專利名稱：高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼和斷裂分割用鋼部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為斷裂分割使用的鋼部件用的原材料，在通過熱鑄造成形了鋼部 件之后，緊接著施加規(guī)定的冷卻來使用的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼；和以該非調(diào)質(zhì)鋼為 原材料制造的高強度且具備優(yōu)異的斷裂分割性的斷裂分割用鋼部件。
背景技術(shù)：
在最近的汽車發(fā)動機用鍛造部件和底盤用鍛造部件中，適用可省略調(diào)質(zhì)處理的熱 鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼(以下稱為非調(diào)質(zhì)鋼)。非調(diào)質(zhì)鋼為下述鋼，所述鋼被成分設(shè)計成使得即 使在熱鍛造后通過空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的狀態(tài)原樣即省略以往的淬火回火的調(diào)質(zhì) 處理，也可實現(xiàn)優(yōu)異的機械特性。作為廣泛適用了非調(diào)質(zhì)鋼的部件的一種，有發(fā)動機用活塞桿(以下稱為連桿)。連 桿由蓋和桿2個部件構(gòu)成，以往，分別制作蓋和桿，用螺栓連接著。但是，在該方法中，必須 高精度加工蓋和桿的接合面，耗費加工成本。因此，近年來，采用如下方法蓋和桿通過熱鍛造成型為成為一體了的形狀，其后， 在大端部內(nèi)側(cè)加工出缺口，通過沖擊拉伸，斷裂分割為蓋和桿，再度對接該斷裂面，用螺栓接合。這樣的斷裂分割連桿可以省略對接合面進行加工的加工工序，因此，不僅可以降 低成本，而且，斷面承擔(dān)施加在連桿的應(yīng)力的一部分，因此，強度優(yōu)異，由此，有可以使螺栓 和主體小型化這樣的優(yōu)點。在斷裂分割連桿廣泛普及了的歐美，最一般的斷裂分割用的非調(diào)質(zhì)鋼為含有約 0. 7質(zhì)量％的碳的高碳鋼。若做成高碳組成，則延展性降低，因此，可以得到斷裂加工變得容 易并且斷裂時的變形變小這樣的優(yōu)點，但其反面，有在屈服強度和耐久強度方面變差這樣 的缺點。在專利文獻中公開了 克服以往的高碳鋼的缺點的高強度非調(diào)質(zhì)鋼。在專利文獻1和專利文獻2中記載的熱鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼中，通過設(shè)為中碳(C: 0. 30 0. 60質(zhì)量％ )，提高屈服強度，此外，通過降低Mn含量和N含量，可以實現(xiàn)高的斷裂 性即小的斷裂變形。另外，還提出了很多種下述鋼使第2相粒子分散在鋼中，提高了斷裂性。例如，在 專利文獻3中公開了 除了低Mn化和低N化之外，還分散TiC粒子，由此，即使為C含量小 于0. 35%的低碳鋼，也可得到充分的斷裂分割性。在專利文獻4中也公開了 利用了 TiC的分散的鋼。在專利文獻4中公開了 在熱 鍛造時，由TiC產(chǎn)生的奧氏體粒的鎖定(pinning)不充分且變?yōu)榛炝?，因此，在冷卻后大的 珠光體粒相變，這可提高斷裂分割性。在專利文獻5中公開了如下切削性優(yōu)異的低延展性非調(diào)質(zhì)鋼Ti碳硫化物和ττ 碳硫化物的最大直徑為10 μ m以下，其量的和為0. 05%以上。作為提高斷裂性的手段，一般還有提高珠光體分率(分?jǐn)?shù))的方法。在專利文獻
36中公開了 將含有C :0. 2 0. 5%和V 0. 05 0. 5%且鐵素體分率為20%以下的鐵素 體_珠光體鋼適用于斷裂分割連桿。而且，在專利文獻7中公開了如下適于斷裂分割的高強度非調(diào)質(zhì)鋼鋼中的TiN夾 雜物的最大直徑為5 μ m以上，并且，其數(shù)量為5個/mm2以上，而且，珠光體分率為20%以上。另一方面，在專利文獻8中公開了如下方法使珠光體的面積率為40%以下，并 且，控制硫化物形態(tài)，由此，得到任意且凹凸大的斷面。另外，在專利文獻9中公開了如下方法添加比較大量的P，抑制斷裂時的變形。在 專利文獻10中公開了 在使珠光體分率為50%以上并且碳含量為0. 4 0. 5%的情況下， 將P設(shè)為0. 05 0. 15%是適當(dāng)?shù)?。在專利文獻11中公開了 利用Si、V、Ti、P和固溶V促進脆性破壞的方法和使用 缺口促進脆性斷裂的方法。在專利文獻12中公開了如下適于作為裂化桿(cracking rod)的原材料的非調(diào)質(zhì) 鋼為鐵素體分率為40%以上的鐵素體-珠光體組織，而且，鐵素體的硬度以維氏硬度計為 250以上，并且，鐵素體的硬度與整體硬度的比為0. 80以上。在專利文獻13中公開了如下連桿用非調(diào)質(zhì)鋼通過使根據(jù)硬度H(HRC)、P含量 (% )、和碳當(dāng)量 Ceq 計算出的 E( = 2804-1549XCeq+8862XP(% )-23. 4XH)為 150 以下， 確保了切削性和屈服強度。在專利文獻14中公開了如下熱鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼sol-Al、N和0的含量滿足 0. 01[sol-Al% ] ^
^ 1. 5[sol-Al% ]和 0. 03[N% ] ^
^ 1. 6[N% ]的條 件，在熱鍛造后，鍛造部件的斷裂分離容易。在專利文獻15中公開了如下斷裂分離性優(yōu)異的斷裂分離型連桿用壓延材料鐵 素體和珠光體的合計為95%以上，硫化物系夾雜物的平均縱橫比(aspect ratio)為10. 0 以下，并且，Pc ( = C/(l-a/100)，C:碳含量(質(zhì)量％ )、α 鐵素體分率(面積％ ))為 0. 41 0. 75，并且 Veq( = V+Ti/2+Si/20, V、Ti、Si 為含量(質(zhì)量％ ))為 0. 18 質(zhì)量％以上。若概覽到目前為止公開了的斷裂分割用連桿用鋼，則可發(fā)現(xiàn)它們在將鋼組織限定 為鐵素體_珠光體這一點上是共同的。但是，就鐵素體_珠光體組織的比率而言，存在很大 不同，有將鐵素體設(shè)為20%以下的，或?qū)⒅楣怏w設(shè)為40以下的等。提高斷裂分割性的方法多種多樣，有Ti碳硫化物的分散、Ti氮化物的分散、Mn含 量的降低、析出強化的利用和大量添加P的方法，除此之外，還有在連桿上加工出缺口的方
日本特開平10-324954號公報 日本特開平11-152546號公報 日本特開平11-315340號公報 日本特開2005-2367號公報 日本特開平11-286746號公報 日本特開2003-193184號公報 日本特開2004-277817號公報 日本特開2003-342671號公報
法等
專利文獻1
專利文獻2
專利文獻3
專利文獻4
專利文獻5
專利文獻6
專利文獻7
專利文獻8
專利文獻9 日本特開平10-219389號公報專利文獻10 日本特開2002-275578號公報專利文獻11 日本特開平9-176785號公報專利文獻12 日本特開2004-277840號公報專利文獻13 日本特開2007-119819號公報專利文獻14 日本特開2002-256394號公報專利文獻15 日本特開2007-277705號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要制造對象部件為破壞分割使用的高強度連桿，具備高強度具體來說 850MPa以上的拉伸強度(抗拉強度)和650MPa以上的0.2%屈服強度，并且，實現(xiàn)優(yōu)異的 斷裂加工性。為了滿足該要求，優(yōu)選是為盡可能低碳組成，且部件的組織為鐵素體-珠光 體組織。但是，在碳含量低的鋼中，若要得到850MPa以上的拉伸強度，則必須要增加碳以 外的合金元素量，其結(jié)果，在熱鍛造品中變得容易產(chǎn)生貝氏體。若產(chǎn)生貝氏體，則不僅斷裂 性降低，而且屈服強度和屈服比也降低，從而不能得到作為部件必要的機械特性。另外，斷裂分割性優(yōu)異的鋼材不僅在常溫而且在熱態(tài)都延展性低，原材料棒鋼的 制造時和熱鍛造時，容易產(chǎn)生損傷和/或裂紋。鋼原材料的鑄造、熱軋制和部件的熱鍛造的 容易性在工業(yè)上為非常重要的條件，鋼原材料必須要有高的熱延展性。本發(fā)明要解決的課題是提供一種如下高強度非調(diào)質(zhì)鋼和斷裂分割用鋼部件熱延 展性優(yōu)異，在熱鍛造后通過空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，穩(wěn)定成為鐵素體-珠光 體組織，斷裂分割性優(yōu)異。本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述課題，銳意進行了反復(fù)的實驗研究。其結(jié)果，得出了如下 見解1) 4)。1)若將鋼的基本成分組成設(shè)為C 0. 23 0. 35%、Si 0. 70 1. 30%、而且V 0. 27 0. 45%，且使V碳氮化物析出分散到鋼中，則強化鐵素體，屈服強度和拉伸強度提 高，并且，延展性降低。2)若將由下述式(1)定義的K值設(shè)為1. )以下，則在熱鍛造后、通過空氣冷 卻或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，可以得到鐵素體_珠光體組織。K = -0. 56X % C-0. 07X % Si+1. 3X % Μη+0. 80X % Cr-1· 80X % P+0. 19% V_5. 6X % N(1)“ ％元素標(biāo)記”為元素的鋼中含量(％ )。3)為了得到優(yōu)異的斷裂分割性，將鐵素體-珠光體組織中的鐵素體分率(所占比 例)設(shè)為60%以上。為此，必須將由下述式(2)定義的F值設(shè)為3.0 (%)以下。F = 4. 3X % C-0. 21X % Si+1. OX % Mn+1. 4X % Cr-1. 90X % P+l. 8% V_6. 6X % N(2)“％元素標(biāo)記”為元素的鋼中含量(％ )。4)為了得到優(yōu)異的熱延展性，必須將由下述式(3)或(3’)定義的R值設(shè)為35(%) 以上。


下述式
量％ )，
還含有

量％計， 上；
R = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % Si -12. OX % V-174X % Al R = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S -12. OX % V-174X % Al-86. 6X % Pb
⑶
(3，)
“％元素標(biāo)記”為元素的鋼中含量(％ )。
本發(fā)明是基于上述見解完成的，因此，本發(fā)明的要旨如下。
(1)一種高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，含有 C 0. 23 0. 35% ；
Si 0. 70 1. 30% ；
Mn 0. 76 1. 17% ；
P 0. 040 0. 080% ；
S 0. 040 0. 118% ；
Cr 0. 05 0. 20% ；
Al 0. 010% 以下；
V 0. 27 0. 45% ；和
N 0. 0050 0. 0145% ；
其余部分由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成；
由下述式⑴定義的K值為1. 3以下；由下述式(2)定義的F值為3. 0以下；和由 ⑶定義的R值為35以上； K = -0. 56X % C-0. 07X % Si+1. 3X % Μη+0. 80X % Cr -1. 80X % P+0. 19% V-5. 6X % N(1)
F = 4. 3X % C-0. 21X % Si+1. OX % Mn+1. 4X % Cr -1. 90X % P+l. 8% V-6. 6X % N(2)
R = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S -12. OX % V-174X % Al(3)
在此，％C、% Si, % Mn, % Cr, % P, % V, % N和％ S為在鋼中的含量(質(zhì) % Al為作為雜質(zhì)的含量(質(zhì)量％ )。
(2)在上述(1)中記載的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，
Ca 0. 0005 0. 0030% Zr 0. 0005 0. 0030% Te 0. 0005 0. 0030% ；和 Ti 0. 005 0. 050%中的任意1種或2種以上。
(3)在上述(1)或(2)中記載的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì) 還含有Pb :0. 010 0.050%;代替上述式(3)，由下述式(3，)定義的R值為35以
R = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S -12. OX % V-174X % Al-86. 6X % Pb
(3，)
在此，％Si、% Mn, % S, % 乂和％ Pb為在鋼中的含量(質(zhì)量％ )，％A1為作為雜質(zhì)的含量(質(zhì)量％)。(4) 一種高強度斷裂分割用鋼部件，其特征在于，為對上述(1) (3)中任意一項 記載的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼進行熱鍛造并冷卻而制造出的鋼部件，冷卻后的鋼組織 為鐵素體_珠光體組織。(5)上述(4)中記載的高強度斷裂分割用鋼部件，其特征在于，上述鋼組織的鐵素 體體積分率為60%以上。本發(fā)明的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼熱延展性優(yōu)異，在熱鍛造后通過空氣冷卻 或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，穩(wěn)定成為鐵素體_珠光體組織，斷裂分割性優(yōu)異。而且，由本 發(fā)明的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼制造的鋼部件為高強度且具有斷裂時的變形量小的優(yōu) 異的斷裂分割性，并且，充分具備制造時所必需的熱延展性。


圖1是表示用于斷裂試驗了的相當(dāng)于連桿大端部的形狀的試件的圖。(a)表示俯視圖，(b)表示側(cè)視圖。附圖標(biāo)記說明1 試件；2 孔；3 =V形槽口 ；4 貫通孔。
具體實施例方式以下，詳細(xì)說明本發(fā)明。已經(jīng)公開了數(shù)量眾多的斷裂分割用的非調(diào)質(zhì)鋼，而且，廣泛公開了這些鋼的成分 組成。但是，在這些鋼中，具備全部下述必要要件的鋼非常少，所述必要要件(a)可在工業(yè) 上進行生產(chǎn)的程度的優(yōu)異的熱延展性，(b)在熱鍛造后通過空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的 情況下，成為鐵素體_珠光體組織，(c)為高強度，和(d)斷裂分割性優(yōu)異。鐵素體-珠光體組織與回火馬氏體或貝氏體組織相比較，延展性或沖擊值低，具 有有效地抑制斷裂分割時的變形的效果。因此，本發(fā)明者們特別對下述成分組成進行研究，發(fā)明了作為高強度斷裂分割用 非調(diào)質(zhì)鋼的最優(yōu)成分組成，所述成分組成在熱鍛造后通過空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的 情況下，形成鐵素體_珠光體組織，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的熱延展性。本發(fā)明的鋼部件的第1特征為由積極利用了 V析出強化的非調(diào)質(zhì)鋼構(gòu)成，該鋼具 備鐵素體_珠光體組織。以往的斷裂分割部件常常含有少量的貝氏體，這成為斷裂分割性 和機械特性變差的原因，但在本發(fā)明中，對其加以改善，在工業(yè)生產(chǎn)中確保了穩(wěn)定的材質(zhì)。第2特征為將由本發(fā)明的鋼制造了的部件的鐵素體體積分率控制為60%以上的 非常大的值。在提高鐵素體的體積分率，且大幅度析出強化了的鋼方面，斷裂時的變形小， 抑制在斷裂正下方產(chǎn)生的剝離和/或在最終斷裂部發(fā)生的缺口。本發(fā)明的第3特征為除了對作為斷裂分割部件的材質(zhì)進行了改善之外，還對斷 裂分割用鋼一般共通的“熱延展性低”這樣的缺點進行了改善。在通常的斷裂分割用鋼中 成為大問題的是鑄造時發(fā)生的裂紋和/或損傷和其后的熱加工即原材料棒鋼的熱軋制和 部件的熱鍛造時發(fā)生的裂紋和/或損傷。在工業(yè)生產(chǎn)中，特別成問題的是鑄造時發(fā)生的裂紋和/或損傷，但到目前為止，沒有提出以解決該問題為課題的發(fā)明，而提出了多種無法容易地實現(xiàn)有效的工業(yè)生產(chǎn)的鋼。首先，在解決下述那樣的課題時，將以含V中碳鋼為中心的各種鋼作為對象，進行 再現(xiàn)熱鍛造-冷卻工序的實驗，所述課題為在通過熱鍛造成形實心部件且其后馬上通過 空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，穩(wěn)定得到鐵素體_珠光體組織。作為實驗對象的為下述成分組成的68級別的鋼，所述成分組成為C 0. 11 0. 50% (質(zhì)量％，以下相同。)、Si 0. 15 1·41%、Μη :0· 40 1· 21 %;Ρ :0·006 0· 115%, S :0. 007 0. 108%,Cr 0. 02 0. 50%,Al 0. 001 0. 034%,V 0. 20 0. 45%,Ti 0 0. 059%, Pb 0 0. 260%, Ca 0 0. 0041%和 N 0. 0022 0. 0141%。實驗使用熱加工再現(xiàn)裝置在以下條件下進行。試件做成為直徑8mm、高度12mm。將 試件加熱到1523K之后，以1. OK/s的冷卻速度進行冷卻，并且，在冷卻途中的1323K中，施 加高度比60%的壓縮加工，進而，以1. OK/s的冷卻速度，冷卻到室溫。其后，在中心線上將試件分割成兩部分，使用光學(xué)顯微鏡對試件的1/4厚度部的 組織進行觀察，判斷貝氏體組織的有無。具體來說，用光學(xué)顯微鏡以200倍的倍率對由硝酸酒精稀釋液(Nital)腐蝕了的 組織進行觀察，測定不定形的鐵素體粒的比例。作為鐵素體-珠光體組織觀察的初析鐵素體粒為白色且形成多角形的形狀，但在 同樣白色且微量的碳化物析出了的不定形的組織顯現(xiàn)出來了的情況下，可判斷其為貝氏 體。所謂不定形基本上表示在粒界存在凹凸的形狀或變化為針狀的形狀。在本發(fā)明中，設(shè)定在貝氏體粒占初析鐵素體粒和貝氏體粒的總數(shù)的比例小于 3%的時，組織為鐵素體-珠光體組織。若貝氏體粒所占比例小于3%，則對材質(zhì)幾乎沒有影 響。根據(jù)經(jīng)驗，已知C、Si、Mn、Cr、P、V和N與貝氏體相變相關(guān)，因此，通過多重回歸分析 調(diào)查這些元素的量和貝氏體分率的關(guān)系，了解到在由下述式(1)定義的K值為1.30(%) 以下時，貝氏體分率變?yōu)?%以下。因此，將該K值限定在1.3以下。K = -0. 56X % C-0. 07X % Si+1. 3X % Μη+0. 80X % Cr-1. 80X % P+0. 19% V-5. 6X % N(1)在此，％ C、% Si, % Mn, % Cr, % P, % V和％ N為在鋼中的含量(質(zhì)量％ )。K值的下限取決于各元素的下限量，因此，不用規(guī)定。另外，在本發(fā)明作為對象的部件中，在熱鍛造之后馬上進行的冷卻中，以1073 637K的平均冷卻速度(用溫度差400K除以溫度從1073K降低到673K所經(jīng)過的時間的值) 為2. OK/s以下為前提，但，在通過熱加工再現(xiàn)裝置的單純加熱-等速度冷卻再現(xiàn)以平均冷 卻速度2. OK/s進行了空氣冷卻的實心部件的組織和硬度方面，將γ化之后的平均冷卻速 度設(shè)為1. OK/s是適當(dāng)。接著，對組織對斷裂性產(chǎn)生的影響進行討論。作為試件的原材料，使用在求出上述K值中所使用了的68級別的鋼中的處于如 下范圍的30級別的鋼；所述范圍為C :0. 20 0.40% (質(zhì)量％、以下相同。)、Cr:0.02 0. 20%, Al 0. 010% 以下、Ti 0 0. 030%, Pb 0. 10% 以下。在用實驗爐熔解16kg的這些鋼原材料、鑄造成為鑄塊之后，熱加工成截面 25 X IOOmrn的板材。
而且，為了再現(xiàn)熱鍛造工序，以IOOmm的長度切斷該板狀原材料，5分鐘加熱到 1503K 了之后，對其吹風(fēng)速5m/s的風(fēng)，冷卻到室溫。冷卻后，加工成模仿圖1(a)中所示的鑄塊的大端部的形狀的試件1。在內(nèi)徑的以 180°相對的2個部位形成有深度1.0mm且前端曲率0.5mm的45°的V形槽口 3。而且，如 圖1 (b)所示，直徑8. Omm的貫通孔4形成為中心線位于距離槽口加工側(cè)的側(cè)面8. Omm的位置。與斷裂性相關(guān)的試驗如下。即，在測定了如圖1所示的試件的內(nèi)徑之后，沿圖1的 上下方向?qū)⒃嚰度敕指钣玫姆指钅＞?，在形成在分割模具的中央了的楔承接口插入楔?在楔上從40mm高度落下200kg的重物，使試件在缺口位置沖擊性斷裂。另外，分割模具位于軌道上，為一方固定且另一方在軌道上滑動的結(jié)構(gòu)，為了使在 斷裂后分割為兩部分了的試件不從分割模具脫離，試件由螺栓固定在分割模具。試驗前后的變形量設(shè)為內(nèi)徑的變化量的合計。具體來說，斷裂后，使斷面部對接， 再結(jié)合_螺栓連接了之后，測定試件的內(nèi)徑，求出與預(yù)先測定了的初期狀態(tài)的內(nèi)徑的差，將 上下和左右方向的差的合計設(shè)為變形量。判斷為內(nèi)徑變形量越小，則斷裂性越高。另外，在距離試件的斷面5mm的截面，測定硬度，用光學(xué)顯微鏡測定鐵素體體積分 率。在試件斷裂前后，調(diào)查內(nèi)徑差、硬度和鐵素體的體積分率的關(guān)系。其結(jié)果，明確了 斷裂前后的內(nèi)徑差受拉伸強度和鐵素體的體積分率的影響很大。S卩，明確了 在整體的拉伸強度高并且鐵素體適度存在的情況下，特別是在鐵素體 體積分率為60%以上的情況下，沖擊斷裂了時的變形量為0. IOOmm以下，充分小。接著，使用與求出K值時相同的68級別的鋼，調(diào)查鋼的合金元素量對鐵素體體積 分率所產(chǎn)生的影響。試件為直徑8mm且高度12mm的形狀，使用熱加工再現(xiàn)裝置，將該試件加熱到 1503K，其后，以1. OK/s的冷卻速度進行冷卻，并且，在冷卻途中的1323K，施加高度比60% 的壓縮加工，進而，以1. OK/s的冷卻速度冷卻到室溫。其后，在中心線上將試件分割為兩部分，使用光學(xué)顯微鏡觀察試件的1/4厚度部 的組織，調(diào)查鐵素體體積分率。根據(jù)經(jīng)驗，已知C、Si、Mn、Cr、P、V和N與鐵素體相變相關(guān)，因此，通過多重回歸分 析求出這些合金元素的量和鐵素體分率的關(guān)系。其結(jié)果，了解到由下述式(2)定義的F值為3.0(%)以下的情況下，鐵素體分率 變?yōu)?0%以上，斷裂變形量為與下述情況同等以下的良好的值，所述情況為以含有0. 7質(zhì) 量％的C的斷裂分割用的現(xiàn)存非調(diào)質(zhì)鋼為原材料。由此，將F值限定在3.0以下。另外，在本發(fā)明的C量的下限0. 23 %，鐵素體量為最大75 %左右。F = 4. 3X % C-0. 21X % Si+1. OX % Mn+1. 4X % Cr-1. 90X % P+l. 8% V_6. 6X % N(2)在此，％ C、% Si, % Mn, % Cr, % P, % V和％ N為在鋼中的含量(質(zhì)量％ )。F值的下限取決于各元素的下限量，因此，不用規(guī)定。而且，通過熱拉伸試驗評價成為鋼坯的制造性指標(biāo)的熔融-凝固之后緊接的期 間的熱延展性。
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供試驗用鋼為如下成分組成的96級別的鋼，所述成分組成為C 0. 11 0. 50% (質(zhì)量 ％，以下相同)、Si 0. 15 1. 41 %、Mn 0. 17 2. 46%、P 0. 006 0. 115 %、S 0. 007 0. 108 Cr 0. 02 1. 00 %、Al 0. 001 0. 034 %、V :0 0. 45 %、Ti 0 0. 059%, Pb 0 0. 260%, Ca 0 0. 0041%和 N 0. 0022 0. 0141%。試件制成直徑1.0mm且長度IOOmm的棒狀，用石英管覆蓋試件的中央部，安裝有熱 電偶。將其安裝于具備拉伸裝置的通電加熱裝置，一邊用銅的水冷帶冷卻兩端部，一邊通電 加熱。通過通電，對試件中央部進行加熱并使其熔融，保持60s之后，以lOK/s冷卻到一 定值溫度(1473K、1373K和1273K)，在各溫度保持30s，其后，以變形速度0. 005mm/s進行拉 伸，使其斷裂。作為熱延展性的指標(biāo)，采用斷裂后的收縮值?？梢耘袛嘣撌湛s值小的鋼，在連鑄 時容易產(chǎn)生裂紋和/或損傷。在這些試驗中，將在拉伸斷裂溫度1473K、1373K和1273K的收縮值設(shè)為獨立變量， 將合金元素設(shè)為從屬變量，進行多重回歸計算，求出在多重回歸式中的各元素的多重相關(guān) 系數(shù)(僅在統(tǒng)計上判斷為有意義的元素)與常數(shù)的平均值，使用這些數(shù)值，得到由下述式 (3)或(3，)定義的R(%)。R(% ) = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S-12. OX % V-174X % Al(3)R(% ) = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S-12. OX % V-174X % Al-86. 6X % Pb(3，)在此，％Si、% Mn, % V, % Al, % Pb和％ S為在鋼中的含量(質(zhì)量％ )。通過連鑄，鑄造連鑄坯時，為了防止裂紋和/或損傷，收縮值越高越有利。裂紋和/ 或損傷的發(fā)生的容易程度還受鑄造機的結(jié)構(gòu)和鑄造條件的影響，調(diào)查各種低熱延展性的鋼 的收縮值與裂紋、損傷發(fā)生頻率的關(guān)系。其結(jié)果，了解到若收縮值為35%以上，則可以充分降低連鑄時的裂紋和/或損傷 的發(fā)生。因此，將由上述式⑶或(3’)求出的R值限定在35以上。另外，R值的上限取決 于各元素的量，因此，不用特別規(guī)定。接著，對本發(fā)明的鋼的合金組成的限定理由進行說明，以下，％是表示質(zhì)量％。C :0. 23 0.35%為了確保部件的拉伸強度和硬度，并且，得到良好的斷裂性，C必須要0.23%以 上。另一方面，若增多C，則珠光體增加，屈服比降低。因此，即使調(diào)整合金元素提高拉伸 強度和硬度，也不僅屈服強度不怎么提高，而且，斷裂性和切削性降低，因此，將上限限定在 0.35%。另外，C與V形成碳化物，析出強化鐵素體。優(yōu)選是為0.28 0.32%。Si :0. 70 1. 30%Si為促進鐵素體相變且增加鐵素體分率所必需的元素。另外，Si固溶強化鐵素 體，并且降低延展性。為了降低鐵素體的延展性，必須要0. 70%以上。但是，若超過1.30%， 則熱延展性降低。從確保熱延展性的角度出發(fā)，優(yōu)選是為1.05%以下。更為優(yōu)選是為 0. 80 1. 05%。Mn :0. 76 1. 17%
Mn為固溶強化元素，同時，為促進貝氏體相變的元素。為了防止貝氏體的發(fā)生，將 上限設(shè)為1.17%。另外，Mn將鋼中的S固定為硫化物，對于提高熱延展性是必要的。為了 得到穩(wěn)定且高的熱延展性，將下限限定在0. 76%。優(yōu)選是為0. 80 1. 00%。P :0. 040 0. 080%P為促進鐵素體相變和抑制貝氏體相變的元素。為了得到抑制貝氏體相變的效果， 必須要0. 040%以上。在大量添加了的情況下，熱延展性降低，變得容易產(chǎn)生裂紋或損傷，因 此，將上限限定在0.080%。從確保熱延展性的角度出發(fā)，優(yōu)選是為小于0.065%。更為優(yōu) 選是為 0. 045 0. 062%。S :0. 040 0. 118%S為與Mn結(jié)合形成MnS粒子提高切削性的元素。為了得到充分的切削性，將下限 設(shè)為0. 040 %。但是，在大量添加了的情況下，機械特性的異向性變大，因此，將上限設(shè)為 0.118%。優(yōu)選是 0. 060 0. 110%。Cr :0. 05 0. 20%Cr與Mn同樣為固溶強化元素，同時，為促進貝氏體相變的元素。為了確保拉伸強 度和硬度，添加0. 05%以上，但是，Cr與Mn相比，促進貝氏體相變的效果高，因此，為了抑制 貝氏體，限定在0. 20%以下。優(yōu)選是為0.08 0. 16%。V :0. 27 0.45%V為如下元素形成碳氮化物，析出強化鐵素體，提高屈服強度和拉伸強度，并且， 降低延展性。另外，V的碳氮化物具有促進鐵素體相變的作用，因此，低延展性的微細(xì)鐵素 體增大。其結(jié)果，斷裂變形降低，并且，剝離等的斷面的偏差也減小。為了得到這些的充分效果，將V限定在0.27%以上。但是，若超過0.45%，則效 果飽和，成本也變高，因此，將上限設(shè)為0. 45%。優(yōu)選是為0. 30 0. 41%，更為優(yōu)選是為 0. 32 0. 37%。N :0. 0050 0. 0145%N主要是形成V氮化物和/或V碳氮化物來進行抑制貝氏體相變和促進鐵素體相 變的元素。為了得到這些的充分的效果，將下限設(shè)為0. 0050%。若過多添加，則熱延展性降 低，變得容易產(chǎn)生裂紋或損傷，因此，將上限設(shè)為0. 0145%。優(yōu)選是為0. 0055 0. 0135%。本發(fā)明以上述成分組成為基本成分，而且，還選擇性地含有其他元素。以下，對選 擇元素進行說明。選擇元素為=Ca0. 0005 0. 0030 Zr 0. 0005 0. 0030 Te 0. 0005 0. 0030%和Ti 0. 005 0. 050%中的任意1種或2種以上。Ca.Zr.Te和Ti都為使硫化物微細(xì)化的元素。本發(fā)明中的微細(xì)硫化物的分散防止 熱鍛造之后緊接著的期間的奧氏體組織的粗大化，其結(jié)果，促進鐵素體相變。另外，通過促進鐵素體相變，抑制貝氏體相變。要期待這些效果，Ca、&和Te必須 添加0. 0005%以上，Ti必須添加0. 005%以上。但是，在大量添加了的情況下生成的粗大的氧化物和/或硫化物成為熱延展性和 切削性降低的要因，因此，將Ca,Zr和Te的上限設(shè)為0. 0030%，將Ti的上限設(shè)為0. 050%。Ti具有使硫化物微細(xì)化抑制貝氏體相變的效果，另一方面，優(yōu)先形成氮化物，因 此，若過多添加，則會出現(xiàn)如下不期望的現(xiàn)象使V氮化物的生成量降低，鐵素體量降低。因此，在添加Ti的情況下，更加優(yōu)選是添加0. 040%以下。Pb :0. 010 0. 050%Pb是為了提高切削性而添加的元素。但是，Pb有降低熱延展性的效果，因此，限定 在0.050%以下。為了得到充分的提高切削性的效果，必須要0.010%以上。對其他的不可避免含有的元素進行說明。Al :0. 010% 以下Al如上述式(3)和式(3’ )中所示那樣，成為熱延展性降低的要因，因此，不主動 添加。Al作為Al氧化物分散在鋼中，降低切削性，因此，不添加Al的一方對為了確保切削 性也是有效的。將作為不可避免的雜質(zhì)的Al設(shè)為0. 010%以下。Cu 0. 15% 以下、Ni 0. 15% 以下、Mo 0. 01% 以下Cu、Ni和Mo為可以任意含有的元素。若為微量，則對連桿的材質(zhì)不會產(chǎn)生特別的 影響，但都提高回火性，促進貝氏體的相變。在防止貝氏體組織的生成方面，作為不可避免 的雜質(zhì)含有的Cu和Ni都優(yōu)選是為0. 15%以下，Mo優(yōu)選是為0. 01 %以下。Nb與V同樣為具有析出強化、組織微細(xì)化的效果的元素，可將V的一部分置換為 Nb。但是，Nb碳氮化物與V碳氮化物相比較，固溶溫度高，在原材料棒鋼的制造工序中容易 粗大化，因此，在本發(fā)明中，不主動添加。以上，對本發(fā)明主要著眼于連桿進行了說明。目前，除了連桿以外，斷裂分割技術(shù) 還沒有普及，但本發(fā)明可適用于與連桿同樣必須以準(zhǔn)確的尺寸精度進行連接的部件或在 維修作業(yè)上反復(fù)進行拆卸和安裝的部件。實施例以下，基于實施例，對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。將表1中所示成分組成的本發(fā)明鋼(實施例1 24)和比較鋼(比較例26 39 和以往材料)各16kg分別在真空熔解爐中制成熔解鑄塊。將這些熔解鑄塊加熱到1493K， 并鍛造拉伸成為直徑55mm的棒鋼，其后，放置冷卻，將其作為評價用原材料。表1如下
電偶。將其安裝在具備拉伸裝置的通電加熱裝置，一邊用銅的水冷帶冷卻兩端部，一邊 通電加熱，熔融試件中央部，保持了 60s之后，以lOK/s冷卻到1273K，使其凝固，在1273K保 持30s，其后，以拉伸速度0. 005mm/S進行拉伸，使其斷裂，測定斷裂后的收縮值。另外，為了調(diào)查使用原材料棒鋼了的連桿的組織、機械特性和斷裂性，通過熱鍛造 制作相當(dāng)于鍛造連桿的試件。具體來說，將直徑55mm的原材料棒鋼加熱到1503K 了之后，與棒鋼長度方向垂直 地進行鍛造，制成厚度20mm，接著，通過鼓風(fēng)冷卻，冷卻到室溫。在冷卻中，從1073K到673K 之間的平均冷卻速度為1. 7K/s。由冷卻后的鑄造材料加工出(1)拉伸試件和(2)相當(dāng)于連桿大端部的形狀的斷 裂試件。圖1中示出了相當(dāng)于連桿大端部的形狀的斷裂試件的形狀尺寸。如圖1(a)所示，試件1在80mmX80mm且厚度18mm的板形狀的中央部開有直徑 50mm的孔2，在直徑50mm的孔內(nèi)面上，在與鑄造前的原材料棒鋼的長度方向垂直的方向且 在以180°相對的2部位加工出深度1.0mm且前端曲率0.5mm的45°的V形槽口 3。而且，如圖1(b)所示，將直徑8.0mm的貫通孔4形成為中心線位于距離槽口加工 側(cè)的側(cè)面8. Omm的位置。試驗裝置由分割模具和落錘試驗機構(gòu)成。分割模具為在長方形的鋼材上將成形了 的圓柱沿中心線分割成兩部分的形狀，且一方固定，另一方在軌道上移動。在2個半圓柱的 對接面加工有楔孔。在斷裂試驗時，將試件嵌入到該分割模具，插入楔，并設(shè)置在落錘下。落錘重 200kg，為沿導(dǎo)軌落下的結(jié)構(gòu)。若使落錘落下，將楔打入，試件被拉伸斷裂為兩部分。另外，為了使試件在斷裂時 不從分割模具脫離，以將試件按壓在分割模具的方式固定著其周圍。在實施例中，以落錘高度IOOmm進行斷裂，對接斷裂后的試件，用螺栓連接，測定 斷裂方向和與斷裂方向垂直的方向的內(nèi)徑變化。另外，對距離斷裂面5mm的截面用光學(xué)顯微鏡測定鐵素體體積分率，并且，用與上 述方法相同的方法，觀察微觀組織，判斷貝氏體組織的有無。S卩，用光學(xué)顯微鏡以200倍的倍率對由硝酸酒精稀釋液(Nital)腐蝕了的組織進 行觀察，將白色且微量的碳化物析出了的不定形的粒作為貝氏體粒來計數(shù)。定義為在貝氏體粒占初析鐵素體粒和貝氏體粒的總數(shù)的比例為小于3%時，視 為沒有貝氏體組織，為鐵素體_珠光體。在表2中，與K值、F值和R值一起示出了熱拉伸試驗后的收縮值、鍛造連桿再現(xiàn) 材料的貝氏體的有無、常溫下的拉伸試驗結(jié)果和斷裂試驗后的變形量(XY方向的內(nèi)徑變化 量的合計)表2如下
NO. 1 24是本發(fā)明例。都沒有出現(xiàn)貝氏體組織，鐵素體分率為61 %以上，熱拉伸 試驗的收縮值為37%以上，良好。另外，常溫拉伸試驗的拉伸強度和0.2%屈服強度分別為
865MPa以上、693MPa以上，實現(xiàn)了作為本發(fā)明的目標(biāo)的850MPa以上的拉伸強度和650MPa 以上的0.2%屈服強度。與此相對，雖然以往的鋼C70S6含C量多，因此，拉伸強度(TS)高，為995MPa，但 是，0. 2%屈服強度低，為622MPa。在No. 26 39的比較鋼中，在K值大的No. 26、27和32中，貝氏體組織相變，斷裂 實驗的變形量變大。另外，在No. 27、28和32中，F(xiàn)值大，鐵素體分率低，仍然斷裂變形量大。No. 29、30、31、38和39都R值低，熱拉伸試驗的收縮值為小于35%，因此，工業(yè)上 的鋼材制造困難。No. 33 37 雖然R值大，但大量添加有Ca、&和/或Te，熱拉伸試驗的 收縮值低。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性如上述，本發(fā)明的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼熱延展性優(yōu)異，在熱鍛造后通過空 氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，穩(wěn)定成為鐵素體_珠光體組織，斷裂分割性優(yōu)異。而 且，由本發(fā)明的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼制造的鋼部件為高強度，且具有斷裂時的變形 量小的優(yōu)異的斷裂分割性，并且，充分具備制造時所必需的熱延展性。因此，本發(fā)明的產(chǎn)業(yè) 上的利用可能性高。
權(quán)利要求
一種高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，含有C0.23～0.35％、Si0.70～1.30％、Mn0.76～1.17％、P0.040～0.080％、S0.040～0.118％、Cr0.05～0.20％、Al0.010％以下、V0.27～0.45％、和N0.0050～0.0145％，其余部分由Fe以及不可避免的雜質(zhì)組成，由下述式(1)定義的K值為1.3以下，由下述式(2)定義的F值為3.0以下，并且，由下述式(3)定義的R值為35以上，K＝-0.56×％C-0.07×％Si+1.3×％Mn+0.80×％Cr -1.80×％P+0.19％V-5.6×％N (1)F＝4.3×％C-0.21×％Si+1.0×％Mn+1.4×％Cr-1.90×％P+1.8％V-6.6×％N (2)R＝46.7-7.4×％Si+37.7×％Mn-349×％S-12.0×％V-174×％Al (3)其中，％C、％Si、％Mn、％Cr、％P、％V、％N和％S為在鋼中的含量(質(zhì)量％)，％Al為作為雜質(zhì)的含量(質(zhì)量％)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，還含 有 Ca 0. 0005 0. 0030%,Zr 0. 0005 0. 0030%,Te 0. 0005 0. 0030%和 Ti 0. 005 0. 050%之中的任1種或2種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計， 還含有Pb :0. 010 0.050% ；代替所述式(3)由下述式(3，)定義的R值為35以上，R = 46. 7-7. 4X % Si+37. 7X % Mn-349X % S-12. OX % V-174X % Al-86. 6X % Pb(3，)其中，％Si、% Mn, % S, % 乂和％ Pb為在鋼中的含量(質(zhì)量％ )，％ Al為作為雜 質(zhì)的含量(質(zhì)量％)。
4.一種高強度斷裂分割用鋼部件，其特征在于，是對權(quán)利要求1 3中任一項所述的 高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼進行熱鍛造并冷卻而制造出的鋼部件，冷卻后的鋼組織為鐵素 體_珠光體組織。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度斷裂分割用鋼部件，其特征在于，所述鋼組織的鐵素 體體積分率為60%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強度斷裂分割用非調(diào)質(zhì)鋼，其以質(zhì)量％計，含有C0.23～0.35％、Si0.70～1.30％、Mn0.76～1.17％、P0.040～0.080％、S0.040～0.118％、Cr0.05～0.20％、Al0.010％以下、V0.27～0.45％和N0.0050～0.0145％，其余部分由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成；并且，3個成分組成限制公式的值滿足所需要的值，確保熱延展性，在熱鍛造后通過空氣冷卻或風(fēng)冷進行了冷卻的情況下，由鐵素體分率60％以上的鐵素體-珠光體組織構(gòu)成。
文檔編號C22C38/60GK101883874SQ200980101199
公開日2010年11月10日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者寺本真也, 福田晉作, 高田啟督 申請人:新日本制鐵株式會社;五十鈴自動車株式會社