(57)【要約】【課題】高強度を確保しつつ、安定した低衝撃値を得ることができる時効硬化型ベイナイト非調質鋼を提供する。【解決手段】本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼は、質量％で、C：0.10〜0.40％、Si：0.01〜2.00％、Mn：0.10〜3.00％、P：0.001〜0.150％、S：0.001〜0.200％、Cu：0.001〜2.00％、Ni：0.40％以下、Cr：0.10〜3.00％、を含有し、さらにMo：0.02〜2.00％、V：0.02〜2.00％、Ti：0.001〜0.250％、Nb：0.01〜0.10％、の何れか1種又は2種以上を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量％が下記式(1)〜(3)を満たすことを特徴とする。 3×[C]＋10×[Mn]＋2×[Cu]＋2×[Ni]＋12×[Cr]＋9×[Mo]＋2×[V]≧20…式(1) 32×[C]＋3×[Si]＋3×[Mn]＋2×[Ni]＋3×[Cr]＋11×[Mo]＋32×[V]＋65×[Ti]＋36×[Nb]≧24…式(2) 321×[C]−31×[Mo]＋213×[V]＋545×[Ti]＋280×[Nb]≧100…式(3)【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．４０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜３．００％、
Ｐ：０．００１〜０．１５０％、
Ｓ：０．００１〜０．２００％、
Ｃｕ：０．００１〜２．００％、
Ｎｉ：０．４０％以下、
Ｃｒ：０．１０〜３．００％、
を含有し、さらに
Ｍｏ：０．０２〜２．００％、
Ｖ：０．０２〜２．００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．２５０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
の何れか１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量％が下記式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする時効硬化型ベイナイト非調質鋼。
３×［Ｃ］＋１０×［Ｍｎ］＋２×［Ｃｕ］＋２×［Ｎｉ］＋１２×［Ｃｒ］
＋９×［Ｍｏ］＋２×［Ｖ］≧２０  …式（１）
３２×［Ｃ］＋３×［Ｓｉ］＋３×［Ｍｎ］＋２×［Ｎｉ］＋３×［Ｃｒ］
＋１１×［Ｍｏ］＋３２×［Ｖ］＋６５×［Ｔｉ］＋３６×［Ｎｂ］≧２４  …式（２）
３２１×［Ｃ］−３１×［Ｍｏ］＋２１３×［Ｖ］＋５４５×［Ｔｉ］
＋２８０×［Ｎｂ］≧１００  …式（３）
【請求項２】
質量％で、
Ｂ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｐｂ：０．００１〜０．３００％、
Ｂｉ：０．００１〜０．３００％、
Ｔｅ：０．００１〜０．３００％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、
のうち１種又は２種以上をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型ベイナイト非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は時効硬化型ベイナイト非調質鋼に関し、例えば従来のものに比して低靭性となるように靭性値をコントロールした時効硬化型ベイナイト非調質鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
時効硬化型ベイナイト非調質鋼は、加工時は柔らかく、加工後に変態点以下の温度に加熱（時効硬化処理）することで熱処理歪みを生じさせずに高強度化を図るようにした鋼の一種である。このため、強度と被削性を両立させた非調質鋼として開発が進められている。例えば下記特許文献１、２には、上記のように強度と被削性を両立させた時効硬化型ベイナイト非調質鋼において、さらに高靭性化を達成するための成分や制御方法が開示されている。具体的に、下記特許文献１ではベイナイトラスの微細化を図ることにより、下記特許文献２ではセメンタイト量の生成を抑制制御することにより、それぞれ高靭性化（シャルピー衝撃値の高度化）した鋼を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４６５２７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５３２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、通常の自動車用部品や機械構造部品では、上記した鋼のように高強度・高靭性化を求められることが多い。しかし、例えば車両用のクラッキングコンロッドのように、クランクシャフトを挟み込むための円孔部をその直径方向にてクラッキング（かち割り）する破断分離加工により製造される部品の場合には、破断分離加工時の塑性変形を抑制するために、高靭性ではなく低靭性であることが求められる。
【０００５】
本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、高強度を確保しつつ、安定した低衝撃値を得ることができる時効硬化型ベイナイト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発明の効果】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜３．００％、Ｐ：０．００１〜０．１５０％、Ｓ：０．００１〜０．２００％、Ｃｕ：０．００１〜２．００％、Ｎｉ：０．４０％以下、Ｃｒ：０．１０〜３．００％、を含有し、さらにＭｏ：０．０２〜２．００％、Ｖ：０．０２〜２．００％、Ｔｉ：０．００１〜０．２５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、の何れか１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量％が下記式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする。
３×［Ｃ］＋１０×［Ｍｎ］＋２×［Ｃｕ］＋２×［Ｎｉ］＋１２×［Ｃｒ］
＋９×［Ｍｏ］＋２×［Ｖ］≧２０  …式（１）
３２×［Ｃ］＋３×［Ｓｉ］＋３×［Ｍｎ］＋２×［Ｎｉ］＋３×［Ｃｒ］
＋１１×［Ｍｏ］＋３２×［Ｖ］＋６５×［Ｔｉ］＋３６×［Ｎｂ］≧２４  …式（２）
３２１×［Ｃ］−３１×［Ｍｏ］＋２１３×［Ｖ］＋５４５×［Ｔｉ］
＋２８０×［Ｎｂ］≧１００  …式（３）
この場合、本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼は、例えば質量％で、Ｂ：０．０００１〜０．０１００％、Ｐｂ：０．００１〜０．３００％、Ｂｉ：０．００１〜０．３００％、Ｔｅ：０．００１〜０．３００％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、のうち１種又は２種以上をさらに含んだものとすることができる。
【０００７】
本発明の発明者らは、時効硬化型ベイナイト非調質鋼において所定の高強度・低衝撃値特性（低靭性）を達成するための成分間の含有関係を上記式（１）〜（３）に示すように定式化し得ることを見出した。そして、上記式（１）〜（３）を満たすことにより、高強度を確保しつつ低衝撃値特性を有すること、具体的には時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣ以上であり、かつ室温におけるシャルピー衝撃値（２ｍｍＵ）が３０Ｊ／ｃｍ２以下である時効硬化型ベイナイト非調質鋼を得ることができる。これによれば、例えば車両用のクラッキングコンロッドのように破断分離加工により製造される部品であっても、破断分離加工時の塑性変形を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼の製造方法を示す工程図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼における各元素の組成限定理由及び限定条件について説明する。
【００１０】
（１）Ｃ：０．１０〜０．４０％
Ｃは強度を確保するために必要な元素である。Ｃは時効硬化処理によりＭｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂの炭化物を析出させて鋼を高強度化する。その働きのために０．１０％以上が必要である。一方、０．４０％を超えて過剰に含有させると、被削性の悪化を招くため、０．４０％を上限とする。好ましくは０．１５〜０．３５％である。
【００１１】
（２）Ｓｉ：０．０１〜２．００％
Ｓｉは鋼の溶製時の脱酸剤として、また強度向上のために加えられる。その働きのために０．０１％以上含有させる必要がある。一方、２．００％を超えて過剰に含有させると、熱間鍛造時の金型寿命を低下させ、製造コストを上昇させてしまうため、２．００％を上限とする。好ましくは０．１０〜１．００％である。
【００１２】
（３）Ｍｎ：０．１０〜３．００％
Ｍｎは焼入れ性の確保（ベイナイト組織の確保）、強度向上、及び被削性の向上（ＭｎＳの晶出）のために有効な元素であり、０．１０％以上が必要である。ただし、３．００％を超えて過剰に含有させると、マルテンサイト生成の促進を招くため、３．００％を上限とする。好ましくは０．５０〜２．５０％である。
【００１３】
（４）Ｐ：０．００１〜０．１５０％
Ｐは不可避に鋼中に存在し、その含有が許容される。ただし、０．１５０％を超えて過剰に含有させると、低衝撃値化のコントロールが困難となるため、０．１５０％を上限とする。なお、ベイナイト組織において、Ｐの添加量が０．０５０％以下であれば衝撃特性に影響を与えないことを確認している。
【００１４】
（５）Ｓ：０．００１〜０．２００％
Ｓは被削性確保のために０．００１％以上含有させる必要がある。ただし、０．２００％を超えて過剰に含有させると、製造性悪化の要因となるため、０．２００％を上限とする。好ましくは０．０１０〜０．１２０％である。
【００１５】
（６）Ｃｕ：０．００１〜２．００％
Ｃｕは焼入れ性の確保（ベイナイト組織の確保）、及び強度向上のために含有させる。２．００％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらし、製造性悪化の要因となるため、２．００％を上限とする。好ましくは０．０５〜１．００％、更に好ましくは０．１０〜０．５０％である。
【００１６】
（７）Ｎｉ：０．４０％以下
Ｎｉは靭性を向上させる効果を有する元素であるため、過剰に含有させると低衝撃値とならない。また、コストの増加を招くため、０．４０％以下に含有量を調整する必要がある。好ましくは０．０５〜０．２０％以下である。
【００１７】
（８）Ｃｒ：０．１０〜３．００％
Ｃｒは焼入れ性の確保（ベイナイト組織の確保）、及び強度向上のために含有させる。その働きのために０．１０％以上含有させる必要がある。ただし、３．００％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらし、マルテンサイト生成の促進を招くため、３．００％を上限とする。好ましくは０．２０〜１．５０％である。
【００１８】
Ｍｏ：０．０２〜２．００％、
Ｖ：０．０２〜２．００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．２５０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、の何れか１種又は２種以上
（９）Ｍｏ：０．０２〜２．００％
Ｍｏは時効硬化処理によりＭｏ炭化物を析出させる。ＭｏはＭｏ炭化物の析出強化による高強度化（低衝撃値化）のために含有させる。その働きのために０．０２％以上含有させる必要がある。ただし、２．００％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、２．００％を上限とする。好ましくは０．１０〜２．００％、更に好ましくは０．３０〜１．００％である。
【００１９】
（１０）Ｖ：０．０２〜２．００％
Ｖは時効硬化処理によりＶ炭化物を析出させる。ＶはＶ炭化物の析出強化による高強度化（低衝撃値化）のために含有させる。その働きのために０．０２％以上含有させる必要がある。ただし、２．００％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、２．００％を上限とする。好ましくは０．１０〜２．００％、更に好ましくは０．２０〜１．００％である。
【００２０】
（１１）Ｔｉ：０．００１〜０．２５０％
Ｔｉは時効硬化処理によりＴｉ炭化物を析出させる。ＴｉはＴｉ炭化物の析出強化による高強度化（低衝撃値化）のために含有させる。その働きのために０．００１％以上含有させる必要がある。ただし、０．２５０％を超えて過剰に含有させると、被削性の悪化を招くため、０．２５０％を上限とする。好ましくは０．００５〜０．２００％、更に好ましくは０．０１〜０．１０％である。
【００２１】
（１２）Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｎｂは時効硬化処理によりＮｂ炭化物を析出させる。ＮｂはＮｂ炭化物の析出強化による高強度化（低衝撃値化）のために含有させる。その働きのために０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、０．１０％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、０．１０％を上限とする。好ましくは０．０２〜０．０７％である。
【００２２】
さらに、本発明において以下の元素を添加することも可能である。
【００２３】
（１３）Ｂ：０．０００１〜０．０１００％
Ｂは成形時にＦｅ炭化物を析出させる。ＢはＦｅ炭化物の析出により靭性を低下させる効果を有するため、低衝撃値の観点から含有させてもよい。その働きのためには０．０００１％以上含有させる。ただし、０．０１００％を超えて過剰に含有させると、コストの増大をもたらすため、０．０１００％を上限とする。好ましくは０．００１０〜０．００５０％である。
【００２４】
（１４）Ｐｂ：０．００１〜０．３００％
Ｂｉ：０．００１〜０．３００％、
Ｔｅ：０．００１〜０．３００％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、
これらの元素は、快削元素として必要に応じて含有させることができる。ただし、含有量が多すぎると強度や熱間加工性の低下をもたらすので、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅについては０．３００％を上限とし、Ｃａについては０．０１０％を上限とする。
【００２５】
（１５）残部：Ｆｅ及び不可避不純物
なお、表１ではＦｅ及び不可避不純物の記載を省略してある。
【００２６】
（１６）下記式（１）を満たすこと
３×［Ｃ］＋１０×［Ｍｎ］＋２×［Ｃｕ］＋２×［Ｎｉ］＋１２×［Ｃｒ］
＋９×［Ｍｏ］＋２×［Ｖ］≧２０  …式（１）
式（１）はベイナイト面積率の指標となる条件式を示したものである。式（１）を満たすようにＣ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの成分量（質量％）を規定することにより、時効硬化処理前における鋼組織のベイナイト面積率を８５％以上に設定することができる。本発明では、熱間鍛造後の鋼組織がほぼベイナイト単相であることが前提となっている。
【００２７】
（１７）下記式（２）を満たすこと
３２×［Ｃ］＋３×［Ｓｉ］＋３×［Ｍｎ］＋２×［Ｎｉ］＋３×［Ｃｒ］
＋１１×［Ｍｏ］＋３２×［Ｖ］＋６５×［Ｔｉ］＋３６×［Ｎｂ］≧２４  …式（２）
式（２）は時効硬化処理後の硬さの指標となる条件式を示したものである。時効硬化処理により炭化物を析出させるＭｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂの含有量が多いほど、時効硬化処理後の硬さは高くなる。式（２）を満たすようにＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂの成分量（質量％）を規定することにより、時効硬化処理後の硬さを３０ＨＲＣ以上に設定することができる。
【００２８】
（１８）下記式（３）を満たすこと
３２１×［Ｃ］−３１×［Ｍｏ］＋２１３×［Ｖ］＋５４５×［Ｔｉ］
＋２８０×［Ｎｂ］≧１００  …式（３）
式（３）はシャルピー衝撃値の指標となる条件式を示したものである。時効硬化処理により炭化物を析出させる元素であっても、Ｍｏは高靭性化に寄与し、一方でＶ，Ｔｉ，Ｎｂは低靭性化に寄与するように作用する。式（３）を満たすようにＣ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂの成分量（質量％）を規定することにより、シャルピー衝撃値（２ｍｍＵ）を３０Ｊ／ｃｍ２以下に設定することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、図１を参照して本発明の実施例について説明する。
まず、表１に示す化学組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼材１５０ｋｇを真空誘導溶解炉にて溶解し（Ｓ１工程）、１２５０℃でφ５０ｍｍの丸棒に鍛伸した（熱間鍛造：Ｓ２工程）。
【００３０】
【表１】
2016027204.tif 000002
【００３１】
次に、上記したφ５０ｍｍの丸棒を、１２５０℃加熱・１１００℃鍛造の条件下でφ３０ｍｍの丸棒に鍛造した後、室温まで空冷（例えば冷却速度１．０℃／ｓ）した（非調質鍛造：Ｓ３工程）。その後、５００〜７００℃の範囲内にある所定温度、２時間の条件下で時効硬化処理を行った（Ｓ４工程）。
【００３２】
そして、上記したＳ３工程後の鋼材を硬さ試験とミクロ組織観察に供し、Ｓ４工程後の鋼材を硬さ試験とシャルピー衝撃試験に供した。硬さ試験、ミクロ組織観察及びシャルピー衝撃試験は、それぞれ以下の要領で行った。
【００３３】
（硬さ試験）
硬さ試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４５に準拠し、ロックウェル硬度計にて荷重１５０ｋｇｆダイヤモンド円錐圧子で実施した。硬さは試験片の半径１／２の個所で測定を行った。
【００３４】
（ミクロ組織観察）
ミクロ組織観察では、ナイタール腐食後、光学顕微鏡（倍率４００倍）にて観察し、ベイナイト組織の面積率（以下、ベイナイト面積率という）を測定した。表２では、ベイナイト面積率が８５％以上であった場合を「○」、ベイナイト組織とフェライト組織の混合（フェライト組織の面積率が１５％以上）であった場合を「×Ｆ」、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の混合（マルテンサイト組織の面積率が１５％以上）であった場合を「×Ｍ」とする評価を行った。なお、表２ではこれらの評価と併せて、かっこ書きで実測されたベイナイト面積率を表示してある。
【００３５】
【表２】
2016027204.tif 000003
【００３６】
（シャルピー衝撃試験）
シャルピー衝撃試験では、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２  ２ｍｍＵノッチ試験片を作製し、当該試験を室温で実施してシャルピー衝撃値（以下、衝撃値という）を測定した。そして、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２以下の条件を満たしているかを確認した。
【００３７】
表２に、各鋼種（実施例１〜２１、比較例１〜６、参考例１，２）に対応する式（１）〜（３）の計算結果と測定結果を示す。実施例１〜２１に示されるように、各化学成分が所定の範囲にあり、しかも式（１）〜（３）を満たすことにより、高強度を確保しつつ低衝撃値特性を有する時効硬化型ベイナイト非調質鋼、すなわちベイナイト面積率が８５％以上、時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣ以上、かつ室温におけるシャルピー衝撃値（２ｍｍＵ）が３０Ｊ／ｃｍ２以下となる鋼を得ることができる。
【００３８】
他方、比較例１は式（２）、（３）を満たさないため、時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣを下回り（２６．７ＨＲＣ）、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（７７Ｊ／ｃｍ２）。また、比較例２は式（３）を満たさないため、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなり（４８Ｊ／ｃｍ２）、比較例３は式（２）を満たさないため、時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣを下回り（２９．２ＨＲＣ）、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（５５Ｊ／ｃｍ２）。
【００３９】
また、比較例４は式（１）を満たさないため、ベイナイト面積率が８５％を下回り（ベイナイト面積率７０％）、フェライト組織の生成に起因して時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣを下回り（２８．９ＨＲＣ）、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（８５Ｊ／ｃｍ２）。
【００４０】
また、比較例５はＭｎの含有量が３．００％の上限を超えているため（３．５０％）、ベイナイト面積率が８５％を下回り（ベイナイト面積率８３％）、マルテンサイト組織の生成に起因して衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（３３Ｊ／ｃｍ２）。同様に、比較例６はＣｒの含有量が３．００％の上限を超えているため（３．４０％）、ベイナイト面積率が８５％を下回り（ベイナイト面積率７８％）、マルテンサイト組織の生成に起因して衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（３７Ｊ／ｃｍ２）。
【００４１】
なお、参考例１，２に示されるように、各化学成分が所定の範囲にあり、式（１）〜（３）を満たす場合であっても、時効硬化処理で通常設定される５００〜７００℃の温度範囲内になければ（参考例１：４８０℃、参考例２：７２０℃）、時効硬化処理後の硬さが３０ＨＲＣを下回り（参考例１：２７．４ＨＲＣ、参考例２：２８．２ＨＲＣ）、いずれも衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２を上回ることとなった（参考例１：５０Ｊ／ｃｍ２、参考例２：６４Ｊ／ｃｍ２）。
【００４２】
以上の説明からも明らかなように、本発明の時効硬化型ベイナイト非調質鋼によれば、高強度を確保しつつ低衝撃値特性を得ることができる。なお、本発明は上記実施例に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えた態様で実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｓ１工程  溶解
Ｓ２工程  鍛造
Ｓ３工程  非調質鍛造
Ｓ４工程  時効硬化処理
【図１】
2016027204.tif 000004