專利名稱：切削性優(yōu)良的高強(qiáng)度高韌性非調(diào)質(zhì)鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于熱軋后，根據(jù)需要進(jìn)行熱加工或冷加工后，適合于進(jìn)行終切削加工而使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼，在熱軋后切削加工前即使不進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，就具有高強(qiáng)度而且高韌性、并且顯示優(yōu)良的切削性的非調(diào)質(zhì)處理鋼。
背景技術(shù)：
以往，對(duì)以高強(qiáng)度而且高韌性作為必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件或者汽車部件來說，使用按照J(rèn)IS G4105規(guī)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼SCM435或SCM440。通常，順序地進(jìn)行①軋制并根據(jù)需要利用熱加工或冷加工進(jìn)行成形，②用于賦予強(qiáng)度和韌性的淬火回火等調(diào)質(zhì)處理，③切削加工而形成部件。
就上述機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼來說，②的調(diào)質(zhì)處理是為了滿足所要求的強(qiáng)度和韌性所必要的工序。
在此，調(diào)質(zhì)處理，即熱處理工序需要時(shí)間和費(fèi)用。因此，如果能省去調(diào)質(zhì)處理，就能大幅度地降低成本，也能達(dá)到節(jié)能，為此已提出各種建議。
例如，已提出在C0.3～0.5重量％的中碳系含Mn鋼中，添加0.10重量％左右的V的鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼。在熱軋的冷卻過程中析出V碳氮化物，在強(qiáng)化鐵素體基體的同時(shí)，利用珠光體的強(qiáng)度使鋼整體強(qiáng)度提高。
另外，關(guān)于熱鍛造用鋼，在特公平6-63025和特開平4-371547中已公開在C0.05～0.3重量％的低碳系鋼中添加Mn、Cr或V等的貝氏體型和馬氏體型的非調(diào)質(zhì)鋼。
但是，前者的鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，難以同時(shí)獲得抗拉強(qiáng)度和韌性。這是因?yàn)樽鳛橹楣怏w中的滲碳體，所存在的0.3～0.5重量％的C使強(qiáng)度提高，而使韌性降低的緣故。另外，為了謀求在鐵素體-珠光體組織中析出V碳氮化物而提高強(qiáng)度，要限制得到穩(wěn)定性能的冷卻速度范圍。因此，在軋制后或者熱加工后，必須控制冷卻速度，而使制造工序復(fù)雜化。再者，由于進(jìn)行冷鍛造等冷加工，即使碳濃度不增加，也能夠確保強(qiáng)度，但存在得不到與調(diào)質(zhì)鋼同等的韌性的問題。
另一方面，在后者的特公平6-63025中提出的貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼在原樣的熱鍛造狀態(tài)，屈服強(qiáng)度也比調(diào)質(zhì)鋼低。因此，為了提高屈服強(qiáng)度，必須在熱鍛造后進(jìn)行200～600℃的時(shí)效處理，然后進(jìn)行空冷。因此，不能達(dá)到是非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)點(diǎn)之一的節(jié)能效果。另外，在特開平4-37154中提出的高強(qiáng)度、高韌性非調(diào)質(zhì)鋼的制造方法，也必須進(jìn)行回火處理，因此也達(dá)不到節(jié)能效果。進(jìn)而，在用這種鋼制造小部件時(shí)，能夠使熱鍛造后的冷卻速度快，所以容易確保足夠的韌性。但是在制造大部件時(shí)，如果不將熱鍛造后的冷卻速度控制成快的冷卻速度，就不能穩(wěn)定地確保足夠的韌性。
再有，在特開平8-144019和特開平9-111336中，各自公開了在冷卻速度慢的場合，也能確保韌性的低C-Cu-B添加鋼。但是，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件來說，如上所述，往往在軋制和鍛造等各種加工及調(diào)質(zhì)處理后，再進(jìn)行切削加工。因此，為了作為工業(yè)上的有用材料，不僅必須具有是高強(qiáng)度和高韌性，而且切削性也優(yōu)良是非常重要的?？墒牵虲-Cu-B添加鋼是非調(diào)質(zhì)鋼，以達(dá)到高韌性作為目的，因此作為機(jī)械部件沒有考慮實(shí)用上必要程度的切削性。
再者，在特開昭60-92450中公開了通過Cu的析出強(qiáng)化達(dá)到提高強(qiáng)度的鋼。該鋼是在氮化用鋼中添加0.5～2重量％的Cu，在氮化處理時(shí)使Cu析出，以此謀求高強(qiáng)度化。但是，該鋼也沒有考慮切削性。并且因?yàn)楹剂渴?.05～0.3重量％，所以在用于冷卻速度慢的大直徑材料和大部件的場合，取決于質(zhì)量效果，抗拉強(qiáng)度大大降低也成為問題。
因此，本發(fā)明提供能供熱加工或者冷加工原樣使用的、即使對(duì)大部件也是高強(qiáng)度、高韌性、而且切削性優(yōu)良的非調(diào)質(zhì)鋼。
發(fā)明的公開本發(fā)明人對(duì)不控制熱軋或者熱加工后的冷卻速度以及不進(jìn)行時(shí)效處理等，即使對(duì)大部件也確保足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性，進(jìn)而具有優(yōu)良的切削性的非調(diào)質(zhì)鋼的組成進(jìn)行了調(diào)查，從而達(dá)到完成本發(fā)明。即，發(fā)現(xiàn)以下所述的手段和效果。
有以下的新認(rèn)識(shí)
①由極低碳化產(chǎn)生的韌性提高，②由Cu的析出和Ni的固溶強(qiáng)化引起的鋼的強(qiáng)度提高，③利用Mn及根據(jù)需要添加Nb或B等確保高強(qiáng)度和高韌性，④通過同時(shí)使用Cu和S確保提高切削性和疲勞強(qiáng)度，尤其是如②和④所示，添加Cu，有稱作與以往相反性能的高強(qiáng)度和高切削性同時(shí)存在的效果。
本發(fā)明是以含有下述成分組成為特征的非調(diào)質(zhì)鋼C0.05重量％以下、Si0.005～2.0重量％、Mn0.5～5.0重量％、Ni0.1～10.0重量％、Cu1.0以上～4.0重量％、Al0.0002～1.0重量％、S0.005～0.50重量％和N0.0010～0.0200重量％。進(jìn)而，也可以含有以下所示的組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的元素的1種或2種以上及其組合。
Ⅰ．W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下，Ⅱ．Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％和B0.03重量％以下，Ⅲ．Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下，Ⅳ．P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下。
接著，說明本發(fā)明的各化學(xué)成分的限定理由。
C0.05重量％以下C含量若達(dá)到0.05重量％以上，取決于熱軋或熱加工后的冷卻速度而析出珠光體相，有損于韌性。因此有必要限制在0.05重量％以下，最好0.03重量％以下。
Si0.005～2.0重量％為了確保脫氧和固溶強(qiáng)化，Si必須至少達(dá)到0.005重量％，另一方面，若過剩的含有，則降低韌性。因此上限規(guī)定為2.0重量％。
Mn0.5～5.0重量％為了提高淬透性并確保強(qiáng)度，Mn必須是0.5重量％以上，另一方面，若超過5.0重量％，切削性就低劣。因此限定在0.5～5.0重量％的范圍。
Ni0.1～10.0重量％
Ni是用于提高強(qiáng)度和韌性的有效成分，并且在含有Cu的場合，對(duì)于防止軋制時(shí)的熱脆性是有效的，但它是高價(jià)的，而且即使過剩的含有，其效果也達(dá)到包含。因此限定在0.1～10.0重量％的范圍。
Cu1.0以上～4.0重量％Cu是為了析出強(qiáng)化和與S復(fù)合添加而提高切削性而添加的，為了發(fā)揮其效果，需要含有超過1.0重量％，最好添加1.5重量％以上。另一方面，超過4.0重量％，韌性急劇降低。因此規(guī)定1.0以上～4.0重量％的范圍。
S0.005～0.50重量％S是尤其與Cu復(fù)合添加而提高切削性的成分，為了發(fā)揮其效果，需要超過0.005重量％以上，最好以超過0.010重量％的添加。但是過剩地添加，導(dǎo)致純凈度和韌性降低。因此，上限規(guī)定為0.50重量％。
在此，詳細(xì)敘述調(diào)查Cu和S對(duì)切削性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
即，利用連續(xù)鑄造制造數(shù)個(gè)表1所示的各種成分的鋼方坯，通過熱軋將各方坯軋成φ100mm的棒鋼，然后以0.001～80℃/s的冷卻速度進(jìn)行800～400℃溫度范圍的冷卻。
在如此得到的棒鋼之中，關(guān)于以0.1℃/s冷卻得到的棒鋼的切削性的評(píng)價(jià)結(jié)果示于

圖1中。而且，切削性，以使用超硬工具的外圓切削，以切削速度200m/min、切削量2mm和進(jìn)刀量0.25mm/rev(轉(zhuǎn))的條件進(jìn)行無潤滑的試驗(yàn)，以工具的后隙面磨耗量達(dá)到0.2mm的累積切削時(shí)間作為工具壽命。通常使用良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼SCM435QT按照J(rèn)ISG4105，工具壽命是500s左右。
另外，觀察以該外圓切削試驗(yàn)形成的切屑形狀，評(píng)價(jià)結(jié)果示于圖2中。在圖2中，以◎表示發(fā)生長度5mm以下、細(xì)分?jǐn)嗔己玫那行嫉膱龊希浴鸨硎驹诩?xì)切屑中混雜長度超過5mm、但20mm以下的切屑的場合，以△表示在長度超過5mm、但20mm以下的切屑中混雜長度超過20mm切屑的場合，以×表示產(chǎn)生大致超過20mm的長切屑而防礙作業(yè)性的場合。
表1(重量％

從圖1和圖2可知，為了具有大致通常材料的2倍的1000s以上的工具壽命，而且得到優(yōu)良的切削處理性，必須Cu＞1.0重量％而且s≥0.005重量％。優(yōu)選的范圍是Cu≥1.5重量％而且s＞0.010重量％，得到更優(yōu)良的切削性。
接著，在圖3中示出軋制后的冷卻速度和抗拉強(qiáng)度(TS)的關(guān)系。即，含有Cu2.0重量％時(shí)，軋制后的冷卻速度是約5℃/s以下，TS≥900MPa。這是因?yàn)樵诶鋮s過程中Cu細(xì)小地析出，Cu對(duì)強(qiáng)度提高產(chǎn)生有效的作用。在此，在一般的棒鋼制造方法中，軋制后的冷卻速度是1℃/s以下。因此可知，使用按照本發(fā)明的鋼，不控制軋制后的冷卻速度，也能達(dá)到高強(qiáng)度化。
在圖4中示出Cu添加量對(duì)冷卻速度為0.1℃/s時(shí)的強(qiáng)度提高的影響。從圖4可知，Cu添加量超過1.0％時(shí)，△TS(與不添加Cu時(shí)的TS差)急劇變大。并且，如果Cu≥1.5重量％，就得到更大的強(qiáng)度提高的效果。
另外，以往的鋼的問題是，冷卻速度越慢，組織越軟化，存在抗拉強(qiáng)度降低的傾向，因此在棒鋼表層部和內(nèi)部之間產(chǎn)生強(qiáng)度差。這種傾向，尤其在大直徑時(shí)是顯著的，因此對(duì)大直徑的棒鋼必須管理冷卻速度。這一點(diǎn)，如圖3所示，按照本發(fā)明添加Cu的鋼幾乎不依賴于冷卻速度。因此，同時(shí)能夠避免發(fā)生由棒鋼的直徑差引起的強(qiáng)度差，然后起因于在空冷時(shí)產(chǎn)生的表層和內(nèi)部的冷卻速度差的徑向抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)。
Al0.0002～1.0％Al作為脫氧劑起作用，除此之外，同時(shí)與N形成AlN，具有細(xì)化組織的作用。為此，需要含有0.0002重量％以上，但若超過1.0重量％，鋁系夾雜物增加，損害韌性，因此規(guī)定為0.0002～1.0重量％的范圍。
N0.0010～0.0200％N與Al同時(shí)形成AlN而析出，作為抑制晶粒長大的阻止部位，具有細(xì)化組織、提高韌性的作用。即，低于0.0010重量％，不能充分得到由AlN的析出產(chǎn)生的效果。而超過0.020％，效果達(dá)到飽和，除此之外，固溶N當(dāng)然也降低鋼材的韌性。因此規(guī)定為0.0010～0.0200％的范圍。
另外，在本發(fā)明中，在上述的基本成分中添加以下所示的化學(xué)成分，能夠達(dá)到提高強(qiáng)度或者提高加工成制品時(shí)的切削加工中的切削性。
首先，為了提高強(qiáng)度，添加W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下的1種或2種以上是有利的。
W0.5重量％以下W除了由固溶而引起強(qiáng)化之外，還與C反應(yīng)，析出WC，對(duì)提高強(qiáng)度產(chǎn)生有效的作用，但添加超過0.5重量％，導(dǎo)致韌性急劇降低。因此規(guī)定為0.5重量％以下。
V0.5重量％以下在析出強(qiáng)化中利用V(C、N)的同時(shí)，利用以在奧氏體區(qū)析出的V(C、N)作為鐵素體形成核，由此能夠細(xì)化組織和提高韌性。但是，若超過0.5重量％，則效果達(dá)到飽和，而且也引起連鑄裂紋等問題。由此規(guī)定為0.5重量％以下的范圍。
Ti0.1重量％以下Ti除了析出強(qiáng)化之外，還使C或N固定而提高韌性，另外也起脫氧劑的作用。若過剩的添加，就析出粗大的TiN，反而使韌性降低。由此上限規(guī)定為0.1重量％。
其次，為了提高淬透性并提高強(qiáng)度，添加Cr 3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1種或2種以上是有利的。
Cr3.0重量％以下Cr對(duì)提高強(qiáng)度是有效的，但過剩的添加會(huì)降低強(qiáng)度。因此規(guī)定為3.0重量％以下。
Mo1.0重量％以下Mo對(duì)提高常溫和高溫下的強(qiáng)度是有效的，但它是高價(jià)的。因此以1.0重量％以下的范圍添加。
Nb0.15重量％以下
Nb是提高淬透性、用于析出強(qiáng)化和提高韌性的有效成分，但超過0.15重量％，妨礙熱軋性。因此規(guī)定為0.15重量％以下。
B0.03重量％以下B是提高淬透性的成分，即使含有0.03重量％以上，其效果也達(dá)到飽和。因此規(guī)定為0.03重量％以下。
進(jìn)而，作為脫氧成分起作用的同時(shí)，為了細(xì)化晶粒、提高韌性，添加Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1種或者2種以上是有利的。
Zr0.1重量％以下Zr是脫氧劑，同時(shí)對(duì)細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度和韌性是有效的，但超過0.1重量％，其效果達(dá)到飽和。因此規(guī)定為0.1重量％以下。
Mg0.02重量％以下Mg是脫氧劑，同時(shí)對(duì)細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性是有效的，但超過0.02重量％，其效果達(dá)到飽和。因此規(guī)定為0.02重量％以下。
Hf0.1重量％以下Hf對(duì)細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性是有效的，但超過0.1重量％，其效果達(dá)到飽和。因此規(guī)定為0.1重量％以下。
REM0.02重量％以下REM對(duì)細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性是有效的，但超過0.02重量％，其效果達(dá)到飽和。因此規(guī)定為0.02重量％以下。
而且為了提高切削性可以含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1種或者2種以上。
P0.10重量％以下以提高切削性為目的可以添加P，但對(duì)韌性或者耐疲勞性產(chǎn)生惡劣影響。因此必須限制在0.10重量％以下。
Pb0.30重量％以下Pb的熔點(diǎn)低，若通過切削時(shí)的鋼材發(fā)熱而熔融，就發(fā)揮液體潤滑作用，是提高切削性的元素，但超過0.30重量％，其效果達(dá)到飽和，而且耐疲勞性降低。因此規(guī)定為0.30重量％以下。
Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Sb0.05重量％以下、Bi0.30重量％以下Co、Ca、Te、Sb和Bi和Pb相同是提高切削性的元素，另一方面，即使過剩的添加，其效果也達(dá)到飽和，而且導(dǎo)致耐疲勞性降低。因此分別規(guī)定為為Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Sb0.05重量％以下、Bi0.30重量％以下。
Se0.10重量％以下Se與Mn結(jié)合形成MnSe，它起切屑破碎作用，從而改善切削性。但是，添加超過0.10重量％，對(duì)耐疲勞性產(chǎn)生惡劣影響。因此規(guī)定為0.10重量％以下。
再者，以上的添加成分，即使0.001重量％的微量添加，也能發(fā)揮其效果。
本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)鋼，通過成分調(diào)整成上述的基本組成，即使在軋制后或者熱加工后的冷卻速度小時(shí)，也得到切削性優(yōu)良的高強(qiáng)度且高韌性的性能。因此，不需要嚴(yán)格控制軋制后或者熱加工后的冷卻速度，只要按照機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼的通常軋制條件和部件的通常制造條件進(jìn)行制造即可。
例如，將成分調(diào)整成上述基本組成的熱軋棒鋼在1200℃加熱后，通過在1000～1200℃溫度區(qū)的熱軋或熱鍛造，得到規(guī)定的形狀后，通過空冷或緩冷能夠得到作為目的的性能。
接著，在熱軋或熱鍛造后，不需要特別的熱處理，但在在熱軋或熱鍛造后，在冷卻至室溫后，在300℃以上、800℃以下的溫度區(qū)進(jìn)行30秒以上的再加熱，由此也可以達(dá)到提高強(qiáng)度。
另外，將成分調(diào)整成上述基本組成的鋼熱軋后，冷卻到室溫后，也可以作為冷加工用途使用。在此，所謂冷加工可以是冷軋、冷拔絲和冷鍛造中的任一種，沒有特別限制。
進(jìn)而，在要求高韌性的場合，冷加工后，也可以在300℃以上、800℃以下的溫度區(qū)保持30秒以上。
再有，施行在汽車部件領(lǐng)域通常進(jìn)行的熱處理(滲碳淬火處理、碳氮化處理、氮化處理和軟氮化處理)，不論從對(duì)切屑用途，還是強(qiáng)度、韌性、疲勞強(qiáng)度優(yōu)良的角度考慮，即使作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件、滑動(dòng)部件及彈簧鋼也能夠分別適用。
附圖的簡單說明圖1是表示Cu量對(duì)工具壽命影響的曲線圖。
圖2是表示Cu量和S量對(duì)切屑處理性影響的曲線圖。
圖3是表示軋制后的冷卻速度對(duì)抗拉強(qiáng)度影響的曲線圖。
圖1是表示Cu量對(duì)強(qiáng)度提高影響的曲線圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式實(shí)施例1采用連續(xù)鑄造制造數(shù)個(gè)具有表2～5中所示的各種化學(xué)組成的鋼方坯。接著，熱軋各個(gè)方坯，軋成φ40mm、φ200mm和φ400mm的棒鋼，然后以0.1℃/s或0.5℃/s冷卻速度進(jìn)行800～400℃溫度區(qū)的冷卻。另外也進(jìn)行800～400℃溫度區(qū)的冷卻速度成為0.002～0.01℃/s的緩冷。進(jìn)而，軋制成φ40mm的棒鋼的一部分，在軋制后在800～400℃的溫度溫度區(qū)進(jìn)行5℃/s的加速冷卻。并且對(duì)這些棒鋼的一部分進(jìn)行在550℃、保持40分鐘的熱處理。
另外，關(guān)于是表5中的以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼的鋼54和55，與本發(fā)明同樣地在軋制后以0.5℃/min、0.1℃/min和0.002℃/min的冷卻速度冷卻，是調(diào)質(zhì)鋼的鋼56～58，軋制后在880℃進(jìn)行1小時(shí)的加熱，然后在60℃的油中淬火，接著進(jìn)行580℃、1小時(shí)的回火處理。
關(guān)于如此得到的棒鋼的機(jī)械性能的調(diào)查間結(jié)果示于表6和表7中。
在此，拉伸試驗(yàn)使用從棒鋼表層從直徑的1/4位置切取的拉伸試驗(yàn)片(JIS 4號(hào))，求出屈服強(qiáng)度(YS)、抗拉強(qiáng)度(TS)、延伸率(El)和斷面收縮率(RA)。沖擊試驗(yàn)采用從棒鋼表層從直徑的1/4位置切取的沖擊試驗(yàn)片(JIS 3號(hào))，求出試驗(yàn)溫度為20℃時(shí)的沖擊值(uE20)。疲勞極性比使用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)片(JIS 1號(hào)平滑試驗(yàn)片)，以轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min時(shí)的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比表示。再者，切削性以和圖1所示的實(shí)驗(yàn)相同的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，切屑處理性以和圖2所示的實(shí)驗(yàn)相同的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果示于表6和表7中。
表2

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表4

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表5

注54和55是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼，56、57和58是JIS調(diào)質(zhì)鋼。
表6


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表7


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如表6和表7所示，按照本發(fā)明的鋼，不管軋制尺寸和熱軋后的冷卻速度如何，都得到TS≥827MPa的高強(qiáng)度。而且即使是高強(qiáng)度也能確保El≥19％和RA≥60％的延性足夠高的值。也能確保uE20為121J/cm2以上的極良好的韌性。
另外，切削性也顯示比是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼的鋼54和55優(yōu)良的結(jié)果。尤其與比較例57和58的比較可知，以往類型的調(diào)質(zhì)鋼由于添加易切削成分疲勞極限比降低，與此相反，本發(fā)明鋼因?yàn)槲龀黾?xì)小的Cu，所以添加易切削成分疲勞極限比也不降低，得到高的疲勞極限比。
其次，是比較例的鋼42,C量超過本發(fā)明的上限，因此韌性降低。同樣鋼43的Si量低于本發(fā)明的下限，O量多，因此疲勞極限比低。鋼44的Si量高于本發(fā)明的上限，因此韌性低。鋼45的Mn量低于本發(fā)明的下限，因此強(qiáng)度不夠。鋼46的Mn量高于本發(fā)明的上限，因此韌性低。鋼47的Ni量低于本發(fā)明的下限，因此在軋制中產(chǎn)生熱脆性。鋼48的Cu量低于本發(fā)明的下限，因此強(qiáng)度不夠，外圓切削時(shí)的切屑處理性不良。鋼49的Cu量高于本發(fā)明的上限，因此韌性低。鋼50的S量低于本發(fā)明的下限，因此切削性和切屑處理性低劣。鋼51的Al量低于本發(fā)明的下限，因此脫氧不充分，疲勞極限比低。鋼52的Al量高于本發(fā)明的上限，因此韌性低。鋼53的N量高于本發(fā)明的上限，因此韌性低。
另外，是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼的鋼55的強(qiáng)度、延性和韌性對(duì)冷卻速度的依存性大。即，是鐵素體-珠光體組織的鋼55，即使冷卻速度快時(shí)，TS也低于745MPa，冷卻速度慢，則進(jìn)一步降低。另外，韌性即使在冷卻速度快時(shí)，也是38J/cm2，冷卻速度慢時(shí)，限于28J/cm2的程度。
這點(diǎn)，比較鋼54的強(qiáng)度和韌性的平衡在任何冷卻速度都比比較鋼55良好，但與以往的調(diào)質(zhì)鋼56、57和發(fā)明鋼相比，各性能都處于低的水平。即，是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼54和55，雖然有能適用于冷卻速度較快的小部件的可能性，但對(duì)冷卻速度慢的大部件是不合適的。與此相反，發(fā)明鋼的機(jī)械性能或者韌性對(duì)冷卻速度的依存性極小。因此，在部件形狀變化大的場合，例如即使是大斷面形狀的場合，也得到比以往類型的調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)良的性能。也就是得到足夠的強(qiáng)度、延性和韌性，而且均等地賦予良好的切削性和切屑處理性。
實(shí)施例2采用連續(xù)鑄造分別制造具有表2～5所示數(shù)種化學(xué)組成的鋼方坯。接著，各方坯在150℃加熱后，利用熱軋軋成φ200mm的棒鋼后，在1200℃加熱，然后熱鍛造成φ30mm，此后以0.05～5℃/s的冷卻速度進(jìn)行800～500℃溫度區(qū)的冷卻。這些棒鋼的一部分進(jìn)行550℃、40分鐘保持的熱處理。另外，鋼56和57，在軋制后進(jìn)行900℃、1小時(shí)的加熱，然后在60℃的油中淬火，接著進(jìn)行570℃、1小時(shí)的回火處理。
對(duì)如此得到的棒鋼的機(jī)械性能的調(diào)查結(jié)果示于表8中。在此，拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)以和實(shí)施例1相同的條件進(jìn)行。切削性以鉆孔切削試驗(yàn)中至鉆頭破損時(shí)的總孔深度進(jìn)行評(píng)價(jià)。其切削條件，使用φ5mm的高速鉆頭，以轉(zhuǎn)速2000r/min、進(jìn)刀量0.15mm/rev、孔深度15mm/個(gè)的條件進(jìn)行。切屑處理性，以和圖2所示的實(shí)驗(yàn)相同的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表8


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如表8所示，按照本發(fā)明的鋼，不管熱鍛造后的冷卻速度如何，都得到TS≥832MPa的高強(qiáng)度。而且雖然是高強(qiáng)度，但也能確保El≥21％和RA≥62％的延性也充分高的值，韌性是122J/cm2以上，也是極良好的。進(jìn)而，鉆孔切削性與是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼的鋼54和55相比也是極良好的。
另一方面，是以往類型的非調(diào)質(zhì)鋼的鋼55的強(qiáng)度、延性和韌性，與上述的熱軋后的性能同樣地對(duì)冷卻速度的依存性大。即，是鐵素體-珠光體組織的比較鋼55，即使冷卻速度快時(shí)，TS也低到766MPa,冷卻速度變慢更低。另外，即使冷卻速度快時(shí)，韌性也是40J/cm2，冷卻速度慢時(shí)，限于30J/cm2。
這點(diǎn)，比較鋼54的強(qiáng)度和韌性的平衡在任何冷卻速度都比比較鋼55良好，但與是以往類型的調(diào)質(zhì)鋼56、57和發(fā)明鋼相比，各性能都處于低的水平。即，比較鋼55和54，雖然有能適用于冷卻速度較快的小部件的可能性，但對(duì)冷卻速度慢的大部件是不合適的。與此相反，發(fā)明鋼的機(jī)械性能或者韌性對(duì)冷卻速度的依存性極小，在部件形狀變化大的場合，例如即使是大斷面形狀的場合，也能均等地賦予足夠的強(qiáng)度、延性和韌性。
實(shí)施例3采用連續(xù)鑄造分別制造具有表2～5所示數(shù)種化學(xué)組成的鋼方坯。接著，各方坯在1200℃加熱后，利用熱軋軋成φ60mm的棒鋼后，通過使用冷鍛造裝置的前方擠壓成形成φ30～50mm的棒鋼。在此，調(diào)查棒鋼的內(nèi)部裂紋。另外，這些棒鋼的一部分進(jìn)行550℃、40分鐘保持的熱處理。
從如此得到的棒鋼切取拉伸試驗(yàn)片(JIS 4號(hào))和沖擊試驗(yàn)片(JIS 3號(hào))，調(diào)查各自的機(jī)械性能。其結(jié)果示于表9和表10中。再者，切削性以鉆孔切削試驗(yàn)中至鉆頭破損時(shí)的總孔深度進(jìn)行評(píng)價(jià)。其切削條件，使用φ4mm的高速鉆頭，以轉(zhuǎn)速1500r/min、進(jìn)刀量0.10mm/rev、孔深度12mm/個(gè)的條件進(jìn)行。切屑處理性，以和圖2所示的實(shí)驗(yàn)相同的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
關(guān)于是以往類型的調(diào)質(zhì)鋼的鋼57，在冷鍛造后，進(jìn)行865℃、1小時(shí)的加熱，然后在60℃的油中淬火，接著進(jìn)行600℃、1小時(shí)的回火處理后，同樣地進(jìn)行機(jī)械性能的評(píng)價(jià)。其結(jié)果也示于表10中。再有，在表9和表10中，鋼1～40是按照本發(fā)明的鋼，表10中的鋼57是JIS中規(guī)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼。
如表9和表10所示，本發(fā)明鋼，沒有看到在比較例的鋼57中發(fā)生的冷鍛造引起的裂紋，并且切削性和切屑處理性也良好。由此可知，本發(fā)明鋼即使作為冷鍛造性用也能使用。
進(jìn)而，本發(fā)明鋼，通過在冷鍛造后實(shí)施熱處理，也不使TS顯著降低，并能改善沖擊性能，因此對(duì)于重視韌性的用途，最好在冷加工后進(jìn)行熱處理。
表9

表10

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工業(yè)實(shí)用性如以上所述，按照本發(fā)明，原則上不需要軋制后和加工后的調(diào)質(zhì)處理，進(jìn)而在軋制或者熱加工后也不進(jìn)行冷卻速度的控制，在熱加工或冷加工的原樣材料中，能夠同時(shí)得到TS≥827MPa的高強(qiáng)度和uE20≥101J/cm2的高韌性及優(yōu)良的切削性。因此，本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)鋼，即使用于比以往的非調(diào)質(zhì)鋼大的部件時(shí)，也具有良好的強(qiáng)度和韌性的平衡，因而能夠廣泛地用于要求高強(qiáng)度、高韌性的汽車用重要安全部件，軸類，彈簧類部件，轉(zhuǎn)動(dòng)部件和滑動(dòng)部件等，以及各種機(jī)械部件。
權(quán)利要求
1．非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，含有C0.05重量％以下、Si0.005～2.0重量％、Mn0.5～5.0重量％、Ni0.1～10.0重量％、Cu1.0以上～4.0重量％、Al0.0002～1.0重量％、S0.005～0.50重量％和N0.0010～0.0200重量％的成分組成。
2．權(quán)利要求1所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有W0.5重量％以下、V0.5重量％以下和Ti0.1重量％以下的1種或2種以上的成分。
3．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1種或2種以上的成分。
4．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1種或2種以上的成分。
5．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1種或2種以上以及Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1種或2種以上的成分。
6．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1種或2種以上的成分。
7．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1種或2種以上，以及還含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1種或2種以上的成分。
8．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1種或2種以上，以及還含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1種或2種以上的成分。
9．權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，進(jìn)而含有Cr3.0重量％以下、Mo1.0重量％以下、Nb0.15重量％以下和B0.03重量％以下的1種或2種以上，還含有Zr0.1重量％以下、Mg0.02重量％以下、Hf0.1重量％以下和REM0.02重量％以下的1種或2種以上，以及還含有P0.10重量％以下、Pb0.30重量％以下、Co0.10重量％以下、Ca0.02重量％以下、Te0.05重量％以下、Se0.10重量％以下、Sb0.05重量％以下和Bi0.30重量％以下的1種或2種以上的成分。
全文摘要
提供在加工后不進(jìn)行特別的處理,能原樣不動(dòng)地供加工使用的高強(qiáng)度、高韌性、而且切削性優(yōu)良的非調(diào)質(zhì)鋼。作為成分組成,以達(dá)到C0.05重量%以下、Si0.005～2.0重量%、Mn0.5～5.0重量%、Ni0.1～10.0重量%、Cu1.0以上～4.0重量%、Al0.0002～1.0重量%、S0.005～0.50重量%和N0.0010～0.0200重量%,得到高強(qiáng)度、高韌性而且切削性優(yōu)良的非調(diào)質(zhì)鋼。
文檔編號(hào)C22C38/16GK1209846SQ9719188
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者長谷和邦, 巖本隆, 大森靖浩, 星野俊幸, 林透, 天野虔一, 藤田利夫 申請(qǐng)人:川崎制鐵株式會(huì)社