(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、C:0.005〜0.60％、Si:0.01〜0.40%、Mn:0.20〜1.80%、P:0.040%以下、S:0.050%以下、Al:0.001〜0.060％、N:0.0005〜0.0300%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織が初析フェライト組織とパーライト組織、及びベイナイト組織から構成され、初析フェライトの体積率が40％以下であり、炭化物の平均アスペクト比が5未満であるパーライト組織、またはベイナイト組織（以下組織Ｉ）を体積率で10％以上50%以下含み、平均アスペクト比が5以上のパーライト組織（以下組織II）を体積率で30%以上含むことを特徴とする焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【請求項２】
組織IIの平均ブロックサイズが20μm以下であり、かつ平均ラメラ間隔が200nm以下であることを特徴とする請求項１に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【請求項３】
上記成分に加えて、さらに、質量%で、B:0.0001〜0.0060％を含有することを特徴とする請求項１〜２のいずれかの項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【請求項４】
上記成分に加えて、さらに、質量%で、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.005〜0.100%の1種または2種を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの項に記載の成分組成を有するブルームまたはビレットを、熱間圧延し、巻取り、その後、500℃以上600℃以下の溶融塩槽に10秒以上浸漬した後、次いで530℃以上600℃以下の溶融塩槽に20秒以上150秒以下恒温保持した後冷却することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト、ねじ、ナット等の機械部品の素材として用いられ、冷間鍛造によって成形される鋼線材とその製造方法に関わり、特に焼鈍後の冷間鍛造性が優れるとともに、焼鈍時間の短縮化が可能な鋼線材とその製造方法に関わるものである。なお、本発明で対象とする鋼線材は、熱間圧延棒鋼をコイル状に巻いた「バーインコイル」も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
冷間鍛造は成品の寸法精度や生産性が優れることから、鋼製のボルト、ねじ、ナット等の機械部品の成形に際して、従来から行われていた熱間鍛造からの切り替えが拡大している。一方、冷間鍛造は熱間鍛造と比較して鋼材の変形抵抗が高くなることや変形能が低くなることから、金型の負荷が増大することで金型の摩耗や損傷が発生することや、成形部品に加工割れが発生することなどの課題がある。これらを回避するため、冷間鍛造に用いる鋼材には極めて高い加工性が要求される。このため、従来より、熱間圧延材を球状化焼鈍などの熱処理により軟質化して、加工性を向上させることが行われている。
【０００３】
球状化焼鈍は鋼材中のセメンタイトを球状にして加工性を向上させる処理で、冷間鍛造用鋼の軟質化焼鈍として広く行われているが、熱処理時間に約20時間程度を要することから、部品の生産性やコストを改善するため、熱処理時間の短縮化や焼鈍省略の要求が高い。
【０００４】
また、近年は部品製造コストの低減や部品の高機能化を目的として部位形状も複雑化している。このため冷間鍛造に使用される鋼材に対する加工性の要求が高まっている。
【０００５】
鋼材の球状化焼鈍時間を短縮化する技術は従来から種種の方法が提案されている。特許文献1では初析フェライトとパーライトを主体とする組織において平均結晶粒径と、初析フェライトの体積率と平衡初析フェライトの体積率の比を規定することで迅速球状化と変形能の向上が可能となることが開示されている。しかし、この方法では球状化焼鈍時間の短縮化は可能であるが、焼鈍後のセメンタイトの分散が不均一分散となることで、強度は低くなるものの、延性は十分とはいえない。
【０００６】
また、特許文献2では鋼材組織の擬似パーライトとベイナイトとフェライトの面積率を規定することで球状化処理時間が短縮化し、変形抵抗が低減することが開示されている。この方法は、擬似パーライトを10%以上含む組織にする必要があり、合金元素含有量が低く焼入れ性が低い鋼種や、線径が大きい場合には、巻取り後に冷却速度を高くする必要があり、製造コストが大きくなる課題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開2000-119809号公報
【特許文献２】特開2006-225701号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、冷間鍛造前の軟質化焼鈍時間の短縮化が可能であり、軟質化焼鈍後には優れた冷間鍛造性を実現する鋼線材と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】
【０００９】
(1) 質量%で、C:0.005〜0.60％、Si:0.01〜0.40%、Mn:0.20〜1.80%、P:0.040%以下、S:0.050%以下、Al:0.001〜0.060％、N:0.0005〜0.0300%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織が初析フェライト組織とパーライト組織、及びベイナイト組織から構成され、初析フェライトの体積率が40％以下であり、炭化物の平均アスペクト比が5未満であるパーライト組織、またはベイナイト組織（以下組織Ｉ）を体積率で10％以上50%以下含み、平均アスペクト比が5以上のパーライト組織（以下組織II）を体積率で30%以上含むことを特徴とする焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【００１０】
（2）組織IIの平均ブロックサイズが20μm以下であり、かつ平均ラメラ間隔が200nm以下であることを特徴とする（1）に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【００１２】
(3) 上記成分に加えて、さらに、質量%で、B:0.0001〜0.0060％を含有することを特徴とする(1)〜(2)のいずれかの項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【００１３】
(4) 上記成分に加えて、さらに、質量%で、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.005〜0.100%の1種または2種を含有することを特徴とする (1) 〜 (3) のいずれかの項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材。
【００１４】
(5) (1） 〜 (4) のいずれかの項に記載の成分組成を有するブルームまたはビレットを、熱間圧延し、巻取り、その後、500℃以上600℃以下の溶融塩槽に10秒以上浸漬した後、次いで530℃以上600℃以下の溶融塩槽に20秒以上150秒以下恒温保持した後冷却することを特徴とする (1） 〜 (4)のいずれかの項に記載の焼鈍後の冷間鍛造性に優れた鋼線材の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、冷間鍛造による複雑形状部品の成形が可能になり、鋼材歩留まりの向上や生産性の向上により、部品加工費用が低減される効果がある。また軟質化焼鈍時間が短縮化することにより、熱処理費用の低減や生産性の向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明者らは、鋼材の軟質化焼鈍時間の短縮化や焼鈍後の変形能の向上を実現させるため、冷間鍛造用鋼の焼鈍前組織の改良を検討した。その結果、焼鈍時間を短縮化しつつ、焼鈍後の冷間鍛造性を向上させるためには、初析フェライトの体積率を抑制した上で、ベイナイト組織やアスペクト比が小さいパーライト組織など炭化物が分断した組織と、ブロックサイズとラメラ間隔を微細にしたパーライト組織の混合組織が有効であることを見出した。
【００１７】
初析フェライトの体積率を抑制することで、焼鈍後の炭化物の分散を均一にすることができ、延性が著しく向上する。さらに、炭化物のアスペクト比が小さい分断したパーライト組織や、ベイナイト組織などセメンタイトが分断した組織が存在することで、パーライトの単相組織に比べて焼鈍による軟質化時間の短縮が可能であり、さらに焼鈍後の強度を低下させることが可能である。その結果、焼鈍後には軟質であり、かつ延性も高くなることを見出し、本発明に至った。
【００１８】
本発明では鋼線材の組織を特定の組織とする必要がある。組織の限定理由を以下に説明する。
【００１９】
初析フェライトの体積率が40％を超えると、焼鈍後の炭化物の分布が不均一となり、強度の不均一箇所が生成する。強度の不均一箇所が存在すると、鍛造加工の際に、局部的に変形が集中することにより、冷鍛割れが発生する場合がある。このため初析フェライト体積率の上限を40％とした。
【００２０】
炭化物が分断したパーライト組織やベイナイト組織（組織Ｉ）は炭化物の球状化に有効であり、変形抵抗の低減と延性の向上に効果があるとともに、焼鈍による軟質化時間を短時間化する効果を有する。炭化物の(長径の長さ)/(短径の長さ)で示されるアスペクト比の平均が5を超える場合、炭化物の分断が不十分であり、焼鈍後もラメラ状のパーライトが残存する。この結果、変形抵抗の低減と延性向上効果が低下するとともに、焼鈍時間の短時間化効果が小さくなる。このため、平均アスペクト比の上限を5とした。
【００２１】
また、組織Ｉの体積率が10％未満の場合には、焼鈍による軟質化時間が長時間化し、50％を超えると焼鈍後の強度が高くなり加工性が劣化する。このため、組織Ｉの体積率の下限を10%、上限を50%とした。
【００２２】
平均アスペクト比が5以上であるパーライト組織（組織II）の体積率が30％未満の場合、変形抵抗や延性の向上効果が小さいとともに、軟質化焼鈍時間も長時間化する。このため、当該パーライトの体積率の下限を30%とした。
【００２３】
パーライト組織の平均ブロックサイズの微細化は、焼鈍後にフェライト結晶粒径を細粒にする効果があり延性の向上に有効である。また、ブロックサイズの微細化によりラメラ状のパーライトの分解、球状化を促進することで焼鈍時間の短縮化に有効である。パーライトの平均ブロックサイズが20μｍを超えると、これらの効果が低下するため上限を20μmとすることが望ましい。
【００２４】
パーライトのラメラ間隔の微細化は、焼鈍後の炭化物の球状化を促進し、冷間鍛造の変形抵抗の低減と、延性の向上に有効である。平均ラメラ間隔が200nmを超えると、焼鈍後にラメラ状のパーライトが残存し、変形抵抗が増大するとともに、延性も低下する。このため、平均ラメラ間隔の上限を200nmとすることが望ましい。
【００２５】
なお、初析フェライトの体積率と組織Ｉ、組織IIの体積率は走査型電子顕微鏡を用いて、線材のC断面にて表層近傍、1/4D部、1/2D部にて125μm×95μmの領域を1000倍の倍率で写真撮影して、それぞれの組織の面積率を画像解析により求めた。検鏡面の面積率は組織の体積率と等しいことから、画像解析により得られた面積率をそれぞれの組織の体積率とした。
【００２６】
パーライトのブロックサイズの測定にはEBSP装置を用いた。線材のC断面の表層近傍部、1/4D部、1/2部にてそれぞれ275μm×165μmの領域を測定した。EBSPにて測定したフェライトの結晶方位マップから、方位差15度以上となる境界をブロック粒界とした。ブロックサイズはJohnson-Saltykovの方法（「計量形態学」内田老鶴圃、S47.7.30発行、原著：R.T.DeHoff，F.N.Rhiness.P189参照）にて求めた。
【００２７】
炭化物の平均ラメラ間隔は走査型電子顕微鏡を用いて、線材のC断面にて表層近傍、1/4D部、1/2D部にて25μm×20μmの領域を5000倍の倍率で5視野を写真撮影して、種種の方向に引いた線分がラメラと交差する間隔の平均値を求め。その平均値の1/2を平均ラメラ間隔とした。
【００２８】
炭化物の平均アスペクト比は走査型電子顕微鏡写真を画像解析することにより求めた。線材のC断面の表層近傍部、1/4D部、1/2D部にて25μm×20μmの視野を5000倍の倍率で5視野観察し、撮影写真を画像解析して(長径の長さ)/(短径の長さ)をアスペクト比とし、これらの平均値を平均アスペクト比とした。
【００２９】
本発明の鋼線材は、質量%で、C:0.05〜0.60％、Si:0.01〜0.40%、Mn:0.20〜1.80% 、P:0.040%以下、S:0.050%以下を主成分として含有する。以下にこれらの元素の範囲を限定した理由を説明する。
【００３０】
Cは機械部品としての強度を確保するため添加する。0.005％未満では機械部品として必要な強度を確保できず、0.60％を越えると延性及び靱性が劣化するため0.005〜0.60%とした。
【００３１】
Siは脱酸元素として機能するとともに、鋼に必要な強度、焼入れ性を付与し、焼戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素である。0.01%未満ではこれらの効果が不十分で、0.40%を越えると靱性、延性が劣化するとともに、硬度の上昇し冷間鍛造性を劣化させるため、0.01〜0.40%とした。
【００３２】
Mnは鋼に必要な強度、焼入れ性を付与するために必要な元素である。0.20%未満では効果が不十分であり、1.80%を越えると靱性が劣化するとともに硬度が上昇し冷間鍛造性を劣化させるため、0.20〜1.80%とした。
【００３３】
Pは冷間鍛造時の変形抵抗を高め、靱性を劣化させる。また粒界に偏析して焼入れ焼戻し後の結晶粒界を脆化して靱性を劣化させるため低減することが望ましい。従って上限を0.040%とした。
【００３４】
SはMn等の合金元素と反応して硫化物として存在する。これらの硫化物は被削性を向上させる。0.050%を越えて添加すると冷間鍛造性を劣化させるとともに、焼入れ焼戻し後の結晶粒界を脆化させ靱性が劣化する。このため0.050%以下とした。
【００３５】
また、本発明の鋼線材は以下に記載する特性の向上を目的にAl:0.001〜0.060％、N:0.0005〜0.0300%、B:0.0001〜0.0060％、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.005〜0.10%の1種または2種以上含有させることができる。
【００３６】
Alは脱酸及び、オーステナイト結晶粒の微細化を目的に添加する。Alは脱酸元素として機能するとともに、AlNを形成しピン止め粒子として機能し、結晶粒径を細粒化し加工性を向上させる。また固溶Nを固定して動的歪時効を抑制し、変形抵抗を低減する効果がある。0.001%未満ではこれらの効果が機能せず、また、0.060%を越えると靭性を劣化させるため、上限を0.060%とした。
【００３７】
Nはオーステナイト結晶粒の微細化を目的に添加する。ＮはAl、Ti等と結合し窒化物を形成しピン止め粒子として機能し結晶粒を細粒化する。0.0005%未満では窒化物の析出量が不足し、結晶粒が粗大化し延性が劣化する。また0.0300%を越えて添加すると固溶Nによる動的歪時効により変形抵抗が増加し加工性を劣化させるため、0.0005〜0.0300%とした。
【００３８】
Ｂは焼入れ性の向上を目的に添加する。0.0001%未満では効果が不十分であり、0.0060%を越えて添加しても効果が飽和するので、0.0001〜0.0060％とした。
【００３９】
Ti、Nbは炭窒化物を形成する。これらの炭窒化物は鋼中に分散しピン止め粒子として機能し、結晶粒の粗大化を抑制し、加工性を向上させる。
【００４０】
TiはCあるいはNと化合物を形成しTiC、TiN、あるいはTi(CN)として存在する。これらの炭窒化物はピン止め粒子として有効である。またB添加による焼入れ性の向上効果を有効に機能させるため鋼中のNの固定するために添加する。0.002%未満では効果が現れず、0.050%を越えるとその効果が飽和するとともに硬度の上昇を招き冷間鍛造性が劣化するため0.002〜0.050%とした。
【００４１】
NbはNあるいはCと結合しNbN、NbCあるいはそれらの複合介在物Nb(CN)を形成し、オーステナイト結晶粒の粗大化抑制に有効に機能する。0.005%未満では効果が不十分で、0.10%を越えて添加しても効果が飽和するため、0.005〜0.10%とした。
【００４２】
Oは鋼中に不可避的に含有されAlやTiなどの酸化物として存在する。O含有量が高いと粗大な酸化物が形成し、疲労破壊の原因となるので0.01%以下に抑制することが望ましい。脱酸元素としてCaを0.0001〜0.01%、あるいはMgを0.0001〜0.01%、あるいはこれらの両方を含有することができる。これらの元素は脱酸に有効であるとともに、酸化物を微細化して疲労強度を向上させる効果がある。
【００４３】
次に、本発明の製造方法を以下に説明する。
【００４４】
熱間圧延後の巻取り温度は、特に限定しないが通常は750℃から1000℃で行う。巻取り後の冷却速度も、特に限定しないが、線径5〜16mmの線材を500℃以上600℃以下の溶融塩槽に浸漬した場合、通常10℃/秒以上の冷却速度となる。冷却速度と鋼材成分は組織に影響を及ぼすため、C、Si、Mn、B、Nbなどの合金元素の含有量が高い場合は冷却速度を大きくするとベイナイト組織の体積率が高くなり、また合金元素の含有量が低い場合、冷却速度が小さいとフェライトの体積率が高くなる。このため、所定の組織が得られる鋼材成分と冷却速度を選べばよい。冷却後に500℃以上600℃以下の溶融塩槽に10秒以上浸漬する。溶融塩槽の温度が500℃未満の場合、ベイナイト組織の体積率が増大し、組織Ｉの体積率が50%を超える。600℃を超える場合は溶融塩の分解が起こり操業性を阻害する。溶融塩槽の浸漬時間が10秒未満の場合、サイズが大きい線材では内部の冷却速度が低下し、初析フェライトの体積率が増加し、焼鈍後の加工性を劣化させる。
【００４５】
次いで530℃以上600℃以下の溶融塩槽に20秒以上150秒以下恒温保持した後、冷却する。恒温保持温度が530℃未満の場合、変態完了時間が長時間化することで生産性を阻害する。600℃を超えるとパーライトの平均ラメラ間隔が粗大化し、上限の200nm超える場合があるとともに、溶融塩の分解が起こり生産性を阻害する。恒温保持時間が20秒未満の場合、変態が完了せずに冷却されることによりマルテンサイト組織が生成し、焼鈍での軟化時間を長時間化するとともに、強度が上昇し加工性が劣化する。また、150秒以上では生産性を阻害するため、上限を150秒とした。なお、溶融塩槽への浸漬は530℃以上600℃以下の溶融塩槽を用いる場合、2槽に浸漬せずに1槽にて30秒以上浸漬してもよい。
【実施例】
【００４６】
供試鋼の成分を表1に示す。鋼Hと鋼Iは本発明の範囲を外れる比較例である。これらの鋼種を用いて線径5.5〜15.0mmにて線材圧延を行い、熱間圧延後、表2に示した条件で恒温変態処理を行って製造した。表2には恒温変態処理後の初析フェライトと組織Ｉ、及び組織IIの体積率を示す。また一部の水準では組織IIの平均ブロック粒径と平均ラメラ間隔を示した。
【００４７】
冷却槽及び恒温槽保持温度が高い10の場合は組織Ｉ及び組織IIの体積率が本発明の範囲を外れ、かつ組織IIの平均ラメラ間隔が大きくなる。冷却槽及び恒温槽保持温度と保持時間が小さい4の場合は、組織Ｉ及び組織IIの体積率が本発明の範囲を外れ、保持時間が小さい7，15の場合には、組織Ｉ及び組織IIの体積率が低下することがわかる。なお、表2の2，6，8，11，13，16，18，20，22は巻き取り後に恒温保持を行わずにステルモア上で冷却した従来の製造方法であり、これらは、初析フェライト、あるいは組織Ｉ、あるいは組織IIの体積率が本発明の範囲を外れる。
【００４８】
表2の各条件で製造した線材を用いて、表4に示した条件で焼鈍処理を行い、加工性の評価を行った。なお、表4の焼鈍1及び焼鈍3は、従来の球状化焼鈍条件である。また、焼鈍2及び焼鈍4は焼鈍時間を短縮した条件である。加工性の評価はφ5.0×7.5mmの試験片を用いて、同心円状に溝が付いた金型により端面を拘束して圧縮試験を行った。変形抵抗は70％圧縮した際の相当応力とした。限界圧縮率はφ5.0×7.5mmの圧縮試験片の周部軸方向に曲率0.15mm、深さ0.8mmの切り欠きを有する試験片を用いて、割れが発生しない最大の圧縮率を限界圧縮率とした。また、一部の水準については引張試験により絞り値(RA)を評価した。
【００４９】
表3に各水準の焼鈍後の加工性として、変形抵抗、限界圧縮率、RAを示す。表2より初析フェライトの体積率、または組織Ｉの体積率、または組織IIの体積率のいずれかが本発明の範囲を満たさない水準は、いずれも同成分である本発明と比較して限界圧縮率、及びRAが低いことがわかる。従来の製造条件で製造した2，6，8，11，13，16，18，20，22については焼鈍1または焼鈍3の従来条件での球状化焼鈍を行った。表3にはこれらの従来の球状化焼鈍材との比較を示している。表中の○印は従来の球状化焼鈍材と同等以上の特性であることを示し、×印は特性が劣ることを示している。表６より本発明の成分範囲を外れる鋼H、及び鋼Iは本発明の製造条件で製造しても組織が、本発明の範囲を満たさず、その結果、焼鈍時間が短時間の場合では、従来材と比較して特性が同等あるいは劣る。一方、本発明は1と2、3と6、7と8、9と11、12と13、14と16、17と18の比較からわかるように短時間の球状化焼鈍の条件であっても、従来の球状化焼鈍材と比べて同等あるいは特性が優れていることがわかる。また12と13は本発明鋼と従来鋼を、従来条件の焼鈍を行った場合の比較を示すが、本発明は、著しくRAが向上していることがわかる。
【００５０】
表5は球状化焼鈍時間に及ぼす組織の影響を評価する目的で鋼種Dを用いて、恒温変態処理を行い、さらに、炭化物のアスペクト比を変化させる目的で、恒温変態直後に再加熱を行った比較例である。表5には本発明の実施例として表2に記載した9の結果も示している。表5の球状化時間は710℃に種種の時間保持して、冷却後の炭化物の平均アスペクト比とビッカース硬さを測定し、平均アスペクト比が2.0以下となる時間を球状化時間として、球状化後の硬さは、平均アスペクト比が2.0以下となったときの硬さとした。表5に示したように、パーライト組織の場合、ブロックサイズとラメラ間隔がほぼ同等の条件では軟質化焼鈍時間はアスペクト比と対応し、アスペクト比が小さくなるほど、焼鈍時間が短時間化し、アスペクト比が5以下の場合には著しい焼鈍時間の短縮化が可能であることがわかる。一方、ベイナイト組織の場合、球状化時間は短時間化するが、球状化後の硬さは高くなることがわかる。本発明の9は組織Ｉと組織IIの混合により、球状化時間の短時間化と軟質化をともに満たすことがわかる。
【００５１】
【表１】
0005195009.tif 000002
【００５２】
【表２】
0005195009.tif 000003
【００５３】
【表３】
0005195009.tif 000004
【００５４】
【表４】
0005195009.tif 000005
【００５５】
【表５】
0005195009.tif 000006