JP5482003B2 - Hot forged non-tempered steel - Google Patents
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Description
本発明は、低コストで高い耐力を確保できる熱間鍛造非調質鋼に関する。 The present invention relates to a hot forged non-tempered steel that can ensure high yield strength at low cost.
クランクシャフトやコンロッド等自動車のエンジン部品のような比較的大きな部品は、必要な成形荷重が高くなることから、変形抵抗を小さくできる熱間で鍛造により製造されることが多い。強度の優れた熱間鍛造品を得るには、焼入焼もどし、すなわち調質処理を行なうことが最適であるが、多大なエネルギーを必要とすることから、従来より熱間鍛造のままで必要な強度を確保でき、焼入焼もどしを省略することができる熱間鍛造用非調質鋼が多く用いられている。 A relatively large part such as an engine part of an automobile such as a crankshaft and a connecting rod is often manufactured by forging in a hot state where deformation resistance can be reduced because a required molding load becomes high. Quenching and tempering, that is, tempering, is the best way to obtain hot forged products with excellent strength. Non-tempered steel for hot forging that can secure high strength and can omit quenching and tempering is often used.
この熱間鍛造用非調質鋼の中で最も多く用いられているのが、Vを添加し鋼中にその炭化物を析出させ、その析出強化によって強度を高め、必要な強度を確保する、V含有のフェライトパーライト型非調質鋼であり、昭和50年代より使用が開始され、数多くの改善がなされ、現在に到っている。 The most frequently used non-heat-treated steel for hot forging is to add V to precipitate carbides in the steel, increase the strength by precipitation strengthening, and ensure the required strength. V It is a ferritic pearlite-type non-heat treated steel, and has been used since the Showa 50s. Many improvements have been made up to the present.
しかし、近年原油価格が急激に変化し、ガソリン価格が大幅に高騰する場合が頻発していることや、温暖化防止に伴うCO2排出量低減の必要性から、自動車の燃費向上のため、エンジン部品についてもその軽量化のための強度改善策の新規提案に対する要求が極めて強く、一方でコストに対する要求もますます厳しくなっている。 However, in recent years, crude oil prices have changed drastically, gasoline prices have soared frequently, and because of the need to reduce CO 2 emissions in order to prevent global warming, in order to improve automobile fuel efficiency, engines There is an extremely strong demand for new proposals for strength improvement measures for reducing the weight of parts, while the demand for costs is becoming stricter.
このような中でコストを大きく上昇させることなく従来鋼より強度を大きく改善することのできる新しい熱間鍛造用非調質鋼の開発が強く望まれている。 Under such circumstances, development of a new non-tempered steel for hot forging that can greatly improve the strength of the conventional steel without greatly increasing the cost is strongly desired.
従来、熱間鍛造用非調質鋼の強度を高めるために最も重要なポイントとなる元素はVと考えられ、強度を高めるにはVを増量するのが最も簡単に強度を高めることができる方策であると考えられていた。ところが、V増量はコストの増加につながるとともに、最近特殊鋼製造に必要不可欠となる合金鉄の大幅な価格変動が非常に頻繁となり、コストが安定した材料の提供を行なっていくためには、V増量に依存した強度向上策を採用するのは、難しいのが現状である。 Conventionally, the element that is the most important point for increasing the strength of non-heat treated steel for hot forging is considered to be V, and increasing the amount of V is the easiest way to increase the strength. It was thought to be. However, increasing the amount of V leads to an increase in cost, and the price of alloyed iron, which has become indispensable for the production of special steel, has recently become very frequent. In order to provide materials with stable costs, V Currently, it is difficult to adopt strength improvement measures that depend on the increase in quantity.
そのような中で、最近コストに大きな影響を及ぼさないが、不純物として鋼中に含有しているNについて、その量を低減することにより強度を高めようとする試みが提案されている(特許文献1等)。すなわち、析出強化元素であるVはCだけでなくNとも結びつきやすい元素であるため、Nが鋼中に存在しているとVの一部がCではなくNと結びつき、本来強度向上のために添加したVの強度向上効果が低下してしまうからである。 Under such circumstances, attempts have been recently made to increase the strength by reducing the amount of N contained in steel as an impurity, although it does not significantly affect the cost (Patent Document). 1). That is, V, which is a precipitation strengthening element, is an element that is easily associated with N as well as C. Therefore, when N is present in steel, a part of V is associated with N instead of C, so that the strength is originally improved. It is because the strength improvement effect of added V will fall.
従って、特許文献1に記載の発明では、強度向上に寄与可能となるV炭化物の析出量を、V含有率を大きく変化することなく増やすために、Vと結合する可能性のあるNについて、その含有率の上限を制限するとともに、さらにVと同様にNと結合しやすい元素であるTi、Nb、Zrも添加してNを固定し、鋼中に含有する全Vのうちの強度向上に寄与するVの割合を高めようとする内容の発明が提案されている。 Therefore, in the invention described in Patent Document 1, in order to increase the amount of precipitation of V carbide that can contribute to the strength improvement without greatly changing the V content, In addition to limiting the upper limit of the content rate, Ti, Nb, and Zr, which are elements that are easily bonded to N as well as V, are added to fix N and contribute to improving the strength of all V contained in the steel. The invention of the content which is going to raise the ratio of V to do is proposed.
しかしながら、上記の従来技術では、以下の問題がある。
前記文献では、Nの上限を80ppmに制限しているものの、それだけでなくNと結合しやすい元素であるTi、Nb、Zrを添加することにより、Nを固定し、V炭化物の析出量の増加を図っている。しかしながら、Nの上限を制限しVNの生成を抑制することで、V炭化物の強度向上効果を高めることによりコスト面で有利な対策を提案しているのに、一方でコスト増につながるTi、Zr、Nbを添加することを必須としている。従って、コスト面で優れた鋼の製造が難しいという問題がある。
However, the above prior art has the following problems.
In the above document, although the upper limit of N is limited to 80 ppm, not only that, but addition of Ti, Nb, Zr, which is an element that easily binds to N, fixes N and increases the precipitation amount of V carbide. I am trying. However, while limiting the upper limit of N and suppressing the formation of VN, we have proposed an advantageous measure in terms of cost by enhancing the effect of improving the strength of V carbide, but on the other hand, Ti, Zr leading to an increase in cost , Nb must be added. Therefore, there is a problem that it is difficult to manufacture steel with excellent cost.
また、Ti、Zr、NbはNと結合しやすいと同時に、Cとも結合しやすい元素である。従って、Nの固定のために添加したはずのTi、Zr、Nbの一部がCと結合して炭化物を形成することとなるため、その結果狙いとは逆にV炭化物を生成を減少させる原因となり、狙い通りの効果が得られないという問題がある。さらに、Nbは添加するとベイナイトが生成しやすくなり、フェライトパーライト型非調質鋼の一部にベイナイトが生成した場合には耐力が低下するという問題がある。 Ti, Zr, and Nb are elements that are easily bonded to N and at the same time are also bonded to C. Therefore, a part of Ti, Zr, and Nb that should have been added for fixing N is combined with C to form carbides. As a result, contrary to the aim, the cause of reducing the formation of V carbides. Therefore, there is a problem that the desired effect cannot be obtained. Further, when Nb is added, bainite is easily generated, and when bainite is generated in a part of the ferritic pearlite-type non-heat treated steel, there is a problem that the yield strength is lowered.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、Ti、Nb、Zr等のN固定元素を用いず、かつNを意図的に極力低減することにより、従来の同程度のV含有率の非調質鋼に比べ大幅に耐力を改善可能とし、比較的低コストで高い耐力が確保できる熱間鍛造非調質鋼の提供を可能にすることを目的とするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and does not use an N-fixing element such as Ti, Nb, or Zr, and intentionally reduces N as much as possible, thereby reducing the same level as conventional. The object is to make it possible to provide hot forged non-tempered steel that can significantly improve the yield strength compared to non-tempered steel with V content, and can ensure high yield strength at a relatively low cost.
Nは大気中に約78%の割合で含有し、大気内で溶解するとその含有は製造上避けることができない元素としてよく知られた元素である。特に本発明である熱間鍛造非調質鋼等の特殊鋼においては、高炉や転炉を用いての製造よりも、スクラップを用い電気炉で製造される場合が多く、電気炉溶解の場合には、Nは高炉、転炉での製造に比較して含有率が高くなる傾向にある。そして、従来は前記したごく一部の先願を除けば、NもCと同様に析出物である窒化物や炭窒化物を形成し、非調質鋼の強度向上に寄与する元素であるとして認識されており、製造上含有が避けられない元素であると認識されているにもかかわらず、特にその含有率を低減しようとする試みはされておらず、先願に記載されているN含有率の範囲は、電気炉溶解による通常の製造工程で普通に含有するレベルである100ppmレベルを完全に含む範囲が指定されているものがほとんどであった。 N is contained in the atmosphere at a ratio of about 78%, and when dissolved in the atmosphere, its inclusion is an element well known as an element that cannot be avoided in production. In particular, special steels such as hot forged non-tempered steel that are the present invention are often manufactured in an electric furnace using scrap rather than being manufactured using a blast furnace or converter, and in the case of melting in an electric furnace. N tends to have a higher content as compared with production in a blast furnace and converter. And conventionally, except for the above-mentioned a few prior applications, N is also an element that forms nitrides and carbonitrides that are precipitates like C, and contributes to improving the strength of non-tempered steel. Despite being recognized and an element that is unavoidably contained in production, no attempt has been made to reduce the content particularly, and the N content described in the prior application Most of the range of the rate was specified as a range completely including the 100 ppm level, which is a level normally contained in a normal manufacturing process by electric furnace melting.
本発明者等は、V等の炭化物形成元素の添加を大きく増量することなく、強度、特に耐力の改善を図ることができないかについて検討するため、V等の炭化物形成元素がどのような状態で鋼中に存在した場合に最も効率よく耐力を改善できるかについて詳しく調査した。その結果、前記した先願と同様にV等の炭化物形成元素がNと結合して窒化物として存在することを可能な限り抑え、NではなくCのみと優先的に結合させ、炭化物として多量に析出させる必要があるという結論に到った。 In order to examine whether the strength, particularly the proof stress, can be improved without greatly increasing the amount of the carbide-forming element such as V, the present inventors are in what state the carbide-forming element such as V is. We investigated in detail whether the yield strength could be improved most efficiently when it was present in steel. As a result, as in the previous application, carbide forming elements such as V are combined with N to suppress the existence of nitrides as much as possible, and are preferentially combined with only C instead of N, so that a large amount of carbide is formed. It came to the conclusion that it was necessary to deposit.
しかしながら、前記した先願ではVをCと優先的に結合させるために、Nの上限を80ppmに制限することに加え、Nを窒化物として固定するために、Nとの親和力の大きい元素であるTi、Nb、Zrを1種又は2種以上添加すること必須としており、これらの元素の添加によりコストが上昇するおそれがある。そこで、さらに検討した結果、Nの上限をさらに下げて、60ppmとした場合には、窒化物となりえるN自体が通常より大きく減少しているため、Ti、Nb、Zr等のN固定元素は逆に添加しない方がよいこと、すなわち、N含有率が60ppm以下に低減されている状態でTi、Nb、Zrを添加した場合、Nが既に十分に少ないため、これらの元素の一部がNではなくCと結合して炭化物を形成し、その結果Cを消費してしまうため、かえってV炭化物析出による強度向上効果が減少してしまうこと、Nbを添加した場合、焼入性が上昇してベイナイト組織が生成し、耐力が大きく低下することを新規に見出し、本発明を完成したものである。 However, in the above-mentioned prior application, in order to preferentially bond V with C, in addition to limiting the upper limit of N to 80 ppm, in order to fix N as nitride, it is an element having a large affinity with N It is essential to add one or more of Ti, Nb, and Zr, and the addition of these elements may increase the cost. Therefore, as a result of further investigation, when the upper limit of N is further reduced to 60 ppm, N itself, which can be a nitride, has decreased more than usual, so that N-fixing elements such as Ti, Nb, and Zr are reversed. It is better not to add it, that is, when Ti, Nb, Zr is added in a state where the N content is reduced to 60 ppm or less, since N is already sufficiently small, some of these elements are not N Since it combines with C to form carbide and consumes C as a result, the effect of improving the strength due to precipitation of V carbide is reduced, and when Nb is added, the hardenability is increased and bainite is added. The present invention has been completed by newly finding that a structure is formed and the yield strength is greatly reduced.
以上の検討の結果得られた本発明の熱間鍛造用非調質鋼は、質量%で、C:0.30〜0.50%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.50〜1.50%、S:0.040〜0.100%、Cr:0.50%以下、Mo:0.05%以下、V:0.20〜0.40%、Al:0.050%以下、N:0.0060%以下、Nb:0.02%未満を含有(但し、V(%)+30N(%)≦0.375%である場合を除く。)し、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、Ceq=C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Vが0.9以上で、熱間鍛造し空冷後の硬さがHv340以上であり、組織がベイナイト面積率10%以下のフェライトパーライトであることを特徴とする。 The non-heat treated steel for hot forging of the present invention obtained as a result of the above examination is in mass%, C: 0.30 to 0.50%, Si: 0.05 to 1.00%, Mn: 0 50 to 1.50%, S: 0.040 to 0.100%, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.05% or less, V: 0.20 to 0.40%, Al: 0. 050% or less, N: 0.0060% or less, Nb: less than 0.02% (except when V (%) + 30N (%) ≦ 0.375%), with the balance being Fe and It is an inevitable impurity, Ceq = C + Si / 7 + Mn / 5 + Cr / 9 + V is 0.9 or more, hardness after hot forging and air cooling is Hv340 or more, and the structure is ferrite pearlite having a bainite area ratio of 10% or less. It is characterized by that.
本発明である熱間鍛造非調質鋼は、製造上含有が避けられない元素であるNについて、その上限を厳しく管理し、0.0060%以下としたことを特徴とするものである。これにより、添加したVを窒化物としてではなく、その大半を炭化物として優先的に存在させ、添加したVの全量に対する炭化物としての存在比率を高めることにより、V添加量を増量することなく、耐力を大きく改善したものである。また、Nの上限を0.0060%まで低減したことにより、先願でN固定のために添加されていたTi、Nb、Zrの添加が不要となり、比較的低コストの材料で高い耐力を有する熱間鍛造用非調質鋼を提供することが可能となる。 The hot forged non-tempered steel according to the present invention is characterized in that the upper limit of N, which is an element that cannot be avoided in production, is strictly controlled and is 0.0060% or less. Thereby, the added V is preferentially present as a carbide rather than as a nitride, and by increasing the abundance ratio as a carbide to the total amount of added V, the yield strength is increased without increasing the V addition amount. Is greatly improved. In addition, by reducing the upper limit of N to 0.0060%, the addition of Ti, Nb and Zr, which was added for N fixation in the previous application, becomes unnecessary, and it has a high yield strength with a relatively low cost material. It becomes possible to provide non-heat treated steel for hot forging.
本発明である熱間鍛造非調質鋼は、前述したように、質量%で、C:0.30〜0.50%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.50〜1.50%、S:0.040〜0.100%、Cr:0.50%以下、Mo:0.05%以下、V:0.20〜0.40%、Al:0.050%以下、N:0.0060%以下、Nb:0.02%未満を含有(但し、V(%)+30N(%)≦0.375%である場合を除く。)し、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、Ceq=C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Vが0.9以上で、熱間鍛造し空冷後の硬さがHv340以上であり、組織がベイナイト面積率10%以下のフェライトパーライトであることを特徴とする。
以下、成分等本発明の各要件について、その上下限を限定した理由について説明する。
As described above, the hot forged non-tempered steel according to the present invention is, in mass%, C: 0.30 to 0.50%, Si: 0.05 to 1.00%, Mn: 0.50. 1.50%, S: 0.040-0.100%, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.05% or less, V: 0.20-0.40%, Al: 0.050% or less , N: 0.0060% or less, Nb: less than 0.02% (except when V (%) + 30N (%) ≦ 0.375%) , the balance being Fe and inevitable impurities Ceq = C + Si / 7 + Mn / 5 + Cr / 9 + V is 0.9 or more, the hardness after hot forging and air cooling is Hv340 or more, and the structure is a ferrite pearlite having a bainite area ratio of 10% or less. And
Hereinafter, the reason why the upper and lower limits of each requirement of the present invention such as components are limited will be described.
C:0.30〜0.50%
Cは、熱間鍛造後の冷却時にVと結合して炭化物となってフェライト中に析出し、析出強化によって強度(特に耐力)を改善する元素であり、本発明の高い耐力を達成するために必要不可欠となる元素である。この効果を得るためには、0.30%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cを増量していくと被削性が低下し、鍛造後に行なう所定形状への機械加工が困難となるため、上限を0.50%とした。
C: 0.30 to 0.50%
C is an element that combines with V during cooling after hot forging to form carbides and precipitates in ferrite, and improves strength (particularly yield strength) by precipitation strengthening. To achieve the high yield strength of the present invention It is an indispensable element. In order to acquire this effect, it is necessary to contain 0.30% or more. However, as the amount of C increases, the machinability decreases, and machining to a predetermined shape after forging becomes difficult, so the upper limit was made 0.50%.
Si:0.05〜1.00%
Siは、溶解後の精錬時に脱酸のために必要となる元素であり、最低でも0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Si量が増加すると熱間鍛造時の加熱及びその後の冷却過程において、表面が脱炭されやすくなり、疲労強度低下の原因となる。従って、上限を1.00%とした。望ましくは0.30%以下とするのが良い。
Si: 0.05-1.00%
Si is an element necessary for deoxidation at the time of refining after melting, and it is necessary to contain at least 0.05% or more. However, when the amount of Si increases, the surface is easily decarburized in the heating and subsequent cooling process during hot forging, which causes a decrease in fatigue strength. Therefore, the upper limit was made 1.00%. Desirably, it is good to set it as 0.30% or less.
Mn:0.50〜1.50%
Mnは、製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度、靭性バランスを調整するために添加される元素であり、0.50%以上の含有が必要である。しかし、Mnはその添加量を増量していくとベイナイト組織が生じやすくなり、ベイナイト組織が増加すると本発明で最も重視している特性である耐力が低下する原因となる。従って、その上限を1.50%とした。
Mn: 0.50 to 1.50%
Mn is an element added to adjust deoxidation during steelmaking and balance of strength and toughness of the steel, and it is necessary to contain 0.50% or more. However, when the amount of Mn is increased, a bainite structure is likely to be formed, and when the bainite structure is increased, the yield strength, which is the most important characteristic of the present invention, is reduced. Therefore, the upper limit was made 1.50%.
S:0.04〜0.10%
熱間鍛造のみでは、最終部品形状までの加工は不可能であることから、鍛造し冷却後に必ず機械加工が必要となる。Sは、被削性向上に効果のある元素として知られており、本発明で得られた鍛造品を最終形状に機械加工する際に必要な被削性を確保するためには不可欠な元素となるため、0.04%以上の含有が必要である。しかし、多量に含有すると被削性は改善されるが、鍛造時に割れが生じやすくなるため、上限を0.10%とした。
S: 0.04 to 0.10%
Since it is impossible to process to the final part shape only by hot forging, machining is always required after forging and cooling. S is known as an element effective in improving machinability, and is an element indispensable for securing the machinability necessary when machining the forged product obtained in the present invention into a final shape. Therefore, the content of 0.04% or more is necessary. However, if contained in a large amount, the machinability is improved, but cracking is likely to occur during forging, so the upper limit was made 0.10%.
Cr:0.50%以下
Crは、Mnと同様に鋼の強度、靭性バランスを調整するために有効な元素である。しかしながら、添加量を増加していくと、Mnの場合と同様にベイナイト組織が生じやすくなり、耐力低下の原因となるため、上限を0.50%とした。
Cr: 0.50% or less Cr is an effective element for adjusting the balance of strength and toughness of steel in the same manner as Mn. However, when the addition amount is increased, a bainite structure is likely to be formed as in the case of Mn, which causes a decrease in yield strength. Therefore, the upper limit was made 0.50%.
Mo:0.05%以下
Moは、Mn、Crと比較して非常に少量の含有でベイナイト組織を生じさせるため、高い耐力を得るためには望ましくない元素である。Moは、本発明では不純物としての含有であるが、少量でもその含有の影響が大きいことから、上限を0.05%と明確に示すこととした。
Mo: 0.05% or less Mo is an undesirable element for obtaining a high yield strength because it produces a bainite structure with a very small content as compared with Mn and Cr. Although Mo is contained as an impurity in the present invention, since the influence of the inclusion is large even in a small amount, the upper limit is clearly shown as 0.05%.
V:0.20〜0.40%
Vは、熱間鍛造後の冷却時に炭化物となってフェライト中に析出し、析出強化により強度(特に耐力)を改善する元素であり、本発明にとって最も重要となる元素である。しかしながら、Vはコストに大きく影響する元素であり、かつ添加量を増加していくと、強度改善効果が小さくなり、コスト増に見合う機械的性質改善効果が得られなくなるため、上限を0.40%とした。
V: 0.20-0.40%
V is an element that becomes carbide during cooling after hot forging and precipitates in ferrite and improves strength (particularly yield strength) by precipitation strengthening, and is the most important element for the present invention. However, V is an element that greatly affects the cost, and as the added amount is increased, the effect of improving the strength decreases, and the effect of improving the mechanical properties commensurate with the increase in cost cannot be obtained. %.
Al:0.050%以下
Alは、脱酸処理を行なう際に効果のある元素であり、Alにより脱酸を行なう場合には、必要となる元素である。しかしながら、その添加量を増加すると硬質なアルミナ系の介在物が増加し、被削性が低下する傾向となる。従って、多量の含有は望ましくないので、上限を0.050%とした。
Al: 0.050% or less Al is an element that is effective when performing deoxidation treatment, and is an element that is necessary when deoxidation is performed using Al. However, when the addition amount is increased, hard alumina inclusions increase, and the machinability tends to decrease. Therefore, since a large amount is not desirable, the upper limit was made 0.050%.
N:0.0060%以下
Nは、大気中に最も多く含まれる元素であり、大気溶解をする場合には製造上不純物として含有が避けられない元素である。そして、特にその量に配慮せずに製造した場合、電気炉溶解では、鋼中に0.008〜0.012%程度含有するのが普通である。この程度の量のNが含有した場合、Vの一部がNと結合して窒化物となることでVを消費してしまうため、V炭化物生成による強度向上効果が低下してしまう。
N: 0.0060% or less N is an element that is contained most in the atmosphere, and is an element that cannot be avoided as an impurity in production when dissolved in the atmosphere. And when it manufactures without especially considering the quantity, it is normal to contain about 0.008 to 0.012% in steel in electric furnace melting. When this amount of N is contained, V is consumed because a part of V is combined with N to form a nitride, so that the strength improvement effect due to the formation of V carbide is reduced.
従って、本発明ではV炭化物の析出による強度改善効果を最大限活かし、Vの添加量を大きく増やすことなく高強度達成を可能とするため、Nの上限を0.0060%以下と通常含有する不純物レベルから、さらに低減したものである。0.0060%以下のN含有率からなる鋼を安定して製造するには、溶解直後の精錬時に、その含有率をチェックしつつ製造することが不可欠となる。なお、0.0060%以下のN含有率は、真空脱ガス装置(RH)等で処理することにより達成が可能である。 Therefore, in the present invention, in order to make maximum use of the strength improvement effect due to precipitation of V carbide and to achieve high strength without greatly increasing the amount of V added, the upper limit of N is usually 0.0060% or less. It is a further reduction from the level. In order to stably manufacture a steel having an N content of 0.0060% or less, it is essential to manufacture the steel while checking the content at the time of refining immediately after melting. Note that an N content of 0.0060% or less can be achieved by processing with a vacuum degassing apparatus (RH) or the like.
また、本発明ではNの上限を0.0060%に抑制しているので、先願のようにTi等のNと親和力のある元素を添加してNを固定しなくても、V炭化物の強度向上効果を十分に得ることができる。かつTi等のN固定元素はCと結合しやすい元素でもあるため、N固定元素の添加によるCの消費もなく、その結果、V添加量を増量しなくても、V炭化物析出量が増加し、同じV含有率で達成できる強度を高めることができる。 Moreover, since the upper limit of N is suppressed to 0.0060% in the present invention, the strength of V carbides can be obtained without adding N elements having affinity with N such as Ti as in the prior application. The improvement effect can be sufficiently obtained. In addition, since N-fixing elements such as Ti are elements that easily bind to C, there is no consumption of C due to the addition of N-fixing elements, and as a result, the amount of precipitated V carbide increases without increasing the amount of V addition. The strength that can be achieved with the same V content can be increased.
Nb:0.02%未満
Nbは、Nを固定する元素として知られており、前記した先願では重要元素として知られている。しかしNbは固溶すると焼入性が上昇し、少量の含有であってもベイナイト組織が生じる原因となる元素である。その場合繰返し記載している通り耐力低下の原因となるため、本発明では望ましくない元素であり、その許容される上限の含有率を明確にする必要があるため、上限を0.02%未満とした。
Nb: less than 0.02% Nb is known as an element that fixes N, and is known as an important element in the above-mentioned prior application. However, Nb is an element that causes hardenability to increase when dissolved and causes a bainite structure even with a small content. In that case, as it is repeatedly described, it causes a decrease in yield strength. Therefore, it is an undesirable element in the present invention, and since it is necessary to clarify the content of the allowable upper limit, the upper limit is less than 0.02%. did.
Nb以外のN固定元素として知られるTi、Zrについては、Nbに比べ少量含有によるベイナイト組織生成への影響が小さいため、特に上限は明記しないが、前記した通り積極添加は好ましくないため、Tiは0.010%未満、Zrは0.020%未満であることが望ましい。 For Ti and Zr known as N-fixing elements other than Nb, since there is little influence on the bainite structure formation by containing a small amount compared to Nb, there is no particular upper limit, but positive addition is not preferable as described above, so Ti Desirably, it is less than 0.010% and Zr is less than 0.020%.
また、Ceq(炭素当量)=C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Vが0.9以上である。なお、上記式における、C、Si、Mn、Cr、Vは、それぞれの成分の鋼中含有率(質量%)である。 Further, Ceq (carbon equivalent) = C + Si / 7 + Mn / 5 + Cr / 9 + V is 0.9 or more. In the above formula, C, Si, Mn, Cr, and V are the contents (mass%) in steel of each component.
本発明では、0.2%耐力で850MPaという高い強度を達成することを目的としており、その達成のためには、上記した式で定められる炭素当量が0.9以上となるよう成分調整した上で、既に説明したV炭化物の析出強化を図る必要がある。 The purpose of the present invention is to achieve a high strength of 850 MPa with a 0.2% proof stress. To achieve this, the components are adjusted so that the carbon equivalent defined by the above formula is 0.9 or more. Therefore, it is necessary to enhance precipitation strengthening of the V carbide already described.
なお、特に上限は示していないが、あまり炭素当量が高くなりすぎると被削性が低下する傾向があるので、高くても1.2以下程度とすることが望ましい。 In addition, although the upper limit is not shown, since the machinability tends to decrease if the carbon equivalent becomes too high, it is desirable that the upper limit is about 1.2 or less.
次に本発明の熱間鍛造非調質鋼では、Hv340以上と規定している。硬さは被削性を重視するのであれば、従来の多くの非調質鋼がそうであるようにHv300以下とする方が望ましい。しかし、本発明では0.2%耐力を850MPa以上を達成することを目的としており、そのためには硬さをHv340以上とすることが必要条件である。硬さをHv340以上とした上で、さらに組織がベイナイト面積率10%以下のフェライトパーライト組織とする等、前記した説明通りの対策を実行することにより、目的とする優れた耐力を達成することができる。 Next, in the hot forged non-heat treated steel of the present invention, it is specified as Hv340 or more. If importance is attached to the machinability, it is desirable that the hardness be Hv300 or less, as is the case with many conventional non-heat treated steels. However, the present invention aims to achieve a 0.2% proof stress of 850 MPa or more, and for that purpose, the hardness is required to be Hv340 or more. By implementing the measures as described above, such as setting the hardness to Hv 340 or more and further making the structure a ferrite pearlite structure with a bainite area ratio of 10% or less, the target excellent proof stress can be achieved. it can.
また、本発明における熱間鍛造非調質鋼の熱間鍛造後の組織は、ベイナイト面積率が10%以下のフェライトパーライト組織である。 Moreover, the structure after hot forging of the hot forged non-heat treated steel in the present invention is a ferrite pearlite structure having a bainite area ratio of 10% or less.
既に何度も説明している通り、本発明ではフェライトパーライト組織であることを基本としており、耐力低下の原因となるベイナイト組織はできるだけ少ない方が望ましい。さらにベイナイト組織の割合が高くなると、同一硬さで比較しても被削性が低下するという問題がある。しかし、ベイナイト組織の存在が少量であればその悪影響は比較的小さいので、許容できる最大値を明確にするために上限を10%と明記したものである。 As already explained many times, the present invention is basically based on a ferrite pearlite structure, and it is desirable that the bainite structure causing a decrease in yield strength is as small as possible. Furthermore, when the ratio of a bainite structure becomes high, even if it compares by the same hardness, there exists a problem that machinability falls. However, if the presence of the bainite structure is small, the adverse effect is relatively small. Therefore, in order to clarify the maximum allowable value, the upper limit is specified as 10%.
なお、各成分含有率及びCeqが上記した条件を全て満足していたとしても、全ての成分がベイナイトの生じやすい条件の組合せだった場合(例えば、Mn、Cr、Mo、Nbが全て上限値近く含有の場合等)には、鍛造後の冷却条件によっては、ベイナイト面積率が10%以上となる場合がありえる。この場合はベイナイト面積率が10%範囲内となるよう成分を調整する必要があり、ベイナイト面積率が10%以下となるよう調整した後の熱間鍛造非調質鋼のみが本発明の範囲内となり、かつ目的とする強度を確保できるものである。 In addition, even if each component content rate and Ceq satisfy all the above-mentioned conditions, when all the components are a combination of conditions where bainite is likely to occur (for example, Mn, Cr, Mo, Nb are all close to the upper limit value) Depending on the cooling conditions after forging, the bainite area ratio may be 10% or more. In this case, it is necessary to adjust the components so that the bainite area ratio is within the range of 10%, and only the hot forged non-heat treated steel after the bainite area ratio is adjusted to be 10% or less is within the scope of the present invention. And the desired strength can be ensured.
次に本発明の効果を実施例により説明する。
表1に、実施例として用いた供試材の化学成分を示す。このうち、1〜9鋼は本発明の条件を満足する実施例であり、10〜32鋼は一部の条件が本発明で規定した条件を満足しない比較例に該当する供試材である。
Next, the effects of the present invention will be described with reference to examples.
Table 1 shows chemical components of the test materials used as examples. Among these, steels 1 to 9 are examples that satisfy the conditions of the present invention, and steels 10 to 32 are test materials corresponding to comparative examples in which some of the conditions do not satisfy the conditions defined in the present invention.
なお、表1中に記載の成分のうちP、Cu、Ni、Ti、Zrについては、特許請求の範囲に記載していないが、供試材中に不純物として含まれていた含有率を示したものである。また、Ti、Zrについては、本発明では不純物としてのみの含有を許容するものであるが、積極添加された場合との違いを明確にするため、一部の供試材では積極添加しており、その含有率を示したものである。ここで、表中の−で表示したのは、含有率がNbについては0.01%未満、TiとZrについては0.009%未満であることを意味する。また、表1中でTiが0.009%である鋼No.6、Zrが0.018%である鋼No.7は、Ti、Zrを不純物として含むスクラップを用いたために、少量Ti、Zrを含む供試材となったことを意味する。 In addition, although P, Cu, Ni, Ti, and Zr among the components described in Table 1 are not described in the claims, the contents contained as impurities in the test material are shown. Is. In addition, Ti and Zr are allowed to be contained only as impurities in the present invention. However, in order to clarify the difference from the case of positive addition, some of the test materials are positively added. The content rate is shown. Here,-in the table indicates that the content is less than 0.01% for Nb and less than 0.009% for Ti and Zr. In Table 1, steel No. 1 with Ti of 0.009% is used. 6, steel No. with Zr of 0.018%. 7 means that since a scrap containing Ti and Zr as impurities was used, a specimen containing a small amount of Ti and Zr was obtained.
そして、表1に記載の成分からなる電気炉溶解し、熱間圧延された棒鋼を鍛伸し、φ35mmの丸棒を製造した後、実際の熱間鍛造における標準的な温度である1200℃に加熱し30分保持後ファン空冷して室温まで冷却し、以下に示す通り硬さ、ベイナイト面積率、0.2%耐力の測定を行なった。 And after melting the electric furnace which consists of a component of Table 1, and hot-rolling the steel bar, and manufacturing a 35-mm round bar, it is 1200 ° C which is the standard temperature in actual hot forging. After heating and holding for 30 minutes, the fan was cooled with air to cool to room temperature, and the hardness, bainite area ratio, and 0.2% yield strength were measured as shown below.
硬さ、ベイナイト面積率は、供試材を切断し、T断面のD/4部分について測定した。硬さの評価は、ビッカース硬さ(JISZ2244(2003)に準拠)を測定することにより実施した。また、ベイナイト面積率は、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察することにより行なった。 The hardness and the bainite area ratio were measured on the D / 4 portion of the T section after cutting the test material. Hardness was evaluated by measuring Vickers hardness (based on JISZ2244 (2003)). Further, the bainite area ratio was measured by corroding with nital and observing with an optical microscope.
強度については、引張試験により0.2%耐力を測定することにより行なった。引張試験は、硬さ、ベイナイト面積率を測定した場所と同様にD/4部から切り出して作製した試験片により実施した。
硬さ、ベイナイト面積率、0.2%耐力の測定結果を表2にまとめて示す。
The strength was measured by measuring 0.2% proof stress by a tensile test. The tensile test was carried out with a test piece cut out from D / 4 part in the same manner as the place where the hardness and bainite area ratio were measured.
Table 2 summarizes the measurement results of hardness, bainite area ratio, and 0.2% proof stress.
実験結果に対する評価は、表2に示した結果に基づき、わかりやすくグラフに記載した図1〜図4を使って説明する。 The evaluation of the experimental results will be described based on the results shown in Table 2 with reference to FIGS.
まず、本発明の最も特徴となる試験結果を示すために、0.2%耐力に及ぼすN含有率の影響を記載した図1について説明する。 First, in order to show the test results that are the most characteristic of the present invention, FIG.
図1は、Ceqの変化により耐力への影響が生じないよう0.9程度となるよう成分調整した上で、V含有率が0.2%程度でN含有率を59ppmから200ppmまで変化した供試材(鋼No.2、10、11)とV含有率が0.3%程度でN含有率が47ppmから227ppmまで変化した供試材(鋼No.1、12、13)について、引張試験により得られた0.2%耐力の結果を示したものである。 FIG. 1 shows that the component was adjusted to about 0.9 so that the change in Ceq does not affect the yield strength, and the N content was changed from 59 ppm to 200 ppm when the V content was about 0.2%. Tensile test for specimens (steel Nos. 2, 10, and 11) and specimens (steel Nos. 1, 12, and 13) in which the V content was about 0.3% and the N content was changed from 47 ppm to 227 ppm The results of 0.2% yield strength obtained by the above are shown.
図1より、0.2%耐力はN含有率の変化により大きく変化し、V含有率を0.2%とそれほど高い含有率としない場合であっても、N含有率を60ppm以下とすることによって、850MPa以上の高強度を得ることが可能となることがわかる。また、V含有率を0.3%とした場合では、さらに高い900MPa程度まで耐力を高めることが可能である。この高い耐力が得られる効果は、従来のようにN含有率について何ら低減する処置を実施していない場合には困難であり、図1から明らかなように、脱ガス処理の操業条件の見直し等により、意図的にN含有率を60ppm以下となるよう製造した母材を用い、熱間鍛造した場合に限って得ることができるものである。 From FIG. 1, the 0.2% proof stress greatly changes with the change in the N content, and even if the V content is not so high as 0.2%, the N content should be 60 ppm or less. It can be seen that a high strength of 850 MPa or more can be obtained. Further, when the V content is 0.3%, the yield strength can be increased to a higher level of about 900 MPa. The effect of obtaining this high proof stress is difficult when no measures are taken to reduce the N content as in the prior art, and as is apparent from FIG. Thus, it can be obtained only when hot forging is performed using a base material that is intentionally manufactured so that the N content is 60 ppm or less.
次に図2は、先願でN固定のために添加していたTiとZrについてその含有率による0.2%耐力への影響を把握するために表2の結果をプロットしたものである。図2の結果に用いた供試材は、表2に示した本発明に該当する実施例のうち、Ceqが0.90〜0.94の供試材(鋼No.1、2、6〜8)と、Nを低減せずに150ppm程度含有し、N固定元素であるTi又はZrが積極添加された比較例(鋼No.19、25)と、Nを本発明と同様に60ppm以下に低減しているものの、N固定元素を本発明とは異なり積極添加した供試材(鋼No.14〜25)である。なお、図1の場合と同様にCeqの変化による耐力への影響を考慮して、Ceqは一部を除いて0.9程度となるように調整した供試材を用いた。但し、一部の比較例には、Ceqが1.0程度の供試材も含まれている。 Next, FIG. 2 is a plot of the results of Table 2 in order to grasp the influence on the 0.2% proof stress due to the contents of Ti and Zr added for N fixation in the previous application. The test material used for the result of FIG. 2 is a test material (steel No. 1, 2, 6 to Ceq) of 0.90 to 0.94 among the examples corresponding to the present invention shown in Table 2. 8), a comparative example (steel Nos. 19 and 25) containing about 150 ppm without reducing N and positively adding Ti or Zr as an N-fixing element, and N to 60 ppm or less as in the present invention Although it is reduced, it is a test material (steel Nos. 14 to 25) in which an N-fixing element is positively added unlike the present invention. As in the case of FIG. 1, in consideration of the influence on the proof stress due to the change in Ceq, a test material adjusted so that Ceq was about 0.9 except for a part was used. However, some of the comparative examples include a test material having a Ceq of about 1.0.
図2の結果から明らかなように、本発明では、全ての供試材について850MPa以上の耐力を示し、比較例のうちNを低減していない供試材(鋼No.19、25)についても同様に850MPa以上の耐力を示した。鋼No.19、25の比較例はV含有率が0.20〜0.21%、Ceqが0.90%と前記した本発明の供試材の中の最も低い鋼No.2とほぼ同じであることを考慮すれば、前記した本発明の供試材の耐力に比較して若干低めであることは、V含有率とCeqの差であると判断することができ、本発明と同等の耐力を示すということができる。従って、N含有率が高い場合には、N固定元素であるTi、Zrの添加は一定の効果を示すということができる。 As is clear from the results of FIG. 2, in the present invention, the test materials (steel Nos. 19 and 25) that showed a yield strength of 850 MPa or more for all the test materials and did not reduce N among the comparative examples. Similarly, the yield strength was 850 MPa or more. Steel No. In Comparative Examples Nos. 19 and 25, the V No. content is 0.20 to 0.21% and the Ceq is 0.90%. 2 is almost the same as the test material of the present invention described above, it can be determined that the difference between the V content and Ceq is slightly lower than the yield strength of the test material of the present invention. It can be said that the proof stress equivalent to that of the invention is exhibited. Therefore, when the N content is high, it can be said that the addition of Ti and Zr, which are N-fixing elements, shows a certain effect.
ところが、Nを低減しつつN固定元素であるTi、Zrを積極添加した比較例(鋼No.14〜25)については、一部にV含有率が0.35%以上であったり、Ceqが1.0%と高い供試材が含まれ、高い硬さ及び耐力を得るのに有利な条件となっているにもかかわらず、全ての供試材について耐力が850MPa未満となるとともに、硬さがHv340以下と低下したものがあった。これは、本発明のように、Nを60ppm以下に低減した場合では、N固定元素の添加はV炭化物の増加に寄与せず、逆にV炭化物となる可能性のあるCの一部を消費して、耐力が低下したと推定される。 However, in the comparative examples (steel Nos. 14 to 25) in which Ti and Zr, which are N-fixing elements, were positively added while reducing N, the V content was partially 0.35% or more, and Ceq was In spite of the fact that 1.0% high test material is included and it is an advantageous condition for obtaining high hardness and proof stress, the proof stress is less than 850 MPa for all the test materials and the hardness However, there was a decrease in Hv340 or less. This is because when N is reduced to 60 ppm or less as in the present invention, the addition of the N-fixing element does not contribute to the increase in V carbide, but conversely consumes a part of C that may become V carbide. Thus, it is estimated that the proof stress has decreased.
次に、図3は、比較例のうち、Nb、Nを除く成分が本発明の条件を満足する供試材(鋼No.26〜29と、Nb以外の成分が本発明の条件を満足する供試材(鋼No.30)について、Nbを含有しないか、その含有率が0.01%未満である本発明の供試材(鋼No.1〜9)の結果と比較することにより、Nb含有によるベイナイト面積率への影響をグラフにプロットしたものである。図3から明らかなように、Nを低減しているかどうかに関係なく、Nbを含有するとベイナイトが生成し、表2及び後述の図4の結果から明らかなように、耐力が低下することがわかる。 Next, FIG. 3 shows a sample material in which the components except Nb and N satisfy the conditions of the present invention among the comparative examples (steel Nos. 26 to 29 and components other than Nb satisfy the conditions of the present invention. For the test material (steel No. 30), by comparing with the results of the test material (steel No. 1 to 9) of the present invention which does not contain Nb or whose content is less than 0.01%, Fig. 3 is a graph plotting the influence of the Nb content on the bainite area ratio, as clearly shown in Fig. 3. Regardless of whether or not N is reduced, bainite is produced when Nb is contained. As is apparent from the results of FIG. 4, it can be seen that the proof stress decreases.
ここで、ベイナイト面積率がNb含有率の増加に伴い上昇していくのではなく、Nbを微量添加した場合に最大に達し、さらにNbを増量すると徐々にベイナイト面積率が低下する傾向となっているのは、Nbが少量しか固溶しないため、添加量を増加すると固溶しないNbが炭化物や窒化物として析出し、結晶粒微細化効果が得られた結果、焼入性が低下した影響が結果に反映したためと推定される。また、一部の鋼で硬さがHv340以下とCeqがほぼ同じである本発明の供試材に比較して低くなっているのは、Ti、Zr添加による場合と同様にV炭化物減少の影響によるものと推定される。 Here, the bainite area ratio does not increase as the Nb content increases, but reaches a maximum when a small amount of Nb is added, and when the Nb content is increased, the bainite area ratio gradually decreases. The reason for this is that only a small amount of Nb is solid-dissolved, and as a result of increasing the addition amount, Nb that does not dissolve solidly precipitates as carbides and nitrides, and as a result of obtaining a grain refinement effect, there is an effect that hardenability is reduced. It is estimated that it was reflected in the results. Moreover, it is lower than the test material of the present invention whose hardness is almost the same as Hv340 or less in some steels, as in the case of addition of Ti and Zr, the effect of V carbide reduction. It is estimated that
次に図4は、比較例のうちNb又はMoを含有することにより、組織の一部にベイナイトが生成した供試材(鋼No.26〜32)と、ベイナイトが生成していない本発明の供試材について0.2%耐力を比較したものである。ここで、鋼No.26〜32のCeqが0.90〜0.98であることを考慮し、Ceqによる影響を排除するため、本発明の供試材についてはCeqが1.0以上である供試材を除外してプロットした。この結果から明らかなように、ベイナイト面積率は10%以下であれば、耐力への影響は小さく、850MPa以上の高い0.2%耐力を確保することができるのに対し、Nb、Moの含有により10%以上の面積率でベイナイトが生じた供試材については、耐力が大きく低下することがわかる。 Next, FIG. 4 shows a sample material (steel Nos. 26 to 32) in which bainite was generated in a part of the structure by containing Nb or Mo in the comparative example, and the present invention in which bainite was not generated. The 0.2% proof stress is compared for the test materials. Here, Steel No. Considering that Ceq of 26 to 32 is 0.90 to 0.98, in order to eliminate the influence of Ceq, for the test material of the present invention, the test material with Ceq of 1.0 or more was excluded. And plotted. As is clear from this result, if the bainite area ratio is 10% or less, the influence on the proof stress is small, and a high 0.2% proof stress of 850 MPa or more can be secured, whereas the inclusion of Nb and Mo Thus, it can be seen that the yield strength of the test material in which bainite was generated at an area ratio of 10% or more is greatly reduced.
以上説明した結果から明らかなように、本発明ではN含有率を60ppm以下とすることで、窒化物生成によるVの消費を抑制して、V炭化物の析出強化による強度向上効果がより大きく得られるようにしたことにより、同じV添加量でもより高い強度の得られる熱間鍛造非調質鋼を製造可能としたものである。さらに、N含有率を60ppm以下としたことにより、N固定元素の添加を不要とし、コスト面で非常に優れた非調質鋼の製造が可能となり、その効果は非常に大きいものである。 As is clear from the results described above, in the present invention, by reducing the N content to 60 ppm or less, the consumption of V due to the formation of nitride is suppressed, and the effect of improving the strength by precipitation strengthening of the V carbide can be obtained more greatly. By doing so, it is possible to manufacture hot forged non-tempered steel that can obtain higher strength even with the same V addition amount. Furthermore, by setting the N content to 60 ppm or less, it is not necessary to add an N-fixing element, and it becomes possible to produce a non-heat treated steel that is very excellent in terms of cost, and the effect is very great.
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