(57)【要約】【課題】炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法及び組織制御された炭素鋼であって、フェライトバンド組織の形成を抑制することである。【解決手段】炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法であって、炭素鋼は、０．４質量％より多く２．０質量％より少ないＣと、５０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下のＮとを含有し、更に、０．１質量％以上０．５質量％以下のＶ、０．０１質量％以上０．１質量％以下のＴｉ、０．０１質量％より多く０．０５質量％以下のＡｌまたは０．０１質量％以上０．０８質量％以下のＮｂのうち少なくとも１つを含有する。また、組織制御された炭素鋼のフェライトバンド組織の比率が５％以下である。【選択図】図１
2007262529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
炭素鋼は、０．６５質量％より多く２．０質量％より少ないＣを含有し、
熱間加工は、炭素鋼を所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
炭素鋼は、
０質量％より多く１．０質量％より少ないＳｉと、
０．１質量％より多く２．０質量％より少ないＭｎと、
０．１質量％以下のＰと、
０．５質量％以下のＳと、
を含有することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項３】
炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
炭素鋼は、
０．４質量％より多く２．０質量％より少ないＣと、
５０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下のＮと、
を含有し、
更に、０．１質量％以上０．５質量％以下のＶ、０．０１質量％以上０．１質量％以下のＴｉ、０．０１質量％より多く０．０５質量％以下のＡｌまたは０．０１質量％以上０．０８質量％以下のＮｂのうち少なくとも１つを含有することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
炭素鋼は、
０質量％より多く１．０質量％より少ないＳｉと、
０．１質量％より多く２．０質量％より少ないＭｎと、
０．１質量％以下のＰと、
０．５質量％以下のＳと、
を含有することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
熱間加工は、炭素鋼を７０％以上の加工度で加工することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項６】
請求項３から５のいずれか１に記載の組織制御された炭素鋼の製造方法であって、
熱間加工は、炭素鋼を所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工することを特徴とする組織制御された炭素鋼の製造方法。
【請求項７】
炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼であって、
フェライトバンド組織の比率が、５％以下であることを特徴とする組織制御された炭素鋼。
【請求項８】
請求項７に記載の組織制御された炭素鋼であって、
平均粒径２μｍ以下のフェライトと、
平均粒径０．５μｍ以下の球状化セメンタイトと、
を有することを特徴とする組織制御された炭素鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組織制御された炭素鋼の製造方法及び組織制御された炭素鋼に係り、炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法及び組織制御された炭素鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両、特に、自動車用の部品には、機械構造用炭素鋼等の炭素鋼が使用される。炭素鋼には、引張強度や疲労強度等の機械強度特性を向上させるために、焼入れ、焼きもどし等の熱処理によりマルテンサイト組織にする調質処理が行われている。
【０００３】
ここで、炭素鋼に焼入れ、焼きもどし等による熱処理を行うと、炭素鋼により製造される部品の製造コストが高くなる場合がある。そのため、このような熱処理を行わずに、炭素鋼のフェライト粒組織を微細化等して機械強度特性等を向上させることが行われている。
【０００４】
特許文献１には、化学組成において、０．３５〜１．０重量％のＣ（炭素）を含有し、平均粒径が１０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライト、セメンタイト、およびマルテンサイトの少なくとも１種以上の組織を有する鋼を、５５０℃からＡｅ１点＋５０℃までの温度範囲で、ひずみ０．７以上の加工を行い、平均粒径３μｍ以下の微細組織を有する鋼とすることを特徴とする高Ｃ（炭素）添加超微細粒鋼の製造方法が示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９４５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような調質処理されない炭素鋼は、例えば、フェライトとパーライトとからなる組織であり、マルテンサイト組織からなる調質処理された炭素鋼と比較すると強度、降伏比（耐力／引張強度）、衝撃強度等が低い場合がある。また、このような炭素鋼には、フェライトの粗大なバンド状組織であるフェライトバンド組織が形成される場合がある。図３は、炭素鋼に形成されたフェライトバンド組織を示す図である。そして、炭素鋼に図３に示すようなフェライトバンド組織が多く形成されると、炭素鋼の疲労強度等が低下する場合がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、フェライトバンド組織の形成を抑制した組織制御された炭素鋼の製造方法及び組織制御された炭素鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る組織制御された炭素鋼の製造方法は、炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法であって、炭素鋼は、０．６５質量％より多く２．０質量％より少ないＣを含有し、熱間加工は、炭素鋼を所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る組織制御された炭素鋼の製造方法は、炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼の製造方法であって、炭素鋼は、０．４質量％より多く２．０質量％より少ないＣと、５０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下のＮとを含有し、更に、０．１質量％以上０．５質量％以下のＶ、０．０１質量％以上０．１質量％以下のＴｉ、０．０１質量％より多く０．０５質量％以下のＡｌまたは０．０１質量％以上０．０８質量％以下のＮｂのうち少なくとも１つを含有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る組織制御された炭素鋼の製造方法において、炭素鋼は、０質量％より多く１．０質量％より少ないＳｉと、０．１質量％より多く２．０質量％より少ないＭｎと、０．１質量％以下のＰと、０．５質量％以下のＳとを含有することが好ましい。
【００１１】
本発明に係る組織制御された炭素鋼の製造方法において、熱間加工は、炭素鋼を７０％以上の加工度で加工することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る組織制御された炭素鋼の製造方法において、熱間加工は、炭素鋼を所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る組織制御された炭素鋼は、炭素鋼を９００℃以上１２００℃以下で加熱した後、５００℃以上７００℃以下で熱間加工して製造される組織制御された炭素鋼であって、フェライトバンド組織の比率が、５％以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る組織制御された炭素鋼は、平均粒径２μｍ以下のフェライトと、平均粒径０．５μｍ以下の球状化セメンタイトとを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記組織制御された炭素鋼の製造方法及び組織制御された炭素鋼によれば、フェライトバンド組織の形成を抑制することができる。また、炭素鋼におけるフェライトバンド組織の形成を抑制することにより、炭素鋼の疲労強度等を更に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、組織制御された炭素鋼の製造方法における工程を示す図である。
【００１７】
炭素鋼には、０．４質量％より多く２．０質量％より少ないＣ（炭素）が含有される。Ｃ含有量が０．４質量％より多いのは、Ｃ含有量が０．４質量％以下であると十分な機械特性や硬さ等が得られないからである。また、Ｃ含有量が２．０質量％より少ないのは、Ｃ含有量が２．０質量％以上であると靭性が低下等するからである。勿論、他の条件次第では、炭素鋼のＣ含有量は、上記の範囲に限定されることはない。
【００１８】
炭素鋼には、０．６５質量％より多く２．０質量％より少ないＣが含有されることが好ましい。Ｃの含有量を多くすることによりＦｅとＣの化合物であるセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）、例えば、球状化セメンタイトを増加させることができる。そして、球状化セメンタイトがピン留め粒子となり、フェライトの粗大なバンド状組織であるフェライトバンド組織の形成を抑制することができる。
【００１９】
炭素鋼には、０質量％より多く１．０質量％より少ないＳｉ（珪素）と、０．１質量％より多く２．０質量％より少ないＭｎ（マンガン）と、０．１質量％以下のＰ（リン）と、０．５質量％以下のＳ（硫黄）と、が含有されることが好ましい。勿論、他の条件次第では、炭素鋼のＳｉ、Ｍｎ、ＰまたはＳの含有量は、上記の範囲に限定されることはない。
【００２０】
Ｓｉは、脱酸または固溶強化等のために炭素鋼に含有される。Ｓｉは、炭素鋼に多く含有されると靭性が低下するため、Ｓｉの含有量を０質量％より多く１．０質量％より少ない範囲とした。
【００２１】
Ｍｎは、脱酸、固溶強化または組織微細化等のために炭素鋼に含有される。Ｍｎは、炭素鋼に多く含有されると靭性が低下するため、Ｍｎの含有量を０．１質量％より多く２．０質量％より少ない範囲とした。
【００２２】
Ｐは、炭素鋼中に多く含有されると靭性が低下するため、Ｐの含有量を０．１質量％以下の範囲とした。
【００２３】
Ｓは、被削性の向上等のために炭素鋼に含有される。Ｓは、炭素鋼に多く含有されると靭性が低下するため、Ｓの含有量を０．５質量％以下の範囲とした。
【００２４】
炭素鋼には、５０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下のＮ（窒素）が含有されることが好ましい。Ｎは、後述する元素であるＶ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂと化学反応して窒化物を炭素鋼に析出させるために含有される。Ｎの含有量が５０ｐｐｍ以上であるのは、５０ｐｐｍより少ない場合には、フェライトバンド組織の形成を抑制することができるだけの窒化物が炭素鋼に析出されないからである。そして、Ｎの含有量が２００ｐｐｍ以下であるのは、２００ｐｐｍより多く含有すると窒化物が多く析出されるため炭素鋼の靭性等が低下するからである。
【００２５】
炭素鋼には、０．１質量％以上０．５質量％以下のＶ（バナジウム）、０．０１質量％以上０．１質量％以下のＴｉ（チタン）、０．０１質量％より多く０．０５質量％以下のＡｌ（アルミニウム）または０．０１質量％以上０．０８質量％以下のＮｂ（ニオブ）のうち少なくとも１つが含有されることが好ましい。炭素鋼は、Ｖ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂのうち、いずれか１つの元素を含有していてもよいし、複数の元素を含有することもできる。
【００２６】
Ｖ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂのうち少なくとも１つの元素を含有することにより、炭素鋼に、Ｖ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂの炭化物または窒化物等が析出物として析出される。Ｖ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂの炭化物または窒化物等がピン留め粒子となり、オーステナイト結晶粒を微細化することによりフェライトバンド組織の形成を抑制することができる。そして、Ｖ、Ｔｉ、ＡｌまたはＮｂの炭化物または窒化物等がピン留め粒子となり、フェライト粒子の浮き上がりを防止することができる。
【００２７】
Ｖの含有量が０．１質量％以上であるのは、０．１質量％より少ない場合には、フェライトバンド組織の形成を抑制することができるだけのＶ炭化物またはＶ窒化物等が炭素鋼に析出されないからである。そして、Ｖの含有量が０．５質量％以下であるのは、０．５質量％より多く含有することにより炭素鋼の靭性等が低下するからである。
【００２８】
Ｔｉの含有量が０．０１質量％以上であるのは、０．０１質量％より少ない場合には、フェライトバンド組織の形成を抑制することができるだけのＴｉ炭化物またはＴｉ窒化物等が炭素鋼に析出されないからである。そして、Ｔｉの含有量が０．１質量％以下であるのは、０．１質量％より多く含有することにより炭素鋼の靭性等が低下するからである。
【００２９】
Ａｌの含有量が０．０１質量％より多いのは、０．０１質量％以下の場合には、フェライトバンド組織の形成を抑制することができるだけのＡｌ炭化物またはＡｌ窒化物等が炭素鋼に析出されないからである。そして、Ａｌの含有量が０．０５質量％以下であるのは、０．０５質量％より多く含有することにより炭素鋼の靭性等が低下するからである。
【００３０】
Ｎｂの含有量が０．０１質量％以上であるのは、０．０１質量％より少ない場合には、フェライトバンド組織の形成を抑制することができるだけのＮｂ炭化物またはＮｂ窒化物等が炭素鋼に析出されないからである。そして、Ｎｂの含有量が０．０８質量％以下であるのは、０．０８質量％より多く含有することにより炭素鋼の靭性等が低下するからである。
【００３１】
また、炭素鋼の上記含有元素以外の残部は、Ｆｅ及びその他不純物元素を有している。そして、炭素鋼は、一般的な金属材料の製造方法である溶解、鋳造等により製造することができる。
【００３２】
炭素鋼は、所定の昇温速度で９００℃以上１２００℃以下で加熱される。９００℃以上１２００℃以下で炭素鋼を熱処理するのは、オーステナイト中にＣ等を十分に固溶させるためである。勿論、他の条件次第では、炭素鋼の加熱温度は、上記の温度範囲に限定されることはない。
【００３３】
炭素鋼は、９００℃以上１２００℃以下で３０秒以上保持される。保持時間が３０秒より少ないと、Ｃ等をＦｅ中に十分に固溶させることができないからである。炭素鋼の加熱は、一般的に、金属材料の熱処理に使用される熱処理炉等を使用することができる。そして、炭素鋼は、９００℃以上１２００℃以下で３０秒以上保持された後、冷却速度１℃/s以上５０℃/s以下で冷却されることが好ましい。そして、更に好ましい冷却速度は、４℃/sである。勿論、他の条件次第では、冷却速度は、上記範囲の冷却速度に限定されることはない。
【００３４】
炭素鋼は、９００℃以上１２００℃以下で加熱された後、所定の冷却速度で５００℃以上７００℃以下に冷却される。そして、炭素鋼は、５００℃以上７００℃以下で熱間加工されて組織制御される。上記温度範囲で熱間加工することにより、炭素鋼にフェライトと球状化セメンタイトとの組織を有するようにすることができる。炭素鋼が５００℃以上で熱間加工されるのは、５００℃より低い温度で加工すると塑性変形が生じ難くなり、炭素鋼に割れやクラック等が生じやすいからである。また、炭素鋼が７００℃以下で熱間加工されるのは、７００℃より高い温度で熱間加工するとフェライト等の結晶粒が粗大化等するためである。
【００３５】
炭素鋼は、５００℃以上７００℃以下で３０秒間以上保持された後、熱間加工されることが好ましい。炭素鋼を３０秒間以上保持するのは、炭素鋼をより均一な温度にするためである。そして、熱間加工は、炭素鋼を鍛造や圧延等することにより行うことができる。勿論、熱間加工は、これらの加工方法に限定されることはなく、押出し等により加工することもできる。
【００３６】
熱間加工は、炭素鋼を７０％以上の加工度で加工することが好ましい。また、更に好ましくは、炭素鋼を７０％以上の加工度で１回（１パス）で加工することである。上記の条件で熱間加工することにより、炭素鋼が平均粒径２μｍ以下のフェライトと、平均粒径０．５μｍ以下の球状化セメンタイトとを有するようにすることができる。図２は、炭素鋼の熱間加工における加工度の算出方法を示す図である。炭素鋼の加工度は、熱間加工前の炭素鋼１０における幅または板厚をｔ０、熱間加工後の炭素鋼１２における幅または板厚をｔとして、図２に示す計算式により算出される。
【００３７】
熱間加工は、炭素鋼を所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工してもよい。熱間加工は、例えば、加工率３０％以上を水平面と垂直面に各々付与することができる。このように、２回目の加工を１回目の加工方向と直角方向に加工することにより、炭素鋼におけるフェライトまたは球状化セメンタイト等の結晶粒における伸びの方向をより均等にすることができる。また、１回目の加工と２回目の加工の間の時間であるパス間は、１秒間以内であることが好ましい。そして、更に好ましくは、０．５秒である。
【００３８】
熱間加工は、１/s以上１００/s以下の歪速度で加工されることが好ましい。そして、更に好ましい歪速度は、１０/sである。歪速度が１/s以上であるのは、歪速度が１/sより少ないとフェライト等の結晶粒が粗大化等するためである。歪速度が１００/s以下であるのは、歪速度が１００/sより大きいと、炭素鋼に割れやクラック等が生じやすいからである。勿論、他の条件次第では、熱間加工の歪速度は、上記の歪速度に限定されることはない。また、熱間加工装置は、一般的に、金属材料の熱間加工に使用される熱間鍛造装置や熱間圧延装置等を用いることができる。
【００３９】
炭素鋼は、熱間加工終了後、冷却速度１℃/s以上５０℃/s以下で冷却されることが好ましい。そして、更に好ましい冷却速度は、４℃/sである。冷却速度が１℃/s以上であるのは、冷却速度が遅いと、フェライト等の結晶粒が粗大化等するためである。また、冷却速度が５０℃/s以下であるのは、冷却速度が速いと炭素鋼に割れやクラック等が生じやすいからである。勿論、他の条件次第では、冷却速度は、上記範囲の冷却速度に限定されることはない。そして、炭素鋼は、フェライト等の結晶粒粗大化を抑えるために、熱間加工終了後、直ちに冷却されることが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと平均粒径が０．５μｍ以下の球状化セメンタイトとを有し、結晶粒が微細化し組織制御された炭素鋼を製造することができる。
【００４１】
上記構成によれば、フェライトバンド組織の比率が５％以下である組織制御された炭素鋼を製造することができる。
【００４２】
上記構成によれば、フェライトバンド組織の形成を抑制することにより、炭素鋼の疲労強度等を、更に向上させることができる。
【実施例１】
【００４３】
各種炭素鋼を、上記構成等により製造してフェライトバンド組織の比率、疲労特性等を検討した。表１に、使用した炭素鋼の組成比を示す。
【００４４】
【表１】
2007262529.tif 000003
【００４５】
炭素鋼Ａ〜Ｆは、Ｃの含有量が０．１質量％以上０．９質量％以下の炭素鋼を使用した。そして、炭素鋼Ａ〜Ｆには、０．２４質量％以上０．２５質量％以下のＳｉと、０．７４質量％以上０．７６質量％以下のＭｎと、０．０１質量％以上０．０２質量％以下のＰと、０．０２質量％以上０．０３質量％以下のＳとが含有されている。また、炭素鋼Ａ〜Ｆの残部は、Ｆｅ及びその他不純物元素である。
【００４６】
炭素鋼Ａ〜Ｆは、９００℃または１２００℃で加熱され、３０秒間以上保持した後、冷却速度４℃/sで熱間加工する温度まで冷却された。そして、熱間加工は、５００℃、６００℃、７００℃、１１００℃で行い、加工前に各々６０秒間保持した。熱間加工の各温度で６０秒間保持した後、炭素鋼Ａ〜Ｆを加工率７０％、８０％、９０％まで各々１回（１パス）で熱間加工する１回加工を行った。また、炭素鋼Ａ〜Ｆを所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工する２回加工を行った。２回加工における合計の加工率は５０％とし、２回加工における１回目の加工と２回目の加工との間のパス間時間は０．５秒間とした。また、熱間加工における歪速度は、１０/sとした。そして、熱間加工終了後、直ちに冷却速度４℃/sで冷却した。
【００４７】
組織制御して製造された各々炭素鋼について、金属組織、フェライト平均粒径、セメンタイト平均粒径、フェライトバンド組織比率、変形抵抗比、降伏比（耐力/引張強度）、衝撃値、疲労強度等を測定した。金属組織、フェライト平均粒径、セメンタイト平均粒径、フェライトバンド組織比率については金属顕微鏡観察等により測定した。また、疲労強度等については、ＪＩＳまたはＡＳＴＭ等の金属材料に関する強度試験法等に基づいて測定した。
【００４８】
表２は、１回加工により製造された炭素鋼である発明鋼１〜４と、比較鋼１〜１０との測定結果である。
【００４９】
【表２】
2007262529.tif 000004
【００５０】
比較鋼１では、１１００℃で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトとパーライトとから形成され、フェライトの平均粒径が２０μｍであった。また、比較鋼１における疲労強度は、２６５ＭＰａであった。
【００５１】
比較鋼２〜１０は、５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が１．３μｍ以上１．９μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．３μｍ以上０．５μｍ以下であった。そして、比較鋼２〜１０におけるフェライトバンド組織比率は、１０％以上１８％以下であった。また、比較鋼２〜１０における疲労強度は、３４９ＭＰａ以上３８１ＭＰａ以下であった。このように、比較鋼２〜１０では、比較鋼１よりフェライトの平均粒径が小さくなったこと等により疲労強度が向上した。
【００５２】
発明鋼１〜４は、炭素鋼のＣ含有量が０．７質量％または０．９％と他の炭素鋼と比較して高いこと及び５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が１．０μｍ以上１．８μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．３μｍ以上０．５μｍ以下であった。そして、発明鋼１〜４におけるフェライトバンド組織比率は、２％以上５％以下であった。また、発明鋼１〜４における疲労強度は、４３６ＭＰａ以上４４２ＭＰａ以下であった。このように、発明鋼１〜４では、比較鋼２〜１０よりフェライトバンド組織比率が小さくなり５％以下であること等により疲労強度が向上した。
【００５３】
表３は、２回加工により製造された炭素鋼である発明鋼５〜８と、比較鋼１１〜１９との測定結果である。
【００５４】
【表３】
2007262529.tif 000005
【００５５】
比較鋼１１では、１１００℃で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトとパーライトとから形成され、フェライトの平均粒径が２０μｍであった。また、比較鋼１１における疲労強度は、２７８ＭＰａであった。
【００５６】
比較鋼１２〜１９は、５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が０．８μｍ以上１．８μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．２μｍ以上０．５μｍ以下であった。そして、比較鋼１２〜１９におけるフェライトバンド組織比率は、９％以上１７％以下であった。また、比較鋼１２〜１９における疲労強度は、３４６ＭＰａ以上３８１ＭＰａ以下であった。このように、比較鋼１２〜１９では、比較鋼１１よりフェライトの平均粒径が小さくなったこと等により疲労強度が向上した。
【００５７】
発明鋼５〜８は、炭素鋼のＣ含有量が０．７質量％または０．９％と他の炭素鋼と比較して高いこと及び５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が０．８μｍ以上１．５μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．３μｍ以上０．４μｍ以下であった。そして、発明鋼５〜８におけるフェライトバンド組織比率は、２％以上４％以下であった。また、発明鋼５〜８における疲労強度は、４３５ＭＰａ以上４５２ＭＰａ以下であった。このように、発明鋼５〜８では、比較鋼１２〜１９よりフェライトバンド組織比率が小さくなり４％以下であること等により疲労強度が向上した。
【００５８】
ここで、発明鋼１〜４と発明鋼５〜８とは、Ｃ含有量が０．７質量％である炭素鋼ＥとＣ含有量が０．９質量％である炭素鋼Ｆをベース材として使用しており、Ｃ含有量を比較鋼２〜１０または比較鋼１２〜１９より多くすることで球状化セメンタイトを増やし、球状化セメンタイトによるピン留め効果等によりフェライトバンド組織比率を５％以下とすることができた。
【実施例２】
【００５９】
Ｖ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｎ等を含有した各種炭素鋼を、上記構成等により製造してフェライトバンド組織の比率、疲労特性等を検討した。表４に、使用した炭素鋼の組成比を示す。
【００６０】
【表４】
2007262529.tif 000006
【００６１】
炭素鋼Ｇ〜Ｎは、Ｃの含有量が０．２質量％以上０．５５質量％以下の範囲の炭素鋼を使用した。そして、炭素鋼Ｇ〜Ｎには、０．２４質量％以上０．２７質量％以下のＳｉと、０．７３質量％以上０．７７質量％以下のＭｎと、０．０１質量％以上０．０２質量％以下のＰと、０．０１質量％以上０．０４質量％以下のＳとが含有されている。
【００６２】
炭素鋼Ｇ〜Ｎには、Ｎを３０ｐｐｍ以上１６０ｐｐｍ以下の範囲で含有させた。特に、炭素鋼ＭにおけるＮの含有量を３０ｐｐｍとし、その他の炭素鋼については、Ｎの含有量を１４３ｐｐｍ以上１６０ｐｐｍ以下とした。
【００６３】
また、炭素鋼ＧにはＡｌを０．０１質量％含有させ、炭素鋼ＨにはＡｌを０．０２５質量％含有させ、炭素鋼ＪにはＮｂを０．０３質量％含有させ、炭素鋼Ｋには、Ｔｉを０．０３質量％含有させ、炭素鋼ＬにはＶを０．１５質量％含有させ、炭素鋼Ｍと炭素鋼ＮにはＡｌを各々０．０２５質量％含有させた。また、炭素鋼Ｇ〜Ｎの残部は、Ｆｅ及びその他不純物元素である。
【００６４】
炭素鋼Ｇ〜Ｎは、９００℃または１２００℃で加熱され、３０秒間以上保持した後、冷却速度４℃/sで熱間加工する温度まで冷却された。そして、熱間加工は、５００℃、６００℃、７００℃、１１００℃で行い、熱間加工前に各々６０秒間保持した。各温度で６０秒間保持した後、炭素鋼Ｇ〜Ｎを加工率７０％、８０％、９０％まで１回（１パス）で加工する１回加工を行った。また、炭素鋼Ｇ〜Ｎを所定の方向に３０％以上の加工度で加工した後、所定の方向と直角方向に３０％以上の加工度で加工する２回加工を行った。２回加工における合計の加工率は５０％とし、２回加工における１回目の加工と２回目の加工との間のパス間時間は０．５秒間とした。また、熱間加工における歪速度は、１０/sとした。そして、熱間加工終了後、直ちに冷却速度４℃/sで冷却した。各々炭素鋼について、実施例１と同様に、金属組織、フェライトバンド組織比率及び疲労強度等を測定した。
【００６５】
表５は、１回加工により製造された炭素鋼である発明鋼９〜１６と、比較鋼２０〜２７との測定結果である。
【００６６】
【表５】
2007262529.tif 000007
【００６７】
比較鋼２０では、１１００℃で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトとパーライトとから形成され、フェライトの平均粒径が２０μｍであった。また、比較鋼２０における疲労強度は、２６５ＭＰａであった。
【００６８】
比較鋼２１〜２７は、５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が１．３μｍ以上３．７μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．３μｍ以上０．８μｍ以下であった。そして、比較鋼２１〜２７におけるフェライトバンド組織比率は、１０％以上３５％以下であった。また、比較鋼２１〜２７における疲労強度は、２８８ＭＰａ以上３７９ＭＰａ以下であった。このように、比較鋼２１〜２７では、比較鋼２０よりフェライトの平均粒径が小さくなったこと等により疲労強度が向上した。
【００６９】
発明鋼９〜１６は、炭素鋼に所定量のＮと所定量のＡｌ、Ｎｂ、ＴｉまたはＶのうち少なくとも１つが含有されていること及び５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が０．９μｍ以上１．１μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．３μｍ以上０．４μｍであった。そして、発明鋼９〜１６におけるフェライトバンド組織比率は、３％〜５％以下であった。また、発明鋼９〜１６における疲労強度は、４４２ＭＰａ以上４５６ＭＰａ以下であった。このように、発明鋼９〜１６では、比較鋼２１〜２７よりフェライトバンド組織比率が小さくなり５％以下であることにより疲労強度が向上した。
【００７０】
表６は、２回加工により製造された炭素鋼である発明鋼１７〜２４と、比較鋼２８〜３３との測定結果である。
【００７１】
【表６】
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【００７２】
比較鋼２８では、１１００℃で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトとパーライトとから形成され、フェライトの平均粒径が２０μｍであった。また、比較鋼２８における疲労強度は、２７８ＭＰａであった。
【００７３】
比較鋼２９〜３３は、５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が０．９μｍ以上２．７μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．２μｍ以上０．８μｍ以下であった。そして、比較鋼２９〜３３におけるフェライトバンド組織比率は、１０％以上３１％以下であった。また、比較鋼２９〜３３における疲労強度は、２６４ＭＰａ以上４４１ＭＰａ以下であった。このように、比較鋼２９〜３２では、比較鋼２８よりフェライトの平均粒径が小さくなったこと等により疲労強度が向上した。
【００７４】
発明鋼１７〜２４は、炭素鋼に所定量のＮと所定量のＡｌ、Ｎｂ、ＴｉまたはＶのうち少なくとも１つが含有されていること及び５００℃以上７００℃以下で熱間加工等したことにより、金属組織がフェライトと球状化セメンタイトとから形成され、フェライトの平均粒径が０．８μｍ以上１．０μｍ以下、球状化セメンタイトの平均粒径が０．２μｍ以上０．４μｍ以下であった。そして、発明鋼１７〜２４におけるフェライトバンド組織比率は、３％以上４％以下であった。また、発明鋼１７〜２４における疲労強度は、４４１ＭＰａ以上４５２ＭＰａ以下であった。このように、発明鋼１７〜２４では、比較鋼２９〜３３よりフェライトバンド組織比率が小さくなり４％以下であることにより疲労強度が向上した。
【００７５】
ここで、発明鋼９〜１６と発明鋼１７〜２４とは、Ｃ含有量が略０．５５質量％と、Ｎ含有量が１４３ｐｐｍ以上１６０ｐｐｍ以下と、所定量のＡｌ、Ｎｂ、ＴｉまたはＶのうち少なくとも１つが含有されている炭素鋼Ｈ〜Ｌをベース材として使用しており、比較鋼２１〜２７または比較鋼２９〜３３よりＡｌ、Ｎｂ、ＴｉまたはＶの炭化物や窒化物等を析出させることで、析出されたＡｌ、Ｎｂ、ＴｉまたはＶの炭化物や窒化物等によるフェライトのピン止め効果等によりフェライトバンド組織比率を５％以下とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明における実施の形態である組織制御された炭素鋼の製造方法における工程を示す図である。
【図２】本発明における実施の形態である炭素鋼の熱間加工における加工度の算出方法を示す図である。
【図３】炭素鋼に形成されたフェライトバンド組織を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０  熱間加工前の炭素鋼、１２  熱間加工後の炭素鋼。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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