专利名称：添加钛的高强度钢的制作方法
技术领域：
本发明是关于用于汽车部件等各种产业用机械和装置的部件的机械结构用钢，特别是关于以机械结构用钢为基础、向其中进一步添加了钛的添加钛的高强度钢。
背景技术：
以往，在汽车部件等各种产业机械和装置的部件中通常使用日本工业标准(JIS)中规定的SC钢、SMn钢、SCr钢、SCM钢、SNC钢、SNCM钢和SUJ钢，在这些钢中进一步添加了B的钢，以及在这些钢中进一步添加了微量元素的钢等机械结构用钢。
另外，人们还知道在这些机械结构用钢中进一步添加了500ppm(0.0500质量％)或以上钛的钢，例如参见特开平8-283910、特开平10-130720、特开平10-251806、特开平11-293403以及特开平11-293392。在这些文献中公开了，通过在机械结构用钢中添加500ppm或以上的钛，可以提高钢的各种性能例如静态强度、疲劳强度和晶粒度等特性。
发明内容
最近，本发明者们发现，在添加了钛的机械结构用钢中，通过控制氮含量或者钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 可以得到疲劳强度等各种性能优异的添加钛的高强度钢。在这样得到的添加钛的高强度钢中，TiN或富N的TiCN等夹杂物的生成受到抑制。
因此，本发明的目的是，提供疲劳强度等各种性能优异的添加钛的机械结构用钢。
即，本发明的第一实施方式的添加钛的高强度钢，是由含有Ti0.0500质量％或以上和N不足0.0100质量％的机械结构用钢构成。
本发明的第二实施方式的添加钛的高强度钢，是由含有Ti0.0500质量％或以上的机械结构用钢构成，用极值统计法预测的、在30000mm2被检测面积中的钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 是80μm或以下。
本发明的第三实施方式的添加钛的高强度钢，是由含有Ti0.0500质量％或以上和N不足0.0100质量％的机械结构用钢构成，用极值统计法预测的、在30000mm2被检测面积中的钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 是80μm或以下。
图1是表示实施例1中制造的、本发明第一实施方式的钢及其比较钢的氮含量(质量％)与疲劳极限(MPa)的关系的图。图中，每一标记旁有一对数字，左边的数字表示炉号No.，右边的数字表示该炉号No.中的试样编号。
图2是表示实施例2中制造的、本发明的第二和第三实施方式的钢及其比较钢的TiN的最大尺寸 与旋转弯曲试验的疲劳极限(MPa)的关系的图。
图3是表示实施例2中制造的、本发明的第二和第三实施方式的钢及其比较钢的TiN的最大尺寸 与断裂源的TiN几率(％)的关系的图。
具体实施例方式
定义在本发明中， 是用极值统计法预测的、在规定的检测面积中存在的最大非金属夹杂物的面积的平方根，在本发明中是钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸。
“极值统计法”是一种已知的方法，即，由一个钢坯上切取多个试片，测定各试片中的夹杂物的最大直径，假定具有最大直径的夹杂物的存在是按统计分布的，来推断规定体积中存在的夹杂物的最大直径。该方法例如在村上敬宜“金属疲劳「微小缺陷与介在物的影响」”，(1993)，养贤堂中有详细的说明。一般的夹杂物评定方法主要是评价夹杂物的数量，与此相对，极值统计法是采用统计方法来推断“在一定大小的区域(危险体积)中存在的最大夹杂物的尺寸(极值)”。这种方法使用“将夹杂物投影到特定方向的平面上时的投影面积的平方根 作为“夹杂物大小的指标”。然后，根据在几个被检测面积中检测出的最大夹杂物的 的分布，采用统计处理来推断“危险体积中的最大夹杂物的 即 添加钛的高强度钢本发明的添加钛的高强度钢，是以机械结构用钢为基础，在该机械结构用钢中进一步添加钛，并且限制氮含量或钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 的钢。
在本发明的钢中，钛的含量是0.0500质量％或以上，优选的是0.080-0.200质量％，更优选0.10-0.18质量％。通过在上述范围内添加钛，可以提高机械结构用钢的各种性能，例如静态强度、疲劳强度、晶粒度等特性。
根据本发明的优选的实施方式，钢中的氮含量是不足0.0100质量％，优选的是不足0.0080质量％，更优选为0.0020-0.0070质量％。氮含量在上述范围内时，可以有效地发挥添加钛的钢的性能。即，一般在添加钛的钢中，通过添加钛使钢中析出100nm或以下大小的TiC或富C的TiCN，可以得到优异的性能。但是，当钛与氮和碳反应，结晶出由TiN或富氮的TiCN(以下将二者统称为“TiN”)构成的非金属夹杂物时，会认为这种夹杂物对钢的性能将产生不利的影响。因此，通过将钢中的氮含量限制在上述范围内，可以抑制TiN的结晶，使钛形成100nm或以下大小的析出型TiC或富C的TiCN的形态。结果排除了上述的不利影响，可以有效地发挥添加钛的钢的性能。
根据本发明的优选的实施方式，将TiN的最大尺寸 限定在80μm或以下，优选的是60μm或以下，更优选为0-50μm。 在上述范围内时，可以实现高的强度。即，结晶型的TiN，通过与钢中含有的氧化物类夹杂物的大小保持均衡，有可能成为疲劳断裂的起点。具体地说，根据本发明者们的见解，TiN的最大尺寸超过80μm时，其尺寸比氧化物类夹杂物大的可能性增高，因而TiN成为疲劳断裂的起源。在这种情况下，如果处在引起以夹杂物为起源的疲劳断裂的使用条件下，其强度就会低于不添加Ti的钢。因此，将TiN的最大尺寸限定在80μm或以下，使之达到与氧化物类夹杂物的大小相同或更小，上述强度低下的情况就不复存在了。
根据本发明的优选的实施方式，添加钛的高强度钢是以选自SC钢(JISG4051(1979))、SMn钢(JISG 4106(1979))、SCr钢(JISG 4104(1979))、SCM钢(JISG 4105(1979))、SNC钢(JISG 4102(1979))、SNCM钢(JISG4103(1979))和SUJ钢(JISG 4805(1999))中的机械结构用钢为基础的钢。根据本发明的进一步优选的实施方式，以上述机械结构用钢为基础的钢，是含有Ti和N、根据需要的微量元素、余量是铁和不可避免的杂质的钢，并且满足上述的Ti、N以及TiC和TiCN的条件。
本发明中所述的“微量元素”，是指在约0.5％或以下的含量时对钢产生有益的效果的元素。另外，所述的“根据需要”是指，根据用途的需要可以任意含有，也可以完全不含有。
作为微量元素的有代表性的例子可以举出以下例子。Al是作为脱氧元素经常使用的元素，最大可以含有0.05％。B是提高淬透性的元素，最大可以含有0.0050质量％。Pb、Bi、Te和Se是提高切削性能的元素，最大可以含有0.3％。同样，Ca最大可以含有0.010％，S最大可以含有0.3％。此外，为了提高切削性能，S含量可以超过0.05％，优选的是0.1％或以上，在重视机械强度优于切削性能的场合，其含量应在0.05％或以下。
根据本发明的优选的实施方式，上述添加钛的高强度钢含有(质量％)C0.10～1.20％、Si0.05～2.0％、Mn0.05～2.0％、Ti0.0500～0.25％、N0.0020～0.0100％、根据需要、P0～0.050％、O0～0.0030％、Ni0～3.00％、Cr0～3.00％、Mo0～3.00％、Al0～0.05％、B0～0.0050％、Pb0～0.3％、Bi0～0.3％、Te0～0.3％、Se0～0.3％、Ca0～0.010％、S0～0.3％，余量是铁和不可避免的杂质。
制造方法本发明的添加钛的高强度钢的制造例如可以按照下述进行。首先，用电炉熔炼规定成分的钢。接着，用盛钢桶精炼钢水，调节钢水的合金量，与此同时对钢水添加0.015-0.023质量％的Al，降低氧量(Al脱氧)，然后进行RH除气处理。在除气处理的末期添加Ti，使钢水量的2.0倍的量回流，熔炼成150吨具有0.05-0.20质量％(500-2000ppm)范围内的钛含量的钢水。
在1570℃下将这些钢水从盛钢桶中转移到中间包，使用连续铸造装量，铸造成具有380mm×450mm断面的大断面铸坯。此时，以0.45米/秒的铸造速度牵引铸坯，在铸造排出口下方36米处用气割机切割成铸坯。所得到的铸坯被输送到初轧开坯工序。钢水从通过铸造排出口时到气割时的时间相当于80分钟。
将这样得到的铸坯切割，该切割表面经抛光后用HCL水溶液腐蚀，观察金相组织，根据其枝晶臂的间隔可以推断冷却速度。根据本发明人的测定，即使是最后凝固的铸坯中心附近，冷却速度也达到1.1℃/分钟。
随后，将所得铸坯交付初轧开坯工序。在该初轧开坯工序中，将铸坯加热至1180℃或以上，然后热轧得到φ150的钢材。将所得到的钢材轧制，制成中间产品。该轧制自始至终是在1180℃或以上的温度范围内进行，轧制后快速冷却到1100℃或以下，使TiC或富C的TiCN等析出物的粒径不会长大。
另外，在轧制时间较短且轧制后的尺寸较小的场合，轧制后的冷却也可以通过空冷进行，在除此以外的其它场合，也可以利用水冷或风冷等方法快速冷却，抑制晶粒长大。特别是在轧制状态下到形成最终产品之前不进行再加热的场合，采用这样的温度控制方法就足够了。另一方面，要加工成部件时，在轧制后为了进行热锻造而进行再加热的场合，必须进行与上述热轧同样的用于抑制晶粒长大的温度控制。
实施例实施例1
按照上面所述的制造方法，对于各炉号No.制造下面所示的添加Ti的钢。
炉号No.1以SCr420为基础的添加Ti的钢炉号No.2以SCM420为基础的添加Ti的钢炉号No.3以SNCM420为基础的添加Ti的钢炉号No.4以SNC415为基础的添加Ti的钢炉号No.5以S45C为基础的添加Ti的钢炉号No.6以SMn443为基础的添加Ti的钢炉号No.7以SUJ2为基础的添加Ti的钢炉号No.8在SCr420中添加了B和Ti的钢此时，对于各炉号No.，通过改变除气时间，熔炼不同N含量的钢。
表1中示出供试材料的化学成分。该表中所示的、作为各炉号No.的基础的钢及其化学成分说明如下。
炉号No.1是SCr420，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。炉号No.2是SCM420，其中不可避免的杂质是Ni。炉号No.3是SNCM420。炉号No.4是SNC415，其中不可避免的杂质是Mo。炉号No.5是S45，其中不可避免的杂质是Ni、Cr和Mo。炉号No.6是SMn443，其中不可避免的杂质是Ni、Cr和Mo。炉号No.7是SUJ2，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。炉号No.8是在SUJ2中添加了B的钢，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。
表1单位质量％，其中Ti、O、N和B的单位是ppm
将所得到的铸坯加热，延伸锻造成φ20mm，正火后切削加工，得到旋转弯曲试样。SUJ2的添加Ti的钢进行淬火和回火，S45C和SMn443的添加Ti的钢进行高频淬火和回火，其它的添加Ti的钢进行渗碳淬火和回火，使其表面硬化。将各试样的试验部位表面精抛光，然后使用小野式旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳极限的测定试验。
表1中示出经疲劳极限试验得到的N含量(ppm)与旋转弯曲疲劳强度(MPa)的关系。如图所示，当N含量超过80ppm时，疲劳极限(107次循环疲劳强度)开始降低，其含量在100ppm或以上时，疲劳强度大为降低。可认为这是由于，随着N含量的增加，对疲劳强度有害的TiN增多所致。
实施例2按照上面所述的制造方法，对于各炉号No.制造下面所示的添加Ti的钢。
炉号A以SCr420为基础的添加Ti的钢炉号B以SCM420为基础的添加Ti的钢炉号C以SNCM420为基础的添加Ti的钢炉号D以SNC415为基础的添加Ti的钢炉号E以S45C为基础的添加Ti的钢炉号F以SMn443为基础的添加Ti的钢炉号G以SUJ2为基础的添加Ti的钢炉号H在SUJ2中添加了B和Ti的钢此时，对于各炉号，控制连续铸造时的凝固速度，得到TiN的尺寸不同的添加Ti的钢，由该钢制成试样。
表2中示出该添加Ti的钢的成分。该表中所示的、作为各炉号的基础的钢及其化学成分说明如下。
炉号A是SCr420，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。炉号B是SCM420，其中不可避免的杂质是Ni。炉号C是SNCM420。炉号D是SNC415，其中不可避免的杂质是Mo。炉号E是S45C，其中不可避免的杂质是Ni、Cr和Mo。炉号F是SMn443，其中不可避免的杂质是Ni、Cr和Mo。炉号G是SUJ2，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。炉号H是在SUJ2中添加B的钢，其中不可避免的杂质是Ni和Mo。
表2单位质量％、其中Ti、O、N和B的单位是ppm
将所得到的添加Ti的钢的钢材加热，延伸锻造成φ20mm，正火后切削加工，得到旋转弯曲试样，与实施例1同样进行旋转弯曲试验。
图2中示出经疲劳极限试验得到的、 与旋转弯曲疲劳强度(MPa)的关系。在图2中，“○”表示中碳钢。如该图中所示， 超过60μm时，疲劳极限降低，超过80μm时，疲劳极限进一步降低。
对于表2中所示钢材的所有试样，调查形成断裂源的非金属夹杂物，确定 疲劳极限(MPa)和以TiN为断裂源的几率(％)。结果如表3所示。另外，图3中示出测定结果，其中，纵轴表示断裂源的TiN几率，横轴表示TiN的 如表3中所示，当TiN的 增大时，TiN成为断裂源的几率升高，超过80μm时，几乎都是以TiN为断裂源发生破断。即， 在60μm以下时，由于TiN比氧化物类夹杂物小，因而氧化物类夹杂物成为断裂源，Ti系夹杂物对于疲劳强度没有影响。反之， 在80μm或以上时，TiN比氧化物类夹杂物大，因此疲劳断裂大部分是以TiN为断裂源，使疲劳强度降低。由这一结果可以看出TiN的大小对疲劳强度的影响。
表3
权利要求
1.一种添加钛的高强度钢，其特征在于，是由含有Ti0.0500质量％或以上和N不足0.0100质量％的机械结构用钢构成。
2.一种添加钛的高强度钢，其特征在于，是由含有Ti0.0500质量％或以上的机械结构用钢构成，用极值统计法预测的、在30000mm2被检测面积中的钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 是80μm或以下。
3.一种添加钛的高强度钢，其特征在于，是由含有Ti0.0500质量％或以上和N不足0.0100质量％的机械结构用钢构成，用极值统计法预测的、在30000mm2被检测面积中的钢中结晶出的TiN和/或TiCN的最大尺寸 是80μm或以下。
4.权利要求1-3中任一项所述的添加钛的高强度钢，其特征在于，是以选自SC钢(JISG 4051(1979))、SMn钢(JISG 4106(1979))、SCr钢(JISG 4104(1979))、SCM钢(JISG 4105(1979))、SNC钢(JISG 4102(1979))、SNCM钢(JISG 4103(1979))和SUJ钢(JISG 4805(1999))中的钢为基础，使其中含有Ti和N，根据需要含有微量元素并含有不可避免的杂质元素构成的钢。
5.权利要求1-3中任一项所述的添加钛的高强度钢，其特征在于，以质量％计，含有C0.10～1.20％、Si0.05～2.0％、Mn0.05～2.0％、Ti0.0500～0.25％、N0.0020～0.0100％，根据需要还含有P0～0.050％、O0～0.0030％、Ni0～3.00％、Cr0～3.00％、Mo0～3.00％、Al0～0.05％、B0～0.0050％、Pb0～0.3％、Bi0～0.3％、Te0～0.3％、Se0～0.3％、Ca0～0.010％、S0～0.3％，余量是铁和不可避免的杂质。
全文摘要
本发明公开了疲劳强度等各种性能优异的添加钛的机械结构用钢。本发明的第一实施方式的添加钛的高强度钢，是由含有Ti0.0500质量％或以上和N不足0.0100质量％的机械结构用钢构成。另外，本发明的第二实施方式的添加钛的高强度钢，是由含有Ti0.0500质量％或以上的机械结构用钢构成，用极值统计法预测的被检测面积30000mm
文档编号C22C38/28GK1498980SQ20031010175
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月22日 优先权日2002年10月25日
发明者平冈和彦, 北野修平, 平 申请人:山阳特殊制钢株式会社