(57)【要約】【課題】  高価なＶの添加量を削減しつつも熱間鍛造後に焼入、焼戻しなどの熱処理省略しても十分な強度が得られ、かつ被削性にも優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供する。【解決手段】  本発明の熱間鍛造用非調質鋼は、Ｃ ：０．３０質量％以上０．６０質量％以下；Ｓｉ ：０．０５質量％以上２．００質量％以下；Ｍｎ：０．９０質量％以上１．８０質量％以下；Ｃｒ ：０．１０質量％以上１．００質量％以下；Ａｌ：０．０１０質量％以上０．０４５質量％以下；Ｎ ：０．００５質量％以上０．０２５質量％以下；Ｓ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下；Ｃａ：０．０００５質量％以上０．０２質量％以下；  Ｏ：０．０００５質量％以上０．０１質量％以下；を含有し、Ｔｉ：０．００２質量％以上０．０１０質量％以下；及び、Ｚｒ：０．００２質量％以上０．０２５質量％以下；の一方又は双方を含有し、かつ、Ｖ含有量が０．０１０質量％以下とされ、残部Ｆｅ及び不可避不純物元素よりなる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ ：０．３０質量％以上０．６０質量％以下；
Ｓｉ ：０．０５質量％以上２．００質量％以下；
Ｍｎ ：０．９０質量％以上１．８０質量％以下；
Ｃｒ ：０．１０質量％以上１．００質量％以下；
Ａｌ：０．０１０質量％以上０．０４５質量％以下；
Ｎ ：０．００５質量％以上０．０２５質量％以下；
Ｓ ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下；
Ｃａ：０．０００５質量％以上０．０２質量％以下；
Ｏ：０．０００５質量％以上０．０１質量％以下；
を含有し、
Ｔｉ：０．００２質量％以上０．０１０質量％以下；及び、
Ｚｒ：０．００２質量％以上０．０２５質量％以下；
の一方又は双方を含有し、
かつ、Ｖ含有量が０．０１０質量％以下とされ、残部Ｆｅ及び不可避不純物元素よりなることを特徴とする熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項２】
熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであり、パーライトラメラー間隔が０．８０μｍ以下、さらに初析フェライト面積率が３０％以下である請求項１記載の熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項３】
ＣａＯ含有量が０．２質量％以上６２質量％以下の酸化物系相の周囲が、硫化物系層により取り囲まれた二重構造を有し、全体のＣａ含有量が１質量％以上４５質量％以下である第一の硫化物系介在物の占有面積が、観察視野面積３．５ｍｍ２当たりにおいて、２．０×１０−４ｍｍ２以上であり、ＭｎＳからなる第二の硫化物系介在物が、前記第一の硫化物系介在物よりも小さい平均粒径にて組織中に分散形成されてなる請求項１又は請求項２に記載の熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項４】
熱間鍛造後のロックウェル硬さがＨＲＢ９６以上ＨＲＣ３０以下である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項５】
前記Ｆｅの一部を置換する形でさらに、
Ｔｅ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下；
Ｐｂ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下；
Ｂｉ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下；
より選ばれる１種又は２種以上を含有する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱間鍛造用非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造用非調質鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平１１−３５００６５号公報
【０００３】
熱間加工後に焼入・焼戻しなどの調質処理の省略を目的として、中炭素鋼（Ｃ含有量０．３質量％以上０．５質量％以下）に０．１質量％程度のＶを添加したフェライト＋パーライト型非調質鋼が広く機械構造用部品に用いられており、省コスト化のニーズを背景にこのような非調質鋼の用途もさらに拡大している（例えば、特許文献１）。しかし、近年ではさらなる省コスト化ニーズが増大し、Ｖの様な高価な添加元素を含有しない安価なフェライト＋パーライト型非調質鋼の開発が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、非調質鋼において焼入、焼戻しなどの熱処理を行なうことなく目的とする強度を得るために、０．１質量％程度のＶを添加することが行われてきた。しかし、Ｖは非常に高価な添加元素であり、非調質化により熱処理費は削減できるものの素材費が従来の炭素鋼に比べて大幅に増加する。このため、従来のＶ添加フェライト＋パーライト型非調質鋼では省コスト化のニーズに十分に対応することができなかった。また、Ｖを添加した従来の非調質鋼は、熱間鍛造後の被削性に難があり、加工コストの高騰にもつながりやすかった。
【０００５】
本発明の課題は、高価なＶの添加量を削減しつつも熱間鍛造後に焼入、焼戻しなどの熱処理省略しても十分な強度が得られ、かつ被削性にも優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の熱間鍛造用非調質鋼は、
Ｃ ：０．３０質量％以上０．６０質量％以下；
Ｓｉ ：０．０５質量％以上２．００質量％以下；
Ｍｎ ：０．９０質量％以上１．８０質量％以下；
Ｃｒ ：０．１０質量％以上１．００質量％以下；
Ａｌ：０．０１０質量％以上０．０４５質量％以下；
Ｎ ：０．００５質量％以上０．０２５質量％以下；
Ｓ ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下；
Ｃａ：０．０００５質量％以上０．０２質量％以下；
Ｏ：０．０００５質量％以上０．０１質量％以下；
を含有し、
Ｔｉ：０．００２質量％以上０．０１０質量％以下；及び、
Ｚｒ：０．００２質量％以上０．０２５質量％以下；
の一方又は双方を含有し、
かつ、Ｖ含有量が０．０１０質量％以下とされ、残部Ｆｅ及び不可避不純物元素よりなることを特徴とする。
【０００７】
上記本発明の熱間鍛造用非調質鋼によると、Ｖ含有量が０．０１０質量％以下に削減されているにも拘わらず、残余の成分を上記のような組成に調整することにより、熱間鍛造後に焼入、焼戻しなどの熱処理省略しても十分な強度が得られ、熱間鍛造後においても優れた被削性を有しているので、加工コストを削減することができる。
【０００８】
Ｃ含有量が０．６０質量％以下の非調質鋼の組織は、フェライト（初析）＋パーライト（フェライトとセメンタイトとの共析ラメラー組織を呈する）の混相組織となる。フェライト＋パーライト組織ではパーライト中のラメラー間隔が広いほど、また、初析フェライトの面積率が大きいほど耐力や疲労限度が低下しやすく、この傾向はＶ含有量を削減した場合においては特に著しい。そこで、フェライト＋パーライト組織のパーライトのラメラー間隔は０．８μｍ以下に留めることが望ましく、（初析）フェライトの組織中の面積率は３０％以下とすることが望ましい。
【０００９】
また、本発明の熱間鍛造用非調質鋼においては、Ｓ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｏ、Ｔｉ及び／又はＺｒを上記の組成範囲で含有することにより、酸化物を主体とする介在物が芯となり、その周囲を、硫化物を主体とする介在物が取り囲んだ二重構造介在物よりなる第一の硫化物系介在物と、その第一の硫化物系介在物よりも小さい平均粒径を有するＭｎＳよりなる第二の硫化物系介在物とが組織中に分散形成され、鋼の強度を損ねることなく、熱間鍛造後におけるその被削性を著しく向上させる。
【００１０】
第一の硫化物系介在物は、芯部がＣａ、Ｍｇ、ＳｉないしＡｌの酸化物であり、その周囲を、ＣａＳを含有するＭｎＳが取り囲んだ二重構造粒子とすることが、鋼の被削性を改善する観点において望ましい。具体的には、ＣａＯ含有量が０．２質量％以上６２質量％以下の酸化物系相の周囲が、硫化物系層により取り囲まれた二重構造を有し、全体のＣａ含有量が１質量％以上４５質量％以下となるものである。該第一の硫化物系介在物は、材料の切削時に工具との間に適正な潤滑効果をもたらし、工具の熱拡散摩耗を防止する役割を果たす。そして、この効果を顕著なものとするためには、組織中における第一の硫化物系介在物の占有面積を、観察視野面積３．５ｍｍ２当たりにおいて、２．０×１０−４ｍｍ２以上５．０×１０−3ｍｍ２以下とすることが望ましい。該占有面積が２．０×１０−４ｍｍ２未満では潤滑効果が不十分となり、５．０×１０−3ｍｍ２を超えると熱間鍛造後の鋼の強度が損なわれることにつながる。
【００１１】
そして、本発明においては、Ｔｉ及び／又はＺｒが上記の組成範囲で含有されていることで、第一の硫化物系介在物よりも平均粒径の小さいＭｎＳよりなる第二の硫化物系介在物を、前記第一の硫化物系介在物よりも小さい平均粒径にて組織中に分散形成することができる。Ｔｉ及び／又はＺｒは、酸素と結合して微細なＴｉないしＺｒの酸化物粒子を組織中に分散形成し、ＭｎＳはこれを核として析出する。このような第二の硫化物系介在物の形成により、切削により生ずる切り屑の破砕性が著しく向上し、長い連続切り屑が工具周辺に絡まったりする不具合が生じにくくなる。
【００１２】
また、本発明の熱間鍛造用非調質鋼は、一般的な機械構造部品に適用するために、その熱間鍛造後の強度を一定レベル以上に確保する必要がある。この場合の強度は、簡易には、熱間鍛造後のロックウェル硬さにより評価することができ、例えば、自動車用のクランクシャフトやコンロッドとして使用するためには、該硬さをＨＲＢ９６以上に確保する必要がある。他方、熱間鍛造後に必要な形状に切削加工を行なう必要があるから、該硬さがむやみに高すぎると、材料の被削性が低下する問題がある。しかし、本発明においては、上記のごとく、２種の硫化物系介在物の形成により、従来の熱間鍛造用非調質鋼よりも被削性が格段に高められており、この被削性が妨げられないための熱間鍛造後のロックウェルＣスケール硬さの上限値はＨＲＣ３０と、従来の非調質鋼よりも引き上げることができる。その結果、被削性確保と強度向上とを両立することができる。
【００１３】
以下、各元素の組成限定理由について説明する。
Ｖ：０．０１０質量％以下
本発明においては、材料コスト削減の観点からＶを極力含有しないことを技術上の前提とするが、不純物レベルのＶについてもその含有を排除するものではなく、上記０．０１０質量％を超えない範囲であればＶが含有されていてもよい。
【００１４】
Ｃ：０．３０質量％以上０．６０質量％以下
Ｃは強度を確保するのに有効な元素であり、このような効果を得るためには０．３０質量％未満では強度が確保されない。一方、０．６０質量％を超えると硬さが過剰となり、切削加工性を劣化させる。Ｃ含有量は、より望ましくは０．３５質量％以上０．５５質量％以下とするのがよい。
【００１５】
Ｓｉ：０．０５質量％以上２．００質量％以下
Ｓｉは鋼溶製時において鋼溶製時の脱酸剤として含有され、また、フェライト中に固溶して強度を有効に向上させる。これによりＶの代替として耐力や疲労限度向上させる働きがある。このような効果を得るためには０．０５質量％以上含有させることが必要である。しかし、含有量が多すぎると被削性を劣下させたり、熱間鍛造時の加熱により表面で著しい脱炭が生じるので２．００質量％以下とすることが必要である。
Ｓｉ含有量は、より望ましくは０．２０質量％以上１．５０質量％以下とするのがよい。
【００１６】
Ｍｎ：０．９０質量％以上１．８０質量％以下
Ｃｒ：０．１０質量％以上１．００質量％以下
Ｍｎ、Ｃｒはパーライトのラメラー間隔を微細化し、耐力や疲労限度を有効に向上させる。また、Ｍｎは被削性向上に寄与する硫化物系介在物の必須形成元素である。Ｍｎ、Ｃｒとも、上記の下限値未満ではラメラー間隔微細化の効果が顕著でなくなる。また、Ｍｎについては、硫化物系介在物の形成量が不十分となって被削性の低下につながる。他方、Ｍｎ及びＣｒの含有量が上記の上限値を超えると空冷でもベイナイトが生成して材料が硬化し、被削性を著しく低下させることにつながる。
Ｍｎ含有量は、より望ましくは０．９０質量％以上１．３０質量％以下とするのがよい。また、Ｃｒ含有量は、より望ましくは０．１０質量％以上０．４０質量％以下とするのがよい。
【００１７】
Ａｌ：０．０１０質量％以上０．０４５質量％以下
Ａｌは鋼中のＮと窒化物を形成し、鋼中に微細に分散し熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制する。しかし、含有量が０．０１０質量％未満では該効果が顕著でなくなり、０．０４５質量％を超えると、効果が飽和する。
Ａｌ含有量は、より望ましくは０．０１５質量％以上０．０３０質量％以下とするのがよい。
【００１８】
Ｎ：０．００５質量％以上０．０２５質量％以下
ＮはＡｌと窒化物を形成し、この窒化物の微細な析出により熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制して強度向上に寄与する。しかし、含有量が０．００５質量％未満では該効果が顕著でなくなり、０．０２５質量％を超えると、効果が飽和する。
Ｎ含有量は、より望ましくは０．０１０質量％以上０．０２０質量％以下とするのがよい。
【００１９】
Ｓ：０．０１質量％以上０．２０質量％以下
ＳはＭｎとともに、被削性向上に寄与する硫化物系介在物の必須形成元素である。０．０１質量％未満では硫化物系介在物の生成量が不足して被削性が不十分となる。他方、０．２０質量％を超えると鋼の靭性と延性が損なわれるほか、後述のＣａとともに高融点のＣａＳを生成し、インゴット鋳造工程において湯流れ性の阻害につながる。Ｓ含有量は、より望ましくは０．０５０質量％以上０．１２０質量％以下とするのがよい。
【００２０】
Ｃａ：０．０００５質量％以上０．０２質量％以下
Ｃａは、第一の硫化物系介在物形成のために必須の元素であり、その含有量が０．０００５質量％未満では、第一の硫化物系介在物が十分な量にて形成されなくなり、被削性の低下につながる。一方、含有量が０．０２質量％を超えると、前記した高融点のＣａＳの生成を招き、インゴット鋳造工程において湯流れ性の阻害の障害につながる。Ｃａ含有量は、より望ましくは０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下とするのがよい。
【００２１】
Ｏ：０．０００５質量％以上０．０１質量％以下
Ｏは酸化物の生成に必要な元素である。過度に脱酸した鋼においては高融点のＣａＳが多量に生成し、前述の理由により鋳造の支障になるから、０．０００５質量％以上、好ましくは０．００１５質量％を超えるＯが必要である。一方、０．０１質量％を超えるＯは、多量の硬質な酸化物をもたらし、その結果、被削性が損なわれるとともに、第一の硫化物系介在物を構成するＣａを含有した硫化物の生成が困難になる。ＣａおよびＡｌを使用して複合脱酸を行なうと、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物が生成し、これは低融点の介在物であって被削性にとっては好ましいが、切屑破砕性に関しては効果がない。それゆえ、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物の生成は最小限に抑える方がよく、具体的には鋼を溶製する際に、まずＡｌ量を前記した範囲に調節することにより脱酸の程度を適切にし、その後にＣａなどを添加する工程を採用するとよい。Ｏ含有量は、より望ましくは０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下とするのがよい。
【００２２】
Ｔｉ：０．００２質量％以上０．０１０質量％以下；及び、
Ｚｒ：０．００２質量％以上０．０２５質量％以下；の一方又は双方
Ｔｉは鋼中のＯと結合して、微細な酸化物を形成する。これが第一の硫化物系介在物（ＭｎＳ）の析出に対し核として働くので、後述のごとくＭｎ系硫化物を微細に分散させるのに役立つ。ＴｉとＺｒとは、２種併用（たとえば、Ｔｉ：０．００５質量％＋Ｚｒ：０．０１５質量％）することが、ＭｎＳの微細化効果をより高める上で有利である。第一の硫化物系介在物の芯部として必要な酸化物や、その他の酸化物の生成を妨げることなく、適量のＴｉ酸化物またはＺｒ酸化物を生成させるためには、ＴｉおよびＺｒの量を、上記した０．００２質量％以上０．０１０質量％以下、および０．００２質量％以上０．０２５質量％以下、の範囲に調整する必要がある。第一の硫化物系介在物を確実に生成させるには、上述のように、調整された脱酸を実施したのちに、Ｔｉおよび（または）Ｚｒの添加を行なうことが望ましい。しかし、過剰の添加は被削性向上効果が飽和するので、材料コストの高騰抑制も勘案して各々上限値を上記のごとく設定する。なお、Ｔｉは、より望ましくは０．００５質量％以上０．０１０質量％以下、Ｚｒは、より望ましくは０．００５質量％以上０．０２０質量％以下の範囲にて調整することが望ましい。
【００２３】
なお、本発明の熱間鍛造用非調質鋼には、以下の成分を適宜添加することが可能である。
Ｎｂ：０．３０質量％以下
Ｎｂは、高温における結晶粒の粗大化を防ぐ上で有用である。その効果は量の増大につれて飽和するので、０．３０質量％以下の範囲で添加するのが得策である。
【００２４】
Ｐｂ：０．３０質量％以下
Ｂｉ：０．３０質量％以下
Ｐｂ及びＢｉのいずれも、鋼の被削性をさらに向上させる目的で任意に添加することが可能である。Ｐｂは、単独で、または硫化物の外周に付着する形で存在し、それ自身が被削性を高める。０．３０質量％という上限は、これ以上のＰｂを添加しても鋼に溶解せず、凝集・沈殿して鋼の欠陥になることを理由に設けた。Ｂｉも同様である。
【００２５】
なお、本発明において「不可避不純物」は、上記した本発明の熱間鍛造用非調質鋼の効果発現が妨げられない限り、その含有元素の種別は限定されない。また、狭義には、鋼の製造工程上不可避に生ずる要因に由来した不純物のことをいうが、本発明においては、意図的にＦｅの一部を置換する形で添加された元素についても、本発明の熱間鍛造用非調質鋼の上記効果発現が妨げられるものでなければ、該元素も「不可避不純物」の概念に属するものとみなす。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
まず、表１に示す組成が得られるように原料を配合し、電気炉で５ｔｏｎの鋼塊を溶製した。この鋼塊を熱間鍛造にて、一辺が１５７ｍｍの正方形状断面を有する鍛造素材とし、次いで、１２５０℃に加熱して直径２２ｍｍの丸棒に熱間鍛造した後、空冷により冷却した。また、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定の方法により、各鍛造品の中心部のロックウェルＣスケール硬さを測定した。また、鍛造品からＪＩＳ：Ｚ２２１０に規定の試験片を切り出し、これをアムスラー式万能試験機により引張試験を行ない、得られた応力−歪曲線から０．２％耐力を測定した。疲労限度は回転曲げ疲労試験によって測定した。また、回転曲げ疲労試験も実施した。この試験は最大負荷荷重を種々に変えて行ない、回転１０００万回にて破壊を生じない最大負荷荷重を疲労限度として求めた。
【００２７】
次に、上記の熱間鍛造品を中心軸線と直交する断面にて切断して鏡面研磨後、走査型電子顕微鏡により倍率３０００倍にて１０視野観察し、パーライト相のラメラー間隔（ＩＬＳ：Inter Lamellar Spacing））を測定した。具体的には、各視野上にラメラーを横切る測定線を複数本描き、該測定線を横切るラメラーの間隔の最も小さくなる値を求め、該値の１０視野における平均値を最終的なＩＬＳとして求めた。また、画像上で初析フェライト粒とパーライト粒とを識別し（パーライト粒は、上記のラメラーによる縞模様を呈するので、フェライト粒と容易に識別できる）、初析フェライト粒の面積率を画像解析により測定した。
【００２８】
一方、硫化物系介在物については、上記断面の光学顕微鏡観察画像（倍率２００倍）上にて、第一の介在物（二重構造を有するもの）と第一の介在物（二重構造を有さないもの）とを識別し、観察視野面積３．５ｍｍ２当たりの第一の介在物の形成面積を求めた。また、第二の介在物の個数を計測し、単位視野面積（１ｍｍ２）当たりの数形成密度を求めた。
【００２９】
また、材料の被削性を以下のようにして評価した。
まず、超硬工具（ＪＩＳ：Ｂ４５０３、Ｐ１０）を用い、以下の条件にて各試験品の旋削加工を行なった。
・旋削速度：２００ｍ／分
・１回転当たりの工具送り量：０．２ｍｍ／回転
・切り込み深さ：２．０ｍｍ
・切削油：水溶性。
そして、Ｓ含有量が０．０１質量％以上０．２質量％以下の範囲にあるイオウ快削鋼の工具寿命を標準として、つぎのようにランク付けをした。また、工具寿命は、工具の横逃げ面平均摩耗幅が０．２ｍｍになるまでの加工時間で評価した。
その５倍の工具寿命が達成できたとき被削性良好（○印）
２倍以上５倍未満のとき被削性可（△印）
２倍未満のとき被削性不良（×印）
【００３０】
さらに、切削時の切屑破砕性を以下のようにして評価した。すなわち、切削工具として超硬合金（ＪＩＳ：Ｂ４５０３、Ｋ１０）チップを用いてＮＣ旋盤により以下の条件で切削試験を行なう：
・切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ、１００ｍ／ｍｉｎ及び１２０ｍ／ｍｉｎの３条件；
・一回転当たりの切り込み量：０．３ｍｍ及び１．０ｍｍの２条件；
・一回転当たりの送り量：０．０２５ｍｍ、０．０５０ｍｍ、０．１００ｍｍの３条件；
・切削油：水溶性。
そして、上記の切削速度３条件×切り込み量２条件×送り量３条件の計１８条件で、丸棒試験片を長手方向に旋削加工したときの切屑を、表１に示す基準に基づき点数をつけ、その合計点を切屑破砕性評価の指標とした。
【００３１】
【表１】
2007211272.tif 000002
【００３２】
点数が高いほど切り屑破砕性が良好であることを意味する。これを、同一イオウ含有量のイオウ快削鋼の切屑破砕性指数と比較した結果に従って、つぎのように評価した。
より高い場合を良好（○印）
同点または低い場合を不良（×印）
これらの結果を第２〜９表に示す。（組成欄が空欄もしくは「−」となっているものは、積極添加を行っていないことを意味する。）
【００３３】
【表２】
2007211272.tif 000003
【００３４】
【表３】
2007211272.tif 000004
【００３５】
【表４】
2007211272.tif 000005
【００３６】
【表５】
2007211272.tif 000006
【００３７】
【表６】
2007211272.tif 000007
【００３８】
【表７】
2007211272.tif 000008
【００３９】
【表８】
2007211272.tif 000009
【００４０】
【表９】
2007211272.tif 000010
【００４１】
上記の結果から、本発明の実施例に属する鋼は、熱間鍛造後に焼入、焼戻しなどの熱処理省略しても十分な強度が得られ、かつ被削性にも優れていることがわかる。