(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
mass％で、
Ｃ：0.0020％以下、              Si：0.04％以下、
Mn：0.04％以下、                Ｐ：0.005 ％以下、
Al：0.04％以下（但し、0.0030％以下を除く）、Ｎ：0.005 ％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、平均フェライト粒径が20μm 以下のフェライト相からなる組織を有し、冷間加工性に優れることを特徴とする強冷間加工用鋼材。
【請求項２】
mass％で、
Ｃ：0.0020％以下、              Si：0.04％以下、
Mn：0.04％以下、                Ｐ：0.005 ％以下、
Al：0.04％以下、                Ｎ：0.005 ％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材を、熱間加工により所定の寸法形状の鋼材とするに当り、少なくとも、前記熱間加工のうちの最終の熱間加工を、 800℃〜930 ℃の温度域での総加工率が50％以上である熱間加工とし、該熱間加工後空冷することを特徴とする強冷間加工用鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間加工用鋼材に係り、とくに引抜き、鍛造、ロールフォーミング、転造、 圧造などの各種冷間加工を施されて各種強度部材とされる、冷間加工用鋼材に関する。なお、本発明でいう鋼材は、線材および棒鋼をいうものとする。また、強冷間加工とは、断面減少率80％以上の冷間加工をいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、熱間圧延された線材、棒鋼を素材として、冷間鍛造等の各種冷間加工を施し所望の寸法形状の機械部品、自動車部品等の各種部材が製造されている。素材として使用される鋼種は、従来から炭素鋼が用いられていた。炭素鋼の線材、棒鋼を冷間加工すると、セメンタイト相あるいは炭素、窒素のような固溶元素の存在により加工硬化が大きくなり、加工に伴う変形荷重が著しく高くなる。また、変形能が低下するという問題があった。このような問題を解消するため、加工工程の途中で中間焼鈍が施されるのが一般的である。
【０００３】
しかし、中間焼鈍を行うと、冷間加工による鋼材の強度上昇を活用できなくなるうえ、工程が複雑になり製造コストの高騰を招くという問題があった。このようなことから、中間焼鈍を施すことなく冷間加工できる、冷間加工性に優れた鋼材が要望されていた。
このような要望に対し、例えば、特開平４-285143 号公報には、Ｃ：0.0015％以下、Si：0.01％以下、Mn：0.02〜0.1 ％、Ｐ：0.01％以下、Ｓ：0.01％以下、Al：0.025 〜0.05％、Ｎ：0.002 ％以下、Ｏ：0.003 ％以下を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる冷間鍛造性と磁気特性の優れた極低炭素鋼棒および線材が提案されている。特開平４-285143 号公報に記載された技術では、Ｃ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ等を極限まで低減し、さらにＮを低減したうえで、Alの添加により歪時効硬化を抑制することにより、圧延ままで良好な冷間鍛造性が得られ、磁気焼鈍したのちは優れた磁気特性が達成できるとしている。
【０００４】
また、 特開平５-171275 号公報には、Ｃ：0.006 ％以下、Si：0.75％以下、Mn：1 ％以下、Ｐ：0.1 ％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.5 〜1.5 ％、Cu：0.5 〜２％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、仕上温度がＡ1 点以上となるように熱間圧延し、その後制御冷却する冷間鍛造性に優れた時効硬化型棒鋼の製造方法が提案されている。特開平５-171275 号公報に記載された技術では、冷間鍛造時の強度が50kgf/mm2 程度と低く、冷間鍛造性に優れ、さらに時効硬化により25kgf/mm2 以上の強度増加が得られるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４-285143 号公報、特開平５-171275 号公報に記載された技術では、成分のみの規定であり、80％以上という強加工を行うと変形能が不足し、依然として中間焼鈍を必要とするという問題を残していた。
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、中間焼鈍を行うことなく、断面減少率（加工率）80％以上という強冷間加工を行うことができる、冷間加工性に優れた強冷間加工用鋼材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するためには、冷間加工時の加工硬化を抑制し、かつ変形能の低下を抑制することが肝要であると考え、鋼材の加工硬化特性、変形能に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、鋼材の組成を、セメンタイト生成元素であるＣ、および冷間加工時に転位と相互作用を及ぼしやすいＣ、 Ｎをとくに低減した組成とし、さらに組織をフェライト単相組織としたうえ、フェライト粒径を20μm 以下に制御することにより、加工率（断面減少率）80％以上という強冷間加工を中間焼鈍なしで実現できる、冷間加工性に優れた鋼材が得られることを新規に見いだした。
【０００７】
本発明は、 上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、第１の本発明は、mass％で、Ｃ：0.0020％以下、Si：0.04％以下、Mn：0.04％以下、Ｐ：0.005 ％以下、Al：0.04％以下（但し、0.0030％以下を除く）、Ｎ：0.005 ％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、平均フェライト粒径が20μm 以下のフェライト相からなる組織を有し、冷間加工性に優れることを特徴とする強冷間加工用鋼材である。
【０００８】
第２の本発明は、mass％で、Ｃ：0.0020％以下、Si：0.04％以下、Mn：0.04％以下、Ｐ：0.005 ％以下、Al：0.04％以下、Ｎ：0.005 ％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材を、熱間加工により所定の寸法形状の鋼材とするに当り、少なくとも、前記熱間加工のうちの最終の熱間加工を、 800℃〜930 ℃の温度域での総加工率（断面減少率）が50％以上である熱間加工とし、該熱間加工後空冷することを特徴とする強冷間加工用鋼材の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明鋼材の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成に関するmass％は単に％と記す。
Ｃ：0.0020％以下
Ｃは、炭化物（セメンタイト）を形成し、また、固溶状態で転位との相互作用により加工硬化を促進するとともに、鋼材の変形能を低下させる。このため、Ｃはできるだけ低減することが好ましいが、0.0020％以下に低減すれば、上記したＣの冷間加工性への悪影響は許容できる程度となる。このようなことから、本発明では、Ｃは0.0020％以下に限定した。
【００１０】
Si：0.04％以下
Siは、固溶状態で転位との相互作用により加工硬化を促進するとともに、鋼材の強度を増加させ変形能を低下させる。このような冷間加工性への悪影響を抑制するために、Siは0.04％以下に限定した。なお、好ましくは、0.02％以下である。
【００１１】
Mn：0.04％以下
Mnは、固溶状態で転位との相互作用により加工硬化を促進するとともに、鋼材の強度を増加させ変形能を低下させる。このようなMnの鋼材の冷間加工性への悪影響を抑制するために、Mnは0.04％以下に限定した。なお、好ましくは0.02％以下、より好ましくは0.01％以下である。
【００１２】
Ｐ：0.005 ％以下
Ｐは、固溶状態で転位との相互作用により加工硬化を促進するとともに、鋼材の強度を増加させ変形能を低下させる。このため、Ｐは0.005 ％以下に限定した。
Al：0.04％以下（但し、0.0030％以下を除く）
Alは、脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合してフリーＮを固定してＮの悪影響を抑制する元素である。そのため0.04％以下（但し、0.0030％以下を除く）の範囲でAlを含有させてもよい。
【００１３】
Ｎ：0.005 ％以下
Ｎは、固溶状態で転位との相互作用により加工硬化を促進するとともに、鋼材の変形能を低下させる。このため、Ｎはできるだけ低減することが好ましいが、0.005 ％以下に低減すれば、上記したＮの悪影響は許容できる程度となる。このようなことから、本発明では、Ｎは0.005 ％以下に限定した。
【００１４】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
つぎに、本発明鋼材の組織限定理由について説明する。
本発明鋼材は、フェライト相単相からなる組織を有する。本発明者らの検討によれば、フェライト単相の組織を有する鋼材に引抜きや、鍛造などの冷間加工を施すと、フェライト粒それぞれがその結晶方位を回転させつつ鋼材の変形が進行してゆく。この際、隣接する結晶粒（フェライト粒）との方位差が大きいと、 粒界に歪みが集中し、ボイドの発生や表面しわの発生の起因となりやすい。このような考え方に基づき、さらに検討した結果、フェライト結晶粒を平均フェライト粒径で20μm 以下に微細化することにより、ボイドの発生や表面しわの発生もなく、フェライト単相鋼の変形能が顕著に向上することを見いだした。これは、微細化により粒界面積が増大するため、粒界界面への歪みの集中が軽減されたためと考えられる。
【００１５】
一方、平均フェライト粒径が20μm を超えると、粒界界面への歪みの集中が顕著となり、ボイドや表面しわが多発する傾向となる。なお、 平均フェライト粒径は、好ましくは、15μm 以下である。
つぎに、本発明鋼材の好ましい製造方法について説明する。
上記した組成の溶鋼を転炉、 電気炉等の通常公知の溶製方法で溶製したのち、連続鋳造法、造塊法等の公知の鋳造方法で鋼素材（鋳片）とすることが好ましい。得られた鋳片を、ついで加熱し、あるいは鋳片の温度が熱間加工するに十分な温度を有する場合には加熱することなく、熱間加工を施し、所望の寸法形状の鋼材とすることが好ましい。
【００１６】
本発明では、少なくとも、熱間加工のうちの最終の熱間加工を、 800℃〜930 ℃の温度域での総加工率（断面減少率）が50％以上である熱間加工とし、熱間加工後空冷することが好ましい。ここで、最終の熱間加工とは、冷間加工前の直前の熱間加工時のことを言う。例えば、鋳造後、あるいは、鋳造後に加熱して熱間加工した後に、再加熱してさらにもう１回の熱間加工を行った後空冷して冷間加工用の鋼材とする場合は、２回目の熱間加工のことを言う。なお、加熱−熱間加工工程は複数回繰り返してもかまわないが、最終の熱間加工においては、800 ℃〜930 ℃の温度域で、総加工率（断面減少率）を50％以上とすることが好ましい。最終の熱間加工以外の熱間加工条件は特に限定する必要はないが、本発明鋼材のフェライト温度域である、 800℃〜930 ℃の温度域で行うことが好ましい。
【００１７】
少なくとも最終の熱間加工を、本発明鋼材のフェライト温度域である、 800℃〜930 ℃の温度域で行うことにより、フェライト粒の再結晶が進行し、 フェライト粒を直接微細化できる。熱間加工温度が、 800℃未満では、フェライトの再結晶が起こりにくく、平均フェライト粒径で20μm 以下とするフェライト粒の微細化が達成できない。一方、熱間加工温度が、930 ℃を超えると、フェライトの析出が無くオーステナイト粒を加工することになり、フェライト粒の微細化の程度が小さくなる。
【００１８】
また、フェライト粒の微細化には、 800℃〜930 ℃の温度域での総加工率を50％以上とすることが好ましい。総加工率が50％未満では、平均フェライト粒径を20μm 以下とすることができない。なお、総加工率は、70％以上とすることがより好ましい。
最終の熱間加工終了後は、空冷することが冷間加工性向上の観点からは好ましい。熱間加工後の冷却速度を空冷より速くすると、フェライト相以外の変態生成物が形成される可能性があり、冷間加工性を低下させる要因となる。
【００１９】
上記した好ましい製造方法で製造された本発明鋼材は、中間焼鈍を施すことなく加工率80％以上の強冷間加工を適用することができる。なお、本発明鋼材では、加工率80％以上の強冷間加工を施した後の製品強度（引張強さ）は850MPa以上となる。
【００２０】
【実施例】
表１に示す化学組成の溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法で鋳片に鋳造したのち、熱間加工（棒鋼圧延）を施し、20mmφの丸棒とし圧延後空冷した。なお、熱間加工は、１回の加熱圧延とし、最終の熱間加工における 800℃〜930 ℃の温度域での総加工率を表２に示す。
【００２１】
得られた丸棒（棒鋼）から、試験片を採取し、組織観察、冷間加工性、変形抵抗について調査した。
組織観察は、丸棒断面について、光学顕微鏡により 200倍で各10箇所観察した。得られた組織写真から、画像解析装置を用いてフェライト結晶粒径を、円相当直径に換算し、各視野での平均フェライト粒径をもとめ、各視野で得られた値の平均値をその鋼材の平均フェライト粒径とした。
【００２２】
冷間加工性は、冷間据え込み試験により評価した。冷間据え込み試験は、試験片（15mmφ×高さ22.2mm）を高さ方向に圧下率を変えて据え込み、据え込み後の試験片の割れを目視で観察し、冷間加工性（変形能）を評価した。なお、冷間据え込み試験では端面完全拘束とした。
変形抵抗は、冷間据え込み試験により評価した。冷間据え込み試験で、試験片（大きさ：15mmφ×高さ22.5mm）を90％圧縮して変形抵抗を求め、変形抵抗値とした。
【００２３】
得られた結果を表２に示す。
【００２４】
【表１】
0004026355.tif 000002
【００２５】
【表２】
0004026355.tif 000003
【００２６】
本発明例はいずれも、フェライト粒径が20μm 以下と微細であり、冷間据え込み率80％以上の強冷間加工においても割れの発生は認められず、冷間加工性に優れた鋼材となっている。さらに、冷間加工後の強度（変形抵抗値）は850MPa以上を示し、高強度の部材（製品）となっている。なお、90％の冷間加工時の変形抵抗が850MPa以上である場合、引張強さも850MPa以上となることを確認している。
【００２７】
一方、本発明の範囲から外れる比較例（鋼材No.5）では、フェライト粒径が20μm を超えて大きくなり、冷間据え込み率75％の冷間加工において割れが発生している。また、比較例（鋼材No.6〜No.8）では、鋼材組成が本発明の範囲から外れ、フェライト粒径は微細であるが、冷間据え込み率76％以下で割れが発生して、冷間加工性が低下している。
【００２８】
本発明によれば、加工率80％以上の強冷間加工が可能な鋼材が、 安価に得られ、中間焼鈍を施すことなく冷間加工のみで成形加工が十分に可能であり、さらに加工硬化による部材の高強度化が達成できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、中間焼鈍を行うことなく、加工率80％以上という強冷間加工を行うことができる、冷間加工性に優れた強冷間加工用鋼材を提供することでき、産業上格段の効果を奏する。