(57)【要約】【課題】従来の機械構造用Ｔｉ添加鋼の特性に悪影響を及ぼすＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮの生成を抑制したＴｉ添加鋼、特に、種々の特性を安定して発揮させるＴｉ（Ｃ）Ｎを規制したＴｉ添加高強度鋼の提供。【解決手段】機械構造用鋼において、鋼成分として、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、かつ、Ｎ含有量をＮ＜１００ｐｐｍとした図１に示すように疲労限度に優れたＴｉ添加高強度鋼。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械構造用鋼において、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、Ｎ含有量をＮ＜１００ｐｐｍとすることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼。
【請求項２】
機械構造用鋼において、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中に晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼。
【請求項３】
機械構造用鋼において、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、Ｎ含有量がＮ＜１００ｐｐｍであり、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中に晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品やその他の種々の産業用機械や装置の部品に使用される機械構造用鋼において、Ｔｉを添加した高強度鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＪＩＳで規定するＳＣ鋼、ＳＭｎ鋼、ＳＣｒ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼、ＳＵＪ鋼およびそれらにＢを添加した鋼や、さらに、これらの鋼に微量元素を添加した鋼などからなる機械構造用鋼は自動車用部品やその他の種々の産業用機械や装置の部品に使用されるが、これらの機械構造用鋼において、鋼成分として５００ｐｐｍ以上のＴｉを添加した鋼（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）が知られている。これらは鋼成分として５００ｐｐｍ以上のＴｉを添加することで、種々の特性、例えば、静的強度、疲労強度、結晶粒度特性、などに優れた鋼が得られることが開示されている。しかし、これらのＴｉ添加の機械構造用鋼において、上記の特性を安定して得るためには、特性に悪影響を及ぼす介在物であるＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮの生成を抑制し、さらに、製造法においても一般鋼には無いＴｉ添加鋼特有のＴｉＮの大きな晶出をなくするという製鋼上の問題点を解決する必要があった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２８３９１０号公報
【特許文献２】
特開平１０−１３０７２０号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５１８０６号公報
【特許文献４】
特開平１１−２９３４０３号公報
【特許文献５】
特開平１１−２９３３９２号公報
【０００４】
【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、上記の従来のＴｉ添加鋼においては十分に解決することができなかった鋼特性に悪影響を及ぼすＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮの介在物の生成を抑制した機械構造用のＴｉ添加鋼、特に、種々の特性を安定して発揮させるために晶出するＴｉ（Ｃ）Ｎを規制したＴｉ添加高強度鋼を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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、機械構造用鋼において、鋼成分として、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、かつ、Ｎ含有量をＮ＜１００ｐｐｍとすることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼である。
【０００６】
請求項２の発明では、機械構造用鋼において、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中の晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼である。
【０００７】
請求項３の発明では、機械構造用鋼において、質量割合で、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、Ｎ含有量をＮ＜１００ｐｐｍとし、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中の晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加高強度鋼である。
【０００８】
上記において、√ａｒｅａ　ｍａｘは、極値統計法により予測した被検面積中に存在する最大介在非金属介在物の面積の平方根であり、本願発明では鋼中に晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさである。
【０００９】
本発明の手段におけるベースとなる鋼は機械構造用鋼であり、機械構造用鋼においてＴｉを添加し、かつ、Ｎ含有量を規制した機械構造用鋼が、本発明の対象の鋼である。この本発明のベースとなる鋼の機械構造用鋼は、ＪＩＳで規定するＳＣ鋼、ＳＭｎ鋼、ＳＣｒ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼、ＳＵＪ鋼およびそれらにＢを添加した鋼が挙げられ、さらに上記のＪＩＳで規定する鋼にさらに微量元素を添加した鋼であって、上述したＴｉとＮの条件を満足するものである。
【００１０】
これらの鋼からなる本発明の手段において、Ｎ含有量は質量割合でＮ＜１００ｐｐｍ、望ましくはＮ＜８０ｐｐｍとする。一般にＴｉ添加鋼は、Ｔｉ添加により１００ｎｍ以下の大きさに微細析出したＴｉＣまたはＣリッチなＴｉＣＮにより優れた特性が得られる。しかし、ＴｉはＮおよびＣと反応し、ＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮ（以下、この２種類を合わせて「ＴｉＮ」と総称する。）からなる非金属介在物を晶出し、この晶出型非金属介在物は鋼の特性に悪影響を及ぼす。そこで、ＴｉＮの晶出を抑制し、添加したＴｉを特性に有効に作用する１００ｎｍ以下の大きさの析出型ＴｉＣまたはＣリッチなＴｉＣＮとすることが望ましい。そのために請求項１の発明では、鋼に含有されるＮ含有量を質量割合でＮ＜１００ｐｐｍ、望ましくはＮ＜８０ｐｐｍに抑制する。
【００１１】
さらに、本発明の請求項２または３の手段においては、特にＴｉＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）を規制するもので、ＴｉＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）を８０μｍ以下、望ましくは６０μｍ以下とする。晶出型のＴｉＮは疲労破壊の起点となる可能性がある。ところで晶出型のＴｉＮが疲労破壊の起点となるかどうかは、鋼中に含まれる酸化物系介在物との大きさの比較で決まる。ＴｉＮの最大大きさが８０μｍを超えるものは酸化物系介在物よりも大きい可能性が高くなるため、疲労破壊の起点はＴｉＮとなり、介在物起点型の疲労破壊が起こる使用条件ではＴｉを添加しない鋼より強度が低下する。そこでＴｉＮの最大大きさを８０μｍ以下とすることで酸化物系介在物と同等の大きさ以下となり、前述の強度低下は見られなくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下の実施例も合わせて説明する。
規定の成分とする鋼を電気炉で溶解した後、続いて取鍋精錬して溶鋼の合金量を調節するとともに溶鋼に対して０．０１５％〜０．０２３％程度のＡｌを添加してＡｌ脱酸を行って酸素を低減した後、さらにＲＨ脱ガス処理を行う。この脱ガス処理の末期にＴｉを添加し、溶鋼量の２．０倍の量を還流させながらＴｉ量が５００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍとする表１〜表３に示す鋼成分の溶鋼としてそれぞれ１５０ｔｏｎを溶製した。
【００１３】
これらの溶鋼は１５７０℃で取鍋からタンディシュに移注し、連続鋳造装置により断面が３８０ｍｍＸ４５０ｍｍと大断面の鋳片に鋳造した。この場合、鋳片は０．４５ｍ／ｓｅｃの鋳造速度で引抜かれ、鋳造ノズルから３６ｍ下方でガス切断機により切断して鋳片とされる。得られた鋳片は分塊工程へ搬送された。溶鋼が鋳造ノズルを通過した時点からガス切断されるまでの時間は８０分に相当する。因みにこれらの鋳片を切断し、切断面を研磨後ＨＣｌ水溶液にて腐食して金属組織を観察し、そのデンドライトアームの間隔から冷却速度を推定したところ、最も最後に凝固する鋳片中心付近でも冷却速度は１．１℃／分程度であった。
【００１４】
分塊工程では、鋳片は１１８０℃以上に加熱された後、熱間圧延によりφ１５０鋼材に製造された。その後の、中間製品に圧延終始する際の温度も、この１１８０℃以上の温度域として行い、圧延後は速やかに１１００℃以下に冷却してＴｉＣやＣリッチなＴｉＣＮの析出物の粒径が大きく成長しないようにする。なお、圧延時間が短く、かつ、圧延後の寸法が小さい場合には、圧延後の冷却は空冷で良いが、そうでない場合には、水冷や衝風冷等により急冷して粒成長を抑制してもよい。ただし、圧延のまま最終部品に至るまで再加熱をしない場合には、こうした管理で充分であるが、部品に加工するために圧延後、熱間鍛造などを施すために再度加熱を行う場合には、前述の熱間圧延同様の粒成長抑制のための温度管理が必要である。
【００１５】
【実施例】
実施例１
実施の形態に記載のようにしてＴｉ添加鋼の鋼材を製造するに当たり、この実施例では、脱ガス時間を変化させてＮ量の異なるＪＩＳ　ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０、ＳＮＣ４１５、Ｓ４５Ｃ、ＳＭｎ４４３、ＳＵＪ２ベースのＴｉ添加鋼およびＳＣｒ４２０にＢとＴｉを添加した鋼を溶製し、得られた鋳片を加熱してφ２０ｍｍに鍛伸し、焼準後、切削にて回転曲げ試験片に加工した。ＳＵＪ２のＴｉ添加鋼は焼入れ焼戻し、Ｓ４５ＣおよびＳＭｎ４４３のＴｉ添加鋼は高周波焼き入れ焼戻し、それら以外のＴｉ添加鋼は浸炭焼入焼戻しを行って表面硬化した後、それぞれの試験片の試験部表面を研磨仕上げし、小野式回転曲げ疲労試験機にて試験を行った。供試材の化学成分を表１に示し、試験結果を図１に示す。表１において、各ヒートＮｏ．のベースとなる鋼とその化学成分について説明すると、Ｎｏ．１はＳＣｒ４２０で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。Ｎｏ．２はＳＣＭ４２０で、Ｎｉは不可避不純物である。Ｎｏ．３はＳＮＣＭ４２０である。Ｎｏ．４はＳＮＣ４１５で、Ｍｏは不可避不純物である。Ｎｏ．５はＳ４５Ｃで、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは不可避不純物である。Ｎｏ．６はＳＭｎ４４３で、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは不可避不純物である。Ｎｏ．７はＳＵＪ２で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。Ｎｏ．８はＳＵＪ２にＢを添加した鋼で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。Ｎ量と回転曲げ疲労強度の関係については、図１から、Ｎ量が８０ｐｐｍを超えると疲労限（１０７ｃｙｃｌｅ疲労強度）が低下し始め、１００ｐｐｍ以上では大きく低下していることがわかる。これはＮ量の増加に伴って、疲労強度に有害なＴｉＮが増加したためであると考えられる。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
実施例２
実施の形態に記載のようにしてＴｉ添加鋼の鋼材を製造するに当たり、この実施例では、ＪＩＳ規格の鋼をベースとしたＴｉ添加鋼を連続鋳造する際の凝固速度をコントロールしてＴｉＮの大きさを変えてＴｉ添加鋼とし、この鋼材から試料を作製した。このＴｉ添加鋼の成分を表２に示す。表２において、各ヒートのベースとなる鋼とその化学成分について説明すると、ヒートＡはＳＣｒ４２０で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。ヒートＢはＳＣＭ４２０で、Ｎｉは不可避不純物である。ヒートＣはＳＮＣＭ４２０である。ヒートＤはＳＮＣ４１５で、Ｍｏは不可避不純物である。ヒートＥはＳ４５Ｃで、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは不可避不純物である。ヒートＦはＳＭｎ４４３で、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは不可避不純物である。ヒートＧはＳＵＪ２で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。ヒートＨはＳＵＪ２にＢを添加した鋼で、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物である。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
すなわち、上記のＴｉ添加鋼の鋼材からの試料の作製は、これを加熱してφ２０ｍｍに鍛伸、焼準後、切削にて回転曲げ試験片に加工し、試験に供した。回転曲げ試験の結果を図２に示す。なお、図２において○は中炭素鋼を示す。図２から√ａｒｅａ　ｍａｘが６０μｍを超えると疲労限が低下し、８０μｍを超えると疲労限が一層低下することがわかる。
【００２０】
表２に示す鋼材の全試験片について破壊起点となった非金属介在物を調査し、√ａｒｅａ　ｍａｘと疲労限とＴｉＮが破壊起点となるＴｉＮ起点確率を表３に示し、図３に破壊起点のＴｉＮ確率を縦軸に、ＴｉＮの√ａｒｅａ　ｍａｘを横軸にとりしめした。図３からＴｉＮの√ａｒｅａ　ｍａｘが大きくなると、ＴｉＮが破壊起点となる確率が上昇し、８０μｍを超えるとほとんどがＴｉＮを破壊起点に破損していることがわかった。
【００２１】
すなわち、√ａｒｅａ　ｍａｘが６０μｍ以下では、ＴｉＮが酸化物系介在物より小さいため、酸化物系介在物が起点となり、Ｔｉ系介在物は疲労強度に影響しておらず、√ａｒｅａ　ｍａｘが８０μｍ以上ではＴｉＮの方が大きいため、疲労破壊のほとんどにおいて起点となり、強度を低下させており、ＴｉＮの大きさの影響が明らかである。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は機械構造用鋼において、鋼成分としてＴｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、Ｎ含有量をＮ＜１００ｐｐｍとし、また、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中に晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下とし、さらに、これらの要件を合わせて、Ｔｉ：５００ｐｐｍ以上を含有し、Ｎ含有量がＮ＜１００ｐｐｍであり、極値統計法により予測した被検面積：３００００ｍｍ２における鋼中に晶出のＴｉＮおよび／またはＴｉＣＮの最大大きさ（√ａｒｅａ　ｍａｘ）が８０μｍ以下とすることで、疲労強度に優れた高強度鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明鋼とその比較鋼についての実施例１に示すヒートＮｏ．の鋼のＮ量と疲労限度の関係を示すグラフである。
【図２】請求項２および請求項３の発明鋼とその比較鋼についての実施例２に示すヒートの鋼の回転曲げ試験における疲労限度とＴｉＮの最大大きさ√ａｒｅａ　ｍａｘの関係を示すグラフである。
【図３】請求項２および請求項３の発明鋼とその比較鋼についての実施例２に示すヒートの鋼の破壊起点のＴｉＮ確率とＴｉＮの最大大きさ√ａｒｅａ　ｍａｘの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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