JP5482003B2

JP5482003B2 - 熱間鍛造非調質鋼

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Publication number: JP5482003B2
Application number: JP2009180912A
Authority: JP
Inventors: 健之上西
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-08-03
Also published as: JP2011032545A

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。

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。

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。

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ＣＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

特開２００８−２４０１３０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ｃｅｑが０．９程度の供試材におけるＮ含有率と０．２％耐力との関係を示すグラフ図。Ｔｉ、Ｚｒを含有した場合の０．２％耐力への影響を示すグラフ図。Ｎｂを含有した場合のベイナイト面積率への影響を示すグラフ図。ベイナイトが生じた場合の０．２％耐力への影響を示すグラフ図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

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熱間鍛造非調質鋼。