(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼の成分が、
Ｃ  ：０．０５〜０．３５％（質量％、以下同じ）、
Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｐ  ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１５％〜０．０６％、
Ｎ  ：０．００５〜０．０３％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
熱間圧延後の鋼の金属組織中に占めるフェライト面積率が９０％以上であって、且つ、フェライトの平均結晶粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼鋼。
【請求項２】
鋼の成分が、更に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉからなる群から選択される１種以上の元素を下記（１）式で求められるＡの値が３．０以上となるように含むものであると共に、前記群を構成する個々の元素の含有量が、
Ｃｒ：１．９８％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｖ  ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｔｉ：２．０％以下（０％を含まない）、
を満たすものである請求項１に記載の肌焼鋼。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋５［Ｖ］＋４［Ｎｂ］＋４［Ｔｉ］・・・（１）
（ただし、［Ｘ］は鋼中に含まれる元素Ｘの質量％を示す）
【請求項３】
鋼の成分が、更に、Ｎｉ：２．５％以下（０％を含まない）、を含むものである請求項１または２に記載の肌焼鋼。
【請求項４】
鋼の成分が、更に、Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）、を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の肌焼鋼。
【請求項５】
鋼の成分が、更に、
Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｚｒ：０．０８％以下（０％を含まない）、
Ｐｂ：０．３０％以下（０％を含まない）、
Ｓｂ：０．１０％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１〜４のいずれかに記載の肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延ままの状態で高い変形能および低い変形抵抗を有する冷間加工性に優れた肌焼鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車、建設機械、各種産業機械等に用いられる機械部品は、鋳造された鋼を熱間鍛造により粗加工し、その後切削により所望の形状に成形する工程により製造されていた。この様にして機械部品を製造する場合、前記粗加工後の切削時にかなりの削りしろが必要であり、該機械部品の粗加工後と切削後で鋼量を比べると、鋼の歩留まりは約５０％程度であった。
【０００３】
近年、地球環境問題への関心の高まりや低コスト化の要求から、前記機械部品の製造にあたっても、エネルギーの低減や機械加工の廃止・低減、歩留まり向上等が求められる様になってきた。これらの課題に対応するため、圧延後または焼きならし後の鋼をそのまま冷間加工により所望の形状に成形しようとするネットシェイプ化技術が注目を集めている。
【０００４】
しかしながら、前記圧延後または焼きならし後の鋼は成形荷重が大きく、また変形能が低いため、そのまま冷間加工が可能となるのは低加工品に限定される。高加工が必要とされる部品については、鋼中の炭化物を球状化させて硬さを低下させる球状化焼きなまし処理を１回以上施してから加工を施しているが、この様な熱処理は製造コストの増大につながり、ネットシェイプ化技術のメリットを損なうものである。
更に、切削等の加工を施さずに冷間鍛造ままで仕上加工される様な場合には、機械部品の表面肌が荒れ、部品精度の点で問題となることがある。
【０００５】
また、冷間加工性を重視して合金元素含有量をあまり低減し過ぎると、該加工の後に行われる浸炭や浸炭窒化等の表面硬化処理の効果が不十分となる場合もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記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、圧延ままの状態で冷間加工性に優れる肌焼鋼を提供することであり、特に、高加工部品の製造に際しても冷間加工前に球状化焼きなまし処理を施す必要がなく、また、冷間鍛造ままで仕上加工した場合にも表面肌荒れが生じることなく、更に、冷間加工後の表面硬化処理の効果が十分に発揮される様な肌焼鋼を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を達成し得た、本発明に係る冷間加工性に優れた肌焼鋼とは、
鋼の成分が、Ｃ：０．０５〜０．３５％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０３０％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０１５％〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、熱間圧延後の鋼の金属組織中に占めるフェライト面積率が９０％以上であって、且つ、フェライトの平均結晶粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とするものである。
【０００８】
また、鋼の成分が、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉからなる群から選択される１種以上の元素を下記（１）式で求められるＡの値が３．０以上となるように含むものであると共に、前記群を構成する個々の元素の含有量が、
Ｃｒ：１．９８％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｖ  ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｔｉ：２．０％以下（０％を含まない）、
を満たすものであることは本発明の好ましい態様の一つである。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋５［Ｖ］＋４［Ｎｂ］＋４［Ｔｉ］・・・（１）
（ただし、［Ｘ］は鋼中に含まれる元素Ｘの質量％を示す）
【０００９】
更に、
Ｎｉ：２．５％以下（０％を含まない）、
を含むものであることも好ましく、
Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）、
を含むものであることも一層好ましい。
また更に、鋼の成分が、
Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｚｒ：０．０８％以下（０％を含まない）、
Ｐｂ：０．３０％以下（０％を含まない）、
Ｓｂ：０．１０％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ことも本発明の好ましい態様の一つとして推奨される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、熱間圧延材の冷間加工性の向上を目的に研究・開発を進めてきた。その結果、従来の熱間圧延材は、熱間圧延ままの状態ではパーライト、ベイナイト、マルテンサイト等（以下、パーライト等ということがある）の硬質相が面積率で３０％以上生成しており、そのため変形抵抗が高く、変形能が低くなっていることが分かった。そして、冷間加工時の変形能の向上および変形抵抗の低減には、熱間圧延後の鋼の金属組織において、パーライト等を出来るだけ少なくして軟質のフェライト相が主体となる様にすると共に、該フェライト相の平均結晶粒径を小さくすることが有効であることを見出し、本発明を完成したものである。
【００１１】
即ち、熱間圧延後の鋼の金属組織中に占めるフェライト面積率が９０％以上であって、且つ、フェライトの平均結晶粒径が４０μｍ以下である様な肌焼鋼である。この様にすることで、熱間圧延ままであっても、球状化焼きなまし処理を行った鋼と同等の変形能、変形抵抗にすることができる。
【００１２】
ここで、金属組織中に占めるフェライト面積率が９０％未満では、残部に出現するパーライト等のために硬度が高くなり、変形抵抗が増大してしまう。また、フェライトの平均結晶粒径が４０μｍを超えると変形能が低下すると共に、金属組織が粗くなって製品の表面荒れの問題が生じる様になる。
【００１３】
フェライト面積率は９５％以上であることが好ましく、９７％以上であれば更に好ましい。フェライトの平均結晶粒径は４０μｍ以下であれば、本発明の効果を発揮し得るものであって、下限値は特に限定されないが、冷間加工後に施される浸炭或いは浸炭窒化等の表面硬化処理の効果を一層発揮させるためには、平均結晶粒径が好ましくは２０μｍ以上、更に好ましくは２５μｍ以上であることが望ましい。また、該平均結晶粒径の好ましい上限値は３５μｍである。
【００１４】
従来の肌焼鋼の金属組織においては、熱間圧延条件が通常以下の様なものであったため、パーライト等が３０％以上生成していた。
仕上温度：９５０℃以上
冷却速度：１０℃／秒以上
仕上加工率：２０〜５０％
本発明に係る肌焼鋼を製造するには、熱間圧延条件は少なくとも下記の条件を満足させる必要がある。
仕上温度：９５０℃以下
冷却速度：０．２〜５℃／秒
仕上加工率：３０％以上
尚、詳細な熱間圧延条件は鋼の組成、厚さ等にも依存するので、それらを考慮して適宜調節する必要がある。
【００１５】
また、鋼の成分が、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉからなる群から選択される１種以上の元素を前記（１）式で求められるＡの値が３．０以上となるように含むものであると共に、前記群を構成する個々の元素の含有量が、
Ｃｒ：１．９８％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｖ  ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｔｉ：２．０％以下（０％を含まない）、
を満たすものであることも本発明の好ましい態様の一つである。
【００１６】
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉはいずれも炭窒化物を生成する元素であり、硬質なパーライトを凝集・低減する効果を有しており、熱間圧延ままの肌焼鋼の変形能の向上および変形抵抗の低減の効果を向上させるものである。これら元素の効果は少量の添加によっても得られるものであるが、更に有効に発揮させるためには、前記（１）式で求められるＡの値が３．０以上とすることが望ましい。また、過剰に含有させると逆に冷間加工性を劣化させると共に、その後に施される表面硬化処理の効果を不十分にする恐れがあるので、各々の元素に上記の様な上限値が必要である。また、Ａ値としては、１０．０以下であることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の実施にあたっては、
Ｎｉ：２．５％以下（０％を含まない）、
を含有させることも好ましい。Ｎｉは冷間加工後に施される浸炭あるいは浸炭窒化等の表面硬化処理の効果を一層向上させると共に、熱間圧延材の組織を微細化して靭性を高めて冷間加工性を向上させる。しかしながら、それらの効果は２．５％程度で飽和し、それ以上に含有させても経済的に無駄であるので、上限を２．５％とした。
【００１８】
更に、
Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）、
を含有させることも好ましい。ＣｕもＮｉ同様、冷間加工の後に行われる浸炭あるいは浸炭窒化等の表面硬化処理の効果を一層向上させるものである。更に、Ｃｕは耐食性の向上効果も有しているが、その効果は１．０％程度で飽和し、逆に過剰に含有させると熱間圧延時の加工性を劣化させることがあるので、上限を１．０％とした。ただし、Ｃｕは単独で含有させると熱間加工性への影響が出易いので、Ｎｉと同時に含有させることが望まれる。両者を同時に含有させると熱間加工性への影響が発生しにくくなるからである。
【００１９】
また更に、
Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｚｒ：０．０８％以下（０％を含まない）、
Ｐｂ：０．３０％以下（０％を含まない）、
Ｓｂ：０．１０％以下（０％を含まない）、
よりなる群から選択される１種以上を含有することも好ましい。これらの元素はいずれも本発明に係る肌焼鋼の被削性を一層向上させるものである。しかしながら、いずれの元素についても過剰の含有は好ましくない理由があるため、上記のような上限値を設けている。以下、それぞれの元素の上限値について詳述する。
【００２１】
Ｃａは硬質介在物を軟質な介在物で包み込む効果を有し、その結果、被削性を高める元素であるが、この効果は０．０１％程度で飽和するので、それ以上の含有は経済的に無駄である。
【００２２】
ＺｒはＭｎＳを球状化させ異方性を改善することによって被削性を高める効果を有するが、この効果も０．０８％程度で飽和するので、それ以上の含有は経済的に無駄である。
ＰｂはＰｂＳを生成して被削性の向上に寄与するが、過剰に含有させると疲労強度を劣化させる原因となるので、０．３０％以下とする必要がある。
【００２３】
Ｓｂも被削性の向上に寄与するが、過剰に含有させても効果が飽和するばかりか、粗大な非金属介在物を生成して表面破壊の起点となることがあるので、０．１０％を上限とする。
【００２４】
本発明で対象とする肌焼鋼は、上記のような構成であれば優れた冷間加工性を得ることができるが、該肌焼鋼から製造される機械部品の用途等に応じて鋼組成は選択される必要がある。一般に肌焼鋼が使用されているシャフト、ギヤ、ドラム、スパイダー等の機械部品の場合には、下記のような元素を含有する鋼を用いることが推奨される。
Ｃ：０．０５〜０．３５％、
Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない）、
Ｐ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１５％〜０．０６％、
Ｎ：０．００５〜０．０３％
上記各成分の含有率の限定理由を以下に詳述する。
【００２５】
Ｃは上記の様な機械部品としての内部強度を確保する上で欠くことのできない元素であり、０．０５％未満では十分な強度が得られなくなる。しかしながら、過剰に含有させると靭性や被削性が低下して加工性を損なうので、０．３５％を上限とする。０．３０％以下であれば、より好ましい。
【００２６】
Ｓｉは鋼溶製時の脱酸元素として必要な元素であるが、過剰に含有させると冷間加工性を劣化させるので、１．０％以下にしなければならない。０．３５％以下がより好ましく、０．１５％以下が更に好ましい。
【００２７】
ＭｎはＳｉと同様、脱酸元素として含有させるが、過剰に含有させると冷間加工性を劣化させるので、２．０％以下にしなければならない。１．０％以下がより好ましい。
【００２８】
Ｐは結晶粒界に偏析して靭性を低下させる元素であり、その様な影響を生じさせないようにするには、含有量を０．０３％以下に抑えなければならない。より好ましくは０．０２％以下、更に好ましくは０．０１％以下に抑えることが望まれる。他の元素と異なり、含有量が０であっても構わないが、鋼の製造工程においては不可避的に混入する元素であり、含有量を０にすることが逆に困難であるので、上記上限内に抑えればよい。
【００２９】
Ａｌは脱酸のために０．０１５％以上必要であるが、多すぎるとＡｌＮが局部的に凝集し、結晶粒の異常成長を起こすことがある。ＡｌＮ結晶粒があまり大型化すると、該結晶粒が割れの起点となる等の悪影響を起こすことがあるので、含有量は０．０６％を上限とする。
【００３０】
Ｎは窒化物を形成して靭性を向上させる元素であり、この効果を有効に発揮させるため０．００５％以上含有させることが必要である。しかしながら、過剰に含有させると冷間加工性が劣化するため、０．０３％を上限とする。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨に徴して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。
【００３２】
（実験例１）
表１に示す鋼種Ａ〜Ｌの化学成分を有する鋼材を仕上温度９００〜１０５０℃、冷却速度０．１〜１０℃／秒、仕上加工率４０％で熱間圧延し、直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験片（試料Ｎｏ．１〜１７）を作製し、組織観察、硬さ測定、仕上後の表面粗さ測定、変形抵抗および変形能の測定を行った。
【００３３】
【表１】
0003819529.tif 000002
【００３４】
ここで、フェライト面積率およびフェライトの平均結晶粒径は、光学顕微鏡を用いて倍率４００倍で任意に４視野観察した平均値である。硬さは、２０ｋｇｆの荷重をかけて測定したヴィッカース硬度であり、各試料４点ずつ測定した値の平均値である。変形抵抗および表面粗さは、上記試験片を各試料３個ずつ使用し、冷間にて圧縮率６０％まで一気に鍛造した際の値で、３個の平均値である。変形能は、上記試験片を各試料１０個ずつ使用し、図１に示す様な深さ０．３ｍｍの溝加工を試料に施し、冷間にて圧縮率３５％まで一気に鍛造した後、２．５％刻みで圧縮率を増加させながら冷間鍛造を繰り返し、下記▲１▼〜▲３▼のいずれかに該当する割れが１０個の試験片のいずれにも発生しない加工率である。
▲１▼幅０．０１ｍｍ以上、長さ０．５ｍｍ以上
▲２▼幅０．０２ｍｍ以上
▲３▼長さ１．０ｍｍ以上
これらの結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
0003819529.tif 000003
【００３６】
試料Ｎｏ．１〜１１は、本発明の要件を満足するものであり、いずれも変形抵抗が低く、且つ優れた変形能を有している。これらに対して、Ｎｏ．１２は、熱間圧延時の冷却速度が速いため、金属組織が硬質のベイナイト主体となり、硬度および変形抵抗が高く、変形能は低い。Ｎｏ．１３は、熱間圧延時の冷却速度が遅いため、フェライトの結晶粒径が大きくなり、変形能が低く、表面が粗い。Ｎｏ．１４は、熱間圧延時の仕上温度が高いため、フェライトの結晶粒径が大きくなり、変形能が低く、表面が粗い。Ｎｏ．１５〜１７は鋼の化学組成と熱間圧延条件のバランスがよくなかったため、フェライト面積率が低くなり、硬さおよび変形抵抗が高く、変形能が低い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上説明してきた通り、熱間圧延後の鋼の金属組織中に占めるフェライト面積率が９０％以上であって、且つ、フェライトの平均結晶粒径が４０μｍ以下である様に構成されているので、熱間圧延ままの状態で優れた冷間加工性を有すると共に、高加工部品の製造に際しても冷間加工前に球状化焼きなまし処理を施す必要がなく、また、冷間鍛造ままで仕上加工した場合にも表面肌荒れが生じることなく、更に、冷間加工後の表面硬化処理の効果が十分に発揮される様な肌焼鋼を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例１の変形能測定に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１】
0003819529.tif 000004