(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％、シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下、マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下、クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０２０％以下、硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％、残りはＦｅ及び不可避不純物とからなり、
微細組織は、面積分率で、９５％以上のマルテンサイト及び残りは残留オーステナイト（γ）で構成されることを特徴とする衝撃靭性に優れた線材。
【請求項２】
前記マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、及び炭素（Ｃ）の含有量は、下記関係式１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の衝撃靭性に優れた線材。
［関係式１］
４．０≦Ｃ（Ｍｎ＋Ｃｒ）５／５０≦９．０
（但し、関係式１において、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
【請求項３】
前記マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）の含有量は、下記関係式２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の衝撃靭性に優れた線材。
［関係式２］
Ｍｎ／Ｓｉ≧２２．０
（但し、関係式２において、マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
【請求項４】
前記線材は、任意の断面におけるマンガンの最大濃度［Ｍｎｍａｘ］と最小濃度［Ｍｎｍｉｎ］の比が下記関係式３を満たすことを特徴とする請求項１に記載の衝撃靭性に優れた線材。
［関係式３］
［Ｍｎｍａｘ］／［Ｍｎｍｉｎ］≦４
【請求項５】
請求項１に記載の衝撃靱性に優れた線材を製造する方法であって、
質量％で、炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％、シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下、マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下、クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０２０％以下、硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％、残りはＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を再加熱する段階と、
前記再加熱された鋼材を熱間圧延する段階と、
前記熱間圧延後に、Ｍｆ〜Ｍｆ−５０℃の温度範囲まで０．２℃／ｓ以上の速度で冷却する段階と、
前記冷却された鋼材を空冷する段階と、を含むことを特徴とする衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
（文中の記号Ｍｆとは、オーステナイトからマルテンサイトへの相変態が終了する温度のことである。）
【請求項６】
前記マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、及び炭素（Ｃ）の含有量は、下記関係式１を満たすことを特徴とする請求項５に記載の衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
［関係式１］
４．０≦Ｃ（Ｍｎ＋Ｃｒ）５／５０≦９．０
（但し、関係式１において、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
【請求項７】
前記マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）の含有量は、下記関係式２を満たすことを特徴とする請求項５に記載の衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
［関係式２］
Ｍｎ／Ｓｉ≧２２．０
（但し、関係式２において、マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
【請求項８】
前記再加熱する段階は１０００〜１１００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項５に記載の衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
【請求項９】
前記熱間圧延する段階における仕上げ熱間圧延は８５０〜９５０℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項５に記載の衝撃靭性に優れた線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な外部負荷環境に露出する産業機械や、自動車などの部品に用いることができる衝撃靭性に優れた線材、及びこれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、環境汚染の主犯として指摘されている二酸化炭素の排出を減らすための努力が世界的な問題とされている。その一環として、自動車の排気ガスを規制する動きが活発であり、これに対する対策として自動車メーカーは燃費向上を通じてこの問題を解決しようとしている。燃費向上のためには、自動車の軽量化及び高性能化が要求されるため、自動車用素材または部品も高強度を有することが必要とされている。さらに、外部衝撃に対する安定性も高く要求されているため、衝撃靭性も素材または部品の重要な物性として認識されている。
フェライトまたはパーライト組織の線材は、優れた強度及び衝撃靭性を確保するのに限界がある。これら組織を含む素材は通常衝撃靭性は高いものの、強度は相対的に低いという特徴がある。また、強度を高めるために冷間伸線を行うと、高強度を得ることができるが、衝撃靭性は、強度上昇につれて急激に低下するという短所がある。
これにより、一般に、優れた強度及び衝撃靭性をともに実現するためには、ベイナイト組織または焼戻しマルテンサイト組織を用いる。ベイナイト組織は、熱間圧延した鋼材を用いて恒温変態熱処理を通じて得ることができ、焼戻しマルテンサイト組織は、焼入れ及び焼戻し熱処理を通じて得ることができる。しかし、一般の熱間圧延及び連続冷却工程だけではこれらの組織を安定的に得ることができないため、熱間圧延した鋼材を用いて上述のような追加の熱処理工程を経る必要がある。
【０００３】
追加の熱処理をしなくても、高強度及び優れた衝撃靭性を確保することができれば、素材から部品生産に及ぶまでの工程の一部を省略するか、または単純化することができるため、生産性を向上させ、製造コストを下げることができるという長所がある。
しかし、追加の熱処理工程をすることなく熱間圧延及び連続冷却工程を用いてベイナイトまたはマルテンサイト組織を安定的に得ることができる線材は、未だに開発されていないため、かかる線材を開発するための要求が浮上している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、追加の熱処理工程をすることなく熱間圧延及び連続冷却工程だけで高強度及び優れた衝撃靭性を有することができる線材、及びこれを製造する方法を提供することである。
本発明の解決課題は、上記で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は下記の記載から当業者が明確に理解できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の衝撃靭性に優れた線材は、重量％で、炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％、シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下、マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下、クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０２０％以下、硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％、残りはＦｅ及び不可避不純物を含み、微細組織は、面積分率で、９５％以上のマルテンサイト及び残りは残留オーステナイト（γ）を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の衝撃靭性に優れた線材の製造方法は、重量％で、炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％、シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下、マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下、クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０２０％以下、硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む鋼材を再加熱する段階と、再加熱された鋼材を熱間圧延する段階と、熱間圧延後に、Ｍｆ〜Ｍｆ−５０℃の温度範囲まで０．２℃／ｓ以上の速度で冷却する段階と、冷却された鋼材を空冷する段階と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、熱間圧延及び連続冷却工程だけを用いて産業機械及び自動車用素材または部品に要求される強度及び衝撃靭性に優れた線材を提供することができる。
また、従来の追加の熱処理工程を省略することができるため、全体の製造コストを削減するのに非常に有利である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明は、高強度及び優れた衝撃靭性を確保するために、恒温変態または焼入れ及び焼戻しのような追加の熱処理工程をすることなく熱間圧延及び連続冷却工程だけで優れた衝撃靭性を有する線材及びその製造方法に関するものである。
まず、本発明の線材について詳細に説明する。本発明の線材は、重量％で、炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％、シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下、マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下、クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０２０％以下、硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む。
以下、本発明の線材の鋼成分及び組成範囲を限定する理由について詳細に説明する（以下、重量％である）。
【０００９】
炭素（Ｃ）：０．０５〜０．１５％
炭素は、強度を確保するための必須の元素で、鋼中に固溶されるか、炭化物またはセメンタイトの形態で存在する。強度を増加するための最も簡単な方法は、炭素含有量を増加させて炭化物またはセメンタイトを形成させることであるが、逆に延性及び衝撃靭性は減少するため炭素の添加量を一定の範囲内に調節する必要がある。本発明では、炭素の含有量を０．０５〜０．１５％の範囲で添加することが好ましい。これは、炭素含有量が０．０５％未満である場合は目標強度を得ることが難しく、０．１５％を超えると衝撃靭性が急激に減少する虞があるためである。
シリコン（Ｓｉ）：０．２％以下
シリコンは、アルミニウムとともに脱酸元素として知られており、強度を向上させる元素である。シリコンは、添加時に、フェライトに固溶されて鋼材の固溶強化による強度の増加に非常に大きい効果を奏する元素として知られている。しかし、シリコンの添加により強度は大きく増加するが、延性及び衝撃靭性は急激に減少するため、十分な延性を必要とする冷間鍛造部品の場合は、シリコンの添加を非常に制限している。本発明では、強度の低下を最小限に抑えながらも、優れた衝撃靭性を確保するために、シリコンの含有量を０．２％以下とする。これは、シリコン含有量が０．２％を超えると、目標衝撃靭性を確保することが難しくなる虞があるためである。より好ましくは０．１％以下である。
【００１０】
マンガン（Ｍｎ）：３．５％超過５．０％以下
マンガンは、鋼材の強度を増加させ、硬化能を向上させることで、広い範囲の冷却速度でベイナイトまたはマルテンサイトのような低温組織の形成を容易にする。しかし、マンガン含有量が３．５％以下であると硬化能が十分ではないため、熱間圧延後の連続冷却工程で低温組織を安定的に確保することが難しくなる。また、５．０％を超えると、溶湯の凝固中にＭｎの偏析が助長されやすい。これを考慮して、本発明では、マンガンの含有量を３．５％超過５．０％以下とした。
クロム（Ｃｒ）：０．５〜２．０％
クロムは、マンガンと同様に、鋼材の強度及び硬化能を増加させ、特にマンガンとともに添加する場合は衝撃靭性を向上させる。しかし、クロム含有量が０．５％未満であると、強度、硬化能、及び衝撃靭性の特性の向上効果が大きくなく、クロム含有量が２．０％を超えると、強度及び硬化能の向上には有効であるが衝撃靭性の特性が低下する可能性がある。これを考慮して、本発明では、クロム含有量を０．５〜２．０％とした。
【００１１】
リン（Ｐ）：０．０２０％以下
リンは、結晶粒界に偏析されて靭性を低下させ、遅延破壊抵抗性を減少させる主な原因であるため、可能な限り含まないことが好ましく、上記理由により、本発明では、その上限を０．０２０％に限定した。
硫黄（Ｓ）：０．０２０％以下
硫黄は、結晶粒界に偏析されて靭性を低下させ、低融点硫化物を形成させて熱間圧延を阻害するため、可能な限り含まないことが好ましい。上記理由により、本発明では、その上限を０．０２０％に限定した。
【００１２】
アルミニウム（Ａｌ）：０．０１０〜０．０５０％
アルミニウムは、強力な脱酸元素で、鋼中の酸素を除去することで清浄度を高めるだけでなく、鋼中に固溶された窒素と結合してＡｌＮを形成することにより、衝撃靭性を向上させることができる。本発明では、アルミニウムを積極的に添加するが、含有量が０．０１０％未満であると、アルミニウムの添加効果を期待することが難しく、０．０５０％を超えると、アルミナ介在物が多量生成されて機械的物性を大きく低下させる可能性がある。このような点を考慮して、本発明では、アルミニウムの含有量を０．０１０〜０．０５０％の範囲に限定した。
上記組成以外に、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む。本発明では、言及した合金組成に加えて、他の合金の追加を排除しない。
【００１３】
一方、本発明では、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、及び炭素（Ｃ）が下記の関係式１を満たすように含有されることが好ましい。
［関係式１］
４．０≦Ｃ（Ｍｎ＋Ｃｒ）５／５０≦９．０
（但し、関係式１において、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、及び炭素（Ｃ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
本発明では、関係式１のようにマンガン、クロム、及び炭素の含有量を制御することにより、より優れた衝撃靭性を有する線材を製造することができる。すなわち、マンガン及びクロムは硬化能を高めるため、冷却速度が比較的遅い場合にも、マルテンサイトが容易に生成されるように助け、低含有量の炭素及びクロムはマルテンサイトの衝撃靭性を改善するのに大きく寄与することができる。
【００１４】
また、本発明において、マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）の含有量は、下記関係式２を満たすように含有されることが好ましい。
［関係式２］
Ｍｎ／Ｓｉ≧２２
（但し、関係式２において、マンガン（Ｍｎ）及びシリコン（Ｓｉ）のそれぞれは、該当元素の重量基準含量を意味する。）
本発明において、マンガンは硬化能を高めることで、冷却速度が相対的に遅い場合にも、マルテンサイトが容易に生成されるように助ける。また、シリコンには、鋼中に固溶されて強度は増加させる一方で衝撃靭性を低下させるという短所がある。
本発明者らは、上記のような点に着目して研究と実験を重ねた結果、マンガンとシリコンの関係が重量％を基準にＭｎ／Ｓｉ≧２２を満たすとき、優れた強度及び衝撃靭性を有するマルテンサイト組織の線材を提供することができることを確認し、本関係式を提示した。
【００１５】
一方、本発明の線材は、任意の断面領域におけるマンガンの最大濃度［Ｍｎｍａｘ］と最小濃度［Ｍｎｍｉｎ］の比が下記の関係式３を満たすことが好ましい。
［関係式３］
［Ｍｎｍａｘ］／［Ｍｎｍｉｎ］≦４
本発明において、マンガンは硬化能を高めることで、冷却速度が相対的に遅い場合にも、マルテンサイトが容易に生成されるように助ける。しかし、局部的にマンガンが偏析される場合、マルテンサイトが容易に生成されるのに対し、マンガンが枯渇した領域では、フェライトが形成される可能性があるため、微細組織が不均一になり衝撃靭性が劣位になる虞がある。
本発明者らは、上記のような点に着目して研究と実験を重ねた結果、線材の任意の断面領域におけるマンガンの最大濃度と最小濃度の比が４以下であるとき、優れた強度及び衝撃靭性を有するマルテンサイト組織の線材を提供することができることを確認し、本関係式を提示した。
【００１６】
以下、本発明の微細組織について詳細に説明する。
本発明の線材の微細組織は、９５面積％以上のマルテンサイト及び残りは残留オーステナイト（γ）を含む。本発明のマルテンサイトは、炭素含有量が低いため、高強度にも拘らず、延性が高く、衝撃靭性にも非常に優れた特徴がある。しかし、マルテンサイト以外のベイナイトまたは残留オーステナイトの量が多くなると、衝撃靭性の側面においてやや有利になり得る反面、強度の低下を防ぐことができないため好ましくない。したがって、本発明の線材は、９５面積％以上のマルテンサイトを含むようにする。
本発明の線材の素材は、断面が円形状であり、引張強度が１０００〜１２００ＭＰａ、衝撃値が８０Ｊ以上であることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明の線材を製造する方法について詳細に説明する。
本発明の線材の製造方法は、上述した組成を有する鋼を準備した後、これを再加熱する段階と、再加熱された鋼材を熱間圧延する段階と、熱間圧延した後、Ｍｆ〜Ｍｆ−５０℃の温度範囲まで０．２℃／ｓ以上の速度で冷却する段階と、冷却された鋼材を空冷する工程と、を含む。
まず、本発明では、上述した組成成分を有する鋼材を準備した後、これを再加熱する。本発明で採用することができる再加熱温度範囲は、１０００〜１１００℃である。
鋼材の形態は特に限定されないが、一般に、ブルーム（ｂｌｏｏｍ）またはビレット（ｂｉｌｌｅｔ）の形態であることが好ましい。
【００１８】
続いて、再加熱された鋼材を熱間圧延して線材を製造する。熱間圧延における仕上げ熱間圧延温度は特に限定されないが、８５０〜９５０℃の範囲で管理することが好ましい。
熱間圧延された鋼材は冷却処理されるが、冷却はＭｆ〜Ｍｆ−５０℃の温度範囲まで０．２℃／ｓ以上の冷却速度で冷却することが好ましい。冷却終了温度がＭｆを超えると、十分な量のマルテンサイト組織を確保しにくく、Ｍｆ−５０℃未満である場合は、鋼材が十分に冷えて取り扱いは容易であるが、生産性を落とすため、冷却終了温度は、Ｍｆ〜Ｍｆ−５０℃の温度範囲にすることが好ましい。Ｍｆとは、オーステナイトからマルテンサイトへの相変態が終了する温度のことである。
【００１９】
本発明では、熱間圧延後に連続冷却を行うことにより、マルテンサイト組織を確保することで優れた強度及び衝撃靭性を確保する。これによって、従来行っていた焼入れ及び焼戻しのような熱処理を省略することができるため、追加の工程を必要とせず、製造原価の側面において非常に有利な長所がある。
また、本発明では、冷却開始温度から冷却終了温度までの区間を０．２℃／ｓ以上の冷却速度で冷却することが好ましい。０．２℃／ｓ以上の冷却速度で冷却してから空冷する段階を経ると、面積分率９５％以上のマルテンサイト組織を確保できる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。下記実施例は、本発明の理解を助けるためのものであり、実施例によって本発明を限定するものではない。
下記表１の組成成分を有する溶鋼を鋳造し、これを１１００℃で再加熱して直径１５ｍｍとなるように線材圧延した後、表２の冷却速度でＭｆ温度以下の１５０℃まで冷却してから空冷して線材を製造した。一方、マルテンサイトの相変態終了温度であるＭｆは、膨張計（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定しており、化学組成に応じてやや異なっているが、１５０〜２００℃の範囲であった。
このように製造された線材の微細組織を分析して表２に示した。また、引張強度及び衝撃靭性を測定して表２に示した。一方、マンガンの濃度はＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定した。
さらに、常温引張試験は、クロスヘッド速度（ｃｒｏｓｓ  ｈｅａｄ  ｓｐｅｅｄ）を降伏点までは０．９ｍｍ／ｍｉｎ、その後は６ｍｍ／ｍｉｎの速度で行って測定した。なお、衝撃試験は、試片に衝撃を加えるストライカー（ｓｔｒｉｋｅｒ）のエッジ（ｅｄｇｅ）部の曲率が２ｍｍで、試験容量が５００Ｊである衝撃試験機を用いて常温で行って測定した。
【００２１】
【表１】
0006475831.tif 000002
【００２２】
【表２】
0006475831.tif 000003
【００２３】
表１及び表２に示したとおり、本発明の鋼組成及び製造方法を満たす発明例１〜８は、すべて９５面積％以上のマルテンサイト組織が得られ、１０００〜１２００ＭＰａの高い引張強度及び８０Ｊ以上の優れた衝撃靭性を示すことが分かる。
一方、発明例７は、シリコンの含有量が０．１重量％以下の場合で、他の発明例に比べて非常に優れた衝撃靭性及び延伸率を確保できることが分かる。また、発明例のうち、マンガン、クロム、及び炭素の含有量の関係式１（４．０≦Ｃ（Ｍｎ＋Ｃｒ）５／５０≦９．０）と、マンガン及びシリコンの関係式２（Ｍｎ／Ｓｉ≧２２．０）の両方を満たす１、４、５、及び７は、そうでない場合と比較すると、衝撃靭性にさらに優れることが分かる。
すなわち、発明例のうち関係式１（４．０≦Ｃ（Ｍｎ＋Ｃｒ）５／５０≦９．０）及び／または関係式２（Ｍｎ／Ｓｉ≧２２．０）を満たしていない発明例２、３、６及び８は、比較的衝撃靭性がやや劣位になることが分かる。
【００２４】
比較例９は、クロム成分が本発明の範囲を外れる場合で、強度は増加したが、延性が低下して最終的に衝撃靭性が劣位であることを示す。比較例１０は、炭素含有量が本発明の範囲を超えた場合で、炭素のマルテンサイト基地への固溶強化の効果が増大して強度は大幅に増加したが、衝撃靭性は非常に低くなるという問題がある。
比較例１１は、マンガン成分が、本発明の範囲を外れる場合で、強度は増加したが、延性が低下して最終的に衝撃靭性が悪くなることを示す。また、鋼中にマンガンが偏析されているため、局部的に不均一な組織の形成によっても衝撃靭性が劣位になることを示している。
【００２５】
比較例１２は、マンガンが本発明の成分範囲より少なく添加された場合で、硬化能が比較的低いため、冷却速度が小さい場合には、マルテンサイトの代わりにベイナイト組織を形成して、衝撃靭性は増加するが強度は減少することを示している。また、比較例１３は、シリコンが本発明の成分範囲を超えて含有された場合で、その添加量が０．５２％の水準でも、引張強度は大幅に増加し、それとともに衝撃靭性は急激に減少することが確認できる。
比較例１４は、本発明の鋼組成成分は満たしているものの、冷却速度が遅すぎる場合で、マルテンサイトの代わりにベイナイト組織が形成されて、衝撃靭性は増加したが、強度は減少したことを示している。さらに、クロムが少なく含有された比較例１５は、衝撃靭性が良くないことが分かる。