JP2004190049A - Pb-FREE STEEL WITH EXCELLENT BREAKING AND SPLITTING PROPERTY AND MACHINABILITY - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、破断分割型コネクティングロッド(通称:かち割りコンロッド)などのように破断分割性及び被削性が求められる鋼部品を製造するのに有用なPbフリー鋼(Pb無添加鋼)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
コネクティングロッド(略称:コンロッド)はピストンの動きをクランクに伝える自動車部品であり、コネクティングロッド本体(略称:コンロッド本体)とコネクティングロッドキャップ(略称:コンロッドキャップ)との2つの部品から構成される。前記コンロッドは、クランクを挟んで、前記コンロッド本体とコンロッドキャップとを嵌め合わせることにより、クランクに取り付けられている。
【0003】
従来、コンロッド本体とコンロッドキャップとは鍛造等によって別々に製造されている。しかしこのようにして作られたコンロッド本体及びコンロッドキャップは、嵌合性を高めるため嵌合面を精密加工する必要がある。また合わせ面がずれないようにピン加工が行われることが多く、製造が煩雑である。
【0004】
近年、コンロッド本体とコンロッドキャップとを鍛造等により一体成形し、この一体成形体に衝撃を加え、コンロッド本体とコンロッドキャップとに分割(破断)することにより、コンロッドを製造することが行われており(例えば、特許文献1参照)、本明細書では、このようにして得られるコンロッドを破断分割型コネクティングロッド(通称:かち割りコンロッド)と称する。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−73141号公報(従来技術の欄)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記かち割りコンロッドは、破断分割性[破断分割面(破面)の嵌合性、破断分割時の低変形性(真円度)など]を高めることが重要である。また、かち割コンロッドでは、クランクを挟み込む部分(空孔部)を、鍛造後であって破断分割前に、切削によって形成している。従って被削性に優れていることも重要である。被削性を向上するため、従来はPb添加鋼が多用されているものの、環境面の配慮から近年はPbフリー鋼が求められている。
【0007】
そこで本発明者らは、Pbフリー鋼の破断分割性と被削性を高めるべく検討を開始した。
【0008】
本発明者らは、前記目的のため、まずC及びVを必須添加元素として指定した。C及びVは鋼の靭性を低下させ、破断分割性を高めるのに重要だからである。しかしCを添加すると、硬質のセメンタイトを増加させてしまうため、鋼の被削性を下げてしまう。そこで被削性を補うべく、Sを添加することとした。Sは、Pbに代わって被削性を高めるのに重要だからである。しかしSを添加すると、鋼中に通常存在するMnと結合し、MnSが形成されてしまう。このMnSは、かち割コンロッドの原料鋼片を製造する際に圧延方向に細長く伸びるため、破断分割前には破断方向(一体成形体の厚さ方向)と直交する方向に伸びていることとなる。そのため破断分割しようとしても、破断の進行を前記MnSが遮ってしまい、破断分割性が低下してしまう。従ってSを添加するとしても、破断分割性を維持するためには、その使用量は抑制しなければならない。
【0009】
そこでSの添加と共に、Ca及びMgをも添加することとした。Ca及びMgは、それ自身、被削性を向上するのに有用であり、しかも、前記MnSの異方性(アスペクト比)を小さくする効果も有している。従って破断分割性を向上させるのにも有用である。しかしCa及びMgを過剰に添加しても被削性向上効果が飽和してしまうため、さらなる被削性向上元素の添加が求められる。
【0010】
そこで本発明者らはBiの添加に着目した。Biも被削性向上に有効な元素だからである。
【0011】
ところが前記C、Mn、V、S、Ca、Mgを所定量含有する鋼においてBiを添加すると、このBi添加鋼材を連続鋳造によって製造する際に、内部割れが生じることが判明した。
【0012】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、連鋳内部割れ抑制能に優れ、かつ破断分割性と被削性に優れたPbフリー鋼を提供する点にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、C、Mn、V、S、Ca、Mg及びBiを所定量含有する鋼においては、MnとSの比(Mn/S)と内部割れとの間に高い相関関係があり、かつ比Mn/Sを17.5以上にすると急激に内部割れが少なくなることを見出し、本発明を完成した。
【0014】
すなわち、上記目的を達成し得た本発明の破断分割性及び被削性に優れたPbフリー鋼とは、質量%で(以下、同じ)、
C :0.2〜0.6%、
V :0.1%以上、
Mn:0.5〜2%、
S :0.03〜0.1%、
Ca:0.0003%以上、
Mg:0.0003%以上、
Bi:0.01〜0.3%を含有し、
前記MnとSの質量比(Mn/S)が17.5以上である点に要旨を有するものである。前記Pbフリー鋼は、耐力や疲労強度を高めるためCrを0.01〜1%程度含有しているのが望ましい。前記Pbフリー鋼は、通常、下記の範囲でSi、P、Al、及びNを含有している。
【0015】
Si:0.6%以下(0%を含まない)
P :0.1%以下(0%を含まない)
Al:0.05%以下(0%を含まない)
N :0.02%以下(0%を含まない)
本発明のPbフリー鋼は、さらに下記式で定義される炭素当量Ceqが0.8以上であるのが望ましい。Ceqが大きいほど引張強度を高めることができる。
【0016】
Ceq=[C]+0.28×[Mn]−1.03×[S]+0.323×[Cr]+1.69×[V]
[式中、[C]、[Mn]、[S]、[Cr]、[V]は、それぞれC、Mn、S、Cr、及びVの鋼中含有量(質量%)を示す]
本発明には、前記Pbフリー鋼から得られる破断分割型コネクティングロッドも含まれる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のPbフリー鋼は、連続鋳造によって製造しても内部割れが実質的に発生せず、しかも破断分割性と被削性に優れている。従って本発明のPbフリー鋼は、変形処理(熱間鍛造などの熱間加工処理など)、切削処理、破断分割処理などを行うことによって得られる鋼製品(破断分割型コンロッドなど)を製造するのに有用である。
【0018】
以下、本発明について詳細について説明する。まず本発明のPbフリー鋼は、C、V、Mn、S、Ca、Mg、及びBiを含有している。これら元素の添加理由と含有量は、以下の通りである。
【0019】
C :0.2〜0.6%(質量%の意。以下、同じ)
Cは鋼製品(例えば、コンロッドなど)の強度を確保する点、及び破断分割性を高める点で有用な元素である。従ってCの含有量は、0.2%以上程度、好ましくは0.25%以上、さらに好ましくは0.30%以上とする。一方Cが過剰となると、鋼の被削性が低下する。従ってCの含有量は、0.6%以下程度、好ましくは0.5%以下程度、さらに好ましくは0.4%以下程度とする。
【0020】
V :0.1%以上
Vも鋼製品の強度を確保する点、及び破断分割性を高める点で有用な元素である。従ってVの含有量は、0.1%以上程度、好ましくは0.15%以上、さらに好ましくは0.20%以上とする。一方Vを過剰に添加しても、その添加効果は飽和する。Vの上限は常識レベルである限り特に限定されないが、好ましくは0.5%以下程度、さらに好ましくは0.4%以下程度、特に0.35%以下程度とする。
【0021】
Mn:0.5〜2%
Mnは鋼溶製時における脱酸及び脱硫元素として有効な元素であり、また鍛造品のパーライト焼入性を高めてパーライト量を増加させ、パーライト中のラメラー間隔を細かくすることにより、鋼製品の耐力や疲労強度等を増大するのにも有効な元素であるため、通常、鋼中に含有されている。Mnの含有量は、0.5%以上、好ましくは0.6%以上、さらに好ましくは0.65%以上程度である。一方、Mnを過剰に添加すると、鋼を熱間鍛造して冷却した後の金属組織中にベイナイトが生成するため、鋼の被削性及び破断分割性を低下させる。従ってMnの含有量は、2%以下、好ましくは1.8%以下、さらに好ましくは1.7%以下程度とする。
【0022】
S :0.03〜0.1%
SはPbフリー鋼の被削性を向上させるのに特に有用な元素である。従ってSの含有量は、0.03%以上、好ましくは0.035%以上、さらに好ましくは0.038%以上である。一方、Sを大量に添加するとMnSの生成量が増大する。このMnSは鋼片を製造する際に圧延方向に細長く延びる。従って前記鋼材をコンロッドの外形(概略棍棒形)に熱間鍛造し、その太径部にクランクを通す為の穴を切削形成して粗形コンロッドとし、この粗形コンロッドの軸部に対して略直交する面に沿って粗形コンロッドの穴部分を破断分割してコンロッドを製造する際に、MnSは破断方向と略直交する方向に細長く配列しており、破断の進行を遮るため、破断分割性を低下させる。従ってSの含有量は、0.1%以下程度、好ましくは0.09%以下程度、さらに好ましくは0.085%以下程度とする。
【0023】
Ca:0.0003%以上
Mg:0.0003%以上
Ca及びMgは、硫化物系介在物を形成すると共に、AlやSiなどと複合酸化物を生成し、被削性を向上するのに有用であるため、Sを大量に添加できない本発明の鋼の被削性をさらに向上させるためには必須の元素である。またCa及びMgは、MnSの異方性を下げる(球状化する)ため、Sの添加によって低下する破断分割性を回復するのにも有用である。加えてCa又はMgを単独で添加する場合には、大きなMnSを球状化できないのに対して、Ca及びMgを複合添加すると、Mgの作用によってMnSが微細分散され、かつCaが球状化に極めて有効に寄与するため、大きなMnSをも球状化でき、破断分割性を著しく回復させることができる。従ってCaの含有量は、0.0003%以上、好ましくは0.0004%以上、さらに好ましくは0.0005%以上程度とし、Mgの含有量は、0.0003%以上、好ましくは0.0004%以上、さらに好ましくは0.0005%以上とする。一方Ca及びMgを大量に添加してもその添加効果は飽和する。Ca及びMgの含有量の上限は常識レベルである限り特に限定されないが、好ましくは、Caの含有量は0.01%以下程度(例えば、0.005%以下程度、特に0.003%以下程度)であり、Mgの含有量は0.01%以下程度(例えば、0.005%以下程度、特に0.003%以下程度)である。
【0024】
Bi:0.01〜0.3%
Biも被削性を向上するのに有用である。特に、破断分割性の観点から快削性元素Sを大量に添加できず、しかも被削性向上効果が飽和してしまうCa及びMgを添加する本発明においては、Biを添加して被削性をさらに高めることは重要である。Biの含有量は、0.01%以上、好ましくは0.02%以上、さらに好ましくは0.025%以上、特に0.03%以上(例えば0.04%以上)程度とする。一方、Biを過剰に添加すると鋼材の熱間加工性を劣化させる。従ってBiの含有量は0.3%以下、好ましくは0.2%以下、さらに好ましくは0.15%以下程度とする。
【0025】
なお本発明の鋼は実質的にPbを含有していない一方、通常はSi、P、Al、及びNを含有している。これらSi、P、Al及びNの含有量は常識レベルであれば特に限定されないが、好ましくは以下の通りである。
【0026】
Si:0.6%以下(0%を含まない)
Siは鋼溶製時において脱酸の為に添加されるため、鋼中に残存する元素である。Si含有量が過剰になると、鋼材の加工性を劣化させるため、Siの含有量は、例えば、0.6%以下程度、好ましくは0.5%以下程度、さらに好ましくは0.4%以下程度とする。なおSiは、鋼材のフェライト地に固溶して鋼製品を強化するのに有用であるため、積極的に残存させてもよい。この場合、Siの含有量は、例えば、0.01%以上程度、好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.1%以上とする。
【0027】
P :0.1%以下(0%を含まない)
Pは鋼材に不可避的に残存する不純物であり、その含有量が多いと鋼材の加工性が低下する。従ってPの含有量は、例えば、0.1%以下程度、好ましくは0.07%以下程度、さらに好ましくは0.05%以下程度とする。なおPは粒界に偏析して靭性を低下させるため、破断分割性を向上するのに有用である。かかる観点からPを所定量以上残存させてもよく、例えば、Pの含有量を0.01%以上程度、好ましくは0.015%以上程度、さらに好ましくは0.018%以上程度とする。
【0028】
Al:0.05%以下(0%を含まない)
Alは製鋼時に脱酸の為に添加されるため、鋼中に残存する元素である。Al含有量が過剰になると、鋼材の加工性を劣化させるため、Alの含有量は、例えば、0.05%以下程度、好ましくは0.03%以下程度、さらに好ましくは0.01%以下程度とする。なおAlは、鋼の脱酸の安定化及び均質化に有用であるだけでなく、窒化物を生成して結晶粒を微細化し、鋼製品の強度を高めるのに有用であるため、積極的に残存させてもよい。この場合、Alの含有量は、例えば、0.0005%以上、好ましくは0.001%以上、さらに好ましくは0.003%以上程度とする。
【0029】
N :0.02%以下(0%を含まない)
Nは鋼材に不可避的に残存する不純物であり、その含有量が多いと鋼材の加工性に悪影響を及ぼす場合がある。従ってNの含有量は、例えば、0.02%以下程度、好ましくは0.015%以下程度、さらに好ましくは0.010%以下程度とする。なおNは、VやAlと窒化物を形成し、フェライト強度の確保や結晶粒の粗大化を防止するのに有効である。かかる観点からNを所定量以上残存させてもよく、例えば、Nの含有量を0.001%以上程度、好ましくは0.002%以上程度、さらに好ましくは0.0025%以上程度とするのが望ましい。
【0030】
上記本発明の鋼は、さらにCrを添加するのが望ましく、また残部がFe及び不可避的不純物であるのが望ましいが、必要に応じてNb、Ti、希土類金属(REM)のいずれか1種以上を添加してもよく、本発明に悪影響を与えない範囲でZr、Te、及び他の元素のいずれか1種以上を添加してもよい。
【0031】
CrはMnと同様、パーライト焼入性を向上させ、鋼製品の耐力や疲労強度を向上するのに有効な元素である。Crを添加する場合(0%超とする場合)、好ましい含有量は、例えば、0.01%以上、さらに好ましくは0.02%以上、特に0.025%以上程度である。一方、Crを過剰に添加すると、金属組織中にベイナイトが生成して被削性に悪影響を及ぼすようになる。従ってCrの添加量は1%以下程度、好ましくは0.5%以下程度、さらに好ましくは0.2%以下程度とする。
【0032】
Nbは、微細な炭化物や窒化物を形成してフェライト地に析出し、鋼製品の耐力や疲労強度の向上に有効な元素である。Nbを添加する場合その含有量は、例えば、0.15%以下(0%を含まない)程度である。
【0033】
Tiは、加工時の割れを防止するのに有効な元素である。Tiを添加する場合その含有量は、例えば、0.1%以下(0%を含まない)程度である。
【0034】
REMは、被削性をさらに向上させるのに有効な元素である。REMを添加する場合その含有量は、例えば、0.3%以下(0%を含まない)程度である。
【0035】
Zrは、Nとの親和性が強くVNなどの窒化物の析出強化能を低下させるため、添加しないのが望ましい。ただしZrは、加工時の割れを防止するのに有効な元素であり、またMnSを球状化するのにも有効であるため、前記不都合が生じない範囲で添加してもよい。
【0036】
Teは、温度900〜1100℃での熱間延性を低下させるため、連鋳片を熱間圧延して鋼片を製造する時に表面疵を発生させる。従ってTeは、添加しないのが望ましい。ただしTeは被削性を向上させるのに有効であり、またMnSを球状化するのにも有効であるため、前記不都合が生じない範囲で添加してもよい。
【0037】
上述した本発明の鋼は、Pbフリー鋼において破断分割性と被削性を両立するために、C、V、Mn、S、Ca、Mg、及びBiを含有している点に特徴がある。しかしC、V、Mn、S、Ca、及びMgを所定量含有する鋼において、被削性を十分に確保するための元素であるBiを添加すると、鋼材を連続鋳造で製造する際に内部割れが発生する場合がある。
【0038】
そこで本発明では、鋼中のMnとSの質量比(Mn/S)が17.5以上となるように、Mn及びSの含有量を上記範囲から選択している。C、V、Mn、S、Ca、Mg、及びBiを所定量含有する鋼においては、連続鋳造時の内部割れの発生とMn/S比とには優れた相関関係が存在しており、そしてMn/S比を17.5以上にすると急激に内部割れが少なくなる。
【0039】
Mn/S比を大きくすることによって内部割れを抑制できるのは、以下の理由によるものと思料される。すなわちSはFeS、MnS、FeS−MnS、FeS−MnS−SiO2などのような硫化物系介在物を形成し、これら介在物には融点が低いものがあり、また結晶粒界に濃化析出しやすいため、連続鋳造時の内部割れを発生させ易い傾向を有している。そしてC、V、Mn、S、Ca、Mgを所定量含有する鋼においてBiをさらに添加すると、内部割れが現実に発生したものと思われる。ところが前記硫化物系介在物のうちFeSやFeS−MnS−SiO2が特に内部割れを発生させ易いのに対して、MnSは比較的内部割れを発生させにくいため、Mn/S比を大きくして硫化物系介在物中のMnS比率を高くすれば、内部割れを抑制できるものと思われる。なおMnS比率を単純に高くすると、上述したようにMnSが破断分割性を低下させる原因となるものの、本発明ではMg及びCaを複合添加してMnSを球状化しており、MnS比率を高くしたときの不具合をも防止している。
【0040】
Mn/S比は、好ましくは18以上、さらに好ましくは19以上、特に20以上とする。Mn/S比を大きくする程、結果のバラツキを排除でき、確実に内部割れを少なくできる。Mn/S比の上限は、Mnの最大含有量とSの最小含有量によって自ずと決定されるが、通常50以下、例えば45以下、特に40以下程度である。
【0041】
また本発明の鋼は、下記式で定義される炭素当量Ceqが0.8以上、好ましくは0.9以上、さらに好ましくは0.95以上となるように、C、Mn、S、Cr、Vの含有量を上記範囲から選択している。なお上述したように、Crは添加しない場合もある。Ceqが高いほど、鋼製品の引張強さを高めることができる。一方Ceqが高すぎると、被削性が低下する傾向があるためCeqは、例えば1.7以下、好ましくは1.6以下、さらに好ましくは1.5以下、特に1.4以下程度とするのが望ましい。
【0042】
Ceq=[C]+0.28×[Mn]−1.03×[S]+0.323×[Cr]+1.69×[V]
[式中、[C]、[Mn]、[S]、[Cr]、[V]は、それぞれC、Mn、S、Cr、及びVの鋼中含有量(質量%)を示す]
Ceqを上記範囲に制御する場合、Pbフリー鋼の強度は、例えば800MPa以上(好ましくは800〜1400MPa程度)となる。
【0043】
本発明のPbフリー鋼は、鋳片、鋼片、又は棒鋼の形状で取得できる。このようなPbフリー鋼は、慣用の方法で成分調整した溶鋼を連続鋳造し(鋳片の取得)、必要に応じて熱間で分塊圧延(鋼片の取得)及びさらなる圧延(棒鋼の取得)をすることによって製造できる。連続鋳造条件は慣用の条件から適宜選択できるが、例えば、下記に示す条件で行うことが多い。
【0044】
鋳造速度 :0.5〜1.2m/分
比水量(=冷却水量/鋳片総量) :0.15〜0.7L/kg
上記のようにして得られる本発明のPbフリー鋼は、C及びVを含有しているため破断分割性に優れており、S、Ca、Mg及びBiを含有しているため被削性に優れており、Mn/S比が所定の範囲に制御されてMnS比率が高められているために連続鋳造によって製造しても内部割れが抑制されており、さらにCa及びMgが複合添加されているためにMnS比率を高くしても破断分割性を阻害しない。そのため高い被削性と高い破断分割性が要求される鋼製品(例えば、かち割りコンロッドなど)を製造するのに極めて有用である。
【0045】
前記かち割りコンロッド(破断分割型コネクティングロッド)は、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち前記Pbフリー鋼を棒鋼とした後、熱間加工(熱間鍛造など)してコンロッドの外形を形成し、クランクを通す為の穴を切削形成することによって粗形コンロッドを得る。そしてこの粗形コンロッドの穴部分を破断分割することにより、かち割りコンロッドを得ることができる。
【0046】
このようにして得られるかち割りコンロッドは、破断分割性に優れている。またC及びVを含有しているため強度的に優れており、特にCeqが所定の範囲に制御されている場合には高い強度を有している。
【0047】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0048】
実験例1
表1に示す化学成分を有する鋼を常法に従って転炉で溶製した後、連続鋳造機にて、下記に示す条件で鋳造した。得られた鋳片を熱間で分塊圧延し、次いで熱間圧延することにより直径50mmの棒鋼を製造した。
【0049】
[連続鋳造条件]
鋳造速度:0.90m/分
比水量:0.38L/kg
上記鋳片内部に発生した割れの長さ、並びに棒鋼のドリル寿命及び引張強さを下記のようにして測定した。
【0050】
[割れ長さ]
鋳片の横断面(430mm×300mm)を観察するため、鋳片を厚さ10mmにスライス切断して試験片を得た。この試験片の横断面のマクロ試験(マクロ腐食)をJIS G0553に規定する塩酸法に準拠して実施した。横断面において黒く腐食した部分を疵(割れ)とし、その長さ(複数の疵がある場合は、最長のものの長さ)を測定した。
【0051】
[ドリル寿命]
上記棒鋼を長さ50mmに切断し、温度1200℃に加熱して30分保持した後、空冷した。得られた供試鋼を、ドリルによって穴開け加工し、工具が折損又は溶損するまでの加工距離を測定した。なお切削条件は、下記に示す通りである。
【0052】
工具 :SKH51(φ10sd)
切削速度:30m/分
送り :0.21mm
潤滑 :乾式
[引張強さ]
上記棒鋼を切削してJIS Z2201に規定する4号試験片を調製し、JIS Z2241に準拠して、引張強さを測定した。
【0053】
結果を表1並びに図1及び図2に示す。
【0054】
【表1】
【0055】
表1及び図1より明らかなように、Pb添加鋼などのようにBi無添加では、割れが生じない(No.16,17参照)。一方、Pb無添加としBiを添加したときには、比率Mn/Sが小さいと、割れ長さが長くなる(No.10〜15参照)。そこで比率Mn/Sを大きくすると、急激に割れが短くなった(図1、No.1〜9参照)。またこのNo.1〜9は、No.16〜17のPb無添加鋼と同等のドリル寿命を示す。
【0056】
さらに図2より明らかなように、Ceqを大きくすれば引張強さも大きくできる。
【0057】
【発明の効果】
本発明のPbフリー鋼は、C及びVを含有しておりかつMg及びCaによってMnSが球状化されているため破断分割性に優れており、S、Ca、Mg及びBiを含有しているため被削性に優れており、Mn/S比が所定の範囲に制御されてMnS比率が高められているために連続鋳造によって製造しても内部割れが抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はMn/S比と割れ長さとの関係を示すグラフである。
【図2】図2はCeqと引張強さとの関係を示すグラフである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a Pb-free steel (Pb-free steel) useful for manufacturing a steel part requiring break splittability and machinability such as a split-split type connecting rod (commonly referred to as a split connecting rod). It is.
[0002]
[Prior art]
The connecting rod (abbreviation: connecting rod) is an automobile part that transmits the movement of the piston to the crank, and is composed of two parts, a connecting rod body (abbreviation: connecting rod body) and a connecting rod cap (abbreviation: connecting rod cap). The connecting rod is attached to the crank by fitting the connecting rod body and the connecting rod cap across the crank.
[0003]
Conventionally, the connecting rod body and the connecting rod cap are separately manufactured by forging or the like. However, the connecting rod body and the connecting rod cap manufactured in this manner require precise machining of the fitting surface in order to enhance the fitting property. In addition, pin processing is often performed so that the mating surfaces do not shift, and the manufacturing is complicated.
[0004]
2. Description of the Related Art In recent years, a connecting rod has been manufactured by integrally forming a connecting rod body and a connecting rod cap by forging or the like, applying an impact to the integrally formed body, and dividing (breaking) the connecting rod body and the connecting rod cap. (For example, see Patent Document 1), in this specification, the connecting rod obtained in this manner is referred to as a split-split type connecting rod (commonly referred to as a split connecting rod).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-73141 A (Prior Art)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
It is important for the split connecting rod to enhance the fracture splitting property [fitting property of the fracture splitting surface (fracture surface), low deformability (roundness) at the time of fracture splitting]. In the split connecting rod, a portion (a hole portion) sandwiching the crank is formed by cutting after forging and before splitting. Therefore, it is also important to have excellent machinability. Conventionally, Pb-added steel has been frequently used to improve machinability, but Pb-free steel has recently been demanded from the viewpoint of environmental considerations.
[0007]
Therefore, the present inventors have started studies to improve the fracture splitting property and machinability of Pb-free steel.
[0008]
The present inventors first designated C and V as essential addition elements for the above purpose. This is because C and V are important for reducing the toughness of the steel and increasing the fracture splitting ability. However, when C is added, hard cementite is increased, thereby reducing the machinability of steel. Therefore, S was added to compensate for the machinability. This is because S is important in increasing machinability instead of Pb. However, when S is added, Mn is combined with Mn normally present in steel to form MnS. This MnS is elongated in the rolling direction when producing the raw steel slab of the split connecting rod, and therefore extends in a direction perpendicular to the breaking direction (thickness direction of the integrally formed body) before the breaking split. . Therefore, even if an attempt is made to divide the fracture, the progress of the rupture is blocked by the MnS, and the fracturability is reduced. Therefore, even if S is added, the amount of use must be suppressed in order to maintain the fracture splitting property.
[0009]
Therefore, together with the addition of S, Ca and Mg were also added. Ca and Mg are themselves useful for improving machinability, and also have the effect of reducing the anisotropy (aspect ratio) of MnS. Therefore, it is also useful for improving the fracture splitting property. However, even if Ca and Mg are excessively added, the machinability improving effect is saturated, so that the addition of a further machinability improving element is required.
[0010]
Therefore, the present inventors focused on the addition of Bi. This is because Bi is also an element effective for improving machinability.
[0011]
However, it has been found that when Bi is added to steel containing predetermined amounts of C, Mn, V, S, Ca, and Mg, internal cracks occur when the Bi-added steel material is manufactured by continuous casting.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a Pb-free steel excellent in continuous casting internal crack suppressing ability, and excellent in fracture splitting and machinability. It is in.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, in steels containing a predetermined amount of C, Mn, V, S, Ca, Mg and Bi, the ratio of Mn to S (Mn / S The present inventors have found that there is a high correlation between S) and internal cracks, and that when the ratio Mn / S is set to 17.5 or more, the number of internal cracks sharply decreases, thereby completing the present invention.
[0014]
That is, the Pb-free steel of the present invention, which can achieve the above object and has excellent fracture splitting and machinability, is expressed by mass% (hereinafter the same),
C: 0.2-0.6%,
V: 0.1% or more,
Mn: 0.5-2%,
S: 0.03-0.1%,
Ca: 0.0003% or more,
Mg: 0.0003% or more,
Bi: contains 0.01 to 0.3%,
The gist is that the mass ratio (Mn / S) of Mn to S is 17.5 or more. The Pb-free steel desirably contains Cr in an amount of about 0.01 to 1% in order to increase proof stress and fatigue strength. The Pb-free steel usually contains Si, P, Al, and N in the following ranges.
[0015]
Si: 0.6% or less (excluding 0%)
P: 0.1% or less (excluding 0%)
Al: 0.05% or less (excluding 0%)
N: 0.02% or less (excluding 0%)
The Pb-free steel of the present invention preferably has a carbon equivalent Ceq defined by the following formula of 0.8 or more. The larger the Ceq is, the higher the tensile strength can be.
[0016]
Ceq = [C] + 0.28 × [Mn] −1.03 × [S] + 0.323 × [Cr] + 1.69 × [V]
[Wherein [C], [Mn], [S], [Cr], and [V] indicate the contents (% by mass) of C, Mn, S, Cr, and V in the steel, respectively]
The present invention also includes a fracture split type connecting rod obtained from the Pb-free steel.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The Pb-free steel of the present invention has substantially no internal cracks even when manufactured by continuous casting, and is excellent in fracture splitting properties and machinability. Therefore, the Pb-free steel of the present invention can be used to produce steel products (fracture split type connecting rods, etc.) obtained by performing deformation processing (hot working processing such as hot forging), cutting processing, fracture splitting processing, and the like. Useful for
[0018]
Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, the Pb-free steel of the present invention contains C, V, Mn, S, Ca, Mg, and Bi. The reasons for adding and the contents of these elements are as follows.
[0019]
C: 0.2 to 0.6% (meaning by mass%; hereinafter the same)
C is an element that is useful in securing the strength of a steel product (for example, a connecting rod) and enhancing fracture splitting properties. Therefore, the content of C is about 0.2% or more, preferably 0.25% or more, and more preferably 0.30% or more. On the other hand, when C is excessive, the machinability of steel decreases. Therefore, the content of C is about 0.6% or less, preferably about 0.5% or less, and more preferably about 0.4% or less.
[0020]
V: 0.1% or more V is also a useful element in securing the strength of the steel product and in improving the fracture splitting property. Therefore, the content of V is about 0.1% or more, preferably 0.15% or more, and more preferably 0.20% or more. On the other hand, even if V is excessively added, the effect of the addition is saturated. The upper limit of V is not particularly limited as long as it is a common sense level, but is preferably about 0.5% or less, more preferably about 0.4% or less, and particularly about 0.35% or less.
[0021]
Mn: 0.5-2%
Mn is an element effective as a deoxidizing and desulfurizing element at the time of steel smelting, and also increases the pearlite hardenability of a forged product to increase the amount of pearlite, thereby reducing the lamellar interval in pearlite, thereby reducing the steel product. Since it is an element effective for increasing the proof stress and the fatigue strength, it is usually contained in steel. The content of Mn is about 0.5% or more, preferably about 0.6% or more, and more preferably about 0.65% or more. On the other hand, when Mn is excessively added, bainite is generated in the metal structure after the steel is hot forged and cooled, so that the machinability and fracture splitting properties of the steel are reduced. Therefore, the content of Mn is set to about 2% or less, preferably about 1.8% or less, and more preferably about 1.7% or less.
[0022]
S: 0.03 to 0.1%
S is an element particularly useful for improving the machinability of Pb-free steel. Therefore, the content of S is 0.03% or more, preferably 0.035% or more, and more preferably 0.038% or more. On the other hand, when a large amount of S is added, the amount of MnS generated increases. This MnS is elongated in the rolling direction when producing a billet. Accordingly, the steel material is hot-forged into the outer shape of the connecting rod (approximately a club shape), and a hole for passing a crank is formed in the large diameter portion to form a rough connecting rod. When manufacturing the connecting rod by breaking the hole part of the rough connecting rod along the orthogonal plane, the MnS is elongated in a direction substantially perpendicular to the breaking direction. Lower. Therefore, the content of S is set to about 0.1% or less, preferably about 0.09% or less, and more preferably about 0.085% or less.
[0023]
Ca: 0.0003% or more
Mg: 0.0003% or more Ca and Mg form sulfide-based inclusions and form a composite oxide with Al, Si, and the like, and are useful for improving machinability. Is an essential element in order to further improve the machinability of the steel of the present invention, which cannot be added to steel. In addition, Ca and Mg reduce the anisotropy of MnS (spheroidize), and are therefore useful for restoring the fracture splitting property that is reduced by the addition of S. In addition, when Ca or Mg is added alone, large MnS cannot be spheroidized, whereas when Ca and Mg are added in combination, MnS is finely dispersed by the action of Mg, and Ca is extremely spheroidized. Since it effectively contributes, even large MnS can be made spherical, and the fracture splitting property can be remarkably recovered. Therefore, the Ca content is 0.0003% or more, preferably 0.0004% or more, and more preferably about 0.0005% or more, and the Mg content is 0.0003% or more, preferably 0.0004%. Above, more preferably 0.0005% or more. On the other hand, even if Ca and Mg are added in large amounts, the effect of the addition is saturated. The upper limit of the content of Ca and Mg is not particularly limited as long as it is a common sense level, but preferably the content of Ca is about 0.01% or less (for example, about 0.005% or less, particularly about 0.003% or less). ), And the Mg content is about 0.01% or less (for example, about 0.005% or less, particularly about 0.003% or less).
[0024]
Bi: 0.01 to 0.3%
Bi is also useful for improving machinability. In particular, in the present invention, in which Ca and Mg are added, in which a large amount of the free-cutting element S cannot be added from the viewpoint of fracture splitting, and the effect of improving the machinability is saturated, the addition of Bi It is important to further increase The Bi content is about 0.01% or more, preferably about 0.02% or more, more preferably about 0.025% or more, and particularly about 0.03% or more (for example, about 0.04% or more). On the other hand, when Bi is added excessively, the hot workability of the steel material is deteriorated. Therefore, the content of Bi is set to about 0.3% or less, preferably about 0.2% or less, and more preferably about 0.15% or less.
[0025]
The steel of the present invention does not substantially contain Pb, but usually contains Si, P, Al, and N. The contents of Si, P, Al and N are not particularly limited as long as they are at a common sense level, but are preferably as follows.
[0026]
Si: 0.6% or less (excluding 0%)
Si is an element that remains in steel because it is added for deoxidation during steelmaking. When the Si content is excessive, the workability of the steel material is deteriorated. Therefore, the Si content is, for example, about 0.6% or less, preferably about 0.5% or less, and more preferably about 0.4% or less. And Note that Si is useful for strengthening a steel product by forming a solid solution in a ferrite ground of a steel material, and thus may be positively left. In this case, the content of Si is, for example, about 0.01% or more, preferably 0.05% or more, and more preferably 0.1% or more.
[0027]
P: 0.1% or less (excluding 0%)
P is an impurity inevitably remaining in the steel material, and if its content is large, the workability of the steel material is reduced. Therefore, the content of P is, for example, about 0.1% or less, preferably about 0.07% or less, and more preferably about 0.05% or less. Note that P segregates at the grain boundary to reduce toughness, and is therefore useful for improving fracture splitting properties. From this viewpoint, P may be left in a predetermined amount or more. For example, the content of P is about 0.01% or more, preferably about 0.015% or more, and more preferably about 0.018% or more.
[0028]
Al: 0.05% or less (excluding 0%)
Al is an element that remains in steel because it is added for deoxidation during steelmaking. If the Al content is excessive, the workability of the steel material is deteriorated. Therefore, the Al content is, for example, about 0.05% or less, preferably about 0.03% or less, and more preferably about 0.01% or less. And In addition, Al is useful not only for stabilization and homogenization of steel deoxidation, but also for generating nitrides to refine crystal grains and increasing the strength of steel products. It may be left. In this case, the Al content is, for example, about 0.0005% or more, preferably about 0.001% or more, and more preferably about 0.003% or more.
[0029]
N: 0.02% or less (excluding 0%)
N is an unavoidable impurity in the steel material, and if its content is large, the workability of the steel material may be adversely affected. Therefore, the content of N is, for example, about 0.02% or less, preferably about 0.015% or less, and more preferably about 0.010% or less. N forms a nitride with V and Al, and is effective in securing ferrite strength and preventing crystal grains from becoming coarse. From this viewpoint, N may be left in a predetermined amount or more. For example, the content of N is preferably about 0.001% or more, preferably about 0.002% or more, and more preferably about 0.0025% or more. desirable.
[0030]
The steel of the present invention is preferably further added with Cr, and the balance is desirably Fe and inevitable impurities. If necessary, at least one of Nb, Ti, and rare earth metal (REM) may be used. May be added, and at least one of Zr, Te, and other elements may be added within a range that does not adversely affect the present invention.
[0031]
Cr, like Mn, is an element effective in improving pearlite hardenability and improving the proof stress and fatigue strength of steel products. When Cr is added (when it exceeds 0%), the preferable content is, for example, about 0.01% or more, more preferably 0.02% or more, and particularly about 0.025% or more. On the other hand, when Cr is added excessively, bainite is generated in the metal structure, which adversely affects the machinability. Therefore, the amount of Cr added is about 1% or less, preferably about 0.5% or less, and more preferably about 0.2% or less.
[0032]
Nb is an element that forms fine carbides and nitrides and precipitates on ferrite ground, and is effective in improving the proof stress and fatigue strength of steel products. When Nb is added, its content is, for example, about 0.15% or less (excluding 0%).
[0033]
Ti is an element effective for preventing cracking during processing. When Ti is added, its content is, for example, about 0.1% or less (not including 0%).
[0034]
REM is an effective element for further improving machinability. When REM is added, its content is, for example, about 0.3% or less (not including 0%).
[0035]
Zr is desirably not added because it has a strong affinity with N and lowers the precipitation strengthening ability of nitrides such as VN. However, Zr is an element effective for preventing cracking during processing and is also effective for spheroidizing MnS. Therefore, Zr may be added to the extent that the above-mentioned disadvantage does not occur.
[0036]
Te lowers the hot ductility at a temperature of 900 to 1100 ° C., so that surface defects occur when a continuously cast piece is hot-rolled to produce a steel slab. Therefore, it is desirable not to add Te. However, Te is effective in improving machinability and is also effective in spheroidizing MnS. Therefore, Te may be added in a range that does not cause the inconvenience.
[0037]
The steel of the present invention described above is characterized in that it contains C, V, Mn, S, Ca, Mg, and Bi in order to achieve both fracture splitting and machinability in a Pb-free steel. However, in a steel containing predetermined amounts of C, V, Mn, S, Ca, and Mg, if Bi, which is an element for ensuring sufficient machinability, is added, internal cracking occurs when steel is manufactured by continuous casting. May occur.
[0038]
Therefore, in the present invention, the contents of Mn and S are selected from the above range so that the mass ratio of Mn to S (Mn / S) in the steel is 17.5 or more. In steels containing predetermined amounts of C, V, Mn, S, Ca, Mg, and Bi, there is an excellent correlation between the occurrence of internal cracks during continuous casting and the Mn / S ratio, and When the Mn / S ratio is set to 17.5 or more, internal cracks rapidly decrease.
[0039]
It is considered that the reason why the internal crack can be suppressed by increasing the Mn / S ratio is as follows. That S is FeS, MnS, FeS-MnS, forming sulfide inclusions such as FeS-MnS-SiO 2, in these inclusions may have low melting point, also thickening precipitated at grain boundaries Therefore, it has a tendency to easily cause internal cracks during continuous casting. When Bi is further added to steel containing predetermined amounts of C, V, Mn, S, Ca, and Mg, it is considered that internal cracks actually occurred. However, among the sulfide-based inclusions, FeS and FeS—MnS—SiO 2 are particularly prone to generate internal cracks, whereas MnS is relatively hard to generate internal cracks. It is considered that increasing the MnS ratio in the sulfide-based inclusions can suppress internal cracks. When the MnS ratio is simply increased, as described above, MnS causes a decrease in fracture splitting properties.However, in the present invention, MnS is made spherical by adding Mg and Ca in combination, and when the MnS ratio is increased. Is also prevented.
[0040]
The Mn / S ratio is preferably at least 18, more preferably at least 19, especially at least 20. As the Mn / S ratio is increased, variation in the results can be eliminated, and internal cracks can be reliably reduced. The upper limit of the Mn / S ratio is naturally determined by the maximum content of Mn and the minimum content of S, but is usually 50 or less, for example, 45 or less, and particularly about 40 or less.
[0041]
In addition, the steel of the present invention has C, Mn, S, Cr, and V so that the carbon equivalent Ceq defined by the following formula is 0.8 or more, preferably 0.9 or more, and more preferably 0.95 or more. Is selected from the above range. As described above, Cr may not be added in some cases. The higher the Ceq, the higher the tensile strength of the steel product. On the other hand, if the Ceq is too high, the machinability tends to decrease. Therefore, the Ceq is, for example, about 1.7 or less, preferably 1.6 or less, more preferably 1.5 or less, and especially about 1.4 or less. Is desirable.
[0042]
Ceq = [C] + 0.28 × [Mn] −1.03 × [S] + 0.323 × [Cr] + 1.69 × [V]
[Wherein [C], [Mn], [S], [Cr], and [V] indicate the contents (% by mass) of C, Mn, S, Cr, and V in the steel, respectively]
When Ceq is controlled in the above range, the strength of the Pb-free steel is, for example, 800 MPa or more (preferably about 800 to 1400 MPa).
[0043]
The Pb-free steel of the present invention can be obtained in the form of a slab, a slab, or a bar. Such Pb-free steel is prepared by continuously casting molten steel whose composition has been adjusted by a conventional method (acquisition of a slab) and, if necessary, hot slab rolling (acquisition of a slab) and further rolling (acquisition of a steel bar). ). The continuous casting conditions can be appropriately selected from conventional conditions. For example, the continuous casting is often performed under the following conditions.
[0044]
Casting speed: 0.5 to 1.2 m / min Specific water amount (= cooling water amount / total slab amount): 0.15 to 0.7 L / kg
The Pb-free steel of the present invention obtained as described above has excellent fracture splitting properties because it contains C and V, and has excellent machinability because it contains S, Ca, Mg and Bi. Because the Mn / S ratio is controlled within a predetermined range and the MnS ratio is increased, internal cracks are suppressed even when manufactured by continuous casting, and Ca and Mg are added in a complex manner. Even when the MnS ratio is increased, the fracture splitting property is not impaired. Therefore, it is extremely useful for manufacturing a steel product (for example, a split connecting rod or the like) that requires high machinability and high fracture splitting property.
[0045]
The split connecting rod (fracture split type connecting rod) can be manufactured, for example, as follows. That is, after the Pb-free steel is made into a steel bar, the outer shape of the connecting rod is formed by hot working (hot forging or the like), and a hole for passing a crank is formed by cutting to obtain a coarse connecting rod. By breaking and dividing the hole portion of the rough connecting rod, a split connecting rod can be obtained.
[0046]
The split connecting rod thus obtained is excellent in break splitting properties. In addition, since it contains C and V, it is excellent in strength, and particularly when Ceq is controlled in a predetermined range, it has high strength.
[0047]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples, and may be appropriately modified within a range that can conform to the purpose of the preceding and the following. It is, of course, possible to implement them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.
[0048]
Experimental example 1
Steel having the chemical components shown in Table 1 was melted in a converter according to a conventional method, and then cast by a continuous casting machine under the following conditions. The obtained slab was hot slab-rolled and then hot-rolled to produce a steel bar having a diameter of 50 mm.
[0049]
[Continuous casting conditions]
Casting speed: 0.90 m / min Specific water volume: 0.38 L / kg
The length of the crack generated inside the slab, and the drill life and tensile strength of the steel bar were measured as follows.
[0050]
[Crack length]
In order to observe the cross section (430 mm x 300 mm) of the slab, the slab was slice-cut to a thickness of 10 mm to obtain a test piece. A macro test (macro corrosion) of the cross section of this test piece was performed according to the hydrochloric acid method specified in JIS G0553. The portion corroded black in the cross section was regarded as a flaw (crack), and its length (if there are a plurality of flaws, the length of the longest one) was measured.
[0051]
[Drill life]
The bar was cut into a length of 50 mm, heated to a temperature of 1200 ° C., held for 30 minutes, and air-cooled. The obtained test steel was drilled with a drill, and the processing distance until the tool was broken or melted was measured. The cutting conditions are as shown below.
[0052]
Tool: SKH51 (φ10sd)
Cutting speed: 30m / min Feed: 0.21mm
Lubrication: dry type [tensile strength]
The bar was cut to prepare a No. 4 test piece specified in JIS Z2201, and the tensile strength was measured in accordance with JIS Z2241.
[0053]
The results are shown in Table 1 and FIGS.
[0054]
[Table 1]
[0055]
As is clear from Table 1 and FIG. 1, cracking does not occur when Bi is not added, such as Pb-added steel (see Nos. 16 and 17). On the other hand, when Bi is added without adding Pb, if the ratio Mn / S is small, the crack length becomes longer (see Nos. 10 to 15). Therefore, when the ratio Mn / S was increased, the cracks were sharply shortened (see FIG. 1, Nos. 1 to 9). This No. Nos. 1 to 9 are Nos. It shows the same drill life as Pb-free steel of No. 16-17.
[0056]
Further, as is clear from FIG. 2, the tensile strength can be increased by increasing Ceq.
[0057]
【The invention's effect】
Since the Pb-free steel of the present invention contains C and V and MnS is spheroidized by Mg and Ca, it is excellent in fracture splitting property and contains S, Ca, Mg and Bi. It has excellent machinability, and the Mn / S ratio is controlled within a predetermined range to increase the MnS ratio, so that internal cracks are suppressed even when manufactured by continuous casting.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the Mn / S ratio and the crack length.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between Ceq and tensile strength.
Claims (5)
C :0.2〜0.6%、
V :0.1%以上、
Mn:0.5〜2%、
S :0.03〜0.1%、
Ca:0.0003%以上、
Mg:0.0003%以上、
Bi:0.01〜0.3%を含有し、
前記MnとSの質量比(Mn/S)が17.5以上であることを特徴とする破断分割性及び被削性に優れたPbフリー鋼。Mass% (hereinafter the same),
C: 0.2-0.6%,
V: 0.1% or more,
Mn: 0.5-2%,
S: 0.03-0.1%,
Ca: 0.0003% or more,
Mg: 0.0003% or more,
Bi: contains 0.01 to 0.3%,
A Pb-free steel excellent in fracture splitting and machinability, wherein the mass ratio of Mn to S (Mn / S) is 17.5 or more.
P :0.1%以下(0%を含まない)、
Al:0.05%以下(0%を含まない)、
N :0.02%以下(0%を含まない)を含有する請求項1又は2に記載のPbフリー鋼。Si: 0.6% or less (excluding 0%),
P: 0.1% or less (excluding 0%),
Al: 0.05% or less (excluding 0%),
The Pb-free steel according to claim 1 or 2, wherein N: contains 0.02% or less (excluding 0%).
Ceq=[C]+0.28×[Mn]−1.03×[S]+0.323×[Cr]+1.69×[V]
[式中、[C]、[Mn]、[S]、[Cr]、[V]は、それぞれC、Mn、S、Cr、及びVの鋼中含有量(質量%)を示す]The Pb-free steel according to any one of claims 1 to 3, wherein a carbon equivalent Ceq defined by the following formula is 0.8 or more.
Ceq = [C] + 0.28 × [Mn] −1.03 × [S] + 0.323 × [Cr] + 1.69 × [V]
[In the formula, [C], [Mn], [S], [Cr], and [V] indicate the contents (% by mass) of C, Mn, S, Cr, and V in steel, respectively]
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