(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０００１〜０．２％（質量％の意味：以下同じ），Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｓｉ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．１％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．２％以下（０％を含まない）およびＮ：０．０５０％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる低炭素鋼であり、ＡＳＴＭ平均粒径：２０μｍ以上のフェライトを５０面積％以上含む組織からなることを特徴とするＣｕ時効硬化性に優れた冷間鍛造用線材・棒鋼。
【請求項２】
更に、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない），Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない），Ｖ：０．５％以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含有するものである請求項１に記載の冷間鍛造用線材・棒鋼。
【請求項３】
更に、Ｂ：０．００５０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の冷間鍛造用線材・棒鋼。
【請求項４】
更に、Ｃａ：０．００５０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の冷間鍛造用線材・棒鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の化学成分組成を有する鋼材を用いて圧延を施した後、少なくとも２秒後までは８００℃以上の温度に保持して請求項１〜４のいずれかに記載の冷間鍛造用線材・棒鋼を製造することを特徴とするＣｕ時効硬化性に優れた冷間鍛造用線材・棒鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用自動車部品、特に自動車の足回りやステアリング等に用いられるボルトやナットの部品素材として有用な冷間鍛造用線材・棒鋼、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の足回りやステアリング等に用いられるボルトやナットの部品素材を製造するに当たっては、従来ではＳ３０Ｃ等の中炭素鋼を用い、製品の径に応じて線材や棒鋼とし、これを熱間鍛造し、その後焼入れ・焼戻しにて必要な部品強度を確保していた。しかしながら熱間鍛造では、部品の成形精度が悪くことから、時間のかかる切削加工を行う必要があり、歩留りも悪く、製品コストが上昇するという問題が指摘されていた。
【０００３】
こうしたことから近年では、上記の様な部品は熱間鍛造によらず、線材や棒鋼から冷間鍛造によって製造されるのが一般的である。そして使用する素材鋼には、Ｃｕによる析出時効硬化性（以下、「Ｃｕ時効硬化性」と呼ぶ）を利用して加工時には冷間鍛造が可能な程柔らかく、且つ一旦加工された後にはＣｕ時効硬化性によって所定の部品強度が得られる材料特性が望まれている。
【０００４】
例えば特公昭５１−４６７３２号には、こうした観点から開発された冷間加工用時効硬化性合金が開示されている。しかしながら、この技術では合金成分組成だけを規定するものであり、その組織については何ら規定されておらず、条件によっては線材や棒鋼に製造した際に、圧延ままでは圧延後の冷却過程でＣｕが析出してしまい、圧延後にＣｕを再固溶する為に８００℃以上に加熱および急冷する必要が生じ、コスト高になるという問題がある。
【０００５】
こうした問題を解決するという観点から、例えば特開平３−２０４０６号や同２−１９７５４７号には、熱間圧延後低温で巻取ることや、冷却速度を高めることによってＣｕの析出を抑制する技術が開示されている。しかしながら、こうした技術は熱延鋼板を対象とした場合には有効であるが、熱延鋼板よりも肉厚が大きく冷却速度を熱延鋼板並みに上げることができない線材や棒鋼については有効な方法とは言えない。即ち、線材や棒鋼においては、上記の技術に開示されている程度に冷却速度を上げることが困難であるので、圧延後の冷却過程でＣｕが析出して硬化してしまい、冷間鍛造時に加工できないという問題が依然として生じる。一方、上記と同様の趣旨から、特開平５−１７１２７５号においても、冷却速度を上げることによって、Ｃｕの析出を抑制する技術について開示されているが、この技術で提示されている程度の冷却速度を線材や棒鋼で達成することは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、熱間圧延後の冷却速度が十分に確保することができない線材や棒鋼において、コストアップとなる圧延後の再固溶処理を行わずとも、Ｃｕ時効硬化性を有効に利用することのできる冷間鍛造用線材・棒鋼、およびこの様な冷間鍛造用線材・棒鋼を製造する為の有用な方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼とは、Ｃ：０．０００１〜０．２％（質量％の意味：以下同じ），Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｓｉ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．１％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．２％以下（０％を含まない）およびＮ：０．０５０％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる低炭素鋼であり、ＡＳＴＭ平均粒径：２０μｍ以上のフェライトを５０面積％以上含む組織からなる点に要旨を有するものである。また本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼には必要によって更に、（ａ）Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない），Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない），Ｖ：０．５％以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上、（ｂ）Ｂ：０．００５０％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｃａ：０．００５０％以下（０％を含まない）、等を含有することも好ましい。
【０００８】
また上記の様な冷間鍛造用線材・棒鋼を製造するには、上記で規定する化学成分組成を有する鋼材を用いて圧延を施した後、少なくとも２秒後までは８００℃以上の温度に保持する様にすれば良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記課題を解決することのできる冷間鍛造用線材・棒鋼を実現するべく、各種の鋼成分およびその組織について検討を重ねた。その結果、圧延後の冷却を一時抑制して圧延後のフェライト組織の粒径を大きくしてやれば、線材や棒鋼においても、圧延後の冷却過程でのＣｕの析出をほぼ抑えられることを見出し、本発明を完成した。本発明が完成された経緯を説明しつつ本発明の作用について説明する。
【００１０】
本発明者らは、０．００４％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．２％Ｍｎ−１．０％Ｃｕ−０．７％Ｎｉ鋼を用い、圧延後２秒経過時（以下、「圧延２秒後」と呼ぶ）の鋼の温度を制御してフェライトの平均粒径を調整しつつ直径：１８ｍｍの線材を作成した。得られた線材を６００℃×３０分の条件で時効処理を行い、そのときの時効硬化量を測定した。このとき時効硬化量は、圧延後（時効処理前）の引張強度と時効処理後の引張強度の差（ＴＳ上昇量）によって評価した。
【００１１】
図１は、圧延２秒後の鋼の温度とフェライトのＡＳＴＭ平均粒径（以下、「フェライト粒径」と呼ぶ）の関係を示したグラフである。また図２は、フェライト粒径とＴＳ上昇量の関係を示したグラフである。尚ＡＳＴＭ平均粒径とは、１００倍の写真上で１ンチ（２５．４ｍｍ）平方中の結晶粒１個当たりの平均占有面積の平方根を意味する。
【００１２】
これらの結果から、圧延２秒後の鋼の温度が高いほどフェライト粒径が大きくなり、またフェライト粒径が大きくなるほどＴＳ上昇量が大きくなっていることがわかる。こうした結果が得られた原因については、次の様に考えることができた。即ち、圧延後の冷却をすぐに開始しないことによって、オーステナイトの回復・再結晶が十分に進行し、変態後の組織が比較的粒径の大きなフェライトを主体とした組織となってＣｕの析出サイトが激減し、圧延後に徐冷してもＣｕの析出が抑えられるからと考えられる。
【００１３】
ところで自動車の足回りやステアリング等の部品として用いる場合には、ＴＳ上昇量は５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上必要となるが、その為にはフェライト粒径を２０μｍ以上とする必要があることがわかる（図２）。尚上記図２の結果から明らかな様に、より十分な強度上昇（７ｋｇｆ／ｍｍ2 以上）を得るという観点からすれば、フェライト粒径を３０μｍ以上とするのが望ましい。
【００１４】
また本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼は、上記した効果を得る為には、ＡＳＴＭ平均粒径が２０μｍ以上のフェライト量（以下、これを「フェライト分率」と呼ぶことがある）が５０面積％以上である必要がある。即ち、フェライト分率が５０面積％未満になると、それだけパーライトやベイナイト等の組織が増することになって、これらの組織は大変細かく、フェライトよりも多くの析出サイトを有しているので、Ｃｕが析出し易くなって、圧延後の冷却の際にＣｕの析出時効が進行してしまうことになる。
【００１５】
本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼を製造するには、化学成分組成を適切に調整した鋼材を用いて圧延を施した後、少なくとも２秒後までは８００℃以上の温度に保持する様にすれば良い。前述した様に、少なくとも２秒後までの鋼の温度が高い方がフェライト粒径が大きくなり、圧延ままでＣｕの析出時効が良好に達成される。そして、前記図１から明らかな様に、フェライト粒径を２０μｍ以上にする為には、上記温度を８００℃以上にすれば良いことがわかる。
【００１６】
尚こうした高温保持処理を行った後は、通常の冷却速度で冷却すれば良く、線材・棒鋼工場における実操業における冷却速度は５００℃以上では１〜２０℃／秒程度、５００℃未満以上では０．５〜１５℃／秒程度である。但し、こうした冷却速度が得られにくい（即ち冷却速度が遅い）設備では、フェライト粒径をより大きくする様にその製造条件を調整するのが良い。こうした手段としては、例えば圧延終了温度を高くして圧延後のオーステナイト粒度を大きくする等がある。次に、本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼の化学成分組成について説明する。
【００１７】
Ｍｎ：０．１〜３．０％
ＭｎはＳと結合してＭｎＳを生成し、加工性を良好にするのに有効な元素であり、こうした効果を発揮させる為には、０．１％含有させなければならない。しかしながら過剰に含有させると、フェライト粒径が小さくなり易くなって、本発明の効果が得られにくくなるので、３．０％以下とする必要がある。尚、Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．０％程度である。
【００１８】
Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）
上述した様に本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼は、Ｃｕによる析出硬化作用を基本的に利用するものであるが、過剰に添加してもその効果が飽和するので、２．０％以下とする必要がある。またＣｕによる上記作用を発揮させる為には、０．２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．５％以上とするのが良い。
【００１９】
Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）
ＮｉはＣｕ添加による割れ発生を緩和するのに必要な元素であり、その為にはＣｕと同量から７割程度含有させるのが良いが、２．０％を超えて過剰に添加しても高価になる。
【００２０】
本発明で規定する必須構成元素は以上の通りであり、残部は基本的にはＦｅおよび不可避不純物からなる低炭素鋼であるが、この低炭素鋼のＣ含有量は下記の様に調整することが好ましい。また必要により下記の元素を適量添加しても良いが、これらの元素を添加するときの限定理由は下記の通りである。
【００２１】
Ｃ：０．０００１〜０．２％
Ｃは本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼の靭性を確保する為に有効な元素であり、０．０００１％未満では粒界強度が低下して靭性が低下する。しかしながら、Ｃ量が過剰になると、上記した製造条件によってもフェライト分率が小さくなり、本発明の効果が発揮されない。また冷間鍛造性も悪くなる。こうした観点から、Ｃ含有量は、０．０００１〜０．２％とするのが好ましく、より好ましい範囲は、０．０００１〜０．０５％程度である。
【００２２】
Ｓｉ：２．０％以下（０％を含まない）およびＰ：０．１％以下（０％を含まない）
ＳｉおよびＰは鋼を高強度化するのに有効な元素である。しかしながら、過剰に含有させると、圧造加重が高くなって冷間鍛造に適さなくなるので、Ｓｉで２．０％以下、Ｐで０．１％以下にするのが良い。
【００２３】
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない），Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない），Ｖ：０．５％以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）およびＺｒ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選択
される１種以上
これらの元素は、鋼の強度を確保する効果を発揮する。しかしながら、過剰に含有させるとフェライトが細かくなり過ぎて、フェライト粒径を２０μｍ以上とすることが困難になる。こうした観点から、夫々上記の範囲で含有させるのが良い。
【００２４】
Ｂ：０．００５０％以下（０％を含まない）
Ｂも鋼の強度を確保するのに有効な元素である。しかしながら、過剰に含有させてもその効果が飽和するばかりか、コスト的にも不利になるので、その含有量は０．００５０％以下とするのが良い。
【００２５】
Ｃａ：０．００５０％以下（０％を含まない）
Ｃａは鋼の割れ感受性を緩和させる効果を発揮する。しかしながら、過剰に含有させてもその効果が飽和するばかりか、コスト的にも不利になるので、その含有量は０．００５０％以下とするのが良い。
【００２６】
Ａｌ：０．２％以下（０％を含まない）
Ａｌは脱酸の為に添加される。しかしながら、過剰に含有させてもその効果が飽和するばかりか、コスト的にも不利になるので、その含有量は０．２％以下とするのが良い。
【００２７】
Ｎ：０．００５０％以下（０％を含まない）
Ｎを添加すると歪時効による強度上昇を同時に得ることから有効な元素である。しかしながら、０．００５０％を超えて過剰に含有させると、変形抵抗が高くなって冷間鍛造性が劣化する。
【００２８】
尚本発明の冷間鍛造用線材・棒鋼においては、良好な冷間鍛造性を発揮させることを趣旨とするものであるが、こうした観点からすれば、不純物としてのＳの含有量を０．０１％以下に抑制することが好ましい。即ち、Ｓの含有量が０．０１％を超えると、割れが発生し易くなって冷間鍛造に適さなくなる。
【００２９】
以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３０】
【実施例】
下記表１，２に示す化学成分の供試鋼（Ｎｏ．１〜３９）を用い、圧延終了後２秒後の温度を下記表３，４の様に調整しつつ線材や棒鋼を作成した。尚Ｎｏ．１〜３５のものは、直径：１３〜１８ｍｍの線材を作成したものであり、Ｎｏ．３６〜３９のものは、夫々Ｎｏ．１〜４と同じ化学成分の供試鋼を用いて、直径：２５ｍｍの棒鋼を作成したものである。
【００３１】
得られた供試鋼について、４０％の冷間鍛造を施した後、３００×６０分の条件で時効処理を実施し、時効硬化量（ＴＳ上昇量）を測定した。これらの結果を、フェライト分率、フェライト粒径、および冷間鍛造性と共に、下記表３，４に示す。尚冷間鍛造性の評価基準は下記の通りである。
〈冷間鍛造性〉
○：割れ限界歪８０％未満または変形抵抗７５ｋｇｆ／ｍｍ2 超
×：割れ限界歪８０％以上および変形抵抗７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以下
【００３２】
【表１】
0003954153.tif 000002
【００３３】
【表２】
0003954153.tif 000003
【００３４】
【表３】
0003954153.tif 000004
【００３５】
【表４】
0003954153.tif 000005
【００３６】
これらの結果から明らかな様に、本発明で規定する要件を満足する実施例のものは、ＴＳ上昇量が５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上確保できることがわかる。これに対し、本発明で規定する要件のいずれかを満足しない比較例のものでは、（１）ＴＳ上昇量を５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上確保できない、（２）冷間鍛造性が十分でない、の少なくともいずれかに該当する特性しか得られていない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、熱間圧延後の冷却速度が十分に確保することができない線材や棒鋼において、コストアップとなる圧延後の再固溶処理を行わずとも、Ｃｕ析出硬化性を有効に利用することのできる冷間鍛造用線材・棒鋼が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延２秒後の鋼の温度とフェライトのＡＳＴＭ平均粒径との関係を示したグラフである。
【図２】フェライト粒径とＴＳ上昇量の関係を示したグラフである。
【図１】
0003954153.tif 000006
【図２】
0003954153.tif 000007