【発明の詳細な説明】
「発明の目的」
（産業上の利用分野）
本発明は熱間鍛造後非調質のままで自動車部品その他
の機械部品として使用する高強度・高靭性非調質鋼の組
成に関するものである。
（従来の技術）
自動車部品、その他多くの機械部品は、一般的には棒
鋼から熱間鍛造により成型され、その後焼入、焼戻（調
質）処理されてから切削加工される。しかしこのような
製造工程においても、省エネルギーもしくは製造コスト
の引き下げを目的として熱処理を省略し、V,Ti等の微量
添加元素を活用したフエライト＋パーライト系の非調質
鋼や、Cr,MnあるいはＢを活用したベイナイト系の非調
質鋼等が開発され提案されている。前者の例としては特
開昭59−100256があり、VNの活用により高強度化を、Ti
Nの活用により高靭性を図っているが、Ｃ量が重量で0.2
0〜0.40％（以下単に％という）と高いために高靭性化
には限界があった。又、後者の例としては、特開昭61−
19761、同昭61−103161、同昭61−139646、並びに「製
鉄研究」第320号（1986）に発表された「熱間鍛造用非
調質強靭棒鋼」等の論文等があり、確かに高強度は得ら
れているものの、靭性の点ではTiNを活用したフエライ
ト＋パーライト系と同等かそれ以下のレベルであった。
又、上記中特開昭61−139646はベイナイト系ではある
が、熱間鍛造後に熱湯冷却を施しており熱処理が完全に
省略されたものではなく、製造工程もしくは製造コスト
の点で問題のある技術であったことは否めない。
このように、従来の非調質鋼は、若干の靭性の改善は
認められるものの材質に求められる強度、靭性が安価に
得られるものとは言えず、高強度・高靭性が要求される
機械部品の全部にこれらが適用されるには至っていな
い。
（発明が解決しようとする問題点）
本発明は、上述した従来技術の現状に鑑み創案された
ものであり、熱間鍛造後空冷もしくは放冷のままで、全
く熱処理を必要としない安価でより高強度・高靭性の得
られる非調質鋼の組成を提供することを目的としてい
る。
（問題点を解決するための手段）
（１） 重量％で
C:0.02％以上で0.05未満 Si:0.10〜1.00％
Mn:1.00〜3.50％ Cr＋Mn:2.00〜5.50％
V:0.03〜0.20％ Ti:0.005〜0.015％
B:0.0003〜0.0030％ Al:0.01〜0.05％
N:0.0060％以下
を含み、残部はFeおよび不可避的不純物よりなる熱間鍛
造用高強度・高靭性非調質鋼。
（２） 重量％で
C:0.02％以上で0.05未満 Si:0.10〜1.00％
Mn:1.00〜3.50％ Cr＋Mn:2.00〜5.50％
V:0.03〜0.20％ Ti:0.005〜0.015％
B:0.0003〜0.0030％ Al:0.01〜0.05％
N:0.0060％以下
を含み更に
Ni:1.0％以下 Cu:1.0 ％以下
Mo:0.50％以下 Nb:0.05％以下
の一種もしくは二種以上を含み残部はFeおよび不可避的
不純物よりなる熱間鍛造用高強度・高靭性非調質鋼。
に関するものであり、従来の同一目的に使用される非調
質鋼よりも安価で、高強度・高靭性の熱間鍛造用非調質
鋼が得られるものである。
（作用）
本発明者等は、先ず、従来の熱間鍛造用の非調質鋼に
比較し、より高靭性の材料を開発すべく予備試験の供試
材としてC:0.02〜0.22、Si:0.10〜1.00％、Mn:0.60〜3.
50％、Cr＋Mn:1.40〜5.50％、Ti:0〜0.030％、B:0〜0.0
030％、Al:0.01〜0.05％、N:0.0060％以下、Ni:0〜1.0
％、Cu:0〜1.0％、Mo:0〜0.5％、V:0〜0.20％、Nb:0〜
0.05％を含み、残部はFeからなる鋼を用いて、60mm直径
の棒鋼とし、この棒鋼を1250℃に加熱後、30mm直径に熱
間鍛造し、放冷して試験片を採取して機械的諸性質を調
査した。
第１図は、該供試材における強度、靭性におよぼすＣ
量の影響を示す図であり、縦軸にシャルピー衝撃値（uE
20）を横軸に引張強度（TS）をとったものである。
図から了解できるように、強度と靭性のバランスにお
よぼすＣ量の影響は極めて大きく、Ｃ量を0.02〜0.05％
未満の範囲とすることで低炭素ベイナイト組織が出現
し、良好な強度、靭性のバランスが認められた。以上の
知見をもとに更に研究、開発を進め本発明鋼に創案した
ものであり、本発明鋼を用いることにより熱間鍛造後放
冷のままで引張強度（TS）80kg・f/mm2以上、20℃にお
けるシャルピー衝撃値（uE20）12kgf・m/cm2以上が得ら
れることを確認した。
また本発明ではTiを0.005％以上添加して鋼中Ｎを固
定するが、その上限を0.015％としてTiNを減少させ、靭
性向上を図る。
次に本発明の添加元素の数値限定の理由を説明する。
C :強度、靭性に大きな影響を及ぼす元素である。しか
し、0.02％未満では十分な強度が得られず、0.02％以上
の添加が必要であり、又、0.05％以上となると高靭性が
得られないのでこれを上限とした。
Si:脱酸に必要な元素であり、同時に強化元素でもあ
る。0.10％未満では充分な脱酸効果が得られず、一方1.
00％を越すと靭性を損うためこれを上限とした。
Mn:C,Crと同様に強度、靭性に大きな影響を与える元素
である。1.00％未満では十分な強度、靭性が得られず、
そのため1.00％以上の添加を必要とする。3.50％を越す
と靭性を損う場合があり、これを上限とした。
Cr:C,Mnと同様に強度、靭性の確保に大きな影響を与え
る元素である。しかし、Cr＋Mn量が2.00％未満では強度
ぎ不足するのでこれを下限とし、又、その合量が5.50％
を越えても効果は上がらずコスト面の不利を招くことに
なるのでこれを上限とした。
V :強力な強化元素であり、高強度を得るには不可欠の
元素である。0.03％未満では充分な強度が得られず、そ
のため0.03％を下限とし、又、0.20％を越えると靭性を
損うことがあるので0.20％を上限とした。
Ti:鋼中のＮを固定し、Ｂの持つ焼入性向上に効果のあ
る元素である。0.005％未満ではＮを固定する効果が充
分でなく、又、0.015％を越えて添加しても効果は飽和
し、むしろ過剰のTiNの生成により靭性を損うことがあ
るので、0.015％を上限とした。
B :焼入性を向上させる効果を有する元素である。0.000
3％未満ではその効果は少なく、又、0.0030％を越えて
添加しても効果は飽和するのでこれを上限とした。
Al:強力な脱酸効果を持つ元素である。しかし0.01％未
満では効果が認められず、0.05％を越えて添加しても効
果は飽和するのでこれを上限とした。
N :0.0060％を越すとＮを固定させるために必要なTiの
量を多くする必要があり、生成する大量のTiNは鋼の靭
性を低下せしめるのでこれを上限とした。好ましくは0.
0050％以下である。
以上数値限定の理由を列記した各成分組成で本発明の
目的は達成できるのでこれを特許請求の範囲第１項とし
た。より強度、靭性の向上に寄与するものとしてこれに
併せて添加しうるものとして下記の元素がある。
Ni:高強度、靭性を向上させるのに有効な元素である。
しかし、経済的な面から上限を1.0％とした。
Cu:Niと同様な添加の効果があるが経済的な面から上限
を1.0％としと。
Mo:添加の効果はNi,Cuと同一であるが、経済的な面から
0.5％を上限とした。
Nb:強力な強化元素である。しかし0.05％を越えると靭
性を損うので0.05％を上限とした。
これらの元素は夫々独特の効果を有するので、１種も
しくは２種以上を鋼材の用途に合せて添加することがで
きるからこれを特許請求の範囲第２項とした。
又、本発明の熱間鍛造用高靭性非調質鋼は、0.07％ま
でのＳもしくは0.3％までのPbを添加することによりTi
を0.015％以下とすることとも相俟って該鋼の被削性を
適切に向上させることも可能である。
尚、本発明鋼の熱間鍛造の条件については、特別制御
すべき条件は全く無く、通常の加熱条件で加熱し鍛造す
ることにより充分な特性が得られる。
冷却条件についても、800〜400℃変態区間を150〜12
℃/minの空冷もしくは放冷により、低炭素ベイナイト組
織を有する、期待する高靭性非調質鋼が得られる。
（実施例）
供試鋼は、夫々真空溶解炉で150kgづつ溶製し鋼塊と
した後90mmの棒鋼に鍛造、更にこれを自動車のフロント
アクスルＩビームに熱間鍛造し空冷（800〜400℃の平均
冷却速度30℃/min）した。このフロントアクスルＩビー
ムから引張試験片、衝撃試験片を切り出して機械的性質
を測定した。第１表は、供試鋼の化学成分を示すもの
で、No.1〜No.13が本発明鋼、No.14〜No.18が効果を比
較するために行った従来公知の非調質鋼である。第２表
は、前表の各供試鋼の機械的性質を示したものであり、
No.1〜No.13の本発明鋼がいずれもTS≧80kg・f/mm2、uE
20≧12kgf・m/cm2の良好な強度、靭性を示しており、第
１図の予備試験データと良く一致していることがわか
る。尚、第１図における●印は第２表に記載の本発明鋼
を、▲印は同表の比較鋼を示す。本発明鋼に対し比較鋼
No.14はTi,Bを含有しておらず、そのため強度がTSで約7
5kg・f/mm2と低くなっており、又、比較鋼No.15はMn,Cr
を多く含有しており、高強度、高靭性は満足しているも
のの経済的には難点がある。比較鋼16はＶを含有してい
ないことから高靭性であるとしても強度的に不充分であ
り、また比較鋼No.17、No.18はいずれもＣ量が高く衝撃
試験による吸収エネルギーが本発明鋼に比較して低いこ
とがわかる。 （発明の効果）
以上詳述したように、本発明による場合には熱間鍛造
後の熱処理を全く必要とせず空冷もしくは放冷するのみ
でTS値で80kg・f/mm2以上の高強度とuE20値で12kgf・m/
cm2以上の従来の非調質鋼より優れた高延、靭性値を有
する非調質鋼を比較的安価に製造することができるか
ら、高強度、高靭性を必要とする自動車部品（足回り用
の高性能の機械部品を含む）、その他の機械部品に広く
適用せしめることができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a high-strength, high-toughness non-heat-treated steel used as an automobile part or other machine parts without heat-treatment after hot forging. The composition relates to: (Prior Art) Automobile parts and many other mechanical parts are generally formed from a steel bar by hot forging, and then quenched and tempered (tempered), and then cut. However, even in such a manufacturing process, heat treatment is omitted for the purpose of energy saving or reduction of manufacturing cost, and ferrite + pearlite non-heat treated steel utilizing a small amount of added elements such as V, Ti, Cr, Mn or B Bainite-based non-heat treated steels and the like utilizing GaN have been developed and proposed. An example of the former is disclosed in JP-A-59-100256.
High toughness is achieved by utilizing N, but C content is 0.2% by weight.
Since it is as high as 0 to 0.40% (hereinafter simply referred to as "%"), there is a limit in toughening. Also, as the latter example, Japanese Patent Application Laid-Open
19761, 1986-103161, 1986-139646, and “Steel Research,” No. 320 (1986), and other papers such as “Non-tempered hardened steel bars for hot forging”. Although the strength was obtained, the toughness was equivalent to or less than that of the ferrite + pearlite system using TiN.
Japanese Patent Application Laid-Open (JP-A) No. 61-139646 is a bainite system, but hot water cooling is performed after hot forging, so that heat treatment is not completely omitted, and there is a problem in the production process or production cost. It cannot be denied that it was. As described above, the conventional non-heat-treated steel has a slight improvement in toughness, but it cannot be said that the strength and toughness required for the material can be obtained inexpensively, and mechanical parts that require high strength and high toughness Not all of them have been applied. (Problems to be Solved by the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned current state of the art, and is inexpensive and requires no heat treatment at all after air forging or cooling after hot forging. It is an object of the present invention to provide a composition of a non-heat treated steel capable of obtaining high strength and high toughness. (Means for solving the problem) (1) C: 0.02% or more and less than 0.05 by weight Si: 0.10 to 1.00% Mn: 1.00 to 3.50% Cr + Mn: 2.00 to 5.50% V: 0.03 to 0.20% Ti: 0.005% to 0.015% B: 0.0003% to 0.0030% Al: 0.01% to 0.05% N: 0.0060% or less, with the balance being Fe and unavoidable impurities. (2) By weight% C: 0.02% or more and less than 0.05 Si: 0.10 to 1.00% Mn: 1.00 to 3.50% Cr + Mn: 2.00 to 5.50% V: 0.03 to 0.20% Ti: 0.005 to 0.015% B: 0.0003 to 0.0030% Al: 0.01 to 0.05% N: 0.0060% or less Ni: 1.0% or less Cu: 1.0% or less Mo: 0.50% or less Nb: 0.05% or less Nb: 0.05% or less The balance is less than Fe and inevitable impurities High strength and high toughness non-heat treated steel for hot forging. Thus, a non-heat treated steel for hot forging having high strength and high toughness can be obtained at a lower cost than a conventional non-heat treated steel used for the same purpose. (Function) First, the present inventors compared C: 0.02 to 0.22, Si: as a test material for a preliminary test in order to develop a material with higher toughness as compared with a conventional non-heat treated steel for hot forging. 0.10-1.00%, Mn: 0.60-3.
50%, Cr + Mn: 1.40 to 5.50%, Ti: 0 to 0.030%, B: 0 to 0.0
030%, Al: 0.01-0.05%, N: 0.0060% or less, Ni: 0-1.0
%, Cu: 0 to 1.0%, Mo: 0 to 0.5%, V: 0 to 0.20%, Nb: 0 to
A steel bar made of Fe is used to make a 60 mm diameter steel bar. The steel bar is heated to 1250 ° C, hot forged to a 30 mm diameter, allowed to cool, and a test piece is taken. Various properties were investigated. FIG. 1 shows the effect of C on the strength and toughness of the test material.
FIG. 5 is a graph showing the effect of the amount of the gas, and the vertical axis represents the Charpy impact value (uE).
20 ) is the tensile strength (TS) on the horizontal axis. As can be understood from the figure, the effect of the amount of carbon on the balance between strength and toughness is extremely large, and the amount of carbon is 0.02 to 0.05%.
When the content is less than the range, a low-carbon bainite structure appeared, and a good balance between strength and toughness was recognized. These findings based on further research, which has invented the present invention steel developing, tensile remain cooling after hot forging intensity by using the present invention steel (TS) 80kg · f / mm 2 As described above, it was confirmed that a Charpy impact value (uE 20 ) at 20 ° C. of 12 kgf · m / cm 2 or more was obtained. In addition, in the present invention, 0.005% or more of Ti is added to fix N in steel, but the upper limit is 0.015% to reduce TiN and improve toughness. Next, the reason for limiting the numerical values of the additional elements of the present invention will be described. C: Element that greatly affects strength and toughness. However, if it is less than 0.02%, sufficient strength cannot be obtained, and 0.02% or more must be added, and if it is 0.05% or more, high toughness cannot be obtained. Si: An element necessary for deoxidation and also a strengthening element. If it is less than 0.10%, a sufficient deoxidizing effect cannot be obtained, while 1.
If it exceeds 00%, the toughness is impaired. Mn: Like C and Cr, Mn is an element that greatly affects strength and toughness. If it is less than 1.00%, sufficient strength and toughness cannot be obtained,
Therefore, it is necessary to add 1.00% or more. If it exceeds 3.50%, the toughness may be impaired, and this is set as the upper limit. Like Cr: C and Mn, Cr is an element that has a great effect on securing strength and toughness. However, if the Cr + Mn content is less than 2.00%, the strength is insufficient, so this is set as the lower limit, and the total amount is 5.50%.
Beyond the above, the effect is not improved and the cost disadvantage is incurred, so the upper limit was set. V: It is a strong strengthening element and an indispensable element for obtaining high strength. If it is less than 0.03%, sufficient strength cannot be obtained, so the lower limit is 0.03%, and if it exceeds 0.20%, toughness may be impaired, so the upper limit is 0.20%. Ti: an element that fixes N in steel and is effective in improving the hardenability of B. If it is less than 0.005%, the effect of fixing N is not sufficient, and if it exceeds 0.015%, the effect saturates, and rather, the toughness may be impaired due to the formation of excessive TiN, so the upper limit is 0.015%. And B: An element having an effect of improving hardenability. 0.000
If it is less than 3%, the effect is small, and if it exceeds 0.0030%, the effect is saturated. Al: An element having a strong deoxidizing effect. However, if the content is less than 0.01%, no effect is observed, and if the content exceeds 0.05%, the effect is saturated. If N exceeds 0.0060%, it is necessary to increase the amount of Ti necessary for fixing N, and a large amount of generated TiN lowers the toughness of the steel, so the upper limit was set. Preferably 0.
0050% or less. Since the object of the present invention can be achieved by each component composition listing the reasons for limiting the numerical values as described above, this is defined in claim 1. The following elements can be added in addition to those that contribute to the improvement of strength and toughness. Ni: An element effective for improving high strength and toughness.
However, the upper limit was set at 1.0% for economic reasons. The effect of addition is similar to that of Cu: Ni, but the upper limit is set to 1.0% for economic reasons. Mo: The effect of addition is the same as Ni and Cu, but from the economical point of view
The upper limit was 0.5%. Nb: A powerful strengthening element. However, if it exceeds 0.05%, toughness is impaired, so 0.05% was made the upper limit. Since each of these elements has a unique effect, one or more of them can be added in accordance with the use of the steel material. In addition, the high toughness non-heat treated steel for hot forging of the present invention can be obtained by adding Ti up to 0.07% or Pb up to 0.3%.
Together with 0.015% or less, it is also possible to appropriately improve the machinability of the steel. There are no special conditions for hot forging of the steel of the present invention, and sufficient properties can be obtained by heating and forging under ordinary heating conditions. Regarding the cooling conditions, the transformation section of 800 to 400 ° C is 150 to 12
The expected high toughness non-heat treated steel having a low carbon bainite structure can be obtained by air cooling or cooling at a rate of ° C./min. (Example) Each of the test steels was smelted in a vacuum melting furnace at a rate of 150 kg to form a steel ingot, then forged into a 90 mm steel bar, and further hot-forged into a front axle I beam of an automobile, and air-cooled (800 to 400 ° C). Average cooling rate of 30 ° C./min). Tensile test pieces and impact test pieces were cut out from the front axle I beam, and the mechanical properties were measured. Table 1 shows the chemical composition of the test steels. No. 1 to No. 13 are the steels of the present invention, and No. 14 to No. 18 are the conventionally known non-heat treated steels for comparing the effects. It is steel. Table 2 shows the mechanical properties of each test steel in the preceding table.
All of the steels of the present invention No. 1 to No. 13 have TS ≧ 80 kgf / mm 2 , uE
It shows good strength and toughness of 20 ≧ 12 kgf · m / cm 2 , and it can be seen that it is in good agreement with the preliminary test data in FIG. In FIG. 1, the symbol ● indicates the steel of the present invention described in Table 2, and the symbol ▲ indicates the comparative steel of the same table. Comparative steel compared to steel of the present invention
No.14 does not contain Ti and B, so the strength is about 7 in TS.
5kg ・ f / mm 2 and the comparative steel No.15 is Mn, Cr
And has high strength and high toughness, but is economically disadvantageous. Comparative steel 16 does not contain V and thus has insufficient strength even if it has high toughness. Comparative steels No. 17 and No. 18 both have a high C content and the absorbed energy by the impact test is It turns out that it is low compared with invention steel. (Effect of the Invention) As described in detail above, in the case of the present invention, heat treatment after hot forging is not required at all, and only air cooling or cooling is performed, and a high strength of 80 kg · f / mm 2 or more in TS value is obtained. 12 kgf ・ m / at uE 20 value
Since it is possible to manufacture non-heat treated steel with high ductility and toughness superior to conventional non-heat treated steel of cm 2 or more at relatively low cost, automobile parts that require high strength and high toughness (undercarriage) High-performance mechanical parts), and can be widely applied to other mechanical parts.
【図面の簡単な説明】
第１図は非調質鋼における強度・靭性におよぼすＣ量の
影響を示す図面である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a drawing showing the effect of C content on the strength and toughness of a non-heat treated steel.
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(72)発明者 大鈴 弘忠
東京都千代田区丸の内１丁目１番２号
日本鋼管株式会社内
(72)発明者 田川 寿俊
東京都千代田区丸の内１丁目１番２号
日本鋼管株式会社内
(56)参考文献 特開 昭61−238941（ＪＰ，Ａ)
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Continuation of front page
(72) Inventor Hirotada Osuzu
1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo
Nippon Kokan Co., Ltd.
(72) Inventor Toshitoshi Tagawa
1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo
Nippon Kokan Co., Ltd.
(56) References JP-A-61-238941 (JP, A)