靭性を有しておらず、低温衝撃特性の優れる新たな鋼材を開発する必要性がある。
【特許文献１】日本公開特許公報昭５９−１３６４２０号
【特許文献２】日本公開特許公報平７−５４９４０号
【特許文献３】米国特許第５，５５４，２３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記従来の冷間圧造用鋼材の短所と問題点を勘案してなされたものであって、使用の際の低温靭性が大きく向上され、低温衝撃吸収エネルギー値の優れる冷間圧造用鋼線及びそ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】
【００１０】
本発明の発明者は、前記の目的が達成できる新たな鋼材の開発のために多様な試みと繰り返された実験を遂行した結果、次のような発見に至った。鋼線に対して、低温（−４０℃）での衝撃試験を行った場合、当該鋼線は、従来の方法（球状化焼鈍後、焼入れ／焼戻し工程）に比べて優れた低温衝撃吸収エネルギーを示すということが見られ得る。当該鋼線を製造する方法は、焼入れ可能な通常の機械構造用炭素鋼を、Ａｃ３変態点以上の温度に急速加熱して、オーステナイトの結晶粒のサイズを５〜２０μｍに制限する工程と、水または油に加熱した鋼材を焼入れする工程と、下記の式（１）によって定義される焼戻しパラメータ（Ｐ）が２１，８００〜３０，０００の範囲で、引張強度が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2となるような焼戻し条件の下で焼入れされた鋼材を焼戻す工程とを含む。
【００１１】
Ｐ＝１．８×（Ｔ＋２７３）×（１４．４４＋ｌｏｇｔ）          …式（１）
ここで、Ｔは焼戻し温度（℃）、ｔは焼戻し時間（秒）
言い換えると、本発明は、オーステナイトの結晶粒の大きさが５〜２０μｍの範囲で、極めて微細になるように材料を焼入れしつつ、焼戻しパラメータが２１，８００〜３０，０００の範囲で引張強度が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2になるような焼戻し条件下で当該材料を焼戻す場合、得られる材料は、高強度であるにも拘わらず、−４０℃の低温でシャルピー衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上であって従来の鋼材に比べて優れる衝撃特性を示すことに特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に従い、前記のような特徴を有する鋼材を製造するためには、機械構造用鋼材の中でも、特定の成分を含む鋼材が適切に焼入れされ、焼戻しされなければならない。これに関し、本発明の鋼材を製造するために必要な鋼材の化学成分と熱処理方法は次の通りである。
【００１３】
まず、本発明に係る鋼材は、ほとんどＣ−Ｓｉ−Ｍｎの成分を含み、当該Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ成分は、０．１０〜０．４０ｗｔ％のＣ、１．０ｗｔ％以下のＳｉ、０．３０〜２．０ｗｔ％のＭｎを含み、鋼材の残りの成分はＦｅと不純物である。必要に応じて当該鋼材はさらに、０．０５〜２．０ｗｔ％ Ｃｒ、０．０５〜１．５ｗｔ％ Ｍｏ及び０．０００３〜０．００５０ｗｔ％ Ｂからなる群から選択される少なくとも１つの成分を含む。これらの成分範囲を限定した理由は次の通りである。
【００１４】
Ｃ：０．１０〜０．４０ｗｔ％
Ｃは焼入れ工程の間の強度の増加のために不可欠な最も重要な元素であって、カーバイドを生成させて強度を増大させるが、衝撃遷移温度を上昇させ、破壊エネルギーを減少させる等、ノッチ靭性に悪影響を及ぼす有力な合金元素の１つである。その含量が０．１０
ｗｔ％未満では焼入れによる硬化効果が低いものであり、０．４０ｗｔ％を超過することになれば、多量のカーバイドが析出して衝撃靭性の低下をもたらすことになる。
【００１５】
Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下
Ｓｉは鋼の脱酸素のために使用される元素であって、固溶強化により強度を向上させる。Ｓｉの含量が１．０ｗｔ％を超過すればＳｉがカーバイド析出物中で多量固溶されるため、焼戻し工程の際、炭素の動きを妨害することによって、カーバイドが球形化されることを妨害するため、衝撃靭性を低下させる。したがって１．０ｗｔ％以下に制限する必要がある。
【００１６】
Ｍｎ:０．３０〜２．０ｗｔ％
Ｍｎは固溶強化のための元素であって、Ｃ及びＳｉの過剰使用によってもたらされる衝撃靭性の低下を避けるために、および低いＣ、Ｓｉ含有量を有する鋼の強度低下を補うための元素である。これらを達成するためには、少なくとも０．３０ｗｔ％の量でＭｎを使用する必要があるが、Ｍｎが過剰添加されれば靭性と変形抵抗を増大させるので、Ｍｎの含有量は２．０ｗｔ％を超過しないようにする。
【００１７】
Ｃｒ:０．０５〜２．０ｗｔ％
Ｃｒは強度と焼入れ硬度及び靭性の向上のために使用される元素である。Ｃｒの含有量が０．０５ｗｔ％未満では前記物性の向上効果が微弱である。Ｃｒは比較的高価であるので、２．０ｗｔ％を超過することになれば経済効率が低下する。したがって、Ｃｒ含有量の下限値を０．０５ｗｔ％にし、上限値を２．０ｗｔ％に設定する。
【００１８】
Ｍｏ:０．０５〜１．５ｗｔ％
Ｍｏの使用による効果はＣｒの効果とほとんど同一である。Ｍｏの含有量が０．０５ｗｔ％未満では効果が微弱であり、１．５ｗｔ％を超過することになれば冷間加工に関して変形抵抗が増大するので、その含有量は１．５ｗｔ％以下に設定する。
【００１９】
Ｂ：０．０００３〜０．００５０ｗｔ％
Ｂは硬化能力を向上させるための元素である。Ｂの含有量が０．０００３ｗｔ％未満ではＢの効果は弱い。一方、０．００５０ｗｔ％を超過すれば、硬化能力は低下する。一方、Ｂは使用中に組織の内部でＮと結合してＢＮを形成し得、これは粒界を脆化させる原因となる。したがって、Ｎと親和力がＢより大きいＴｉを０．０１〜０．０５ｗｔ％、Ｂと共に添加してＢの使用効果を高めることが一般的である。さらに、Ｔｉと同一の作用をするＺｒ、Ｎｂ、またはＡｌの一種以上を添加することも好ましい。
【００２０】
ＰとＳは鋼の不可避な不純物元素であって、焼戻し工程の間、結晶粒界の偏析をもたらし、衝撃靭性を低下させる。さらに冷間加工工程の間、変形率を低下させるので、できる限りその含量が各々０．０３０ｗｔ％以下に制限する必要がある。
【００２１】
上記のような組成を有する鋼材を使用して本発明の鋼材を製造する方法について、本発明者はさらなる研究を行った結果、焼入れ／焼戻しが行われた鋼材において、低温衝撃吸収エネルギーに影響を及ぼす因子としてはオーステナイトの結晶粒の大きさと焼戻し条件（析出したカーバイドの分布状態、形状及びフェライトの比率等）が非常に重要であることを発見するに至った。
【００２２】
本発明の方法において、焼入れ工程後のオーステナイト結晶粒の大きさを５〜２０μｍに限定した理由は、次のとおりである。実験を繰返した結果、大きさが２０μｍを超過する場合、−４０℃の低温で顕著な衝撃靭性の低下を確認することができる。また、５μｍ未満の大きさを有する結晶粒の製造は一般的な焼入れ／焼戻し工程によっては困難である
ことが確認できる。
【００２３】
次に、本発明に従い、低温（−４０℃）で優れた衝撃吸収エネルギーを有する焼入れ／焼戻しした鋼線を製造する場合において、焼戻し条件を前記（１）式のパラメータの範囲が２１，８００〜３０，０００に限定される理由は下記の通りである。
【００２４】
本発明者は、ＪＩＳ Ｇ ４１０５ ＳＣＭ４２０とＪＩＳ Ｇ ４０５１ Ｓ２２Ｃの直径１５ｍｍワイヤロッドを、各ワイヤロッドが直径１３．７ｍｍとなるように引出し、オーステナイトの結晶粒の大きさが８〜１４μｍになるように、引出されたワイヤをＡｃ３点以上に急速加熱し、水または油中で加熱したワイヤを焼入れし、そして引張強度７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ2の範囲内で加熱温度及び加熱時間を調節して焼戻しパラメータを変化させて焼入れしたワイヤを焼戻し処理をした。さらに、得られた鋼線に対してＶノッチ（V−Notch）加工を行って、−４０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。その結果を図１に表わした。
【００２５】
図１に示すように、焼戻しパラメータ値が２１，８００〜３０，０００である場合には−４０℃での衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上であった。
【００２６】
ここで、前記衝撃吸収エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ2以上に限定される理由は、ＳＣＭ４３５の球状化焼鈍材を冷間鍛造し、焼入れおよび焼戻し処理して従来の高張力ボルトを製造する場合、−４０℃で衝撃吸収エネルギーが約６０Ｊ／ｃｍ2であるからである。
【００２７】
２１，８００〜３０，０００の焼戻しパラメータは、材料の成分に応じ目的とする引張強度の範囲内で焼入れ及び焼戻し工程の加熱温度、加熱時間、加熱速度などを適切に制御することにより保障し得る。
【００２８】
したがって、焼入れ／焼戻しした鋼線の低温衝撃靭性に関していえば、微細な結晶粒と適切な組成を有する焼入れされた材料が、（１）式の焼戻しパラメータが２１，８００〜３０，０００であるように焼戻しされる場合、−４０℃の低温で優れた衝撃吸収エネルギーを有する鋼線が製造できることが明らかである。したがって、このことは低温衝撃特性の優れる焼入れ／焼戻し鋼線の製造の過程において非常に重要な因子であることが理解し得る。
【００２９】
本発明に従う鋼線とその製造方法のよりよい理解は、以下の例示された実施例を通して得ることができるが、当該実施例は本発明の限定として解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３０】
次の表１の化学組成（ｗｔ％）を有し、熱間圧延された直径１６ｍｍのワイヤーロッドを直径１４．７ｍｍになるように伸線した後、連続プロセスからなる高周波誘導加熱装置を利用して焼入れ／焼戻しを行った。この際、オーステナイトの結晶粒の大きさが５〜２０μｍ、引張強度が７０〜１４０ｋｇｆ／ｍｍ2になるように加熱温度、加熱時間及び加熱速度を調節して焼戻しパラメータを変更させながら各々の試料を製作した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記のような条件で製作された各試料を加工してＪＩＳ Ｚ ２２０２の４号試験片（Ｖノッチ、１０ｍｍ×１０ｍｍ）を形成して、当該試験片についてＪＩＳ Ｚ ２２４２に従い−４０℃の低温でシャルピー衝撃試験を実施して衝撃吸収エネルギー値を求めた。その結果を次の表２に表わした。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２から、本発明の試料はオーステナイト結晶粒の大きさが５〜２０μｍ、焼戻しパラメータが２１，８００〜３０，０００であるように熱処理される場合、−４０℃の低温で６０Ｊ／ｃｍ2以上の優れた衝撃吸収エネルギーを有し、したがって優れた低温衝撃靭性を保障することがわかる。さらに、引張強度が同一であってもオーステナイトの結晶粒の大きさまたは焼戻しパラメータ値が異なれば、衝撃吸収エネルギー値は顕著に異なり得ることもわかる。
【００３５】
さらに、本発明の優秀性を立証するために、本発明の材料と従来の球状化焼鈍材及び非調質鋼材を使用してＪＩＳ規格に従い、９Ｔ級のボルトを製作し、当該ボルトから試験片を採取した。当該試験片を−４０℃で加工してＶノッチを形成し、１０×１０ｍｍのサイズの標準試験片を作製した。当該標準試験片についてシャルピー衝撃試験を実施して比較した。その結果は図２の通りである。
【００３６】
この際、本発明の材料としてＳＣＭ ４２０（ＪＩＳ Ｇ ４１０５）を使用して本発明の製造方法に従い、製造された９Ｔ級のワイヤロッドを、ボルトを製造するために冷間鍛造及び転造工程に供した。従来の方法に従い、ＳＣＭ ４３５（ＪＩＳ Ｇ ４１０５）を７６０℃で６時間加熱することによって、球状化焼鈍された上記従来の球状化焼鈍材に関していえば、９Ｔ級のボルトを製造するために、冷間鍛造工程と転造工程を行い、焼入れ／焼戻しした。上記従来の非調質鋼材については、ＳＭｎ ４３３（ＪＩＳ Ｇ ４１０６）を含むビレットを熱間圧延してワイヤロッドにする際、９Ｔ級の引張強度を有する非調質鋼材を製造するために、圧延工程と冷却工程を制御して、組織を微細にした。得られた非調質鋼材に冷間鍛造及び転造工程を施し、ボルトを製造した。
【００３７】
前記図２の結果から、本発明の材料を使用して製造されたボルトは、従来の球状化焼鈍材や非調質鋼材を使用したボルトに比べて優れた衝撃靭性を有していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上、考察したように、本発明の鋼材は、−４０℃の低温で従来材に比べて約３．７倍、従来の非調質鋼材に比べて約２０倍程度の優れた低温衝撃吸収エネルギーを有する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に従う焼戻しパラメータと−４０℃での低温衝撃吸収エネルギーとの間の相関関係を示すグラフである。
【図２】本発明の材料、球状化焼鈍材及び非調質鋼材を使用して製造した９Ｔ級ボルトについての−４０℃での低温衝撃吸収エネルギーを示す比較グラフである。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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