(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度かつ高靱性で溶接可能な鋼部材を製造するための鋼であって、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．３〜２．３％、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．８％以下、Ｍｏ：０．３％以下およびＴｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、下記の式（１Ａ）で定義される溶接割れ感受性指数Ｐｃｍが０．３５より小さく、かつ、下記の式（２Ａ）で定義されるマンガン当量Ｍｎeqが２．０より大きい合金組成を有する鋼。
（１Ａ）Ｐｃｍ＝Ｃ(％)＋Ｓｉ(％)／３０＋Ｍｎ(％)／２０＋Ｎｉ(％)／６０
＋Ｃｒ(％)／２０＋Ｍｏ(％)／１５＋Ｃｕ(％)／２０
（２Ａ）Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｕ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｃｒ(％)＋Ｍｏ(％)
【請求項２】
請求項１に記載の成分に加えて、Ｂ：０．０００３〜０．００５％を含有し、下記の式（１Ｂ）で定義される溶接割れ感受性指数Ｐｃｍが０．３５より小さく、かつ、下記の式（２Ｂ）で定義されるマンガン当量Ｍｎeqが２．０より大きい合金組成を有する鋼を材料とする請求項１の鋼。
（１Ｂ）Ｐｃｍ＝Ｃ(％)＋Ｓｉ(％)／３０＋Ｍｎ(％)／２０＋Ｎｉ(％)／６０
＋Ｃｒ(％)／２０＋Ｍｏ(％)／１５＋Ｃｕ(％)／２０＋５Ｂ(％)
（２Ｂ）Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｕ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｃｒ(％)＋Ｍｏ(％)＋０．５
【請求項３】
請求項１または２の鋼を材料とし、１０５０℃以上の温度において鍛造を行なって部材の形状を与え、Ａ３変態点以上に再加熱してから焼入れし、所定の硬さまで焼戻しすることからなる鋼部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２の鋼を材料とし、１０５０℃以上の温度において鍛造を行なって部材の形状を与え、鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しすることからなる鋼部材の製造方法。
【請求項５】
鍛造を行なう温度を、１０５０℃以上であるが、１１５０℃を超えない温度にえらんで実施する請求項４の製造方法。
【請求項６】
請求項１または２の鋼を材料とし、１０５０℃以上の温度において最初の鍛造を行なったのち、さらに少なくとも１回の鍛造を行なって部材の形状を与え、最終の鍛造を９００〜１０００℃の温度において実施し、最終の鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しすることからなる鋼部材の製造方法。
【請求項７】
最初の鍛造を、１０５０℃以上であるが、１１５０℃を超えない温度にえらんで実施する請求項６の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度かつ高靱性で溶接可能な鋼と、それを使用した鋼製の部材、たとえば自動車部品を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の素材からさまざまな機械部品を製造するに当たり、二以上の部材を溶接して部品の形状を構成することができれば、複雑な形状をもった部品を製造することが容易になる。そうなれば、従来は二以上の部材をボルト・ナットなどで結合して構成していた部品をひとつにまとめて、部材の点数を減らすことができ、これは軽量化やコストの低減につながる。しかし、部品に高い強度と靱性とが求められる場合、そのような特性をもつ鋼は一般に溶接性が悪く、任意の部材を組み合わせて所望の部品を構成するということが困難である。鋼の溶接性を高めようとすれば、Ｃ含有量の低い合金組成を選択する必要があるが、低Ｃ量の鋼は、硬さ、強度および靱性が低いというジレンマがある。
【０００３】
鋼の溶接性を高く確保するためには、溶接熱影響部の靱性を低下させないことが必要である。一般に、溶接時の入熱とその後の急速な冷却により、熱影響部はマルテンサイト変態を起こして硬さが４００ＨＶ以上と、過大な水準に達し、脆くなるとともに、溶接割れが生じる危険が生じる。マルテンサイト変態後の硬さは、ほぼＣ含有量で決定されるから、過度に硬い熱影響部をつくらないためには、硬さを高くする成分、とくにＣの量を低くする必要がある。この観点から、硬さを高くする諸成分の含有量を押さえるための指数として、「溶接割れ感受性指数（Ｐｃｍ）」（以下「溶接感受性指数」と略称する）が知られている。
【０００４】
一方で、Ｃ含有量を低くしすぎると、強度が不足する。そこで、ある程度のＣ含有量は維持したうえで、他の添加元素の含有量を調節して焼入れ性を向上させ、焼入れ深さを深くして溶接製品の平均硬さを大きくすることによって、製品の強度を維持するという対策が考えられる。この観点からは、焼入れ性を左右する諸成分の最小限の量を定める指数、「マンガン当量（Ｍｎeq）」が論じられる。
【０００５】
建築構造物や橋梁のような大型構造物に使用する低降伏比高強度の鋼に関して、特定の合金組成を有し、組織が（容積％で）、ポリゴナルフェライト５〜３０％、ＭＡ（マルテンサイトとオーステナイトとの混合物）が３〜１５％、残部がベイナイトであり、ＭＡの平均サイズが５μｍ以下であるものが、靱性および溶接性が良好な材料として提案された（特許文献１）。ただし、溶接性に関しては、溶接を模擬した熱サイクル試験の結果（ＨＡＺ靱性）しか示されていない。
【特許文献１】特開２００４−３１５９２５
【０００６】
発明者らは、鋼製の部品を製造するに当たり、上記した溶接割れ感受性と焼入れ性に関する二つの指数を適切に選ぶことを前提に、母材に所要の強度および靱性を確保した上で、溶接熱影響部の靱性を低下させない手段を求めて研究し、特定の合金組成を有する鋼が有用であり、それに特定の加工条件を組み合わせることによって、この目的が達成できることを知った。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって本発明の目的は、発明者らが得た知見を活用し、高強度かつ高靱性で、しかも溶接可能な鋼を提供するとともに、その鋼を使用した部材を製造する方法を提供することにある。ここで「溶接可能」とは、単に溶接割れが生じにくいだけでなく、靱性が十分に高い溶接部を得ることができるという、積極的な意味を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の高強度かつ高靱性で溶接可能な鋼は、基本的には、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．３〜２．３％、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．８％以下、Ｍｏ：０．３％以下およびＴｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記の式（１Ａ）で定義される溶接感受性指数Ｐｃｍが０．３５より小さく、かつ、下記の式（２Ａ）で定義されるマンガン当量Ｍｎeqが２．０より大きい合金組成を有する鋼である。
（１Ａ）Ｐｃｍ＝Ｃ(％)＋Ｓｉ(％)／３０＋Ｍｎ(％)／２０＋Ｎｉ(％)／６０
＋Ｃｒ(％)／２０＋Ｍｏ(％)／１５＋Ｃｕ(％)／２０
（２Ａ）Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｕ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｃｒ(％)＋Ｍｏ(％)
【発明の効果】
【０００９】
本発明の製造方法によって得られる鋼部材は、溶接感受性が低く抑えられているから、後記する実施例にみるとおり、溶接部の硬さが４００ＨＶを超える部分がなく、したがって溶接時の割れの心配がないだけでなく、溶接部の靱性が高い。また、焼入れ性が高いから、鍛造に続いて行なわれる焼入れにより、部材全体に高い強度が実現し、それらを溶接して得られる機械部品の強度は高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の鋼は、上記した合金成分に加えて、Ｂ：０．０００３〜０．００５％を含有することができる。適量のＢの存在は、鋼の焼入れ性を高めるので、一般に好ましい。合金がＢを含有する場合、上記の式は、それぞれつぎの、式（１Ｂ）および（２Ｂ）のように変化する。
（１Ｂ）Ｐｃｍ＝Ｃ(％)＋Ｓｉ(％)／３０＋Ｍｎ(％)／２０＋Ｎｉ(％)／６０
＋Ｃｒ(％)／２０＋Ｍｏ(％)／１５＋Ｃｕ(％)／２０＋５Ｂ(％)
（２Ｂ）Ｍｎeq＝Ｍｎ(％)＋Ｃｕ(％)＋Ｎｉ(％)／２＋Ｃｒ(％)＋Ｍｏ(％)＋０．５
【００１１】
本発明の鋼部材の製造方法は、上記のＢを含有し、または含有しない合金組成の鋼を材料にして行なう、下記のいずれかの成形・熱処理工程からなる。
１）１０５０℃以上の温度において鍛造を行なって部材の形状を与え、いったん冷却した後、Ａ３変態点以上に再加熱して焼入れし、所定の硬さまで焼戻しする（図１の態様）。
２）１０５０℃以上の温度において鍛造を行なって部材の形状を与え、鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しする。
３）１０５０℃以上であるが、１１５０℃を超えない温度において鍛造を行なって部材の形状を与え、鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しする（図２の態様）。
４）１０５０℃以上の温度において最初の鍛造を行なったのち、さらに少なくとも１回の鍛造を行なって部材の形状を与え、最終の鍛造を９００〜１０００℃の温度において実施し、最終の鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しする。
５）１０５０℃以上であるが、１１５０℃を超えない温度において鍛造を行なったのち、さらに少なくとも１回の鍛造を行なって部材の形状を与え、最終の鍛造を９００〜１０００℃の温度において実施し、最終の鍛造に続いて直ちに焼入れし、所定の硬さまで焼戻しする（図３の態様）。
【００１２】
鋼の素材から部材を得るための鍛造は、多くの場合、鍛圧が容易であるように、１２５０℃内外の比較的高い温度に加熱して行なう。本発明における、亜熱間鍛造というべき、比較的低い温度、すなわちＡ３変態点以上であるが、１１００℃以下の温度において鍛造を行なう態様によれば、溶接感受性指数およびマンガン当量の適切な選択とともに、強度および靱性と溶接性という、相反しやすい特性の両立にとって好ましい結果が得られる。
【００１３】
この比較的低い鍛造温度は、焼入れ後のマルテンサイト組織を微細化することを通じて、靱性を向上させるわけである。こうした機構を利用するとなれば、鍛造温度は、設備能力がそれを可能にする限り、より低い温度、すなわち９００℃以上であって、１０００℃以下の範囲であることが好ましい。それにより、後記する実施データにみるとおり、溶接部にいっそう高い靱性が実現し、すぐれた部品を製造することができる。
【００１４】
鍛造操作は、２回またはそれ以上に分けて実施することが可能である。その場合、最後の鍛造を、好結果が得られる、上記のより低い温度において実施し、直ちに焼入れすればよく、それによって、鍛造全体を低い温度で実施した場合と同じ効果が得られる。このような手順を選択することにより、変形量の大きな初期の鍛造操作は、相対的に高温の領域において行なうことにより鍛造を容易に実施し、残りの鍛造だけ低温の領域で実施するという組み合わせが可能になる。上記した９００℃以下１０００℃以下の温度における鍛造は、わずかな圧下率の、いわゆる「ホットコイニング」操作でよい。
【００１５】
本発明において、鋼の合金組成を上記のように選択した理由は、下記のとおりである。
Ｃ：０．１０〜０．１６％
Ｃは母材の強度を確保するうえで必要な成分であって、０．１０％に達しない量では、所望の強度レベルを得ることができない。一方、多量に添加し過ぎると、溶接性に悪影響が出るとともに、熱影響部の靱性低下につながるため、０．１６％を上限とする。
【００１６】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは鋼の脱酸剤として作用するもので、有効に作用させるためには０．０５％以上添加するが、過剰な添加は鋼の溶接性と靱性とを低下させるため、０．５０％までの添加に止める。
【００１７】
Ｍｎ：１．３〜２．３％
Ｍｎもまた脱酸剤であるが、本発明の鋼においては、焼入れ性を左右するマンガン当量の筆頭にあげられる成分である。所定のマンガン当量を得て強度を確保するため、１．３％以上を添加する。一方で多量のＭｎは、溶接感受性指数を高めて溶接割れを引き起こし、また溶接部の靱性を低下させるため、２．３％以下の添加量を選ぶ。
【００１８】
Ｃｕ：０．５％以下
Ｃｕはマンガン当量の式に登場する成分であって、適量の添加が焼入れ性を高め、鋼の強化に寄与する。多量の添加は鋼の靱性に悪影響を与えるため、上限を０．５％とする。
【００１９】
Ｎｉ：０．５％以下
Ｎｉも焼入れ性に寄与し、一方で溶接感受性への影響は大きくないから、適量を添加する。ただし、高価な材料であるため、経済的観点から０．５％という限度を設けた。
【００２０】
Ｃｒ：０．８％以下
Ｃｒもマンガン当量の一部となる元素であって、焼入れ性を高める。多量の存在は溶接感受性に悪影響を及ぼすため、０．８％の限度内の添加に止める。
【００２１】
Ｍｏ：０．３％以下
ＭｏもＮｉやＣｒと同様であって、焼入れ性に貢献する。高価であるから、０．３％以内の少量を添加するのが得策である。
【００２２】
Ｔｉ：０．０６％以下
ＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、強度の向上に寄与する。この効果を確保するため、ある程度の量を添加する。添加が多量に過ぎると、溶接熱影響部の靱性が低下するため、０．０６％を添加量の上限とする。好適な範囲は０．０１５〜０．０５％である。
【００２３】
Ｂ：添加する場合、０．０００３〜０．００５％
Ｂは、焼入れ前のオーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することによって焼入れ性を向上させるため、適量を添加するとよい。Ｍｎ当量が２．０以上であって焼入れ性が十分である場合には、添加しなくてもよい。添加する場合の適切な量は、０．０００３〜０．００５％の範囲にある。
【実施例】
【００２４】
表１に示す合金組成（重量％、残部Ｆｅ）の鋼を溶製した。各鋼を１１００℃に加熱し、圧下率５０％で鍛造して厚さ３０mmのバルク材として焼入れし、中央部から厚さ３mmの板材を切り出したのち、４６５℃×１時間の焼戻しを行なった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
この鋼板を２枚重ね、重ねスミ肉溶接を行なった。溶加材は共材である。このスミ肉溶接部分について、溶接性と熱影響部における硬さをしらべて、表２の結果を得た。溶接性は溶接熱影響部の最高硬さで評価し、最高硬さが４００ＨＶ未満のものを良好とした。硬さは母材部分の厚さ方向中央部で評価し、２５０ＨＶ以上の場合は○とし、２５０ＨＶ未満は×とした。表２において、比較例には、その例が本発明の範囲外である理由を付記してある。
【００２７】
表２
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【００２８】
本発明の実施例である鋼種Ａ，ＢおよびＣは、いずれも溶接性および母材の硬さにおいて要求を満たしている。比較例であるＤ〜Ｈは、つきの理由で、溶接性および母材の硬さのいずれか一方または両方が劣る。
Ｄ：Ｃ量が過大であり、Ｐｃｍの値が本発明の範囲外であるため、溶接性が劣る。
Ｅ：Ｍｎ量が不足で、Ｍｎeqの値が本発明の範囲外であるため、母材硬さが劣る。
Ｆ：Ｂを含有しないため、Ｍｎeqの値が本発明の範囲外となり、母材硬さが劣る。
Ｇ：合金成分の量は範囲内であるが、Ｐｃｍ値が範囲外であり、溶接性が劣る。
Ｈ：合金成分の量は範囲内であるが、Ｍｎeq値が範囲外であり、母材硬さが劣る。
【００２９】
つぎに、実施例の鋼種Ａおよび比較例の鋼種Ｅを対象に、下記４種の加工および熱処理の工程に従って、減面率６５％の鍛造とそれに続く焼入れ・焼戻しを施した。
１）熱間鍛造＋再加熱焼入れ＋焼戻し（従来技術、図１の態様）
・比較例の鋼種Ｅを１２００℃で熱間鍛造したのち、９００℃に再加熱して焼入れ→
４６５℃×１時間の焼戻し
２）熱間鍛造＋再加熱焼入れ＋焼戻し（本発明の実施例、図１の態様）
・実施例の鋼種Ａを１２００℃で熱間鍛造したのち、９００℃に再加熱して焼入れ→
４６５℃×１時間の焼戻し
３）低温鍛造焼入れ＋焼戻し（本発明の好適実施例、図２および図３の態様）
・実施例の鋼種Ａを１１００℃で制御鍛造焼入れ→４６５℃×１時間の焼戻し
・実施例の鋼種Ａを１１００℃で制御鍛造→９００〜１０００℃コイニング焼入れ→
４６５℃×１時間の焼戻し
４）低温鍛造焼入れ＋焼戻し（本発明の範囲外の比較例）
・実施例の鋼種Ａを１１００℃で制御鍛造→８００℃コイニング焼入れ→４６５℃×
１時間の焼戻し
【００３０】
鍛造熱処理品について、シャルピー衝撃試験により２３℃における衝撃値を測定し、硬さ試験を行なってビッカース硬さを評価した。鍛造温度と、衝撃値およびビッカース硬さとの関係を、図４に示す。従来の素材では焼入れ性が十分でなく、熱処理後の硬さ（強度）および靱性が不足する。本発明の鋼を用いると、焼入れ性が十分であるため、硬さ・靱性ともに十分な値が得られる。さらに、最終の鍛造の温度を低くすると、結晶粒の微細化により、強度・靱性が向上する。ただし、最終の鍛造温度が低すぎると、低温オーステナイト域での加工となり、拡散変態であるフェライト変態またはパーライト変態が促進されて、焼入れ性が低下する。この場合、マルテンサイト化が不十分となり、硬さ（強度）が大幅に低下する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の鋼部材の製造工程を観念的に示す図であって、従来技術または本発明の方法に従う場合。
【図２】本発明の鋼部材の製造工程を観念的に示す図であって、本発明の好ましい方法に従う場合。
【図３】本発明の鋼部材の製造工程を観念的に示す図であって、本発明のより好ましい方法に従う場合。
【図４】本発明の実施データであって、鍛造温度と、シャルピー衝撃値およびビッカース硬さとの関係を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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