(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ａｌ：０．０５％を超え０．１０％まで、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０〜０．１４％、Ｔｉ：０．０１〜０．０７％、Ｂ：０〜０．００３％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０１％未満、Ｓは０．０１％未満及びＮは０．００５％未満で、更に、｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝が０．０５以下、且つ、下記(1)式で表されるρの値が２０未満であることを特徴とする冷間鍛造用鋼。
ρ＝３０×Ｓｉ（％）＋１０×Ｍｎ（％）＋３００×Ｐ（％）＋５００×Ｎ（％）・・・・・(1)
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ａｌ：０．０５％を超え０．１０％まで、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０〜０．１４％、Ｔｉ＋０．５Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０〜０．００３％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０１％未満、Ｓは０．０１％未満及びＮは０．００５％未満で、更に、｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝が０．０５以下、且つ、下記(1)式で表されるρの値が２０未満であることを特徴とする冷間鍛造用鋼。
ρ＝３０×Ｓｉ（％）＋１０×Ｍｎ（％）＋３００×Ｐ（％）＋５００×Ｎ（％）・・・・・(1)
【請求項３】
重量％で、Ｃｕ含有量の許容上限が０．４０％、Ｎｉ含有量の許容上限が０．４０％である請求項１又は請求項２に記載の冷間鍛造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工度の大きい冷間鍛造に使用する鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーツフォーマー（自動車部品などを製造するための冷間鍛造機）の普及に伴い、各種形状の部品が冷間鍛造法により製造されている。冷間鍛造中の材料は、加工硬化が進むことにより強度が上昇するものの延性が低下する。加えて、冷間鍛造に供される材料には加工による発熱が生じるので、１００〜４００℃程度にまで温度が上昇して、所謂「青熱脆性」が生ずる温度域に入ってしまうこともある。こうして青熱脆性域にまで温度上昇した材料は、変形抵抗が増大するので、延性が低下してしまう。その結果、材料が脆化して割れが発生することがある。あるいは又、冷間鍛造後の製品の寸法精度や表面粗度の低下をきたす。更に、変形抵抗が増大した材料を冷間鍛造するには高い冷間鍛造荷重を必要とするため、冷間鍛造用工具には摩耗、塑性変形あるいは破壊が生じやすくなり、工具寿命の低下を招く。
【０００３】
従来から冷間鍛造法においては、冷間鍛造を行う前に球状化焼鈍を必要回数繰り返して材料の延性を改善したり、材料の変形能に悪影響を及ぼす化学成分を制限して材料の変形抵抗を下げることが行われている。
【０００４】
特開昭６１−１５７６４０号公報には、球状化焼鈍後に特定の温度域で時効処理を行うことにより、冷間鍛造中の材料の時効硬化を防ぐ技術が開示されている。又、特開昭６３−１０５９５１号公報には、加工割れを助長するおそれのある化学成分を制限し、熱間圧延後に特定の温度域で焼鈍することにより、冷間鍛造性を高める技術が開示されている。更に、特開昭６１−１１３７４４号公報には、Ｍｎ、Ｓｉ及びＣｒの含有量に特定の関係を満足させることにより、冷間鍛造時の変形抵抗を下げる技術が提案されている。更に又、特開平１−２２５７５０号公報には、Ｍｎ及びＣｒの含有量に特定の関係を満足させることにより、変形抵抗の小さい冷間鍛造用鋼を得る技術が開示されている。
【０００５】
しかし、特開昭６１−１５７６４０号公報及び特開昭６３−１０５９５１号公報に開示された技術は、製造工程の合理化を主体とするものである。又、特開昭６１−１１３７４４号公報及び特開平１−２２５７５０号公報に開示された技術は、材料の変形抵抗を下げることとは相反する材料の焼入れ性を高めることをも同時に狙ったものである。このため、上記の各公報で提案された技術を用いても、大きな加工度で冷間鍛造する必要のある場合には、いずれも充分に対応できるものではなかった。
【０００６】
一方、本発明者らは特開平４−３５８０４１号公報において、加工度の大きい冷間鍛造に使用する鋼を提案した。しかし、その後、この鋼を用いた場合でも冷間鍛造用工具の寿命にばらつきが生ずることがわかった。そして、この工具寿命のばらつきは冷間鍛造用工具の購入ロットには関係なく生じ、ある特定のチャンスで溶製した鋼を被鍛造材として使用した場合に工具寿命の低下が生じる場合のあることが判明した。これに関連して更に調査したところ、特定のチャンスで溶製した鋼からなる被鍛造材を、特に圧縮率で９０％以上となる大きな加工度で冷間鍛造した場合に青熱脆性が生じて、材料の変形抵抗が高くなり、このため工具寿命が短くなったことがわかった。このように、本発明者らが「冷間鍛造用鋼」として提案した鋼を用いても、特に圧縮率で９０％を超える大きな加工度で冷間鍛造する場合にはまだまだ充分ではなかったのである。
【０００７】
加工硬化による延性の低下あるいは青熱脆性域での変形抵抗の増大及び延性の低下は冷間鍛造用材料の宿命である。これらは、冷間鍛造後の製品品質を悪化させたり、加工力の大きい冷間鍛造機を必要としたり、更には工具寿命を著しく低下させたりする。そして、最終的には製品不良の発生と冷間鍛造コストの増大を招くことになる。
【０００８】
冷間鍛造法は、元来材料損失が少なく、冷間鍛造後の仕上げ加工が不要であり、更には加工硬化により製品の強度が向上するなど長所を有するが、上記のような素材の変形抵抗の増大及び延性の低下という問題は、本来の冷間鍛造法の長所を損なうことになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加工度の大きな冷間鍛造、なかでも圧縮率で９０％以上となる大きな加工度で冷間鍛造を行って材料温度が上昇した場合でも、加工硬化による延性の低下を防止して変形能を維持したままで、且つ青熱脆性を起こすことなく変形抵抗の小さいままで鍛造ができる鋼を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（３）に示す冷間鍛造用鋼にある。
【００１１】
（１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ａｌ：０．０５％を超え０．１０％まで、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０〜０．１４％、Ｔｉ：０．０１〜０．０７％、Ｂ：０〜０．００３％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０１％未満、Ｓは０．０１％未満及びＮは０．００５％未満で、更に、｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝が０．０５以下、且つ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ及びＮの含有量で表される下記(1)式のρの値が２０未満であることを特徴とする冷間鍛造用鋼。
【００１２】
ρ＝３０×Ｓｉ（％）＋１０×Ｍｎ（％）＋３００×Ｐ（％）＋５００×Ｎ（％）・・・・・(1)
（２）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ａｌ：０．０５％を超え０．１０％まで、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０〜０．１４％、Ｔｉ＋０．５Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０〜０．００３％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０１％未満、Ｓは０．０１％未満及びＮは０．００５％未満で、更に、｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝が０．０５以下、且つ、前記(1)式で表されるρの値が２０未満であることを特徴とする冷間鍛造用鋼。
【００１３】
（３）重量％で、Ｃｕ含有量の許容上限が０．４０％、Ｎｉ含有量の許容上限が０．４０％である上記（１）又は（２）に記載の冷間鍛造用鋼。
【００１４】
本発明の鋼は、通常、熱間圧延と冷間圧延の工程を経て、棒鋼あるいは線材として製造される。この棒鋼あるいは線材を適当な寸法に切断し、焼鈍して冷間鍛造に供する。冷間鍛造を施された鋼は、更に焼入れ、焼戻しなどの熱処理あるいは必要最小限度の加工を施されて最終の製品となる。冷間鍛造に供する状態（通常、焼鈍された状態）では、引張強度が７０ｋｇｆ／ｍｍ2（６８６ＭＰａ）以下であることが望ましい。
【００１５】
以下、上記の（１）〜（３）をそれぞれ（１）〜（３）の発明という。
【００１６】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明鋼の組成を上記の範囲に規定した理由について説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００１７】
Ｃ：
Ｃは、鋼の強度を確保するために有用な元素であり、０．１０％未満では熱処理後に所定の強度が得られないため、下限を０．１０％とした。一方、Ｃの含有量が余りに多いと加工度の高い冷間鍛造（例えば、圧縮率で７０％以上の冷間鍛造）では、材料に割れが発生するため、上限を０．６０％とした。
【００１８】
Ａｌ：
Ａｌは本発明の重要な添加元素である。すなわち、ＡｌはＮを固定して冷間鍛造中の時効硬化、なかでも圧縮率で９０％以上となる大きな加工度による冷間鍛造中の時効硬化を抑制する作用を有する。この他にＡｌには鋼の脱酸作用や熱間圧延前の鋼の加熱においてオーステナイト結晶の粗大化を防止する作用もある。しかし、その含有量が０．０５％以下では、特に、圧縮率で９０％以上となる大きな加工度での冷間鍛造中の時効硬化抑制作用が得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１０％を超えると熱間加工性の劣化をきたす。したがって、Ａｌ含有量を０．０５％を超え０．１０％までとした。
【００１９】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸作用を有する。しかしながらＳｉには、基地に固溶して硬度を上昇させ、冷間鍛造時の変形抵抗を大きくして、冷間鍛造性を低下させてしまうという弊害もある。特に、０．３５％を超えて含有させると、冷間鍛造性の大きな低下が生ずる。したがって、Ｓｉの含有量を０．３５％以下とした。なお、Ｓｉの好ましい含有量は０．３０％以下である。
【００２０】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用、脱硫作用、熱間脆性防止作用及び強度向上作用を有する。これらの効果を確実に得るには、Ｍｎは０．５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が１．２％を超えると、偏析が顕著になるとともに材料の変形抵抗が増大して冷間鍛造性の低下を招く。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜１．２％とした。
【００２１】
Ｃｒ：
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば鋼の強度と焼入れ性を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が高すぎると、鋼の変形抵抗を増大させて冷間鍛造性の劣化を招くようになる。したがって、Ｃｒの含有量を０〜０．１４％とした。
【００２２】
Ｔｉ、Ｚｒ：
Ｔｉ、Ｚｒは、Ａｌと同様にＮを固定し、冷間鍛造中の昇温による時効硬化を抑制する効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｉは単独では０．０１％以上の含有量を必要とする。又、Ｔｉの含有量とＺｒの含有量の半分の和であるＴｉ＋０．５Ｚｒの値を０．０１％以上とすることによっても上記の効果を確実に得ることができる。しかし、Ｔｉの含有量が０．０７％を超えると、鋼中のＴｉの炭化物、窒化物や炭窒化物が粗大化するとともに、それらの数が増加して冷間鍛造性の劣化を招く。したがって、本発明における（１）の発明にあってはＴｉの含有量を０．０１〜０．０７％とした。又、Ｔｉ＋０．５Ｚｒの値が０．１０％を超える場合にも鋼中のＴｉ、Ｚｒの炭化物、窒化物や炭窒化物が粗大化するとともに、それらの数が増加して冷間鍛造性の劣化を招く。このため、本発明における（２）の発明の場合にはＴｉ、Ｚｒの含有量をＴｉ＋０．５Ｚｒの値で０．０１〜０．１０％とした。なお、（２）の発明の場合にもＴｉの含有量の上限は０．０７％とする必要がある。（２）の発明においてＺｒを単独で添加する場合、その含有量の上限は０．１０％とすることが好ましい。
【００２３】
Ｂ：
Ｂは添加しなくても良い。添加すれば鋼の焼入性を向上させ、強度を上昇させる効果を有する。こうした効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００３％を超えると、熱間加工性の劣化を招く。したがって、Ｂの含有量を０〜０．０．００３％とした。
【００２４】
本発明の対象とする冷間鍛造用鋼においては、不純物元素としてのＰ、Ｓ及びＮの含有量を下記のとおりに制限する。
【００２５】
Ｐ：
Ｐは、通常原料などから鋼中に不純物として混入するものであるが、Ｐの含有量が多いと材料の変形抵抗が増加して冷間鍛造が困難になり、且つ、延性も損なわれる。特に、Ｐの含有量が０．０１％以上になると、冷間鍛造性及び延性の劣化が著しい。このため、本発明ではＰの含有量を０．０１％未満とした。
【００２６】
Ｓ：
Ｓは、Ｐと同様に原料などから鋼中に不純物として混入するものであるが、Ｓ含有量が多いと材料の延性が損なわれる。特に、Ｓの含有量が０．０１％以上になると、延性の低下が著しい。このため、本発明ではＳの含有量を０．０１％未満とした。
【００２７】
Ｎ：
Ｎは、鋼の延性及び靱性を低下させ、冷間鍛造時の昇温により鋼を時効硬化させてしまう。特に、その含有量が０．００５％以上になると、圧縮率で９０％以上の大きな加工度での冷間鍛造時の時効硬化の程度が大きくなり、冷間鍛造性の著しい劣化をもたらす。このため、本発明ではＮの含有量を０．００５％未満とした。
【００２８】
本発明における（３）の発明の場合は、不純物元素としてのＣｕ及びＮｉの含有量を下記のとおりに制限する。
【００２９】
Ｃｕ：
Ｃｕは、スクラップなどの原料から鋼中に不純物として混入するものであるが、Ｃｕの含有量が多いと熱間加工時に疵や割れが生じる。特に、０．４０％を超えて含有すると、高温での熱間加工性、例えば分塊圧延や熱間鍛造における加工性が著しく低下して熱間加工時に疵や割れが生ずることが多い。更に、材料の変形抵抗が増大するために冷間鍛造性も損なわれる。したがって、Ｃｕ含有量の許容上限を０．４０％とした。なお、Ｃｕ含有量は０．３０％以下とすることが望ましく、０．２０％以下にすることがより好ましい。一層好ましいＣｕ含有量の上限は０．１０％である。
【００３０】
Ｎｉ：
Ｎｉは、スクラップなどの原料から鋼中に不純物として混入するものであるが、Ｎｉの含有量が多いと材料の変形抵抗が増大して冷間鍛造性が損なわれる。特に、０．４０％を超えて含有すると、冷間鍛造性の低下が著しい。したがって、Ｎｉ含有量の許容上限を０．４０％とした。なお、Ｎｉ含有量は０．３０％以下とすることが望ましく、０．２０％以下にすることがより好ましい。一層好ましいＮｉ含有量の上限は０．１０％である。
【００３１】
Ｎ（％）／Ａｌ（％）：
Ｎの含有量が０．００５％未満の場合であっても、｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値が０．０５を超えると、圧縮率で９０％以上の大きな加工度での冷間鍛造時の時効硬化の程度が大きくなり、冷間鍛造性の著しい劣化を招く。このため、本発明では｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値を０．０５以下とした。｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値の下限は特に規定する必要はなく０（零）でも構わない。
【００３２】
ρの値：
各元素の含有量が上記の範囲にあるだけでは必ずしも十分な冷間鍛造性は得られない。本発明においては、前記の(1)式で表されるρの値が２０未満を満足することを重要な骨子としている。このρは加工硬化指数に相当するもので、次に示す実験に基づいて得られた。
【００３３】
すなわち、ＣからＮまでの含有量及び｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値が上記した本発明で規定する範囲にある種々の鋼を通常の方法で試験炉溶製した。なお、この試験炉溶製した鋼の前記ρの値の範囲は１６．８から２３．０に亘るものであった。
【００３４】
次いで、通常の方法によって、前記の鋼を直径２６．０ｍｍの線材に熱間圧延し、更に、この線材を冷間で１次伸線して直径が２１．４ｍｍの鋼線とした。この後、前記の鋼線に７４０℃で１６時間の焼鈍処理を施し、更に２次伸線して直径を２１．０ｍｍに減少させた。
【００３５】
上記の２次伸線した鋼線から直径２１．０ｍｍで長さが３２．０ｍｍの試験片を切り出し、通常の方法で長さ３．２ｍｍに圧縮率で９０％の据え込み試験を行った。
【００３６】
上記の据え込み試験時の圧縮変形抵抗と前記(1)式で表されるρの値との相関を調べたところ、一定の比例関係があることが判明した。図１に、圧縮変形抵抗とρの値との関係を示す。図１から、ρの値の減少に比例して試験片の圧縮変形抵抗が低下することが認められる。
【００３７】
工具寿命を長くし、且つ、一般に用いられている冷間鍛造機の能力の範囲内で冷間鍛造を行うためには、圧縮変形抵抗を９２ｋｇｆ／ｍｍ2（９０２ＭＰａ）未満に抑える必要がある。
【００３８】
図１から、ρの値を２０未満とすれば圧縮変形抵抗が９２ｋｇｆ／ｍｍ2未満となるので、工具の長寿命化が図れるとともに、一般に常用される冷間鍛造機の能力の範囲内で冷間鍛造を行えることがわかる。
【００３９】
ρの値を２０未満とするためには、その構成因子であるＳｉ、Ｍｎ、Ｐ及びＮの含有量を、前記のそれぞれの含有量の範囲内で調整して決定すればよい。
【００４０】
ところで、本発明の冷間鍛造用鋼は、特に、圧縮率で９０％以上となる大きな加工度の冷間鍛造用素材として好適であるが、加工度の小さい冷間鍛造用素材としても勿論使用できる。
【００４１】
【実施例】
表１、表２に示す化学成分とρの値を有する直径が２２．５ｍｍの熱間圧延線材を用いて、通常の方法で、先ず直径が１８．３ｍｍとなる１次伸線を行った。次いで、７４０℃で１６時間の焼鈍を行い、その後更に、直径が１７．９ｍｍとなる２次伸線を行った。
【００４２】
【表１】
0003760589.tif 000002
【００４３】
【表２】
0003760589.tif 000003
【００４４】
上記の直径１７．９ｍｍに２次伸線した鋼線を、長さ３２ｍｍに切断して冷間鍛造試験片を作製した。この試験片に圧縮率が９０％の冷間鍛造を行って、冷鍛鍛造荷重を調べた。
【００４５】
前述した９２ｋｇｆ／ｍｍ2の圧縮変形抵抗は、本実施例における冷間鍛造荷重に変換すると２３１．４ｔｆとなる。そこで、冷間鍛造荷重が２３１．４ｔｆ未満か否かによって冷間鍛造性を評価し、その結果を表１、表２に併記した。
【００４６】
試験番号１〜３、試験番号５、試験番号８、試験番号９及び試験番号１１〜１３は本発明例である。いずれも化学成分が本発明で規定する冷間鍛造用鋼の組成の範囲内で、ρの値を２０未満としたから、冷間鍛造荷重は２３１．４ｔｆ未満となった。又、ρの値の低下に応じて冷間鍛造荷重が減少する傾向となった。
【００４７】
試験番号１４〜２１は比較例である。試験番号１４、１５においては、Ａｌの含有量が本発明で規定する範囲を超えるとともに｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値も０．０５を超え、更にρの値も２０を超えていたため、冷間鍛造荷重は２３１．４ｔｆを超えた。
【００４８】
試験番号１６においては、各元素の含有量と｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値は本発明で規定する範囲内であったものの、ρの値が２０を超えていたため、冷間鍛造荷重は２３１．４ｔｆを超えた。
【００４９】
試験番号１７〜１８においては、それらのρの値は２０未満であったものの、本発明で規定するいずれかの元素の含有量と｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値が本発明の範囲外であったため、やはり冷間鍛造荷重が２３１．４ｔｆを超えた。
【００５０】
試験番号１９〜２１においては、本発明で規定するいずれかの元素の含有量と｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値が本発明の範囲外であったばかりでなく、ρの値も２０を超えていたため、冷間鍛造荷重が２３１．４ｔｆを超えた。
【００５１】
上記のように鋼の化学成分と｛Ｎ（％）／Ａｌ（％）｝の値を本発明で規定する範囲内とし、且つ(1)式で定義したρの値を２０未満とすれば、９０％という高い加工度の冷間鍛造を行っても、圧縮変形抵抗が規準値（９２ｋｇｆ／ｍｍ2）未満となることを確かめることができた。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の冷間鍛造用鋼を用いれば、材料の延性が良好で変形抵抗が小さいため、加工度の大きい冷間鍛造、なかでも圧縮率で９０％以上となる大きな加工度で冷間鍛造を行って材料温度が上昇した場合でも、鍛造荷重を低下させることができる。したがって、工具の長寿命化を図ることができる。実際に、自動車部品に本発明の冷間鍛造用鋼を用いた結果、製品工数換算の工具寿命が３５０００個から７００００個にまで向上した。工具寿命の増大は、冷間鍛造製品の品質を向上させ、冷間鍛造コストを低減させることにもつながるので、本発明の効果は極めて大きい。
【００５３】
【図面の簡単な説明】
【図１】  圧縮変形抵抗と(1)式で表されるρの値との相関を示すグラフである。
【図１】
0003760589.tif 000004